För ungefär fem år sedan, Areg Danagoulian, docent vid MIT -avdelningen för kärnvetenskap och teknik (NSE), blev fascinerad av en teknik som utvecklats av forskare vid Los Alamos National Laboratory som använder en neutronstråle för att identifiera okända material.

"De kunde titta in i en svart låda med uran och säga vilken typ och hur mycket, "säger Danagoulian, som leder MIT:s laboratorium för tillämpad kärnfysik (LANPh). "Jag tänkte på problemet med att verifiera kärnmaterial i stridsspetsar, och det gick upp för mig, denna fantastiska teknik kan tillämpas på det vi arbetar med. "

Men det var ett problem:Denna metod, kallad neutronresonansöverföringsanalys (NRTA), kräver en enorm, dyr apparat, begränsa dess användbarhet för den typ av kärnämnesapplikationer på plats som Danagoulian och hans forskningskollegor fokuserar på. För att hoppa över detta hinder, de bestämde sig för att göra NRTA -teknik bärbar.

Ett papper som beskriver resultaten av denna ansträngning-en först i sitt slag, mobil NRTA -apparat med förmågan att detektera grundkompositionen för specifika material - visas i Fysisk granskning tillämpad.

"Vårt grundläggande mål var att möjliggöra teknik på plats som kan användas för att identifiera alla typer av kärnämnen, "säger Ethan A. Klein '15, en tredje års NSE-doktorand, och författare till tidningen. "Vi kunde visa att även utan den stora, experimentella uppsättningar av de nationella laboratorierna, vår låga kostnad, bärbart system kan exakt identifiera en rad olika material. "

Medförfattare till detta papper inkluderar Danagoulian; Farheen Naqvi, en forskare vid LANPh; Jacob E. Bickus, en militärkamrat vid Lincoln Laboratory; Hin Y. Lee Ph.D. '20; och Robert J. Goldston, professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton University och tidigare chef för Princeton Plasma Physics Laboratory. National Nuclear Security Administration vid US Department of Energy finansierade sin forskning.

Följ neutronerna

NRTA vilar på sedan länge etablerad vetenskap:När den bombarderas med neutroner på specifika energinivåer, kärnorna i vissa material kommer att genomgå en resonant interaktion med dessa neutroner, och uppnå en övergång till ett upphetsat tillstånd. "Kärnan blir ett filter, absorberar väsentligen neutroner av en viss energi, och låter de flesta andra neutroner passera, "förklarar Danagoulian.

Forskare har utvecklat ett bibliotek med unika neutronresonans "fingeravtryck" för isotoper av många element, inklusive metalliska kemiska element som finns i den högre änden av det periodiska systemet, såsom uran och plutonium, som figurerar i kärnkraftssystem och kärnvapen, och element från mitten, som silver och volfram, som tjänar i industriella sammanhang. Med kunskap om dessa unika fingeravtryck, det är möjligt att identifiera en okänd, kärnreaktivt material.

Detta är en teknik som de nationella laboratorierna behärskar:Med hög intensitet, pulserade neutronstrålar och känsliga detektorer, forskare kan fastställa energinivåerna för neutroner som absorberas av ett material och de som passerar genom, och sedan kartlägga dessa mätningar mot biblioteket av isotopiska fingeravtryck.

Forskare från en rad områden har börjat experimentera med denna teknik, inklusive arkeologer som försöker bestämma sammansättningen av gamla föremål. Men NRTAs djupaste inverkan kan ligga i kärnkraftsområdet. "Om du vill ta reda på hur mycket bränsle som finns kvar i dina reaktorer, du kan använda NRTA för att prova berikningsnivån för bränslepellets, "säger Naqvi, nämner en potentiell applikation. "Eller i vapenkontroll för att ta reda på om ett stridsspets som är demonterat är falskt eller innehåller riktiga kärnämnen."

Att ta prover av sådant material till de nationella laboratorierna är i allmänhet inte praktiskt. med hårda skydd för kärnbränsle och material som används i kärnvapen. Danagoulians team bestämde sig för att designa och bygga en apparat som kan möta utmaningarna på NRTA på plats.

Design och bygg

Klein, som ägnar sin doktorandforskning åt detta projekt, tillbringade månader med att simulera den tänkta tekniken:en deuterium-tritiumgenerator som strålar neutroner genom ett rör vid målmaterialet, med en detektor placerad precis bakom. Till skillnad från apparaterna på nationella laboratorier, som kan nå hundratals meter i längd, hela lagets uppställning tog bara 3 meter, och kan flyttas runt av en person. Det fanns utmaningar, fastän.

"Dessa neutroner produceras med hög energi och vi var tvungna att hitta ett sätt att sakta ner dem för att producera så många neutroner som möjligt med intressenergier, "säger han." Skärmning var också en stor fråga, "tillägger Naqvi." Cocktailen av neutroner med olika energier "dansar av väggar och utrustning, och gammastrålarna som produceras av kärnreaktioner, hon säger, skapar ett slags brus som döljer upptäckten av neutroner som överförs genom och de som absorberas av målet.

Forskarna jury-riggade en version av sin apparat med postorderkomponenter och "en neutronkälla vi har haft på MIT sedan 1997 som hade samlat damm på en hylla, säger Klein.

De hade inte så tur med timing. Precis som de var redo att börja sina experiment, pandemin stängde laboratorieanläggningar vid MIT. Klein var tvungen att övervaka när de andra forskarna genomförde inledande tester vid Princetons Plasma Physics Laboratory, under ledning av Robert J. Goldston. De använde volfram som målmaterial på grund av dess starka resonanser. "Vi hade en suboptimal inställning, men jag såg mycket svaga signaler, och jag sa, "Det finns hopp, säger Danagoulian.

Efter en återkomst till MIT:s säkra valvtestplats och flera månaders iterationer för att minska bakgrundsneutronbrus, "Vi hade bevis på koncept, "säger Naqvi." Vi kunde faktiskt identifiera element som indium, silver, och uran, och vi behövde inga stora enheter. "

"Vår inställning gick från något som inte var särskilt känsligt för starka signaler, för något känsligt för mycket svaga signaler, "säger Danagoulian. Han tror att pandemin kan ha hjälpt på ett konstigt sätt, med laget som gör sina läxor och förbereder sig i månader medan de kliar för att börja experiment, och sedan arbeta mycket intensivt när de säkrade sällsynta möjligheter i labbet. "Kontraintuitivt, det bidrog till snabba framsteg, " han säger.

Teamets metod fångar ännu inte in data i de höga laboratoriernas höga upplösning, som har en precision för att se ännu mindre och svagare signaler om neutronenergier. Men i flera experiment, deras apparat mätte framgångsrikt neutronabsorption och överföring genom fyra olika mål, matchande isotopiska fingeravtryck för att utgå från målmaterialets sammansättning.

"Detta är kraftfull teknik, belastad och hämmad tidigare av enorma kostnader och otillgänglighet, "säger Danagoulian." Och nu har vi tagit bort den kostnads- och storleksbarriären. "Han uppskattar en prislapp på mindre än $ 100, 000 för bärbar NRTA, mot hundratals miljoner för de nationella laboratoriernas motsvarighet.

Glen Warren, ledare för Safeguards and Arms Control Team vid Pacific Northwest National Laboratory, finner teamets arbete "ganska innovativt". På grundval av denna forskning, han samarbetar med Danagoulian om en nationell kärnsäkerhetsadministration/avdelning för energifinansierade projekt som undersöker tillämpningen av NRTA i vapenkontroll. Warren säger att MIT:s kompakta apparat "kan möjliggöra fältmätningar ... för att bekräfta att ett objekt som presenteras som stridsspets innehåller kärnmaterial, vilket förbättrar vårt förtroende för att objektet är ett stridsspets. "

Danagoulians team förbereder för närvarande ett papper som sammanfattar experiment som visar att deras teknik också kan upptäcka mängden av ett element i ett målmaterial. Detta kan visa sig vara viktigt i kärnkraftsskyddsprogrammet, där man bestämmer exakta mängder uran och plutonium, hjälp att skilja mellan den riktiga och en falsk. Och de fortsätter att förfina apparaten för att förbättra mätningens upplösning.

Verkliga framsteg i verifieringen av kärnvapen och andra områden inom kärnsäkerhet kräver inte bara tekniska genombrott, men en vilja att anamma dessa nya tillvägagångssätt. För detta ändamål, Danagoulian arbetar med partners i de nationella laboratorierna, lärda, och politiska beslutsfattare. "Vi kommunicerar våra resultat till de vetenskapliga, teknisk, och politiska samhällen, "säger Danagoulian." Det kan finnas nackdelar och det kan finnas möjligheter. Vi kommer att identifiera båda, fixa baksidan, och fortsätta möjligheterna. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.