科學(xué)家用成像技術(shù)制作核探測器 監測核材料失竊

　　假設兩個(gè)探測器面對面，相距1米左右，一個(gè)原子核衰變后釋放的中子擊中一個(gè)探測器，伽馬射線(xiàn)擊中另一個(gè)探測器。到達時(shí)間的差異，基于核衰變的詳細物理過(guò)程，會(huì )定義了一個(gè)模糊的，有點(diǎn)球形的空間殼層，原子核可能在其中。

　　就像煙霧探測器只能給出火災地點(diǎn)的模糊信息一樣，目前探測走私核材料的方法緩慢且不精確。但是科學(xué)家們報告說(shuō)，一項基于核材料脫落的中子和伽馬射線(xiàn)成像的新技術(shù)可以在紀錄時(shí)定位這些危險。

　　“這是一種優(yōu)雅的方法，”普林斯頓大學(xué)(Princeton University)從事核武器核查工作的物理學(xué)家亞歷山大格拉澤(Alexander Glaser)說(shuō)。他沒(méi)有參與這項新研究。他說(shuō)，如果它能在現實(shí)世界中得到證明，這種新方法可以加強邊境安全，并幫助繪制切爾諾貝利和福島等災難地點(diǎn)的放射性污染地圖。

　　核電站和武器中心長(cháng)期以來(lái)一直密切關(guān)注核裂變材料——即原子彈的某種物質(zhì)——使用輻射傳送門(mén)監測器(RPMs)對離開(kāi)現場(chǎng)的人員或車(chē)輛進(jìn)行檢查。類(lèi)似機場(chǎng)金屬探測器，RPMs檢測放射性放射的中子和射線(xiàn)。他們可以分辨出來(lái)自香蕉或貓砂等日常物質(zhì)的低水平輻射與來(lái)自钚或高濃縮鈾等實(shí)際構成危險的物質(zhì)的更強信號。

　　在1991年蘇聯(lián)解體和2001年9/11恐怖襲擊之后，安全專(zhuān)家對核材料的擴散更加擔心。1993年至2019年期間，全球安裝的rpm標記了290起確認或可能的核販運事件。但如果檢查人員急于找到一個(gè)集裝箱里的炸彈并拆除它，那么知道該裝置的準確位置將會(huì )有所幫助。這就是新方法的用武之地。

　　博·塞德沃爾(Bo Cederwall)是KTH皇家理工學(xué)院的核物理學(xué)家，他在法國國家重離子大型加速器工作時(shí)產(chǎn)生了這個(gè)想法。這些實(shí)驗包括用粒子束爆破原子核，敲掉中子，留下高能激發(fā)的輻射伽馬射線(xiàn)的原子核?？茖W(xué)家們測量了伽馬射線(xiàn)和中子的時(shí)間和能量，這可以作為區分不同原子核的指紋，使研究人員能夠篩選出最稀有的原子核進(jìn)行進(jìn)一步研究。

　　幾年前，塞德沃爾意識到，這種方法加上機器學(xué)習方法，可能有助于集中研究钚和其他放射性同位素，這些放射性同位素在衰變時(shí)也會(huì )釋放出伽馬射線(xiàn)和中子。他說(shuō)道:“我看到了將新理念和新鮮血液帶到游戲中的機會(huì )。

　　自2017年以來(lái)，Cederwall一直與瑞典當局就核保障和安全技術(shù)進(jìn)行合作?，F在，他們正在對一個(gè)前研究反應堆的廢棄燃料進(jìn)行評估，那里有數千個(gè)裝滿(mǎn)放射性廢料的桶。“我想在不打開(kāi)桶蓋的情況下，幫助他們弄清楚那些桶里到底是什么，”塞德沃爾說(shuō)。

　　這項新技術(shù)依靠的是探測器，當被中子或伽馬射線(xiàn)擊中時(shí)發(fā)出光，并以納秒的精度測量到達時(shí)間。假設兩個(gè)探測器面對面，相距1米左右，一個(gè)原子核衰變后釋放的中子擊中一個(gè)探測器，伽馬射線(xiàn)擊中另一個(gè)探測器。到達時(shí)間的差異，基于核衰變的詳細物理過(guò)程，會(huì )定義了一個(gè)模糊的，有點(diǎn)球形的空間殼層，原子核可能在其中。用幾個(gè)探測器對許多中子-伽馬射線(xiàn)對進(jìn)行定時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一組概率殼層，這些殼層應該相交于某一點(diǎn)——原子核的位置。

　　為了證明這一原理，Cederwall和他的同事們專(zhuān)注于檢測锎-252，這是一種很容易獲得的放射性同位素，被廣泛用作武器級钚的替代品。他們的原型中子伽馬射線(xiàn)斷層掃描(NGET)探測器看起來(lái)有點(diǎn)像安裝在一個(gè)類(lèi)似于rpm的鋁制框架兩側的兩組四瓶大酒瓶。研究人員在幾秒鐘內分析了幾十次碰撞，發(fā)現他們可以迅速地將源頭定位在距離其實(shí)際位置4厘米以?xún)?。他們今天在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了這一報告。塞德沃爾說(shuō)，一些適當的調整可以將其修剪到大約1厘米。

　　Cederwall斷言，精確定位源頭的能力可能會(huì )為核安　　全保障提供一種“范式轉變”。NGET探測器也可能縮小以適合無(wú)人機使用。他說(shuō)，這為快速繪制災難現場(chǎng)的放射性污染圖或進(jìn)行環(huán)境調查提供了“一種真正令人著(zhù)迷的可能性”。

　　勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(LBNL)的核物理學(xué)家布萊恩·奎特(Brian Quiter)說(shuō):“我不認為這是一個(gè)牽強的說(shuō)法。”他的團隊也在研究基于無(wú)人機的核材料探測器。但他說(shuō)，NGET還必須在現實(shí)世界中證明自己。

　　一個(gè)巨大的挑戰是，現實(shí)世界是混亂的:走私的核材料可能被包裹在材料中，使從源頭流出的中子發(fā)生偏轉。瑞典團隊實(shí)驗中的锎“不是放在裝滿(mǎn)這種的容器里，”LBNL核物理學(xué)家Kai Vetter說(shuō)。

　　塞德沃爾承認，消除散射中子是一項挑戰。但是NGET的概率機器學(xué)習方法，他認為，應該可以讓它“相比其他技術(shù)對散射不那么敏感”。