科学家用成像技术制作核探测器！监测被偷偷带走的核材料

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来源：science

编译：lin

就像烟雾探测器只能给出火灾地点的模糊信息一样，目前探测走私核材料的方法缓慢且不精确。但是科学家们报告说，一项基于核材料脱落的中子和伽马射线成像的新技术可以在纪录时定位这些危险。

“这是一种优雅的方法，”普林斯顿大学(Princeton University)从事核武器核查工作的物理学家亚历山大•格拉泽(Alexander Glaser)说。他没有参与这项新研究。他说，如果它能在现实世界中得到证明，这种新方法可以加强边境安全，并帮助绘制切尔诺贝利和福岛等灾难地点的放射性污染地图。

核电站和武器中心长期以来一直密切关注核裂变材料——即原子弹的某种物质——使用辐射传送门监测器(RPMs)对离开现场的人员或车辆进行检查。类似机场金属探测器，RPMs检测放射性放射的中子和射线。他们可以分辨出来自香蕉或猫砂等日常物质的低水平辐射与来自钚或高浓缩铀等实际构成危险的物质的更强信号。

在1991年苏联解体和2001年9/11恐怖袭击之后，安全专家对核材料的扩散更加担心。1993年至2019年期间，全球安装的rpm标记了290起确认或可能的核贩运事件。但如果检查人员急于找到一个集装箱里的炸弹并拆除它，那么知道该装置的准确位置将会有所帮助。这就是新方法的用武之地。

博·塞德沃尔(Bo Cederwall)是KTH皇家理工学院的核物理学家，他在法国国家重离子大型加速器工作时产生了这个想法。这些实验包括用粒子束爆破原子核，敲掉中子，留下高能激发的辐射伽马射线的原子核。科学家们测量了伽马射线和中子的时间和能量，这可以作为区分不同原子核的指纹，使研究人员能够筛选出最稀有的原子核进行进一步研究。

几年前，塞德沃尔意识到，这种方法加上机器学习方法，可能有助于集中研究钚和其他放射性同位素，这些放射性同位素在衰变时也会释放出伽马射线和中子。他说道:“我看到了将新理念和新鲜血液带到游戏中的机会。

自2017年以来，Cederwall一直与瑞典当局就核保障和安全技术进行合作。现在，他们正在对一个前研究反应堆的废弃燃料进行评估，那里有数千个装满放射性废料的桶。“我想在不打开桶盖的情况下，帮助他们弄清楚那些桶里到底是什么，”塞德沃尔说。

这项新技术依靠的是探测器，当被中子或伽马射线击中时发出光，并以纳秒的精度测量到达时间。假设两个探测器面对面，相距1米左右，一个原子核衰变后释放的中子击中一个探测器，伽马射线击中另一个探测器。到达时间的差异，基于核衰变的详细物理过程，会定义了一个模糊的，有点球形的空间壳层，原子核可能在其中。用几个探测器对许多中子-伽马射线对进行定时，会产生一组概率壳层，这些壳层应该相交于某一点——原子核的位置。

为了证明这一原理，Cederwall和他的同事们专注于检测锎-252，这是一种很容易获得的放射性同位素，被广泛用作武器级钚的替代品。他们的原型中子伽马射线断层扫描(NGET)探测器看起来有点像安装在一个类似于rpm的铝制框架两侧的两组四瓶大酒瓶。研究人员在几秒钟内分析了几十次碰撞，发现他们可以迅速地将源头定位在距离其实际位置4厘米以内。他们今天在《科学进展》上发表了这一报告。塞德沃尔说，一些适当的调整可以将其修剪到大约1厘米。

Cederwall断言，精确定位源头的能力可能会为核安全保障提供一种“范式转变”。NGET探测器也可能缩小以适合无人机使用。他说，这为快速绘制灾难现场的放射性污染图或进行环境调查提供了“一种真正令人着迷的可能性”。

劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的核物理学家布莱恩·奎特(Brian Quiter)说:“我不认为这是一个牵强的说法。”他的团队也在研究基于无人机的核材料探测器。但他说，NGET还必须在现实世界中证明自己。

一个巨大的挑战是，现实世界是混乱的:走私的核材料可能被包裹在材料中，使从源头流出的中子发生偏转。瑞典团队实验中的锎“不是放在装满这种的容器里，”LBNL核物理学家Kai Vetter说。

塞德沃尔承认，消除散射中子是一项挑战。但是NGET的概率机器学习方法，他认为，应该可以让它“相比其他技术对散射不那么敏感”。