Физики и инженеры из Национальной лаборатории Ок-Риджа (Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory) разработали мобильный детектор мюонов. Это устройство обещает улучшить мониторинг отработанного ядерного топлива и помочь решить критически важные задачи в области квантовых вычислений.
Как это работает
Подобно нейтронам, учёные используют мюоны — фундаментальные субатомные частицы, которые движутся со скоростью, близкой к световой. Это позволяет учёным заглянуть глубоко внутрь вещества на атомном уровне, не повреждая образцы. Однако, в отличие от нейтронов, которые распадаются примерно за 10 минут, мюоны распадаются за пару микросекунд. Это создаёт сложности при их использовании для лучшего понимания окружающего мира.
Важность нового детектора
Новый детектор делает важный шаг к обеспечению безопасности и подотчётности ядерных материалов. Он также поддерживает разработку передовых ядерных реакторов, которые помогут решить проблемы управления отходами. Кроме того, детектор играет ключевую роль в разработке алгоритмов и методов для управления ошибками, вызванными космическим излучением в кубитах — основных единицах информации в квантовых вычислениях.
Разработка мюонного детектора в ORNL отражает сильные стороны лаборатории в области открытий, основанные на междисциплинарных командах и мощных исследовательских инструментах для решения национальных задач.
«Мы очень рады, что воплотили эту идею в жизнь», — сказал ДжангХюн Бэ, выдающийся сотрудник имени Вигнера, возглавляющий проекты по мюонной томографии в ORNL. «У нас здесь в ORNL фантастическое сообщество, и поддержка, которую я получил, была неоценима. Этот проект демонстрирует силу и инновационность междисциплинарного сотрудничества в ORNL».
В конце 2024 года Бэ был включён в список American Nuclear Society’s 40 Under 40.
Технология детектора
Детектор мюонов основан на технологии детектора нейтронов из Источника нейтронов при сплеске (Spallation Neutron Source), которая использует волокна с изменением длины волны. Он позволит учёным лучше понять крупномасштабные плотные материалы, такие как защищённые специальные ядерные материалы и отработанное ядерное топливо.
Детектор — результат сотрудничества между директоратами лаборатории по нейтронным наукам, термоядерной энергии и энергии деления и наукам. Его разработка велась более двух лет. Ожидается, что он будет поддерживать множество приложений, включая исследования ядерного топлива. Детектор будет передан на новый объект на территории кампуса ORNL для проведения реальных измерений в этом году.
«Совместная работа имеет важное значение в научных исследованиях», — сказал Полад Шихалиев, старший научный сотрудник по детекторам и ведущий разработчик детектора мюонов. «В ORNL у нас есть богатый опыт, и готовность работать вместе — вот что сделало этот проект успешным».
Уникальной особенностью нового детектора является его способность одновременно измерять энергию мюонов и углы рассеяния, что значительно улучшает качество изображения по сравнению с существующими системами мюонной томографии, которые обычно полагаются на одиночные измерения. Этот подход обеспечивает более детальный обзор образца, например, контейнера с повреждёнными или опасными материалами.
Аналогичным образом, характеристики детектора помогут учёным понять, как космическое излучение влияет на кубиты. Учитывая их хрупкость, кубиты быстро теряют своё квантовое состояние. Без устранения этого ограничения масштабирование и реализация практических квантовых компьютеров за пределами лабораторных условий останутся недостижимыми. Однако детектор предоставит знания, необходимые для улучшения коррекции ошибок кубитов и разработки более надёжного оборудования для кубитов.
Проект начался с концепции, разработанной Бэ во время его докторских исследований, которая была сосредоточена на сложных вычислительных симуляциях для проверки приложений мюонной томографии. После прихода в ORNL Бэ столкнулся с серьёзными проблемами при воплощении концепции в реальность. Однако во время посещения Американского музея науки и энергетики в Ок-Ридже, Теннесси, он обнаружил дизайн, который ему был нужен, в нейтронном детекторе, представленном на выставке, который был разработан группой детекторов Директората нейтронных наук в ORNL под руководством Якубы Диавара.
В 2012 году этот детектор вошёл в список R&D 100. Диавара также редактировал книгу «Нейтронные детекторы для рассеяния», руководство для экспертов и молодых учёных, в котором рассматриваются наиболее распространённые нейтронные детекторы, используемые в установках для рассеяния нейтронов.
Бэ связался с Диавара, который сразу понял, как создать систему мюонной томографии, опираясь на опыт своей группы.
«Это сотрудничество является свидетельством того, чего можно достичь, когда учёные и инженеры из ORNL объединяются с общим видением», — сказал Диавара. «Дизайн детектора мюонов возник на основе нейтронного детектора, созданного специально для Источника нейтронов при сплеске более десяти лет назад. Отдача от инвестиций в этот оригинальный детектор значительно превысила наши ожидания, создав передовые технологии для открытий в науке, дополняющие и дополняющие возможности нейтронов».
Предоставлено Национальной лабораторией Ок-Риджа.
nuclear fuel research, the muon detector will be transferred to its new facility on the ORNL campus for actual measurements this year.”,”\”Collaborative work is essential in scientific research,\” said Polad Shikhaliev, senior detector scientist and lead developer for the muon detector. \”At ORNL, we have a wealth of expertise, and the willingness to work together is what made this project a success.\””,”A unique feature of the new detector is its ability to simultaneously measure muon energy and scattering angles, dramatically improving image quality compared to existing muon tomography systems that typically rely on single measurements. This approach provides a more detailed view of a sample, such as a canister containing damaged or hazardous materials.”,”Likewise, the detector’s features will help scientists understand how cosmic radiation interferes with qubits. Given their inherent fragility, qubits lose their quantum state quickly. Without addressing this limitation, scaling up and realizing practical quantum computers outside laboratory settings will remain elusive. However, the detector will provide the knowledge needed to improve qubit error correction and design tougher qubit hardware.”,”The project began with a concept Bae developed during his doctoral research that focused on complex computational simulations to validate muon tomography applications. After joining ORNL, Bae encountered major challenges bringing the concept into physical reality. However, on a visit to the American Museum of Science and Energy in Oak Ridge, Tennessee, he discovered the design he needed in a neutron detector on display that was developed by the Neutron Sciences Directorate’s Detectors Group at ORNL led by Yacouba Diawara.”,”In 2012, that detector made the R&D 100 list. Diawara also edited Neutron Detectors for Scattering Applications, a guide for experts and young scholars that covers the most common neutron detectors used in neutron scattering facilities”,”Bae contacted Diawara, who immediately recognized how to build the muon tomography system by leaning on his group’s expertise.”,”\”This collaboration is a testament to what can be accomplished when scientists and engineers at ORNL come together with a shared vision,\” Diawara said. \”The design for the muon detector originated from a neutron detector built specifically for the Spallation Neutron Source more than 10 years ago. The return on investment for that original detector has well exceeded our expectations, generating leading edge technology for discovery science adjacent to and complementary of the power of neutrons.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOak Ridge National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник