Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали новый и более быстрый метод обнаружения и измерения радиоактивности микроскопических количеств радиоактивных материалов.
Инновационная методика, известная как криогенная спектрометрия энергии распада (DES), может оказать значительное влияние — от улучшения методов лечения рака до обеспечения безопасности при очистке ядерных отходов.
Команда NIST опубликовала свои результаты в журнале Metrologia.
Ключ к новой методике
Основой этого метода является датчик переходного края (TES) — высокотехнологичное устройство, широко используемое для измерения радиационных характеристик. TES позволяет записывать отдельные события радиоактивного распада, в которых нестабильный атом испускает одну или несколько частиц.
По словам физика NIST Райана Фицджеральда, TES гораздо более продвинут, чем знакомый всем счётчик Гейгера или другие детекторы, используемые сегодня. «Вместо того чтобы просто щёлкать, указывая на радиацию, или давать размытое указание на энергию распада, он даёт нам детальный отпечаток того, что там есть», — сказал Фицджеральд.
Принцип работы
Устройство TES работает при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю. Когда в образце происходит радиоактивный распад, высвобождаемая энергия поглощается TES. Это изменение энергии вызывает крошечное изменение электрического сопротивления TES. Исследователи точно измеряют это изменение сопротивления, что обеспечивает «энергетическую сигнатуру» события распада с высоким разрешением.
Анализируя детальный энергетический спектр множества событий, исследователи могут определить конкретный радиоактивный атом, подвергающийся распаду. Это возможно, потому что разные радиоактивные атомы при распаде выделяют уникальные энергетические сигнатуры.
Преимущества метода
Более ранние методы хороши либо для измерения количества радиоактивности, либо для идентификации радиоактивных атомов, присутствующих в образце, но не для обоих одновременно. Для полной характеристики образца ранее требовалось использование нескольких методов. В отличие от них, DES одновременно идентифицирует радиоактивные элементы и количественно определяет их уровень радиоактивности.
Когда исследователи сталкиваются с бочкой, полной радиоактивной жидкости, им необходимо определить загадочное вещество и измерить количество присутствующих радионуклидов, чтобы безопасно утилизировать его. Обычно этот процесс может занять месяцы, но датчик переходного края может значительно сократить это время.
«Вместо того чтобы ждать месяцы для получения результатов, мы теперь можем получить полный профиль радиоактивности всего за несколько дней из крошечного образца», — сказал Фицджеральд.
Потенциальные применения
Традиционно для измерения радиоактивности требовалось несколько методов и сложные процедуры с использованием дополнительных материалов, называемых индикаторами или калибраторами. Однако новый метод предлагает упрощённый подход, позволяющий точно измерять даже микроскопические количества радиоактивных материалов без использования этих дополнительных материалов.
В медицине эта технология может помочь обеспечить чистоту и эффективность радиоактивных препаратов, используемых при лечении рака. В ядерной энергетике она может быстро определить радиоактивный состав переработанного топлива, ускоряя разработку новых усовершенствованных реакторов.
Проект True Becquerel
Описанное исследование является первым шагом в более масштабном проекте, известном как проект True Becquerel (TrueBq), целью которого является преобразование способов мониторинга и характеристики радиоактивности. Название проекта происходит от единицы измерения радиоактивного распада, в честь французского физика Анри Беккереля, открывшего радиоактивность.
Проект TrueBq направлен на разработку более комплексной системы измерений, способной работать с широким спектром радиоактивных веществ, включая сложные смеси. Он объединит систему точного взвешивания с устройством TES для измерения массовой активности радиоактивных материалов с беспрецедентной точностью.
Машинное обучение предсказывает магнитные свойства материалов
Магнитные материалы востребованы как никогда. Они необходимы для инноваций в области хранения энергии, от которых зависит электрификация, и для роботизированных систем, обеспечивающих автоматизацию. Они также используются в более привычных продуктах, от бытовой электроники до аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Текущие источники и цепочки поставок не смогут удовлетворить растущий спрос. Нам необходимо разработать новые магнитные материалы, и сделать это быстро.
Сотрудничество для ускорения открытий
Сотрудничество между Университетом Карнеги-Меллона, Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и Институтом Фрица Хабера Общества Макса Планка расширяет возможности скрининга потенциальных новых материалов с помощью моделей машинного обучения.
Сложность изучения магнитных свойств была большим ограничением для открытия материалов. В немагнитных материалах свойства зависят от того, какие атомы там есть и как они расположены.
«В магнитных материалах есть ещё одна степень свободы», — говорит Джон Китчин. «На каждом магнитном атоме есть маленький магнитный вектор, и свойства зависят от расположения этих векторов».
Даже когда одни и те же атомы находятся в одних и тех же положениях, свойства материала могут различаться в зависимости от величины и ориентации магнитных векторов.
Преодоление ограничений существующих методов
Существующие методы высокоскоростного скрининга новых материалов не учитывают магнитные свойства. Теория функционала плотности и более быстрые модели машинного обучения, обученные на ней, могут вычислять энергию, силы и термодинамику. Им не хватает спиновых степеней свободы. Без этого дополнительного набора переменных, необходимых для прогнозирования магнитных свойств, существующие методы неточны, слишком медленны или слишком дороги для проектирования магнитных материалов.
Исследователи разработали новую модель машинного обучения, которая может предсказывать магнитные свойства материалов, дифференцируя расположение магнитных векторов. «Это первая модель, которая явно имеет степени свободы, позволяющие спину быть входным параметром», — говорит Китчин, профессор химического машиностроения в Университете Карнеги-Меллона.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.