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Sensori quantistici leggono meglio i raggi X: cosa cambia nel nucleare?
Un gruppo del NIST, l’istituto statunitense di metrologia, ha misurato con maggiore precisione le emissioni X di uranio, nettunio e plutonio, migliorando i dati utilizzati per identificare i materiali nucleari. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, riduce gli errori sistematici nell’analisi dei campioni contenenti plutonio, nei quali raggi X e gamma possono sovrapporsi.
Il risultato riguarda la larghezza delle righe spettrali Kα1 e Kα2: l’estensione in energia di due caratteristiche emissioni X. Le incertezze relative delle misure sono comprese fra lo 0,5% e l’1,5%, con un miglioramento di un fattore da 3 a 8 rispetto ai valori precedenti. Questi numeri descrivono la precisione delle larghezze misurate.
Per ottenerli, il gruppo ha utilizzato i transition-edge sensors, o TES, termometri microscopici mantenuti a una frazione di grado sopra lo zero assoluto. Il loro funzionamento sfrutta la superconduttività: un film viene tenuto al confine tra lo stato senza resistenza elettrica e quello resistivo. Il calore depositato da un fotone cambia la resistenza, permettendo di ricavarne l’energia.
Nella spettroscopia gamma, le emissioni caratteristiche aiutano a riconoscere il materiale presente. Quando le righe X occupano la stessa regione energetica, la loro sovrapposizione complica l’interpretazione. Conoscere meglio la larghezza di queste righe permette di descriverne più accuratamente il contributo e separarlo dai segnali gamma utili alla misura.
La composizione viene valutata anche attraverso i rapporti tra isotopi, atomi dello stesso elemento con diverso numero di neutroni. Nell’uranio naturale, per esempio, l’uranio-235 rappresenta circa lo 0,7% del totale; nei combustibili dei comuni reattori che usano uranio arricchito, la quota sale a pochi punti percentuali.
Secondo Jonathan Dean, fisico del NIST e dell’Università del Colorado Boulder, analisi più rapide potrebbero accorciare le attese tra le fasi che richiedono controlli sul combustibile. L’impiego dei sensori richiede però una refrigerazione criogenica troppo ingombrante per uno strumento portatile da tenere in mano.
In collaborazione con il Los Alamos National Laboratory, il NIST ha già installato rivelatori TES in tre laboratori del Dipartimento dell’Energia statunitense per monitorare materiali nucleari. L’istituto sta inoltre lavorando per ridurre dimensioni e costi del raffreddamento; due aziende statunitensi producono sistemi compatti derivati da un suo progetto.
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