Un détecteur ultra-trace teste la pureté de l’or – Technoguide

À moins que du radon ne soit découvert lors d’une inspection d’une maison, la plupart des gens ignorent parfaitement que les roches comme le granit, les minerais métalliques et certains sols contiennent des sources naturelles de rayonnement. Dans la plupart des cas, les faibles niveaux de rayonnement ne sont pas un problème de santé. Mais certains scientifiques et ingénieurs sont préoccupés par des niveaux de rayonnement, même infimes, qui peuvent faire des ravages sur les équipements sensibles. L’industrie des semi-conducteurs, par exemple, dépense des milliards chaque année pour trouver et «nettoyer» des niveaux ultra-traces de matières radioactives à partir de micropuces, de transistors et de capteurs sensibles.

Désormais, les chimistes du Pacific Northwest National Laboratory du département américain de l’énergie ont mis au point une méthode simple et fiable qui promet de transformer la façon dont les ultra-oligo-éléments sont séparés et détectés. De faibles niveaux d’éléments radioactifs naturels gênants comme les atomes d’uranium et de thorium sont souvent cachés parmi des métaux précieux comme l’or et le cuivre. Il a été extrêmement difficile, peu pratique, voire impossible, dans certains cas, de déterminer la quantité trouvée dans les échantillons de minerai extrait à travers le monde.

Pourtant, l’approvisionnement en matériaux avec de très faibles niveaux de rayonnement naturel est essentiel pour certains types d’instruments et de détecteurs sensibles, comme ceux qui recherchent des preuves de particules actuellement non détectées qui, selon de nombreux physiciens, comprennent en fait la majeure partie de l’univers.

«Nous repoussons vraiment les limites de la détection», a déclaré le chimiste Khadouja Harouaka. << Nous voulons mesurer de très faibles niveaux de thorium et d'uranium dans les composants qui entrent dans certains des détecteurs les plus sensibles au monde. Il est particulièrement difficile de mesurer de faibles niveaux de thorium et d'uranium dans les métaux précieux comme l'or qui entre dans l'électrique. composants de ces détecteurs. Avec cette nouvelle technique, nous pouvons surmonter ce défi et atteindre des limites de détection aussi basses que 10 parties par billion d'or. "

C’est comme essayer de trouver un trèfle à quatre feuilles dans environ 100 000 acres de trèfle – une superficie plus grande que la Nouvelle-Orléans.

Mondes de particules en collision

Les scientifiques localisent leurs atomes de “trèfle à quatre feuilles” extraordinairement rares dans l’immense champ d’atomes ordinaires en envoyant leurs échantillons à travers une série de chambres d’isolement. Ces chambres filtrent d’abord puis heurtent les atomes rares avec de l’oxygène simple, créant une molécule «étiquetée» d’un poids moléculaire unique qui peut ensuite être séparée par sa taille et sa charge.

L’effet est comme trouver un moyen de lier un ballon d’hélium à chaque atome cible de thorium ou d’uranium afin qu’il flotte au-dessus de la mer d’échantillon d’or et puisse être compté. Dans ce cas, le compteur sophistiqué est un spectromètre de masse. La recherche est présentée sur la couverture du numéro de décembre 2020 du Journal of Analytical Atomic Spectrometry.

L’innovation centrale est la chambre des cellules de collision, où les atomes chargés de thorium et d’uranium réagissent avec l’oxygène, augmentant leur poids moléculaire et leur permettant de se séparer d’autres signaux qui se chevauchent et peuvent masquer leur présence.

“J’ai eu un moment aha”, a déclaré Greg Eiden, l’inventeur PNNL original de la cellule de collision brevetée, qui est utilisée pour effectuer ces réactions, réduisant ainsi les interférences indésirables dans la lecture de l’instrument d’un facteur d’un million. “C’est cette chimie miracle qui élimine les mauvaises choses que vous ne voulez pas dans votre échantillon afin que vous puissiez voir ce que vous voulez voir.”

Dans l’étude actuelle, Harouaka et son mentor Isaac Arnquist ont tiré parti du travail d’Eiden pour démêler le nombre extrêmement restreint d’atomes radioactifs qui peuvent néanmoins ruiner les équipements de détection électronique sensibles. Entre autres utilisations, l’innovation pourrait permettre aux chimistes, dirigés par le chimiste senior Eric Hoppe et son équipe au PNNL, de perfectionner davantage la chimie qui produit le cuivre électroformé le plus pur au monde. Le cuivre constitue un élément clé des détecteurs physiques sensibles, y compris ceux utilisés pour la vérification des traités nucléaires internationaux.

Visite d’écoute des neutrinos

Le physicien de Stanford, Giorgio Gratta, aide à mener une quête mondiale visant à recueillir des preuves des éléments constitutifs fondamentaux de l’univers. L’expérience nEXO, actuellement au stade de la planification, repousse les limites de la détection pour la mise en évidence de ces particules insaisissables, appelées Majorana Fermions. Les signaux qu’ils recherchent proviennent d’événements extrêmement rares. Pour détecter un tel événement, les expériences nécessitent des détecteurs extrêmement sensibles, exempts de pings de rayonnement parasites introduits à travers les matériaux qui composent le détecteur. Cela inclut les métaux dans l’électronique nécessaires pour enregistrer les événements extrêmement rares qui déclenchent la détection.

«PNNL est un leader mondial de la détection des rayonnements ultra-traces», a déclaré Gratta. “Leur combinaison unique d’innovation et d’application fournit une contribution importante qui permet des expériences sensibles comme nEXO.”

Le physicien Steve Elliott du Laboratoire national de Los Alamos a souligné les longueurs auxquelles les chercheurs doivent aller pour garantir un environnement scrupuleusement propre pour la détection de particules rares.

“Dans les programmes expérimentaux où même les empreintes digitales humaines sont trop radioactives et doivent être évitées, les techniques de mesure des niveaux d’impuretés radioactives ultra-faibles sont essentielles”, a-t-il déclaré, ajoutant que cette méthode pourrait fournir un moyen important de se procurer des matériaux pour une autre de la prochaine génération de rares détecteurs d’événements de neutrinos, appelés LEGEND, en cours de déploiement dans un site souterrain en Europe.

Nettoyage des semi-conducteurs et des ordinateurs quantiques

Les semi-conducteurs, les éléments de base de l’électronique moderne, y compris les circuits intégrés, les micropuces, les transistors, les capteurs et les ordinateurs quantiques sont également sensibles à la présence de rayonnement parasite. Et le cycle d’innovation exige de chaque génération un pack de plus en plus dans des micropuces toujours plus petites.

«Au fur et à mesure que l’architecture devient de plus en plus petite, la contamination par rayonnement est un problème de plus en plus important sur lequel les fabricants ont travaillé en modifiant l’architecture à l’intérieur des puces», a déclaré Hoppe. “Mais il n’y a que jusqu’ici que vous pouvez aller avec cela, et vous commencez vraiment à être limité par la pureté de certains de ces matériaux. L’industrie s’est fixé des objectifs qu’elle ne peut pas atteindre pour le moment, donc avoir une technique de mesure comme cela pourrait rendre certains de ces objectifs réalisables. “

Plus largement, a ajouté Eiden, “dans le grand monde du tableau périodique, il y a probablement des applications pour tout élément qui vous tient à cœur. Et ce qu’Eric, Khadouja et Isaac recherchent ici, c’est l’analyse de toute trace d’impureté dans tout matériau ultra-pur.”

.

Lire plus

A propos Technoguide

Voir aussi

Un “ poison miracle ” pour de nouvelles thérapies – Technoguide

Lorsque les gens entendent la toxine botulique, ils pensent souvent à l’une des deux choses …

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Défiler vers le haut