02.02.2021 - Pacific Northwest National Laboratory

Es elemental: el detector de ultratrazas comprueba la pureza del oro

La técnica de detección de radiaciones ultrarrápidas establece un nuevo estándar mundial para medir lo casi inconmensurable

A menos que se descubra el gas radón en una inspección de la vivienda, la mayoría de las personas ignoran felizmente que rocas como el granito, los minerales metálicos y algunos suelos contienen fuentes naturales de radiación. En la mayoría de los casos, los niveles bajos de radiación no suponen un problema para la salud. Pero algunos científicos e ingenieros están preocupados por los niveles de radiación, incluso los más bajos, que pueden causar estragos en equipos sensibles. La industria de los semiconductores, por ejemplo, gasta miles de millones cada año para obtener y "depurar" niveles ultrarresistentes de materiales radiactivos de microchips, transistores y sensores sensibles.

Ahora, los químicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE.UU. han desarrollado un método sencillo y fiable que promete transformar la forma en que se separan y detectan las ultratrazas. Los bajos niveles de elementos radiactivos naturales problemáticos, como los átomos de uranio y torio, suelen estar escondidos entre metales valiosos como el oro y el cobre. Hasta ahora ha sido extraordinariamente difícil, poco práctico o incluso imposible, en algunos casos, determinar la cantidad que se encuentra en las muestras de mineral extraído en todo el mundo.

Sin embargo, la obtención de materiales con niveles muy bajos de radiación natural es esencial para ciertos tipos de instrumentos y detectores sensibles, como los que buscan pruebas de partículas actualmente no detectadas que, según muchos físicos, constituyen la mayor parte del universo.

"Estamos llevando al límite la detección", afirma el químico Khadouja Harouaka. "Queremos medir niveles muy bajos de torio y uranio en componentes que van en algunos de los detectores más sensibles del mundo. Es especialmente difícil medir niveles bajos de torio y uranio en metales preciosos como el oro que va en los componentes eléctricos de estos detectores. Con esta nueva técnica, podemos superar ese reto y alcanzar límites de detección tan bajos como 10 partes por trillón en el oro".

Eso es como intentar encontrar un trébol de cuatro hojas en unos 100 mil acres de trébol... un área mayor que Nueva Orleans.

Mundos de partículas en colisión

Los científicos localizan sus extraordinariamente raros átomos de "trébol de cuatro hojas" entre el enorme campo de átomos ordinarios enviando sus muestras a través de una serie de cámaras de aislamiento. Estas cámaras primero filtran y luego hacen colisionar los átomos raros con oxígeno simple, creando una molécula "etiquetada" de un peso molecular único que luego puede separarse por su tamaño y carga.

El efecto es como encontrar la manera de atar un globo de helio a cada átomo de torio o uranio objetivo para que flote sobre el mar de la muestra de oro y pueda ser contado. En este caso, el sofisticado contador es un espectrómetro de masas. La investigación aparece en la portada del número de diciembre de 2020 de la revista Journal of Analytical Atomic Spectrometry.

La innovación central es la cámara de celdas de colisión, donde los átomos cargados de torio y uranio reaccionan con el oxígeno, aumentando su peso molecular y permitiendo que se separen de otras señales superpuestas que pueden disfrazar su presencia.

"Tuve un momento de reflexión", dijo Greg Eiden, el inventor original del PNNL de la célula de colisión patentada, que se utiliza para llevar a cabo estas reacciones, reduciendo así la interferencia no deseada en la lectura del instrumento por un factor de un millón. "Fue una química milagrosa que se deshace de las cosas malas que no quieres en tu muestra para que puedas ver lo que quieres ver".

En el estudio actual, Harouaka y su mentor, Isaac Arnquist, aprovecharon el trabajo de Eiden para descifrar el número increíblemente pequeño de átomos radiactivos que, sin embargo, pueden arruinar los sensibles equipos de detección electrónica. Entre otros usos, la innovación puede permitir a los químicos, dirigidos por el químico principal Eric Hoppe y su equipo en el PNNL, perfeccionar la química que produce el cobre electroformado más puro del mundo. El cobre constituye un componente clave de los detectores de física sensible, incluidos los utilizados para la verificación del tratado nuclear internacional.

Viaje de escucha de neutrinos

El físico de Stanford Giorgio Gratta ayuda a dirigir una búsqueda global para captar pruebas de los bloques de construcción fundamentales del universo. El experimento nEXO, actualmente en fase de planificación, está ampliando los límites de la detección de estas elusivas partículas, llamadas fermiones de Majorana. Las señales que buscan provienen de eventos extremadamente raros. Para detectar un evento de este tipo, los experimentos requieren detectores exquisitamente sensibles que estén libres de pings de radiación parásitos introducidos a través de los materiales que componen el detector. Esto incluye los metales de los componentes electrónicos necesarios para registrar los eventos extremadamente raros que desencadenan la detección.

"El PNNL es un líder mundial en la detección de radiaciones ultravioletas", dijo Gratta. "Su combinación única de innovación y aplicación proporciona una importante contribución que permite realizar experimentos sensibles como nEXO".

El físico Steve Elliott, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, hizo hincapié en los esfuerzos que deben realizar los investigadores para garantizar un entorno escrupulosamente limpio para la detección de partículas raras.

"En los programas experimentales en los que incluso las huellas humanas son demasiado radiactivas y deben evitarse, las técnicas para medir los niveles de impurezas radiactivas ultrabajas son fundamentales", dijo, y añadió que este método podría proporcionar una forma importante de obtener materiales para otra de las próximas generaciones de detectores de eventos de neutrinos raros, llamada LEGEND, cuyo despliegue está previsto en un lugar subterráneo de Europa.

Limpieza de semiconductores y ordenadores cuánticos

Los semiconductores, los componentes básicos de la electrónica moderna, incluidos los circuitos integrados, los microchips, los transistores, los sensores y los ordenadores cuánticos, también son sensibles a la presencia de radiación parásita. Y el ciclo de innovación exige que cada generación empaquete más y más en microchips cada vez más pequeños.

"A medida que la arquitectura se hace más y más pequeña, la contaminación por radiación es un problema cada vez mayor que los fabricantes han ido solucionando cambiando la arquitectura del interior de los chips", explica Hoppe. "Pero no se puede llegar muy lejos, y la pureza de algunos de esos materiales empieza a ser un límite. La industria se ha fijado unos objetivos que ahora mismo no puede alcanzar, por lo que disponer de una técnica de medición como ésta podría hacer que algunos de esos objetivos fueran alcanzables."

En términos más generales, Eiden añadió que "en el gran mundo de la tabla periódica probablemente haya aplicaciones para cualquier elemento que te interese. Y lo que Eric, Khadouja e Isaac persiguen aquí es analizar cualquier traza de impureza en cualquier material ultrapuro".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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