超灵敏的测量可随时掌握数百英里外的放射性核素信号

来自人为来源的氙133的全球平均浓度。图片来源：Paul Eslinger和Timothy Holland | PNNL

想象一下，如何能够检测到数百英里外最微弱的放射性核素信号？这就是西北太平洋国家实验室的科学家所创造的能力，他们贡献了许多核科学，这些核科学是旨在检测全世界核爆炸的国际监测系统的基础。该系统不断收集和分析空气样本中的信号，以表明可能发生在地下秘密进行的核爆炸。

令人难以置信的是，该系统只能从地球上任何地方的核活动中检测出少量原子。就灵敏度而言，这种能力(已经存在了数十年)类似于从地球上任何地方的一次咳嗽中检测冠状病毒的能力。

WOSMIP远程和核不扩散

今年夏天，来自世界各地的专家在两年一次的远程会议，人造同位素生产特征研讨会或WOSMIP Remote上在线讨论科学。这次活动是由由PNNL核物理学家Ted Bowyer领导的国际团队组织的，该组织20年前的开创性工作为在全球范围内监视背叛核爆炸的痕量信号打开了大门。

WOSMIP视频会议是为科学家而设计的，旨在探讨一个关键问题：如何将感兴趣的信号(例如核爆炸)与和平利用(如正在运行的核反应堆或医学同位素生产设施)发出的良性背景信号分开?

为了实现世界安全，很少有功能更重要。误报可能导致国际社会得出一个国家不进行核试验的结论。假阴性可能意味着未发现非法核爆炸。

精确测量氙等稀有气体同位素的专家鲍耶说：“这就像公园护林员试图区分许多合法的篝火和不允许的小篝火。” “到处都有烟，公园护林员必须确定是否有任何火灾是非法的，如果是，那是什么。我们的目标是通过确定烟雾的原因来制止非法火灾。”

STAX：在堆栈中显示放射性氙

在WOSMIP Remote期间，有几场演讲集中讨论了从医用同位素(例如tech 99m)的产生释放到大气中的背景信号。广泛用于诊断癌症，心脏病和其他健康状况的医学同位素是在遍布全球的少数几个设施中产生的，少于十二个。但是，它们的核签名虽然远低于监管水平，却模仿了核试验中的核签名，而且它们的信号可能同样强大。这种模仿为确定真正的关注信号提供了障碍。

为了更好地了解这些排放物，PNNL化学家Judah Friese讨论了他开发的一项技术，即氙气源术语分析(STAX)。该技术正好位于同位素生产者的排放堆栈中，每15分钟记录一次氙同位素的含量。

迄今为止，已经部署了两种STAX系统，一种部署在澳大利亚核科学技术组织(ANSTO)，另一种部署在比利时的无线电元素研究所(IRE)。为了将系统安装在尽可能多的医学同位素生产设施上，正在建造更多用于在其他站点部署的系统。

Friese说：“通过这些设施在生产现场进行精确测量，我们可以计算出检测站应考虑的背景信号的水平。” “有了这些信息，监视核爆炸特征的机构和其他机构可以更容易地评估读数，确保不会对医学同位素生产者的排放产生误解。”

超痕量放射性氙测量的根源

STAX技术可测量高水平的同位素，距离生产仅几步之遥。光谱的另一端-检测数百或什至数千英里外的放射性氙的超痕量水平，是鲍耶(Bowyer)在1990年代率先提出的技术。鲍耶(Bowyer)在《纯净与应用地球物理学》杂志的最新论文中回顾了该技术的历史。鲍尼尔及其同事在PNNL进行的放射性氙研究由美国能源部国家核安全局(NNSA)和美国国务院资助。

1997年，鲍耶(Bowyer)表明，同时测量两种不同类型的辐射衰减将产生对痕量同位素或不同形式的氙的精确测量。这种测量技术称为β-伽马符合，是由氙的四个放射性同位素(统称为放射性氙)构成的。由于氙气在其环境中反应不大，因此它提供了一个出色的，完好无损的测量目标。

鲍耶关于β-γ辐射的发现构成了国际监测系统(IMS)中使用的放射性核素检测技术的核心，该系统采用了旨在监测全世界核爆炸的多种技术的全球网络。

监测惰性气体放射性核素的依据是，IMS在世界各地多达40个固定位置收集的空气样本，用于检测和测量放射性氙的同位素。空气样品中四种氙同位素的比例提供了有关样品来源的关键信息。

测量非常敏感。即使放射性氙仅占一立方米空气的万分之一，也可以检测到同位素。

这是如此敏感，以至于很难找到有意义的隐喻。鲍耶说：“有人说过，这就像从一万亿个干草堆中掏出一根针。” “或者从20万亿份《战争与和平》中挑选一个词。就好像一个人在东京打开了一个香槟酒瓶，我们在几天甚至几小时内，通过检测释放的气体。”他补充说。

氙气国际

近年来，PNNL团队将放射性氙检测技术进一步向前发展。

研究员Jim Hayes及其同事因其扩展了实验室的放射性氙检测能力并使之商业化的工作而获得了联邦实验室联合会奖和R&D 100奖。该技术已获得Teledyne Brown Engineering的许可，Teledyne Brown Engineering与PNNL团队合作开发了一种新产品Xenon International，目前已处于最终发展阶段，然后才可以向国际监测界使用。

Xenon International是一个监视和分析单元，主要针对的是比当今部署的技术更小，更高效的冰箱尺寸。与当前系统相比，它吸收的空气样本要大得多(约4立方米的空气)，使其能够检测出较低水平的放射性氙。它的完成时间仅为当今工作系统的一半，从而使科学家在分析检测结果时可以节省额外的时间。

解决难题的创新解决方案

最新发表在《纯净与应用地球物理学》杂志上的手稿中描述的进步提供了解释和区分工业应用的核排放特征与核爆炸试验的特征的能力。

2020年是IMS首批放射性核素台站认证20周年。那时，在测量和理解核爆炸特征方面取得了重大进展。多亏了一个由科学家，工程师，技术人员和政策制定者组成的全球性社区，现在比以往任何时候都更难以进行核爆炸试验，并且使其无法被发现。同时，最近对医学同位素的需求增加使得监测此类爆炸的任务更具挑战性。

“我们的研究人员和工程师的杰出成就极大地提高了核爆炸监测能力，”国防部防核扩散副局长布伦特·帕克博士说。“我为我们国家实验室在这一重要国际问题上正在进行的工作感到自豪。”