超痕量检测仪测试金属纯度 “净化”超痕量放射性物质

除非在家庭检查中发现氡气，否则大多数人仍然幸福地没有意识到花岗岩，金属矿石和某些土壤等岩石含有天然辐射源。在大多数情况下，低辐射水平与健康无关。但是一些科学家和工程师甚至担心辐射的痕量水平，这可能对敏感设备造成严重破坏。例如，半导体行业每年花费数十亿美元从微芯片，晶体管和敏感传感器中获取和“净化”超痕量放射性物质。

现在，美国能源部太平洋西北国家实验室的化学家已经开发出一种简单可靠的方法，有望改变超痕量元素的分离和检测方式。低含量的麻烦的天然放射性元素(如铀和钍原子)通常被藏在金和铜等贵重金属中。在某些情况下，要弄清在全球范围内开采的矿石样本中发现有多少是异常困难，不切实际甚至是不可能的。

然而，对于某些类型的敏感仪器和探测器而言，采购具有极低自然辐射水平的材料是必不可少的，例如那些寻找当前未被发现的证据，许多物理学家认为这些微粒实际上构成了宇宙的大部分。

化学家Khadouja Harouaka表示：“我们的检测工作确实在推动极限。” “我们要用世界上最灵敏的检测器组件测量物体中含量极低的钍和铀。尤其是测量黄金等贵重金属中特别低含量的钍和铀，我们相信可以克服这一挑战，并实现低至万亿分之十的金属检测极限。”

这就像试图在约10万英亩的三叶草(比新奥尔良大)中找到一棵四叶三叶草。

碰撞的粒子世界

科学家通过将样品送入一系列隔离室，从广阔的普通原子场中找到了它们极为稀有的“四叶草”原子。这些腔室首先进行过滤，然后将稀有原子与简单的氧气碰撞，形成具有独特分子量的“标记”分子，然后可以通过其大小和电荷对其进行分离。

效果就像找到一种方法将氦气球与每个目标钍或铀原子绑在一起，使其漂浮在金样海面之上并可以计数。在这种情况下，复杂的计数器就是质谱仪。这项研究发表在2020年12月的《分析原子光谱学杂志》的封面上。

中心创新是碰撞室，碰撞室中的钍和铀的带电原子与氧反应，增加了分子量，并使它们与其他可能掩盖其存在的重叠信号分离。

专利碰撞池的原始PNNL发明者格雷格·艾登(Greg Eiden)说：“我有一个美好的时刻。”格雷格·艾登用于执行这些反应，从而将对仪器读数的不必要干扰减少了百万分之一。“正是这种神奇的化学方法消除了样品中不需要的不良物质，因此您可以看到想要看到的东西。”

在当前的研究中，Harouaka和她的导师Isaac Arnquist利用Eiden的工作来挑出极少量的放射性原子，这些原子仍然可以破坏灵敏的电子检测设备。除其他用途外，这项创新还可以使由高级化学家埃里克·霍普(Eric Hoppe)和他在PNNL的团队领导的化学家进一步磨炼产生世界上最纯的电铸铜的化学物质。铜是敏感物理探测器(包括用于国际核条约核查的探测器)的关键组成部分。

中微子听之旅

斯坦福大学的物理学家乔治·格拉塔(Giorgio Gratta)协助进行了一项全球性的探索，以获取有关宇宙基本构成要素的证据。现在正处于计划阶段的nEXO实验正在推动检测界限的发展，以寻找这些难以捉摸的粒子(称为Majorana Fermions)的证据。他们寻求的信号来自极为罕见的事件。为了检测到此类事件，实验需要非常灵敏的检测器，该检测器必须没有通过构成检测器的材料引入的杂散辐射。其中包括记录触发检测的极其罕见事件所需的电子设备中的金属。

Gratta说：“ PNNL是超痕量辐射检测的全球领导者。” “他们独特的创新和应用组合为实现像nEXO这样的敏感实验提供了重要的贡献。”

洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家史蒂夫·埃利奥特(Steve Elliott)强调了研究人员必须付出的努力，以确保为稀有颗粒物检测提供严格清洁的环境。

他说：“在甚至人类指纹都必须放射性避免的实验程序中，测量超低放射性杂质水平的技术至关重要。”他补充说，这种方法可以提供一种重要的方式来为下一代产品提供原料计划将稀有中微子事件探测器LEGEND部署在欧洲的地下场所。

清洁半导体和量子计算机

半导体是现代电子学的基本组成部分，包括集成电路，微芯片，晶体管，传感器和量子计算机，它们也对杂散辐射的存在很敏感。而且创新周期要求每一代产品都越来越多地集成到越来越小的微型芯片中。

霍普说：“随着架构变得越来越小，辐射污染已成为制造商通过改变芯片内部架构来解决的一个越来越大的问题。” “但是到目前为止，您只能做到这一点，而您真正开始受到其中某些材料纯度的限制。该行业已经为自己设定了目前无法实现的目标，因此拥有一种测量技术，例如这可以使某些目标得以实现。”

Eiden补充说，更广泛地说，“在元素周期表的广阔世界中，您可能关心的任何元素都有应用。而Eric，Khadouja和Isaac在这里追求的是分析任何超纯材料中的任何痕量杂质。”