2026年9月10日——为了监测发电厂和武器设施中核材料的数量和类型，科学家会寻找一种特殊信号——特定放射性元素发射的独特伽马射线模式。然而，其中一些元素还会在与伽马射线发射相同的能量范围内发射X射线，从而掩盖该信号，使核库存更难以评估。

如今，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员以前所未有的精度测量了钚、铀和镎（铀的一种核衰变产物）发出的造成干扰的X射线。这一成果使科学家能够滤除X射线背景噪声，从而更精确地评估核材料的累积情况。

“我们的测量支持国际核保障监督，因为它能对核设施中的材料进行更精确的核算，”NIST和科罗拉多大学博尔德分校物理学家Jonathan Dean说。

Dean及其同事，包括来自NIST、科罗拉多大学博尔德分校、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室、纽约州霍顿大学以及巴黎索邦大学卡斯特勒·布罗塞尔实验室的研究人员，在《物理评论快报》上报告了他们的工作。

为了进行X射线测量，该团队采用了NIST开发的一种量子传感器阵列，这些传感器就像微型且极其灵敏的温度计。这些被称为过渡边缘传感器（TES）的装置由一层超导薄膜组成，其温度仅比绝对零度高不到一度。在这个温度下，薄膜正好处于零电阻超导体和具有可测量电阻的普通金属之间的转变区。当单个光粒子，例如X射线光子，击中传感器时，它会传递极微小的热量——但足以急剧增加超导薄膜的电阻。

电阻与光子能量成正比，使传感器能够进行高分辨率能量测量。研究人员测量了铀、钚和镎在与伽马射线发射重叠的能量范围内发射的X射线。与之前的测量相比，TES的灵敏度将X射线能量测量的不确定度降低了三分之一到八分之一。

通过精确测量并有效扣除造成干扰的X射线辐射，TES和其他记录伽马射线的探测器可以更准确地表征核材料。例如，同一种元素的原子其原子核中可以含有不同数量的中子——这些不同的形式被称为同位素。测量这些同位素之间的比例至关重要，因为它可以表明一种材料是打算用于核电站还是核武器。

例如，同位素铀-235在自然界中仅占铀总丰度的0.7%，但必须富集到百分之几的相对丰度才能用作燃料，而武器级材料则需达到90%。

除了具有更高的准确性外，新的测量方法还使科学家能够更快速地评估核材料的组成。Dean说，快速评估在核电站应该会很有用。利用铀原子裂变释放的热量发电是一个多步骤过程，在每一步之前都必须重新评估核燃料的组成。更快地测量组成应能缩短步骤之间的滞留时间，并有可能提高核电站的效率并降低成本。

这些传感器必须冷却到仅比绝对零度高零点几度的温度，而所需的冷却设备过于庞大，无法手持。然而，TES探测器阵列可以在任何有足够电力为制冷系统供电的地方运行。在其他无法立即获得TES的地点，科学家可以采集放射性材料样本并将其送往另一个实验室。“我们的仪器与这两种方法都兼容，”Dean说。

NIST科学家与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作，已在三个美国能源部实验室安装了TES探测器，用于监测这些场所的核材料。NIST还将TES探测器部署到斯坦福大学SLAC国家加速器实验室、阿贡国家实验室先进光子源同步加速器、布鲁克黑文国家实验室国家同步辐射光源的研究项目中，以及包括瑞士CERN粒子加速器在内的多个国际设施。

该团队目前正在努力将探测器的精度提升到新水平，以协助CERN寻找新型基本粒子，并在NASA戈达德安装一台新探测器，以帮助理解宇宙中最极端的环境。

此外，NIST正在努力简化、小型化并降低用于冷却传感器的设备成本。两家美国公司已采用并开始制造NIST设计的用于TES的紧凑型制冷系统。