Forskere demonstrerer den første stabile halvlederneutrondetektor

Homeland Security kan snart få et nyt værktøj at tilføje til sit arsenal.

Forskere ved Northwestern University og Argonne National Laboratory har udviklet et nyt materiale, der åbner døre for en ny klasse neutrondetektorer.

Med evnen til at fornemme smuglet nukleart materiale, meget effektive neutrondetektorer er afgørende for den nationale sikkerhed. I øjeblikket, der er to klasser af detektorer, der enten bruger heliumgas eller lysglimt. Disse detektorer er meget store - nogle gange på størrelse med en væg.

Northwestern og Argonnes materiale introducerer en tredje klasse:en halvleder, der kan absorbere neutroner og generere elektriske signaler, der let kan måles. Den halvlederbaserede detektor er også yderst effektiv og stabil. Den kan bruges både i små, bærbare enheder til feltinspektioner og meget store detektorer, der anvender matriser af krystaller.

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i tidsskriftet 16. januar Natur .

"Folk har forestillet sig halvlederneutrondetektorer i lang tid, "sagde Northwestern's Mercouri Kanatzidis, der ledede forskningen. "Ideen var der, men ingen havde det rigtige materiale til at gøre det. "

Kanatzidis er Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi i Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences. Han har en fælles aftale med Argonne.

Når tunge elementer, såsom uran og plutonium, henfald, deres atomer skubber neutroner ud af deres kerner. De fleste neutrondetektorer er såkaldte scintillatorer, der virker ved at registrere udstødte neutroner og derefter udsende lys for at advare brugeren. Dette nye materiale er en halvleder og udsender ikke lys, men i stedet direkte detekterer elektriske signaler induceret af neutronerne. Ud over sikkerhedsprogrammer, neutrondetektorer bruges i strålingssikkerhed, astronomi, plasma fysik, materialevidenskab og krystallografi.

Mens klassiske typer termiske neutrondetektorer har været i brug siden 1950'erne, et praktisk halvledermateriale er forblevet undvigende. Fremragende til at absorbere neutroner, lithium dukkede hurtigt op som det mest lovende materiale til neutrondetekteringsudstyr. Men at integrere litium i en halvleder og gøre det stabilt (lithium smuldrer, når det møder vand) var en anden historie.

"Du kan finde gode halvledere, men de har ikke lithium, "Kanatzidis sagde." Eller du kan finde stabile lithiumforbindelser, der ikke er gode halvledere. Vi fandt det bedste fra begge verdener. Den specifikke lithium-6 isotop, hvilket er rimeligt rigeligt og lavt, er en stærk neutronabsorber. "

I deres undersøgelse, Kanatzidis og hans team opdagede den rigtige kombination af materialer til at lave en arbejdsindretning, der også holder litium stabilt. Deres nye materiale-lithium-indium-phosphor-selen-er lagdelt i struktur og beriget med lithium-6-isotopen.

"Krystalstrukturen er speciel, "Kanatzidis sagde." Lithium er inde i lagene, så vand kan ikke nå det. Det er en stor, vigtigt træk ved dette materiale. "

Den resulterende halvlederneutrondetektor kan detektere termiske neutroner fra selv en meget svag kilde - og kan gøre det inden for nanosekunder. Det kan også skelne mellem neutroner og andre typer nukleare signaler, såsom gammastråler. Dette forhindrer falske alarmer.

En sidste ekstra bonus:Materialet indeholder en meget høj mængde lithium. Så en mindre brøkdel af materialet kan absorbere den samme mængde neutroner som en kæmpe enhed. Dette fører til enheder, der er små nok til at passe i din hånd.

"Det er vigtigt at have alle størrelser af neutrondetektorer og så mange slags som muligt, såsom vores nye halvleder, "Sagde Kanatzidis." Du vil have dem, der er så store som en væg, hvor du kan passere en lastbil lige ved den. Men du vil også have små, der kan være bærbare til inspektion ude i marken. "