Fotovoltaiske perovskitter kan detektere neutroner

En enkel og billig enhed til at detektere neutroner er blevet udviklet af et hold af EPFL-forskere og deres samarbejdspartnere. Enheden, baseret på en særlig klasse af krystallinske forbindelser kaldet perovskiter, kan bruges til hurtigt at detektere neutroner, der kommer fra radioaktive materialer, f.eks. en atomreaktor, der er blevet beskadiget, eller som bliver transporteret uhyggeligt, siger forskerne. Værket er udgivet i Videnskabelige rapporter .

Perovskiter baseret på organiske og uorganiske elementer er varmt tippet til at være verdens bedste materialer til solcelleanvendelser. Men deres talenter slutter ikke med at konvertere sollys til magt:perovskiter kan også bruges til at detektere bestemte typer stråling, fra synligt lys til gammastråler. Perovskitter er også billige og nemme at lave - deres specifikke krystalstruktur og sammensætning gør det muligt for dem at interagere meget effektivt med fotoner på måder, der ikke er fuldt ud forstået endnu, men de genererede elektroner er allerede klar til at blive udnyttet i praktiske applikationer.

Perovskit-neutrondetektoren er bygget på arbejde, som hovedforfatter Pavao Andričević (nu postdoktor i fysik ved Danmarks Tekniske Universitet) udførte under sin ph.d. studier ved EPFL med László Forró (nu ved University of Notre Dame, OS.). De udviklede perovskitmaterialer, der kunne detektere en bred vifte af stråling fra synligt lys til gammastråler. Men neutroner - som er neutrale partikler, og ikke fotoner - er forblevet uden for rækkevidde for perovskit-detektorer. Indtil nu.

Perovskitterne udviklet af Andricevic og Forrós team er bly- og bromholdige enkeltkrystaller af en forbindelse kaldet methylammoniumblytribromid. For at prøve at detektere neutroner direkte, holdet placerede først disse krystaller i vejen for en neutronkilde. Dette blev gjort med hjælp fra Gabor Nafradi (Rutherford Appleton Laboratory, UK) og teamet af Andreas Pautz (Laboratory of Reactor Physics, EPFL). neutronerne, rammer krystallerne, trænge ind i kernen af ​​atomerne i krystallen, som ophidser dem til en højere energitilstand. Når de slapper af og forfalder, gammastråler dannes. Disse gammafotoner oplader perovskitten, producerer en lille strøm, der kan måles.

Men denne strøm var så lille, at holdet indså, at der var brug for noget ekstra, hvis de skulle lave en praktisk neutrondetektor. Og det ekstra blev fundet i en tynd folie af gadoliniummetal, som er meget bedre til at absorbere neutroner sammenlignet med den nøgne perovskitkrystal. Når neutroner interagerer med gadoliniums atomer, de er ophidset til en højere energisk tilstand, og derefter henfald og udsender gammastråling.

Gadolinium er meget mere effektivt til at skabe gammafotoner end perovskitter, som allerede var blevet udviklet som en stor gammadetektor. At sætte de to sammen var enkelt og meget effektivt; forskerne tilføjede en kulelektrode, og de resulterende elektroner produceret i perovskitten var nemme at måle. "Du sætter bare et voltmeter eller en strømmåler på, " siger Forró.

For at forbedre detektoren yderligere, holdet dyrkede derefter perovskitkrystallen omkring folien. Disse særlige perovskitter er bemærkelsesværdige, fordi deres krystalstruktur ikke påvirkes, hvis de har et fremmedlegeme i sig. "Egenskaben af ​​dette materiale er sådan, at det kan opsluge alt, fra en flue til en krokodille, til gadolinium, " siger Márton Kollár, kemikeren i holdet. "Så det vokser omkring objektet, og selv når det vokser rundt, det forbliver krystallinsk. Så dette er en virkelig fabelagtig egenskab ved dette materiale."

En ekstra fordel ved enheden er, at den kan måle retningen af ​​neutronstrømmen, og størrelsen af ​​flowet - så det kunne være en rigtig nyttig scanningsenhed, hvis den tages op af en kommerciel virksomhed.

"Det er simpelt, Det er billigt, og det er omkostningseffektivt, " siger Forró. Nu hvor holdet har vist, at enheden virker, næste skridt er forfining og potentiel kommercialisering. "Dette er et principbevis, at det virker, " siger Forró. "Og nu kan vi tænke på konfiguration af en meget effektiv detektor."