Lys tænkning fører til gennembrud inden for detektion af nuklear trussel

Med inspiration fra en usædvanlig kilde, et team fra Sandia National Laboratories har dramatisk forbedret videnskaben om scintillatorer - genstande, der opdager nukleare trusler. Ifølge holdet, Brug af organiske glasscintillatorer kan snart gøre det endnu sværere at smugle nukleare materialer gennem USAs havne og grænser.

Sandia Labs-teamet har udviklet en scintillator lavet af et organisk glas, som er mere effektiv end det bedst kendte materiale til detektering af nukleare trusler, samtidig med at det er meget nemmere og billigere at producere.

Organisk glas er et kulstofbaseret materiale, der kan smeltes og ikke bliver uklart eller krystalliserer ved afkøling. Succesfulde resultater af forsvarets nukleare ikke-spredningsprojektteams test på organiske glasscintillatorer er beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i Journal of the American Chemical Society .

Sandia Labs materialeforsker og hovedefterforsker Patrick Feng begyndte at udvikle alternative klasser af organiske scintillatorer i 2010. Feng forklarede, at han og hans team satte sig for at "styrke den nationale sikkerhed ved at forbedre forholdet mellem omkostninger og ydeevne for strålingsdetektorer i frontlinjen af ​​alle materiale, der flytter ind i landet." For at forbedre dette forhold, holdet havde brug for at bygge bro mellem de bedste, lyseste, mest følsomme scintillatormateriale og de lavere omkostninger ved mindre følsomme materialer.

Inspiration fra lysemitterende dioder fører til ydelsesforøgelse

Holdet designet, syntetiserede og vurderede nye scintillatormolekyler til dette projekt med det formål at forstå sammenhængen mellem de molekylære strukturer og de resulterende strålingsdetekteringsegenskaber. De gjorde fremskridt med at finde scintillatorer i stand til at indikere forskellen mellem nukleare materialer, der kunne være potentielle trusler, og normale, ikke-truende strålingskilder, som dem, der bruges til medicinske behandlinger eller den stråling, der er naturligt til stede i vores atmosfære.

Holdet rapporterede først om fordelene ved at bruge organisk glas som et scintillatormateriale i juni 2016. Den organiske kemiker Joey Carlson sagde, at yderligere gennembrud virkelig blev mulige, da han indså, at scintillatorer opfører sig meget som lysemitterende dioder.

Med LED'er, en kendt kilde og mængde af elektrisk energi påføres en enhed for at producere en ønsket mængde lys. I modsætning, scintillatorer producerer lys som reaktion på tilstedeværelsen af ​​et ukendt strålingskildemateriale. Afhængigt af mængden af ​​produceret lys og hastigheden, hvormed lyset vises, kilden kan identificeres.

På trods af disse forskelle i den måde, de fungerer på, både LED'er og scintillatorer udnytter elektrisk energi til at producere lys. Fluoren er et lysemitterende molekyle, der bruges i nogle typer LED'er. Holdet fandt ud af, at det var muligt at opnå de mest ønskværdige kvaliteter - stabilitet, gennemsigtighed og lysstyrke - ved at inkorporere fluoren i deres scintillatorforbindelser.

Skubber forbi krystaller og plastik

Guldstandarden scintillatormateriale i de sidste 40 år har været den krystallinske form af et molekyle kaldet transstilben, trods intens forskning for at udvikle en erstatning. Transstilben er yderst effektiv til at skelne mellem to typer stråling:gammastråler, som er allestedsnærværende i miljøet, og neutroner, som næsten udelukkende stammer fra kontrollerede trusselsmaterialer som plutonium eller uran. Transstilben er meget følsom over for disse materialer, producerer et skarpt lys som reaktion på deres tilstedeværelse.

Men det tager en masse energi og flere måneder at producere en trans-stilben krystal, der kun er et par centimeter lang. Krystallerne er utroligt dyre, omkring $1, 000 pr. kubik tomme, og de er skrøbelige, så de er ikke almindeligt brugt i marken.

I stedet, de mest almindeligt anvendte scintillatorer ved grænser og indgangshavne er plast. De er forholdsvis billige til mindre end en dollar per kubik tomme, og de kan støbes til meget store former, hvilket er afgørende for scintillatorfølsomhed. Som Feng forklarede, "Jo større din detektor, jo mere følsomt bliver det, fordi der er en større chance for, at stråling vil ramme den."

På trods af disse positive ting, plast er ikke i stand til effektivt at skelne mellem typer af stråling - der kræves et separat heliumrør til det. Den type helium, der bruges i disse rør, er sjælden, ikke-fornyelige og øger betydeligt omkostningerne og kompleksiteten af ​​et plastscintillatorsystem. Og plast er ikke særlig lyst, ved kun to tredjedele af intensiteten af ​​transstilben, hvilket betyder, at de ikke klarer sig godt ved at opdage svage strålingskilder.

Af disse grunde, Sandia Labs' team begyndte at eksperimentere med økologiske briller, som er i stand til at skelne mellem typer af stråling. Faktisk, Fengs team fandt ud af, at glasscintillatorerne overgår selv transstilbenet i strålingsdetektionstests - de er lysere og bedre til at skelne mellem typer af stråling.

En anden udfordring:De første glasblandinger, som holdet lavede, var ikke stabile. Hvis glassene blev for varme for længe, de ville krystallisere, hvilket påvirkede deres præstationer. Fengs team fandt ud af, at blanding af forbindelser indeholdende fluoren til de organiske glasmolekyler gjorde dem uendeligt stabile. Staldglassene kunne så også smeltes og støbes til store blokke, hvilket er en nemmere og billigere proces end at lave plast eller transstilben.

Fra laboratoriet til havnene

Arbejdet viser indtil videre ubegrænset stabilitet i et laboratorium, hvilket betyder, at materialet ikke nedbrydes over tid. Nu, det næste skridt mod kommercialisering er at støbe en meget stor prototype af organisk glasscintillator til felttest. Feng og hans team ønsker at vise, at organiske glasscintillatorer kan modstå den fugtighed og andre miljøforhold, der findes i havne.

National Nuclear Security Administration har finansieret projektet i yderligere to år. Dette giver holdet tid til at se, om de kan bruge organiske glasscintillatorer til at opfylde yderligere nationale sikkerhedsbehov.

Fremadrettet, Feng og hans team planlægger også at eksperimentere med det organiske glas, indtil det kan skelne mellem kilder til gammastråler, der er ikke-truende, og dem, der kan bruges til at lave beskidte bomber.