Strålingsdetekterende plastik får ingrediens til at forblive i det klare

Forskere ved Sandia National Laboratories har identificeret en ligetil ændring af formlen for strålingsdetekterende plast. Ændringen forhindrer "tåge, ", hvilket reducerer levetiden af ​​plastik, der bruges til at detektere nukleart materiale, der passerer gennem det amerikanske Department of Homeland Securitys strålingsdetektorer.

Ændringen passer også godt ind i eksisterende fremstillingsprocesser for plasten, så producenterne har været i stand til at opskalere produktionen hurtigt for at lave store plader, der er i stand til at erstatte tågede detektorer.

Disse strålingsdetektorer er plader af polyvinyltoluen (PVT) plast, 2 tommer tyk og 6 til 8 fod høj, indsat i kørebaner ved indsejlingshavne. Detektionskomponenten i plastikken er et fluorescerende molekyle, der lyser, når stråling rammer materialet. Lyssamlere monteret på toppen af ​​arket samler lys fra de glødende molekyler; mængden af ​​lys, de registrerer, afspejler mængden og energien af ​​stråling, der rammer materialet, antallet af lyspartikler, der kommer fra det fluorescerende molekyle og effektiviteten af ​​lystransport gennem plastikken.

"For pålidelige strålingsmålinger, det er af yderste vigtighed, at materialet er optisk gennemsigtigt og forbliver sådan i årtier, " sagde Sandia-materialeforsker Nick Myllenbeck.

Imidlertid, analytikere, der bruger PVT, bemærkede, at plastikkens strålingsdetekteringsevne begyndte at blive forringet, efter at plastikken havde brugt et par år i felten. Ved øjet, de så, hvad der så ud til at være tågedråber, der dannedes inde i materialet. Disse dråber spredte lys fra de glødende molekyler og forhindrede noget af lyset i at nå detektorerne, reducerer detektorens følsomhed over tid.

Mikroskopi afslører tågekilde

For at finde ud af, hvordan du forhindrer denne dug, Sandia forskere, arbejder med kolleger hos Lawrence Livermore, Pacific Northwest og Oak Ridge nationale laboratorier, først havde brug for at vide, hvordan tågen blev dannet. De havde mistanke om, at det optrådte i materialet, ligesom det gør i luft - ved at vand kondenserede, når lufttemperaturen falder natten over.

Forskerne lagde små prøver af den strålingsdetekterende PVT-plast i et fugtigt kammer og cyklede temperaturen fra varm til kølig for at efterligne dag- og nattemperaturer. Prøverne absorberede kun omkring 0,03% vand efter masse, men under afkølingscyklusser, forskerne så de tågelignende dråber dukke op i materialet.

Da de undersøgte materialet under et optisk mikroskop, imidlertid, de indså, at dråberne var mikroskala defekter i plastikken forårsaget af kondenseret vand absorberet fra luften.

De indså til sidst, at defekterne dannede sig i to faser. Under de første par varme og kølige cyklusser, de tågelignende defekter ser ud til at være fuldstændig reversible ved opvarmning eller udtørring af plasten. Imidlertid, hvis vandet forbliver i plastikken, og materialet oplever tilstrækkelige temperaturcyklusser, fejlene vokser og bliver permanente. Begge defekttyper kan påvirke ydeevnen af ​​plastscintillatorer i marken negativt, Myllenbeck bemærkede.

Formel, der ikke dugger, let for producenter at producere i skala

Da forskerne vidste, hvordan tågen dannedes, de antog, at de kunne tilføje en kemisk komponent til plastikken for at forhindre, at vandet danner defekter indeni. Materialeforskere fra Sandia og Lawrence Livermore, deling af finansiering fra Department of Homeland Security Counting Weapons of Mass Destruction Office, eksperimenteret med forskellige additiver for at stabilisere vand ved hjælp af hydrogenbinding til additivet.

Hos Sandia, Myllenbeck og hans kolleger startede med den nuværende PVT-formel og tilføjede én ingrediens:et kommercielt tilgængeligt additiv, der kan interagere positivt både med vand og plastikmatrixen. Da de testede det nye materiale under accelererede temperatur- og fugtighedsforhold, forskerne så ingen tegn på dug efter snesevis af cyklusser. I modsætning, standardplastikken ville dugge alvorligt efter blot én cyklus. Myllenbeck har mistanke om, at vandet inde i plastikken klæber sig til additivet i stedet for til andre vandmolekyler. som forhindrer dråbedannelse, og dermed lysspredningsfejl.

"Denne ene ingrediensændring er en kæmpe fordel for producenterne, " sagde han. "De behøver kun at tilføje en lille mængde af denne forbindelse til deres eksisterende formel, med mindre procesændringer, at producere et ikke-dug-materiale, der fungerer identisk med det eksisterende plastik."

Som en demonstration af skalerbarhed, en ejendom, der tidligere havde undgået multi-lab-teamet, en PVT-producent, der arbejder med multilab-teamet, har produceret adskillige 2/3-skaladele med den nye formel. De planlægger i løbet af de næste mange måneder at lave paneler i fuld skala, der er egnede til feltinstallation, Myllenbeck tilføjede.