Spektral formdiskrimination:Farverigt lys i enden af ​​tunnelen til strålingsdetektering

Et team af nanomaterialeforskere ved Sandia National Laboratories har udviklet en ny teknik til strålingsdetektering, der kan gøre strålingsdetektering i last og bagage mere effektiv og billigere for inspektører for hjemlandssikkerhed.

Kendt som spektral formdiskrimination (SSD), metoden drager fordel af en ny klasse af nanoporøse materialer kendt som metal-organiske rammer (MOF'er). Forskere opdagede, at tilføjelse af et dopingmiddel til en MOF fører til udsendelse af rødt og blåt lys, når MOF interagerer med partikler med høj energi, der stammer fra radiologisk eller nukleart materiale, muliggør en mere effektiv detektion af neutroner. Neutronregistrering er i øjeblikket en dyr og teknisk udfordrende indsats på grund af vanskelighederne med at skelne neutroner fra allestedsnærværende baggrund gammastråler.

Indledende arbejde med brugen af ​​MOF'er til strålingsdetektering blev internt finansieret af Sandia's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program, men efterfølgende finansiering til projektet er kommet fra National Nuclear Security Administration's (NNSA) Defense Nuclear Nonproliferation research office.

"Forbedring af vores strålingsdetekteringsevner er afgørende for at fremme NNSA's non -spredningsmission, "sagde Anne Harrington, NNSA's stedfortrædende administrator for Defense Nuclear Nonproliferation. "Forebyggelse af ulovlig bevægelse af radiologiske og nukleare materialer rundt om i verden understøtter præsidentens nukleare sikkerhedsmål og hjælper med at afbøde truslen om et nuklear terrorangreb."

Den nye teknologi fungerer med plastikscintillatorer, materialer, der fluorescerer, når de rammes af ladede partikler eller højenergifotoner, gør den egnet til kommercialisering af virksomheder, der producerer plastik og andre organiske scintillatorer, der bruges i strålingsdetekteringsudstyr. Selvom arbejdet er tilbage, før det kan flytte ind på markedet, Sandia søger i øjeblikket kommercielle partnere til at licensere teknologien.

Nuværende strålingsdetekteringsmetoder er begrænsede med hensyn til hastighed og følsomhed, afgørende elementer for dynamiske scenarier, såsom grænseovergange, lastundersøgelser og verifikation af atomaftale. Denne nye teknologi overvåger farven på lysemissioner, som har potentiale til at gøre screeningsprocessen lettere og mere pålidelig.

"Vi nærmer os problemet fra et materialekemisk perspektiv, "sagde Sandia -materialeforsker Mark Allendorf." Grundlæggende det er lettere at overvåge farven på lysemissioner frem for den hastighed, hvormed det lys udsendes. Det er kernen i denne nye tilgang. "Nuværende strålingsdetekteringsmetoder bruger tid til at skelne mellem neutroner og gammastråler, kræver kompleks og dyr elektronik.

MOF'er og dopinger fører til mere lys

Allendorf og hans team har arbejdet med MOF'er i mere end fem år. Tidligt, de opdagede en fluorescerende porøs MOF med fremragende scintillationsegenskaber, et vigtigt gennembrud og den første nye klasse af scintillatorer fundet i årtier. MOF's porøsitet er en nøglefunktion, fordi den giver forskere mulighed for at tilføje andre materialer for at finjustere scintillationen.

MOF's nanoporositet udløste en ny idé, da teammedlem Patrick Doty læste om brugen af ​​dopemidler til at øge effektiviteten af ​​organiske lysemitterende dioder (OLED'er). Disse dopemidler, normalt forbindelser, der indeholder tungmetaller såsom iridium, øge OLED-lysstyrken dramatisk ved at "rense" energien i spændingstilstanden i enheden, der ikke blev konverteret til lys. Denne energi repræsenterer hele 75 procent af det mulige lysudbytte.

Kombination af MOF'er med OLED -dopemidler førte til et andet gennembrud. Ved at fylde MOF -porer med dopemidler, teamet skabte et materiale, der ikke kun producerer mere lys, men lys i en anden farve. Doty, en materialeforsker, der arbejder i Sandias strålings-/nukleare detektionsmaterialer og analyseafdeling, antog, at opdagelsen kunne anvendes på strålingsdetektering.

Tricket, Doty sagde, er at tilføje den helt rigtige mængde doping, så både det opfangede lys og fluorescens fra selve den ophidsede MOF udsendes. Derefter er forholdet mellem intensiteterne ved de to bølgelængder en funktion af den type højenergipartikel, der interagerer med materialet. "Det er det kritiske, "Sagde Doty." SSD gør det muligt at skelne en partikeltype fra en anden på grundlag af farven på det udsendte lys. "

Fordi forholdet mellem neutroner og gammastråler er så lavt - i størrelsesordenen fra et neutron til 105 gammastråler - er tærsklen, hvormed aktuelle detektorer kan se neutroner, temmelig høj. Sandia calculations suggest that the threshold for detecting neutrons produced by fissionable material could be lowered substantially using SSD, perhaps improving the "figure of merit" by a factor of 10 compared to the current standards. "I princippet, we could quadruple the sensitivity of the gold standard, " said Allendorf.

SSD also addresses another radiation detection problem — active interrogation. Using an active source to create a signal from special nuclear material is an effective means for detection, say Sandia researchers. But current detectors are often overwhelmed by the onslaught of gamma rays. The new materials developed at Sandia can be tuned for improved timing performance at high rates, and the new technology also could be used in radiation detectors for treaty verification.