Geïnspireerd door een ongewone bron, een team van Sandia National Laboratories heeft de wetenschap van scintillatoren - objecten die nucleaire dreigingen detecteren - drastisch verbeterd. Volgens de ploeg het gebruik van scintillatoren van organisch glas zou het binnenkort nog moeilijker kunnen maken om nucleair materiaal door de Amerikaanse havens en grenzen te smokkelen.

Het Sandia Labs-team heeft een scintillator ontwikkeld die is gemaakt van organisch glas en die effectiever is dan het bekendste materiaal voor het detecteren van nucleaire dreigingen, terwijl het veel gemakkelijker en goedkoper te produceren is.

Organisch glas is een op koolstof gebaseerd materiaal dat kan worden gesmolten en niet troebel wordt of kristalliseert bij afkoeling. De succesvolle resultaten van de tests van het projectteam voor nucleaire non-proliferatie van Defensie op scintillatoren van organisch glas worden beschreven in een paper dat deze week is gepubliceerd in Het tijdschrift van de American Chemical Society .

Sandia Labs materiaalwetenschapper en hoofdonderzoeker Patrick Feng begon in 2010 met het ontwikkelen van alternatieve klassen van organische scintillatoren. Feng legde uit dat hij en zijn team "de nationale veiligheid wilden versterken door de kosten-prestatieverhouding van stralingsdetectoren aan de frontlinie van alle materiaal het land binnenkomt." Om die verhouding te verbeteren, het team moest de kloof tussen de beste, slimste, meest gevoelige scintillatormateriaal en de lagere kosten van minder gevoelige materialen.

Inspiratie van light-emitting diodes leidt tot prestatieverbetering

Het team ontwierp, voor dit project nieuwe scintillatormoleculen gesynthetiseerd en beoordeeld met als doel de relatie tussen de moleculaire structuren en de resulterende stralingsdetectie-eigenschappen te begrijpen. Ze boekten vooruitgang bij het vinden van scintillatoren die het verschil konden aangeven tussen nucleair materiaal dat een potentiële bedreiging zou kunnen zijn en normaal, niet-bedreigende stralingsbronnen, zoals die voor medische behandelingen of de straling die van nature in onze atmosfeer aanwezig is.

Het team rapporteerde voor het eerst over de voordelen van het gebruik van organisch glas als scintillatormateriaal in juni 2016. Organisch chemicus Joey Carlson zei dat verdere doorbraken echt mogelijk werden toen hij zich realiseerde dat scintillatoren zich veel als lichtgevende dioden gedragen.

Met LED's, een bekende bron en hoeveelheid elektrische energie wordt toegevoerd aan een apparaat om een ​​gewenste hoeveelheid licht te produceren. In tegenstelling tot, scintillatoren produceren licht als reactie op de aanwezigheid van een onbekende stralingsbron. Afhankelijk van de hoeveelheid geproduceerd licht en de snelheid waarmee het licht verschijnt, de bron kan worden achterhaald.

Ondanks deze verschillen in de manier waarop ze werken, zowel LED's als scintillatoren gebruiken elektrische energie om licht te produceren. Fluoreen is een lichtgevend molecuul dat in sommige soorten LED's wordt gebruikt. Het team ontdekte dat het mogelijk was om de meest wenselijke eigenschappen te bereiken:stabiliteit, transparantie en helderheid - door fluoreen op te nemen in hun scintillatorverbindingen.

Voorbij kristallen en kunststoffen

Het gouden standaard scintillatormateriaal van de afgelopen 40 jaar was de kristallijne vorm van een molecuul genaamd trans-stilbeen, ondanks intensief onderzoek om een ​​vervanging te ontwikkelen. Trans-stilbeen is zeer effectief in het onderscheiden van twee soorten straling:gammastraling, die alomtegenwoordig zijn in het milieu, en neutronen, die bijna uitsluitend afkomstig zijn van gecontroleerde bedreigingsmaterialen zoals plutonium of uranium. Trans-stilbeen is erg gevoelig voor deze materialen, een helder licht produceren als reactie op hun aanwezigheid.

Maar het kost veel energie en enkele maanden om een ​​trans-stilbeenkristal van slechts enkele centimeters lang te produceren. De kristallen zijn ongelooflijk duur, rond $1, 000 per kubieke inch, en ze zijn kwetsbaar, dus ze worden niet vaak gebruikt in het veld.

In plaats daarvan, de meest gebruikte scintillatoren aan grenzen en toegangspoorten zijn kunststoffen. Ze zijn relatief goedkoop voor minder dan een dollar per kubieke inch, en ze kunnen in zeer grote vormen worden gegoten, wat essentieel is voor scintillatorgevoeligheid. Zoals Feng uitlegde, "Hoe groter uw detector, hoe gevoeliger het zal zijn, omdat er een grotere kans is dat straling het raakt."

Ondanks deze positieve punten, kunststoffen zijn niet in staat om efficiënt onderscheid te maken tussen soorten straling - daarvoor is een aparte heliumbuis nodig. Het type helium dat in deze buizen wordt gebruikt, is zeldzaam, niet-hernieuwbaar en draagt ​​aanzienlijk bij aan de kosten en complexiteit van een plastic scintillatorsysteem. En kunststoffen zijn niet bijzonder helder, met slechts twee derde van de intensiteit van trans-stilbeen, wat betekent dat ze het niet goed doen om zwakke stralingsbronnen te detecteren.

Om deze redenen, Het team van Sandia Labs begon te experimenteren met biologische glazen, die onderscheid kunnen maken tussen soorten straling. In feite, Het team van Feng ontdekte dat de glazen scintillatoren zelfs het trans-stilbeen overtreffen in stralingsdetectietests - ze zijn helderder en kunnen beter onderscheid maken tussen soorten straling.

Nog een uitdaging:de eerste glasverbindingen die het team maakte, waren niet stabiel. Als de glazen te lang te heet zijn geworden, ze zouden kristalliseren, die hun prestaties beïnvloedden. Het team van Feng ontdekte dat het mengen van verbindingen die fluoreen bevatten met de organische glasmoleculen ze voor onbepaalde tijd stabiel maakte. De stabiele glazen konden dan ook worden gesmolten en in grote blokken gegoten, wat een eenvoudiger en goedkoper proces is dan het maken van plastic of trans-stilbeen.

Van het lab tot de havens

Het werk tot nu toe vertoont een onbepaalde stabiliteit in een laboratorium, wat betekent dat het materiaal na verloop van tijd niet degradeert. Nutsvoorzieningen, de volgende stap in de richting van commercialisering is het gieten van een zeer groot prototype van een organische glasscintillator voor veldtesten. Feng en zijn team willen laten zien dat scintillatoren van organisch glas bestand zijn tegen de vochtigheid en andere omgevingscondities in havens.

De National Nuclear Security Administration heeft het project voor nog eens twee jaar gefinancierd. Dit geeft het team de tijd om te zien of ze scintillatoren van organisch glas kunnen gebruiken om aan extra nationale veiligheidsbehoeften te voldoen.

Vooruit gaan, Feng en zijn team zijn ook van plan om met het organische glas te experimenteren totdat het onderscheid kan maken tussen bronnen van gammastraling die niet-bedreigend zijn en die welke kunnen worden gebruikt om vuile bommen te maken.