Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben een duidelijke wijziging in de formule voor stralingsdetecterend plastic ontdekt. De wijziging voorkomt "beslaan, ", wat de levensduur verkort van de kunststoffen die worden gebruikt om nucleair materiaal te detecteren dat door de stralingsdetectoren van het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid gaat.

De verandering past ook goed in bestaande productieprocessen voor de kunststof, dus hebben fabrikanten de productie snel kunnen opschalen om grote platen te maken die condensatiedetectoren kunnen vervangen.

Deze stralingsdetectoren zijn platen van polyvinyltolueen (PVT) plastic, 2 inch dik en 6 tot 8 voet hoog, ingezet in verkeersstroken bij aankomsthavens. De detectiecomponent in het plastic is een fluorescerend molecuul dat gloeit wanneer straling het materiaal raakt. Lichtcollectoren die op de bovenkant van de plaat zijn gemonteerd, verzamelen het licht van de gloeiende moleculen; de hoeveelheid licht die ze registreren weerspiegelt de hoeveelheid en energie van straling die het materiaal raakt, het aantal lichtdeeltjes afkomstig van het fluorescerende molecuul en de efficiëntie van het lichttransport door het plastic.

"Voor betrouwbare stralingsmetingen, het is van het grootste belang dat het materiaal optisch transparant is en dat decennialang zo blijft, "Sandia materiaalwetenschapper Nick Myllenbeck zei.

Echter, analisten die PVT gebruikten, merkten dat de stralingsdetectie van het plastic begon af te nemen nadat het plastic een paar jaar in het veld had doorgebracht. op het oog, ze zagen wat leek op mistdruppels die zich in het materiaal vormden. Deze druppeltjes verstrooiden het licht van de gloeiende moleculen en verhinderden dat een deel van het licht de detectoren bereikte. de gevoeligheid van de detector in de loop van de tijd verminderen.

Microscopie onthult mistbron

Om erachter te komen hoe u deze beslaan kunt voorkomen, Sandia-onderzoekers, werken met collega's van Lawrence Livermore, Pacific Northwest en Oak Ridge nationale laboratoria, moest eerst weten hoe de mist is ontstaan. Ze vermoedden dat het in het materiaal verscheen, net zoals in de lucht - door condensatie van water als de luchttemperatuur 's nachts daalt.

De onderzoekers plaatsten kleine monsters van het stralingsdetecterende PVT-plastic in een vochtige kamer en wisselden de temperatuur van warm naar koel om de dag- en nachttemperaturen na te bootsen. De monsters absorbeerden slechts ongeveer 0,03% water per massa, maar tijdens koelcycli, de onderzoekers zagen de mistachtige druppeltjes in het materiaal verschijnen.

Toen ze het materiaal onder een optische microscoop onderzochten, echter, ze realiseerden zich dat de druppeltjes microschaaldefecten in het plastic waren, veroorzaakt door gecondenseerd water dat uit de lucht werd geabsorbeerd.

Ze realiseerden zich uiteindelijk dat de defecten zich in twee fasen vormden. Tijdens de eerste paar warme en koude cycli, de mistachtige defecten lijken volledig omkeerbaar bij verwarming of uitdroging van het plastic. Echter, als het water in het plastic blijft en het materiaal voldoende temperatuurcycli doormaakt, de gebreken groeien en worden permanent. Beide defecttypen kunnen de prestaties van plastic scintillatoren in het veld nadelig beïnvloeden, merkte Myllenbeck op.

Niet-beslaande formule die fabrikanten gemakkelijk op schaal kunnen produceren

Toen de onderzoekers eenmaal wisten hoe de mist ontstond, ze veronderstelden dat ze een chemische component aan het plastic zouden kunnen toevoegen om te voorkomen dat water binnenin defecten vormt. Materiaalwetenschappers van Sandia en Lawrence Livermore, het delen van financiering van het Department of Homeland Security Countering Weapons of Mass Destruction Office, geëxperimenteerd met verschillende additieven om water te stabiliseren door middel van waterstofbinding aan het additief.

bij Sandia, Myllenbeck en zijn collega's begonnen met de huidige PVT-formule en voegden één ingrediënt toe:een in de handel verkrijgbaar additief dat een gunstige wisselwerking heeft met zowel water als de plastic matrix. Toen ze het nieuwe materiaal testten onder versnelde temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden, de onderzoekers zagen na tientallen cycli geen beslaan. In tegenstelling tot, het standaard plastic zou al na één cyclus ernstig beslaan. Myllenbeck vermoedt dat het water in het plastic zich aan het additief hecht in plaats van aan andere watermoleculen, die druppelvorming voorkomt, en dus lichtverstrooiingsdefecten.

"Deze verandering van één ingrediënt is een enorm voordeel voor fabrikanten, "zei hij. "Ze hoeven maar een kleine hoeveelheid van deze verbinding aan hun bestaande formule toe te voegen, met kleine procesaanpassingen, om een ​​niet-beslaand materiaal te produceren dat identiek is aan het bestaande plastic."

Als een demonstratie van schaalbaarheid, een eigenschap die eerder het multi-lab-team was ontgaan, een PVT-fabrikant die samenwerkt met het multilab-team heeft met de nieuwe formule talloze onderdelen op schaal 2/3 geproduceerd. Ze zijn van plan om in de komende maanden full-scale panelen geschikt te maken voor gebruik in het veld, Myllenbeck toegevoegd.