Wetenschap
Team ontdekt een fundamenteel nieuwe manier om straling te detecteren met goedkope keramiek
De stralingsdetectoren die tegenwoordig worden gebruikt voor toepassingen zoals het inspecteren van vrachtschepen op gesmokkeld nucleair materiaal zijn naast andere nadelen duur en kunnen niet werken in ruwe omgevingen. Nu hebben MIT-ingenieurs een fundamenteel nieuwe manier gedemonstreerd om straling te detecteren, die veel goedkopere detectoren en een overvloed aan nieuwe toepassingen mogelijk zou kunnen maken.
Ze werken samen met Radiation Monitoring Devices, een bedrijf in Watertown, MA, om het onderzoek zo snel mogelijk om te zetten in detectorproducten.
In een paper uit 2022 in Nature Materials rapporteerden veel van dezelfde ingenieurs voor het eerst hoe ultraviolet licht de prestaties van brandstofcellen en andere apparaten aanzienlijk kan verbeteren op basis van de beweging van geladen atomen, in plaats van de elektronen waaruit die atomen bestaan.
In het huidige werk, zojuist online gepubliceerd in Geavanceerde materialen laat het team zien dat hetzelfde concept kan worden uitgebreid naar een nieuwe toepassing:de detectie van gammastraling die wordt uitgezonden door het radioactieve verval van nucleair materiaal.
"Onze aanpak omvat materialen en mechanismen die heel anders zijn dan die in de momenteel gebruikte detectoren, met potentieel enorme voordelen in termen van lagere kosten, het vermogen om onder zware omstandigheden te werken en vereenvoudigde verwerking", zegt Harry L. Tuller, de R.P. Simmons hoogleraar keramiek. en elektronische materialen bij het Department of Materials Science and Engineering (DMSE) van MIT.
Tuller leidt het werk met belangrijke medewerkers Jennifer L.M. Rupp, universitair hoofddocent materiaalwetenschappen en -techniek aan het MIT en nu hoogleraar elektrochemische materialen aan de Technische Universiteit München (TUM) in Duitsland, en Ju Li, hoogleraar kernenergie en nucleaire technologie aan de Battelle Energy Alliance. een hoogleraar materiaalkunde en techniek. Ze zijn allemaal ook verbonden aan het Materials Research Laboratory
van MIT"Nadat ik de Natuurmaterialen had geleerd werk, realiseerde ik me dat hetzelfde onderliggende principe zou moeten werken voor detectie van gammastraling – misschien zelfs beter dan [UV] licht omdat gammastraling doordringender is – en stelde een aantal experimenten voor aan Harry en Jennifer,’ zegt Li. P>
Rupp zegt:"Het gebruik van gammastraling met een korter bereik stelt ons in staat om het opto-ionische effect uit te breiden naar een radio-ionisch effect door ionische dragers en defecten op materiaalgrensvlakken te moduleren met fotogegenereerde elektronische dragers."
Andere auteurs van het Geavanceerde materiaal paper zijn Thomas Defferriere, eerste auteur en postdoctoraal medewerker bij DMSE, en Ahmed Sami Helal, postdoctoraal medewerker bij MIT's Department of Nuclear Science and Engineering.
Barrières aanpassen
Lading kan op verschillende manieren door een materiaal worden getransporteerd. We zijn het meest bekend met de lading die wordt gedragen door de elektronen waaruit een atoom bestaat. Veel voorkomende toepassingen zijn onder meer zonnecellen. Maar er zijn veel apparaten, zoals brandstofcellen en lithiumbatterijen, die afhankelijk zijn van de beweging van de geladen atomen, of ionen, zelf, en niet alleen van hun elektronen.
De materialen achter toepassingen op basis van de beweging van ionen, bekend als vaste elektrolyten, zijn keramiek. Keramiek bestaat op zijn beurt uit kleine kristallietkorrels die worden samengeperst en bij hoge temperaturen worden gebakken om een dichte structuur te vormen. Het probleem is dat ionen die door het materiaal reizen vaak worden tegengehouden aan de grenzen tussen de korrels.
In hun artikel uit 2022 toonde het MIT-team aan dat ultraviolet licht dat op een vaste elektrolyt scheen, in wezen elektronische verstoringen veroorzaakt aan de korrelgrenzen die uiteindelijk de barrière verlagen die ionen tegenkomen bij die grenzen. Het resultaat:"We konden de stroom van de ionen met een factor drie verbeteren", zegt Tuller, wat een veel efficiënter systeem opleverde.
Enorm potentieel
Destijds was het team enthousiast over de mogelijkheden om wat ze hadden ontdekt op verschillende systemen toe te passen. In het werk uit 2022 gebruikte het team ultraviolet licht, dat snel zeer dichtbij het oppervlak van een materiaal wordt geabsorbeerd. Hierdoor is die specifieke techniek alleen effectief in dunne materiaalfilms. (Gelukkig zijn bij veel toepassingen van vaste elektrolyten dunne films betrokken.)
Licht kan worden gezien als deeltjes (fotonen) met verschillende golflengten en energieën. Deze variëren van radiogolven met zeer lage energie tot gammastraling met zeer hoge energie die wordt uitgezonden door het radioactieve verval van nucleair materiaal. Zichtbaar licht – en ultraviolet licht – hebben tussenliggende energieën en passen tussen de twee uitersten.
De MIT-techniek die in 2022 werd gerapporteerd, werkte met ultraviolet licht. Zou het werken met andere golflengten van licht, wat mogelijk nieuwe toepassingen zou openen? Ja, het team heeft het gevonden.
In het huidige artikel laten ze zien dat gammastraling ook de korrelgrenzen wijzigt, wat resulteert in een snellere stroom van ionen die op hun beurt gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd. En omdat de hoogenergetische gammastraling veel dieper doordringt dan ultraviolet licht, "breidt dit het werk uit naar goedkope bulkkeramiek naast dunne films", zegt Tuller. Het maakt ook een nieuwe toepassing mogelijk:een alternatieve aanpak voor het opsporen van nucleair materiaal.
De huidige state-of-the-art stralingsdetectoren zijn afhankelijk van een heel ander mechanisme dan het mechanisme dat in het MIT-werk is geïdentificeerd. Ze vertrouwen op signalen die zijn afgeleid van elektronen en hun tegenhangers, gaten, in plaats van ionen.
Maar deze elektronische ladingsdragers moeten relatief grote afstanden afleggen naar de elektroden die ze "vangen" om een signaal te creëren. En gaandeweg kunnen ze gemakkelijk verloren gaan, omdat ze bijvoorbeeld onvolkomenheden in een materiaal tegenkomen. Dat is de reden waarom de huidige detectoren zijn gemaakt van uiterst zuivere enkele kristallen van materiaal die een ongehinderd pad mogelijk maken. Ze kunnen alleen met bepaalde materialen worden gemaakt en zijn moeilijk te verwerken, waardoor ze duur zijn en lastig op te schalen naar grote apparaten.
Onvolkomenheden gebruiken
De nieuwe techniek werkt daarentegen vanwege de onvolkomenheden (korrels) in het materiaal. "Het verschil is dat we afhankelijk zijn van ionenstromen die worden gemoduleerd op korrelgrenzen, versus de state-of-the-art die afhankelijk is van het verzamelen van elektronische dragers van lange afstanden", zegt Defferriere.
Rupp zei:"Het is opmerkelijk dat de bulk 'korrels' van de geteste keramische materialen een hoge stabiliteit van de chemie en structuur ten opzichte van gammastraling vertoonden, en dat alleen de korrelgrensgebieden reageerden met een herverdeling van de meerderheids- en minderheidsdragers en defecten." /P>
Li voegde eraan toe:"Dit straling-ionische effect verschilt van de conventionele mechanismen voor stralingsdetectie waarbij elektronen of fotonen worden verzameld. Hier wordt de ionenstroom verzameld."
Igor Lubomirsky is professor aan de afdeling Materialen en Interfaces van het Weizmann Institute of Science, Israël. Lubomirsky, die niet betrokken was bij het huidige werk, zei:"Ik vond de aanpak van de MIT-groep bij het gebruik van polykristallijne zuurstofionengeleiders zeer vruchtbaar gezien de belofte van [materialen] voor het leveren van een betrouwbare werking onder bestraling onder de zware omstandigheden die worden verwacht in kernreactoren waar dergelijke detectoren vaak last hebben van vermoeidheid en veroudering. [Ze] profiteren ook van veel lagere fabricagekosten."
Als gevolg hiervan hebben de MIT-ingenieurs goede hoop dat hun werk kan resulteren in nieuwe, goedkopere detectoren. Ze stellen zich bijvoorbeeld vrachtwagens voor die geladen zijn met vracht van containerschepen die door een bouwwerk rijden met aan beide zijden detectoren wanneer ze een haven verlaten.
"In het ideale geval zou je een reeks detectoren hebben of een hele grote detector, en dat is waar [de huidige detectoren] echt niet zo goed schalen", zegt Tuller.
Een andere mogelijke toepassing betreft de toegang tot geothermische energie, of de extreme hitte onder onze voeten die wordt onderzocht als een koolstofvrij alternatief voor fossiele brandstoffen. Keramische sensoren aan de uiteinden van boren kunnen plekken met warmtestraling detecteren waar naartoe kan worden geboord. Keramiek is gemakkelijk bestand tegen extreme temperaturen van meer dan 800 graden Fahrenheit en de extreme druk diep onder het aardoppervlak.
Het team is enthousiast over aanvullende toepassingen voor hun werk. "Dit was een demonstratie van het principe met slechts één materiaal", zegt Tuller, "maar er zijn duizenden andere materialen die goed zijn in het geleiden van ionen."
Defferriere besluit:"Het is het begin van een reis over de ontwikkeling van de technologie, dus er is veel te doen en veel te ontdekken."