Een onderzoeksteam van de Northwestern University en het Argonne National Laboratory heeft een uitzonderlijk materiaal van de volgende generatie ontwikkeld voor detectie van nucleaire straling dat een aanzienlijk goedkoper alternatief zou kunnen bieden voor de detectoren die nu commercieel worden gebruikt.

specifiek, het hoogwaardige materiaal wordt gebruikt in een apparaat dat gammastralen kan detecteren, zwakke signalen afgegeven door nucleair materiaal, en kan gemakkelijk individuele radioactieve isotopen identificeren. Het is meer dan 30 jaar geleden dat een materiaal met deze prestatie werd ontwikkeld, waarbij het nieuwe materiaal het voordeel heeft van goedkope productie.

Mogelijke toepassingen voor het nieuwe apparaat zijn onder meer wijdverspreide detectoren - inclusief handheld - voor kernwapens en materialen, evenals toepassingen in biomedische beeldvorming, astronomie en spectroscopie.

"Regeringen van de wereld willen een snelle, goedkope manier om gammastraling en nucleaire straling te detecteren om terroristische activiteiten te bestrijden, zoals smokkel en vuile bommen, en de proliferatie van nucleair materiaal, " zei Mercouri G. Kanatzidis van Northwestern, de corresponderende auteur van het artikel. "Dit was een heel moeilijk probleem voor wetenschappers om op te lossen. Nu hebben we een opwindend nieuw halfgeleiderapparaat dat goedkoop te maken is en goed werkt bij kamertemperatuur."

Kanatzidis is een Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Hij heeft een gezamenlijke afspraak met Argonne.

Het onderzoek is deze week gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In 2013, Argonne publiceerde een wetenschappelijke studie waarin hij nota nam van de belofte van cesium-loodbromide in de vorm van perovskietkristallen voor detectie van hoogenergetische straling. Vanaf dat moment, onderzoekers onder leiding van Kanatzidis, Duck Young Chung van Argonne en Constantinos Stoumpos van Northwestern hebben gewerkt om het materiaal te zuiveren en te verbeteren.

De doorbraak kwam toen Yihui He, een postdoctoraal fellow in de groep van Kanatzidis en de eerste auteur van het artikel, nam het verbeterde materiaal en herconfigureerde het halfgeleiderapparaat. In plaats van dezelfde elektrode aan weerszijden van het kristal te gebruiken, hij gebruikte twee verschillende elektroden. Met dit asymmetrische ontwerp, het apparaat geleidt alleen elektriciteit als er gammastraling aanwezig is.

De onderzoekers vergeleken de prestaties van hun nieuwe cesium-loodbromide-detector met de conventionele cadmium-zinktelluride (CZT)-detector en ontdekten dat deze net zo goed presteerde bij het detecteren van gammastralen met een hoge resolutie van kobalt-57.

"We bereikten dezelfde prestaties in twee jaar onderzoek en ontwikkeling als anderen in 20 jaar met cadmiumzinktelluride, het dure materiaal dat momenteel wordt gebruikt, ' zei Kanatzidis.

Het is belangrijk om te weten wat het gammastraling uitzendende materiaal is, Kanatzidis benadrukte, omdat sommige materialen legaal zijn en andere illegaal. Elke radioactieve isotoop heeft zijn eigen "vingerafdruk":een ander vervalgedrag en een uniek karakteristiek gammastralingsspectrum. De nieuwe cesium-loodbromide-detector kan deze vingerafdrukken detecteren.

In de studie, de onderzoekers ontdekten dat de detector met succes radioactieve isotopen americium-241 identificeerde, kobalt-57, cesium-137 en natrium-22. De onderzoekers maakten ook grotere kristalmonsters om aan te tonen dat het materiaal kan worden opgeschaald.

Het artikel is getiteld "Hoge spectrale resolutie van gammastralen bij kamertemperatuur door perovskiet CsPbBr-enkele kristallen."