Homeland Security heeft misschien binnenkort een nieuwe tool om aan zijn arsenaal toe te voegen.

Onderzoekers van de Northwestern University en het Argonne National Laboratory hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat deuren opent voor een nieuwe klasse neutronendetectoren.

Met het vermogen om gesmokkeld nucleair materiaal te detecteren, zeer efficiënte neutronendetectoren zijn van cruciaal belang voor de nationale veiligheid. Momenteel, er zijn twee klassen detectoren die ofwel heliumgas ofwel lichtflitsen gebruiken. Deze detectoren zijn erg groot, soms zo groot als een muur.

Het materiaal van Northwestern en Argonne introduceert een derde klasse:een halfgeleider die neutronen kan absorberen en elektrische signalen kan genereren die gemakkelijk kunnen worden gemeten. De op halfgeleiders gebaseerde detector is ook zeer efficiënt en stabiel. Het kan zowel in kleine, draagbare apparaten voor veldinspecties en zeer grote detectoren die arrays van kristallen gebruiken.

De studie zal worden gepubliceerd in het nummer van 16 januari van het tijdschrift Natuur .

"Mensen hebben zich al lang halfgeleider-neutronendetectoren voorgesteld, " zei Mercouri Kanatzidis van Northwestern, die het onderzoek leidde. "Het idee was er, maar niemand had het juiste materiaal om het te doen."

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

Wanneer zware elementen, zoals uranium en plutonium, verval, hun atomen stoten neutronen uit hun kernen. De meeste neutronendetectoren zijn zogenaamde scintillatoren die werken door uitgeworpen neutronen te detecteren en vervolgens licht uit te zenden om de gebruiker te waarschuwen. Dit nieuwe materiaal is een halfgeleider en straalt geen licht uit, maar detecteert in plaats daarvan rechtstreeks elektrische signalen die door de neutronen worden geïnduceerd. Naast beveiligingstoepassingen, neutronendetectoren worden gebruikt in stralingsveiligheid, astronomie, plasmafysica, materiaalkunde en kristallografie.

Terwijl klassieke typen thermische neutronendetectoren al sinds de jaren vijftig in gebruik zijn, een praktisch halfgeleidermateriaal is ongrijpbaar gebleven. Uitstekend in het absorberen van neutronen, lithium kwam al snel naar voren als het meest veelbelovende materiaal voor neutronendetectieapparatuur. Maar lithium integreren in een halfgeleider en het stabiel maken (lithium brokkelt af als het in contact komt met water) was een ander verhaal.

"Je kunt goede halfgeleiders vinden, maar ze hebben geen lithium, " Zei Kanatzidis. "Of je kunt stabiele lithiumverbindingen vinden die geen goede halfgeleiders zijn. We vonden het beste van twee werelden. De specifieke lithium-6 isotoop, die redelijk overvloedig en goedkoop is, is een sterke neutronenabsorbeerder."

In hun studie hebben Kanatzidis en zijn team ontdekten de juiste combinatie van materialen om een ​​werkend apparaat te maken dat ook lithium stabiel houdt. Hun nieuwe materiaal - lithium-indium-fosfor-selenium - is gelaagd van structuur en verrijkt met de lithium-6-isotoop.

"De kristalstructuur is bijzonder, " zei Kanatzidis. "Het lithium zit in de lagen, zodat het water er niet bij kan. Dat is een grote, belangrijk kenmerk van dit materiaal."

De resulterende halfgeleider-neutronendetector kan thermische neutronen detecteren van zelfs een zeer zwakke bron - en dat binnen nanoseconden. Het kan ook onderscheid maken tussen neutronen en andere soorten nucleaire signalen, zoals gammastraling. Dit voorkomt valse alarmen.

Een laatste extra bonus:het materiaal bevat een zeer hoge hoeveelheid lithium. Dus een kleinere fractie van het materiaal kan dezelfde hoeveelheid neutronen absorberen als een gigantisch apparaat. Dit leidt tot apparaten die klein genoeg zijn om in uw hand te passen.

"Het is belangrijk om neutronendetectoren van alle formaten en zoveel mogelijk soorten te hebben, zoals onze nieuwe halfgeleider, " zei Kanatzidis. "Je wilt die zo groot zijn als een muur, waar je een vrachtwagen kunt passeren. Maar je wilt ook kleine die draagbaar zijn voor inspecties in het veld."