Veiligheidsfunctionarissen hebben tot taak te voorkomen dat criminelen gevaarlijke stoffen een land binnensmokkelen, en het opsporen van nucleaire stoffen is moeilijk en kostbaar geweest. Nu hebben onderzoekers van de Northwestern University nieuwe apparaten ontwikkeld op basis van goedkoop materiaal om te helpen bij de detectie en identificatie van radioactieve isotopen.

Met behulp van cesium-loodbromide in de vorm van perovskietkristallen, ontdekte het onderzoeksteam dat ze in staat waren om zeer efficiënte detectoren te maken in zowel kleine, draagbare apparaten voor veldonderzoekers en zeer grote detectoren. De resultaten zijn meer dan een decennium in de maak.

Noordwest-professor Mercouri Kanatzidis, die het onderzoek leidde, zei dat ze niet alleen minder duur zijn dan typische apparaten, de nieuwe methode voor het detecteren van gammastralen is ook zeer goed in staat om onderscheid te maken tussen stralen met verschillende energieën. Met deze methode kunnen gebruikers legale versus illegale gammastraling identificeren. Detectors zoals deze zijn van cruciaal belang voor de nationale veiligheid, waar ze worden gebruikt om illegaal nucleair materiaal dat over de grenzen is gesmokkeld op te sporen en te helpen bij nucleair forensisch onderzoek, evenals in medische diagnostische beeldvorming.

"Door het perovskietmateriaal te gebruiken, we hebben een hoge resolutie bereikt in energiedetectie voor gammastralen met behulp van een gepixeld detectorontwerp, "Zei Kanatzidis. "Dit brengt ons een stap dichter bij het creëren van elektronische systemen voor medische diagnostiek en beeldvorming, luchthavenbeveiliging en meer."

De studie zal op 7 december in het tijdschrift worden gepubliceerd Natuurfotonica .

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

In eerder onderzoek is het team vergeleek de prestaties van de nieuwe cesium-loodbromide-detector met de conventionele cadmium-zinktelluride (CZT)-detector en ontdekte dat deze even goed presteerde bij het detecteren van gammastralen.

Maar nieuw onderzoek dat de kristalgroottes verbeterde en pixels gebruikt in plaats van vlakke elektroden, heeft de spectrale resolutie veel verder gebracht dan die van conventionele ontwerpen, van ongeveer 3,8% tot 1,4%, het detecteren van energie, zelfs van zeer zwakke bronnen.

Radioactieve isotopen zenden gammastralen uit die lichtjes verschillen in energie, vaak slechts een paar procentpunten verschillen. Door het nieuwe materiaal te gebruiken, gebruikers kunnen de bron van gammastraling beter identificeren door verschillen tot op enkele procentpunten aan te wijzen.

In aanvulling, het gebruik van zelfs licht onzuivere materialen maakt detectoren doorgaans minder efficiënt of niet-functioneel, en producenten van apparaten moeten ultrazuiver CZT zoeken om effectieve metingen te produceren. Tot verbazing van de onderzoekers hun eigen materiaal kan 5 tot 10 keer meer onzuiverheden bevatten dan CZT en toch presteren, waardoor het gemakkelijker en goedkoper te produceren is. Resolutie is ook van cruciaal belang voor medische beeldvorming zoals SPECT-scans.

Kanatzidis zei dat er veel interesse is in het veld, vooral gezien de kosten en veiligheidsimplicaties van defecte apparatuur. Maar vooruitgang op dit gebied, hij zei, is traag geweest, voornamelijk omdat onderzoeksgroepen zich richten op materiaalsynthese of op röntgen- en gammastralingsdetectoren - zijn groep doet beide. Het laboratorium van Kanatzidis bekeek meer dan 60 veelbelovende verbindingen voordat het op cesiumloodbromide belandde.

Zelfs met verbeteringen mogelijk gemaakt door het nieuwe materiaal, Kanatzidis zei dat zijn werk met medewerkers van Northwestern en Argonne niet ophoudt.

"Ons schap staat vol met nieuwe mogelijkheden die we nog dieper moeten onderzoeken, " Zei Kanatzidis. "Mijn onderzoeksgroep is een zeldzame combinatie van de technische kant en de kristalgroeikant van de dingen."

Yihui He is een onderzoeksassistent-professor in het Kanatzidis-lab en de eerste auteur van het artikel.

"De nieuwe protocollen voor de fabricage van apparaten die we rapporteren met onze medewerkers aan de Universiteit van Michigan, kunnen in de nabije toekomst leiden tot massaproductie van cesium-loodbromide-detectoren. " Hij zei.

De groep van professor Zhong He aan de Universiteit van Michigan nam deel aan de karakterisering en analyse van detectoren. Argonne-wetenschapper Duck Young Chung was een leidende medewerker bij de inspanning.

Kanatzidis en collega's hebben een nieuw bedrijf opgericht, Actinië, om cesium-loodbromide-detectoren op de markt te brengen voor detectie en identificatie van gamma- en röntgenstraling. Deze nieuwe detectoren zullen verstrekkende gevolgen hebben voor de medische diagnostiek, binnenlandse veiligheid en nucleaire veiligheid.