Een eenvoudig en goedkoop apparaat voor het detecteren van neutronen is ontwikkeld door een team van EPFL-onderzoekers en hun medewerkers. Het apparaat, gebaseerd op een speciale klasse van kristallijne verbindingen genaamd perovskieten, kan worden gebruikt om snel neutronen te detecteren die afkomstig zijn van radioactieve materialen, bijv. een kernreactor die is beschadigd of die op snode wijze wordt vervoerd, zeggen de onderzoekers. Het werk is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Perovskieten op basis van organische en anorganische elementen worden fel getipt om wereldberoemde materialen te zijn voor zonneceltoepassingen. Maar hun talenten houden niet op bij het omzetten van zonlicht in stroom:perovskieten kunnen ook worden gebruikt om specifieke soorten straling te detecteren, van zichtbaar licht tot gammastraling. Perovskieten zijn ook goedkoop en gemakkelijk te maken - door hun specifieke kristalstructuur en samenstelling kunnen ze zeer efficiënt interageren met fotonen op manieren die nog niet volledig worden begrepen, maar de gegenereerde elektronen staan ​​al klaar om te worden benut in praktische toepassingen.

De perovskiet-neutronendetector is gebouwd op het werk dat hoofdauteur Pavao Andričević (nu een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde aan de Technische Universiteit van Denemarken) heeft uitgevoerd tijdens zijn Ph.D. studeert aan EPFL bij László Forró (nu aan de Universiteit van Notre Dame, ONS.). Ze ontwikkelden perovskietmaterialen die een breed scala aan straling konden detecteren, van zichtbaar licht tot gammastralen. Maar neutronen, die neutrale deeltjes zijn, en niet fotonen - zijn buiten bereik gebleven voor perovskietdetectoren. Tot nu.

De door Andricevic en Forró's team ontwikkelde perovskieten zijn lood- en broombevattende eenkristallen van een verbinding die methylammoniumloodtribromide wordt genoemd. Om neutronen direct te detecteren, het team plaatste deze kristallen eerst in het pad van een neutronenbron. Dit gebeurde met de hulp van Gabor Nafradi (Rutherford Appleton Laboratory, UK) en het team van Andreas Pautz (Laboratory of Reactor Physics, EPFL). de neutronen, het raken van de kristallen, doordringen tot in de kern van de atomen in het kristal, waardoor ze in een hogere energietoestand terechtkomen. Wanneer ze ontspannen en vervallen, gammastraling wordt geproduceerd. Deze gammafotonen laden de perovskiet op, produceren een kleine stroom die kan worden gemeten.

Maar deze stroom was zo klein dat het team besefte dat er iets extra's nodig was als ze een praktische neutronendetector wilden maken. En dat extraatje werd gevonden in een dunne folie van gadoliniummetaal, die veel beter is in het absorberen van neutronen in vergelijking met het naakte perovskietkristal. Wanneer neutronen interageren met de atomen van gadolinium, ze worden opgewonden naar een hogere energetische staat, en dan verval dat gammastraling uitzendt.

Gadolinium is veel efficiënter in het maken van gammafotonen dan perovskieten, die al was ontwikkeld als een geweldige gammadetector. Het samenvoegen van de twee was eenvoudig en zeer effectief; de onderzoekers voegden een koolstofelektrode toe, en de resulterende elektronen geproduceerd in de perovskiet waren gemakkelijk te meten. "Je zet gewoon een voltmeter of een stroommeter op, " zegt Forro.

Om de detector verder te verbeteren, het team liet vervolgens het perovskietkristal rond de folie groeien. Deze specifieke perovskieten zijn opmerkelijk omdat hun kristalstructuur niet wordt aangetast als ze een vreemd lichaam in zich hebben. "De eigenschap van dit materiaal is zodanig dat het alles kan verzwelgen, van een vlieg tot een krokodil, naar gadolinium, " zegt Márton Kollár, de chemicus in het team. "Dus het groeit rond het object, en zelfs als het groeit, het blijft kristallijn. Dit is dus echt een fantastische eigenschap van dit materiaal."

Een bijkomend voordeel van het apparaat is dat het de richting van de neutronenstroom kan meten, en de grootte van de stroom - dus het zou een heel handig scanapparaat kunnen zijn als het door een commercieel bedrijf wordt gebruikt.

"Het is makkelijk, het is goedkoop, en het is kosteneffectief, ", zegt Forró. Nu het team heeft laten zien dat het apparaat werkt, de volgende stap is verfijning en mogelijke commercialisering. "Dit is een bewijs van principe, dat het werkt, " zegt Forró. "En nu kunnen we nadenken over de configuratie voor een zeer efficiënte detector."