Een team van nanomaterialenonderzoekers van Sandia National Laboratories heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor stralingsdetectie die stralingsdetectie in vracht en bagage effectiever en goedkoper kan maken voor binnenlandse veiligheidsinspecteurs.

Bekend als spectrale vormdiscriminatie (SSD), de methode maakt gebruik van een nieuwe klasse van nanoporeuze materialen die bekend staan ​​als metaal-organische raamwerken (MOF's). Onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van een dopingmiddel aan een MOF leidt tot de emissie van rood en blauw licht wanneer de MOF interageert met hoogenergetische deeltjes afkomstig van radiologisch of nucleair materiaal. waardoor een effectievere detectie van neutronen mogelijk is. Neutronendetectie is momenteel een kostbare en technisch uitdagende onderneming vanwege de moeilijkheid om neutronen te onderscheiden van alomtegenwoordige gammastraling op de achtergrond.

Het eerste werk aan het gebruik van MOF's voor stralingsdetectie werd intern gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programma, maar de daaropvolgende financiering voor het project is afkomstig van het onderzoeksbureau voor nucleaire non-proliferatie van de National Nuclear Security Administration (NNSA).

"Het verbeteren van onze stralingsdetectiecapaciteiten is cruciaal voor het bevorderen van de non-proliferatiemissie van NNSA, " zei Anne Harrington, NNSA's plaatsvervangend bewindvoerder voor Nucleaire Non-proliferatie van Defensie. "Het voorkomen van de illegale verplaatsing van radiologisch en nucleair materiaal over de hele wereld ondersteunt de nucleaire veiligheidsdoelstellingen van de president en helpt de dreiging van een nucleaire terreuraanslag te verminderen."

De nieuwe technologie werkt met plastic scintillatoren, materialen die fluoresceren wanneer ze worden geraakt door geladen deeltjes of hoogenergetische fotonen, waardoor het geschikt is voor commercialisering door bedrijven die plastic en andere organische scintillatoren produceren die worden gebruikt in stralingsdetectieapparatuur. Hoewel er nog werk is voordat het op de markt kan komen, Sandia is momenteel op zoek naar commerciële partners om de technologie in licentie te geven.

De huidige stralingsdetectiemethoden zijn beperkt in termen van snelheid en gevoeligheid, cruciale elementen voor dynamische scenario's, zoals grensovergangen, vrachtonderzoeken en verificatie van nucleaire verdragen. Deze nieuwe technologie bewaakt de kleur van de lichtemissie, die het potentieel hebben om het screeningproces gemakkelijker en betrouwbaarder te maken.

"We benaderen het probleem vanuit een materiaal-chemisch perspectief, " zei Sandia materiaalwetenschapper Mark Allendorf. "In wezen, het is gemakkelijker om de kleur van de lichtemissie te controleren dan de snelheid waarmee dat licht wordt uitgestraald. Dat is de crux van deze nieuwe aanpak." De huidige stralingsdetectiemethoden gebruiken tijd om onderscheid te maken tussen neutronen en gammastralen, waarvoor complexe en kostbare elektronica nodig is.

MOF's en doteerstoffen leiden tot meer licht

Allendorf en zijn team werken al meer dan vijf jaar met MOF's. Vroegtijdig, ze ontdekten een fluorescerende, poreuze MOF met uitstekende scintillatie-eigenschappen, een belangrijke doorbraak en de eerste nieuwe klasse scintillatoren gevonden in decennia. De porositeit van de MOF is een belangrijk kenmerk omdat het onderzoekers in staat stelt andere materialen toe te voegen om de scintillatie te verfijnen.

De nanoporositeit van de MOF leidde tot een nieuw idee toen teamlid Patrick Doty las over het gebruik van doteermiddelen om de efficiëntie van organische lichtemitterende diodes (OLED's) te verhogen. deze doteringen, meestal verbindingen die zware metalen bevatten zoals iridium, de OLED-helderheid dramatisch verhogen door de energie in de aangeslagen toestand in het apparaat die niet in licht is omgezet, te "wegvangen". Deze energie vertegenwoordigt maar liefst 75 procent van de mogelijke lichtopbrengst.

Het combineren van MOF's met OLED-doteringsmiddelen leidde tot een tweede doorbraak. Door MOF-poriën te vullen met doteerstoffen, het team creëerde een materiaal dat niet alleen meer licht produceert, maar licht van een andere kleur. Doty, een materiaalwetenschapper die werkt op de afdeling stralings-/nucleaire detectiematerialen en analyse van Sandia, veronderstelde dat de ontdekking zou kunnen worden toegepast op stralingsdetectie.

De truc, Doty zei, is om precies de juiste hoeveelheid doteringsmiddel toe te voegen, zodat zowel het weggevangen licht als de fluorescentie van de geëxciteerde MOF zelf worden uitgezonden. Dan is de verhouding van de intensiteiten bij de twee golflengten een functie van het type hoogenergetisch deeltje dat in wisselwerking staat met het materiaal. "Dat is het cruciale, "Zei Doty. "Met SSD kan het ene deeltje van het andere worden onderscheiden op basis van de kleur van het uitgestraalde licht."

Omdat de verhouding van neutronen tot gammastralen zo laag is - in de orde van één neutron tot 105 gammastralen - is de drempel waarop huidige detectoren neutronen kunnen zien vrij hoog. Sandia-berekeningen suggereren dat de drempel voor het detecteren van neutronen geproduceerd door splijtbaar materiaal aanzienlijk kan worden verlaagd met behulp van SSD, perhaps improving the "figure of merit" by a factor of 10 compared to the current standards. "In principe, we could quadruple the sensitivity of the gold standard, " said Allendorf.

SSD also addresses another radiation detection problem — active interrogation. Using an active source to create a signal from special nuclear material is an effective means for detection, say Sandia researchers. But current detectors are often overwhelmed by the onslaught of gamma rays. The new materials developed at Sandia can be tuned for improved timing performance at high rates, and the new technology also could be used in radiation detectors for treaty verification.