Med inspiration från en ovanlig källa, ett team från Sandia National Laboratories har dramatiskt förbättrat vetenskapen om scintillatorer – föremål som upptäcker kärnvapenhot. Enligt teamet, att använda organiska glasscintillatorer kan snart göra det ännu svårare att smuggla kärnmaterial genom USA:s hamnar och gränser.

Sandia Labs-teamet har utvecklat en scintillator gjord av ett organiskt glas som är effektivare än det mest kända materialet för upptäckt av nukleära hot samtidigt som det är mycket enklare och billigare att tillverka.

Organiskt glas är ett kolbaserat material som kan smältas och inte blir grumligt eller kristalliseras vid kylning. Framgångsrika resultat av försvarets kärntekniska icke -spridningsteams tester på organiska glasscintillatorer beskrivs i en artikel publicerad i veckan i Journal of the American Chemical Society .

Sandia Labs materialvetare och huvudutredare Patrick Feng började utveckla alternativa klasser av organiska scintillatorer 2010. Feng förklarade att han och hans team satte sig för att "stärka den nationella säkerheten genom att förbättra kostnad-till-prestanda-förhållandet mellan strålningsdetektorer i frontlinjen för alla material som flyttar in i landet. " För att förbättra det förhållandet, laget behövde överbrygga klyftan mellan de bästa, ljusaste, mest känsliga scintillatormaterial och de lägre kostnaderna för mindre känsliga material.

Inspiration från ljusdioder leder till prestandaökning

Teamet utformade, syntetiserade och utvärderade nya scintillatormolekyler för detta projekt med målet att förstå sambandet mellan de molekylära strukturerna och de resulterande strålningsdetekteringsegenskaperna. De gjorde framsteg med att hitta scintillatorer som kan indikera skillnaden mellan kärnmaterial som kan vara potentiella hot och normala, icke-hotande strålningskällor, som de som används för medicinska behandlingar eller strålningen som finns naturligt i vår atmosfär.

Teamet rapporterade först om fördelarna med att använda organiskt glas som scintillatormaterial i juni 2016. Organisk kemist Joey Carlson sa att ytterligare genombrott verkligen blev möjliga när han insåg att scintillatorer beter sig mycket som ljusemitterande dioder.

Med lysdioder, en känd källa och mängd elektrisk energi appliceras på en anordning för att producera en önskad mängd ljus. I kontrast, scintillatorer producerar ljus som svar på närvaron av ett okänt strålningskällamaterial. Beroende på mängden ljus som produceras och hastigheten med vilken ljuset visas, källan kan identifieras.

Trots dessa skillnader i hur de fungerar, både lysdioder och scintillatorer utnyttjar elektrisk energi för att producera ljus. Fluoren är en ljusemitterande molekyl som används i vissa typer av lysdioder. Teamet fann att det var möjligt att uppnå de mest önskvärda egenskaperna - stabilitet, transparens och ljusstyrka - genom att införliva fluoren i deras scintillatorföreningar.

Trycker förbi kristaller och plaster

Scintillatormaterialet i guldstandard under de senaste 40 åren har varit den kristallina formen av en molekyl som kallas transstilben, trots intensiv forskning för att utveckla en ersättare. Transstilben är mycket effektivt för att skilja mellan två typer av strålning:gammastrålar, som finns allestädes närvarande i miljön, och neutroner, som härrör nästan uteslutande från kontrollerade hotmaterial som plutonium eller uran. Transstilben är mycket känsligt för dessa material, producerar ett starkt ljus som svar på deras närvaro.

Men det tar mycket energi och flera månader att producera en trans-stilbenskristall som bara är några centimeter lång. Kristallerna är otroligt dyra, runt $ 1, 000 per kubiktum, och de är sköra, så de är inte vanliga i fält.

Istället, de vanligaste scintillatorerna vid gränser och infartshamnar är plast. De är jämförelsevis billiga till mindre än en dollar per kubiktum, och de kan formas till mycket stora former, vilket är viktigt för scintillatorkänslighet. Som Feng förklarade, "Ju större din detektor, desto känsligare blir det, eftersom det finns en större chans att strålning kommer att träffa den."

Trots dessa positiva saker, plast kan inte effektivt skilja mellan strålningstyper - ett separat heliumrör krävs för det. Den typ av helium som används i dessa rör är sällsynt, icke-förnybar och avsevärt ökar kostnaden och komplexiteten för ett plastscintillatorsystem. Och plaster är inte särskilt ljusa, bara två tredjedelar av intensiteten av transstilben, vilket innebär att de inte fungerar bra när de upptäcker svaga strålningskällor.

Av dessa anledningar, Sandia Labs team började experimentera med ekologiska glasögon, som kan skilja mellan typer av strålning. Faktiskt, Fengs team fann att glasscintillatorer överträffar till och med trans-stilben i strålningsdetekteringstester-de är ljusare och bättre på att skilja på strålningstyper.

En annan utmaning:De ursprungliga glasblandningarna som laget gjorde var inte stabila. Om glasen blev för varma för länge, de skulle kristallisera, som påverkade deras prestanda. Fengs team fann att blandning av föreningar som innehåller fluoren till de organiska glasmolekylerna gjorde dem stabila på obestämd tid. Stallglasen kunde då också smältas och gjutas till stora block, vilket är en enklare och billigare process än att tillverka plast eller transstilben.

Från labbet till hamnarna

Arbetet visar hittills obestämd stabilitet i ett laboratorium, vilket innebär att materialet inte bryts ned över tiden. Nu, nästa steg mot kommersialisering är att gjuta en mycket stor prototyp av organisk glasscintillator för fälttester. Feng och hans team vill visa att scintillatorer av ekologiskt glas tål fukt och andra miljöförhållanden som finns i hamnar.

National Nuclear Security Administration har finansierat projektet i ytterligare två år. Detta ger teamet tid att se om de kan använda organiska glasscintillatorer för att möta ytterligare nationella säkerhetsbehov.

Går framåt, Feng och hans team planerar också att experimentera med det organiska glaset tills det kan skilja mellan källor till gammastrålningar som inte är hotfulla och de som kan användas för att göra smutsiga bomber.