Forskare vid Sandia National Laboratories har identifierat en enkel förändring av formeln för strålningsdetekterande plast. Ändringen förhindrar "imma, " vilket minskar livslängden för plasten som används för att detektera kärnmaterial som passerar genom det amerikanska departementet för inrikessäkerhets strålningsdetektorer.

Förändringen passar också väl in i befintliga tillverkningsprocesser för plasten, så tillverkare har kunnat skala upp produktionen snabbt för att göra stora ark som kan ersätta immade detektorer.

Dessa strålningsdetektorer är ark av polyvinyltoluen (PVT) plast, 2 tum tjock och 6 till 8 fot hög, utplacerade i körfält vid infartshamnar. Detektionskomponenten i plasten är en fluorescerande molekyl som lyser när strålning träffar materialet. Ljussamlare monterade på toppen av arket samlar ljus från de glödande molekylerna; mängden ljus de registrerar reflekterar mängden och energin av strålning som träffar materialet, antalet ljuspartiklar som kommer från den fluorescerande molekylen och effektiviteten av ljustransport genom plasten.

"För tillförlitliga strålningsmätningar, det är av yttersta vikt att materialet är optiskt transparent och förblir så i årtionden, ", säger Sandias materialforskare Nick Myllenbeck.

Dock, analytiker som använder PVT märkte att plastens strålningsdetekteringsprestanda började försämras efter att plasten hade tillbringat några år i fält. Med ögat, de såg vad som tycktes vara dimdroppar som bildades inuti materialet. Dessa droppar spred ljus från de glödande molekylerna och hindrade en del av ljuset från att nå detektorerna, minskar detektorns känslighet över tiden.

Mikroskopi avslöjar dimkälla

För att ta reda på hur man förhindrar denna imma, Sandia forskare, arbeta med kollegor på Lawrence Livermore, Pacific Northwest och Oak Ridge nationella laboratorier, behövde först veta hur dimman bildades. De misstänkte att det dök upp i materialet ungefär som det gör i luft - genom att vatten kondenserade när lufttemperaturen sjunker över natten.

Forskarna lade små prover av den strålningsdetekterande PVT-plasten i en fuktig kammare och cyklade temperaturen från varmt till svalt för att efterlikna dag- och natttemperaturer. Proverna absorberade endast cirka 0,03 viktprocent vatten, men under kylningscykler, forskarna såg de dimliknande dropparna dyka upp i materialet.

När de undersökte materialet under ett optiskt mikroskop, dock, de insåg att dropparna var mikroskaliga defekter i plasten orsakade av kondenserat vatten som absorberats från luften.

De insåg så småningom att defekterna bildades i två faser. Under de första varma och svala cyklerna, de dimliknande defekterna verkar vara helt reversibla vid uppvärmning eller uttorkning av plasten. Dock, om vattnet finns kvar i plasten och materialet upplever tillräckligt med temperaturcykler, defekterna växer och blir permanenta. Båda defekttyperna kan negativt påverka prestandan hos plastscintillatorer i fält, Myllenbeck noterade.

Immafri formel lätt för tillverkare att producera i skala

När forskarna väl visste hur dimman bildades, de antog att de kunde lägga till en kemisk komponent i plasten för att förhindra att vatten bildas defekter inuti. Materialvetare från Sandia och Lawrence Livermore, dela finansiering från Department of Homeland Securitys kontor för bekämpning av massförstörelsevapen, experimenterat med olika tillsatser för att stabilisera vatten med hjälp av vätebindning till tillsatsen.

På Sandia, Myllenbeck och hans kollegor började med den nuvarande PVT-formeln och lade till en ingrediens:en kommersiellt tillgänglig tillsats som kan interagera positivt både med vatten och plastmatrisen. När de testade det nya materialet under accelererade temperatur- och luftfuktighetsförhållanden, forskarna såg inga tecken på imma efter tiotals cykler. I kontrast, standardplasten skulle imma kraftigt efter bara en cykel. Myllenbeck misstänker att vattnet inuti plasten klamrar sig fast vid tillsatsen snarare än på andra vattenmolekyler, som förhindrar droppbildning, och därmed ljusspridningsdefekter.

"Denna förändring av en ingrediens är en stor fördel för tillverkarna, " sa han. "De behöver bara lägga till en liten mängd av denna förening till sin befintliga formel, med mindre processändringar, att producera ett icke-imgande material som fungerar identiskt med den befintliga plasten."

Som en demonstration av skalbarhet, en fastighet som tidigare hade gäckat multilabbteamet, en PVT-tillverkare som arbetar med multilab-teamet har producerat många 2/3-skala delar med den nya formeln. De planerar under de närmaste månaderna att göra paneler i full skala lämpliga för fältdistribution, Myllenbeck tillagt.