Strålningsdetektorerna som används idag för applikationer som att inspektera lastfartyg för smugglat kärnmaterial är dyra och kan inte fungera i tuffa miljöer, bland andra nackdelar. Nu har MIT-ingenjörer demonstrerat ett fundamentalt nytt sätt att detektera strålning som kan möjliggöra mycket billigare detektorer och en uppsjö av nya applikationer.
De arbetar med Radiation Monitoring Devices, ett företag i Watertown, MA, för att så snabbt som möjligt överföra forskningen till detektorprodukter.
I en tidning från 2022 i Nature Materials , rapporterade många av samma ingenjörer för första gången hur ultraviolett ljus avsevärt kan förbättra prestandan hos bränsleceller och andra enheter baserat på rörelsen av laddade atomer, snarare än atomernas ingående elektroner.
I det aktuella verket, precis publicerat online i Avancerat material , visar teamet att samma koncept kan utvidgas till en ny applikation:detektering av gammastrålar som sänds ut av radioaktivt sönderfall av kärnmaterial.
"Vårt tillvägagångssätt involverar material och mekanismer som är mycket annorlunda än de i detektorer som används för närvarande, med potentiellt enorma fördelar i form av minskade kostnader, förmåga att arbeta under svåra förhållanden och förenklad bearbetning", säger Harry L. Tuller, professor i keramik vid R.P. Simmons och elektroniska material vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik (DMSE).
Tuller leder arbetet med nyckelsamarbetspartnerna Jennifer L. M. Rupp, en MIT-docent i materialvetenskap och teknik och nu professor i elektrokemiska material vid Technical University Munich (TUM) i Tyskland, och Ju Li, Battelle Energy Alliance Professor i kärnteknik och professor i materialvetenskap och teknik. Alla är också anslutna till MIT:s materialforskningslaboratorium
"Efter att ha lärt sig Naturmaterial arbete insåg jag att samma underliggande princip borde fungera för gammastrålningsdetektion – i själva verket kan det fungera ännu bättre än [UV]-ljus eftersom gammastrålar är mer genomträngande – och föreslog några experiment för Harry och Jennifer", säger Li.
Rupp säger:"Genom att använda kortare gammastrålar kan [oss] utöka den optojoniska till en radiojonisk effekt genom att modulera jonbärare och defekter vid materialgränssnitt med fotogenererade elektroniska."
Andra författare till Avancerat material artiklar är Thomas Defferriere, första författare och postdoktor vid DMSE, och Ahmed Sami Helal, postdoktor vid MIT:s institution för kärnvetenskap och teknik.
Laddning kan föras genom ett material på olika sätt. Vi är mest bekanta med laddningen som bärs av elektronerna som hjälper till att bilda en atom. Vanliga applikationer inkluderar solceller. Men det finns många enheter – som bränsleceller och litiumbatterier – som beror på rörelsen hos de laddade atomerna, eller jonerna, själva snarare än bara deras elektroner.
Materialen bakom applikationer baserade på rörelse av joner, så kallade fasta elektrolyter, är keramik. Keramik består i sin tur av små kristallitkorn som komprimeras och bränns vid höga temperaturer för att bilda en tät struktur. Problemet är att joner som färdas genom materialet ofta hindras vid gränserna mellan kornen.
I sin uppsats från 2022 visade MIT-teamet att ultraviolett ljus lyste på en fast elektrolyt i huvudsak orsakar elektroniska störningar vid korngränserna som i slutändan sänker barriären som joner möter vid dessa gränser. Resultatet:"Vi kunde förbättra jonernas flöde med en faktor tre", säger Tuller, vilket ger ett mycket effektivare system.
Vid den tiden var teamet entusiastiska över potentialen i att tillämpa det de hade hittat på olika system. I arbetet 2022 använde teamet ultraviolett ljus, som snabbt absorberas mycket nära ytan av ett material. Som ett resultat är den specifika tekniken endast effektiv i tunna materialfilmer. (Lyckligtvis involverar många tillämpningar av fasta elektrolyter tunna filmer.)
Ljus kan ses som partiklar – fotoner – med olika våglängder och energier. Dessa sträcker sig från radiovågor med mycket låg energi till de mycket högenergiska gammastrålar som sänds ut av det radioaktiva sönderfallet av kärnmaterial. Synligt ljus – och ultraviolett ljus – är av mellanenergi och passar mellan de två ytterligheterna.
MIT-tekniken som rapporterades 2022 fungerade med ultraviolett ljus. Skulle det fungera med andra våglängder av ljus, vilket potentiellt öppnar upp för nya applikationer? Ja, teamet hittade.
I den aktuella uppsatsen visar de att gammastrålar också modifierar korngränserna vilket resulterar i ett snabbare flöde av joner som i sin tur lätt kan upptäckas. Och eftersom de högenergiska gammastrålarna tränger in mycket djupare än ultraviolett ljus, "utvidgar detta arbetet till billig bulkkeramik förutom tunna filmer", säger Tuller. Det tillåter också en ny tillämpning:en alternativ metod för att upptäcka kärnmaterial.
Dagens toppmoderna strålningsdetektorer är beroende av en helt annan mekanism än den som identifierats i MIT-arbetet. De förlitar sig på signaler som härrör från elektroner och deras motsvarigheter, hål, snarare än joner.
Men dessa elektroniska laddningsbärare måste röra sig relativt stora avstånd till elektroderna som "fångar" dem för att skapa en signal. Och på vägen kan de lätt försvinna då de till exempel träffar brister i ett material. Det är därför dagens detektorer är gjorda med extremt rena enkristaller av material som tillåter en obehindrad väg. De kan tillverkas med endast vissa material och är svåra att bearbeta, vilket gör dem dyra och svåra att skala till stora enheter.
Däremot fungerar den nya tekniken på grund av bristerna – korn – i materialet. "Skillnaden är att vi förlitar oss på att jonströmmar moduleras vid korngränser jämfört med den senaste tekniken som är beroende av att samla elektroniska bärare från långa avstånd", säger Defferriere.
Rupp sa, "Det är anmärkningsvärt att bulk"kornen" av de testade keramiska materialen avslöjade hög stabilitet i kemin och strukturen gentemot gammastrålar, och enbart korngränsregionerna reagerade med ansvar för omfördelning av majoritets- och minoritetsbärare och defekter."
Li tillade, "Denna strålning-joniska effekt skiljer sig från de konventionella mekanismerna för strålningsdetektering där elektroner eller fotoner samlas in. Här samlas jonströmmen."
Igor Lubomirsky är professor vid avdelningen för material och gränssnitt vid Weizmann Institute of Science, Israel. Lubomirsky, som inte var inblandad i det pågående arbetet, sa:"Jag tyckte att det tillvägagångssätt som MIT-gruppen följde för att använda polykristallina syrejonledare var mycket fruktbart med tanke på [materialets] löfte om att tillhandahålla tillförlitlig drift under bestrålning under de svåra förhållanden som förväntas i kärnreaktorer där sådana detektorer ofta lider av trötthet och åldrande [De] drar också nytta av mycket reducerade tillverkningskostnader."
Som ett resultat är MIT-ingenjörerna hoppfulla att deras arbete kan resultera i nya, billigare detektorer. De föreställer sig till exempel lastbilar lastade med last från containerfartyg som kör genom en struktur som har detektorer på båda sidor när de lämnar en hamn.
"Helst skulle du ha antingen en uppsättning detektorer eller en mycket stor detektor, och det är där [dagens detektorer] verkligen inte skalar särskilt bra", säger Tuller.
En annan potentiell applikation involverar tillgång till geotermisk energi, eller den extrema värmen under våra fötter som utforskas som ett kolfritt alternativ till fossila bränslen. Keramiska sensorer i ändarna av borrkronor kan upptäcka värmefickor – strålning – att borra mot. Keramik tål lätt extrema temperaturer på mer än 800 grader Fahrenheit och de extrema tryck som finns djupt under jordens yta.
Teamet ser fram emot ytterligare ansökningar för sitt arbete. "Detta var en principdemonstration med bara ett material", säger Tuller, "men det finns tusentals andra material som är bra på att leda joner."
Defferriere avslutar, "Det är början på en resa om utvecklingen av tekniken, så det finns mycket att göra och mycket att upptäcka."
Mer information: Thomas Defferriere et al, Jonisk ledningsbaserad polykristallin oxid-gammastrålningsdetektion – strålningsjoniska effekter, Avancerade material (2024). DOI:10.1002/adma.202309253
Journalinformation: Naturmaterial , Avancerat material
Tillhandahålls av Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
