Ett forskargrupp vid Northwestern University och Argonne National Laboratory har utvecklat ett exceptionellt nästa generations material för detektering av kärnstrålning som kan ge ett betydligt billigare alternativ till detektorerna som nu används i kommersiellt bruk.

Specifikt, det högpresterande materialet används i en enhet som kan upptäcka gammastrålning, svaga signaler som avges av kärnmaterial, och kan enkelt identifiera enskilda radioaktiva isotoper. Det har gått mer än 30 år sedan ett material med denna prestanda utvecklades, med det nya materialet som har fördelen av billig produktion.

Potentiella användningsområden för den nya enheten inkluderar mer utbredda detektorer - inklusive handhållna - för kärnvapen och material samt applikationer inom biomedicinsk avbildning, astronomi och spektroskopi.

"Världens regeringar vill ha en snabb, billigt sätt att upptäcka gammastrålning och kärnstrålning för att bekämpa terroraktiviteter, såsom smuggling och smutsiga bomber, och spridningen av kärnämnen, "sade nordvästra Mercouri G. Kanatzidis, motsvarande författare till tidningen. "Detta har varit ett mycket svårt problem för forskare att lösa. Nu har vi en spännande ny halvledaranordning som är billig att göra och fungerar bra vid rumstemperatur."

Kanatzidis är Charles E. och Emma H. ​​Morrison professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences. Han har ett gemensamt möte med Argonne.

Forskningen publicerades i veckan i tidskriften Naturkommunikation .

Under 2013, Argonne publicerade en vetenskaplig studie som noterade löftet om cesium blybromid i form av perovskitkristaller för strålningsdetektering med hög energi. Sedan dess, forskare under ledning av Kanatzidis, Duck Young Chung från Argonne och Constantinos Stoumpos i Northwestern har arbetat för att rena och förbättra materialet.

Genombrottet kom när Yihui He, en postdoktor i Kanatzidis grupp och tidningens första författare, tog det förbättrade materialet och konfigurerade om halvledarenheten. Istället för att använda samma elektrod på vardera sidan av kristallen, han använde två olika elektroder. Med denna asymmetriska design, enheten leder bara elektricitet när gammastrålning är närvarande.

Forskarna jämförde prestandan för deras nya cesium blybromiddetektor med den konventionella cadmium zink tellurid (CZT) detektorn och fann att den fungerade lika bra för att upptäcka gammastrålning med hög upplösning från kobolt-57.

"Vi uppnådde samma prestanda under två års forskning och utveckling som andra gjorde på 20 år med kadmiumzink tellurid, det dyra material som används för närvarande, "Sa Kanatzidis.

Det är viktigt att veta vad gammastråleemitterande material är, Kanatzidis betonade, eftersom vissa material är lagliga och vissa är olagliga. Varje radioaktiv isotop har sitt eget "fingeravtryck":ett annat sönderfallsbeteende och ett unikt karakteristiskt gammastrålningsspektrum. Den nya cesium blybromiddetektorn kan upptäcka dessa fingeravtryck.

I studien, forskarna fann att detektorn framgångsrikt identifierade radioaktiva isotoper americium-241, kobolt-57, cesium-137 och natrium-22. Forskarna tog också fram större kristallprover för att visa att materialet kan skalas upp.

Papperet har titeln "Hög spektral upplösning av gammastrålar vid rumstemperatur av perovskit CsPbBr-enkristaller."