Homeland Security kan snart ha ett nytt verktyg att lägga till sin arsenal.

Forskare vid Northwestern University och Argonne National Laboratory har utvecklat ett nytt material som öppnar dörrar för en ny klass av neutrondetektorer.

Med förmågan att känna av smugglat kärnmaterial, högeffektiva neutrondetektorer är avgörande för nationell säkerhet. För närvarande, det finns två klasser av detektorer som antingen använder heliumgas eller ljusblixtar. Dessa detektorer är mycket stora - ibland storleken på en vägg.

Northwestern och Argonnes material introducerar en tredje klass:en halvledare som kan absorbera neutroner och generera elektriska signaler som lätt kan mätas. Den halvledarbaserade detektorn är också mycket effektiv och stabil. Den kan användas både i små, bärbara enheter för fältinspektioner och mycket stora detektorer som använder uppsättningar av kristaller.

Studien kommer att publiceras i numret av tidskriften den 16 januari Natur .

"Människor har föreställt sig halvledarneutrondetektorer under lång tid, " sa Northwesterns Mercouri Kanatzidis, som ledde forskningen. "Idén fanns där, men ingen hade rätt material för att göra det."

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

När tunga element, som uran och plutonium, förfall, deras atomer stöter ut neutroner från sina kärnor. De flesta neutrondetektorer är så kallade scintillatorer som fungerar genom att känna av utstötta neutroner och sedan sända ut ljus för att varna användaren. Detta nya material är en halvledare och avger inte ljus, utan detekterar istället direkt elektriska signaler inducerade av neutronerna. Förutom säkerhetsapplikationer, neutrondetektorer används för strålsäkerhet, astronomi, plasmafysik, materialvetenskap och kristallografi.

Medan klassiska typer av termiska neutrondetektorer har använts sedan 1950-talet, ett praktiskt halvledarmaterial har förblivit svårfångat. Utmärkt på att absorbera neutroner, litium dök snabbt upp som det mest lovande materialet för neutrondetekteringsanordningar. Men att integrera litium i en halvledare och göra den stabil (litium smulas när det möter vatten) var en annan historia.

"Du kan hitta bra halvledare, men de har inte litium, ", sa Kanatzidis. "Eller så kan du hitta stabila litiumföreningar som inte är bra halvledare. Vi hittade det bästa av två världar. Den specifika litium-6 isotopen, som är rimligt riklig och låg kostnad, är en stark neutronabsorbator."

I deras studie, Kanatzidis och hans team upptäckte den rätta kombinationen av material för att göra en fungerande enhet som också håller litium stabilt. Deras nya material - litium-indium-fosfor-selen - är skiktat i struktur och berikat med litium-6-isotopen.

"Kristallstrukturen är speciell, " Sa Kanatzidis. "Litiumet är inuti lagren, så vatten kan inte nå den. Det är en stor, viktig egenskap hos detta material."

Den resulterande halvledarneutrondetektorn kan detektera termiska neutroner från även en mycket svag källa - och kan göra det inom nanosekunder. Det kan också skilja mellan neutroner och andra typer av kärnsignaler, såsom gammastrålar. Detta förhindrar falsklarm.

En sista extra bonus:materialet innehåller en mycket hög mängd litium. Så en mindre del av materialet kan absorbera samma mängd neutroner som en gigantisk enhet. Detta leder till enheter som är tillräckligt små för att få plats i din hand.

"Det är viktigt att ha alla storlekar av neutrondetektorer och så många sorter som möjligt, som vår nya halvledare, " Sa Kanatzidis. "Du vill ha sådana som är stora som en vägg, där du kan passera en lastbil precis vid den. Men man vill också ha små som kan vara bärbara för inspektioner ute på fältet."