Säkerhetstjänstemän har till uppgift att hindra kriminella från att smuggla in farligt material till ett land, och det har varit svårt och kostsamt att upptäcka kärnämnen. Nu har Northwestern University forskare utvecklat nya enheter baserade på ett billigt material för att hjälpa till att upptäcka och identifiera radioaktiva isotoper.

Användning av cesium blybromid i form av perovskitkristaller, forskargruppen fann att de kunde skapa mycket effektiva detektorer i både små, bärbara enheter för fältforskare och mycket stora detektorer. Resultaten är mer än ett decennium på gång.

Nordvästra professorn Mercouri Kanatzidis, som ledde forskningen, sade att förutom att det är billigare än vanliga enheter, den nya metoden för att detektera gammastrålar är också mycket kapabel att skilja mellan strålar av olika energier. Denna metod tillåter användare att identifiera lagliga kontra olagliga gammastrålningar. Detektorer som dessa är kritiska för nationell säkerhet, där de används för att upptäcka olagligt kärnämne som smugglas över gränserna och hjälper till med kärnteknisk forensik, såväl som inom medicinsk diagnostik.

"Med hjälp av perovskitmaterialet, vi har uppnått hög upplösning inom energidetektering för gammastrålar med hjälp av en pixelerad detektordesign, "Kanatzidis sa." Detta tar oss ett steg närmare att skapa elektroniska system för medicinsk diagnostik och bildbehandling, flygplatsens säkerhet och mer. "

Studien kommer att publiceras den 7 december i tidskriften Nature Photonics .

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 National Laboratory.

I tidigare forskning har teamet jämförde prestandan för den nya cesium blybromiddetektorn med den konventionella cadmium zink tellurid (CZT) detektorn och fann att den fungerade lika bra för att upptäcka gammastrålar.

Men ny forskning som förbättrade kristallstorlekar och utnyttjade pixlar snarare än plana elektroder har avancerat spektralupplösningen långt utöver konventionella konstruktioner, från cirka 3,8% till 1,4%, upptäcker energi även från mycket svaga källor.

Radioaktiva isotoper avger gammastrålning som skiljer sig något åt ​​i energi, skiljer sig ofta bara med några procentenheter. Med hjälp av det nya materialet, användare kan bättre identifiera källan till gammastrålar genom att identifiera skillnader ner till några procentenheter.

Dessutom, att använda även lite orena material gör detektorer vanligtvis mindre effektiva eller icke -funktionella, och tillverkare av enheter måste söka ultrarent CZT för att producera effektiva avläsningar. Till forskarnas förvåning, deras eget material kan ha 5 till 10 gånger mer föroreningar än CZT och fortfarande prestera, gör det enklare och billigare att producera. Upplösning är också avgörande för medicinsk avbildning som SPECT -skanningar.

Kanatzidis sa att det finns ett stort intresse för fältet, särskilt med tanke på kostnaderna och säkerhetsimplikationerna av felaktig utrustning. Men framsteg inom detta område, han sa, har varit långsam främst för att forskargrupper fokuserar antingen på materialsyntes eller på röntgen- och gammastrålningsdetektorer-hans grupp gör båda. Kanatzidis laboratorium tittade på mer än 60 lovande föreningar innan de landade på cesium blybromid.

Även med framsteg som möjliggörs av det nya materialet, Kanatzidis sa att hans arbete med samarbetspartners på Northwestern och Argonne inte tar slut.

"Vår hylla är full av nya möjligheter som vi ännu inte har undersökt djupare, "Kanatzidis sa." Min forskargrupp är en sällsynt kombination av den tekniska sidan och kristalltillväxtsidan av saker. "

Yihui Han är forskarassistent i Kanatzidis lab och den första författaren till tidningen.

"De nya tillverkningsprotokoll för apparater som vi rapporterar med våra medarbetare vid University of Michigan kan leda till massproduktion av cesium blybromiddetektorer inom en snar framtid, " Han sa.

Professor Zhong He's grupp vid University of Michigan deltog i detektorkarakterisering och analys. Argonne -forskaren Duck Young Chung var en ledande samarbetspartner i arbetet.

Kanatzidis och kollegor har grundat ett nytt företag, Actinia, att kommersialisera cesium blybromiddetektorer för gamma- och röntgendetektering och identifiering. Dessa nya detektorer kommer att få omfattande konsekvenser för medicinsk diagnostik, hemlandssäkerhet och kärnsäkerhet.