En enkel och billig enhet för att detektera neutroner har utvecklats av ett team av EPFL-forskare och deras medarbetare. Enheten, baserad på en särskild klass av kristallina föreningar som kallas perovskiter, kan användas för att snabbt upptäcka neutroner som kommer från radioaktiva material, t.ex. en kärnreaktor som har skadats eller som transporteras skändligt, säger forskarna. Verket publiceras i Vetenskapliga rapporter .

Perovskiter baserade på organiska och oorganiska element är hett tippade att vara världsledande material för solcellstillämpningar. Men deras talanger slutar inte med att omvandla solljus till kraft:perovskiter kan också användas för att upptäcka specifika typer av strålning, från synligt ljus till gammastrålar. Perovskiter är också billiga och lätta att tillverka - deras specifika kristallstruktur och sammansättning gör att de kan interagera mycket effektivt med fotoner på sätt som ännu inte är helt förstått, men de genererade elektronerna är redan redo att utnyttjas i praktiska tillämpningar.

Perovskit-neutrondetektorn är byggd på arbete som huvudförfattaren Pavao Andričević (nu postdoktor i fysik vid Danmarks Tekniske Universitet) utförde under sin doktorsexamen. studier vid EPFL med László Forró (nu vid University of Notre Dame, U.S.A.). De utvecklade perovskitmaterial som kunde detektera ett brett spektrum av strålning från synligt ljus till gammastrålar. Men neutroner - som är neutrala partiklar, och inte fotoner – har varit utom räckhåll för perovskitdetektorer. Tills nu.

Perovskiterna som utvecklats av Andricevic och Forrós team är bly- och brominnehållande enkristaller av en förening som kallas metylammoniumblytribromid. För att försöka detektera neutroner direkt, teamet placerade först dessa kristaller i vägen för en neutronkälla. Detta gjordes med hjälp av Gabor Nafradi (Rutherford Appleton Laboratory, Storbritannien) och teamet av Andreas Pautz (Laboratory of Reactor Physics, EPFL). neutronerna, träffar kristallerna, tränga in i kärnan av atomerna i kristallen, vilket exciterar dem till ett högre energitillstånd. När de slappnar av och förfaller, gammastrålar produceras. Dessa gammafotoner laddar perovskiten, producerar en liten ström som kan mätas.

Men den här strömmen var så liten att teamet insåg att något extra behövdes om de skulle göra en praktisk neutrondetektor. Och det där extra något hittades i en tunn folie av gadoliniummetall, som är mycket bättre på att absorbera neutroner jämfört med den nakna perovskitkristallen. När neutroner interagerar med gadoliniumets atomer, de är upphetsade till ett högre energitillstånd, och sedan sönderfalla och avge gammastrålning.

Gadolinium är mycket effektivare på att skapa gammafotoner än perovskiter, som redan hade utvecklats som en stor gammadetektor. Att sätta ihop de två var enkelt och mycket effektivt; forskarna lade till en kolelektrod, och de resulterande elektronerna som producerades i perovskiten var lätta att mäta. "Du sätter bara på en voltmeter eller en strömmätare, säger Forró.

För att ytterligare förbättra detektorn, laget odlade sedan perovskitkristallen runt folien. Dessa speciella perovskiter är anmärkningsvärda eftersom deras kristallstruktur inte påverkas om de har en främmande kropp inom sig. "Egenskapen hos detta material är sådan att det kan uppsluka vad som helst, från en fluga till en krokodil, till gadolinium, säger Márton Kollár, kemisten i laget. "Så det växer runt föremålet, och även när det växer runt, det förblir kristallint. Så det här är en riktigt fantastisk egenskap hos det här materialet."

En ytterligare fördel med enheten är att den kan mäta neutronflödets riktning, och storleken på flödet – så det kan vara en riktigt användbar skanningsenhet om den tas upp av ett kommersiellt företag.

"Det är enkelt, det är billigt, och det är kostnadseffektivt, " säger Forró. Nu när teamet har visat att enheten fungerar, nästa steg är förfining och potentiell kommersialisering. "Detta är ett principbevis, att det fungerar, " säger Forró. "Och nu kan vi tänka på konfigurationen för en mycket effektiv detektor."