Ett team av nanomaterialforskare vid Sandia National Laboratories har utvecklat en ny teknik för strålningsdetektering som skulle kunna göra strålningsdetektering i last och bagage mer effektivt och billigare för inspektörer för inrikes säkerhet.

Känd som spektral formdiskriminering (SSD), metoden drar nytta av en ny klass av nanoporösa material som kallas metall-organiska ramverk (MOF). Forskare upptäckte att tillsats av ett dopningsmedel till en MOF leder till utsläpp av rött och blått ljus när MOF interagerar med högenergipartiklar som härrör från radiologiskt eller kärnmaterial, möjliggör mer effektiv detektion av neutroner. Neutrondetektering är för närvarande en kostsam och tekniskt utmanande strävan på grund av svårigheten att skilja neutroner från allestädes närvarande gammastrålning i bakgrunden.

Det inledande arbetet med användning av MOF för strålningsdetektering finansierades internt av Sandias program för laboratoriedirekt forskning och utveckling (LDRD), men efterföljande finansiering för projektet har kommit från National Nuclear Security Administration (NNSA) Defense Nuclear Nonproliferation research office.

"Att förbättra våra strålningsdetekteringsmöjligheter är avgörande för att främja NNSA:s spridningsuppdrag, "sa Anne Harrington, NNSA:s biträdande administratör för Defence Nuclear Nonproliferation. "Att förhindra olaglig förflyttning av radiologiska och nukleära material runt om i världen stöder presidentens kärnkraftssäkerhetsmål och hjälper till att mildra hotet om en kärnterrorattack."

Den nya tekniken fungerar med plastscintillatorer, material som fluorescerar när de träffas av laddade partiklar eller högenergifotoner, gör den lämplig för kommersialisering av företag som tillverkar plast och andra organiska scintillatorer som används i strålningsdetekteringsanordningar. Även om arbetet återstår innan det kan flytta in på marknaden, Sandia söker för närvarande kommersiella partners för att licensiera tekniken.

Nuvarande strålningsdetekteringsmetoder är begränsade när det gäller hastighet och känslighet, viktiga element för dynamiska scenarier, som gränsövergångar, lastundersökningar och verifiering av kärntekniska fördrag. Denna nya teknik övervakar färgen på ljusutsläpp, som har potential att göra screeningprocessen enklare och mer tillförlitlig.

"Vi närmar oss problemet ur ett materialkemiskt perspektiv, "sa Sandia materialvetare Mark Allendorf." I grunden det är lättare att övervaka färgen på ljusutsläpp snarare än den hastighet med vilken det ljuset avges. Det är kärnan i detta nya tillvägagångssätt. "Nuvarande strålningsdetekteringsmetoder använder tid för att skilja mellan neutroner och gammastrålar, kräver komplex och kostsam elektronik.

MOF och dopmedel leder till mer ljus

Allendorf och hans team har arbetat med MOF i mer än fem år. Tidigt på, de upptäckte en fluorescerande, porös MOF med fantastiska scintillationsegenskaper, ett viktigt genombrott och den första nya klassen scintillatorer som hittades på årtionden. MOF:s porositet är en nyckelfunktion eftersom den tillåter forskare att lägga till andra material för att finjustera scintillationen.

MOF:s nanoporositet utlöste en ny idé när teammedlem Patrick Doty läste om användning av dopningsmedel för att öka effektiviteten hos organiska ljusemitterande dioder (OLED). Dessa dopmedel, vanligtvis föreningar som innehåller tungmetaller som iridium, öka OLED-ljusstyrkan dramatiskt genom att "ta bort" energin i exciterat tillstånd i enheten som inte konverterades till ljus. Denna energi representerar så mycket som 75 procent av den möjliga ljuseffekten.

Att kombinera MOF med OLED -dopmedel ledde till ett andra genombrott. Genom att fylla MOF -porer med dopmedel, laget skapade ett material som inte bara ger mer ljus, men ljus i en annan färg. Doty, en materialvetare som arbetar i Sandias strålnings-/kärnkraftsdetekteringsmaterial och analysavdelning, antog att upptäckten kunde tillämpas på strålningsdetektering.

Tricket, Doty sa, är att tillsätta precis rätt mängd dopmedel så att både det avlägsnade ljuset och fluorescensen från själva exciterade MOF avges. Sedan är förhållandet mellan intensiteterna vid de två våglängderna en funktion av den typ av högenergipartikel som interagerar med materialet. "Det är det kritiska, "Sa Doty." SSD gör det möjligt att skilja en partikeltyp från en annan på grundval av färgen på det utsända ljuset. "

Eftersom förhållandet mellan neutroner och gammastrålar är så lågt - i storleksordningen en neutron till 105 gammastrålar - är tröskeln vid vilken strömdetektorer kan se neutroner ganska hög. Sandia calculations suggest that the threshold for detecting neutrons produced by fissionable material could be lowered substantially using SSD, perhaps improving the "figure of merit" by a factor of 10 compared to the current standards. "I princip, we could quadruple the sensitivity of the gold standard, " said Allendorf.

SSD also addresses another radiation detection problem — active interrogation. Using an active source to create a signal from special nuclear material is an effective means for detection, say Sandia researchers. But current detectors are often overwhelmed by the onslaught of gamma rays. The new materials developed at Sandia can be tuned for improved timing performance at high rates, and the new technology also could be used in radiation detectors for treaty verification.