I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno identificato una semplice modifica alla formula per la plastica che rileva le radiazioni. La modifica impedisce "l'appannamento, " che riduce la durata della plastica utilizzata per rilevare il materiale nucleare in transito attraverso i rilevatori di radiazioni del Dipartimento della sicurezza interna degli Stati Uniti.

Il cambiamento si adatta bene anche ai processi di produzione esistenti per la plastica, così i produttori sono stati in grado di aumentare rapidamente la produzione per realizzare lastre di grandi dimensioni in grado di sostituire i rilevatori appannati.

Questi rivelatori di radiazioni sono fogli di plastica poliviniltoluene (PVT), 2 pollici di spessore e da 6 a 8 piedi di altezza, dispiegati nelle corsie di traffico ai porti di ingresso. Il componente di rilevamento nella plastica è una molecola fluorescente che si illumina quando la radiazione colpisce il materiale. I collettori di luce montati sulla parte superiore del foglio raccolgono la luce dalle molecole incandescenti; la quantità di luce che registrano riflette la quantità e l'energia della radiazione che colpisce il materiale, il numero di particelle luminose provenienti dalla molecola fluorescente e l'efficienza del trasporto della luce attraverso la plastica.

"Per misurazioni affidabili delle radiazioni, è della massima importanza che il materiale sia otticamente trasparente e rimanga tale per decenni, ", ha detto lo scienziato dei materiali Sandia Nick Myllenbeck.

Però, gli analisti che utilizzano il PVT hanno notato che le prestazioni di rilevamento delle radiazioni della plastica stavano iniziando a peggiorare dopo che la plastica aveva trascorso alcuni anni sul campo. a occhio, videro quelle che sembravano goccioline di nebbia che si formavano all'interno del materiale. Queste goccioline hanno disperso la luce dalle molecole incandescenti e hanno impedito a parte della luce di raggiungere i rilevatori, riducendo nel tempo la sensibilità del rivelatore.

La microscopia rivela la fonte di nebbia

Per capire come prevenire questo appannamento, Ricercatori Sandia, lavorando con i colleghi di Lawrence Livermore, Laboratori nazionali Pacific Northwest e Oak Ridge, prima avevo bisogno di sapere come si formava la nebbia. Sospettavano che apparisse nel materiale in modo molto simile a quello dell'aria:l'acqua si condensa mentre la temperatura dell'aria scende durante la notte.

I ricercatori hanno messo piccoli campioni della plastica PVT che rileva le radiazioni in una camera umida e hanno cambiato la temperatura da calda a fredda per imitare le temperature diurne e notturne. I campioni hanno assorbito solo circa lo 0,03% di acqua in massa, ma durante i cicli di raffreddamento, i ricercatori hanno visto le goccioline simili a nebbia apparire nel materiale.

Quando hanno esaminato il materiale al microscopio ottico, però, si sono resi conto che le goccioline erano difetti su microscala nella plastica causati dall'acqua di condensa assorbita dall'aria.

Alla fine si sono resi conto che i difetti si sono formati in due fasi. Durante i primi cicli di caldo e freddo, i difetti simili a nebbia sembrano essere completamente reversibili riscaldando o asciugando la plastica. Però, se l'acqua rimane nella plastica e il materiale subisce sufficienti cicli di temperatura, i difetti crescono e diventano permanenti. Entrambi i tipi di difetto possono influire negativamente sulle prestazioni degli scintillatori plastici sul campo, ha notato Myllenbeck.

Formula antiappannamento facile da produrre su larga scala per i produttori

Una volta che i ricercatori hanno saputo come si è formata la nebbia, hanno ipotizzato di poter aggiungere un componente chimico alla plastica per impedire all'acqua di formare difetti all'interno. Scienziati dei materiali di Sandia e Lawrence Livermore, condividere i fondi dell'Ufficio per il contrasto delle armi di distruzione di massa del Dipartimento della sicurezza interna, sperimentato vari additivi per stabilizzare l'acqua mediante il legame idrogeno all'additivo.

A Sandia, Myllenbeck e i suoi colleghi hanno iniziato con l'attuale formula PVT e hanno aggiunto un ingrediente:un additivo disponibile in commercio che può interagire favorevolmente sia con l'acqua che con la matrice plastica. Quando hanno testato il nuovo materiale in condizioni di temperatura e umidità accelerate, i ricercatori non hanno visto alcun segno di appannamento dopo decine di cicli. In contrasto, la plastica standard si appannerebbe gravemente dopo un solo ciclo. Myllenbeck sospetta che l'acqua all'interno della plastica aderisca all'additivo piuttosto che ad altre molecole d'acqua, che impedisce la formazione di goccioline, e quindi difetti di diffusione della luce.

"Questo cambiamento di un ingrediente è un enorme vantaggio per i produttori, " ha detto. "Devono solo aggiungere una piccola quantità di questo composto alla loro formula esistente, con piccole modifiche di processo, per produrre un materiale antiappannamento che si comporta in modo identico alla plastica esistente."

A dimostrazione della scalabilità, una proprietà che in precedenza era sfuggita al team multi-laboratorio, un produttore di PVT che lavora con il team multilab ha prodotto numerose parti in scala 2/3 con la nuova formula. Hanno in programma nei prossimi mesi di realizzare pannelli a grandezza naturale adatti per l'impiego sul campo, Myllenbeck ha aggiunto.