La Sicurezza Nazionale potrebbe presto avere un nuovo strumento da aggiungere al suo arsenale.

I ricercatori della Northwestern University e dell'Argonne National Laboratory hanno sviluppato un nuovo materiale che apre le porte a una nuova classe di rivelatori di neutroni.

Con la capacità di rilevare i materiali nucleari di contrabbando, rivelatori di neutroni altamente efficienti sono fondamentali per la sicurezza nazionale. Attualmente, ci sono due classi di rivelatori che utilizzano gas elio o lampi di luce. Questi rilevatori sono molto grandi, a volte delle dimensioni di un muro.

Il materiale di Northwestern e Argonne introduce una terza classe:un semiconduttore in grado di assorbire neutroni e generare segnali elettrici facilmente misurabili. Il rivelatore a semiconduttore è anche altamente efficiente e stabile. Può essere utilizzato sia in piccole, dispositivi portatili per ispezioni sul campo e rivelatori molto grandi che utilizzano array di cristalli.

Lo studio sarà pubblicato nel numero del 16 gennaio della rivista Natura .

"La gente ha immaginato per molto tempo rivelatori di neutroni a semiconduttore, " ha detto Mercouri Kanatzidis della Northwestern, che ha condotto la ricerca. "L'idea era lì, ma nessuno aveva il materiale giusto per farlo".

Kanatzidis è il professore di chimica di Charles E. ed Emma H. ​​Morrison al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Ha un appuntamento con Argonne.

Quando elementi pesanti, come uranio e plutonio, decadimento, i loro atomi espellono neutroni dai loro nuclei. La maggior parte dei rivelatori di neutroni sono cosiddetti scintillatori che funzionano rilevando i neutroni espulsi e quindi emettendo luce per avvisare l'utente. Questo nuovo materiale è un semiconduttore e non emette luce, ma invece rileva direttamente i segnali elettrici indotti dai neutroni. Oltre alle applicazioni di sicurezza, rivelatori di neutroni sono utilizzati nella sicurezza delle radiazioni, astronomia, fisica del plasma, scienza dei materiali e cristallografia.

Considerando che i tipi classici di rivelatori di neutroni termici sono in uso dagli anni '50, un materiale semiconduttore pratico è rimasto sfuggente. Eccellente nell'assorbire neutroni, il litio è emerso rapidamente come il materiale più promettente per i dispositivi di rilevamento dei neutroni. Ma integrare il litio in un semiconduttore e renderlo stabile (il litio si sbriciola quando incontra l'acqua) era un'altra storia.

"Puoi trovare buoni semiconduttori, ma non hanno il litio, "Ha detto Kanatzidis. "Oppure puoi trovare composti di litio stabili che non sono buoni semiconduttori. Abbiamo trovato il meglio di entrambi i mondi. L'isotopo specifico del litio-6, che è ragionevolmente abbondante e a basso costo, è un forte assorbitore di neutroni."

Nel loro studio, Kanatzidis e il suo team hanno scoperto la giusta combinazione di materiali per creare un dispositivo funzionante che mantiene stabile anche il litio. Il loro nuovo materiale, litio-indio-fosforo-selenio, è strutturato a strati e arricchito con l'isotopo litio-6.

"La struttura cristallina è speciale, "Kanatzidis ha detto. "Il litio è all'interno degli strati, quindi l'acqua non può raggiungerlo. questo è un grande, caratteristica importante di questo materiale."

Il rivelatore di neutroni a semiconduttore risultante può rilevare neutroni termici anche da una sorgente molto debole, e può farlo in nanosecondi. Può anche discriminare tra neutroni e altri tipi di segnali nucleari, come i raggi gamma. Questo impedisce falsi allarmi.

Un ultimo vantaggio in più:il materiale contiene una quantità molto elevata di litio. Quindi una frazione più piccola del materiale può assorbire la stessa quantità di neutroni di un dispositivo gigante. Questo porta a dispositivi abbastanza piccoli da stare in mano.

"È importante avere rilevatori di neutroni di tutte le dimensioni e quanti più tipi possibili, come il nostro nuovo semiconduttore, "Kanatzidis ha detto. "Vuoi quelli che sono grandi come un muro, dove puoi passare un camion proprio accanto. Ma vuoi anche quelli piccoli che possano essere portatili per le ispezioni sul campo".