I funzionari della sicurezza hanno il compito di impedire ai criminali di contrabbandare materiali pericolosi in un paese, e rilevare le sostanze nucleari è stato difficile e costoso. Ora i ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato nuovi dispositivi basati su un materiale a basso costo per aiutare nel rilevamento e nell'identificazione degli isotopi radioattivi.

Utilizzando bromuro di piombo di cesio sotto forma di cristalli di perovskite, il team di ricerca ha scoperto di essere in grado di creare rivelatori altamente efficienti sia in piccoli, dispositivi portatili per ricercatori sul campo e rivelatori molto grandi. I risultati sono in preparazione da più di un decennio.

Professore nordoccidentale Mercouri Kanatzidis, che ha condotto la ricerca, detto che oltre ad essere meno costoso dei dispositivi tipici, il nuovo metodo per rilevare i raggi gamma è anche altamente in grado di differenziare tra raggi di diverse energie. Questo metodo consente agli utenti di identificare i raggi gamma legali rispetto a quelli illegali. Rivelatori come questi sono fondamentali per la sicurezza nazionale, dove vengono utilizzati per rilevare materiali nucleari illegali contrabbandati attraverso i confini e per aiutare nella scientifica nucleare, così come nella diagnostica per immagini medica.

"Utilizzando il materiale perovskite, abbiamo raggiunto un'alta risoluzione nel rilevamento dell'energia per i raggi gamma utilizzando un design del rilevatore pixelato, " Kanatzidis ha detto. "Questo ci porta un passo più vicino alla creazione di sistemi elettronici per la diagnostica medica e l'imaging, sicurezza aeroportuale e altro ancora."

Lo studio sarà pubblicato il 7 dicembre sulla rivista Fotonica della natura .

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

Nelle ricerche passate, il team ha confrontato le prestazioni del nuovo rilevatore di bromuro di cesio e piombo con il rilevatore convenzionale di tellururo di cadmio e zinco (CZT) e ha scoperto che funziona anche nel rilevamento dei raggi gamma.

Ma una nuova ricerca che ha migliorato le dimensioni dei cristalli e sfruttato i pixel anziché gli elettrodi planari ha avanzato la risoluzione spettrale ben oltre quella dei progetti convenzionali, da circa 3,8% a 1,4%, rilevamento di energia anche da fonti molto deboli.

Gli isotopi radioattivi emettono raggi gamma che differiscono leggermente in energia, spesso differiscono di pochi punti percentuali. Utilizzando il nuovo materiale, gli utenti possono identificare meglio la sorgente dei raggi gamma individuando differenze fino a pochi punti percentuali.

Inoltre, l'utilizzo di materiali anche leggermente impuri in genere rende i rilevatori meno efficienti o non funzionanti, e i produttori di dispositivi devono cercare CZT ultrapuro per produrre letture efficaci. Con grande sorpresa dei ricercatori, il proprio materiale potrebbe avere da 5 a 10 volte più impurità di CZT e continuare a funzionare, rendendo più facile ed economico la produzione. La risoluzione è anche fondamentale per l'imaging medico come le scansioni SPECT.

Kanatzidis ha detto che c'è un grande interesse nel campo, soprattutto in considerazione delle implicazioni in termini di costi e sicurezza del malfunzionamento delle apparecchiature. Ma il progresso in questo regno, Egli ha detto, è stato lento principalmente perché i gruppi di ricerca si concentrano sulla sintesi dei materiali o sui rivelatori di raggi X e gamma:il suo gruppo fa entrambe le cose. Il laboratorio di Kanatzidis ha esaminato più di 60 composti promettenti prima di approdare al bromuro di cesio e piombo.

Anche con i progressi consentiti dal nuovo materiale, Kanatzidis ha detto che il suo lavoro con i collaboratori di Northwestern e Argonne non finisce.

"Il nostro scaffale è pieno di nuove possibilità che dobbiamo ancora indagare più a fondo, " Kanatzidis ha detto. "Il mio gruppo di ricerca è una rara combinazione del lato ingegneristico e del lato della crescita dei cristalli delle cose".

Yihui He è un assistente professore di ricerca nel laboratorio Kanatzidis e il primo autore del documento.

"I nuovi protocolli di fabbricazione dei dispositivi che riportiamo con i nostri collaboratori presso l'Università del Michigan potrebbero portare alla produzione di massa di rilevatori di bromuro di cesio piombo nel prossimo futuro, " Egli ha detto.

Il gruppo del professor Zhong He presso l'Università del Michigan ha partecipato alla caratterizzazione e all'analisi del rivelatore. Lo scienziato di Argonne Duck Young Chung è stato un collaboratore principale nello sforzo.

Kanatzidis e colleghi hanno fondato una nuova società, Attinia, commercializzare rivelatori di bromuro di piombo al cesio per la rivelazione e l'identificazione di raggi gamma e raggi X. Questi nuovi rivelatori avranno implicazioni di vasta portata nella diagnostica medica, sicurezza interna e sicurezza nucleare.