Un gruppo di ricercatori dell'EPFL e dei loro collaboratori ha sviluppato un dispositivo semplice ed economico per rilevare i neutroni. Il dispositivo, basato su una classe speciale di composti cristallini chiamati perovskiti, potrebbe essere utilizzato per rilevare rapidamente neutroni provenienti da materiali radioattivi, per esempio. un reattore nucleare che è stato danneggiato o che viene trasportato in modo nefasto, dicono i ricercatori. L'opera è pubblicata in Rapporti scientifici .

Le perovskiti basate su elementi organici e inorganici sono caldamente considerate materiali all'avanguardia per applicazioni di celle solari. Ma il loro talento non si esaurisce nel convertire la luce solare in energia:le perovskiti possono essere utilizzate anche per rilevare tipi specifici di radiazioni, dalla luce visibile ai raggi gamma. Le perovskiti sono anche economiche e facili da realizzare:la loro specifica struttura e composizione cristallina consente loro di interagire in modo molto efficiente con i fotoni in modi che non sono ancora completamente compresi. ma gli elettroni generati sono già pronti per essere sfruttati in applicazioni pratiche.

Il rivelatore di neutroni perovskite è costruito sul lavoro che l'autore principale Pavao Andričević (ora ricercatore post-dottorato in fisica presso l'Università tecnica della Danimarca) ha svolto durante il suo dottorato di ricerca. studi all'EPFL con László Forró (ora all'Università di Notre Dame, NOI.). Hanno sviluppato materiali perovskite in grado di rilevare un'ampia gamma di radiazioni dalla luce visibile ai raggi gamma. Ma i neutroni, che sono particelle neutre, e non i fotoni, sono rimasti fuori dalla portata dei rilevatori di perovskite. Fino ad ora.

Le perovskiti sviluppate da Andricevic e dal team di Forró sono cristalli singoli contenenti piombo e bromo di un composto chiamato tri-bromuro di piombo di metilammonio. Per provare a rilevare direttamente i neutroni, il team ha prima posizionato questi cristalli nel percorso di una sorgente di neutroni. Questo è stato fatto con l'aiuto di Gabor Nafradi (Rutherford Appleton Laboratory, UK) e il team di Andreas Pautz (Laboratorio di fisica dei reattori, EPFL). I neutroni, colpire i cristalli, penetrare nel nucleo degli atomi all'interno del cristallo, che li eccita in uno stato energetico superiore. Quando si rilassano e si decompongono, vengono prodotti raggi gamma. Questi fotoni gamma caricano la perovskite, producendo una piccola corrente che può essere misurata.

Ma questa corrente era così piccola che il team si è reso conto che era necessario qualcosa in più se volevano realizzare un pratico rivelatore di neutroni. E quel qualcosa in più è stato trovato in una sottile lamina di metallo gadolinio, che è molto meglio nell'assorbire i neutroni rispetto al cristallo di perovskite nudo. Quando i neutroni interagiscono con gli atomi di gadolinio, sono eccitati in uno stato energetico superiore, e quindi decadono emettendo radiazioni gamma.

Il gadolinio è molto più efficiente nella creazione di fotoni gamma rispetto alle perovskiti, che era già stato sviluppato come un grande rivelatore gamma. Mettere insieme i due è stato semplice e molto efficace; i ricercatori hanno aggiunto un elettrodo di carbonio, e gli elettroni risultanti prodotti nella perovskite erano facili da misurare. "Hai appena messo su un voltmetro o un amperometro, "dice Forrò.

Per migliorare ulteriormente il rilevatore, il team ha poi fatto crescere il cristallo di perovskite attorno alla lamina. Queste particolari perovskiti sono notevoli perché la loro struttura cristallina non viene influenzata se contengono un corpo estraneo al loro interno. "La proprietà di questo materiale è tale che può inghiottire qualsiasi cosa, da mosca a coccodrillo, al gadolinio, "dice Marton Kollár, il chimico della squadra. "Così cresce intorno all'oggetto, e anche quando cresce intorno, rimane cristallino. Quindi questa è una caratteristica davvero favolosa di questo materiale".

Un ulteriore vantaggio del dispositivo è che può misurare la direzione del flusso di neutroni, e la dimensione del flusso, quindi potrebbe essere un dispositivo di scansione davvero utile se utilizzato da una società commerciale.

"È semplice, costa poco, ed è conveniente, " dice Forró. Ora che il team ha dimostrato che il dispositivo funziona, il passo successivo è il perfezionamento e la potenziale commercializzazione. "Questa è una prova di principio, che funziona, " dice Forró. "E ora possiamo pensare alla configurazione per un rivelatore molto efficiente."