I ricercatori di Sandia Patrick Doty, Patrick Feng, e Mark Allendorf (da sinistra a destra) hanno creato un nuovo tipo di scintillatore utilizzando una struttura metallica organica o ospiti di scintillatori plastici combinati con droganti di metalli pesanti, mostrato nella mano di Doty. Questo materiale consente il rilevamento di neutroni utilizzando tecniche di discriminazione spettrale o a forma di impulso che potrebbero trasformare il rilevamento delle radiazioni. Credito:Dino Vournas (Laboratori Nazionali Sandia)
Un team di ricercatori sui nanomateriali presso i Sandia National Laboratories ha sviluppato una nuova tecnica per il rilevamento delle radiazioni che potrebbe rendere il rilevamento delle radiazioni nel carico e nei bagagli più efficace e meno costoso per gli ispettori della sicurezza interna.
Conosciuto come discriminazione della forma spettrale (SSD), il metodo sfrutta una nuova classe di materiali nanoporosi noti come strutture metallo-organiche (MOF). I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di un agente dopante a un MOF porta all'emissione di luce rossa e blu quando il MOF interagisce con particelle ad alta energia emanate da materiale radiologico o nucleare, consentendo un rilevamento più efficace dei neutroni. Il rilevamento dei neutroni è attualmente un'impresa costosa e tecnicamente impegnativa a causa della difficoltà di distinguere i neutroni dagli onnipresenti raggi gamma di fondo.
Il lavoro iniziale sull'uso dei MOF per il rilevamento delle radiazioni è stato finanziato internamente dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia (LDRD), ma i successivi finanziamenti per il progetto sono arrivati dall'ufficio di ricerca sulla non proliferazione nucleare della National Nuclear Security Administration (NNSA).
"Migliorare le nostre capacità di rilevamento delle radiazioni è fondamentale per far progredire la missione di non proliferazione della NNSA, " ha detto Anne Harrington, Vice amministratore della NNSA per la difesa contro la non proliferazione nucleare. "Prevenire il movimento illecito di materiali radiologici e nucleari in tutto il mondo supporta gli obiettivi di sicurezza nucleare del presidente e aiuta a mitigare la minaccia di un attacco terroristico nucleare".
La nuova tecnologia funziona con scintillatori plastici, materiali che diventano fluorescenti quando colpiti da particelle cariche o fotoni ad alta energia, rendendolo adatto alla commercializzazione da parte di aziende che producono scintillatori plastici e altri organici utilizzati nei dispositivi di rilevamento delle radiazioni. Anche se il lavoro rimane prima di poter entrare nel mercato, Sandia sta attualmente cercando partner commerciali per concedere in licenza la tecnologia.
Gli attuali metodi di rilevamento delle radiazioni sono limitati in termini di velocità e sensibilità, elementi cruciali per scenari dinamici, come i valichi di frontiera, screening del carico e verifica del trattato nucleare. Questa nuova tecnologia controlla il colore delle emissioni luminose, che hanno il potenziale per rendere il processo di screening più semplice e affidabile.
"Stiamo affrontando il problema dal punto di vista della chimica dei materiali, ", ha affermato lo scienziato dei materiali di Sandia Mark Allendorf. "Fondamentalmente, è più facile monitorare il colore delle emissioni luminose piuttosto che la velocità con cui tale luce viene emessa. Questo è il punto cruciale di questo nuovo approccio." Gli attuali metodi di rilevamento delle radiazioni usano il tempo per discriminare tra neutroni e raggi gamma, richiedono un'elettronica complessa e costosa.
I cristalli di una struttura metallica organica (a sinistra) emettono luce nel blu (al centro) quando esposti a radiazioni ionizzanti. Infiltrarli con un composto organometallico fa sì che anche i cristalli emettano luce rossa (a destra), creando un nuovo modo per differenziare i neutroni di fissione dalle particelle gamma di fondo. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
MOF e droganti portano a più luce
Allendorf e il suo team lavorano con i MOF da più di cinque anni. All'inizio, hanno scoperto un fluorescente, MOF poroso con superbe proprietà di scintillazione, un importante passo avanti e la prima nuova classe di scintillatori trovata in decenni. La porosità del MOF è una caratteristica chiave perché consente ai ricercatori di aggiungere altri materiali per mettere a punto la scintillazione.
La nanoporosità del MOF ha innescato una nuova idea quando il membro del team Patrick Doty ha letto dell'uso di droganti per aumentare l'efficienza dei diodi organici a emissione di luce (OLED). Questi droganti, solitamente composti contenenti metalli pesanti come iridio, aumentare drasticamente la luminosità dell'OLED "rimuovendo" l'energia dello stato eccitato nel dispositivo che non è stata convertita in luce. Questa energia rappresenta fino al 75% della possibile emissione di luce.
La combinazione di MOF con droganti OLED ha portato a una seconda svolta. Riempiendo i pori MOF con droganti, il team ha creato un materiale che non solo produce più luce, ma luce di un altro colore. Doty, uno scienziato dei materiali che lavora nel dipartimento di analisi e materiali di rilevamento di radiazioni/nucleari di Sandia, ipotizzato che la scoperta potrebbe essere applicata al rilevamento delle radiazioni.
Il trucco, Doty ha detto, consiste nell'aggiungere la giusta quantità di drogante in modo che vengano emesse sia la luce eliminata che la fluorescenza dal MOF eccitato stesso. Quindi il rapporto delle intensità alle due lunghezze d'onda è funzione del tipo di particella ad alta energia che interagisce con il materiale. "Questa è la cosa critica, " Ha detto Doty. "SSD consente di distinguere un tipo di particella da un altro in base al colore della luce emessa".
Poiché il rapporto tra neutroni e raggi gamma è così basso, dell'ordine di un neutrone su 105 raggi gamma, la soglia alla quale i rilevatori di corrente possono vedere i neutroni è piuttosto alta. 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. "In linea di principio, 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.
