Vânătoare pentru o mai bună detecţie a radiaţiilor

Trei echipe de evaluare Livermore sunt multe elemente şi compuşii lor, în căutare de noi materiale de detectare a radiaţiilor. (Fotografiată Steve Payne şi Nerine Cherepy.)

DETECTAREA surse ilicite de plutoniu şi uraniu puternic îmbogăţit este o afacere de complicat pentru primul răspuns, personalul de la aeroport de securitate, şi portul din SUA şi inspectorii de frontieră. Atât plutoniu şi uraniu puternic îmbogăţit sunt de obicei identificate folosind o combinaţie de dispozitive, care lucrează împreună, pentru a detecta gama lor invizibile şi a emisiilor de radiaţii de neutroni. Timp de mulţi ani, tehnologiile existente de detectare au fost considerate adecvate, dar lumea a devenit un loc mult mai periculos după 11 septembrie 2001. De atunci, preocupările de materiale radioactive care se încadrează în mâini greşite au fost răspândit. Asigurarea că ţara rămâne în condiţii de siguranţă de la un atac nuclear sau radiologic este de conducere de căutare pentru detectarea radiaţiilor mai definitive şi tehnologii de identificare.

Departamentul de Energie (DOE), a fost timp de decenii construirea ştiinţei şi ingineriei baza pentru detectarea materialelor radiologice, şi de laborator a adus o contribuţie semnificativă la acest efort în curs de desfăşurare. Cercetatorii Livermore au lucrat la îmbunătăţirea eficienţei şi rezoluţia energetică a detectoarelor de radiaţii. Ei au dezvoltat, de asemenea, sisteme de faptul că iluminarea obiectelor, cum ar fi containerele de marfă şi de a folosi aceste tehnici radiografic pentru a găsi materiale nucleare ascunse. (A se vedea S & TR, mai 2004, de screening containerelor pentru înlăturarea o ameninţare teroristă, precum şi a evidenţia Secretele Imaging Cargo lui interioară în această problemă.) În 2005, Departamentul pentru Securitate Internă (DHS) a făcut o cerere îndrăzneaţă pentru dezvoltarea materialelor de mult mai eficiente pentru a detecta gamma şi a emisiilor de radiaţii de neutroni. Materiale noi pentru senzori mai mici, mai rapide şi mai precise ar putea imbunatati capacitatea naţiunii de a identifica fără ambiguitate radiaţii din surse ilicite.

Dezvoltarea de materiale noi detector folosit pentru a fi o consumatoare de timp, studiu-şi-eroare, adesea decenii de-a lungul procesului. Astăzi, instrumente de îmbunătăţit foarte mult de diagnosticare pentru masurarea proprietatilor materialelor combinate cu mai repede, simulări pe computer mai precis permite cercetatorilor sa evalueze rapid materiale pentru performanta si usurinta de fabricatie.

Fizicianul Steve Payne Oportunitati trei echipe într-un detector de radiaţii campanie de materiale de la Livermore, într-o colaborare care include Pacific Northwest, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Brookhaven, şi naţional Sandia laboratoare; Fisk, Stanford, şi universităţi de stat de la Washington, la Universitatea din Nebraska; şi numeroase firme private, inclusiv, de monitorizare a radiaţiilor Devices, Inc "Cu atât de multe parteneri care lucrează împreună, putem evita suprapunerea de facilităţi, care este mai cost-eficient", spune Payne. Obţinerea Este corect de prima dată Pentru mai multe aplicaţii în câmp, radiaţii Detectoarele trebuie să fie ieftin şi robust, funcţionează la temperatura ambiantă, asigură o eficienţă ridicată, şi să fie suficient de mica pentru utilizarea în operaţiunile sub acoperire. Ele trebuie să furnizeze, de asemenea, identificarea fără echivoc a unui material. De exemplu, cantitate foarte mică de toriu în gunoi pisica este radioactiv, dar toriu nu este o ameninţare la adresa securităţii. În plus, detectoare trebuie să fie capabil de a ridica semnale foarte slabe, cum ar fi de plutoniu puternic ecranate cu plumb, pentru a evita detectarea.
 

Tehnologia detector de curent este limitat în capacitatea sa de a îndeplini cerinţele de oameni de pe linia frontului care sunt responsabile pentru asigurarea siguranţei naţiunii. Unele dintre cele mai bune de azi detectoarele cu raze gamma sunt cele care folosesc ca material de germaniu senzor. Laboratorul a fost în fruntea eforturilor de a face ca detectoare de germaniu mici şi teren-portabil cu putinţă, şi o provocare a fost aceea că pentru a obţine cea mai bună rezoluţie, germaniu trebuie să fie răcit la temperatura camerei de mai jos. (A se vedea S & TR, octombrie / noiembrie 2009, Gamma-Ray Spectroscopia în palmă.) Detectoare pentru consum redus de energie neutroni, cunoscut sub numele de neutroni termici, sunt de obicei tuburi umplute cu heliu, dar aceste instrumente sunt mari, necesită de înaltă tensiune să funcţioneze, şi sunt sensibile la vibraţii. Cel mai bun material pentru detectarea de energie înaltă, sau rapid, neutroni este un cristal numit stilbene, dar cristal este dificil să crească, scumpe, şi disponibil de la doar o companie din Ucraina.

Echipele Livermore de chimişti, fizicieni, ingineri şi, împreună cu colaboratorii lor, stabilite pentru a găsi materiale noi, mai bune pentru toate cele trei tipuri de detectoare-materiale care satisface nevoile utilizatorilor cât mai multe. Payne spune, "În căutarea noastră pentru noi materiale cu proprietăţi necesare, am început cu tabelul periodic întregul." Fiecare echipa a utilizat un proces diferit de eliminare, deoarece cerinţele pentru detectarea diverselor forme de radiaţii sunt diferite.

Locul de muncă anterioare la Livermore pe materialele detector nou pentru neutroni termici a fost finantat de catre Laboratorul de Cercetare Regia şi Programul de Dezvoltare. Deoarece acest proiect şi alţii au demonstrat de succes, in afara de finanţare pentru materiale detector noi urmat, în primul rând de la DOES nucleară National Security Administration (NNSA), şi mai târziu de la DHS şi Amenintare Apararii agenţiei de reducere.

Gamma-ray spectrele de la un bariu-133 sursă radioactivă au fost achiziţionate cu ajutorul a trei materiale diferite scintilator. În intervalele de energie cel mai important pentru identificarea plutoniu, Livermore-a dezvoltat de iodură de stronţiu, cu latimi mai îngustă puls, oferă cea mai bună rezoluţie.

Localizarea Razele gamma
raze Gamma, produse prin dezintegrare radioactivă, au cea mai mare energie în spectrul electromagnetic şi, astfel, pot penetra cele mai multe materiale. Din acest motiv penetrabilitatea extremă, raze gamma pot fi detectate chiar şi atunci când sursa de radiatii este protejat de beton, murdărie, sau câţiva centimetri de plumb. Cu toate acestea, razele gamma pot fi vizualizate numai indirect, prin observarea interactiunile lor cu materiale de detector.

De înaltă puritate germaniu, un semiconductor, a fost standard pentru detectarea raze gamma de ani de zile. O metodă alternativă este scintilatie, în care interacţionează cu radiaţii un material pentru a produce un flash scurt, dar masurabile de lumină. Livermore chimist Nerine Cherepy si echipa sa sunt in cautarea pentru un material care va produce cea mai strălucitoare flash de lumină atunci când este expusă la plutoniu sau uraniu puternic îmbogăţit. Precizie a răspuns materialului scintilator, sau rezoluţie de energie, defineşte capacitatea materialului de a distinge între raze gamma, care au energii similare. O astfel de discriminare este necesar deoarece nu toate razele gamma sunt orientative de o sursă care reprezintă o ameninţare.

Scintilatoare de bromură de lantan dopat cu ceriu, LaBr ₃ (CE), oferă cea mai înaltă rezoluţie de energie între dispozitive comerciale. Cu toate acestea, LaBr ₃ (Ce), este dificil să crească, este radioactiv din cauza prezenţei de lantan-138, şi este scump. Scopul pentru echipa Cherepy este de a găsi un material de înaltă rezoluţie care nu este radioactiv, funcţionează la temperatura camerei, este ieftin, şi pot fi fabricate în cantităţi mari. După analiza mult şi eliminare, cu o serie de cristale crescut de la diferiţi compuşi de către laboratorul naţional, industriale, universitare şi a partenerilor-Cherepy si echipa ei sa redus căutarea lor de a doua materiale: transparente ceramice gadoliniu pe bază de granate şi cristale de iodură de stronţiu.

Ceramică transparente au fost deja utilizată în Livermore lui solid-state de căldură-capacitate cu laser, un sistem care este setarea pentru scena ", regizat de energie" arme cu laser. (A se vedea S & TR, aprilie 2006, Ceramica transparent Spark avans cu laser.) "Livermore a stabilit expertiza în ceramică transparent", notează Cherepy. Pentru scintilatoare, granat transparent ceramice este relativ ieftin, puternic, şi pot fi fabricate în mare, dispozitive de uniformă, robust. Echipa a dezvoltat o tehnica de fabricatie roman pentru ceramica transparent, incepand de la nanoparticule, pentru care au castigat un premiu Nano 50 în 2008.

Rezoluţia mai bune de energie pentru oricare dintre compuşi granat diferitele este de aproximativ 4 la sută, atunci când este expusă la energie gamma de 662 kiloelectronvolts. (Aceasta energie, de la o sursă de cesiu-137, este standardul folosit în experimente pentru măsurarea în soluţionarea unui scintilator de raze gama.) Rezoluţie de energie LaBr ₃ (Ce) este de 2,6 la sută, şi pentru detectarea gamma, mai mici, este mai bine. Obiectivul echipei este de a gasi un material cu o rezoluţie de 2 la sută.
 iodură de Stronţiul dopate cu europiu, SRI ₂ (UE), sa dovedit a fi cel mai bun material scintilator încă. "Este un cristal pur crescut cu rezoluţie excelentă de energie," spune Cherepy. Aceasta produce fotoni mai-mai multa lumina decat LaBr ₃ (CE) şi nu este radioactiv. Cristale mici au demonstrat de 2,5 la sută rezoluţie de energie, puţin mai bun decât LaBr ₃ (CE). "Rezoluţia degradează un pic cu cristale mai mari", spune Cherepy. "Cu toate acestea, ne aşteptăm pentru a atinge 2-la sută rezoluţie prin îmbunătăţirea puritatea cristalelor ca acestea cresc în dimensiune şi prin optimizarea optica detectorului şi electronice digitale."

O serie de instrumente şi a codurilor de computer este folosit pentru a caracteriza şi analiza materialelor de a fi studiate. Un instrument deosebit de interesant este nou scintilator lumina-randament instrument de nonproportionality, sau SLYNCI, care a fost dezvoltat de către Payne si colaboratorii de la Lawrence Berkeley. Nonproportionality-o neconcordanţă între energia depuse într-un scintilator şi numărul de fotoni vizibile produse-a fost o problemă cu scintilatoare de zeci de ani. În cazul în care există prea mult, impulsuri scintilator nu sunt precise rezoluţie, energie degradant. Dopajul este o modalitate de a îmbunătăţi proporţionalităţii. SLYNCI a fost crucial în evaluarea fizica a nonproportionality în scintilatoare diferite.

SLYNCI, scintilator lumina-randament instrument de nonproportionality, masoara diferenta dintre energia depuse într-un scintilator şi numărul de protoni produse.

Identificarea de mare energie neutroni
timp ce lucra la un doctorat la Universitatea de Stat din Moscova, în Rusia, Livermore fizician Natalia Zaitseva dezvoltat o metoda pentru a fi cultivate cristale extrem de mari, mai repede decât oricând înainte. Zaitseva a perfecţionat procesul de după venirea la laborator şi a câştigat o 1994 R & D 100 Award cu echipa ei. La acea vreme, cercetatorii s-au concentrat pe producerea de cristale mari de înaltă calitate, dihidrogenofosfat de potasiu (KDP) pentru lasere Livermore, cum ar fi National Ignition Facility (NIF). În 1996, echipa de produs în doar 27 de zile de cristal de măsurare KDP 44 centimetri în diametru. Cultivarea un cristal care mărime în condiţii standard de creştere ar fi luat 15 luni. Design-ul cu laser MIV nevoie de o cantitate uriaşă de KDP-aproximativ 600 de mari felii-de transformare a luminii laser infraroşu la lungimi de undă mai scurtă călătorie grinzi în camera de ţintă. În 1997, echipa de Livermore produs cea mai mare din lume cu un singur cristal optic element de-o piramida de cristal în formă de KDP de măsurare mai mult de o jumătate de metru înălţime şi o greutate de aproximativ 250 kg-în doar şase săptămâni. Astăzi, echipa Zaitseva este aplicarea învăţat totul cu KDP-o substanţă anorganic-a substanţelor organice pentru detectarea de neutroni.

La examinarea compuşi posibil, obiectivul Zaitseva a fost de a găsi un material care ar fi cel mai eficient separate pentru o semnătură de neutroni din fondul puternic de radiaţii gamma, un proces cunoscut sub numele de puls-forma de discriminare (PSD). Decenii in urma, cercetatorii au descoperit ca ecologice de stilbene cristal ar putea discrimina rapid neutroni din radiaţii gamma. Astăzi, scintilatoare lichide organice sunt mai frecvent utilizate pentru PSD, din cauza disponibilităţii limitate de stilbene şi costurile ridicate. Cu toate acestea, din cauza preocupărilor legate de inflamabilitate, toxicitate, şi de mediu, NNSA iar altele sunt acum în căutarea pentru materiale alternative.

"Noi am cercetat 140 compuşi organici", spune Zaitseva, "toate din care au fost pregătite cu caracteristici cunoscute ca fiind importante de fast-neutron de detectare." Câteva caracteristici, cum ar includ prezenţa de inele de benzen pentru scintilaţie eficiente; conţinut ridicat de hidrogen pentru interacţiunile cu neutroni, doar low-atomic-number (low-Z) constitutive, cum ar fi hidrogenul sau de carbon, pentru a evita interacţiunea excesive cu radiaţii gamma, precum şi o reducere a emisiilor cu efect întârziat pentru arate mai bine PSD.

"Am cumparat compuşi sub forma de pulberi, purificat-le, şi a pregătit soluţii", spune Zaitseva. "Unele nu au fost utilizate înainte de a creste cristale." Cele mai multe dintre materiale au fost bine cunoscute pentru proprietăţile lor de scintilaţie din anii 1950. Cu toate acestea, din cauza limitărilor de circuitelor electrice disponibile, apoi pentru evaluarea PSD, multe din compuşi nu au fost evaluate pentru proprietăţile lor de discriminare neutroni gamma.

Experimentele au arătat că anumite molecule au fost aproape de sau chiar mai bine decât stilbene la separarea semnalelor de neutroni şi gamma. Alte materiale produs o multime de lumina, dar nu a prezentat PSD. Atunci cand echipa Zaitseva nu s-au găsit o corelaţie evidentă între PSD şi structura moleculară, au apelat la experţi Livermore în simulări cuantice moleculare. Modelarea computaţională a moleculelor organice şi proprietăţile lor dezvăluit modul în care PSD este legată de migrarea anumitor excitaţiilor în cristal. "Impurităţile din cristale poate reduce, de asemenea, PSD," note Zaitseva.

Pentru acest studiu initial, echipa Zaitseva a crescut cristale de la 1 centimetru folosind o tehnică simplă evaporare, cu rate de creştere de 1 până la 2 milimetri pe zi. Ei au crescut, de asemenea, cristale mai mari (5 până la 10 centimetri), într-un obicei-a construit, temperatura de reducere dispozitiv similar cu cel folosit pentru KDP. Întrucât multe din cristale mici defecte a arătat, cristale mai mari au fost de o calitate optică ridicată.

Primul material organic cultivate în aparatul obiceiul era 1,3,5-triphenylbenzene, care a crescut la 8 centimetri înălţime şi 5 cm în doar peste o saptamana. Acest experiment a demonstrat că tehnica rapidă de creştere este la fel de eficient pentru creşterea mari cu un singur cristal scintilatoare organice, deoarece este pentru KDP. De atunci, cristale de stilbene au fost, de asemenea cultivate în cristalizor nou.

În anii 1990, Natalia Zaitseva a dezvoltat o tehnică rapidă de creştere pentru producerea de cristale foarte mari în timp record cutremuratoare. Ea conduce acum o echipa care creste cristalele ecologice pentru a fi utilizate în fast-neutron detectoare.

Razele gamma şi neutroni rapizi se disting una de alta prin impuls formă de discriminare. Semnături diferă în funcţie de compus fiind folosit ca scintilator. Deşi stilbene este cel mai bun scintilator comerciale disponibile, unele compuşi, cum ar fi 9,10-diphenylanthracene şi 1,3,5-triphenylbenzene, arată la fel de bun ca sau mai bine discriminare şi pot fi cultivate mai uşor. Alţi compuşi, cum ar fi bibenzyl, nu au evidenţiat nici o discriminare.

Un înlocuitor pentru Heliu
O încercare de a ascunde o sursă de plutoniu ar putea include nu numai protectie razele gamma materialului cu metale grele, dar, de asemenea, ecranare neutroni sale rapide cu folie de plastic. Chiar dacă aceste două scuturi sunt eficiente, neutroni termici pot fi încă detectabil. Din fericire, radiatilor termice este destul de rare în comparaţie cu radiaţii gamma, iar detectarea prezenţei sale mărci de identificare a materialului în cauză faptul că mult mai uşor.

În instrumentele pentru detectarea neutroni, heliu-3 de ani de zile a servit ca material de neutroni-absorbant. Cu toate acestea, găsirea unui înlocuitor pentru acest material a devenit esenţială pentru dezvoltarea detectoarelor de îmbunătăţit. Un dezavantaj de heliu-3 detectoare este dimensiunea lor, tubul care conţine heliu poate fi de până la 1 metru lungime. În plus, aparatul are nevoie de aproximativ 1000 de volţi, pentru operaţie. "Poate cel mai important", spune Payne, "heliu-3 este mult mai puţin disponibil acum decât a fost atunci când ţara a fost construirea de arme nucleare. Alimentatoare de curent de heliu-3 vin, în parte, de la dezmembrarea a armelor nucleare în cazul în care se acumuleaza ca se dezintegrează tritiu "consumabile din acest material sunt în declin rapid..

Un inlocuitor solid-state materiale pentru heliu-3 are unele avantaje. Mutarea dintr-un mediu de gaz la un solid creşte densitatea de neutroni-un material absorbant, reducerea dimensiunii al detectorului. Cercetatorii anterioară a dezvoltat un detector bidimensional, dar eficienţa sa a fost scăzută, doar aproximativ 5 la sută. (Reţineţi că, cu scintilatie, astfel cum este descris mai sus pentru radiaţii gama şi neutroni rapizi, scopul este de înaltă rezoluţie, care este un procent scăzut. În schimb, măsura de eficienţă a detectoarelor de neutron termic este eficienţa, sau procentul cel mai înalt posibil.)

La Centrul de Livermore pentru Micro şi Nanotehnologie, inginer Rebecca Nikolic si echipa sa trekked prin tabelul periodic si a aterizat pe o combinatie de siliciu si bor, de la care au creat o tridimensional, pilon în formă de senzor. Neutronii punctul de a sosi interacţionează cu bor pentru a produce particule care, la rândul său, de a interacţiona cu semiconductoare de siliciu şi a crea un curent de un semnal electronic. Detectorul de siliciu-bor pilon este de aşteptat să oferă o eficienţă energetică mai mare de 50 la suta si necesita mai putina energie decat tubul de heliu-3. Deoarece plachete de siliciu poate fi tăiat la orice dimensiune, detectoare pot fi concepute pentru a satisface nevoile utilizatorilor finali mai multe. De exemplu, membrana poate fi tăiat în bucăţi mai mici pentru aplicaţii sub acoperire sau de teracotă pentru a acoperi suprafete mari pentru monitoare portalului.

Iniţial, echipa lui Nikolic gravat a unei plachete de siliciu cu stâlpi de înaltă 20 micrometri, şi colaboratorii universitare utilizate depunere chimică din vapori pentru a umple spaţiile dintre piloni cu bor. Aparatul prototip a avut o eficienţă de 20 la suta, cea mai mare eficienţă a raportat pentru un astfel de detector. Şi, se pare că marimea conteaza. "Am constatat ca piloni inalti, care oferă un strat mai gros de bor, sunt mult mai eficiente la captarea neutroni", spune Nikolic. Echipa a finalizat recent un design cu 50 de micrometri-înalt piloni de a creşte eficienţa.

În aproape toate felurile, de trei-dimensional siliciu-bor membrana este superioară la tubul de heliu-3. Aparatul napolitana necesită mai puţin de 3 volţi, pentru funcţionarea, desene şi modele industriale mai noi pot necesita chiar mai puţin. În plus, acest detector de înaltă eficienţă vor avea mai puţin de 5 la sută a volumului fizic al standardului heliu-3 detector pentru aceeaşi eficienţă.

Rebecca Nikolic si echipa ei sunt în curs de dezvoltare un detector de siliciu din stâlpi şi bor pentru captarea neutroni.

Senzorul dezvoltat de echipa Nikolic utilizează o napolitana cu stâlpi de siliciu de 50 micrometri-înalt intercalate cu bor pentru a detecta neutroni termici. Imaginea din stânga prezinta piloni înainte de bor, se adaugă, şi imaginea din dreapta prezinta bor-filmate stâlpi cu lacune mici între fiecare.

Mergand mai departe
Toate cele trei echipe de cercetare se uita la cativa ani mai mult de cercetare. Echipa Cherepy este continuă eforturile de îmbunătăţire a performanţei, cât şi granate iodură de stronţiu. Acestea sunt explorarea, de asemenea, posibilitatea de inginerie high- Z scintilatoare polimer nanocompozite, care ar putea fi extrem de eficient, ieftin, şi să ofere de înaltă rezoluţie. În timp ce Zaitseva a arătat că cristale organice mari pot fi produse foarte rapid, echipa sa nu a fost încă pentru a determina alternativă finală optimă pentru stilbene. O descoperire neaşteptată a fost un compus cu PSD triplu care pot discrimina între cele trei tipuri de radiaţii de neutroni-rapid comparativ cu gama şi neutroni termic faţă de gama. Acest compus se poate dovedi chiar a fi un material eficient pentru detectarea antineutrini.

Pentru materialele fiind considerat de către toate cele trei echipe, simulări cuantice sunt folosite pentru a identifica şi de rang defecte dăunătoare. Simulatoare ajuta, de asemenea, ghidul de experimente optim caracterizare, ale căror rezultate sunt hrănite înapoi în simulări viitor.

"Tocmai am început să analizeze încă o altă tehnică posibil pentru detectarea neutroni", spune Payne. "Această metodă foloseşte de detectare acustic. Borul captureaza un neutron, care interacţionează cu alte materiale, generând în cele din urmă un val acustic. Livermore are combinaţia potrivită de experţi pentru atingerea acestui obiectiv de cercetare. "

Katie-Walter

Cuvinte cheie: creşterea cristalelor, radiaţii gamma, granat, heliu-3, bromură de lantan (ceriu), neutroni, de detectare a radiaţiilor, detector de scintilatie, stilbene, stronţiu iodură, ceramica transparent.

Pentru mai multe informatii de contact Steve Payne (925) 423-0570 (payne3@llnl.gov).