Patrick Feng, chercheur au Sandia National Laboratories, la gauche, tient un scintillateur trans-stilbène et Joey Carlson tient un scintillateur en verre organique. Le trans-stilbène est un ordre de grandeur plus cher et prend plus de temps à produire. Crédit :Randy Wong
S'inspirant d'une source insolite, une équipe de Sandia National Laboratories a considérablement amélioré la science des scintillateurs, des objets qui détectent les menaces nucléaires. Selon l'équipe, l'utilisation de scintillateurs en verre organique pourrait bientôt rendre encore plus difficile la contrebande de matières nucléaires à travers les ports et les frontières des États-Unis.
L'équipe de Sandia Labs a développé un scintillateur en verre organique qui est plus efficace que le matériel de détection de menace nucléaire le plus connu tout en étant beaucoup plus simple et moins cher à produire.
Le verre organique est un matériau à base de carbone qui peut fondre et ne se trouble pas ou ne cristallise pas lors du refroidissement. Les résultats positifs des tests de l'équipe du projet Defense Nuclear Nonproliferation sur les scintillateurs en verre organique sont décrits dans un article publié cette semaine dans Le Journal de l'American Chemical Society .
Patrick Feng, spécialiste des matériaux et chercheur principal de Sandia Labs, a commencé à développer des classes alternatives de scintillateurs organiques en 2010. Feng a expliqué que lui et son équipe ont entrepris de « renforcer la sécurité nationale en améliorant le rapport coût-performance des détecteurs de rayonnement en première ligne de tous matériel entrant dans le pays. Pour améliorer ce ratio, l'équipe avait besoin de combler le fossé entre les meilleurs, le plus brillant, matériau scintillateur le plus sensible et les coûts inférieurs des matériaux moins sensibles.
L'inspiration des diodes électroluminescentes améliore les performances
L'équipe a conçu, synthétisé et évalué de nouvelles molécules de scintillateur pour ce projet dans le but de comprendre la relation entre les structures moléculaires et les propriétés de détection de rayonnement résultantes. Ils ont fait des progrès en trouvant des scintillateurs capables d'indiquer la différence entre les matières nucléaires qui pourraient être des menaces potentielles et normales, sources de rayonnement non menaçantes, comme ceux utilisés pour les traitements médicaux ou les rayonnements naturellement présents dans notre atmosphère.
L'équipe a signalé pour la première fois les avantages de l'utilisation du verre organique comme matériau de scintillateur en juin 2016. Le chimiste organique Joey Carlson a déclaré que d'autres percées étaient vraiment possibles lorsqu'il a réalisé que les scintillateurs se comportaient beaucoup comme des diodes électroluminescentes.
Avec LED, une source et une quantité d'énergie électrique connues sont appliquées à un dispositif pour produire une quantité de lumière souhaitée. En revanche, les scintillateurs produisent de la lumière en réponse à la présence d'un matériau source de rayonnement inconnu. Selon la quantité de lumière produite et la vitesse à laquelle la lumière apparaît, la source peut être identifiée.
Malgré ces différences dans leurs modes de fonctionnement, les LED et les scintillateurs exploitent l'énergie électrique pour produire de la lumière. Le fluorène est une molécule électroluminescente utilisée dans certains types de LED. L'équipe a découvert qu'il était possible d'obtenir les qualités les plus souhaitables :stabilité, transparence et luminosité—en incorporant du fluorène dans leurs composés scintillateurs.
Le chercheur de Sandia National Laboratories, Joey Carlson, démontre la facilité de couler un scintillateur en verre organique, qui ne prend que quelques minutes par rapport à la croissance d'un cristal trans-stilbène, ce qui peut prendre plusieurs mois. Crédit :Randy Wong
Repousser les cristaux et les plastiques
Le matériau de référence du scintillateur au cours des 40 dernières années a été la forme cristalline d'une molécule appelée trans-stilbène, malgré des recherches intenses pour développer un remplaçant. Le trans-stilbène est très efficace pour différencier deux types de rayonnement :les rayons gamma, qui sont omniprésents dans l'environnement, et les neutrons, qui émanent presque exclusivement de matières dangereuses contrôlées telles que le plutonium ou l'uranium. Le trans-stilbène est très sensible à ces matériaux, produisant une lumière vive en réponse à leur présence.
Mais il faut beaucoup d'énergie et plusieurs mois pour produire un cristal trans-stilbène de quelques centimètres de long. Les cristaux sont incroyablement chers, environ 1 $, 000 par pouce cube, et ils sont fragiles, ils ne sont donc pas couramment utilisés sur le terrain.
Au lieu, les scintillateurs les plus couramment utilisés aux frontières et aux points d'entrée sont en plastique. Ils sont relativement bon marché à moins d'un dollar le pouce cube, et ils peuvent être moulés dans de très grandes formes, ce qui est essentiel pour la sensibilité du scintillateur. Comme Feng l'a expliqué, "Plus votre détecteur est gros, plus il sera sensible, car il y a plus de chances que les radiations le frappent. »
Malgré ces points positifs, les plastiques ne sont pas capables de différencier efficacement les types de rayonnement - un tube à hélium séparé est nécessaire pour cela. Le type d'hélium utilisé dans ces tubes est rare, non renouvelable et augmente considérablement le coût et la complexité d'un système de scintillateur en plastique. Et les plastiques ne sont pas particulièrement brillants, à seulement deux tiers de l'intensité du trans-stilbène, ce qui signifie qu'ils ne détectent pas bien les sources de rayonnement faibles.
Pour ces raisons, L'équipe de Sandia Labs a commencé à expérimenter avec des verres organiques, capables de distinguer les types de rayonnement. En réalité, L'équipe de Feng a découvert que les scintillateurs en verre surpassaient même le trans-stilbène dans les tests de détection des rayonnements :ils sont plus brillants et mieux distinguer les types de rayonnement.
Autre défi :les composés de verre initiaux fabriqués par l'équipe n'étaient pas stables. Si les verres chauffent trop longtemps, ils se cristalliseraient, ce qui a affecté leurs performances. L'équipe de Feng a découvert que le mélange de composés contenant du fluorène aux molécules de verre organique les rendait indéfiniment stables. Les verres stables pourraient alors également être fondus et coulés en gros blocs, ce qui est un processus plus facile et moins coûteux que la fabrication de plastiques ou de trans-stilbène.
Du laboratoire aux ports
Le travail jusqu'à présent montre une stabilité indéfinie dans un laboratoire, ce qui signifie que le matériau ne se dégrade pas avec le temps. Maintenant, la prochaine étape vers la commercialisation consiste à couler un très grand prototype de scintillateur en verre organique pour des essais sur le terrain. Feng et son équipe veulent montrer que les scintillateurs en verre organique peuvent résister à l'humidité et aux autres conditions environnementales rencontrées dans les ports.
La National Nuclear Security Administration a financé le projet pour deux années supplémentaires. Cela donne à l'équipe le temps de voir si elle peut utiliser des scintillateurs en verre organique pour répondre à des besoins supplémentaires en matière de sécurité nationale.
Aller de l'avant, Feng et son équipe prévoient également d'expérimenter avec le verre organique jusqu'à ce qu'il puisse distinguer les sources de rayons gamma non menaçantes de celles qui peuvent être utilisées pour fabriquer des bombes sales.
