Les détecteurs de rayonnement utilisés aujourd'hui pour des applications telles que l'inspection des cargos à la recherche de matières nucléaires de contrebande sont coûteux et ne peuvent pas fonctionner dans des environnements difficiles, entre autres inconvénients. Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont démontré une manière fondamentalement nouvelle de détecter les rayonnements, qui pourrait permettre l'utilisation de détecteurs beaucoup moins chers et une pléthore de nouvelles applications.
Ils travaillent avec Radiation Monitoring Devices, une société de Watertown, MA, pour transférer la recherche le plus rapidement possible vers des produits de détection.
Dans un article de 2022 dans Nature Materials , bon nombre de ces mêmes ingénieurs ont rapporté pour la première fois comment la lumière ultraviolette peut améliorer considérablement les performances des piles à combustible et d'autres dispositifs basés sur le mouvement des atomes chargés, plutôt que sur les électrons constitutifs de ces atomes.
Dans le travail actuel, qui vient d'être publié en ligne dans Advanced Materials , l'équipe montre que le même concept peut être étendu à une nouvelle application :la détection des rayons gamma émis par la désintégration radioactive des matières nucléaires.
"Notre approche implique des matériaux et des mécanismes très différents de ceux des détecteurs actuellement utilisés, avec des avantages potentiellement énormes en termes de réduction des coûts, de capacité à fonctionner dans des conditions difficiles et de simplification du traitement", déclare Harry L. Tuller, professeur de céramique R.P. Simmons. et matériaux électroniques au Département de science et d'ingénierie des matériaux (DMSE) du MIT.
Tuller dirige les travaux avec ses collaborateurs clés Jennifer L. M. Rupp, professeure agrégée de science et d'ingénierie des matériaux au MIT et maintenant professeure ordinaire de matériaux électrochimiques à l'Université technique de Munich (TUM) en Allemagne, et Ju Li, professeur Battelle Energy Alliance en génie nucléaire et professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Tous sont également affiliés au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.
"Après avoir appris les Matériaux naturels ", j'ai réalisé que le même principe sous-jacent devrait fonctionner pour la détection des rayons gamma (en fait, cela pourrait même fonctionner mieux que la lumière [UV] car les rayons gamma sont plus pénétrants) et j'ai proposé quelques expériences à Harry et Jennifer", explique Li. P>
Rupp déclare :"L'utilisation de rayons gamma à plus courte portée nous permet d'étendre l'effet opto-ionique à un effet radio-ionique en modulant les porteurs ioniques et les défauts aux interfaces matérielles par des éléments électroniques photogénérés."
Autres auteurs des Matériaux avancés Les articles sont Thomas Defferriere, premier auteur et associé postdoctoral DMSE, et Ahmed Sami Helal, associé postdoctoral au Département de science et d'ingénierie nucléaires du MIT.
La charge peut être transportée à travers un matériau de différentes manières. Nous connaissons mieux la charge portée par les électrons qui composent un atome. Les applications courantes incluent les cellules solaires. Mais il existe de nombreux appareils, comme les piles à combustible et les batteries au lithium, qui dépendent du mouvement des atomes chargés, ou des ions, eux-mêmes plutôt que de leurs seuls électrons.
Les matériaux derrière les applications basées sur le mouvement des ions, appelés électrolytes solides, sont les céramiques. Les céramiques, quant à elles, sont composées de minuscules grains de cristallite qui sont compactés et cuits à haute température pour former une structure dense. Le problème est que les ions qui traversent le matériau sont souvent bloqués aux limites entre les grains.
Dans son article de 2022, l’équipe du MIT a montré que la lumière ultraviolette projetée sur un électrolyte solide provoque essentiellement des perturbations électroniques au niveau des joints de grains qui, en fin de compte, abaissent la barrière que les ions rencontrent à ces limites. Le résultat :"Nous avons pu multiplier par trois le flux d'ions", explique Tuller, ce qui a permis d'obtenir un système beaucoup plus efficace.
À l’époque, l’équipe était enthousiasmée par la possibilité d’appliquer ce qu’elle avait découvert à différents systèmes. Lors des travaux de 2022, l’équipe a utilisé la lumière ultraviolette, qui est rapidement absorbée très près de la surface d’un matériau. En conséquence, cette technique spécifique n’est efficace que dans les films minces de matériaux. (Heureusement, de nombreuses applications d'électrolytes solides impliquent des films minces.)
La lumière peut être considérée comme des particules – des photons – avec différentes longueurs d’onde et énergies. Celles-ci vont des ondes radio de très faible énergie aux rayons gamma de très haute énergie émis par la désintégration radioactive des matières nucléaires. La lumière visible – et la lumière ultraviolette – sont d'énergies intermédiaires et se situent entre les deux extrêmes.
La technique du MIT rapportée en 2022 fonctionnait avec la lumière ultraviolette. Cela fonctionnerait-il avec d’autres longueurs d’onde de lumière, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles applications ? Oui, l'équipe a trouvé.
Dans l’article actuel, ils montrent que les rayons gamma modifient également les joints de grains, ce qui entraîne un flux d’ions plus rapide qui, à son tour, peut être facilement détecté. Et comme les rayons gamma à haute énergie pénètrent beaucoup plus profondément que la lumière ultraviolette, "cela étend les travaux aux céramiques en vrac peu coûteuses en plus des films minces", explique Tuller. Il permet également une nouvelle application :une approche alternative pour détecter les matières nucléaires.
Les détecteurs de rayonnement de pointe actuels dépendent d'un mécanisme complètement différent de celui identifié dans les travaux du MIT. Ils s'appuient sur des signaux dérivés d'électrons et de leurs homologues, des trous, plutôt que d'ions.
Mais ces porteurs de charge électroniques doivent parcourir des distances relativement grandes jusqu'aux électrodes qui les « capturent » pour créer un signal. Et en cours de route, ils peuvent facilement se perdre car, par exemple, ils heurtent des imperfections dans un matériau. C'est pourquoi les détecteurs d'aujourd'hui sont fabriqués à partir de monocristaux extrêmement purs qui permettent un cheminement sans entrave. Ils ne peuvent être fabriqués qu'avec certains matériaux et sont difficiles à traiter, ce qui les rend coûteux et difficiles à adapter à de gros appareils.
En revanche, la nouvelle technique fonctionne en raison des imperfections (grains) du matériau. "La différence est que nous comptons sur des courants ioniques modulés aux joints de grains par rapport à l'état de l'art qui repose sur la collecte de porteurs électroniques sur de longues distances", explique Defferrière.
Rupp a déclaré :« Il est remarquable que les « grains » en vrac des matériaux céramiques testés ont révélé une grande stabilité chimique et structurelle vis-à-vis des rayons gamma, et que seules les régions limites des grains ont réagi en redistribuant les charges des porteurs et des défauts majoritaires et minoritaires. » /P>
Li a ajouté :"Cet effet rayonnement-ionique est distinct des mécanismes conventionnels de détection des rayonnements où les électrons ou les photons sont collectés. Ici, le courant ionique est collecté."
Igor Lubomirsky est professeur au Département des matériaux et des interfaces de l'Institut des sciences Weizmann, en Israël. Lubomirsky, qui n'était pas impliqué dans les travaux actuels, a déclaré :« J'ai trouvé l'approche suivie par le groupe du MIT dans l'utilisation de conducteurs d'ions d'oxygène polycristallins très fructueuse étant donné la promesse [des matériaux] de fournir un fonctionnement fiable sous irradiation dans les conditions difficiles attendues dans les réacteurs nucléaires où ces détecteurs souffrent souvent de fatigue et de vieillissement [Ils] bénéficient également de coûts de fabrication très réduits."
En conséquence, les ingénieurs du MIT espèrent que leurs travaux pourront aboutir à de nouveaux détecteurs moins coûteux. Par exemple, ils imaginent des camions chargés de marchandises provenant de porte-conteneurs traversant une structure dotée de détecteurs des deux côtés lorsqu'ils quittent un port.
"Idéalement, vous auriez soit un ensemble de détecteurs, soit un très grand détecteur, et c'est là que [les détecteurs d'aujourd'hui] ne sont vraiment pas très bien adaptés", explique Tuller.
Une autre application potentielle concerne l’accès à l’énergie géothermique, ou à la chaleur extrême sous nos pieds, qui est explorée comme alternative sans carbone aux combustibles fossiles. Des capteurs en céramique placés aux extrémités des forets pourraient détecter des poches de chaleur (rayonnement) vers lesquelles percer. La céramique peut facilement résister à des températures extrêmes de plus de 800 degrés Fahrenheit et aux pressions extrêmes trouvées profondément sous la surface de la Terre.
L’équipe est enthousiasmée par les applications supplémentaires pour son travail. "C'était une démonstration de principe avec un seul matériau", explique Tuller, "mais il existe des milliers d'autres matériaux bons pour conduire les ions."
Defferrière conclut :"C'est le début d'un voyage vers le développement de la technologie, il y a donc beaucoup à faire et beaucoup à découvrir."
Plus d'informations : Thomas Defferriere et al, Détection des rayons gamma d'oxyde polycristallin basée sur la conduction ionique – Effets des rayonnements ioniques, Matériaux avancés (2024). DOI : 10.1002/adma.202309253
Informations sur le journal : Matériaux naturels , Matériaux avancés
Fourni par le laboratoire de recherche sur les matériaux du Massachusetts Institute of Technology
