Homeland Security pourrait bientôt avoir un nouvel outil à ajouter à son arsenal.

Des chercheurs de la Northwestern University et du Argonne National Laboratory ont développé un nouveau matériau qui ouvre les portes d'une nouvelle classe de détecteurs de neutrons.

Avec la capacité de détecter les matières nucléaires de contrebande, des détecteurs de neutrons hautement efficaces sont essentiels pour la sécurité nationale. Actuellement, il existe deux classes de détecteurs qui utilisent soit de l'hélium gazeux, soit des éclairs lumineux. Ces détecteurs sont très grands, parfois de la taille d'un mur.

Le matériau de Northwestern and Argonne introduit une troisième classe :un semi-conducteur capable d'absorber les neutrons et de générer des signaux électriques facilement mesurables. Le détecteur à base de semi-conducteur est également très efficace et stable. Il peut être utilisé à la fois en petit, les appareils portables pour les inspections sur le terrain et les très grands détecteurs qui utilisent des réseaux de cristaux.

L'étude sera publiée dans le numéro du 16 janvier de la revue La nature .

« Les gens ont longtemps imaginé des détecteurs de neutrons à semi-conducteurs, " a déclaré Mercouri Kanatzidis de Northwestern, qui a dirigé la recherche. "L'idée était là, mais personne n'avait le bon matériel pour le faire."

Kanatzidis est professeur de chimie Charles E. et Emma H. ​​Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Il a un rendez-vous commun avec Argonne.

Lorsque des éléments lourds, comme l'uranium et le plutonium, carie, leurs atomes éjectent des neutrons de leurs noyaux. La plupart des détecteurs de neutrons sont des scintillateurs qui fonctionnent en détectant les neutrons éjectés puis en émettant de la lumière pour alerter l'utilisateur. Ce nouveau matériau est un semi-conducteur et n'émet pas de lumière, mais détecte directement les signaux électriques induits par les neutrons. En plus des applications de sécurité, les détecteurs de neutrons sont utilisés en radioprotection, astronomie, physique des plasmas, science des matériaux et cristallographie.

Alors que les types classiques de détecteurs de neutrons thermiques sont utilisés depuis les années 1950, un matériau semi-conducteur pratique est resté insaisissable. Excellent pour absorber les neutrons, le lithium s'est rapidement imposé comme le matériau le plus prometteur pour les dispositifs de détection de neutrons. Mais intégrer le lithium dans un semi-conducteur et le rendre stable (le lithium s'effrite lorsqu'il rencontre l'eau) était une autre histoire.

"Vous pouvez trouver de bons semi-conducteurs, mais ils n'ont pas de lithium, " a déclaré Kanatzidis. " Ou vous pouvez trouver des composés de lithium stables qui ne sont pas de bons semi-conducteurs. Nous avons trouvé le meilleur des deux mondes. L'isotope spécifique du lithium-6, qui est raisonnablement abondant et à faible coût, est un puissant absorbeur de neutrons."

Dans leur étude, Kanatzidis et son équipe ont découvert la bonne combinaison de matériaux pour créer un appareil fonctionnel qui maintient également le lithium stable. Leur nouveau matériau, lithium-indium-phosphore-sélénium, est structuré en couches et enrichi en isotope lithium-6.

"La structure cristalline est spéciale, " a déclaré Kanatzidis. " Le lithium est à l'intérieur des couches, donc l'eau ne peut pas l'atteindre. C'est un gros, caractéristique importante de ce matériau."

Le détecteur de neutrons à semi-conducteur qui en résulte peut détecter les neutrons thermiques à partir d'une source même très faible et peut le faire en quelques nanosecondes. Il peut également faire la distinction entre les neutrons et d'autres types de signaux nucléaires, comme les rayons gamma. Cela évite les fausses alarmes.

Dernier bonus supplémentaire :le matériau contient une quantité très élevée de lithium. Ainsi, une plus petite fraction du matériau peut absorber la même quantité de neutrons qu'un appareil géant. Cela conduit à des appareils suffisamment petits pour tenir dans votre main.

"Il est important d'avoir toutes les tailles de détecteurs de neutrons et autant de types que possible, comme notre nouveau semi-conducteur, " dit Kanatzidis. " Vous en voulez des gros comme un mur, où vous pouvez passer un camion juste à côté. Mais vous en voulez aussi de petits qui peuvent être transportés pour des inspections sur le terrain."