Les agents de sécurité sont chargés d'empêcher les criminels de faire entrer en contrebande des matières dangereuses dans un pays, et la détection des substances nucléaires a été difficile et coûteuse. Aujourd'hui, les chercheurs de la Northwestern University ont développé de nouveaux dispositifs basés sur un matériau à faible coût pour aider à la détection et à l'identification des isotopes radioactifs.

En utilisant du bromure de plomb césium sous forme de cristaux de pérovskite, l'équipe de recherche a découvert qu'elle était capable de créer des détecteurs très efficaces dans les deux petits, appareils portables pour les chercheurs de terrain et les très gros détecteurs. Les résultats sont en préparation depuis plus d'une décennie.

le professeur du Nord-Ouest Mercouri Kanatzidis, qui a dirigé la recherche, a déclaré qu'en plus d'être moins coûteux que les appareils typiques, la nouvelle méthode de détection des rayons gamma est également très capable de différencier des rayons d'énergies différentes. Cette méthode permet aux utilisateurs d'identifier les rayons gamma légaux et illégaux. De tels détecteurs sont essentiels pour la sécurité nationale, où ils sont utilisés pour détecter les matières nucléaires illégales passées en contrebande à travers les frontières et aider à la criminalistique nucléaire, ainsi qu'en imagerie diagnostique médicale.

"En utilisant le matériau pérovskite, nous avons atteint une haute résolution dans la détection d'énergie pour les rayons gamma en utilisant une conception de détecteur pixelisé, " a déclaré Kanatzidis. " Cela nous rapproche de la création de systèmes électroniques pour le diagnostic médical et l'imagerie, sécurité de l'aéroport et plus encore."

L'étude sera publiée le 7 décembre dans la revue Photonique de la nature .

Kanatzidis est professeur de chimie Charles E. et Emma H. ​​Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences. Il a une nomination conjointe avec le Laboratoire National d'Argonne.

Dans des recherches antérieures, l'équipe a comparé les performances du nouveau détecteur de bromure de plomb au césium à celles du détecteur conventionnel au tellurure de zinc cadmium (CZT) et a constaté qu'il était aussi performant dans la détection des rayons gamma.

Mais de nouvelles recherches qui ont amélioré la taille des cristaux et exploité les pixels plutôt que les électrodes planes ont fait progresser la résolution spectrale bien au-delà de celle des conceptions conventionnelles, d'environ 3,8% à 1,4%, détecter l'énergie même à partir de sources très faibles.

Les isotopes radioactifs émettent des rayons gamma qui diffèrent légèrement en énergie, ne différant souvent que de quelques points de pourcentage. En utilisant le nouveau matériel, les utilisateurs peuvent mieux identifier la source des rayons gamma en localisant les différences jusqu'à quelques points de pourcentage.

En outre, l'utilisation de matériaux même légèrement impurs rend généralement les détecteurs moins efficaces ou non fonctionnels, et les producteurs d'appareils doivent rechercher du CZT ultrapur pour produire des lectures efficaces. A la surprise des chercheurs, leur propre matériau pourrait avoir 5 à 10 fois plus d'impuretés que le CZT et encore fonctionner, le rendant plus facile et moins cher à produire. La résolution est également essentielle à l'imagerie médicale comme les scans SPECT.

Kanatzidis a dit qu'il y a beaucoup d'intérêt dans le domaine, surtout compte tenu des implications en termes de coût et de sécurité d'un équipement défectueux. Mais progresser dans ce domaine, il a dit, a été lent principalement parce que les groupes de recherche se concentrent soit sur la synthèse des matériaux, soit sur les détecteurs de rayons X et de rayons gamma - son groupe fait les deux. Le laboratoire de Kanatzidis a examiné plus de 60 composés prometteurs avant d'atterrir sur le bromure de plomb césium.

Même avec les avancées permises par le nouveau matériau, Kanatzidis a déclaré que son travail avec des collaborateurs de Northwestern et Argonne ne s'arrêtait pas.

« Notre étagère regorge de nouvelles possibilités que nous devons encore approfondir, " a déclaré Kanatzidis. " Mon groupe de recherche est une combinaison rare du côté de l'ingénierie et du côté de la croissance cristalline des choses. "

Yihui He est professeur assistant de recherche au laboratoire Kanatzidis et le premier auteur de l'article.

« Les nouveaux protocoles de fabrication de dispositifs que nous rapportons avec nos collaborateurs de l'Université du Michigan pourraient conduire à une production en série de détecteurs de bromure de plomb au césium dans un proche avenir, " Il a dit.

Le groupe du professeur Zhong He à l'Université du Michigan a participé à la caractérisation et à l'analyse des détecteurs. Le scientifique d'Argonne Duck Young Chung était un collaborateur principal dans l'effort.

Kanatzidis et ses collègues ont fondé une nouvelle entreprise, Actinie, commercialiser des détecteurs de bromure de plomb au césium pour la détection et l'identification des rayons gamma et X. Ces nouveaux détecteurs auront des implications de grande envergure dans le diagnostic médical, la sécurité intérieure et la sûreté nucléaire.