Les chercheurs de Sandia Patrick Doty, Patrick Feng, et Mark Allendorf (de gauche à droite) ont créé un nouveau type de scintillateur utilisant un cadre organique métallique ou des hôtes de scintillateur en plastique combinés à des dopants de métaux lourds, montré dans la main de Doty. Ce matériau permet la détection de neutrons à l'aide de techniques de discrimination spectrale ou de forme d'impulsion qui pourraient transformer la détection de rayonnement. Crédit :Dino Vournas (Laboratoires nationaux de Sandia)
Une équipe de chercheurs en nanomatériaux des laboratoires nationaux Sandia a mis au point une nouvelle technique de détection des rayonnements qui pourrait rendre la détection des rayonnements dans le fret et les bagages plus efficace et moins coûteuse pour les inspecteurs de la sécurité intérieure.
Connu sous le nom de discrimination de forme spectrale (SSD), la méthode tire parti d'une nouvelle classe de matériaux nanoporeux connus sous le nom de structures métallo-organiques (MOF). Les chercheurs ont découvert que l'ajout d'un agent dopant à un MOF entraîne l'émission de lumière rouge et bleue lorsque le MOF interagit avec des particules à haute énergie émanant de matières radiologiques ou nucléaires, permettant une détection plus efficace des neutrons. La détection des neutrons est actuellement une entreprise coûteuse et techniquement difficile en raison de la difficulté à distinguer les neutrons des rayons gamma de fond omniprésents.
Les premiers travaux sur l'utilisation des MOF pour la détection des rayonnements ont été financés en interne par le programme de recherche et développement dirigés en laboratoire (LDRD) de Sandia, mais le financement ultérieur du projet est venu du bureau de recherche sur la non-prolifération nucléaire de la défense de la National Nuclear Security Administration (NNSA).
« L'amélioration de nos capacités de détection des rayonnements est cruciale pour faire avancer la mission de non-prolifération de la NNSA, " dit Anne Harrington, Administrateur adjoint de la NNSA pour la défense et la non-prolifération nucléaire. « La prévention des mouvements illicites de matières radiologiques et nucléaires dans le monde soutient les objectifs de sécurité nucléaire du président et contribue à atténuer la menace d'une attaque terroriste nucléaire. »
La nouvelle technologie fonctionne avec des scintillateurs plastiques, des matériaux fluorescents lorsqu'ils sont frappés par des particules chargées ou des photons de haute énergie, ce qui le rend apte à la commercialisation par des entreprises qui produisent des scintillateurs en plastique et autres scintillateurs organiques utilisés dans les dispositifs de détection de rayonnement. Bien qu'il reste du travail avant de pouvoir entrer sur le marché, Sandia recherche actuellement des partenaires commerciaux pour licencier la technologie.
Les méthodes actuelles de détection des rayonnements sont limitées en termes de vitesse et de sensibilité, éléments cruciaux pour les scénarios dynamiques, comme les postes frontaliers, contrôles des cargaisons et vérification des traités nucléaires. Cette nouvelle technologie surveille la couleur des émissions lumineuses, qui ont le potentiel de rendre le processus de sélection plus facile et plus fiable.
« Nous abordons le problème sous l'angle de la chimie des matériaux, " a déclaré le scientifique des matériaux de Sandia Mark Allendorf. " Fondamentalement, il est plus facile de surveiller la couleur des émissions lumineuses plutôt que la vitesse à laquelle cette lumière est émise. C'est le cœur de cette nouvelle approche. » Les méthodes actuelles de détection des rayonnements utilisent le temps pour faire la distinction entre les neutrons et les rayons gamma, nécessitant une électronique complexe et coûteuse.
Les cristaux d'une charpente organique métallique (à gauche) émettent de la lumière dans le bleu (au milieu) lorsqu'ils sont exposés à des rayonnements ionisants. En les infiltrant avec un composé organométallique, les cristaux émettent également de la lumière rouge (à droite), créer une nouvelle façon de différencier les neutrons de fission des particules gamma de fond. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
Les MOF et les dopants conduisent à plus de lumière
Allendorf et son équipe travaillent avec les MOF depuis plus de cinq ans. Tôt, ils ont découvert un fluorescent, MOF poreux avec de superbes propriétés de scintillation, une percée importante et la première nouvelle classe de scintillateurs découverte depuis des décennies. La porosité du MOF est une caractéristique clé car elle permet aux chercheurs d'ajouter d'autres matériaux pour affiner la scintillation.
La nanoporosité du MOF a déclenché une nouvelle idée lorsque Patrick Doty, membre de l'équipe, a lu sur l'utilisation de dopants pour augmenter l'efficacité des diodes électroluminescentes organiques (OLED). Ces dopants, généralement des composés contenant des métaux lourds tels que l'iridium, augmenter considérablement la luminosité de l'OLED en « pouvant » l'énergie de l'état excité dans l'appareil qui n'a pas été convertie en lumière. Cette énergie représente jusqu'à 75 pour cent de la puissance lumineuse possible.
La combinaison de MOF avec des dopants OLED a conduit à une deuxième percée. En remplissant les pores du MOF avec des dopants, l'équipe a créé un matériau qui non seulement produit plus de lumière, mais lumière d'une autre couleur. Doty, un scientifique des matériaux travaillant dans le département matériaux et analyses de détection radiologique/nucléaire de Sandia, a émis l'hypothèse que la découverte pourrait être appliquée à la détection des rayonnements.
L'astuce, Doty a dit, consiste à ajouter juste la bonne quantité de dopant afin que la lumière piégée et la fluorescence du MOF excité lui-même soient émises. Ensuite, le rapport des intensités aux deux longueurs d'onde est fonction du type de particule de haute énergie interagissant avec le matériau. "C'est la chose critique, " a déclaré Doty. " Le SSD permet de distinguer un type de particule d'un autre sur la base de la couleur de la lumière émise. "
Étant donné que le rapport neutrons/rayons gamma est si faible — de l'ordre d'un neutron pour 105 rayons gamma — le seuil auquel les détecteurs actuels peuvent voir les neutrons est assez élevé. Sandia calculations suggest that the threshold for detecting neutrons produced by fissionable material could be lowered substantially using SSD, perhaps improving the "figure of merit" by a factor of 10 compared to the current standards. "En principe, we could quadruple the sensitivity of the gold standard, " said Allendorf.
SSD also addresses another radiation detection problem active interrogation. Using an active source to create a signal from special nuclear material is an effective means for detection, say Sandia researchers. But current detectors are often overwhelmed by the onslaught of gamma rays. The new materials developed at Sandia can be tuned for improved timing performance at high rates, and the new technology also could be used in radiation detectors for treaty verification.
