Detektori zračenja koji se danas koriste za aplikacije kao što je inspekcija teretnih brodova za krijumčarene nuklearne materijale su skupi i ne mogu da rade u teškim okruženjima, između ostalih nedostataka. Sada su inženjeri MIT-a demonstrirali fundamentalno novi način otkrivanja zračenja koji bi mogao omogućiti mnogo jeftinije detektore i mnoštvo novih aplikacija.
Oni rade sa Radiation Monitoring Devices, kompanijom u Votertaunu, MA, kako bi preneli istraživanje što je brže moguće u detektorske proizvode.
U radu iz 2022. godine objavljenom u časopisu Napredni materijali, mnogi od istih inženjera su po prvi put izvestili kako ultraljubičasto svetlo može značajno poboljšati performanse gorivnih ćelija i drugih uređaja zasnovanih na kretanju naelektrisanih atoma, a ne na elektronima koji su sastavni deo tih atoma.
U trenutnom radu, koji je upravo objavljen na mreži u Advanced Materials, tim pokazuje da se isti koncept može proširiti na novu primenu: detekciju gama zraka koje emituje radioaktivni raspad nuklearnih materijala.
„Naš pristup uključuje materijale i mehanizme koji su veoma različiti od onih u detektorima koji se trenutno koriste, sa potencijalno ogromnim prednostima u smislu smanjenih troškova, mogućnosti rada u teškim uslovima i pojednostavljene obrade“, kaže Hari L. Tuler, profesor keramike R.P. Simmons i elektronske materijale na MIT-ovom odeljenju za nauku o materijalima i inženjerstvo (DMSE).
Tuller predvodi rad sa ključnim saradnicima Jennifer L. M. Rupp, vanrednim profesorom nauke o materijalima i inženjeringu na MIT-u, a sada redovnim profesorom elektrohemijskih materijala na Tehničkom univerzitetu u Minhenu (TUM) u Nemačkoj, i Ju Li, profesorom nuklearnog inženjeringa iz Battelle Energi Alliance i profesor nauke o materijalima i inženjerstva. Svi su takođe povezani sa MIT-ovom laboratorijom za istraživanje materijala
„Nakon što sam naučio da rade Prirodni materijali, shvatio sam da bi isti osnovni princip trebalo da funkcioniše za detekciju gama-zraka – u stvari, može da funkcioniše čak i bolje od [UV] svetlosti jer su gama zraci prodorniji – i predložio sam neke eksperimente Hariju i Dženifer, “ kaže Li.
Rupp kaže: „Upotreba gama zraka kraćeg dometa omogućava nam da proširimo opto-jonski na radio-jonski efekat modulacijom jonskih nosača i defekata na materijalnim interfejsima pomoću fotogenerisanih elektronskih.“
Drugi autori dokumenta o naprednim materijalima su Thomas Defferriere, prvi autor i postdoktorski saradnik DMSE, i Ahmed Sami Helal, postdoktorski saradnik na MIT-ovom Odeljenju za nuklearne nauke i inženjerstvo.
Naboj se može prenositi kroz materijal na različite načine. Najviše smo upoznati sa naelektrisanjem koje nose elektroni koji pomažu u stvaranju atoma. Uobičajene aplikacije uključuju solarne ćelije. Ali postoji mnogo uređaja – poput gorivih ćelija i litijumskih baterija – koji zavise od kretanja naelektrisanih atoma ili jona, a ne samo od njihovih elektrona.
Materijali iza aplikacija zasnovanih na kretanju jona, poznati kao čvrsti elektroliti, su keramika. Keramika se, zauzvrat, sastoji od sitnih kristalitnih zrnaca koji se sabijaju i peče na visokim temperaturama da bi se formirala gusta struktura. Problem je u tome što su joni koji putuju kroz materijal često blokirani na granicama između zrna.
U svom radu iz 2022, MIT tim je pokazao da ultraljubičasto svetlo koje sija na čvrsti elektrolit u suštini izaziva elektronske poremećaje na granicama zrna koje na kraju smanjuju barijeru na koju joni nailaze na tim granicama. Rezultat: „Uspeli smo da povećamo protok jona za faktor tri“, kaže Tuler, stvarajući mnogo efikasniji sistem.
U to vreme, tim je bio uzbuđen zbog potencijala primene onoga što su otkrili na različitim sistemima. U radu 2022, tim je koristio ultraljubičasto svetlo, koje se brzo apsorbuje veoma blizu površine materijala. Kao rezultat toga, ta specifična tehnika je efikasna samo u tankim slojevima materijala. (Na sreću, mnoge primene čvrstih elektrolita uključuju tanke filmove.)
Svetlost se može posmatrati kao čestice — fotoni — sa različitim talasnim dužinama i energijama. Oni se kreću od radio talasa veoma niske energije do veoma visokoenergetskih gama zraka koje emituje radioaktivni raspad nuklearnih materijala. Vidljivo svetlo — i ultraljubičasto svetlo — su srednje energije i uklapaju se između dva ekstrema.
MIT tehnika objavljena 2022. radila je sa ultraljubičastim svetlom. Da li bi funkcionisao sa drugim talasnim dužinama svetlosti, potencijalno otvarajući nove aplikacije? Da, tim je pronašao.
U trenutnom radu oni pokazuju da gama zraci takođe modifikuju granice zrna što rezultira bržim protokom jona koji se, zauzvrat, mogu lako detektovati. I pošto visokoenergetski gama zraci prodiru mnogo dublje od ultraljubičastog svetla, „ovo proširuje posao na jeftinu keramiku u velikom broju pored tankih filmova“, kaže Tuler. Takođe omogućava novu primenu: alternativni pristup otkrivanju nuklearnih materijala.
Današnji najsavremeniji detektori zračenja zavise od potpuno drugačijeg mehanizma od onog koji je identifikovan u radu MIT-a. Oni se oslanjaju na signale izvedene iz elektrona i njihovih parnjaka, rupa, a ne jona.
Ali ovi elektronski nosači naboja moraju da se kreću na relativno velike udaljenosti do elektroda koje ih „hvataju“ da bi stvorili signal. A usput se lako mogu izgubiti jer, na primer, pogađaju nesavršenosti materijala. Zato su današnji detektori napravljeni od izuzetno čistih monokristala materijala koji omogućavaju nesmetan put. Mogu se napraviti samo od određenih materijala i teško ih je obraditi, što ih čini skupim i teškim za skaliranje u velike uređaje.
Nasuprot tome, nova tehnika funkcioniše zbog nesavršenosti — zrna — u materijalu. „Razlika je u tome što se oslanjamo na jonske struje koje se modulišu na granicama zrna u odnosu na najsavremeniju tehnologiju koja se oslanja na prikupljanje elektronskih nosača sa velikih udaljenosti“, kaže Deferrijer.
Rupp je rekao: „Zanimljivo je da su obimna ‘zrna’ testiranih keramičkih materijala otkrila visoku stabilnost hemije i strukture prema gama zracima, a samo su granični regioni zrna reagovali u preraspodeli naboja većinskih i manjinskih nosača i defekata.
Li je dodao: „Ovaj radijacioni jonski efekat se razlikuje od konvencionalnih mehanizama za detekciju zračenja gde se sakupljaju elektroni ili fotoni. Ovde se prikuplja jonska struja.“
Igor Lubomirski je profesor na Odeljenju za materijale i interfejse na Vajcmanovom institutu za nauku, Izrael. Lubomirski, koji nije bio uključen u trenutni rad, rekao je: „Smatrio sam da je pristup koji sledi MIT grupa u korišćenju polikristalnih provodnika sa jonima kiseonika veoma plodan s obzirom na obećanje [materijala] da će obezbediti pouzdan rad pod zračenjem u teškim uslovima koji se očekuju u nuklearnih reaktora gde takvi detektori često pate od umora i starenja. [Oni takođe] imaju koristi od znatno smanjenih troškova proizvodnje.“
Kao rezultat toga, inženjeri MIT-a se nadaju da bi njihov rad mogao rezultirati novim, jeftinijim detektorima. Na primer, oni zamišljaju kamione natovarene teretom sa kontejnerskih brodova koji prolaze kroz strukturu koja ima detektore sa obe strane dok napuštaju luku.
„U idealnom slučaju biste imali ili niz detektora ili veoma veliki detektor, a to je mesto gde [današnji detektori] zaista nemaju baš dobru razmeru“, kaže Tuler.
Druga potencijalna primena uključuje pristup geotermalnoj energiji, ili ekstremnoj toploti ispod naših nogu koja se istražuje kao alternativa fosilnim gorivima bez ugljenika. Keramički senzori na krajevima burgija mogli bi da otkriju džepove toplote – zračenja – prema kojima se buši. Keramika može lako da izdrži ekstremne temperature od više od 800 stepeni Farenhajta i ekstremne pritiske koji se nalaze duboko ispod površine Zemlje.
Tim je uzbuđen zbog dodatnih aplikacija za njihov rad. „Ovo je bila demonstracija principa sa samo jednim materijalom“, kaže Tuler, „ali postoje hiljade drugih materijala koji dobro provode jone.“
Deferijer zaključuje: „To je početak putovanja u razvoju tehnologije, tako da ima mnogo toga da se uradi i mnogo toga da se otkrije.“
