(a) Panel izquierdo:representación esquemática de la detección directa de radiación de neutrones por un MAPbBr3 SC equipado con electrodos de pulverización de grafito. Los neutrones se convierten en radiación secundaria en el MAPbBr3 SC. Panel central:el mapa de flujo de fotones calculado alrededor de los SC de MAPbBr3 colocados en una plataforma de aluminio. Panel derecho:La fotocorriente adquirida en función del tiempo. Se muestran los tres primeros períodos de apertura de la persiana. (b) Panel izquierdo:representación esquemática de la detección exitosa de radiación de neutrones por un conjunto que consta de la lámina de Gd y el MAPbBr3 SC equipado con electrodos de pulverización de grafito. La lámina de Gd convierte los neutrones en rayos gamma detectables. Panel central:el mapa de flujo de fotones calculado alrededor de los SC de MAPbBr3 en presencia de la lámina de Gd (rayas blancas). Panel derecho:la fotocorriente adquirida en función del tiempo durante los primeros tres períodos de apertura de la persiana. Las mediciones se realizaron en condiciones ambientales, utilizando una tensión de polarización pulsada de 1 V (200 ms entre pulsos de tensión). Los picos de corriente durante las etapas de obturador abierto son el resultado de la tasa de repetición de 10 Hz del haz de neutrones muestreado con la frecuencia de lectura de Keithley. Crédito:DOI:10.1038 / s41598-021-95586-3
Un equipo de investigadores de la EPFL y sus colaboradores ha desarrollado un dispositivo simple y económico para detectar neutrones. El dispositivo, basado en una clase especial de compuestos cristalinos llamados perovskitas, podría usarse para detectar rápidamente neutrones provenientes de materiales radiactivos, p.ej. un reactor nuclear que ha sido dañado o que está siendo transportado de manera nefasta, dicen los investigadores. El trabajo está publicado en Informes científicos .
Las perovskitas basadas en elementos orgánicos e inorgánicos se han convertido en materiales líderes en el mundo para aplicaciones de células solares. Pero sus talentos no terminan en convertir la luz solar en energía:las perovskitas también se pueden usar para detectar tipos específicos de radiación. desde la luz visible hasta los rayos gamma. Las perovskitas también son baratas y fáciles de hacer:su estructura y composición cristalinas específicas les permiten interactuar de manera muy eficiente con los fotones de formas que aún no se comprenden completamente. pero los electrones generados ya están preparados para ser explotados en aplicaciones prácticas.
El detector de neutrones de perovskita se basa en el trabajo que el autor principal Pavao Andričević (ahora investigador postdoctoral en física en la Universidad Técnica de Dinamarca) llevó a cabo durante su doctorado. estudia en la EPFL con László Forró (ahora en la Universidad de Notre Dame, NOSOTROS.). Desarrollaron materiales de perovskita que podían detectar una amplia gama de radiación desde la luz visible hasta los rayos gamma. Pero los neutrones, que son partículas neutras, y no fotones, han permanecido fuera del alcance de los detectores de perovskita. Hasta ahora.
Las perovskitas desarrolladas por Andricevic y el equipo de Forró son monocristales que contienen plomo y bromo de un compuesto llamado tri-bromuro de metilamonio y plomo. Para intentar detectar neutrones directamente, el equipo primero colocó estos cristales en el camino de una fuente de neutrones. Esto se hizo con la ayuda de Gabor Nafradi (Laboratorio Rutherford Appleton, Reino Unido) y el equipo de Andreas Pautz (Laboratorio de Física de Reactores, EPFL). Los neutrones golpeando los cristales, penetrar en el núcleo de los átomos dentro del cristal, que los excita a un estado de energía superior. Cuando se relajan y decaen, se producen rayos gamma. Estos fotones gamma cargan la perovskita, produciendo una pequeña corriente que se puede medir.
Pero esta corriente era tan pequeña que el equipo se dio cuenta de que se necesitaba algo adicional si iban a hacer un detector de neutrones práctico. Y ese algo extra se encontró en una fina lámina de gadolinio metálico, que es mucho mejor para absorber neutrones en comparación con el cristal de perovskita desnudo. Cuando los neutrones interactúan con los átomos de gadolinio, están excitados en un estado energético superior, y luego decaer emitiendo radiación gamma.
CH3NH3PbBr3 monocristalino con lámina de Gd2O3 envuelta, convertir neutrones en rayos gamma, que crea los fotoelectrones fácilmente medibles. Con fines de detección. © 2021 M. Kollár
El gadolinio es mucho más eficiente para crear fotones gamma que las perovskitas, que ya había sido desarrollado como un gran detector gamma. Poner los dos juntos fue simple y muy efectivo; los investigadores agregaron un electrodo de carbono, y los electrones resultantes producidos en la perovskita eran fáciles de medir. "Simplemente pones un voltímetro o un medidor de corriente, "dice Forró.
Para mejorar aún más el detector, Luego, el equipo hizo crecer el cristal de perovskita alrededor de la lámina. Estas perovskitas en particular son notables porque su estructura cristalina no se ve afectada si tienen un cuerpo extraño dentro de ellas. "La propiedad de este material es tal que puede engullir cualquier cosa, de una mosca a un cocodrilo, al gadolinio, "dice Márton Kollár, el químico del equipo. "Entonces crece alrededor del objeto, e incluso cuando crece alrededor, permanece cristalino. Así que esta es una característica realmente fabulosa de este material ".
Un beneficio adicional del dispositivo es que puede medir la dirección del flujo de neutrones, y el tamaño del flujo, por lo que podría ser un dispositivo de escaneo realmente útil si lo utiliza una empresa comercial.
"Es simple, es barato, y es rentable, "dice Forró. Ahora que el equipo ha demostrado que el dispositivo funciona, el siguiente paso es el refinamiento y la comercialización potencial. "Esta es una prueba de principio, que funciona "dice Forró." Y ahora podemos pensar en la configuración de un detector muy eficiente ".
