Los investigadores de Sandia Patrick Doty, Patrick Feng, y Mark Allendorf (de izquierda a derecha) han creado un nuevo tipo de centelleador utilizando un marco orgánico metálico o anfitriones de centelleo de plástico combinados con dopantes de metales pesados, mostrado en la mano de Doty. Este material permite la detección de neutrones mediante técnicas de discriminación espectral o de forma de pulso que podrían transformar la detección de radiación. Crédito:Dino Vournas (Laboratorios Nacionales Sandia)
Un equipo de investigadores de nanomateriales de Sandia National Laboratories ha desarrollado una nueva técnica para la detección de radiación que podría hacer que la detección de radiación en la carga y el equipaje sea más efectiva y menos costosa para los inspectores de seguridad nacional.
Conocido como discriminación de forma espectral (SSD), el método aprovecha una nueva clase de materiales nanoporosos conocidos como estructuras organometálicas (MOF). Los investigadores descubrieron que agregar un agente dopante a un MOF conduce a la emisión de luz roja y azul cuando el MOF interactúa con partículas de alta energía emanadas de material radiológico o nuclear. permitiendo una detección más eficaz de neutrones. La detección de neutrones es actualmente un esfuerzo costoso y técnicamente desafiante debido a la dificultad de distinguir los neutrones de los rayos gamma de fondo ubicuos.
El trabajo inicial sobre el uso de MOF para la detección de radiación fue financiado internamente por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Sandia (LDRD), pero el financiamiento posterior para el proyecto provino de la oficina de investigación de No Proliferación Nuclear de Defensa de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA).
"Mejorar nuestras capacidades de detección de radiación es crucial para avanzar en la misión de no proliferación de la NNSA, "dijo Anne Harrington, Administrador adjunto de la NNSA para la No Proliferación Nuclear de Defensa. "La prevención del movimiento ilícito de materiales radiológicos y nucleares en todo el mundo respalda los objetivos de seguridad nuclear del presidente y ayuda a mitigar la amenaza de un ataque terrorista nuclear".
La nueva tecnología funciona con centelleadores de plástico, materiales que emiten fluorescencia cuando son golpeados por partículas cargadas o fotones de alta energía, haciéndolo apto para la comercialización por parte de empresas que producen centelleadores de plástico y otros orgánicos utilizados en dispositivos de detección de radiación. Aunque queda trabajo antes de que pueda ingresar al mercado, Sandia está buscando socios comerciales para licenciar la tecnología.
Los métodos actuales de detección de radiación son limitados en términos de velocidad y sensibilidad, elementos cruciales para escenarios dinámicos, como los cruces fronterizos, controles de carga y verificación de tratados nucleares. Esta nueva tecnología monitorea el color de las emisiones de luz, que tienen el potencial de hacer que el proceso de selección sea más fácil y confiable.
"Estamos abordando el problema desde una perspectiva de química de materiales, ", dijo el científico de materiales de Sandia, Mark Allendorf." Fundamentalmente, es más fácil controlar el color de las emisiones de luz que la velocidad a la que se emite esa luz. Ese es el quid de este nuevo enfoque ". Los métodos actuales de detección de radiación utilizan el tiempo para discriminar entre neutrones y rayos gamma, requiriendo componentes electrónicos complejos y costosos.
Los cristales de una estructura organometálica (izquierda) emiten luz azul (centro) cuando se exponen a radiación ionizante. Infiltrarlos con un compuesto organometálico hace que los cristales también emitan luz roja (derecha), creando una nueva forma de diferenciar los neutrones de fisión de las partículas gamma de fondo. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
Los MOF y los dopantes generan más luz
Allendorf y su equipo han trabajado con MOF durante más de cinco años. Temprano, descubrieron un fluorescente, MOF poroso con excelentes propiedades de centelleo, un avance importante y la primera clase nueva de centelleadores encontrados en décadas. La porosidad del MOF es una característica clave porque permite a los investigadores agregar otros materiales para ajustar el centelleo.
La nanoporosidad del MOF desencadenó una nueva idea cuando el miembro del equipo Patrick Doty leyó sobre el uso de dopantes para aumentar la eficiencia de los diodos emisores de luz orgánicos (OLED). Estos dopantes, generalmente compuestos que contienen metales pesados como el iridio, aumente drásticamente el brillo de OLED "eliminando" la energía del estado excitado en el dispositivo que no se convirtió en luz. Esta energía representa hasta el 75 por ciento de la posible salida de luz.
La combinación de MOF con dopantes OLED condujo a un segundo avance. Al llenar los poros de MOF con dopantes, el equipo creó un material que no solo produce más luz, pero luz de otro color. Doty, un científico de materiales que trabaja en el departamento de análisis y materiales de detección nuclear / radiación de Sandia, planteó la hipótesis de que el descubrimiento podría aplicarse a la detección de radiación.
El truco, Doty dijo:consiste en añadir la cantidad justa de dopante para que se emitan tanto la luz eliminada como la fluorescencia del propio MOF excitado. Entonces, la relación de las intensidades en las dos longitudes de onda es una función del tipo de partícula de alta energía que interactúa con el material. "Eso es lo fundamental, "Dijo Doty." SSD permite distinguir un tipo de partícula de otro sobre la base del color de la luz emitida ".
Debido a que la proporción de neutrones a rayos gamma es tan baja, del orden de un neutrón por 105 rayos gamma, el umbral en el que los detectores de corriente pueden ver neutrones es bastante alto. 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 principio, 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.
