Perowskity mogą wykrywać neutrony z materiałów radioaktywnych
Urządzenie oparte na specjalnej klasie związków krystalicznych zwanych perowskitami mogłoby służyć do szybkiego wykrywania neutronów pochodzących z materiałów radioaktywnych.
Perowskity oparte na pierwiastkach organicznych i nieorganicznych są często oceniane jako najlepsze na świecie materiały do zastosowań w ogniwach słonecznych. Ale ich zalety nie kończą się na przekształcaniu światła słonecznego w energię: perowskity mogą być również wykorzystywane do wykrywania określonych rodzajów promieniowania, od światła widzialnego po promienie gamma. Perowskity są również tanie i łatwe do wykonania – ich specyficzna struktura krystaliczna i skład pozwalają na bardzo wydajną interakcję z fotonami w sposób, który nie jest jeszcze w pełni zrozumiały, ale generowane elektrony są już gotowe do wykorzystania w praktycznych zastosowaniach.
Perowskitowy detektor neutronów jest oparty na pracy, którą główny autor Pavao Andričević (obecnie doktor habilitowany w dziedzinie fizyki na Politechnice w Danii) prowadził podczas studiów doktoranckich na EPFL z László Forró (obecnie na Uniwersytecie Notre Dame, USA). Opracowali materiały perowskitowe, które mogą wykrywać szeroki zakres promieniowania, od światła widzialnego po promienie gamma. Ale neutrony – które są cząsteczkami obojętnymi, a nie fotonami – pozostały poza zasięgiem detektorów perowskitowych. Do teraz.
Perowskity opracowane przez zespół uczonych takich jak Andričević i Forró to monokryształy zawierające ołów i brom związku zwanego tribromkiem ołowiu metyloamonowego. Aby spróbować bezpośrednio wykryć neutrony. Zespół najpierw umieścił te kryształy na ścieżce źródła neutronów. Dokonano tego z pomocą naukowca, jakim jest Gabor Nafradi (Laboratorium Rutherford Appleton, Wielka Brytania), i zespołu Andreasa Pautza (Laboratorium Fizyki Reaktorów, EPFL). Neutrony, uderzając w kryształy, wnikają do jądra atomów w krysztale, co pobudza je do wyższego stanu energetycznego. Kiedy się rozluźniają i rozkładają, wytwarzane są promienie gamma. Te fotony gamma ładują perowskit, wytwarzając niewielki prąd, który można zmierzyć.
Ale ten prąd był tak mały, że zespół zdał sobie sprawę, że potrzeba czegoś więcej, jeśli zamierzał stworzyć praktyczny detektor neutronów. I to dodatkowe coś zostało znalezione w cienkiej folii gadolinu, który znacznie lepiej pochłania neutrony w porównaniu z nagim kryształem perowskitu. Kiedy neutrony wchodzą w interakcję z atomami gadolinu, są wzbudzane do wyższego stanu energetycznego, a następnie ulegają rozpadowi, emitując promieniowanie gamma. Gadolin jest znacznie skuteczniejszy w tworzeniu fotonów gamma niż perowskity, które zostały już opracowane jako wydajny detektor gamma. Połączenie tych dwóch rzeczy było proste i bardzo skuteczne; naukowcy dodali elektrodę węglową, a powstałe elektrony wytworzone w perowskicie były łatwe do zmierzenia.
Aby jeszcze bardziej ulepszyć detektor, zespół wyhodował kryształ perowskitu wokół folii. Te szczególne perowskity są niezwykłe, ponieważ ich struktura krystaliczna nie ulega zmianie, jeśli mają w sobie ciało obce. Jak mówi Márton Kollár, chemik w zespole, właściwość tego materiału jest taka, że może on pochłonąć praktycznie wszystko, aż po gadolin. Rośnie wokół obiektu, a nawet gdy rośnie wokół, pozostaje krystaliczny. To jest naprawdę ciekawa cecha tego materiału. Dodatkową zaletą urządzenia jest to, że może mierzyć kierunek przepływu neutronów i wielkość przepływu – więc może to być naprawdę przydatne urządzenie skanujące, jeśli zostanie przejęte przez firmę komercyjną. Po tym, gdy zespół wykazał, że urządzenie działa, kolejnymi krokami są udoskonalenie i potencjalna komercjalizacja.
Źródło: EPFL
