Nanomateriały zapewniają bezpieczniejszy i szybszy sposób opracowywania urządzeń do wykrywania zagrożeń jądrowych
Specjalne materiały jądrowe, takie jak wzbogacony uran i pluton, stanowią poważne zagrożenie ze względu na możliwość zastosowania ich do wytwarzania broni jądrowej. Ich szybkie wykrywanie pozostaje poważnym wyzwaniem, co stanowi zagrożenie dla globalnego bezpieczeństwa. Materiały te emitują bowiem słabe promieniowanie, które może być łatwo ekranowane, co sprawia, że ich obecność jest trudna do wykrycia za pomocą konwencjonalnych czujników. Obiecującym rozwiązaniem jest wykrywanie neutronów, które są emitowane lub wytwarzane w trakcie badania takich materiałów przy pomocy źródeł promieniowania. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu NASCAR postawił sobie za cel stworzenie nowego typu detektora zdolnego do skutecznego wykrywania tych neutronów. W miejsce nieporęcznych i niebezpiecznych rozwiązań, zespół zastosował nanotechnologię - nanopręty z tlenku cynku (ZnO) domieszkowane izotopem litu-6. Projekt był koordynowany przez profesora Murata Kurudireka we współpracy z prof. drem Paulem Sellinem z Uniwersytetu w Surrey (Zjednoczone Królestwo), prof. dr hab. Anną Erickson i emerytowanym prof. drem hab. Nolanem Hertelem z Georgia Institute of Technology (Stany Zjednoczone).
Skuteczniejszy sposób wykrywania zagrożeń nuklearnych
Konwencjonalne detektory neutronów wykorzystują rzadkie lub toksyczne gazy, takie jak hel-3 lub trójfluorek boru. Tego rodzaju materiały są drogie, często niebezpieczne, a systemy je wykorzystujące trudne do skalowania. Badacze skupieni wokół projektu NASCAR zaprojektowali alternatywny materiał oparty na macierzach nanoprętów tlenku cynku wyhodowanych przy użyciu taniej i przyjaznej dla środowiska techniki. „W ramach projektu zastosowaliśmy przystępną cenowo technikę wzrostu w roztworze, która nie wymaga podłoży monokrystalicznych lub przewodzących ani wysokich temperatur do działania”, wyjaśnia Murat Kurudirek, badacz projektu NASCAR. Metoda ta pozwala na precyzyjną kontrolę kształtu i rozmiaru nanoprętów przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i uniknięciu konieczności stosowania skomplikowanych urządzeń. Detektory są wytwarzane dzięki hodowli wyrównanych w pionie, stożkowych nanoprętów ZnO - maleńkich krystalicznych prętów, które skutecznie kierują światło scyntylacyjne wytwarzane w prętach w wyniku oddziaływania promieniowania w kierunku czujnika. Zastosowanie takiej techniki zwiększa rozdzielczość przestrzenną i zmniejsza straty fotonów.
Zwiększanie czułości przy pomocy litu-6
Neutrony termiczne są trudne do wykrycia, o ile nie zostanie zastosowany materiał, który może je skutecznie wychwytywać. Z tego powodu badacze wykorzystali lit-6, stabilny izotop silnie oddziałujący z neutronami niskoenergetycznymi lub termicznymi. „Dzięki wykorzystaniu litu-6, który charakteryzuje się bardzo wysokim przekrojem czynnym w przypadku oddziaływań z neutronami termicznymi, tlenek cynku staje się bardzo wrażliwy na neutrony termiczne poprzez reakcje n-alfa (n,α)”, mówi Kurudirek. Cząstki alfa i inne cząsteczki powstające w wyniku oddziaływania neutron-lit wyzwalają emisję światła struktur tlenku cynku. Zespół opracował macierze nanoprętów zawierające lit, które w badaniach laboratoryjnych wykazały dużą wrażliwość na neutrony termiczne. Rezultaty prac są obecnie opracowywane w celu przygotowania publikacji naukowej.
Od innowacji w laboratorium do rzeczywistych rozwiązań
Poza skutecznością w laboratoriach, nowe detektory posiadają funkcje, które pozwolą na ich wykorzystanie w rzeczywistych zastosowaniach. Są kompaktowe, przystępne cenowo i szybkie, dzięki czemu idealnie sprawdzą się w przenośnych wykrywaczach i systemach do monitorowania w czasie rzeczywistym, wykorzystywanych do kontroli granicznych, kontroli ładunków i przeciwdziałania rozprzestrzenianiu broni jądrowej. „Macierze zwężających się nanoprętów z tlenku cynku mogą pomóc w zbieraniu światła w strukturze, a tym samym zwiększyć skuteczność scyntylacji”, mówi Kurudirek. Ich wyjątkowa konstrukcja pomaga kierować światło bezpośrednio do czujnika, zwiększając rozdzielczość przestrzenną i zmniejszając utratę sygnału, co stanowi dwa główne wyzwania w technologiach detekcji jądrowej. Profesor Murat Kurudirek, obecnie pracujący na Uniwersytecie Atatürka w Turcji, planuje wykorzystać doświadczenie zdobyte w ramach projektu NASCAR, ubiegając się o granty w celu utworzenia międzynarodowej grupy badawczej. Jego celem jest opracowanie przystępnych cenowo, dostępnych i przyjaznych dla środowiska technologii wykrywania materiałów jądrowych. Kładąc podwaliny pod opracowanie wykrywaczy nowej generacji, projekt NASCAR utorował drogę do sprawnej i skutecznej detekcji neutronów. Stanowi to istotny krok w kierunku poprawy bezpieczeństwa publicznego i ochrony nuklearnej.
