Нанотехнологии помогут в борьбе с ядерным терроризмом

Нанотехнологии помогут в борьбе с ядерным терроризмом

Бернд Кан и Брент Вагнер из Технологического института штата Джорджия (США) предложили новый нанотехнологичный материал, позволяющий упростить создание носимых приборов для фиксации радиации. Так, для регистрации гамма-излучения применён композитный материал на основе стекла с равномерно распределёнными в нём наночастицами двух редкоземельных элементов — гадолиния и церия.

Сегодня есть два вида дозиметров — сцинтилляционные и твердотельные полупроводниковые.

В первом случае в качестве рабочего вещества выступает значительных размеров «идеальный» монокристалл йодида калия, где при взаимодействии с гамма-излучением наблюдается генерация вспышек света, конвертируемых фотоумножителем в электрические импульсы. Недостатки конструкции скрываются в её сердце — слишком хрупком, слишком дорогом монокристалле гигроскопичной соли йодида калия. И этого мало. К сожалению, вырастить совсем уж идеальный кристалл просто невозможно, а любые дефекты приводят к рассеянию света (и гамма-излучения тоже), что в конечном итоге даёт ошибочный результат измерения. В случае твердотельных полупроводниковых детекторов падающая радиация напрямую конвертируется в электрический сигнал самим рабочим телом. Жаль только, что применяемые на практике полупроводники, например германий, требуют охлаждения до экстремально низких температур — минус 200 ˚C, где-то в районе температуры жидкого кислорода!

radiation-detector-a-600.jpg Рис. 1. Бернд Кан (справа) и Брент Вагнер рядом со своим творением (здесь и ниже фото Gary Meek).

После долгих поисков материала матрицы и рабочего вещества, способного регистрировать гамма-излучение в манере, аналогичной йодиду калия, учёные остановились на стеклянной матрице, допированной наночастицами церия и гадолиния. Почему именно такая структура? В первую очередь потому, что альтернативами такому подходу являются либо выращивание монокристалла (а у нас и так уже есть йодид калия), либо матрица с частицами более крупного размера, но последнее абсолютно неприменимо из-за возможного рассеяния как входящего гамма-излучения, так и продуцируемого видимого света (что означает получение совершенно ошибочных результатов). В случае же с наночастицами, размер которых даже меньше длины волны гамма-излучения, проблемы рассеяния попросту не существует.

Выбор редкоземельных металлов обусловлен их замечательными свойствами. Так, они эффективно абсорбируют гамма-излучение, возвращая обратно видимый свет в виде люминесцентного свечения. Правда, и среди этих элементов есть своя специализация. К примеру, гадолиний особенно эффективно адсорбирует радиацию, однако эффективность люминесценции этого элемента оставляет желать лучшего. И это лучшее — церий. Именно поэтому при создании нового рабочего вещества сцинтилляционного детектора вместо гадолиния роль излучающего агента была отдана высокоэффективному церию, энергия на который передаётся гадолинием (это он делает гораздо быстрее).

radiation-detector-b-600.jpg Рис. 2. Вот так выглядят рабочие материалы нового нанофотонного композитного сцинтилляционного детектора.

Таким образом, для своего нанофотонного композитного сцинтилляционного детектора учёные смешали вместе оксид кремния, оксид алюминия, а также галогениды церия и гадолиния — и всё это расплавили… А при охлаждении образовалось стекло, с равномерным распределением наночастиц обоих редкоземельных элементов с размером менее 20 нм по всему объёму.

На выходе получилось надёжное стекло, не подверженное воздействию окружающей среды (некоторая хрупкость которого не идёт ни в какое сравнение с хрупкостью монокристалла соли), равномерное распределение наночастиц при отсутствии всякого рода рассеяния и абсолютная прозрачность стеклянной среды, не мешающей регистрировать вспышки люминесценции. Что ещё нужно для счастливой регистрации радиоактивных материалов в любых погодных условиях?

  • Дата публикации: 07.05.2012
  • 182

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться