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!

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).

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?