目前用于检查货船是否有走私核材料等应用的辐射探测器价格昂贵，并且无法在恶劣的环境中运行，还有其他缺点。现在，麻省理工学院的工程师们展示了一种全新的辐射检测方法，可以让探测器变得更便宜，并带来大量新应用。
他们正在与位于马萨诸塞州沃特敦的辐射监测设备公司合作，尽快将研究成果转化为探测器产品。
在《自然材料》2022年发表的一篇论文中，许多工程师首次报告了紫外线如何基于带电原子(而不是这些原子的组成电子)的运动来显着提高燃料电池和其他设备的性能。
在刚刚在线发表在《先进材料》杂志上的当前工作中，该团队表明，相同的概念可以扩展到新的应用：检测核材料放射性衰变发射的伽马射线。
RPSimmons陶瓷学教授HarryL.Tuller表示：“我们的方法涉及的材料和机制与目前使用的探测器非常不同，在降低成本、在恶劣条件下运行的能力以及简化处理方面具有潜在的巨大优势。”麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)的电子材料和电子材料。
Tuller与主要合作者JenniferLMRupp(麻省理工学院材料科学与工程副教授、现任德国慕尼黑工业大学(TUM)电化学材料正教授)和JuLi(巴特尔能源联盟核工程和核工程教授)共同领导了这项工作。材料科学与工程教授。所有这些都隶属于麻省理工学院的材料研究实验室
“在学习了《自然材料》的工作后，我意识到同样的基本原理也适用于伽马射线检测——事实上，可能比[UV]光更好，因为伽马射线更具穿透力——并向哈利和詹妮弗提出了一些实验，“李说。
鲁普说：“利用短程伽马射线，我们能够通过光生电子来调节材料界面上的离子载流子和缺陷，从而将光离子效应扩展到放射性离子效应。”
这篇《先进材料》论文的其他作者包括第一作者、DMSE博士后研究员ThomasDefferriere和麻省理工学院核科学与工程系博士后研究员AhmedSamiHelal。
修改障碍
电荷可以以不同的方式穿过材料。我们最熟悉的是构成原子的电子所携带的电荷。常见应用包括太阳能电池。但有许多设备(例如燃料电池和锂电池)依赖于带电原子或离子本身的运动，而不仅仅是电子的运动。
基于离子运动的应用(称为固体电解质)背后的材料是陶瓷。陶瓷则由微小的晶粒组成，这些晶粒在高温下被压实和烧制，形成致密的结构。问题在于，穿过材料的离子经常在晶粒之间的边界处受阻。
麻省理工学院团队在2022年的论文中表明，照射在固体电解质上的紫外线本质上会导致晶界处的电子扰动，最终降低离子在这些边界处遇到的势垒。结果：“我们能够将离子流动增强三倍，”图勒说，从而形成了一个更加高效的系统。
潜力巨大
当时，该团队对将他们的发现应用于不同系统的潜力感到兴奋。在2022年的工作中，该团队使用了紫外线，这种光在非常靠近材料表面的地方会被快速吸收。因此，该特定技术仅对材料薄膜有效。(幸运的是，固体电解质的许多应用都涉及薄膜。)
麻省理工学院的一个团队发现了一种利用廉价陶瓷检测辐射的全新方法。LR是JenniferRupp教授、博士后研究员ThomasDefferriere、HarryTuller教授和JuLi教授。图片来源：MatíasAndrésWegnerTornel，慕尼黑工业大学
光可以被认为是具有不同波长和能量的粒子(光子)。这些范围从非常低能量的无线电波到核材料放射性衰变发射的非常高能量的伽马射线。可见光和紫外线具有中间能量，介于两个极端之间。
麻省理工学院2022年报道的技术使用紫外线。它是否可以与其他波长的光一起工作，从而有可能开辟新的应用?是的，团队发现了。
在当前的论文中，他们表明伽马射线还会改变晶界，从而导致离子流动更快，从而可以轻松检测到。由于高能伽马射线比紫外线穿透得更深，“这将工作范围扩展到薄膜之外的廉价块状陶瓷，”图勒说。它还允许一种新的应用：检测核材料的替代方法。
当今最先进的辐射探测器依赖于一种与麻省理工学院工作中确定的完全不同的机制。它们依赖于来自电子及其对应物空穴的信号，而不是离子。
但这些电子电荷载流子必须移动相对较远的距离才能“捕获”它们以产生信号。在此过程中，它们很容易丢失，例如，因为它们碰到了材料的缺陷。这就是为什么今天的探测器是用极其纯净的单晶材料制成的，可以实现畅通无阻的路径。它们只能由某些材料制成，并且难以加工，这使得它们价格昂贵且难以扩展到大型设备中。
利用缺陷
相比之下，新技术之所以有效，是因为材料中存在缺陷——颗粒。“区别在于，我们依赖于在晶界处调制的离子电流，而最先进的技术则依赖于远距离收集电子载流子，”Defferriere说。
鲁普说：“值得注意的是，所测试的陶瓷材料的大部分‘晶粒’显示出化学和结构对伽马射线的高度稳定性，并且只有晶界区域在多数和少数载流子以及缺陷的电荷重新分布中发生反应。”
李补充道：“这种辐射离子效应与收集电子或光子的传统辐射检测机制不同。这里收集的是离子电流。”
伊戈尔·卢博米尔斯基(IgorLubomirsky)是以色列魏茨曼科学研究所材料与界面系教授。卢博米尔斯基(未参与当前的工作)表示：“我发现麻省理工学院小组在利用多晶氧离子导体方面采用的方法非常富有成效，因为[材料]有望在恶劣条件下的辐照下提供可靠的运行。“核反应堆中的探测器经常遭受疲劳和老化的困扰。[它们还]受益于制造成本的大幅降低。”
因此，麻省理工学院的工程师希望他们的工作能够带来新的、更便宜的探测器。例如，他们设想装载来自集装箱船的货物的卡车在离开港口时会穿过两侧都有探测器的结构。
“理想情况下，你要么有一个探测器阵列，要么有一个非常大的探测器，而这就是[今天的探测器]确实不能很好地扩展的地方，”图勒说。
另一个潜在的应用涉及获取地热能，即我们脚下的极端热量，人们正在探索将其作为化石燃料的无碳替代品。钻头末端的陶瓷传感器可以检测到要钻探的热量(辐射)区域。陶瓷可以轻松承受超过800华氏度的极端温度以及地球表面深处的极端压力。
该团队对他们的工作有更多应用感到兴奋。图勒说：“这仅是一种材料的原理演示，但还有数千种其他材料擅长传导离子。”
Defferriere总结道：“这是技术开发之旅的开始，因此还有很多事情要做，还有很多东西有待发现。”
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