世界首個半導體中子探測器!讓體積巨大的探測器變“袖珍”
日前,美國西北大學(Northwestern University)和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員開發(fā)了一種新材料,為一類新的中子探測器打開了大門。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202002/409536.htm高效的中子探測器能夠探測到走私的核材料,對國家安全至關重要。
目前,有兩類探測器使用氦氣或閃光。這些探測器非常大——有時有一堵墻那么大。
這種新材料可以制造出第三類探測器:一種能夠吸收中子并產(chǎn)生易于測量的電信號的半導體。
這種基于半導體的探測器也是高效和穩(wěn)定的。
它既可以用于小型便攜設備的現(xiàn)場檢測,也可以用于使用晶體陣列的大型探測器。
這項研究將發(fā)表在1月16日的《自然》期刊上。
“人們對半導體中子探測器的設想由來已久,”西北大學的Mercouri Kanatzidis說,他領導了這項研究。
“想法是有的,但沒有人有合適的材料去做。”
當鈾和钚等重元素衰變時,它們的原子會從原子核中射出中子。
大多數(shù)中子探測器是所謂的閃爍體,它的工作原理是感應噴射出的中子,然后發(fā)出光來提醒使用者。
這種新材料是一種半導體,不發(fā)光,而是直接探測由中子引起的電信號。
除了安全應用外,中子探測器還用于輻射安全、天文學、等離子體物理學、材料科學和晶體學。
傳統(tǒng)類型的熱中子探測儀從20世紀50年代就開始使用了,但是一種實用的半導體材料仍然難以找到。
鋰極具吸收中子的能力,很快成為最有前途的中子探測設備材料。但將鋰整合到半導體中并使其穩(wěn)定(鋰遇水易碎)則是另一回事。
“你可以找到好的半導體,但他們沒有鋰,”Kanatzidis說。
“或者你可以找到不適合半導體的穩(wěn)定鋰化合物。我們發(fā)現(xiàn)了兩個世界的平衡點。特定的鋰-6同位素含量豐富,成本低廉,是一種強中子吸收劑?!?/p>
在他們的研究中,Kanatzidis和他的團隊發(fā)現(xiàn)了正確的材料組合來制造工作裝置,同時也能保持鋰的穩(wěn)定。
他們的新材料,鋰-銦-磷-硒(lithium-indium-phosphorous-selenium),是分層的結(jié)構(gòu)并含有豐富的鋰-6同位素。
“這種晶體結(jié)構(gòu)很特別,”Kanatzidis說。
“鋰在層中,所以水無法到達它。這是這種材料的一大重要特點?!?/p>
由此產(chǎn)生的半導體中子探測器可以探測到哪怕是非常微弱的源發(fā)出的熱中子——而且可以在納秒內(nèi)探測到。
它還可以區(qū)分中子和其他類型的核信號,比如伽馬射線。這樣可以防止誤報。
最后一個額外的好處是:這種材料含有大量的鋰。
因此,一個更小的部分的材料可以吸收與巨大設備相同數(shù)量的中子。這就導致了設備小到可以放在你的手里。
Kanatzidis說:“重要的是要有各種尺寸和盡可能多種類的中子探測器,比如我們的新半導體?!?/p>
“你想要一個像墻那么大的,你可以開著卡車從它旁邊經(jīng)過。但你也想要小型的,便于實地檢查的?!?nbsp;
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