安価なセラミックを使用した放射線検出の新しい方法 | マサチューセッツ工科大学ニュース

密輸された核物質の貨物船の検査などの用途に現在使用されている放射線検出器は高価であり、過酷な環境では動作できないなどの欠点があります。 現在、米国国土安全保障省から主に資金提供を受け、米国エネルギー省からの早期支援を受けて、MITの技術者らは放射線を検出する根本的に新しい方法を実証し、これによりはるかに安価な検出器と多数の新しい応用が可能になる可能性がある。

彼らは協力しています 放射線監視装置、マサチューセッツ州ウォータータウンの会社は、研究をできるだけ早く検出器製品に移すことを目的としています。

2022年の論文では 自然素材、同じエンジニアがたくさんいます 初めて報告されました 原子の構成電子ではなく荷電原子の動きに基づいて、紫外線が燃料電池やその他のデバイスの性能をどのように大幅に向上させることができるか。

現在の作品では、 最近出版された 先端材料、研究チームは、同じ概念が新しい用途、つまり核物質の放射性崩壊によって放出されるガンマ線の検出に拡張できることを示しています。

「私たちのアプローチには、現在使用されている検出器とは非常に異なる材料と機構が含まれており、コストの削減、過酷な条件下での動作能力、および処理の簡素化という点で潜在的に多大なメリットが得られます」とRPシモンズセラミックス教授のハリー・L・タラー氏は述べています。 MIT 材料科学工学部 (DMSE) の電子材料。

タラー氏は、主要な共同研究者であるジェニファー・LM・ラップ氏、MITの材料科学および工学の元准教授で現在はドイツのミュンヘン工科大学で電気化学材料の教授を務めるジェニファー・LM・ラップ氏、および原子力工学のバテル・エネルギー・アライアンス教授であるジュ・リー氏とともに研究を主導している。材料科学と工学の教授。 全員が MIT 材料研究所にも所属しています

「学んだ後、 自然素材 実際に、ガンマ線検出でも同じ基本原理が機能するはずであることに気付きました。実際には、ガンマ線検出よりもさらにうまく機能する可能性があります。 [UV] ガンマ線はより透過性が高いため、光はより透過的であり、ハリーとジェニファーにいくつかの実験を提案しました」とリーは言います。

ラップ氏は次のように述べています。「短距離ガンマ線を使用すると、 [us] 光生成された電子的なものによって材料界面のイオンキャリアと欠陥を調節することにより、光イオン効果を放射イオン効果に拡張することです。」

他の著者 先端材料 論文の筆頭著者は、DMSE 博士研究員である Thomas Defferriere と、MIT 原子力科学工学部の博士研究員である Ahmed Sami Helal です。

バリアの変更

電荷はさまざまな方法で材料中を伝導できます。 私たちが最もよく知っているのは、原子を構成する電子によって運ばれる電荷です。 一般的な用途には太陽電池が含まれます。 しかし、燃料電池やリチウム電池など、電子だけではなく荷電原子またはイオン自体の動きに依存するデバイスは数多くあります。

固体電解質として知られるイオンの動きに基づいたアプリケーションの背後にある材料はセラミックスです。 セラミックは、緻密な構造を形成するために圧縮され、高温で焼成される小さな微結晶粒子で構成されています。 問題は、材料中を移動するイオンが粒子間の境界で妨げられることが多いことです。

MITチームは2022年の論文で、固体電解質に照射された紫外線（UV）が本質的に粒界に電子摂動を引き起こし、最終的に粒界で遭遇するイオンの障壁を低下させることを示した。 その結果、「イオンの流れを 3 倍に高めることができました」と Tuller 氏は言い、より効率的なシステムが実現しました。

広大な可能性

当時、チームは、発見したことをさまざまなシステムに適用できる可能性に興奮していました。 2022年の研究では、チームは材料の表面近くで急速に吸収されるUV光を使用した。 結果として、その特定の技術は材料の薄膜でのみ有効です。 (幸いなことに、固体電解質の多くの用途には薄膜が含まれます。)

光は、さまざまな波長とエネルギーを持つ粒子、つまり光子と考えることができます。 これらは、非常に低エネルギーの電波から、核物質の放射性崩壊によって放出される非常に高エネルギーのガンマ線まで多岐にわたります。 可視光と紫外線は中間のエネルギーであり、両極端の間に位置します。

2022年に報告されたMIT技術は紫外線を利用したものでした。 他の波長の光でも動作し、新たな用途が広がる可能性はあるでしょうか? はい、チームは発見しました。 今回の論文では、ガンマ線が粒界を変化させ、その結果、イオンの流れが速くなり、その結果、容易に検出できるようになることが示されています。 そして、高エネルギーのガンマ線は紫外線よりもはるかに深く浸透するため、「これにより、薄膜に加えて安価なバルクセラミックにも研究が拡張されます」とタラー氏は言います。 また、核物質を検出するための代替アプローチという新しい応用も可能になります。

今日の最先端の放射線検出器は、MIT の研究で特定されたものとはまったく異なるメカニズムに依存しています。 これらは、イオンではなく、電子とその対応物である正孔から得られる信号に依存します。 しかし、これらの電荷キャリアは、信号を生成するためにそれらを「捕捉」する電極まで比較的長い距離を移動する必要があります。 そして、その途中で、たとえば材料の欠陥にぶつかったときに、それらは簡単に失われる可能性があります。 そのため、今日の検出器は、妨げられない経路を可能にする非常に純粋な単結晶材料で作られています。 これらは特定の材料のみで作成でき、加工が難しいため、高価であり、大型デバイスに拡張するのが困難です。

不完全性を利用する

対照的に、新しい技術は、材料の不完全さ、つまり粒子のおかげで機能します。 「違いは、我々は粒界で変調されるイオン電流に依存しているのに対し、最先端技術は長距離からの電子キャリアの収集に依存しているということです」とデフェリエール氏は言う。

ラップ氏は、「テストされたセラミック材料のバルク『粒子』が、ガンマ線に対する化学的および構造の高い安定性を明らかにし、粒界領域だけが多数キャリアおよび少数キャリアおよび欠陥の電荷再分配において反応したことは注目に値する。」と述べています。

Li 氏のコメント「この放射線イオン効果は、電子や光子が収集される従来の放射線検出メカニズムとは異なります。 ここでイオン電流が収集されています。」

イスラエルのワイツマン科学研究所材料界面学科の教授であるイーゴリ・ルボミルスキー氏は、今回の研究には関与していないが、次のように述べている。与えられた [materials’] 原子炉内で予期される過酷な条件下での照射下でも信頼性の高い動作を提供することが約束されており、そのような検出器は疲労や経年劣化に悩まされることがよくあります。 [They also] 製造コストの大幅な削減によるメリットが得られます。」

その結果、MIT のエンジニアは、自分たちの研究により、より安価な新しい検出器が開発される可能性があると期待しています。 たとえば、コンテナ船からの貨物を積んだトラックが、港を出港する際に両側に検知器を備えた構造物を通過する様子を彼らは想定している。 「理想的には、一連の検出器または非常に大きな検出器のいずれかを使用することになります。 [today’s detectors] 実際にはあまりうまく拡張できません」とタラー氏は言います。

もう 1 つの潜在的な用途には、化石燃料に代わるカーボンフリーの代替手段として研究されている地熱エネルギー、つまり私たちの足元の極度の熱へのアクセスが含まれます。 ドリルビットの端にあるセラミックセンサーは、ドリルで穴を開けるための熱のポケット（放射線）を検出する可能性があります。 セラミックは、華氏 800 度を超える極端な温度や、地表の下深くで見られる極度の圧力に容易に耐えることができます。

チームは、自分たちの仕事のための追加のアプリケーションに興奮しています。 「これはたった 1 つの材料を使った原理の実証でした」と Tuller 氏は言います。「しかし、イオン伝導に優れた材料は他にも何千もあります。」

Defferriere 氏は次のように締めくくっています。「これはテクノロジー開発の旅の始まりなので、やるべきこと、発見すべきことはたくさんあります。」

この研究は現在、米国土安全保障省大量破壊兵器対策局によって支援されています。 この支援は、政府側の明示または黙示の承認を構成するものではありません。 米国国防脅威軽減局からも資金提供を受けました。