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世界首个半导体中子探测器!让体积巨大的探测器变“袖珍”

2020年02月06日 15:00 次阅读

日前,美国西北大学(Northwestern University)和阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究人员开发了一种新材料,为一类新的中子探测器打开了大门。

高效的中子探测器能够探测到走私的核材料,对国家安全至关重要。

目前,有两类探测器使用氦气或闪光。这些探测器非常大——有时有一堵墙那么大。

这种新材料可以制造出第三类探测器:一种能够吸收中子并产生易于测量的电信号的半导体。

这种基于半导体的探测器也是高效和稳定的。

它既可以用于小型便携设备的现场检测,也可以用于使用晶体阵列的大型探测器。

这项研究将发表在1月16日的《自然》期刊上。

“人们对半导体中子探测器的设想由来已久,”西北大学的Mercouri Kanatzidis说,他领导了这项研究。

“想法是有的,但没有人有合适的材料去做。”

当铀和钚等重元素衰变时,它们的原子会从原子核中射出中子。

大多数中子探测器是所谓的闪烁体,它的工作原理是感应喷射出的中子,然后发出光来提醒使用者。

这种新材料是一种半导体,不发光,而是直接探测由中子引起的电信号。

除了安全应用外,中子探测器还用于辐射安全、天文学、等离子体物理学、材料科学和晶体学。

传统类型的热中子探测仪从20世纪50年代就开始使用了,但是一种实用的半导体材料仍然难以找到。

锂极具吸收中子的能力,很快成为最有前途的中子探测设备材料。但将锂整合到半导体中并使其稳定(锂遇水易碎)则是另一回事。

“你可以找到好的半导体,但他们没有锂,”Kanatzidis说。

“或者你可以找到不适合半导体的稳定锂化合物。我们发现了两个世界的平衡点。特定的锂-6同位素含量丰富,成本低廉,是一种强中子吸收剂。”

在他们的研究中,Kanatzidis和他的团队发现了正确的材料组合来制造工作装置,同时也能保持锂的稳定。

他们的新材料,锂-铟-磷-硒(lithium-indium-phosphorous-selenium),是分层的结构并含有丰富的锂-6同位素。

“这种晶体结构很特别,”Kanatzidis说。

“锂在层中,所以水无法到达它。这是这种材料的一大重要特点。”

由此产生的半导体中子探测器可以探测到哪怕是非常微弱的源发出的热中子——而且可以在纳秒内探测到。

它还可以区分中子和其他类型的核信号,比如伽马射线。这样可以防止误报。

最后一个额外的好处是:这种材料含有大量的锂。

因此,一个更小的部分的材料可以吸收与巨大设备相同数量的中子。这就导致了设备小到可以放在你的手里。

Kanatzidis说:“重要的是要有各种尺寸和尽可能多种类的中子探测器,比如我们的新半导体。”

“你想要一个像墙那么大的,你可以开着卡车从它旁边经过。但你也想要小型的,便于实地检查的。” 

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