世界首個半導(dǎo)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(xué)(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。

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(guān)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(dǎo)體。

這種基于半導(dǎo)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(shè)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(dǎo)體中子探測器的設(shè)想由來已久，”西北大學(xué)的Mercouri Kanatzidis說，他領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。

“想法是有的，但沒有人有合適的材料去做?！?/p>

當(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)用外，中子探測器還用于輻射安全、天文學(xué)、等離子體物理學(xué)、材料科學(xué)和晶體學(xué)。

傳統(tǒng)類型的熱中子探測儀從20世紀(jì)50年代就開始使用了，但是一種實用的半導(dǎo)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(shè)備材料。但將鋰整合到半導(dǎo)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(dǎo)體，但他們沒有鋰，”Kanatzidis說。

“或者你可以找到不適合半導(dǎo)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。”

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(dǎo)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(shè)備相同數(shù)量的中子。這就導(dǎo)致了設(shè)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(dǎo)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。”