一种涉及廉价陶瓷的辐射检测新方法麻省理工学院新闻

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，在主要由美国国土安全部资助并得到美国能源部早期支持的工作中，麻省理工学院的工程师展示了一种检测辐射的全新方法，可以使探测器更便宜并实现大量新应用。

他们正在与 辐射监测设备，一家位于马萨诸塞州沃特敦的公司，致力于尽快将研究成果转化为探测器产品。

在 2022 年的一篇论文中 自然材料，许多相同的工程师首次报告了紫外线如何能够显着提高基于带电原子（而不是这些原子的组成电子）运动的燃料电池和其他设备的性能。

在目前的工作中， 最近发表于 先进材料，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。

“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，”RP Simmons 陶瓷教授 Harry L. Tuller 说道。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 Jennifer LM Rupp 和 Ju Li 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

“学习之后 自然材料 工作，我意识到同样的基本原理应该适用于伽马射线检测——事实上，可能比 [UV] 光，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：“利用短程伽马射线可以 [us] 通过光生电子调节材料界面上的离子载流子和缺陷，将光离子效应扩展到放射性离子效应。”

该书的其他作者 先进材料 论文的第一作者是 DMSE 博士后 Thomas Defferriere 和麻省理工学院核科学与工程系博士后 Ahmed Sami Helal。

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——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 年发表的论文中表明，照射在固体电解质上的紫外线 (UV) 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。）

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，“除了薄膜之外，这将工作范围扩展到廉价的块体陶瓷，”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。

利用不完美之处

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。

Rupp 说：“值得注意的是，所测试的陶瓷材料的大块‘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和缺陷的电荷重新分布中发生反应。”

Li 评论道：“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。 在这里，离子电流正在被收集。”

以色列魏茨曼科学研究所材料与界面系教授伊戈尔·卢博米尔斯基（Igor Lubomirsky）没有参与当前的工作，他说：“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鉴于 [materials’] 有望在核反应堆中的恶劣条件下在辐照下提供可靠的操作，在核反应堆中，此类探测器经常遭受疲劳和老化。 [They also] 受益于大幅降低的制造成本。”

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，这就是 [today’s detectors] 确实不能很好地扩展，”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孔的热量（辐射）。 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。 “这只是用一种材料进行了原理演示，”图勒说，“但还有数千种其他擅长传导离子的材料。”

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。”

这项工作目前得到美国国土安全部反大规模杀伤性武器办公室的支持。 这种支持并不构成政府明示或暗示的认可。 它还由美国国防威胁减少局资助。