Uma equipe de pesquisadores de nanomateriais do Sandia National Laboratories desenvolveu uma nova técnica para detecção de radiação que pode tornar a detecção de radiação em cargas e bagagens mais eficaz e menos onerosa para os inspetores de segurança interna.

Conhecido como discriminação de forma espectral (SSD), o método tira proveito de uma nova classe de materiais nanoporosos conhecidos como estruturas metal-orgânicas (MOFs). Os pesquisadores descobriram que adicionar um agente dopante a um MOF leva à emissão de luz vermelha e azul quando o MOF interage com partículas de alta energia emanadas de material radiológico ou nuclear, permitindo uma detecção mais eficaz de nêutrons. A detecção de nêutrons é atualmente um empreendimento caro e tecnicamente desafiador devido à dificuldade em distinguir nêutrons dos ubíquos raios gama de fundo.

O trabalho inicial sobre o uso de MOFs para detecção de radiação foi financiado internamente pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Sandia (LDRD), mas o financiamento subsequente para o projeto veio do escritório de pesquisa de não proliferação nuclear de defesa da Administração de Segurança Nuclear Nacional (NNSA).

"Melhorar nossas capacidades de detecção de radiação é crucial para o avanço da missão de não proliferação da NNSA, "disse Anne Harrington, Vice-administrador da NNSA para a Não-Proliferação Nuclear de Defesa. "Impedir o movimento ilícito de materiais radiológicos e nucleares ao redor do globo apóia os objetivos de segurança nuclear do presidente e ajuda a mitigar a ameaça de um ataque terrorista nuclear."

A nova tecnologia funciona com cintiladores de plástico, materiais que fluorescem quando atingidos por partículas carregadas ou fótons de alta energia, tornando-o adequado para comercialização por empresas que produzem plástico e outros cintiladores orgânicos usados ​​em dispositivos de detecção de radiação. Embora ainda haja trabalho antes de entrar no mercado, Sandia está atualmente buscando parceiros comerciais para licenciar a tecnologia.

Os métodos atuais de detecção de radiação são limitados em termos de velocidade e sensibilidade, elementos cruciais para cenários dinâmicos, como passagens de fronteira, rastreios de carga e verificação de tratados nucleares. Esta nova tecnologia monitora a cor das emissões de luz, que têm o potencial de tornar o processo de triagem mais fácil e confiável.

"Estamos abordando o problema de uma perspectiva química de materiais, "disse o cientista de materiais da Sandia, Mark Allendorf." Fundamentalmente, é mais fácil monitorar a cor das emissões de luz do que a taxa em que essa luz é emitida. Esse é o ponto crucial desta nova abordagem. "Os métodos atuais de detecção de radiação usam o tempo para discriminar entre nêutrons e raios gama, exigindo eletrônicos complexos e caros.

MOFs e dopantes levam a mais luz

Allendorf e sua equipe trabalham com MOFs há mais de cinco anos. Logo no início, eles descobriram um fluorescente, MOF poroso com excelentes propriedades de cintilação, um avanço importante e a primeira nova classe de cintiladores encontrados em décadas. A porosidade do MOF é um recurso importante porque permite aos pesquisadores adicionar outros materiais para ajustar a cintilação.

A nanoporosidade do MOF desencadeou uma nova ideia quando o membro da equipe Patrick Doty leu sobre o uso de dopantes para aumentar a eficiência dos diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs). Esses dopantes, geralmente compostos contendo metais pesados, como irídio, aumentar drasticamente o brilho do OLED "eliminando" a energia do estado de excitação no dispositivo que não foi convertido em luz. Essa energia representa até 75 por cento da saída de luz possível.

A combinação de MOFs com dopantes OLED levou a uma segunda descoberta. Ao preencher os poros do MOF com dopantes, a equipe criou um material que não só produz mais luz, mas luz de outra cor. Doty, um cientista de materiais que trabalha no departamento de análise e materiais de detecção de radiação / nuclear de Sandia, hipotetizou que a descoberta poderia ser aplicada à detecção de radiação.

O truque, Doty disse, é adicionar apenas a quantidade certa de dopante para que a luz eliminada e a fluorescência do próprio MOF excitado sejam emitidas. Então, a razão das intensidades nos dois comprimentos de onda é uma função do tipo de partícula de alta energia que interage com o material. "Essa é a coisa crítica, "Doty disse." SSD permite que um tipo de partícula seja distinguido de outro com base na cor da luz emitida. "

Como a proporção de nêutrons para raios gama é tão baixa - da ordem de um nêutron para 105 raios gama - o limite no qual os detectores de corrente podem ver nêutrons é bastante alto. Sandia calculations suggest that the threshold for detecting neutrons produced by fissionable material could be lowered substantially using SSD, perhaps improving the "figure of merit" by a factor of 10 compared to the current standards. "Em princípio, we could quadruple the sensitivity of the gold standard, " said Allendorf.

SSD also addresses another radiation detection problem — active interrogation. Using an active source to create a signal from special nuclear material is an effective means for detection, say Sandia researchers. But current detectors are often overwhelmed by the onslaught of gamma rays. The new materials developed at Sandia can be tuned for improved timing performance at high rates, and the new technology also could be used in radiation detectors for treaty verification.