半导体中子探测器诞生,新材料让微型中子探测器成为可能

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高效的中子探测器对国家安全、医学、天文学等许多领域都至关重要。但传统的中子探测器都非常大,不适用于现场检测等场景。1月15日《自然》杂志刊登了美国西北大学和阿贡国家实验室的最新研究,研究团队开发了一种新材料,为新型便携式中子探测器打开了大门。


半导体中子探测器诞生,新材料让微型中子探测器成为可能

工作中的袖珍型中子探测器的原型,该探测器由高含锂材料制成。图片来源:西北大学/阿贡国家实验室


新材料让微型中子探测器成为可能


能够探测到核材料的高效的中子探测器对国家安全至关重要。当前,有两种类型的探测器,它们使用氦气或闪烁器。但这些探测器都非常大,有的甚至有一堵墙那么大。


西北大学和阿尔贡大学为探测器引入了第三类材料:一种能够吸收中子并产生易于测量的电信号的半导体。基于半导体的探测器具有高效性和稳定性,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。


半导体中子探测器诞生,新材料让微型中子探测器成为可能

新材料(锂-铟-磷-硒)富含锂,使得半导体中子探测器成为可能 图片来源:西北大学/阿贡国家实验室


领导这项研究的西北大学Mercouri Kanatzidis教授说:“人们对半导体中子探测器的设想由来已久,但一直没有找到合适的材料去做。”


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闪烁体探测器,其工作原理是感应中子,然后发光以警告用户。而这种新材料是一种半导体,不发光,能直接探测由中子引起的电信号。中子探测器除了应用于安防领域外,还可用于辐射安全、天文学、等离子体物理学、材料科学和晶体学等多个学科领域。


传统类型的热中子探测仪从20世纪50年代就开始使用,但实用的半导体材料一直难以找到。锂具有出色的中子吸收能力,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则是另一回事,锂遇水容易碎裂。


Kanatzidis解释说:“您可以找到优质的半导体,但它们没有锂。或者你找到了稳定的锂化合物,但它不是好的半导体。我们找到了两全其美的方法,同位素锂6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,制造出一种可以保持锂稳定的工作装置。他们的新材料是半导体LiInP2Se6,是分层结构的锂-铟-磷-硒,并富含同位素锂6。


半导体中子探测器诞生,新材料让微型中子探测器成为可能

LiInP2Se6的结构性质


Kanatzidis说:“这种晶体结构很特殊,锂位于金属层内部,所以水无法碰到锂。这也是这种材料的一大重要特点。”


由这种新材料制备的半导体中子探测器可以探测到非常微弱的热中子,并且可以在纳秒内完成探测。它还可以区分中子和其他类型的核信号,比如伽马射线,从而防止误报。


此外,这种材料含有大量的锂,因此一小部分材料就可以吸收与巨型装置相同数量的中子。这让设备可以小到放在你的手里。


Kanatzidis说:“ 重要的是拥有各种尺寸的中子探测器,并尽可能多地使用中子探测器,例如我们的新型半导体中子探测器。你需要像墙一样的探测器,但也需要可以随身携带的探测器,方便进行现场检查。”


半导体中子探测器诞生,新材料让微型中子探测器成为可能

论文截图


论文链接:Direct thermal neutron detection by the 2D semiconductor 6LiInP2Se6, Nature (2020)。 DOI: 10.1038/s41586-019-1886-8 , https://nature.com/articles/s41586-019-1886-8


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