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El pensamiento brillante lleva a la brecha en ciencia nuclear de la detección de la amenaza

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Tomando la inspiración de una fuente inusual, un equipo de Sandia National Laboratories ha mejorado dramáticamente la ciencia de scintillators — objetos que detectan amenazas nucleares. Según el equipo, usando scintillators de cristal orgánicos podía pronto hacerlo incluso más duro pasar de contrabando los materiales nucleares a través de los puertos y de las fronteras de América.

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El equipo de los laboratorios de Sandia desarrolló un scintillator hecho de un vidrio orgánico que es más eficaz que el material nuclear más conocido de la detección de la amenaza mientras que siendo mucho más fácil y más barato de producir. El vidrio orgánico es un material carbono-basado que se puede derretir y no llega a estar nublado ni cristaliza sobre el enfriamiento. Los resultados acertados de las pruebas del equipo de proyecto de la no proliferación nuclear de la defensa en scintillators de cristal orgánicos se describen en un papel publicado esta semana en el diario del American Chemical Society.

El científico material y el investigador principal Patrick Feng de los laboratorios de Sandia comenzaron a desarrollar las clases alternativas de scintillators orgánicos en 2010. Feng lo explicó y su equipo se estableció “para fortalecer seguridad nacional mejorando el ratio del coste-a-funcionamiento de detectores de la radiación en las líneas de frente de todo el material que se trasladaba al país.” Para mejorar ese ratio, el equipo necesitó llenar el vacío entre el mejor, más brillante, la mayoría del material sensible del scintillator y los costos más bajos de materiales menos sensibles.

Inspiración de la ventaja de los diodos electroluminosos al alza del funcionamiento

El equipo diseñado, sintetizó y evaluó las nuevas moléculas del scintillator para este proyecto con el objetivo de entender la relación entre las estructuras moleculares y las propiedades resultantes de la detección de la radiación. Hicieron progreso que encontraban scintillators capaces de indicar la diferencia entre los materiales nucleares que podrían ser amenazas y normales potenciales, las fuentes no-que amenazaban de radiación, como ésos usados para los tratamientos médicos o la radiación naturalmente presente en nuestra atmósfera.

El equipo primero divulgó sobre las ventajas de usar el vidrio orgánico como material del scintillator en junio de 2016. El químico orgánico Joey Carlson dijo otras brechas llegaron a ser realmente posibles cuando él realizó que los scintillators se comportan mucho como los diodos electroluminosos.

Con el LED, una fuente y una cantidad sabidas de energía eléctrica se aplica a un dispositivo para producir una cantidad deseada de luz. En cambio, los scintillators producen la luz en respuesta a la presencia de un material de origen desconocido de la radiación. Dependiendo de la cantidad de luz produjo y la velocidad con la cual la luz aparece, la fuente puede ser identificada.

A pesar de estas diferencias de las maneras que actúan, los LED y los scintillators aprovechan energía eléctrica para producir la luz. Fluorene es una molécula luminescente usada en algunos tipos de LED. El equipo encontró que era posible alcanzar las calidades más deseables — estabilidad, transparencia y brillo — incorporando el fluorene en sus compuestos del scintillator.

Empujar últimos cristales y plásticos

El material del scintillator del patrón oro por los últimos 40 años ha sido la forma cristalina de una molécula llamada transporte-estilbeno, a pesar de la investigación intensa para desarrollar un reemplazo. el Transporte-estilbeno es altamente eficaz en el distinción entre dos tipos de radiación: rayos gamma, que son ubicuos en el ambiente, y neutrones, que emanan casi exclusivamente de los materiales controlados de la amenaza tales como plutonio o uranio. el Transporte-estilbeno es muy sensible a estos materiales, produciendo una luz brillante en respuesta a su presencia. Pero tarda mucha energía y varios meses para producir un cristal del transporte-estilbeno solamente algunas pulgadas de largo. Los cristales son increíblemente costosos, alrededor $1.000 por pulgada cúbica, y son frágiles, así que no son de uso general en el campo.

En lugar, los scintillators más de uso general en las fronteras y los puertos de entrada son plásticos. Son comparativamente baratos en menos que un dólar por la pulgada cúbica, y pueden ser moldeados en formas muy grandes, que es esencial para la sensibilidad del scintillator. Pues Feng explicó, “el más grande su detector, cuanto más sensible va a ser, porque hay una ocasión más alta que la radiación la golpeará.”

A pesar de estos positivos, los plásticos no pueden distinguir eficientemente entre los tipos de radiación — un tubo separado del helio se requiere para ése. El tipo de helio usado en estos tubos es raro, no renovable y añade perceptiblemente al coste y a la complejidad de un sistema plástico del scintillator. Y los plásticos no son particularmente brillantes, en solamente dos tercios de la intensidad del transporte-estilbeno, que significa que él no hace bien la detección de fuentes débiles de radiación.

Por estas razones, el equipo de los laboratorios de Sandia comenzó a experimentar con los vidrios orgánicos, que pueden discriminar entre los tipos de radiación. De hecho, el equipo de Feng encontró que los scintillators de cristal superan incluso el transporte-estilbeno en pruebas de la detección de la radiación — son más brillantes y mejores en la discriminación entre los tipos de radiación.

Otro desafío: Los compuestos de cristal iniciales que el equipo hizo no eran estables. Si los vidrios consiguieran demasiado calientes durante demasiado tiempo, cristalizarían, que afectaron a su funcionamiento. El equipo de Feng encontró que los compuestos de mezcla que contenían el fluorene a las moléculas de cristal orgánicas las hicieron indefinidamente estables. Los vidrios estables se podrían entonces también derretir y echar en bloques grandes, que es un proceso más fácil y menos costoso que haciendo los plásticos o el transporte-estilbeno.

Del laboratorio a los puertos

El trabajo hasta el momento muestra estabilidad indefinida en un laboratorio, significando que el material no degrada en un cierto plazo. Ahora, el paso siguiente hacia la comercialización está echando un scintillator de cristal orgánico del prototipo muy grande para probar en práctica. Feng y su equipo quieren mostrar que los scintillators de cristal orgánicos pueden soportar la humedad y otras condiciones ambientales encontradas en los puertos.

La administración nuclear nacional de la seguridad ha financiado el proyecto por dos años adicionales. Esto da a equipo hora de ver si pueden utilizar scintillators de cristal orgánicos para cubrir necesidades adicionales de la seguridad nacional.

Yendo adelante, Feng y su plan del equipo también a experimentar con el vidrio orgánico hasta que pueda distinguir entre las fuentes de rayos gamma que no-estén amenazando y los que se pueden utilizar para hacer bombas sucias.