世界首個半導體中子探測器！讓體積巨大的探測器變“袖珍”

日前，美國西北大學(Northwestern University)和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員開發了一種新材料，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生易于測量的電信號的半導體。

這種基于半導體的探測器也是高效和穩定的。

它既可以用于小型便攜設備的現場檢測，也可以用于使用晶體陣列的大型探測器。

這項研究將發表在1月16日的《自然》期刊上。

“人們對半導體中子探測器的設想由來已久，”西北大學的Mercouri Kanatzidis說，他領導了這項研究。

“想法是有的，但沒有人有合適的材料去做。”

當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。

大多數中子探測器是所謂的閃爍體，它的工作原理是感應噴射出的中子，然后發出光來提醒使用者。

這種新材料是一種半導體，不發光，而是直接探測由中子引起的電信號。

除了安全應用外，中子探測器還用于輻射安全、天文學、等離子體物理學、材料科學和晶體學。

傳統類型的熱中子探測儀從20世紀50年代就開始使用了，但是一種實用的半導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備材料。但將鋰整合到半導體中并使其穩定(鋰遇水易碎)則是另一回事。

“你可以找到好的半導體，但他們沒有鋰，”Kanatzidis說。

“或者你可以找到不適合半導體的穩定鋰化合物。我們發現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和他的團隊發現了正確的材料組合來制造工作裝置，同時也能保持鋰的穩定。

他們的新材料，鋰-銦-磷-硒(lithium-indium-phosphorous-selenium)，是分層的結構并含有豐富的鋰-6同位素。

“這種晶體結構很特別，”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。”

由此產生的半導體中子探測器可以探測到哪怕是非常微弱的源發出的熱中子——而且可以在納秒內探測到。

它還可以區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備相同數量的中子。這就導致了設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，比如我們的新半導體。”

“你想要一個像墻那么大的，你可以開著卡車從它旁邊經過。但你也想要小型的，便于實地檢查的。”