桑迪亞國家實驗室團隊從一個不尋常的來源獲得靈感，大大改善了閃爍體的科學 - 這些物體可以探測到核威脅。據(jù)該團隊稱，使用有機玻璃閃爍器很快就會使通過美國港口和邊境走私核材料變得更加困難。

桑迪亞實驗室團隊開發(fā)了一種由有機玻璃制成的閃爍體，它比最著名的核威脅探測材料更有效，同時生產(chǎn)更容易，更便宜。

有機玻璃是一種碳基材料，可以熔化，冷卻后不會變渾濁或結(jié)晶。本周在美國化學學會雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了國防核不擴散項目組對有機玻璃閃爍體測試的成功結(jié)果。

桑迪亞實驗室材料科學家兼首席研究員Patrick Feng于2010年開始開發(fā)替代類型的有機閃爍體。馮解釋說，他和他的團隊著手“通過提高所有前線輻射探測器的成本 - 性能比”來加強國家安全。物資進入該國。“ 為了提高這一比例，該團隊需要彌合最好，最亮，最敏感的閃爍體材料與低敏感材料的低成本之間的差距。

發(fā)光二極管的靈感導致性能提升

該團隊為該項目設(shè)計，合成和評估了新的閃爍體分子，目的是了解分子結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的輻射檢測特性之間的關(guān)系。他們在尋找閃爍體方面取得了進展，這些閃爍體能夠表明可能存在潛在威脅的核材料與正常的，無威脅的輻射源之間的差異，如用于醫(yī)療或天然存在于我們大氣中的輻射。

該團隊首次報道了2016年6月使用有機玻璃作為閃爍體材料的好處。有機化學家Joey Carlson表示，當他意識到閃爍體的行為與發(fā)光二極管非常相似時，真正有可能實現(xiàn)進一步的突破。

利用LED，將已知的源和電能量施加到裝置以產(chǎn)生所需量的光。相反，閃爍體響應(yīng)于未知輻射源材料的存在而產(chǎn)生光。根據(jù)產(chǎn)生的光量和光線出現(xiàn)的速度，可以識別光源。

盡管它們的運行方式存在這些差異，但LED和閃爍體都利用電能產(chǎn)生光。芴是用于某些類型的LED的發(fā)光分子。該團隊發(fā)現(xiàn)，通過將芴納入其閃爍體化合物中，可以獲得最理想的品質(zhì) - 穩(wěn)定性，透明度和亮度。

推過晶體和塑料

過去40年來，金標準閃爍體材料一直是稱為反式二苯乙烯的分子的晶體形式，盡管已經(jīng)進行了大量研究以開發(fā)替代品。反式二苯乙烯在區(qū)分兩種類型的輻射方面非常有效：在環(huán)境中普遍存在的伽馬射線和幾乎完全來自諸如钚或鈾等受控威脅物質(zhì)的中子。反式二苯乙烯對這些材料非常敏感，可以根據(jù)它們的存在產(chǎn)生明亮的光。

但是生產(chǎn)僅僅幾英寸長的反式二苯乙烯晶體需要花費很多精力和數(shù)月時間。水晶非常昂貴，每立方英寸約1,000美元，而且它們很脆弱，因此它們不常用于野外。

相反，在邊界和入境口岸最常用的閃爍體是塑料。它們相對便宜，每立方英寸不到1美元，它們可以模制成非常大的形狀，這對于閃爍體的靈敏度至關(guān)重要。正如馮解釋的那樣，“你的探測器越大，它就越敏感，因為輻射會有更高的機會。”

盡管存在這些積極因素，但塑料無法有效地區(qū)分不同類型的輻射 - 需要單獨的氦氣管。這些管中使用的氦的類型是稀有的，不可再生的，并且顯著增加了塑料閃爍體系統(tǒng)的成本和復雜性。塑料不是特別明亮，只有反式二苯乙烯強度的三分之二，這意味著它們不能很好地檢測出微弱的輻射源。

出于這些原因，桑迪亞實驗室的團隊開始嘗試使用有機玻璃，這種玻璃能夠區(qū)分不同類型的輻射。實際上，F(xiàn)eng的團隊發(fā)現(xiàn)玻璃閃爍體在輻射檢測測試中甚至超過反式二苯乙烯 - 它們更明亮，更能區(qū)分不同類型的輻射。

另一個挑戰(zhàn)：團隊制造的初始玻璃化合物不穩(wěn)定。如果眼鏡太熱太久，它們會結(jié)晶，影響它們的性能。Feng的研究小組發(fā)現(xiàn)，將含有芴的化合物與有機玻璃分子混合使它們無限穩(wěn)定。然后，穩(wěn)定的玻璃也可以熔化并澆鑄成大塊，這比制造塑料或反式二苯乙烯更容易且更便宜。

從實驗室到港口

迄今為止的工作在實驗室中顯示出無限的穩(wěn)定性，這意味著材料不會隨著時間的推移而降低。現(xiàn)在，商業(yè)化的下一步是鑄造一個非常大的原型有機玻璃閃爍體用于現(xiàn)場測試。馮和他的團隊希望證明有機玻璃閃爍體能夠承受港口的濕度和其他環(huán)境條件。

國家核安全管理局再為該項目提供了兩年的資金。這讓團隊有時間了解他們是否可以使用有機玻璃閃爍體來滿足其他國家安全需求。

展望未來，馮和他的團隊還計劃嘗試使用有機玻璃，直到它可以區(qū)分無威脅的伽瑪射線源和可用于制造臟彈的伽瑪射線源。