Uno de los problemas más críticos que enfrenta Estados Unidos hoy en día es evitar que los terroristas pasen de contrabando armas nucleares a sus puertos. Con este fin, la Ley de Seguridad y Responsabilidad de los Estados Unidos para cada puerto exige que todos los contenedores de carga en el extranjero sean escaneados en busca de posibles materiales nucleares oarmas
La detección de señales de neutrones es un método eficaz para identificar armas nucleares y materiales nucleares especiales. El gas helio-3 se usa dentro de los detectores desplegados en los puertos para este propósito.
¿La captura? Si bien el gas helio-3 funciona bien para la detección de neutrones, es extremadamente raro en la Tierra. La intensa demanda de detectores de gas helio-3 casi ha agotado el suministro, la mayoría de los cuales se generó durante el período de producción de armas nucleares durante elúltimos 50 años. No es fácil de reproducir, y la escasez de gas helio-3 ha provocado que su costo se dispare recientemente, lo que hace imposible desplegar suficientes detectores de neutrones para cumplir con el requisito de escanear todos los contenedores de carga entrantes en el extranjero.
El helio-4 es una forma más abundante de gas helio, que es mucho menos costoso, pero no se puede usar para la detección de neutrones porque no interactúa con los neutrones.
Un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Texas dirigido por los profesores Hongxing Jiang y Jingyu Lin informan esta semana letras de física aplicada , de AIP Publishing, que han desarrollado un material alternativo, los semiconductores hexagonales de nitruro de boro, para la detección de neutrones. Este material cumple muchos requisitos clave para el reemplazo de detectores de helio y puede servir como una alternativa de bajo costo en el futuro.
El concepto del grupo se propuso por primera vez a la Oficina de Detección Nuclear Doméstica del Departamento de Seguridad Nacional y recibió fondos de su programa de Iniciativa de Investigación Académica hace seis años.
Al usar una capa de nitruro enriquecida con boro-10 hexagonal de 43 micras de espesor, el grupo creó un detector de neutrones térmicos con una eficiencia de detección del 51.4 por ciento, que es un récord para los detectores de neutrones térmicos semiconductores.
"Se anticipa una mayor eficiencia de detección al aumentar aún más el grosor del material y mejorar la calidad de los materiales", explicó el profesor Jiang, Centro de Nanofotónica e Ingeniería Eléctrica e Informática, Whitacre College of Engineering, Texas Tech University.
"Nuestro enfoque de utilizar semiconductores hexagonales de nitruro de boro para centros de detección de neutrones en el hecho de que su isótopo de boro-10 tiene una probabilidad de interacción muy grande con los neutrones térmicos", continuó Jiang. "Esto hace posible crear detectores de neutrones de alta eficienciacon capas de nitruro de boro hexagonal relativamente delgadas. Y la gran brecha de energía de este semiconductor - 6.5 eV - les da a estos detectores densidades de corriente de fuga inherentemente bajas "
¿El significado clave del trabajo del grupo? Este es un material y una tecnología completamente nuevos que ofrecen muchas ventajas.
"En comparación con los detectores de gas helio, la tecnología de nitruro de boro mejora el rendimiento de los detectores de neutrones en términos de eficiencia, sensibilidad, robustez, factor de forma versátil, compacidad, peso ligero, sin presurización ... y es económico", dijo Jiang.
Esto significa que el material tiene el potencial de revolucionar las tecnologías de detección de neutrones.
"Más allá de la detección de armas y materiales nucleares especiales, los detectores de neutrones de estado sólido también tienen aplicaciones médicas, sanitarias, militares, ambientales e industriales", agregó. "El material también tiene aplicaciones en fotónica ultravioleta profunda y heteroestructuras bidimensionales.Con la demostración exitosa de detectores de neutrones de alta eficiencia, esperamos que funcione bien para otras aplicaciones futuras ".
La principal innovación detrás de este nuevo tipo de detector de neutrones fue el desarrollo de nitruro de boro hexagonal con capas epitaxiales de espesor suficiente, que anteriormente no existían.
"Le tomó a nuestro grupo seis años encontrar formas de producir este nuevo material con un grosor suficiente y una calidad cristalina para la detección de neutrones", señaló Jiang.
Basado en su experiencia trabajando con semiconductores de banda ancha de nitruro III, el grupo sabía desde el principio que producir un material con alta calidad cristalina sería difícil.
"Nos sorprende que el detector funcione tan bien, a pesar de que todavía hay un pequeño margen de mejora en términos de calidad del material", dijo.
Uno de los impactos más importantes del trabajo del grupo es que "este nuevo material y su potencial deberían comenzar a ser reconocidos por los materiales semiconductores y las comunidades de detección de radiación", agregó Jiang.
Ahora que el grupo ha resuelto el problema de producir nitruro de boro hexagonal con suficiente espesor, así como calidad cristalina para permitir la demostración de detectores de neutrones con alta eficiencia, el siguiente paso es demostrar la alta sensibilidad de los detectores de gran tamaño.
"Estos dispositivos deben ser capaces de detectar armas nucleares desde distancias de decenas de metros de distancia, lo que requiere detectores de gran tamaño", agregó Jiang. "Hay desafíos técnicos que superar, pero estamos trabajando para lograr este objetivo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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