一种检测廉价陶瓷辐射的新方法

目前用于检查货船走私核材料等应用的辐射探测器价格昂贵，并且无法在恶劣环境中运行，以及其他缺点。现在，在美国能源部的早期支持下，麻省理工学院的工程师们主要由美国国土安全部资助，展示了一种全新的辐射检测方法，可以允许更便宜的探测器和大量的新应用。

他们正在与马萨诸塞州沃特敦的辐射监测设备公司合作，尽快将研究成果转化为探测器产品。

在 2022 年发表在 《自然材料》上的一篇论文中，许多相同的工程师首次报告了紫外线如何根据带电原子的运动而不是这些原子的组成电子来显着提高燃料电池和其他设备的性能。

在最近发表在 《先进材料》杂志上的当前研究中，该团队表明，相同的概念可以扩展到新的应用：检测核材料放射性衰变发出的伽马射线。

麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）的R.P. Simmons陶瓷和电子材料教授Harry L. Tuller说：“我们的方法涉及的材料和机制与目前使用的探测器非常不同，在降低成本、在恶劣条件下操作的能力和简化处理方面具有潜在的巨大优势。

Tuller与主要合作者Jennifer L. M. Rupp（麻省理工学院材料科学与工程前副教授，现为德国慕尼黑工业大学电化学材料教授）和巴特尔能源联盟核工程教授、材料科学与工程教授Ju Li一起领导这项工作。所有这些都隶属于麻省理工学院的材料研究实验室

“在学习 了《自然材料》 的工作后，我意识到同样的基本原理应该适用于伽马射线检测——事实上，可能比[紫外]光效果更好，因为伽马射线更具穿透力——并向哈利和詹妮弗提出了一些实验，”李说。

Rupp说：“使用较短距离的伽马射线使[我们]能够通过光生电子调制离子载流子和材料界面上的缺陷，将光离子扩展到放射性离子效应。

Advanced Materials论文的其他作者是DMSE博士后Thomas Defferriere和麻省理工学院核科学与工程系博士后Ahmed Sami Helal。

修改屏障

电荷可以以不同的方式通过材料进行。我们最熟悉的是帮助构成原子的电子携带的电荷。常见应用包括太阳能电池。但是有许多设备（如燃料电池和锂电池）依赖于带电原子或离子本身的运动，而不仅仅是它们的电子。

基于离子运动的应用背后的材料，称为固体电解质，是陶瓷。反过来，陶瓷由微小的微晶颗粒组成，这些颗粒被压实并在高温下烧制以形成致密结构。问题在于，穿过材料的离子经常在晶粒之间的边界处受到阻碍。

麻省理工学院团队在他们 2022 年的论文中表明，紫外线 （UV） 照射在固体电解质上基本上会在晶界引起电子扰动，最终降低离子在这些边界处遇到的屏障。结果：“我们能够将离子的流动提高三倍，”Tuller说，从而使系统更加高效。

潜力巨大

当时，该团队对将他们发现的知识应用于不同系统的潜力感到兴奋。在 2022 年的工作中，该团队使用了紫外线，紫外线在材料表面附近被迅速吸收。因此，这种特定技术仅在材料薄膜中有效。（幸运的是，固体电解质的许多应用都涉及薄膜。

光可以被认为是具有不同波长和能量的粒子——光子。这些范围从极低能量的无线电波到核材料放射性衰变发出的极高能伽马射线。可见光和紫外线是中等能量，介于两个极端之间。

麻省理工学院 2022 年报道的技术适用于紫外线。它是否会与其他波长的光一起工作，从而可能开辟新的应用？是的，团队找到了。在目前的论文中，他们表明伽马射线也会改变晶界，从而导致离子流动更快，从而可以很容易地检测到。而且由于高能伽马射线的穿透力比紫外线要深得多，“除了薄膜之外，这还将工作扩展到廉价的块状陶瓷，”Tuller说。它还允许一种新的应用：一种检测核材料的替代方法。

当今最先进的辐射探测器依赖于与麻省理工学院工作中发现的完全不同的机制。它们依赖于来自电子及其对应物（空穴）而不是离子的信号。但是这些电子电荷载流子必须向“捕获”它们的电极移动相对较远的距离以产生信号。在此过程中，它们很容易丢失，例如，它们会撞到材料中的缺陷。这就是为什么今天的探测器是用极其纯净的单晶材料制成的，可以畅通无阻地进入。它们只能用某些材料制成，并且难以加工，这使得它们价格昂贵且难以扩展到大型设备中。

使用瑕疵

相比之下，新技术之所以有效，是因为材料中存在缺陷（颗粒）。“不同之处在于，我们依赖于在晶界处调制的离子电流，而不是依赖于从远距离收集电子载流子的最先进技术，”Defferriere说。

Rupp说：“值得注意的是，所测试的陶瓷材料的主体’晶粒’揭示了化学和结构对伽马射线的高度稳定性，并且只有晶粒边界区域在多数和少数载流子和缺陷的电荷重新分布中发生反应。

Li评论说：“这种辐射离子效应不同于传统的辐射检测机制，其中收集电子或光子。在这里，离子电流正在被收集。

以色列魏茨曼科学研究所材料与界面系教授伊戈尔·卢博米尔斯基（Igor Lubomirsky）没有参与目前的工作，他说：“我发现麻省理工学院小组在利用多晶氧离子导体方面所采用的方法非常富有成效，因为[材料]有望在核反应堆的预期恶劣条件下提供可靠的辐照运行，而核反应堆的探测器经常受到疲劳和老化的困扰。[他们还]受益于大大降低的制造成本。

因此，麻省理工学院的工程师们希望他们的工作能够产生新的、更便宜的探测器。例如，他们设想满载集装箱船货物的卡车在离开港口时穿过两侧都有探测器的结构。“理想情况下，你要么有一个探测器阵列，要么有一个非常大的探测器，这就是[今天的探测器]真正不能很好地扩展的地方，”Tuller说。

另一个潜在的应用涉及获取地热能，或我们脚下的极端高温，正在探索作为化石燃料的无碳替代品。钻头末端的陶瓷传感器可以检测出要钻孔的热穴（辐射）。陶瓷可以轻松承受超过 800 华氏度的极端温度和地球表面深处的极端压力。

该团队对他们的工作的其他应用程序感到兴奋。“这只是一种材料的原理演示，”Tuller说，“但还有数千种其他材料擅长导电离子。

Defferriere总结道：“这是技术发展之旅的开始，所以有很多事情要做，也有很多事情要发现。

这项工作目前得到美国国土安全部反大规模杀伤性武器办公室的支持。这种支持并不构成政府的明示或暗示的认可。它还由美国国防威胁减少局资助。