Mit Nanomaterialien sicherer und schneller Tests zur Erkennung nuklearer Bedrohungen entwickeln
Spezielle Kernmaterialien wie zum Beispiel angereichertes Uran und Plutonium stellen eine ernsthafte Bedrohung dar, da sie für Kernwaffen verwendet werden können. Ihre frühzeitige Entdeckung bleibt jedoch eine große Herausforderung für die globale Sicherheit. Diese Materialien senden schwache Strahlung aus, die leicht abschirmbar ist, sodass sie mit konventionellen Strahlungsdetektoren nur schwer aufzuspüren sind. Der Nachweis der Neutronen, die sie aussenden oder erzeugen, wenn sie mit Strahlungsquellen in Kontakt kommen, bietet jedoch eine vielversprechende Lösung. Ziel des EU-finanzierten Projekts NASCAR war die Entwicklung eines neuen Detektortyps, mit dem diese Neutronen wirkungsvoll aufspürbar sind. Anstatt sich auf sperrige oder gefährliche Technologien zu verlassen, wandte sich das Team der Nanotechnologie zu, insbesondere Zinkoxidnanostäbchen (ZnO), die mit dem Isotop Lithium-6 dotiert sind. Koordiniert wurde das Projekt von Professor Murat Kurudirek in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Paul Sellin von der Universität Surrey (Vereinigtes Königreich), Prof. Dr. Anna Erickson und dem entpflichteten Prof. Dr. Nolan Hertel vom Georgia Institute of Technology (USA).
Nukleare Bedrohungen besser erkennen
Bei konventionellen Neutronendetektoren kommen oft seltene oder giftige Gase wie Helium-3 oder Bortrifluorid zum Einsatz. Diese gasförmigen Stoffe sind teuer, zuweilen gefährlich und die Systeme, in denen sie verwendet werden, sind schwer skalierbar. Die NASCAR-Forschenden entwickelten ein alternatives Detektormaterial, das auf ZnO-Nanostäbchen-Arrays basiert, die mit einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Technik gezüchtet werden. „Im Rahmen dieses Projekts wird ein kostengünstiges Verfahren zum Wachstum aus Lösung eingesetzt, das keine einkristallinen oder leitfähigen Substrate und keine hohen Temperaturen erfordert“, erklärt Murat Kurudirek, NASCAR-Projektforscher. Das Verfahren gestattet eine genaue Steuerung der Form und Größe der Nanostäbchen, während gleichzeitig die Kosten niedrig gehalten werden und die Notwendigkeit komplexer Ausrüstung entfällt. Die Detektoren werden mithilfe des Züchtens vertikal ausgerichteter, sich verjüngender ZnO-Nanostäbchen hergestellt – winzigkleiner kristalliner Stäbchen, die das in den Stäbchen durch Strahlungswechselwirkungen erzeugte Szintillationslicht effizient zu einem Sensor leiten. Mit dieser Struktur wird die räumliche Auflösung verbessert und den Photonenverlust verringert.
Neutronenempfindlichkeit mit Lithium-6 erhöhen
Thermische Neutronen sind ohne ein Material, das sie effektiv einfangen kann, schwer nachweisbar. Aus diesem Grund wurde in die Projektarbeit Lithium-6 einbezogen, ein stabiles Isotop, das eine starke Wechselwirkung mit niederenergetischen oder thermischen Neutronen eingeht. „In Verbindung mit 6Li, das einen sehr hohen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen hat, wird ZnO durch die n-alpha-Reaktionen (n,α) sehr empfindlich für thermische Neutronen“, berichtet Kurudirek. Die Alphateilchen und Tritonen aus der Neutronen-Lithium-Wechselwirkung lösen dann in der ZnO-Struktur Lichtemissionen aus. Das Team entwickelte Lithium-inkorporierte Nanostäbchen-Arrays, die in Labortests eine hohe Empfindlichkeit gegenüber thermischen Neutronen aufwiesen. Ihre vielversprechenden Ergebnisse werden nun zur wissenschaftlichen Veröffentlichung vorbereitet.
Von der Laborinnovation zur Praxiswirkung
Neben der im Labor gezeigten Leistung bieten die Detektoren auch Funktionen, die sich für den Praxiseinsatz eignen. Sie sind kompakt, kostengünstig und schnell und eignen sich daher ideal für mobile Detektionseinheiten und Echtzeit-Überwachungssysteme bei Grenzkontrollen, Frachtinspektion und im Sinne der Nichtverbreitung von Kernwaffen. „Die sich verjüngenden ZnO-Nano-Arrays können die Lichtsammlung in der Struktur unterstützen und somit die Szintillationseffizienz optimieren“, sagt Kurudirek. Ihr einzigartiges Design trägt dazu bei, das Licht direkt in den Detektor zu leiten, wodurch die räumliche Auflösung verbessert und der Signalverlust verringert wird, worin zwei große Herausforderungen bei nuklearen Nachweistechnologien bestehen. Professor Murat Kurudirek, der jetzt an der Atatürk-Universität in der Türkei tätig ist, plant, auf den Erfahrungen rund um NASCAR aufzubauen, wobei er sich um wettbewerbliche Finanzhilfen zum Aufbau einer internationalen Forschungsgruppe bewirbt. Sein Ziel ist es, neue Generationen von erschwinglichen, zugänglichen und umweltfreundlichen nuklearen Detektionstechnologien zu entwickeln. Im Zuge des Projekts NASCAR wurde der Grundstein für die nächste Generation von Detektoren gelegt und damit ein skalierbarer Weg zur Hochleistungs-Neutronendetektion eröffnet. Das gilt als ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der öffentlichen Sicherheit und der globalen nuklearen Sicherheit.
Schlüsselbegriffe
NASCAR, Lithium-6, Nanotechnologie, ZnO-Nanostäbchen, Neutronendetektion, öffentliche Sicherheit
