Впервые создан стабильный полупроводниковый детектор нейтронов

Ученые впервые синтезировали стабильное твердое вещество, которое подходит для прямой регистрации тепловых нейтронов. Потенциально на основе нового соединения с полупроводниковыми свойствами можно сделать компактный и чувствительный детектор, который может пригодиться в области обеспечения безопасности, ядерной медицины, кристаллографии и астрофизики, пишут авторы в Nature.

Нейтроны — это электрически нейтральные тяжелые частицы, которые входят в состав атомных ядер. Свободные нейтроны могут появляться в результате ядерных реакций (как внутри заряда ядерного оружия, так и при работе атомных реакторов), они используются для определения кристаллических структур веществ и прилетают на Землю из космоса в составе космических лучей.

Существует классификация нейтронов по энергиям отдельных частиц. Одной из категорий являются тепловые нейтроны, которые обладают кинетической энергией порядка 0,025 электронвольт — наиболее вероятной при комнатной температуре. Такие частицы характеризуются длиной волны де Бройля, примерно соответствующей расстоянию между атомами или молекулами в твердых телах, что позволяет изучать строение вещества при помощи их дифракции на структуре материалов.

Тепловые нейтроны трудно зафиксировать: обычно используют поглощение ядрами с последующим испусканием заряженных частиц, которые регистрируют непосредственно. Сегодня основные методы детектирования тепловых нейтронов основаны на заполненных гелием-3 пропорциональных счетчиках или сцинтилляторах. Однако они обладают рядом недостатков: как правило, они весьма объемны, гелий-3 представляет собой редкий и дорогой изотоп, а сцинтилляторы требуют дополнительного оборудования для регистрации возникающего свечения.

Ученые из США под руководством Меркури Канатзидиса (Mercouri Kanatzidis) из Северо-Западного университета разработали принципиально новый детектор, который состоит из плоских слоев полупроводникового соединения лития, индия, фосфора и селена LiInP₂Se₆. Главное преимущество вещества в том, что оно позволяет напрямую детектировать нейтроны, так как и поглощение, и регистрация этого события происходят внутри самого полупроводника.

Ключевой особенностью стало использование высокой концентрации изотопов с большим сечением поглощения тепловых нейтронов — в данном случае это литий-6, по которому синтезированное авторами вещество было обогащено до 95 процентов по сравнению с 8 процентами содержания в природном веществе. Реакция с нейтроном приводит к распаду лития на тритий и гелий-4, на которые суммарно приходится около 5 мегаэлектронвольт кинетической энергии. По этому показателю литий-6 лучше, чем другие подобные ядра, такие как гелий-3 или бор-10, что потенциально позволяет создавать более чувствительные и менее шумные приемники.

Принцип работы нового устройства аналогичен полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения — продукты распада поглотившего нейтрон лития создают внутри вещества свободные заряды (электроны и дырки), которые под действием приложенного поля перемещаются и регистрируются как электрический сигнал.

Проведенные авторами тесты показали, что материал способен регистрировать даже небольшие потоки нейтронов от плутониевого источника. Более того, время срабатывания составило всего несколько наносекунд.

Ранее физики измерили скорость ядерной миграции нейтронов, уточнили максимальное значение заряда нейтрона и определили предельно тяжелые изотопы неона и фтора.

Тимур Кешелава