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, которых 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.