Vũ khí, thiết bị và vật liệu hạt nhân là mối quan tâm hàng đầu của nhân loại và luôn nằm top đầu trong các kịch bản khủng bố đáng sợ nhất. Do vậy, việc phát triển các công nghệ giúp phát hiện việc vận chuyển trái phép các nguyên liệu phóng xạ luôn là một nhiệm vụ công nghệ sống còn của các quốc gia.

Tại Mỹ, Viện nghiên cứu Công nghệ Georgia (GTRI) đang phát triển các phương pháp tăng cường hoạt động cho các thiết bị thăm dò phát hiện phóng xạ tại các cơ sở quan trọng như cảng, cửa khẩu hay sân bay.

Nhiệm vụ mà nhóm GTRI hướng tới là tạo ra các công nghệ có khả năng làm tăng hiệu quả và độ tin cậy của các thiết bị phát hiện tại hiện trường mà vẫn tiết kiệm chi phí.

Hai cơ quan đồng tài trợ cho công trình này là Văn phòng về Phòng vệ hạt nhân nội địa thuộc Bộ an ninh nội địa Mỹ và Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ.

Bernd Kahn, nghiên cứu viên chính trong đề tài nghiên cứu, cho biết: “Các nhân viên an ninh phải thực hiện hai nhiệm vụ liên quan đến phòng chống tấn công hạt nhân là chống bom hạt nhân và kiểm tra các thiết bị phát tán các vật liệu phóng xạ gây hại cho con người. Với công nghệ phù hợp, cả hai mối đe dọa này có thể đồng thời được phát hiện”.

GTRI hướng đến các vật liệu mới và kỹ thuật của công nghệ nano để chế tạo các thiết bị phát hiện phóng xạ cải tiến.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển được máy phát hiện xung nhịp phóng xạ bằng vật liệu quang-nano. Đây là một thiết bị thử nghiệm kết hợp các nguyên tố đất hiếm và vật liệu khác ở cấp độ nano để tăng độ nhạy, độ chính xác và cường độ hoạt động.

Theo Brent Wagner, nghiên cứu viên chính phụ trách dự án, đầu dò xung tần và đầu dò bán dẫn là hai công nghệ phổ biến trong dò tìm phóng xạ.

Đầu dò xung tần thường dùng một tinh thể muối NaI hay vật liệu khác tương tự còn công nghệ đầu dò bán dẫn thường dùng các vật liệu bán dẫn chẳng hạn germanium.

Cả hai công nghệ đều có thể phát hiện các tia gamma và các hạt lượng tử phát ra từ vật liệu phóng xạ. Các tia gamma hoặc các hạt lượng tử khi đập vào đầu dò xung tần sẽ tạo ra các chớp sáng có thể chuyển thành xung điện từ, từ đó có thể nhận dạng phóng xạ.

Đối với đầu dò bán dẫn, các tia gamma hoặc hạt lượng tử đi tới sẽ trực tiếp được ghi lại dưới dạng xung điện từ.

Theo Wagner, mỗi phản ứng với một tia gamma cần một khoảng thời gian cực ngắn, cỡ dưới một phần triệu giây. Bằng các xác định số lượng và cường độ xung cùng với một số nhân tố khác, chúng ta có thể đánh giá thông tin và kết luận về loại vật liệu phóng xạ bắt gặp.

Tuy nhiên cả hai cách tiếp cận hiện nay đều có hạn chế.

Công nghệ xung tần cần đến một tinh thể lớn, thường rất dễ vỡ hỏng, cồng kềnh, khó sản xuất và cực kỳ kỵ độ ẩm.

Đầu dò dùng nguyên tố germanium thì có thể phát hiện nhiều loại nguyên liệu hạt nhân hơn nhưng hiện tại rất khó để sản xuất tinh thể germanium tinh khiết với số lượng lớn do đó chỉ có thể chế tạo các thiết bị kém nhạy với phạm vi dò tìm ngắn.

Hơn nữa, germanium cần được giữ ở nhiệt độ vô cùng thấp (-200 độ C) mới có thể hoạt động tốt nên rất khó để ứng dụng tại hiện trường.

Để vượt qua những trở ngại trên, GTRI nhắm đến nhiều loại vật liệu và phương pháp thay thế. Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn công nghệ xung tần để phát triển các vật liệu composite gồm các hạt nano của các nguyên tố đất hiếm, vật liệu chứa nguyên tố halogen và các ôxít có khả năng phát ra ánh sáng huỳnh quang.

Theo Wagner, sản xuất bột nano có thể là việc dễ dàng hơn bởi chúng ta không phải lo tạo ra một tinh thể lớn hoàn toàn không có sai hỏng.

Tiêu chuẩn tối quan trọng đối với khả năng phát hiện phóng xạ của một tinh thể phát hiện xung tần là nó phải cho ánh sáng xuyên qua hoàn toàn. Tinh thể hoàn hảo sẽ chuyển hóa ổn định và đều đặn các năng lượng tia gamma đi đến thành ánh sáng để có thể đo lường chính xác và kết luận về hoạt tính phóng xạ.

Khi một vật liệu trong suốt như các tinh thể hoặc thủy tinh bị vỡ thành các mảnh nhỏ hơn, các mảnh nhỏ sẽ mất đi tính trong suốt. Kết quả hỗn hợp các mảnh vỡ sẽ làm phát tán các phổ huỳnh quang hình thành từ các tia gamma nhận được.

Ánh sáng phát tán như vậy không giữ được tính ổn định và thống nhất khi hiếu đến bộ phận khuếch đại ánh sáng và kết quả đọc được sẽ bị sai lệch đáng kể.

Để khắc phục, GTRI giảm kích cỡ các hạt này tới mức độ nano. Khi kích cỡ các hạt được giảm xuống tầm 20nm hoặc ít hơn, hiệu ứng phát tán ánh sáng giảm hẳn do các hạt đã nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng tia gamma bắn tới.

Hiện tượng này có thể ví với một đợt sóng lớn ngoài biển. Sóng sẽ tương tác với con tàu lớn ngoài biển nhưng với một vật nổi cỡ quả bóng, sẽ không xảy ra tương tác.

Khi khởi đầu, nhóm nghiên cứu phát tán các hạt nano tinh thể nhạy phóng xạ trong một ma trận bằng plastic nhưng họ đã gặp khó khăn khi tìm cách phân bổ các hạt nano trên ma trận với mức độ đồng nhất đủ để có thể đọc chính xác kết quả phát hiện phóng xạ.

Sau đó, mục tiêu được chuyển hướng sang sử dụng thủy tinh thay vì plastic, kết hợp gadolinium và CeBr₃ với SiO₂ và nhôm.

Gadolinium và các vật liệu tương tự có tác dụng như một chất hấp thụ do đó đóng vai trò thiết yếu trong các thiết bị phát hiện xung nhịp phóng xạ. Tuy nhiên trong trường hợp này khi gadolinium hấp thụ các tia gamma đi tới, năng lượng sẽ không được chuyển hóa thành dạng huỳnh quang một cách hiệu quả.

Thay vào đó, vai trò phát sáng ở đây thuộc về một thành phần thứ hai là cerium. Gadolinum hấp thụ năng lượng từ tia gamma bắn tới và chuyển năng lượng này cho nguyên tử cerium, nguyên tử này sẽ đóng vai trò một chất phát xạ ánh sáng hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng sau khi làm nóng gadolinium, cerium, silic oxit và nhôm rồi làm lạnh hỗn hợp nóng chảy đó thành dạng rắn, gadolinium và cerium sẽ được phân bố đều trong lớp thủy tinh SiO₂. Khi khối vật liệu lạnh đi, gadolinium và cerium kết tủa và được phân bố đều trong khối kính mà không nằm trong dung dịch aluminosillicate đồng nhất. Khi cho các tia gamma bắn tới để thử nghiệm, hợp chất composite thu được cho các kết quả đáng tin cậy.

Wagner tỏ ra tự tin rằng GTRI đã tìm được một phương pháp hiệu quả để tạo ra vật liệu có tác dụng tốt tại hiện trường. Theo ông, nhóm nghiên cứu đang tiến hành các bước để vật liệu này có thể triển khai thành công gồm tinh sạch, làm đồng nhất và xác định-ổn định kích cỡ các hạt nano.