Nanocomposites Scintillants pour une détection Nucléaire/Radioactive renforcée – SciNapS

Afin de faire respecter le traité de non-prolifération nucléaire et dans un contexte terroriste accru, la détection et l’identification de matériel nucléaire et radioactif (N/R) représente un enjeu crucial. Cette surveillance N/R est réalisée par des matériaux scintillants qui convertissent les radiations incidentes en photons de scintillation. La surveillance du territoire est alors assurée via le déploiement de portiques de détection embarquant des scintillateurs plastiques (SPs) présentant les avantages suivants : production grands volumes à bas coût, résistants aux conditions climatiques extérieures et modifiables à façon selon le type de détection visé. Le principal verrou technologique de ce type de capteur reste néanmoins leur faible pouvoir d’arrêt de rayonnement à haute énergie. Composés majoritairement d’atomes de carbone, hydrogène et oxygène, les SPs possèdent un faible numéro atomique effectif (Zeff) diminuant significativement leur pouvoir d’arrêt vis-à-vis des rayonnements gamma de haute énergie et détériorant l’information d’identification sur le signal d’analyse. Des stratégies précédentes ont employées des composés organométalliques de Bismuth ou de Plomb pour augmenter le Zeff des PSs, mais l’augmentation du pourcentage d’organométalliques a provoqué systématiquement une chute significative du rendement de luminescence. De récentes études ont établi une preuve de concept de l’utilisation de nanoparticules à haut numéro atomique (Z) et leur incorporation à haut taux de dopage dans de nouveaux Scintillateurs NanoComposites (SNCs). Ces développements permettraient d’adresser d’autres secteurs d’applications comme le diagnostic médical.

Le project SciNapS vise à développer d’autres types de Scintillateurs NanoComposites à Zeff augmentés via l’intégration dans des matrices plastiques d’une large quantité de matériaux nanophotoniques à haut Z. Différents nanomatériaux seront étudiés tels que des nanocristaux de fluorures dopés Cerium (La1-xCexF3, LiGd1-xCexF4), des Quantum Plates (CdSe/CdS, CdS-ZnSe) et des nanoparticules métalliques mono-, bi- ou trimétallique d’or, argent et platine ou d’indium.
Pour chaque type de nanomatériaux, des simulations Monte-Carlo identifieront les meilleurs candidats et optimiseront leurs conditions de dispersion (i.e. distance inter-objet, taux de dopage). La synthèse de ces nano-objets (i.e. différentes compositions, structures, tailles) et leur modification de surface (traitement thermiques, cœur/coquilles adaptées (CdS, ZnS), tensio-actifs polymérisables) permettront le réglage fin de leur émission photonique (i.e. longueurs d’ondes d’absorption et d’émissions, rendement quantique, temps de vie de fluorescence) ainsi que leur dispersion à haute quantité (sup. à 20%m, idéalement sup. à 50%m) dans des matrices monomères aromatiques tel que le styrène. Des nanocomposites scintillants seront ensuite produits en se basant sur des procédés similaires aux SPs ou en développant de nouvelles approches si nécessaire, puis analysés en termes structural (SAXS), photoniques (temps de vie, FRET, rendement quantique) et de réponse aux rayons gamma (rendement de radioluminescence, présence de pics caractéristiques d’absorption totale). Une analyse comparative avec les références commerciales (benchmark) et une étude de marché sera alors menées sur les meilleurs SNCs obtenus, puis suivra le cas échéant une étude de montée à l’échelle de production des nanomatériaux et des SNCs.
Le projet SciNapS regroupe trois équipes de recherches académiques (Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), Laboratoire Léon Brillouin (LLB), CEA-List), une PME spécialisée en Quantum Plates (Nexdot) et un industriel leader en production de scintillateurs plastiques (Nuvia). Ce consortium pluridisciplinaire propose ainsi un large maillage de la recherche académique, entrepreneurial et industrielle française.