Forskare från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en transmissiv tunn scintillator som använder perovskit nanokristaller, designad för spårning och räkning av enstaka protoner i realtid. Den exceptionella känsligheten tillskrivs biexcitonisk strålning som genereras genom protoninducerad uppkonvertering och stötjonisering.
Detekteringen av energetiska partiklar spelar en viktig roll för att främja vetenskap och teknik inom olika områden, allt från grundläggande fysik till kvantteknologi, utforskning av rymden och protoncancerterapi. Den ökande efterfrågan på exakt doskontroll inom protonterapi har underblåst omfattande forskning om protondetektorer. Ett lovande tillvägagångssätt för att möjliggöra protonräkning under strålbehandling involverar utvecklingen av högpresterande tunnfilmsdetektorer som är transmissiva för protoner.
Trots framsteg inom kiselbaserade, kemiska ångavsättningar, diamantbaserade och andra typer av protondetektorer under de senaste åren, är en grundläggande utmaning fortfarande olöst:att uppnå protonbestrålning i realtid med noggrannhet vid räkning av en proton.
Vid enkelprotondetektering är den detekterbara signalen i grunden begränsad av detektorns tjocklek. Därför måste en protongenomsläpplig detektor tillverkas i en ultratunn tjocklek samtidigt som känsligheten för enkelprotondetektering bibehålls.
Befintliga partikeldetektorer, såsom joniseringskammare, kiselbaserade detektorer och enkristallscintillatorer, är för skrymmande för att tillåta överföring av protoner. Dessutom lider organiska plastscintillatorer av låga scintillationsutbyten och låga partikelstrålningstoleranser på grund av deras låga elektrondensitet, vilket hämmar deras känslighet för detektering av en proton.
En forskargrupp ledd av professor Liu Xiaogang från Institutionen för kemi och docent Andrew Bettiol från Institutionen för fysik, NUS demonstrerade realtidsdetektering och räkning av enstaka protoner med tunnfilmstransmissiva scintillatorer gjorda av CsPbBr3 nanokristaller.
Detta tillvägagångssätt erbjuder oöverträffad känslighet med ett ljusutbyte som är ungefär dubbelt så högt som kommersiellt tillgängliga BC-400 tunnfilmsscintillatorer av plast och 10 gånger större än konventionella bulkscintillatorer som LYSO:Ce, BGO och YAG:Ce-kristaller. Dessa resultat har publicerats i tidskriften Nature Materials .
De tunnfilms nanokristallscintillatorerna, med en tjocklek på cirka 5 µm, uppvisar hög känslighet som tillåter en detektionsgräns på 7 protoner per sekund. Denna känslighet är ungefär fem storleksordningar lägre än kliniskt relevanta räknehastigheter, vilket gör den till ett betydande framsteg inom teknik för detektering av en proton.
Forskargruppen har lagt fram och underbyggt en ny teori om scintillationsmekanismerna inducerade av protoner i CsPbBr3 nanokristaller. De har verifierat att protoninducerad scintillation främst härrör från populationen av det biexcitoniska tillståndet i CsPbBr3 nanokristaller, som underlättas av processen med protoninducerad uppkonvertering och slagjonisering. Detta fynd representerar ett betydande bidrag till förståelsen av protonscintillation i perovskit nanokristaller.
Genom att använda den förbättrade känsligheten, tillsammans med den snabba responsen (~336 ps) på protonstrålar och uttalad jonostabilitet (upp till en fluens på 10 14 protoner per cm 2 ), visade forskarna ytterligare tillämpningar av CsPbBr3 nanokristallscintillatorer. Dessa inkluderar spårning av en proton, mönstrad realtidsstrålning och protonavbildning med superupplösning.
Anmärkningsvärt nog har deras studie visat upp en rumslig upplösning på under 40 nm för protonavbildning; detta har ett enormt löfte för att utveckla olika områden, såsom materialkarakterisering, medicinsk bildbehandling och vetenskaplig forskning.
Prof Liu sa, "Det genombrott som presenteras i detta arbete skulle vara av stort intresse för samhällen för detektering av partikelstrålning, och erbjuda både grundläggande insikter i nya mekanismer för protonscintillation och tekniska framsteg inom banbrytande singeljondetektionskänslighet med ultratunna protontransmissiva scintillatorer." /P>
"Särskilt dessa CsPbBr3 nanokristallscintillatorer har ett överväldigande löfte om att avancera detektionsteknologi inom protonterapi och protonröntgen."
Mer information: Zhaohong Mi et al, Enkelprotonräkning i realtid med transmissiva perovskit nanokristallscintillatorer, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01782-z
Tillhandahålls av National University of Singapore
