Ny halvlederdetektor viser løfte om medicinsk diagnostik og hjemlandsikkerhed

Sikkerhedsembedsmænd har til opgave at forhindre kriminelle i at smugle farligt materiale ind i et land, og det har været vanskeligt og dyrt at opdage nukleare stoffer. Nu har forskere fra Northwestern University udviklet nye enheder baseret på et billigt materiale for at hjælpe med påvisning og identifikation af radioaktive isotoper.

Brug af cæsium blybromid i form af perovskitkrystaller, forskerholdet fandt ud af, at de var i stand til at skabe højeffektive detektorer i både små, bærbare enheder til feltforskere og meget store detektorer. Resultaterne er mere end et årti undervejs.

Nordvestlig professor Mercouri Kanatzidis, hvem ledede forskningen, sagde, at ud over at være billigere end typiske enheder, den nye metode til at detektere gammastråler er også meget i stand til at skelne mellem stråler med forskellige energier. Denne metode giver brugerne mulighed for at identificere lovlige versus ulovlige gammastråler. Detektorer som disse er kritiske for den nationale sikkerhed, hvor de bruges til at opdage ulovligt nukleart materiale smuglet på tværs af grænser og hjælpe til nuklear efterforskning, samt inden for medicinsk billeddiagnostik.

"Ved at bruge perovskite-materialet, vi har opnået høj opløsning i energidetektion for gammastråler ved hjælp af et pixeleret detektordesign, " sagde Kanatzidis. "Dette tager os et skridt tættere på at skabe elektroniske systemer til medicinsk diagnostik og billeddannelse, lufthavnssikkerhed og mere."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort 7. december i tidsskriftet Naturfotonik .

Kanatzidis er Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences. Han har en fælles aftale med Argonne National Laboratory.

I tidligere forskning, holdet sammenlignede ydeevnen af ​​den nye cæsium blybromiddetektor med den konventionelle cadmium zink tellurid (CZT) detektor og fandt, at den fungerede lige så godt til at detektere gammastråler.

Men ny forskning, der forbedrede krystalstørrelser og udnyttede pixels frem for plane elektroder, har avanceret den spektrale opløsning langt ud over konventionelle designs, fra omkring 3,8 % til 1,4 %, detekterer energi selv fra meget svage kilder.

Radioaktive isotoper udsender gammastråler, der afviger lidt i energi, afviger ofte med blot nogle få procentpoint. Ved at bruge det nye materiale, brugere kan bedre identificere kilden til gammastråler ved at lokalisere forskelle ned til nogle få procentpoint.

Ud over, Brug af selv lidt urene materialer gør typisk detektorer mindre effektive eller ikke-funktionelle, og producenter af enheder skal søge ultraren CZT for at producere effektive aflæsninger. Til forskernes overraskelse, deres eget materiale kunne have 5 til 10 gange flere urenheder end CZT og stadig præstere, gør det nemmere og billigere at producere. Opløsning er også afgørende for medicinsk billedbehandling som SPECT-scanninger.

Kanatzidis sagde, at der er stor interesse for området, især i betragtning af omkostningerne og sikkerhedskonsekvenserne af defekt udstyr. Men fremskridt på dette område, han sagde, har været langsom, primært fordi forskergrupper fokuserer enten på materialesyntese eller på røntgen- og gammastråledetektorer - hans gruppe gør begge dele. Kanatzidis' laboratorium kiggede på mere end 60 lovende forbindelser, før de landede på cæsium blybromid.

Selv med fremskridt muliggjort af det nye materiale, Kanatzidis sagde, at hans arbejde med samarbejdspartnere i Northwestern og Argonne ikke slutter.

"Vores hylde er fuld af nye muligheder, vi endnu ikke har undersøgt dybere, " sagde Kanatzidis. "Min forskergruppe er en sjælden kombination af ingeniørsiden og krystalvækstsiden af ​​tingene."

Yihui Han er forskningsassistent i Kanatzidis-laboratoriet og den første forfatter af papiret.

"De nye enhedsfabrikationsprotokoller, vi rapporterer med vores samarbejdspartnere ved University of Michigan, kan føre til masseproduktion af cæsiumblybromiddetektorer i den nærmeste fremtid, " Han sagde.

Professor Zhong Hes gruppe ved University of Michigan deltog i detektorkarakterisering og -analyse. Argonne-videnskabsmanden Duck Young Chung var en ledende samarbejdspartner i indsatsen.

Kanatzidis og kolleger har grundlagt en ny virksomhed, Actinia, at kommercialisere cæsiumblybromiddetektorer til gamma- og røntgenpåvisning og identifikation. Disse nye detektorer vil have vidtrækkende implikationer i medicinsk diagnostik, homeland security og nuklear sikkerhed.