Enkelt proton belyser perovskit nanokrystal-baserede transmissive tynde scintillatorer

National University of Singapore (NUS) forskere har udviklet en transmissiv tynd scintillator ved hjælp af perovskit nanokrystaller, designet til realtidssporing og optælling af enkelte protoner. Den exceptionelle følsomhed tilskrives biexcitonisk strålingsemission genereret gennem protoninduceret opkonvertering og stødionisering.

Påvisningen af ​​energiske partikler spiller en vigtig rolle i at fremme videnskab og teknologi på forskellige områder, lige fra grundlæggende fysik til kvanteteknologi, udforskning af det dybe rum og protonkræftterapi. Den stigende efterspørgsel efter præcis dosiskontrol i protonterapi har givet næring til omfattende forskning i protondetektorer. En lovende tilgang til at muliggøre protontælling under strålebehandling involverer udviklingen af ​​højtydende tyndfilmsdetektorer, der er transmissive for protoner.

På trods af fremskridt inden for siliciumbaseret, kemisk dampaflejring, diamantbaserede og andre typer protondetektorer i de senere år, er en grundlæggende udfordring stadig uløst:Opnåelse af protonbestråling i realtid med enkeltprotontællingsnøjagtighed.

Ved enkeltprotondetektion er det detekterbare signal grundlæggende begrænset af detektorens tykkelse. Derfor skal en protontransmissiv detektor fremstilles i en ultratynd tykkelse, samtidig med at følsomheden for enkeltprotondetektion bevares.

Eksisterende partikeldetektorer, såsom ioniseringskamre, siliciumbaserede detektorer og enkeltkrystalscintillatorer, er for omfangsrige til at tillade transmission af protoner. Derudover lider organiske plastscintillatorer af lave scintillationsudbytter og lave partikelstrålingstolerancer på grund af deres lave elektrontæthed, hvilket hæmmer deres enkeltprotondetektionsfølsomhed.

Et forskerhold ledet af professor Liu Xiaogang fra Institut for Kemi og lektor Andrew Bettiol fra Institut for Fysik, NUS demonstrerede realtidsdetektering og optælling af enkelte protoner ved hjælp af tyndfilm transmissive scintillatorer lavet af CsPbBr₃ nanokrystaller.

Denne tilgang tilbyder uovertruffen følsomhed med et lysudbytte, der er omtrent det dobbelte af kommercielt tilgængelige BC-400 plast tyndfilm scintillatorer og 10 gange større end konventionelle bulk scintillatorer såsom LYSO:Ce, BGO og YAG:Ce krystaller. Disse resultater er blevet publiceret i tidsskriftet Nature Materials .

Tyndfilms nanokrystalscintillatorerne, med en tykkelse på ca. 5 µm, udviser høj følsomhed, der giver mulighed for en detektionsgrænse på 7 protoner pr. sekund. Denne følsomhed er omkring fem størrelsesordener lavere end klinisk relevante tællehastigheder, hvilket gør den til et betydeligt fremskridt inden for enkeltprotondetektionsteknologi.

Forskerholdet har fremsat og underbygget en ny teori om scintillationsmekanismerne induceret af protoner i CsPbBr₃ nanokrystaller. De har verificeret, at proton-induceret scintillation primært stammer fra populationen af ​​den biexcitoniske tilstand i CsPbBr₃ nanokrystaller, lettet af processen med proton-induceret opkonvertering og slagionisering. Dette fund repræsenterer et væsentligt bidrag til forståelsen af ​​protonscintillation i perovskit nanokrystaller.

Ved at bruge den forbedrede følsomhed sammen med den hurtige respons (~336 ps) på protonstråler og udtalt ionstabilitet (op til en fluens på 10 ¹⁴ protoner pr. cm ² ), demonstrerede forskerne yderligere anvendelser af CsPbBr₃ nanokrystal scintillatorer. Disse omfatter enkeltprotonsporing, mønstret bestråling i realtid og protonbilleddannelse med superopløsning.

Bemærkelsesværdigt har deres undersøgelse vist en rumlig opløsning på under 40 nm til protonbilleddannelse; dette rummer et enormt løfte om at fremme forskellige områder, såsom materialekarakterisering, medicinsk billeddannelse og videnskabelig forskning.

Prof Liu sagde, "Det gennembrud, der præsenteres i dette arbejde, vil være af stor interesse for partikelstrålingsdetektionssamfund, der tilbyder både grundlæggende indsigt i nye mekanismer for protonscintillation og tekniske fremskridt inden for banebrydende enkeltiondetektionsfølsomhed ved hjælp af ultratynde protontransmissive scintillatorer.

"I særdeleshed disse CsPbBr₃ nanokrystal scintillatorer har et overvældende løfte om at fremme detektionsteknologi inden for protonterapi og protonradiografi."

Flere oplysninger: Zhaohong Mi et al., Enkeltprotontælling i realtid med transmissive perovskit nanokrystalscintillatorer, naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01782-z

Leveret af National University of Singapore