I ricercatori dell'Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato uno scintillatore sottile trasmissivo utilizzando nanocristalli di perovskite, progettato per il tracciamento e il conteggio in tempo reale di singoli protoni. L'eccezionale sensibilità è attribuita all'emissione radiativa bieccitonica generata attraverso la conversione indotta dai protoni e la ionizzazione per impatto.
Il rilevamento di particelle energetiche svolge un ruolo importante nel progresso della scienza e della tecnologia in vari campi, che vanno dalla fisica fondamentale alla tecnologia quantistica, all’esplorazione dello spazio profondo e alla terapia del cancro con protoni. La crescente richiesta di un controllo preciso della dose nella terapia protonica ha alimentato una vasta ricerca sui rilevatori di protoni. Un approccio promettente per consentire il conteggio dei protoni durante la radioterapia prevede lo sviluppo di rilevatori a film sottile ad alte prestazioni trasmissivi ai protoni.
Nonostante i progressi compiuti negli ultimi anni nei rivelatori di protoni a base di silicio, di deposizione chimica in fase vapore, di diamante e di altro tipo, una sfida fondamentale rimane irrisolta:ottenere l'irradiazione di protoni in tempo reale con precisione di conteggio di un singolo protone.
Nel rilevamento di un singolo protone, il segnale rilevabile è fondamentalmente limitato dallo spessore del rilevatore. Pertanto, un rilevatore trasmissivo di protoni deve essere fabbricato con uno spessore ultrasottile pur mantenendo la sensibilità per il rilevamento di un singolo protone.
I rilevatori di particelle esistenti, come le camere di ionizzazione, i rilevatori a base di silicio e gli scintillatori a cristallo singolo, sono troppo ingombranti per consentire la trasmissione di protoni. Inoltre, gli scintillatori di plastica organica soffrono di basse rese di scintillazione e basse tolleranze alle radiazioni delle particelle a causa della loro bassa densità elettronica, che ostacola la loro sensibilità di rilevamento di protoni singoli.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Liu Xiaogang del Dipartimento di Chimica e dal professore associato Andrew Bettiol del Dipartimento di Fisica, NUS ha dimostrato il rilevamento e il conteggio in tempo reale di singoli protoni utilizzando scintillatori trasmissivi a film sottile costituiti da CsPbBr3 nanocristalli.
Questo approccio offre una sensibilità senza precedenti con una resa luminosa circa doppia rispetto a quella degli scintillatori plastici a film sottile BC-400 disponibili in commercio e 10 volte maggiore rispetto agli scintillatori sfusi convenzionali come i cristalli LYSO:Ce, BGO e YAG:Ce. Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials .
Gli scintillatori nanocristallini a film sottile, con uno spessore di circa 5 µm, mostrano un'elevata sensibilità che consente un limite di rilevamento di 7 protoni al secondo. Questa sensibilità è inferiore di circa cinque ordini di grandezza rispetto alle velocità di conteggio clinicamente rilevanti, il che la rende un progresso significativo nella tecnologia di rilevamento di protoni singoli.
Il gruppo di ricerca ha presentato e corroborato una nuova teoria riguardante i meccanismi di scintillazione indotti dai protoni in CsPbBr3 nanocristalli. Hanno verificato che la scintillazione indotta da protoni deriva principalmente dalla popolazione dello stato bieccitonico in CsPbBr3 nanocristalli, facilitati dal processo di upconversion indotto dai protoni e dalla ionizzazione per impatto. Questa scoperta rappresenta un contributo significativo alla comprensione della scintillazione protonica nei nanocristalli di perovskite.
Utilizzando la sensibilità migliorata, insieme alla risposta rapida (~336 ps) ai fasci di protoni e alla pronunciata ionostabilità (fino a una fluenza di 10 14 protoni per cm 2 ), i ricercatori hanno dimostrato ulteriori applicazioni del CsPbBr3 scintillatori nanocristallini. Questi includono il tracciamento di un singolo protone, l'irradiazione modellata in tempo reale e l'imaging di protoni a super risoluzione.
Sorprendentemente, il loro studio ha mostrato una risoluzione spaziale inferiore a 40 nm per l’imaging dei protoni; ciò rappresenta un'enorme promessa per il progresso di vari campi, come la caratterizzazione dei materiali, l'imaging medico e la ricerca scientifica.
Il professor Liu ha affermato:"La svolta presentata in questo lavoro sarebbe di notevole interesse per le comunità di rilevamento delle radiazioni di particelle, offrendo sia approfondimenti fondamentali sui nuovi meccanismi di scintillazione protonica sia progressi tecnici nella rivoluzionaria sensibilità di rilevamento di singoli ioni utilizzando scintillatori ultrasottili a trasmissione protonica. /P>
"In particolare questi CsPbBr3 Gli scintillatori a nanocristalli sono estremamente promettenti per il progresso della tecnologia di rilevamento nella terapia protonica e nella radiografia protonica."
Ulteriori informazioni: Zhaohong Mi et al, Conteggio di un singolo protone in tempo reale con scintillatori trasmissivi di nanocristalli di perovskite, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01782-z
Fornito dall'Università Nazionale di Singapore
