Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé un scintillateur mince transmissif utilisant des nanocristaux de pérovskite, conçu pour le suivi et le comptage en temps réel de protons uniques. La sensibilité exceptionnelle est attribuée à l'émission radiative biexcitonique générée par la conversion ascendante induite par les protons et l'ionisation par impact.
La détection de particules énergétiques joue un rôle important dans l’avancement de la science et de la technologie dans divers domaines, allant de la physique fondamentale à la technologie quantique, en passant par l’exploration de l’espace lointain et la thérapie protonique contre le cancer. La demande croissante d’un contrôle précis de la dose en protonthérapie a alimenté des recherches approfondies sur les détecteurs de protons. Une approche prometteuse pour permettre le comptage de protons pendant la radiothérapie implique le développement de détecteurs à couches minces hautes performances transmissifs aux protons.
Malgré les progrès réalisés ces dernières années dans les détecteurs de protons à base de silicium, par dépôt chimique en phase vapeur, à base de diamant et autres, un défi fondamental reste non résolu :parvenir à une irradiation de protons en temps réel avec une précision de comptage d'un seul proton.
Dans la détection d'un seul proton, le signal détectable est fondamentalement limité par l'épaisseur du détecteur. Par conséquent, un détecteur transmettant des protons doit être fabriqué avec une épaisseur ultra-mince tout en conservant la sensibilité pour la détection d'un seul proton.
Les détecteurs de particules existants, tels que les chambres d'ionisation, les détecteurs à base de silicium et les scintillateurs monocristallins, sont trop encombrants pour permettre la transmission de protons. De plus, les scintillateurs plastiques organiques souffrent de faibles rendements de scintillation et de faibles tolérances au rayonnement des particules en raison de leur faible densité électronique, ce qui entrave leur sensibilité de détection d'un seul proton.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Liu Xiaogang du département de chimie et le professeur agrégé Andrew Bettiol du département de physique de la NUS a démontré la détection et le comptage en temps réel de protons uniques à l'aide de scintillateurs transmissifs à couche mince en CsPbBr3 nanocristaux.
Cette approche offre une sensibilité inégalée avec un rendement lumineux environ le double de celui des scintillateurs à couches minces en plastique BC-400 disponibles dans le commerce et 10 fois supérieur à celui des scintillateurs en vrac classiques tels que les cristaux LYSO:Ce, BGO et YAG:Ce. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials .
Les scintillateurs nanocristaux en couches minces, d'une épaisseur d'environ 5 µm, présentent une sensibilité élevée qui permet une limite de détection de 7 protons par seconde. Cette sensibilité est inférieure d'environ cinq ordres de grandeur aux taux de comptage cliniquement pertinents, ce qui en fait une avancée significative dans la technologie de détection d'un seul proton.
L'équipe de recherche a avancé et étayé une nouvelle théorie concernant les mécanismes de scintillation induits par les protons dans CsPbBr3 nanocristaux. Ils ont vérifié que la scintillation induite par les protons provient principalement de la population de l'état biexcitonique dans CsPbBr3 nanocristaux, facilités par le processus de conversion ascendante induit par les protons et d'ionisation par impact. Cette découverte représente une contribution significative à la compréhension de la scintillation des protons dans les nanocristaux de pérovskite.
En utilisant la sensibilité améliorée, ainsi que la réponse rapide (~ 336 ps) aux faisceaux de protons et la iono-stabilité prononcée (jusqu'à une fluence de 10 14 protons par cm 2 ), les chercheurs ont démontré des applications supplémentaires du CsPbBr3 scintillateurs à nanocristaux. Ceux-ci incluent le traçage d'un proton unique, l'irradiation structurée en temps réel et l'imagerie protonique à super-résolution.
Remarquablement, leur étude a mis en évidence une résolution spatiale inférieure à 40 nm pour l’imagerie des protons; cela est extrêmement prometteur pour faire progresser divers domaines, tels que la caractérisation des matériaux, l'imagerie médicale et la recherche scientifique.
Le professeur Liu a déclaré :« La percée présentée dans ce travail serait d'un intérêt considérable pour les communautés de détection des rayonnements de particules, offrant à la fois des informations fondamentales sur les nouveaux mécanismes de scintillation des protons et des avancées techniques dans la sensibilité révolutionnaire de la détection d'un seul ion à l'aide de scintillateurs ultrafins à transmission de protons. /P>
"En particulier, ces CsPbBr3 Les scintillateurs à nanocristaux sont extrêmement prometteurs pour faire progresser la technologie de détection en protonthérapie et en radiographie protonique."
Plus d'informations : Zhaohong Mi et al, Comptage de protons uniques en temps réel avec des scintillateurs transmissifs à nanocristaux de pérovskite, Nature Materials (2024). DOI :10.1038/s41563-023-01782-z
Fourni par l'Université nationale de Singapour
