les chercheurs 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 effects.
La détection de particules énergétiques joue un rôle vital 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 section 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 moreover, 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 de la NUS 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 couches minces constitués de nanocristaux CsPbBr3. Cette approche offre une sensibilité inégalée avec un rendement lumineux approximativement le double de celui des scintillateurs à couches minces en plastique BC-400 disponibles dans le commerce et dix fois supérieur à celui des scintillateurs en vrac classiques tels que les cristaux LYSO :Ce, BGO et YAG :Ce.
Leurs découvertes ont été publiées dans la revue Character Resources.
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 les nanocristaux de CsPbBr3. Ils ont vérifié que la scintillation induite par les protons provient principalement de la populace de l’état biexcitonique dans les nanocristaux de CsPbBr3, facilitée par le processus de conversion ascendante induit par les protons et d’ionisation par affect. 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 1 014 protons par cm2), les chercheurs ont démontré des programs supplémentaires des scintillateurs à nanocristaux CsPbBr3. Il s’agit notamment du traçage d’un proton special, de l’irradiation structurée en temps réel et de l’imagerie protonique à tremendous-résolution. Remarquablement, leur étude a mis en évidence une résolution spatiale inférieure à 40 nm pour l’imagerie protonique 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 approaches dans la sensibilité révolutionnaire de la détection d’un seul ion à l’aide de scintillateurs ultrafins à transmission de protons. En particulier, ces scintillateurs à nanocristaux CsPbBr3 sont très prometteurs pour faire progresser la technologie de détection en protonthérapie et en radiographie protonique.
