Um único próton ilumina cintiladores finos transmissivos baseados em nanocristais de perovskita
(A) mostra o esquema da luminescência induzida por feixe de prótons (ionoluminescência) em um cintilador fino de transmissão compreendendo CsPbBr3 nanocristais (estrutura cúbica) e ionização induzida por prótons para produzir elétrons secundários (raios δ). (B) apresenta o mecanismo proposto de cintilação de prótons, incluindo formação de excitons de alta densidade via conversão ascendente induzida por prótons bombeada por raios δ de baixa energia e ionização de impacto bombeada por raios δ de alta energia (painel esquerdo), formação de biexcitons via exciton interação -exciton (painel do meio) e processos de desexcitação via recombinação radiativa de biexcitons acompanhada por um rápido processo Auger não radiativo (painel direito). Crédito:Mi Zhaohong Pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) desenvolveram um cintilador fino transmissivo usando nanocristais de perovskita, projetado para rastreamento e contagem em tempo real de prótons únicos. A sensibilidade excepcional é atribuída à emissão radiativa biexcitônica gerada por conversão ascendente induzida por prótons e ionização por impacto.
A detecção de partículas energéticas desempenha um papel importante no avanço da ciência e da tecnologia em vários campos, desde a física fundamental até a tecnologia quântica, exploração do espaço profundo e terapia do câncer de prótons. A crescente demanda por controle preciso de dose na terapia de prótons alimentou extensas pesquisas em detectores de prótons. Uma abordagem promissora para permitir a contagem de prótons durante a radioterapia envolve o desenvolvimento de detectores de película fina de alto desempenho que são transmissivos aos prótons.
Apesar dos avanços nos detectores de prótons à base de silício, à deposição química de vapor, à base de diamante e outros tipos de detectores de prótons nos últimos anos, um desafio fundamental permanece sem solução:alcançar a irradiação de prótons em tempo real com precisão de contagem de prótons únicos.
Na detecção de próton único, o sinal detectável é fundamentalmente limitado pela espessura do detector. Portanto, um detector transmissivo de prótons deve ser fabricado com uma espessura ultrafina, mantendo a sensibilidade para detecção de próton único.
Os detectores de partículas existentes, como câmaras de ionização, detectores à base de silício e cintiladores monocristalinos, são demasiado volumosos para permitir a transmissão de protões. Além disso, os cintiladores de plástico orgânico sofrem de baixos rendimentos de cintilação e baixas tolerâncias à radiação de partículas devido à sua baixa densidade eletrônica, o que dificulta sua sensibilidade de detecção de próton único.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Liu Xiaogang do Departamento de Química e pelo Professor Associado Andrew Bettiol do Departamento de Física, NUS demonstrou a detecção e contagem em tempo real de prótons únicos usando cintiladores transmissivos de filme fino feitos de CsPbBr3 nanocristais.
Esta abordagem oferece sensibilidade incomparável com um rendimento de luz aproximadamente o dobro dos cintiladores de película fina de plástico BC-400 disponíveis comercialmente e 10 vezes maior do que os cintiladores convencionais, como os cristais LYSO:Ce, BGO e YAG:Ce. Esses resultados foram publicados na revista Nature Materials .
Os cintiladores de nanocristais de filme fino, com espessura de aproximadamente 5 µm, apresentam alta sensibilidade que permite um limite de detecção de 7 prótons por segundo. Esta sensibilidade é cerca de cinco ordens de grandeza inferior às taxas de contagem clinicamente relevantes, tornando-se um avanço significativo na tecnologia de detecção de próton único.
A equipe de pesquisa apresentou e fundamentou uma nova teoria sobre os mecanismos de cintilação induzidos por prótons em CsPbBr3 nanocristais. Eles verificaram que a cintilação induzida por prótons surge principalmente da população do estado biexcitônico em CsPbBr3 nanocristais, facilitados pelo processo de conversão ascendente induzida por prótons e ionização por impacto. Esta descoberta representa uma contribuição significativa para a compreensão da cintilação de prótons em nanocristais de perovskita.
Ao utilizar a sensibilidade aprimorada, juntamente com a resposta rápida (~336 ps) aos feixes de prótons e a pronunciada estabilidade iônica (até uma fluência de 10
14
prótons por cm
2
), os pesquisadores demonstraram aplicações adicionais do CsPbBr3 cintiladores de nanocristais. Isso inclui rastreamento de próton único, irradiação padronizada em tempo real e imagem de prótons de super-resolução.
Notavelmente, o estudo deles apresentou uma resolução espacial inferior a 40 nm para imagens de prótons; isso representa uma enorme promessa para o avanço de vários campos, como caracterização de materiais, imagens médicas e pesquisa científica.
O professor Liu disse:"O avanço apresentado neste trabalho seria de considerável interesse para as comunidades de detecção de radiação de partículas, oferecendo insights fundamentais sobre novos mecanismos de cintilação de prótons e avanços técnicos na sensibilidade inovadora de detecção de íons únicos usando cintiladores transmissivos de prótons ultrafinos.
"Em particular, estes CsPbBr3 cintiladores de nanocristais são uma promessa esmagadora para o avanço da tecnologia de detecção em terapia de prótons e radiografia de prótons."
Mais informações: Zhaohong Mi et al, Contagem de prótons únicos em tempo real com cintiladores transmissivos de nanocristais de perovskita, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01782-z Fornecido pela Universidade Nacional de Cingapura
