Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un centelleador fino transmisivo utilizando nanocristales de perovskita, diseñado para el seguimiento y recuento en tiempo real de protones individuales. La sensibilidad excepcional se atribuye a la emisión radiativa biexcitónica generada mediante conversión ascendente inducida por protones e ionización por impacto.
La detección de partículas energéticas desempeña un papel importante en el avance de la ciencia y la tecnología en diversos campos, desde la física fundamental hasta la tecnología cuántica, la exploración del espacio profundo y la terapia del cáncer con protones. La creciente demanda de un control preciso de la dosis en la terapia de protones ha impulsado una extensa investigación sobre los detectores de protones. Un enfoque prometedor para permitir el recuento de protones durante la radioterapia implica el desarrollo de detectores de película delgada de alto rendimiento que sean transmisores de protones.
A pesar de los avances en los últimos años en detectores de protones basados en silicio, deposición química de vapor, basados en diamantes y otros tipos, un desafío fundamental sigue sin resolver:lograr la irradiación de protones en tiempo real con precisión de conteo de un solo protón.
En la detección de un solo protón, la señal detectable está fundamentalmente limitada por el espesor del detector. Por lo tanto, se debe fabricar un detector transmisor de protones con un espesor ultrafino y al mismo tiempo conservar la sensibilidad para la detección de un solo protón.
Los detectores de partículas existentes, como las cámaras de ionización, los detectores basados en silicio y los centelleadores monocristalinos, son demasiado voluminosos para permitir la transmisión de protones. Además, los centelleadores de plástico orgánico sufren de bajos rendimientos de centelleo y bajas tolerancias a la radiación de partículas debido a su baja densidad electrónica, lo que dificulta su sensibilidad de detección de un solo protón.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Liu Xiaogang del Departamento de Química y el profesor asociado Andrew Bettiol del Departamento de Física de NUS demostró la detección y el recuento en tiempo real de protones individuales utilizando centelleadores transmisivos de película delgada hechos de CsPbBr3 nanocristales.
Este enfoque ofrece una sensibilidad incomparable con un rendimiento luminoso aproximadamente el doble que el de los centelleadores de película delgada de plástico BC-400 disponibles comercialmente y 10 veces mayor que los centelleadores a granel convencionales como los cristales LYSO:Ce, BGO y YAG:Ce. Estos resultados han sido publicados en la revista Nature Materials .
Los centelleadores de nanocristales de película delgada, con un espesor de aproximadamente 5 µm, exhiben una alta sensibilidad que permite un límite de detección de 7 protones por segundo. Esta sensibilidad es aproximadamente cinco órdenes de magnitud menor que las tasas de recuento clínicamente relevantes, lo que la convierte en un avance significativo en la tecnología de detección de un solo protón.
El equipo de investigación ha propuesto y fundamentado una nueva teoría sobre los mecanismos de centelleo inducidos por protones en CsPbBr3 nanocristales. Han comprobado que el centelleo inducido por protones surge principalmente de la población del estado biexcitónico en CsPbBr3 nanocristales, facilitado por el proceso de conversión ascendente inducida por protones e ionización por impacto. Este hallazgo representa una contribución significativa a la comprensión del centelleo de protones en nanocristales de perovskita.
Utilizando la sensibilidad mejorada, junto con la respuesta rápida (~336 ps) a los haces de protones y la pronunciada ionostabilidad (hasta una fluencia de 10 14 protones por cm 2 ), los investigadores demostraron aplicaciones adicionales del CsPbBr3 centelleadores de nanocristales. Estos incluyen el rastreo de un solo protón, la irradiación modelada en tiempo real y las imágenes de protones de súper resolución.
Sorprendentemente, su estudio ha mostrado una resolución espacial inferior a 40 nm para imágenes de protones; Esto es muy prometedor para el avance de diversos campos, como la caracterización de materiales, las imágenes médicas y la investigación científica.
El profesor Liu dijo:"El avance presentado en este trabajo sería de considerable interés para las comunidades de detección de radiación de partículas, ya que ofrece conocimientos fundamentales sobre nuevos mecanismos de centelleo de protones y avances técnicos en la innovadora sensibilidad de detección de un solo ion utilizando centelleadores ultrafinos transmisores de protones". /P>
"En particular, estos CsPbBr3 Los centelleadores de nanocristales son abrumadoramente prometedores para el avance de la tecnología de detección en terapia de protones y radiografía de protones".
Más información: Zhaohong Mi et al, Recuento de un solo protón en tiempo real con centelleadores transmisivos de nanocristales de perovskita, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01782-z
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
