单质子照亮基于钙钛矿纳米晶体的透射薄闪烁体

新加坡国立大学 (NUS) 的研究人员利用钙钛矿纳米晶体开发了一种透射式薄闪烁体，专为实时跟踪和计数单个质子而设计。卓越的灵敏度归因于质子诱导上转换和碰撞电离产生的双激子辐射发射。

高能粒子的探测在从基础物理学到量子技术、深空探索和质子癌症治疗等各个领域的科学技术发展中发挥着重要作用。质子治疗中对精确剂量控制的需求不断增长，推动了对质子探测器的广泛研究。在放射治疗期间实现质子计数的一种有前景的方法是开发可传输质子的高性能薄膜探测器。

尽管近年来硅基、化学气相沉积、金刚石基和其他类型的质子探测器取得了进步，但一个根本性的挑战仍未解决：以单质子计数精度实现实时质子辐照。

在单质子检测中，可检测信号从根本上受到探测器厚度的限制。因此，质子透射探测器必须以超薄的厚度制造，同时保持单质子探测的灵敏度。

现有的粒子探测器，例如电离室、硅基探测器和单晶闪烁体，体积太大，无法传输质子。此外，有机塑料闪烁体由于其电子密度低而存在闪烁产率低和粒子辐射耐受性低的问题，这妨碍了它们的单质子检测灵敏度。

新加坡国立大学化学系教授刘晓刚和物理系副教授Andrew Bettiol领导的研究小组演示了使用由CsPbBr 3纳米晶体制成的薄膜透射闪烁体对单个质子的实时检测和计数。

这种方法提供了无与伦比的灵敏度，其光输出大约是市售 BC-400 塑料薄膜闪烁体的两倍，是传统块体闪烁体(如 LYSO:Ce、BGO 和 YAG:Ce 晶体)的 10 倍。这些结果发表在《自然材料》杂志上。

厚度约为 5 µm 的薄膜纳米晶体闪烁体具有高灵敏度，检测极限为每秒 7 个质子。这种灵敏度比临床相关计数率低约五个数量级，使其成为单质子检测技术的重大进步。

研究小组提出并证实了关于CsPbBr 3纳米晶体中质子诱导闪烁机制的新理论。他们已经证实，质子引起的闪烁主要源自 CsPbBr 3纳米晶体中的双激子态群体，并由质子引起的上转换和碰撞电离过程促进。这一发现对理解钙钛矿纳米晶体中的质子闪烁做出了重大贡献。

通过利用增强的灵敏度、对质子束的快速响应(约 336 ps)和显着的离子稳定性(高达每 cm 2 10 14 个质子的注量)，研究人员展示了 CsPbBr 3纳米晶体闪烁体的其他应用。其中包括单质子追踪、实时图案照射和超分辨率质子成像。

值得注意的是，他们的研究展示了质子成像的空间分辨率低于 40 nm;这为材料表征、医学成像和科学研究等各个领域的发展带来了巨大的希望。

刘教授说：“这项工作中提出的突破将引起粒子辐射探测界的极大兴趣，它既提供了对质子闪烁新机制的基本见解，也提供了使用超薄质子透射闪烁体的突破性单离子探测灵敏度的技术进步。

“特别是，这些 CsPbBr 3纳米晶体闪烁体对于推进质子治疗和质子放射照相检测技术具有巨大的前景。”