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有史以来最薄的 X 射线探测器打破世界纪录
时间:2021年11月10日 来源:核技术网 点击量:216 分享:

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图片来源:Pixabay

澳大利亚的科学家们使用单硫化锡 (SnS) 纳米片制造了有史以来最薄的 X 射线探测器,有可能实现细胞生物学的实时成像。X 射线探测器是一种工具,可以通过视觉或电子方式识别辐射传输的能量,如医学成像或盖革计数器。单硫化锡作为用于光伏、场效应晶体管和催化的材料已经显示出巨大的前景。

现在,位于莫纳什大学和皇家墨尔本理工大学的 ARC 激子科学卓越中心的成员表明,单硫化锡纳米片也是用作软 X 射线探测器的绝佳候选材料。他们的研究发表在Advanced Functional Materials杂志上,表明 单硫化锡纳米片具有高光子吸收系数,使其可用于制造具有高灵敏度和快速响应时间的超薄软 X 射线探测器。这些材料比另一种新兴的候选材料(金属卤化物钙钛矿)更敏感,拥有比现有探测器更快的响应时间,并且可以在软 X 射线区域对灵敏度进行调整。该团队制造的单硫化锡 X 射线探测器的厚度不到 10 纳米。一张纸大约有 100,000 纳米厚,而人的指甲每秒增长大约 1 纳米。以前,最薄的 X 射线探测器的厚度在 20 到 50 纳米之间。仍有大量工作需要探索单硫化锡X 射线探测器的全部潜力,但该论文的资深作者、莫纳什材料科学与工程系的 Jacek Jasieniak 教授认为,这可能有朝一日实现对细胞过程。“单硫化锡纳米片在几毫秒内反应非常快,”他说,“你几乎可以立即扫描某物并获得图像。传感时间决定了时间分辨率。原则上,鉴于高灵敏度和高时间分辨率,你可以实时看到事物。也许可以用它来观察细胞相互作用。不只是产生静态图像,你可以使用 X 射线观察蛋白质和细胞的进化和移动。”

为什么如此灵敏且反应灵敏的探测器很重要?X 射线可以大致分为两种类型:“硬”X 射线是医院用来扫描身体是否有骨折和其他疾病的那种。也许鲜为人知但同样重要的是“软”X 射线,它具有较低的光子能量,可用于研究湿蛋白质和活细胞,这是细胞生物学的重要组成部分。其中一些测量发生在“水窗”中,这是电磁波谱的一个区域,其中水对软 X 射线是透明的。

软 X 射线探测可以使用同步加速器进行,同步加速器是一种粒子加速器,如瑞士的大型强子对撞机,但获得这种极其昂贵的基础设施的使用权是很难的。非同步加速器软 X 射线激光源的最新进展可能允许设计成本更低的便携式检测系统,为世界各地的研究人员提供同步加速器的可用替代方案。但要使这种方法发挥作用,我们将需要对低能 X 射线高度敏感、提供出色空间分辨率且具有成本效益的软 X 射线探测器材料。一些现有的软 X 射线探测器使用间接机制,其中电离辐射被转换为可见光子。这种方法允许研究多个能量范围和帧速率,但难以准备并且提供的分辨率有限。直接检测方法更容易准备并提供更好的分辨率,因为检测器材料可以比间接方法更薄。好的候选材料需要较高的 X 射线吸收系数,该系数是使用吸收原子的原子序数、X 射线入射能量、原子的密度和原子质量来计算的。高原子质量和低能量 X 射线有利于高吸收,与硬 X 射线相比,软 X 射线在薄材料中被更强烈地吸收。纳米晶体薄膜和铁磁薄片已显示出作为某些类型的软 X 射线探测器的前景,但它们不能很好地处理水区。这就是单硫化锡纳米片的用武之地。

主要作者之一,皇家墨尔本理工大学的 Nasir Mahmood 博士说,单硫化锡纳米片的灵敏度和效率在很大程度上取决于它们的厚度和横向尺寸,这是通过传统制造方法无法控制的。使用基于液态金属的剥离方法,研究人员能够生产出高质量、大面积且厚度可控的薄片,可以有效地检测水区的软 X 射线光子。通过堆叠超薄层的过程可以进一步提高它们的灵敏度。与现有的直接软 X 射线探测器相比,它们代表了灵敏度和响应时间的重大改进。研究人员希望他们的发现将为开发基于超薄材料的下一代高灵敏度 X 射线探测器开辟新的途径。第一作者莫纳什材料科学与工程系的 Babar Shabbir 博士说:“从长远来看,为了将其商业化,我们需要测试多像素设备。现阶段我们没有成像系统。但是这个为我们提供了知识平台和原型。”


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