Säteilyn havaitsemisen ymmärtäminen

Scintilation materiaalit ovat kiteitä tai amorfisia aineita, jotka säteilevät näkyvää tai ultraviolettivaloa, kun ne absorboivat ionisoivaa säteilyä, kuten gammasäteitä, röntgensäteitä tai neutroneja. Tämä luminesenssi, joka tunnetaan skintilaationa, muuntuu valoditektorien sähköiseksi signaaliksi, joka mahdollistaa säteilyn havaitsemisen, laskemisen, ja spektroskooppisen analyysin. Säteilyn havaitseminen riippuu ratkaisevasti sen spintilaattorin ominaisuuksista: valon tuotosta, hajoamisajasta, energian resoluutiosta, tiheydestä ja vakaudesta. Materiaalitieteen kehitys on johtanut uusiin swintilaattoreihin, jotka ovat parempia kuin perinteiset nopeuden, herkkyyden ja kestävyyden, ja avaavat uusia mahdollisuuksia käsillä pidettävistä turvaskannereista koko kehon PET-kuvaajille.

Avainominaisuudet, jotka määrittelevät sytyttimen suorituskyvyn

] Valontuotto[ (valontuotto/MeV) määrittää signaalin ja äänen välisen suhteen. Valontuotot parantavat energian erottelukykyä ja mahdollistavat hyvin pienten säteilyannosten havaitsemisen. Kuolleen ajan[[] (valopulssin kesto) rajoittaa laskentanopeutta ja aikaresoluutiota; nopea hajoaminen on olennaista positronipäästöjen tomografian (PET) ja taustamelun hylkäämisen yhteydessä. Energiaresoluutio[[] (ilmaistuna prosentteina 662 keV:ssä) kuvastaa kykyä erottaa toisistaan erilaiset fotonien energiat. [Taustamelu ] ja tehokas atomiluku vaikuttavat pysäytystehoon.

Perinteiset scintillators ja niiden rajoitukset

Vuosikymmenten ajan talliumilla dopingoitu natriumjodidi (NAI:Tl) on ollut säteilyn havaitsemisen työhevonen sen korkean valotuoton ja alhaisien kustannusten vuoksi. Sen hajoamisaika on kuitenkin ~230 ns raja-arvot, ja sen hygroskooppinen luonne edellyttää hermeettistä tiivistystä. Cesiumjodidi (CsI:Tl) tarjoaa suuremman tiheyden ja ei-hygroskooppiset vaihtoehdot, mutta sen valoteho on kohtalainen. Bismuth Germanate (BGO) on erittäin suuri tiheys ja pysäytysteho, mutta kärsii alhaisesta valotuotosta ja hitaasta hajoamisesta (300 ns), mikä on tehnyt siitä sopimattoman nopean ajoituksen sovelluksiin. Nämä puutteet ovat ajaneet uusien materiaalien etsimistä, jotka voivat täyttää nykyaikaisten ilmaisimien vaatimukset. Nopeampi, kirkkaampi, kestävämpi ja toimivampi ja toimiva erilaisissa ympäristöissä, kuten hyvin loggaavassa, lastinskanneuksessa ja kotimaan turvallisuudessa.

Viimeaikaiset muutokset materiaalikoostumuksessa

Harvinaiset maa-doped Oxyorthosilikaatit ja Garnets

Cerium-doping-lutetiumoksiorthosilikaatti (LYSO:Ce) on kehittynyt johtavaksi scillatoriksi lääketieteelliseen kuvantamiseen ja korkean energian fysiikkaan. Sen valontuotto (~32 000 fotonia/MeV) on verrattavissa NAI:Tl:n kanssa, mutta sen hajoamisaika (~40 ns) on viisi kertaa nopeampi. LYSO on ei-hygroskooppinen ja sillä on erinomainen energiaresoluutio (~7% 662 keV:ssä). Toinen lupaava perhe on harvinais-maalliset granaatit, kuten gadoliniumalumiinigalliumglutamaatti (GAGGG:Ce), joka saavuttaa jopa korkeamman valosaannon (>50 000 fotonia/MeV) alle 100 ns:n hajoamisella ja jota voidaan kasvattaa suurissa valanteissa.

Perovskite Scintillators

Halide perovskites, erityisesti CsPbBr3 ja MAPbBr3 nanokristallisteja, ovat herättäneet voimakasta tutkimus kiinnostusta johtuen niiden poikkeuksellisen suurista valosadoista (jopa 200 000 fotonien/MeV) ja nopeiden hajoamiskomponenttien nanosekunnin alueella. Niiden edullinen ratkaisu-pohjainen synteesi voisi mahdollistaa suurten alueilmaisimien röntgenkuvauksen. Vakautta koskevat kysymykset. Erityisesti kosteuden herkkyys ja ionien migraatio ovat kuitenkin edelleen este. Viimeaikainen työ kapseloitujen komposiittien ja kahden-ulotteisten perovskien parissa on parantanut pitkäikäisyyttä, ja prototyyppikuvaajien tilaresoluutio on yhtä hyvä kuin muutama mikrometri.

Nanostrukturoidut ja yhdistelmäpiirturit

Nanosstrukturointi.Kvanttipisteiden tai metallisten nanopartikkeleiden lisääminen läpinäkyvässä matriisissa voi parantaa valon uuttamista pintaplasamonikytkimen tai -siirrossa. Esimerkiksi ZnO-nanolankarakenteet lisäävät tehokasta indeksiä ja kanavoivat valoa kohti fotoilmaisinta. Komposiittiskit, kuten muovisirpaleet, jotka on ladattu raskailla epäorgaanisilla nanopartikkeleilla, yhdistävät korkean pysäytystehon joustavuuteen ja alhaisiin kustannuksiin. Nämä ovat erityisen houkuttelevia suurten alueiden turvaseulontoihin ja portaalimonitoreihin, joissa herkkyys yksikkökustannusta kohden on kriittinen.

Teknologiset innovaatiot kristallin kasvussa ja lukemisessa

Parannettu kristallinkasvutekniikka.Czochralski ja pystysuora Bridgman.Nyt tuottavat bouuleja, joissa on vähemmän vikoja, suurempi puhtaus, ja enemmän yhtenäinen doping. Yhdessä kalsiumin tai magnesiumin kanssa on osoitettu tukahduttavan jälkikidettä LYSO:ssa ja LSO:ssa kiteet, parantavan signaalin selkeyttä tietokonetomografiassa. Valodetektorin puolella on otettu laajasti käyttöön piivalomultipuleita (SiPMs) muunneltavina. Sirmat ovat kompaktit, toimivat matalalla harhajännitteellä, eivät tunne magneettikenttiä ja tarjoavat suuren hyödyn (yli 106) ja mahdollistavat PET:n käytön huomattavasti parannetuilla signaali-to-noise-suhteilla.

Vaikutus säteilyn havaitsemissovelluksiin

Lääketieteellinen kuvantaminen

PET:ssä valontuoton ja hajoamisajan samanaikainen paraneminen LYSO:sta ja GAGG:stä johtaa suoraan korkeampiin todellisiin yhteensattumiin ja parempaan lentoajan resoluutioon. Nykyaikaiset kliiniset PET-järjestelmät voivat nyt saavuttaa alle 200 ps:n ajoitusresoluutioita, mikä vähentää skannausaikoja ja pienentää potilasannosta. Yksifotonin säteilyn tietokonetomografiassa (SPECT) ja röntgenkuvauksessa perovskite-pohjaiset skitillaattorit tarjoavat mahdollisuuden korkean resoluution ja edullisen tasapaneelin ilmaisimille, joissa on pienin elektroninen melu. Digitaaliset hammas- ja mammografiajärjestelmät luottavat yhä enemmän CSI:Tl-neulekidelaitteisiin, jotka ohjaavat valoa tehokkaasti valodiodimatriisiin, mutta uudet yhdistelmät lupaavat vielä parempaan tilaresoluutioon.

Turva- ja reunatarkastus

Radiologisen ja ydinuhkan havaitsemiseen on tärkeää herkkyys sekä gamma- että neutronisäteilylle. Kehitetyt sytyttimet kuten Cs2LiYCl6:Ce (CLYC) ja Li-ladatut lasit tarjoavat pulssin-muotoista syrjintää, mikä mahdollistaa gammasäteiden ja lämpöneutroonien samanaikaisen havaitsemisen yhdessä materiaalissa. Nopea ajoitus SiPM-lukituksen avulla kannettavat tunnisteet voivat ilmoittaa isotooppisen koostumuksen sekunnissa. Rahtiskannereissa suurikokoiset BGO- tai LYSO-paneelit korvataan monoliittisilla GIGG-laatoilla, jotka tarjoavat sekä korkeaa pysäytystehoa että parempaa energian resoluutiota, mikä vähentää vääriä hälytyksiä.

Ydinturvallisuus ja ympäristövalvonta

Ydinlaitosten ja ympäristön saastumisen reaaliaikainen seuranta edellyttää karkeita, pitkäikäisiä ilmaisimia.Grantetiin perustuvien skitillaattorien parempi säteilykovuus yhdistettynä niiden ei-hygroskooppiseen luonteeseen mahdollistaa käytön ankarissa olosuhteissa (korkea lämpötila, kosteus, tärinä) ilman suorituskyvyn heikkenemistä. Näitä materiaaleja käytetään nyt kaivonloukkuun johtavissa työkaluissa, joissa on äärimmäisiä lämpötiloja ja paineita. Lisäksi säkenöivien kuitujen ja kapillaarejen kehittäminen mahdollistaa hajautettujen anturiverkkojen käytön käytöstäpoistamispaikkojen ympärillä.

Tulevat Suunnat ja haasteet

Nopeasta edistymisestä huolimatta useat esteet ovat edelleen olemassa. Perovskite-sikittimien on voitettava pitkäaikainen vakaus jatkuvassa säteilyaltistuksessa. Suuren kokoisten, laadukkaiden LYSO- ja GAGG-kiteiden kustannukset ovat edelleen korkeat, mikä kannustaa pyrkimään kohti keraamisia sintraustekniikalla valmistettuja sintrauslaitteita. Koneoppimista käytetään ennustamaan optimaalisia dopanttipitoisuuksia ja -olosuhteita, nopeuttamaan materiaalien löytämistä. Scintillatorien yhdistäminen kehittyneisiin lukuelektroniikkaan (esim. mukautetut ASIC-laitteet, joissa on aika-digitaalisia muuntimia) vie aikaresoluutiota 10 ps:ään, mikä mahdollistaa uudet kuvantamismenetelmät.

Tutkimuksen jatkuessa uusien materiaalien yhdistelmä, paranneltu kristallinkasvu ja suorituskykyiset fotodetektorit lisäävät säteilynilmaisinjärjestelmien herkkyyttä, nopeutta ja luotettavuutta. Nämä edistysaskeleet eivät ainoastaan hyödytä nykyisiä sovelluksia vaan mahdollistavat myös uusien sovellusten käytön, reaaliaikaisesta operatiivisesta kasvaimen havaitsemisesta ympäristön puhdistamiseen. Scintillation materiaalien tulevaisuus on kirkas ja kuvaannollisesti.

Ulkoiset viitetiedot: