新型半导体探测器有望用于医疗诊断和国土安全

• 方法可以区分非法和合法的伽马射线
• 能量分解比以前的结果好三倍
• 使用溴化铯铅将降低成本和机器尺寸
• 研究人员转向像素检测来创建3D图像

安全官员的任务是防止犯罪分子将危险材料走私到一个国家，而检测核物质一直是困难和昂贵的。现在，美国西北大学的研究人员开发了一种基于低成本材料的新设备，用于探测和识别放射性同位素。

通过使用钙钛矿晶体形式的溴化铯铅，研究小组发现他们能够在小型便携设备和非常大的探测器上创造出高效的探测器。这些成果是十多年来形成的。

Mercouri Kanatzidis

领导这项研究的西北大学教授Mercouri Kanatzidis说，这种检测伽马射线的新方法除了比一般的设备成本更低之外，还能够区分不同能量的射线。这种方法允许用户识别合法和非法伽马射线。这类探测器对国家安全至关重要，它们被用于检测跨境走私的非法核材料，并有助于核取证以及医学诊断成像。

“使用钙钛矿材料，我们已经实现了高分辨率的伽马射线能量检测使用像素化探测器设计，”Kanatzidis说。“这让我们向医疗诊断、成像、机场安全等领域的电子系统又迈进了一步。”

这项研究发表在今天(12月7日)的《自然光子学》杂志上。

Kanatzidis是温伯格文理学院的Charles E. and Emma H. Morrison化学教授。他和阿贡国家实验室有一个联合预约。

在过去的研究中，研究小组比较了新的溴化铯铅探测器和传统的碲化镉锌(CZT)探测器的性能，发现它们在探测伽马射线方面表现得很好。

Petrovskite晶体探测器

但是新的研究改进了晶体尺寸，利用像素而不是平面电极，这使得光谱分辨率大大超过了传统设计，从3.8%提高到1.4%，甚至可以探测到来自非常微弱的来源的能量。

放射性同位素释放出的伽马射线在能量上略有不同，通常只有几个百分点的不同。使用这种新材料，用户可以通过精确指出几个百分点的差异来更好地识别伽马射线的来源。

此外，即使使用稍微不纯的材料，通常也会使探测器的效率降低或不起作用，设备生产商必须寻求超纯的CZT来产生有效的读数。令研究人员惊讶的是，他们自己的材料的杂质可能比CZT多5到10倍，而且仍然有效，这使得它的生产更容易，成本更低。分辨率对于像SPECT扫描这样的医学成像也是至关重要的。

Kanatzidis说，人们对这个领域非常感兴趣，特别是考虑到设备故障的成本和安全影响。但他说，这一领域的进展一直很缓慢，主要是因为研究小组要么关注材料合成，要么关注x射线和伽马射线探测器——他的小组两样都做。Kanatzidis的实验室在研究溴化铯铅之前研究了60多种有希望的化合物。

即使新材料带来了进步，Kanatzidis说他与西北大学和Argonne大学的合作者的工作还没有结束。

“我们的书架上充满了新的可能性，我们还需要进行更深入的调查，”Kanatzidis说。“我的研究团队是工程方面和晶体生长方面的罕见结合。”

何一辉，Kanatzidis实验室研究助理教授，论文第一作者。

他说:“我们与密歇根大学的合作者报告的新设备制造协议可能在不久的将来导致溴化铯铅探测器的大规模生产。”

钟鹤教授的团队在密歇根大学参与了检测器表征和分析。Argonne的科学家Duck Young Chung是这项工作的主要合作者。

Kanatzidis和他的同事成立了一家新公司，名为Actinia，将溴化铯铅探测器商业化，用于伽玛射线和x射线的探测和识别。这些新的探测器将在医学诊断、国土安全和核安全方面产生广泛的影响。

这项名为“CsPbBr3钙镁矿探测器，具有1.4%的能量分辨率，可探测高能的高能高能的高能高能的高能高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的高能的的研究”得到了美国能源部的支持(奖励号DE-AC02-06CH11357)。这项工作还得到了美国国防部的赞助(合同编号为HDTRA1-20-2-0002)。

编者按:Kanatzidis和Yihui He在Actinia有经济利益。