Razele X sunt o componentă obișnuită a testelor de diagnostic și a monitorizării industriale, fiind utilizate pentru multiple activități, de la monitorizarea dinților la scanarea valizei la aeroport. Dar razele de mare energie produc, de asemenea, radiații ionizante, care pot fi periculoase după expuneri prelungite sau excesive. În prezent, cercetătorii au făcut un pas în direcția unor raze X mai sigure prin crearea unui detector foarte sensibil și pliabil care produce imagini de bună calitate cu doze mai mici de radiație, ce ar putea avea implicații de anvergură pentru imagistica medicală.
Oricine a fost vreodată la dentist își amintește de momentul în care un tehnician îi acoperă corpul cu o vestă grea de plumb și apoi iese rapiud din cameră pentru a-i face radiografii. În curând, s-ar putea să existe în sfârșit o modalitate mai sigură de a efectua aceste scanări cu raze X fără expunerea la radiații.
O echipă de cercetători de la Universitatea de Știință și Tehnologie King Abdullah (KAUST) din Arabia Saudită a dezvoltat o tehnică nouă care poate reduce drastic doza de radiații necesară pentru imagistica cu raze X, fără a compromite calitatea imaginii.
Studiul, publicat recent în revista ACS Central Science, detaliază modul în care cercetătorii au proiectat o „cascadă” de dispozitive monocristaline interconectate pentru a crea detectoare de raze X cu performanțe semnificativ îmbunătățite comparativ cu metodele tradiționale.
„Acest progres deschide calea pentru imagistica medicală și monitorizarea industrială mai sigure și mai eficiente”, spune Omar F. Mohammed, autorul corespondent al studiului, într-un comunicat.
Inovația cheie constă în configurația în cascadă, care implică conectarea mai multor dispozitive monocristaline în serie. Această configurație permite detectoarelor să mențină același curent de semnal generat de expunerea la raze X, reducând în același timp drastic „curentul de întuneric” nedorit care contribuie la „zgomotul de fond”.
Un nou detector de raze X produce o radiografie de înaltă calitate care arată un ac metalic (sus, în dreapta) și interiorul unei unități USB (jos, în dreapta) folosind doze mai mici de radiații electromagnetice decât detectoarele existente. Credit: ACS Central Science, 11 noiembrie 2024.
De obicei, detectoarele de raze X se străduiesc să distingă semnalul real al razelor X de zgomotul de fond, necesitând utilizarea unor doze mai mari de radiații pentru a obține imagini utilizabile. Noua abordarea în cascadă dezvoltată de echipa KAUST a rezolvat această problemă, reducând pragul de detecție de la 590 nanograi pe secundă (nGy/s) cu un dispozitiv convențional cu un singur cristal la doar 100 nGy/s.
Pentru a testa dispozitivele în cascadă, cercetătorii au utilizat monocristale perovskite de bromură de plumb metilamoniu (MAPbBr3), un material relativ nou care s-a dovedit foarte promițător pentru detectarea razelor X datorită proprietăților sale excelente de transport al sarcinilor. Echipa a fabricat patru cristale MAPbBr3 identice și le-au conectat în serie, creând dispozitive etichetate SC1, SC1-2, SC1-3 și SC1-4 pentru a reflecta numărul de cristale în cascadă.
Printr-o serie de experimente, echipa a demonstrat că această configurație în cascadă a depășit în mod constant dispozitivul cu un singur cristal. Nu numai că SC1-2 a prezentat cea mai mică limită de detecție, dar a obținut și cea mai mare rezoluție spațială de 8,5 perechi de linii pe milimetru – semnificativ mai bună decât cea de 5,6 lp/mm obținută de dispozitivul monocristal SC1.
În mod important, cercetătorii au validat faptul că metoda lor în cascadă funcționează la diferite tensiuni aplicate și grosimi ale materialului, precum și pentru alte materiale semiconductoare precum telurura de cadmiu (CdTe). Această versatilitate sugerează că tehnica ar putea avea o aplicabilitate largă în domeniul detectării cu raze X.
Având potențialul de a transforma diagnosticarea medicală, detectoarele cu raze X proiectate în cascadă dezvoltate de echipa KAUST reprezintă un pas înainte semnificativ în încercarea de a reduce expunerea la radiații fără a compromite calitatea imaginii.
Exploatând proprietățile unice ale materialelor perovskite și o abordare de inginerie inteligentă, cercetătorii deschid noi căi pentru o tehnologie cu raze X mai sigură și mai eficientă.
Rezumatul studiului
Cercetătorii au cultivat monocristale de perovskită MAPbBr3 de înaltă calitate folosind o metodă de cristalizare cu temperatură controlată. Ei au selectat patru cristale identice, fiecare măsurând 3 x 3 mm cu o grosime de 2 mm, și au efectuat o caracterizare cuprinzătoare a proprietăților lor structurale, optice și electronice pentru a asigura o performanță consecventă pentru toate probele.
Pentru a testa configurația în cascadă, echipa a conectat cele patru cristale MAPbBr3 în serie, creând dispozitive cu unul (SC1), două (SC1-2), trei (SC1-3) și patru (SC1-4) cristale în cascadă. Apoi au supus aceste dispozitive la diferite rate ale dozei de raze X și au măsurat performanța acestora în ceea ce privește curentul de întuneric (un curent mic cauzat de ionizarea excitată termic), curentul de semnal, sensibilitatea, raportul semnal-zgomot (SNR) și rezoluția spațială.
Rezultate cheie
Abordarea în cascadă a demonstrat avantaje semnificative față de dispozitivul monocristal (SC1). Curentul de întuneric al SC1-2 a fost aproape jumătate din cel al SC1, iar această tendință a continuat pe măsură ce au fost adăugate mai multe cristale în serie, SC1-4 prezentând cel mai mic curent de întuneric.
Limita de detecție, care reprezintă cea mai mică doză de raze X care poate fi detectată în mod fiabil, a fost, de asemenea, îmbunătățită drastic în dispozitivele în cascadă. SC1-2 a atins o limită de detecție de 100 nGy/s, o reducere de șase ori față de limita de 590 nGy/s a dispozitivului monocristal SC1.
Limitările studiului
Studiul a fost limitat la un eșantion relativ mic de patru monocristale MAPbBr3, deși cercetătorii au demonstrat versatilitatea abordării în cascadă prin testarea acesteia și cu monocristale CdTe – Cadmium (Cd) și Tellurium (Te). În plus, configurația în cascadă cu trei sau mai multe cristale a prezentat o anumită degradare a performanței, probabil din cauza rezistenței crescute și a eficienței reduse a transferului de sarcină în cazul conexiunilor în serie mai lungi.
Concluziile studiului
Detectoarele de raze X proiectate în cascadă dezvoltate de echipa KAUST reprezintă un progres semnificativ în domeniul imagisticii cu doze reduse de raze X. Prin valorificarea proprietăților unice ale materialelor perovskite și printr-o abordare de inginerie inteligentă, cercetătorii au reușit să îmbunătățească semnificativ raportul semnal/zgomot și limitele de detecție ale detectoarelor de raze X, fără a compromite sensibilitatea sau rezoluția spațială.
Capacitatea configurației în cascadă de a menține curentul de semnal în timp ce reduce curentul de întuneric este inovația-cheie care permite această creștere a performanței. Această abordare ar putea avea implicații de anvergură pentru imagistica medicală, controlul de securitate și alte aplicații în care minimizarea expunerii la radiații este extrem de importantă.
În mod important, cercetătorii au demonstrat versatilitatea metodei lor în cascadă, arătând că aceasta poate fi aplicată la diferite materiale semiconductoare și configurații de dispozitive. Acest lucru sugerează că tehnica ar putea fi adoptată pe scară largă și adaptată pentru a se potrivi diferitelor nevoi de detectare a razelor X cu doză redusă.