Röntgentechnologie spielt in der Medizin und in der wissenschaftlichen Forschung eine wichtige Rolle, da sie nicht-invasive medizinische Bildgebung und Einblicke in Materialien ermöglicht. Jüngste Fortschritte in der Röntgentechnologie ermöglichen hellere, intensivere Strahlen und die Abbildung immer komplexerer Systeme unter realen Bedingungen, wie beispielsweise das Innere von Betriebsbatterien.
Um diese Fortschritte zu unterstützen, arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung von Röntgendetektormaterialien, die hellen, hochenergetischen Röntgenstrahlen – insbesondere solchen von großen Röntgensynchrotrons – standhalten und gleichzeitig Empfindlichkeit und Kosteneffizienz beibehalten.
Ein Team von Wissenschaftlern am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und ihre Kollegen haben die außergewöhnliche Leistung eines neuen Materials zur Erkennung hochenergetischer Röntgenstreumuster demonstriert. Mit seiner hervorragenden Beständigkeit bei ultrahohem Röntgenfluss und relativ geringen Kosten könnte das Detektormaterial breite Anwendung in der synchrotronbasierten Röntgenforschung finden.
Bei einem Röntgenstreuexperiment wandert ein Strahl aus Photonen – oder Lichtteilchen – durch eine zu untersuchende Probe. Die Probe streut die Photonen, die dann auf das Detektormaterial treffen. Die Analyse der Streuung der Röntgenstrahlen gibt Wissenschaftlern einen Einblick in die Struktur und Zusammensetzung der Probe.
„Viele der aktuellen Detektormaterialien können die große Bandbreite an Strahlenergien und enormen Röntgenflüssen aus großen Synchrotronanlagen nicht bewältigen. Die Materialien, die das können, sind oft teuer oder schwer zu züchten, oder sie müssen auf sehr hohe Temperaturen gekühlt werden.“ niedrige Temperaturen“, sagte Antonino Miceli, Physiker an der Advanced Photon Source (APS) von Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.
Aufgrund des Bedarfs an besseren Detektormaterialien analysierte das Team die Leistung von Cäsiumbromid-Perowskit-Kristallen. Perowskite haben einfache Strukturen mit hochgradig einstellbaren Eigenschaften, wodurch sie für eine Reihe von Anwendungen geeignet sind.
Das Material wurde mit zwei unterschiedlichen Methoden angebaut. Eine Methode bestand darin, das Material zu schmelzen und abzukühlen, um die Kristallbildung zu induzieren, was im Labor von Duck Young Chung, einem Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften von Argonne, durchgeführt wurde. Der andere Ansatz war ein lösungsbasierter Ansatz, bei dem die Kristalle bei Raumtemperatur gezüchtet werden. Diese Arbeit wurde an der Northwestern University im Labor von Mercouri Kanatzidis durchgeführt, einem leitenden Wissenschaftler an der Argonne mit einer gemeinsamen Anstellung an der Northwestern University.
„An der Strahllinie 11-ID-B am APS haben wir Kristalle untersucht, die mit diesen beiden Strategien hergestellt wurden, und wie sie sich unter einem breiten Spektrum an Synchrotronflüssen verhalten“, sagte Kanatzidis. „Die Ergebnisse waren ziemlich erstaunlich.“
Das mit beiden Methoden gezüchtete Material zeigte außergewöhnliche Detektionsfähigkeiten und überstand problemlos Flüsse bis zur APS-Grenze.
„Dieses Detektormaterial kann kleine Veränderungen erkennen und so einen besseren Einblick in reale Materialien unter realen Bedingungen ermöglichen“, sagte Miceli. „Im Vergleich zu herkömmlichen Detektormaterialien wie Silizium ist es relativ dicht und so strukturiert, dass es seine elektrischen Eigenschaften beeinflusst und so zu einer besseren Effizienz und Empfindlichkeit führt.“
Hochenergetische Röntgenstrahlen ermöglichen es Forschern, dynamische Systeme in Echtzeit zu untersuchen. Dazu gehören biologische Prozesse in Zellen oder chemische Reaktionen im Inneren eines Motors. Mit der Fähigkeit des neuen Detektors, subtile Veränderungen während Experimenten zu erkennen, können Forscher wertvolle Einblicke in komplexe und schnelle Aktivitäten in Materialien gewinnen und so schnellere und detailliertere Studien ermöglichen.
Überlegene Detektormaterialien sind am APS noch wichtiger, da die Anlage derzeit einem Umbau unterzogen wird großes Upgrade Dadurch wird die Helligkeit seiner Strahllinien um das bis zu 500-fache erhöht.
„Unsere Gruppe war aufgrund der einzigartigen Fähigkeiten und des Fachwissens bei Argonne in der Lage, Kristalle von extrem hoher Qualität zu züchten, was wirklich dazu beitrug, die Leistung des Materials zu verbessern“, sagte Chung.
Mit Blick auf die Zukunft will sich das Forschungsteam auf die Ausweitung der Produktion und die Optimierung der Kristallqualität konzentrieren. Sie erwarten weitere Anwendungen für das Material, einschließlich seiner möglichen Verwendung beim Nachweis von Gammastrahlen bei extrem hohen Energien mit Unterstützung der DOE National Nuclear Security Administration.
Die Ergebnisse der Experimente wurden in berichtet Fortgeschrittene Werkstoffe Und Fortschrittliche optische Materialien.
Mehr Informationen:
Lei Pan et al., Ultrahochfluss-Röntgendetektion durch einen in Lösung gewachsenen Perowskit-CsPbBr3-Einkristall-Halbleiterdetektor, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202211840
Lei Pan et al., Perowskit-CsPbBr3-Einkristalldetektor, der mit 1010 Photonen s−1 mm−2 für die Ultrahochfluss-Röntgendetektion arbeitet, Fortschrittliche optische Materialien (2023). DOI: 10.1002/adom.202202946