La technologie des rayons X joue un rôle essentiel en médecine et dans la recherche scientifique, en fournissant une imagerie médicale non invasive et un aperçu des matériaux. Les progrès récents dans la technologie des rayons X permettent des faisceaux plus brillants et plus intenses et l’imagerie de systèmes de plus en plus complexes dans des conditions réelles, comme l’intérieur des batteries en fonctionnement.
Pour soutenir ces progrès, les scientifiques travaillent au développement de matériaux de détection de rayons X capables de résister aux rayons X brillants et de haute énergie, en particulier ceux provenant de grands synchrotrons à rayons X, tout en conservant leur sensibilité et leur rentabilité.
Une équipe de scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et leurs collègues ont démontré les performances exceptionnelles d’un nouveau matériau pour détecter les modèles de diffusion des rayons X à haute énergie. Avec une excellente endurance sous un flux de rayons X ultra-élevé et un coût relativement faible, le matériau du détecteur pourrait trouver de nombreuses applications dans la recherche sur les rayons X basée sur le synchrotron.
Au cours d’une expérience de diffusion de rayons X, un faisceau de photons (ou particules lumineuses) traverse un échantillon étudié. L’échantillon diffuse les photons, qui frappent ensuite le matériau du détecteur. L’analyse de la diffusion des rayons X donne aux scientifiques une idée de la structure et de la composition de l’échantillon.
« De nombreux matériaux de détection actuels ne peuvent pas gérer la large gamme d’énergies de faisceaux et les énormes flux de rayons X provenant des grandes installations synchrotron. Ceux qui le peuvent sont souvent coûteux ou difficiles à cultiver, ou doivent être refroidis à un niveau très élevé. basses températures », a déclaré Antonino Miceli, physicien à l’Advanced Photon Source (APS) d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Poussée par le besoin de meilleurs matériaux de détection, l’équipe a analysé les performances des cristaux de pérovskite de bromure de césium. Les pérovskites ont des structures simples avec des propriétés hautement ajustables, ce qui les rend adaptées à une gamme d’applications.
Le matériau a été cultivé selon deux méthodes différentes. Une méthode consistait à faire fondre et à refroidir le matériau pour induire la formation de cristaux, ce qui a été réalisé dans le laboratoire de Duck Young Chung, un scientifique de la division Science des matériaux d’Argonne. L’autre était une approche basée sur une solution dans laquelle les cristaux croissent à température ambiante. Ce travail a été réalisé à l’Université Northwestern dans le laboratoire de Mercouri Kanatzidis, scientifique principal à Argonne avec une nomination conjointe à Northwestern.
« Sur la ligne de lumière 11-ID-B de l’APS, nous avons évalué les cristaux fabriqués à l’aide de ces deux stratégies et leur comportement sous une large gamme de flux synchrotron », a déclaré Kanatzidis. « Les résultats ont été assez étonnants. »
Cultivé selon les deux méthodes, le matériau a présenté des capacités de détection exceptionnelles et a résisté sans problème aux flux jusqu’à la limite de l’APS.
« Ce matériau détecteur peut distinguer de petits changements, révélant ainsi une meilleure compréhension des matériaux réels dans des conditions réelles », a déclaré Miceli. « Il est relativement dense par rapport aux matériaux de détection courants comme le silicium, et il est structuré de manière à influencer ses propriétés électriques pour une meilleure efficacité et sensibilité. »
Les rayons X à haute énergie permettent aux chercheurs d’étudier les systèmes dynamiques en temps réel. Il s’agit notamment de processus biologiques dans les cellules ou de réactions chimiques à l’intérieur d’un moteur. Grâce à la capacité du nouveau détecteur à détecter des changements subtils au cours des expériences, les chercheurs peuvent obtenir des informations précieuses sur l’activité complexe et rapide des matériaux, facilitant ainsi des études plus rapides et plus détaillées.
Des matériaux de détection de qualité supérieure à l’APS sont encore plus cruciaux maintenant que l’installation subit une mise à niveau majeure qui augmentera la luminosité de ses lignes de lumière jusqu’à 500 fois.
« Notre groupe a pu produire des cristaux de très haute qualité grâce à l’ensemble unique de capacités et d’expertise d’Argonne, ce qui a réellement contribué à améliorer les performances du matériau », a déclaré Chung.
Pour l’avenir, l’équipe de recherche vise à se concentrer sur l’augmentation de la production et l’optimisation de la qualité des cristaux. Ils prévoient des applications supplémentaires pour ce matériau, notamment son utilisation potentielle dans la détection des rayons gamma à des énergies extrêmement élevées, avec le soutien de la National Nuclear Security Administration du DOE.
Les résultats des expériences ont été rapportés dans Matériaux avancés et Matériaux optiques avancés.
Plus d’information:
Lei Pan et al, Détection de rayons X à ultra-haut flux par un détecteur de semi-conducteur monocristallin CsPbBr3 à pérovskite cultivé en solution, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202211840
Lei Pan et al, Détecteur monocristallin pérovskite CsPbBr3 fonctionnant à 1010 photons s−1 mm−2 pour la détection de rayons X à flux ultra élevé, Matériaux optiques avancés (2023). DOI : 10.1002/adom.202202946