科学家发现一种用于高能 X 射线探测的耐用而灵敏的材料

资料来源：美国阿贡国家实验室

X 射线技术在医学和科学研究中发挥着至关重要的作用，可提供无创医学成像并深入研究材料。X 射线技术的最新进展使光束更亮、更强，并能在实际条件下（如操作电池的内部）对日益复杂的系统进行成像。

为了支持这些进步，科学家们正在努力开发能够承受明亮、高能量 X 射线（尤其是来自大型 X 射线同步加速器的 X 射线）的 X 射线探测器材料，同时保持灵敏度和成本效益。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家团队及其同事已经证明了一种用于探测高能 X 射线散射图案的新型材料的卓越性能。这种探测器材料在超高 X 射线通量下具有出色的耐久性，而且成本相对较低，可能会在基于同步加速器的 X 射线研究中得到广泛应用。

在 X 射线散射实验中，一束光子（或光粒子）穿过被研究的样品。样品散射光子，然后撞击探测器材料。通过分析 X 射线的散射情况，科学家可以了解样品的结构和组成。

"目前的许多探测器材料都无法处理大型同步加速器设施产生的各种光束能量和巨大的 X 射线通量。阿贡先进光子源（APS）是美国能源部科学办公室的用户设施，其物理学家安东尼诺-米凯利（Antonino Miceli）说："能够处理的材料往往价格昂贵或难以生长，或者必须冷却到非常低的温度。

由于需要更好的探测器材料，研究小组对溴化铯过氧化物晶体的性能进行了分析。过氧化物晶体结构简单，具有高度可调的特性，因此适用于各种应用。

该材料采用两种不同的方法生长。一种方法是在阿贡材料科学部门科学家 Duck Young Chung 的实验室中，通过熔化和冷却材料来诱导晶体的形成。另一种是基于溶液的方法，晶体在室温下生长。这项工作是在西北大学的 Mercouri Kanatzidis 实验室完成的，Mercouri Kanatzidis 是阿贡的一名资深科学家，同时也是西北大学的兼职教授。

"在 APS 的 11-ID-B 光束线，我们评估了使用这两种策略制造的晶体，以及它们在各种同步辐射通量下的表现，"Kanatzidis 说。"结果相当惊人"。

使用这两种方法生长出来的材料展示了非凡的探测能力，并能承受高达 APS 极限的通量，而不会出现任何问题。

资料来源：美国阿贡国家实验室

"Miceli 说："这种探测器材料可以分辨微小的变化，从而更深入地揭示真实条件下的真实材料。"与硅等普通探测器材料相比，它的密度相对较高，而且它的结构能够影响其电学特性，从而提高效率和灵敏度。

高能 X 射线使研究人员能够实时研究动态系统。这些系统包括细胞中的生物过程或发动机内部的化学反应。由于新型探测器能够探测到实验过程中的微妙变化，研究人员可以深入了解材料中错综复杂的快速活动，从而促进更快、更详细的研究。

由于 APS 正在进行重大升级，其光束线的亮度将提高 500 倍，因此该设施的优质探测器材料就显得更加重要。

"Chung说："我们的研究小组之所以能够培育出质量极高的晶体，是因为阿贡拥有一套独特的能力和专业知识，这确实有助于提高材料的性能。

展望未来，研究团队的目标是专注于扩大生产规模和优化晶体质量。他们预计这种材料还将有更多应用，包括在能源部国家核安全局的支持下用于探测极高能量的伽马射线。

实验结果发表在《先进材料》和《先进光学材料》上。
参考资料

Lei Pan et al, Ultrahigh‐Flux X‐ray Detection by a Solution‐Grown Perovskite CsPbBr3 Single‐Crystal Semiconductor Detector, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202211840

Lei Pan et al, Perovskite CsPbBr3 Single‐Crystal Detector Operating at 1010 Photons s−1 mm−2 for Ultra‐High Flux X‐ray Detection, Advanced Optical Materials (2023). DOI: 10.1002/adom.202202946