伽马射线

日前，美国阿拉莫斯实验室①和阿贡国家实验室②的研究人员合作开发出一种基于钙钛矿（perovskite）③的新型X射线探测器，其灵敏度比传统的硅探测器要高出几个数量级，且辐射和成本均大大降低。研究成果发表在最新一期的Science Advances上。

▲ 发表于Science Advances的论文

这种探测器能将X射线信号直接转换成电信号，因此具有很高的灵敏度和原位实时X射线光子跟踪能力，其灵敏度大约是硅器件的100倍，而且不需要电源。

此外，它的核心物质——钙钛矿薄膜可以通过喷涂的方式沉积在表面，固化后留下薄层物质。与需要在真空条件下进行高温金属沉积的硅基系统相比，这种生产方式无疑要便宜和容易得多。

▲由二维钙钛矿薄膜制成的X射线探测器无需外部电源即可将X射线光子转换成电信号

除了薄层钙钛矿应用于X射线探测器之外，较厚的钙钛矿层如果使用一个小型电压电源同样也能良好运行，这表明它们的有用能量范围（useful energy range）可以从X射线扩展到低能量伽玛射线。

钙钛矿富含铅和碘等重元素，更容易吸收透过硅而未被探测到的X射线，从而能更好地探测高能X射线。这也使它能够更好地监测高能研究设施中的X射线，比如同步加速器光源。

研究人员之一聂万义（音）表示，直接转换对实时成像很有价值，并且可以将信号直接连接到计算机系统进行数据处理和可视化。

聂万义（音）说：“我认为能够实时监测伽玛射线光子的探测器在肿瘤治疗中会非常有用。灵敏固态探测器的另一个优点是可以通过电脉冲计数单个放射光子来解析放射光子能量，为医学成像提供更高级的功能。例如，如果肿瘤吸收不同能量光子的方式不同，就能将其与正常组织区分开来。”

事实上，近年来，钙钛矿材料由于其出色的光电性能、简易的处理方式和较低的研究门槛，成为材料和能源领域的一大研究热点。

悦智网④2019年9月的一篇文章显示，目前全球已经有几十个团队在探索该领域，包括三星和西门子在内的X射线成像生产商都在考虑在自己下一代的产品中使用钙钛矿。

中国、美国、新加坡等国家都有科研团队在研究基于钙钛矿的X射线探测器，例如：

科技部官网2019年8月的一篇新闻显示，在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项的支持下，浙江大学杨旸课题组报道了一种具有类似钙钛矿结构的半导体材料（NH4）3Bi2I9。课题组制作了具有高灵敏度和低检测极限的X射线探测器，其探测灵敏度和最低检测极限大大超过了目前接近商用化的非晶硒直接型X射线探测器，未来可能应用于医疗、安防及工业无损检测设备的X光成像系统中。

悦智网的报道显示，新加坡国立大学的刘小钢团队将X射线探测器的CsI（TI）涂层替换为铯铅溴纳米晶体层（一种无机钙钛矿），直接将其涂在光电二极管阵列上，结合使用光电倍增管，最终设备的探测极限达到了医用X射线机剂量的1/400。目前有几家X射线制造商正在使用刘小钢团队的方法测试纳米晶闪烁体。

美国北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松团队从2014年起研究基于钙钛矿的直接X射线探测器。他们在一项实验中将一种普通的钙钛矿化合物溴化甲胺铅涂抹到了常规X射线探测器上，这种探测器使用非晶硅将X射线转化为电子。增加的钙钛矿涂层让探测器的灵敏度提高了3000倍。

本文介绍的探测器原型目前已有一个单像素演示，研究人员的目标是开发像素减小的阵列，制造出成像设备。如果阵列测试能成功，将有望在扫描装置上广泛使用。以后还有可能使用喷墨系统大规模生产这种探测器，取代目前昂贵的硅探测器。

未来，钙钛矿探测器或将打开X射线应用的一片新天地。

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