新加坡国立大学的研究人员开发了一种使用钙钛矿纳米晶体的透射式薄闪烁体，旨在实时跟踪和计数单个质子。这种特殊的灵敏度归因于质子诱导的上转换和冲击电离产生的双激子辐射发射。
高能粒子的探测在推动各个领域的科学技术发展方面发挥着重要作用，从基础物理学到量子技术、深空探索和质子癌症治疗。质子治疗中对精确剂量控制的需求不断增长，推动了对质子探测器的广泛研究。在放射治疗期间实现质子计数的一种有前途的方法涉及开发对质子透射的高性能薄膜探测器。
尽管近年来硅基、化学气相沉积、金刚石基和其他类型的质子探测器取得了进步，但一个根本性的挑战仍未解决：实现具有单质子计数精度的实时质子辐照。
在单质子检测中，可检测信号从根本上受到检测器厚度的限制。因此，质子透射探测器必须以超薄厚度制造，同时保持单质子检测的灵敏度。
现有的粒子探测器，如电离室、硅基探测器和单晶闪烁体，体积太大，无法传输质子。此外，有机塑料闪烁体由于电子密度低，其闪烁产率低，粒子辐射耐受性低，这阻碍了它们的单质子探测灵敏度。
由新加坡国立大学化学系刘晓刚教授和物理系Andrew Bettiol副教授领导的研究团队展示了使用由CsPbBr3制成的薄膜透射闪烁体对单个质子的实时检测和计数纳米晶体。
这种方法具有无与伦比的灵敏度，光产率大约是市售 BC-400 塑料薄膜闪烁体的两倍，是 LYSO：Ce、BGO 和 YAG：Ce 晶体等传统体闪烁体的 10 倍。研究结果已发布在《自然材料》杂志上。
厚度约为 5 μm 的薄膜纳米晶体闪烁体表现出高灵敏度，允许每秒 7 个质子的检测极限。这种灵敏度比临床相关的计数率低约五个数量级，使其成为单质子检测技术的重大进步。
研究团队提出并证实了质子在CsPbBr3中诱导的闪烁机制的新理论纳米晶体。他们已经证实，质子诱导的闪烁主要来自CsPbB3r中双激态的群体3纳米晶体，由质子诱导的上转换和冲击电离过程促进。这一发现对理解钙钛矿纳米晶体中的质子闪烁做出了重大贡献。
通过利用增强的灵敏度，以及对质子束的快速响应和显着的离子稳定性，研究人员展示了CsPbB3的其他应用纳米晶体闪烁体。其中包括单质子示踪、实时图案化辐照和超分辨率质子成像。
值得注意的是，他们的研究展示了质子成像的空间分辨率低于 40 nm;这为推进材料表征、医学成像和科学研究等各个领域带来了巨大的希望。
刘教授说：「这项工作的突破将引起粒子辐射探测界的极大兴趣，为质子闪烁的新机制提供基本见解，以及使用超薄质子透射闪烁体实现突破性单离子探测灵敏度的技术进步。
“特别是，这些 CsPbBr3纳米晶体闪烁体在推进质子治疗和质子射线照相的检测技术方面具有压倒性的前景。
