Razele X sunt o componentă obişnuită a testelor de diagnostic şi a monitorizării industriale, fiind utilizate pentru multiple activităţi, de la monitorizarea dinţilor la scanarea valizei la aeroport. Dar razele de mare energie produc, de asemenea, radiaţii ionizante, care pot fi periculoase după expuneri prelungite sau excesive. În prezent, cercetătorii au făcut un pas în direcţia unor raze X mai sigure prin crearea unui detector foarte sensibil şi pliabil care produce imagini de bună calitate cu doze mai mici de radiaţie, ce ar putea avea implicaţii de anvergură pentru imagistica medicală.
Oricine a fost vreodată la dentist îşi aminteşte de momentul în care un tehnician îi acoperă corpul cu o vestă grea de plumb şi apoi iese rapiud din cameră pentru a-i face radiografii. În curând, s-ar putea să existe în sfârşit o modalitate mai sigură de a efectua aceste scanări cu raze X fără expunerea la radiaţii.
O echipă de cercetători de la Universitatea de Ştiinţă şi Tehnologie King Abdullah (KAUST) din Arabia Saudită a dezvoltat o tehnică nouă care poate reduce drastic doza de radiaţii necesară pentru imagistica cu raze X, fără a compromite calitatea imaginii.
Studiul, publicat recent în revista ACS Central Science, detaliază modul în care cercetătorii au proiectat o „cascadă” de dispozitive monocristaline interconectate pentru a crea detectoare de raze X cu performanţe semnificativ îmbunătăţite comparativ cu metodele tradiţionale.
„Acest progres deschide calea pentru imagistica medicală şi monitorizarea industrială mai sigure şi mai eficiente”, spune Omar F. Mohammed, autorul corespondent al studiului, într-un comunicat.
Inovaţia cheie constă în configuraţia în cascadă, care implică conectarea mai multor dispozitive monocristaline în serie. Această configuraţie permite detectoarelor să menţină acelaşi curent de semnal generat de expunerea la raze X, reducând în acelaşi timp drastic „curentul de întuneric” nedorit care contribuie la „zgomotul de fond".
Un nou detector de raze X produce o radiografie de înaltă calitate care arată un ac metalic (sus, în dreapta) şi interiorul unei unităţi USB (jos, în dreapta) folosind doze mai mici de radiaţii electromagnetice decât detectoarele existente. Credit: ACS Central Science, 11 noiembrie 2024.
De obicei, detectoarele de raze X se străduiesc să distingă semnalul real al razelor X de zgomotul de fond, necesitând utilizarea unor doze mai mari de radiaţii pentru a obţine imagini utilizabile. Noua abordarea în cascadă dezvoltată de echipa KAUST a rezolvat această problemă, reducând pragul de detecţie de la 590 nanograi pe secundă (nGy/s) cu un dispozitiv convenţional cu un singur cristal la doar 100 nGy/s.
Pentru a testa dispozitivele în cascadă, cercetătorii au utilizat monocristale perovskite de bromură de plumb metilamoniu (MAPbBr3), un material relativ nou care s-a dovedit foarte promiţător pentru detectarea razelor X datorită proprietăţilor sale excelente de transport al sarcinilor. Echipa a fabricat patru cristale MAPbBr3 identice şi le-au conectat în serie, creând dispozitive etichetate SC1, SC1-2, SC1-3 şi SC1-4 pentru a reflecta numărul de cristale în cascadă.
Printr-o serie de experimente, echipa a demonstrat că această configuraţie în cascadă a depăşit în mod constant dispozitivul cu un singur cristal. Nu numai că SC1-2 a prezentat cea mai mică limită de detecţie, dar a obţinut şi cea mai mare rezoluţie spaţială de 8,5 perechi de linii pe milimetru - semnificativ mai bună decât cea de 5,6 lp/mm obţinută de dispozitivul monocristal SC1.
În mod important, cercetătorii au validat faptul că metoda lor în cascadă funcţionează la diferite tensiuni aplicate şi grosimi ale materialului, precum şi pentru alte materiale semiconductoare precum telurura de cadmiu (CdTe). Această versatilitate sugerează că tehnica ar putea avea o aplicabilitate largă în domeniul detectării cu raze X.
Având potenţialul de a transforma diagnosticarea medicală, detectoarele cu raze X proiectate în cascadă dezvoltate de echipa KAUST reprezintă un pas înainte semnificativ în încercarea de a reduce expunerea la radiaţii fără a compromite calitatea imaginii.
Exploatând proprietăţile unice ale materialelor perovskite şi o abordare de inginerie inteligentă, cercetătorii deschid noi căi pentru o tehnologie cu raze X mai sigură şi mai eficientă.
Rezumatul studiului
Cercetătorii au cultivat monocristale de perovskită MAPbBr3 de înaltă calitate folosind o metodă de cristalizare cu temperatură controlată. Ei au selectat patru cristale identice, fiecare măsurând 3 x 3 mm cu o grosime de 2 mm, şi au efectuat o caracterizare cuprinzătoare a proprietăţilor lor structurale, optice şi electronice pentru a asigura o performanţă consecventă pentru toate probele.
Pentru a testa configuraţia în cascadă, echipa a conectat cele patru cristale MAPbBr3 în serie, creând dispozitive cu unul (SC1), două (SC1-2), trei (SC1-3) şi patru (SC1-4) cristale în cascadă. Apoi au supus aceste dispozitive la diferite rate ale dozei de raze X şi au măsurat performanţa acestora în ceea ce priveşte curentul de întuneric (un curent mic cauzat de ionizarea excitată termic), curentul de semnal, sensibilitatea, raportul semnal-zgomot (SNR) şi rezoluţia spaţială.
Rezultate cheie
Abordarea în cascadă a demonstrat avantaje semnificative faţă de dispozitivul monocristal (SC1). Curentul de întuneric al SC1-2 a fost aproape jumătate din cel al SC1, iar această tendinţă a continuat pe măsură ce au fost adăugate mai multe cristale în serie, SC1-4 prezentând cel mai mic curent de întuneric.
Limita de detecţie, care reprezintă cea mai mică doză de raze X care poate fi detectată în mod fiabil, a fost, de asemenea, îmbunătăţită drastic în dispozitivele în cascadă. SC1-2 a atins o limită de detecţie de 100 nGy/s, o reducere de şase ori faţă de limita de 590 nGy/s a dispozitivului monocristal SC1.
Limitările studiului
Studiul a fost limitat la un eşantion relativ mic de patru monocristale MAPbBr3, deşi cercetătorii au demonstrat versatilitatea abordării în cascadă prin testarea acesteia şi cu monocristale CdTe - Cadmium (Cd) şi Tellurium (Te). În plus, configuraţia în cascadă cu trei sau mai multe cristale a prezentat o anumită degradare a performanţei, probabil din cauza rezistenţei crescute şi a eficienţei reduse a transferului de sarcină în cazul conexiunilor în serie mai lungi.
Concluziile studiului
Detectoarele de raze X proiectate în cascadă dezvoltate de echipa KAUST reprezintă un progres semnificativ în domeniul imagisticii cu doze reduse de raze X. Prin valorificarea proprietăţilor unice ale materialelor perovskite şi printr-o abordare de inginerie inteligentă, cercetătorii au reuşit să îmbunătăţească semnificativ raportul semnal/zgomot şi limitele de detecţie ale detectoarelor de raze X, fără a compromite sensibilitatea sau rezoluţia spaţială.
Capacitatea configuraţiei în cascadă de a menţine curentul de semnal în timp ce reduce curentul de întuneric este inovaţia-cheie care permite această creştere a performanţei. Această abordare ar putea avea implicaţii de anvergură pentru imagistica medicală, controlul de securitate şi alte aplicaţii în care minimizarea expunerii la radiaţii este extrem de importantă.
În mod important, cercetătorii au demonstrat versatilitatea metodei lor în cascadă, arătând că aceasta poate fi aplicată la diferite materiale semiconductoare şi configuraţii de dispozitive. Acest lucru sugerează că tehnica ar putea fi adoptată pe scară largă şi adaptată pentru a se potrivi diferitelor nevoi de detectare a razelor X cu doză redusă.
