Ученые обнаружили прочный, но чувствительный материал для обнаружения высокоэнергетического рентгеновского излучения

Рентгеновские технологии играют жизненно важную роль в медицине и научных исследованиях, обеспечивая неинвазивную медицинскую визуализацию и понимание материалов. Последние достижения в области рентгеновских технологий позволяют получать более яркие и интенсивные лучи и получать изображения все более сложных систем в реальных условиях, например, внутри работающих батарей.

Чтобы поддержать эти достижения, ученые работают над разработкой материалов для детекторов рентгеновского излучения , которые могут противостоять ярким рентгеновским лучам высокой энергии, особенно излучаемым большими рентгеновскими синхротронами, сохраняя при этом чувствительность и экономическую эффективность.

Группа ученых из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и их коллеги продемонстрировали исключительные характеристики нового материала для обнаружения картин рассеяния рентгеновских лучей высокой энергии. Обладая превосходной стойкостью к сверхвысокому потоку рентгеновского излучения и относительно низкой стоимостью, материал детектора может найти широкое применение в рентгеновских исследованиях на основе синхротрона.

Во время эксперимента по рассеянию рентгеновских лучей пучок фотонов (или световых частиц) проходит через исследуемый образец. Образец рассеивает фотоны, которые затем попадают на материал детектора. Анализ того, как рассеиваются рентгеновские лучи, дает ученым представление о структуре и составе образца.

«Многие из современных детекторных материалов не могут выдерживать широкий диапазон энергий луча и огромные потоки рентгеновского излучения, исходящие от больших синхротронных установок. Те, которые часто дороги или их трудно выращивать, или их приходится охлаждать до очень высокой температуры. низкие температуры», — сказал Антонино Мичели, физик из Аргоннского усовершенствованного источника фотонов (APS), пользовательского центра Министерства энергетики США.

Руководствуясь потребностью в более совершенных материалах для детекторов, команда проанализировала характеристики кристаллов перовскита бромида цезия . Перовскиты имеют простую структуру с легко настраиваемыми свойствами, что делает их пригодными для широкого спектра применений.

Материал выращивали двумя разными методами. Один из методов заключался в плавлении и охлаждении материала, чтобы вызвать образование кристаллов, что было сделано в лаборатории Дака Янга Чунга, ученого из отдела материаловедения Аргонна. Другой подход представлял собой подход, основанный на растворе, при котором кристаллы выращиваются при комнатной температуре. Эта работа была выполнена в Северо-Западном университете в лаборатории Меркури Канацидиса, старшего научного сотрудника из Аргонна, работающего по совместительству в Северо-Западном университете.

«На канале 11-ID-B в APS мы оценивали кристаллы, изготовленные с использованием этих двух стратегий, и то, как они ведут себя в широком диапазоне синхротронных потоков», — сказал Канацидис. «Результаты были весьма ошеломляющими».

Выращенный с использованием обоих методов материал продемонстрировал исключительные возможности обнаружения и без каких-либо проблем выдержал потоки до предела APS.

«Этот детекторный материал способен различать небольшие изменения, позволяя лучше понять реальные материалы в реальных условиях», — сказал Мичели. «Он относительно плотный по сравнению с обычными материалами детекторов, такими как кремний, и его структура влияет на его электрические свойства для повышения эффективности и чувствительности».

Рентгеновские лучи высокой энергии позволяют исследователям изучать динамические системы в режиме реального времени. К ним относятся биологические процессы в клетках или химические реакции внутри двигателя. Благодаря способности нового детектора обнаруживать тонкие изменения во время экспериментов исследователи могут получить ценную информацию о сложной и быстрой активности в материалах, что способствует более быстрым и детальным исследованиям.

Превосходные материалы детекторов в APS еще более важны сейчас, когда на объекте проводится масштабная модернизация, которая увеличит яркость его лучей почти в 500 раз.

«Наша группа смогла вырастить кристаллы чрезвычайно высокого качества благодаря уникальному набору возможностей и опыта в Аргонне, что действительно помогло улучшить характеристики материала», — сказал Чанг.

Заглядывая в будущее, исследовательская группа намерена сосредоточиться на расширении производства и оптимизации качества кристаллов. Они ожидают дополнительных применений этого материала, включая его потенциальное использование для обнаружения гамма-лучей при чрезвычайно высоких энергиях при поддержке Национальной администрации по ядерной безопасности Министерства энергетики США.