Fapurite

„Szybki i jasny scyntylator perowskitowy wzmocniony Purcellem”

(akronim projektu: Fapurite)

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu „OPUS-24”.

Nr projektu: 2022/47/B/ST5/01966
Wartość projektu: 1 520 820,00 PLN
Wartość dofinansowania 1 520 820,00 PLN
Okres realizacji projektu: 2023/10/02– 2026/10/01

Kierownik projektu: dr Muhammad Danang Birowosuto

Materiały scyntylacyjne są wrażliwe na promieniowanie jonizujące i są obecnie stosowane w wielu systemach detekcji w takich dziedzinach, jak obrazowanie medyczne, bezpieczeństwo wewnętrzne, kalorymetria fizyki wysokich energii (HEP), energia, kontrola przemysłowa, odwierty ropy naftowej i czujniki kwantowe.

Niektóre scyntylatory posiadają właściwości umożliwiające zastosowania wykraczające poza statyczne obrazowanie promieniowania, takie jak pomiar czasu przelotu, spektroskopia i ultraszybkie wieloklatkowe obrazowanie promieniowania. Dwie najważniejsze właściwości tych materiałów to wydajność świetlna, która określa liczbę wytworzonych fotonów widzialnych na zdeponowaną energię promieniowania, oraz czasy zaniku, które określają, jak szybko te fotony są emitowane po napromieniowaniu.

Obie wpływają na wartość pochodnej rozdzielczości koincydencji czasowej (CTR) w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), która jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego wydajności świetlnej podzielonej przez czas zaniku i wyjściowej szybkości zliczania (OCR) w tomografii komputerowej zliczającej fotony (PCCT ) i szybkim spektralnym obrazowaniu rentgenowskim. CTR poniżej 30 ps poprawi jakość obrazowania TOF PET poprzez znaczne zwiększenie stosunku sygnału do szumu, podczas gdy OCR PCCT >20 Mcps/piksel będzie lepsza niż wartość uzyskiwana przy obecnej technologii półprzewodników CdTe/CZT. Dla PET, najlepsze komercyjne scyntylatory, Lu2SiO5(LSO):Ce, mają CTR 60 ps, ale ich koszt to około 426 EUR za 20x20x20 mm3, co daje całkowity koszt systemu TOF PET rzędu milionów EUR. W przypadku PCCT rozwój na bazie obecnie stosowanej technologii półprzewodnikowej jest ograniczony, ponieważ wymaga bardziej stabilnego i niezawodnego detektora.

Patrząc na przemysł fotowoltaiczny, odpowiedzią na TOF PET, PCCT i szybkie spektralne obrazowanie rentgenowskie mogą być przetwarzalne w roztworze scyntylatory ze strukturami perowskitowymi, które mogą obniżyć koszty nawet pięćdziesięciokrotnie w porównaniu z LSO: Ce. Są to dwaj potencjalni kandydaci: dwuwymiarowe hybrydowe kryształy organiczno-nieorganicznego perowskitu (2D HOIP) i bezołowiowe całkowicie nieorganiczne kryształy perowskitu (AIP). Z jednej strony najlepsze kryształy 2D HOIP mają wydajność świetlną nieco większą niż 20 fotonów/keV energii zdeponowanej i czas reakcji mniejszy niż 5 ns, co daje CTR 80 ps, nieco gorszy niż LSO: Ce, ale długość absorpcji tylko 4 razy większą niż ta z LSO:Ce. Z drugiej strony, bezołowiowe kryształy AIP, których długość absorpcji jest taka sama jak LSO:Ce, mogą dawać 100 fotonów/keV, ale czasy odpowiedzi wynoszą około 50 ns cofając CTR dłużej niż 150 ps. Zatem dla 30 ps CTR wydajność świetlną scyntylatorów 2D HOIP i AIP należy poprawić ponad 3 lub 5 razy. W przypadku PCCT kryształy 2D HOIP już dają 10 Mcps/piksel, czyli tylko o dwa mniej niż obecna technologia półprzewodnikowa.

Projekt FAPURITE skupi się na rozwiązaniu tych problemów ze scyntylatorami perowskitowymi za pomocą nanofotoniki, a w szczególności nanostruktur rezonansowych, prowadzących do wzmocnienia emisji światła poprzez efekt Purcella. Pozwoli to zarówno na zwiększenie wydajności świetlnej, jak i poprawę czasu zaniku, aby umożliwić zmniejszenie CTR lub zwiększenie OCR.