量子材料或将成为高能 X 射线成像和粒子探测的未来

闪烁体是一种探测器，它通过闪光使高能 X 射线或粒子可见并形成图像。闪烁体的应用范围很广，包括粒子物理学、医学成像、X 射线安全等。

然而，尽管闪烁体很有用，但它也给研究人员带来了难题。直到最近，科学家们在为特定实验选择合适的闪烁体技术时，还必须决定快速成像和最佳性能哪个更重要。

美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家可能已经找到了解决这一难题的方法。它涉及一种由 200 亿分之一米大小的球形颗粒组成的闪烁体材料。这项研究发表在《自然通讯》上。

尽管这些纳米粒子非常小，但它们的结构却非常复杂，由球状的硫化镉核心、薄薄的硒化镉外壳和较厚的硫化镉外壳组成。该项目的合作者包括美国能源部橡树岭国家实验室、鲍林格林州立大学 (BGSU) 和西北大学的科学家。

由于量子力学效应，这些纳米粒子具有较大的粒子所不具备的宝贵光学和电子特性。BGSU 的科学家合成了这些称为量子壳的纳米粒子，以形成构成闪烁体材料的紧密晶格。

它适用于超快辐射检测以及利用X射线光源实现的高分辨率成像，例如美国能源部科学办公室用户设施阿贡的先进光子源 (APS)。

闪烁体技术的一个日常应用是在牙医诊所里，X 射线束穿过病人的嘴，照射到一层反应性材料薄膜上，从而印出牙齿的图像，以便牙医检查是否存在潜在缺陷。

虽然这种成像对于牙医或做胸部 X 光检查的医生很有用，但它与 APS 执行的纳米级成像所需的功率和精度相差甚远。这需要高效、响应迅速、具有高空间分辨率、耐用且可以缩放到大尺寸的闪烁体材料。

研究团队最近开发的量子壳满足了这些标准。阿贡国家实验室 X 射线科学部门的物理学家 Burak Guzelturk 表示：“量子壳可能适合在牙医诊所成像，但它们更适合在 APS 等光源下用于闪烁体成像，或者用于发动机在内部装有液体的情况下运转时的 X 射线成像。”

美国能源部科学办公室阿贡用户设施纳米材料中心的科学家本杰明·迪罗尔 (Benjamin Diroll) 表示：“当传统的闪烁体受到 X 射线束激发时，它们会发光，并且会具有一定的特征寿命。”

“其中一些可能是数百纳秒，也可能是微秒。量子壳闪烁体的寿命达到了个位数纳秒，同时保持了与传统闪烁体相同的效率水平。”

Guzelturk 将量子壳与另一种类似的发光材料量子点进行了比较。“在量子点中，光发射通常来自纳米物体的中心部分，发射光的颜色取决于其大小。另一方面，在量子壳中，光发射不是源自核心，而是纳米颗粒中相邻的壳。”

壳层的厚度决定了光的发射方式。由量子壳层制成的闪烁体材料能够提供快速、清晰的成像和长期耐用性。

传统的闪烁体往往相当厚。因此，它们可能在前面、后面或中间发光，这往往会模糊所需的图像。量子壳闪烁体避免了这个问题，因为它们可以在基底材料上制成薄膜。

Guzelturk 解释道：“由较轻元素制成的商用闪烁体需要几毫米厚。在我们的案例中，我们意识到我们可以将量子壳闪烁体做得更薄，只有几微米，同时实现强大的 X 射线吸收和高空间分辨率成像。”

随着用于高分辨率和超快成像的量子壳闪烁体的出现，科学家们能够绕过传统闪烁体技术的局限性。这项开创性的工作展示了这些纳米级量子材料的巨大潜力。通过利用其独特的光学和电子特性，研究人员可以在从粒子物理到医学诊断等领域开辟新的前沿。