能源經濟及策略、新及再生能源、火力、核能及核設施除役、原子科技及民生應用的專業資訊平台



科學家利用有機錳鹵化物開發出高效環保的X射線閃爍器

出處 Florida State University 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/10/07
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年10月
原始連結 原始連結

        美國佛羅里達州立大學(Florida State University)化學暨生物化學學系Biwu Ma教授率領的研究團隊近日開發出一種使用環保材料、可以用於製造X射線感測器的「X射線閃爍器(X-ray scintillators)」。佛大團隊宣稱他們的新閃爍器是一種對環境危害比較小的軟性材料,其製造成本也比現有技術者要低。此項研究成果已於八月底發表在《自然通訊(Nature Communications)》在線期刊上。

        而「閃爍器(scintillator)」是什麼呢?簡單來說,它是一類能夠吸收高能量粒子(例如X射線、γ射線等),而後將之轉換為低能量光子(可見光、紫外線等)的材料,因此可以用於高能粒子之檢測。譬如在人體電腦斷層掃描(CT)檢查中,X光穿透人體後會先被X光探測器前端的閃爍器吸收,閃爍器再將其吸收到的、已帶有人體內部結構資訊的X光轉換成可見光,使得CCD影像感測器能感光顯影。由於能將電離輻射轉換成可見光,因此除了在醫學造影上之應用外,閃爍器於輻射暴露監測防護、安全檢查、無損檢測、太空探索、地質勘探、核物理和高能物理研究等方面都有廣泛應用。

  根據維基百科,閃爍器材料大致上可分為三類:(1)無機閃爍器、(2)有機閃爍器、(3)氣體閃爍器。儘管各類型材料都有應用於X射線感測器者,然而現有材料還是存在許多的困難和局限性,例如:製備無機晶體之條件相當嚴格、有機晶體的閃爍特性是非等向性的 (anisotropic)、塑料的光產量低(low light yield)等。因此尋找低成本、高性能的閃爍器材料仍然具有科學及實務上之重大意義。而最近也有基於鉛鹵化物鈣鈦礦(CsPbBr3或MAPbBr3等)之閃爍器已開發出來之報導,但鉛之毒性卻又可能成為限制其應用價值的潛在問題。

  現在Ma教授團隊則另外找出新方案:他們以一種有機錳鹵化物(C38H34P2)MnBr4開發出不含鉛或重金屬之環保X射線閃爍器,而此有機錳鹵化物可以廉價的市售原料,室溫下用簡單的溶劑擴散法就能輕鬆製得。團隊展示出一片長寬皆大於1英吋的單晶(C38H34P2)MnBr4閃爍器,並證明有以下特性:優良的熱穩定性;在波長300 ~ 400 nm紫外光照射下會發出強度峰值在波長517 nm、半峰全寬51 nm、光致發光量子效率(PLQE)達95%的明亮綠色光;對大範圍X射線劑量率36.7 nGy/s ~ 89.4 μGy/s有出色的線性響應;每MeV約80,000光子的光產量;72.8nGy/s之低檢測極限等,故可望用於高解析度X光造影。

        目前Ma教授團隊已經獲得佛大的GAP商業化投資計劃資金,未來他們將繼續將此研究成果轉化為可能的商業產品。

圖說:基於(C38H34P2)MnBr4的軟性閃爍器,在一般的環境光下a.平放、b折彎、c.拉伸;紫外線激發下d.平放、e.折彎、f.拉伸;使用(C38H34P2)MnBr4軟性閃爍器之插圖中物件X光掃描影像g.扳手、h揚聲器IC。

(Soure: Liang-Jin Xu et. al., Highly efficient eco-friendly X-ray scintillators based on an organic manganese halide. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-18119-y. CC BY 4.0)