近日，我系米赵宏青年研究员与新加坡国立大学刘小钢院士和Andrew Bettiol副教授合作，报道了一种基于钙钛矿纳米晶材料的透射型薄膜闪烁体探测器，用以开展实时单质子计数，并从实验上发现了该闪烁体对质子的高灵敏响应得益于质子诱导双激子的产生，相关成果发表在《Nature Materials》上。

荷能带电粒子探测是粒子物理与核物理、深空探测、质子放射治疗等领域的重要工具。以质子治疗为例，为了精准控制辐照剂量，理想状态下希望在辐照病人的同时能够对质子进行计数，一种较为可行的办法是制备质子透射型薄膜探测器。现有的商用探测器大多使用块体材料，如电离室、硅基探测器、单晶闪烁体探测器等，无法实现质子的透射和实时计数。对薄膜闪烁体而言，为了使质子能散和能损能够控制在合理范围内，薄膜厚度越小越好，这就使得可探测的单质子信号受限于薄膜的厚度。有机薄膜闪烁体和可植入式塑料闪烁光纤虽然可以实现质子的实时探测，但存在闪烁发光效率低、抗辐照性能差等缺点，严重影响单质子计数的准确性。因此，开发出发光效率高、抗辐照性能好的薄膜闪烁体探测器至关重要。

研究团队制备了一款基于CsPbBr₃纳米晶的透射型薄膜闪烁体探测器，并实现了对单个质子的追踪和实时计数。实验发现，该钙钛矿纳米晶薄膜闪烁体在2 MeV质子束下的光产额可以达到约2.9×10⁵光子/MeV，该数值是BC-400商用塑料薄膜闪烁体的约两倍，是LYSO:Ce，BGO 和 YAG:Ce等闪烁晶体的约十倍。在此基础上，实验上测得CsPbBr₃纳米晶薄膜闪烁体（~5 µm）对2 MeV质子的探测限为7 s^-1，该极限值比医用所需的质子计数率低5个数量级。通过离子荧光光谱学和离子荧光寿命测量等实验手段，团队提出并证实了CsPbBr₃纳米晶在质子束下的闪烁发光机理。具体来说，质子束诱导CsPbBr₃纳米晶产生能量范围为eV-keV的二次电子，这些二次电子通过上转换和碰撞电离（impact ionization）这两种方式激发CsPbBr₃纳米晶并产生高密度的激子，激子-激子相互作用形成双激子（biexciton），双激子的辐射性复合形成荧光发射，而非辐射性的俄歇复合实现了较短的荧光寿命（~336 ps），如图1所示。这一重要发现有助于理解钙钛矿纳米晶中离子闪烁发光的机制。

图1. （A）CsPbBr₃纳米晶薄膜闪烁体中质子诱导二次电子（δ-rays）和离子荧光发射示意图；（B）质子闪烁发光机理。（图片提供：米赵宏）

更进一步，结合CsPbBr₃纳米晶在质子束下的高灵敏度、快速响应（~336 ps）和优越的抗辐照性能（注量可达10¹⁴ cm^-2），研究团队展示了单质子追踪、辐照过程中的实时单质子计数、高分辨质子成像等应用。值得一提的是，该研究利用CsPbBr₃纳米晶并结合质子束聚焦技术，实现了小于40 nm空间分辨率的质子成像，这对该类闪烁体探测器将来在质子影像学上的应用具有重要意义。

我系米赵宏青年研究员为文章的第一及通讯作者，通讯作者还包括新加坡国立大学的刘小钢院士和Andrew Bettiol副教授，边虹宇（Hongyu Bian）为共同一作。该研究得到了国家自然科学基金委青年基金项目（NSFC, 12205053）和复旦大学引进人才启动经费的资助。

文章链接：Nature Materials (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01782-z.