(A)是由CsPbBr3纳米晶体(立方结构)组成的透射薄闪烁体中质子束诱导发光(电离发光)和质子诱导电离产生二次电子(δ射线)的示意图。(B)提出了质子闪烁的机制，包括通过低能δ射线泵浦的质子诱导上转换和高能δ射线泵浦的冲击电离形成高密度激子(左图)，通过激子-激子相互作用形成双激子(中图)，以及通过双激子的辐射重组伴随快速非辐射俄歇过程的去激发过程(右图)。来源:米兆宏

新加坡国立大学(NUS)的研究人员利用钙钛矿纳米晶体开发了一种透射式薄闪烁体，用于实时跟踪和计数单个质子。这种特殊的灵敏度归因于质子诱导的上转换和冲击电离产生的双激子辐射发射。高能粒子的探测在从基础物理到量子技术、深空探索和质子癌治疗等各个领域的科学技术进步中发挥着重要作用。质子治疗对精确剂量控制的需求日益增长，推动了质子探测器的广泛研究。一种很有希望在放射治疗中实现质子计数的方法是开发高性能的薄膜探测器，这种探测器可以透射到质子上。尽管近年来硅基、化学气相沉积、金刚石基和其他类型的质子探测器取得了进展，但一个基本的挑战仍然没有解决:实现单质子计数精度的实时质子照射。

在单质子探测中，可探测的信号基本上受到探测器厚度的限制。因此，质子透射探测器必须在超薄厚度下制造，同时保持单质子探测的灵敏度。

现有的粒子探测器，如电离室、硅基探测器和单晶闪烁体，体积太大，无法传输质子。此外，由于电子密度低，有机塑料闪烁体的闪烁率和粒子辐射容限较低，这阻碍了它们的单质子探测灵敏度。

由新加坡国立大学化学系刘小刚教授和物理系副教授Andrew Bettiol领导的研究小组展示了利用CsPbBr3纳米晶体制成的薄膜透射闪烁体对单个质子的实时检测和计数。

这种方法提供了无与伦比的灵敏度，产光量大约是市售BC-400塑料薄膜闪烁体的两倍，是LYSO:Ce、BGO和YAG:Ce晶体等传统体闪烁体的10倍。这些结果发表在《自然材料》杂志上。薄膜纳米晶体闪烁体的厚度约为5 μ m，具有高灵敏度，允许每秒7个质子的检测极限。该灵敏度比临床相关计数率低约5个数量级，是单质子检测技术的重大进步。

研究小组提出并证实了CsPbBr3纳米晶体中质子诱导闪烁机制的新理论。他们已经证实，质子诱导的闪烁主要是由CsPbBr3纳米晶体中的双激子态的居群引起的，这是由质子诱导的上转换和冲击电离过程促进的。这一发现对理解钙钛矿纳米晶体中的质子闪烁具有重要意义。

通过利用增强的灵敏度，加上对质子束的快速响应(~336 ps)和明显的离子稳定性(高达每平方厘米1014个质子的影响)，研究人员展示了CsPbBr3纳米晶体闪烁体的其他应用。这些技术包括单质子示踪、实时模式照射和超分辨率质子成像。值得注意的是，他们的研究展示了质子成像的空间分辨率低于40纳米;这为推进材料表征、医学成像和科学研究等各个领域带来了巨大的希望。

刘教授说:“这项工作的突破将对粒子辐射探测界产生相当大的兴趣，既提供了对质子闪烁新机制的基本见解，又提供了利用超薄质子透射闪烁体突破性的单离子探测灵敏度的技术进步。”“特别是，这些CsPbBr3纳米晶体闪烁体在推进质子治疗和质子放射成像的检测技术方面具有巨大的前景。”