意大利科研人员研发出有机薄膜器件有望成为质子剂量计

2021-06-02 17:34

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直接探测5MeV质子的有机半导体器件的原理图。共面传感器是通过两个交叉的金电极的热蒸发和 TIPGe-Pn 有机半导体薄膜的溶液沉积在柔性塑料基板上制造的。


意大利的研究人员已经开发出一种有机探测器,可以实时和成模式定量、可靠地测量质子辐射剂量。这种基于半导体薄膜的有机器件可以直接探测到5MeV质子。研究小组认为,这种新型材料有可能制造出灵活、便携和组织等效的质子探测器,用于质子治疗等应用。


有机半导体已经被证明是可靠的电离辐射探测器。但是由博洛尼亚大学的Beatrice Fraboni领导的多机构研究小组认为,这是第一个评估探测器对质子束响应性的研究。


研究人员称,有机探测装置在开发灵活、大面积、直接质子剂量计方面具有独特的优势。有机半导体可以使用低成本的技术从溶液中沉积出来,这些技术很容易扩展到大面积上。低温制造工艺(180℃以下)允许在塑料基板上制造柔性器件。这些器件在非常低的偏压(小于 1 V)下运行,具有便携性和可穿戴性。最后,它们的组成和密度使它们在质子吸收方面与人体组织相当。因此,它们可以作为医用剂量计而不需要复杂的校准程序。


该团队制造的探测器具有光电导体结构,其中活性半导体层是微晶TIPGe-Pn的有机薄膜。这种 150 nm 的薄膜从溶液中沉积到塑料基板上的两个相互交叉的金电极上,这确保了系统的机械灵活性。


研究人员以实时和集成模式测试了探测器对质子辐射的响应,并在 Science Advances 上报告了他们的发现。他们使用来自佛罗伦萨 LABEC 离子束中心的 3 MV Tandetron 加速器的 5 MeV 质子束照射探测器。


检测器获得的最佳灵敏度为 5.15±0.13 pC/Gy,计算检测限低至 30±6 cGy/s。传感器对质子束表现出稳定且可重现的响应,通量在3.5 x109和8.7×1011质子/ cm2之间,并且在总剂量高达28 kGy时保持线性响应。


研究人员指出,虽然治疗光束的能量通常高于 70 MeV,但这项工作中测试的质子能量与范围结束值相似,特别是散射质子到达目标周围内部组织的能量。因此,检测器可用于在治疗期间监测健康组织的剂量,例如在前列腺癌的质子治疗期间递送至直肠壁的剂量。有机传感器可以装入直肠气球中,以帮助确保周围健康组织的安全。


另一个潜在应用是作为医疗剂量计,用于测量宇航员在长期太空任务中吸收的辐射。


“我们的工作证明了在实时模式和集成模式下同时操作相同传感器的可能性,利用有机半导体与塑料基板的界面耦合,”第一作者 Ilaria Fratelli 告诉物理世界。 “虽然有机半导体中质子束释放的能量是通过电流的瞬时增加来记录的,但塑料衬底中释放的能量会产生俘获电荷的累积,从而导致器件电导率的增加,与系统吸收的总辐射剂量成比例。”


该团队现在正计划在质子治疗中心进行进一步的测试,以研究更高能量的质子束的影响。 “我们还在通过两条平行途径继续我们的研究,”Fratelli 说。“我们正在研究质子与构成设备的材料之间相互作用的基本机制,以实现对传感系统的完全控制和优化。我们正在研究器件的几何形状和结构,研究决定探测器综合响应的界面效应,以及用作实时有源层的半导体材料。”