پژوهش‌گرانی از ایالات متحده٬ هلند و چین موفق به ساخت آشکارساز جدیدی شده اند که در مقابل اشعه‌ی ایکس با حساسیت بالایی رفتار می‌کند. این پژوهش‌گران پیش‌بینی کرده‌اند که آشکارساز ساخت آنان اجازه خواهد داد تا تصاویر اشعه‌ی ایکس با درجه پایین‌تر از تابش یونشی گرفته شده و خطر ابتلا به سرطان در بیماران کاهش یابد.

اشعه‌ی ایکس در تشخیص بیماری‌ها و نظارت بر درمان بیماران بسیار مفید است؛ این پرتوها نفوذ بالایی داشته و از پوست و بافت نرم عبور می‌کنند تا استخوان‌ها و بافت‌های عمیق را آشکار سازند. با این حال اشعه‌ی ایکس از مواد استفاده شده در آشکارسازها نیز به راحتی عبور کرده و همین عامل سبب می‌شود تا این دستگاه‌ها ناکارآمد باشند. پروتکل‌های تشخیصیِ قابل توجهی همچون توموگرافی رایانه‌ای (CT) روبشی، از دُزهای بالایی از اشعه‌ی ایکس استفاده می­کنند تا تصاویر با کیفیت بالایی را نتیجه دهند؛ دُزهایی که حامل خطرات سرطانی هستند. بر این اساس کاهش دُز تابشی با توسعه‌ی آشکارسازهای اشعه‌ی ایکس حساس‌تر٬ زمینه‌ی بسیار فعالی در فیزیک پزشکی محسوب می‌شود.

وقتی یک فوتونِ اشعه‌ی ایکس از آشکارساز برپایه‌ی نیم‌رساناها عبور می‌کند٬ جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌شوند. ولتاژ اعمالی در ماده­ی آشکارسازی‌شده باعث می‌شود تا الکترون‌ها و حفره‌های مثبت در جهات مختلفی حرکت کنند. با اندازه‌گیری جریان حاصل‌شده می‌توان شدت تابش برخوردی به آشکارساز را محاسبه کرد. آشکارسازهای مدرن معمولاً از سلنیومِ آمورف به عنوان ماده ‌ی آشکارساز استفاده می‌کنند. جینسونگ هوانگ (Jinsong Huang) از دانشگاه نبراسکا لینکلن می‌گوید چنان قطعاتی را می‌توان به سهولت در ابعاد بزرگ ساخت و در داخل مدارهای سیلیکونی مجتمع کرد اما حساسیت آن‌ها با جذب نسبتاً پایین اشعه‌ی ایکس در سلینیوم محدود می‌شود.

فلز سنگین

جذب اشعه‌ی ایکس در یک اتم با توان چهارم عدد اتمی آن (Z) رابطه‌ی مستقیم دارد. بنابراین مواد معدنی پروسکایت (perovskite) شامل سرب فلزی سنگین (Z=82) جاذب بسیار خوبی به حساب می‌آید. در سال ۲۰۱۵ ولفگانگ هایس (Wolfgang Heiss) از دانشگاه یوهانس کپلرِ لینز و همکارانش از یک آشکارساز اشعه‌ی ایکس برپایه‌ی لایه‌ی نازکی از مواد پروسکایتِ حل‌پذیر پرده‌برداری کردند. متاسفانه ضخیم‌ترین لایه‌هایی که آن‌ها موفق به ساخت آن شدند ۶۰ میکرومتر ضخامت داشت که برای متوقف ساختن اشعه‌ های پرقدرت ایکس که در تصویربرداری پزشکی از آن‌ها استفاده می‌شود٬ بسیار نازک بود. بعلاوه این لایه‌ها چندبلوری بودند و این یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها تمایل دارند تا در مرزهای دانه‌ای بازترکیب شوند. با این وجود در همان سال گروه‌های مختلفی از پژوهش‌گران فناوری‌هایی را برای تولید لایه‌های پروسکایت نازک و تک بلوری با استفاده از فرآیند حل‌کردن توسعه داد.

در این تحقیق اخیر، هوانگ و همکارانش از نسخه‌ی تغییریافته‌ای از یک فناوری استفاده کرده‌اند تا آشکارسازهای اشعه‌ی ایکس تک بلوری به ضخامت ۲-۳ میلی‌متر تولید کنند. این آشکارسازها از تربید سرب متیل آمونیوم (methylammonium lead tribromide) پروسکایت ساخته شده‌اند. این مواد تحرک بار و طول‌عمرهای بسیار بالاتر از مواد پیشین دارند و به الکترون‌ها و حفره‌ها این امکان را می­دهند تا با اعمال تنها یک صدم ولتاژ اعمالی استخراج شوند. این ویژگی حائز اهمیت است چون افزایش ولتاژ «جریان تاریک» را افزایش می‌دهد که موجب آلوده شدن سیگنال می‌شود.

به گفته‌ی این محققان، آشکارساز جدید آن‌ها چهاربرابر حساس‌تر از آشکارسازهای سلنیوم آمورف است و بنابراین قادر است تا سیگنال‌های اشعه‌ی ایکس ضعیف‌تر را آشکارسازی کند. با این حال آن‌طور که هوانگ توضیح می‌دهد این آشکارساز هنوز برای تصویربرداری پزشکی کافی نیست چون کاربردهای عملی به آرایه‌ای از آشکارسازها نیازدارند نه به یک تک قطعه.

سهولت در استفاده

هایس با این موضوع، که این فناوری بایستی از یک تک‌آشکارساز به حداقل آرایه‌ای خطی از آشکارسازها (قبل از آن‌که برای کاربردهای پزشکی مفید باشد) گسترش یابد موافق است. او که در این پژوهش درگیر نبوده است می‌افزاید که فیزیک نیم‌رساناها که توسط تیم هوانگ انجام شده «قابل توجه» است. به بیان او٬ طول‌عمر و تحرک حاملان بار با آن‌چه در بلورهای نیم‌رسانای سنتی تاکنون با روش‌های ظریف و پرزحمت رشد یافته‌اند٬ قابل مقایسه است. وی می‌گوید: «آن‌ها به کیفیت یکسانی اما به طریقی بسیار آسان‌تر دست یافته‌اند٬ که به گمان من چیز حیرت‌آوری است». او اما در مورد پتانسیل‌های کاربردی آن قضاوتی نمی‌کند.

جان رولندز (John Rowlands) از مرکز علوم پزشکی سانیبروک (Sunnybrook) در تورنتو که به توسعه‌ی آشکارساز آمورف کمک کرده نیز از این «کار جالب و عالی» تمجید کرده، اگرچه او نیز معتقد است که هنوز در مقابل پیاده‌سازی در ابزارهای پزشکی موانعی وجود دارد. به بیان وی اتکاء بر تحرک بالای حاملان بار برای رسیدن به تولید بار در ولتاژهای کم می‌تواند وضوح یک آشکارساز را جبران کند چون بارها به شکل جانبی نیز سوق پیدا می‌کنند.

به بیان روالندز اگرچه کیفیتِ حداقل آن دسته از بخش­هایِ در معرض تصویر بهبود پیدا خواهد کرد اما «شاید اساساً» نتوان فرض کرد که دُز پایینی از پرتوهای اشعه‌ی ایکس بتواند مورداستفاده قرار گیرد، چون تعداد بهینه‌ای از فوتون‌ها برای تصحیح افت‌وخیزهای اتفاقی در بخش‌های دیگر تصویر نیاز خواهد بود. سرانجام وی می‌گوید پارامترهایی که در این مقاله در مورد کیفیت آشکارسازهای سلنیوم آمورف به آن ارجاع داده شده است، از مقاله‌ای که در سال ۲۰۰۰ به چاپ رسیده گرفته شده و از آن زمان هنوز توسعه­ی سلنیومِ آمورف به قوت خود باقی است.

این پژوهش در مجله فوتونیک نیچر به چاپ رسیده است.

درباره­ی نویسنده:

تیم وگان نویسنده­ی علمی از انگلستان است.

منبع:

Medical imaging could benefit from new X-ray detector