Nanocompositi scintillatori ad alta luminosità permettono la rivelazione ultraveloce di raggi gamma

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scintillatori multistrato

I materiali scintillatori emettono impulsi di luce quando sono esposti a radiazioni ionizzanti o a particelle cariche ad alta energia. Oggigiorno, scintillatori sempre più veloci più luminosi sono sempre più ricercati per applicazioni avanzate dove è necessario acquisire dati con un elevato rapporto segnale/rumore in brevi finestre temporali, come per esempio nella tomografia a emissione di positroni a tempo di volo (ToF-PET) per l'imaging del cancro.

Nell'articolo “Highly Luminous Scintillating Nanocomposites Enable Ultrafast Time Coincidence Resolution for 𝜸-rays Detection with Heterostructured Multilayer Scintillators”, DOI: 10.1002/adfm.202421434, pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials (Wiley, Impact Factor 18.5, 2023 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2024)), la dott.ssa Valeria Secchi, la dott.ssa Irene Villa, il prof. Francesco Meinardi e il prof. Angelo Monguzzi del dipartimento di Scienza dei Materiali dell'Università di Milano-Bicocca hanno sviluppato uno scintillatore veloce polimerico composito altamente luminoso caricato con nanoparticelle di afnia ad alta densità, da utilizzarsi come emettitore veloce in particolari scintillatori multistrato di nuova concezione. La ricerca è stata condotta in collaborazione con l'INFN Sezione di Milano, i Laboratori Europei del CERN di Ginevra e l'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze Ceca (FZU) di Praga.

Accordando le proprietà elettroniche dei vari componenti del sistema composito, ossia la matrice polimerica ospite, le nanoparticelle pesanti e il colorante fluorescente utilizzato come emettitore finale, si è migliorata l’efficienza di ricombinazione di carica nella matrice ospite e l'efficienza del trasferimento di energia dall'ospite ai cromofori incorporati, realizzando così uno scintillatore polimerico nanocomposito estremamente luminoso che supera qualsiasi materiale polimerico commerciale.

Film di nanocompositi di uno spessore sono stati accoppiati a stati di cristalli scintillatori tradizionali, realizzando così uno scintillatore multistrato di dimensioni 3 × 3 × 3 mm3 come prototipo di pixel di rivelazione negli scanners ToF-PET, il quale mostra una risposta temporale ultra veloce di rivelazione di raggi 𝛾 a 511 keV di 115 picosecondi. Questo risultato, una riposta temporale due volte più veloce rispetto alle macchine commerciali, apre così la strada a un'applicazione più sensibile, accurata, veloce e sicura di questa tecnica di imaging.