高时间分辨辐射探测

主要完成人：唐江、牛广达、徐凌、逄锦聪

辐射探测是对X/γ射线、中子、带电粒子等的测量，其广泛应用于考古分析、高能物理、医疗等领域。辐射探测的重要发展方向是不断提升时间分辨率：比如，激光核聚变以及核医学正电子发射断层成像都需要探测器具有纳秒甚至更快的响应速度，以实现早期诊断。闪烁探测是辐射探测的主流技术。无机闪烁体具有较高的发光效率，但响应速度较慢（数十纳秒至数千纳秒）。有机闪烁体的研究从1964年延续至今，传统的蒽、芪等都具有纳秒级快响应速度，但发光效率低（<15000光子/MeV），极大限制了实际应用。如何实现高光产额、快响应速度的闪烁体是公认挑战。

根据固体物理理论，有机分子吸收射线产生的高能激发态经历碰撞电离、弛豫过程后，会产生75%的三线态和25%的单线态激子。单线态激子辐射寿命为纳秒级，发光效率高；三线态激子寿命长，一般为微秒级，易发生非辐射复合，这也是传统有机闪烁体发光效率低的本质原因；虽然可以通过能级设计将暗态三线态转化为发光态，如磷光、热活化延迟荧光材料等，但响应速度会延长到微秒甚至秒级。因此，如何尽可能避免电子弛豫到三线态并发光，是解决闪烁发光效率及响应速度的关键。

项目组借鉴OLED领域杂化激发态的思路，首次提出利用高能级激发态之间的快速反向系间窜越机制实现高灵敏、快响应闪烁体，将碰撞电离产生的高能级三线态全部转化为单线态，兼顾了高激子利用率和快速发光。由于上述过程涉及高能热激子的转换，此类闪烁原理被命名为热激子闪烁体，区别于传统的荧光闪烁体原理。

考虑到辐射探测和OLED器件对材料的不同要求（探测：晶体；OLED：薄膜），项目组利用其在无机卤化物晶体生长方面的经验，定量有机材料析晶相图，结合生长动力学控制，克服了有机晶体难以大尺寸生长的通病；同时，在有机材料中引入重原子溴以提升射线吸收截面。经过一系列材料筛选和优化，选定一类基于1,1,2,2－四（4-溴苯基）乙烯（TPE-4Br）的新型热激子闪烁晶体，其在高能三线态（T_n）和单线态（S_m）之间形成较小能级差和强自旋轨道耦合，在T_n态和T₁态之间形成大能级差，符合高能级反系间窜越原则，成功抑制了第一激发三线态的生成。最终，实现了1.79 ns超快响应速度和34600光子/MeV高光产额。

图1.本工作创新思路和效果

成果发表后，Nat. Photon.杂志邀请核探测器领域著名学者Martin Nikl教授撰写专题评述论文Nat. Photon., 2024, 18, 109，以“Brighter organic scintillators by hot exciton manipulation”为标题对本项目核心观点进行亮点报道，评价为“新颖的材料”“一系列应用的极有力竞争者”（such novel materials could become serious competitors in a number of applications）；“响应速度极具竞争力”（the reported decay time of 1.79 ns is very competitive）；“性能杰出，超越大部分商用塑闪”（resulting in a scintillator that is superior to most plastic scintillators currently on the market in terms of light yield, speed and X-ray attenuation-based figure of merit）。研究受到来自美国、英国、欧盟等世界一流机构专业团队的跟进合作问询，包括美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Focus团队、美国阿贡国家实验室Dynamic Compression Sector、欧洲核子研究中心CERN、英国First Light Fusion公司等向项目组“采购样品”（Purchase sample）。

本项目成员来自rabey雷竞技武汉光电国家研究中心的单片集成光电子器件与系统团队，在新型辐射探测材料与器件方面获批基金委青A项目（牛广达）、基金委重点项目2项、重点研发计划“智能传感器”重点专项和战略性科技创新合作重点专项等，成果入选中国辐射防护学会技术发明特等奖、全国博士后创新创业大赛金奖，培养学生获中国光学工程学会创新论文奖、中国光学学会郭光灿光学优秀博士学位论文、王大珩光学奖（学生奖）等。