Το τελλουρίδιο του καδμίου-ψευδαργύρου (CZT) είναι ένα από εκείνα τα υλικά που ακούγονται σαν υποσημείωση κατηγορίας χημείας — μέχρι να δείτε τι επιτρέπει. Στο ρεπορτάζ του BBC, το CZT βρίσκεται στο επίκεντρο μιας ήσυχης αλλαγής στην ιατρική απεικόνιση και την ανίχνευση ακτινοβολίας: ταχύτερες σαρώσεις, χαμηλότερες δόσεις και περισσότερες πληροφορίες που καταγράφονται ανά φωτόνιο.
Το πρόβλημα είναι ότι η CZT είναι δύσκολο να κατασκευαστεί σε μεγάλη κλίμακα. Αυτή η σπανιότητα γίνεται πραγματικός περιορισμός, καθώς τα νοσοκομεία, τα αεροδρόμια και τα ερευνητικά εργαστήρια θέλουν όλα το ίδιο πράγμα: ανιχνευτές που μπορούν να «βλέπουν» την ακτινοβολία υψηλής ενέργειας με μεγαλύτερη ακρίβεια από την παλαιότερη τεχνολογία.
Η αναβάθμιση ιατρικής απεικόνισης που κρύβεται μέσα σε έναν σαρωτή
Το άρθρο του BBC ξεκινά με μια λεπτομέρεια της εμπειρίας του ασθενούς που είναι εύκολο να παραβλεφθεί αλλά είναι σημαντική: ο χρόνος.
Στο Νοσοκομείο Royal Brompton στο Λονδίνο, ορισμένες σαρώσεις πνευμόνων απαιτούσαν από τους ασθενείς να ξαπλώνουν ακίνητοι — με τα χέρια πάνω από το κεφάλι τους — για45 λεπτάΑφού το νοσοκομείο εγκατέστησε έναν νέο σαρωτή πέρυσι, αυτές οι εξετάσεις μειώθηκαν σε15 λεπτά.
Αυτή η βελτίωση προέρχεται από δύο πράγματα που συνεργάζονται:
- Καλύτερη επεξεργασία εικόνας στον σαρωτή
- Ένα υλικό ανιχνευτή που συλλαμβάνει το σήμα πιο αποτελεσματικά:τελλουρίδιο καδμίου-ψευδαργύρου (CZT)
Δρ.Κσάμα Γουετσαλεκάρ, επικεφαλής της πυρηνικής ιατρικής και της PET στο Royal Brompton, αποκαλεί τις νέες εικόνες «όμορφες» και περιγράφει τον σαρωτή ως «ένα εκπληκτικό κατόρθωμα μηχανικής και φυσικής».
Δεν πρόκειται μόνο για άνεση. Οι πιο σύντομες σαρώσεις μειώνουν τη θόλωση της κίνησης (οι άνθρωποι αναπόφευκτα νευριάζουν), αυξάνουν την απόδοση και κάνουν την προηγμένη απεικόνιση ευκολότερη στη χρήση για περισσότερους ασθενείς.
Γιατί το CZT αλλάζει τι μπορεί να κάνει «ένας ανιχνευτής»
Πολλοί άνθρωποι θεωρούν την ιατρική απεικόνιση ως «μια μεγάλη μηχανή που τραβάει μια φωτογραφία». Αλλά για την πυρηνική ιατρική και τις ροές εργασίας τύπου PET, η βασική εργασία είναι στην πραγματικότηταανίχνευση αόρατης ακτινοβολίαςκαι μετατρέποντάς το σε έναν εύχρηστο χάρτη.
Στο ρεπορτάζ του BBC, ο σαρωτής Royal Brompton ανιχνεύειακτίνες γάμμαεκπέμπεται από έναραδιενεργός ουσία που εγχέεται στο σώμα του ασθενούςΗ ευαισθησία του σαρωτή έχει άμεση κλινική σημασία:απαιτείται λιγότερος ραδιενεργός ιχνηθέτης.
Ο Δρ Γουεχαλέκαρ λέει ότι η ομάδα μπορεί να μειώσει τις δόσεις κατά περίπου30%.
Αυτή η μείωση της δόσης είναι σημαντική για δύο λόγους:
- Μειώνει την έκθεση του ασθενούς διατηρώντας παράλληλα την ποιότητα της διάγνωσης.
- Μπορεί να μειώσει την πίεση στις αλυσίδες εφοδιασμού ιχνηθετών (οι ραδιενεργοί ιχνηθέτες έχουν σύντομο χρόνο ημιζωής και είναι πολύπλοκοι από άποψη εφοδιαστικής).
Τι το ιδιαίτερο έχει λοιπόν η CZT;
Το CZT είναι έναημιαγωγόςπου μπορεί να ανιχνεύσει μεμονωμένα φωτόνια από ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα με πολύ υψηλή ακρίβεια. Το BBC το περιγράφει ως ανάλογο με τον αισθητήρα εικόνας πυριτίου σε μια κάμερα τηλεφώνου — αλλά συντονισμένο για ακτινοβολία πολύ υψηλότερης ενέργειας.
Όταν ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας χτυπά το CZT, κινητοποιεί ένα ηλεκτρόνιο, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό σήμα. Αυτό το σήμα μπορεί να μεταφραστεί σε εικόνα.
Το κρίσιμο είναι ότι η CZT μπορεί να το κάνει αυτό μεβήμα μετατροπής ενός μόνο(όπως εξήγησε ο διευθύνων σύμβουλος της Kromek), κάτι που βοηθά στη διατήρηση περισσότερων πληροφοριών — συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας και του χρονισμού του τι χτύπησε τον ανιχνευτή.
Το σημείο συμφόρησης στην κατασκευή: «σαν ένα συγκρότημα διακομιστών» φούρνων
Αν το CZT είναι τόσο χρήσιμο, γιατί δεν είναι ήδη παντού;
Επειδή είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστεί καλά.
Το CZT που χρησιμοποιήθηκε στο σαρωτή της Royal Brompton κατασκευάστηκε απόΚρόμεκ, μια βρετανική εταιρεία και ένας από τους λίγους οργανισμούς παγκοσμίως που μπορούν να προμηθεύσουν το υλικό. Ο ιδρυτής, διευθύνων σύμβουλος της εταιρείας,Αρνάμπ Μπάσου, εξηγεί ότι χρειάστηκε πολύς χρόνος για να γίνει η CZT μια διαδικασία βιομηχανικής κλίμακας.
Στις εγκαταστάσεις του Kromek στοΣέτζφιλντ, το BBC αναφέρει ότι υπάρχουν170 μικροί φούρνοισε ένα δωμάτιο — το οποίο ο Basu λέει ότι μοιάζει «με φάρμα διακομιστών».
Η διαδικασία παραγωγής είναι αργή και αδυσώπητη:
- μια ειδική σκόνη θερμαίνεται σε φούρνους
- γίνεται λιωμένο
- στερεοποιείται σε έναμονοκρυσταλλική δομή
- η συνολική διαδικασία μπορεί να διαρκέσειεβδομάδες
Ο Basu περιγράφει τη διαδικασία ευθυγράμμισης των κρυστάλλων ως «άτομο προς άτομο», με τους κρυστάλλους να αναδιατάσσονται έτσι ώστε να ευθυγραμμίζονται.
Αυτή η ποιότητα του μονοκρυστάλλου είναι το ζητούμενο: οι ανιχνευτές χρειάζονται υλικό που συμπεριφέρεται με συνέπεια και προβλεψιμότητα. Ελαττώματα, ακαθαρσίες ή κακή ευθυγράμμιση μπορούν να καταστρέψουν την απόδοση.
Πέρα από τα νοσοκομεία: αεροδρόμια, τηλεσκόπια και ανίχνευση ακτινοβολίας
Η έκθεση του BBC καθιστά σαφές ότι το CZT δεν είναι υλικό μιας μόνο βιομηχανίας. Είναι ένα συστατικό πλατφόρμας που εμφανίζεται συνεχώς όπου χρειάζεται για την ακριβή ανίχνευση φωτονίων υψηλής ενέργειας.
Σάρωση αεροδρομίων και ασφαλείας
Ο Basu λέει ότι οι σαρωτές που βασίζονται στο CZT χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή γιαανίχνευση εκρηκτικών σε αεροδρόμια του Ηνωμένου Βασιλείουκαι για σάρωσηπαραδοτέες αποσκευέςσε μερικάαεροδρόμια των ΗΠΑ.
Προσθέτει επίσης ένα χρονοδιάγραμμα που έχει σημασία: Ο Kromek αναμένει ότι η CZT θα εισέλθειχειραποσκευήσάρωση «κατά τα επόμενα [λίγα] χρόνια».
Αυτό υποδηλώνει ότι η τεχνολογία μεταβαίνει από εξειδικευμένες εφαρμογές σε έλεγχο πρώτης γραμμής υψηλότερης απόδοσης — ακριβώς εκεί που η κλίμακα και η αξιοπιστία έχουν τη μεγαλύτερη σημασία.
Διάστημα και αστρονομία: Ακτίνες Χ από ακραία αντικείμενα
Η ιστορία παρουσιάζει επίσηςΧένρικ Κραουτσίνσκιστο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις, ο οποίος έχει χρησιμοποιήσει ανιχνευτές CZT σε διαστημικά τηλεσκόπια συνδεδεμένα μεμπαλόνια μεγάλου υψομέτρου.
Αυτοί οι ανιχνευτές μπορούν να εντοπίσουν ακτίνες Χ που εκπέμπονται από:
- αστέρια νετρονίων
- πλάσμα γύρωμαύρες τρύπες
Ο Κραουτσίνσκι θέλει πολύ λεπτά κομμάτια CZT — περίπου0,8 χιλιοστά— επειδή οι λεπτότεροι ανιχνευτές μπορούν να μειώσουν την πρόσληψη ακτινοβολίας υποβάθρου, οδηγώντας σε καθαρότερο σήμα.
Λέει ότι θα ήθελε να αγοράσει17 νέοι ανιχνευτές, αλλά ήταν δύσκολο να αποκτήσει το CZT στην λεπτή μορφή που χρειάζεται.
Το BBC αναφέρει ότι δεν μπόρεσε να προμηθευτεί το υλικό από τον Kromek, με τον Basu να σημειώνει ότι η ζήτηση είναι υψηλή και τα ερευνητικά έργα συχνά χρειάζονται πολύ συγκεκριμένες δομές ανιχνευτών.
Ο Krawczynski λέει ότι μπορεί αντ' αυτού να χρησιμοποιήσει CZT από προηγούμενη δουλειά ή ένα εναλλακτικό υλικό,τελλουρίδιο του καδμίου, για την επόμενη αποστολή.
Σημειώνει επίσης ότι τα προγράμματα αποστολών είναι μεταβαλλόμενα· επρόκειτο να πετάξει απόΑνταρκτικήσεΔεκέμβριος, αλλά ο χρόνος έχει επηρεαστεί από τοΚλείσιμο της κυβέρνησης των ΗΠΑ.
Η σπανιότητα, με άλλα λόγια, πλήττει τόσο τη φυσική όσο και τον σχεδιασμό του έργου.
Ένα δεύτερο «μεγάλο επιστημονικό» πλεονέκτημα: Diamond Light Source
Το CZT συνδέεται επίσης με την επιστήμη σε κλίμακα υποδομών.
Το BBC σημειώνει ότι μια σημαντική αναβάθμιση στοΠηγή φωτός διαμαντιώνερευνητική εγκατάσταση στο Οξφορντσάιρ — κοστολόγησημισό δισεκατομμύριο λίρες— θα βελτιώσει τις δυνατότητές του με ανιχνευτές που βασίζονται σε CZT.
Η πηγή φωτός Diamond είναι μιασυγχροτρόνιο: επιταχύνει τα ηλεκτρόνια γύρω από έναν δακτύλιο με ταχύτητα σχεδόν την ταχύτητα του φωτός και οι μαγνήτες προκαλούν την εκπομπή ενέργειας από τα ηλεκτρόνια με τη μορφή ακτίνων Χ. Αυτές οι ακτίνες Χ δρομολογούνται κατά μήκος των γραμμών δέσμης για τη μελέτη υλικών.
Ορισμένα πειράματα έχουν διερευνήσει τις ακαθαρσίες στο αλουμίνιο καθώς αυτό λιώνει — εργασία που θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση του ανακυκλωμένου αλουμινίου κατανοώντας καλύτερα τις ακαθαρσίες.
Η αναβάθμιση των εγκαταστάσεων αναμένεται να ολοκληρωθεί το2030και θα παράγει ακτίνες Χ που είναι σημαντικά φωτεινότερες. Οι υπάρχοντες αισθητήρες θα δυσκολευτούν, γι' αυτό και οι ανιχνευτές CZT είναι σημαντικοί.
Ο Ματ Βιλ, επικεφαλής της ομάδας ανάπτυξης ανιχνευτών στο Συμβούλιο Επιστημονικών και Τεχνολογικών Εγκαταστάσεων (ένας ενδιαφερόμενος στην Diamond), το θέτει ευθέως: δεν έχει νόημα να αναβαθμιστεί η εγκατάσταση αν δεν μπορείς να ανιχνεύσεις το φως που παράγει.
Το στρατηγικό δίδαγμα: Το CZT γίνεται υλικό που προκαλεί στραγγαλισμό
Το ενδιαφέρον με το CZT δεν είναι μόνο ότι είναι «καταπληκτικό». Είναι ότι το προφίλ παραγωγής του μοιάζει με άλλα στρατηγικά τεχνολογικά υλικά:
- δύσκολο στην κατασκευή
- απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό
- οι αργές, υψηλής απόδοσης διαδικασίες έχουν σημασία
- η ζήτηση αυξάνεται σε άσχετους τομείς
Όταν ένα υλικό γίνεται σημείο στραγγαλισμού, τείνετε να βλέπετε τα ίδια κατάντη αποτελέσματα:
- ιεράρχηση προτεραιοτήτων σε πελάτες με υψηλό περιθώριο κέρδους ή μεγάλο όγκο πωλήσεων
- ερευνητικές ομάδες προσαρμόζουν τα σχέδια σε ό,τι μπορούν να προμηθευτούν
- πίεση για περισσότερους προμηθευτές και μεγαλύτερη χωρητικότητα
- ανταγωνισμός μεταξύ εφαρμογών δημόσιου συμφέροντος (ιατρική, έρευνα) και εμπορικών εφαρμογών (σάρωση ασφαλείας)
Το άρθρο του BBC υπονοεί αυτή την ένταση χωρίς να την μετατρέπει σε ηθικολογικό παιχνίδι. Ο Kromek λέει ότι υποστηρίζει πολλούς ερευνητικούς οργανισμούς, αλλά και ότι είναι δύσκολο να κάνει κανείς «εκατό διαφορετικά πράγματα» όταν κάθε σχεδιασμός ανιχνευτή είναι εξατομικευμένος.
Αυτός είναι ο πραγματικός περιορισμός: το CZT δεν είναι απλώς σπάνιο — είναιέθιμο
Συμπέρασμα
Το CZT είναι ένας σπάνιος συνδυασμός «βαρετού» και μετασχηματιστικού: ένας ημιαγωγός κρύσταλλος που αναβαθμίζει αθόρυβα την απεικόνιση και την ανίχνευση όπου κι αν εγκατασταθεί. Το ρεπορτάζ του BBC δείχνει τα πλεονεκτήματα με συγκεκριμένους όρους - ένας σαρωτής αξίας 1 εκατομμυρίου λιρών στο Royal Brompton που μειώνει τον χρόνο σάρωσης πνευμόνων από 45 λεπτά σε 15 και επιτρέπει περίπου 30% χαμηλότερες δόσεις ιχνηθέτη - αλλά και τα μειονεκτήματα: μια παγκόσμια συμφόρηση στην προσφορά που επιβάλλει δύσκολες επιλογές σχετικά με το ποιος θα αποκτήσει τους πιο προηγμένους ανιχνευτές και πότε.
Πηγές
- BBC News (Τεχνολογία):https://www.bbc.com/news/articles/c24l223d9n7o?at_medium=RSS&at_campaign=rss