Kadmijev cinkov telurid (CZT) je eden tistih materialov, ki zveni kot opomba pod črto v kemijskem pouku – dokler ne vidite, kaj omogoča. V poročanju BBC-ja je CZT v središču tihega premika v medicinskem slikanju in odkrivanju sevanja: hitrejše skeniranje, nižji odmerki in več informacij, zajetih na foton.
Težava je v tem, da je CZT težko izdelovati v velikem obsegu. To pomanjkanje postaja resnična omejitev, saj si bolnišnice, letališča in raziskovalni laboratoriji želijo isto stvar: detektorje, ki lahko visokoenergijsko sevanje "vidijo" natančneje kot starejša tehnologija.
Nadgradnja medicinskega slikanja, skrita v optičnem bralniku
Zgodba BBC se začne s podrobnostjo o izkušnji pacienta, ki jo je enostavno spregledati, a je pomembna: čas.
V bolnišnici Royal Brompton v Londonu so pri nekaterih preiskavah pljuč pacienti morali ležati pri miru – z rokami nad glavo –45 minutPotem ko je bolnišnica lani namestila nov skener, se je število teh pregledov zmanjšalo na15 minut.
To izboljšanje izhaja iz dveh dejavnikov skupaj:
- Boljša obdelava slik v skenerju
- Detektorski material, ki učinkoviteje zajame signal:kadmijev cinkov telurid (CZT)
Dr.Kšama Wechalekar, vodja oddelka za nuklearno medicino in PET v bolnišnici Royal Brompto, nove slike imenuje »lepe« in skener opisuje kot »neverjeten podvig inženirstva in fizike«.
Ne gre le za udobje. Krajši posnetki zmanjšajo zamegljenost zaradi gibanja (ljudje se neizogibno nemirno premikajo), povečajo prepustnost in olajšajo uporabo naprednega slikanja za več pacientov.
Zakaj CZT spreminja, kaj zmore »detektor«
Mnogi ljudje medicinsko slikanje dojemajo kot »veliko napravo, ki posname sliko«. Toda za delovne procese nuklearne medicine in PET, podobne potekom dela, je osrednja naloga pravzapravzaznavanje nevidnega sevanjain ga spremeniti v uporaben zemljevid.
V poročilu BBC-ja skener Royal Brompton zaznagama žarkioddajaradioaktivna snov, vbrizgana v bolnikovo teloObčutljivost skenerja ima neposreden klinični pomen:potrebno je manj radioaktivnega sledilnika.
Dr. Wechalekar pravi, da lahko ekipa zmanjša odmerke za približno30 %.
To zmanjšanje odmerka je pomembno iz dveh razlogov:
- Zmanjšuje izpostavljenost pacienta, hkrati pa ohranja kakovost diagnostike.
- Lahko zmanjša pritisk na dobavne verige sledilcev (radioaktivni sledilci imajo kratko razpolovno dobo in so logistično zapleteni).
Kaj je torej posebnega pri CZT?
CZT jepolprevodnikki lahko z zelo visoko natančnostjo zazna posamezne fotone rentgenskih in gama žarkov. BBC ga opisuje kot analog silicijevega slikovnega senzorja v telefonski kameri – vendar uglašenega za sevanje z veliko višjo energijo.
Ko visokoenergijski foton zadene CZT, mobilizira elektron in ustvari električni signal. Ta signal je mogoče prevesti v sliko.
Ključno je, da lahko CZT to stori ven sam korak pretvorbe(kot je pojasnil Kromekov izvršni direktor), kar pomaga ohraniti več informacij – vključno z energijo in časom, kaj je zadelo detektor.
Ozko grlo v proizvodnji: peči »kot strežniška farma«
Če je CZT tako uporaben, zakaj ga potem ni že povsod?
Ker ga je izjemno težko dobro izdelati.
CZT, ki se uporablja v skenerju Royal Bromptona, je izdelalKromek, britansko podjetje in ena redkih organizacij po vsem svetu, ki lahko dobavlja material. Ustanovni izvršni direktor podjetja,Arnab Basu, pojasnjuje, da je trajalo dolgo časa, da je CZT postal postopek v industrijskem obsegu.
V Kromekovem obratu vSedgefield, poroča BBC, da so170 majhnih pečiv eni sobi – za katero Basu pravi, da je videti »kot strežniška farma«.
Proizvodni proces je počasen in neizprosen:
- poseben prah se segreva v pečeh
- postane staljeno
- strdi se vmonokristalna struktura
- celoten postopek lahko trajatedni
Basu opisuje proces poravnave kristalov kot »atom za atomom«, pri čemer se kristali prerazporedijo tako, da se poravnajo.
Bistvo je v kakovosti monokristala: detektorji potrebujejo material, ki se obnaša dosledno in predvidljivo. Napake, nečistoče ali nepravilna poravnava lahko uničijo delovanje.
Onkraj bolnišnic: letališča, teleskopi in zaznavanje sevanja
Poročilo BBC jasno kaže, da CZT ni material, ki bi ga lahko uporabljala le ena industrija. Gre za platformno sestavino, ki se vedno znova pojavlja povsod, kjer je treba natančno zaznati visokoenergijske fotone.
Letališča in varnostno skeniranje
Basu pravi, da se skenerji na osnovi CZT trenutno uporabljajo zaodkrivanje eksplozivov na letališčih v Združenem kraljestvuin za skeniranjeoddana prtljagav nekaterihletališča v ZDA.
Dodaja tudi pomemben časovni načrt: Kromek pričakuje, da se bo CZT preselil vročna prtljagaskeniranje »v naslednjih [nekaj] letih«.
To kaže, da se tehnologija premika iz specializiranih aplikacij v bolj zmogljive presejalne preglede na prvi liniji – točno tam, kjer sta obseg in zanesljivost najpomembnejša.
Vesolje in astronomija: rentgenski žarki ekstremnih objektov
Zgodba predstavlja tudiHenric Krawczynskina Univerzi Washington v St. Louisu, ki je uporabljal detektorje CZT na vesoljskih teleskopih, pritrjenih nabaloni za visoke nadmorske višine.
Ti detektorji lahko zaznajo rentgenske žarke, ki jih oddajajo:
- nevtronske zvezde
- plazma okoličrne luknje
Krawczynski si želi zelo tanke kose CZT – okoli0,8 mm— ker lahko tanjši detektorji zmanjšajo zajem sevanja ozadja, kar vodi do čistejšega signala.
Pravi, da bi rad kupil17 novih detektorjev, vendar je bilo težko dobiti CZT v tanki obliki, ki jo potrebuje.
BBC poroča, da materiala ni mogel dobiti od Kromeka, Basu pa je poudaril, da je povpraševanje veliko in da raziskovalni projekti pogosto zahtevajo zelo specifične detektorske strukture.
Krawczynski pravi, da bi namesto tega lahko uporabil CZT iz prejšnjega dela ali alternativni material,kadmijev telurid, za naslednjo misijo.
Prav tako ugotavlja, da se urniki misij spreminjajo; let naj bi bil izAntarktikavDecember, vendar je na čas vplivaloZaprtje ameriške vlade.
Z drugimi besedami, pomanjkanje vpliva tako na fiziko kot na načrtovanje projekta.
Druga "velika znanstvena" privlačnost: Diamantni vir svetlobe
CZT je povezan tudi z znanostjo na infrastrukturni ravni.
BBC ugotavlja, da je bila velika nadgradnjaDiamantni vir svetloberaziskovalni objekt v Oxfordshiru – izračun stroškovpol milijarde funtov— bo izboljšal svoje zmogljivosti z detektorji na osnovi CZT.
Diamantni vir svetlobe jesinhrotron: pospešuje elektrone okoli obroča s hitrostjo blizu svetlobe, magneti pa povzročijo, da elektroni oddajajo energijo v obliki rentgenskih žarkov. Ti rentgenski žarki se usmerijo po rentgenskih linijah za preučevanje materialov.
Nekateri poskusi so raziskovali nečistoče v aluminiju med njegovim taljenjem – delo, ki bi lahko pomagalo izboljšati reciklirani aluminij z boljšim razumevanjem nečistoč.
Nadgradnja objekta naj bi bila končana leta2030in bo proizvajal bistveno svetlejše rentgenske žarke. Obstoječi senzorji bi imeli težave, zato so detektorji CZT pomembni.
Matt Veale, vodja skupine za razvoj detektorjev pri Svetu za znanstveno-tehnološke objekte (deležnik v podjetju Diamond), to pove brez ovinkarjenja: nima smisla nadgrajevati objekta, če ne moreš zaznati svetlobe, ki jo proizvaja.
Strateška lekcija: CZT postaja material, ki postaja ozka točka
Zanimivo pri CZT ni le to, da je "neverjeten". Gre za to, da njegov proizvodni profil spominja na druge strateške tehnološke materiale:
- težko izdelati
- zahteva specializirano opremo
- počasni, visoko donosni procesi so pomembni
- povpraševanje narašča v nepovezanih sektorjih
Ko material postane oviro, se običajno pojavijo enaki učinki:
- dajanje prednosti strankam z visoko maržo ali velikim obsegom poslovanja
- raziskovalne skupine prilagajajo zasnove vsem virom, ki jih lahko dobijo
- pritisk na več dobaviteljev in več zmogljivosti
- konkurenca med javno koristnimi aplikacijami (medicina, raziskave) in komercialnimi aplikacijami (varnostno skeniranje)
Zgodba BBC-ja namiguje na to napetost, ne da bi jo spremenila v moralno igro. Kromek pravi, da podpira številne raziskovalne organizacije, a tudi, da je težko narediti "sto različnih stvari", ko je vsaka zasnova detektorja izdelana po meri.
To je prava omejitev: CZT ni le redek – jepo meri
Bistvo
CZT je redka kombinacija »dolgočasnega« in transformativnega: polprevodniški kristal, ki tiho nadgradi slikanje in zaznavanje, kjer koli je nameščen. Poročanje BBC-ja prikazuje prednosti v konkretnem smislu – skener, vreden 1 milijon funtov, v Royal Bromptonu skrajša čas skeniranja pljuč s 45 minut na 15 in omogoči približno 30 % nižje odmerke sledilnika – in tudi slabost: globalno ozko grlo v oskrbi, ki sili v težke odločitve o tem, kdo in kdaj dobi najnaprednejše detektorje.
Viri
- BBC News (Tehnologija):https://www.bbc.com/news/articles/c24l223d9n7o?at_medium=RSS&at_campaign=rss