Für Industrie und Medizin 16.04.2020, 07:00 Uhr

Weniger Strahlung durch empfindlicheren Röntgen-Detektor

Neue Röntgendetektoren auf der Basis von Perowskiten haben viele Vorteile. Sie liefern bei niedrigerer Strahlendosis bereits gute Bilder, lassen sich günstig produzieren und verbrauchen keinen Strom. US-Forscher sehen darin eine Alternative zu Silizium.

Röntgen

Neue, empfindlichere Röntgendetektoren aus Perowskit-Filmen könnten die Strahlenbelastung beim Röntgen verringern.

Foto: panthermedia.net/Kzenon

In der ärztlichen Diagnostik gehören neben Ultraschall-Geräten verschiedene Röntgenverfahren zur Routine. 140 Millionen solcher Untersuchungen gibt es Jahr für Jahr allein in Deutschland. Rund 40% entfallen auf den zahnmedizinischen Bereich. Die anderen 60 % umfassen meist Untersuchungen am Schädel, am Schultergürtel, an der Wirbelsäule, am Beckengürtel, an den Extremitäten und am Brustkorb. Jenseits der Medizin gehören Materialprüfungen und Sicherheitskontrollen am Flughafen zu den wichtigsten Anwendungen von Röntgenstrahlen; genaue Zahlen gibt es nicht. Generell erhöht sich der Bedarf. Denn von Corona-Zeiten abgesehen, steigt das Aufkommen an Passagieren und an Fracht regelmäßig.

Umso wichtiger ist die Sicherheit von Mitarbeitern und Kunden oder Patienten. Deshalb haben Ingenieure am Los Alamos National Laboratory und am Argonne National Laboratory einen neuen Detektor auf der Basis von Perowskit-Filmen entwickelt. Ihnen ist es gelungen, die Strahlenexposition und damit verbundene Sicherheitsrisiken deutlich zu verringern. Gleichzeitig wurde die Auflösung der Bilder verbessert.

Perowskit ersetzt Silizium bei Detektoren

Zum Hintergrund: Moderne Röntgengeräte arbeiten mit einem Flachbilddetektor. Im ersten Schritt trifft Röntgenstrahlung dabei auf einen Szintillator. Er besteht aus anorganischen Salzen oder organischen Molekülen, die beim Auftreffen von Strahlung Licht abgeben. Unter dem Szintillator befindet sich als Fotodiode ein Halbleiter, meist aus amorphem Silizium, um Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Weiter geht es zu einem Dünnschichttransistor (thin-film transistor, kurz TFT), der elektrische Signale erfasst. Über den TFT kann jeder einzelne Bildpunkt (jedes Pixel) ausgelesen werden.

Nachteile beim bekannten Aufbau sehen die US-Forscher vor allem in der geringen Empfindlichkeit und im Stromverbrauch von Detektoren, was mobile Einsätze erschwert. Sie ersetzten bekannte Technologien auf Siliziumbasis durch eine Struktur, die um einen dünnen Film aus künstlichem Perowskit herum aufgebaut worden ist. Unter natürlich vorkommendem Perowskit versteht man kristallines Calciumtitanat.

Da der synthetische Perowskit reich an schweren Elementen wie Blei und Jod ist, werden Röntgenstrahlen leichter absorbiert als bei Silizium. Je höher die Dichte, desto stärker ist auch die Wechselwirkung. Weniger Strahlung passiert den Detektor, ohne dass es zu physikalischen Reaktionen kommt.

Kostengünstige Herstellung mit Druckverfahren 

„Das Perowskit-Material im Herzen unseres Detektor-Prototyps kann mit kostengünstigen Herstellungstechniken produziert werden“, sagt Hsinhan Tsai. Er ist Postdoktorand am Los Alamos National Laboratory. Filme entstehen durch Sprühen von Lösungen, die aushärten und dünne Schichten des Materials zurücklassen. So können Perowskite leicht auf Oberflächen aufgebracht werden – möglicherweise sogar mit modifizierten Tintenstrahldruckern, um eine große Menge an Detektoren in kurzer Zeit zu produzieren. Hochtemperatur-Metallabscheidungen unter Vakuumbedingungen, wie man sie von Silizium-Detektoren kennt, wären damit überflüssig.

Tsai: „Das Ergebnis ist ein kostengünstiger, hochempfindlicher und autarker Detektor, der vorhandene Röntgendetektoren radikal verbessern und möglicherweise zu einer Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten führen kann.“

Erste Tests im Labor lieferten vielversprechend Ergebnisse. Wie Tsai berichtet, sei der neue Detektor einhundert Mal empfindlicher als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis. Darüber hinaus brauche er keine externe Stromquelle, um elektrische Signale als Reaktion auf Röntgenstrahlen zu erzeugen. Dies eröffne Möglichkeiten für mobile Geräte.

Einsatzmöglichkeiten in der Medizin

Aufgrund der im Vergleich zu Silizium höheren Absorption von Röntgenstrahlung eignen sich Perowskit-Detektoren in der Forschung, um beispielsweise Synchrotrone, also bestimmte Teilchenbeschleuniger, zu überwachen. Auch hier werden Röntgenstrahlen emittiert. Sie sind hochenergetisch, was bei Silizium-Detektoren zu Schwierigkeiten führen kann.

Als wichtigster Einsatzbereich gilt aber die Patientenversorgung: Mit hochempfindlichen Perowskit-Detektoren könnten zahnärztliche und medizinische Bilder gelingen, die einen winzigen Bruchteil der Bestrahlungsdosis erfordern, die mit der herkömmlichen Röntgenbildgebung einhergeht. Eine niedrigere Exposition verringert das Risiko für Patienten und für medizinisches Personal gleichermaßen. Die Tatsache, dass Perowskit-Detektoren eine höhere Auflösung mit detailreichen Bildern bieten, könnte ärztliche Diagnosen verbessern. Zusammen mit maschinellem Lernen und mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz lassen sich viele Vorgänge vom Bild bis zur Diagnose automatisieren.

Nicht zuletzt bleibt der Sicherheitsbereich. Tsai kann sich vorstellen, dass Geräte aufgrund ihrer Auslösung gefährliche Gegenstände besser identifizieren. Auch mobile, stromsparende Lösungen wären denkbar.

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