Những tinh thể cảm biến này có thể nhìn thấy vụ nổ từ lỗ đen và cả tế bào ung thư

32
Máy dò phóng xạ CZT, có thể nhìn thấy các vật thể xa nhất và lớn nhất trong vũ trụ, ban đầu được thiết kế để giúp các bác sĩ theo dõi bệnh tật trong cơ thể con người. Nguồn ảnh: GE Healthcare

Vào những năm 1960, các vệ tinh theo dõi các vụ thử hạt nhân của Liên Xô đã nhận thấy những tia phóng xạ khổng lồ, gây tò mò. Thay vì đến từ mặt đất bên dưới, họ đang đến từ không gian sâu thẳm. Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, những tia sáng nhanh chóng của dạng phóng xạ mạnh nhất này – được gọi là vụ nổ tia gamma hay GRB – vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ. Các nhà khoa học tin rằng chúng có thể là những xác chết mạnh mẽ phát ra từ các lỗ đen sau khi chúng ăn trưa trên một ngôi sao lớn, hoặc chúng có thể được gây ra bởi một số sự kiện cực đoan khác diễn ra trong vũ trụ.

Ba vệ tinh đã được phóng từ năm 2004 để nghiên cứu các sự kiện. Gần đây nhất, Ấn Độ, Astrosat, mang theo các cảm biến được thiết kế và sản xuất đặc biệt từ GE Health, đã tạo ra thứ mà chính phủ Ấn Độ gọi là sải chân cá hồi trong khi làm sáng tỏ câu đố về GRBs. Trong một bước ngoặt, công nghệ tương tự này có thể nhìn thấy các vật thể xa nhất và lớn nhất trong vũ trụ ban đầu được phát triển để giúp các bác sĩ theo dõi bệnh tật trong cơ thể người bằng cách theo dõi các vật thể nhỏ như nguyên tử và phân tử.

Điều này đạt được bằng cách sử dụng các cảm biến được làm từ tinh thể bán dẫn, là hợp chất của cadmium, kẽm và Tellurium (CZT). Các máy dò bức xạ CZT này chuyển đổi bức xạ gamma hoặc tia X trực tiếp thành tín hiệu điện tử bằng cách thu thập các điện tử được tạo ra bởi sự hấp thụ bức xạ trong CZT. Ba yếu tố hoàn hảo cho công việc vì chúng có số lượng nguyên tử cao, do đó hấp thụ nhiều bức xạ hơn để phát hiện nhiều proton hơn.

Từ những năm 1940, các nhà khoa học đã tìm kiếm sự kết hợp của các vật liệu để tạo ra các máy dò có số nguyên tử cao và hoạt động tốt trong điều kiện hàng ngày. Các cảm biến CZT từ lâu đã được biết là chiếm các điểm nhạy cảm – độ phân giải năng lượng và độ phân giải nội tại – đạt được ở nhiệt độ phòng. Một máy dò CZT là một máy dò đếm đơn photon. Máy dò này đo photon bức xạ bằng photon và có dải rất động, bắt đầu với một vài photon mỗi giây trên một milimet vuông và kết thúc bằng việc xử lý 10 triệu photon mỗi giây trên mỗi milimet vuông trên bề mặt đen bóng của nó.

Tuy nhiên, cảm biến CZT rất khó chế tạo. Các tinh thể ở trung tâm của các cảm biến thường mất ba tháng để phát triển, một quá trình phức tạp có thể dễ dàng dẫn đến các tinh thể quá thiếu sót và quá mỏng manh để sử dụng. Tuy nhiên, các nhà khoa học GE Health đã tìm ra cách. Họ đã đưa ra các phương pháp độc quyền khác nhau để phát triển các CZT nhanh hơn và đáng tin cậy hơn và xây dựng các lò nung của riêng họ để làm như vậy.

Các nhà khoa học tin rằng GRB đến từ các lỗ đen nuốt chửng những ngôi sao khổng lồ hoặc va chạm của hai vật thể lớn như sao neutron. Tuần này, một nhóm sử dụng Kính thiên văn Event Horizon đã thu được hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen ở trung tâm của thiên hà M87. Hình ảnh cho thấy một vòng sáng được hình thành khi ánh sáng uốn cong trong lực hấp dẫn dữ dội xung quanh một lỗ đen lớn gấp 6,5 tỷ lần so với Mặt trời, theo EHT. Hình ảnh được tìm kiếm từ lâu này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ nhất cho đến nay về sự tồn tại của các lỗ đen siêu lớn và mở ra một cửa sổ mới cho nghiên cứu về các lỗ đen, chân trời sự kiện và lực hấp dẫn của họ.

Do các vật liệu cơ bản rất đắt tiền, GE Healthcare cũng đã tìm ra các phương pháp để tái chế nguyên liệu, trước hoặc sau xử lý. GE đã tìm ra cách để xác định ở giai đoạn đầu mà các tinh thể sẽ phát triển các lỗ hổng, cho phép chúng tái chế các vật liệu cho các nỗ lực mới mà không cần đầu tư quá nhiều lao động vào vật liệu này. Ngoài ra, vật liệu còn sót lại được sử dụng để chế tạo máy dò cũng được tái chế để tạo ra máy dò mới.

Nhà khoa học Arie Shahar và nhà công nghệ trưởng Jeffrey Levy cho biết, những tiến bộ mới này trong các phương pháp tăng trưởng tinh thể đã dẫn đến khả năng GE tạo ra các tinh thể CZTs liên tục trong 10 ngày chỉ với một tạp chất trên một tỷ phần.

Trong chăm sóc sức khỏe, độ nhạy vượt trội của máy dò CZT do GE tạo ra cho phép các bác sĩ sử dụng liều phóng xạ nhỏ hơn trên bệnh nhân, nhưng vẫn đạt được độ tương phản và độ phân giải hình ảnh lớn hơn so với thiết bị truyền thống. Cho đến gần đây, y học hạt nhân bị chi phối bởi các hệ thống cần ống chân không và thiết bị tương tự để tạo ra hình ảnh tương tự. Sử dụng máy dò CZT trong y học cũng giống như chuyển từ băng cassette sang máy ghi âm kỹ thuật số.

Noam Zilbershtain, tổng giám đốc của máy dò kỹ thuật số CZT tại GE Healthcare cho biết, chuyển đổi trực tiếp bằng máy dò kỹ thuật số CZT cho phép tốc độ đếm cao hơn và độ phân giải năng lượng cao hơn. Điều này dẫn đến độ tương phản hình ảnh được cải thiện, quét nhanh hơn và thường là liều phóng xạ thấp hơn, tất cả trong một cảm biến có kích thước nhỏ hơn, ông nói thêm.

Sự linh hoạt này đã cho phép các thiết bị dựa trên CZT chiếm lĩnh thị trường cho các hệ thống hình ảnh tim chỉ trong vài năm, chiếm 90% thị phần ngày nay. GE Healthcare mong đợi một hiệu ứng tương tự trong thị trường hình ảnh y tế nói chung, nơi các hệ thống tương tự vẫn có khoảng 80% thị phần.

Lò nung cadmium, kẽm và Tellurium đến 1.120 độ C để tạo thành tinh thể CZT. Trong chăm sóc sức khỏe, độ nhạy của máy dò CZT cho phép bác sĩ sử dụng liều phóng xạ nhỏ hơn trên bệnh nhân, nhưng vẫn đạt được độ tương phản và độ phân giải hình ảnh vượt trội. Hình ảnh: GE Healthcare

Các nhà khoa học vũ trụ ở Ấn Độ, đang tìm kiếm một công cụ tốt hơn để phát hiện các vụ nổ bức xạ nguyên tử, đã tiếp cận GE Health. Sản xuất một máy dò CZT cho không gian đưa ra một vài thách thức. Để che đủ bầu trời, Astrosat cần một cảm biến CZT lớn hơn nhiều so với những chiếc y tế cỡ lòng bàn tay. Giải pháp: Liên kết 64 cảm biến CZT với nhau trong bốn góc phần tư, tương tự như cách một bảng logic trong máy tính cá nhân liên kết nhiều bộ xử lý. Thiết kế này cho phép Astrosat phát hiện GRB từ một phần ba không gian bất cứ lúc nào. Và các CZT hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ phòng, vì vậy một hệ thống sưởi và làm mát đã được thêm vào để vận hành cảm biến gần với nhiệt độ tối ưu trên quỹ đạo.

Kết quả: một hộp sâu 19 inch, cao 19 inch và cao 24 inch nặng 123 pounds. Mặc dù kích thước của nó, hệ thống kết quả đã cứu bất động sản quý giá trên vệ tinh so với các tùy chọn cảm biến khác mà Ấn Độ đang xem xét, Zilbershtain nói. Và các máy dò CZT trong không gian cũng là những máy có độ tin cậy cao được sử dụng để chụp ảnh y tế.

Công việc được đền đáp nhanh chóng. Vào ngày đầu tiên Astrosat kích hoạt hệ thống CZT của mình, nó đã phát hiện và đo GRB mạnh mẽ từ Tinh vân Con cua, một kỳ tích không thể so sánh với các vệ tinh GRB khác – Fermi và Swift, do Liên minh Châu Âu và NASA vận hành. Cả hai đều nhanh chóng xác định vị trí nói chung nơi GRB bắt nguồn và rất phù hợp để kiểm tra GRB năng lượng thấp hơn. Thêm Astrosat cho phép quan sát để xác định chính xác các nguồn phát thải và khả năng đo đầy đủ các vụ nổ năng lượng hàng đầu.

Tinh vân cua GRB là một bằng chứng ly kỳ về các lợi ích của máy dò CZT, mà điều đó sẽ có ý nghĩa sâu rộng trong sự hiểu biết về các cơ chế bức xạ của GRBs, theo một báo cáo từ cơ quan vũ trụ Ấn Độ.

Bên cạnh các lỗ đen đói và các sao neutron va chạm, một lý thuyết thay thế mới nổi cho rằng GRB cũng có thể đến từ các sao neutron gọi là nam châm, có từ trường cực kỳ mạnh. Các nhà khoa học vũ trụ của GE và Ấn Độ, đang thử nghiệm cảm biến CZT thế hệ tiếp theo cho một vệ tinh mới được lên kế hoạch để tìm hiểu xem liệu những điều này có đúng không, có khả năng cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự hình thành của vũ trụ ngay sau Vụ nổ Big Bang.

 

BÌNH LUẬN CỦA BẠN