平躺在大型医院扫描仪上，尽可能保持静止，双臂举过头顶——持续45分钟。这听起来可不太有趣。在伦敦皇家布朗普顿医院，患者进行某些肺部扫描时必须经历这个过程，直到去年医院安装了一台新设备，将这些检查时间缩短至仅15分钟。
这在一定程度上要归功于扫描仪中的图像处理技术，但也要归功于一种名为碲锌镉（CZT）的特殊材料，它使机器能够生成患者肺部高度精细的3D图像。”这台扫描仪能拍出非常清晰的图像，”核医学与PET科主任克沙玛·韦查勒卡博士表示，”这是工程学和物理学领域的一项惊人成就。”
该机器中的CZT材料由英国公司Kromek制造，并于去年八月在医院安装。Kromek是全球少数能生产CZT的公司之一。你可能从未听说过这种材料，但用韦查勒卡博士的话说，它正在引领医学成像领域的”革命”。
这种神奇材料还有许多其他用途，例如用于X射线望远镜、辐射探测器和机场安检扫描仪。它的需求正日益增长。
韦查勒卡博士及其同事进行的肺部检查包括寻找长期新冠患者体内大量微小血栓，或被称为肺栓塞的较大血栓。这台价值100万英镑的扫描仪通过检测注入患者体内的放射性物质发出的伽马射线来工作。
但扫描仪的高灵敏度意味着所需放射性物质剂量较以往减少：”我们可以将剂量降低约30%，”韦查勒卡博士说。虽然基于CZT的扫描仪并不算全新事物，但像这样的大型全身扫描仪是相对较新的创新。
碲锌镉材料本身已有数十年历史，但其制造工艺素以难度极高著称。Kromek公司创始首席执行官阿纳布·巴苏博士指出：”该材料历经漫长过程才形成工业化规模的生产体系。”在该公司塞奇菲尔德的工厂里，170座小型熔炉整齐排列在房间内，巴苏博士形容其外观”如同服务器农场”。特殊粉末在这些熔炉中经加热熔融后，固化形成单晶结构，整个过程需耗时数周。巴苏解释道：”原子通过逐级重组实现晶格排列有序化。”
这种新型半导体材料碲锌镉能够以惊人精度探测X射线和伽马射线中的微量光子粒子，其原理类似于智能手机摄像头中光感硅基图像传感器的高度专业化版本。当高能光子撞击碲锌镉时，会激发电子产生电信号并形成图像。早期扫描技术采用两步转换流程，其精度相对较低。”这是数字化单步转换过程，”巴苏强调，”它能完整保留所有关键信息，包括时间参数和撞击探测器的X射线能量值，从而生成彩色能谱图像。”
目前基于碲锌镉的扫描仪已应用于英国机场的爆炸物检测系统，以及部分美国机场的托运行李扫描领域。巴苏预计：”未来几年内该技术将扩展至手提行李检测环节。”然而获取碲锌镉材料并非易事。美国圣路易斯华盛顿大学的亨利克·克拉夫琴斯基教授曾将这种材料应用于高空气球搭载的空间望远镜，这类探测器能捕捉中子星和黑洞周围等离子体释放的X射线。
克拉夫琴斯基教授需要厚度仅0.8毫米的超薄碲锌镉晶片制作望远镜探测器，这种设计能有效降低背景辐射干扰，获得更清晰的信号。”我们计划采购17个新型探测器，”他表示，”但获取这种超薄晶片确实非常困难。”由于未能从Kromek公司获得材料供应，巴苏博士解释当前市场需求旺盛：”我们为众多科研机构提供支持，但很难同时满足上百种定制需求，每个研究项目都需要特定结构的探测器。”
对克拉夫琴斯基教授而言，这并非危机——他表示后续任务可能使用既往研究剩余的碲锌镉材料，或采用替代材料碲化镉。但当前存在更严峻的挑战：原定12月从南极洲起飞的探测任务因美国政府停摆事件导致”所有时间表都存在变数”。
许多其他科学家也在使用碲锌镉。在英国，牛津郡钻石光源研究设施正在进行一项耗资5亿英镑的重大升级，通过安装基于碲锌镉的探测器将显著提升其性能。钻石光源是一种同步加速器，能将电子以近光速在巨型环中加速运行。磁铁使这些高速电子以X射线的形式释放部分能量，这些X射线通过光束线从环中导出，可用于分析材料特性。
近期实验中，研究人员曾利用该设施探测铝材熔化过程中的杂质。更深入地理解这些杂质有助于提升金属回收材料的品质。钻石光源的升级计划于2030年完成，届时产生的X射线亮度将大幅提升，这意味着现有传感器将无法准确探测。
“如果无法探测设施产生的光线，投入巨资升级这些设施就失去了意义，”科学技术设施委员会探测器开发团队负责人马特·维尔表示，该委员会是钻石光源的重要合作方。这正是碲锌镉材料在此同样被选用的关键原因。
【本文精选自BBC，原文链接：https://www.bbc.com/news/articles/c24l223d9n7o】