Более чувствительное рентгеновское изображение

Сцинтилляторы — это материалы, которые излучают свет при бомбардировке высокоэнергетическими частицами или рентгеновскими лучами. В медицинских или стоматологических рентгеновских системах они преобразуют входящее рентгеновское излучение в видимый свет, который затем можно зафиксировать с помощью пленки или фотодатчиков. Они также используются в системах ночного видения и для исследований, таких как детекторы частиц или электронные микроскопы.


Исследователи из Массачусетского технологического института показали, как можно повысить эффективность сцинтилляторов как минимум в десять, а возможно, и в сто раз, изменив поверхность материала для создания определенных наноразмерных конфигураций, таких как массивы волнообразных гребней. Хотя прошлые попытки разработать более эффективные сцинтилляторы были сосредоточены на поиске новых материалов, новый подход в принципе может работать с любым из существующих материалов.

Хотя для интеграции их сцинтилляторов в существующие рентгеновские аппараты потребуется больше времени и усилий, команда считает, что этот метод может привести к улучшениям в медицинских диагностических рентгеновских снимках или компьютерной томографии, к снижению дозы облучения и улучшению качества изображения. В других приложениях, таких как рентгеновский контроль изготовленных деталей для контроля качества, новые сцинтилляторы могут обеспечить более высокую точность или более высокую скорость контроля.

Выводы описаны в журнале Наука, в статье докторантов Массачусетского технологического института Чарльза Рокеса-Кармеса и Николаса Риверы; профессора Массачусетского технологического института Марин Солячич, Стивен Джонсон и Джон Джоаннопулос; и 10 других.

Хотя сцинтилляторы используются уже около 70 лет, большая часть исследований в этой области была сосредоточена на разработке новых материалов, которые производят более яркое или более быстрое излучение света. Вместо этого новый подход применяет достижения в области нанотехнологий к существующим материалам. Создавая узоры в сцинтилляционных материалах в масштабе длины, сравнимом с длинами волн излучаемого света, команда обнаружила, что можно резко изменить оптические свойства материала.

Чтобы сделать то, что они назвали «нанофотонными сцинтилляторами», — говорит Рокес-Кармес, — «вы можете непосредственно создавать узоры внутри сцинтилляторов или приклеивать другой материал, который будет иметь отверстия на наноуровне. Особенности зависят от точной структуры и материала. » Для этого исследования команда взяла сцинтиллятор и сделала отверстия на расстоянии примерно одной оптической длины волны, или около 500 нанометров (миллиардных долей метра).

«Ключом к тому, что мы делаем, является общая теория и структура, которую мы разработали», — говорит Ривера. Это позволяет исследователям рассчитать уровни сцинтилляций, которые будут создаваться любой произвольной конфигурацией нанофотонных структур. Сам процесс сцинтилляции включает в себя ряд шагов, что затрудняет его разгадку. По словам Рокес-Кармеса, структура, которую разработала команда, включает в себя интеграцию трех различных типов физики. Используя эту систему, они нашли хорошее соответствие между своими предсказаниями и результатами своих последующих экспериментов.

Эксперименты показали десятикратное улучшение излучения обработанного сцинтиллятора. «Итак, это то, что может привести к приложениям для медицинской визуализации, которым не хватает оптических фотонов, а это означает, что преобразование рентгеновских лучей в оптический свет ограничивает качество изображения. [In medical imaging,] вы не хотите облучать своих пациентов слишком большим количеством рентгеновских лучей, особенно для рутинного скрининга, а также особенно для молодых пациентов», — говорит Рокес-Кармес.

«Мы считаем, что это откроет новую область исследований в области нанофотоники», — добавляет он. «Вы можете использовать множество существующих работ и исследований, проведенных в области нанофотоники, чтобы значительно улучшить существующие сцинтилляционные материалы».