Forbedringer i materialet, der omdanner røntgenstråler til lys, kan muliggøre en tifoldig signalforbedring

Scintillatorer er materialer, der udsender lys, når de bombarderes med højenergipartikler eller røntgenstråler. I medicinske eller dentale røntgensystemer omdanner de indkommende røntgenstråling til synligt lys, som derefter kan opfanges ved hjælp af film eller fotosensorer. De bruges også til nattesynssystemer og til forskning, såsom i partikeldetektorer eller elektronmikroskoper.

Forskere ved MIT har nu vist, hvordan man kunne forbedre effektiviteten af ​​scintillatorer med mindst tidoblet, og måske endda hundrede gange, ved at ændre materialets overflade for at skabe bestemte nanoskalakonfigurationer, såsom rækker af bølgelignende kamme. Mens tidligere forsøg på at udvikle mere effektive scintillatorer har fokuseret på at finde nye materialer, kan den nye tilgang i princippet fungere med ethvert af de eksisterende materialer.

Selvom det vil kræve mere tid og kræfter at integrere deres scintillatorer i eksisterende røntgenmaskiner, mener teamet, at denne metode kan føre til forbedringer i medicinsk diagnostiske røntgenstråler eller CT-scanninger, for at reducere dosiseksponering og forbedre billedkvaliteten. I andre applikationer, såsom røntgeninspektion af fremstillede dele til kvalitetskontrol, kunne de nye scintillatorer muliggøre inspektioner med højere nøjagtighed eller ved højere hastigheder.

Resultaterne er beskrevet i tidsskriftet Science , i et papir af MIT ph.d.-studerende Charles Roques-Carmes og Nicholas Rivera; MIT-professorerne Marin Soljacic, Steven Johnson og John Joannopoulos; og 10 andre.

Mens scintillatorer har været i brug i omkring 70 år, har meget af forskningen på området fokuseret på at udvikle nye materialer, der producerer lysere eller hurtigere lysemissioner. Den nye tilgang anvender i stedet fremskridt inden for nanoteknologi til eksisterende materialer. Ved at skabe mønstre i scintillatormaterialer i en længdeskala, der kan sammenlignes med bølgelængderne af det lys, der udsendes, fandt holdet ud af, at det var muligt dramatisk at ændre materialets optiske egenskaber.

For at lave, hvad de opfandt "nanofotoniske scintillatorer," siger Roques-Carmes, "kan du direkte lave mønstre inde i scintillatorerne, eller du kan lime på et andet materiale, der ville have huller på nanoskalaen. De nærmere detaljer afhænger af den nøjagtige struktur og materiale. " Til denne forskning tog holdet en scintillator og lavede huller med en afstand på ca. en optisk bølgelængde eller omkring 500 nanometer (milliarddele af en meter).

"Nøglen til det, vi laver, er en generel teori og ramme, vi har udviklet," siger Rivera. Dette giver forskerne mulighed for at beregne de scintillationsniveauer, der ville blive produceret af enhver vilkårlig konfiguration af nanofotoniske strukturer. Selve scintillationsprocessen involverer en række trin, hvilket gør det kompliceret at optrevle. Den ramme, holdet udviklede, involverer at integrere tre forskellige typer fysik, siger Roques-Carmes. Ved at bruge dette system har de fundet et godt match mellem deres forudsigelser og resultaterne af deres efterfølgende eksperimenter.

Forsøgene viste en tidoblet forbedring af emissionen fra den behandlede scintillator. "Så dette er noget, der kan oversættes til applikationer til medicinsk billeddannelse, som er optisk foton-udsultet, hvilket betyder, at konverteringen af ​​røntgenstråler til optisk lys begrænser billedkvaliteten. [I medicinsk billedbehandling] ønsker du ikke at bestråle din patienter med for meget af røntgenbillederne, især til rutinemæssig screening, og især også for unge patienter," siger Roques-Carmes.

"Vi tror, ​​at dette vil åbne et nyt forskningsfelt inden for nanofotonik," tilføjer han. "Du kan bruge meget af det eksisterende arbejde og forskning, der er blevet udført inden for nanofotonik til at forbedre væsentligt på eksisterende materialer, der scintillerer."

Soljacic siger, at mens deres eksperimenter viste, at der kunne opnås en tidobling af emissionen, ved yderligere at finjustere designet af nanoskalamønstret, "viser vi også, at du kan få op til 100 gange [forbedring], og vi mener, at vi også har en vej mod at gøre det endnu bedre," siger han.

Soljacic påpeger, at inden for andre områder af nanofotonik, et felt, der beskæftiger sig med, hvordan lys interagerer med materialer, der er struktureret på nanometerskalaen, har udviklingen af ​​beregningssimuleringer muliggjort hurtige, væsentlige forbedringer, for eksempel i udviklingen af ​​solceller og LED'er . De nye modeller, som dette team udviklede til glitrende materialer, kunne lette lignende spring i denne teknologi, siger han.

Nanofotonik-teknikker "giver dig den ultimative kraft til at skræddersy og forbedre lysets adfærd," siger Soljacic. "Men indtil nu var dette løfte, denne evne til at gøre dette med scintillation uopnåelig, fordi modellering af scintillationen var meget udfordrende. Nu åbner dette arbejde for første gang dette scintillationsfelt, åbner det fuldt ud, for anvendelsen af ​​nanofotoniske teknikker ." Mere generelt mener holdet, at kombinationen af ​​nanofotoniske og scintillatorer i sidste ende kan muliggøre højere opløsning, reduceret røntgendosis og energiopløst røntgenbilleddannelse.

Yablonovitch tilføjer, at selvom konceptet stadig mangler at blive bevist i en praktisk enhed, siger han, at "Efter års forskning i fotoniske krystaller inden for optisk kommunikation og andre områder, er det længe på tide, at fotoniske krystaller skal anvendes på scintillatorer, som er af stor praktisk betydning endnu er blevet overset" indtil dette arbejde.

Forskerholdet omfattede Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan og Nicolas Romeo ved MIT; Yang Yu hos Raith America, Inc.; og Ido Kaminer hos Technion i Israel. Arbejdet blev delvist støttet af U.S. Army Research Office og U.S. Army Research Laboratory gennem Institute for Soldier Nanotechnologies, af Air Force Office of Scientific Research og af et Mathworks Engineering Fellowship. + Udforsk yderligere

Nanocomposite giver billed-perfekt røntgenoptagelse