Аннотация:
Технология рентгеновской визуализации уже давно столкнулась с проблемой: как улучшить сигналы изображения, не жертвуя при этом детализацией и четкостью. Традиционные методы часто требуют компромисса между толщиной детектора, интенсивностью оптического сигнала и пространственным разрешением. Теперь исследовательская группа из Университета Чунцина в Китае, 26-го научно-исследовательского института China Electronics Technology Group Corporation и Технологического института Стивенса в США разработала новый наноструктурный материал, который успешно повышает эффективность сбора света рентгеновскими детекторами, сохраняя при этом высокое разрешение изображения.
Результаты экспериментов показывают, что эта новая технология увеличивает среднюю светоотдачу детектора в 4,64 раза и улучшает соотношение сигнал/шум изображения на 13 децибел, при этом пространственное разрешение по-прежнему лучше 25 микрон. Это означает, что даже когда количество рентгеновских фотонов мало и сигнал слабый, ожидается, что детектор получит более четкое изображение.
Рентгеновские лучи сами по себе не могут быть непосредственно записаны обычным фотоаппаратом, поэтому в современных детекторах рентгеновского излучения обычно используется материал, называемый сцинтиллятором, для преобразования высокоэнергетических рентгеновских лучей в видимый свет. Эти световые сигналы затем фиксируются камерой или фотодетекторами для окончательного создания изображений.
GAGG:Ce, используемый в исследовании, представляет собой неорганический сцинтилляционный кристалл высокой плотности, который может эффективно поглощать рентгеновские лучи и производить видимый свет. Однако у этого типа материала есть проблема, которую нелегко решить: не весь излучаемый свет выходит с поверхности кристалла.
Из-за большой разницы показателей преломления между сцинтилляционным материалом и окружающей средой часть света будет подвергаться полному отражению при распространении на поверхность и удержании внутри материала. Исследования показывают, что около 90% фотонов могут быть захвачены в режиме внутреннего световода и не могут эффективно достичь внешнего оборудования обнаружения. Это не только снижает эффективность сбора света детектором, но и влияет на качество изображения в условиях слабого сигнала.
Интуитивное решение — увеличить толщину сцинтиллятора, чтобы он поглощал больше рентгеновских лучей и производил больше видимого света. Однако увеличенная толщина также означает, что свет имеет больше пространства для поперечного рассеяния, прежде чем достигнет детектора, что может легко привести к размытию деталей изображения. Напротив, более тонкие сцинтилляторы могут производить более слабые оптические сигналы, хотя они полезны для сохранения тонких структур.
Вместо того чтобы увеличивать толщину материала, исследовательская группа попыталась изменить способ выхода света изнутри сцинтиллятора. Они построили слой фотонно-кристаллической структуры на поверхности кристалла GAGG:Ce, который помогает высвобождать свет, изначально захваченный внутри материала, посредством периодического расположения на наноуровне.
Фотонный кристалл — это материал с регулярной периодической микроструктурой, способной изменять способ распространения света в нем. Исследователи использовали эффект дифракции Брэгга, чтобы придать дополнительный импульс захваченному свету, позволив ему преодолеть первоначальные ограничения распространения и выйти в свободное пространство, где он в конечном итоге был принят внешним детектором. Поскольку этот метод повышает эффективность вывода света, а не позволяет получать больше сигналов за счет увеличения толщины кристалла, он позволяет избежать некоторых противоречий между усилением сигнала и четкостью изображения в традиционных решениях.
Однако изготовление таких наноструктур на большой площади само по себе является непростой задачей. Хотя традиционная технология фотолитографии позволяет точно контролировать структуры, она требует дорогостоящего оборудования и сложных процессов, а поверхность хрупких сцинтилляционных кристаллов обрабатывать непросто. Хотя простые методы самостоятельной сборки подходят для покрытия больших площадей, они подвержены таким проблемам, как отсутствие частиц, неправильное расположение и структурные трещины, которые в конечном итоге могут привести к появлению артефактов изображения.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали процесс самосборки, вызванный поверхностным натяжением, используя так называемый эффект Марангони для управления потоком жидкости.
Исследовательская группа использовала комбинацию этанола и воды, чтобы создать поток за счет разницы в поверхностном натяжении между двумя жидкостями, тем самым заставляя полистирольные наносферы выравниваться. Впоследствии исследователи использовали поверхностно-активные вещества для увеличения плотности расположения частиц и перенесли собранную структуру на пластину сцинтилляционного кристалла GAGG диаметром 25 мм посредством процесса дренажа, который позволяет избежать вибрационных помех.
Конечный фотонный кристалл состоит из непрерывного слоя полистирольных наносфер, частицы которого расположены в гексагональной плотной упаковке. Эта структура может эффективно повысить эффективность светоотдачи поверхности кристалла.
Исследование возглавил доцент Пэн Фэн из Университета Чунцина, в совместную группу также входили доктор Дин Юйчун из 26-го научно-исследовательского института Китайской корпорации электронных технологий и Лю Кайфэн, аспирант Технологического института Стивенса. Соответствующие статьи опубликованы в журнале Opto-Electronic Advances.
Эта технология может быть использована во многих областях в будущем. С точки зрения медицинской визуализации, если детектор сможет получать достаточно сильный сигнал при более низком рентгеновском воздействии, появляется возможность снизить дозу радиации, получаемую пациентом, сохраняя при этом качество изображения. Для оборудования для проверки безопасности это может помочь системе идентифицировать более тонкие особенности объекта; в области промышленного неразрушающего контроля ожидается также улучшение способности обнаруживать внутренние дефекты и крошечные структуры в материалах.
Особо примечательно то, что эта технология решает проблемы визуализации в условиях низкого числа фотонов. В среде с ограниченной дозой радиации или слабым рентгеновским сигналом детекторам часто бывает трудно отличить реальный сигнал цели от фонового шума. Ожидается, что значительное улучшение эффективности сбора света улучшит эту ситуацию.
Конечно, эта технология еще далека от крупномасштабного коммерческого применения. Исследователи отметили, что остаточные дефекты в наноструктуре все еще могут влиять на пространственное разрешение. Необходимо дополнительно оптимизировать процесс самосборки и проверить, можно ли применить этот метод к другим типам сцинтилляционных материалов.
Если эти проблемы удастся решить, новый фотонно-кристаллический сцинтиллятор может стать новой дизайнерской идеей для следующего поколения рентгеновских детекторов: вместо того, чтобы просто полагаться на увеличение толщины материала для усиления сигнала, новый фотонно-кристаллический сцинтиллятор может высвобождать генерируемый свет более эффективно, одновременно улучшая качество изображения.
Комментарии