Verbeteringen in het materiaal dat röntgenstralen in licht omzet, kunnen een tienvoudige signaalverbetering mogelijk maken

Scintillatoren zijn materialen die licht uitstralen wanneer ze worden gebombardeerd met hoogenergetische deeltjes of röntgenstralen. In medische of tandheelkundige röntgensystemen zetten ze inkomende röntgenstraling om in zichtbaar licht dat vervolgens kan worden vastgelegd met behulp van film of fotosensoren. Ze worden ook gebruikt voor nachtzichtsystemen en voor onderzoek, zoals in deeltjesdetectoren of elektronenmicroscopen.

Onderzoekers van het MIT hebben nu laten zien hoe je de efficiëntie van scintillatoren met minstens tien keer en misschien zelfs honderdvoudig kunt verbeteren door het oppervlak van het materiaal te veranderen om bepaalde configuraties op nanoschaal te creëren, zoals arrays van golfachtige richels. Terwijl eerdere pogingen om efficiëntere scintillatoren te ontwikkelen gericht waren op het vinden van nieuwe materialen, zou de nieuwe aanpak in principe kunnen werken met elk van de bestaande materialen.

Hoewel het meer tijd en moeite kost om hun scintillatoren in bestaande röntgenapparaten te integreren, is het team van mening dat deze methode kan leiden tot verbeteringen in medische diagnostische röntgenfoto’s of CT-scans, om de dosisblootstelling te verminderen en de beeldkwaliteit te verbeteren. In andere toepassingen, zoals röntgeninspectie van gefabriceerde onderdelen voor kwaliteitscontrole, kunnen de nieuwe scintillatoren inspecties met hogere nauwkeurigheid of met hogere snelheden mogelijk maken.

De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Wetenschap, in een paper van MIT-promovendi Charles Roques-Carmes en Nicholas Rivera; MIT-professoren Marin Soljacic, Steven Johnson en John Joannopoulos; en 10 anderen.

Hoewel scintillatoren al zo’n 70 jaar in gebruik zijn, was veel van het onderzoek in het veld gericht op de ontwikkeling van nieuwe materialen die helderdere of snellere lichtemissies produceren. De nieuwe aanpak past in plaats daarvan vooruitgang in nanotechnologie toe op bestaande materialen. Door patronen in scintillatormaterialen te creëren op een lengteschaal die vergelijkbaar is met de golflengten van het uitgestraalde licht, ontdekte het team dat het mogelijk was om de optische eigenschappen van het materiaal drastisch te veranderen.

Om te maken wat ze ‘nanofotonische scintillatoren’ noemden, zegt Roques-Carmes, ‘kun je direct patronen in de scintillatoren maken, of je kunt op een ander materiaal lijmen dat gaten op nanoschaal zou hebben. De details hangen af ​​van de exacte structuur en het materiaal. ” Voor dit onderzoek nam het team een ​​scintillator en maakte gaten met een onderlinge afstand van ongeveer één optische golflengte, of ongeveer 500 nanometer (miljardste van een meter).

“De sleutel tot wat we doen is een algemene theorie en een raamwerk dat we hebben ontwikkeld”, zegt Rivera. Hierdoor kunnen de onderzoekers de scintillatieniveaus berekenen die zouden worden geproduceerd door een willekeurige configuratie van nanofotonische structuren. Het scintillatieproces zelf omvat een reeks stappen, waardoor het ingewikkeld is om te ontrafelen. Het raamwerk dat het team ontwikkelde, omvat de integratie van drie verschillende soorten natuurkunde, zegt Roques-Carmes. Met behulp van dit systeem hebben ze een goede match gevonden tussen hun voorspellingen en de resultaten van hun daaropvolgende experimenten.

De experimenten toonden een tienvoudige verbetering in emissie van de behandelde scintillator. “Dus dit is iets dat zich zou kunnen vertalen in toepassingen voor medische beeldvorming, die optisch weinig fotonen hebben, wat betekent dat de conversie van röntgenstralen naar optisch licht de beeldkwaliteit beperkt. [In medical imaging,] je wilt je patiënten niet met te veel röntgenfoto’s bestralen, vooral niet voor routinematige screening en vooral ook voor jonge patiënten”, zegt Roques-Carmes.

“We geloven dat dit een nieuw onderzoeksgebied in nanofotonica zal openen”, voegt hij eraan toe. “Je kunt veel van het bestaande werk en onderzoek dat is gedaan op het gebied van nanofotonica gebruiken om bestaande materialen die fonkelen aanzienlijk te verbeteren.”

Soljacic zegt dat hoewel hun experimenten hebben aangetoond dat een tienvoudige verbetering van de emissie kan worden bereikt, door het ontwerp van de nanoschaalpatronen verder te verfijnen, “we ook laten zien dat je tot 100 keer [improvement]en we geloven dat we ook een manier hebben om het nog beter te maken”, zegt hij.

Soljacic wijst erop dat op andere gebieden van nanofotonica, een gebied dat zich bezighoudt met hoe licht interageert met materialen die op nanometerschaal zijn gestructureerd, de ontwikkeling van computersimulaties snelle, substantiële verbeteringen mogelijk heeft gemaakt, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van zonnecellen en LED’s . De nieuwe modellen die dit team heeft ontwikkeld voor sprankelende materialen kunnen soortgelijke sprongen in deze technologie mogelijk maken, zegt hij.

Nanofotonica-technieken “geven je de ultieme kracht om het gedrag van licht aan te passen en te verbeteren”, zegt Soljacic. “Maar tot nu toe was deze belofte, dit vermogen om dit met scintillatie te doen onbereikbaar omdat het modelleren van de scintillatie een grote uitdaging was. Dit werk opent voor de eerste keer dit veld van scintillatie, opent het volledig, voor de toepassing van nanofotonica-technieken .” Meer in het algemeen is het team van mening dat de combinatie van nanofotonisch en scintillatoren uiteindelijk een hogere resolutie, een lagere röntgendosis en energie-opgeloste röntgenbeeldvorming mogelijk maakt.

Yablonovitch voegt eraan toe dat, hoewel het concept nog moet worden bewezen in een praktisch apparaat, hij zegt: “Na jaren van onderzoek naar fotonische kristallen in optische communicatie en andere gebieden, is het lang geleden dat fotonische kristallen worden toegepast op scintillatoren, die van groot praktisch belang maar zijn over het hoofd gezien” tot dit werk.

Het onderzoeksteam omvatte Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan en Nicolas Romeo van het MIT; Yang Yu bij Raith America, Inc.; en Ido Kaminer bij Technion in Israël. Het werk werd gedeeltelijk ondersteund door het US Army Research Office en het US Army Research Laboratory via het Institute for Soldier Nanotechnologies, door het Air Force Office of Scientific Research en door een Mathworks Engineering Fellowship.