2月25日将 X 射线转化为光的材料的改进可以使信号增强十倍

闪烁体是在受到高能粒子或 X 射线轰击时发光的材料。在医疗或牙科 X 射线系统中，它们将传入的 X 射线辐射转换为可见光，然后可以使用胶片或光电传感器进行捕获。它们还用于夜视系统和研究，例如粒子探测器或电子显微镜。

麻省理工学院的研究人员现在已经展示了如何通过改变材料的表面以创建某些纳米级配置(例如波状脊阵列)将闪烁体的效率提高至少 10 倍，甚至可能提高 100 倍。虽然过去开发更高效闪烁体的尝试主要集中在寻找新材料上，但新方法原则上可以与任何现有材料一起使用。

尽管将他们的闪烁体集成到现有的 X 射线机中需要更多的时间和精力，但该团队认为，这种方法可能会导致医学诊断 X 射线或 CT 扫描的改进，以减少剂量暴露并提高图像质量。在其他应用中，例如用于质量控制的制造零件的 X 射线检测，新的闪烁体可以实现更高精度或更快速度的检测。

麻省理工学院博士生 Charles Roques-Carmes 和 Nicholas Rivera在《科学》杂志上对这些发现进行了描述;麻省理工学院教授 Marin Soljacic、Steven Johnson 和 John Joannopoulos;和其他 10 人。

虽然闪烁体已经使用了大约 70 年，但该领域的大部分研究都集中在开发产生更亮或更快光发射的新材料上。相反，新方法将纳米技术的进步应用于现有材料。通过在闪烁体材料中创建与发出的光波长相当的长度尺度的图案，研究小组发现可以显着改变材料的光学特性。

为了制造他们创造的“纳米光子闪烁体”，Roques-Carmes 说，“你可以直接在闪烁体内部制作图案，或者你可以粘在另一种具有纳米级孔洞的材料上。具体情况取决于确切的结构和材料。 " 在这项研究中，该团队使用了一个闪烁体并制作了间隔大约一个光学波长或大约 500 纳米(十亿分之一米)的孔。

“我们正在做的事情的关键是我们开发的一般理论和框架，”里维拉说。这使研究人员能够计算任意纳米光子结构配置产生的闪烁水平。闪烁过程本身涉及一系列步骤，使其难以解开。Roques-Carmes 说，该团队开发的框架涉及整合三种不同类型的物理学。使用这个系统，他们发现他们的预测与后续实验的结果非常匹配。

实验表明，处理过的闪烁体的发射量提高了十倍。“因此，这可能会转化为医学成像应用，这些应用是光学光子匮乏的，这意味着将 X 射线转换为光学光会限制图像质量。[在医学成像中，] 你不想照射你的接受过多 X 射线检查的患者，尤其是常规筛查，尤其是年轻患者，”Roques-Carmes 说。

“我们相信这将开辟纳米光子学研究的新领域，”他补充道。“你可以利用在纳米光子学领域已经完成的大量现有工作和研究来显着改进现有的闪烁材料。”

Soljacic 说，虽然他们的实验证明可以实现 10 倍的发射改善，但通过进一步微调纳米级图案的设计，“我们还表明，你可以获得高达 100 倍的 [改善]，我们相信我们也有一条让它变得更好的道路，”他说。

Soljacic 指出，在纳米光子学的其他领域，即光如何与纳米尺度结构的材料相互作用的领域，计算模拟的发展已经实现了快速、实质性的改进，例如在太阳能电池和 LED 的开发方面. 他说，该团队为闪烁材料开发的新模型可以促进这项技术的类似飞跃。

纳米光子学技术“为您提供了定制和增强光行为的终极力量，”Soljacic 说。“但直到现在，这种承诺，这种用闪烁来做到这一点的能力是无法实现的，因为对闪烁进行建模非常具有挑战性。现在，这项工作首次打开了闪烁的这个领域，完全打开了它，用于纳米光子学技术的应用。” 更一般地说，该团队认为纳米光子和闪烁体的结合最终可能实现更高的分辨率、更低的 X 射线剂量和能量分辨的 X 射线成像。

Yablonovitch 补充说，虽然这一概念仍需要在实际设备中得到验证，但他表示，“经过多年在光通信和其他领域对光子晶体的研究，光子晶体早就应该应用于闪烁体，这是在这项工作之前，人们忽略了巨大的实际重要性”。

研究团队包括麻省理工学院的 Ali Ghorashi、Steven Kooi、Yi Yang、Zin Lin、Justin Beroz、Aviram Massuda、Jamison Sloan 和 Nicolas Romeo;Raith America, Inc.的Yang Yu;和以色列 Technion 的 Ido Kaminer。这项工作得到了陆军研究办公室和陆军研究实验室通过士兵纳米技术研究所、空军科学研究办公室和 Mathworks 工程奖学金的部分支持。

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