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MIT科学家将改进的闪烁体用于更灵敏更安全的X射线成像

2022-02-28 13:42     来源:cnBeta     X射线成像 X射线

闪烁体是指在受到高能粒子或X射线轰击时能发光的材料。在医疗或牙科X射线系统中,它们将进入的X射线辐射转换为可见光,然后可以用胶片或光敏器捕获。它们还被用于夜视系统和研究,如粒子探测器或电子显微镜。麻省理工学院(MIT)的研究人员现在已经表明,通过改变材料的表面以创造某些纳米级的配置,如波浪状的脊线阵列,人们可以将闪烁体的效率提高至少10倍,甚至100倍。

虽然过去开发更有效的闪烁体的尝试主要集中在寻找新材料上,但新方法原则上可用于任何现有材料。

尽管将他们的闪烁体集成到现有的X射线机器中需要更多的时间和努力,但该团队认为这种方法可能会导致医疗诊断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,如用于质量控制的制造部件的X射线检查,新的闪烁体可以使检查具有更高的准确性或以更快的速度。

麻省理工学院博士生Charles Roques-Carmes和Nicholas Rivera、麻省理工学院教授Marin Soljacic、Steven Johnson和John Joannopoulos以及其他10人在《科学》杂志上描述了这些发现。

虽然闪烁体已经被使用了大约70年,但该领域的大部分研究都集中在开发能产生更亮或更快光发射的新材料上。新的方法是将纳米技术的进展应用于现有材料。通过在闪烁体材料中创建与所发射的光的波长相当的长度尺度的图案,该团队发现有可能极大地改变材料的光学特性。

Roques-Carmes说,为了制造他们所称的“纳米光子闪烁体”,“你可以直接在闪烁体内部制造图案,或者你可以在另一种材料上粘上纳米级的孔。具体情况取决于确切的结构和材料”。在这项研究中,研究小组采用了闪烁体,并制作了间隔大约一个光波长的孔,或大约500纳米。

“我们正在做的事情的关键是我们已经开发的一般理论和框架,”Rivera说。这使研究人员能够计算出由任何任意配置的纳米光子结构产生的闪烁水平。闪烁过程本身涉及到一系列的步骤,使其变得复杂难解。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。利用这个系统,他们发现他们的预测和他们随后的实验结果之间有很好的匹配。

实验显示,经过处理的闪烁体的发射量提高了10倍。“因此,这是可能转化为医学成像应用的东西,医学成像是光子饥饿的,意味着X射线转换为光限制了图像质量。”Roques-Carmes说:“在医学成像中,你不想用太多的X射线来检查你的病人,特别是在常规筛查中,尤其是对年轻病人也是如此。”

他补充说:“我们相信,这将为纳米光子学的研究开辟一个新领域。你可以利用纳米光子学领域的许多现有工作和研究,对现有的闪烁材料进行重大改进。”

Soljacic说,虽然他们的实验证明可以实现十倍改进,但通过进一步微调纳米级图案的设计,“我们还表明你可以得到高达100倍的(改进),而且我们相信我们也有一条使之变得更好的道路”。

Soljacic指出,在纳米光子学的其他领域,即处理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、大幅度的改进,例如在太阳能电池和LED的开发方面。他说,这个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“给了你定制和增强光的行为的终极力量,”Soljacic说。“但是直到现在,这种承诺,这种用闪烁做这件事的能力是无法达到的,因为对闪烁进行建模是非常具有挑战性的。现在,这项工作首次为纳米光子学技术的应用开辟了闪烁这一领域,完全打开了它。” 更广泛地说,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,减少X射线剂量,以及能量分辨的X射线成像。

Yablonovitch补充说,虽然这一概念仍然需要在实际设备中得到证明,但他说:“在光通信和其他领域对光子晶体进行了多年的研究之后,早就应该将光子晶体应用于闪烁体,它们具有很大的实际意义,这是在这项工作之前,人们忽略了非常重要的实际重要性。”

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