Scintillatorer är material som avger ljus när de bombarderas med högenergipartiklar eller röntgenstrålar. I medicinska eller dentala röntgensystem omvandlar de inkommande röntgenstrålning till synligt ljus som sedan kan fångas med film eller fotosensorer. De används också för system för mörkerseende och för forskning, till exempel i partikeldetektorer eller elektronmikroskop.

Forskare vid MIT har nu visat hur man kan förbättra effektiviteten hos scintillatorer med minst tio gånger, och kanske till och med hundra gånger, genom att ändra materialets yta för att skapa vissa konfigurationer i nanoskala, såsom uppsättningar av vågliknande åsar. Medan tidigare försök att utveckla effektivare scintillatorer har fokuserat på att hitta nya material, kan det nya tillvägagångssättet i princip fungera med vilket som helst av de befintliga materialen.

Även om det kommer att kräva mer tid och ansträngning att integrera sina scintillatorer i befintliga röntgenapparater, tror teamet att denna metod kan leda till förbättringar av medicinsk diagnostisk röntgen eller CT-skanning, för att minska dosexponeringen och förbättra bildkvaliteten. I andra applikationer, såsom röntgeninspektion av tillverkade delar för kvalitetskontroll, kan de nya scintillatorerna möjliggöra inspektioner med högre noggrannhet eller med högre hastigheter.

Fynden beskrivs i tidskriften Science , i ett papper av MIT doktorander Charles Roques-Carmes och Nicholas Rivera; MIT-professorerna Marin Soljacic, Steven Johnson och John Joannopoulos; och 10 andra.

Medan scintillatorer har använts i cirka 70 år, har mycket av forskningen inom området fokuserats på att utveckla nya material som ger ljusare eller snabbare ljusemissioner. Den nya metoden tillämpar istället framsteg inom nanoteknik på befintliga material. Genom att skapa mönster i scintillatormaterial i en längdskala som är jämförbar med våglängderna för ljuset som sänds ut, fann teamet att det var möjligt att dramatiskt förändra materialets optiska egenskaper.

För att göra vad de myntade "nanofotoniska scintillatorer", säger Roques-Carmes, "kan du direkt göra mönster inuti scintillatorerna, eller så kan du limma på ett annat material som skulle ha hål på nanoskala. Detaljerna beror på den exakta strukturen och materialet. " För denna forskning tog teamet en scintillator och gjorde hål åtskilda med ungefär en optisk våglängd, eller cirka 500 nanometer (miljarddelar av en meter).

"Nyckeln till vad vi gör är en allmän teori och ramverk som vi har utvecklat", säger Rivera. Detta gör det möjligt för forskarna att beräkna scintillationsnivåerna som skulle produceras av någon godtycklig konfiguration av nanofotoniska strukturer. Själva scintillationsprocessen innefattar en serie steg, vilket gör det komplicerat att riva upp. Ramverket teamet utvecklat innebär att integrera tre olika typer av fysik, säger Roques-Carmes. Med detta system har de hittat en bra matchning mellan deras förutsägelser och resultaten av deras efterföljande experiment.

Experimenten visade en tiofaldig förbättring av emissionen från den behandlade scintillatorn. "Så, detta är något som kan översättas till tillämpningar för medicinsk bildbehandling, som är optiskt foton-svältande, vilket innebär att omvandlingen av röntgenstrålar till optiskt ljus begränsar bildkvaliteten. [Inom medicinsk bildbehandling] vill du inte bestråla din patienter med för mycket av röntgenstrålar, särskilt för rutinmässig screening, och särskilt för unga patienter också, säger Roques-Carmes.

"Vi tror att detta kommer att öppna ett nytt forskningsfält inom nanofotonik", tillägger han. "Du kan använda mycket av det befintliga arbetet och forskningen som har gjorts inom nanofotonikområdet för att avsevärt förbättra befintliga material som scintillerar."

Soljacic säger att även om deras experiment visade att en tiofaldig förbättring av emissionen kunde uppnås, genom att ytterligare finjustera designen av nanoskalemönstret, "visar vi också att du kan få upp till 100 gånger [förbättring] och vi tror att vi också har en väg mot att göra det ännu bättre, säger han.

Soljacic påpekar att inom andra områden av nanofotonik, ett område som handlar om hur ljus interagerar med material som är strukturerade i nanometerskala, har utvecklingen av beräkningssimuleringar möjliggjort snabba, betydande förbättringar, till exempel i utvecklingen av solceller och lysdioder. . De nya modellerna som detta team utvecklat för glittrande material skulle kunna underlätta liknande språng inom den här tekniken, säger han.

Nanofotoniktekniker "ger dig den ultimata kraften att skräddarsy och förbättra ljusets beteende", säger Soljacic. "Men hittills var detta löfte, denna förmåga att göra detta med scintillation ouppnåeligt eftersom modellering av scintillationen var mycket utmanande. Nu öppnar detta arbete för första gången upp detta scintillationsfält, öppnar det helt, för tillämpning av nanofotoniktekniker ." Mer allmänt tror teamet att kombinationen av nanofoton och scintillatorer i slutändan kan möjliggöra högre upplösning, reducerad röntgendos och energiupplöst röntgenbild.

Yablonovitch tillägger att även om konceptet fortfarande behöver bevisas i en praktisk anordning, säger han att, "Efter år av forskning om fotoniska kristaller inom optisk kommunikation och andra områden, är det längesen att fotoniska kristaller ska tillämpas på scintillatorer, som är av stor praktisk betydelse men har förbisetts" tills detta arbete.

Forskargruppen inkluderade Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan och Nicolas Romeo vid MIT; Yang Yu på Raith America, Inc.; och Ido Kaminer på Technion i Israel. Arbetet stöddes delvis av U.S. Army Research Office och U.S. Army Research Laboratory genom Institute for Soldier Nanotechnologies, av Air Force Office of Scientific Research och av ett Mathworks Engineering Fellowship. + Utforska vidare

Nanocomposite ger perfekt röntgenfotografering