Verbesserungen des Materials, das Röntgenstrahlen in Licht umwandelt, könnten eine zehnfache Signalverstärkung ermöglichen

Szintillatoren sind Materialien, die Licht emittieren, wenn sie mit hochenergetischen Teilchen oder Röntgenstrahlen beschossen werden. In medizinischen oder zahnärztlichen Röntgensystemen wandeln sie einfallende Röntgenstrahlung in sichtbares Licht um, das dann mit Film- oder Fotosensoren erfasst werden kann. Sie werden auch für Nachtsichtsysteme und für die Forschung verwendet, etwa in Teilchendetektoren oder Elektronenmikroskopen.

Forscher am MIT haben nun gezeigt, wie man die Effizienz von Szintillatoren um mindestens das Zehnfache und vielleicht sogar das Hundertfache verbessern kann, indem man die Oberfläche des Materials verändert, um bestimmte Konfigurationen im Nanomaßstab zu erzeugen, wie z. B. Anordnungen wellenartiger Grate. Während sich frühere Versuche zur Entwicklung effizienterer Szintillatoren darauf konzentrierten, neue Materialien zu finden, könnte der neue Ansatz im Prinzip mit jedem der bestehenden Materialien funktionieren.

Obwohl es mehr Zeit und Mühe erfordern wird, ihre Szintillatoren in bestehende Röntgengeräte zu integrieren, glaubt das Team, dass diese Methode zu Verbesserungen bei medizinisch-diagnostischen Röntgen- oder CT-Scans führen könnte, um die Dosisbelastung zu reduzieren und die Bildqualität zu verbessern. Bei anderen Anwendungen, wie der Röntgeninspektion von gefertigten Teilen zur Qualitätskontrolle, könnten die neuen Szintillatoren Inspektionen mit höherer Genauigkeit oder schnelleren Geschwindigkeiten ermöglichen.

Die Ergebnisse werden im Journal beschrieben Wissenschaft, in einem Artikel der MIT-Doktoranden Charles Roques-Carmes und Nicholas Rivera; MIT-Professoren Marin Soljacic, Steven Johnson und John Joannopoulos; und 10 weitere.

Obwohl Szintillatoren seit etwa 70 Jahren im Einsatz sind, konzentrierte sich ein Großteil der Forschung auf diesem Gebiet auf die Entwicklung neuer Materialien, die hellere oder schnellere Lichtemissionen erzeugen. Der neue Ansatz wendet stattdessen Fortschritte in der Nanotechnologie auf bestehende Materialien an. Durch die Erzeugung von Mustern in Szintillatormaterialien in einer Längenskala, die mit den Wellenlängen des emittierten Lichts vergleichbar ist, fand das Team heraus, dass es möglich war, die optischen Eigenschaften des Materials dramatisch zu verändern.

Um das herzustellen, was sie „nanophotonische Szintillatoren“ nannten, sagt Roques-Carmes, „kann man direkt Muster in die Szintillatoren machen oder auf ein anderes Material kleben, das Löcher im Nanomaßstab hätte. Die Einzelheiten hängen von der genauen Struktur und dem Material ab. “ Für diese Forschung nahm das Team einen Szintillator und machte Löcher, die ungefähr eine optische Wellenlänge oder etwa 500 Nanometer (Milliardstel Meter) voneinander entfernt waren.

„Der Schlüssel zu dem, was wir tun, ist eine allgemeine Theorie und ein Rahmenwerk, das wir entwickelt haben“, sagt Rivera. Auf diese Weise können die Forscher die Szintillationsniveaus berechnen, die durch eine beliebige Konfiguration nanophotonischer Strukturen erzeugt würden. Der Szintillationsprozess selbst umfasst eine Reihe von Schritten, was es kompliziert macht, ihn zu enträtseln. Das vom Team entwickelte Framework beinhaltet die Integration von drei verschiedenen Arten von Physik, sagt Roques-Carmes. Mit diesem System haben sie eine gute Übereinstimmung zwischen ihren Vorhersagen und den Ergebnissen ihrer nachfolgenden Experimente gefunden.

Die Experimente zeigten eine zehnfache Verbesserung der Emission des behandelten Szintillators. „Das könnte sich also in Anwendungen für die medizinische Bildgebung niederschlagen, bei denen es an optischen Photonen mangelt, was bedeutet, dass die Umwandlung von Röntgenstrahlen in optisches Licht die Bildqualität einschränkt. [In medical imaging,] Sie möchten Ihre Patienten nicht mit zu vielen Röntgenstrahlen bestrahlen, insbesondere für Routine-Screenings und insbesondere auch für junge Patienten“, sagt Roques-Carmes.

„Wir glauben, dass dies ein neues Forschungsfeld in der Nanophotonik eröffnen wird“, fügt er hinzu. „Sie können einen Großteil der bestehenden Arbeit und Forschung auf dem Gebiet der Nanophotonik nutzen, um vorhandene Materialien, die funkeln, erheblich zu verbessern.“

Soljacic sagt, dass ihre Experimente zwar bewiesen haben, dass eine zehnfache Verbesserung der Emission erreicht werden kann, aber durch eine weitere Feinabstimmung des Designs der Muster im Nanobereich „zeigen wir auch, dass man bis zu 100 Mal erreichen kann [improvement]und wir glauben, dass wir auch einen Weg haben, es noch besser zu machen“, sagt er.

Soljacic weist darauf hin, dass in anderen Bereichen der Nanophotonik, einem Gebiet, das sich mit der Wechselwirkung von Licht mit im Nanometerbereich strukturierten Materialien befasst, die Entwicklung von Computersimulationen schnelle und wesentliche Verbesserungen ermöglicht hat, beispielsweise bei der Entwicklung von Solarzellen und LEDs . Die neuen Modelle, die dieses Team für funkelnde Materialien entwickelt hat, könnten ähnliche Sprünge in dieser Technologie ermöglichen, sagt er.

Nanophotonik-Techniken „geben Ihnen die ultimative Möglichkeit, das Verhalten von Licht anzupassen und zu verbessern“, sagt Soljacic. „Aber bisher war dieses Versprechen, diese Fähigkeit, dies mit der Szintillation zu tun, unerreichbar, weil die Modellierung der Szintillation sehr herausfordernd war. Jetzt öffnet diese Arbeit dieses Gebiet der Szintillation zum ersten Mal vollständig für die Anwendung von Nanophotonik-Techniken .“ Ganz allgemein glaubt das Team, dass die Kombination aus Nanophotonik und Szintillatoren letztendlich eine höhere Auflösung, eine geringere Röntgendosis und eine energieaufgelöste Röntgenbildgebung ermöglichen könnte.

Yablonovitch fügt hinzu, dass das Konzept zwar noch in einem praktischen Gerät bewiesen werden muss, aber er sagt: „Nach Jahren der Forschung zu photonischen Kristallen in der optischen Kommunikation und anderen Bereichen ist es längst überfällig, photonische Kristalle auf Szintillatoren anzuwenden, die von große praktische Bedeutung sind bis zu dieser Arbeit jedoch übersehen worden.

Das Forschungsteam umfasste Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan und Nicolas Romeo am MIT; Yang Yu bei Raith America, Inc.; und Ido Kaminer am Technion in Israel. Die Arbeit wurde teilweise vom US Army Research Office und dem US Army Research Laboratory über das Institute for Soldier Nanotechnologies, vom Air Force Office of Scientific Research und von einem Mathworks Engineering Fellowship unterstützt.