Zusammenfassung:
Die Röntgenbildgebungstechnologie steht seit langem vor einem Problem: Wie können Bildsignale verbessert werden, ohne dass Details und Klarheit verloren gehen? Herkömmliche Methoden erfordern häufig Kompromisse zwischen Detektordicke, optischer Signalintensität und räumlicher Auflösung. Jetzt hat ein Forschungsteam der Chongqing-Universität in China, des 26. Forschungsinstituts der China Electronics Technology Group Corporation und des Stevens Institute of Technology in den Vereinigten Staaten ein neues nanostrukturiertes Material entwickelt, das die Lichtsammeleffizienz von Röntgendetektoren erfolgreich verbessert und gleichzeitig eine hohe Bildauflösung beibehält.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass diese neue Technologie die durchschnittliche Lichtleistung des Detektors um das 4,64-fache erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebung um 13 Dezibel verbessert, während die räumliche Auflösung immer noch besser als 25 Mikrometer ist. Dies bedeutet, dass der Detektor selbst dann ein klareres Bild erhalten soll, wenn die Anzahl der Röntgenphotonen gering und das Signal schwach ist.
Röntgenstrahlen selbst können mit gewöhnlichen Kamerageräten nicht direkt aufgezeichnet werden. Daher verwenden moderne Röntgendetektoren normalerweise ein Material namens Szintillator, um hochenergetische Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umzuwandeln. Diese Lichtsignale werden dann von Kamerageräten oder Fotodetektoren erfasst, um schließlich Bilder zu erzeugen.
Das in der Studie verwendete GAGG:Ce ist ein hochdichter anorganischer Szintillationskristall, der Röntgenstrahlen effektiv absorbieren und sichtbares Licht erzeugen kann. Allerdings gibt es bei dieser Art von Material ein Problem, das nicht einfach zu lösen ist: Nicht das gesamte erzeugte Licht entweicht aus der Kristalloberfläche.
Aufgrund des großen Brechungsindexunterschieds zwischen dem Szintillationsmaterial und der Umgebung wird ein Teil des Lichts bei seiner Ausbreitung zur Oberfläche einer Totalreflexion unterzogen und im Material eingeschlossen. Untersuchungen haben ergeben, dass bis zu 90 % der Photonen im internen Lichtleitermodus gefangen sein können und externe Detektionsgeräte nicht effektiv erreichen können. Dies verringert nicht nur die Lichtsammeleffizienz des Detektors, sondern beeinträchtigt auch die Bildqualität bei schwachen Signalbedingungen.
Eine intuitive Lösung besteht darin, die Dicke des Szintillators zu erhöhen, damit er mehr Röntgenstrahlen absorbiert und mehr sichtbares Licht erzeugt. Allerdings bedeutet eine größere Dicke auch, dass das Licht mehr seitlichen Diffusionsraum hat, bevor es den Detektor erreicht, was leicht zu unscharfen Bilddetails führen kann. Im Gegensatz dazu können dünnere Szintillatoren schwächere optische Signale erzeugen, obwohl sie für den Erhalt feiner Strukturen von Vorteil sind.
Anstatt die Dicke des Materials zu erhöhen, versuchte das Forschungsteam, die Art und Weise zu ändern, wie Licht aus dem Inneren des Szintillators austritt. Sie bauten eine Schicht photonischer Kristallstruktur auf der Oberfläche des GAGG:Ce-Kristalls auf, die durch periodische Anordnung im Nanomaßstab dabei hilft, das ursprünglich im Material eingeschlossene Licht freizusetzen.
Photonischer Kristall ist ein Material mit einer regelmäßigen periodischen Mikrostruktur, das die Art und Weise verändern kann, wie sich Licht darin ausbreitet. Die Forscher nutzten den Bragg-Beugungseffekt, um dem eingefangenen Licht zusätzlichen Impuls zu verleihen, sodass es die ursprünglichen Ausbreitungsbeschränkungen durchbrechen und in den freien Raum gelangen konnte, wo es schließlich von einem externen Detektor empfangen wurde. Da diese Methode die Effizienz der Lichtextraktion verbessert, anstatt durch eine Erhöhung der Kristalldicke mehr Signale zu erhalten, können einige der Widersprüche zwischen Signalverstärkung und Bildklarheit bei herkömmlichen Lösungen vermieden werden.
Die Herstellung solcher Nanostrukturen auf einer großen Fläche ist jedoch auch eine Herausforderung für sich. Obwohl mit der herkömmlichen Photolithographietechnologie Strukturen präzise gesteuert werden können, sind dafür teure Geräte und komplexe Prozesse erforderlich, und es ist nicht einfach, die Oberfläche spröder Szintillationskristalle zu bearbeiten. Obwohl sich einfache Selbstorganisationsmethoden für die Abdeckung großer Flächen eignen, sind sie anfällig für Probleme wie fehlende Partikel, unregelmäßige Anordnungen und Strukturrisse, die letztendlich zu Bildartefakten führen können.
Um dieses Problem zu lösen, nutzten die Forscher einen Selbstorganisationsprozess, der durch die Oberflächenspannung angetrieben wird, und nutzten den sogenannten Marangoni-Effekt zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses.
Das Forschungsteam verwendete eine Kombination aus Ethanol und Wasser, um durch den Unterschied in der Oberflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten einen Fluss zu erzeugen und so die Polystyrol-Nanokugeln in die Lage zu versetzen, sich auszurichten. Anschließend verwendeten die Forscher Tenside, um die Dichte der Partikelanordnung zu erhöhen, und übertrugen die zusammengesetzte Struktur durch einen Drainageprozess, der Vibrationsstörungen vermeidet, auf einen GAGG-Szintillationskristallwafer mit 25 mm Durchmesser.
Der endgültige photonische Kristall besteht aus einer kontinuierlichen Schicht aus Polystyrol-Nanokugeln, wobei die Partikel in einer hexagonal dicht gepackten Anordnung angeordnet sind. Diese Struktur kann die Lichtextraktionseffizienz der Kristalloberfläche effektiv verbessern.
Die Forschung wurde von außerordentlichem Professor Peng Feng von der Universität Chongqing geleitet. Zum Kooperationsteam gehörten auch Dr. Ding Yuchong vom 26. Forschungsinstitut der China Electronics Technology Group Corporation und Liu Kaifeng, ein Doktorand am Stevens Institute of Technology. Relevante Artikel wurden in der Zeitschrift Opto-Electronic Advances veröffentlicht.
Diese Technologie könnte in Zukunft in vielen Bereichen eingesetzt werden. Im Hinblick auf die medizinische Bildgebung besteht die Möglichkeit, die vom Patienten aufgenommene Strahlendosis zu reduzieren und gleichzeitig die Bildqualität beizubehalten, wenn der Detektor bei geringerer Röntgenstrahlung ein ausreichend starkes Signal erhalten kann. Bei Sicherheitsinspektionsgeräten kann es dem System helfen, subtilere Objektmerkmale zu identifizieren. Im Bereich der industriellen zerstörungsfreien Prüfung wird zudem eine Verbesserung der Erkennung interner Defekte und kleinster Strukturen in Materialien erwartet.
Besonders hervorzuheben ist, dass diese Technologie auf Bildgebungsprobleme bei Bedingungen mit geringer Photonenzahl abzielt. In einer Umgebung mit begrenzter Strahlungsdosis oder schwachem Röntgensignal ist es für Detektoren oft schwierig, das tatsächliche Zielsignal vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Es wird erwartet, dass die deutliche Verbesserung der Lichtsammeleffizienz diese Situation verbessern wird.
Natürlich ist diese Technologie noch weit von großtechnischen kommerziellen Anwendungen entfernt. Die Forscher wiesen darauf hin, dass verbleibende Defekte in der Nanostruktur die räumliche Auflösung möglicherweise noch beeinträchtigen. Es ist notwendig, den Selbstorganisationsprozess weiter zu optimieren und zu prüfen, ob diese Methode auf andere Arten von Szintillationsmaterialien angewendet werden kann.
Wenn diese Probleme gelöst werden können, könnte der neue photonische Kristallszintillator eine neue Designidee für die nächste Generation von Röntgendetektoren liefern: Anstatt sich einfach auf eine Erhöhung der Materialdicke zu verlassen, um das Signal zu verstärken, könnte der neue photonische Kristallszintillator das erzeugte Licht effektiver abgeben und gleichzeitig die Bildqualität verbessern.
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