Исследователи создали способ повысить эффективность рентгеновской визуализации без потери чёткости изображения. В основе разработки лежит наноструктурированная поверхность сцинтиллятора — материала, преобразующего рентгеновское излучение в видимый свет. Испытания показали, что средняя световая отдача выросла в 4,64 раза, а отношение сигнала к шуму увеличилось на 13 децибел.
Новая система сохранила пространственное разрешение лучше 25 мкм, то есть примерно 0,001 дюйма. Такой результат может быть полезен при медицинских исследованиях с пониженной дозой излучения, досмотре багажа и промышленном контроле деталей. Работу выполнили специалисты Университета Чунцина, 26-го института Китайской корпорации электронной техники и Технологического института Стивенса.
Рентгеновские детекторы используют сцинтилляторы для преобразования невидимого излучения в оптический сигнал, который затем фиксирует камера или фотодетектор. Плотные неорганические материалы, включая GAGG, хорошо поглощают рентгеновские лучи, однако значительная часть образовавшихся фотонов остаётся внутри. Из-за большой разницы показателей преломления на границе материалов возникает полное внутреннее отражение, и до 90% света может удерживаться в направляемых оптических модах.
Особенно заметно это ограничение при слабом рентгеновском сигнале. Увеличение толщины сцинтиллятора усиливает поглощение излучения, но позволяет свету сильнее распространяться в стороны и снижает резкость изображения. Тонкий слой лучше сохраняет мелкие детали, однако формирует более слабый сигнал, поэтому учёные решили улучшить выход света за счёт поверхности материала.
Для этого команда использовала фотонный кристалл — периодическую наноструктуру, способную менять направление распространения света. Благодаря дифракции Брэгга она добавляет фотонам необходимый импульс и помогает им выйти из сцинтиллятора в свободное пространство. Ранее создание таких структур на больших площадях было затруднено: литография требует дорогого оборудования, а обычная самосборка может приводить к появлению трещин, пропусков и плохо выровненных участков.
Новый метод основан на эффекте Марангони, при котором движение жидкости вызывают различия поверхностного натяжения. Смесь этанола и воды организовала полистирольные наносферы в упорядоченный слой, а поверхностно-активные вещества способствовали их плотной упаковке. Затем бесвибрационный процесс осаждения перенёс структуру на пластину сцинтиллятора GAGG диаметром 25 мм, где сформировался непрерывный монослой наносфер с гексагональной плотной упаковкой. Исследование под руководством доцента Фэн Пэна опубликовано в журнале Opto-Electronic Advances, сообщает SciTechDaily.
Эксперимент подтвердил, что изменение поверхности сцинтиллятора позволяет увеличить выход света и одновременно сохранить мелкие элементы изображения. Технология особенно перспективна для условий, где фотонов мало и слабые сигналы трудно отделить от фонового шума. Перед практическим применением исследователям предстоит уменьшить влияние остаточных дефектов на разрешение и проверить совместимость метода с другими сцинтилляционными материалами.