Благодаря слою золота удалось совершить прорыв в повышении четкости и обработке рентгеновских изображений
Исследователи под руководством Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) и Польского центра развития технологий PORT Польского центра исследований имени Лукасевича обнаружили, что добавление золотого слоя к сверкающим материалам делает видимый свет, который они излучают, на 120% ярче. Как показали данные исследования, опубликованные в Advanced Materials, в среднем интенсивность излучаемого света составляла около 88 фотонов на килоэлектронвольт. В результате получаемые рентгеновские изображения в целом стали на 38% резче, а способность различать различные части изображений улучшилась на 182%. Благодаря слою золота время, необходимое сцинтилляционным материалам для прекращения излучения света после поглощения рентгеновских лучей, также сократилось в среднем на 1,3 наносекунды, или почти на 38%, что означает, что они были готовы к следующему раунду облучения быстрее. Это предполагает потенциал золота для ускорения обработки рентгеновских снимков.
Видимый свет используется для проверки правильности загрузки образца из перовскитов и золота для экспериментов по проверке люминесценции образца.
Фото: НТУ Сингапура.
Ученые совершили прорыв в значительном повышении четкости рентгеновских изображений и потенциально повышении скорости обработки рентгеновских изображений. Это закладывает основу как для более качественной медицинской визуализации, так и для более быстрого прохождения проверки безопасности.
Ключом к прорыву является слой золота, добавленный в устройства, помогающие визуализировать рентгеновские лучи.
Рентгеновские лучи, используемые при сканировании здоровья и безопасности, невидимы, но их можно визуализировать с помощью детекторов, которые имеют «сверкающие» материалы, что поглощают излучение и «светятся» подобно светящейся в темноте краске. Видимый свет, излучаемый сцинтилляционными материалами, улавливается датчиками для создания изображений на основе рентгеновских лучей. Чем ярче свет, тем четче и детальнее изображение.
Исследователи под руководством Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) и Польского центра развития технологий PORT Польского центра исследований имени Лукасевича обнаружили, что добавление золотого слоя к сверкающим материалам делает видимый свет, который они излучают, на 120% ярче. В среднем интенсивность излучаемого света составляла около 88 фотонов на килоэлектронвольт, как показали данные исследования, опубликованные в Advanced Materials.
В результате получаемые рентгеновские изображения в целом стали на 38% резче, а способность различать различные части изображений улучшилась на 182%.
Благодаря слою золота время, необходимое сцинтилляционным материалам для прекращения излучения света после поглощения рентгеновских лучей, также сократилось в среднем на 1,3 наносекунды, или почти на 38%, что означает, что они были готовы к следующему раунду облучения быстрее. Это предполагает потенциал золота для ускорения обработки рентгеновских снимков.
Пульсирующие электроны
Это увеличение можно объяснить тем, что золото является «плазмонным», то есть электроны в металле реагируют на излучение, двигаясь синхронно по волнообразным шаблонам, сродни ряби, образующейся после падения камешка в воду.
Установка для обнаружения света, используемая в экспериментах, проведенных исследователями из Сингапурского технического университета для определения эффективности образцов из перовскитов и золота.
Фото: НТУ Сингапура.
Эти пульсирующие электроны, также называемые плазмонами, могут взаимодействовать с мерцающими материалами, ускоряя излучение видимого света материалами после того, как они вступят в реакцию с рентгеновскими лучами. Это приводит к тому, что излучаемый свет становится более интенсивным.
Это контрастирует с неплазмонными материалами, электроны которых не взаимодействуют с излучением таким же образом. В результате они не движутся скоординированным волнообразным образом и не ускоряют излучение видимого света мерцающими материалами.
Для исследования в экспериментах использовалось золото толщиной всего 70 нанометров, что примерно в 1000 раз тоньше пряди волос. Использование тонкого слоя золота помогает снизить затраты на материалы и сохранить компактность будущих рентгеновских детекторов.
Исследователи добавили слой плазмонного золота к сцинтилляционному материалу под названием бутиламмоний бромид свинца из семейства соединений «перовскит». Перовскиты известны своей способностью преобразовывать солнечный свет в электричество в солнечных элементах.
Это «наноплазмоническое» исследование было проведено в сотрудничестве между CNRS-International-NTU-Thales Research Alliance, совместной французско-сингапурской исследовательской лабораторией на базе NTU; Институт Люмьера Матьера CNRS, базирующийся в Университете Клода Бернара Лиона 1 во Франции; и Наноцентр Индонезии.
Доцент Наньяна Вонг Лян Цзе, соруководитель исследования Школы электротехники и электронной инженерии Сингапурского технического университета NTU, сказал: «Наши результаты подчеркивают огромный потенциал наноплазмоники в оптимизации сверхбыстрых систем визуализации, где необходимы высокое пространственное разрешение и высокая контрастность, такие как рентгеновская биовизуализация и микроскопия».
Доцент Вонг сказал, что улучшения в обнаружении рентгеновских лучей, продемонстрированные в ходе исследования, также принесут пользу проверке безопасности в аэропортах, поскольку предметы в багаже можно будет легче обнаружить с помощью более четких и качественных рентгеновских изображений, а сумки можно будет проверять более тщательно и быстро.
Доктор Мухаммад Дананг Бировосуто, соруководитель исследования Польского центра развития технологий Lukasiewicz Research Network-PORT и бывший научный сотрудник NTU, сказал: «Объединение этого улучшения с другими технологиями приведет к созданию самых современных функциональных возможностей в области визуализации радиации, например, для улучшения рентгеновского анализа, выполняемого в цвете, или повышения точности «времяпролетной» рентгеновской медицинской визуализации».
Научный сотрудник Сингапурского технического университета Лилиана Тьяджана (слева) загружает образец, сделанный из перовскитов и золота, в детектор видимого света, а доцент Наньяна Вонг Лян Цзе, также из университета, наблюдает за установкой.
Фото: НТУ Сингапура.
Представитель транснациональной корпорации Thales заявил, что «идея объединения физических явлений фотонных структур — структур, которые меняют поведение света — со сцинтилляционными материалами для детекторов рентгеновского излучения представляет собой интересную концепцию повышения эффективности детекторов текущего поколения. "
«Thales продолжает с большим интересом следить за научными достижениями в этой области и приветствует прорыв доцента Вонга в этой области», — добавил представитель.
Золотая возможность
Вдохновение использовать золото в качестве плазмонного материала вместе со сцинтилляционными материалами возникло в результате объединения двух областей исследований, которые ранее не были изучены для детекторов рентгеновского излучения.
Члены исследовательской группы ранее обнаружили, что после того, как некоторые вещества поглощают видимый свет, они также испускают видимый свет, который может стать ярче, если добавить тонкое плазмонное золото в нанометровом масштабе.
В то время другие члены команды, изучающие, как наноструктуры усиливают генерацию рентгеновских лучей, также работали над обнаружением рентгеновских лучей.
Глядя на наноплазмонные открытия, команду осенила идея: поскольку обнаружение рентгеновских лучей в рентгеновских сканерах также зависит от веществ, поглощающих излучение для испускания видимого света, могут ли наноразмерные плазмонные материалы дополнить детекторы в этих сканерах?
Затем ученые решили доказать это экспериментально с золотом.
В состав исследовательской группы Сингапурского технического университета входят (первый ряд слева) аспирант Е Вэньчжэн, доцент Наньяна Вонг Лян Цзе, доктор Франческо Маддалена и (второй ряд) научный сотрудник Лилиана Тьяджана.
Фото: НТУ Сингапура.
Далее исследователи планируют добавить наноразмерные узоры в виде насечек на поверхность золотого слоя, чтобы усилить видимый свет, излучаемый поглощающими рентгеновские лучи сцинтилляционными материалами, поскольку более ранние исследования показали, что крошечные насечки могут улучшить производство видимого света.
Доктор Деннис Шаарт, заведующий отделом медицинской физики и технологий факультета радиационной науки и технологий Делфтского технологического университета Нидерландов, заявил, что полученные результаты «открывают новые возможности для совершенствования детекторов радиационной визуализации на основе сцинтилляторов».
Сцинтилляторы преобразуют рентгеновские или гамма-фотоны в измеримые световые сигналы для таких приложений, как медицинская визуализация при компьютерной томографии (КТ), неразрушающий контроль, например, для обеспечения качества в промышленном производстве, а также проверка безопасности с помощью сканеров багажа в аэропортах.
Доктор Шаарт, который изучает новые технологии медицинской визуализации и радиационной онкологии и не принимал участия в исследовании, сказал, что пределы производительности общеизвестных механизмов сцинтилляции близки к достижению. Но сохраняется постоянный спрос на еще лучшие решения.
«Результаты, представленные в этом последнем исследовании, указывают путь к новому классу сцинтилляционных детекторов, в которых интенсивность и скорость излучения света увеличиваются за счет манипулирования квантово-механическими явлениями», — сказал он.
«В принципе, это открывает очень интересные перспективы для разработчиков сцинтилляторов в разработке оптимальных материалов для широкого спектра применений. Если результаты, представленные в исследовании, можно будет воспроизвести и масштабировать для промышленных сцинтилляторов, это, вероятно, будет способствовать, например, большему количеству точная, более доступная и более доступная медицинская диагностика, а также более быстрое сканирование безопасности».
