MIT-纳米光子闪烁体使 X 射线信号增强十倍

麻省理工学院（MIT）的研究人员已经证明，闪烁体是一种在高能粒子或x射线轰击下发光的材料，通过改变它们的表面并创建纳米级结构，如波浪状脊线阵列，其性能至少可以提高10倍，甚至提高100倍。这项工作有可能大大减少产生图像所需的辐射量。相关研究发表在《Science》上。

闪烁体通常用于医疗或牙科 X 射线系统，将入射的 X 射线辐射转换为可见光，然后使用胶片或光电传感器捕获。它们还用于夜视系统和研究环境中，例如粒子探测器或电子显微镜。

虽然以前开发更高效闪烁体的尝试主要集中在寻找产生更亮或更快光发射的新材料上，但研究团队采用的方法原则上可以与任何现有材料一起使用。通过在闪烁体材料中创建与发出的光波长相近尺度的图案，研究人员发现，这有可能显着改变材料的光学特性。

图注，麻省理工学院的研究人员展示了如何通过改变材料的表面，将闪烁体的效率提高至少十倍。 此图像显示透明胶带上的 TEM 网格，右侧显示校正后的场景。 来源：由麻省理工学院提供。

根据博士生Charles Roques Carmes的说法，为了制造他们所说的“纳米光子闪烁体”，人们可以直接在闪烁体内制作图案，或者将图案粘在另一种具有纳米级孔的材料上，具体取决于确切的结构和材料。在这种情况下，研究小组使用闪烁体，制作了间距约为一个光学波长（约500 nm）的孔。

博士生Nicholas Rivera说：“我们正在做的事情的关键是我们已经开发出一个通用的理论和框架。”。这使得研究人员能够计算任何任意配置的纳米光子结构所产生的闪烁水平。闪烁过程本身涉及一系列复杂的步骤，因此很难解开。Roques Carmes说，该团队开发的框架包括整合三种不同类型的物理。使用这个系统，他们发现预测和随后的实验结果能很好地吻合。实验表明，经过处理的闪烁体的发射性能提高了10倍。

这项研究将可能在医学成像领域得到应用，因为医学成像缺乏光学光子，这意味着将x射线转换为光学光会限制图像质量。

Roques-Carmes 说： 他和他的团队相信，这项工作将为纳米光子学开辟一个新的研究领域。你可以利用在纳米光子学领域已经完成的大量现有工作和研究，显著改善现有闪烁材料。

没有参与这项研究的麻省理工学院（MIT）教授Marin Soljacic说，虽然实验表明，发射性能提高了10倍，但对纳米尺度的设计进行微调可能会使这一性能提高100倍。他和他的团队相信，在这一点之外，还有改进的潜力。Soljacic说，在纳米光子学的其他领域，计算模拟的发展已经实现了快速、实质性的改进，例如太阳能电池和LED的发展。他说，该团队为闪烁材料开发的新模型可以促进这项技术的类似飞跃。

Soljacic认为，纳米光子学在很大程度上控制了光的行为。“但直到现在，这种用闪烁来实现这一点是不可能实现的，因为对闪烁进行建模是非常具有挑战性的。现在，这项工作首次打开了闪烁的这个领域，为纳米光子学技术的应用完全打开了大门。”

更一般地说，该团队认为纳米光子晶体和闪烁体的结合可能最终实现更高的分辨率、更低的x射线剂量以及能量分辨率的x射线成像。加利福尼亚大学电气工程与计算机科学教授Eli Yablonovitch也对这项研究发表了评论。Yablonovitch 强调了新闪烁体概念在医学成像和基础研究中的重要性。

Yablonovitch 说：“经过多年在光通信和其他领域对光子晶体的研究，光子晶体应用于闪烁体早就应该了，而闪烁体具有重要的实际意义，但却一直被忽视。”。他指出，这一概念尚未在实际设备中得到验证。

这项工作部分得到了美国陆军研究办公室，士兵纳米技术研究所，美国空军科学研究办公室，以及Mathworks工程奖学金的支持。