Resumen:
La tecnología de imágenes por rayos X se ha enfrentado durante mucho tiempo a un problema: cómo mejorar las señales de la imagen sin sacrificar el detalle y la claridad. Los métodos tradicionales a menudo requieren compromisos entre el espesor del detector, la intensidad de la señal óptica y la resolución espacial. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Chongqing en China, el 26º Instituto de Investigación de la Corporación del Grupo de Tecnología Electrónica de China y el Instituto de Tecnología Stevens en los Estados Unidos ha desarrollado un nuevo material nanoestructurado que mejora con éxito la eficiencia de recolección de luz de los detectores de rayos X manteniendo al mismo tiempo una alta resolución de imagen.
Los resultados experimentales muestran que esta nueva tecnología aumenta la salida de luz promedio del detector en 4,64 veces y mejora la relación señal-ruido de las imágenes en 13 decibeles, mientras que la resolución espacial sigue siendo mejor que 25 micrones. Esto significa que incluso cuando el número de fotones de rayos X es pequeño y la señal es débil, se espera que el detector obtenga una imagen más clara.
Los rayos X en sí no pueden registrarse directamente con un equipo de cámara común, por lo que los detectores de rayos X modernos suelen utilizar un material llamado centelleador para convertir los rayos X de alta energía en luz visible. Estas señales de luz luego son capturadas por equipos de cámara o fotodetectores para finalmente generar imágenes.
El GAGG:Ce utilizado en el estudio es un cristal de centelleo inorgánico de alta densidad que puede absorber eficazmente los rayos X y producir luz visible. Sin embargo, hay un problema con este tipo de materiales que no es fácil de solucionar: no toda la luz producida escapa de la superficie del cristal.
Debido a la gran diferencia de índice de refracción entre el material de centelleo y el entorno circundante, parte de la luz sufrirá una reflexión total cuando se propague a la superficie y quede confinada dentro del material. Las investigaciones señalan que hasta aproximadamente el 90% de los fotones pueden quedar atrapados en el modo de guía de luz interna y no pueden alcanzar eficazmente los equipos de detección externos. Esto no sólo reduce la eficiencia de captación de luz del detector, sino que también afecta la calidad de la imagen en condiciones de señal débil.
Una solución intuitiva es aumentar el grosor del centelleador para que absorba más rayos X y produzca más luz visible. Sin embargo, un mayor espesor también significa que la luz tiene más espacio de difusión lateral antes de llegar al detector, lo que fácilmente puede provocar que los detalles de la imagen sean borrosos. Por el contrario, los centelleadores más delgados pueden producir señales ópticas más débiles, aunque son beneficiosos para preservar estructuras finas.
En lugar de aumentar el grosor del material, el equipo de investigación intentó cambiar la forma en que la luz escapa del interior del centelleador. Construyeron una capa de estructura de cristal fotónico en la superficie del cristal GAGG:Ce, que ayuda a liberar la luz originalmente atrapada dentro del material mediante una disposición periódica a nanoescala.
El cristal fotónico es un material con una microestructura periódica regular que puede cambiar la forma en que se propaga la luz en él. Los investigadores utilizaron el efecto de difracción de Bragg para proporcionar un impulso adicional a la luz atrapada, permitiéndole romper las limitaciones de propagación originales y entrar en el espacio libre, donde finalmente fue recibida por un detector externo. Dado que este método mejora la eficiencia de extracción de luz en lugar de obtener más señales aumentando el grosor del cristal, puede evitar algunas de las contradicciones entre la mejora de la señal y la claridad de la imagen en las soluciones tradicionales.
Sin embargo, cómo fabricar tales nanoestructuras en un área grande también es un desafío en sí mismo. Aunque la tecnología de fotolitografía tradicional puede controlar estructuras con precisión, requiere equipos costosos y procesos complejos, y no es fácil procesar la superficie de cristales de centelleo frágiles. Aunque los métodos simples de autoensamblaje son adecuados para cubrir áreas grandes, son propensos a problemas tales como partículas faltantes, disposiciones irregulares y grietas estructurales, que en última instancia pueden producir artefactos en la imagen.
Para resolver este problema, los investigadores utilizaron un proceso de autoensamblaje impulsado por la tensión superficial, utilizando el llamado efecto Marangoni para controlar el flujo de líquido.
El equipo de investigación utilizó una combinación de etanol y agua para crear un flujo a través de la diferencia de tensión superficial entre los dos líquidos, guiando así las nanoesferas de poliestireno para que se alinearan. Posteriormente, los investigadores utilizaron tensioactivos para aumentar la densidad de la disposición de las partículas y transfirieron la estructura ensamblada a una oblea de cristal de centelleo GAGG de 25 mm de diámetro mediante un proceso de drenaje que evita la interferencia de vibraciones.
El cristal fotónico final está compuesto por una capa continua de nanoesferas de poliestireno, con las partículas dispuestas en una disposición hexagonal compacta. Esta estructura puede mejorar eficazmente la eficiencia de extracción de luz de la superficie del cristal.
La investigación fue dirigida por el profesor asociado Peng Feng de la Universidad de Chongqing, y el equipo colaborativo también incluyó al Dr. Ding Yuchong del 26º Instituto de Investigación de China Electronics Technology Group Corporation, y a Liu Kaifeng, estudiante de doctorado del Instituto de Tecnología Stevens. Se han publicado artículos relevantes en la revista Opto-Electronic Advances.
Esta tecnología puede utilizarse en muchos campos en el futuro. En términos de imágenes médicas, si el detector puede obtener una señal lo suficientemente fuerte con una menor exposición a los rayos X, existe la oportunidad de reducir la dosis de radiación recibida por el paciente manteniendo la calidad de la imagen. En el caso de los equipos de inspección de seguridad, puede ayudar al sistema a identificar características de objetos más sutiles; En el campo de los ensayos industriales no destructivos, también se espera que mejore la capacidad de detectar defectos internos y estructuras diminutas en los materiales.
Lo que es particularmente digno de mención es que esta tecnología aborda problemas de obtención de imágenes en condiciones de bajo número de fotones. En un entorno con una dosis de radiación limitada o una señal de rayos X débil, a menudo resulta difícil para los detectores distinguir la señal real del objetivo del ruido de fondo. Se espera que la mejora significativa en la eficiencia de la captación de luz mejore esta situación.
Por supuesto, esta tecnología aún está lejos de tener aplicaciones comerciales a gran escala. Los investigadores señalaron que los defectos residuales en la nanoestructura aún pueden afectar la resolución espacial. Es necesario optimizar aún más el proceso de autoensamblaje y verificar si este método se puede aplicar a otros tipos de materiales de centelleo.
Si estos problemas se pueden resolver, el nuevo centelleador de cristal fotónico puede proporcionar una nueva idea de diseño para la próxima generación de detectores de rayos X: en lugar de simplemente depender de aumentar el espesor del material para mejorar la señal, el nuevo centelleador de cristal fotónico puede liberar la luz que se ha generado de manera más efectiva y al mismo tiempo mejorar la calidad de la imagen.
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