Riassunto:
La tecnologia di imaging a raggi X affronta da tempo un problema: come migliorare i segnali delle immagini senza sacrificare i dettagli e la chiarezza. I metodi tradizionali spesso richiedono compromessi tra spessore del rivelatore, intensità del segnale ottico e risoluzione spaziale. Ora, un gruppo di ricerca dell’Università di Chongqing in Cina, del 26th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation e dello Stevens Institute of Technology negli Stati Uniti ha sviluppato un nuovo materiale nanostrutturato che migliora con successo l’efficienza di raccolta della luce dei rilevatori di raggi X mantenendo un’elevata risoluzione dell’immagine.
I risultati sperimentali mostrano che questa nuova tecnologia aumenta l'emissione luminosa media del rilevatore di 4,64 volte e migliora il rapporto segnale-rumore dell'immagine di 13 decibel, mentre la risoluzione spaziale è ancora migliore di 25 micron. Ciò significa che anche quando il numero di fotoni dei raggi X è piccolo e il segnale è debole, ci si aspetta che il rilevatore ottenga un'immagine più chiara.
I raggi X stessi non possono essere registrati direttamente dalle normali apparecchiature fotografiche, quindi i moderni rilevatori di raggi X utilizzano solitamente un materiale chiamato scintillatore per convertire i raggi X ad alta energia in luce visibile. Questi segnali luminosi vengono poi catturati da apparecchiature fotografiche o fotorilevatori per generare infine immagini.
Il GAGG:Ce utilizzato nello studio è un cristallo di scintillazione inorganico ad alta densità in grado di assorbire efficacemente i raggi X e produrre luce visibile. Esiste però un problema con questo tipo di materiali di non facile soluzione: non tutta la luce prodotta fuoriesce dalla superficie del cristallo.
A causa della grande differenza di indice di rifrazione tra il materiale di scintillazione e l'ambiente circostante, parte della luce subirà una riflessione totale quando si propaga verso la superficie e viene confinata all'interno del materiale. La ricerca sottolinea che fino a circa il 90% dei fotoni può essere intrappolato nella modalità guida di luce interna e non può raggiungere efficacemente le apparecchiature di rilevamento esterne. Ciò non solo riduce l'efficienza di raccolta della luce del rilevatore, ma influisce anche sulla qualità dell'immagine in condizioni di segnale debole.
Una soluzione intuitiva è aumentare lo spessore dello scintillatore in modo che assorba più raggi X e produca più luce visibile. Tuttavia, uno spessore maggiore significa anche che la luce ha più spazio di diffusione laterale prima di raggiungere il rilevatore, il che può facilmente causare dettagli sfocati dell’immagine. Al contrario, gli scintillatori più sottili possono produrre segnali ottici più deboli, sebbene siano utili nel preservare le strutture fini.
Piuttosto che aumentare lo spessore del materiale, il gruppo di ricerca ha cercato di cambiare il modo in cui la luce fuoriesce dall'interno dello scintillatore. Hanno costruito uno strato di struttura cristallina fotonica sulla superficie del cristallo GAGG:Ce, che aiuta a rilasciare la luce originariamente intrappolata all’interno del materiale attraverso una disposizione periodica su scala nanometrica.
Il cristallo fotonico è un materiale con una microstruttura periodica regolare che può modificare il modo in cui la luce si propaga al suo interno. I ricercatori hanno utilizzato l’effetto di diffrazione di Bragg per fornire ulteriore slancio alla luce intrappolata, permettendole di superare i limiti di propagazione originali ed entrare nello spazio libero, dove alla fine è stata ricevuta da un rilevatore esterno. Poiché questo metodo migliora l’efficienza di estrazione della luce anziché ottenere più segnali aumentando lo spessore del cristallo, può evitare alcune delle contraddizioni tra miglioramento del segnale e chiarezza dell’immagine nelle soluzioni tradizionali.
Tuttavia, anche come fabbricare tali nanostrutture su una vasta area è di per sé una sfida. Sebbene la tecnologia fotolitografica tradizionale possa controllare con precisione le strutture, richiede attrezzature costose e processi complessi e non è facile elaborare la superficie dei fragili cristalli di scintillazione. Sebbene i semplici metodi di autoassemblaggio siano adatti per coprire grandi aree, sono soggetti a problemi quali particelle mancanti, disposizioni irregolari e crepe strutturali, che alla fine possono produrre artefatti dell'immagine.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato un processo di autoassemblaggio guidato dalla tensione superficiale, utilizzando il cosiddetto effetto Marangoni per controllare il flusso del liquido.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato una combinazione di etanolo e acqua per creare un flusso attraverso la differenza di tensione superficiale tra i due liquidi, guidando così le nanosfere di polistirene ad allinearsi. Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato tensioattivi per aumentare la densità della disposizione delle particelle e hanno trasferito la struttura assemblata su un wafer di cristallo di scintillazione GAGG di 25 mm di diametro attraverso un processo di drenaggio che evita interferenze di vibrazione.
Il cristallo fotonico finale è composto da uno strato continuo di nanosfere di polistirene, con le particelle disposte in una disposizione esagonale compatta. Questa struttura può migliorare efficacemente l'efficienza di estrazione della luce dalla superficie del cristallo.
La ricerca è stata condotta dal professore associato Peng Feng dell'Università di Chongqing e il team che ha collaborato comprendeva anche il dottor Ding Yuchong del 26th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation e Liu Kaifeng, uno studente di dottorato presso lo Stevens Institute of Technology. Articoli pertinenti sono stati pubblicati sulla rivista Opto-Electronic Advances.
Questa tecnologia potrebbe essere utilizzata in molti campi in futuro. In termini di imaging medico, se il rilevatore riesce a ottenere un segnale sufficientemente forte con un'esposizione ai raggi X inferiore, esiste l'opportunità di ridurre la dose di radiazioni ricevuta dal paziente mantenendo la qualità dell'immagine. Per le apparecchiature di ispezione di sicurezza, può aiutare il sistema a identificare caratteristiche più sottili dell'oggetto; nel campo dei controlli industriali non distruttivi, si prevede inoltre di migliorare la capacità di rilevare difetti interni e minuscole strutture nei materiali.
Ciò che è particolarmente degno di nota è che questa tecnologia affronta i problemi di imaging in condizioni di basso numero di fotoni. In un ambiente con una dose di radiazioni limitata o un segnale di raggi X debole, è spesso difficile per i rilevatori distinguere il segnale target reale dal rumore di fondo. Si prevede che il significativo miglioramento dell’efficienza di raccolta della luce migliorerà questa situazione.
Naturalmente, questa tecnologia è ancora lontana dalle applicazioni commerciali su larga scala. I ricercatori hanno sottolineato che i difetti residui nella nanostruttura possono ancora influenzare la risoluzione spaziale. È necessario ottimizzare ulteriormente il processo di autoassemblaggio e verificare se questo metodo può essere applicato ad altri tipi di materiali di scintillazione.
Se questi problemi possono essere risolti, il nuovo scintillatore a cristalli fotonici potrebbe fornire una nuova idea di design per la prossima generazione di rilevatori di raggi X: invece di fare affidamento semplicemente sull'aumento dello spessore del materiale per migliorare il segnale, il nuovo scintillatore a cristalli fotonici potrebbe rilasciare la luce che è stata generata in modo più efficace migliorando al tempo stesso la qualità dell'immagine.
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