Die Effizienz einiger Strahlungsdetektoren kann durch Hinzufügen von Nanostruktur-Arrays zu Szintillatormaterialien gesteigert werden. Charles Roques-Carmes und Kollegen am Massachusetts Institute of Technology haben gezeigt, wie die Modifikationen die von den Szintillatoren emittierte Lichtmenge um den Faktor zehn erhöhen, wenn die Materialien entweder Röntgenstrahlen oder hochenergetischen Elektronen ausgesetzt werden.
Szintillation tritt in einer Reihe von Materialien – fest, flüssig und gasförmig – auf, wenn sie ionisierender Strahlung ausgesetzt werden. Die Strahlung wird von den Atomen oder Molekülen eines Szintillators absorbiert und ein Teil der Energie wird als Licht wieder emittiert. Das Licht kann dann detektiert werden, wodurch Szintillatoren als Strahlungsdetektoren für Anwendungen wie medizinische Bildgebung, industrielle Qualitätskontrolle und Teilchenphysik-Experimente verwendet werden können.
Forscher versuchen immer, bessere Szintillatoren zu entwickeln, die bei Bestrahlung mehr Licht erzeugen oder eine kürzere Verzögerung zwischen der Absorption von Strahlung und der Emission von Licht haben. Die meisten Studien konzentrierten sich bisher auf die Entwicklung neuer Materialien mit hellerer, schnellerer und kontrollierterer Szintillation – aber das kann kostspielig und zeitaufwändig sein.
In ihrer Studie verfolgte das Team von Roques-Carmes einen einfacheren Ansatz auf der Grundlage der Nanophotonik. Sie berechneten, dass die Szintillation in Materialien verstärkt werden kann, indem nanoskalige Merkmale auf die Oberflächen von szintillierenden Materialien eingebaut werden. Die Größe dieser Merkmale sollte vergleichbar mit den Wellenlängen des Lichts sein, das von den Szintillatoren emittiert wird.
Einheitliche Theorie
Um diese Idee zu untersuchen, entwickelten die Forscher zunächst eine einheitliche Theorie nanophotonischer Szintillatoren – die von Grund auf vorhersagen könnte, wie ionisierende Strahlung mit der nanostrukturierten Oberfläche eines beliebigen Materials interagiert. Anschließend entwarfen sie eine Methode zur Integration nanophotonischer Strukturen in bestehende Szintillatoren. Dies könnte entweder durch direktes Ätzen von Mustern auf den Szintillator oder durch Anbringen einer Schicht auf dem Material erfolgen, die mit einer Reihe von Löchern geätzt ist.
Roques-Carmes und Kollegen führten dann eine Reihe von Experimenten durch, die ihre Berechnungen bestätigten. Sie ätzten regelmäßige Gitter aus kreisförmigen Löchern auf die Oberflächen von zwei verschiedenen Arten von Szintillatoren – einen, der zum Nachweis von Röntgenstrahlen und der andere zum Nachweis von Elektronen verwendet wird. Diese Löcher waren mehrere zehn Nanometer tief und hatten Radien von etwa 200 nm.
Bei beiden Szintillatoren maß das Team einen zehnfachen Anstieg der Lichtproduktion in Regionen, die die Nanostrukturen enthalten. Durch weitere Verbesserungen hoffen sie, dass ihr verallgemeinerter Ansatz zu einer neuen Klasse von helleren, schnelleren und höher auflösenden Szintillatoren führen könnte, mit einer hundertfachen Verbesserung gegenüber bestehenden Materialien.
Wenn dies gelingt, könnte dies zu vielversprechenden Fortschritten in einer Vielzahl von Anwendungen führen: einschließlich qualitativ hochwertigerer medizinischer Röntgenbilder, die mit niedrigeren Röntgenstrahlendosen erzeugt werden. Dies könnte die Sicherheit der Röntgenbildgebung erheblich verbessern, insbesondere für jüngere Patienten und diejenigen, die Routineuntersuchungen benötigen. An anderer Stelle könnte die Technik zu höheren Auflösungen in Teilchendetektoren und Elektronenmikroskopen sowie zu schnelleren und qualitativ hochwertigeren Inspektionen hergestellter Teile führen.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.
Die Post Nanophotonische Muster lassen Szintillatoren heller leuchten erschien zuerst auf Physik-Welt.
