De efficiëntie van sommige stralingsdetectoren kan worden verhoogd door nanostructuurarrays toe te voegen aan scintillatormaterialen. Charles Roques-Carmes en collega's van het Massachusetts Institute of Technology hebben aangetoond hoe de wijzigingen de hoeveelheid licht die door de scintillatoren wordt uitgestraald, met een factor tien verhogen wanneer de materialen worden blootgesteld aan röntgenstralen of hoogenergetische elektronen.
Scintillatie treedt op in een reeks materialen - vast, vloeibaar en gas - wanneer ze worden blootgesteld aan ioniserende straling. De straling wordt geabsorbeerd door de atomen of moleculen van een scintillator en een deel van de energie wordt opnieuw uitgezonden als licht. Het licht kan dan worden gedetecteerd, waardoor scintillatoren kunnen worden gebruikt als stralingsdetectoren met toepassingen zoals medische beeldvorming, industriële kwaliteitscontrole en deeltjesfysica-experimenten.
Onderzoekers proberen altijd betere scintillatoren te ontwikkelen die meer licht produceren bij bestraling of een kortere vertraging hebben tussen de absorptie van straling en de emissie van licht. De meeste onderzoeken tot nu toe waren gericht op het ontwikkelen van nieuwe materialen met helderdere, snellere en meer gecontroleerde scintillatie, maar dit kan kostbaar en tijdrovend zijn.
In hun onderzoek koos het team van Roques-Carmes voor een eenvoudiger benadering op basis van nanofotonica. Ze berekenden dat scintillatie in materialen kan worden verbeterd door nanoschaalkenmerken op de oppervlakken van scintillerende materialen op te nemen. De afmetingen van deze kenmerken moeten vergelijkbaar zijn met de golflengten van het licht dat door de scintillatoren wordt uitgezonden.
verenigde theorie
Om dit idee te onderzoeken, ontwikkelden de onderzoekers eerst een uniforme theorie van nanofotonische scintillatoren - die op basis van de eerste principes konden voorspellen hoe ioniserende straling interageert met het nanogestructureerde oppervlak van willekeurig materiaal. Daarna ontwierpen ze een methode om nanofotonische structuren te integreren in bestaande scintillatoren. Dit kan worden gedaan door patronen rechtstreeks op de scintillator te etsen, of door een laag bovenop het materiaal te bevestigen, geëtst met een reeks gaten.
Roques-Carmes en collega's deden vervolgens een reeks experimenten die hun berekeningen bevestigden. Ze etsten regelmatige rasters van cirkelvormige gaten op de oppervlakken van twee verschillende soorten scintillator - een die wordt gebruikt om röntgenstralen te detecteren en de andere om elektronen te detecteren. Deze gaten waren tientallen nanometers diep en hadden een straal van ongeveer 200 nm.
In beide scintillatoren heeft het team een tienvoudige toename van de lichtproductie gemeten in regio's met de nanostructuren. Door verdere verbeteringen hopen ze dat hun algemene benadering kan leiden tot een nieuwe klasse van helderdere, snellere scintillatoren met een hogere resolutie, met een honderdvoudige verbetering ten opzichte van bestaande materialen.
Als dit wordt bereikt, kan dit leiden tot veelbelovende vooruitgang in een breed scala aan toepassingen: waaronder medische röntgenbeelden van hogere kwaliteit die worden geproduceerd met lagere röntgendoses. Dit zou de veiligheid van röntgenbeeldvorming aanzienlijk kunnen verbeteren, met name voor jongere patiënten en patiënten die routinematige screening nodig hebben. Elders zou de techniek kunnen leiden tot hogere resoluties in deeltjesdetectoren en elektronenmicroscopen, evenals tot snellere en hoogwaardigere inspecties van gefabriceerde onderdelen.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.
De post Nanofotonische patronen laten scintillatoren helderder schijnen verscheen eerst op Natuurkunde wereld.
