更灵敏的x射线成像

尽管将闪烁体集成到现有的x光机中需要更多的时间和精力，但研究小组认为，这种方法可能会改善医疗诊断x光或CT扫描，以减少剂量暴露并提高图像质量。在其他应用中，例如用于质量控制的制造部件的x射线检测，新型闪烁体可以实现更高精度或更快的检测速度。

该研究结果发表在期刊上科学在麻省理工学院博士生查尔斯·罗克斯-卡梅斯和尼古拉斯·里维拉的一篇论文中;麻省理工学院教授Marin Soljacic, Steven Johnson和John Joannopoulos;还有其他10个。

虽然闪烁体已经使用了大约70年，但该领域的大部分研究都集中在开发能产生更亮或更快发光的新材料上。相反，新方法将纳米技术的进步应用于现有材料。通过在闪烁体材料中创建与所发射光的波长相当的长度尺度的模式，该团队发现有可能极大地改变材料的光学特性。

为了制造他们创造的“纳米光子闪烁体”，罗克斯-卡梅斯说，“你可以直接在闪烁体内部制造图案，或者你可以粘在另一种材料上，在纳米尺度上有洞。”具体细节取决于具体的结构和材料。”在这项研究中，研究小组使用了一个闪烁器，并在大约一个光学波长(约500纳米，十亿分之一米)的距离上制造了一些孔。

里维拉说:“我们所做的事情的关键是我们已经开发了一个通用理论和框架。”这使得研究人员可以计算出任何纳米光子结构的任意配置所产生的闪烁水平。闪烁过程本身包括一系列步骤，这使得解开它变得复杂。罗克斯-卡梅斯说，该团队开发的框架涉及集成三种不同类型的物理。使用这个系统，他们发现他们的预测和随后的实验结果之间有很好的匹配。

实验表明，经过处理的闪烁体的发射性能提高了10倍。“因此，这可能会转化为医学成像的应用，这是光学光子匮乏的，这意味着x射线转换为光学光限制了图像质量。在医学成像中，你不希望给你的病人照射太多的x射线，尤其是常规筛查，尤其是年轻病人，”罗克斯-卡梅斯说。

“我们相信这将开启纳米光子学研究的新领域，”他补充道。“你可以利用纳米光子学领域现有的大量工作和研究，来显著改进现有的闪烁材料。”

麻省总医院神经放射学主任、哈佛医学院副教授拉吉夫·古普塔(Rajiv Gupta)说:“这篇论文中提出的研究非常重要。”他没有参与这项工作。他说:“在价值1000亿美元的(医疗x射线)行业中，几乎所有的探测器都是间接探测器。”这是新发现适用的探测器类型。“我今天在临床实践中使用的一切都是基于这一原则。本文将这一过程的效率提高了10倍。如果这种说法是部分正确的，假设改进是两倍，而不是10倍，这将是该领域的变革!”

Soljacic说，虽然他们的实验证明，通过进一步微调纳米级图案的设计，可以在特定的系统中实现十倍的排放改善，“我们还表明，在某些闪烁系统中，你可以得到高达100倍的(改善)，我们相信我们也有一条路可以让它变得更好，”他说。

Soljacic指出，在纳米光子学的其他领域，即研究光如何与纳米尺度结构的材料相互作用的领域，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。

索尔贾西克说，纳米光子学技术“给了你裁剪和增强光的行为的终极力量。”“但到目前为止，这种承诺，这种用闪烁来做到这一点的能力是无法实现的，因为建模闪烁是非常具有挑战性的。现在，这项工作首次为纳米光子学技术的应用打开了闪烁的领域，完全打开了它。”更普遍的是，该团队认为纳米光子和闪烁体的结合可能最终实现更高的分辨率，减少x射线剂量和能量分辨x射线成像。

这项工作是“非常原创和优秀的”，Eli Yablonovitch说，他是加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学教授，他没有参与这项研究。“新的闪烁体概念在医学成像和基础研究中非常重要。”

Yablonovitch补充说，虽然这个概念仍然需要在实际设备中得到证明，但他说，“在光通信和其他领域对光子晶体进行了多年的研究之后，光子晶体应该应用于闪烁体已经姗姗姗迟了，闪烁体具有非常重要的实际意义，但在这项工作之前一直被忽视”。

研究团队包括麻省理工学院的Ali Ghorashi、Steven Kooi、Yi Yang、Zin Lin、Justin Beroz、Aviram Massuda、Jamison Sloan和Nicolas Romeo;Raith America, Inc.的Yang Yu;以及以色列理工学院的伊多·卡米纳。这项工作得到了美国陆军研究办公室和美国陆军研究实验室通过士兵纳米技术研究所、空军科学研究办公室和Mathworks工程奖学金的部分支持。