Résumé :
La technologie d'imagerie à rayons X est depuis longtemps confrontée à un problème : comment améliorer les signaux d'image sans sacrifier les détails et la clarté. Les méthodes traditionnelles nécessitent souvent des compromis entre l’épaisseur du détecteur, l’intensité du signal optique et la résolution spatiale. Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'Université de Chongqing en Chine, du 26e institut de recherche de China Electronics Technology Group Corporation et du Stevens Institute of Technology aux États-Unis a développé un nouveau matériau nanostructuré qui améliore avec succès l'efficacité de la collecte de lumière des détecteurs de rayons X tout en conservant une haute résolution d'image.
Les résultats expérimentaux montrent que cette nouvelle technologie augmente le rendement lumineux moyen du détecteur de 4,64 fois et améliore le rapport signal/bruit de l'imagerie de 13 décibels, tandis que la résolution spatiale est toujours meilleure que 25 microns. Cela signifie que même lorsque le nombre de photons de rayons X est faible et que le signal est faible, le détecteur devrait obtenir une image plus claire.
Les rayons X eux-mêmes ne peuvent pas être directement enregistrés par un équipement photographique ordinaire, c'est pourquoi les détecteurs de rayons X modernes utilisent généralement un matériau appelé scintillateur pour convertir les rayons X à haute énergie en lumière visible. Ces signaux lumineux sont ensuite capturés par un équipement photographique ou des photodétecteurs pour finalement générer des images.
Le GAGG:Ce utilisé dans l'étude est un cristal de scintillation inorganique de haute densité capable d'absorber efficacement les rayons X et de produire de la lumière visible. Il existe cependant un problème avec ce type de matériau qui n’est pas facile à résoudre : toute la lumière produite ne s’échappe pas de la surface du cristal.
En raison de la grande différence d'indice de réfraction entre le matériau de scintillation et l'environnement, une partie de la lumière subira une réflexion totale lorsqu'elle se propagera à la surface et sera confinée à l'intérieur du matériau. Les recherches soulignent que jusqu'à environ 90 % des photons peuvent être piégés dans le mode guide de lumière interne et ne peuvent pas atteindre efficacement les équipements de détection externes. Cela réduit non seulement l'efficacité de la collecte de lumière du détecteur, mais affecte également la qualité de l'imagerie dans des conditions de signal faible.
Une solution intuitive consiste à augmenter l'épaisseur du scintillateur afin qu'il absorbe plus de rayons X et produise plus de lumière visible. Cependant, une épaisseur accrue signifie également que la lumière dispose d’un plus grand espace de diffusion latérale avant d’atteindre le détecteur, ce qui peut facilement provoquer des détails flous dans l’image. En revanche, des scintillateurs plus fins peuvent produire des signaux optiques plus faibles, bien qu’ils soient bénéfiques pour la préservation des structures fines.
Plutôt que d'augmenter l'épaisseur du matériau, l'équipe de recherche a tenté de modifier la façon dont la lumière s'échappe de l'intérieur du scintillateur. Ils ont construit une couche de structure cristalline photonique à la surface du cristal GAGG:Ce, qui aide à libérer la lumière initialement piégée à l'intérieur du matériau grâce à un arrangement périodique à l'échelle nanométrique.
Le cristal photonique est un matériau doté d'une microstructure périodique régulière qui peut modifier la façon dont la lumière s'y propage. Les chercheurs ont utilisé l'effet de diffraction de Bragg pour donner une impulsion supplémentaire à la lumière piégée, lui permettant ainsi de dépasser les limitations de propagation d'origine et d'entrer dans l'espace libre, où elle a finalement été reçue par un détecteur externe. Étant donné que cette méthode améliore l’efficacité de l’extraction de la lumière plutôt que d’obtenir davantage de signaux en augmentant l’épaisseur du cristal, elle peut éviter certaines contradictions entre l’amélioration du signal et la clarté de l’image dans les solutions traditionnelles.
Cependant, comment fabriquer de telles nanostructures sur une grande surface constitue également un défi en soi. Bien que la technologie de photolithographie traditionnelle puisse contrôler avec précision les structures, elle nécessite des équipements coûteux et des processus complexes, et il n'est pas facile de traiter la surface de cristaux de scintillation fragiles. Bien que les méthodes simples d’auto-assemblage conviennent pour couvrir de grandes surfaces, elles sont sujettes à des problèmes tels que des particules manquantes, des arrangements irréguliers et des fissures structurelles, qui peuvent finalement produire des artefacts d’image.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé un processus d'auto-assemblage piloté par la tension superficielle, utilisant ce qu'on appelle l'effet Marangoni pour contrôler le débit de liquide.
L'équipe de recherche a utilisé une combinaison d'éthanol et d'eau pour créer un écoulement à travers la différence de tension superficielle entre les deux liquides, guidant ainsi les nanosphères de polystyrène pour qu'elles s'alignent. Par la suite, les chercheurs ont utilisé des tensioactifs pour augmenter la densité de l’agencement des particules et ont transféré la structure assemblée sur une plaquette de cristal à scintillation GAGG de 25 mm de diamètre via un processus de drainage qui évite les interférences vibratoires.
Le cristal photonique final est composé d'une couche continue de nanosphères de polystyrène, les particules étant disposées selon un agencement hexagonal serré. Cette structure peut améliorer efficacement l'efficacité d'extraction de la lumière de la surface du cristal.
La recherche a été dirigée par le professeur agrégé Peng Feng de l'Université de Chongqing, et l'équipe collaborative comprenait également le Dr Ding Yuchong du 26e institut de recherche du China Electronics Technology Group Corporation, et Liu Kaifeng, doctorant au Stevens Institute of Technology. Des articles pertinents ont été publiés dans la revue Opto-Electronic Advances.
Cette technologie pourrait être utilisée dans de nombreux domaines à l'avenir. En termes d'imagerie médicale, si le détecteur peut obtenir un signal suffisamment fort avec une exposition aux rayons X plus faible, il est possible de réduire la dose de rayonnement reçue par le patient tout en conservant la qualité de l'image. Pour les équipements d'inspection de sécurité, cela peut aider le système à identifier des caractéristiques d'objet plus subtiles ; dans le domaine des contrôles non destructifs industriels, il devrait également améliorer la capacité de détection des défauts internes et des minuscules structures des matériaux.
Ce qui est particulièrement remarquable, c'est que cette technologie cible les problèmes d'imagerie dans des conditions de faible nombre de photons. Dans un environnement avec une dose de rayonnement limitée ou un signal de rayons X faible, il est souvent difficile pour les détecteurs de distinguer le signal cible réel du bruit de fond. L’amélioration significative de l’efficacité de la collecte de la lumière devrait améliorer cette situation.
Bien sûr, cette technologie est encore loin des applications commerciales à grande échelle. Les chercheurs ont souligné que des défauts résiduels dans la nanostructure peuvent encore affecter la résolution spatiale. Il est nécessaire d'optimiser davantage le processus d'auto-assemblage et de vérifier si cette méthode peut être appliquée à d'autres types de matériaux scintillants.
Si ces problèmes peuvent être résolus, le nouveau scintillateur à cristaux photoniques pourrait fournir une nouvelle idée de conception pour la prochaine génération de détecteurs de rayons X : au lieu de simplement compter sur l'augmentation de l'épaisseur du matériau pour améliorer le signal, le nouveau scintillateur à cristaux photoniques pourrait libérer la lumière générée plus efficacement tout en améliorant la qualité de l'imagerie.
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