الملخص:
لطالما واجهت تكنولوجيا التصوير بالأشعة السينية مشكلة: كيفية تحسين إشارات الصورة دون التضحية بالتفاصيل والوضوح. غالبًا ما تتطلب الطرق التقليدية مفاضلات بين سمك الكاشف وكثافة الإشارة الضوئية والدقة المكانية. الآن، قام فريق بحث من جامعة تشونغتشينغ في الصين، ومعهد الأبحاث السادس والعشرون التابع لشركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية، ومعهد ستيفنز للتكنولوجيا في الولايات المتحدة بتطوير مادة جديدة ذات بنية نانوية تعمل بنجاح على تحسين كفاءة جمع الضوء لكاشفات الأشعة السينية مع الحفاظ على دقة الصورة العالية.
تظهر النتائج التجريبية أن هذه التقنية الجديدة تزيد من متوسط إخراج الضوء للكاشف بمقدار 4.64 مرة وتحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التصوير بمقدار 13 ديسيبل، بينما لا تزال الدقة المكانية أفضل من 25 ميكرون. وهذا يعني أنه حتى عندما يكون عدد فوتونات الأشعة السينية صغيرًا وتكون الإشارة ضعيفة، فمن المتوقع أن يحصل الكاشف على صورة أكثر وضوحًا.
لا يمكن تسجيل الأشعة السينية نفسها مباشرة بواسطة معدات الكاميرا العادية، لذلك تستخدم كاشفات الأشعة السينية الحديثة عادة مادة تسمى الوامض لتحويل الأشعة السينية عالية الطاقة إلى ضوء مرئي. يتم بعد ذلك التقاط هذه الإشارات الضوئية بواسطة معدات الكاميرا أو أجهزة الكشف الضوئي لإنشاء الصور في النهاية.
إن GAGG:Ce المستخدم في الدراسة عبارة عن بلورة وامضة غير عضوية عالية الكثافة يمكنها امتصاص الأشعة السينية بشكل فعال وإنتاج الضوء المرئي. ومع ذلك، هناك مشكلة في هذا النوع من المواد ليس من السهل حلها: لا يهرب كل الضوء الناتج من السطح البلوري.
نظرًا للاختلاف الكبير في معامل الانكسار بين مادة التلألؤ والبيئة المحيطة، فإن جزءًا من الضوء سيخضع للانعكاس الكلي عندما ينتشر إلى السطح ويكون محصورًا داخل المادة. تشير الأبحاث إلى أن ما يصل إلى حوالي 90% من الفوتونات قد تكون محاصرة في وضع دليل الضوء الداخلي ولا يمكنها الوصول بشكل فعال إلى معدات الكشف الخارجية. وهذا لا يقلل من كفاءة جمع الضوء للكاشف فحسب، بل يؤثر أيضًا على جودة التصوير في ظل ظروف الإشارة الضعيفة.
الحل البديهي هو زيادة سماكة جهاز الوميض بحيث يمتص المزيد من الأشعة السينية وينتج ضوءًا مرئيًا أكثر. ومع ذلك، فإن زيادة السُمك تعني أيضًا أن الضوء لديه مساحة انتشار جانبية أكبر قبل الوصول إلى الكاشف، مما قد يؤدي بسهولة إلى عدم وضوح تفاصيل الصورة. في المقابل، قد تنتج أجهزة الوامضة الرقيقة إشارات بصرية أضعف، على الرغم من أنها مفيدة في الحفاظ على الهياكل الدقيقة.
بدلاً من زيادة سماكة المادة، حاول فريق البحث تغيير طريقة هروب الضوء من داخل جهاز الوميض. لقد قاموا ببناء طبقة من البنية البلورية الضوئية على سطح بلورة GAGG:Ce، والتي تساعد على إطلاق الضوء المحتجز أصلاً داخل المادة من خلال الترتيب الدوري على مقياس النانو.
البلورة الضوئية عبارة عن مادة ذات بنية مجهرية دورية منتظمة يمكنها تغيير طريقة انتشار الضوء فيها. استخدم الباحثون تأثير حيود براغ لتوفير زخم إضافي للضوء المحصور، مما يسمح له باختراق قيود الانتشار الأصلية والدخول إلى الفضاء الحر، حيث تم استقباله في النهاية بواسطة كاشف خارجي. وبما أن هذه الطريقة تعمل على تحسين كفاءة استخلاص الضوء بدلاً من الحصول على المزيد من الإشارات عن طريق زيادة سمك البلورة، فيمكن تجنب بعض التناقضات بين تحسين الإشارة ووضوح الصورة في الحلول التقليدية.
ومع ذلك، فإن كيفية تصنيع مثل هذه الهياكل النانوية على مساحة كبيرة يمثل أيضًا تحديًا في حد ذاته. على الرغم من أن تكنولوجيا الطباعة الضوئية التقليدية يمكنها التحكم بدقة في الهياكل، إلا أنها تتطلب معدات باهظة الثمن وعمليات معقدة، وليس من السهل معالجة سطح بلورات التلألؤ الهشة. على الرغم من أن طرق التجميع الذاتي البسيطة مناسبة لتغطية مساحات كبيرة، إلا أنها عرضة لمشاكل مثل الجسيمات المفقودة، والترتيبات غير المنتظمة، والشقوق الهيكلية، والتي قد تؤدي في النهاية إلى إنتاج صور فنية.
لحل هذه المشكلة، استخدم الباحثون عملية التجميع الذاتي المدفوعة بالتوتر السطحي، وذلك باستخدام ما يسمى بتأثير مارانجوني للتحكم في تدفق السائل.
استخدم فريق البحث مزيجًا من الإيثانول والماء لخلق تدفق من خلال الفرق في التوتر السطحي بين السائلين، وبالتالي توجيه الكرات النانوية المصنوعة من البوليسترين لمحاذاة نفسها. بعد ذلك، استخدم الباحثون المواد الخافضة للتوتر السطحي لزيادة كثافة ترتيب الجسيمات، ونقلوا الهيكل المجمع إلى رقاقة بلورية متلألئة GAGG بقطر 25 مم من خلال عملية تصريف تتجنب تداخل الاهتزاز.
تتكون البلورة الضوئية النهائية من طبقة متواصلة من كرات نانوية من البوليسترين، مع ترتيب الجزيئات في ترتيب سداسي متقارب. يمكن لهذا الهيكل أن يحسن بشكل فعال كفاءة استخلاص الضوء للسطح البلوري.
ترأس البحث البروفيسور المشارك بينج فنغ من جامعة تشونغتشينغ، وضم الفريق التعاوني أيضًا الدكتور دينغ يوتشونغ من معهد الأبحاث السادس والعشرين التابع لشركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية، وليو كايفنغ، طالب الدكتوراه في معهد ستيفنز للتكنولوجيا. وقد تم نشر الأوراق ذات الصلة في مجلة Opto-Electronic Advances.
يمكن استخدام هذه التقنية في العديد من المجالات في المستقبل. فيما يتعلق بالتصوير الطبي، إذا تمكن الكاشف من الحصول على إشارة قوية بما فيه الكفاية عند تعرض أقل للأشعة السينية، فهناك فرصة لتقليل جرعة الإشعاع التي يتلقاها المريض مع الحفاظ على جودة الصورة. بالنسبة لمعدات الفحص الأمني، قد يساعد النظام في تحديد ميزات أكثر دقة للكائن؛ وفي مجال الاختبارات الصناعية غير المدمرة، من المتوقع أيضًا تحسين القدرة على اكتشاف العيوب الداخلية والهياكل الصغيرة في المواد.
الأمر الجدير بالملاحظة بشكل خاص هو أن هذه التقنية تستهدف مشاكل التصوير في ظل ظروف انخفاض عدد الفوتون. في بيئة ذات جرعة إشعاعية محدودة أو إشارة أشعة سينية ضعيفة، غالبًا ما يكون من الصعب على أجهزة الكشف التمييز بين إشارة الهدف الحقيقية وضوضاء الخلفية. ومن المتوقع أن يؤدي التحسن الكبير في كفاءة جمع الضوء إلى تحسين هذا الوضع.
وبطبيعة الحال، لا تزال هذه التكنولوجيا بعيدة بعض الشيء عن التطبيقات التجارية واسعة النطاق. وأشار الباحثون إلى أن العيوب المتبقية في البنية النانوية ربما لا تزال تؤثر على الدقة المكانية. ومن الضروري مواصلة تحسين عملية التجميع الذاتي والتحقق من إمكانية تطبيق هذه الطريقة على أنواع أخرى من مواد التلألؤ.
إذا كان من الممكن حل هذه المشكلات، فقد يوفر وميض البلورات الضوئية الجديد فكرة تصميم جديدة للجيل القادم من كاشفات الأشعة السينية: فبدلاً من الاعتماد ببساطة على زيادة سماكة المادة لتعزيز الإشارة، قد يطلق وميض البلورات الضوئية الجديد الضوء الذي تم توليده بشكل أكثر فعالية مع تحسين جودة التصوير.
التعليقات