Weniger Strahlung: Röntgen-Bildgebung wird deutlich verbessert
Forscher haben eine neue Methode entwickelt, mit der Röntgendetektoren deutlich mehr Licht für die Bildgebung nutzbar machen können, ohne dabei an Bildschärfe einzubüßen. Dadurch könnte man zukünftig mit deutlich weniger Leistung arbeiten.
Röntgendetektoren verwenden sogenannte Szintillatoren, die energiereiche Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandeln. Kameras oder andere lichtempfindliche Sensoren erfassen dieses anschließend und erzeugen daraus ein Bild. Besonders leistungsfähige anorganische Materialien absorbieren die Röntgenstrahlung effektiv und erzeugen entsprechend viele Lichtphotonen.
Ein großer Teil davon erreicht allerdings niemals den eigentlichen Sensor. Aufgrund des hohen Brechungsindex der Szintillatoren wird Licht an bestimmten Grenzflächen vollständig reflektiert und bleibt im Material gefangen. Bis zu 90 Prozent der erzeugten Photonen können auf diese Weise verloren gehen.
Das Problem verschärft sich bei schwacher Röntgenstrahlung. Dickere Szintillatoren absorbieren zwar mehr Strahlung, lassen das Licht aber seitlich streuen und verschlechtern dadurch die Bildschärfe. Dünnere Schichten bewahren Details besser, liefern jedoch weniger Licht.
Die Technik könnte zukünftig bei medizinischen Röntgenaufnahmen, Sicherheitskontrollen und industriellen Prüfverfahren helfen, schwache Signale zuverlässiger sichtbar zu machen. Bis zum praktischen Einsatz sind jedoch weitere Verbesserungen notwendig: Verbleibende Strukturfehler können die Auflösung beeinträchtigen. Zudem wollen die Forscher das Verfahren für andere Szintillatormaterialien nutzbar machen.
Siehe auch:
- Eine neue nanostrukturierte Oberfläche steigert die Lichtausbeute deutlich
- Forscher aus China verbessern damit Röntgenaufnahmen bei geringer Dosis
- Szintillatoren wandeln Röntgenstrahlen normalerweise in sichtbares Licht um
- Bislang gehen bis zu 90 Prozent des Lichts durch interne Reflexion verloren
- Regelmäßige Nanokügelchen leiten das gefangene Licht per Bragg-Beugung aus
- Die Methode eignet sich künftig für Medizin, Kontrollen sowie die Industrie
Scharf bei schwacher Leistung
Eine neue nanostrukturierte Oberfläche steigerte die Lichtausbeute im Experiment um durchschnittlich das 4,64-Fache, berichtete das Magazin SciTechDaily. Gleichzeitig verbesserte sich das Signal-Rausch-Verhältnis um 13 Dezibel, während die räumliche Auflösung unter 25 Mikrometern blieb. Die Technik könnte zukünftig unter anderem medizinische Untersuchungen mit geringerer Strahlenbelastung ermöglichen. Entwickelt wurde das Verfahren von Wissenschaftlern der Chongqing University in China. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Opto-Electronic Advances veröffentlicht.Röntgendetektoren verwenden sogenannte Szintillatoren, die energiereiche Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandeln. Kameras oder andere lichtempfindliche Sensoren erfassen dieses anschließend und erzeugen daraus ein Bild. Besonders leistungsfähige anorganische Materialien absorbieren die Röntgenstrahlung effektiv und erzeugen entsprechend viele Lichtphotonen.
Ein großer Teil davon erreicht allerdings niemals den eigentlichen Sensor. Aufgrund des hohen Brechungsindex der Szintillatoren wird Licht an bestimmten Grenzflächen vollständig reflektiert und bleibt im Material gefangen. Bis zu 90 Prozent der erzeugten Photonen können auf diese Weise verloren gehen.
Das Problem verschärft sich bei schwacher Röntgenstrahlung. Dickere Szintillatoren absorbieren zwar mehr Strahlung, lassen das Licht aber seitlich streuen und verschlechtern dadurch die Bildschärfe. Dünnere Schichten bewahren Details besser, liefern jedoch weniger Licht.
Feinarbeiten nötig
Die Forscher setzten deshalb nicht bei der Dicke des Szintillators an, sondern veränderten dessen Oberfläche. Eine photonische Kristallstruktur aus regelmäßig angeordneten Nanokügelchen ermöglicht es, zuvor gefangenes Licht durch Bragg-Beugung aus dem Material herauszuleiten. Für die Herstellung entwickelten die Wissenschaftler ein Selbstorganisationsverfahren, bei dem Unterschiede in der Oberflächenspannung einer Wasser-Ethanol-Mischung die Anordnung der Polystyrol-Nanokügelchen steuern. Auf diese Weise entstand eine gleichmäßige, hexagonal geordnete Schicht auf einer 25 Millimeter großen GAGG-Platte.Die Technik könnte zukünftig bei medizinischen Röntgenaufnahmen, Sicherheitskontrollen und industriellen Prüfverfahren helfen, schwache Signale zuverlässiger sichtbar zu machen. Bis zum praktischen Einsatz sind jedoch weitere Verbesserungen notwendig: Verbleibende Strukturfehler können die Auflösung beeinträchtigen. Zudem wollen die Forscher das Verfahren für andere Szintillatormaterialien nutzbar machen.
Siehe auch:
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Thema:
Christian KahleRedakteur für Forschung, Energie und Raumfahrt
Begleitet die IT-Branche seit dem Dotcom-Boom, Informatik studierte er in Berlin. Sein Spektrum reicht von Quantencomputern über Solarstrom bis zur Raumfahrt.
