گروه علمی و فناوری برنا/ پژوهشگران با توسعه یک ساختار نانومقیاس جدید روی سطح آشکارساز‌های اشعه ایکس موفق شده‌اند میزان نور قابل ثبت را به‌طور میانگین ۴.۶۴ برابر افزایش دهند بدون آنکه وضوح تصاویر کاهش یابد. این فناوری همچنین نسبت سیگنال به نویز تصاویر را ۱۳ دسی‌بل بهبود داده و می‌تواند زمینه‌ساز تولید تصاویر دقیق‌تر با استفاده از دوز‌های پایین‌تر پرتو ایکس در تصویربرداری پزشکی شود.
یکی از چالش‌های اصلی در افزایش کیفیت تصاویر اشعه ایکس از دست رفتن بخش قابل‌توجهی از نوری است که درون آشکارساز‌ها تولید می‌شود اما هرگز به دوربین یا حسگر تصویربرداری نمی‌رسد. اکنون گروهی از پژوهشگران با طراحی یک سطح نانوساختار توانسته‌اند این مشکل را تا حد زیادی برطرف کنند و میزان نور خروجی از آشکارساز را بدون قربانی کردن جزئیات تصویر افزایش دهند.
این سامانه آزمایشی علاوه بر افزایش ۴.۶۴ برابری میانگین خروجی نور نسبت سیگنال به نویز را نیز ۱۳ دسی‌بل بهبود داده است. نکته مهم دیگر آن است که وضوح مکانی تصویر در این آزمایش همچنان کمتر از ۲۵ میکرومتر (حدود ۰.۰۰۱ اینچ) باقی مانده است، قابلیتی که نشان می‌دهد افزایش نور دریافتی لزوما به کاهش دقت تصویربرداری منجر نمی‌شود.
این فناوری حاصل همکاری دانشمندان دانشگاه چونگ‌کینگ (Chongqing University)، موسسه بیست‌وششم شرکت فناوری الکترونیک چین (CETC) و موسسه فناوری استیونز (Stevens Institute of Technology) است. نتایج این پژوهش در نشریه علمی Opto-Electronic Advances منتشر شده است.
در فناوری تصویربرداری با اشعه ایکس موادی به نام سوسوزن یا سینتیلاتور (Scintillator) نقش مهمی ایفا می‌کنند. این مواد پرتو‌های نامرئی و پرانرژی ایکس را جذب کرده و آنها را به نور مرئی تبدیل می‌کنند؛ نوری که دوربین‌ها یا آشکارساز‌های نوری می‌توانند آن را دریافت و به تصویر تبدیل کنند. به بیان ساده سوسوزن‌ها مانند مترجمانی عمل می‌کنند که انرژی پرتو ایکس را به سیگنال نوری قابل ثبت تبدیل می‌کنند. یکی از مواد مورد استفاده در این فناوری سوسوزن‌های معدنی با چگالی بالا مانند GAGG است که به دلیل توانایی قابل‌توجه در جذب پرتو ایکس و تولید نور کاربرد زیادی در آشکارساز‌های تصویربرداری دارند.
با این حال بخش زیادی از نور تولیدشده در این مواد به سطح خارجی نمی‌رسد. دلیل اصلی این مسئله به تفاوت ضریب شکست نور در ماده سوسوزن و محیط اطراف آن مربوط می‌شود. از آنجا که ضریب شکست این مواد به‌مراتب بیشتر از محیط اطراف است نور هنگام برخورد با سطح در برخی زوایا دچار پدیده‌ای به نام بازتاب کلی داخلی (Total Internal Reflection) می‌شود.
در این وضعیت نور به‌جای خروج از ماده درون آن بازتاب می‌شود و در مسیر‌های نوری هدایت‌شده باقی می‌ماند. بر اساس توضیحات پژوهشگران این پدیده می‌تواند باعث محبوس شدن تا ۹۰ درصد فوتون‌های تولیدشده در حالت‌های نوری هدایت‌شده شود. در نتیجه تنها بخش محدودی از نور به حسگر می‌رسد و اطلاعات کمتری برای تشکیل تصویر در اختیار سامانه تصویربرداری قرار می‌گیرد.
این مشکل به‌ویژه زمانی اهمیت پیدا می‌کند که آشکارساز با سیگنال‌های ضعیف اشعه ایکس کار می‌کند زیرا در چنین شرایطی تعداد فوتون‌های قابل ثبت محدود است و هر میزان اتلاف نور می‌تواند تشخیص جزئیات تصویر را دشوارتر کند.
افزایش ضخامت ماده سوسوزن یکی از راهکار‌های احتمالی برای جذب بیشتر پرتو ایکس و تولید نور بیشتر است اما این روش محدودیت‌هایی دارد. با افزایش ضخامت نور فرصت بیشتری برای انتشار جانبی پیدا می‌کند و در نتیجه جزئیات تصویر پیش از رسیدن به حسگر پخش می‌شوند. این اتفاق وضوح مکانی تصویر را کاهش می‌دهد.
در مقابل، استفاده از لایه‌های نازک‌تر به حفظ جزئیات و افزایش وضوح تصویر کمک می‌کند اما ممکن است سیگنال نوری ضعیف‌تری تولید شود. بنابراین پژوهشگران با یک چالش دوگانه روبه‌رو هستند: چگونه می‌توان نور بیشتری دریافت کرد بدون آنکه وضوح تصویر کاهش یابد؟
پژوهشگران برای حل این مشکل به‌جای افزایش ضخامت ماده سوسوزن، نحوه خروج نور از آن را تغییر دادند. راهکار آنها استفاده از ساختاری به نام بلور فوتونی (Photonic Crystal) است، ساختاری منظم و تکرارشونده در مقیاس نانو که می‌تواند نحوه انتشار نور در یک ماده را کنترل کند.
بلور‌های فوتونی با ایجاد تغییرات دوره‌ای در ساختار محیط بر حرکت و انتشار امواج نوری اثر می‌گذارند. در فناوری جدید این ساختار به نور‌هایی که پیش‌تر درون ماده سوسوزن محبوس شده بودند کمک می‌کند تا از سطح خارج شوند.
این فرایند از طریق پدیده‌ای به نام پراش براگ (Bragg Diffraction) انجام می‌شود. ساختار دوره‌ای بلور فوتونی تکانه لازم را برای تغییر مسیر نور فراهم می‌کند و به فوتون‌های محبوس‌شده امکان می‌دهد از حالت‌های نوری هدایت‌شده خارج شده و به فضای آزاد منتشر شوند.
در نتیجه، میزان نور مرئی که به حسگر تصویربرداری می‌رسد افزایش می‌یابد، بدون آنکه نیازی به ضخیم‌تر کردن ماده سوسوزن باشد. این ویژگی اهمیت زیادی دارد زیرا افزایش خروجی نور از طریق اصلاح سطح، برخلاف افزایش ضخامت لزوما باعث گسترش جانبی نور و کاهش وضوح تصویر نمی‌شود.
با وجود این تولید چنین ساختار‌هایی در ابعاد بزرگ همواره با دشواری‌هایی همراه بوده است. روش‌های متداول لیتوگرافی امکان ایجاد الگو‌های بسیار دقیق را فراهم می‌کنند اما به تجهیزات گران‌قیمت و فرایند‌های ساخت پیچیده نیاز دارند، به‌ویژه زمانی که قرار است این الگو‌ها روی سطوح شکننده مواد سوسوزن ایجاد شوند.
از سوی دیگر روش‌های خودآرایی (Self-Assembly) امکان پوشش‌دهی سطوح بزرگ‌تر را فراهم می‌کنند، اما ممکن است با مشکلاتی مانند ایجاد ترک، جاافتادگی ذرات و نامنظم بودن بخش‌هایی از ساختار بلوری مواجه شوند. این نقص‌ها می‌توانند میزان استخراج نور را کاهش دهند و حتی موجب ایجاد اختلال در تصویر نهایی شوند.
تیم پژوهشی برای عبور از این محدودیت‌ها روش خودآرایی جدیدی را توسعه داده است که بر پدیده اثر مارانگونی (Marangoni Effect) تکیه دارد.
اثر مارانگونی به حرکت سیال در اثر اختلاف کشش سطحی در بخش‌های مختلف آن گفته می‌شود. پژوهشگران با ترکیب اتانول و آب گرادیان‌های کشش سطحی ایجاد کردند تا حرکت مایع به سازمان‌دهی منظم ذرات نانومقیاس کمک کند.
در این فرایند نانوکره‌های پلی‌استایرن (Polystyrene Nanospheres) به‌عنوان اجزای اصلی ساختار فوتونی مورد استفاده قرار گرفتند. اختلاف کشش سطحی میان بخش‌های مختلف محلول باعث حرکت مایع و هدایت این ذرات به سمت آرایش منظم‌تر شد. همچنین از مواد فعال سطحی یا سورفکتانت‌ها (Surfactants) برای فشرده‌تر شدن آرایش ذرات استفاده شد. این مواد به قرارگیری منظم‌تر نانوکره‌ها در کنار یکدیگر کمک کردند و امکان ایجاد ساختاری متراکم‌تر را فراهم آوردند.
در مرحله بعد پژوهشگران با استفاده از فرایند تخلیه مایع بدون لرزش، ساختار خودآرایی‌شده را به یک ویفر سوسوزن GAGG با قطر ۲۵ میلی‌متر معادل حدود ۰.۹۸ اینچ منتقل کردند.
ساختار نهایی شامل یک لایه پیوسته از نانوکره‌ها بود که با آرایش شش‌گوش فشرده (Hexagonal Close-Packed) در کنار یکدیگر قرار گرفته بودند. این آرایش منظم بلور فوتونی مورد نیاز برای کنترل انتشار نور و افزایش خروج آن از سطح سوسوزن را تشکیل داد.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که ساختار نانومقیاس ایجادشده توانسته است میانگین خروجی نور را ۴.۶۴ برابر افزایش دهد. همچنین نسبت سیگنال به نویز تصویر ۱۳ دسی‌بل بهبود پیدا کرد. نسبت سیگنال به نویز یکی از شاخص‌های مهم در ارزیابی کیفیت تصاویر است و نشان می‌دهد سیگنال مفید دریافتی در مقایسه با نویز‌های ناخواسته چه وضعیتی دارد. افزایش این نسبت به تشخیص بهتر جزئیات و تفکیک اطلاعات تصویری از نویز پس‌زمینه کمک می‌کند.
نکته قابل‌توجه در این پژوهش، حفظ وضوح مکانی کمتر از ۲۵ میکرومتر است. به این ترتیب فناوری جدید توانسته است میزان نور قابل دریافت را افزایش دهد، بدون آنکه جزئیات مکانی تصویر به‌طور قابل‌توجهی از بین برود. این دستاورد به‌ویژه در شرایطی اهمیت دارد که تعداد فوتون‌های دریافتی بسیار محدود است. در چنین شرایطی، افزایش نور خروجی از ماده سوسوزن می‌تواند به آشکارسازی سیگنال‌های ضعیف‌تر و بهبود کیفیت تصویر کمک کند.
پژوهشگران معتقدند این روش می‌تواند کاربرد‌های متعددی در فناوری‌های تصویربرداری داشته باشد. یکی از مهم‌ترین حوزه‌های احتمالی استفاده از آن، تصویربرداری پزشکی است، جایی که افزایش حساسیت آشکارساز‌ها می‌تواند به ثبت تصاویر قابل‌قبول با میزان کمتری از تابش پرتو ایکس کمک کند.
در صورت توسعه و تجاری‌سازی این فناوری امکان استفاده از آشکارساز‌هایی با توانایی دریافت نور بیشتر می‌تواند به کاهش دوز تابش مورد نیاز برای برخی تصویربرداری‌های پزشکی کمک کند. البته دستیابی به این هدف به ارزیابی‌های بیشتر و بررسی عملکرد فناوری در سامانه‌های واقعی تصویربرداری نیاز دارد.
بازرسی‌های امنیتی نیز از دیگر حوزه‌های بالقوه کاربرد این فناوری هستند. افزایش حساسیت آشکارساز‌ها می‌تواند به ثبت اطلاعات دقیق‌تر از اجسام و مواد در سامانه‌های بازرسی مبتنی بر اشعه ایکس کمک کند. همچنین در صنایع مختلف که بررسی ساختار داخلی قطعات، شناسایی نقص‌های احتمالی و تشخیص جزئیات کوچک اهمیت دارد این فناوری می‌تواند زمینه‌ساز بهبود عملکرد تجهیزات تصویربرداری صنعتی باشد.
با این حال فناوری جدید هنوز در مرحله توسعه و آزمایش قرار دارد و برای استفاده گسترده در تجهیزات تجاری به پژوهش‌های بیشتری نیاز است. وجود برخی نقص‌های ساختاری باقی‌مانده در لایه نانومقیاس همچنان می‌تواند بر وضوح مکانی تصاویر اثر بگذارد. پژوهشگران قصد دارند با اصلاح فرایند خودآرایی میزان این نقص‌ها را کاهش دهند و امکان استفاده از روش پیشنهادی را در مواد سوسوزن دیگر نیز بررسی کنند.
منبع: ساینس دیلی
انتهای پیام/