Badania nad scyntylatorami od lat są jednym z obszarów działalności Grupy Badawczej Materiałów dla Fotoniki w Łukasiewicz – PORT. Naukowcy rozwijają m.in. materiały perowskitowe, które mogą być tańszą alternatywą dla klasycznych kryształów, a obecnie analizują również potencjał scyntylatorów emitujących światło w bliskiej podczerwieni.
Promieniowania rentgenowskiego i gamma nie można zobaczyć gołym okiem. Aby je wykryć i się przed nim ochronić, potrzebny jest materiał, który przekształca ich energię w światło. Tak działa scyntylator.
– Scyntylator można porównać do diody LED. Kiedy pobudzimy ją prądem zaczyna świecić. Podobnie dzieje się w przypadku scyntylacji – pobudzenie promieniowaniem jonizującym – emisja światła – detekcja – tłumaczy dr Michał Makowski z Grupy Badawczej Materiałów dla Fotoniki.
Scyntylatory znajdują zastosowanie m.in. w tomografii komputerowej i pozytonowej tomografii emisyjnej PET. Są także wykorzystywane w detekcji promieniowania, fizyce wysokich energii, technologiach kosmicznych i systemach bezpieczeństwa. Pozwalają wykrywać promieniowanie jonizujące, które w większych dawkach jest szkodliwe dla ludzi.
Tańsza alternatywa dla klasycznych materiałów
Produkcja wysokiej jakości nieorganicznych scyntylatorów wymaga zwykle kosztownej aparatury i zaawansowanych procesów technologicznych. Przekłada się to na cenę kryształów stosowanych m.in. w urządzeniach diagnostycznych, takich jak skanery PET. Jedna z możliwych alternatyw to perowskity, które można otrzymywać prostszymi metodami, na przykład z roztworu.
– Perowskity dają szansę na znaczne obniżenie kosztów syntezy materiałów scyntylacyjnych – wyjaśnia dr Michał Makowski.
Ich zastosowanie na większą skalę mogłoby w przyszłości zmniejszyć koszty produkcji detektorów, a pośrednio zwiększyć dostępność niektórych badań medycznych. Zanim jednak będzie to możliwe, naukowcy muszą poprawić trwałość, stabilność i powtarzalność działania tych materiałów.
Jak poprawić działanie scyntylatora?
Na co dzień badacze z Łukasiewicz – PORT analizują parametry materiałów scyntylacyjnych, m.in. ilość emitowanego światła i czas odpowiedzi. Modyfikują ich skład i strukturę, a także sprawdzają, jak na emisję wpływa otoczenie materiału, wykorzystując między innymi nanofotonikę. Scyntylator jest łączony z odpowiednio zaprojektowanymi nanostrukturami, które oddziałują z emitowanym przez niego światłem. Przy dobrym dopasowaniu mogą przyspieszyć emisję, zwiększyć intensywność sygnału opuszczającego próbkę lub całkowicie zmienić jakość emitowanego światła. Jednym z analizowanych zjawisk jest efekt Purcella. Polega on na tym, że odpowiednio ukształtowane otoczenie elektromagnetyczne pomaga emiterowi szybciej i wydajniej oddać energię w postaci światła.
To, które cechy scyntylatora są najważniejsze, zależy od jego zastosowania. W jednych urządzeniach liczy się przede wszystkim krótki czas odpowiedzi, w innych wysoka wydajność świetlna, niewielkie rozmiary, odporność na warunki zewnętrzne lub niski koszt. Naukowcy starają się więc tak dobierać właściwości materiału, aby jak najlepiej odpowiadał konkretnemu zastosowaniu.
W stronę podczerwieni
Większość dobrze znanych scyntylatorów emituje światło widzialne. Zespół z Łukasiewicz – PORT bada obecnie możliwość przesunięcia emisji w stronę bliskiej podczerwieni.
W objętościowym materiale światło musi dotrzeć z miejsca, w którym powstało, do fotodetektora. Po drodze może być pochłaniane lub rozpraszane na nanokryształach, porach i granicach między składnikami kompozytu. Zjawiska te są zazwyczaj mniej uciążliwe dla dłuższych fal. Fotony z zakresu bliskiej podczerwieni mogą więc łatwiej przemieszczać się przez grube i niejednorodne materiały.
– Przesuwamy się w stronę podczerwieni, żeby móc wykrywać sygnały o niższym natężeniu. Zależy nam, aby nasze układy pomiarowe były jak najbardziej odporne na różnego rodzaju szumy z otoczenia – mówi dr Michał Makowski.
Ma to szczególne znaczenie przy rejestracji słabych sygnałów. Jeżeli detektor otrzymuje dużo światła, niewielkie zakłócenia nie wpływają znacząco na wynik. Gdy liczba rejestrowanych fotonów jest mała, odróżnienie właściwego sygnału od szumu staje się znacznie trudniejsze.
– Dodatkową zaletą emisji w podczerwieni jest teoretyczna maksymalizacja ilości emitowanego światła – mówi dr Makowski. – Co prawda jest to zależne od większej liczby parametrów niż tylko długość fali emitowanego promieniowania.
Symulacyjna mapa drogowa
W artykule Tuning light-matter interaction of near-infrared nanoplasmonic scintillators, opublikowanym w Scientific Reports, dr Michał Makowski, dr Dominik Kowal i dr Muhammad Danang Birowosuto opisali teoretyczny model oddziaływania podczerwonych scyntylatorów ze strukturami plazmonicznymi.
Za pomocą precyzyjnych symulacji komputerowych i modelowania kwantowo-optycznego zbadali różne rodzaje emiterów i nanostruktur. Określili, jakie materiały, geometrie i parametry mogą prowadzić do przyspieszenia emisji lub silnego oddziaływania światła z materią.
– Dzięki symulacjom możemy wskazać rozwiązania, które warto sprawdzić w laboratorium, bez konieczności wcześniejszego wykonywania wielu kosztownych próbek – wyjaśnia Michał Makowski.
Publikacja stanowi więc mapę drogową dla przyszłych eksperymentów nad podczerwonymi scyntylatorami nanofotonicznymi. Jest jednym z elementów szerszych prac grupy nad tańszymi materiałami scyntylacyjnymi, poprawą ich parametrów oraz skuteczniejszym wykrywaniem słabych sygnałów promieniowania.
