近年來，各國科學家一直致力于研發(fā)柔性X射線平板探測器。然而，研發(fā)路上堵著兩只“攔路虎”：一是難以制備大面積高效的柔性薄膜晶體管陣列，二是傳統(tǒng)微米級閃爍體材料不適合制造柔性器件。換句話說，現(xiàn)有技術很難實現(xiàn)曲面以及不規(guī)則物體的三維成像。
近日，福州大學教授楊黃浩等人發(fā)現(xiàn)了一類高性能X射線發(fā)光納米閃爍體長余輝材料，有望突破國外技術限制，推動高端X射線影像設備的國產(chǎn)化。
X射線影像技術在醫(yī)學診斷、安全檢查、工業(yè)無損探傷上具有廣泛而重要的應用。目前，市面主流的X射線影像設備為平板探測器，需要集成薄膜晶體管陣列(TFT)、非晶硅光電轉換層和閃爍體。
“閃爍體是平板探測器的核心部件，其作用是將高能量X射線光子轉為可見光。但目前，國產(chǎn)平板探測器包括高性能閃爍體材料在內的核心部件絕大部分依靠進口。”福州大學化學學院研究員陳秋水說。
經(jīng)過長期研究，科研人員制備出新型的稀土納米閃爍體長余輝材料，提出了高能量X射線光子誘導缺陷產(chǎn)生長余輝發(fā)光的機理。這種閃爍體具有尺寸易調控、無色透明、分散性良好、余輝性能優(yōu)異等特點。
研究團隊將其與柔性基底相結合，制備出透明、可拉伸、無需電子電路的柔性X射線成像設備。相比傳統(tǒng)平板探測器，其成像空間分辨率具有明顯優(yōu)勢。經(jīng)過長期研究，福大科研人員另辟蹊徑，在稀土鹵化物晶格中尋找靈感，制備出新型的稀土納米閃爍體長余輝材料。這種閃爍體具有尺寸易調控、無色透明、分散性良好、余輝性能優(yōu)異等特點。
研究人員透露，發(fā)現(xiàn)的過程是個“意外驚喜”。2018年初，研究團隊的一位博士生(論文第一作者)在暗室中測試稀土納米顆粒發(fā)光性能時發(fā)現(xiàn)，在X射線停止照射后，納米顆粒仍然會持續(xù)發(fā)光。
經(jīng)過謹慎求證，研究團隊提出了基于高能量X射線光子誘導缺陷產(chǎn)生長余輝發(fā)光的機理。在此基礎上，他們將納米閃爍體長余輝材料與柔性基質相結合，成功研制出了透明、可拉伸、高分辨的柔性X射線成像設備，并開發(fā)了X射線發(fā)光擴展成像新技術。
簡單來說，這一研究成果實現(xiàn)了兩個突破。首先，長余輝材料首次作為X射線成像設備的核心部件；其次，打破了傳統(tǒng)剛性平板探測器的固有限制，在設計原理和制備工藝上打開了另一扇窗戶。
“我們平時常見的CT機、安檢儀等設備大多體積巨大且對工作環(huán)境要求較為嚴苛，這是因為光電轉換過程非常復雜，需要大量的集成電路協(xié)同工作?！睏铧S浩教授介紹說。而新型稀土納米長余輝材料作為X射線能量存儲的介質時，其光學記憶功能可以保存X射線能量，替代復雜的集成電路裝置。
研究人員發(fā)現(xiàn)，其尺寸、形貌、發(fā)光性質都更可控，適合用于制造柔性設備。這為制備新一代輕薄、便攜、低成本的X射線探測器和成像裝置提供了新思路和途徑。打個比方，拿一部手機拍攝，就能實現(xiàn)X射線柔性成像，不需要龐大規(guī)模的集成電路。
該課題由福州大學與新加坡國立大學、香港理工大學合作完成，研究成果于《自然》期刊在線發(fā)表?！蹲匀弧返耐谑鲈u指出，長余輝發(fā)光納米晶體制造的柔性X射線探測器能夠產(chǎn)生對高度彎曲的三維目標物進行高分辨成像，性能優(yōu)于商業(yè)化平板探測器。目前，研究團隊正在進行跨學科合作，推進高端X射線影像設備的國產(chǎn)化。
X射線是由于原子中的電子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，是波長介于紫外線和γ射線之間的電磁輻射。
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