Ученые по всему миру активно работают над созданием новых сцинтилляторов для рентгеновских лучей. Эти материалы должны хорошо поглощать излучение, выдавать много света, быть прочными, стабильными и выдерживать долгую работу в жестких условиях. Стеклянные сцинтилляторы в этом плане очень перспективны: они прозрачные, стабильные, и из них можно выдуть что угодно — хоть оптическое волокно, что открывает огромные возможности для разработчиков приборов. Но есть у них и большой минус: слишком низкая светоотдача, из-за которой их широкое применение пока под вопросом.

В последнее время все больше надежд возлагается на стеклокерамические сцинтилляторы. Они объединяют в себе лучшие черты стекла и высокую светоотдачу кристаллов. Однако перед учеными стояла сложная задача: как в процессе обработки стекла добиться одновременного образования внутри него большого количества нанокристаллов (высокой кристалличности) и при этом сохранить его прозрачность. Обычно одно исключает другое.

С этой проблемой успешно справилась группа исследователей под руководством профессора Дацинь Чэня из Фуцзяньского педагогического университета (Китай). Они разработали комплексный подход, в котором точно настроили температуру нагрева, подобрали оптимальный состав исходных материалов для роста нанокристаллов и модифицировали саму структуру стеклянной сети. В качестве примера они создали стеклокерамику на основе NaLuF4, легированную ионами тербия (Tb3+).

Ключевые параметры их успеха выглядели так:

• Температура обработки: 700 °C
• Доля фторидных компонентов: 31.33%
• Соотношение кремния к алюминию: 5.09

В результате им удалось получить материал с рекордными показателями: степень кристалличности составила 58%, а прозрачность на ключевой длине волны 542 нм достигла 90%. Эти цифры превосходят большинство известных оксифторидных стеклокерамик.

Особенно впечатляет разрешение, которое оказалось выше, чем у большинства фторидных стеклянных и стеклокерамических сцинтилляторов.

Мы показали, что высокая кристалличность и прозрачность могут сосуществовать в одном материале, — прокомментировал профессор Чэнь. — Это открывает новые пути для создания высокоэффективных стеклокерамических сцинтилляторов.

Данная работа опубликована в журнале Journal of Advanced Ceramics.

Реальная польза от этого исследования лежит в области медицинской диагностики и систем безопасности. Представьте себе рентгеновский аппарат или компьютерный томограф, который способен делать снимки сверхвысокого разрешения, но при этом доза облучения для пациента будет в разы ниже. Это напрямую следует из приведенных параметров: низкий предел обнаружения (1.26 нГр/с) означает, что детектор «видит» мельчайшие дозы излучения, а высокое разрешение (25.3 lp/mm) гарантирует, что врач увидит на снимке самые ранние и крошечные патологические изменения. В области безопасности это позволит обнаруживать в багаже не просто крупные предметы, а мельчайшие детали и тонкие органические материалы, повышая надежность досмотра. Более того, возможность формовать материал в оптические волокна открывает путь к созданию гибких эндоскопических зондов для малоинвазивной хирургии с внутренней рентгеновской навигацией.

Основное критическое замечание заключается в том, что исследование носит демонстрационный характер на конкретной, узкой системе материалов (NaLuF4: Tb3+). Не до конца ясно, насколько универсален предложенный комплексный подход — сможет ли он с таким же успехом работать с другими составами кристаллов, которые, возможно, обеспечили бы еще более высокую светоотдачу или работали в других диапазонах спектра. Успех был достигнут за счет тонкого баланса трех параметров, и перенос этой методологии на другие химические системы может потребовать долгой и дорогостоящей экспериментальной работы, что потенциально замедлит широкое внедрение технологии.

Ранее ученые МИФИ заявили о создании цветного рентгена.