सार:
एक्स-रे इमेजिंग तकनीक लंबे समय से एक समस्या का सामना कर रही है: विवरण और स्पष्टता का त्याग किए बिना छवि संकेतों को कैसे बढ़ाया जाए। पारंपरिक तरीकों में अक्सर डिटेक्टर की मोटाई, ऑप्टिकल सिग्नल की तीव्रता और स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के बीच व्यापार-बंद की आवश्यकता होती है। अब, चीन में चोंगकिंग विश्वविद्यालय, चीन इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉरपोरेशन के 26वें रिसर्च इंस्टीट्यूट और संयुक्त राज्य अमेरिका में स्टीवंस इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी की एक शोध टीम ने एक नई नैनोसंरचित सामग्री विकसित की है जो उच्च छवि रिज़ॉल्यूशन को बनाए रखते हुए एक्स-रे डिटेक्टरों की प्रकाश संग्रह दक्षता में सफलतापूर्वक सुधार करती है।
प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि यह नई तकनीक डिटेक्टर के औसत प्रकाश उत्पादन को 4.64 गुना बढ़ा देती है और इमेजिंग सिग्नल-टू-शोर अनुपात में 13 डेसिबल तक सुधार करती है, जबकि स्थानिक रिज़ॉल्यूशन अभी भी 25 माइक्रोन से बेहतर है। इसका मतलब यह है कि जब एक्स-रे फोटॉन की संख्या कम होती है और सिग्नल कमजोर होता है, तब भी डिटेक्टर से स्पष्ट छवि प्राप्त करने की उम्मीद की जाती है।
एक्स-रे को सामान्य कैमरा उपकरण द्वारा सीधे रिकॉर्ड नहीं किया जा सकता है, इसलिए आधुनिक एक्स-रे डिटेक्टर आमतौर पर उच्च-ऊर्जा एक्स-रे को दृश्य प्रकाश में परिवर्तित करने के लिए सिंटिलेटर नामक सामग्री का उपयोग करते हैं। इन प्रकाश संकेतों को अंततः चित्र बनाने के लिए कैमरा उपकरण या फोटोडिटेक्टरों द्वारा कैप्चर किया जाता है।
अध्ययन में प्रयुक्त GAGG:Ce एक उच्च घनत्व वाला अकार्बनिक सिंटिलेशन क्रिस्टल है जो प्रभावी ढंग से एक्स-रे को अवशोषित कर सकता है और दृश्य प्रकाश उत्पन्न कर सकता है। हालाँकि, इस प्रकार की सामग्री के साथ एक समस्या है जिसे हल करना आसान नहीं है: उत्पन्न होने वाला सारा प्रकाश क्रिस्टल की सतह से नहीं निकलता है।
जगमगाहट सामग्री और आसपास के वातावरण के बीच बड़े अपवर्तक सूचकांक अंतर के कारण, प्रकाश का हिस्सा सतह पर फैलने और सामग्री के अंदर सीमित होने पर पूर्ण प्रतिबिंब से गुजरेगा। शोध बताते हैं कि लगभग 90% फोटॉन आंतरिक प्रकाश गाइड मोड में फंस सकते हैं और बाहरी पहचान उपकरणों तक प्रभावी ढंग से नहीं पहुंच सकते हैं। यह न केवल डिटेक्टर की प्रकाश संग्रह दक्षता को कम करता है, बल्कि कमजोर सिग्नल स्थितियों के तहत इमेजिंग गुणवत्ता को भी प्रभावित करता है।
एक सहज समाधान सिंटिलेटर की मोटाई बढ़ाना है ताकि यह अधिक एक्स-रे को अवशोषित कर सके और अधिक दृश्यमान प्रकाश पैदा कर सके। हालाँकि, बढ़ी हुई मोटाई का मतलब यह भी है कि डिटेक्टर तक पहुँचने से पहले प्रकाश के पास अधिक पार्श्व प्रसार स्थान होता है, जिससे छवि विवरण आसानी से धुंधला हो सकता है। इसके विपरीत, पतले सिंटिलेटर कमजोर ऑप्टिकल सिग्नल उत्पन्न कर सकते हैं, हालांकि वे बारीक संरचनाओं को संरक्षित करने में फायदेमंद होते हैं।
सामग्री की मोटाई बढ़ाने के बजाय, अनुसंधान टीम ने सिंटिलेटर के अंदर से प्रकाश के निकलने के तरीके को बदलने की कोशिश की। उन्होंने GAGG:Ce क्रिस्टल की सतह पर फोटोनिक क्रिस्टल संरचना की एक परत बनाई, जो नैनोस्केल पर आवधिक व्यवस्था के माध्यम से सामग्री के अंदर मूल रूप से फंसे प्रकाश को मुक्त करने में मदद करती है।
फोटोनिक क्रिस्टल नियमित आवधिक सूक्ष्म संरचना वाला एक पदार्थ है जो इसमें प्रकाश के प्रसार के तरीके को बदल सकता है। शोधकर्ताओं ने फंसे हुए प्रकाश को अतिरिक्त गति प्रदान करने के लिए ब्रैग विवर्तन प्रभाव का उपयोग किया, जिससे यह मूल प्रसार सीमाओं को तोड़कर मुक्त स्थान में प्रवेश कर सके, जहां अंततः इसे बाहरी डिटेक्टर द्वारा प्राप्त किया गया। चूंकि यह विधि क्रिस्टल की मोटाई बढ़ाकर अधिक सिग्नल प्राप्त करने के बजाय प्रकाश निष्कर्षण दक्षता में सुधार करती है, इसलिए यह पारंपरिक समाधानों में सिग्नल वृद्धि और छवि स्पष्टता के बीच कुछ विरोधाभासों से बच सकती है।
हालाँकि, एक बड़े क्षेत्र पर इस तरह के नैनोस्ट्रक्चर का निर्माण कैसे किया जाए यह भी अपने आप में एक चुनौती है। यद्यपि पारंपरिक फोटोलिथोग्राफी तकनीक संरचनाओं को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकती है, इसके लिए महंगे उपकरण और जटिल प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, और भंगुर जगमगाहट क्रिस्टल की सतह को संसाधित करना आसान नहीं है। यद्यपि सरल स्व-संयोजन विधियां बड़े क्षेत्रों को कवर करने के लिए उपयुक्त हैं, लेकिन उनमें लापता कण, अनियमित व्यवस्था और संरचनात्मक दरारें जैसी समस्याएं होने का खतरा होता है, जो अंततः छवि कलाकृतियों का उत्पादन कर सकती हैं।
इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने तरल प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए तथाकथित मारंगोनी प्रभाव का उपयोग करते हुए, सतह के तनाव से संचालित एक स्व-संयोजन प्रक्रिया का उपयोग किया।
अनुसंधान टीम ने दो तरल पदार्थों के बीच सतह के तनाव में अंतर के माध्यम से प्रवाह बनाने के लिए इथेनॉल और पानी के संयोजन का उपयोग किया, जिससे पॉलीस्टाइनिन नैनोस्फेयर को खुद को संरेखित करने के लिए मार्गदर्शन मिला। इसके बाद, शोधकर्ताओं ने कण व्यवस्था के घनत्व को बढ़ाने के लिए सर्फैक्टेंट्स का उपयोग किया, और एकत्रित संरचना को एक जल निकासी प्रक्रिया के माध्यम से 25 मिमी व्यास जीएजीजी सिंटिलेशन क्रिस्टल वेफर में स्थानांतरित कर दिया जो कंपन हस्तक्षेप से बचाता है।
अंतिम फोटोनिक क्रिस्टल पॉलीस्टीरिन नैनोस्फेयर की एक सतत परत से बना है, जिसमें कण हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड व्यवस्था में व्यवस्थित होते हैं। यह संरचना क्रिस्टल सतह की प्रकाश निष्कर्षण दक्षता में प्रभावी ढंग से सुधार कर सकती है।
अनुसंधान का नेतृत्व चोंगकिंग विश्वविद्यालय के एसोसिएट प्रोफेसर पेंग फेंग ने किया था, और सहयोगी टीम में 26वें रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉरपोरेशन के डॉ. डिंग युचोंग और स्टीवंस इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के डॉक्टरेट छात्र लियू कैफेंग भी शामिल थे। प्रासंगिक पेपर ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक एडवांसेज जर्नल में प्रकाशित किए गए हैं।
भविष्य में इस तकनीक का इस्तेमाल कई क्षेत्रों में किया जा सकता है। मेडिकल इमेजिंग के संदर्भ में, यदि डिटेक्टर कम एक्स-रे एक्सपोज़र पर पर्याप्त मजबूत सिग्नल प्राप्त कर सकता है, तो छवि गुणवत्ता बनाए रखते हुए रोगी द्वारा प्राप्त विकिरण खुराक को कम करने का अवसर होता है। सुरक्षा निरीक्षण उपकरण के लिए, यह सिस्टम को अधिक सूक्ष्म वस्तु विशेषताओं की पहचान करने में मदद कर सकता है; औद्योगिक गैर-विनाशकारी परीक्षण के क्षेत्र में, सामग्रियों में आंतरिक दोषों और छोटी संरचनाओं का पता लगाने की क्षमता में भी सुधार होने की उम्मीद है।
विशेष रूप से उल्लेखनीय बात यह है कि यह तकनीक कम फोटॉन संख्या स्थितियों के तहत इमेजिंग समस्याओं को लक्षित करती है। सीमित विकिरण खुराक या कमजोर एक्स-रे सिग्नल वाले वातावरण में, डिटेक्टरों के लिए पृष्ठभूमि शोर से वास्तविक लक्ष्य सिग्नल को अलग करना अक्सर मुश्किल होता है। प्रकाश संग्रहण दक्षता में महत्वपूर्ण सुधार से इस स्थिति में सुधार होने की उम्मीद है।
बेशक, यह तकनीक अभी भी बड़े पैमाने पर व्यावसायिक अनुप्रयोगों से कुछ दूरी पर है। शोधकर्ताओं ने बताया कि नैनोस्ट्रक्चर में अवशिष्ट दोष अभी भी स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को प्रभावित कर सकते हैं। स्व-संयोजन प्रक्रिया को और अधिक अनुकूलित करना और यह सत्यापित करना आवश्यक है कि क्या इस विधि को अन्य प्रकार की जगमगाहट सामग्री पर लागू किया जा सकता है।
यदि इन समस्याओं को हल किया जा सकता है, तो नया फोटोनिक क्रिस्टल सिंटिलेटर अगली पीढ़ी के एक्स-रे डिटेक्टरों के लिए एक नया डिजाइन विचार प्रदान कर सकता है: सिग्नल को बढ़ाने के लिए केवल सामग्री की मोटाई बढ़ाने पर निर्भर रहने के बजाय, नया फोटोनिक क्रिस्टल सिंटिलेटर इमेजिंग गुणवत्ता में सुधार करते हुए उत्पन्न प्रकाश को अधिक प्रभावी ढंग से जारी कर सकता है।
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