磷屏的線性、飽和、衰減特性

宋來武，馮孝貴

清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 102201

磷屏放射自顯影是近年來新興的一種放射自顯影方法。與傳統(tǒng)的核乳膠放射自顯影技術(shù)相比，它具有線性范圍寬、靈敏度高、操作方便、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好等優(yōu)點，因此在核物理及核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

關(guān)于磷屏放射自顯影的機理，即射線誘導(dǎo)的光激勵發(fā)光(photo stimulated luminescence，簡稱PSL)機理，目前存在著幾種有爭議的模型[1-2]。盡管如此，對于磷屏放射自顯影的基本過程還是有比較一致的意見[1-4]，即：磷屏是一種由均勻涂覆的細(xì)小的磷光質(zhì)(大多采用BaFBr:Eu2+晶體)構(gòu)成的感光屏，當(dāng)含有放射性核素的樣品靠近磷屏?xí)r，來自于樣品的射線使磷屏上的磷光質(zhì)晶體產(chǎn)生各種缺陷(即所謂的色心)，這些色心保留著來自于核輻射的信息。當(dāng)用一定波長的激光束對磷屏進(jìn)行掃描時，磷屏上將會產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的Eu2+*，當(dāng)激發(fā)態(tài)的Eu2+*退激到基態(tài)的Eu2+時，釋放出光子，這些光子經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，計算機接收電信號后處理成磷屏影像，然后可以對影像進(jìn)行進(jìn)一步分析和定量。

本工作的目的不是為了研究復(fù)雜的機理問題，而是從應(yīng)用角度出發(fā)，研究磷屏的一些基本特性，即磷屏的線性特性、飽和特性和衰減特性，以便為磷屏放射自顯影技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

為了研究用磷屏技術(shù)測量α、β、γ射線的區(qū)別，實驗中采用了3種放射源241Am、14C和137Cs，其中241Am既是α放射源(5.443、5.486 MeV)又是γ放射源(59.5 keV)，14C是β放射源(156 keV)，137Cs是γ放射源(661.6 keV)。

241Am源，電沉積法制作，活度為2.69×104Bq，有效尺寸為φ10 mm。14C源，活度為1.75×103Bq，位于φ10 mm×5 mm敞口玻璃皿內(nèi)(原為液閃分析時制作淬滅曲線用14C標(biāo)準(zhǔn)，呈干枯狀)。137Cs源，活度為8.83×104Bq，尺寸為φ30 mm。

1.2 實驗儀器及裝置

磷屏技術(shù)實驗裝置的標(biāo)準(zhǔn)配置包括磷屏儀、磷屏、曝光盒和清屏器，利用該標(biāo)準(zhǔn)配置可以進(jìn)行γ和高能β射線的測量，但不能進(jìn)行α和低能β射線的測量。為進(jìn)行α和低能β射線的測量，本研究室設(shè)計加工了真空室系統(tǒng)和曝光支架。曝光盒和清屏器較簡單，下面對其它部分進(jìn)行說明。

磷屏儀：Cyclone?Plus Storage Phosphor System，美國PE公司。

磷屏：有3種，即MP型(multipurpose phosphor screens)、ST型(super sensitive phosphor screens)和MS型(multisensitive phosphor screens)小屏，125 mm×192 mm，美國PE公司。MP型屏是通用型多功能磷屏，具有特殊防潮表面，經(jīng)久耐用。ST型屏是超敏感屏，對低活度樣品更為有效。MS屏是新產(chǎn)品，據(jù)稱兼有MP屏的耐用性、ST屏的高敏感性及更高的分辨率。

真空室系統(tǒng)：北京神州東升科技有限公司生產(chǎn)，主要包括φ280 mm×150 mm不銹鋼真空室和TRP12型優(yōu)成牌真空泵。一般1 min左右可以從常壓抽到100 Pa，再經(jīng)過1 min左右抽到10 Pa，320 min可以達(dá)到0.2 Pa。

曝光支架：支架上端面用于固定磷屏(感光面朝下)，其下為放置樣品的抽屜式隔層，共分為11層，相鄰兩層之間距離為10.0 mm，載有樣品的樣品支撐板可以插入任一抽屜式隔層內(nèi)，最上面的抽屜隔層與磷屏感光面之間距離為11.0 mm。

1.3 實驗方法

磷屏放射自顯影的過程主要包括清屏、曝光、掃描和影像分析。對于具有不同幾何特點的各種α、β、γ放射源，清屏、掃描和影像分析這三步基本上都是相同的，不同的只在于曝光過程。根據(jù)磷屏與樣品是否緊貼在一起，可以分為2種曝光方式：對于穿透能力較強的放射源，先將源置于塑料樣品袋中，然后將樣品袋與磷屏緊貼在一起放在曝光盒內(nèi)進(jìn)行曝光；對于穿透能力較弱的放射源，源與磷屏之間不能有塑料膜等存在，必須裸露著曝光(必要時還需要抽真空)，這時需要采用曝光支架和真空室。

1.3.1α射線的測量方法 對α射線的測量要在曝光支架中進(jìn)行，同時需要抽真空。具體操作步驟如下[5]：(1) 將待測樣品固定在樣品支撐板合適位置；(2) 用清屏器清除磷屏上原有影像；(3) 將磷屏固定在曝光支架上端面，然后將樣品支撐板插入到曝光支架的選定隔層中；(4) 將載有磷屏和待測樣品的曝光支架放入真空室中，關(guān)閉真空室和放氣閥，開啟真空泵后打開隔斷閥開始抽真空；(5) 當(dāng)真空室內(nèi)壓強達(dá)到100 Pa時開始計時，達(dá)到預(yù)定的曝光時間時，關(guān)閉隔斷閥及真空泵停止抽真空并終止計時；(6) 打開放氣閥，當(dāng)真空室恢復(fù)到常壓時打開真空室，卸下磷屏；(7) 將上述已曝光的磷屏緊貼在磷屏儀掃描滾筒上并鎖好卡緊裝置，然后一起放入掃描儀中(如果研究衰減特性，還需要靜置一定時間)；(8) 在計算機上打開磷屏儀配套軟件OptiQuant，設(shè)置好掃描參數(shù)后進(jìn)行掃描；(9) 利用OptiQuant軟件分析影像數(shù)據(jù)，計算影像興趣區(qū)的光強度。

1.3.2β射線的測量方法 實驗中所用的β源是14C，能量較低(156 keV)，所以選擇在曝光支架上進(jìn)行曝光，實驗方法與上述α射線的測量方法基本相同，不同之處僅在于此時不需要抽真空。

1.3.3γ射線的測量方法 由于γ射線的穿透力很強，因此選擇在曝光盒內(nèi)曝光。曝光過程如下：(1) 將清屏后的磷屏置于曝光盒中；(2) 將待測樣品放置在樣品袋中，為了防止α射線的干擾(因為241Am兼有α和γ射線)，使樣品與磷屏之間隔4層塑料膜(總計質(zhì)量厚度為16 mg/cm2)；(3) 將裝有待測樣品的樣品袋直接放在磷屏上，關(guān)閉曝光盒并開始計時；(4) 達(dá)到預(yù)定的曝光時間時，取下樣品袋，終止曝光。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷屏的線性特性

磷屏放射自顯影用于定量分析的基礎(chǔ)是磷屏影像光強度與照射到磷屏上的射線量成正比。在影響磷屏影像光強度的因素中，顯而易見的因素主要有樣品放射性活度、曝光時間、測量幾何條件(主要指樣品與磷屏間的距離)等。在上述因素中，在不考慮磷屏影像衰減的前提下(參見后文的“磷屏的衰減特性”一節(jié))，樣品放射性活度對磷屏影像光強度的影響與曝光時間對磷屏影像光強度的影響類似[5]。由于改變曝光時間的實驗更簡單，因此本文選擇從曝光時間角度來研究磷屏放射自顯影的線性特性。

圖1 磷屏影像及興趣區(qū)的選取Fig.1 Region-of-interest and background zone in phosphor screen image1——興趣區(qū)(Region-of-interest)，1-b——本底區(qū)(Background zone)

圖2 γ射線在3種磷屏上的影像光強度與曝光時間關(guān)系Fig.2 Image light intensity vs. exposure time for γ-ray of 241Am on three types of screens◇——MP(斜率(Slope)4.09×106)，▲——MS(斜率(Slope)4.77×106)，■——ST(斜率(Slope)6.43×106)

理論上講，當(dāng)實驗操作時間相對于放射源的半衰期而言非常短時，可以忽略衰變對源活度的影響，這樣，在磷屏未飽和之前，磷屏影像光強度與曝光時間應(yīng)該呈正比。圖1是241Am的γ射線(59.5 keV)在MP屏上曝光50 min后掃描所得磷屏影像，其外圍實線圓為分析興趣區(qū)(與放射源同軸，半徑為30 mm)，右下虛線圓為本底區(qū)。圖2是241Am的γ射線在3種磷屏上形成的影像光強度隨曝光時間變化的實驗結(jié)果，圖中縱坐標(biāo)是校正為4π立體角后的數(shù)據(jù)(樣品和源在曝光盒內(nèi)曝光時，近似按2π立體角計算；在真空室內(nèi)曝光時，校正方法見文獻(xiàn)5)。結(jié)果表明，實驗條件下MP、MS和ST 3種磷屏對241Am的γ射線都表現(xiàn)出良好線性關(guān)系。由于圖2中的3條直線針對的是同一個放射源，因此由3條直線的斜率可以看出，對241Am的γ射線而言，3種磷屏的靈敏度順序依次為MP

另外，實驗研究了241Am的α射線(5.443、5.486 MeV)和14C的β射線(156 keV)在MP屏上所成影像光強度隨曝光時間變化的情況(圖3)，實驗結(jié)果同樣表明磷屏具有良好的線性特性。根據(jù)圖2(MP屏)、圖3中各條直線的斜率以及241Am源和14C源的放射性活度，可計算出MP屏對這幾種射線的靈敏度(DLU，min·Bq)依次為：241Am的α射線(9 000)>14C的β射線(206)>241Am的γ射線(152)。這與α、β、γ三種射線在同一種介質(zhì)中的比電離順序一致。

上述結(jié)果表明，磷屏放射自顯影是一種相對測量方法，磷屏影像光強度不僅會隨著樣品放射性活度、曝光方式及時間、測量幾何條件而變化，而且還會隨著磷屏種類、射線種類甚至射線的能量而變化。因此，如果需要測量未知樣品的活度，就應(yīng)該在相同的條件下測量已知活度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，從而經(jīng)過相對比較得出未知樣品的活度。

2.2 磷屏的飽和特性

上節(jié)研究結(jié)果表明磷屏具有良好的線性特性，但線性范圍不可能是無限的，其上限受磷屏的飽和特性控制。關(guān)于磷屏的飽和特性，文獻(xiàn)中少有報道。我們在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，正常情況下以不同灰度等級分布的、呈灰色的磷屏影像，在某些實驗條件下(如曝光時間較長、源活度較高等)，某些區(qū)域會出現(xiàn)異常的紅色(圖4)。

圖3 α(a)和β(b)射線在MP屏上的影像光強度與曝光時間關(guān)系Fig.3 Image light intensity vs. exposure time for α-ray of 241Am (a) and β-ray of 14C (b) on MP screen 斜率(Slope)：(a)——2.42×108,(b)——3.60×105

圖4 磷屏的飽和Fig.4 Saturation of phosphor screen

圖4是241Am的γ射線和MP屏在曝光盒中曝光17 h后的磷屏影像。實驗選擇的掃描分辨率為300 dpi，因此每個像素點的大小約為85 μm×85 μm。經(jīng)過OptiQuant軟件分析可知，顯示為紅色的所有像素點的影像光強度均為一固定值100 428 DLU。由于儀器指標(biāo)給出的線性范圍是5個數(shù)量級(1～100 000)，因此可以推測影像光強度為100 428 DLU的紅色像素點即為磷屏上的飽和點。根據(jù)這一分析結(jié)果，針對某種特定的放射源和某一種確定的磷屏，我們提出了一種估算曝光時間上限值的方法，該方法可以用來控制磷屏不被飽和。

所謂控制磷屏不被飽和，就是使磷屏上受到射線照射最多的像素點(定義為點Pmax)的影像光強度小于100 428 DLU。一般來講，當(dāng)樣品放射性活度足夠高或者曝光時間足夠長時，統(tǒng)計漲落的誤差很小，點Pmax的強度是一定的，這樣，通過點Pmax的影像光強度與曝光時間的關(guān)系，就可以確定曝光時間的上限值。按照這一思路，對圖2的實驗結(jié)果重新進(jìn)行分析，得到結(jié)果示于圖5。

圖5 曝光時間上限值的估算Fig.5 Estimation of the upper limit of exposure time◇——MP(斜率(Slope)170)，▲——MS(斜率(Slope)202)，■——ST(斜率(Slope)272)

從圖5可以看出，點Pmax的影像光強度與曝光時間也呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，這樣，3條直線與水平線y=100 428 DLU的交點的橫坐標(biāo)就是曝光時間的上限值。針對本研究中采用的241Am源的γ射線，在MP、MS和ST三種磷屏上曝光時間的上限值依次為592、496和370 min。為了驗證該估算方法的正確性，選用ST屏和241Am源的γ射線，在曝光盒內(nèi)曝光390 min，結(jié)果正如所料，在影像中心區(qū)出現(xiàn)了面積較小的紅色的飽和區(qū)域。

另外，對比圖5和圖2可以看出，兩者的變化趨勢完全相同，只是直線的斜率有變化。圖2中MP、MS和ST屏對應(yīng)的3條直線的斜率依次為4.09×106、4.77×106和6.43×106，而圖5中3條直線的斜率依次為170、202和272。針對這3種磷屏，分別計算了它們在圖2與圖5中的斜率比，依次為2.41×104、2.36×104和2.36×104，這一結(jié)果表明，當(dāng)磷屏未飽和時，各興趣區(qū)內(nèi)磷屏影像光強度以相同速度隨著曝光時間成正比變化。這從另一個角度闡釋了磷屏的線性特性。

采用相同的方法，可以得到241Am源的α射線(與圖3(a)對應(yīng))和14C的β射線(與圖3(b)對應(yīng))在MP屏上曝光時間上限值分別為27.7 h和1 571 h。

需要提出的一點是，由于Pmax只有一個像素點，而一般興趣區(qū)含有成千上萬個像素點(當(dāng)掃描分辨率為300 dpi時，每1 mm2興趣區(qū)約含有140個像素點)，因此前者影像光強度的統(tǒng)計漲落誤差比后者大得多。當(dāng)磷屏受到射線的照射不夠強時，圖5所示方法會帶來很大誤差。如果這樣，就需要延長曝光時間，或者換一個放射性活度更高而幾何條件相同的源。

2.3 磷屏的衰減特性

在應(yīng)用磷屏進(jìn)行放射自顯影時，有一個必須引起足夠重視的現(xiàn)象。據(jù)報道[6-8]，磷屏經(jīng)過曝光產(chǎn)生各種色心后，即使不進(jìn)行光激勵，其影像光強度也會自發(fā)衰減。磷屏的衰減特性與實驗溫度、磷屏的性質(zhì)以及射線的性質(zhì)都有關(guān)系。在實驗室條件下，環(huán)境溫度(22～25 ℃)可以近似認(rèn)為是不變的，因此本工作主要從磷屏和射線的性質(zhì)2個方面進(jìn)行研究。

2.3.1不同性質(zhì)磷屏的影響 采用241Am源的γ射線在MP、MS及ST 3種磷屏上分別曝光(曝光時間為10 min)，曝光后在黑暗環(huán)境中靜置一定時間再進(jìn)行掃描。以曝光后立即進(jìn)行掃描得到的磷屏影像光強度為1，分別計算靜置不同時間后磷屏影像的相對光強度，結(jié)果示于圖6。圖6中沒有包括如下靜置更長時間的實驗結(jié)果：241Am源的γ射線在ST屏上曝光后，在黑暗環(huán)境中靜置5 320 min，磷屏影像相對光強度降低為0.787。從圖6可以看出，在3種磷屏上的影像光強度的衰減趨勢基本相同，在初始階段磷屏上的信號衰減較快，此后衰減逐漸變慢。對ST屏，當(dāng)靜置時間由990 min延長到5 320 min時，相對光強度值由0.795降低為0.787，表明長時間后磷屏影像光強度幾乎趨于恒定。從圖6還可以看出，MP和MS兩種磷屏的衰減曲線非常相近，兩者的衰減程度也基本相同。與MP和MS屏相比，ST屏的衰減程度更低。當(dāng)靜置6 h后，MP和MS屏上的信號衰減約為27%時，ST屏上的信號衰減約為20%。3種磷屏在衰減特性上的差異是由磷屏的材料性質(zhì)(包括組成和結(jié)構(gòu))決定的。磷屏一般分為3層[2,7-8]：可彎曲的塑料板支撐層(厚度約為180～250 μm)、混合均勻的磷光質(zhì)層(含有粘結(jié)劑等添加劑，厚度約為100～300 μm)和透明的保護層(厚度約為5～10 μm)。不同類型的磷屏除了各層的厚度可能不同外，最重要的差別在于磷光質(zhì)層的組成、顆粒大小以及磷光質(zhì)的制備工藝等。磷屏在材料上的這些差異不可避免地會帶來其在性能上的差異，包括在衰減特性上的差異。據(jù)報道[6]，磷屏在曝光過程中產(chǎn)生的各種色心有能量高低之分，能量較低的色心所存儲的信息稱為淺陷阱信號，能量較高的色心所存儲的信息稱為深陷阱信號，淺陷阱信號比深陷阱信號更容易因電子/空穴對的復(fù)合而丟失掉，因此深陷阱的PSL發(fā)光更穩(wěn)定。據(jù)此可以推測，實驗所用的3種磷屏中，ST屏曝光后所產(chǎn)生的深陷阱信號較多，因此經(jīng)過長時間的放置后剩余信號的強度要比MP和MS屏高。

圖6 不同磷屏上影像光強度的衰減Fig.6 Fading of images of γ-ray of 241Am on three types of screens◇——MP，▲——MS，■——ST

圖7 α、β、γ射線在MS屏上影像光強度的衰減Fig.7 Fading of images of α, β and γ-rays on MS screen◇——α,241Am；■——β,14C；▲——γ,241Am

2.3.2不同射線種類的影響 首先，選用同一張MS屏分別對241Am源的α射線、14C源的β和241Am源的γ射線進(jìn)行衰減實驗(曝光時間分別為10、30、10 min)，結(jié)果示于圖7。由圖7可以看出，不同種類的射線在MS屏上的衰減趨勢基本相似，都包括開始階段的快衰減和此后的慢衰減，但3種射線從快衰減過渡到慢衰減的轉(zhuǎn)變速度有區(qū)別，γ射線的信號轉(zhuǎn)變得較快，α和β射線的信號轉(zhuǎn)變得較慢。這種現(xiàn)象一方面可能與3種射線的能量差別有關(guān)系，另一方面還可能與3種射線與物質(zhì)相互作用的機制有關(guān)：α和β射線都是帶電粒子流，它們與物質(zhì)相互作用時都可引起直接電離；而γ射線是不帶電的電磁波，它只能通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等產(chǎn)生的電子引起物質(zhì)電離(次級電離)。上述差異可能使它們在磷屏上產(chǎn)生的色心數(shù)量以及色心的能量分布都有區(qū)別，從而導(dǎo)致它們在衰減特性上的區(qū)別。其次，對2種不同能量的γ射線(分別來自于241Am及137Cs)在同一張MS屏上信號的衰減情況進(jìn)行了對比研究，結(jié)果示于圖8(曝光時間分別為10 min和30 min)。從圖8可以看出，241Am的γ射線在MS屏上影像光強度的衰減速度明顯快于137Cs的γ射線。這種差別應(yīng)該歸因于這兩種γ射線具有不同的能量：137Cs的γ射線能量約為661.6 keV，而241Am的γ射線能量只有59.5 keV，前者能量較大，在磷屏上產(chǎn)生的深陷阱信號較多；后者能量較低，在磷屏上產(chǎn)生的淺陷阱信號較多。通過上面對磷屏衰減特性的研究與討論可以看出：磷屏的衰減現(xiàn)象是普遍存在的，但其行為非常復(fù)雜。盡管文獻(xiàn)中有關(guān)于衰減校正的報道[7-9]，但在實際使用過程中進(jìn)行衰減校正并不方便。這是因為：(1) 衰減校正公式比較復(fù)雜，并且不同磷屏儀的衰減校正公式是不同的；(2) 為了進(jìn)行衰減校正，在磷屏曝光后進(jìn)行靜置的時間內(nèi)，必須保持周圍環(huán)境條件的一致性，如溫度、環(huán)境光線等，這樣，就需要額外增加恒溫的避光裝置。因此，在用磷屏進(jìn)行放射自顯影研究時，除非研究磷屏的衰減特性，一般在曝光后應(yīng)該立即掃描。

圖8 不同能量的γ射線在MS屏上影像光強度的衰減Fig.8 Fading of images of γ-rays with different energy on MS screen▲—— 241Am(γ)，□——137Cs

3 結(jié) 論

通過對241Am、14C和137Cs 3種核素在PE公司3種磷屏上的放射自顯影性能進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：(1) 磷屏上無飽和點出現(xiàn)時，磷屏具有良好的線性特性；(2) 通過點Pmax(磷屏上受到射線照射最多的像素點)的影像光強度與曝光時間的關(guān)系可以估算曝光時間上限值；(3) 磷屏的衰減現(xiàn)象是普遍存在的，開始階段衰減較快，此后衰減速度逐漸變慢。在用磷屏進(jìn)行放射自顯影研究時，一般在曝光后應(yīng)立即掃描。

[1] 陳 偉,宋家慶,蘇勉曾.X射線影像存儲與再現(xiàn)用發(fā)光材料MFX:Eu2+的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].功能材料,1994,25(3):197-205.

[2] Lakshman A R. Radiation Induced Defects and Photo-stimulated Luminescence Process in BaFBrEu2+[J]. Phys Status Solidi A: Appl Res, 1996, 153(1): 3-27.

[3] Cole J M, Nienstedt J, Spataro G, et al. Phosphor Imaging as a Tool for in Situ Mapping of ppm Levels of Uranium and Thorium in Rocks and Minerals[J]. Chem Geol, 2003, 193: 127-136.

[4] Reinprecht I, Windisch M, Fahnestock M. Deterioration of Storage Phosphor Screens With Use[J]. J Label Compound Radiopharm, 2002, 45(4): 339-345.

[5] 馮孝貴,梁俊福,章英杰,等.用磷屏放射自顯影法測量α核素的放射性活度[J].核化學(xué)與放射化學(xué),2009,31(2):84-89.

[6] Templer R H. Measurements on Some Characteristics of BaFBr:Eu2+, Relevant to Its Use as a Storage Phosphor for X-Ray Diffraction Imaging[J]. Nucl Instrum Meth Phys Res A, 1991, 300(2): 357-366.

[7] Ohuchi H, Yamadera A, Nakamura T. Functional Equation for the Fading Correction of Imaging Plates[J]. Nucl Instrum Meth Phys Res A, 2000, 450: 343-352.

[8] Ohuchi H, Yamadera A. Dependence of Fading Patterns of Photo-Stimulated Luminescence From Imaging Plates on Radiation, Energy, and Image Reader[J]. Nucl Instrum Meth Phys Res A, 2002, 490: 573-582.

[9] Ohuchi H, Yamadera A. Development of a Functional Equation to Correct Fading in Imaging Plates[J]. Radiation Measurements, 2002, 35: 135-142.