基于ZnO:In 納米棒陣列的X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏制備與性能研究*

李乾利 胡亞華 馬逸凡 孫志祥 王敏劉小林 趙景泰 張志軍?

1) (上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200444)2) (嘉興學(xué)院南湖學(xué)院, 嘉興 314001)3) (同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200092)(2020年2月25日收到; 2020年3月9日收到修改稿)

為了滿足高能物理和核物理領(lǐng)域在探究一些超快物理事件時(shí), 對(duì)兼顧高時(shí)間和高空間分辨的X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的迫切需求, 本文利用磁控濺射和水熱反應(yīng)法制備了ZnO:In 納米棒陣列X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏, 并對(duì)其進(jìn)行氫氣氛下的等離子處理優(yōu)化其閃爍發(fā)光性能. X 射線激發(fā)發(fā)射譜顯示ZnO:In 納米棒陣列具有395 nm的紫外發(fā)光和450—750 nm 的可見(jiàn)發(fā)光兩個(gè)發(fā)光峰, 同時(shí)表明氫氣氛等離子體處理可顯著增強(qiáng)ZnO:In 納米棒陣列的紫外發(fā)光, 抑制其可見(jiàn)發(fā)光. 發(fā)光衰減時(shí)間測(cè)量表明, ZnO:In 納米棒陣列紫外發(fā)光衰減時(shí)間在亞納秒級(jí), 其可見(jiàn)發(fā)光衰減時(shí)間在納秒級(jí), 兩者均可滿足高時(shí)間分辨的X 射線探測(cè)需求. 在上海同步輻射光源的X 射線空間分辨率測(cè)試表明, 在能量為20 keV 的X 射線光束輻照下, 厚度為12 μm 的ZnO:In 納米棒陣列作為X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏可達(dá)到1.5 μm 的系統(tǒng)空間分辨率. 本研究表明利用ZnO:In 納米棒陣列作為X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏是實(shí)現(xiàn)兼顧高時(shí)間和高空間分辨的X 射線探測(cè)與成像的一種可行方案.

1 引 言

閃爍材料是一種通過(guò)吸收高能粒子(a 粒子,中子, 質(zhì)子等)或射線(X 射線、g 射線、b 射線等),將其轉(zhuǎn)換成紫外或可見(jiàn)光的一種發(fā)光材料[1]. 在空間物理、高能物理、核物理、生物醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無(wú)損探測(cè)、以及安檢等領(lǐng)域, 由閃爍材料制備的閃爍轉(zhuǎn)換屏是實(shí)現(xiàn)粒子和射線探測(cè)與成像的核心器件[2].一般來(lái)說(shuō), 評(píng)價(jià)閃爍轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)與成像性能涉及到兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù), 即時(shí)間分辨率和空間分辨率[3].獲得兼顧高時(shí)間與高空間分辨的閃爍轉(zhuǎn)換屏是人們長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo). 特別是隨著大型科學(xué)裝置和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展, 如: 極端條件下輻射與物質(zhì)相互作用 (matter-radiation interactions in extremes,MaRIE)[4]、慣性約束核聚變(inertial confinement fusion, ICF)[5]以及Mu2e & Mu3e 實(shí)驗(yàn)[6]等, 在探究一些超快物理事件時(shí), 對(duì)X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏提出了亞納秒級(jí)的高時(shí)間分辨和微米級(jí)的高空間分辨要求[7].

為了實(shí)現(xiàn)X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的高時(shí)間分辨(即超快發(fā)光衰減時(shí)間)探測(cè), 必須選擇具有超快衰減時(shí)間的閃爍材料[8]. 銦元素?fù)诫s的氧化鋅(ZnO:In)在高能X 射線輻照下, 具有輻射硬度高、亞納秒量級(jí)衰減時(shí)間、光產(chǎn)額大于10000 photons/MeV 等特點(diǎn), 是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某扉W爍材料[9,10]. 其中, In 的引入被認(rèn)為可以在ZnO 中形成一個(gè)與快成分發(fā)光有關(guān)的淺能級(jí)施主,以改善ZnO 的閃爍發(fā)光性能[11]. X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的空間分辨率一般由閃爍體層的幾何形狀決定.為獲得微米級(jí)高空間分辨率, 制備透明閃爍薄膜是一種有效方法. 但這種透明閃爍薄膜的厚度一般只有幾個(gè)微米[12], 其發(fā)光效率較低, 不利于高能和生物醫(yī)學(xué)X 射線成像. 改善X 射線成像系統(tǒng)空間分辨率的另一種方法是構(gòu)造像素化結(jié)構(gòu)閃爍轉(zhuǎn)換屏[13,14]. 像素化結(jié)構(gòu)可以有效抑制閃爍光的橫向擴(kuò)散及傳播, 從而使閃爍轉(zhuǎn)換屏在保證一定厚度的情況下(高能和低劑量探測(cè)需要)達(dá)到高空間分辨率[3].綜上, 結(jié)合像素化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和ZnO:In 的超快發(fā)光衰減時(shí)間特性, 制備像素化結(jié)構(gòu)ZnO:In 納米棒陣列是實(shí)現(xiàn)兼顧高時(shí)間和空間分辨X 射線成像的一種理想選擇. 2015年, Kobayashi等[15]制備了厚度為0.5 μm 的ZnO 納米線陣列, 并在同步輻射裝置上采用能量為20 keV 的X 射線進(jìn)行成像測(cè)試,獲得了3 μm 的空間分辨率. 2017年, Izaki等[16]制備了厚度為1 μm 的ZnO納米線陣列獲得了4 μm的空間分辨率. 利用ZnO 陣列進(jìn)行高空間分辨X 射線成像已經(jīng)獲得了一些初步結(jié)果, 但是上述文獻(xiàn)中制備的ZnO 陣列厚度還較薄, 且未考慮引入In 摻雜來(lái)改善ZnO 陣列的閃爍性能, 以提高X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的時(shí)間分辨能力.

本文利用磁控濺射和水熱反應(yīng)法制備了具有像素化結(jié)構(gòu)的“鉛筆頭”狀ZnO:In 納米棒陣列用作X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏, 并對(duì)ZnO:In 納米棒陣列進(jìn)行了氫氣氛等離子體處理, 對(duì)其閃爍發(fā)光性能進(jìn)行了優(yōu)化. 利用SEM, XRD 和X 射線激發(fā)發(fā)射譜等手段研究了ZnO:In 納米棒陣列的微觀形貌結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能和閃爍發(fā)光特性. 通過(guò)穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試了ZnO:In 納米棒陣列衰減時(shí)間特性.利用在上海同步輻射光源表征ZnO:In 納米棒陣列的空間分辨率, 證實(shí)本文所制備的12 μm 厚ZnO:In 納米棒陣列閃爍轉(zhuǎn)換屏的系統(tǒng)空間分辨率可達(dá)1.5 μm, 超出目前已報(bào)道的水平, 這對(duì)進(jìn)一步發(fā)展高空間分辨X 射線成像具有一定的指導(dǎo)意義.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

圖1 展示了ZnO:In 納米棒陣列的制備流程示意圖. 對(duì)于水熱反應(yīng)法制備ZnO:In 納米棒陣列,由于石英基底與ZnO 晶格失配, 不易直接在石英上生長(zhǎng)出垂直基底排列的ZnO 基納米棒陣列. 因此, 首先利用磁控濺射在石英基片上沉積一層厚度約100 nm 的ZnO 種子層, 既能滿足ZnO:In 納米棒陣列的生長(zhǎng)需要, 又不會(huì)對(duì)閃爍轉(zhuǎn)換屏的成像帶來(lái)干擾. 然后, 將ZnO 種子層基片放入由六亞甲基四胺(C6H12N4, HMT, AR)、硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O, AR)和硝酸銦(In(NO3)3·4.5H2O, AR)組成的水溶液, 其中In 摻雜濃度為1 mol%, Zn(NO3)2和C6H12N4的摩爾比為1∶1, 反應(yīng)物摩爾濃度為0.4 mol/L, 反應(yīng)溫度為120 ℃, 反應(yīng)時(shí)間為7 h.最后, 利用電感耦合等離子體系統(tǒng)(inductively coupled plasma, ICP)對(duì)制備的ZnO:In 納米棒陣列進(jìn)行氫氣氛下的等離子體處理, 氫氣氛為20%的氫氣和80%的氬氣組成的混合氣氛, 等離子體處理參數(shù)設(shè)置為: 氫氣氛通氣速率100 sccm(1 sccm = 1 ml/min), 腔體氣壓50 Pa, 基底溫度30 ℃, 輻照時(shí)間40 min, 上下電極功率分別為600 和50 W, 詳細(xì)的氫氣氛等離子處理過(guò)程可見(jiàn)于前期的研究工作[17].

圖1 ZnO:In 納米棒陣列的制備流程示意圖Fig. 1. The schematic illustration of the fabrication process of ZnO:In nanorod arrays.

2.2 樣品表征

采用Philips XL30 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)表征ZnO:In 納米棒陣列的形貌. 采用丹東浩元儀器公司生產(chǎn)的DX-2700 型X 射線衍射儀(XRD)表征ZnO:In 納米棒陣列的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶性能. X 射線源為銅靶(CuKa,l= 0.154 nm), 管電壓為30 kV, 管電流15 mA. X 射線激發(fā)發(fā)射譜(X-ray Excited Luminescence, XEL)所用的X 射線激發(fā)發(fā)射譜儀為同濟(jì)大學(xué)自行研制[18]. X 射線源采用上海核子醫(yī)用儀器廠生產(chǎn)的F-30 III 型X射線機(jī), 靶材為鎢靶, 工作電壓和電流分別為80 kV 和4 mA. 光譜儀采用國(guó)產(chǎn)卓立漢光SBP-300 平面光柵單色儀, 儀器波長(zhǎng)分辨率為1 nm. 探測(cè)器為Hamamatsu PMTH-S1-CR131 型側(cè)窗式光電倍增管, 工作電壓為800V, 波長(zhǎng)范圍為200—1000 nm. 利用英國(guó)愛(ài)丁堡公司生產(chǎn)的FLS 1000 穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試了ZnO:In 納米棒陣列衰減時(shí)間譜(Decay Time, DT), 激發(fā)光源為納秒燈, 激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)置為325 nm. ZnO:In 納米棒陣列的X 射線成像實(shí)驗(yàn)是在上海同步輻射裝置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)的X 射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站(BL13 W1)上進(jìn)行的.

3 結(jié)果與討論

3.1 微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)

圖2 顯示了水熱反應(yīng)法制備的ZnO:In 納米棒陣列的SEM 圖. 通過(guò)圖2(a)的SEM 截面圖可以看出ZnO:In 納米棒陣列整齊且致密地排列生長(zhǎng)在石英基底上, 這是由于磁控濺射的100 nm 厚的ZnO 種子層起到了引導(dǎo)作用, 同時(shí)ZnO:In 納米棒陣列高度大體一致, 其厚度約為12 μm. 圖2(b)的頂端圖可以看出ZnO:In 納米棒陣列的頂端為“鉛筆頭”狀, 納米棒的平均直徑約0.5 μm. 圖2(c)和圖2(d)分別給出了ZnO:In 納米棒陣列的表面和斜視圖, 從更廣泛的角度展示陣列的微觀形貌結(jié)構(gòu). 特別需要指出的是可以通過(guò)控制水熱反應(yīng)法的生長(zhǎng)參數(shù)來(lái)控制ZnO:In 納米棒的直徑和長(zhǎng)度, 優(yōu)化納米棒陣列的結(jié)構(gòu), 獲得滿足不同需求的X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏.

圖2 ZnO:In 納米棒陣列的SEM (a)截面; (b)頂端; (c)表面; (d)斜視圖Fig. 2. SEM images of ZnO:In nanorod arrays: (a) Cross-sectional; (b) top; (c) surface; (d) oblique views.

為了分析ZnO:In 納米棒陣列的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能, 對(duì)ZnO:In 納米棒陣列進(jìn)行了XRD 表征.圖3 給出了ZnO:In 納米棒陣列在氫氣氛等離子體處理前后的XRD 圖. 可以看出所有的衍射峰都與六方相ZnO 的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖(JCPDS, NO 36-1451)完全一致, 并沒(méi)有出現(xiàn)氫氧化鋅, 鋅或銦的其他氧化物的衍射峰. 這表明所有的ZnO:In 納米棒均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu), 沒(méi)有第二相, 并且低濃度的銦離子摻雜并不會(huì)破壞ZnO 納米棒的結(jié)構(gòu). XRD 圖中最強(qiáng)的特征峰是約34.35°處的(002)衍射峰, 這表明ZnO:In 納米棒是沿c軸方向垂直于石英基底生長(zhǎng), 這與圖2 中SEM 圖展示的結(jié)果相一致.

圖3 氫氣氛等離子處理前 后ZnO:In納米棒陣列的XRD 譜圖Fig. 3. XRD patterns of the ZnO:In nanorod arrays before and after hydrogen plasma treatment.

3.2 X 射線激發(fā)發(fā)光特性

ZnO:In 納米棒陣列的X 射線激發(fā)發(fā)光特性是其用于X 射線探測(cè)與成像的基礎(chǔ). 通常ZnO 存在近帶邊紫外發(fā)光和深能級(jí)可見(jiàn)發(fā)光, 發(fā)光機(jī)理有很多解釋, 目前尚無(wú)法統(tǒng)一認(rèn)識(shí), 但一般認(rèn)為前者與ZnO 的激子復(fù)合有關(guān), 后者是由其本征缺陷(氧間隙Oi, 氧空位VO等)所致[19]. 圖4 給出了ZnO:In納米棒陣列在氫氣氛等離子體處理前后的XEL 光譜. 未經(jīng)氫氣氛處理的ZnO:In 納米棒陣列, 可以觀察到兩個(gè)發(fā)光帶, 即位于約395 nm 處的弱紫外發(fā)光帶和位于450—750 nm 處的可見(jiàn)發(fā)光帶, 且可見(jiàn)發(fā)光的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于紫外發(fā)光的強(qiáng)度. 此現(xiàn)象與水熱反應(yīng)法制備的ZnO 在X 射線激發(fā)下其紫外發(fā)光強(qiáng)度較弱的報(bào)道相一致[20,21]. 對(duì)比經(jīng)過(guò)氫氣氛等離子體處理后的ZnO:In 納米棒陣列, 可以發(fā)現(xiàn)其紫外發(fā)光明顯增強(qiáng), 可見(jiàn)發(fā)光強(qiáng)度降低. 紫外發(fā)光的增強(qiáng)可歸因于H 在ZnO 禁帶中形成了淺施主能級(jí), 促進(jìn)激子發(fā)射[22]. 可見(jiàn)發(fā)光的減弱, 這是由于H 進(jìn)入ZnO 內(nèi)部, 一方面與間隙位的O 結(jié)合后,形成O—H 鍵, 另一方面還可以填補(bǔ)VO, 形成了Zn—H 鍵, 抑制了由本征缺陷引起的發(fā)光[23]. 特別需要指出的是ZnO:In 的紫外發(fā)光具有亞納秒的發(fā)光衰減時(shí)間特性, 十分有利于超快X 射線的探測(cè)與成像[8]. 因此, XEL 光譜的結(jié)果表明氫氣氛等離子體處理是一種改善ZnO:In 納米棒陣列閃爍發(fā)光性能, 獲得超快X 射線探測(cè)的有效方式.

圖4 氫氣氛等離子處前后ZnO:In 納米棒陣列的XEL光譜Fig. 4. XEL spectra of the ZnO:In nanorod arrays before and after hydrogen plasma treatment.

3.3 衰減時(shí)間

X 射線成像探測(cè)器的時(shí)間分辨本領(lǐng)與閃爍材料的發(fā)光衰減時(shí)間密切相關(guān)[8]. ZnO:In 閃爍材料在X 射線激發(fā)下存在一個(gè)亞納秒量級(jí)超快衰減時(shí)間[24,25]. 基于目前超快X 射線源不易獲得, 難以直接測(cè)量X 射線激發(fā)下樣品的發(fā)光衰減時(shí)間. 因此,本文僅通過(guò)光致發(fā)光衰減時(shí)間來(lái)評(píng)估ZnO:In 納米棒陣列的時(shí)間分辨能力. 圖5 展示了ZnO:In 納米棒陣列的紫外和可見(jiàn)光發(fā)射的衰減曲線, 激發(fā)波長(zhǎng)為325 nm, 發(fā)射波長(zhǎng)分別為395 和530 nm. 從圖5(a)可以看出, ZnO:In 納米棒陣列的紫外發(fā)光衰減曲線和儀器響應(yīng)曲線幾乎完全重合, 說(shuō)明其發(fā)光衰減時(shí)間達(dá)到了儀器響應(yīng)的極限(1 ns), 因此可以確定其發(fā)光衰減時(shí)間應(yīng)該在1 ns 以下, 屬于亞納秒級(jí). 而對(duì)于圖5(b)的中ZnO:In 納米棒陣列的可見(jiàn)發(fā)光的衰減時(shí)間, 通過(guò)擬合得出, 其發(fā)光衰減時(shí)間有兩個(gè)成分, 分別為2.9 和21.9 ns. 因此, 可以確定基于ZnO:In 納米棒陣列的紫外線和可見(jiàn)光發(fā)射的衰減時(shí)間分別為亞納秒級(jí)和納秒級(jí), 兩者均可滿足快速X 射線成像的需求.

圖5 (a) ZnO:In納米棒陣列的紫外發(fā)光衰減時(shí)間曲 (lex = 325 nm, lem = 395 nm); (b)可見(jiàn)發(fā)光衰減時(shí)間曲線(lex = 325 nm, lem = 530 nm)Fig. 5. The fluorescence decay curves of (a) ultravioletemission (lex = 325 nm, lem = 395 nm) and (b) visible emission (lex = 325 nm, lem = 530 nm) for the ZnO:In nanorod arrays.

3.4 空間分辨率表征

目前, 用于X 射線成像系統(tǒng)空間分辨性能表征的方法主要有直接和間接測(cè)試法[26]. 直接測(cè)試法是通過(guò)對(duì)具有周期結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行X 射線掃描成像, 分析圖像中按一定規(guī)律排布的周期性結(jié)構(gòu)圖像或分辨率板, 以視覺(jué)上能分辨單位距離內(nèi)的最多條紋或圓孔數(shù)目來(lái)確定極限空間分辨率. 該方法可以在X 射線圖像中直接讀出系統(tǒng)的空間分辨率,具有直觀、方便的特點(diǎn). 間接測(cè)試法又叫調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function, MTF)法, 它可以定量描述系統(tǒng)空間頻域的傳遞特性和極限分辨能力, 具有較好的客觀性和全面性, 能夠真實(shí)且全面地反映X 射線成像系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)特性[13,27]. 本文采用這兩種方法同時(shí)來(lái)表征分析ZnO:In 納米棒陣列X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的成像空間分辨能力.

ZnO:In 納米棒陣列X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的空間分辨率是在上海光源X 射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站(BL13W1)上測(cè)量的. 圖6 為BL13W1線站的X 射線成像測(cè)試設(shè)備示意圖. 實(shí)驗(yàn)中待成像物品可以是分辨率板或刃邊, ZnO:In 納米棒陣列樣品作為X 射線成像探測(cè)的閃爍轉(zhuǎn)換屏, 其把X 射線轉(zhuǎn)換成的可見(jiàn)光由一臺(tái)由透鏡、反射鏡和日本濱松ORCA-Flash 4.0 V2 sCMOS 探測(cè)器構(gòu)成的同軸相機(jī)接收, 其中, 透鏡放大倍數(shù)選用10×,ORCA-Flash 4.0 探測(cè)器像素尺寸為6.5 μm. 本次測(cè)試中X 射線能量為20 KeV, 樣品處的X 射線劑量為1 × 106photons·mm–2·s–1, 曝光時(shí)間為300 s.

圖6 上海同步輻射光源BL13 W1 線站的X 射線成像測(cè)量設(shè)備示意圖Fig. 6. Schematic diagram of the synchrotron radiation X-ray imaging measurement setup at BL13 W1, SSRF.

為了直觀展示X 射線成像系統(tǒng)的空間本領(lǐng),首先利用分辨率板法測(cè)試ZnO:In 納米棒陣列X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的空間分辨率. 本次測(cè)試中使用由日本JIMA 公司專為硬X 射線成像設(shè)計(jì)的JIMA RT RC-02 型微分辨率板來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的空間分辨率[28]. 如圖7(a)所示, JIMA RT RC-02 型分辨率板是在60 μm 厚硅基底上鍍1 μm 鎢絲制成,有16個(gè)分辨精度. 圖7(b)和圖7(c)給出了在10×透鏡放大倍數(shù)下, 厚度為12 μm 的ZnO:In 納米棒陣列對(duì)分辨率板的3 和1.5 μm 圖案進(jìn)行X 射線成像的照片, 圖中裂痕是因分辨率板破損引起. 由圖7(b)可以非常清楚地觀察到3 μm 圖案的垂直和水平線. Kobayashi 等[15]報(bào)道采用ZnO 陣列獲得了相同的空間分辨率, 但其陣列的厚度僅為0.5 μm, 通常較薄厚度的閃爍屏可以減弱光的橫向傳播對(duì)分辨率的影響, 提高分辨率, 但這不利于高能X 射線成像. 特別需要指出的是圖7(c)展示的厚度為12 μm 的ZnO:In 納米棒陣列對(duì)分辨率板的1.5 μm 圖案的X 射線成像照片, 可以看出1.5 μm 的垂直和水平線仍然能夠分辨出來(lái). 因此,本工作制備的厚度為12 μm 的ZnO:In 納米棒陣列X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的空間分辨率可達(dá)1.5 μm.

本文基于一個(gè)刃邊的X 射線成像圖, 評(píng)估了ZnO:In 納米棒陣列X 射線成像系統(tǒng)的空間分辨能力, 刃邊法是MTF 法評(píng)價(jià)系統(tǒng)空間分辨率的一種常用手段[29]. 刃邊法測(cè)量ZnO:In 納米棒陣列的空間分辨率只需將圖6 中JIMA RT RC-02 型微米分辨率板替換成一個(gè)鉛制刃邊, X 射線對(duì)刃邊進(jìn)行成像, 通過(guò)收集刃邊兩側(cè)的灰度值數(shù)據(jù), 用數(shù)據(jù)平滑擬合后得到邊緣擴(kuò)散函數(shù)(edge spread function, ESF), 線擴(kuò)散函數(shù)(line spread function,LSF)通過(guò)對(duì)ESF 微分處理后得:

對(duì)線擴(kuò)散函數(shù)LSF 進(jìn)行傅里葉變換可得MTF:

圖8(a)給出了ZnO:In 納米棒陣列閃爍轉(zhuǎn)換屏的X 射線成像系統(tǒng)的MTF. 可以看出, X 射線成像系統(tǒng)的MTF 下降到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的線對(duì)值是377 lp/mm. 這說(shuō)明ZnO:In 納米棒陣列X 射線成像系統(tǒng)具有微米級(jí)的空間分辨率, 這與圖7 中利用分辨率板測(cè)試法所獲得的空間分辨率結(jié)果相一致.

圖7 (a) JIMA RT RC-02 型微米分辨率板實(shí)物圖, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖示意圖和微米分辨圖案; 基于ZnO:In 納米棒陣列做閃爍轉(zhuǎn)換屏的(b) 3 μm 和(c) 1.5 μm 的X 射線成像圖Fig. 7. (a) Physical, Schematic diagram of internal structure and Micron-resolved pattern of JIMA RT-02 micro-resolution plates;the X-ray images of (b) 3 μm and (c) 1.5 μm basedonZnO:In nanorod arrays as the scintillation screen.

探測(cè)量子效率(detection quantum efficiency,DQE)有機(jī)地結(jié)合了X 射線輻射劑量、空間分辨率和噪聲等幾個(gè)重要因素, 是評(píng)價(jià)閃爍轉(zhuǎn)換屏成像性能的重要手段之一. 通常使用IEC-62220 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量閃爍轉(zhuǎn)換屏的DQE[30], DQE 可表示為

其中Q為X 射線入射流量, NPS 是在X 射線輻射下輸出的噪聲功率函數(shù)(noise power spectrum).NPS 可通過(guò)X 射線的曝光圖像得到, 將曝光圖像分割成M個(gè)感性小區(qū)域(256 × 256 像素點(diǎn)), 每相鄰兩個(gè)小區(qū)域有一半重疊, 對(duì)每個(gè)小區(qū)域進(jìn)行傅里葉變換可得噪聲功率函數(shù):

其中 ?x和 ?y為像素點(diǎn)的尺寸大小,I代表每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的光子分布, 對(duì)每個(gè)小區(qū)域光子分布做二維多項(xiàng)式擬合可得到S. 圖8(b)是基于ZnO:In 納米棒陣列閃爍轉(zhuǎn)換屏的X 射線成像系統(tǒng)的DQE. 可以看出所示計(jì)算出的DQE 曲線隨頻率的增加而減小, 同時(shí)需要注意的是X 射線成像系統(tǒng)的DQE 在整個(gè)頻率區(qū)域都較低, 這是由于ZnO:In納米棒陣列厚度還不是足夠厚而導(dǎo)致X 射線吸收低所致. 在接下來(lái)的工作中, 需要進(jìn)一步優(yōu)化ZnO:In 納米棒陣列的結(jié)構(gòu)以改善閃爍轉(zhuǎn)換屏的DQE.

圖8 ZnO:In 納米棒陣列的X 射線成像系統(tǒng)的(a) MTF曲線和(b) DQE 曲線Fig. 8. (a) MTF and (b) DQE curves of the X-ray imaging system with ZnO:In nanorod arrays.

4 結(jié) 論

針對(duì)未來(lái)大型科學(xué)裝置對(duì)兼顧高時(shí)間和高空間分辨的X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏的迫切需求, 本文利用磁控濺射和水熱反應(yīng)法制備了ZnO:In 納米棒陣列用作X 射線成像閃爍轉(zhuǎn)換屏, 并通過(guò)氫氣氛等離子體處理優(yōu)化了其閃爍發(fā)光性能. ZnO:In 納米棒陣列的SEM 圖顯示納米棒的平均直徑約為0.5 μm,平均高度約為12 μm. XRD 結(jié)果表明ZnO:In 納米棒是沿c軸方向垂直于石英基底生長(zhǎng). XEL 譜顯示ZnO:In 納米棒陣列有兩處發(fā)光峰, 分別為位于395 nm 處的紫外發(fā)光和位于450—750 nm 處的可見(jiàn)發(fā)光. 同時(shí)XEL 譜也表明氫氣氛等離子體處理可以顯著提高ZnO:In 納米棒陣列的紫外發(fā)光, 并抑制其可見(jiàn)發(fā)光, 這有利于超快X 射線的探測(cè)與成像. 此外ZnO:In 納米棒陣列的熒光衰減時(shí)間測(cè)試表明, 其紫外發(fā)光的衰減時(shí)間在1 ns 以下,表明其可滿足超快X 射線探測(cè)與成像的需求. 而其可見(jiàn)發(fā)光的衰減時(shí)間有兩個(gè)成分, 分別為2.9 和21.9 ns. 本工作中ZnO:In 納米棒陣列的空間分辨能力是在SSRF 的BL13W1 光束線上進(jìn)行測(cè)量評(píng)估. 在能量為20 keV 的X 激發(fā)下, 厚度為12 μm的ZnO:In 納米棒陣列的系統(tǒng)空間分辨率為1.5 μm,其MTF 為377 lp/mm, 這是目前利用ZnO:In 納米棒陣列作為X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏獲得的最高空間分辨率. 此外, 對(duì)ZnO:In 納米棒陣列的DQE 分析顯示X 射線成像系統(tǒng)的DQE 在整個(gè)頻率區(qū)域都較低, 因此, 后續(xù)可以繼續(xù)通過(guò)優(yōu)化陣列結(jié)構(gòu), 來(lái)提高成像系統(tǒng)的DQE. 總之, 本文的研究結(jié)果表明ZnO:In 納米棒陣列可以作為一種具有潛力的X 射線閃爍轉(zhuǎn)換屏, 用于滿足兼顧高空間和高時(shí)間分辨X 射線探測(cè)與成像的需求.

感謝中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的付亞楠、彭冠云和郭翰等老師對(duì)閃爍轉(zhuǎn)換屏測(cè)試提供的技術(shù)幫助；感謝上海光源BL13W1 線站對(duì)本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試的大力支持。