閃爍體特性對X射線探測器成像質(zhì)量影響研究

譚龍升，李曉輝，魏存峰，王 哲，王帥華，孟凡輝，舒巖峰，張成鑫，王 遠(yuǎn)

(1.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學(xué)院 福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福州 350002；3.中國工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，綿陽 621900；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

閃爍體是間接式X射線探測器的核心部件，從20世紀(jì)90年代開始，閃爍體作為X射線的轉(zhuǎn)換屏就開始應(yīng)用于X射線探測器。X射線探測器根據(jù)其成像方式的不同可以分為直接式[1]和間接式[2]。直接式成像探測器通常應(yīng)用于軟X射線能區(qū)[1]，X射線通過待測物體直接作用于圖像傳感器上，這種方式的光學(xué)響應(yīng)快，但是抗輻照性差；間接式成像探測器通常應(yīng)用于硬X射線能區(qū)，這種方式不僅有效避免了高能X射線直接照射在探測器上造成的輻射損傷，而且還有效保證了探測器的壽命[2]。

間接式X射線探測器的核心結(jié)構(gòu)是閃爍屏和圖像傳感器，通常具有三種耦合方式：光纖耦合式、透鏡耦合式、直接耦合式[3]?；诠饫w耦合的X射線探測器主要結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示[3-5]，X射線激發(fā)閃爍體，閃爍體退激后發(fā)出可見光通過光纖耦合到面陣CCD上，這種方式具有耦合效率高、制作工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點，不過它存在結(jié)構(gòu)靈活性差、耦合工藝要求高等缺點[3]，此外由于該結(jié)構(gòu)在工作時，面陣CCD器件等核心器件被暴露在X射線的直通光路中，在高能量X射線下會造成一定的輻射損傷[4]。

圖1 各類間接式X射線探測器(a)光纖耦合式的X射線探測器；(b) 透鏡耦合式的X射線探測器；(c) 直接耦合式的X射線探測器

基于透鏡耦合的X射線探測器主要結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，包括閃爍體、透鏡系統(tǒng)、反射鏡、面陣CCD器件[6-7]。閃爍體產(chǎn)生的可見光通過透鏡，經(jīng)反射鏡反射到面陣CCD上。這種方式不僅分離了光路中的X射線和可見光，能有效避免X射線直通光路對面陣CCD器件等核心器件造成的損傷，而且還可以通過顯微鏡頭的放大比獲得更高的空間分辨率[4]。但是該方式耦合效率低、圖像失真高，且容易受到雜散光影響。

基于直接耦合的X射線探測器主要結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，包括閃爍體、CMOS圖像傳感器[3]。閃爍體產(chǎn)生的可見光直接照射在CMOS圖像傳感器上。這種方式的光能損失小、耦合效率高、圖像失真少、成像速度快，但是加工難度高、易造成輻射損傷。

本論文擬通過對透鏡耦合式X射線探測器的分析，探究這種耦合方式下影響探測器成像圖像質(zhì)量的主要因素，具有重要的現(xiàn)實意義和工業(yè)參考價值。一般來說，影響透鏡耦合式X射線探測器成像質(zhì)量的因素主要有以下幾點：X射線能量、閃爍體的材料以及厚度、透鏡系統(tǒng)的倍率、圖像傳感器的類型(CCD、CMOS)[8-9]。本文主要探究不同X射線能量下閃爍體的材料以及厚度對成像質(zhì)量的影響，并通過理論計算指導(dǎo)實驗探究的方法，得到對應(yīng)的空間分辨率以及對比度目標(biāo)，為高能X射線探測器成像質(zhì)量優(yōu)化提供參考。

1 理論分析

閃爍體的發(fā)光原理是閃爍體晶格吸收X射線后激發(fā)內(nèi)部原子或者分子到高能態(tài)，隨即退激產(chǎn)生可見光光子。閃爍體的基本特性參數(shù)主要有：密度、光子發(fā)射效率、衰減時間、發(fā)光主波長。本實驗使用的閃爍體及其特性參數(shù)如表1所示。

表1 本實驗使用閃爍體的基本特性參數(shù)

圖2是透鏡耦合式X射線探測器像差分析圖，由于閃爍體存在一定厚度，閃爍體不同平面上產(chǎn)生的可見光圖像通過透鏡系統(tǒng)聚焦于CCD的不同像平面上從而產(chǎn)生像差，增加閃爍體厚度，雖然可以增加閃爍體對X射線的吸收效率以及其產(chǎn)生可見光的輸出功率，但是也加大了探測器光學(xué)系統(tǒng)的像差，導(dǎo)致探測器空間分辨率降低[3]。不同材料的發(fā)光效率、衰減時間、波長以及對X光的吸收效率不同。此外X射線和光軸之間的角度也可能降低圖像質(zhì)量。因此，探究不同X射線能量下最優(yōu)閃爍體材料以及最佳厚度是本文的主要目標(biāo)，此外，通過選擇合適的閃爍體材料，應(yīng)使探測器成像所需的積分時間盡可能地小，這對于優(yōu)化X射線探測器的探測性能有重要意義。

圖2 透鏡耦合式X射線探測器像差分析圖

透鏡耦合式X射線探測器的分辨率R可由式(1a)[10]計算得出：

(1a)

(1b)

(1c)

式中，p和q為根據(jù)系統(tǒng)的線擴(kuò)散函數(shù)選定積分情況下的系數(shù)；NA為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑；z為閃爍體的厚度。式中第一項對應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的焦深，第二項對應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的像差。閃爍屏的厚度直接影響著探測器的成像性能。

本文的目標(biāo)是找到合適厚度的材料，從而使透鏡耦合式X射線探測器(實驗需要測試探測器對大幅面物體成像能力，因此設(shè)置縮放比為0.45)在低能區(qū)(150～400 keV)的空間分辨率達(dá)到10 lp/mm。目前,測試過程中光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

表2 測試平臺光學(xué)鏡頭參數(shù)

以低能區(qū)為例，空間分辨率目標(biāo)要求為50 μm，利用式(1a)分別計算fw50%int與fw90%int下的閃爍體厚度分別為3.7 mm和0.989 mm，說明在該區(qū)間內(nèi)可能會達(dá)到實驗要求。同理高能目標(biāo)要求為100 μm下得出的閃爍體厚度分別為7.407 mm和1.983 mm，同樣說明在該區(qū)間內(nèi)可能會達(dá)到實驗要求。盡管該計算未考慮不同材料、不同能量造成的分辨率差異，僅從光學(xué)角度計算了厚度，但仍具有一定的參考價值。

由于高能下閃爍體存在能量沉積、空間散射、發(fā)光不均勻等現(xiàn)象單張圖像的空間分辨率顯然不能滿足要求，需要采集多組圖像做一致性校正，其原理如下：

定義原始線對卡圖像矩陣為RI(三維矩陣n×m×N，N為采集圖像份數(shù)、n×m為CCD面陣像素點個數(shù)),原始線對卡圖像平均矩陣RIA(二維矩陣n×m)真實線對卡圖像矩陣為RI(n×m), 原始亮場圖像矩陣為RA(n×m×N) ,圖像噪聲矩陣為N(n×m×N)，圖像噪聲平均矩陣NA(n×m)增益矩陣為G(n×m,反映CCD每個像素點的響應(yīng)情況，對于一致性較好的圖像G=a×I，a為常數(shù)，I為單位陣)，則有如下關(guān)系：

對于每個像素點有：

RIAijk=Gij*RIij+NAij

(2a)

因此

(2b)

(2c)

(2d)

(2e)

利用式(2e)即可得到我們所需的一致性較好的圖像。

2 測試過程以及結(jié)果分析

2.1 實驗裝置及結(jié)構(gòu)

本次測試過程在中科院高能所自檢的X射線探測器實驗平臺上進(jìn)行，射線源包括了YXLON公司的450 keV光機(jī)(射線源焦點大?。?.5 mm，出射光束角：10°，實驗距離1.5 m，管電流大小：10 mA)，圖3是其結(jié)構(gòu)圖，圖4是實驗所用線對卡圖。

圖3 實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

圖4 實驗所用線對卡

該裝置包括尼康鏡頭、科學(xué)級CCD相機(jī)(制冷溫度-20℃、像素大小9 μm、面陣大小為4144×4128)、平面反射鏡、線對卡(鉛塊線對卡、雙絲線對卡、楔形線對卡)、紫光燈、光學(xué)夾具及電動位移臺。測試過程中使用閃爍體規(guī)格為GAGG: 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm；LYSO:3 mm；FOP:5 mm；TB:3 mm。

2.2 測試步驟

(1)首先對X射線探測器實驗平臺進(jìn)行光學(xué)對焦。實驗暗室下利用紫光燈激發(fā)閃爍體發(fā)光，透過緊貼于閃爍體前端的楔形線對卡，在CCD上成像，通過調(diào)節(jié)物距以及鏡頭使空間分辨率達(dá)到20 lp/mm為止。圖5是暗室下的測試圖。圖6是楔形線對卡達(dá)到20 lp/mm的實驗圖。

圖5 暗室下光學(xué)對焦現(xiàn)場測試圖

圖6 楔形線對卡空間分辨率達(dá)到20 lp/mm實驗圖

(2)對焦完畢后取出楔形線對卡和閃爍體，將雙絲線對卡或者鉛塊線對卡緊貼于待測閃爍體后方，閃爍體朝向靠近鏡頭的一端放入對焦調(diào)整好位置的光學(xué)夾具內(nèi)，將鏡頭光圈盡量調(diào)小，然后蓋上裝置。

(3)將實驗裝置移至450 keV射線的平臺上。

(4)實驗采集不同閃爍體的線對卡圖像、閃爍體亮場圖像(去掉背后的線對卡)、暗場圖像(射線下去掉夾具上閃爍體及線對卡)若干張。

2.3 測試結(jié)果及其處理

圖像的空間分辨率也稱為圖像的對比度分辨率，通常使用雙絲像質(zhì)計法測量調(diào)制度曲線，圖7是雙絲像質(zhì)計的一絲對灰度曲線圖。通過式(3)可以計算出該絲對分辨率下的調(diào)制度[11]，計算得出絲對的一系列調(diào)制度，通過擬合可以得到調(diào)制度曲線。

圖7 絲對灰度曲線圖

(3)

根據(jù)理論預(yù)測選擇3 mm LYSO、4 mm GAGG、5 mm FOP，實驗在低能下分別采集150 keV、200 keV、250keV、300 keV和400 keV不同能量下的不同材料所得的實驗圖像，圖8是150 keV下LYSO的單張線對卡圖像。

圖8 150 keV LYSO線對卡圖

選取實驗圖像中的每組絲對利用式(3)計算其襯度，得到所需的調(diào)制度曲線。圖9是實驗所得各個材料不同能量下的調(diào)制度曲線。從圖9曲線中，可得出不同材料在不同能量下的空間分辨率的實驗結(jié)果，如表3所示。

圖9 不同材料不同能量的調(diào)制度曲線(a) GAGG不同能量下的調(diào)制度曲線；(b) LYSO不同能量下的調(diào)制度曲線；(c) FOP不同能量下的調(diào)制度曲線

表3 不同材料在不同能量下的空間分辨率

從圖9(a)、(c)可以看出，低能區(qū)GAGG、FOP在不同能量的下襯度的變化率相當(dāng)(不同能量的程度曲線近似平行或重合)，其中GAGG圖像襯度值隨線對空間分辨率增加下降緩慢，F(xiàn)OP圖像襯度值隨線對空間分辨率增加迅速下降；從圖9(b)可以看出，低能區(qū)不同能量下的LYSO圖像襯度值隨分辨率的變化率存在明顯差異。實驗表明，GAGG襯度隨空間分辨率變化不大，是一種優(yōu)良的閃爍體材料。從表3可以看出，4 mm GAGG低能區(qū)空間分辨率(MTF10)大于10 lp/mm滿足目標(biāo)要求；3 mm LYSO在僅在150 keV時空間分辨率(MTF10)大于10 lp/mm；5 mm FOP在所有能量下不滿足目標(biāo)要求。所以，4 mm GAGG在低能區(qū)滿足目標(biāo)空間分辨率10 lp/mm。

2.4 結(jié)論

本實驗存在縮放比(0.45倍)情況下低能區(qū)(150～400 keV)理論預(yù)測厚度在0.989～3.7 mm區(qū)間內(nèi)，實驗得到4 mm GAGG與3 mm LYSO(僅在能量150 keV)與理論預(yù)測符合較好，達(dá)到目標(biāo)要求的空間分辨率(MTF10)10 lp/mm。

3 結(jié)語

本文通過理論預(yù)測指導(dǎo)實驗探究，得到了可供參考的間接式X射線探測器的最優(yōu)閃爍體材料以及厚度。下一步實驗，一方面將進(jìn)一步探究更多性能優(yōu)異的閃爍體材料以及達(dá)到更好空間分辨率的閃爍體厚度；另一方面探討影響閃爍體空間分辨率變化的主要原因，給出預(yù)測不同條件下閃爍體空間分辨率的有效理論。