闪烁体特性对X射线探测器成像质量影响研究

2022-08-22谭龙升李晓辉魏存峰王帅华孟凡辉舒岩峰张成鑫

中国体视学与图像分析 2022年2期

谭龙升，李晓辉，魏存峰，王哲，王帅华，孟凡辉，舒岩峰，张成鑫，王远

(1.中国科学院高能物理研究所，北京 100049；2.中国科学院福建物质结构研究所，福州 350002；3.中国工程物理研究院应用电子学研究所，绵阳 621900；4.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

闪烁体是间接式X射线探测器的核心部件，从20世纪90年代开始，闪烁体作为X射线的转换屏就开始应用于X射线探测器。X射线探测器根据其成像方式的不同可以分为直接式[1]和间接式[2]。直接式成像探测器通常应用于软X射线能区[1]，X射线通过待测物体直接作用于图像传感器上，这种方式的光学响应快，但是抗辐照性差；间接式成像探测器通常应用于硬X射线能区，这种方式不仅有效避免了高能X射线直接照射在探测器上造成的辐射损伤，而且还有效保证了探测器的寿命[2]。

间接式X射线探测器的核心结构是闪烁屏和图像传感器，通常具有三种耦合方式：光纤耦合式、透镜耦合式、直接耦合式[3]。基于光纤耦合的X射线探测器主要结构如图1(a)所示[3-5]，X射线激发闪烁体，闪烁体退激后发出可见光通过光纤耦合到面阵CCD上，这种方式具有耦合效率高、制作工艺简单、结构紧凑、体积小等优点，不过它存在结构灵活性差、耦合工艺要求高等缺点[3]，此外由于该结构在工作时，面阵CCD器件等核心器件被暴露在X射线的直通光路中，在高能量X射线下会造成一定的辐射损伤[4]。

图1 各类间接式X射线探测器(a)光纤耦合式的X射线探测器；(b) 透镜耦合式的X射线探测器；(c) 直接耦合式的X射线探测器

基于透镜耦合的X射线探测器主要结构如图1(b)所示，包括闪烁体、透镜系统、反射镜、面阵CCD器件[6-7]。闪烁体产生的可见光通过透镜，经反射镜反射到面阵CCD上。这种方式不仅分离了光路中的X射线和可见光，能有效避免X射线直通光路对面阵CCD器件等核心器件造成的损伤，而且还可以通过显微镜头的放大比获得更高的空间分辨率[4]。但是该方式耦合效率低、图像失真高，且容易受到杂散光影响。

基于直接耦合的X射线探测器主要结构如图1(c)所示，包括闪烁体、CMOS图像传感器[3]。闪烁体产生的可见光直接照射在CMOS图像传感器上。这种方式的光能损失小、耦合效率高、图像失真少、成像速度快，但是加工难度高、易造成辐射损伤。

本论文拟通过对透镜耦合式X射线探测器的分析，探究这种耦合方式下影响探测器成像图像质量的主要因素，具有重要的现实意义和工业参考价值。一般来说，影响透镜耦合式X射线探测器成像质量的因素主要有以下几点：X射线能量、闪烁体的材料以及厚度、透镜系统的倍率、图像传感器的类型(CCD、CMOS)[8-9]。本文主要探究不同X射线能量下闪烁体的材料以及厚度对成像质量的影响，并通过理论计算指导实验探究的方法，得到对应的空间分辨率以及对比度目标，为高能X射线探测器成像质量优化提供参考。

1 理论分析

闪烁体的发光原理是闪烁体晶格吸收X射线后激发内部原子或者分子到高能态，随即退激产生可见光光子。闪烁体的基本特性参数主要有：密度、光子发射效率、衰减时间、发光主波长。本实验使用的闪烁体及其特性参数如表1所示。

表1 本实验使用闪烁体的基本特性参数

图2是透镜耦合式X射线探测器像差分析图，由于闪烁体存在一定厚度，闪烁体不同平面上产生的可见光图像通过透镜系统聚焦于CCD的不同像平面上从而产生像差，增加闪烁体厚度，虽然可以增加闪烁体对X射线的吸收效率以及其产生可见光的输出功率，但是也加大了探测器光学系统的像差，导致探测器空间分辨率降低[3]。不同材料的发光效率、衰减时间、波长以及对X光的吸收效率不同。此外X射线和光轴之间的角度也可能降低图像质量。因此，探究不同X射线能量下最优闪烁体材料以及最佳厚度是本文的主要目标，此外，通过选择合适的闪烁体材料，应使探测器成像所需的积分时间尽可能地小，这对于优化X射线探测器的探测性能有重要意义。

图2 透镜耦合式X射线探测器像差分析图

透镜耦合式X射线探测器的分辨率R可由式(1a)[10]计算得出：

(1a)

(1b)

(1c)

式中，p和q为根据系统的线扩散函数选定积分情况下的系数；NA为光学系统的数值孔径；z为闪烁体的厚度。式中第一项对应光学系统的焦深，第二项对应光学系统的像差。闪烁屏的厚度直接影响着探测器的成像性能。

本文的目标是找到合适厚度的材料，从而使透镜耦合式X射线探测器(实验需要测试探测器对大幅面物体成像能力，因此设置缩放比为0.45)在低能区(150～400 keV)的空间分辨率达到10 lp/mm。目前,测试过程中光学系统的参数如表2所示。

表2 测试平台光学镜头参数

以低能区为例，空间分辨率目标要求为50 μm，利用式(1a)分别计算fw50%int与fw90%int下的闪烁体厚度分别为3.7 mm和0.989 mm，说明在该区间内可能会达到实验要求。同理高能目标要求为100 μm下得出的闪烁体厚度分别为7.407 mm和1.983 mm，同样说明在该区间内可能会达到实验要求。尽管该计算未考虑不同材料、不同能量造成的分辨率差异，仅从光学角度计算了厚度，但仍具有一定的参考价值。

由于高能下闪烁体存在能量沉积、空间散射、发光不均匀等现象单张图像的空间分辨率显然不能满足要求，需要采集多组图像做一致性校正，其原理如下：

定义原始线对卡图像矩阵为RI(三维矩阵n×m×N，N为采集图像份数、n×m为CCD面阵像素点个数),原始线对卡图像平均矩阵RIA(二维矩阵n×m)真实线对卡图像矩阵为RI(n×m), 原始亮场图像矩阵为RA(n×m×N) ,图像噪声矩阵为N(n×m×N)，图像噪声平均矩阵NA(n×m)增益矩阵为G(n×m,反映CCD每个像素点的响应情况，对于一致性较好的图像G=a×I，a为常数，I为单位阵)，则有如下关系：

对于每个像素点有：

RIAijk=Gij*RIij+NAij

(2a)

因此

(2b)

(2c)

(2d)

(2e)

利用式(2e)即可得到我们所需的一致性较好的图像。

2 测试过程以及结果分析

2.1 实验装置及结构

本次测试过程在中科院高能所自检的X射线探测器实验平台上进行，射线源包括了YXLON公司的450 keV光机(射线源焦点大小：5.5 mm，出射光束角：10°，实验距离1.5 m，管电流大小：10 mA)，图3是其结构图，图4是实验所用线对卡图。

图3 实验平台结构图

图4 实验所用线对卡

该装置包括尼康镜头、科学级CCD相机(制冷温度-20℃、像素大小9 μm、面阵大小为4144×4128)、平面反射镜、线对卡(铅块线对卡、双丝线对卡、楔形线对卡)、紫光灯、光学夹具及电动位移台。测试过程中使用闪烁体规格为GAGG: 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm；LYSO:3 mm；FOP:5 mm；TB:3 mm。

2.2 测试步骤

(1)首先对X射线探测器实验平台进行光学对焦。实验暗室下利用紫光灯激发闪烁体发光，透过紧贴于闪烁体前端的楔形线对卡，在CCD上成像，通过调节物距以及镜头使空间分辨率达到20 lp/mm为止。图5是暗室下的测试图。图6是楔形线对卡达到20 lp/mm的实验图。

图5 暗室下光学对焦现场测试图

图6 楔形线对卡空间分辨率达到20 lp/mm实验图

(2)对焦完毕后取出楔形线对卡和闪烁体，将双丝线对卡或者铅块线对卡紧贴于待测闪烁体后方，闪烁体朝向靠近镜头的一端放入对焦调整好位置的光学夹具内，将镜头光圈尽量调小，然后盖上装置。

(3)将实验装置移至450 keV射线的平台上。

(4)实验采集不同闪烁体的线对卡图像、闪烁体亮场图像(去掉背后的线对卡)、暗场图像(射线下去掉夹具上闪烁体及线对卡)若干张。

2.3 测试结果及其处理

图像的空间分辨率也称为图像的对比度分辨率，通常使用双丝像质计法测量调制度曲线，图7是双丝像质计的一丝对灰度曲线图。通过式(3)可以计算出该丝对分辨率下的调制度[11]，计算得出丝对的一系列调制度，通过拟合可以得到调制度曲线。

图7 丝对灰度曲线图

(3)

根据理论预测选择3 mm LYSO、4 mm GAGG、5 mm FOP，实验在低能下分别采集150 keV、200 keV、250keV、300 keV和400 keV不同能量下的不同材料所得的实验图像，图8是150 keV下LYSO的单张线对卡图像。

图8 150 keV LYSO线对卡图

选取实验图像中的每组丝对利用式(3)计算其衬度，得到所需的调制度曲线。图9是实验所得各个材料不同能量下的调制度曲线。从图9曲线中，可得出不同材料在不同能量下的空间分辨率的实验结果，如表3所示。

图9 不同材料不同能量的调制度曲线(a) GAGG不同能量下的调制度曲线；(b) LYSO不同能量下的调制度曲线；(c) FOP不同能量下的调制度曲线

表3 不同材料在不同能量下的空间分辨率

从图9(a)、(c)可以看出，低能区GAGG、FOP在不同能量的下衬度的变化率相当(不同能量的程度曲线近似平行或重合)，其中GAGG图像衬度值随线对空间分辨率增加下降缓慢，FOP图像衬度值随线对空间分辨率增加迅速下降；从图9(b)可以看出，低能区不同能量下的LYSO图像衬度值随分辨率的变化率存在明显差异。实验表明，GAGG衬度随空间分辨率变化不大，是一种优良的闪烁体材料。从表3可以看出，4 mm GAGG低能区空间分辨率(MTF10)大于10 lp/mm满足目标要求；3 mm LYSO在仅在150 keV时空间分辨率(MTF10)大于10 lp/mm；5 mm FOP在所有能量下不满足目标要求。所以，4 mm GAGG在低能区满足目标空间分辨率10 lp/mm。