一種新型的液閃陣列成像屏空間分辨特性*

張美 李奎念 李陽 盛亮 張艷紅

(西北核技術研究院, 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室, 西安710024)(2019 年 10 月 10日收到; 2019 年 11 月 29日收到修改稿)

針對低強度射線成像, 自主研制了一種像元為0.1 mm高探測效率的液閃陣列屏. 為此, 基于傾斜刀口邊緣響應的測量原理, 建立了理論模擬方法和實驗研究方法, 對該液閃陣列屏開展了空間分辨性能研究. 通過理論模擬, 給出了液閃陣列屏在14 MeV中子和1.25 MeV 伽馬射線激發下的調制傳遞函數, 并與像元為0.1,0.3和0.5 mm的閃爍纖維陣列屏進行了理論對比. 在60Co伽馬射線源上, 對液閃陣列屏和像元為0.3和0.5 mm的兩種國產閃爍纖維陣列屏進行了調制傳遞函數實測研究. 理論模擬和實驗結果一致, 均表明液閃陣列的空間特性優于閃爍纖維陣列屏, 而且具有更好的均勻性, 對 1.25 MeV 伽馬, 空間分辨接近 0.9 lp/mm, 而其他兩種纖維陣列屏僅達到0.5 lp/mm, 對于14 MeV中子, 液閃陣列屏的空間分辨可達到1.8 lp/mm.

1 引言

在脈沖輻射場成像技術中, 需通過射線成像屏, 把經過針孔或編碼孔形成的射線圖像轉換成可記錄的可見光圖像[1?7]. 閃爍體是最常用的射線成像屏材料, 針對不同的射線, 主要有無機閃爍體和有機閃爍體成像屏兩類[8?11]. 基于閃爍體的成像屏一直是射線成像探測領域研究的熱點, 在快響應時間、高探測效率和高空間分辨等性能方面在不斷地發展改進. 特別是針對慣性約束聚變和Z-pinch驅動聚變的中子圖像診斷, 圖像系統的空間分辨要求達到幾十微米, 而這些聚變裝置的產額目前還較低, 要求成像屏除了滿足空間分辨的需求外, 還要具有高的探測效率和快的響應時間, 以獲得高質量的時間分辨圖像[12?14].

為解決同時滿足高時空分辨和高探測效率這一難題, 陣列型成像屏被提出研究, 在不改變的空間分辨的前提下, 通過加大陣列的厚度進一步提高探測效率. 國外研究者針對慣性約束聚變中子圖像診斷需求, 對閃爍纖維屏和毛細管液閃陣列屏先后做了大量研究, 其像元尺寸從毫米到幾十微米量級. 由于閃爍纖維的工藝技術限制, 單像元小于0.2 mm閃爍纖維陣列屏難以實現, 國外研究者通過石英毛細管液閃陣列, 使得單像元尺寸達到了65 μm, 并用于國家點火裝置診斷中[15?17]. 國內對閃爍纖維陣列屏研究相對較多, 目前還未見石英毛細管液閃陣列屏的詳細報道. 由于超細石英毛細管加工、排列和液閃均勻灌封等都存在極大難度, 成品率低, 國外的成品對國內禁運, 難以購得. 為此自主開發了一種像元為0.1 mm的新型液閃陣列屏, 本文對該陣列屏從理論和實驗兩方面開展空間分辨特性研究, 并與常見的幾種國產閃爍纖維屏進行比較, 研究結果表明研制的新型液閃陣列屏具有好的空間分辨能力. 該陣列屏的成功研制為提升射線圖像探測水平提供了有益探索.

2 新型液閃陣列成像屏主要參數和研制簡介

圖1和表1分別是研制完成的新型液閃陣列屏和閃爍纖維屏的實物圖和主要參數.

圖1 陣列成像屏實物圖(a) LCA 液閃陣列屏; (b) GSFA纖維屏; (c) BSFA 纖維屏Fig. 1. Array imaging plate: (a) LCA liquid scintillator capillaries array; (b) GSFA scintillating array screen; (c) BSFA scintillating array screen.

表1 三種陣列屏的基本結構尺寸和參數Table 1. Geometry dimension and performance parameter of three array imaging plate.

其中GSFA是采用BCF-20閃爍纖維排列而成的陣列屏, BSFA為BCF-10閃爍纖維陣列屏,LCA為內徑是0.1 mm、壁厚為0.02 mm的石英毛細管液閃陣列屏, 其毛細管中裝有高發光效率EJ309液體閃爍體. 液閃和閃爍纖維都是有機閃爍材料, 主要的成分是碳和氫.

把內徑僅0.1 mm的石英毛細管排成大尺寸均勻的陣列屏, 其研制、加工難度非常大, 加工過程較為復雜. 超細毛細管在拉制過程易破碎, 即使不破碎也容易變形, 拉制過程需精確控制. 為防止破碎和形變, 加工過程中需在毛細管內鼓入適當空氣并嚴格控制氣量, 同時要采用“倒吸法”消除碎屑, 防止毛細管堵塞. 在液閃灌裝之前, 要通過晶須生長法對毛細管內壁進行粗糙化處理, 實現液閃在毛細管內均勻浸潤, 同時為保真陣列屏的性能穩定, 還要對毛細管壁進行去活性分子團和惰性化處理. 在灌裝液閃過程中, 毛細管內容易產生氣泡,需進一步采用“微正壓慢滲透”工藝進行排氣. 灌裝液閃后的陣列屏兩端由光纖面板進行密封.

3 射線激發下陣列屏調制傳遞函數的理論模擬

中子或伽馬射線與陣列屏中閃爍材料作用機制較為復雜. 射線的散射和所產生的次級帶電粒子的能量沉積彌散, 均會造成信號在陣列間相互串擾, 致使成像屏空間分辨下降[18,19]. 成像的射線不同, 陣列屏空間分辨響應特性也不同, 對其評估更為復雜.

調制傳遞函數 (modulation transfer function,MTF)常用來表征成像系統的空間分辨特性[20], 本文借鑒光電成像器件MTF的測試原理, 建立了模擬分析方法和實驗研究方案, 對射線激發下的陣列成像屏開展空間分辨特性研究.

3.1 MTF理論模擬方法

刀口邊緣響應法是獲得成像器件MTF常用的一種方法, 即先獲得成像器件對刀口響應的邊緣擴展函數 (edge spread function, ESF), 然后對 ESF進行微分和傅里葉變換得到MTF. 對離散采樣陣列探測器, 為更全面評估空間分辨能力, 應用傾斜邊緣刀口法[21]. 基于該方法, 本文采用大型的射線粒子輸運模擬軟件MCNPx進行仿真模擬, 該軟件對粒子輸運模擬過程比較接近真實的物理過程.

本文模擬中射線源(分別是14 MeV中子和1.25 MeV伽馬)設計為一均勻定向發射的面源, 面源的形狀為矩形, 發射方向垂直于陣列屏入射面.由于面源邊沿與陣列的相對位置(見圖2(a)—(c))對能量沉積分布和熒光輸出分布均會有影響, 為此采用傾斜邊緣刀口法, 見圖2(d)的方式, 即面源在陣列屏上的投影邊沿與陣列排布方向呈一定夾角.夾角的設計規則是沿著傾斜的邊沿, 每經過10個像元, 第一個像元未被輻照, 而最后一個恰好被完全輻照, 則根據幾何關系算得傾斜角度約為6°. 模擬中各陣列屏的結構參數見表1. 采用MCNPx軟件中F6計數卡記錄每根陣列單元內次級帶電粒子(電子或質子)的能量沉積, 再根據閃爍材料對不同能量帶電粒子(電子或質子)的光響應函數,累計得到每個像元內產生的熒光光子數, 根據圖3及下列的(1)式和(2)式可求得陣列成像屏的ESF.

圖2 矩形面源在陣列上的投影示意圖(a)面源投影內的陣列單元完全被輻照; (b), (c)投影邊界處的陣列單元沒有被完全輻照; (d)投影傾斜于陣列排布方向Fig. 2. Projection sketch of surface source on the array:(a) The array cell at the boundary of projection area is fully irradiated; (b), (c) the array cell at the boundary of projection area is not fully irradiated; (d) edge of projection slants through the horizontal direction of the array.

圖3 傾斜邊緣擴展函數投影示意圖Fig. 3. Projection sketch of slope edge for ESF.

邊緣擴展函數是沿垂直于邊緣方向的投影曲線. 對于傾斜邊緣, 其邊緣圖像與采樣陣列方向存在一定夾角, 見圖3. 由圖像的幾何關系得到傾斜邊緣的ESF表達式為

其 中,f(i?x,j?y) 表示 離 散 數 字 圖 像 , 其 大 小為M×N, ?x和 ?y表示 圖 像 像 素 間 的 距 離 ;ESF(k?d)為傾斜邊緣擴展函數;i,j坐標是采樣陣列圖像坐標軸,k表示與邊緣正交坐標軸; ?d表示沿k軸采樣間隔, ?d=?y·sinθ,θ為傾斜角.

根據文獻 [21, 22]方法, 可采用 (2)式的迭代計算得到ESF.

圖4是參考文獻[23, 24]給出的EJ309對質子和電子的光響應函數曲線, 其中電子響應函數通過22Na,137Cs,60Co和 AmBe源發射的伽馬射線標定給出(用伽馬射線與閃爍體作用產生康普頓邊緣刻度), 質子響應函數在AmBe源上應用飛行時間幅度譜及波形甄別技術給出.

3.2 MTF模擬結果與分析

由3.1節描述的方法結合圖4的光響應曲線,就可以模擬給出陣列屏在射線激發下的ESF. 圖5是液閃陣列屏在14 MeV中子和1.25 MeV 伽馬激發下ESF下降沿的歸一化光輸出分布曲線. 圖中以沿垂直于邊緣方向依次排列的毛細管序號為橫坐標, 邊緣處被直照的毛細管為第1個像素(pixel), 邊緣外依次為第2個像素, 一直到第n個像素. 各毛細管內相對光輸出為縱坐標. 從圖5曲線上可知, 由于射線散射及產生次級粒子的能量沉積彌散, 不僅在射線直接照射的毛細管內有光輸出, 在未被照射的相鄰毛細管內均出現了光輸出,相距越遠, 光輸出越少. 對于 1.25 MeV 伽馬射線,由于其作用產生的次級電子穿透能力較強, 光輸出在更遠的毛細管內產生, ESF的下降沿更緩. 對比說明, 液閃陣列屏對14 MeV中子空間分辨要好于1.25 MeV伽馬射線.

圖4 EJ309液閃對質子和電子的光響應曲線(1 MeVee表示沉積 1 MeV電子能量的輸出光量;)(a)質子光響應函數; (b)電子光響應函數Fig. 4. Light output of EJ309 as a function of energy for particle energy: (a) Light output as a function proton energy; (b) light output as a function electron energy.

圖5 模擬的液閃陣列屏ESF下降沿歸一化曲線Fig. 5. Normalized curves of falling edge of ESF for liquid scintillator array by simulation.

采用上述模擬方法, 分別對液閃陣列屏和閃爍纖維陣列屏開展了MTF理論模擬. 圖6是模擬的結果, 標注SFA的是閃爍纖維陣列屏, 標注LCA的是液閃毛細管陣列屏. 從圖6可知, 不論是對中子還是對伽馬射線, 隨著閃爍纖維直徑的減小, 空間分辨能力改善. 對于 14 MeV中子, 閃爍纖維直徑由 0.5 mm 降低到 0.1 mm, 在 MTF 值為 0.1處,空間分辨從 0.9 lp·mm–1提高到了 1.4 lp·mm–1, 而0.1 mm直徑毛細管的液閃陣列屏空間分辨達到1.8 lp·mm–1; 對于 1.25 MeV 伽馬, 閃爍纖維直徑由 0.5 mm 降低到 0.1 mm, 在 MTF 值為 0.1處, 空間分辨從不足 0.5 lp·mm–1提高到近 0.7 lp·mm–1,而液閃陣列屏達到 0.9 lp·mm–1, 仍優于閃爍纖維屏.

圖6 新型液閃陣列屏與閃爍纖維屏的MTF理論模擬曲線(a) 14 MeV 中子激發下的 MTF曲線; (b) 1.25 MeV 伽馬激發下的MTF曲線Fig. 6. MTF curves of the liquid scintillator capillary array and scintillating fiber array by simulation: (a) MTF curves of the three array image plates with 14 MeV neutron irradiation; (b) MTF curves of the three array image plates with 1.25 MeV Gamma irradiation.

由射線與物質的作用機制可知, 石英材料對質子阻止能力優于有機材料, 而且毛細管壁的厚度大于閃爍纖維的包層, 相比閃爍纖維陣列, 質子在石英陣列內串擾更小, 能量沉積彌散更小, 空間分辨性能更好. 但對于射程較長的電子來說, 兩種包層材料對電子阻止作用相差并不大, 因此相同像元尺寸的纖維陣列屏和液閃陣列屏, 對1.25 MeV伽馬射線的空間分辨差異沒有對14 MeV中子的差異大(見圖6(a)和圖6(b)對比), 模擬結果符合理論預期.

4 新型陣列成像屏 MTF實驗比對研究

在4000居里的60Co伽馬源裝置上, 分別對新型液閃陣列屏和像元直徑為0.3和0.5 mm的國產閃爍纖維陣列屏開展了MTF實驗研究.60Co伽馬射線源發射平均能量為1.25 MeV的伽馬光子, 源區直徑為20 mm. 為降低源區幾何尺寸對MTF測試結果的影響, 閃爍屏距源區應盡量遠, 綜合考慮源強和測試系統靈敏度, 設計閃爍屏距源為3 m.由于伽馬射線強的穿透能力, 常用于測量可見光光學器件MTF的薄刀口已不適用, 必須選用具有一定厚度的刀口, 通常做法是用厚塊狀材料的某一面作為刀口邊沿, 而且選取的材料對伽馬射線要具有高的衰減能力, 以獲得高對比度的邊緣擴展函數圖像. 對 1.25 MeV 伽馬射線, 5 cm 厚的鎢可衰減近2個量級. 為此, 實驗中選用 5 cm 厚鎢塊, 取某一面作為刀口邊緣, 為降低邊緣準直誤差對測量的影響, 該面設計為具有 0.1 rad弧度的曲面. 實驗時鎢刀口緊貼閃爍陣列屏, 其邊緣與陣列排布方向有一定夾角, 類似于模擬的設計. 圖像上邊緣與陣列方向實際的夾角通過Hough變換的方法求得. 用電荷耦合器件 (charge-coupled device, CCD)相機進行圖像采集, CCD相機上一個像素對應陣列成像屏的區域為 70 μm × 70 μm, 小于陣列單元的尺寸. 圖7是實驗布局示意圖.

首先對陣列屏的均勻性進行測量, 均勻性不僅是衡量成像屏質量的重要參數, 也是圖像數據處理中灰度校正需要標定的參數, 經過成像屏均勻性校準才能得到更準確的數據, 即所謂圖像的平場響應校準. 測點處射線的空間分布均勻性和相機系統的成像均勻性好于97%. 圖8(a)—(c)分別是液閃陣列屏和其他兩種屏均勻性的實測結果. 直觀地從圖像灰度分布看, 液閃陣列屏均勻性明顯好于閃爍纖維屏.

圖9(a)—(c)分別是在伽馬射線源上實測的液閃陣列屏和兩種閃爍纖維陣列屏的MTF曲線, 對比可見, 液閃陣列有更好的空間分辨, 在MTF值為 0.1處, 液閃陣列的空間分辨接近 0.9 lp·mm–1,像元0.3和0.5 mm的閃爍纖維陣列空間分辨均沒有超過 0.5 lp·mm–1. 由圖9所示實驗和理論模擬結果可看出, 模擬得到曲線和實驗測量曲線基本一致, 實驗測得的MTF曲線值較理論模擬的略小,這可能是由于實際的射線源并非理想的點源, 受到源幾何尺寸的影響.

圖7 成像屏調制傳遞函數測量布局示意圖Fig. 7. Experimental setup sketch for MTF measurement.

圖8 三種成像屏均勻性的實測結果(a) LCA 液閃陣列;(b) GSFA 纖維陣列屏; (c) BSFA 纖維陣列屏Fig. 8. Luminescent uniformity of the three array image plates by measurement: (a) LCA liquid scintillator capillaries array; (b) GSFA scintillating fiber array; (c) BSFA scintillating fiber array.

國內現有的14 MeV中子源強度都較低, 比文中所用的鈷源強度低近2個量級, 還不能滿足陣列屏對14 MeV中子的MTF測量, 通過伽馬射線的實驗研究表明上述理論模擬方法是可行的, 模擬結果也是可信的. 故通過理論模擬得到的陣列屏對14 MeV中子的MTF曲線, 可以用來表征其實際的空間分辨特性.

圖9 陣列屏對 1.25 MeV 伽馬射線的 MTF 實測與模擬結果(a) LCA 液閃陣列屏; (b) GSFA 閃爍纖維陣列屏;(c) BSFA閃爍纖維陣列屏Fig. 9. Comparison of MTF curves measured and simulated for the three array image plates under 1.25 MeV Gamma ray: (a) LCA liquid scintillator capillaries array;(b) GSFA scintillating fiber array; (c) BSFA scintillating fiber array.

5 總結

為探究所研制的新型液閃陣列屏的成像空間分辨特性, 本文建立了基于傾斜邊緣刀口響應的模擬和實驗測試方法, 理論模擬研究了液閃陣列屏與幾種常規閃爍纖維陣列屏對14 MeV中子和1.25 MeV 伽馬空間調制傳遞函數, 并在 1.25 MeV伽馬源上進行了實驗測量驗證. 實驗和理論結果表明: 所研制的0.1 mm液閃毛細管陣列具有更優的空間分辨特性, 對 1.25 MeV 伽馬射線, 空間分辨可達到 0.9 lp/mm (MTF 值為 0.1, 實測值), 對14 MeV中子, 空間分辨可達到 1.8 lp/mm (MTF值為0.1, 理論值), 并且實測得液閃陣列屏具有更好的成像均勻性; 且實測曲線和理論模擬曲線較為一致, 證實了理論模擬可靠性. 所研制的新型的液閃陣列可有效提高圖像質量, 為高效率和高空間分辨的射線成像探測提供了有益嘗試. 從實驗中發現, 由于射線源幾何尺寸影響, 測試得到MTF曲線比理論略低. 今后將進一步研制大面積液閃陣列屏并研究更準確的空間分辨測試方法, 同時進一步研究對中子源的測試方法.

感謝合肥正陽光電科技有限公司劉杰為液閃陣列屏研制所給予的幫助, 感謝西北核技術研究院馬燕助理研究員給予實驗上的支持.