CN111338178B - 三维闪烁体光纤阵列x射线探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器及其制备方法，制备方法包括：将甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂混合后进行预聚反应，得到预聚物；向预聚物中加入脱模粉和闪烁体，得到闪烁体预聚物；对闪烁体预聚物依次进行真空处理和控温处理，得到PMMA预制棒；将PMMA预制棒与光固化胶一起进行拉丝处理，得到掺闪烁体塑料纤芯和内包层；于所述内包层外形成外包层，得到塑料光纤；将所述塑料光纤呈阵列设置，得到光纤层；于光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层，得到三维闪烁体光纤阵列X射线探测器。制备得到的X射线探测器在不损失空间分辨率的前提下，可以增加闪烁体质量分数进而大大提高探测器的灵敏度，实现了超低剂量辐射的检测。

Description

三维闪烁体光纤阵列X射线探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及X射线成像技术领域，尤其涉及一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器及其制备方法。

背景技术

实现低辐射剂量、高成像分辨率和高成像速度一直是数字辐射成像技术(Digitalradiography)的潜在市场需求和未来发展方向。近年来，X射线探测器越来越引起产学研领域工作者的极大兴趣，其在医疗成像(骨科、乳腺、牙科、胃肠道等检查)以及人体健康实时监测(血管和心脏造影等)等方面具有巨大的应用潜力。提高X射线探测器的量子探测效率是降低X射线辐射剂量的主要途径，成像分辨率和成像速度则取决于器件X射线转换层、光电转换层以及信号的读取放大层的材料性能以及探测器器件结构的优化。

对于X射线探测器，闪烁体是其核心部件，闪烁体的发光特性直接决定了探测系统的性能。闪烁体吸收高能粒子或高能射线并使其转换成可见光，闪烁体发射出的可见光，即荧光，被传感器如光电倍增管、光电二极管或CMOS器件接收，从而实现高能粒子或高能射线的探测。目前闪烁体的性能在高能物理实验、核物理实验、核武器实验诊断、核医学成像、宇宙射线探测和安检中扮演着非常重要的角色。然而，从闪烁体表面发射出来的闪烁光在空间的各个方向均匀发射，没有特定的取向，即呈朗伯型分布。这种各向同性的空间分布的发射不利于荧光的收集，降低了探测效率。同时，在现有的X射线探测器中，传感器(光电探测器件)往往距离闪烁体存在一定空间距离，这意味着，只有特定立体角内的闪烁光才能够最后到达传感器，而没有进入探测器中的闪烁光则被浪费，大大限制了探测系统效率的提升。并且，最终到达传感器的荧光因为空间扩散，与刚产生的荧光相比，信号强度和锐利程度都不可避免地降低，进而影响了探测器的整体空间分辨率、信噪比以及灵敏度。

近几年来，有关X射线探测器结构的设计与优化业界也有很多的研究，例如中国专利文献(CN 201611024811)、中国专利文献(CN 201510733438)以及中国专利文献(CN201810668677)都有这方面技术的公开。具体而言，中国专利文献(CN 201611024811)公开了一种X射线图像摄取装置，公开了将作为第一闪烁体的闪烁光纤面板与由碘化铯构成的柱状薄膜的第二闪烁体相结合应用于X射线图像摄取装置中，不过仍然存在结构复杂，效率低等不足，并没有从根本上解决信号串扰问题。中国专利文献(CN 201510733438)公开了一种X光探测用闪烁光纤阵列探测组件，以及中国专利文献(CN 201810668677)公开了一种塑料光纤芯层材料及其制备方法和应用，但均都未解决下层结构中玻璃光纤之间的信号串扰问题。

对于高质量的X射线探测器，如何在确保器件性能稳定性及使用寿命的前提下大幅度提高成像空间分辨率及灵敏度，并实现低剂量X射线辐照探测一直是困扰国内外产学研界的一个关键性问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器及其制备方法，可以有效保证空间分辨率，解决光学信号串扰的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，将甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂混合后进行预聚反应，得到预聚物；向所述预聚物中加入脱模粉和闪烁体，得到闪烁体预聚物；对所述闪烁体预聚物依次进行真空处理和控温处理，得到PMMA预制棒；将所述PMMA预制棒与光固化胶一起进行拉丝处理，得到掺闪烁体塑料纤芯和内包层，所述内包层设置于所述掺闪烁体塑料纤芯外；于所述内包层外形成外包层，得到塑料光纤；将所述塑料光纤呈阵列设置，得到光纤层；于所述光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层，得到三维闪烁体光纤阵列X射线探测器。

本发明采用的另一技术方案为：

一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器，根据所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法制备得到，包括依次层叠设置的反射荧光层、光纤层和图像传感器层，所述光纤层包括呈阵列设置的塑料光纤，所述塑料光纤包括由内而外依次设置的掺闪烁体塑料纤芯、内包层和外包层。

本发明的有益效果在于：闪烁体产生的荧光在塑料纤芯内会发生全反射直至最终无损保真到达图像传感器层，其余的荧光也会经外包层的一次或多次反射直到全部进入塑料纤芯最终射出到达图像传感器。塑料光纤呈阵列设置可以提高X射线与闪烁体的作用几率，使得X射线探测器同时具有高灵敏度、高分辨率和低剂量的特点。本发明的X射线探测器的制备方法简单，塑料光纤阵列大小动态可调，可以满足不同的使用需求。

附图说明

图1为本发明实施例一制备得到三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的结构示意图。

标号说明：

1、反射荧光层；2、光纤层；21、掺闪烁体塑料纤芯；22、内包层；23、外包层；3、图像传感器层。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：塑料光纤呈阵列设置，且塑料光纤包括外包层，使探测器具备高分辨率、高灵敏度和低剂量的特点。

一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，将甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂混合后进行预聚反应，得到预聚物；向所述预聚物中加入脱模粉和闪烁体，得到闪烁体预聚物；对所述闪烁体预聚物依次进行真空处理和控温处理，得到PMMA预制棒；将所述PMMA预制棒与光固化胶一起进行拉丝处理，得到掺闪烁体塑料纤芯和内包层，所述内包层设置于所述掺闪烁体塑料纤芯外；于所述内包层外形成外包层，得到塑料光纤；将所述塑料光纤呈阵列设置，得到光纤层；于所述光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层，得到三维闪烁体光纤阵列X射线探测器。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：塑料光纤呈阵列设置，X射线经闪烁体产生的荧光由于波导效应在塑料纤芯内部能够无损保真地传输到图像传感器，保证了空间分辨率；塑料光纤之间由于设置外包层使得不存在光学信号的相互串扰，提高了信噪比，解决了传统探测器在荧光传输到传感器的过程中不能做到完全排除光学信号串扰的难题。由于塑料光纤对荧光的无损保真约束，即使掺杂闪烁体的厚度增加，也不会出现由于荧光传播路径变长而导致的荧光扩散和变弱，从而保证了空间分辨率。本发明公开的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方而大幅度增加了闪烁体厚度，可以在高空间分辨率的前提下同时探测低剂量X射线辐照，这是传统探测器不能做到的。所以，本发明制备得到的X射线探测器具备在确保器件性能稳定性及使用寿命的前提下大幅度提高成像空间分辨率及灵敏度的特点，并且可以实现低剂量X射线辐照探测的优势。

进一步的，所述甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂的质量比为100:(0.05～0.2):(0.05～0.1)。

由上述描述可知，引发剂可以是偶氮二异丁腈等，链转移剂可以是1-癸硫醇等，引发剂和链转移剂的用量可以根据需要进行调整。

进一步的，所述闪烁体为铕硫氧化钆、铊碘化铯和全无机钙钛矿纳米晶中的至少一种。

由上述描述可知，闪烁体的种类可以根据需要进行选择。

进一步的，所述反射荧光层的材质为铝、银和金中的至少一种。

由上述描述可知，反射荧光层的材质可以根据需要进行选择。

进一步的，于所述光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层之前还包括：对所述光纤层进行抛光处理，然后对抛光处理后的光纤层的出光面进行粗化处理。

由上述描述可知，反射荧光层可以有效地将荧光反射回光纤层，提高荧光的利用效率。对光纤层的出光面进行粗化处理可以减少对荧光的反射。

进一步的，所述脱模粉与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.15～0.2):100，所述闪烁体与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.2～10):100。

由上述描述可知，脱模粉可以选择市面上所使用的任意一种脱模粉，脱模粉和闪烁体的用量可以根据具体需要进行调整。

进一步的，所述控温处理具体为：将真空处理后的闪烁体预聚物依次在68～72℃条件下保温10～14h，58～62℃条件下保温10～14h，83～87℃条件下保温22～26h，98～102℃条件下保温22～26h，113～117℃条件下保温22～26h。

由上述描述可知，对闪烁体预聚物进行严格的控温程序，可以提高PMMA预制棒的成型质量。

如图1所示，本发明涉及的另一技术方案为：

一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器，根据所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法制备得到，包括依次层叠设置的反射荧光层1、光纤层2和图像传感器层3，所述光纤层2包括呈阵列设置的塑料光纤，所述塑料光纤包括由内而外依次设置的掺闪烁体塑料纤芯21、内包层22和外包层23。

由上述描述可知，本发明的X射线探测器具有高分辨率、高灵敏度和低辐射剂量的特点。

进一步的，所述光纤层的数目为至少两层，且至少两层的所述光纤层中的闪烁体的浓度依次增大或保持不变。

由上述描述可知，各光纤层中闪烁体的浓度依次增大或保持不变可满足不同的使用需求。

进一步的，所述掺闪烁体塑料纤芯的直径为10～120μm，长度为300μm～3mm。

由上述描述可知，掺闪烁体塑料纤芯的尺寸可以根据需要进行动态调整。

实施例一

请参照图1，本发明的实施例一为：

一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，包括如下步骤：

1、将甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂混合后进行预聚反应，得到预聚物。

本实施例中，甲基丙烯酸甲酯发生的是原位聚合反应，反应时在惰性气体的保护下进行，惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种。所述甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂的质量比为100:(0.05～0.2):(0.05～0.1)。引发剂可以是偶氮二异丁腈，链转移剂可以是1-癸硫醇。将甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂称取好之后置于三颈瓶中，充分混合均匀，采用磁力搅拌器进行搅拌，同时用油浴升温的方式逐步升温至80℃进行预聚反应，反应时间为40～100min。

2、向所述预聚物中加入脱模粉和闪烁体，得到闪烁体预聚物。

本实施例中，所述闪烁体为铕硫氧化钆、铊碘化铯和全无机钙钛矿纳米晶中的至少一种，其中全无机钙钛矿纳米晶的分子式为CsPbX₃，X为Cl、Br或I。脱模粉可以是任意一种常用的脱模粉。所述脱模粉与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.15～0.2):100，所述闪烁体与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.2～10):100。将脱模粉和闪烁体称取好以后置于步骤1制备得到的预聚物中，再次搅拌使脱模粉和闪烁体充分溶解，2～10min后终止油浴加热，并迅速用冷却水冲淋三颈瓶，得到闪烁体预聚物。

3、对所述闪烁体预聚物依次进行真空处理和控温处理，得到PMMA预制棒。

本实施例中，真空处理具体为：将闪烁体预聚物倒入洁净干燥的试管中，并采用真空泵排出闪烁体预聚物中的气泡，抽真空的时间为5～20min。然后用Parafilm封口膜将试管封号，进行控温处理，控温处理具体为：将真空处理后的闪烁体预聚物依次在68～72℃条件下保温10～14h，58～62℃条件下保温10～14h，83～87℃条件下保温22～26h，98～102℃条件下保温22～26h，113～117℃条件下保温22～26h。整个控温处理过程约96h。

4、将所述PMMA预制棒与光固化胶一起进行拉丝处理，得到掺闪烁体塑料纤芯和内包层，所述内包层设置于所述掺闪烁体塑料纤芯外。

本实施例中，光固化胶固化后的折射率低于PMMA，PMMA的折射率为1.491，因此，使用的光固化胶的折射率应低于1.4，而闪烁体的折射率高于PMMA，以铊碘化铯为例，其折射率为1.8。拉丝处理的具体过程为：将PMMA预制棒放入置有光固化胶的高温拉丝塔装置中，设定送棒速度、拉制速度以及温度等参数后进行拉丝，得到掺闪烁体塑料纤芯和内包层，即，内包层包裹在掺闪烁体塑料纤芯之外。通过调整送棒速度、拉制速度以及温度等参数可以得到尺寸可调的掺闪烁体塑料纤芯。优选的，得到的所述掺闪烁体塑料纤芯的直径为10～120μm，长度为300μm～3mm。优选的，所述内包层的厚度不大于20μm。

5、于所述内包层外形成外包层，得到塑料光纤。

本实施例中，可以通过磁控溅射方式或蒸镀方式在内包层上均匀溅射一层外包层，所述外包层的材质为钨或银，外包层实质为屏蔽层，外包层的厚度为100nm～10μm之间。所述塑料纤芯的横截面的形状可以为圆形，也可以为正方形、六边形或者其它的多边形等。

6、将所述塑料光纤呈阵列设置，得到光纤层。

本实施例中，可以在单根的塑料光纤之间填充光学胶水对其进行固定，使塑料光纤呈阵列设置。也可以直接将步骤4拉丝处理后的产品浸入导电银奖中形成尺寸可控的具有三维结构的光纤层。

7、于所述光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层，得到三维闪烁体光纤阵列X射线探测器。

本实施例中，所述反射荧光层的材质为铝、银和金中的至少一种。步骤7之前还包括：对所述光纤层进行抛光处理，然后对抛光处理后的光纤层的出光面进行粗化处理。粗化处理可以采用气体蚀刻、激光蚀刻或机械加工等方式。在光纤层与图像传感器可以通过耦合剂进行耦合，耦合剂的折射系数与闪烁体的折射系数接近，并且需要涂抹均匀没有气泡，这样可以保证光从闪烁体到图像传感器的传输效率。耦合剂可以用硅油、硅脂或硅胶等。反射荧光层与光纤层也可以通过上述耦合剂进行固定。

如图1所示，本实施例制备得到的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器包括依次层叠设置的反射荧光层1、光纤层2和图像传感器层3，所述光纤层2包括呈阵列设置的塑料光纤，所述塑料光纤包括由内而外依次设置的掺闪烁体塑料纤芯21、内包层22和外包层23。本实施例中，所述光纤层的层数可以为一层，也可以为至少两层。当所述光纤层的数目为至少两层时，至少两层的所述光纤层中的闪烁体的浓度依次增大或保持不变。当至少两层的所述光纤层中的闪烁体的浓度依次增大时，可以分别制备得到不同闪烁体浓度的光纤层，然后将不同闪烁体浓度的光纤层按照闪烁体的浓度依次增大的顺序通过粘合剂粘接在一起。当光纤层的数目为两层时，上层可以是不掺闪烁体的纯塑料光纤，下层可以是掺闪烁体的光纤层。

本实施例提供的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器具备超高灵敏度，超高空间分辨率和超低辐射剂量图像传感的优势。由于掺杂闪烁体塑料纤芯的引入，有效避免了经光电以及康普顿散射等效应后透过人体组织的X射线与图像传感器直接作用，大大增加了图像传感器中的光敏元器件以及辅助电路的性能稳定性和使用寿命。在内包层上形成外包层则大大降低了邻近塑料光纤间X射线及荧光信号串扰的几率，保证了图像传感器的超高灵敏度和超高空间分辨率。考虑到散射X射线和低能X射线在入射侧较多，为了有效减弱散射X射线噪声和低能噪声，至少两层的所述光纤层中的闪烁体的浓度依次增大，既能保证在入射侧不必过分吸收散射射线和低能软射线，又能保证在透射侧有足够多的闪烁体能够充分吸收残余的高能X射线，保证了有效的X射线吸收效率和高的信噪比。闪烁体将X射线吸收后发出的荧光可以在塑料光纤中无损传输而不扩散或弱化，该光纤阵列克服了传统探测器无法避免的荧光在产生后到达传感器前发散和弱化的难题，因此，本实施例的X射线探测器在不损失空间分辨率的前提下，可以增加闪烁体质量分数进而大大提高探测器的灵敏度，实现了超低剂量辐射的检测。

实施例二

本发明的实施例二为：一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，与实施例一的不同之处在于：

步骤1中所述甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂的质量比为100:0.1:0.08；步骤2中脱模粉与甲基丙烯酸甲酯的质量比为0.18:100，所述闪烁体与甲基丙烯酸甲酯的质量比为5:100；所述控温处理具体为：将真空处理后的闪烁体预聚物依次在70℃条件下保温12h，60℃条件下保温12h，85℃条件下保温24h，100℃条件下保温24h，115℃条件下保温24h。

实施例三

本发明的实施例三为：一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，与实施例一的不同之处在于：

步骤1中所述甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂的质量比为100:0.05:0.1；步骤2中脱模粉与甲基丙烯酸甲酯的质量比为0.15:100，所述闪烁体与甲基丙烯酸甲酯的质量比为0.2:100；所述控温处理具体为：将真空处理后的闪烁体预聚物依次在68℃条件下保温14h，58℃条件下保温14h，87℃条件下保温22h，102℃条件下保温22h，113℃条件下保温26h。

实施例四

本发明的实施例四为：一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，与实施例一的不同之处在于：

步骤1中所述甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂的质量比为100:0.2:0.05；步骤2中脱模粉与甲基丙烯酸甲酯的质量比为0.2:100，所述闪烁体与甲基丙烯酸甲酯的质量比为10:100；所述控温处理具体为：将真空处理后的闪烁体预聚物依次在72℃条件下保温10h，62℃条件下保温10h，83℃条件下保温26h，98℃条件下保温26h，117℃条件下保温22h。

综上所述，本发明提供的一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器及其制备方法，制备得到的X射线探测器在不损失空间分辨率的前提下，可以增加闪烁体质量分数进而大大提高探测器的灵敏度，实现了超低剂量辐射的检测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

需要说明的是，本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，将甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂混合后进行预聚反应，得到预聚物；向所述预聚物中加入脱模粉和闪烁体，得到闪烁体预聚物；对所述闪烁体预聚物依次进行真空处理和控温处理，得到PMMA预制棒；将所述PMMA预制棒与光固化胶一起进行拉丝处理，得到掺闪烁体塑料纤芯和内包层，所述内包层设置于所述掺闪烁体塑料纤芯外；于所述内包层外形成外包层，得到塑料光纤；将所述塑料光纤呈阵列设置，得到光纤层，所述光纤层的数目为至少两层，且至少两层的所述光纤层中的闪烁体的浓度从光线入射侧向光线出射侧依次增大；于所述光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层，得到三维闪烁体光纤阵列X射线探测器。

2.根据权利要求1所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，所述甲基丙烯酸甲酯、引发剂和链转移剂的质量比为100:(0.05~0.2):(0.05~0.1)。

3.根据权利要求1所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，所述闪烁体为铕硫氧化钆、铊碘化铯和全无机钙钛矿纳米晶中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，所述反射荧光层的材质为铝、银和金中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，于所述光纤层的两侧分别设置图像传感器和反射荧光层之前还包括：对所述光纤层进行抛光处理，然后对抛光处理后的光纤层的出光面进行粗化处理。

6.根据权利要求1所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，所述脱模粉与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.15~0.2):100，所述闪烁体与甲基丙烯酸甲酯的质量比为(0.2~10):100。

7.根据权利要求1所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法，其特征在于，所述控温处理具体为：将真空处理后的闪烁体预聚物依次在68~72℃条件下保温10~14h，58~62℃条件下保温10~14h，83~87℃条件下保温22~26h，98~102℃条件下保温22~26h，113~117℃条件下保温22~26h。

8.一种三维闪烁体光纤阵列X射线探测器，其特征在于，根据权利要求1-7任意一项所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器的制备方法制备得到，包括依次层叠设置的反射荧光层、光纤层和图像传感器层，所述光纤层包括呈阵列设置的塑料光纤，所述塑料光纤包括由内而外依次设置的掺闪烁体塑料纤芯、内包层和外包层。

9.根据权利要求8所述的三维闪烁体光纤阵列X射线探测器，其特征在于，所述掺闪烁体塑料纤芯的直径为10~120μm，长度为300μm~3mm。

Images