CN113126138B - 一种多层耦合结构高分辨闪烁屏制造方法及其闪烁屏 - Google Patents

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Abstract

一种多层耦合结构高分辨闪烁屏的制造方法及其闪烁屏，制造步骤为：1、计算闪烁屏厚度；2、计算最大分层数；3、当前分层数下计算各分层X射线吸收效率；4、计算第一闪烁层的全反射角、荧光探测效率、X射线转换因子；5、依次计算2～m层闪烁层耦合剂折射率；6、判断是否可以选型；若否转向步骤3或5。本发明与同等厚度单层闪烁屏相比，在使用相同介质耦合图像传感器的条件下，该闪烁屏能够实现更高的空间分辨率。

Description

一种多层耦合结构高分辨闪烁屏制造方法及其闪烁屏
技术领域
本发明涉及辐射探测技术领域，特别是一种多层耦合结构高分辨闪烁屏制造方法及其闪烁屏。
背景技术
X射线平板探测器是X射线计算机层析成像(CT)系统的重要组成部分。随着微/纳米焦点射线源CT的广泛应用，对具有更高空间分辨率的X射线平板探测器的需求越来越迫切。
图像传感器选用CCD/CMOS的X射线平板探测器是目前实验室实现高空间分辨率X射线探测的首选。闪烁屏与CCD/CMOS可通过耦合剂直接耦合或经过光纤面板/光锥耦合，目前闪烁屏耦合CCD/CMOS型X射线平板探测器产品所能达到的实际空间分辨率远低于CCD/CMOS的空间分辨极限值，造成实际空间分辨率降低的原因是：X射线入射闪烁屏后，像元间的射线散射串扰与荧光串扰。对于管电压小于160kV的低能X射线源应用，相邻像元射线散射串扰较小，荧光串扰是主要因素，抑制荧光串扰是提高空间分辨率的最有效方法。由于像元尺寸太小，无法通过传统的在像元间增加反光隔离层的方法抑制离荧光串扰。
目前，通过光纤面板/光锥耦合的CCD/CMOS型X射线平板探测器在使用单晶材料闪烁屏时，提高空间分辨率有以下两种方法。其一是通过减小闪烁屏厚度来降低荧光串扰范围达到提高空间分辨率的目的，如安道尔公司使用20μm厚LYSO闪烁屏与6.5μm像元sCMOS图像传感器耦合，实现了30lp/mm(MTF10)空间分辨率的X射线探测；滨松公司使用10μm厚GOS闪烁屏与6.5μm像元sCMOS图像传感器耦合，实现了33lp/mm(MTF10)的X射线探测。但是，减小闪烁屏厚度会降低对射线的吸收转换，导致检测效率降低，如10μm厚GOS闪烁屏在管电压50kV的X射线照射下，闪烁屏射线能量沉积率不到10％，随着射线能量的提高，闪烁屏射线能量沉积率会更低。其二是减小光纤面板/光锥的数值孔径，以抑制荧光串扰、提高探测器空间分辨率。
采用减小光纤面板/光锥数值孔径的方法能有效提高探测器空间分辨率，但是会造成探测效率的大幅度较低。分析闪烁屏荧光对空间分辨率的作用可以发现，离CCD/CMOS越近的位置闪烁层射线沉积率相对较低，产生的荧光强度较低但串扰小；离CCD/CMOS越远的位置闪烁层射线沉积率相对较高，产生的荧光强度较大但串扰高。因此，如果能够仅抑制离CCD/CMOS较远闪烁层串扰荧光的吸收，则可以实现在提高探测器空间分辨率的同时减小探测效率的降低幅度。
发明内容
本发明的一个目的就是提供一种多层耦合结构高分辨闪烁屏的制造方法。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，所述闪烁屏包括有若干交替间隔连接的耦合层和闪烁层，所述与光输出面连接的第一层结构为耦合层，可与反光层连接的最后一层结构为闪烁层，所述耦合层由若干折射率低于闪烁屏的耦合剂组成，具体步骤如下：
1)计算闪烁屏厚度L＝-ln(1-η)/μ，式中η为闪烁屏的射线吸收效率，μ为材料的线衰减系数；
2)计算闪烁屏最大分层数m＝[L/Lmin],，式中Lmin为可获取加工工艺中闪烁层最小厚度；
3)在闪烁屏最大分层数条件下，计算各闪烁层的X射线吸收效率，其公式为：
Figure BDA0003034754360000021
其中，ηk为第k层闪烁层的X射线吸收效率；k为自CCD/CMOS向上的闪烁层分层位置；m为闪烁屏的最大分层数；
4)计算当前分层数下，第一层闪烁层入射到耦合剂的全反射角α1、第一层闪烁层的荧光探测效率φ1和第一层闪烁层的X射线转换因子ε1，X射线转换因子ε1为1个X射线光子入射闪烁层产生的荧光被图像传感器接收后产生的电子对数；
Figure BDA0003034754360000022
φ1＝1-cosα1；
ε1＝η1φ1PhEe；
其中，Ph为闪烁屏的光产额，单位为“个/keV”，η1为第一闪烁层的X射线吸收效率，n为闪烁层材料的折射率，n1为第一层闪烁层耦合剂的折射率，Ee为入射X射线光子能量；
5)以第一层闪烁层的X射线转换因子ε1为基准，结合闪烁屏各层荧光约束需求，依次计算第2～m层闪烁层耦合剂的折射率nk，其公式为：
Figure BDA0003034754360000023
其中，δk为第k层闪烁层的X射线转换因子约束系数，δk的取值结果必须满足计算出的nk<nk-1<...<n1；
6)判断计算结果中第m层闪烁屏耦合剂的折射率nm是否能够选型；
若不能选型，增大各闪烁层X射线转换因子约束系数，重复步骤5)；若增大各闪烁层X射线转换因子约束系数后，各闪烁层耦合剂折射率过于接近(nk-1-nk<0.1)，则采用降低闪烁屏最大分层数，即m＝m-1的方法，转向步骤3)；
若能选型，则制造该闪烁屏。
进一步，最后一层闪烁层后还添加有反光层。
进一步，步骤5)中所述X射线转换因子约束系数δk≤1，按需自定义调整。
本发明的另一个目的就是提供一种多层耦合结构高分辨闪烁屏。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，所述耦合剂为三层，厚度均为2um，耦合剂依次为UV光学胶n1＝1.6、UV光学胶n2＝1.4，空气耦合n3＝1.0，δ3＝δ2＝δ1＝1；所述闪烁层为三层，厚度均为50um。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、与同等厚度单层闪烁屏相比，在使用相同介质耦合图像传感器的条件下，该闪烁屏能够实现更高的空间分辨率；
2、在通过数值孔径约束达到同样空间分辨率条件下，该闪烁屏能实现更高的荧光探测效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为闪烁屏的结构示意图；
图2为闪烁屏的分层耦合剂折射率计算原理图；
图3为闪烁屏的制造流程示意图；
图4为单层150um厚闪烁屏空间分辨率仿真图；
图5为按照本发明步骤设计的一种三层耦合结构高分辨率闪烁屏空间分辨率仿真图。
图中：1.光输出面；2.耦合层；3.闪烁层；4.反光层；5.全反射光；6.透射光；7.图像传感器像元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种多层耦合结构高分辨闪烁屏的制造方法，如图1和图3所示，所述闪烁屏包括有若干交替间隔连接的耦合层2和闪烁层3，所述与光输出面1连接的第一层结构为耦合层2，可与反光层4连接的最后一层结构为闪烁层3，所述耦合层由若干折射率低于闪烁屏的耦合剂组成，具体步骤如下：
1)计算闪烁屏厚度L＝-ln(1-η)/μ，式中η为闪烁屏的射线吸收效率，μ为材料的线衰减系数；
2)计算闪烁屏最大分层数m＝[L/Lmin],，式中Lmin为可获取加工工艺中闪烁层最小厚度；
3)在闪烁屏最大分层数条件下，计算各闪烁层的X射线吸收效率，其公式为：
Figure BDA0003034754360000041
其中，ηk为第k层闪烁层的X射线吸收效率；k为自CCD/CMOS向上的闪烁层分层位置；m为闪烁屏的最大分层数；
4)计算当前分层数下，第一层闪烁层入射到耦合剂的全反射角α1、第一层闪烁层的荧光探测效率φ1和第一层闪烁层的X射线转换因子ε1，X射线转换因子ε1为1个X射线光子入射闪烁层产生的荧光被图像传感器接收后产生的电子对数；
Figure BDA0003034754360000042
φ1＝1-cosα1；
ε1＝η1φ1PhEe；
其中，Ph为闪烁屏的光产额，单位为“个/keV”，η1为第一闪烁层的X射线吸收效率，n为闪烁层材料的折射率，n1为第一层闪烁层耦合剂的折射率；
5)以第一层闪烁层的X射线转换因子ε1为基准，结合闪烁屏各层荧光约束需求，依次计算第2～m层闪烁屏耦合剂的折射率nk，其公式为：
Figure BDA0003034754360000051
其中，δk为第k层闪烁层的X射线转换因子约束系数，δk的取值结果必须满足计算出的nk<nk-1<...<n1；
6)判断计算结果中第m层闪烁屏耦合剂的折射率nm是否能够选型；
若不能选型，适当增大各闪烁层X射线转换因子约束系数，重复步骤5)；若增大各闪烁层X射线转换因子约束系数后，各闪烁层耦合剂折射率过于接近(nk-1-nk<0.1)，则采用降低闪烁屏最大分层数，即m＝m-1的方法，转向步骤3)；
若能选型，则制造该闪烁屏。
该实施例中，各闪烁层的耦合剂折射率计算原理如图2所示，其耦合剂折射率计算原理如下：
光从光密介质到达光疏介质，当入射角度大于某一临界角度时形成全反射。本发明基于全反射原理设计，光密介质为闪烁层，其折射率为n；光疏介质为耦合剂，其折射率为nk，各层全反射角为αk，根据全反射原理，三者关系为：nk＝nsinαk，全反射角越大，闪烁屏内所能输出光的角度越大。第一层耦合层折射率确定后，从第二层闪烁屏开始逐渐减小其耦合剂折射率nk，则对应的全反射角逐渐减小，由此，达到离图像传感器越远的闪烁层、光输出角度越小，从而减小光串扰范围的目的。
实施例一：
1)仿真在某一X射线能量下，GAGG:Ce闪烁屏线衰减系数μ＝7.19，要求闪烁屏达到η＝66％的X射线吸收率，则：L＝-ln(1-μ)/η＝-ln(1-0.66)/7.19≈0.15(mm)，闪烁屏厚度确定为150μm，选用目前市面上折射率为1.6的高折射率光学胶作为第一层闪烁层输出面耦合剂；
2)若目前加工工艺水平GAGG:Ce可制作为Lmin＝50μm闪烁层，则该闪烁屏可制作为m＝[L/Lmin]＝[150/50]＝3
3)计算每一闪烁层吸收效率：
Figure BDA0003034754360000052
Figure BDA0003034754360000053
Figure BDA0003034754360000061
4)计算第一层闪烁层X射线转换因子，光产额和X射线能量可不带入数值；
Figure BDA0003034754360000062
5)取δ3＝δ2＝1计算第二、三层闪烁层耦合剂折射率：
Figure BDA0003034754360000063
Figure BDA0003034754360000064
6)计算出的第三层折射率为1.23，该折射率耦合剂难以选型，更换为空气(n3＝1.0)耦合进行闪烁屏设计。
实施例二：
一种三层耦合结构高分辨闪烁屏，所述耦合剂为三层，厚度均为2um，耦合剂依次为UV光学胶n1＝1.6、UV光学胶n2＝1.4，空气耦合n3＝1.0，δ3＝δ2＝δ1＝1；所述闪烁层为三层，厚度均为50um。图4为单层150um厚闪烁屏空间分辨率仿真图。基本参数：闪烁屏材料为GAGG:Ce，耦合剂为UV光学胶(折射率n1＝1.6)。实验结果显示：空间分辨率约为6.5lp/mm(MTF10)；图5为按照本发明步骤设计的一种三层耦合结构高分辨率闪烁屏空间分辨率仿真图，实验结果显示：空间分辨率约为9.5lp/mm(MTF10)。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多层耦合结构高分辨闪烁屏的制造方法，所述闪烁屏包括有若干交替间隔连接的耦合层和闪烁层，与光输出面连接的第一层结构为耦合层，可与反光层连接的最后一层结构为闪烁层，所述耦合层由若干折射率低于闪烁屏的耦合剂组成，其特征在于，具体步骤如下：
1)计算闪烁屏厚度L＝-ln(1-η)/μ，式中η为闪烁屏的射线吸收效率，μ为材料的线衰减系数；
2)计算闪烁屏最大分层数m＝[L/Lmin]，式中Lmin为可获取加工工艺中闪烁层最小厚度；
3)在闪烁屏最大分层数条件下，计算各闪烁层的X射线吸收效率，其公式为：
Figure FDA0003793795970000011
其中，ηk为第k层闪烁层的X射线吸收效率；k为自CCD/CMOS向上的闪烁层分层位置；m为闪烁屏的最大分层数；
4)计算当前分层数下，第一层闪烁层入射到耦合剂的全反射角α1、第一层闪烁层的荧光探测效率φ1和第一层闪烁层的X射线转换因子ε1，X射线转换因子ε1为1个X射线光子入射闪烁层产生的荧光被图像传感器接收后产生的电子对数；
Figure FDA0003793795970000012
φ1＝1-cosα1；
ε1＝η1φ1PhEe；
其中，Ph为闪烁屏的光产额，单位为“个/keV”，η1为第一闪烁层的X射线吸收效率，n为闪烁层材料的折射率，n1为第一层闪烁层耦合剂的折射率，Ee为入射X射线光子能量；
5)以第一层闪烁层的X射线转换因子ε1为基准，结合闪烁屏各层荧光约束需求，依次计算第2～m层闪烁层耦合剂的折射率nk，其公式为：
Figure FDA0003793795970000013
其中，δk为第k层闪烁层的X射线转换因子约束系数，δk的取值结果必须满足计算出的nk<nk-1<...<n1；
6)判断计算结果中第m层闪烁屏耦合剂的折射率nm是否能够选型；
若不能选型，增大各闪烁层X射线转换因子约束系数，重复步骤5)；若增大各闪烁层X射线转换因子约束系数后，闪烁层耦合剂的折射率满足nk-1-nk<0.1，则采用降低闪烁屏最大分层数，即m＝m-1的方法，转向步骤3)；
若能选型，则制造该闪烁屏。
2.如权利要求1所述多层耦合结构高分辨闪烁屏的制造方法，其特征在于，最后一层闪烁层后还添加有反光层。
3.如权利要求1所述多层耦合结构高分辨闪烁屏的制造方法，其特征在于，步骤5)中所述X射线转换因子约束系数δk≤1，按需自定义调整。
4.利用权利要求1至3任意一项所述方法制造的多层耦合结构高分辨闪烁屏，其特征在于，所述耦合剂为三层，厚度均为2um，耦合剂依次为UV光学胶n1＝1.6、UV光学胶n2＝1.4，空气耦合n3＝1.0，δ3＝δ2＝δ1＝1；所述闪烁层为三层，厚度均为50um。
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