X射线成像探测的关键技术研究

发布时间：2020-08-12 18:44

【摘要】：X射线成像探测技术在工业无损检测、医疗成像及安检成像等领域具有非常大的应用潜力,X射线闪烁成像探测又以其高成像性能而具有极大的优势。低成本、便携化的闪烁成像探测一直是相关工程领域追求的目标,也是X射线成像探测技术的重要发展方向之一。闪烁成像探测的高成像性能是由于闪烁屏发射的荧光能够和图像传感器的光敏波段高度匹配,因此提高闪烁屏的光转换性能具有很大的学术意义和应用价值。本论文以实现低成本、小型化X射线成像探测为研究目标,提出了利用CsI:Tl膜状闪烁屏作为X射线转换屏、采用直接耦合结构的成像系统的构想,并开展了建立CsI:Tl膜状闪烁屏的微结构模型、利用真空热蒸镀工艺制备膜状闪烁屏、通过界面调控改善CsI:Tl膜状闪烁屏的微结构、CsI:Tl膜状闪烁屏的防潮解、搭建直接耦合结构的成像系统等关键技术的研究。构建了CsI:Tl膜状闪烁屏和CCD图像传感器直接耦合的X射线成像系统,初步实现了X射线成像探测的小型化,并成功利用厚度小于6μm的CsI:Tl膜状闪烁屏获得了清晰的物体内部结构成像图。主要的研究工作包括:1、以低成本、小型化X射线成像探测为研究目标,提出以CsI:Tl膜状闪烁屏为X射线转换屏、将CsI:Tl膜状闪烁屏和CCD图像传感器直接耦合的闪烁成像探测的研究思路。2、建立CsI:Tl闪烁晶体的超晶胞模型和CsI:Tl膜状闪烁屏的微结构模型。计算CsI:Tl闪烁晶体超晶胞模型的能态结构和态密度,从能级的角度研究CsI:Tl闪烁晶体的光转换机理以及Tl~+离子掺杂浓度对晶体光转换性能的影响。建立荧光像点结构研究荧光在CsI:Tl膜状闪烁屏微结构模型中的传输路径,并利用Monte Carlo算法,得出X射线照射下,CsI:Tl膜状闪烁屏的光转换效率与其微结构参量的关系,为后续利用CsI:Tl膜状闪烁屏作为X射线转换屏的构想提供理论支撑。3、利用真空热蒸镀工艺研制CsI:Tl膜状闪烁屏。研究真空热蒸镀工艺制备的多晶膜的生长机理,得出能够影响CsI:Tl膜状闪烁屏光转换性能的工艺条件。不同工艺参数条件下制备CsI:Tl膜状闪烁屏样品,测试样品的荧光发射光谱、微结构形貌、结晶质量等与闪烁屏光转换性能相关的性质,研究工艺参数对CsI:Tl膜状闪烁屏光转换性能的影响。4、为后续实现X射线闪烁成像探测的集成化,成功在图像传感器的感光表面直接制备光转换性能良好的CsI:Tl膜状闪烁屏,研究在单晶硅衬底上制备CsI:Tl膜状闪烁屏的工艺,并研究单晶硅衬底对CsI:Tl膜状闪烁屏光转换性能的影响。5、利用界面调控和防潮解结构优化CsI:Tl膜状闪烁屏的光转换性能。参考晶体膜的外延生长机理,提出利用界面调控CsI:Tl膜状闪烁屏微结构优化CsI:Tl膜状闪烁屏的光转换性能的构想,并利用预沉积的工艺方法在衬底表面预先生长一层岛状CsI:Tl晶体界面,通过该界面获得微结构非常规整致密的CsI:Tl膜状闪烁屏。结合在CsI:Tl膜状闪烁屏的入射表面制备Al高反膜减小荧光损耗的设计,提出利用1 mm厚的Al层作为防潮解层提高CsI:Tl膜状闪烁屏光转换性能的构想,对比在潮湿环境放置一段时间后有无覆盖Al层的CsI:Tl膜状闪烁屏样品的相对光输出,验证利用Al防潮解层提高CsI:Tl膜状闪烁屏光转换性能的可行性。6、搭建直接耦合结构的小型化X射线闪烁成像探测系统。利用CsI:Tl膜状闪烁屏及直接耦合结构的成像系统对实物进行成像,验证成像系统的成像性能,观察成像图是否能够清晰地显示物体内部结构。搭建光组件耦合的闪烁成像探测系统,对比两种耦合结构的成像系统的成像性能,验证直接耦合结构的小型化成像系统的优势。利用两种耦合结构的成像系统验证预沉积工艺对CsI:Tl膜状闪烁屏成像性能的优化效果。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O434.1
【图文】：

第一章 绪论第一章 绪论是德国物理学家伦琴于 1895 年偶然发现的一种高能射线，外射线和 γ 射线之间，波段介于 0.001 nm~10 nm，具有很高的内部结构存在密度或厚度的差异，因此 X 射线在穿透的过程制而携带物体的内部结构信息，通过相应的感应手段即可获像图，如图 1-1（a）所示，是 X 射线的成像原理。图 1-1（b人手骨照片是公认的 X 射线成像的开端。

电子科技大学博士学位论文人体内部器官的高分辨率二维数字断层图像，甚至可以通过后续处理获得人体器官的三维形态，大大提高诊断的准确率，是医学研究、临床诊断和治疗中不可或缺的重要手段[16-19]。图 1-2（a）、（b）和（c）分别为 X 射线无损检测仪及电池内部结构成像图、X 射线安检仪及行李成像图、医用 X-CT 及人体胸腔成像图。

图 1-3 日本 Fuji 公司医用 CR 系统的 IP 板在于其制作工艺难度较小，只需要用 IP片，并增加相应的读出装置就可以实现R 系统的灵敏度和动态范围等参数都有了些固有缺陷：（1）获取一幅数字化图像，能量，以及通过光电检测手段将光信号转；（2）IP 板的信噪比和空间分辨率并不要利用高强度的光来擦除残留潜像；（4且安装费用高昂。成像（DR）通信等数字化技术的飞速发展，推动了现了真正意义上的数字化 X 射线成像（D

【参考文献】

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本文编号：2790885