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同位素磷屏与的X-ray磷屏成像原理

同位素磷屏用于放射信号采集时的检测线性范围远高于传统的胶片放射自显影技术,可以对采集到的放射信号进行定量分析(传统的胶片放射自显影只能对信号强度进行定性分析),由于其对同位素辐射反应的灵敏度高所以需要的曝光时间很短。磷屏可以反复使用上千次。

1.同位素磷屏是在聚酯支撑材料上均匀涂布一层光敏磷光晶体(photostimulable crystals  常见的一般为
BaFBr:Eu2+,但除Br外其他卤族元素也有应用),经同位素标记的样品在磷屏上曝光过程中32P等核素衰变发射β射线激发光敏晶体分子,使磷光晶体分子发生氧化反应,Eu2+转化为
Eu3+,自由电子转移到磷光晶体“色心”的阴离子空轨道中(colour center
在BaFBr:Eu2+晶体中的色心是溴离子的最外层空轨道-bromine
vacancies),辐射能量被暂时储存。

读取曝光后的磷屏信息时,用红色激光扫描磷屏对磷光晶体进行二次激发(PerkinElmer的磷光检测系统产品使用633nm波长激光),此时电子离开色心阴离子空轨道跃迁回到Eu3离子轨道中,即处于激发态的磷光晶体分子发生还原反应回到基态,部分储存的能量以光子形式释放出来,PMT对390-400nm波长的激发光捕获进行光电转换,计算机接受电信号经处理形成屏幕图像,经进一步分析和定量得到最终的磷屏影像。经二次激发后磷光晶体分子回到还原态,磷屏即可再次曝光使用。

 



从以上工作过程可以看出,同位素磷屏实际上可以被理解为一种二维能量存储类型的感应器,实际上磷屏上没有涂布磷元素,只是利用了一种稀土元素参与的磷光晶体(phosphor
crystals)介导的磷光反应,所以称为“磷光屏”可能更准确一些。

2.X光磷屏的工作原理与同位素磷屏不同,一般是通过磷屏上涂布的闪烁体将X光信号转变为可见光信号或电荷信号后由检测器直接检测,不须通过二次激发过程。

闪烁体是一种可以吸收X射线并能把能量转换为可见光的化合物。闪烁体吸收能量后能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来,可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。

好的闪烁体可以使每个X光子产生许多个可见光光子,每1kV
X线输出20-50个可见光光子。闪烁体通常是由高原子序数的物质组成,直接把X射线转换为可见光,并通过直射式的光学系统
将X线所致可见光传送到采集电路层,读出各个像素产生的信号送至计算机。其工作模式如图所示。

 




常见的X光平板检测器中,柯达DirectView DR和Hologic
DR(柯达的OEM厂商),采用半导体材料-非晶硒amorphous Selenium(a-Se),将X射线直接转变为电荷,无任何中间步骤,直接产生数字图像。一般的X射线数字化平板探测器分两步完成工作,X射线经过闪烁体(碘化铯或磷)产生可见光,可见光经光电转换由TFT或CCD转变为电荷。由于工艺的改进,新一代闪烁体材料可以制作成“松针”状种植在非晶硅上,比传统整块闪烁体材料产生的光线散射要少一些,但根本工作原理没有改变,工作过程中仍需产生可见光后,所以必然会伴随有光线的散射,造成图像质量的下降。

Kodak Molecule
Imaging system
的X-射线成像光路如图所示,X射线通过磷屏后转变为可见光信号,
磷屏的具体参数和闪烁体材料不详,但从光路图的情况分析,其工作原理应当类似于普通数字化平板探测器的两步模式,X射线源发射的X射线穿过检测样本后在磷屏上产生可见光,由CCD进行可见光信号的检测。