研究背景

自從1895年德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線在醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查、工業(yè)無損探傷等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，具備高質(zhì)量X射線成像和準確X射線計量特性的探測器扮演著重要角色。目前，用于X射線實時成像技術(shù)的數(shù)字化平板探測器主要包括兩種：1）基于閃爍體的間接成像技術(shù)（利用閃爍體先將高能量X射線轉(zhuǎn)換成低能量的紫外或可見光光子，再由光電探測器進行探測）；2）基于半導(dǎo)體的直接成像技術(shù)（利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性直接將X光光子轉(zhuǎn)換成電荷）。數(shù)字化平板探測器憑借其探測下限低、靈敏度度高，輻射劑量低，分辨率高等優(yōu)點在高能物理研究，機場安檢和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其很難提供成像過程中的輻照劑量信息。此外，數(shù)字化平板探測器還存在設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴和難以制備大尺寸等問題?；跓後尮猓═L）、光致熒光（OSL）和輻射光致熒光（RPL）的熒光劑量計在個人、環(huán)境、醫(yī)療、應(yīng)急以及空間輻射劑量監(jiān)測等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其通常只能提供某一點的劑量信息，很難應(yīng)用于二維劑量信息探測或者X射線成像。然而，一些X射線應(yīng)用場景需要探測器同時具有X射線成像和劑量性能。例如放射性治 療，在治 療之前需要預(yù)先確定X射線在病灶位置的劑量大小以及空間分布信息，但輻射源大的劑量范圍和亞微米尺度的空間分布使目前的探測器很難滿足要求。

成果簡介

近日，比利時根特大學(xué)LumiLab課題組利用(Ba1-xSrx)SiO4:Eu熒光粉中Eu離子的輻照變價特性實現(xiàn)了X射線的同時成像和計量。其特點在于：1) Eu3+ → Eu2+的變價過程是輻照劑量線性依賴的而不依賴于輻照速率; 2) 在(Ba1-xSrx)SiO4基體中，Eu3+ 和Eu2+的發(fā)射峰具有明顯的差異性，而且可以同時被紫外光激發(fā); 3) 特別是Ba2SiO4基體，其中Eu2+和Eu3+離子的發(fā)光顏色分為綠色和紅色，這與圖像的紅(R)和綠(G)兩個顏色通道相匹配。其優(yōu)勢在于：1) 基于Ba2SiO4:Eu探測器的成像信息可以在紫外光激發(fā)下方便的通過肉眼或相機拍照的方式讀取，而成像過程所用的輻照劑量可以通過圖像的紅(R)、綠(G)、藍(B)三個顏色通道信息反演得到; 2) 所獲得的X射線圖像具有很好的穩(wěn)定性，可以反復(fù)讀取，而且不依賴于激發(fā)光源強度。相關(guān)成果以" Realizing Simultaneous X-Ray Imaging and Dosimetry Using Phosphor-Based Detectors with High Memory Stability and Convenient Readout Process "為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，（DOI: 10.1002/adfm.202201684）。

圖文導(dǎo)讀

圖1. (Ba1-xSrx)SiO4:Eu 的a) XRD譜和b) 晶體結(jié)構(gòu)。c) X射線輻照前和d) X射線輻照后 (Ba1-xSrx)SiO4:Eu 的激發(fā)譜和發(fā)射譜。e) Ba2SiO4:Eu 輻照前后以及在還原性氣氛下燒結(jié)的樣品的EPR譜。f) Ba2SiO4:Eu 輻照前后以及在還原性氣氛下燒結(jié)的樣品的發(fā)射譜。

圖2. (a) - (c) 原位測試(Ba1-xSrx)SiO4:Eu的發(fā)射譜隨輻照時間增加的變化過程。(d) - (i) Ba2SiO4:Eu 在不同劑量速率輻照下和不同激發(fā)光強度下的響應(yīng)特性。

圖3. (a) - (b) Ba2SiO4:Eu在不同X射線輻照時間下發(fā)光顏色的變化。(c) - (d) 構(gòu)建綠和紅兩個顏色通道的比值和輻照劑量之間的關(guān)系。(e) - (g) Eu3+?Eu2+ 輻照變價的穩(wěn)定性和可逆特性。

圖4. Ba2SiO4:Eu 基探測器用于同步X射線成像和劑量的應(yīng)用展示。(a) X射線成像，(b)探測器不同位置在成像過程所受的輻照劑量。

儀器推薦

在本文中比利時根特大學(xué)LumiLab課題組團隊利用愛丁堡熒光FLS920對(Ba1-xSrx)SiO4:Eu熒光粉中Eu離子變價行為進行了測試研究，并通過FLS920便捷的軟件處理獲得了穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜數(shù)據(jù)。愛丁堡儀器新升級科研級穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀FLS1000，歡迎垂詢。