X射线成像闪烁体光产额测量技术与优化方法

张誉戈; 马舸; 万鹏颖; 鲍子臻; 欧阳潇; 刘林月; 欧阳晓平

doi:10.37188/CJL.20240310

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

X射线成像闪烁体光产额测量技术与优化方法

特邀报告 | 更新时间：2025-04-21

- X射线成像闪烁体光产额测量技术与优化方法
  增强出版
- Light Yield Measurement Technology and Optimization Methods of X-ray Imaging Scintillator
- 发光学报 2025年46卷第4期页码：630-641
- 作者机构：
  
  1.清华大学工程物理系，北京 100084
  2.西安交通大学微电子学院，陕西西安 710049
  3.北京师范大学核科学与技术学院，北京 100875
  4.西北核技术研究院，陕西西安 710024
- 作者简介：
  
  [ "张誉戈（1998-），女，宁夏银川人，博士研究生，2020年于复旦大学获得学士学位，主要从事无机闪烁体探测材料的研究。E-mail： zyg20@mails.tsinghua.edu.cn" ]
  [ "刘林月（1983-），女，陕西黄陵人，博士，副研究员，2018年于西安交通大学获得博士学位，主要从事钙钛矿闪烁探测材料的研究。E-mail： liulinyue@nint.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  科技部重点研发计划项目(2021YFB3201000);国家自然科学基金(12050005)
- DOI：10.37188/CJL.20240310
  中图分类号： TL816⁺.1
- CSTR：32170. 14. CJL. 20240310
- 收稿日期：2024-11-29，
  
  修回日期：2024-12-18，
  
  纸质出版日期：2025-04-25
- 稿件说明：
移动端阅览
张誉戈,马舸,万鹏颖等.X射线成像闪烁体光产额测量技术与优化方法[J].发光学报,2025,46(04):630-641.

ZHANG Yuge,MA Ge,WAN Pengying,et al.Light Yield Measurement Technology and Optimization Methods of X-ray Imaging Scintillator[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(04):630-641.
张誉戈,马舸,万鹏颖等.X射线成像闪烁体光产额测量技术与优化方法[J].发光学报,2025,46(04):630-641. DOI： 10.37188/CJL.20240310. CSTR： 32170. 14. CJL. 20240310.

ZHANG Yuge,MA Ge,WAN Pengying,et al.Light Yield Measurement Technology and Optimization Methods of X-ray Imaging Scintillator[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(04):630-641. DOI： 10.37188/CJL.20240310. CSTR： 32170. 14. CJL. 20240310.

摘要

闪烁成像屏是X射线成像技术的核心部件，其光产额的精确测定对于提升成像系统的空间分辨率和推动新型闪烁体的研发具有至关重要的作用。本文首先概述了X射线成像技术的基本原理，随后系统地综述了当前X射线成像闪烁体光产额测量的主要方法。这些方法既包括基于能谱和X射线激发光谱的相对测量法，也涵盖了利用光电倍增管（PMT）和光电二极管（PD）或雪崩光电二极管（APD）的绝对测量法。同时，本文深入剖析了封装与耦合技术、放射源的能量特性与粒子种类、用于光产额测量的光电探测器种类等多种因素对光产额测量结果可能产生的潜在影响。另外，本文提出了一种基于光收集系数修正的绝对光产额测量方法。该方法有效地结合了利用PMT和PD的绝对法测量的优势，不仅能够实现大范围光产额测量，覆盖百光子量级的光输出，还保持了5％的低测量不确定度。

Abstract

Scintillation imaging screens are critical components in X-ray imaging technology. The accurate measurement of their light yield plays a pivotal role in improving the spatial resolution of imaging systems and advancing the development of new scintillators. This paper first provides an overview of the basic principles of X-ray imaging technology， followed by a review of the main methods for measuring light yield in X-ray imaging scintillators. These methods include relative measurement techniques based on energy spectra and X-ray excitation spectra， as well as absolute measurement methods using photomultiplier tubes （PMTs） and photodiodes （PDs） or avalanche photodiodes （APDs）. Additionally， this paper summarizes the potential impacts of various factors on light yield measurements， such as packaging and coupling technologies， the energy characteristics of the radiation source， particle types， and the types of photodetectors used for light yield measurements. Furthermore， an absolute light yield measurement method is proposed based on correcting the light collection efficiency. This method effectively combines the advantages of the absolute measurement techniques using PMTs and PDs， achieving wide-range light yield measurements （covering light outputs at the hundred-photons level） while maintaining a low measurement uncertainty of 5%.

关键词

Keywords

references

VAN EIJK C W E . Inorganic scintillators in medical imaging ［J］. Phys. Med. Biol. ， 2002 ， 47 （ 8 ）： R85 - R106 . doi: 10.1088/0031-9155/47/8/201 http://dx.doi.org/10.1088/0031-9155/47/8/201

HAFF R P ， TOYOFUKU N . X-ray detection of defects and contaminants in the food industry ［J］. Sens. Instrum. Food Qual. Saf. ， 2008 ， 2 （ 4 ）： 262 - 273 . doi: 10.1007/s11694-008-9059-8 http://dx.doi.org/10.1007/s11694-008-9059-8

DUAN X H ， CHENG J P ， ZHANG L ， et al . X-ray cargo container inspection system with few-view projection imaging ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 2009 ， 598 （ 2 ）： 439 - 444 . doi: 10.1016/j.nima.2008.08.151 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2008.08.151

KNOLL G F . Radiation Detection and Measurement ［M］. 4th ed . Hoboken ： John Wiley & Sons Inc. ， 2010 .

MOSES W W . Scintillator Requirements for Medical Imaging ［M］. Berkeley ： Lawrence Berkeley National Lab. ， 1999 .

CHA B K ， KIM J Y ， KIM T J ， et al . Fabrication and imaging characterization of high sensitive CsI（Tl） and Gd 2 O 2 S（Tb） scintillator screens for X-ray imaging detectors ［J］. Radiat. Meas. ， 2010 ， 45 （ 3-6 ）： 742 - 745 . doi: 10.1016/j.radmeas.2009.12.025 http://dx.doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.12.025

LI W ， KOU H M ， ZHANG W H ， et al . Preparation and characterization of multilayer Gd 2 O 2 S∶Tb phosphor screen for X‐ray detection application ［J］. Int. J. Appl. Ceramic Technol. ， 2020 ， 17 （ 3 ）： 1440 - 1444 . doi: 10.1111/ijac.13222 http://dx.doi.org/10.1111/ijac.13222

KOZYREV E A ， KUPER K E ， LEMZYAKOV A G ， et al . Performance and characterization of CsI∶Tl thin films for X-ray imaging application ［J］. Phys. Procedia ， 2016 ， 84 ： 245 - 251 . doi: 10.1016/j.phpro.2016.11.042 http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2016.11.042

KANG Z T ， ZHANG Y L ， MENKARA H ， et al . CdTe quantum dots and polymer nanocomposites for X-ray scintillation and imaging ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2011 ， 98 （ 18 ）： 181914 . doi: 10.1063/1.3589366 http://dx.doi.org/10.1063/1.3589366

严维鹏，李斌康，段宝军，等 . 二维有机-无机钙钛矿闪烁体性能研究进展［J］. 发光学报， 2024 ， 45 （ 1 ）： 44 - 58 .

YAN W P ， LI B K ， DUAN B J ， et al . Research progress of performance of two-dimensional organic-inorganic perovskite scintillator ［J］. Chin.J. Lumin. ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 44 - 58 . （in Chinese）

王鲁凯，林宏健，吴坤，等 . 金属卤化物闪烁体薄膜的X射线成像研究进展［J］. 发光学报， 2024 ， 45 （ 8 ）： 1266 - 1280 . doi: 10.37188/cjl.20240108 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20240108

WANG L K ， LIN H J ， WU K ， et al . Research progress in X-ray imaging of metal halide scintillator films ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2024 ， 45 （ 8 ）： 1266 - 1280 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20240108 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20240108

李雯，李云云，迟晓慧，等 . X射线成像用零维无铅杂化卤化物闪烁体研究进展（特邀）［J］. 激光与光电子学进展， 2023 ， 61 （ 3 ）： 0334001 .

LI W ， LI Y Y ， CHI X H ， et al . Research progresses of zero-dimensional lead-free hybrid halides scintillators for X-ray imaging （invited）［J］. Laser Optoelectron. Prog. ， 2023 ， 61 （ 3 ）： 0334001 . （in Chinese）

YANG Z ， YAO J S ， XU L M ， et al . Designer bright and fast CsPbBr 3 perovskite nanocrystal scintillators for high-speed X-ray imaging ［J］. Nat. Commun. ， 2024 ， 15 （ 1 ）： 8870 . doi: 10.1038/s41467-024-53263-9 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-53263-9

YU J ， ZHOU W ， MOU D D . et al . Multi-level anti-counterfeiting and X-ray imaging based on luminescence of Cs-Cu-I perovskite ［J］. Opt. Mater. X ， 2023 ， 19 ： 100249 . doi: 10.1016/j.omx.2023.100249 http://dx.doi.org/10.1016/j.omx.2023.100249

RAPAPORT M S ， GAYER A ， ISZAK E ， et al . A dual-mode industrial CT ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 1995 ， 352 （ 3 ）： 652 - 658 . doi: 10.1016/0168-9002(95)90021-7 http://dx.doi.org/10.1016/0168-9002(95)90021-7

BERGERON M ， THIBAUDEAU C ， CADORETTE J ， et al . LabPET II， an APD-based detector module with PET and counting CT imaging capabilities ［J］. IEEE Trans. Nucl. Sci. ， 2015 ， 62 （ 3 ）： 756 - 765 . doi: 10.1109/tns.2015.2420796 http://dx.doi.org/10.1109/tns.2015.2420796

谭龙升，李晓辉，魏存峰，等 . 闪烁体特性对X射线探测器成像质量影响研究［J］. 中国体视学与图像分析， 2022 ， 27 （ 2 ）： 89 - 95 .

TAN L S ， LI X Y ， WEI C F ， et al . Effects of scintillation characteristics on the imaging quality of X-ray detectors ［J］. Chin. J. Stereol. Image Anal. ， 2022 ， 27 （ 2 ）： 89 - 95 . （in Chinese）

WU Y ， FENG J S ， YANG Z ， et al . Halide perovskite： a promising candidate for next-generation X-ray detectors ［J］. Adv. Sci. ， 2022 ， 10 （ 1 ）： e2205536 . doi: 10.1002/advs.202205536 http://dx.doi.org/10.1002/advs.202205536

MA G ， ZHANG Y ， YUAN Z ， et al . A reliable setup for measuring light yield across a large range in scintillators ［C］. 2024 IEEE Nuclear Science Symposium （NSS）， Medical Imaging Conference （MIC） and Room Temperature Semiconductor Detector Conference （RTSD）， Tampa， FL， USA ， 2024 ： 1 . doi: 10.1109/nss/mic/rtsd57108.2024.10657328 http://dx.doi.org/10.1109/nss/mic/rtsd57108.2024.10657328

MANSUR S ， SIMPSON A ， ALLWORK C ， et al . Repeatability of optical coupling methods between photomultiplier tubes and scintillators ［C］. IEEE Nuclear Science Symposium， Medical Imaging Conference and International Symposium on Room-Temperature Semiconductor Detectors ， Vancouver， Canada ， 2023 ： 1 . doi: 10.1109/nssmicrtsd49126.2023.10338216 http://dx.doi.org/10.1109/nssmicrtsd49126.2023.10338216

LECOQ P ， GEKTIN A ， KORZHIK M . Inorganic Scintillators for Detector Systems ［M］. Cham ： Springer ， 2017 . doi: 10.1007/978-3-319-45522-8 http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45522-8

易义成，宋朝晖，管兴胤，等 . 闪烁体电子发光非线性测量装置优化设计［J］. 现代应用物理， 2023 ， 14 （ 1 ）： 10202 .

YI Y C ， SONG Z H ， GUAN X Y ， et al . Optimized design of a facility for measuring scintillator non-proportionality ［J］. Mod. Appl. Phys. ， 2023 ， 14 （ 1 ）： 10202 . （in Chinese）

CRAUN R L ， SMITH D L . Analysis of response data for several organic scintillators ［J］. Nucl. Instrum. Methods ， 1970 ， 80 （ 2 ）： 239 - 244 . doi: 10.1016/0029-554x(70)90768-8 http://dx.doi.org/10.1016/0029-554x(70)90768-8

姚志明，段宝军，宋顾周，等 . ST401塑料闪烁体的脉冲中子相对光产额评估方法［J］. 物理学报， 2017 ， 66 （ 6 ）： 062401 . doi: 10.7498/aps.66.062401 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.062401

YAO Z M ， DUAN B J ， SONG G Z ， et al . A method of evaluating the relative light yield of ST401 irradiated by pulsed neutron ［J］. Acta Phys. Sinica ， 2017 ， 66 （ 6 ）： 062401 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.66.062401 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.062401

CZIRR J B . The α/β ratio of several organic scintillators ［J］. Nucl. Instrum. Methods ， 1963 ， 25 ： 106 - 108 . doi: 10.1016/0029-554x(63)90168-x http://dx.doi.org/10.1016/0029-554x(63)90168-x

SYSOEVA E V ， TARASOV V A ， ZELENSKAYA O V ， et al . The study of α/γ ratio for inorganic scintillation detectors ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 1998 ， 414 （ 2-3 ）： 274 - 278 . doi: 10.1016/s0168-9002(98)00011-4 http://dx.doi.org/10.1016/s0168-9002(98)00011-4

WEN J X ， ZHENG X T ， YU J D ， et al . Compact cubesat gamma-ray detector for GRID mission ［J］. Nucl. Sci. Tech. ， 2021 ， 32 （ 9 ）： 99 . doi: 10.1007/s41365-021-00937-4 http://dx.doi.org/10.1007/s41365-021-00937-4

NOBASHI D ， YAMAOKA K ， TAJIMA H ， et al . Performance evaluation of GAGG（Ce）/LFS scintillator + MPPC array readout with ASIC ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 2021 ， 986 ： 164811 . doi: 10.1016/j.nima.2020.164811 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2020.164811

PIEMONTE C ， GOLA A . Overview on the main parameters and technology of modern silicon photomultipliers ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 2019 ， 926 ： 2 - 15 . doi: 10.1016/j.nima.2018.11.119 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.119

WEN J X ， MA G ， YU M H ， et al . Optimized online filter stack spectrometer for ultrashort X-ray pulses ［J］. Nucl. Sci. Tech. ， 2024 ， 35 （ 5 ）： 48 . doi: 10.1007/s41365-024-01391-8 http://dx.doi.org/10.1007/s41365-024-01391-8

滨松 . 通用基础资料： PMT、MPPC、APD、PD原理与参数对比［EB/OL］. ［ 2024-10-23 ］. http：//share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/2094.html http://share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/2094.html .

金鹏，张春生，欧阳晓平，等 . 高光产额SrI 2 ∶Eu 2+ 晶体制备及其闪烁性能研究［J］. 现代应用物理， 2024 ， 15 （ 1 ）： 010202 .

JIN P ， ZHANG C S ， OUYANG X P ， et al . Growth and scintillation properties of SrI 2 ∶Eu 2+ crystal with high light yield ［J］. Mod. Appl. Phys. ， 2024 ， 15 （ 1 ）： 010202 . （in Chinese）

烁杰 . 闪烁体晶体、阵列和闪烁体探测器的专业解决方案［EB/OL］. ［ 2024-10-23 ］. https：//www.epic-crystal.com.cn https://www.epic-crystal.com.cn .

SOLUTIONLUXIUM . 塑料闪烁体［EB/OL］. ［ 2024-10-23 ］. https：//luxiumsolutions.com/zh-hans/fushetanceshanshuoti/suliaoshanshuoti https://luxiumsolutions.com/zh-hans/fushetanceshanshuoti/suliaoshanshuoti .

MOSZYŃSKI M ， KAPUSTA M ， WOLSKI D ， et al . Properties of the YAP∶Ce scintillator ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 1998 ， 404 （ 1 ）： 157 - 165 . doi: 10.1016/s0168-9002(97)01115-7 http://dx.doi.org/10.1016/s0168-9002(97)01115-7

BARTRAM R H ， LEMPICKI A . Efficiency of electron-hole pair production in scintillators ［J］. J. Lumin. ， 1996 ， 68 （ 5 ）： 225 - 240 . doi: 10.1016/0022-2313(96)00026-9 http://dx.doi.org/10.1016/0022-2313(96)00026-9

DING K ， LIU J ， YANG Y ， et al . Absolute light yield measurement of NaI∶Tl crystals for dark matter search ［J］. Eur. Phys. J. C ， 2022 ， 82 （ 4 ）： 344 .

SAKAI E . Recent measurements on scintillator-photodetector systems ［J］. IEEE. Trans. Nucl. Sci. ， 1987 ， 34 （ 1 ）： 418 - 422 . doi: 10.1109/tns.1987.4337375 http://dx.doi.org/10.1109/tns.1987.4337375

HOLL I ， LORENZ E ， MAGERAS G . A measurement of the light yield of common inorganic scintillators ［J］. IEEE. Trans. Nucl. Sci. ， 1988 ， 35 （ 1 ）： 105 - 109 . doi: 10.1109/23.12684 http://dx.doi.org/10.1109/23.12684

DE HAAS J T M ， DORENBOS P . Advances in yield calibration of scintillators ［J］. IEEE. Trans. Nucl. Sci. ， 2008 ， 55 （ 3 ）： 1086 - 1092 . doi: 10.1109/tns.2008.922819 http://dx.doi.org/10.1109/tns.2008.922819

MA W B ， JIANG T M ， YANG Z ， et al . Highly resolved and robust dynamic X-ray imaging using perovskite glass-ceramic scintillator with reduced light scattering ［J］. Adv. Sci. ， 2021 ， 8 （ 15 ）： 2003728 . doi: 10.1002/advs.202003728 http://dx.doi.org/10.1002/advs.202003728

LI X M ， HU X D ， LI C K ， et al . Are inorganic lead halide perovskite nanocrystals promising scintillators？［J］. ACS Energy Lett. ， 2023 ， 8 （ 7 ）： 2996 - 3004 . doi: 10.1021/acsenergylett.3c00920 http://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00920

HU X D ， YAN P ， RAN P ， et al . In situ fabrication of Cs 3 Cu 2 I 5 ∶Tl nanocrystal films for high-resolution and ultrastable X-ray imaging ［J］. J. Phys. Chem. Lett. ， 2022 ， 13 （ 13 ）： 2862 - 2870 . doi: 10.1021/acs.jpclett.2c00456 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c00456

BELLAMY E H ， BELLETTINI G ， BUDAGOV J ， et al . Absolute calibration and monitoring of a spectrometric channel using a photomultiplier ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 1994 ， 339 （ 3 ）： 468 - 476 . doi: 10.1016/0168-9002(94)90183-x http://dx.doi.org/10.1016/0168-9002(94)90183-x

DOSSI R ， IANNI A ， RANUCCI G ， et al . Methods for precise photoelectron counting with photomultipliers ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 2000 ， 451 （ 3 ）： 623 - 637 . doi: 10.1016/s0168-9002(00)00337-5 http://dx.doi.org/10.1016/s0168-9002(00)00337-5

TAKAHASHI M ， INOME Y ， YOSHII S ， et al . A technique for estimating the absolute gain of a photomultiplier tube ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 2018 ， 894 ： 1 - 7 .

DE HAAS J T M ， DORENBOS P ， VAN EIJK C W E . Measuring the absolute light yield of scintillators ［J］. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A： Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. ， 2005 ， 537 （ 1-2 ）： 97 - 100 . doi: 10.1016/j.nima.2004.07.243 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2004.07.243

WEIDNER V R ， HSIA J J . Reflection properties of pressed polytetrafluoroethylene powder ［J］. J. Opt. Soc. Am. ， 1981 ， 71 （ 7 ）： 856 - 861 . doi: 10.1364/josa.71.000856 http://dx.doi.org/10.1364/josa.71.000856

SAAD A M . High quantum efficiency of UV-enhanced silicon photodiodes ［J］. Can. J. Phys. ， 2002 ， 80 （ 12 ）： 1601 - 1608 . doi: 10.1139/p02-057 http://dx.doi.org/10.1139/p02-057

浏览量

167

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

微量MgO掺杂对GAGG：Ce晶体光学和闪烁性能的影响

用于位置灵敏型中子探测器的⁶LiF/ZnS(Ag)闪烁体性能研究

Yb:YAG晶体的闪烁特性