1 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心，上海 201899
2 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024
X射线闪烁体在医疗诊断、安全检查、工业无损探测等领域应用广泛。近十年来，零维结构有机-无机杂化金属卤化物因具有非潮解、高稳定性、无自吸收、高荧光量子效率等优异的物理性质和发光性能，在X射线成像领域逐渐受到关注并已展现出极大的应用潜力。本文将概述X射线闪烁体的基本探测原理和关键探测性能参数，介绍最具代表性的零维锰基、锡基、锑基和铜基卤化物闪烁体在X射线成像领域的研究进展，并展望此类零维杂化材料的未来发展方向。
零维结构 杂化金属卤化物 无铅卤化物 闪烁体 光致发光 辐照发光 X射线探测 X射线成像 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0334001
1 1.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
2 2.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621050
3 3.桂林电子科技大学 广西电子信息材料构效关系重点实验室, 桂林 541004
随着我国核辐射技术的进步, 辐射探测在近些年也得到了高速发展, 并被广泛应用于辐射安全监测、放射性医学诊疗、X射线安监系统、工业无损探伤以及微观粒子轨迹探测等诸多领域。辐射光致发光(Radio- photoluminescence, RPL)是一种在电离辐射作用下, 材料内部产生新的发光中心, 并被紫外光激发进而发光的现象, 可作为一种新型辐射探测手段。RPL材料通常具有存储辐射信息、信息几乎不衰减、剂量线性响应好、均匀稳定的高辐射灵敏度、能量依赖性小和可重复读数等特点, 弥补了光释光(Optically stimulated luminescence, OSL)和热释光(Thermally stimulated luminescence, TSL)材料在存储稳定性和重复使用性等方面的不足。自RPL现象被报道以来, RPL材料层出不穷, 如传统的Ag掺杂磷酸盐玻璃、Al2O3:C,Mg和LiF, 再到新型的Cu离子掺杂体系、Sm离子掺杂体系以及无掺杂体系材料等。同时, RPL应用也被不断发掘, 目前它已成为辐射探测领域不可或缺的材料之一。基于此, 本文概述了RPL材料的最新进展, 重点梳理了传统和新型RPL材料的发光原理、性能特点及其应用, 特别对比了不同RPL材料在辐射探测性能方面的差异。最后, 本文对RPL材料的优势及其不足之处进行了归纳分析, 并对其发展趋势进行了展望。
辐射光致发光 辐射探测 剂量监测 Ag掺杂磷酸盐玻璃 X射线成像 radio-photoluminescence radiation detection dose detection Ag-doped phosphate glass X-ray imaging 司昊轩 1,2,3,4许昊 1,2,3,4杜慧瑶 1,2,3,4伊圣振 1,2,3,4,*王占山 1,2,3,4,*
1 同济大学 物理科学与工程学院，精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092
针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5 μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。
金属薄膜 X射线成像 超环面弯晶 高谱分辨 面密度测量 metal foil X-ray imaging toroidal crystal high spectral resolution surface density measurement 强激光与粒子束
2023, 35(11): 112001
1 重庆工商大学 制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆 400067
2 重庆工商大学 机器人与激光智能制造研究所，重庆 400067
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
强激光加载下金属材料产生的微喷射现象及其内在的机理分析是冲击压缩科学与工程领域研究的前沿问题，相关研究对于认识材料在极端载荷条件下的动力学行为具有重要意义。近年来国内外科学家们基于各大激光装置开展了大量微喷射诊断实验研究，在喷射物性质、金属界面不稳定性增长以及微喷混合问题等方面取得了一系列重要进展。通过回顾微喷静态和动态诊断实验的研究历程，对微喷诊断实验研究方法的重要应用作了详细介绍，同时对微喷产生的主要作用机制、影响因素以及微喷混合等问题进行回顾、梳理和总结。根据当前国内外微喷诊断实验发展趋势，归纳总结目前微喷诊断实验研究结果中仍存在的不足，并对微喷射实验研究未来发展方向进行展望。
微喷射 冲击波 回收 动态诊断 X射线成像 micro-ejection shock wave recovery dynamic diagnostics X-ray radiography 强激光与粒子束
2023, 35(10): 101001
1 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
2 中国科学院上海高等研究院 上海同步辐射光源上海 201204
3 中国科学院大学北京 100049
与白光X射线动态显微CT（Micro Computed Tomography）相比，单色光X射线动态显微CT具有较低的辐射损伤和较高的密度分辨率，但是更难以平衡其空间和时间分辨率。目前，单色光X射线动态显微CT的最高时间分辨率可达到13.3 Hz，探测器有效像素尺寸为5 μm。为了构建具有更高时空分辨率的单色光X射线动态显微CT系统，基于上海光源快速X光成像线站（BL16U2）的高通量密度单色光，将高速转台与三镜头大数值孔径快速X射线成像探测器相结合，构建了实验系统。以速发型聚氨酯材料为研究对象进行了验证实验，在15 keV单色光下动态显微CT的时间分辨率达到了20 Hz，探测器有效像素尺寸为2.2 μm。对气泡运动进行相关定量分析，证明该系统具有高时空分辨率和高对比度分辨率，可以对复杂运动系统进行四维时空定量分析，为BL16U2线站用户进行高时空分辨率的复杂原位研究提供了强大的实验平台。
X射线动态显微CT 快速X射线成像 X射线单色光显微CT 同步辐射 X-ray dynamic Micro-CT Fast X-ray imaging Monochromatic X-ray Micro-CT Synchrotron radiation
信息工程大学成像与智能处理河南重点实验室，河南 郑州 450001
为降低X射线辐射剂量和提高成像效率，开发准确和高效的多能谱成像方法，提出一种具有双即插即用（PnP）框架的图像重建方法。该方法引入两个PnP正则化能量函数，分别对多通道图像内蕴低秩性与通道内图像稀疏性进行度量。首先以多通道图像间的相似块构造高维张量，然后引入张量加权核范数对张量低秩性进行刻画，并结合图像梯度域L0（伪）范数对通道内图像稀疏性进行刻画，最后设计基于交替方向乘子法的高效求解算法。为验证算法的可行性，开展模拟多通道光子计数采样图像重建实验。实验结果表明：与现有代表性方法相比，所提方法的峰值信噪比提升0.067 dB~1.89 dB，时间消耗约为代表性方法的25%；所提方法具有抑制伪影干扰和改善图像质量的优势，并且计算效率得到显著提升。
能谱计算机断层成像技术 低剂量采样 X射线成像 即插即用框架 光学学报
2023, 43(14): 1434001
1 成都理工大学 计算机与网络安全学院 图像信息处理研究室, 四川 成都 610059
2 重庆大学 光电工程学院 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
3 重庆大学 光电工程学院 工业ICT无损检测教育部工程研究中心, 重庆 400044
基于胸部X光透射图像(DR)的肺部病灶识别与疾病诊断是临床的常规操作。对于肺结核患者而言, 其DR图像中的病灶区域与背景相融性高, 目标弥散严重且边缘形态极不规则, 严重干扰诊断的准确性。针对上述问题, 提出了一种融合肺炎影像学特征的肺结核病灶区域检测网络(TDT-Net), 利用肺结核和新冠肺炎同为呼吸道疾病且在DR图像上具有相似表征的特点, 借助大量肺炎DR数据, 通过迁移学习引入强相关特征以提高肺结核病灶的检测精度。TDT-Net结合Transformer和扩张残差技术, 提出上下文感知增强模块, 以强化迁移模型对全局信息的建模能力; 利用特征细化模块减少迁移过程中引入的冗余信息, 凸显强相关特征的表示。实验结果表明, 在TBX11K数据集上, 所提检测方法的平均准确度(AP)达到87.5%, 召回率(Recall)达到80.7%, 相较于YOLOV5和RetinaNet等网络有效提升了肺结核病灶的检测精度, 实现了更加准确的肺结核病灶定位和分类。
X射线成像 肺结核病灶 迁移学习 目标检测 肺炎特征 X-ray imaging pulmonary tuberculosis lesion transfer learning target detection pneumonia feature
中国科学技术大学国家同步辐射实验室, 安徽 合肥 230029
提出一种光栅 X 射线相衬断层扫描中吸收信号环形伪影的去除方法。该方法采用正弦图域和重建图域结合的处理算法。对于弱伪影, 通过正弦图域的排序和滤波去除。而对于强伪影, 首先根据环形伪影在极坐标系的表现, 计算残差图像, 转换到笛卡尔坐标系得到伪影像素和样品的边界; 进而使用基于机器学习的图像分割方法获取每一类样品的分布, 同时为了保护边界信息, 通过形态学操作获得样本的内部区域; 最后再利用残差图像的分布特征定位伪影像素, 并使用临近非伪影像素均值替代。实验结果表明该方法可以在不破坏样品边界的前提下有效地去除图像中的环形伪影。
层析图像处理 光栅 X 射线成像 相位衬度断层扫描 环形伪影 tomographic image processing grating-based X-ray imaging phase contrast tomography ring artifacts
1 昆明理工大学材料科学与工程学院, 云南省新材料制备与加工重点实验室, 昆明 650093
2 云南阿飞皮纳科技有限公司, 昆明 650093
3 成都大学机械工程学院, 高等研究院, 先进材料多尺度变形及破坏力学研究所, 成都 610106
闪烁体是X射线成像技术中的核心器件, 它能将吸收的高能射线(X射线或其他高能带电粒子)转化为可见光, 已被广泛应用于医疗诊断、辐射剂量测定和安全检查等领域。目前大多数的商用闪烁体为单晶或薄膜材料, 不仅制备工艺复杂、生长周期长、成本高, 并且辐照稳定性差, 成像效果不佳。通过在透明玻璃基体内原位析出ZnS量子点, 探索ZnS量子点微晶玻璃(GC)作为一种成本低、耐候性强的闪烁体在X射线间接成像领域的应用。实验结果表明, 在X射线辐照下ZnS GC的发射峰位于518 nm, 并利用X成像系统对鱼骨骼和芯片进行成像, 由于ZnS量子点在玻璃基体中的均匀分布, 结果显示图像轮廓清晰、物体内部结构分明, 并且成像分辨率达到18.0 lp/mm。此外, 在累积剂量高达288 J/kg的情况下, 损坏的ZnS GC闪烁体可通过简单的热处理完全恢复成像性能。ZnS GC作为闪烁体在高分辨X射线成像领域表现出广泛的应用前景。
硫化锌量子点 微晶玻璃 X射线成像 透明闪烁体 高剂量可恢复 zinc sulfide quantum dot glass-ceramics X-ray imaging transparent scintillators high-dose recoverable
同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室, 精密光学工程技术研究所, 上海 200092
在激光惯性约束聚变(ICF)研究中,涉及X射线时间、空间和能谱信息的等离子体诊断能够为数值模拟提供关键的实验数据支撑,有效推进对ICF关键物理问题的认识。以Kirkpatrick-Baez(KB)结构为代表的多通道掠入射系统是实现高分辨X射线时空成像的重要手段,在ICF诊断研究中有着广泛的应用。主要介绍了高分辨多通道KB成像系统的发展历史,梳理和分析了KB系统研制的瓶颈问题,在此基础上重点展示了国内近年来在基于多层膜光学的多通道KB诊断系统研制方面取得的研究进展。随着精密薄膜器件和掠入射X射线光学集成等关键技术的突破,多通道多层膜KB成像系统已经在我国ICF诊断研究中得到广泛应用,有力保障了国内ICF研究单位相关物理实验的开展。
光学学报
2022, 42(11): 1134007
