陳媚 于懷娜 趙俊 王連升 杜國浩 謝紅蘭 吳衍青 邰仁忠

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光子晶體制備方法對同步輻射閃爍體探測器成像分辨率的影響

陳媚1,2于懷娜1趙俊1王連升1杜國浩1謝紅蘭1吳衍青1邰仁忠1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所張江園區(qū) 上海 201204）;2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

探測效率和空間分辨率是成像探測器的重要性能。采用光子晶體，可提高閃爍體的光提取效率和增加光輸出，進而提高基于閃爍體的同步輻射X射線成像探測器的探測效率并縮短成像時間。探究光子晶體對于成像探測器分辨率的影響具有重要應(yīng)用意義。在閃爍體上添加三種典型的光子晶體，在上海光源BL13W1線站進行探測器有無光子晶體的成像實驗，對比分辨率靶成像效果以及襯度比的量化結(jié)果，得到影響分辨率的因素。結(jié)果表明，均勻有序、三角構(gòu)型的光子晶體具有最佳的成像效果，對于光子晶體在成像探測器領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有指導(dǎo)意義。

光子晶體，閃爍體，同步輻射成像，探測器，空間分辨率

第三代同步輻射光源具有高通量、高亮度、高相干性、窄脈沖、寬波段、能量連續(xù)可調(diào)等優(yōu)良特性，在此基礎(chǔ)上，衍生了新的成像方法，如相襯成像、顯微電子計算機斷層掃描(Micro Computed Tomography, Micro-CT)、熒光電子計算機斷層掃描(Fluorescence Computed Tomography)[1]，同時對樣品進行動態(tài)成像，實現(xiàn)原位分析成為可能。同步輻射X射線成像的發(fā)展對探測器的空間分辨和時間分辨能力提出了更高的要求，探測器的水平需不斷提高，以充分發(fā)揮先進光源為實驗提供的巨大潛力。

同步輻射硬X射線成像實驗中，主要采用間接型電荷耦合器件探測器(Charge Coupled Device, CCD)，即通過閃爍體將入射的X射線轉(zhuǎn)換成可見光，物像經(jīng)過光學(xué)耦合系統(tǒng)（光纖或光學(xué)透鏡組）傳送到CCD陣列實現(xiàn)圖像讀取[2]。閃爍體作為X射線成像探測過程第一環(huán)節(jié)的X射線轉(zhuǎn)換元件，其性能是影響X射線成像探測系統(tǒng)探測效率和分辨率的關(guān)鍵因素。提高系統(tǒng)探測效率的方法有增加閃爍體厚度和采用高發(fā)光產(chǎn)額的新型晶體[3]，但這兩種方法并不能改善成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)。為提高空間分辨率，雖然閃爍體厚度的增加增強了光子的散射和增大了系統(tǒng)像差，但會導(dǎo)致分辨率下降[4–5]。采用閃爍薄膜可提高分辨率[6]，但因?qū)ι渚€吸收較弱，探測效率較低。近年來，廣泛應(yīng)用于增強發(fā)光二極管發(fā)光效率的光子晶體(Photonic Crystal, PhC)開始用于修飾閃爍體[7–8]。光子晶體是由兩種或兩種以上介電材料周期性排列構(gòu)成的光子學(xué)人工微結(jié)構(gòu)，其在閃爍體出射界面處引入周期性微擾，破壞全內(nèi)反射的條件，使原本發(fā)生全內(nèi)反射的光子在滿足耦合條件下可出射到周圍介質(zhì)。實驗上已獲得30%–70%光提取效率的提高[9–10]，在要求快時間分辨、低輻照劑量的生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值，但光子晶體對于成像探測器另一重要指標(biāo)空間分辨率的影響卻未見報道。因此，閃爍體添加光子晶體對成像空間分辨率的影響研究對于拓展光子晶體在同步輻射X成像探測器的應(yīng)用具有重大意義。

本文采用三種典型的光子晶體對閃爍體表面進行修飾，將成像探測器原有轉(zhuǎn)換屏替換為修飾后的閃爍體?；谏虾Ｍ捷椛涔庠碭射線成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站(BL13W1)實驗平臺，對分辨率靶進行成像實驗，對比添加不同光子晶體后系統(tǒng)的成像分辨率，得到了分辨率的影響因素，為同步輻射X射線成像探測器選用合適的光子晶體提供依據(jù)。

1 理論與實驗

1.1 參數(shù)選取

閃爍體選用摻鈰釔鋁石榴石(Y3Al5O12:Ce, YAG:Ce)，樣品尺寸?25.4×0.2 mm，其發(fā)光中心波長為550 nm，發(fā)射譜與BL13W1采用的PCO.2000探測器響應(yīng)光譜相匹配。光子晶體的材料選擇聚苯乙烯(Polystyrene, PS)小球、陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide, AAO)和氮化硅(SiN)。三種材料均對YAG:Ce發(fā)出的可見光無吸收。聚苯乙烯小球和陽極氧化鋁是化學(xué)方法制備的兩種典型光子晶體，可制備大面積的樣品，便于實驗具體操作。光子晶體的另一種制備方法是光刻的物理方法，雖然加工面積有限，但工藝可控性強、重復(fù)性好，SiN是光刻工藝常用材料，且加工工藝成熟。以YAG:Ce發(fā)射譜中心波長為入射波，依據(jù)三種材料在550 nm處的折射率(PS小球: 1.6，AAO: 1.76，SiN: 2.02)，采用嚴(yán)格耦合波理論計算獲得結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)，并結(jié)合實驗室制備工藝條件，確定最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體如表1所示。圖1是三種光子晶體選擇表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)時，理論計算而得的透射譜隨入射角的變化曲線。由圖1可見，添加了光子晶體后，大于臨界角的入射光透射率不再為零。此外，模擬結(jié)果僅計算入射光第一次到達出射面時的提取效果，而未考慮在晶體內(nèi)部經(jīng)過多次反射而最終被提取的情況，考慮多次提取效應(yīng)后，提取效率會有更顯著的提高。雖然光子晶體會增強入射角小于臨界角的入射光的反射，造成輸出光子數(shù)的損失，但由于大于臨界角的入射光子數(shù)多于臨界角以內(nèi)的入射光子數(shù)，故光子晶體增加的光輸出大于其所造成的光損失[11]，增強了閃爍體的光輸出。

表1 光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 閃爍體添加三種光子晶體后透射譜模擬圖

1.2 樣品制備

PS小球溶液先均勻地鋪展在硅片上，水蒸發(fā)后將硅片慢慢傾斜放入水中，小球在水面上自發(fā)形成有序排列，之后用提拉法將這一有序陣列轉(zhuǎn)移到閃爍體表面，小球覆蓋面積約為閃爍體表面的4/5?？梢浦驳碾p通AAO薄膜購自上木科技公司，其制作方法則是通過電化學(xué)的方法制成多孔有序AAO模板后，去除鋁基底和阻擋層[12]，轉(zhuǎn)移到閃爍體基底上，薄膜面積約為1 cm×1 cm。運用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)技術(shù)在閃爍體表面鍍100 nm厚的氮化硅薄膜，在薄膜上用PMMA (Poly methylmethacrylate)光刻膠作為圖形轉(zhuǎn)移層，利用電子束光刻(Electron Beam Lithography, EBL)在光刻膠上形成所需圖案，之后用感應(yīng)耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma, ICP)刻蝕將光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到氮化硅層上，光子晶體覆蓋面積為1mm×1mm。圖2給出了三種結(jié)構(gòu)的剖面示意圖及其正面的掃描電鏡顯微(Scanning Electron Microscopy, SEM)圖。

圖2 三種光子晶體SEM圖

1.3 同步輻射成像

BL13W1線站布局如圖3所示，從扭擺器出射的同步輻射光經(jīng)過準(zhǔn)直濾波聚焦后透過樣品照在YAG:Ce閃爍體上，閃爍體與X射線相互作用發(fā)出可見光，通過Olympus透鏡(10×)耦合至PCO. 2000成像探測器（像素陣列1024×1024，像素尺寸為 7.4 μm×7.4 μm）。成像樣品JIMA RT RC-02 型X射線分辨率靶放置在六維樣品臺，距離閃爍屏3 cm。X射線能量設(shè)為20keV。實驗中在預(yù)覽模式下調(diào)整好焦距，使分辨率靶圖像達到最清晰，再調(diào)節(jié)六維樣品臺，使所需成像區(qū)域落入有或無光子晶體覆蓋的范圍。對分辨率靶成像后，調(diào)節(jié)樣品臺，將分辨率靶移出視野，用同樣的曝光時間拍得背景圖像。

圖3 上海光源BL13W1線站布局示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 光提取效果

閃爍體添加光子晶體后光輸出的增強效果與模擬結(jié)果一致(圖4)，三種光子晶體均能增強光輸出。光輸出的增強效果與光子晶體材料折射率、周期、占空比及深度有關(guān)，理論模擬是按照理想完美周期進行計算，而如圖2所示，實驗樣品存在一定的不足，因此并不能達到理論設(shè)計的最高提取效率。

2.2 成像效果

圖4是對分辨率靶圖像扣除背景之后的圖片，圖4中線條寬度和間距均為2 μm。圖4(a)–(c)、(f)中明暗條紋均可分辨，圖4(e)中條紋勉強可分辨，圖4(d)中的條紋已不可分辨。添加三種光子晶體后，對于2 μm條紋的分辨能力均有下降，其中閃爍體添加AAO后所成圖像的條紋最清晰，添加SiN次之，添加PS小球后探測器空間分辨率最差。

圖4 閃爍體添加三種光子晶體后拍攝的分辨率靶的圖像(a) 樣品1#未添加光子晶體，(b) 樣品2#未添加光子晶體，(c) 樣品3#未添加光子晶體，(d) 樣品1#添加PS小球，光輸出比2.06，襯度比0.25，(e) 樣品2#添加SiNx，光輸出比1.65，襯度比0.53，(f) 樣品3#添加AAO，光輸出比1.56，襯度比0.65

基于閃爍體的透鏡耦合式CCD的成像原理圖如圖3所示，其空間分辨率的主要影響因素是閃爍體的厚度以及透鏡的數(shù)值孔徑(Numerical Aperture,)，增加會增大系統(tǒng)的像差，決定了系統(tǒng)的衍射極限及物像的離焦程度[5]。4組實驗中，該幾組參數(shù)均保持不變，即系統(tǒng)的極限空間分辨率不變?？臻g分辨率也與圖像襯度息息相關(guān)，亮度差別低于一定程度，肉眼便無法分辨[13]。由于不同樣品的光輸出不同，為避免圖像顯示的明暗襯度比對于肉眼分辨條紋的干擾，對圖像進行歸一化處理，將每幅圖像的顯示區(qū)間的最小值min、最大值max與計數(shù)區(qū)間的最小值min、最大值max的間距調(diào)為一致，即C,min/D,min=C,min/D,min，D,max/C,max=D,max/C,max，其中、代表兩幅不同的圖像。與此同時，計算了條紋區(qū)域的襯度，定量衡量分辨率的變化。為消除閃爍體性能差異的影響，將添加光子晶體后的襯度與同一片閃爍體無光子晶體時的襯度進行對比。圖像的襯度=(max?min)/(max+min)。max、min分別取圖4條紋處強度最高值和最低值的平均值，計算得到有無光子晶體成像的襯度比。較之未經(jīng)過光子晶體修飾的情況，添加AAO后，圖像襯度略有下降；添加SiN所成圖像的襯度下降了一半；添加PS小球后，襯度有極大的損失，僅為原來襯度的25%。襯度量化對比結(jié)果與肉眼觀察分辨率靶清晰程度對比結(jié)果一致，即襯度的下降引起空間分辨率的下降。

從添加PS小球和SiN周期結(jié)構(gòu)所成圖像的對比可知，添加光子晶體后，光子晶體結(jié)構(gòu)的不均勻性會造成分辨率的下降。從閃爍體出射的可見光經(jīng)過非均勻表面會發(fā)生散射，造成相鄰信號之間的串?dāng)_，使圖像變得模糊。自組裝技術(shù)工藝是分子通過非共價鍵的作用自發(fā)組合成穩(wěn)定的聚合體的過程，無法控制所制作的PS小球均是單層結(jié)構(gòu)，局部存在多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上短程有序，且存在小球粒徑不均一的問題。電子束曝光所制作的SiN周期結(jié)構(gòu)，周期精確可控，結(jié)構(gòu)長程有序，圓孔直徑存在約5%的偏差，邊緣有些許缺陷，結(jié)構(gòu)均一性最佳，故添加SiN周期結(jié)構(gòu)的成像效果優(yōu)于添加PS小球的效果。陽極氧化法制作的AAO單層膜，孔徑及形狀無法調(diào)控到完全一致，均一性介于PS小球和SiN之間，結(jié)構(gòu)的不均勻造成了成像背景的不均勻。添加AAO光子晶體后圖像條紋比添加SiN更清晰的原因在于光子晶體排列構(gòu)型的影響。

在后續(xù)實驗中（因線站升級改造，CCD探測器更換為Hamamatsu探測器，像素陣列1 024×1 024，大小6.8 μm×6.8 μm，其余實驗裝置、布局均保持不變），添加正方構(gòu)型、三角構(gòu)型SiN周期結(jié)構(gòu)的成像對比、襯度對比亦可得到驗證(見圖5)，其中兩種周期結(jié)構(gòu)的周期與占空比均一致，正方構(gòu)型SiN樣品為上一步實驗中所采用的樣品。從兩組對比實驗可知，閃爍體上添加三角構(gòu)型的光子晶體，成像分辨率更佳。PS小球因均勻性和有序性較差，使圖像糊化的效應(yīng)掩蓋了其三角構(gòu)型在成像方面的優(yōu)越性。添加三角構(gòu)型的SiN周期結(jié)構(gòu)成像效果無法達到與未添加光子晶體時的效果，原因在于電子束一個曝光場(120 μm)內(nèi)的結(jié)構(gòu)之間存在偏差，在制作面積為1 mm×1 mm樣品拼接過程中，場與場之間會出現(xiàn)錯位的現(xiàn)象，均一性、有序性與理想光子晶體存在差距。通過調(diào)整光子晶體構(gòu)型及結(jié)構(gòu)參數(shù)，如周期、占空比，增強光子晶體對出射光方向性的調(diào)控，或可彌補制作工藝的不足，使成像效果達到甚至優(yōu)于未添加光子晶體時的效果。

自組裝及電化學(xué)的方法能快速制備大面積光子晶體，成本低，實用性較強，但均勻性不可控，有序性較差，會帶來分辨率的下降及增加背景的不均勻。此外，樣品與閃爍體間粘附性較差，經(jīng)過一段時間會脫落。電子束曝光所制備的周期結(jié)構(gòu)，顯示均勻性和有序性良好，成像效果較好，但樣品面積有限，制作大面積結(jié)構(gòu)耗時長和成本高。若要快速制備大面積均勻有序的光子晶體，將其真正應(yīng)用于成像探測器，可采用納米壓印以及X射線干涉光刻技術(shù)。

3 結(jié)語

本文通過在閃爍體上添加三種典型的光子晶體，并將其應(yīng)用于基于閃爍體的X射線CCD成像探測器，分析閃爍體添加可用于提高探測效率的光子晶體對于成像分辨率的影響。在上海光源BL13W1線站的成像結(jié)果表明添加結(jié)構(gòu)均勻有序、三角構(gòu)型的光子晶體具有最佳的成像效果。實驗中，較之未添加光子晶體探測器，添加光子晶體后的成像分辨率有所下降。選擇合適排列構(gòu)型、周期、占空比，制備均勻有序的光子晶體，使得在提高探測效率的同時，成像分辨率保持不變或者有所提高是今后研究的方向。

1 肖體喬, 謝紅蘭, 鄧彪, 等. 上海光源X射線成像及其發(fā)展[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2014, 34(1): 1–13.DOI: 10.3788/aos201434.0100001? XIAO Tiqiao, XIE Honglan, DENG Biao,. Progresses of X-ray imaging methodology and its applications at Shanghai Synchrotron Radiation Facility[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(1): 1–13. DOI: 10.3788/aos201434.0100001

2 Douissard P A, Cecilia A, Rochet X,. A versatile indirect detector design for hard X-ray micro imaging[J]. Journal of Instrumentation, 2012, 7(9): P09016. DOI: 10.1088/1748-0221/7/09/P09016

3 Diawara Y, Durst R D, Mednikova G,. Scintillators for high efficiency and high spatial resolution in X-ray imaging applications[C]. Optical Science and Technology, SPIE’s 48thAnnual Meeting, International Society for Optics and Photonics, 2004: 119–125. DOI: 10.1117/ 12.504731

4 張永興, 謝紅蘭, 杜國浩, 等. 基于透鏡耦合的X射線成像探測器閃爍體厚度對成像質(zhì)量的影響[J]. 核技術(shù), 2014, 37(7): 070102.DOI: 10.11889/j.0253-3219.2014. hjs.37.070102 ZHANG Yongxing, XIE Honglan, DU Guohao,. Influence of scintillator’s thickness on imaging quality of lens-coupled hard X-ray imaging detector[J]. Nuclear Techniques, 2014, 37(7): 070102.DOI: 10.11889/j.0253- 3219.2014.hjs.37.070102

5 Koch A, Raven C, Spanne P,. X-ray imaging with submicrometer resolution employing transparent luminescent screens[J]. Journal of the Optical Society of America A-Optics Image Science and Vision, 1998, 15(7): 1940–1951. DOI: 10.1364/JOSAA.15.001940

6 Koch A, Cloetens P, Ludwig W,. Reading thin-film scintillators with optical microscopes for X-ray imaging[C]. Proceedings of the 5thInternational Conference on Inorganic Scintillators and their Applications, 1999: 16–20

7 Kronberger M, Auffray E. Probing the concepts of photonic crystals on scintillating materials[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008, 53(3): 1102–1106. DOI: 10.1109/TNS.2008.922827

8 Pignalosa P, Liu B, Chen H,. Giant light extraction enhancement of medical imaging scintillation materials using biologically inspired integrated nanostructures[J]. Optics Letter, 2012, 37(14): 2808–2810. DOI: 10.1364/ OL.37.002808

9 Knapitsch A, Auffray E, Fabjan C W,. Results of photonic crystal enhanced light extraction on heavy inorganic scintillators[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2012, 59(5): 2334–2339. DOI: 10.1109/TNS. 2012.2184556

10 Zhu Z, Liu B, Cheng C,. Broadband light output enhancement for scintillator using whispering-gallery modes in nanospheres[J]. Physica Status Solidi, 2014, A211(7): 1583–1588. DOI: 10.1002/pssa.201431032

11 Fernow R C, Fernow R C. Introduction to experimental particle physics[M]. New York: Cambridge University Press, 1989. DOI: 10.1017/cbo9780511622588

12 Ding G Q, Zheng M J, Xu W L,. Fabrication of controllable free-standing ultrathin porous alumina membranes[J]. Nanotechnology, 2005, 16(8): 1285–1289. DOI: 10.1088/0957-4484/16/8/050

13 Sigg F. Testing for resolution and contrast[M]. Rochester, US: RI School of Print Media, 2006

Effect of photonic crystal prepared by different methods on the spatial resolution of scintillator-based synchrotron radiation imaging detector

CHEN Mei1,2YU Huaina1ZHAO Jun1WANG Liansheng1DU Guohao1XIE Honglan1WU Yanqing1TAI Renzhong1

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China);2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Indirect Charge Coupled Device (CCD) using scintillator as a convertor of X-ray is widely used in synchrotron radiation X-ray imaging system. High detection efficiency and high spatial resolution of the detector are required to take advantages of the third generation synchrotron radiation light source. It has been proved that patterning the scintillator with photonic crystal (PhC) could increase the light output of the scintillator, thus enhancing the detection efficiency of scintillator-based detector. Purpose: In order to exploit the application of PhC in scintillator-based X-ray imaging detector, it is necessary to investigate the effect of PhC on the spatial resolution of the imaging detector. Methods: Three kinds of PhC, Polystyrene (PS), Anodic Aluminum Oxide (AAO) and SiN, were employed and superinduced on the Y3Al5O12:Ce scintillator basal. Imaging experiments with and without PhC were performed at the BL13W1 beamline of the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). The effect of PhC on the resolution was evaluated by comparing images of resolution bar taken by detector with and without PhC. Results: The homogeneity and the lattice type of the PhC, i.e., SiNhave great impact on the spatial resolution. Conclusion: PhC with homogeneous structure is preferred to achieve better spatial resolution. Triangular lattice PhC performs better than the square lattice one in imaging detector.

Photonic crystals, Scintillator, Synchrotron radiation imaging, Detector, Spatial resolution

TL812, O439

TL812，O439

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070101

中國科學(xué)院大科學(xué)裝置開放研究項目：自組裝技術(shù)與超高密度納米陣列研究、上海市學(xué)術(shù)帶頭人項目(No.13XD1404400)、國家杰出青年科學(xué)基金(No.11225527)資助

陳媚，女，1989年出生，2012年畢業(yè)于四川大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為閃爍體與人工微結(jié)構(gòu)

邰仁忠，E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

2015-03-05，

2015-03-24