光子晶体制备方法对同步辐射闪烁体探测器成像分辨率的影响

陈媚 于怀娜 赵俊 王连升 杜国浩 谢红兰 吴衍青 邰仁忠



光子晶体制备方法对同步辐射闪烁体探测器成像分辨率的影响

陈媚1,2于怀娜1赵俊1王连升1杜国浩1谢红兰1吴衍青1邰仁忠1

1（中国科学院上海应用物理研究所张江园区 上海 201204）;2（中国科学院大学 北京 100049）

探测效率和空间分辨率是成像探测器的重要性能。采用光子晶体，可提高闪烁体的光提取效率和增加光输出，进而提高基于闪烁体的同步辐射X射线成像探测器的探测效率并缩短成像时间。探究光子晶体对于成像探测器分辨率的影响具有重要应用意义。在闪烁体上添加三种典型的光子晶体，在上海光源BL13W1线站进行探测器有无光子晶体的成像实验，对比分辨率靶成像效果以及衬度比的量化结果，得到影响分辨率的因素。结果表明，均匀有序、三角构型的光子晶体具有最佳的成像效果，对于光子晶体在成像探测器领域的应用研究具有指导意义。

光子晶体，闪烁体，同步辐射成像，探测器，空间分辨率

第三代同步辐射光源具有高通量、高亮度、高相干性、窄脉冲、宽波段、能量连续可调等优良特性，在此基础上，衍生了新的成像方法，如相衬成像、显微电子计算机断层扫描(Micro Computed Tomography, Micro-CT)、荧光电子计算机断层扫描(Fluorescence Computed Tomography)[1]，同时对样品进行动态成像，实现原位分析成为可能。同步辐射X射线成像的发展对探测器的空间分辨和时间分辨能力提出了更高的要求，探测器的水平需不断提高，以充分发挥先进光源为实验提供的巨大潜力。

同步辐射硬X射线成像实验中，主要采用间接型电荷耦合器件探测器(Charge Coupled Device, CCD)，即通过闪烁体将入射的X射线转换成可见光，物像经过光学耦合系统（光纤或光学透镜组）传送到CCD阵列实现图像读取[2]。闪烁体作为X射线成像探测过程第一环节的X射线转换元件，其性能是影响X射线成像探测系统探测效率和分辨率的关键因素。提高系统探测效率的方法有增加闪烁体厚度和采用高发光产额的新型晶体[3]，但这两种方法并不能改善成像系统的点扩散函数。为提高空间分辨率，虽然闪烁体厚度的增加增强了光子的散射和增大了系统像差，但会导致分辨率下降[4–5]。采用闪烁薄膜可提高分辨率[6]，但因对射线吸收较弱，探测效率较低。近年来，广泛应用于增强发光二极管发光效率的光子晶体(Photonic Crystal, PhC)开始用于修饰闪烁体[7–8]。光子晶体是由两种或两种以上介电材料周期性排列构成的光子学人工微结构，其在闪烁体出射界面处引入周期性微扰，破坏全内反射的条件，使原本发生全内反射的光子在满足耦合条件下可出射到周围介质。实验上已获得30%–70%光提取效率的提高[9–10]，在要求快时间分辨、低辐照剂量的生物医学成像领域具有巨大的潜在应用价值，但光子晶体对于成像探测器另一重要指标空间分辨率的影响却未见报道。因此，闪烁体添加光子晶体对成像空间分辨率的影响研究对于拓展光子晶体在同步辐射X成像探测器的应用具有重大意义。

本文采用三种典型的光子晶体对闪烁体表面进行修饰，将成像探测器原有转换屏替换为修饰后的闪烁体。基于上海同步辐射光源X射线成像与生物医学应用线站(BL13W1)实验平台，对分辨率靶进行成像实验，对比添加不同光子晶体后系统的成像分辨率，得到了分辨率的影响因素，为同步辐射X射线成像探测器选用合适的光子晶体提供依据。

1 理论与实验

1.1 参数选取

闪烁体选用掺铈钇铝石榴石(Y3Al5O12:Ce, YAG:Ce)，样品尺寸⌀25.4×0.2 mm，其发光中心波长为550 nm，发射谱与BL13W1采用的PCO.2000探测器响应光谱相匹配。光子晶体的材料选择聚苯乙烯(Polystyrene, PS)小球、阳极氧化铝(Anodic Aluminum Oxide, AAO)和氮化硅(SiN)。三种材料均对YAG:Ce发出的可见光无吸收。聚苯乙烯小球和阳极氧化铝是化学方法制备的两种典型光子晶体，可制备大面积的样品，便于实验具体操作。光子晶体的另一种制备方法是光刻的物理方法，虽然加工面积有限，但工艺可控性强、重复性好，SiN是光刻工艺常用材料，且加工工艺成熟。以YAG:Ce发射谱中心波长为入射波，依据三种材料在550 nm处的折射率(PS小球: 1.6，AAO: 1.76，SiN: 2.02)，采用严格耦合波理论计算获得结构的优化参数，并结合实验室制备工艺条件，确定最终的结构参数，具体如表1所示。图1是三种光子晶体选择表1的结构参数时，理论计算而得的透射谱随入射角的变化曲线。由图1可见，添加了光子晶体后，大于临界角的入射光透射率不再为零。此外，模拟结果仅计算入射光第一次到达出射面时的提取效果，而未考虑在晶体内部经过多次反射而最终被提取的情况，考虑多次提取效应后，提取效率会有更显著的提高。虽然光子晶体会增强入射角小于临界角的入射光的反射，造成输出光子数的损失，但由于大于临界角的入射光子数多于临界角以内的入射光子数，故光子晶体增加的光输出大于其所造成的光损失[11]，增强了闪烁体的光输出。

表1 光子晶体结构参数

图1 闪烁体添加三种光子晶体后透射谱模拟图

1.2 样品制备

PS小球溶液先均匀地铺展在硅片上，水蒸发后将硅片慢慢倾斜放入水中，小球在水面上自发形成有序排列，之后用提拉法将这一有序阵列转移到闪烁体表面，小球覆盖面积约为闪烁体表面的4/5。可移植的双通AAO薄膜购自上木科技公司，其制作方法则是通过电化学的方法制成多孔有序AAO模板后，去除铝基底和阻挡层[12]，转移到闪烁体基底上，薄膜面积约为1 cm×1 cm。运用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)技术在闪烁体表面镀100 nm厚的氮化硅薄膜，在薄膜上用PMMA (Poly methylmethacrylate)光刻胶作为图形转移层，利用电子束光刻(Electron Beam Lithography, EBL)在光刻胶上形成所需图案，之后用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)刻蚀将光刻胶图案转移到氮化硅层上，光子晶体覆盖面积为1mm×1mm。图2给出了三种结构的剖面示意图及其正面的扫描电镜显微(Scanning Electron Microscopy, SEM)图。

图2 三种光子晶体SEM图

1.3 同步辐射成像

BL13W1线站布局如图3所示，从扭摆器出射的同步辐射光经过准直滤波聚焦后透过样品照在YAG:Ce闪烁体上，闪烁体与X射线相互作用发出可见光，通过Olympus透镜(10×)耦合至PCO. 2000成像探测器（像素阵列1024×1024，像素尺寸为 7.4 μm×7.4 μm）。成像样品JIMA RT RC-02 型X射线分辨率靶放置在六维样品台，距离闪烁屏3 cm。X射线能量设为20keV。实验中在预览模式下调整好焦距，使分辨率靶图像达到最清晰，再调节六维样品台，使所需成像区域落入有或无光子晶体覆盖的范围。对分辨率靶成像后，调节样品台，将分辨率靶移出视野，用同样的曝光时间拍得背景图像。

图3 上海光源BL13W1线站布局示意图

2 结果与分析

2.1 光提取效果

闪烁体添加光子晶体后光输出的增强效果与模拟结果一致(图4)，三种光子晶体均能增强光输出。光输出的增强效果与光子晶体材料折射率、周期、占空比及深度有关，理论模拟是按照理想完美周期进行计算，而如图2所示，实验样品存在一定的不足，因此并不能达到理论设计的最高提取效率。

2.2 成像效果

图4是对分辨率靶图像扣除背景之后的图片，图4中线条宽度和间距均为2 μm。图4(a)–(c)、(f)中明暗条纹均可分辨，图4(e)中条纹勉强可分辨，图4(d)中的条纹已不可分辨。添加三种光子晶体后，对于2 μm条纹的分辨能力均有下降，其中闪烁体添加AAO后所成图像的条纹最清晰，添加SiN次之，添加PS小球后探测器空间分辨率最差。

图4 闪烁体添加三种光子晶体后拍摄的分辨率靶的图像(a) 样品1#未添加光子晶体，(b) 样品2#未添加光子晶体，(c) 样品3#未添加光子晶体，(d) 样品1#添加PS小球，光输出比2.06，衬度比0.25，(e) 样品2#添加SiNx，光输出比1.65，衬度比0.53，(f) 样品3#添加AAO，光输出比1.56，衬度比0.65

基于闪烁体的透镜耦合式CCD的成像原理图如图3所示，其空间分辨率的主要影响因素是闪烁体的厚度以及透镜的数值孔径(Numerical Aperture,)，增加会增大系统的像差，决定了系统的衍射极限及物像的离焦程度[5]。4组实验中，该几组参数均保持不变，即系统的极限空间分辨率不变。空间分辨率也与图像衬度息息相关，亮度差别低于一定程度，肉眼便无法分辨[13]。由于不同样品的光输出不同，为避免图像显示的明暗衬度比对于肉眼分辨条纹的干扰，对图像进行归一化处理，将每幅图像的显示区间的最小值min、最大值max与计数区间的最小值min、最大值max的间距调为一致，即C,min/D,min=C,min/D,min，D,max/C,max=D,max/C,max，其中、代表两幅不同的图像。与此同时，计算了条纹区域的衬度，定量衡量分辨率的变化。为消除闪烁体性能差异的影响，将添加光子晶体后的衬度与同一片闪烁体无光子晶体时的衬度进行对比。图像的衬度=(max−min)/(max+min)。max、min分别取图4条纹处强度最高值和最低值的平均值，计算得到有无光子晶体成像的衬度比。较之未经过光子晶体修饰的情况，添加AAO后，图像衬度略有下降；添加SiN所成图像的衬度下降了一半；添加PS小球后，衬度有极大的损失，仅为原来衬度的25%。衬度量化对比结果与肉眼观察分辨率靶清晰程度对比结果一致，即衬度的下降引起空间分辨率的下降。

从添加PS小球和SiN周期结构所成图像的对比可知，添加光子晶体后，光子晶体结构的不均匀性会造成分辨率的下降。从闪烁体出射的可见光经过非均匀表面会发生散射，造成相邻信号之间的串扰，使图像变得模糊。自组装技术工艺是分子通过非共价键的作用自发组合成稳定的聚合体的过程，无法控制所制作的PS小球均是单层结构，局部存在多层结构，结构上短程有序，且存在小球粒径不均一的问题。电子束曝光所制作的SiN周期结构，周期精确可控，结构长程有序，圆孔直径存在约5%的偏差，边缘有些许缺陷，结构均一性最佳，故添加SiN周期结构的成像效果优于添加PS小球的效果。阳极氧化法制作的AAO单层膜，孔径及形状无法调控到完全一致，均一性介于PS小球和SiN之间，结构的不均匀造成了成像背景的不均匀。添加AAO光子晶体后图像条纹比添加SiN更清晰的原因在于光子晶体排列构型的影响。

在后续实验中（因线站升级改造，CCD探测器更换为Hamamatsu探测器，像素阵列1 024×1 024，大小6.8 μm×6.8 μm，其余实验装置、布局均保持不变），添加正方构型、三角构型SiN周期结构的成像对比、衬度对比亦可得到验证(见图5)，其中两种周期结构的周期与占空比均一致，正方构型SiN样品为上一步实验中所采用的样品。从两组对比实验可知，闪烁体上添加三角构型的光子晶体，成像分辨率更佳。PS小球因均匀性和有序性较差，使图像糊化的效应掩盖了其三角构型在成像方面的优越性。添加三角构型的SiN周期结构成像效果无法达到与未添加光子晶体时的效果，原因在于电子束一个曝光场(120 μm)内的结构之间存在偏差，在制作面积为1 mm×1 mm样品拼接过程中，场与场之间会出现错位的现象，均一性、有序性与理想光子晶体存在差距。通过调整光子晶体构型及结构参数，如周期、占空比，增强光子晶体对出射光方向性的调控，或可弥补制作工艺的不足，使成像效果达到甚至优于未添加光子晶体时的效果。

自组装及电化学的方法能快速制备大面积光子晶体，成本低，实用性较强，但均匀性不可控，有序性较差，会带来分辨率的下降及增加背景的不均匀。此外，样品与闪烁体间粘附性较差，经过一段时间会脱落。电子束曝光所制备的周期结构，显示均匀性和有序性良好，成像效果较好，但样品面积有限，制作大面积结构耗时长和成本高。若要快速制备大面积均匀有序的光子晶体，将其真正应用于成像探测器，可采用纳米压印以及X射线干涉光刻技术。

3 结语

本文通过在闪烁体上添加三种典型的光子晶体，并将其应用于基于闪烁体的X射线CCD成像探测器，分析闪烁体添加可用于提高探测效率的光子晶体对于成像分辨率的影响。在上海光源BL13W1线站的成像结果表明添加结构均匀有序、三角构型的光子晶体具有最佳的成像效果。实验中，较之未添加光子晶体探测器，添加光子晶体后的成像分辨率有所下降。选择合适排列构型、周期、占空比，制备均匀有序的光子晶体，使得在提高探测效率的同时，成像分辨率保持不变或者有所提高是今后研究的方向。

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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

中国科学院大科学装置开放研究项目：自组装技术与超高密度纳米阵列研究、上海市学术带头人项目(No.13XD1404400)、国家杰出青年科学基金(No.11225527)资助

陈媚，女，1989年出生，2012年毕业于四川大学，现为硕士研究生，研究领域为闪烁体与人工微结构

邰仁忠，E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

2015-03-05，

2015-03-24