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CN1837954A - 磷光膜、成像组件及检查方法 - Google Patents

磷光膜、成像组件及检查方法 Download PDF

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CN1837954A
CN1837954A CNA2006100718898A CN200610071889A CN1837954A CN 1837954 A CN1837954 A CN 1837954A CN A2006100718898 A CNA2006100718898 A CN A2006100718898A CN 200610071889 A CN200610071889 A CN 200610071889A CN 1837954 A CN1837954 A CN 1837954A
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phosphor
film
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CNA2006100718898A
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C·布伊诺
S·J·杜克洛斯
S·J·斯拓洛萨
D·阿尔巴利
P·A·麦康尼利
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General Electric Co
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Abstract

提供一种适应性强的成像组件(20)。适应性强的成像组件(20)包括配置成接收入射辐射以及发出相应光信号的自立式磷光膜(10)。电子装置(12)耦合到自立式磷光膜(10)。电子装置(12)配置成接收来自自立式磷光膜(10)的光信号并且产生成像信号。还提供一种自立式磷光膜(10)，它包括在聚硅氧烷粘合剂中散布的x射线磷光体颗粒。还提供一种用于检验构件的方法，包括使构件和自立式磷光膜受到辐射(22)，采用自立式磷光膜(10)产生相应光信号(24)，采用耦合到自立式磷光膜(10)的电子装置(12)接收光信号(26)，以及采用电子装置(12)产生成像信号(28)。

Description

磷光膜、成像组件及检查方法
技术领域
一般来说，本发明涉及成像组件及检查方法。更具体来说，本发明涉及结合了可移动及可替换层的数字射线照相成像组件。
背景技术
X射线磷光体是高密度发光材料，它们在被x射线或其它高能量电磁光子激励时发出可见光或近可见光辐射，因此广泛用于各种工业和医疗射线照相设备。将x射线磷光体耦合到光电二极管、电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS器件)以及光电倍增管(PMT)是把x射线转换为电信号的有效方式。这种发展不仅要求具有诸如高x射线转换效率、更快的发光衰落时间、辐射场中的更低余辉和更高稳定性之类的增强属性的高级x射线磷光体，而且还要求x射线转换器屏幕与电子检测器之间的更好耦合。X射线磷光体必须是x射线辐射到由光电传感器、如光电倍增器或光电二极管最有效地检测的电磁波谱(可见和近可见)的那些范围中的光辐射的有效转换器。还希望x射线磷光体具有高的光学透明度，即，有效地传送光辐射而避免光学捕获，因为在x射线磷光体主体深处发出的光辐射避开外部设置的光电检测器的检测。这在医疗诊断应用中特别重要，在其中，希望x射线剂量尽可能小，以便使患者曝光量最小，同时保持足够的量子检测效率和高信噪比。
余辉是x射线磷光体在x射线激励结束之后的一段时期继续发出光辐射、从而引起信息携带信号的随时间模糊的倾向。在要求快速顺序扫描的应用中、例如在对移动的肉体组织进行成像中，短余辉是极符合要求的。滞后现象是x射线磷光体材料属性，由此，光输出对于相同的x射线激励根据x射线磷光体的辐射历史变化。由于来自每个x射线磷光体单元的光输出的重复精确测量以及其中光输出对于照射到x射线磷光体上的相同x射线辐射曝光量实质上必须相同的计算机断层造影的要求，滞后现象是不希望的。典型的检测精度对于以较高速率进行的多个连续测量大约为千分之一。在实时放射检验中，滞后现象可能导致图像重影，其中，先前成像历史重叠在当前射线照相影像上。这可能导致错误诊断或解释。高x射线阻止能力对于有效的x射线检测是符合需要的。所使用的磷光体屏幕应当阻止x射线，同时不应当阻碍供光电检测装置捕捉的后续光发射。
本领域已知的射线照相成像系统遭遇这些缺点的一个或多个。因此，希望设计一种具有增强的灵敏度及更好的性能的射线照相成像系统。
发明内容
本发明满足这些及其它需求。简言之，根据本发明的一个实施例，提供一种适应性强的成像组件。适应性强的成像组件包括配置成接收入射辐射以及发出相应光信号的自立式磷光膜。提供耦合到自立式磷光膜的电子装置。电子装置配置成接收来自自立式磷光膜的光信号，并且产生成像信号。
根据另一个实施例，提供用于检验构件的方法。该方法包括使构件和自立式磷光膜受到辐射，采用自立式磷光膜产生相应光信号，采用耦合到自立式磷光膜的电子装置接收光信号，以及采用电子装置产生成像信号。
在另一个实施例中，提供包括在聚硅氧烷粘合剂中散布的x射线磷光体颗粒的自立式磷光膜。
在又一个实施例中，提供一种形成自立式磷光膜的方法。该方法包括以下步骤：制备磷光粉，其中磷光体包括x射线磷光体；制备粘合剂溶液，其中包括聚硅氧烷粘合剂以及固化剂；通过混合粘合剂溶液与磷光粉来制备浆体；通过在衬底上涂敷浆体，在衬底上形成磷光层；固化磷光层以得到磷光膜；以及从衬底上移去磷光膜，从而得到自立式磷光膜。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细说明，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在整个附图中表示相似组件，附图包括：
图1示意说明本发明的一个适应性强的成像组件的实施例；
图2是本发明的一个检验方法的实施例的流程图；
图3进一步说明图2的检验方法；
图4说明具有多个自立式磷光膜的适应性强的成像组件的一个
具体实施例；
图5是根据本发明的一个实施例、用于制备自立式磷光膜的流程图；
图6是Lu2O3:Eu3+的示范挠性自立式磷光膜；
图7是设置在金属板与Si晶片之间的Lu2O3:Eu3+的示范挠性自立式磷光膜；以及
图8示意说明采用光纤板的本发明的一个适应性强的成像组件的实施例。
具体实施方式
参照图1来描述适应性强的成像组件20。例如图1中所示，适应性强的成像组件20包括配置成接收入射辐射以及发出相应光信号的自立式磷光膜10。下面更详细地描述自立式磷光膜10以及制作膜10的方法。辐射源根据应用来改变，实例包括x射线、γ射线、热中子以及高能量元素粒子辐射源。对于热中子，支撑衬底、如聚酯薄膜支撑将极大地衰减输入热中子成像射束图案，以及降低信噪比。热中子在包含诸如聚酯薄膜之类的材料的氢中高度吸收。这些只是示例，不应当被解释为限制可使用的辐射类型。本文所用的短语“光信号”应当理解为表示光。磷光膜10发出的光的波长由所使用的磷光体的类型来确定。适应性强的成像组件20还包括耦合到自立式磷光膜10的电子装置12。电子装置12配置成接收来自自立式磷光膜10的光信号，并且产生成像信号。电子装置12可按照若干方式耦合到自立式磷光膜10，其中包括光耦合(例如采用光纤板)、直接耦合以及透镜耦合。示范电子装置12包括CCD、CMOS、光电二极管阵列、光电雪崩阵列以及α-Si(非晶硅)阵列。电子装置12通常包括排列成阵列的多个光敏像素。阵列可能是线阵或者面阵。在其它实施例中，可采用单像素器件，例如光电倍增管(PMT)。
根据一个具体实施例，光耦合流体(未示出)或者光胶(未示出)用于自立式磷光膜10与电子装置12之间，提供各元件的各自折射率的改进匹配。这个实施例因而将改进光耦合效率和光收集。示例光胶非限制性地包括UV固化胶和光环氧树脂。
根据示范实施例，自立式磷光膜10包括在聚硅氧烷粘合剂中散布的x射线磷光体颗粒，图6说明这种薄膜的一个实例。适合这些应用的x射线磷光体的非限制性实例包括但不限于Gd2O2S:Tb、Gd2O2S:Eu、CaWO4、Y2O2S:Tb、(YSr)TaO4、(YSr)TaO4:Gd、(YSr)TaO4:Nb、BaFCl:Eu、Lu2O3:Eu、CsI:Tl以及这些磷光体的组合或者所述催化剂、如铽和铕的组合。具体材料或者材料组合的选择取决于特定应用。下面参照图5、图6和图7更详细地论述自立式膜10。
对于混合磷光体的实施例，自立式磷光膜10包括至少两种磷光粉。对于包括非晶硅面板在内的某些应用，这种混合磷光体是符合要求的。由于非晶硅面板对绿光更敏感，因此Lu2O3:Eu和GOS:Tb的混合可能有效。在这种配置中，Lu2O3:Eu提供x射线阻止能力以及良好的x射线-光转换效率，但在光谱的红色区域发出。GOS:Tb提供中等的阻止能力，具有良好的转换效率，但提供与非晶硅光电检测器的更好匹配。
对于图1的示范实施例，适应性强的成像组件20还包括电子强化层14，它耦合到自立式磷光膜10以及配置成在入射到自立式磷光膜10之前接收入射辐射。示范电子强化层14包括由具有高原子序数的金属、如铅组成的金属层。有利的是，电子强化层14减少x射线散射。根据一个具体实施例，电子强化层14直接耦合到自立式磷光膜10。依靠以下事实来帮助这种直接耦合：自立式膜10没有衬底、如Mylar衬背。(Mylar是DuPont-Teijin Films的注册商标。)这允许在薄膜10的两边的直接耦合。自立式磷光膜10的另一个优点在于以下事实：以低x射线能量(＜400kV)从金属屏发出的低能量电子未被阻止，如对于具有Mylar衬背的传统荧光屏通常发生的那样。
根据一个具体实施例，电子强化层14是可移动及可替换的。有利的是，通过将电子强化层配置为可移动的，它对于高能量(＞1MeV)应用可被包含，而对于较低能量(＜150kV)应用则可去掉。类似地，通过将电子强化层14配置为可替换的，不同的电子强化层14(就成分、厚度或者两者而言)可用于不同的成像应用。
对于另一个示范实施例，自立式磷光膜10的厚度是可调节的。例如，单个100微米的磷光层可用于某些成像应用，以及100微米厚的磷光体的一个或多个附加层可被添加，从而建立用于其它成像应用的自立式磷光膜10的厚度。对于这个实施例，附加磷光层可包括相对于初始磷光层来说相同或不同的磷光体。
根据一个具体实施例，自立式磷光膜10是可替换的。有利的是，通过采用可替换磷光膜10，不同的磷光体和/或不同的膜厚度可用于不同的成像应用。例如，对于铸件中的小裂缝或小孔的高空间分辨率、低能量成像，可采用由GOS:Tb构成的50-100微米的自立式磷光体，它直接附加到非晶硅光电检测器上，并且可用来执行非破坏性测试。对于较厚铸件或者较大的钢构件的较高能量曝光，可使用更厚重的磷光体，同样采用适当厚度以便于最佳x射线捕捉。更具体来说，后者也可配置例如500微米的铅或钨的金属屏，从而进一步改进x射线图像质量。另外，为了修复目的可执行更换操作。
根据一个具体实施例，自立式磷光膜10附加到电子装置12。这可通过许多方式来实现，其中包括将自立式磷光膜10压力装配到电子装置12。例如，可利用前盖板将磷光体压到装置上。对于其它实施例，也可采用框架。更具体来说，薄膜可被压力装配到框架上。
图8说明适应性强的成像组件20的另一组示范实施例。如图8所示，适应性强的成像组件20还包括设置在自立式磷光膜10与电子装置12之间的光纤板(FOP)52。FOP可能是不发光或者发光的。有利的是，FOP的数值孔径可调节到接受更浅的入射光角度，以便改进适应性强的成像组件20的分辨率。这允许对空间分辨率和对比度的改进调谐。根据一个具体实施例，电子装置12为非晶硅面板。FOP可有利地与光耦合流体或光胶结合。例如，光耦合流体或光胶(未示出)可设置在自立式磷光膜10与FOP 52之间。另外，光耦合流体或光胶也可设置在FOP 52与电子装置12之间。
适应性强的成像组件20可用来检验构件30，其实例非限制性地包括涡轮叶片、铸件、焊接件以及飞机机身框架。图2和图3说明本发明的另一个实施例，它针对检验构件30的方法。如图2所示，该方法包括：在步骤22，使构件30和自立式磷光膜10受到辐射；在步骤24，采用自立式磷光膜10产生相应光信号；以及在步骤26，采用耦合到自立式磷光膜10的电子装置12来接收光信号。检验方法还包括在步骤28，采用电子装置12产生成像信号。对于图3的示范实施例，成像信号在处理器18中经过多个处理步骤(未示出)，以及构件30的图像根据一个或多个成像信号来产生。在许多实施例中，图像在显示器16上显示，如图3所示。
根据具体实施例，该方法还包括执行下列操作中的至少一个：调节自立式磷光膜10的厚度；将至少一层另一个自立式磷光膜10’(可能具有与原始膜10相同或不同的磷光体)添加到原始自立式磷光膜10，例如图4所示；以及采用另一个自立式磷光膜(例如成分和/或厚度不同的)替换自立式磷光膜10。后一种替换操作可用来修改或者修复自立式磷光膜10。
根据一个具体实施例，该方法还包括通过将高原子序数电子强化层14耦合到自立式磷光膜10来减小辐射散射。这里所使用的短语“高原子序数”表示至少26的原子序数。这样，金属屏不仅可提供散射抑制，而且还可提供对于从金属屏发出的光电子的进一步捕捉，因此提供来自所述金属层的改进强化。金属层通常用于工业薄膜成像，在其中，诸如铅之类的金属设置成与工业x射线薄膜密切接触。这产生高于大约100kV的中等能量x射线的主要捕捉媒介。自立式磷光膜提供正面与光电检测器阵列的直接接触以及背面与金属“强化”屏的直接接触。对于它的更具体实施例，该方法还包括执行下列操作中的至少一个：调节电子强化层14的厚度；替换电子强化层14；以及移去电子强化层14。
本发明的另一个方面是提供包括在聚硅氧烷粘合剂中散布的x射线磷光体颗粒的自立式磷光膜10。适合这些应用的x射线磷光体的非限制性实例包括但不限于Gd2O2S:Tb、Gd2O2S:Eu、CaWO4、Y2O2S:Tb、(YSr)TaO4、(YSr)TaO4:Gd、(YSr)TaO4:Nb、BaFCl:Eu、Lu2O3:Eu、CsI:Tl以及这些磷光体的组合。具体材料或者材料组合的选择取决于特定应用。在某个示范实施例中，x射线磷光体为Lu2O3:Eu。Lu2O3:Eu具有高密度、因而具有更好的x射线阻止、以及匹配CCD的光谱响应的610nm的窄带发射的明显优点。
对于一个具体实施例，自立式磷光膜包括混合磷光体，其中包含至少两种不同的磷光体。在一个具体实施例中，混合磷光体包括GOS:Tb3+和Lu2O3:Eu3。混合磷光体可包括适合特定应用的磷光体的组合。例如，对于对绿色更敏感的非晶Si面板，Lu2O3:Eu和GOS:Tb的混合可能有效。这些不同的磷光体可组合以形成混合物，或者可用于不同层中。
可移动和可替换的层允许简易处理。它们可重复再使用。磷光膜可根据关联电子器件改变。例如，PMT对蓝色辐射敏感，因此BaFCl:Eu2+磷光体是有效的。另一方面，CCD对红色更敏感，因此Lu2O3:Eu在那些情况中可能有效。
自立式磷光膜的厚度可根据具体要求改变。成像组件的灵敏度由磷光膜的化学成分、其晶体结构、颗粒形状、膜中的磷含量的重量以及磷光膜的厚度来确定。在一些实施例中，自立式磷光膜的厚度小于1毫米。在其它实施例中，磷光膜的厚度处于从大约100微米到大约500微米的范围。这里所使用的术语“大约”应当理解为表示所述厚度的百分之十以内。因此，“大约100微米”应当理解为表示100+/-10微米，等等。
图5说明根据本发明的一个实施例、用于制备自立式磷光膜的方法(由参考标号32总体表示)的流程图。该方法包括在步骤34制备磷光粉的步骤，在其中，磷光体包括x射线磷光体。该方法包括在步骤36制备其中包含聚硅氧烷粘合剂和固化剂的粘合剂溶液。在步骤38，通过混合粘合剂溶液与磷光粉来制备浆体。步骤40包括通过在衬底上涂敷浆体，在衬底上形成磷光层。在步骤42，磷光层经过固化，从而得到磷光膜。步骤44包括从衬底上移去磷光膜，从而得到自立式磷光膜10。
在步骤34，制备包含x射线磷光粉的磷光粉。磷光粉可通过本领域已知的任何合成方法来制备。有用的合成方法包括固态合成、共沉淀、溶胶-凝胶合成、胶体法、火焰喷射热解、逆微乳技术、燃烧法、草酸盐沉淀分离法以及微波合成。在一个示范实施例中，采用以尿素作为沉淀剂的共沉淀法。对于具有精确颗粒大小和形态的Lu2O3:Eu磷光粉的制备，这种技术特别有用。在另一个实施例中，碳酸铵用作沉淀剂。对于具有可控颗粒大小、窄大小分布以及精确形态的Lu2O3:Eu磷光粉的制备，这种技术也是有用的。合成方法及加工条件可根据所需磷光体颗粒的大小和形状来选择。根据一个具体实施例，磷光体颗粒的平均颗粒大小从大约1微米至大约25微米改变。在一些具体实施例中，平均颗粒大小的范围是从大约4微米至大约5微米。
在产生具有极窄大小分布及均匀球形形态的磷光体颗粒中，共沉淀法证明是有用的。颗粒大小和形状对浆体的流变性质具有重要影响。颗粒大小和形态影响薄膜的填充密度。此外还知道，更清晰的图像采用更小平均颗粒大小的磷光体颗粒来获得。但是，发光效率随着减小的颗粒大小而衰减。因此，给定应用的最佳平均颗粒大小是成像速度与预期图像锐度之间的折衷。
在步骤36，制备包含粘合剂和固化剂的粘合剂溶液。粘合剂可以是与磷光体系统兼容的任何粘合剂。在一些示范实施例中，采用聚硅氧烷粘合剂。聚硅氧烷粘合剂提供与磷光体颗粒的良好折射率匹配特性，并且允许光从深层发出，因而允许厚磷光板的使用。在步骤38，通过混合粘合剂溶液与磷光粉来制备浆体。浆体中磷光粉的量一般被调节为具有最佳流变特性。其它添加剂可混合到浆体中，例如用于改进分散性并且防止迅速沉淀的分散剂、用于改进粘合剂与磷光体颗粒之间的粘合力并且降低破裂风险的增塑剂。根据具体实施例，该方法包括浆体的解凝聚和除气以便得到更好结果的附加可选步骤。步骤40包括通过在衬底上涂敷浆体，在衬底上形成磷光层。本领域已知的用于制备层的任何技术可用于形成磷光层。有用的成形技术的非限制性实例包括但不限于喷射、丝网印刷、喷墨印刷、浇铸、绕线棒涂敷、挤压贴胶、照相凹板涂敷、辊涂以及它们的组合。在一些示范实施例中，采用如胶带浇铸之类的浇铸技术。对于制作具有可控厚度和微结构的大面积薄陶瓷片，胶带浇铸证明是有效的。各种衬底可用于制作薄膜，包括但不限于塑料、玻璃、云母、金属衬底以及陶瓷衬底。步骤42包括固化磷光层以得到磷光膜。示范固化技术可包括以指定温度加热指定持续时间、或者微波照射、或者电子束照射、或者UV光曝光、或者它们的组合。在步骤44，磷光膜从衬底上移去，从而得到自立式磷光膜10。例如，磷光膜可用手剥落。
实例
下面将描述本发明的一个实例。但是本发明不受以下实例限制。
自立式磷光膜的制备
以下实例描述Lu2O3:Eu的自立式磷光膜的制备方法。具有5微米的平均颗粒大小以及具有球形形态的Lu2O3:Eu磷光体颗粒通过尿素辅助共沉淀法来制备。称出2.5m1磷光粉并通过100网孔筛选。7.02g的Dow coming Sylgard 184基在50ml烧杯中与7gm的固化剂混合，从而形成粘合剂溶液。磷光粉被添加到烧杯中的粘合剂溶液中，并用力混合5分钟以便消除凝块。烧杯放置在真空干燥器中，并从真空到1个大气压循环数次，以便对悬浮液除气。预期大小的玻璃衬底被清洁，以及悬浮液通过标准刮涂技术形成预期厚度的磷光层。以80℃对胶带加热15个小时。磷光膜从玻璃衬底上剥落，从而得到自立式Lu2O3:Eu薄膜。
图6说明通过方法32制备的Lu2O3:Eu3+的挠性自立式磷光膜(46)。这些挠性自立式膜可用于成像组件中，如上所述。这些自立式膜是挠性的，允许与面板的密切接触。例如，图7说明设置成在金属板(50)与Si晶片(48)之间密切接触的Lu2O3:Eu3+的自立式膜(46)。
本文所述的成像组件可具有各种用途。例如，它在其中涉及高能量辐射到电信号的转换的任何系统中可能是有用的。具体来说，它在各种工业和医疗成像应用中可能是有用的，其中包括x射线射线照相、乳房x射线照相、口腔内射线照相(牙科)、荧光透视、x射线计算机断层造影、诸如正电子放射断层造影之类的放射性核素成像、工业的非破坏性测试、包裹和集装箱的被动及主动筛查。
虽然本文仅说明及描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求意在包含落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

Claims (10)

1.一种适应性强的成像组件(20)，包括：
自立式磷光膜(10)，配置成接收入射辐射以及发出多个相应的光信号，其中所述自立式磷光膜(10)包括在聚硅氧烷粘合剂中散布的多个x射线磷光体颗粒；以及
电子装置(12)，耦合到所述自立式磷光膜，其中所述电子装置配置成接收来自所述自立式磷光膜(10)的光信号，并且产生成像信号。
2.如权利要求1所述的适应性强的成像组件(20)，其特征在于，还包括电子强化层(14)，它耦合到所述自立式磷光膜(10)以及配置成在入射到所述自立式磷光膜之前接收入射辐射，其中所述电子强化层(14)是可移动及可替换的。
3.如权利要求1所述的适应性强的成像组件(20)，其特征在于，所述自立式磷光膜(10)是可替换的。
4.如权利要求1所述的适应性强的成像组件(20)，其特征在于，还包括设置在所述自立式磷光膜(10)与所述电子装置(12)之间的光纤板(52)。
5.一种用于检验构件(30)的方法，包括：
使构件和自立式磷光膜(10)受到辐射(22)；
采用自立式磷光膜(10)产生多个相应的光信号(24)；
采用耦合到自立式磷光膜(10)的电子装置(12)来接收光信号(26)；以及
采用电子装置(12)产生成像信号(28)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括执行下列操作中的至少一个：
调节自立式磷光膜(10)的厚度；
添加至少一层另一个自立式磷光膜；以及
替换自立式磷光膜。
7.一种自立式磷光膜(10)，包括在聚硅氧烷粘合剂中散布的多个x射线磷光体颗粒。
8.如权利要求7所述的自立式磷光膜，其特征在于，所述x射线磷光体颗粒包括从包含以下项的组中选取的至少一种磷光体：Gd2O2S:Tb、Gd2O2S:Eu、CaWO4、Y2O2S:Tb、(YSr)TaO4、(YSr)TaO4:Gd、(YSr)TaO4:Nb、BaFCl:Eu、Lu2O3:Eu、CsI:Tl以及它们的组合。
9.如权利要求7所述的自立式磷光膜，其特征在于，所述x射线磷光体颗粒形成包括至少两种不同磷光体的混合磷光体。
10.一种形成自立式磷光膜(10)的方法(32)，所述方法包括以下步骤：
(a)制备磷光粉(34)，其中所述磷光体包括x射线磷光体；
(b)制备包含聚硅氧烷粘合剂和固化剂的粘合剂溶液(36)；
(c)通过混合所述粘合剂溶液和所述磷光粉来制备浆体(38)；
(d)通过在衬底上涂敷所述浆体在所述衬底上形成磷光层(40)；
(e)干燥所述磷光层(42)以得到磷光膜；以及
(f)从所述衬底移去所述磷光膜(44)而得到自立式磷光膜(10)。
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