强化学习优化的自由形态超表面：用于增强闪烁体的光输出

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Reinforcement Learning-Optimized Freeform Metasurface for Light Output Enhancement of Scintillators

提出了一种基于深度强化学习的二维自由曲面超表面设计方法，有效提升LYSO晶体光输出效率，最大增强倍数达4.7倍，平均2.1倍，优于传统固定结构，为高性能闪烁体超表面设计提供新范式。

　　

摘要：

传统的具有固定形状的光子纳米结构能够通过部分消除内部全反射来增强闪烁体的光输出。然而，由于设计空间相对狭窄，这种增强效果有限。在这项工作中，提出了一种二维自由形超表面，以实现比传统固定形状光子结构更强的光输出增强效果。该自由形超表面是通过在强化学习中利用深度量子神经网络（DQN）代理进行设计的。作为概念验证，选择了广泛使用的(Lu,Y)?SiO?:Ce3?（LYSO）闪烁体。仿真结果显示，采用最优自由形超表面的LYSO涂层在整个发射角度范围内可实现最大4.7倍的光输出增强和平均2.1倍的增强效果，超出了之前报道的固定形状纳米结构的增强效果。该方法通过仅搜索大约10,000种配置，高效地探索了庞大的配置空间，从而克服了遗传算法（GAs）和基于伴随优化的方法在高维设计中的局限性，为设计高性能闪烁体超表面提供了一个有用的范例。

引言

闪烁体是一种在与高能电离辐射（如X射线或γ射线）或高能粒子（如质子或中子）相互作用时能够发出可见光的材料。由于这一特性，闪烁体在许多领域得到了广泛应用，包括临床成像[1]、核能监测[2]和中子检测[3][4]。闪烁体的关键性能指标包括时间分辨率、能量分辨率和光输出。近年来，(Lu,Y)?SiO?:Ce3?（LYSO）闪烁体因其一系列显著优势而备受关注，这些优势包括高密度（7.1–7.4 g/cm3）、高光输出（约29,000光子/MeV）和快速衰减时间（35–40 ns）[5]。LYSO已在正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）[6][7][8]等医学成像模式以及核物理研究[9]中得到广泛应用。