基于场发射脉冲X射线源的余辉测量系统开发及其在闪烁体性能评估中的应用

【编辑推荐】日本产业技术综合研究所团队开发了基于针状碳纳米结构场发射的脉冲X射线余辉测量系统，该系统具备微秒级时间分辨率和可调脉宽（1μs至连续输出），成功评估了CsI(Tl)、Gd2O2S:Pr（陶瓷/片状）、Bi4Ge3O12等闪烁体在医疗CT、安检等实际应用场景下的余辉特性，为高剂量率环境下的闪烁体开发提供了创新工具。

　　

Highlight

我们采用针状碳纳米结构（CCNS）场发射型脉冲X射线源，开发了一套桌面级余辉测量系统。该系统由脉冲X射线发生器和探测器单元组成，X射线脉宽可在数微秒至连续输出间调节。通过评估商用闪烁体（包括Tl掺杂CsI、Pr掺杂Gd₂O₂S片状/陶瓷、Bi₄Ge₃O₁₂及CdWO₄）的余辉特性，证实其性能与既往研究相当，并首次揭示了X射线脉宽对余辉的影响机制。

Experiment

测试样本涵盖X射线CT和线阵传感器常用闪烁体：Tl掺杂CsI单晶（10×10×10 mm）、Pr掺杂Gd₂O₂S片材（20×15×0.38 mm）、Pr掺杂Gd₂O₂S陶瓷（5×5×2 mm）、Bi₄Ge₃O₁₂单晶（20×20×1 mm）及CdWO₄单晶（φ20×1.5 mm）。值得注意的是，GOS闪烁体可能共掺杂其他元素以优化性能。

Results and Discussion

图4显示各闪烁体的X射线激发发射光谱均在350-800 nm范围内，与硅光电二极管（Si-PD）和宽动态范围光电倍增管（PMT）的敏感波段匹配。Bi₄Ge₃O₁₂和CdWO₄的发射峰分别源自Bi³⁺离子的³P₁-¹S₀跃迁和WO₆^6-复合物发光中心，与文献报道一致。

Conclusion

本研究开发的CCNS场发射脉冲X射线余辉测量系统，结合快速固态开关技术，实现了高剂量率与微秒级时间分辨的突破。对CdWO₄、Bi₄Ge₃O₁₂、CsI(Tl)等闪烁体的测试表明，该系统能精准捕捉实际应用场景（如医疗CT的900 mGy/min高剂量率环境）下的余辉衰减动力学，为下一代低余辉闪烁体设计提供了关键工具。