辐射照相系统中转换屏的分辨率研究

    高能X光辐射照相系统的接收方式有两种:底片接收和CCD接收。底片接收技术具有简单、易防护及成本低等优点,被各国广泛应用。随着辐射照相研究的深入,给照相能力提出更高的要求。运用CCD作为接收器件的高能X光辐射照相系统具有灵敏度高、动态范围大的优点,是当今高能X光辐射照相系统的研究方向[1,2]。CCD器件不能直接探测到高能X光,需要采用转换屏将X光转换为可见光进行探测,转换屏的空间分辨能力是影响照相质量的重要因素[3~5]。

    本文在X光与转换屏材料作用原理的基础上,建立了转换屏调制传递函数MTF的计算模型,并模拟计算了转换屏的MTF随不同屏厚度、材料及输入光子能量的变化曲线,分析了转换屏的厚度、材料及输入光子能量对转换屏的空间分辨能力的影响。

    1 X光与转换屏作用的分析与计算模型的建立

    1.1 康普顿电子与转换屏的作用

    X光与转换屏的作用十分复杂,主要由以下三个过程组成:转换屏中X光的散射、散射电子的输运和散射电子与转换屏材料作用。转换屏中X光的散射主要有康普顿散射、光电效应和电子对的生成和湮灭等[6,7]。输入光子能量不同,上述几种作用所占的比例也不一样。当输入X光子的能量大约为1MeV时,X光与转换屏的作用主要是康普顿散射。康普顿散射电子在转换屏中输运过程中,与转换屏材料的原子和电子发生碰撞。非弹性碰撞是电子在物质中损失能量的主要机制。发生非弹性碰撞时,转换屏材料吸收康普顿电子的部分能量后4P立体角均匀的激发出可见光。随着电子的慢化过程,它要遭遇越来越多的碰撞,它的输运路径逐渐散开成一条曲线。

    1.2 计算模型的建立

    CCD接收系统通过转换屏后的透镜,将转换屏中发射出的可见光汇集于像面上。康普顿电子在非弹性碰撞中沉积的能量是可见光的光源,像面上的光通量密度的分布就是这些光源在像面上叠加的结果,如图1。

    设转换屏的厚度为D,光子能量为1MeV的X光点光源从原点O(0,0,0)处入射,原点O处的辐通量是P0。那么,在点K(k,0,0)处,长度微元dk内沉积的X光的辐通量为

    式中,Ll是转换屏材料对X光的吸收系数。那么,在与X光入射方向夹角为<的方向上散射的康普顿电子的辐通量密度为

    其中,A是以电子静止质量为单位的入射X光子能量;Ac是以电子静止质量为单位的散射X光子能量;RC/Rt是康普顿截面占散射总截面的比例;dR/dV|C是康普顿的微分截面,V=cos<。(A-Ac)/A表示散射电子动能占入射X光子能量的比例。根据Klein-Nishina关于康普顿散射中电子的微分截面公式[6,8],在与X光入射方向夹角为<的方向上散射的康普顿电子的概率密度为