基于微计算机断层扫描技术的掺铈锂玻璃闪烁体微结构三维重构及其在中子探测器中的应用研究

《Journal of Radiation Research》：Three-dimensional reconstruction of a small piece of Ce-doped lithium glass scintillator of an optical fiber-based neutron detector using microcomputed tomography technique

本研究针对光纤中子探测器中小尺寸闪烁体（200-400μm）形状难以精确表征导致响应误差的问题，通过微计算机断层扫描（micro-CT）技术实现了掺铈锂玻璃（Ce:Li-glass）闪烁体的三维重构。结果表明，当投影图像数量增至3141时，基于CT图像计算的闪烁体质量与电子天平测量值的差异仅为1.6%，达到测量不确定度水平。该技术为医疗级高精度中子测量（如硼中子俘获治疗BNCT）提供了可靠的形状校正方案。

　　

在核技术应用领域，中子探测技术如同精准的“眼睛”，在材料科学、生命科学研究以及医疗应用中发挥着至关重要的作用。特别是在硼中子俘获治疗（BNCT）等先进放疗技术中，中子剂量的精确测量直接关系到治疗效果和患者安全。然而，在高强度中子场环境下，传统探测器面临着一系列挑战：既要对中子保持高灵敏度，又要抵抗伴随γ射线的干扰，同时还需具备宽广的动态响应范围。日本原子能机构等研究团队开发的光纤中子探测器，为解决这些难题提供了一种创新方案。该探测器的核心部件是一颗粒径仅200-400微米的掺铈锂玻璃（Ce:Li-glass）闪烁体，其微小尺寸有助于降低γ射线灵敏度，并能适应辐射场的波动。但这也带来了新的问题——这些闪烁体颗粒形状随机，难以精确控制或表征，而它们的微观形状又会直接影响探测器的响应特性，包括自屏蔽效应和方向依赖性。目前，尚无成熟技术能够精确表征如此微小物体的三维结构，这成为实现医疗级精度中子测量的主要障碍之一。

为攻克这一技术瓶颈，研究人员开创性地将微计算机断层扫描（micro-CT）技术应用于闪烁体微结构分析。他们通过系统性的方法验证，将基于CT图像体积计算的质量与高精度电子天平实测质量进行比对，以评估该技术的可靠性。这项研究旨在建立一种能够精确表征闪烁体微观形状的新方法，为后续探测器响应校正和蒙特卡罗模拟提供准确的三维数据基础，最终推动中子测量精度向医疗应用标准迈进。

关键技术方法主要包括：①使用微计算机断层扫描系统（MCT225）对探测器头部进行高分辨率成像，设置参数为管电压105 kV、管电流100μA，通过3141张投影图像重构三维结构；②基于材料密度差异（Li-glass: 2.50 g/cm3，NOA63光学胶: >1 g/cm3）进行图像分割，提取闪烁体感兴趣区域（VOI）并转换为标准三角网格语言（STL）格式；③采用电子天平（XP6，读数精度1μg）对闪烁体样本进行五次重复质量测量作为验证基准。

样品制备与质量测量

研究团队制备了三种不同规格的锂玻璃闪烁体样本：两种使用95% ⁶Li富集的GS20玻璃（En-L、En-S），一种使用天然锂含量的GS10玻璃（Nat）。通过电子天平测量显示样本质量在28.8-61.4μg范围内，测量不确定度控制在0.6%-1.8%之间，为后续CT图像精度验证提供了可靠基准。

微CT成像与感兴趣区域提取

实验采用泡沫材料固定样品，通过微CT系统获得约3μm像素精度的投影图像。重构后的CT图像清晰呈现了闪烁体的不规则石块状形态，且成功避免了二氧化钛（TiO₂）反射涂层产生金属伪影的干扰。图像分割结果显示，锂玻璃与周围光学胶（NOA63）边界分明，无虚假信号混入。

质量计算对比验证

当投影图像数量为2000时，CT计算质量较实测值系统性低估4%-6%。而将投影图像增加至3141后，En-L样本的计算质量（60.4μg）与实测值（61.4±0.4μg）差异显著缩小至1.63%，与电子天平测量不确定度相当。这表明通过优化扫描参数可有效提升重构精度。

研究结论表明，微CT技术能够精确重构微小闪烁体的三维结构，且精度达到质量测量水平。该方法成功解决了随机形状闪烁体难以量化表征的难题，为探测器响应校正提供了关键技术支撑。特别值得关注的是，在BNCT等医疗应用中，中子通量测量要求总不确定度小于5%，而本技术可将形状相关不确定度控制在1.6%以内，使得探测器系统误差有望满足4.99%的严苛要求。通过将获得的STL格式三维模型导入蒙特卡罗模拟，未来可实现探测器响应的高精度校正，包括自屏蔽效应和方向依赖性的定量评估。该技术同样适用于其他⁶Li基闪烁体（如Eu:LiCaAlF₆晶体、LiF/Eu:CaF₂共晶材料）的形状分析，为先进中子探测器的开发提供了普适性解决方案。