CN101839992B - 一种光敏器件斜排列式高能射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种光敏器件斜排列式高能射线探测器，包括：闪烁晶体模块、光敏器件阵列和解码模块。其中闪烁晶体模块，用于产生闪烁光，由长条型闪烁晶体单元沿所述长条型闪烁晶体单元的宽度方向排列而成；光敏器件阵列，用于探测来自所述闪烁晶体模块的闪烁光并输出信号，每相邻四个光敏器件的中心构成菱形。解码模块，用于根据来自光敏器件阵列的信号获得高能射线的空间位置和能量。根据本发明实施例提供的高能射线探测器，具有可变形状、不同空间分辨率、探测死区小和可扩展的特点。

Description

一种光敏器件斜排列式高能射线探测器

技术领域

本发明涉及辐射探测成像领域，尤其是涉及一种光敏器件斜排列式高能射线探测器。

背景技术

高能射线探测技术常用探测器之一为闪烁体探测器。闪烁体探测器通常利用一种能够有效阻挡和吸收电磁波辐射并与之产生发光作用的闪烁晶体作为探测材料。当高能射线入射到闪烁晶体内，根据射线能量、闪烁晶体有效原子系数和密度的不同，与闪烁晶体发生不同比例的光电效应、康普顿散射效应及电子对效应，将能量沉积在闪烁晶体中，被激发的闪烁晶体退激发出微弱的闪烁光，退激服从指数衰减规律，不同材料的闪烁晶体具有不同的发光光谱，包括不同的发光衰减时间，不同的峰位值等。利用光敏器件将位于可见光区或紫外光区的闪烁光经过光电转换和倍增，形成脉冲信号。脉冲信号强度反映了高能射线的能量；脉冲信号发生的时间反映了高能射线的入射时间；脉冲信号的在多个光敏器件中的强度分配反映了高能射线的入射位置等。闪烁探测器具有探测效率高，分辨时间短等特点，被广泛应用于核医学、安全检查、高能物理和宇宙射线探测的研究中，是当今辐射探测技术领域不可或缺的主要手段。

传统闪烁探测器在进行成像探测时，通常用长条型闪烁晶体单元组成方形闪烁晶体阵列来耦合光敏器件方形阵列或六边形阵列的方法进行高能射线的定位分析。闪烁晶体阵列除与光敏器件耦合的一面外其他六面用反光膜覆盖。闪烁晶体阵列间的长条型闪烁晶体单元之间按一定的规则粘贴或喷涂上不同长度的反光材料，长条型闪烁晶体单元之间添加硅油，并用高度透明的光学胶固定。闪烁晶体阵列和光敏器件阵列之间直接耦合或添加光导材料，如有机塑料、玻璃、光纤等。

当高能射线入射到闪烁晶体阵列，和长条型闪烁晶体单元发生作用，将能量沉积在长条型闪烁晶体单元上，长条型闪烁晶体单元退激发出大量低能光子，如可见光或紫外光，低能光子在长条型闪烁晶体单元中传播，经过多次反射最终被光敏器件探测到或逃逸或被长条型闪烁晶体单元吸收。当低能光子遇到没有反射膜的表面将透射到临近的长条型闪烁晶体单元中从而可能被其它光敏器件探测到。最终所有光敏器件将得到不同强度的信号，信号的强度反映了探测到低能光子的数量，各个光敏器件上信号的和可以反映入射高能射线的能量，通过低能光子在各个光敏器件的分布可以得到高能射线的入射位置。因此传统探测器通常采用Anger重心法定位。

如图1所示，为现有技术中采用闪烁晶体阵列耦合方形光敏器件阵列的传统闪烁探测器的原理图。图2为采用闪烁晶体阵列耦合PQS方式的光敏器件阵列的传统闪烁探测器的原理图。图3为采用闪烁晶体阵列耦合正六边形光敏器件阵列的传统闪烁探测器的原理。其中，1为光敏器件，2为闪烁晶体模块，3为长条型闪烁晶体单元。在图1中，光敏器件阵列排列为方形。在图3中，光敏器件阵列排列为正六边形。

以光敏器件方形阵列为例，如图1中所示，四个光敏器件光输出信号为V_A、V_B、V_C、V_D，则高能射线的空间位置X，Y和能量E分别由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}E=V_A+V_B+V_C+V_D\\ X=\frac{V_B+V_D}{E}\\ Y=\frac{V_A+V_B}{E}\end{array}\right.$

如果用泛源照射到探测器上，采集足够数量的高能射线粒子，根据上述重心法计算每一个高能射线粒子的位置，并绘于二维直方图中，得到泛场直方图或称二维位形图。从高能射线粒子与晶体发生作用到被光敏器件探测产生电脉冲信号的过程的随机性，导致输出信号的不确定性，入射到同一块长条型晶体单元的若干个高能射线粒子会输出不同的X、Y信号，反映在泛场直方图中就是每一个晶体块呈现一个白色团块。根据泛场直方图上的白色团块的分布情况，确定它们的分界线，并记录在查找表中。数据采集时可以根据每个入射事件产生的X、Y信号和查找表，判断该入射粒子进入了哪一个长条型晶体单元，从而得到相应的晶体块在探测器模块中的位置编码。另一种方法是利用泛场直方图使用最大似然估计方法，从粒子入射的X、Y值判断它发生在哪个长条型晶体单元中。

现有技术的缺点是，传统探测器在X，Y方向上得到的空间分辨率是一样的，而且如果采用图1、图2和图3中的闪烁探测器，光敏器件之间有较大的探测死区。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述问题之一，特别提出了具有可变形状、不同空间分辨率、探测死区小和可扩展特点的光敏器件斜排列式高能射线探测器。

本发明实施例开了一种光敏器件斜排列式高能射线探测器，包括：闪烁晶体模块、光敏器件阵列和解码模块，

所述闪烁晶体模块，用于产生闪烁光，由长条型闪烁晶体单元沿所述长条型闪烁晶体单元的宽度方向排列而成；

所述光敏器件阵列，用于探测来自所述闪烁晶体模块的闪烁光并输出信号，每相邻四个光敏器件的中心构成菱形。

所述解码模块，用于根据来自光敏器件阵列的信号获得高能射线的空间位置和能量。

根据本发明实施例提供的高能射线探测器，具有以下特点和优点：

1、可变的形状：光敏器件阵列斜排列的菱形角度可以任意改变，因此可以形成各种角度的探测器。

2、可以获得X，Y两个方向上不同的空间分辨率：由光敏器件的排列特性可以得出在Y方向上的分辨率优于X方向。

3、更高效的探测高能射线：如斜排列的光电倍增管之间的缝隙面积小于传统方形排列的光电倍增管阵列，因此光电倍增探测的盲区较小。

4、可扩展：探测器模块可以拼接扩展成大平板探、弧形或环形探测器。

综上所述，光敏器件斜排列式高能射线探测器具有可变形状、不同空间分辨率、探测死区小和可扩展的特点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为采用闪烁晶体阵列耦合方形光敏器件阵列的传统闪烁探测器的原理示意图；

图2为采用闪烁晶体阵列耦合PQS方式的光敏器件阵列的传统闪烁探测器的原理示意图；

图3为采用闪烁晶体阵列耦合正六边形光敏器件阵列的传统闪烁探测器的原理示意图；

图4为根据本发明实施例的采用方形闪烁晶体阵列的光敏器件斜排列式高能射线探测器原理示意图；

图5为根据本发明实施例的采用光电倍增管作为光敏器件来获取铯(Cs-137)的泛场直方图。

图6为根据本发明实施例的采用菱形闪烁晶体阵列的光敏器件斜排列式高能射线探测器原理示意图；

图7为光敏器件斜排列式高能射线探测器扩展成平面探测器的原理示意图。

其中，

1为光敏器件阵列，2为闪烁晶体模块，3为长条型闪烁晶体单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种光敏器件斜排列式高能射线探测器，包括闪烁晶体模块、光敏器件阵列和解码模块。具体地说，光敏器件阵列1，用于探测来自闪烁晶体模块的闪烁光并输出信号，每相邻四个光敏器件的中心构成任意角度的菱形。

其中，光敏器件阵列1包括至少四个光敏器件斜排列而成。在本发明的一个实施例中，光敏器件阵列中的光敏器件的数量为4个，4个光敏器件排列为菱形。

结合图4所示，光敏器件阵列1包括四个排列为菱形的光敏器件A、B、C、D，四个光敏器件的中心在一个菱形上。并且，四个光敏器件的中心构成任意角度的菱形。

其中，光敏器件阵列1的光敏器件类型包括光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩二极管。

此外，光敏器件斜排列式高能射线探测器还包括闪烁晶体模块2，用于生成闪烁光，由长条型闪烁晶体单元3沿长条型闪烁晶体单元的宽度方向排列而成。其中，长条型闪烁晶体单元3的宽度方向为方形、长方形或菱形。图4中所示宽度方向为方形。

在本实施例中，闪烁晶体模块2在两个方向上的长条型闪烁晶体单元3的个数相同或不同。

长条型闪烁晶体单元3可以采用以下材料的晶体之一：锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、氯化澜、溴化铈、硅酸镥、铝酸镥、碘化镥。

将上述用于捕获高能射线的长条型闪烁晶体单元3排列成闪烁晶体模块2，长条型晶体单元3的横切面以及组成的闪烁晶体模块2形状包括正方形、长方形或菱形。闪烁晶体模块2在不同的位置粘结不同长度的反光膜，未粘接反光膜的地方用硅油填充，利用光学胶固定闪烁晶体模块。其中为了提高晶体模块与光敏器件阵列的耦合，可以对闪烁晶体模块2进一步加工，进行切割和打磨成其它多边形。

在本发明的一个实施例中，光敏器件斜排列式高能射线探测器是利用光学胶将上述闪烁晶体模块2与斜排列光敏器件阵列直接粘结在一起。在本发明的另一个实施例中，还可用上述闪烁晶体模块耦合光导材料后再耦合斜光敏器件阵列。其中，光导材料为以下材料中的一种：有机塑料、玻璃和光纤。

高能射线入射到闪烁晶体模块2后产生闪烁光，被光敏器件探测到。光敏器件将探测到的信号经过转换和放大后得到电脉冲信号，输出到解码模块。解码模块利用脉冲信号在光敏器件阵列的权重分配，得到高能射线在上述闪烁晶体模块中的坐标。

其中，解码模块对对脉冲信号进行解码的方法包括两种。

方法一：使用直角坐标系XOY。

结合图4所示，四个光敏器件输出信号为V_A、V_B、V_C、V_D，则高能射线的空间位置X，Y和能量E分别由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}E=V_A+V_B+V_C+V_D\\ X=\frac{V_B+V_D}{E}\\ Y=\frac{V_A+V_B}{E}\end{array}\right.$

方法二：使用斜坐标系XOY’。

结合图4所示，四个光敏器件输出信号为V_A、V_B、V_C、V_D，θ为Y’与X的夹角，则高能射线的空间位置X，Y和能量E分别由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}E=V_A+V_B+V_C+V_D\\ X=\frac{V_A\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+V_B\×(1+\cos \left(\mathrm{\θ}\right))+V_D}{E}\\ Y=\frac{(V_A+V_B)\×\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{E}\end{array}\right.$

通过上述方法可以获得X，Y两个方向上不同的空间分辨率。如图4中所示，由光敏器件的排列特性可以得出在Y方向上的分辨率优于X方向。根据上述方法计算每一个高能射线粒子的位置，并绘于二维直方图中，得到泛场直方图或称二维位形图。入射到同一块长条型晶体单元的若干个高能射线粒子会输出不同的X、Y信号，反映在泛场直方图中就是每一个晶体块呈现一个白色团块。根据泛场直方图上的白色团块的分布情况，确定它们的分界线，并记录在查找表中。数据采集时可以根据每个入射事件产生的X、Y信号和查找表，判断该入射粒子进入了哪一个长条型晶体单元，从而得到相应的晶体块在探测器模块中的位置编码。

下面以闪烁晶体模块为9行9列组成9×9方阵的高能射线探测器为例，对本发明进一步说明。

其中，闪烁晶体材料为硅酸钇镥，长条型闪烁晶体单元尺寸：2mm×2mm×10mm；闪烁晶体阵列：9行9列组成9×9方阵，18.8mm×18.8mm。

光敏器件阵列为：4个Photonis XP1912(直径19mm)，光电倍增管，四个光电倍增管斜排列角度：菱形小角角度80度。光电倍增管阴极电压：-1080V，光电倍增管阳极电压：0V(接地)。

伽马射线源：铯(Cs-137)点源，强度0.4μCi，能量662KeV

数据采集：光电倍增管信号经前置放大器进入ADC模块(模数转化模块)，提取时间和位置信息，传入Flow board模块(数据接收模块)，用PowerPC接收和传输到PC机，使用LabView程序采集。

实验结果分析：

光敏器件斜排列式高能射线探测器的光敏器件采用光电倍增管，闪烁晶体阵列为9×9方阵，铯(Cs-137)伽马源距离探测器30cm远，可近似为泛场源，当伽马射线入射到闪烁晶体阵列后激发闪烁晶体，闪烁晶体退激、产生可见光，可见光经四个光电倍增管转化为电信号，放大后输出到数据采集部分。最后得到泛场的直方图如图5所示，其中9×9阵列结构清晰可见。图像灰度代表计数率，颜色越白表示该处伽马射线的强度越高。

图4所示的闪烁晶体阵列均为方形，本发明实施例提供的光敏器件斜排列式高能射线探测器亦可实施为菱形闪烁晶体阵列。如图6中所示，由长条型闪烁晶体单元3组成的闪烁晶体模块2为菱形。

并且上述实施例中提供的光敏器件斜排列式高能射线探测器可以扩展。即探测器模块可以拼接扩展成平面、弧形或环形探测器。图7示出了光敏器件斜排列式高能射线探测器扩展成平面探测器的原理示意图。如图中7所示，光敏器件阵列1包括9个光敏器件。相邻4个光敏器件斜排列。光敏器件的中心构成任意角度的菱形。

根据本发明实施例提供的高能射线探测器，具有以下特点和优点：

1、可变的形状：光敏器件阵列斜排列的菱形角度可以任意改变，因此可以形成各种角度的探测器。

2、可以获得X，Y两个方向上不同的空间分辨率：由光敏器件的排列特性可以得出在Y方向上的分辨率优于X方向。

3、更高效的探测高能射线：如斜排列的光电倍增管之间的缝隙面积小于传统方形排列的光电倍增管阵列，因此光电倍增探测的盲区较小。

4、可扩展：探测器模块可以拼接扩展成大平板探、弧形或环形探测器。

综上所述，本发明提供的光敏器件斜排列式高能射线探测器具有可变形状、不同空间分辨率、探测死区小和可扩展的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光敏器件斜排列式高能射线探测器，其特征在于，所述高能射线探测器包括：闪烁晶体模块、光敏器件阵列和解码模块，

所述闪烁晶体模块，用于产生闪烁光，由长条型闪烁晶体单元沿所述长条型闪烁晶体单元的宽度方向排列而成；

所述光敏器件阵列，所述光敏器件阵列由四个光敏器件斜排列而成，用于探测来自所述闪烁晶体模块的闪烁光并输出信号，所述四个光敏器件的中心构成菱形；

所述解码模块，用于根据来自光敏器件阵列的信号获得高能射线的空间位置和能量。

2.如权利要求1所述的高能射线探测器，所述光敏器件阵列包括多个由尺寸相同的光敏器件组成的阵列。

3.如权利要求2所述的高能射线探测器，其特征在于，所述光敏器件阵列的光敏器件类型包括：光电倍增管、硅光电倍增器或雪崩二极管。

4.如权利要求1所述的高能射线探测器，其特征在于，所述长条型闪烁晶体单元的宽度方向为方形或菱形。

5.如权利要求1所述的高能射线探测器，其特征在于，所述长条型闪烁晶体单元为以下材料的晶体之一：

锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、氯化镧、溴化铈、硅酸镥、铝酸镥、碘化镥。

6.如权利要求1所述的高能射线探测器，其特征在于，所述闪烁晶体模块为加工研磨成多边形。

7.如权利要求1所述的高能射线探测器，其特征在于，所述光敏器件阵列与闪烁晶体模块之间通过光导材料粘结。

8.如权利要求7所述的高能射线探测器，其特征在于，所述光导材料为以下材料中的一种：有机塑料和玻璃。

9.如权利要求1所述的高能射线探测器，其特征在于，所述高能射线探测器为单块或多块拼接成平板、弧形或环形。

10.如权利要求1所述的高能射线探测器，其特征在于，所述解码模块得到高能射线的空间位置和能量，包括以下方式之一：

当使用直接坐标系时，

$\left\{\begin{array}{c}E=V_A+V_B+V_C+V_D\\ X=\frac{V_B+V_D}{E}\\ Y=\frac{V_A+V_B}{E}\end{array}\right.;$

当使用斜坐标系时，

$\left\{\begin{array}{c}E=V_A+V_B+V_C+V_D\\ X=\frac{V_A\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+V_B\×(1+\cos \left(\mathrm{\θ}\right))+V_D}{E}\\ Y=\frac{(V_A+V_B)\×\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{E}\end{array}\right.$

其中，X和Y分别为高能射线的空间位置中的水平位置和垂直位置；E为高能射线能量；V_A、V_B、V_C、V_D分别为光敏器件阵列中的四个光敏器件的输出信号；θ为Y’与X的夹角。

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