CN101937095A - 双能x射线探测器及双能x射线探测器阵列装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双能X射线探测器，其在X射线的入射方向上依序包括第一光电探测器件、闪烁体和第二光电探测器件，第一光电探测器件和第二光电探测器件分别设置在闪烁体的前后两个端面上，所述X射线穿过第一光电探测器件之后进入闪烁体，所述闪烁体将入射到其中的X射线转换成可见光，第一光电探测器件和第二光电探测器件用于接收闪烁体发出的可见光并将其转换成电信号。利用这种双能X射线探测器能够测量穿透物体的X射线能谱中低能部分和高能部分的相对差别，进而提供材料识别的依据。

Description

双能X射线探测器及双能X射线探测器阵列装置

技术领域

本发明涉及辐射成像系统探测器，尤其涉及应用于X射线辐射成像系统中的双能X射线闪烁探测器，本发明属于辐射检测技术领域。

背景技术

当X射线穿透被检物体之后，其能谱会发生变化，这些变化和被检物体的材料组成有关，因而测量这些变化就能实现被检物体的材料识别。理论上直接测量X射线的能谱是最理想的方案，但是这需要对X射线进行单光子测量，而辐射成像系统中使用的X射线光子密度很高，因此需要探测器和电子学系统有极快的响应速度，比如测量10⁸个光子/秒，然而这按目前的测量技术尚难以实现。另外一种变通的办法是测量与X射线能谱相关的一些参数，通过这些参数间接了解能谱变化的规律。而双能X射线探测器就是在这种背景下产生的，其通过对探测器的高、低两个输出信号的对比间接了解X射线能谱中高能部分和低能部分的相对比例，而这种高低能信号的相对比例在X射线穿透被检物体前后的变化也和被检物体的材料组成相关。

传统的双能X射线探测器是由高、低能两个探测器组成的，其中低能探测器是由一块较薄的闪烁体和一个光电二极管组成，高能探测器是由一块较厚的闪烁体和另一个光电二极管组成。低能探测器布置在靠近被检物体的一侧，主要吸收X射线能谱中的低能部分，高能探测器布置在低能探测器后边，主要吸收X射线能谱中的高能部分。一般在低能探测器和高能探测器之间还配置一个滤波片来进一步吸收X射线能谱中的低能部分，从而使得双能探测器的高、低能信号更接近X射线能谱中的高、低能能谱比例。

图1是传统技术的双能X射线探测器的示意图。X射线100首先进入低能闪烁体111并在其中沉积能量释放出可见光，光电探测器件112将可见光信号转换成电信号。没有和低能闪烁体发生作用的X射线穿过滤波片130以进一步减少X射线能谱中的低能部分，之后X射线在高能闪烁体121内部全吸收，所释放出的可见光在光电探测器件122中被转换成电信号。这里低能闪烁体111和光电探测器件112组成低能探测器，高能闪烁体121和光电探测器件122组成高能探测器。

这种传统的双能X射线探测器的主要问题有：其一，低能探测器闪烁体厚度的问题。为了尽可能减少X射线能谱中高能部分的影响，低能探测器的闪烁体一般都很薄，比如0.2-0.3mm，这种闪烁体薄片一般是由较厚的闪烁体加工得到的，而加工的精度会影响闪烁体厚度的均匀性，进而会影响低能探测器输出的一致性。其二，低能探测器和滤波片的选择是针对某一个X射线能谱或特定的被检物体质量厚度区间设计的，这样会对低能探测器和滤波片对不同检测类型的适用性有影响。其三，低能探测器和高能探测器是相互独立的两个部分，低能探测器和高能探测器相对位置的装配精度也会对材料识别的精度有影响。其四，滤波片会吸收一部分的X射线，因此会影响探测器的探测效率，进而会影响扫描图像的信噪比。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双能X射线探测器，利用这种双能X射线探测器能够准确测量穿透物体的X射线能谱中低能部分和高能部分的相对差别，进而能够可靠地提供材料识别的依据。本发明的双能探测器能够改善已有技术探测器所存在的上述问题。

本发明的另一个目的在于提供一种便于制造和使用的线阵和面阵双能X射线探测器阵列装置。

本发明所提供的双能X射线探测器，其在X射线的入射方向上依序包括第一光电探测器件、闪烁体和第二光电探测器件，所述第一光电探测器件接近所述闪烁体的前端面设置，所述第二光电探测器件接近所述闪烁体的后端面设置，所述X射线穿过所述第一光电探测器件之后进入所述闪烁体，所述闪烁体将入射到其中的X射线转换成可见光，所述第一光电探测器件和所述第二光电探测器件用于接收所述闪烁体发出的可见光并将其转换成电信号。

优选地，上述闪烁体可以由单一闪烁体材料整体构成或者由两个或两个以上的子闪烁体拼接或粘接而成。这两个或两个以上的子闪烁体可以由相同的闪烁体材料构成或者由不同的闪烁体材料构成。

优选地，所述两个或两个以上的子闪烁体中靠近X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数低于远离X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数。

优选地，上述第一光电探测器件和/或第二光电探测器件选自硅光电二极管、硅光电二极管的一维和二维阵列、CCD、CMOS或SiPM。

优选地，所述第一光电探测器件与所述闪烁体的前端面接触和/或所述第二光电探测器件与所述闪烁体的后端面接触。

优选地，所述第一光电探测器件粘接在所述闪烁体的前端面上和/或所述第二光电探测器件粘接在所述闪烁体的后端面上。

优选地，所述闪烁体表面涂覆有反射层和/或所述闪烁体内部具有散射颗粒。

本发明还提供了一种双能X射线探测器阵列装置，其在X射线的入射方向上依序包括第一光电探测器件阵列、闪烁体阵列和第二光电探测器件阵列，所述第一光电探测器件阵列接近所述闪烁体阵列的前端面设置，所述第二光电探测器件阵列接近所述闪烁体阵列的后端面设置，所述X射线穿过所述第一光电探测器件阵列之后进入所述闪烁体阵列，所述闪烁体阵列将入射到其中的X射线转换成可见光，所述第一光电探测器件阵列和所述第二光电探测器件阵列用于接收所述闪烁体阵列发出的可见光并将其转换成电信号。

优选地，上述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体由单一闪烁体材料整体构成或者由两个或两个以上的子闪烁体拼接而成。这两个或两个以上的子闪烁体由相同的闪烁体材料构成或者由不同的闪烁体材料构成。优选地，所述两个或两个以上的子闪烁体中靠近X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数低于远离X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数。

优选地，上述闪烁体材料选自CsI(Tl)、CdWO₄、GOS、ZnSe或YAG。

优选地，上述第一光电探测器件阵列和/或第二光电探测器件阵列中的各光电探测器件选自硅光电二极管、硅光电二极管的一维和二维阵列、CCD、CMOS或SiPM。

优选地，上述双能X射线探测器阵列装置为一维或二维阵列。优选地，所述第一光电探测器件阵列与所述闪烁体阵列的前端面接触和/或所述第二光电探测器件阵列与所述闪烁体阵列的后端面接触。

优选地，所述第一光电探测器件阵列粘接在所述闪烁体阵列的前端面上和/或所述第二光电探测器件阵列粘接在所述闪烁体阵列的后端面上。

优选地，所述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体表面涂覆有反射层和/或所述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体内部具有散射颗粒。优选地，所述第一光电探测器件阵列、所述闪烁体阵列和所述第二光电探测器件阵列中所具有的元器件数量均相同。

优选地，所述第一光电探测器件阵列、所述闪烁体阵列和所述第二光电探测器件间的各相应元器件均对准。

本发明提出的双能X射线探测器在结构上更紧凑而且更方便制造，利用这种结构能够更容易地实现一维或二维的双能探测器阵列。本发明所提供的双能X射线探测器及探测器阵列能够解决传统的双能探测器所存在的低能探测器的设计和制造问题，有利于提高对质量厚度变化较大的物体的材料识别能力。

附图说明

为了更加全面地理解本发明的特性和目的，以下参照附图对本发明进行详细描述。

图1是传统技术的双能X射线探测器示意图。

图2是不同能量的X射线能量沉积率随闪烁体厚度变化的示意图。

图3是本发明的实施例一的双能X射线探测器示意图。

图4是本发明的实施例二的双能X射线探测器示意图。

图5是本发明的实施例三的双能X射线探测器阵列装置示意图。

具体实施方式

X射线和闪烁体相互作用通过光电效应、康普顿效应和电子对效应沉积能量，闪烁体吸收能量后产生激发并在退激的过程中发出可见光，也称闪烁光。光电探测器件将收集到的闪烁光信号转变成电信号。光电探测器件的信号输出既和X射线的能量沉积有关，也和闪烁光的光收集效率相关。闪烁光的收集效率又和光电探测器件与闪烁光发光地点的距离有关，一般距离越近收集效率越高。对于不同能量的X射线，由于衰减系数的不同，在闪烁体内部能量沉积位置的统计分布也不同，进而会导致闪烁体光的收集效率不同。相对于高能X射线而言，一般低能X射线的衰减系数较大，能量沉积或闪烁光的发光点更靠近闪烁体的前端(距离射线源较近的一端)，因此闪烁体前端的光电探测器件比闪烁体后端的光电探测器件有更大的信号输出。闪烁体前后端光电探测器件输出信号的比例和入射X射线能谱中低能部分和高能部分的比例相关。

图2是不同能量的X射线的能量沉积率随闪烁体厚度的变化示意图。图中表示的是从20KeV到3000KeV的X射线单能光子在0.1到100mm的闪烁体中的能量沉积率的变化。从图中可以看出，在较薄的闪烁体中，相对较低能的X射线的能量沉积率大于相对较高能的X射线的能量沉积率，这种物理特性是传统技术双能X射线探测器工作的理论根据。同样根据这种闪烁体的物理特性，我们可以设计出如图3所示的一种双能X射线探测器。

图3示出了本发明的实施例一的双能X射线探测器示意图。其中，X射线300首先穿过光电探测器件301之后进入闪烁体303，不同能量的X射线光子在闪烁体303内沉积能量并释放出可见光，然后可见光信号同时被接近闪烁体303前端面的光电探测器件301和接近后端面的光电探测器件302接收并分别转换成电信号输出。此处的光电探测器件301和/或302可以与闪烁体303的相应端面接触也可以不接触；优选地，至少一个光电探测器件与闪烁体303的相应端面接触；更优选地，至少一个光电探测器件与闪烁体303的相应端面通过粘接方式接触。此外，光电探测器件301和/或302可以与闪烁体303完全对齐，也可以不对齐，当不对齐时可以采用反射镜等光学器件将闪烁体303释放出的可见光收集到相应的光电探测器中。另外，光电探测器件301与302可以采用同种类型的探测器件，也可以采用不同类型的探测器件。

根据图2中不同X射线光子能量沉积率随闪烁体厚度的变化可知，进入闪烁体的X射线在闪烁体内部沉积能量的位置是和X射线光子的能量相关的：低能X射线光子趋向于在更靠近入射端面的位置沉积能量，随着X射线光子能量的增加，X射线在闪烁体内沉积能量的位置逐渐远离入射端面。X射线在闪烁体内沉积能量后释放出可见光波段的闪烁光，这种闪烁光产生的位置和X射线沉积能量的位置是相近的，因此也和入射X射线的能量相关。

X射线通过和闪烁体的相互作用激发的闪烁光和其他形式的发光并无本质区别。首先，闪烁光在发光位置是没有方向性的，也就是说，闪烁光从发光点向外传播可以指向任意方向；其次，闪烁光在闪烁体内部的传播符合光的吸收、散射以及光的反射、折射等规律。因此从光电探测器件的位置接收到的闪烁光信号是和闪烁光发光点到光电探测器件的位置以及在闪烁体的界面上的光收集效率相关的。如果在闪烁体的两个端面上设置光电探测器件，其电信号的输出的比值也就会和闪烁光发光点的位置相关。由于闪烁光发光点的位置和入射X射线的能量相关，因此上述两个光电探测器件的电信号输出的比值也就和入射X射线的能量相关。

一般X射线是具有一定能谱结构的多种能量X射线光子的组合，因此上述两个光电探测器件电信号输出的比值反映的是入射X射线能谱中低能部分和高能部分的相对比例。这种能谱高低能的相对比例反映在闪烁体内部就是发光点位置的分布。

为了使两个光电探测器件能更有效地反映这种位置分布，可以通过调节闪烁光的传输和收集效率来实现，例如，可以在闪烁体表面涂覆反射层和/或在闪烁体中添加散射颗粒和/或在闪烁体中设置散射、折射界面等；总之，只要是可以提高两个光电探测器件对闪烁光的收集效率的方法都可以被应用于此。

根据本发明，闪烁体可以是由一个连续的闪烁体材料组成，如图3所示。也可以是由两个或两个以上的子闪烁体拼接而成，如图4所示。同时这种两个或两个以上的子闪烁体既可以是由相同的闪烁体材料构成，也可以分别由不同的闪烁体材料构成。

图4示出了本发明的实施例二的双能X射线探测器的示意图。其中的闪烁体是由两个子闪烁体403和404拼接或粘接而成，两个子闪烁体之间的界面对分别来自两个子闪烁体的闪烁光起到散射或折射作用，使得闪烁光更容易被收集到和该子闪烁体相近的光电探测器件中。两个子闪烁体403和404也可以采用不同的闪烁体材料，比如靠近X射线入射方向的子闪烁体403采用较低原子序数组成的材料而子闪烁体404采用较高原子序数组成的材料，这样入射X射线能谱中的高能部分能够更容易地沉积在双能探测器的后端，从而有利于高低能信号的分离。

上述双能X射线探测器的形式很容易被扩展成一维或二维的双能X射线探测器阵列。如图5所示，即是本发明的实施例三的二维双能X射线探测器阵列。该双能X射线探测器阵列包括光电探测器件阵列501、闪烁体阵列503和光电探测器件阵列502。其中光电探测器件阵列501和502分别接近闪烁体阵列503的前、后端面设置，此处的光电探测器阵列501和/或502可以与闪烁体阵列503的相应端面接触，也可以不接触；优选地，至少一个光电探测器阵列与闪烁体阵列503的相应端面接触；更优选地，至少一个光电探测器阵列与闪烁体阵列503的相应端面通过粘接方式接触。此外，光电探测器阵列501和/或502可以与闪烁体阵列503完全对齐，也可以不对齐，当不对齐时可以采用反射镜等光学器件将闪烁体阵列503释放出的可见光收集到相应的光电探测器阵列中。另外，为了保证探测结果的精确性，上述三个阵列中所包含的器件数量最好是相同的，即：光电探测器阵列501所具有的光电探测器数量与闪烁体阵列503中所具有的闪烁体数量以及光电探测器阵列502中所具有的光电探测器数量最好是相同的。

在工作过程中，X射线500首先穿过二维光电探测器件阵列501，然后在二维闪烁体阵列503中沉积能量发出闪烁光，闪烁光分别被前端的二维光电探测器件阵列501和后端的二维光电探测器件阵列502接收，从而形成两组和入射X射线能谱的空间分布有关的探测器输出信号。

本实施例中的二维闪烁体阵列中的各闪烁体既可以如实施例一中所述由一种连续的闪烁体材料整体构成，也可以如实施例二中所述由两个或两个以上的子闪烁体拼接而成，或者是部分闪烁体如实施例一中所述由一种连续的闪烁体材料整体构成，而另一部分闪烁体如实施例二中所述由两个或两个以上的子闪烁体拼接而成；此外，闪烁体阵列中的各闪烁体所采用的闪烁体材料可以相同，也可以不同。另外，本实施例中的光电探测器阵列501和/或502中的各光电探测器可以是相同类型，也可以是不同类型。

本实施例中的双能X射线探测器阵列的形成方式可以是如上所述先分别形成光电探测器件阵列501、闪烁体阵列503和光电探测器件阵列502，然后再将这三个阵列进行组合(例如粘接在一起或直接放置在一起)以构造所述双能X射线探测器阵列；也可以是先单独形成各个如实施例一或二所述的双能X射线探测器，然后将各个双能X射线探测器进行组合(例如粘接在一起或直接放置在一起)以构造所述双能X射线探测器阵列。

本发明的双能X射线探测器以及双能X射线探测器阵列中的闪烁体材料可以是CsI(Tl)、CdWO₄、GOS、ZnSe、YAG等。其中GOS为闪烁陶瓷，其他几种为闪烁晶体。对于包括多个由不同材料的子闪烁体组成的闪烁体的双能X射线探测器，靠近前端的子闪烁体可以选用ZnSe、YAG闪烁晶体，因为二者的原子序数和密度都相对较小。上述第一光电探测器件和第二光电探测器件可以是硅光电二极管、硅光电二极管的一维和二维阵列、CCD、CMOS、SiPM等，其中CCD和CMOS主要用于二维双能X射线探测器的构造。

综上所述，本发明通过将传统的低能探测器和高能探测器合并为一个双能探测装置，即仅采用一个闪烁装置来既实现传统的低能闪烁体的功能又实现传统的高能闪烁体的功能，而使得本发明不再需要加工制作低能闪烁体薄片，继而也就不会因加工精度而影响到探测装置的输出结果；此外，由于本发明不再存在高能探测器、低能探测器这样两个互相独立的部件，因此也就不会因为高、低能探测器的装配精度而影响到材料识别的精度；另外，由于本发明不再设置滤波片和独立的低能探测器，所以本发明既不会由于滤波片的存在而导致对探测器的探测效率产生影响，又无需再针对特定的X射线能谱或特定的被检物体质量厚度区间来选择特定的低能探测器和滤波片，因而大大拓宽了双能X射线探测装置的适用范围。

虽然已经结合特定实施例详细地描述了本发明，但是应该理解的是，前述实施例仅仅是作为示例，而并不是为了限制本发明。本领域技术人员根据其已有的专业知识可以容易地想象到这些实施例的其他的变形和修改，其可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做出这些变形和修改，以获得本发明的部分或所有优点。

Claims (27)

1.一种双能X射线探测器，其特征在于，所述双能X射线探测器在X射线的入射方向上依序包括第一光电探测器件、闪烁体和第二光电探测器件，所述第一光电探测器件接近所述闪烁体的前端面设置，所述第二光电探测器件接近所述闪烁体的后端面设置，所述X射线穿过所述第一光电探测器件之后进入所述闪烁体，所述闪烁体将入射到其中的X射线转换成可见光，所述第一光电探测器件和所述第二光电探测器件同时接收所述闪烁体发出的可见光并将其转换成电信号。

2.依照权利要求1的双能X射线探测器，其中，所述闪烁体由单一闪烁体材料整体构成。

3.依照权利要求1的双能X射线探测器，其中，所述闪烁体由两个或两个以上的子闪烁体拼接或粘接而成。

4.依照权利要求3的双能X射线探测器，其中，所述两个或两个以上的子闪烁体由相同的闪烁体材料构成。

5.依照权利要求3的双能X射线探测器，其中，所述两个或两个以上的子闪烁体由不同的闪烁体材料构成。

6.依照权利要求5的双能X射线探测器，其中，所述两个或两个以上的子闪烁体中靠近X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数低于远离X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数。

7.依照权利要求2、4、5或6的双能X射线探测器，其中，所述闪烁体材料选自CsI(Tl)、CdWO₄、GOS、ZnSe或YAG。

8.依照权利要求1-6之一的双能X射线探测器，其中，所述第一光电探测器件和/或第二光电探测器件选自硅光电二极管、硅光电二极管的一维和二维阵列、CCD、CMOS或SiPM。

9.依照权利要求1-6之一的双能X射线探测器，其中，所述第一光电探测器件与所述闪烁体的前端面接触和/或所述第二光电探测器件与所述闪烁体的后端面接触。

10.依照权利要求1-6之一的双能X射线探测器，其中，所述第一光电探测器件粘接在所述闪烁体的前端面上和/或所述第二光电探测器件粘接在所述闪烁体的后端面上。

11.依照权利要求1-10之一的双能X射线探测器，其中，所述闪烁体表面涂覆有反射层。

12.依照权利要求1-11之一的双能X射线探测器，其中，所述闪烁体内部具有散射颗粒。

13.一种双能X射线探测器阵列装置，其特征在于，所述双能X射线探测器阵列装置在X射线的入射方向上依序包括第一光电探测器件阵列、闪烁体阵列和第二光电探测器件阵列，所述第一光电探测器件阵列接近所述闪烁体阵列的前端面设置，所述第二光电探测器件阵列接近所述闪烁体阵列的后端面设置，所述X射线穿过所述第一光电探测器件阵列之后进入所述闪烁体阵列，所述闪烁体阵列将入射到其中的X射线转换成可见光，所述第一光电探测器件阵列和所述第二光电探测器件阵列用于接收所述闪烁体阵列发出的可见光并将其转换成电信号。

14.依照权利要求13的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体由单一闪烁体材料整体构成。

15.依照权利要求13的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体由两个或两个以上的子闪烁体拼接或粘接而成。

16.依照权利要求15的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述两个或两个以上的子闪烁体由相同的闪烁体材料构成。

17.依照权利要求15的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述两个或两个以上的子闪烁体由不同的闪烁体材料构成。

18.依照权利要求17的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述两个或两个以上的子闪烁体中靠近X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数低于远离X射线发射源的子闪烁体采用的闪烁体材料的原子序数。

19.依照权利要求14、16、17或18的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述闪烁体材料选自CsI(Tl)、CdWO₄、GOS、ZnSe或YAG。

20.依照权利要求13-18之一的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述第一光电探测器件阵列和/或第二光电探测器件阵列中的各光电探测器件选自硅光电二极管、硅光电二极管的一维和二维阵列、CCD、CMOS或SiPM。

21.依照权利要求13-18之一的双能X射线探测器阵列装置，其中所述双能X射线探测器阵列装置为一维或二维阵列。

22.依照权利要求13-18之一的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述第一光电探测器件阵列与所述闪烁体阵列的前端面接触和/或所述第二光电探测器件阵列与所述闪烁体阵列的后端面接触。

23.依照权利要求13-18之一的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述第一光电探测器件阵列粘接在所述闪烁体阵列的前端面上和/或所述第二光电探测器件阵列粘接在所述闪烁体阵列的后端面上。

24.依照权利要求13-18、22、23之一的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体表面涂覆有反射层。

25.依照权利要求13-18、22-24之一的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述闪烁体阵列中的至少一个闪烁体内部具有散射颗粒。

26.依照权利要求13-18、22-25之一的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述第一光电探测器件阵列、所述闪烁体阵列和所述第二光电探测器件阵列中所具有的元器件数量均相同。

27.依照权利要求26的双能X射线探测器阵列装置，其中，所述第一光电探测器件阵列、所述闪烁体阵列和所述第二光电探测器件间的各相应元器件均对准。

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