CN102176335A

CN102176335A - 一种γ射线探测器晶体阵列的制作方法

Info

Publication number: CN102176335A
Application number: CN2011100314698A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 居小平; 王涛
Original assignee: SINOWAYS MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SINOWAYS MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-01-29
Filing date: 2011-01-29
Publication date: 2011-09-07

Abstract

一种γ射线探测器晶体阵列的制作方法，涉及γ射线探测成像技术领域。先将原始的晶体材料切割形成整块的矩形原始晶体块，并对矩形原始晶体块进行机械表面处理；然后通过粘合剂将光导介质粘合在原始晶体块的下表面；再对原始晶体块进行切割，形成晶体条阵列；并对阵列式排列的各晶体条进行表面抛光处理；再在各晶体条之间的间隙进行反光材料的镀膜或填充处理；最后对所述晶体条阵列的上表面和四周表面进行反光材料的镀膜或包裹处理。本发明降低了加工难度，提高成品率，减少了传统工艺中手工制作的成分，更加方便地实现复杂结构的晶体阵列，如具有响应深度信息的多层错位结构的晶体阵列等。

Description

一种γ射线探测器晶体阵列的制作方法

技术领域

本发明涉及γ射线探测成像技术领域，特别涉及γ射线探测器中晶体阵列的制作方法和制造工艺流程。

背景技术

γ射线探测成像的基本原理是：位于被测对象内部（如人体器官）的γ射源发射出射线束，这些射线束穿过被测对象后投影在探测器阵列上。利用电子学技术对探测器检测到的信号进行读出和数据采集，通过计算机分析处理，获得被测对象内部γ射源的分布情况，并采用图像的形式加以显示和呈现。Γ射线探测成像是一个多学科交叉和渗透的新的学科生长点，已广泛应用于生命科学﹑医学﹑材料科学﹑工业﹑国防﹑交通和安检等领域。

典型的γ射线探测成像技术包括γ相机、SPECT（Single Photon Emission Computed Tomography, 单光子发射断层成像）和PET（Positron Emission Tomography，正电子断层成像）等。不论采用何种成像技术和系统，γ射线探测器都是其中的关键部件之一。

典型的γ射线探测器由闪烁晶体阵列和光电转换器件组成。图1显示了一个采用8×8晶体阵列的γ射线探测器的基本结构和制作过程。原始的晶体材料，如锗酸铋（BGO），硅酸镥（LSO）等，经过切割加工和表面处理后（如研磨抛光等）形成窄条状的晶体条，并利用反光涂料或反光材料对晶体条的外周进行镀膜或包裹处理。多个晶体条通过粘合剂拼接成一个晶体阵列，如图1中显示的8x8的晶体阵列。晶体阵列也可以通过将多个晶体条插入事先制作好的网格中制成。晶体阵列再通过光导介质与光电转换器件，如光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）等，相耦合形成一个探测器模块。光导介质的材料可以是玻璃等，其作用是将γ粒子击中晶体阵列后产生的可见光引导到光电转换器件上。晶体阵列、光导介质和光电转换器件之间可以通过光学耦合剂或者光学透明的粘合剂相耦合。

在这样一个典型的探测器晶体阵列制造过程中，需要通过切割加工形成64根晶体条，并对晶体条的每一面进行表面加工处理，共64×6=384个表面。另外，还需要对至少64×4=256个表面进行光学材料镀膜或包裹处理。然后需要将64根晶体条逐个对齐排列后粘接成一个8×8的阵列。这个制造过程会耗费大量的人力和时间，生产成本较高。在一个典型的γ射线探测成像系统中，往往会使用几十个甚至上百个探测器模块，需要使用到数千乃至上万根晶体条。这样，探测器模块，特别是晶体阵列的制造成本，往往成为成像系统中的主要成本构成之一。

由以上可见，现有技术制作γ射线探测器晶体阵列主要存在以下缺点：

1、需要对数千乃至上万根晶体条进行切割、表面加工以及反光材料包裹处理，工作量巨大，工时消耗长。且在加工过程中存在不可避免的错误损坏率，会提高整体的生产成本。

2、需要对数千乃至上万根晶体条进行手工的粘合拼接，加工精度要求高，加工难度非常大，耗时耗力，加工过程中的错误损坏率也较高。

3、随着晶体条尺寸越来越小，加工对象越来越精细，而总的数量又会相应增加，将导致加工难度和生产成本都会大幅提升。

4、由于每一个探测器使用的晶体阵列均为手工制作完成，探测器的个体差异较大，很难通过工艺标准保证探测器的一致性。这样将增加探测器性能校准和标定环节的难度和工作量，最终导致成像系统的生产成本增加。

综上所述，现有的探测器晶体阵列制作方法比较复杂，工作量大，加工难度大，设计和生产成本高，加工制造周期长，生产流程和工艺较难形成标准化。

发明内容

本发明针对现有γ射线探测器晶体阵列制作方法所存在的缺陷，提出了一种新的晶体阵列快速制作方法。

本发明包括以下步骤：

1）将原始的晶体材料切割形成整块的矩形原始晶体块，并对矩形原始晶体块进行机械表面处理；

2）通过粘合剂将光导介质粘合在原始晶体块的下表面；所述光导介质与原始晶体块的粘合面不小于粘合的原始晶体块的该截面；

3）对原始晶体块进行切割，形成晶体条阵列；

4）对阵列式排列的各晶体条进行表面抛光处理；

5）在各晶体条之间的间隙进行反光材料的镀膜或填充处理；

6）对所述晶体条阵列的上表面和四周表面进行反光材料的镀膜或包裹处理。

本发明在切割过程中，粘连的光导介质既提供了模块的机械固定点，又可以保证单个晶体条在切割过程中不会发生脱落，同时也增加了切割形成的晶体阵列的机械稳固性。本发明优点有：

1、避免了对数千乃至上万根晶体条的逐个加工和粘接，大大降低了加工难度，可以提高工艺成品率。大大降低了劳动人力和时间消耗，可以有效降低生产成本。

2、生产加工工艺不依赖于晶体条的具体尺寸。即使探测器晶体条尺寸越来越精细，生产加工成本可以基本保持不变。

3、大大减少了传统工艺中手工制作的成分，主要加工过程可以采用工业化方式实现，提高了生产工艺的标准化，方便实现探测器晶体阵列的质量控制。

4、可以通过切割工艺更加方便地实现复杂结构的晶体阵列，如具有响应深度信息的多层错位结构的晶体阵列等。

本发明所述步骤2）中，采用的粘合剂可以为紫外线固化的光学胶水，或自固化的光学胶水，或具有光学透明特性的粘附聚合物。

其中，具有光学透明特性的粘附聚合物聚可以采用聚二甲基硅氧烷。聚二甲基硅氧烷是一种低成本的聚合物材料，透光率为100%，具有良好的粘附性以及化学惰性，使用和粘合操作简单，固化后性质稳定。

所述步骤3）中，对整个阵列采用同一深度切割。采用同一深度切割有利于保证晶体阵列中所有单个晶体条的一致性，包括物理一致性和响应一致性等。

所述步骤3）中，对整个阵列也可采用不同深度切割。采用不同深度的切割方式有利于优化γ光子光电转换所产生的可见光在晶体阵列中的光学传播路径设计，从而有利于利用光电转换器件进行信号检测和事件位置计算。

所述步骤3）中，切割的深度可以进入光导介质。这种方式将最有利于保证晶体阵列中各个单元的物理一致性和响应一致性，进而提高探测器的均一性，并改善探测器的固有空间分辨率。

所述步骤3）中，切割的深度也可以位于晶体内部。这种方式将最有利于γ光子光电转换所产生的可见光在晶体阵列中的光学传播路径的优化设计，进而方便事件位置的计算，并且有利于光电检测器件死区的恢复。此外还可以改善晶体阵列的机械强度，增加生产成品率。

所述步骤3）中，切割的深度还可以到达光导介质的上表面。这种方式是上述探测器均一性、分辨率、光路优化和死区恢复的一个折衷方案。可以一定程度兼顾多个方面的设计要求。

所述步骤3）中，可采用机械刀具切割，或激光切割。为提高速度，在切割过程中可以使用多组刀片或激光源同时完成多个位置上的切割。

所述步骤4）中，所述表面抛光处理可以为超声波处理或化学腐蚀。

所述步骤5）和步骤6）中，所述反光材料可以是聚四氟乙烯或硫酸钡。

附图说明

图1为采用8×8晶体阵列的γ射线探测器的基本结构和制作过程图。

图2为本发明的制作过程图。

具体实施方式

制作γ射线探测器的步骤：

一、制作闪烁晶体阵列：

1、按照所需制作的晶体阵列的尺寸将原始的晶体材料切割形成整块的矩形原始晶体块。并根据需要对矩形原始晶体块进行机械表面处理，如研磨抛光等。

2、按照探测器模块的要求准备相应尺寸的光导材料。作为一个示例，图2显示的光导介质与原始晶体块截面尺寸相同。在实际情况中，这两者的尺寸无需相同。

3、将光导介质粘合在原始晶体块的下表面，形成一个完整的原始晶体模块。粘合剂包括但不限于紫外线固化的光学胶水、自固化的光学胶水以及具有光学透明特性的粘附聚合物等。优选的粘合剂为聚二甲基硅氧烷。

4、对粘合后的原始晶体模块按照晶体阵列的结构尺寸进行切割加工。图2给出的示例将晶体模块切割成8×8的晶体条阵列，切割的深度为同一深度，且到达光导介质的上表面。

4.1切割沿两个方向进行，如图2所示首先沿水平（左右）方向切割，再将晶体模块旋转90度后沿前后方向切割。

4.2切割的深度按照需要进行控制，既可以对整个阵列采用同一深度切割，也可以对不同的位置采用不同的深度切割。切割深度可以在晶体内，也可以到达光导介质的表面，还可以进入光导介质。

4.3切割的工艺包括但不限于机械刀具切割以及激光切割等。为提高速度，在切割过程中可以使用多组刀片或激光源同时完成多个位置上的切割。

5、对阵列式排列的各晶体条进行表面抛光处理，处理的方式包括但不限于超声波处理、化学腐蚀等。

6、在各晶体条之间的间隙进行反光材料的镀膜或填充处理，反光材料可以是聚四氟乙烯（特氟龙）以及硫酸钡等。

7、对晶体条阵列的上表面和四周表面进行反光材料的镀膜或包裹处理。

二、将完成的闪烁晶体阵列与光电转换器件耦合，形成γ射线探测器模块。

Claims

1.一种γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

3）对原始晶体块进行切割，形成晶体条阵列；

4）对阵列式排列的各晶体条进行表面抛光处理；

5）在各晶体条之间的间隙进行反光材料的镀膜或填充处理；

2.根据权利要求1所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述步骤2）中，所述粘合剂为紫外线固化的光学胶水，或自固化的光学胶水，或具有光学透明特性的粘附聚合物。

3.根据权利要求2所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述具有光学透明特性的粘附聚合物为聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求1所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述步骤3）中，对整个阵列采用同一深度切割。

5.根据权利要求1所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述步骤3）中，对整个阵列采用不同深度切割。

6.根据权利要求1或4或5所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述步骤3）中，切割的深度位于矩形原始晶体块内部，或切割的深度到达光导介质的上表面，或切割的深度进入光导介质。

7.根据权利要求1所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述步骤3）中，采用机械刀具切割，或激光切割。

8.根据权利要求1所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述步骤4）中，所述表面抛光处理为超声波处理或化学腐蚀。

9.根据权利要求1所述γ射线探测器晶体阵列的制作方法，其特征在于所述反光材料为聚四氟乙烯或硫酸钡。