CN102787360A

CN102787360A - 一种复合晶体、伽玛射线探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN102787360A
Application number: CN2011101297416A
Authority: CN
Inventors: 应关荣; 谢舒平
Original assignee: SHANGHAI BIOMEDICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Current assignee: SHANGHAI BIOMEDICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明公开了一种复合晶体、伽玛射线探测器及其制备方法，其中所述伽玛射线探测器包括复合晶体阵列和光电倍增管；所述复合晶体阵列通过光耦合剂与光电倍增管耦合在一起；所述复合晶体阵列包括多个单根复合晶体，所述单根复合晶体之间填充有长短不一的反光层；所述单根复合晶体通过切磨抛处理复合晶体获得。所述复合晶体包括闪烁晶体和光导材料，闪烁晶体和光导材料之间通过胶合剂粘贴在一起，且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离。所述胶合剂为光学水泥。本发明所述的伽玛射线探测器的空间分辨率较高，制作复合晶体的工艺简单，易生产，且组装工艺的稳定性、可重复性高。

Description

一种复合晶体、伽玛射线探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于辐射探测成像技术领域，涉及一种探测器，尤其涉及一种复合晶体、伽玛射线探测器及其制备方法。

背景技术

传统的伽玛射线探测器通常以一种闪烁晶体作为探测材料，以光电倍增管等光电转化器件作为信号放大器，统称为闪烁探测器。当伽玛射线入射到闪烁晶体内并被闪烁晶体吸收时，闪烁晶体会释放出极其微弱的闪烁光。在可见光区或紫外光区的闪烁光通过光收集部件(即光导)能尽量多地射到光电倍增管的光敏层上进行光电转换，并经多级放大后最终在输出端形成电脉冲信号。通过检测电脉冲信号即可获得伽玛射线的全部信息。这种传统的闪烁探测器具有高效率、高信噪比和响应时间快等特点，被广泛应用于高能物理、宇宙射线探测及核医学的研究中，是当今辐射探测技术领域中不可或缺的手段。

传统的探测器需要使用独立的光导材料将闪烁晶体阵列和光电倍增管耦合在一起，如图1a所示：在制作传统探测器时，首先将单根的闪烁晶体组装成一个规整的闪烁晶体阵列1，单根晶体与单根晶体之间用反光材料进行填充，然后用特别的光耦合剂与一整块尺寸合适，一定厚度并且透光性能优异的大块光导片2粘贴，最后在光导片的出光面与光电倍增管3(PMT)进行粘贴，这样就完成了闪烁晶体与光电倍增管的耦合，加上处理光电倍增管信号的相关电路即形成了完整的伽玛射线探测器。这种耦合方法在工艺实现上较为简单，但是由于光导片的分光作用有限，导致探测器空间分辨率不高。

为了提高传统探测器的分辨率，一些探测器选用了较为复杂的指状刻槽光导片，如图1b所示。在制作指状刻槽光导片2’时需要达到三个要求：1)刻槽位置精确，即槽的位置与晶体阵列中的反光层材料位置一致；2)每一条槽要选择合适的深度以实现闪烁光的智能分光；3)每一条刻槽都要求完整，即不能在刻槽时产生崩边和裂痕，并在槽内填充反光材料。实现闪烁晶体阵列和指状刻槽光导片粘贴无偏差对接要求晶体阵列的组装和刻槽的切割非常精确，增加了工艺上的难度。这种耦合方法增加了光导的分光作用，但是工艺实现较难。

另外还有一些探测器利用闪烁晶体本身作为光导，如图1c所示的指状刻槽的闪烁晶体阵列1’。这种探测器具有很强的分光能力，同时也不存在图1b中的对位问题，但在该类探测器中，闪烁晶体底部区域分光受到限制，进而造成探测器整体分辨率下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复合晶体及其制备方法，该复合晶体在保持工艺简单的同时又可以提高了光导的分光能力；

此外，本发明还提供一种伽玛射线探测器及其制备方法，该伽玛射线探测器具有极高的工艺稳定性，且实现了闪烁光在光导内部的智能化引导。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种复合晶体，包括闪烁晶体和光导材料，闪烁晶体和光导材料之间通过胶合剂粘贴在一起，且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离。所述胶合剂为光学水泥。

一种复合晶体的制备方法，包括以下步骤：

步骤A1，清洗闪烁晶体和光导材料，确保表面洁净；

步骤A2，用胶合剂将闪烁晶体和光导材料胶合在一起，胶合时要确保胶合处无气泡，并且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离；所述胶合剂为光学水泥；

步骤A3，根据胶合剂的固化特性，选择合适的固化条件，对胶合的闪烁晶体和光导材料进行固化处理，形成复合晶体。

一种由复合晶体制作的伽玛射线探测器，所述伽玛射线探测器包括复合晶体阵列和光电倍增管；所述复合晶体阵列通过光耦合剂与光电倍增管耦合在一起；所述复合晶体阵列包括多个单根复合晶体，所述单根复合晶体之间填充有长短不一的反光层；所述单根复合晶体通过切磨抛处理复合晶体获得。所述复合晶体包括闪烁晶体和光导材料，闪烁晶体和光导材料之间通过胶合剂粘贴在一起，且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离。所述胶合剂为光学水泥。

一种伽玛射线探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤B1，清洗闪烁晶体和光导材料，确保表面洁净；

步骤B2，用胶合剂将闪烁晶体和光导材料胶合在一起，胶合时要确保胶合处无气泡，并且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离；所述胶合剂为光学水泥；

步骤B3，根据胶合剂的固化特性，选择合适的固化条件，对胶合的闪烁晶体和光导材料进行固化处理，形成复合晶体；

步骤B4，将复合晶体切割成合适尺寸的单根复合晶体；

步骤B5，在单根的复合晶体之间加入长短不一的反光层，形成复合晶体阵列；

步骤B6，将复合晶体阵列通过光耦合剂和光电倍增管耦合。

本发明的有益效果在于：本发明所述的伽玛射线探测器的空间分辨率较高，制作复合晶体的工艺简单，易生产，且组装工艺的稳定性、可重复性高。

附图说明

图1a为传统的探测器的结构示意图；

图1b为采用指状刻槽光导片的探测器的结构示意图；

图1c为利用闪烁晶体自身作光导的探测器的结构示意图；

图2a为大块闪烁晶体的结构示意图；

图2b为大块光导片的结构示意图；

图2c为大块复合晶体的结构示意图；

图2d为单根复合晶体的结构示意图；

图3a为本发明所述的由复合晶体制作的伽玛射线探测器的结构示意图；

图3b为本发明所述的单根复合晶体的结构示意图；

图4a为传统的探测器的分光能力示意图；

图4b为本发明所述的伽玛射线探测器的分光能力示意图；

图5a为本发明所述的复合晶体阵列的俯视剖面图；

图5b为本发明所述的复合晶体阵列的侧视剖面图。

主要组件符号说明：

1、闪烁晶体阵列； 2、大块光导片；

3、光电倍增管PMT； 2’、指状刻槽光导片；

1’、指状刻槽的闪烁晶体阵列； 4、复合晶体阵列；

5、单根复合晶体； 6、闪烁晶体；

7、光导玻璃； 8、边框支架；

9、反光层。

具体实施方式

本发明的目的是提出一种将闪烁晶体和光导结合在一起，形成统一的复合晶体的方法。它首先实现了单根的闪烁晶体与单根的光导材料完美地粘贴在一起，即单根的复合晶体，然后再用这些复合晶体组装成阵列，复合晶体之间填充长短不一的反光层材料，这样组装的复合晶体阵列同时继承了图1a和图1b所示的两种耦合方式的优点，即在保持工艺简单的同时又可以提高了光导的分光能力。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种用于伽玛射线探测器的复合晶体，该复合晶体的具体结构如图2a至图2d所示，其中图2a表示的是大块闪烁晶体，图2b表示的是大块光导片，图2c所示的是大块复合晶体，图2d所示的是单根复合晶体。图2c中，大块复合晶体上半部为闪烁晶体，下半部为光导材料，闪烁晶体和光导材料之间通过特殊的胶合剂粘贴在一起，形成统一的复合晶体大块，对该复合晶体大块进行切磨抛处理后得到用于组装晶体阵列的单根复合晶体，即图2d所示的结构。

实施例二

本实施例提供一种用实施例一所述的复合晶体制作的伽玛射线探测器，如图3a、图3b和图5b所示，单根复合晶体5之间填充着长短不一的反光层9构成复合晶体阵列4。所述复合晶体阵列4通过光耦合剂与光电倍增管3耦合在一起；所述复合晶体阵列4包括多个单根复合晶体5，所述单根复合晶体5之间填充有长短不一的反光层9；复合晶体阵列4由边框支架8包裹；所述单根复合晶体5通过切磨抛处理复合晶体获得；单根复合晶体5的上部为闪烁晶体6，下部份为光导玻璃7(即光导材料)。这类似于图1b所示的使用指状光导片的传统探测器，但是它解决了传统探测器中的晶体与光导对位问题，而且整个组装工艺更加简单、灵活。由于复合晶体本身已包含光导部分，因此单根复合晶体组装在一起后，可直接通过光耦合剂与光电倍增管耦合在一起，构成伽玛射线探测器。

本实施例所述的复合晶体阵列同时解决了耦合、对位和智能分光这两个问题，在提高了探测器组装工艺稳定性的同时极大地提高了探测器的空间分辨率。

本实施例所述的伽玛射线探测器具有极高的工艺稳定性，且实现了闪烁光在光导内部的智能化引导，使得利用Anger算法计算出的伽玛射线入射位置更为精确，显著地提高了探测器的空间分辨率。

实施例三

本实施例将实施例二所述的伽玛射线探测器与传统的伽玛射线探测器的分光性能进行比较，如图4b所示，实施例二所述的伽玛射线探测器可以通过调节中间反光层的长短来改变闪光的传播方向，实现智能化引导。图4a所示的传统的伽玛射线探测器不能改变闪烁光的传播方向，而图1b所示的探测器由于闪烁晶体和光导是分别独立的，故其在耦合、对位上存在工程上的不确定，造成分光能力大大减弱。

通过以上对比，可以发现，实施例二所述的伽玛射线探测器的优点为：

1、空间分辨率较高。

伽玛射线探测器的空间分辨率主要基于单根闪烁晶体的横截面尺寸，横截面尺寸越小，其空间分辨率越高。由于受到光电转化器件体积、性能、成本的限制，闪烁晶体的横截面尺寸不能做得很小，即探测器的空间分辨不能无限提高。目前主流的探测器都使用Anger算法来解码，它能最大程度地实现伽玛射线探测器的经济性和实用性。闪烁晶体捕获伽玛射线后产生的闪烁光通过光导传播最终被一组光电转换器接收，通过处理和计算这组光电转换器输出的电信号相互之间的强弱关系即可推算出伽玛射线的入射位置，这就是Anger算法的工作原理。它的精确性决定了伽玛射线探测器的空间分辨能力，因此要获得较高的空间分辨率就必须对微弱的闪烁光进行引导，实现智能化的分光。利用实施例二所述的复合晶体组装的探测器，可以通过调节复合晶体之间反光层的长短来实现智能化的分光，从而使接收闪烁光的光电转化器件的电信号有一个合适的强弱关系，最终实现探测器的较高空间分辨率。

2、制作复合晶体的工艺简单，易生产。

选择一块具有一定厚度且上下两个表面平行的闪烁晶体(如图2a所示)和一块具有合适厚度且上下表面平行的光导材料(如图2b所示)，将闪烁晶体和光导材料通过胶合剂固化后形成大块复合晶体(如图2c所示)；在对大块复合晶体进行切、磨、抛等加工时，由于使用了非常坚固的固化剂进行粘贴，因此在加工过程中闪烁晶体和光导材料始终粘贴在一起，就如同对单种材料(闪烁晶体或光导材料)进行加工。制作复合晶体相对于普通的晶体只是多了一道简单的粘贴工序，使用现有的工艺就可以进行加工、生产。

3、探测器的组装工艺稳定性、可重复性高。

由于复合晶体中闪烁晶体和光导材料完美地粘贴在一起，因此由复合晶体组装的探测器不存在传统探测器中闪烁晶体阵列和光导对位、耦合过程中产生的偏差等问题，具有很高的工艺稳定性。在复合晶体之间填充长短不一的反光层材料后把它们拼装在一起就形成了一个高性能的复合晶体阵列。在组装过程中由于各个部分都可做标准化处理，因此该工艺具有很好的可重复性。

实施例四

本实施例提供一种实施例一所述的复合晶体的制备方法，包括以下步骤：

步骤A1，清洗闪烁晶体和光导材料，确保表面洁净；

步骤A2，用胶合剂将闪烁晶体和光导材料胶合在一起，胶合时要确保胶合处无气泡，并且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离；

实施例五

本实施例提供一种实施例二所述的伽玛射线探测器的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：准备材料

【大块闪烁晶体】

上下两个大表面平行的大块闪烁晶体，如图2a所示。

【大块光导材料】

光导材料选择标准：

一、在350nm-600nm波长范围内有极佳的透光性能；

二、光导材料本身易于加工；

三、较长的使用寿命；

四、高抗辐射能力；

五、尺寸与大块闪烁晶体相吻合，并且上下两个表面平行，如图2b所示；

【胶合剂】

胶合剂选择标准：

一、在350nm-600nm波长范围内有极佳的透光性能；

二、固化后具有很强的粘贴性；

三、较高硬度；

四、较长的使用寿命；

五、高抗辐射能力；

目前实验室使用的胶合剂为EPOXY TECHNOLOGY，INC.生产的

它是双组分材料按照一定的重量(或体积)比例混合而成，是环氧树脂的一种，由于其具有很高的透光性和固化后的高硬度而被称为光学水泥。

步骤2：粘贴和固化

将大块闪烁晶体和光导材料清洗确保表面洁净后，用胶合剂将大块闪烁晶体和光导材料胶合在一起，胶合时要确保胶合处无气泡，并且两者位置对准不偏离，如图2c所示。根据胶合剂的固化特性，选择合适的固化条件，对胶合的闪烁晶体和光导材料进行固化处理。对固化后的复合晶体大块进行切、磨、抛等加工工序，最终形成单根的复合晶体。在这个过程中粘贴处需要承受一定的外力，因此需要粘贴处非常牢固。

步骤3：切割、磨、抛处理

根据单根复合晶体的尺寸用高精度的切割机(通常采用线切割机或内圆切片机)进行切割，切割时为了尽可能提高大块复合晶体的利用率，需要将切割损失做到尽可能小。为了更好地发挥复合晶体的性能，需要对切割后的单根复合晶体进行磨、抛、清洗等精加工处理，最后获得的复合晶体如图2d所示。在整个加工过程中要保持闪烁晶体和光导材料牢固粘贴，不脱落。

步骤4：复合晶体阵列组装

将单根的复合晶体用专门的夹具拼装在一起，并且在单根的复合晶体之间加入长短不一的反光层，形成复合晶体阵列，如图5a和图5b所示。

步骤5：探测器组装

将复合晶体阵列和一组PMT(光电倍增管)耦合后，就完成了最基本的复合晶体探测器的组装，如图3a所示。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims

1.一种复合晶体，其特征在于：包括闪烁晶体和光导材料，闪烁晶体和光导材料之间通过胶合剂粘贴在一起，且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离。

2.根据权利要求1所述的复合晶体，其特征在于：所述胶合剂为光学水泥。

3.一种权利要求1所述的复合晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1，清洗闪烁晶体和光导材料，确保表面洁净；

4.根据权利要求3所述的复合晶体的制备方法，其特征在于：所述胶合剂为光学水泥。

5.一种由权利要求1所述的复合晶体制作的伽玛射线探测器，其特征在于：所述伽玛射线探测器包括复合晶体阵列和光电倍增管；所述复合晶体阵列通过光耦合剂与光电倍增管耦合在一起；所述复合晶体阵列包括多个单根复合晶体，所述单根复合晶体之间填充有长短不一的反光层；所述单根复合晶体通过切磨抛处理复合晶体获得。

6.根据权利要求5所述的伽玛射线探测器，其特征在于：所述复合晶体包括闪烁晶体和光导材料，闪烁晶体和光导材料之间通过胶合剂粘贴在一起，且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离。

7.根据权利要求6所述的伽玛射线探测器，其特征在于：所述胶合剂为光学水泥。

8.一种权利要求5所述的伽玛射线探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B1，清洗闪烁晶体和光导材料，确保表面洁净；

步骤B2，用胶合剂将闪烁晶体和光导材料胶合在一起，胶合时要确保胶合处无气泡，并且闪烁晶体和光导材料的位置对准不偏离；

步骤B4，将复合晶体切割成合适尺寸的单根复合晶体；

步骤B6，将复合晶体阵列和光电倍增管耦合。

9.根据权利要求8所述的伽玛射线探测器的制备方法，其特征在于：所述胶合剂为光学水泥。

10.根据权利要求8所述的伽玛射线探测器的制备方法，其特征在于：所述复合晶体阵列通过光耦合剂和光电倍增管耦合。