CN104215995B - 用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置和固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置和固化方法，包括阵列夹持器、像素化光电二极管阵列、四个千分尺推臂组件以及固化组件，像素化光电二极管阵列设置在阵列夹持器顶面上，待固化的闪烁体放置在像素化光电二极管阵列上，四个千分尺推臂组件对称地设置在阵列夹持器周围。千分尺推臂组件包括推臂底座、手动位移台、千分尺、第一推臂和第二推臂，千分尺固定在推臂底座上且可带动手动位移台在推臂底座上往复移动，使得每个第一推臂和第二推臂的前端面可以抵触到待固化的闪烁体的侧表面。本发明提高闪烁体探测器的封装高光收集率和高均一性，极大地缩短探测器的封装固化时间。

Description

用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置和 固化方法

技术领域

本发明属于核成像基于闪烁体探测器的封装技术领域，特别涉及一种用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置和固化方法。

背景技术

在核成像系统中，基于闪烁体的探测器广泛用于探测湮没光子（伽玛）。在一个典型系统中，一对伽玛光子以近似相反的方向放射，当他们到达探测器时，闪烁体会产生一个脉冲串的光，最终由一个光电二极管探测到。该方法依赖于足够的光收集效率和均一性，以进行准确的能量和时间鉴别。

闪烁体是一种具备闪烁性的材料。当高能粒子撞击闪烁体，其能量被吸收进而以光子的形式放出。光电二极管是利用光电效应将光能转化为电能的装置。在多种类型的光电二极管中，SiPM（Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管）已被广泛认为是传统光电倍增管最具潜力的替代者。SiPM只需要较低的运行电压就可获得可靠的性能，并且结构小巧以及兼容核磁共振。闪烁体探测器的性能通常由能量分辨率的半高宽和可实现的低能量阀值来鉴定。这些性能指标高度依赖于光收集效率。基于探测器本身的高灵敏度特质，高光收集率通常需要通过极为复杂的封装过程来实现。此外，如果探测器不具备高度的光收集均一性，高质量的成像很难实现。此特点对于依赖一对一位置识别的系统尤为明显。一对一读位的系统通常使用像素化的闪烁体和SiPM阵列读取信号。像素化结构比非像素化结构可以提供更好的能量和时间分辨率，因为光子可以被拘束在每一个像素之内。然而，这样也带来了需要微米级对准精度和耦合的问题。

基于闪烁体的探测器一般由一个大块或像素化闪烁体块和一个像素化光电二极管阵列（通常使用SiPM）构成。使用传统的封装方法，两者之间的光学耦合需要由一个透明的硅胶盘或光学润滑脂建立。为了保持良好的光学耦合和机械对齐，在外壳上需要用螺钉顶紧的方法或弹簧压盘结构以防止探测器部件滑动或错位，探测器需要多个侧垫或精确加工的外壳。这种封装方法体现了如下几个主要的缺陷：

1. 所需机械结构不可避免地造成了像素间隙。这通常意味着增加了探测器的探测死区，极大地降低了系统灵敏度和成像质量。

2. 探测器光收集效率会被机械误差影响。当系统同时使用大量机械误差差别较大的探测器时会严重影响系统均一性，通常需要复杂的后期校正处理。

3. 依赖机械结构固定的耦合方式不可避免地需要相对较厚的耦合介质。这通常意味着更多的光串扰和更大的光子丢失可能性。

4. 高精度的零件加工公差和装配工艺通常需要很高的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置和固化方法，提高闪烁体探测器的封装高光收集率和高均一性，极大地缩短探测器的封装固化时间，降低耦合介质厚度，从而大幅减小了光学串扰的可能性。

本发明是这样实现的，首先提供一种用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置，包括阵列夹持器、像素化光电二极管阵列、四个千分尺推臂组件以及固化组件，像素化光电二极管阵列设置在阵列夹持器的顶面上，待固化的闪烁体放置在像素化光电二极管阵列上，四个千分尺推臂组件对称地设置在阵列夹持器周围；两个千分尺推臂组件包括推臂底座、手动位移台、千分尺和第一推臂，两个千分尺推臂组件包括推臂底座、手动位移台、千分尺和第二推臂，手动位移台设置在推臂底座上，第一推臂和第二推臂设置在手动位移台上，千分尺固定在推臂底座上且可带动手动位移台在推臂底座上往复移动，使得每个第一推臂和第二推臂的前端面可以抵触到待固化的闪烁体的侧表面，固化组件设置在第一推臂上；固化装置至少包括两个成对设置的第一推臂。

进一步地，固化组件倾斜地设置在在第一推臂上。

进一步地，固化组件包括紫外发光二极管和散热器，紫外发光二极管设置在固化组件的底部且直对和抵近所述像素化光电二极管阵列与待固化的闪烁体的耦合处，散热器设置在紫外发光二极管的外表面。

进一步地，阵列夹持器的材质为非粘性材料。

其次，本发明还提供一种利用如上所述的固化装置而用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化方法，包括有如下步骤：

第一步，把待固化的闪烁体放置在固化装置的像素化光电二极管阵列上；

第二步，调节千分尺推臂组件的千分尺，带动第一推臂和第二推臂移动，使其前端面抵触到待固化的闪烁体的侧表面，调节四个千分尺推臂组件的相对位置，从而调节待固化的闪烁体与像素化光电二极管阵列的相互耦合位置；

第三步，起动设置在第一推臂上的固化组件，对粘附在待固化的闪烁体与像素化光电二极管阵列的相互耦合位置的紫外光胶进行固化。

进一步地，上述方法还包括在第三步骤之前先把固化组件倾斜地设置在第一推臂上，固化组件包括紫外发光二极管和散热器，使得紫外发光二极管设置在固化组件的底部且直对和抵近所述像素化光电二极管阵列与待固化的闪烁体的耦合处。

与现有技术相比，本发明的用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置和固化方法，提高闪烁体探测器的封装高光收集率和高均一性，可以实现提高闪烁体探测器平均25%的光收集率。此外，本发明不需要大量的封装时间和昂贵的设备。因为基于其局部高功率固化的设计，一个探测器通常可以在15分钟之内封装完成。比较而言，传统耦合方法一般需要1到24小时封装时间。另外，本发明允许小于0.3毫米的耦合介质厚度，从而大幅减小了光学串扰的可能性。通过对384个经过本装置封装的探测器进行实际测试，本发明可以轻易实现探测器的光峰位置变化小于10%的指标。

附图说明

图1为本发明的固化装置一较佳实施例的立体示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图2的M-M的剖视图；

图4为图1中阵列夹持器以及其上的待固化的闪烁体和像素化光电二极管阵列的装配状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1至图4所示，本发明用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置的较佳实施例，包括阵列夹持器1、像素化光电二极管阵列2、四个千分尺推臂组件3以及固化组件。像素化光电二极管阵列2可以精密地设置在阵列夹持器1顶面上，待固化的闪烁体11放置在像素化光电二极管阵列2上，四个千分尺推臂组件3对称地设置在阵列夹持器1周围。

千分尺推臂组件3包括推臂底座4、手动位移台5、千分尺6、第一推臂7和第二推臂8。手动位移台5设置在推臂底座4上，第一推臂7和第二推臂8设置在手动位移台5上，千分尺6固定在推臂底座4上且通过旋转千分尺6的转臂带动千分尺6的测杆移动从而可带动手动位移台5在推臂底座4上往复移动，使得每个第一推臂7和第二推臂8的前端面可以抵触到待固化的闪烁体11的侧表面。使用千分尺6可以使得本发明轻松具备±50mm可调范围和±0.001mm的调节精确度，扩大本发明的适用范围，满足用户需要。

当待固化的闪烁体11放置在固化装置的像素化光电二极管阵列2上后，调节千分尺6就可以精确地调节四个千分尺推臂组件3的相对位置，从而精确地调节待固化的闪烁体11与像素化光电二极管阵列2的相互耦合位置。固化组件设置在第一推臂7上，固化装置至少包括两个成对设置的第一推臂7。在本发明中，固化装置的第一推臂7成对设置，每对第一推臂7的位于同一直线且高度相同。固化装置可以包含二或四个第一推臂7，在本实施例中，包含两个相对设置的第一推臂7和两个相对设置的第二推臂8。

固化组件倾斜地设置在第一推臂7上。固化组件包括紫外发光二极管9和散热器10。在本实施例中，紫外发光二极管9为高功率紫外LED，散热器10为径向翅片式散热器，可以快速散去高功率紫外LED工作时产生的热量。紫外发光二极管9设置在固化组件的底部且直对和抵近所述像素化光电二极管阵列2与待固化的闪烁体11的耦合处，散热器10设置在紫外发光二极管9的外表面。紫外发光二极管9打开时，紫外光近距离直接照射至像素化光电二极管阵列2与待固化的闪烁体11的耦合处，迅速让耦合处的紫外光胶固化。

阵列夹持器1的材质为非粘性材料。在本实施例中，采用的是PTFE（Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯树脂），还可以采用FEP （Perfluoro(ethylene-propylence)，氟化乙烯-丙烯树脂）等。

本发明还提供一种利用如上述的固化装置而用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化方法，包括有如下步骤：

第一步，把待固化的闪烁体设置在固化装置的像素化光电二极管阵列上；在像素化光电二极管阵列与待固化的闪烁体的耦合处涂敷有折射率匹配的紫外光胶；

第二步，调节千分尺推臂组件的千分尺，带动第一推臂和第二推臂移动，使其前端面抵触到待固化的闪烁体的侧表面，调节四个千分尺推臂组件的相对位置，此时四个千分尺各分别得到一个读数A、B、C和D，从而调节待固化的闪烁体与像素化光电二极管阵列的相互耦合位置；固化前可以在待固化的闪烁体的顶部施压，也可以不施压；

第三步，起动设置在第一推臂上的固化组件，对粘附在待固化的闪烁体与像素化光电二极管阵列的相互耦合位置的紫外光胶进行固化；

第四步，从阵列夹持器上取出耦合固化完成的探测器组件。

批量耦合时，无需每次进行四个千分尺推臂的精密调整，只需按照上述第二步骤所得的读数A、B、C和D进行设置即可，节省调节时间。

上述方法还包括在第三步骤之前先把固化组件倾斜地设置在第一推臂上，固化组件包括紫外发光二极管和散热器，使得紫外发光二极管设置在固化组件的底部且直对和抵近所述像素化光电二极管阵列与待固化的闪烁体的耦合处。

本发明的固化装置和固化方法既可用于个体探测器组件的精确包装，还可以应用一组预对准位置参数来成批封装探测器组件，具备一致性和可靠性的特点。本发明的固化方法的优点在像素化闪烁体和SiPM阵列的耦合中体现极为明显，但同样的装置和方法适用于任何种类的闪烁器（像素化或大块）和光电二极管（阵列或单一）的组合。典型的闪烁体材料包括LSO（cerium doped lutetium oxyorithosilicate，硅酸镥）、LYSO（cerium dopedlutetiumyttrium orthosilicate，硅酸钇镥）、氟化钡和BGO（bismuth germinate，锗酸铋）晶体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置，其特征在于，包括阵列夹持器（1）、像素化光电二极管阵列（2）、四个千分尺推臂组件（3）以及固化组件，所述像素化光电二极管阵列（2）设置在阵列夹持器（1）的顶面上，待固化的闪烁体（11）放置在像素化光电二极管阵列（2）上，所述四个千分尺推臂组件（3）对称地设置在阵列夹持器（1）周围；两个所述千分尺推臂组件（3）包括推臂底座（4）、手动位移台（5）、千分尺（6）和第一推臂（7），两个所述千分尺推臂组件（3）包括推臂底座（4）、手动位移台（5）、千分尺（6）和第二推臂（8），所述手动位移台（5）设置在推臂底座（4）上，所述第一推臂（7）和第二推臂（8）设置在手动位移台（5）上，所述千分尺（6）固定在推臂底座（4）上且可带动手动位移台（5）在推臂底座（4）上往复移动，使得每个所述第一推臂（7）和第二推臂（8）的前端面可以抵触到待固化的闪烁体（11）的侧表面，所述固化组件设置在第一推臂（7）上；所述固化装置至少包括两个成对设置的第一推臂（7）。

2.如权利要求1所述的用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置，其特征在于，所述固化组件倾斜地设置在在第一推臂（7）上。

3.如权利要求2所述的用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置，其特征在于，所述固化组件包括紫外发光二极管（9）和散热器（10），所述紫外发光二极管（9）设置在固化组件的底部且直对和抵近所述像素化光电二极管阵列（2）与待固化的闪烁体（11）的耦合处，所述散热器（10）设置在紫外发光二极管（9）的外表面。

4.如权利要求1所述的用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化装置，其特征在于，所述阵列夹持器的材质为非粘性材料。

5.一种利用如权利要求1所述的固化装置而用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化方法，其特征在于，包括有如下步骤：

第一步，把待固化的闪烁体设置在固化装置的像素化光电二极管阵列上；

第二步，调节千分尺推臂组件的千分尺，带动第一推臂和第二推臂移动，使其前端面抵触到待固化的闪烁体的侧表面，调节四个千分尺推臂组件的相对位置，从而调节待固化的闪烁体与像素化光电二极管阵列的相互耦合位置；

第三步，起动设置在第一推臂上的固化组件，对粘附在待固化的闪烁体与像素化光电二极管阵列的相互耦合位置的紫外光胶进行固化。

6.如权利要求5所述的用于光学耦合像素化闪烁体和光电二极管阵列的固化方法，其特征在于，还包括在第三步骤之前先把固化组件倾斜地设置在第一推臂上，所述固化组件包括紫外发光二极管和散热器，使得所述紫外发光二极管设置在固化组件的底部且直对和抵近所述像素化光电二极管阵列与待固化的闪烁体的耦合处。