CN104391316A - 三维空间曲面多能量闪烁探测器 - Google Patents

Abstract

一种射线探测技术领域的三维空间曲面多能量闪烁探测器，包括：若干个闪烁晶体单元组成的多层闪烁晶体单元阵列、设置于闪烁晶体单元阵列之间的射线过滤装置以及用于将闪烁晶体单元接收的光信号转换为电信号的信号转换接收装置，其中：每个闪烁体单元通过光纤依次连接光纤整理装置以及光路聚集装置，直至信号转换接收装置将光信号转换为电信号。本发明能够以较小的体积实现对多维空间的多种射线能量分布的探测，解决了现有技术中射线接受面不能与射线完全垂直、不能同时探测多能谱以及占用空间过大的问题。

Description

三维空间曲面多能量闪烁探测器

技术领域

本发明涉及一种射线探测技术领域的装置，具体涉及一种用于射线成像装置的三维空间曲面多能量闪烁探测器。 

背景技术

射线成像技术是放射性射线(如X射线和γ射线等)作为媒介，获得以图像形式展现的检测对象的结构或功能信息，为相应行业提供各种对所观察对象进行诊断、检测和监测的技术手段，广泛应用于医疗卫生、公共安全和高端制造业等行业。探测器是射线成像设备的重要组成部分。用于探测放射性射线的探测器一般有气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器等类型，其中闪烁探测器的使用最为广泛。 

现有安检用射线接收器件一般使用双能线阵，中国专利文献号CN 201707129U公开(公告)日2011.01.12，公开了一种线阵探测器，如图1所示，其射线方向为从上往下照射，图中22为低能探测器光电二极管部分，其上部是闪烁体，其下是印刷线路板，再下就是屏蔽层，21为闪烁体，其上是光电二极管，再上是印刷线路板。23为印刷线路板。但双能线阵只能接收单能或者双能单排探测信号。 

现有的面阵探测器就是一个前面一个面上紧密排布闪烁体，闪烁体后面是光电读出，再后面就是电子学线路部分，所以现有面阵探测器只能探测单一能量的信号。而且光电读出和电子学部分就在闪烁体背后，带来的问题就是电子学部分被射线照射，影响电子学部分使用寿命，而且为长方体结构，有一定厚度，不能适合矮小的安装空间。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101011262公开(公告)日2007.08.08，公开了一种数字牙片X射线光机，该技术由微焦点X射线发生器，光纤准直器，可见光转换屏，光纤光锥，CMOS微型数码像机，电脑和显示器组成。它使患者的病变牙齿的图像经过微型CMOS微型数码像机USB接口迅速传到电脑并由显示器显示，以及打印、或者远距离网络传输，但该技术中的可见光转换屏体积较大，且一次只能拍摄一个能量水平级下的X射线图。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种三维空间曲面多能量闪烁探测器，能够同时探测多维空间的多种射线能量分布。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：若干个闪烁晶体单元组成的多层闪烁晶体单元阵列、设置于闪烁晶体单元阵列之间的射线过滤装置以及用于将闪烁晶体单元接收的 光信号转换为电信号的信号转换接收装置，其中：每个闪烁体单元通过光纤依次连接光纤整理装置以及光路聚集装置，直至信号转换接收装置将光信号转换为电信号。 

所述的闪烁晶体单元阵列为：一个或多个多维平面或曲面阵的组合。 

所述的闪烁晶体单元阵列中的晶体采用GOS(闪烁晶体硅酸钆)、CsI(碘化铯)、CWO(钨酸镉)或BGO(锗酸铋)。 

所述的设置于阵列之间的射线过滤装置为不同材料的板型结构，用于过滤不同能量射线。 

所述的光纤的一端设置于闪烁晶体单元的一侧，该光纤具体通过设置于闪烁晶体单元外的避光粘合层实现耦合。 

所述的光纤整理装置正对设置于避光外壳内的光路聚集装置。 

所述的避光外壳内优选设有光信号增强装置对光信号进行增强。 

所述的闪烁晶体单元阵列中的各个闪烁晶体单元依次编号。 

本发明涉及一种采用上述探测器的检测方法，包括以下步骤： 

步骤1、所述的晶体面正对放射源放置，待测样件放置在放射源和所述多能量闪烁探测器中间，放射源出束，射线穿过被检测物品；穿透物品后的射线被所述多能量闪烁探测器接收处理； 

步骤2、穿透物体后的射线经过准直和初步过滤，由闪烁晶体单元阵列中的闪烁晶体吸收并转换为可见光并经由与晶体耦合的光纤中全反射到光纤的输出端，剩余射线经过射线过滤装置射入到下一层闪烁晶体单元阵列，由此循环至所有闪烁晶体单元阵列均吸收对应能级的可见光； 

步骤3、穿透物体的射线按照若干个不同能量级别，分别经闪烁晶体单元阵列中的闪烁晶体吸收并转换为可见光，并由与闪烁晶体一一对应的光纤将光导出，光纤经由光纤整理装置按照其空间阵列顺序重新排列成二维面阵，并且光纤输出端面为一平面，在光纤输出端形成一幅二维的光斑图像； 

步骤4、光路聚集装置将二维光斑图像缩放至适合光信号增强装置的口径，再经由光信号增强装置进行光学影像放大增强，此二维光影像经由信号转换接收装置转换为数字化图像输出至计算机； 

步骤5、计算机将该数字化图像的各个部分进行分离，分离好以后的各个点的图像灰度信息与光纤整理装置中的端面光斑图像光强度以及光纤位置一一对应；将各个光纤信息分离，再根据光纤位置顺序将该灰度信息进行重新排布重组，形成若干个不同能量级别的二维分布排列示意图。 

技术效果 

与现有技术相比，本发明解决了射线接受面不能与射线完全垂直、不能同时探测多能谱以及占用空间过大的问题。 

附图说明

图1为现有技术示意图； 

图2为闪烁晶体单元阵列示意图； 

图中a为二维M*N阵列闪烁晶体单元阵列示意图；b为一维1*N阵列闪烁晶体单元阵列示意图； 

图3为光纤阵列到信号转换接收装置端面的具体三种排列图； 

图中：a为六角形排列；b为圆形排列；c为矩形排列 

图4为单个闪烁体单元多能量检测器件示意图； 

图中：a为单个闪烁体单元与光纤耦合侧视图；b为图a剖视图；c为图a立体图； 

图5为多层阵列的闪烁体单元多能量检测器件示意图； 

图中：a为多能量光纤后出线面阵多能量检测器件侧视图；b为多能量光纤后出线面阵多能量检测部件立体图；c为多能量光纤侧出线面阵多能量检测部件立体图；d为多能量光纤后出线空间曲面多能量检测部件立体图；e为多能量光纤侧出线面阵多能量检测部件立体图； 

图6为信号转换接收装置示意图； 

图中：a为未加光信号增强装置；b为加光信号增强装置； 

图7为多能量二维分布排列示意图； 

图8为实施例测试工件示意图； 

图中：盲孔A～F的深度依次递增； 

图9为测试工件检测效果示意图，其中：a为面阵探测器或者单能线阵加上扫描运动检测效果示意图；b为双能线阵探测器加上扫描运动检测效果示意图；c为本发明探测器检测效果示意图； 

图10为实施例射线强度示意图； 

图中：1第一闪烁体单元阵列、2闪烁体单元引出光纤、3第N-1射线过滤装置、4第N-1闪烁体单元阵列、5第N射线过滤装置、6第N闪烁体单元阵列、7闪烁体单元引出光纤、8光纤整理装置、9光路聚集装置、10避光外壳、11信号转换接收装置、12光信号增强装置、13光纤外避光粘合层、14光纤、15闪烁晶体外避光粘合层、16闪烁晶体单元。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例1 

如图4和图5所示，本实施例包括：若干个闪烁晶体单元组成的阵列以及与每个闪烁晶体单元通过光纤14将光信号集成到光纤整理装置8，然后光信号通过光路聚集装置9以及光信号增强装置12，直至最终光信号到达信号转换接收装置11并被转换为电信号。 

所述的阵列根据不同的应用场合可选择如图2所示的一维线阵、二维或者如图5d或图5e所示的多维面阵以及三维曲面面阵。 

所述的闪烁晶体单元阵列1、4、6中的晶体采用但不限于GOS(闪烁晶体硅酸钆)、CsI(碘化铯)、CWO(钨酸镉)、BGO(锗酸铋)等。 

所述的射线过滤装置3、5为不同材料的板型结构，用于过滤不同能量射线。 

如图4a和图4b所示，为单个闪烁体单元与光纤的连接示意图，所述的光纤14设置于闪烁晶体单元14的一侧并通过闪烁晶体外避光粘合层13实现耦合。 

如图4c所示，为单个探测器多能量的数据接收部分示意图，该将闪烁体和光纤进行有效集成，闪烁体单元可以尺寸很小，每一个闪烁体单元引出一根光纤，闪烁体的其余面用特氟龙等避光材料进行涂覆，图中，射线入射方向为左方，第一闪烁体单元阵列1和第N-1射线过滤装置3之间可以有同样的若干层屏蔽光纤为柔性材料，可以弯曲，光纤的另外一端按照一定的顺序排列，输出至到光电转换装置中，电信号输出至电脑后经过软件提取、分析，还原成多能量的数据。 

在本实施例中探测器的厚度可以控制到很小的范围之内(光纤侧向输出，如图5c)。而且解决了以前厚度方向上最多只有两组探测接收装置的问题。 

如图5b和图5d所示，若干个这样的探测器可以排布成一个面阵，前端面形状可以是平面也可以是曲面。其输出光纤柔性弯曲排列之后，按照一定顺序编号，端面排布如图3a所示， 

当探测器阵列的大小是i行，j列，k深的三维体矩阵，每个矩阵模块会引出一根光纤，共i*j*k根光纤，按照顺序端面对齐排列成为二维面阵，图3a中示出的即为二维面阵的编号规则，三位数字，第一位表示行，第二位表示列，第三位表示深度。 

如图5e所示，为多个闪烁晶体单元组成的阵列组成的检测系统，这样的系统可以用于将对象进行多能量分离检测，其优势在于能同时显示物体在多个能量下的检测结果。 

如图6a和图6b所示，所述的闪烁晶体单元阵列1、4、6的末端设有用于将闪烁体单元引出光纤7整理汇拢为多维阵列的光纤整理装置8，该光纤整理装置8正对设置于避光外壳10内的光路聚集装置9，经聚集后通过光信号增强装置12进行光信号增强或直接由信号转换接收装置11实现光信号转化为电信号。 

本实施例上述装置通过以下方式实现检测： 

步骤1、所述的晶体面正对放射源(如X光球管)放置，待测样件放置在放射源和本装置中间，放射源出束，射线穿过被检测物品。穿透物品后的射线被本装置接收处理，信号输出至计算机运算后显示在屏幕上。 

由于放射源发出的射线是全谱能量的射线，穿透物体后的射线也是全谱能量的射线，当入射放射源是100KV的球管，其穿透物体之前和穿透物体之后的能量谱如图10所示。 

步骤2、穿透物体后的射线经过准直和初步过滤，滤除极低部分射线(如<20Kev能量)后射入闪烁晶体单元阵列1，部分低能射线(如<30Kev能量)被闪烁晶体吸收并转换为可见光，此可见光经由与晶体耦合的光纤2中全反射到光纤的输出端；剩余部分的射线经过射线过滤装置滤除残余的低能部分(如<30Kev能量)，并射入到下一层闪烁晶体单元阵列4，射束中的低能射线被闪烁晶体吸收并转换为可见光，经由与此晶体耦合的光纤中全反射到光纤的输出端；经过若干层分离，剩余部分的射线经过射线过滤装置3滤除残余的低能部分(如<80Kev能量)，并射入到下一层闪烁晶体单元阵列4，射束中的低能射线(如<90Kev能量)被闪烁晶体吸收并转换为可见光，经由与此晶体耦合的光纤中全反射到光纤的输出端；剩余部分的射线经过射线过滤装置5滤除相应的低能部分(如<90Kev能量)，并射入到下一层闪烁晶体单元阵列6，射束被闪烁晶体吸收并转换为可见光，经由与此晶体耦合的光纤中全反射到光纤的输出端。 

步骤3、将穿透物体的射线按照若干个不同能量级别，分别导出为可见光并由若干个光纤14经由光纤整理装置8按照其空间阵列顺序排列，如图3所示，在光纤输出端形成一幅二维的光斑图像。 

步骤4、光路聚集装置9将二维的光斑图像进行缩放到适合光信号增强装置的口径大小，再经由光信号增强装置12进行光学影像放大增强，此二维光影像经由信号转换接收装置11(如CCD)转换为数字化图像输出至计算机中处理。 

步骤5、计算机将该数字化图像的各个部分进行分离，分离好以后的各个点的图像灰度信息与光纤整理装置8中的端面光斑图像光强度以及光纤位置有一定比例的对应关系；将各个光纤信息分离，再根据光纤位置顺序将该灰度信息进行重新排布重组，形成如图7所示的被检测物体的若干个不同能量级别的二维分布排列示意图。 

由于不同材料和厚度的物体对不同能量射线的阻挡能力有差别，所以将被测物体的信息分为若干个不同能量级别分布以后，我们将这些被检测图像进行相应的数字处理，可以得到被测物体更多的细节信息，设备可以通过预设规则进行自动化报警，所示结果也可以辅助分析人员做更精细的判断。 

如图8所示，为标准的射线类产品质量检测样件，即一定厚度且带有若干小圆盲孔A～F，的圆盘，所述的盲孔的深度依次加深。 

如图9a所示，在现有的单能扫描设备中，只能显示出偏向高能或者低能的测试图像，即一个或两个孔形；如图9b所示，在现有的双能扫描设备中，只能显示出偏高能和低能的测试图像，即四个孔形；本实施例如图9c所示，能够同时显示多个能量谱段图像，可以显示全部的孔形。 

与现有技术相比，本实施例能够同时显示被检测物体在多个能量谱段的图像，进行图像融合或者叠加以后，能够展示出更多的被测对象细节，设备可以通过预设规则进行自动化报警，所示结果也可以辅助分析人员做更精细的判断。 

Claims (10)

1.一种三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征在于，包括：若干个闪烁晶体单元组成的多层闪烁晶体单元阵列、设置于闪烁晶体单元阵列之间的射线过滤装置以及用于将闪烁晶体单元接收的光信号转换为电信号的信号转换接收装置，其中：每个闪烁体单元通过光纤依次连接光纤整理装置以及光路聚集装置，直至信号转换接收装置将光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的闪烁晶体单元阵列为：一个或多个多维平面或曲面阵的组合。

3.根据权利要求1所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的闪烁晶体单元阵列中的晶体采用GOS(闪烁晶体硅酸钆)、CsI(碘化铯)、CWO(钨酸镉)或BGO(锗酸铋)。

4.根据权利要求1所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的设置于阵列之间的射线过滤装置为不同材料的板型结构，用于过滤不同能量射线。

5.根据权利要求1所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的光纤的一端设置于闪烁晶体单元的一侧。

6.根据权利要求5所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的光纤通过设置于闪烁晶体单元外的避光粘合层实现耦合。

7.根据上述任一权利要求所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的闪烁晶体单元阵列中的各个闪烁晶体单元依次编号。

8.根据权利要求7所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的编号是指：当闪烁晶体单元阵列为i*j*k的三维体矩阵对应的i*j*k根光纤，则采用三位数字分别表示行、列和层。

9.根据权利要求1所述的三维空间曲面多能量闪烁探测器，其特征是，所述的光纤整理装置正对设置于避光外壳内的光路聚集装置，且避光外壳内设有光信号增强装置对光信号进行增强。

10.一种根据上述任一权利要求所述三维空间曲面多能量闪烁探测器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将所述的晶体面正对放射源放置，待测样件放置在放射源和所述多能量闪烁探测器中间，放射源出束，射线穿过被检测物品；穿透物品后的射线被所述多能量闪烁探测器接收处理；

步骤2、穿透物体后的射线经过准直和初步过滤，由闪烁晶体单元阵列中的闪烁晶体吸收并转换为可见光并经由与晶体耦合的光纤中全反射到光纤的输出端，剩余射线经过射线过滤装置射入到下一层闪烁晶体单元阵列，由此循环至所有闪烁晶体单元阵列均吸收对应能级的可见光；

步骤3、穿透物体的射线按照若干个不同能量级别，分别经闪烁晶体单元阵列中的闪烁晶体吸收并转换为可见光，并由与闪烁晶体一一对应的光纤将光导出，光纤经由光纤整理装置按照其空间阵列顺序重新排列成二维面阵，并且光纤输出端面为一平面，在光纤输出端形成一幅二维的光斑图像；

步骤4、光路聚集装置将二维光斑图像缩放至适合光信号增强装置的口径，再经由光信号增强装置进行光学影像放大增强，此二维光影像经由信号转换接收装置转换为数字化图像输出至计算机；

步骤5、计算机将该数字化图像的各个部分进行分离，分离好以后的各个点的图像灰度信息与光纤整理装置中的端面光斑图像光强度以及光纤位置一一对应；将各个光纤信息分离，再根据光纤位置顺序将该灰度信息进行重新排布重组，形成若干个不同能量级别的二维分布排列示意图。