CN108663706A - 射线探测器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种射线探测器，涉及射线探测技术领域，该射线探测器，包括至少一功能层组；每一功能层组包括：闪烁窗层，用于基于粒子在闪烁窗层中运动产生闪烁光；光阴极，叠设于闪烁窗层出光面，用于接收闪烁光并在闪烁光的激发下产生光电子；电子倍增器，叠设于光阴极并与光阴极耦合，用于接收光电子并产生增殖光电子；以及读出电路，叠设于电子倍增器并与电子倍增器耦合，用于收集增殖光电子，并读出基于增殖光电子产生的电信号。本公开所提供的射线探测器，提高了现有技术中闪烁光的光电转换效率，从而提高了时间测量及能量测量精度。

Description

射线探测器

技术领域

本公开涉及射线探测技术领域，具体而言，涉及一种射线探测器。

背景技术

探测粒子并提取其基本性质是人类深入微观世界的一种主要途径与手段，通过对粒子的探测识别可以获得粒子的强度、能量、位置、方向等信息。

闪烁探测器是一种常用的射线探测器，在很多领域都有着广泛的应用，由于对伽玛射线的高探测器效率，闪烁探测器常常作为首选，比如正电子断层成像探测器PET(Positron Emission Tomography)。近年来，PET技术发展非常迅速，传统的PET正在逐渐被具有飞行时间功能的探测器TOF-PET(Time of Flight-Positron Emission Tomography)取代。TOF-PET的时间分辨越好，则系统信噪比越高，病人需要注射的放射性药物量越少，扫描时间也更短。

而对于一个闪烁探测器来说，影响时间分辨的主要因素除了闪烁体本身的发光特性以外，还包括闪烁光转化成光电子的效率以及电子倍增器件的时间特性。因此，在已经选定了闪烁体的情况下，要想使TOF-PET在时间性能上有所突破，可以通过提高闪烁光的光电转换效率以及使用时间特性更好的电子倍增器件来实现。

因此，有必要研究一种射线探测器，提高闪烁光转化成光电子的效率，并且使用响应更快的光探测器件，从而使得TOF-PET的时间性能得到突破。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种射线探测器，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种射线探测器，包括至少一功能层组；每一所述功能层组包括：

闪烁窗层，用于基于粒子在所述闪烁窗层中运动产生闪烁光；

光阴极，叠设于所述闪烁窗层出光面，用于接收所述闪烁光并在所述闪烁光的激发下产生光电子；

电子倍增器，叠设于所述光阴极并与所述光阴极耦合，用于接收所述光电子并产生增殖光电子；以及，

读出电路，叠设于所述电子倍增器并与所述电子倍增器耦合，用于收集所述增殖光电子，并读出基于所述增殖光电子产生的电信号。

在本公开的一种示例性实施例中，所述闪烁窗层包括闪烁体材料。

在本公开的一种示例性实施例中，所述闪烁体材料包括无机晶体、有机晶体以及塑料闪烁体中的一种或者多种。

在本公开的一种示例性实施例中，所述闪烁窗层包括切伦科夫转换体。

在本公开的一种示例性实施例中，所述粒子包括电子、质子、离子、光子以及中子中的一种或者多种。

在本公开的一种示例性实施例中，所述光阴极覆盖在所述闪烁窗层的出光面的全部表面，所述闪烁窗层除所述出光面的所有表面覆盖有反光材料。

在本公开的一种示例性实施例中，所述光阴极等同厚度的蒸镀在所述闪烁窗层出光面。

在本公开的一种示例性实施例中，所述电子倍增器包括微通道板。在本公开的一种示例性实施例中，所述射线探测器包括多个所述功能层组，多个所述功能层组层叠设置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述射线探测器还包括：

粒子径迹还原模块，用于基于各所述功能层组输出的所述电信号计算出产生所述粒子的多个运动位置，并根据所述多个运动位置拟合出粒子径迹。

本公开提供的一种射线探测器，提供至少一功能层组；每一功能层组包括：粒子在其中运动产生闪烁光的闪烁窗层，接收闪烁光并在闪烁光的激发下产生光电子的光阴极，接收光电子并产生增殖光电子的电子倍增器，收集增殖光电子并读出基于增殖光电子产生的电信号的读出电路。

在本公开中，一方面使用闪烁体材料作为窗材料不需要在外面耦合闪烁体，直接通过窗材料将伽玛射线或其他射线转换成闪烁光，闪烁光直接在闪烁窗材料内产生，入射到镀在闪烁窗上的光阴极材料上即可转换为光电子，这样做的好处是避免了传统方式中的反射损失和界面损失，进而大大提高闪烁光转换成光电子的比例；另一方面采用多层功能层组结构的射线探测器还可以获得射线的作用深度信息，提高重建图像质量，此外本公开在高能物理领域还能用于直接还原带电粒子径迹。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出一种具有一功能层组的射线探测器的结构示意图。

图2示意性示出一种具有多个功能层组的射线探测器的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

相关技术中采用的TOF-PET的系统符合时间分辨最好能做到320ps左右，而两根3mm×3mm×20mm硅酸镥晶体LSO闪烁体的符合时间分辨最好能做到大约150ps。在选定了闪烁体材料的情况下，要想再改进时间分辨，可以从如下方面入手：1、提高闪烁光转化为光电子的比例；2、选用时间性能更好的光探测器件。对于第1点，通常的设置都是采用闪烁体与光探测器件通过硅脂或胶水耦合的方式，由于闪烁体、胶水、光探测器件接收面之间的折射率差异，导致有一部分闪烁光在耦合界面处反射回闪烁体内，并且在多次反射后损失掉，所以真正转化为光电子的比例有限；对于第2点，目前使用的微通道板MCP(MicrochannelPlate)光电倍增管PMT(Photomultiplier Tube)的时间性能要显著好于常规的光电倍增管PMT或硅光电倍增管SiPM(Silicon Photomultiplier)，所以使用MCP有希望进一步改进时间分辨。

基于以上两点改进时间分辨的考虑，一方面本公开提供的示例性实施例中可以将光探测器件的入射玻璃窗换成闪烁体材料，然后在出光面镀上光阴极材料，则可以避免耦合界面上的光反射造成的光损失，从而提高闪烁光转化为光电子的比例，从而进一步改进时间分辨，同时还可以改进能量分辨。另一方面本公开提供的示例性实施例中还可以采用微通道板-光电倍增管MCP-PMT(Microchannel Plate-Photomultiplier Tube)，并将上述的MCP-PMT的入射玻璃窗材料同时换成闪烁体材料，光阴极材料则可直接镀在闪烁窗的出光面，且在另外的示例性实施例中还可以采用多层叠加的设计。下面，将对本示例实施方式中的射线探测器进行详细的说明。

本示例实施方式中首先提供了一种射线探测器，参照图1所示，该射线探测器，包括至少一功能层组；每一功能层组可以包括：闪烁窗层10、光阴极20、电子倍增器30以及读出电路40。其中闪烁窗层10可以用于基于粒子在闪烁窗层10中运动产生闪烁光；光阴极20叠设于闪烁窗层10出光面，可以用于接收闪烁光并在闪烁光的激发下产生光电子；电子倍增器30，叠设于光阴极20并与光阴极20耦合，可以用于接收光电子并产生增殖光电子以及读出电路40，叠设于电子倍增器30并与电子倍增器30耦合，可以用于收集增殖光电子，并读出基于增殖光电子产生的电信号。

根据本示例实施例中提供的射线探测器，一方面使用闪烁体材料作为窗材料不需要在外面耦合闪烁体，直接通过窗材料将伽玛射线或其他射线转换成闪烁光，闪烁光直接在闪烁窗材料内产生，入射到镀在闪烁窗上的光阴极材料上即可转换为光电子，这样做的好处是避免了传统方式中的反射损失和界面损失，进而大大提高闪烁光转换成光电子的比例；另一方面采用多层功能层组结构的射线探测器(图2)还可以获得射线的作用深度信息，提高重建图像质量，此外本公开在高能物理领域还能用于直接还原带电粒子径迹。

进一步的，在本示例性实施例中，提供一种射线探测器，可以包括一个或多个功能层组，现将详细描述一功能层组的结构以及特点。

闪烁窗层10，可以用于基于粒子在闪烁窗层10中运动产生闪烁光。在本示例性实施例中，粒子为能在闪烁体中运动产生闪烁光的带电粒子或中性粒子，例如，电子、质子、离子、光子、中子等。这种由上述粒子产生的射线可以有α射线、β射线、γ射线和中子射线等。

具体而言，闪烁窗层10为区别于现有技术中的光电倍增管PMT窗，现有技术中的窗材料是普通的光学玻璃，作用是让外界闪烁体产生的闪烁光能够顺利进入，这种传统的外置闪烁体耦合的方式，闪烁光在闪烁体内的反射损失以及在耦合界面上的损失会占相当一部分比例。在本示例性实施例中，闪烁窗层10的窗材料可以采用闪烁体材料，这样不需要在外面耦合闪烁体，直接通过窗材料将伽玛射线或其他射线转换成闪烁光，闪烁光直接在闪烁窗材料内产生，入射到镀在闪烁窗上的光阴极材料上即可转换为光电子。这样做的好处是避免了传统方式中的反射损失和界面损失，进而大大提高闪烁光转换成光电子的比例。

闪烁体为一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，其材料可以包括无机晶体(如LSO、LYSO、NaI(Tl)、BGO、CsI等)、有机晶体(蒽、萘等)以及塑料闪烁体中的一种或者多种。在本公开的一种示例实施例中，闪烁体的形状可以为薄层状，考虑到探测效果若材料厚度增加会导致符合时间分辨变差；另外，较薄的闪烁窗层可以不需要像传统的闪烁体那样切割成阵列，使用一整块就有较好的位置分辨能力，当然也可以根据具体的应用场景确定闪烁体的形状。

通过软件模拟可知，采用这种设计，闪烁光转化为光电子的效率可提高35％以上，而对511keV伽玛射线的符合时间分辨则可达到100ps以下，可以提升TOF-PET的性能极限。

另外，在实际应用中，采用不同的窗材料还可以做出不同用途的探测器。举例而言，由于切伦科夫光拥有极快的时间响应，与微通道板MCP结合能得到很好的时间分辨，因此采用切伦科夫转化材料可以做出切伦科夫探测器；在另外的示例性实施例中还可以采用有效原子序数适中的闪烁材料做成康普顿相机等。

光阴极20，叠设于闪烁窗层10的出光面，可以用于接收闪烁光并在闪烁光的激发下产生光电子。具体而言，光阴极20为光电转换材料制成的沉积在特定基板上的极薄的膜，光阴极20接收到来自闪烁窗层10发出的闪烁光，即闪烁光子，闪烁光子射到光阴极20上时，一部分光子被转换为光电子。进一步地，光阴极20可以与闪烁窗层10的出光面的面积相匹配，可以尽量采用大面积或全部覆盖在闪烁窗层10的出光面，同时为了获得较高的光电转换效率，光阴极20可以等同厚度的蒸镀在闪烁窗层10的出光面，且闪烁窗层10除覆盖有光阴极的出光面的其他所有表面可覆盖有反光材料，在其他的实施例中，光阴极也可以采用涂镀等方式，本示例性实施例对此不做特殊限定。

电子倍增器30，叠设于光阴极20并与光阴极耦合，可以用于接收光电子并产生增殖光电子。具体而言，为了能够接收光阴极产生的光电子进而产生增殖电子而设置的电子倍增器30，在本示例性实施例中上述电子倍增器30可以采用微通道板或小型打拿极等，或者其他类型的体积和厚度较小的电子倍增器。举例而言，通过使用微通道板，相比使用打拿极或其他电子倍增器而言，可以实现超快时间性能和更强的位置分辨能力。

读出电路40，叠设于电子倍增器30并与电子倍增器30耦合，可以用于收集增殖光电子，并读出基于增殖光电子产生的电信号。

在本示例性实施例中，光电子经由电子倍增器30倍增后输出的增殖光电子即为电信号，电信号可以由读出电路40读出。

在本示例性实施例中，本公开还提供了一种包括多个功能层组叠加设置的射线探测器。

进一步的，本发明中提供的包括多个功能层组叠加的射线探测器，参照图2所示，是基于如下考虑：由于在上述实施例中提供的微通道板MCP是空心结构，而读出电路基底主要是有机塑料材质，因此微通道板MCP和读出电路对伽玛射线的阻挡很小，可以忽略不计，伽玛射线能量主要沉积在闪烁体内，因此可以使用多层功能层组叠加，从而达到对伽玛射线的较高的探测效率。

另外，本示例性实施例中提供的粒子径迹还原模块，可以用于基于各功能层组输出的电信号计算出产生粒子的多个运动位置，并根据粒子的多个运动位置拟合出粒子径迹。

粒子径迹还原模块可以基于各功能层组读出电路40输出的电信号计算出每个功能层组中产生粒子的运动位置，并综合各功能层组的粒子的运动位置，拟合出粒子径迹。本示例性实施例中提供的包括多个功能层组的射线探测器，可以得到伽玛射线的作用深度信息，可以解决传统PET中的图像深度效应DOI(Depth of Interaction)，提高重建图像质量。此外，在本公开的其他实施例中，如果探测较低能量的伽玛射线，可以使用包括单个功能层组的射线探测器。

在另一示例性实施例中，闪烁窗层10、光阴极20、电子倍增器30以及读出电路40的尺寸和位置关系可以根据粒子收集方式、粒子径迹深度、闪烁窗层10、光阴极20以及电子倍增器30成最佳的物象关系进行设计。由于深度效应，所以严格的物象关系无法完全成立，因此也可以根据实际探测位置参考物象关系进行设计。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (10)

1.一种射线探测器，其特征在于，包括至少一功能层组；每一所述功能层组包括：

闪烁窗层，用于基于粒子在所述闪烁窗层中运动产生闪烁光；

光阴极，叠设于所述闪烁窗层出光面，用于接收所述闪烁光并在所述闪烁光的激发下产生光电子；

电子倍增器，叠设于所述光阴极并与所述光阴极耦合，用于接收所述光电子并产生增殖光电子；以及，

读出电路，叠设于所述电子倍增器并与所述电子倍增器耦合，用于收集所述增殖光电子，并读出基于所述增殖光电子产生的电信号。

2.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述闪烁窗层包括闪烁体材料。

3.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述闪烁体材料包括无机晶体、有机晶体以及塑料闪烁体中的一种或者多种。

4.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述闪烁窗层包括切伦科夫转换体。

5.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述粒子包括电子、质子、离子、光子以及中子中的一种或者多种。

6.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述光阴极覆盖在所述闪烁窗层的出光面的全部表面，所述闪烁窗层除所述出光面的所有表面覆盖有反光材料。

7.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述光阴极等同厚度的蒸镀在所述闪烁窗层出光面。

8.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述电子倍增器包括微通道板。

9.根据权利要求1所述的射线探测器，其特征在于，所述射线探测器包括多个所述功能层组，多个所述功能层组层叠设置。

10.根据权利要求9所述的射线探测器，其特征在于，所述射线探测器还包括：

粒子径迹还原模块，用于基于各所述功能层组输出的所述电信号计算出产生所述粒子的多个运动位置，并根据所述多个运动位置拟合出粒子径迹。