CN109407139A - 组合闪烁晶体及包括组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种组合闪烁晶体及包括组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统。该组合闪烁晶体可以包括第一闪烁晶体和第二闪烁晶体，所述第二闪烁晶体设置于所述第一闪烁晶体的外部并包裹所述第一闪烁晶体，并且所述第二闪烁晶体上开设有供射线穿过其入射到所述第一闪烁晶体上的开孔，其中，所述第一闪烁晶体的光输出量大于所述第二闪烁晶体的光输出量。通过利用本申请实施例提供的组合闪烁晶体及包括该组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统，可以使所测得的能量响应曲线更加平坦，这可以减小吸收剂量率的测量偏差。
Description
技术领域
本申请涉及辐射探测领域，特别涉及一种组合闪烁晶体及包括组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统。
背景技术
本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
闪烁晶体探测器可以包括闪烁晶体和光电转换器，其为核物理研究、辐射测量、核医学成像设备研究提供了器件支持。对于X、γ等射线的测量，闪烁晶体探测器相较于GM管和半导体探测器在灵敏度方面具有显著的优势。然而，由于闪烁晶体对于不同能量的射线的探测效果不同，所以对于注入有同样剂量率的研究对象，其探测效率不同，输出不同数量的闪烁脉冲，这会使闪烁晶体探测器所测得的能量响应曲线不平坦，从而使得吸收剂量率(即，单位质量的物质受辐射后在单位时间内吸收辐射的能量)的测量结果偏差较大。
目前，现有技术中主要通过以下两种方案来解决能量响应曲线不平坦的问题：
(1)使用铅、铜等射线阻挡材料构成的金属阻挡层来包裹闪烁晶体，使得在探测时可以阻挡部分低能量射线，降低对低能量射线的探测效率，从而使能量响应曲线变得平坦；
(2)采用电子学补偿的方法，该方法主要是在后端使用多路比较器或模拟数字转换器(ADC)将所测得的射线能量划分为多个能量段，然后对每一个能量段进行权重计算，从而使所得到的能量响应曲线整体变得平坦。
在实现本申请过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
(1)对于使用金属阻挡层的方法，一方面，包裹的射线阻挡材料会降低闪烁晶体探测器的灵敏度，从而导致性能降低；另一方面，包裹射线阻挡材料会占用一定的体积，这会增大闪烁晶体探测器的体积。
(2)对于采用电子学补偿的方法，由于在低能量段(130keV以下)闪烁晶体的能量响应变化比较剧烈，在高能量段闪烁晶体的能量响应趋于平稳，要实现对能量响应曲线的校正，需要划分较多的能量段，这对于后端电路的设计提出了较高的需求。例如，对于使用多路比较器的方式，随着能量段数量的增加，所使用的比较器的数量会成倍的增加，这不仅会增大电路尺寸和功耗，也会使所占用的后端处理器的资源增加；对于使用ADC的方式，其由于ADC的采样率较低而导致其计数率受限，这会影响闪烁晶体探测器的性能，并且成本较高。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种组合闪烁晶体以及包括该组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统，以解决现有技术中存在的至少一种问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种组合闪烁晶体，所述组合闪烁晶体可以包括第一闪烁晶体和第二闪烁晶体，所述第二闪烁晶体设置于所述第一闪烁晶体的外部并包裹所述第一闪烁晶体，并且所述第二闪烁晶体上开设有供射线穿过其入射到所述第一闪烁晶体上的开孔，其中，所述第一闪烁晶体的光输出量大于所述第二闪烁晶体的光输出量。
优选地，所述第二闪烁晶体包括与外部的光电转换器耦合的第一对接面、与所述第一对接面相对的第二对接面、以及连接所述第一对接面和所述第二对接面的射线接收面，所述开孔位于所述第二闪烁晶体中的射线接收面与所述第一闪烁晶体中的对应射线接收面之间，并且所述开孔的开口方向与所述射线的入射方向平行。
优选地，在所述第二闪烁晶体上开设的所有所述开孔当中至少有一个开孔的深度至少为所述第二闪烁晶体中的所述开孔所在的射线接收面与所述第一闪烁晶体中的对应射线接收面之间的距离的一半。
优选地，所述第二闪烁晶体的每个射线接收面上的所有所述开孔的深度等于所述开孔所在的射线接收面与所述第一闪烁晶体中的对应射线接收面之间的距离。
优选地，所述第二闪烁晶体上的多个所述开孔的直径和/或深度彼此不同。
优选地，开口方向相同且相邻的各个所述开孔之间的间隔相同。
优选地，各个所述开孔之间的所述间隔与所述开孔的直径相同。
优选地，所述开孔的直径为其中，N表示所述开孔的个数，其为正整数，L2为所述第二闪烁晶体的射线接收面的长度。
优选地，所述开孔的形状包括方形、圆形、菱形、三角形和扇形中的至少一种。
优选地，所述开孔的总面积与所述第二闪烁晶体的总面积之间的比率v通过以下公式来确定：
S(E)＝S1(E)*v+(S12(E)+S2(E))*(1-v))；
其中，S(·)表示所述组合闪烁晶体的能量响应，S1(E)和S2(E)分别表示所述第二闪烁晶体上开设有所述开孔时所述第一闪烁晶体和所述第二闪烁晶体的灵敏度，S12(E)表示所述第二闪烁晶体上未开设所述开孔时所述第一闪烁晶体的灵敏度，E表示射线的能量，E0为预设能量阈值，K为15％～30％之间的常数。
优选地，所述第一闪烁晶体的材料包括锗酸铋、钨酸铅、钨酸铬或硅酸钆，所述第二闪烁晶体的材料包括碘化钠、碘化铯、硅酸钇或硅酸镥。
优选地，所述第一闪烁晶体和所述第二闪烁晶体的形状包括立方体、长方体、圆柱、球体、棱柱、圆台或扇形体。
本申请实施例还提供了一种辐射探测装置，其包括相互连接的光电转换器、信号处理组件以及上述组合闪烁晶体，其中，所述组合闪烁晶体中的所述第二闪烁晶体与所述光电转换器耦合。
优选地，所述信号处理组件包括依次设置的放大电路、比较器、计数器和微控制器，其中，所述放大电路与所述比较器的一个输入端和所述光电转换器连接，所述微控制器还与所述比较器的另一个输入端连接。
本申请实施例还提供了一种辐射探测系统，其包括外壳、显示器以及上述辐射探测装置，其中，所述辐射探测装置与所述显示器连接，并且被所述外壳包覆在内。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例通过利用第二闪烁晶体将第一闪烁晶体包裹在内，并且在第二闪烁晶体上开设开孔，并且第二闪烁晶体的光输出量小于第一闪烁晶体的光输出量，这可以使得第一闪烁晶体不仅可以探测穿过第二闪烁晶体的高能量射线，也可以探测从开孔射入的射线，而第二闪烁晶体可以阻挡部分低能量射线，而仅探测高能量射线，从而使得所测得的能量响应曲线变得平坦，进而可以减小吸收剂量率的测量偏差。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种组合闪烁晶体的三维结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种组合闪烁晶体的二维结构示意图；
图3是本申请实施例提供的另一种组合闪烁晶体的二维结构示意图；
图4是第二闪烁晶体上开孔和未开孔时所测得的能量响应曲线对比图；
图5是本申请实施例提供的一种辐射探测装置的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的一种辐射探测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本申请的范围或权利要求书。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/耦合”至另一个元件，它可以是直接连接/耦合至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接/耦合”可以包括电气和/或机械物理连接/耦合。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，否则“多个”是指两个或两个以上。
下面结合附图对本申请实施例所提供的组合闪烁晶体及包括该组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统进行详细说明。
如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种组合闪烁晶体100，其可以包括第一闪烁晶体110和第二闪烁晶体120，其中，第二闪烁晶体120可以设置于第一闪烁晶体110的外部并将第一闪烁晶体110包裹在内，并且第二闪烁晶体120上可以开设有供射线穿过其入射到第一闪烁晶体110上的开孔130，该射线可以是从射源或注射有核素的目标样品射出的。
第一闪烁晶体110可以用于探测通过第二闪烁晶体120上的开孔130射入的射线以及经过第二闪烁晶体120阻挡后剩下的高能量射线，其可以是连续的闪烁晶体，或者可以由被切割的多个闪烁晶体条或闪烁晶体块组成。第一闪烁晶体110可以包括多个射线接收面，并且可以由锗酸铋(BGO)、钨酸铅(PbWO4)、钨酸铬(CdWO4)或硅酸钆(GSO)等材料组成，但不限于此。第一闪烁晶体110可以是立方体、长方体、圆柱、球体、棱柱、圆台或扇形体等形状，但不限于此。另外，第一闪烁晶体110的光输出量可以大于第二闪烁晶体120的光输出量，从而使得在后续处理时，针对电信号的同一个幅度阈值，可以过滤第二闪烁晶体120探测到的低能量射线，而仅处理其探测到的高能量射线。
第二闪烁晶体120可以用于探测高能量射线并阻挡一部分低能量射线入射到第一闪烁晶体110中。第二闪烁晶体120可以由碘化钠(NaI)、碘化铯(CsI)、硅酸钇(YSO)或硅酸镥(LSO)等材料组成，但不限于此。而且，第二闪烁晶体120可以是能够包裹第一闪烁晶体110的任何形状，例如，立方体、长方体、圆柱、球体、棱柱、圆台或扇形体等，但不限于此，其形状可以与第一闪烁晶体110相同，也可以不同。第二闪烁晶体120的厚度或高度可以大于第一闪烁晶体110的厚度或高度，其长度可以大于或等于第一闪烁晶体110的长度。第二闪烁晶体120的具体尺寸可以根据第一闪烁晶体110的尺寸和性能来确定。需要说明的是，第一闪烁晶体110和第二闪烁晶体120的长度可以是指沿着其所在方向设置开孔的边的长度。而且，对于第一闪烁晶体110和第二闪烁晶体120为球体、圆柱或圆台等形状时，其长度可以表示其直径。
第二闪烁晶体120可以包括与外部的光电转换器耦合的第一对接面、与第一对接面相对的第二对接面、以及连接第一对接面和第二对接面的一个或多个射线接收面(即，接收到射线的表面)，开孔130可以位于多个(例如，4个)射线接收面中的至少一个射线接收面与第一闪烁晶体110上的对应射线接收面之间，并且开孔130的开口方向与射线的入射方向平行，以便于提高所探测到的光量。需要说明的是，虽然附图中仅示出了第二闪烁晶体120中的两个相对的射线接收面上开设有开孔，但是其另外两个相对的射线接收面上也可以开设有开孔。
另外，第二闪烁晶体120上可以开设有多个开孔130，多个开孔130中至少有一个开孔130的深度可以至少为第二闪烁晶体120中的该开孔130所在的射线接收面与第一闪烁晶体110中的对应射线接收面之间的距离的一半。优选地，所有开孔130的深度均可以等于第二闪烁晶体120中的该开孔130所在的射线接收面与第一闪烁晶体110中的对应射线接收面之间的距离，如图1所示，例如，第二闪烁晶体120的射线接收面A1中的5个开孔130的深度都等于射线接收面A1与第一闪烁晶体的射线接收面A1’之间的距离，以便于通过开孔130射入的射线直接入射到第一闪烁晶体110上，从而使得第一闪烁晶体110可以探测全能量段(包括低能量段和高能量段)的射线。而且，各个开孔130的深度和/或直径可以相同，也可以不同，如图3所示。
此外，第二闪烁晶体120中的相对的射线接收面上的开孔130的轴线可以位于一条直线上，其可以与第二闪烁晶体120的宽度或高度平行。每个开孔130均可以是多边形(例如，方形、三角形、菱形等)、圆形或扇形等形状，但不限于此。每个开孔130的大小和形状可以相同，也可以不同，并且其可以与第一闪烁晶体110和第二闪烁晶体120的形状相同或不同。而且，开口方向相同且相邻的各个开孔130之间的间隔d也可以相同或不同。另外，相邻的各个开孔130之间的间隔可以与开孔130的直径相同或不同。每个开孔130的直径均可以在内，其中，N表示开孔130的个数，其为正整数，L2为第二闪烁晶体120的射线接收面的长度，优选地，每个开孔130的直径可以为或等。需要说明的是，对于开孔为方形、三角形、菱形等多边形形状时，其直径也可以表示与第二闪烁晶体120的射线接收面平行的边的长度。
另外，在确定第二闪烁晶体120的尺寸的情况下，可以根据预先确定的开孔130占第二闪烁晶体120的面积比(即，开孔130的总面积与第二闪烁晶体120的总面积之间的比率)来确定各个开孔的尺寸。针对各个开孔130的尺寸相同的情况，可以将所确定的所有开孔130的总面积除以开孔130的个数，即可确定出每个开孔130的尺寸；针对多个开孔130的尺寸不尽相同的情况，可以结合实际情况并根据预设的每个开孔130的面积占所有开孔130的总面积的下限阈值(例如，1/6)来确定出各个开孔130的面积。其中，开孔130占第二闪烁晶体120的面积比v可以通过以下公式来确定：
S(E)＝S1(E)*v+(S12(E)+S2(E))*(1-v)) (1)
其中，S(·)表示组合闪烁晶体的能量响应；S1(E)和S2(E)分别表示第二闪烁晶体120上开设有开孔130时第一闪烁晶体110和第二闪烁晶体120的灵敏度，S12(E)表示第二闪烁晶体120上未开设开孔130时第一闪烁晶体110的灵敏度，三者都可以是预先测量得到的，并且其单位为CPS/μGy/h；E表示射线的能量；E0为预设能量阈值，对于不同的射源，其可以取不同的数值，例如，对于137Cs射源，E0可以为662keV；K为15％～30％之间的常数，优选地为20％或30％。
通过上述描述可以看出，本申请实施例通过利用第二闪烁晶体将第一闪烁晶体包裹在内，并且在第二闪烁晶体上开设开孔，这可以使得第一闪烁晶体不仅可以探测穿过第二闪烁晶体的高能量射线，也可以探测从开孔射入的射线，而第二闪烁晶体可以阻挡部分低能量射线，这可以降低针对低能量射线的灵敏度，而仅探测高能量射线，这可以增加针对高能量射线的灵敏度，从而使得后续所测得的能量响应曲线变得平坦，如图4所示。在图4中，黑色曲线表示第二闪烁晶体未开孔时所测得的能量响应曲线，灰色曲线表示第二闪烁晶体开孔时所测得的能量响应曲线。根据图4可知，与第二闪烁晶体未开孔的情况相比，通过利用本申请所提供的组合闪烁晶体，可以使得所测得的能量响应曲线更加平坦，这可以减小吸收剂量率的测量偏差。另外，本申请实施例通过利用第二闪烁晶体替代传统的金属阻挡层，这可以避免灵敏度的降低，并且减小了体积。
本申请实施例还提供了一种辐射探测装置1000，如图5所示，其可以包括上述组合闪烁晶体100、光电转换器200和信号处理组件300。
其中，光电转换器200与组合闪烁晶体100耦合，并且可以用于将组合闪烁晶体100响应于所探测到的射线而产生的光信号转换为电信号。光电转换器200可以是硅光电倍增器(SiPM)、光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管(APD)等，并且其尺寸可以根据组合闪烁晶体100的尺寸来确定。
信号处理组件300可以用于对光电转换器200产生的电信号进行数字化处理。信号处理组件300可以包括相互连接的放大电路310、比较器320、计数器330和微控制器340。其中，放大电路310可以用于对光电转换器200产生的电信号进行放大整形；比较器320的一输入端(例如，正向输入端)可以与放大电路310的输出端连接，并且可以用于将放大电路310放大后的电信号的幅度(例如，电压)与预设幅度阈值进行对比并输出对比结果，具体地，当电信号的幅度大于或等于预设幅度阈值时，其可以输出1，当电信号的幅度小于预设幅度阈值时，其可以输出0，并且当比较器320的输出从1到0或从0到1时，其可以产生状态跳变；计数器330可以用于对比较器320产生状态跳变的次数进行计数；微控制器340可以与比较器320的另一输入端(例如，负向输入端)连接，以设置比较器320的参考电压(即，预设幅度阈值)，并且微控制器可以用于根据计数器的计数结果来计算得到组合闪烁晶体的能量响应(即，组合闪烁晶体针对不同能量的射线而产生的灵敏度变化)。
通过上述描述可以看出，在本申请实施例中仅需要一路比较器，而并不需要多路比较器或ADC电路，这可以降低辐射探测装置的复杂度和功耗，还可以降低成本。
本申请实施例还提供了一种辐射探测系统，如图6所示，其可以包括上述辐射探测装置1000，还可以包括外壳1100和显示器1200。其中，显示器1200可以与辐射探测装置1000连接，以显示其处理结果；外壳1100可以用于将辐射探测装置1000包覆在其内，从而避免其受到外界损害。
虽然本申请提供了如上述实施例或附图所述的组合闪烁晶体及包括该组合闪烁晶体的辐射探测装置和系统，但基于常规或者无需创造性的劳动在本申请提供的辐射探测装置和系统中可以包括更多或者更少的部件。
上述实施例阐明的系统、装置、组件、模块等，具体可以由芯片和/或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种部件分别描述。当然，在实施本申请时可以把各部件的功能在同一个或多个芯片和/或实体中实现。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本申请而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于上述实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种组合闪烁晶体，其特征在于，所述组合闪烁晶体包括第一闪烁晶体和第二闪烁晶体，所述第二闪烁晶体设置于所述第一闪烁晶体的外部并包裹所述第一闪烁晶体，并且所述第二闪烁晶体上开设有供射线穿过其入射到所述第一闪烁晶体上的开孔，其中，所述第一闪烁晶体的光输出量大于所述第二闪烁晶体的光输出量。
2.根据权利要求1所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述第二闪烁晶体包括与外部的光电转换器耦合的第一对接面、与所述第一对接面相对的第二对接面、以及连接所述第一对接面和所述第二对接面的射线接收面，所述开孔位于所述第二闪烁晶体中的射线接收面与所述第一闪烁晶体中的对应射线接收面之间，并且所述开孔的开口方向与所述射线的入射方向平行。
3.根据权利要求2所述的组合闪烁晶体，其特征在于，在所述第二闪烁晶体上开设的所有所述开孔当中至少有一个开孔的深度至少为所述第二闪烁晶体中的所述开孔所在的射线接收面与所述第一闪烁晶体中的对应射线接收面之间的距离的一半。
4.根据权利要求3所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述第二闪烁晶体的每个射线接收面上的所有所述开孔的深度等于所述开孔所在的射线接收面与所述第一闪烁晶体中的对应射线接收面之间的距离。
5.根据权利要求2或3所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述第二闪烁晶体上的多个所述开孔的直径和/或深度彼此不同。
6.根据权利要求1所述的组合闪烁晶体，其特征在于，开口方向相同且相邻的各个所述开孔之间的间隔相同。
7.根据权利要求6所述的组合闪烁晶体，其特征在于，各个所述开孔之间的所述间隔与所述开孔的直径相同。
8.根据权利要求2或7所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述开孔的直径为其中，N表示所述开孔的个数，其为正整数，L2为所述第二闪烁晶体的射线接收面的长度。
9.根据权利要求1所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述开孔的形状包括方形、圆形、菱形、三角形和扇形中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述开孔的总面积与所述第二闪烁晶体的总面积之间的比率v通过以下公式来确定：
S(E)＝S1(E)*v+(S12(E)+S2(E))*(1-v))；
其中，S(·)表示所述组合闪烁晶体的能量响应，S1(E)和S2(E)分别表示所述第二闪烁晶体上开设有所述开孔时所述第一闪烁晶体和所述第二闪烁晶体的灵敏度，S12(E)表示所述第二闪烁晶体上未开设所述开孔时所述第一闪烁晶体的灵敏度，E表示射线的能量，E0为预设能量阈值，K为15％～30％之间的常数。
11.根据权利要求1所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述第一闪烁晶体的材料包括锗酸铋、钨酸铅、钨酸铬或硅酸钆，所述第二闪烁晶体的材料包括碘化钠、碘化铯、硅酸钇或硅酸镥。
12.根据权利要求1所述的组合闪烁晶体，其特征在于，所述第一闪烁晶体和所述第二闪烁晶体的形状包括立方体、长方体、圆柱、球体、棱柱、圆台或扇形体。
13.一种辐射探测装置，其包括相互连接的光电转换器和信号处理组件，其特征在于，所述辐射探测装置还包括权利要求1至12任一项所述的组合闪烁晶体，其中，所述组合闪烁晶体中的所述第二闪烁晶体与所述光电转换器耦合。
14.根据权利要求13所述的辐射探测装置，其特征在于，所述信号处理组件包括依次设置的放大电路、比较器、计数器和微控制器，其中，所述放大电路与所述比较器的一个输入端和所述光电转换器连接，所述微控制器还与所述比较器的另一个输入端连接。
15.一种辐射探测系统，其包括外壳及显示器，其特征在于，所述辐射探测系统还包括权利要求13或14所述的辐射探测装置，其中，所述辐射探测装置与所述显示器连接，并且被所述外壳包覆在内。
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