CN112098441A - 用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，沿入射方向自上而下包括第一闪烁体层、第一光电二极管阵列层、第二闪烁体层、第二光电二极管阵列层、第三闪烁体层及第三光电二极管阵列层，X射线入射至第一闪烁体层并依次经过第二闪烁体层及第三闪烁体层，不同能量的X射线被对应的闪烁体层吸收并转换为可见光；其中，第一闪烁体层的厚度＜第二闪烁体层的厚度＜第三闪烁体层的厚度；第一闪烁体层的密度＜第二闪烁体层的密度＜第三闪烁体层的密度；第一闪烁体层的衰减长度＞第二闪烁体层的衰减长度＞第三闪烁体层的衰减长度。本发明可以精细、精准地区分物质属性，尤其适用于辨别区分较厚以及有效原子序数相近的物质。
Description
技术领域
本发明涉及X射线探测技术领域，特别是涉及一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器。
背景技术
随着社会的发展以及全球经济一体化进程的加快，人员的流动越来越频繁，机场、车站、码头等公共场所的人流量越来越大，安检压力越来越大。X射线成像设备因透射能力强、成像速度快等优点而在安检领域得到了广泛的使用。当前X射线成像安全检查系统设备性价比高，并且医学实验结果表明在合理的安全防护措施下可保证安检人员及包裹内物品的安全。目前的X射线透射成像安全检查系统设备的核心部件包括单源伪双能探测器，它同时设置有仅对低能X光子具有较高的转换效率的低能探测器和对所有能谱均有较高的转换效率的高能探测器(即使用双层闪烁体探测器)。通过这种方式获取高低能信号的方式与真正的双能系统不同，因而被称为单源伪双能探测器。
但是现有的单源伪双能成像系统对物质识别效果具有一定的局限性，不能精细、精准地区分物质属性，对较厚以及有效原子序数相近的物质难以辨别区分。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，用于解决现有技术中的单源伪双能成像系统对物质识别效果具有一定的局限性，不能精细、精准地区分物质属性，对较厚以及有效原子序数相近的物质难以辨别区分等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器沿入射方向自上而下包括第一闪烁体层、第一光电二极管阵列层、第二闪烁体层、第二光电二极管阵列层、第三闪烁体层及第三光电二极管阵列层，其中，
所述第一闪烁体层的厚度＜第二闪烁体层的厚度＜第三闪烁体层的厚度；
所述第一闪烁体层的密度＜第二闪烁体层的密度＜第三闪烁体层的密度；
所述第一闪烁体层的衰减长度＞第二闪烁体层的衰减长度＞第三闪烁体层的衰减长度；
所述第一闪烁体层用于吸收低能量的X射线，并将吸收的低能X射线转化为可见光，所述第一光电二极管阵列层用于将所述第一闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储；所述第二闪烁体层用于吸收中等能量的X射线，并将吸收的中能X射线转化为可见光，所述第二光电二极管阵列层用于将所述第二闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储；所述第三闪烁体层用于吸收高能量的X射线，并将吸收的高能X射线转化为可见光，所述第三光电二极管阵列层用于将所述第三闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储。
可选地，所述第一闪烁体层的MTF特性＜第二闪烁体层的MTF特性＜第三闪烁体层的MTF特性。
可选地，所述第一闪烁体层的材料包括GOS(Gd2O2S)、NaI(Tl)、LaCl3(Ce)、CsI(Tl、Na)、LaBr3(Ce)、YAlO3(Ce)中的一种或多种。
可选地，所述第二闪烁体层的材料包括CSI、GOS(Tb、Pr、Ce、F)、CaWO4、Gd3Ga5O12(Cr、Ce)、Gd2SiO5(Ce)、Lu2Si2O7(Ce)中的一种或多种。
可选地，所述第三闪烁体层的材料包括CdWO4、BGO、Lu2SiO5(Ce)、LuAlO3(Ce)、YTaO4(Nb)中的一种或多种。
可选地，所述第一闪烁体层的材料为CsI(Tl)，所述第二闪烁体层的材料为Gd2O2S:Tb，所述第三闪烁体层的材料为CdWO4。
可选地，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器还包括过滤片，位于所述第一光电二极管阵列层和第二闪烁体层之间，用于过滤未被所述第一闪烁体层吸收的低能射线。
更可选地，所述过滤片包括铜片。
如上所述，本发明采用三层闪烁体结构并经优化的结构设计，在单源X射线扫描物体的情况下可一次性得到低、中、高能三幅能量灰度图，可以精细、精准地区分物质属性，尤其适用于辨别区分较厚以及有效原子序数相近的物质。
附图说明
图1显示为本发明的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器的结构示意图。
图2显示为以200kVp射线源为入射源的情况下，本发明的一示例性三能级线阵探测器中各闪烁体层的吸收能谱图。
元件标号说明
11 第一闪烁体层
12 第一光电二极管阵列层
13 第二闪烁体层
14 第二光电二极管阵列层
15 第三闪烁体层
16 第三光电二极管阵列层
17 过滤片
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器沿入射方向自上而下包括第一闪烁体层11、第一光电二极管阵列层12、第二闪烁体层13、第二光电二极管阵列层14、第三闪烁体层15及第三光电二极管阵列层16，所述第一闪烁体层11的上表面通常为入射面，即X射线入射至所述第一闪烁体层11并依次经过所述第二闪烁体层13及第三闪烁体层15，不同能量的X射线被对应的闪烁体层吸收并转换为可见光；其中，所述第一闪烁体层11的厚度＜第二闪烁体层13的厚度＜第三闪烁体层15的厚度；所述第一闪烁体层11的密度＜第二闪烁体层13的密度＜第三闪烁体层15的密度；所述第一闪烁体层11的衰减长度＞第二闪烁体层13的衰减长度＞第三闪烁体层15的衰减长度；所述第一闪烁体层11用于吸收低能量的X射线，并将吸收的低能X射线转化为可见光，所述第一光电二极管阵列层12用于将所述第一闪烁体层11转化的可见光转换为电荷并存储，即所述第一闪烁体层11和第一光电二极管阵列层12构成了低能探测模块；所述第二闪烁体层13用于吸收中等能量的X射线，并将吸收的中能X射线转化为可见光，所述第二光电二极管阵列层14用于将所述第二闪烁体层13转化的可见光转换为电荷并存储，即所述第二闪烁体层13和第二光电二极管阵列层14构成了中能探测模块；所述第三闪烁体层15用于吸收高能量的X射线，并将吸收的高能X射线转化为可见光，所述第三光电二极管阵列层16用于将所述第三闪烁体层15转化的可见光转换为电荷并存储，即所述第三闪烁体层15和第三光电二极管阵列层16构成了高能探测模块。本发明采用三层闪烁体结构并经优化的结构设计，在单源X射线扫描物体的情况下可一次性得到低、中、高能三幅能量灰度图，可以精细、精准地区分物质属性，尤其适用于辨别区分较厚以及有效原子序数相近的物质。
需要特别说明的是，相邻各结构层是相互接触或通过粘结层粘附(即相邻两个结构层之间还可以有粘结层)，本实施例中为更清楚地说明各结构层而未标示其他结构。
作为示例，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器还包括PCB板，所述PCB板与所述第一光电二极管阵列层12、第二光电二极管阵列层14及第三光电二极管阵列层16电连接，用于将各光电二极管阵列层转换的电信号引出。在一示例中，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器还包括拟合模块，所述拟合模块与所述第一光电二极管阵列层12、第二光电二极管阵列层14及第三光电二极管阵列层16电连接，以在需要时将得到的低、中、高能三幅能量灰度图进行拟合。
为提高图像分辨率且为避免图像干扰，作为示例，所述第一闪烁体层11的MTF特性＜第二闪烁体层13的MTF特性＜第三闪烁体层15的MTF特性。(MTF为Modulation TransferFunction的简称，也即调制传递函数)。
所述第一光电二极管阵列层12、第二光电二极管阵列层14及第三光电二极管阵列层16的结构可以完全相同(并且表面积均优选不小于对应的闪烁体层的表面积)，比如均包括基底、位于基底上的多个呈阵列排布的光电二极管及将多个光电二极管电连接并电性引出的电极，不同的光电二极管阵列层的光电二极管在纵向上优选上下对应。所述基板优选为透明或半透明材质，且所述基板优选采用较薄的材料以降低可见光的发散。本实施例中，作为示例，所述基板的厚度为15um～50um(包括端点值，如无特别说明，本实施例中涉及数值范围时，均包括端点值)。同时，为了降低所述基板对X射线的吸收，所述基板的材质应选择低密度，低原子系数的材料，所述基板为密度不大于3g/cm3的材质，包括但不限于PI(聚酰亚胺)、塑料及二氧化硅。
各结构层之间可以通过透明或半透明的黏胶层相贴合，比如各闪烁体层可以通过光学耦合剂贴敷于对应的光电二极管阵列层表面。当然，在其他示例中，各闪烁体层也可以通过镀膜的方式形成于对应的光电二极管阵列层的表面，又或者各结构层之间还可以通过机械压合的方式贴合固定，本实施例中并不严格限制。
在满足所述第一闪烁体层11的厚度＜第二闪烁体层13的厚度＜第三闪烁体层15的厚度的情况下，各闪烁体层的厚度可以根据不同的应用需求做相应的调整，且在保证信号量的前提下，所述第一闪烁体层11和所述第二闪烁体层13需尽可能地薄。在一示例中，所述第一闪烁体层11的厚度为0.1～0.3mm，所述第二闪烁体层13的厚度为0.2～0.5mm，所述第三闪烁体层15的厚度为0.5～1mm。在一具体示例中，所述第一闪烁体层11的厚度为0.2mm，所述第二闪烁体层13的厚度为0.3mm，所述第三闪烁体层15的厚度为0.5mm。
作为示例，所述第一闪烁体层11的材料包括但不限于GOS(Gd2O2S)、NaI(Tl)、LaCl3(Ce)、CsI(Tl、Na)、LaBr3(Ce)、YAlO3(Ce)中的一种或多种。
作为示例，所述第二闪烁体层13的材料包括但不限于CSI、GOS(Tb、Pr、Ce、F)、CaWO4、Gd3Ga5O12(Cr、Ce)、Gd2SiO5(Ce)、Lu2Si2O7(Ce)中的一种或多种。
作为示例，所述第三闪烁体层15的材料包括但不限于CdWO4、BGO、Lu2SiO5(Ce)、LuAlO3(Ce)、YTaO4(Nb)中的一种或多种。
在一具体示例中，所述第一闪烁体层11的材料为CsI(Tl)，所述第二闪烁体层13的材料为Gd2O2S:Tb(GOS)，所述第三闪烁体层15的材料为CdWO4。
作为示例，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器还包括过滤片17，位于所述第一光电二极管阵列层12和第二闪烁体层13之间，用于过滤未被所述第一闪烁体层11吸收的低能射线，所述过滤片17包括但不限于铜片。在进一步的示例中，所述第二光电二极管阵列层14和所述第三闪烁体层15之间也可以设置过滤片以过滤未被所述第二闪烁体层13吸收的中能射线，所述过滤片同样包括但不限于铜片。
发明人对本发明的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器的性能进行了测试。本次测试使用的三能级线阵探测器的第一闪烁体层的材料为CsI(Tl)，第二闪烁体层的材料为Gd2O2S:Tb(GOS)，第三闪烁体层的材料为CdWO4，这三种闪烁体材料的部分特性如表1所示：
表1
测试时使用的入射源为200kVp射线源，空场情况下(即射线源与探测器之间没有任何物体遮挡)，发射能谱经过三个闪烁体层后，每个闪烁体层吸收到的能谱情况如图2所示。其中，曲线①对应射线源的发射能谱，曲线②对应GOS闪烁体层，即第二闪烁体层的吸收能谱，曲线③对应第一闪烁体层的吸收能谱，曲线④对应第三闪烁体层的吸收能谱。从图中可以看到，三个闪烁体层吸收得到的三个能谱没有完全重叠，可以明显区分开来，因而可以用于对物质的分辨。发明人进行了大量实验，确认在闪烁体层的厚度、密度、衰减长度等性能参数满足前述的对应关系的情况下，采用其他材质的闪烁体层同样可以实现对物质的精准、精确识别，因而各闪烁体层的材料并不以该实施例为限。
综上所述，本发明提供一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，沿入射方向自上而下包括第一闪烁体层、第一光电二极管阵列层、第二闪烁体层、第二光电二极管阵列层、第三闪烁体层及第三光电二极管阵列层；其中，所述第一闪烁体层的厚度＜第二闪烁体层的厚度＜第三闪烁体层的厚度；所述第一闪烁体层的密度＜第二闪烁体层的密度＜第三闪烁体层的密度；所述第一闪烁体层的衰减长度＞第二闪烁体层的衰减长度＞第三闪烁体层的衰减长度；所述第一闪烁体层用于吸收低能量的X射线，并将吸收的低能X射线转化为可见光，所述第一光电二极管阵列层用于将所述第一闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储；所述第二闪烁体层用于吸收中等能量的X射线，并将吸收的中能X射线转化为可见光，所述第二光电二极管阵列层用于将所述第二闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储；所述第三闪烁体层用于吸收高能量的X射线，并将吸收的高能X射线转化为可见光，所述第三光电二极管阵列层用于将所述第三闪烁体层转化的的可见光转换为电荷并存储。本发明采用三层闪烁体结构并经优化的结构设计，在单源X射线扫描物体的情况下可一次性得到低、中、高能三幅能量灰度图，可以精细、精准地区分物质属性，尤其适用于辨别区分较厚以及有效原子序数相近的物质。本发明的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器结构简单，可广泛应用于机场、车站、码头等人流量大的安检场所，可以快速准确地识别物体，提高安检查危水平。此外，本发明还可以用于医疗检测和工业检测等领域，通过快速准确地识别物体，可以满足不同用户的需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于，所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器沿入射方向自上而下包括第一闪烁体层、第一光电二极管阵列层、第二闪烁体层、第二光电二极管阵列层、第三闪烁体层及第三光电二极管阵列层，其中，
所述第一闪烁体层的厚度＜第二闪烁体层的厚度＜第三闪烁体层的厚度；
所述第一闪烁体层的密度＜第二闪烁体层的密度＜第三闪烁体层的密度；
所述第一闪烁体层的衰减长度＞第二闪烁体层的衰减长度＞第三闪烁体层的衰减长度；
所述第一闪烁体层用于吸收低能量的X射线，并将吸收的低能X射线转化为可见光，所述第一光电二极管阵列层用于将所述第一闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储；所述第二闪烁体层用于吸收中等能量的X射线，并将吸收的中能X射线转化为可见光，所述第二光电二极管阵列层用于将所述第二闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储；所述第三闪烁体层用于吸收高能量的X射线，并将吸收的高能X射线转化为可见光，所述第三光电二极管阵列层用于将所述第三闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储。
2.根据权利要求1所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述第一闪烁体层的MTF特性＜第二闪烁体层的MTF特性＜第三闪烁体层的MTF特性。
3.根据权利要求1所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述第一闪烁体层的材料包括GOS(Gd2O2S)、NaI(Tl)、LaCl3(Ce)、CsI(Tl、Na)、LaBr3(Ce)、YAlO3(Ce)中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述第二闪烁体层的材料包括CSI、GOS(Tb、Pr、Ce、F)、CaWO4、Gd3Ga5O12(Cr、Ce)、Gd2SiO5(Ce)、Lu2Si2O7(Ce)中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述第三闪烁体层的材料包括CdWO4、BGO、Lu2SiO5(Ce)、LuAlO3(Ce)、YTaO4(Nb)中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述第一闪烁体层的材料为CsI(Tl)，所述第二闪烁体层的材料为Gd2O2S:Tb，所述第三闪烁体层的材料为CdWO4。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器还包括过滤片，位于所述第一光电二极管阵列层和第二闪烁体层之间，用于过滤未被所述第一闪烁体层吸收的低能射线。
8.根据权利要求7所述的用于单源多能成像系统的三能级线阵探测器，其特征在于：所述过滤片包括铜片。
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