CN112382430B - 一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，包括：与伽马射线探测器阳极像素电极数量和排布一致的正三角形孔或截角正三角形孔；可使伽马射线强度衰减入射强度95％以上的最小孔间距；在垂直于准直孔特征形状所在平面且互相平行排布的贯通准直孔；由准直器使能区侧壁及准直孔特征平面未开孔区域构成探测器的屏蔽层；在探测器底端起机架固定和支撑作用的圆形承托盘；由圆形承托盘内部开孔和准直器使能区内部的中下部分开槽两部分组合构成的探测器装配区；圆形承托盘上周期通孔构成的固定孔。本发明专利描述的准直器，在达到相同的准直效果时可使较多的伽马射线入射到探测器上，实现高效率的伽马射线成像要求。
Description
技术领域
本发明属于伽马射线探测和成像技术领域，涉及一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器。具体来说是为测定伽马射线活度、伽马放射源分布等对放射性核素衰变时向空间4π方向放出伽马射线进行准直，使得平行于准直孔的射线入射到探测器上继而被探测。
背景技术
随着科技的发展，放射性核素被广泛应用于核电、核医学、核安全等领域。准直器是在辐射探测领域中与辐射探测器配合使用的、用来约束伽马射线入射方向，是确定放射源形状、分布和强度不可或缺的器件。
准直器的常见构型有针孔型、平行孔型、汇聚孔型、发散孔型、狭缝型、编码孔型等等，各类准直器的形状、几何尺寸、准直孔与阳极像素电极的匹配情况需要根据实际情况具体设计。伽马射线准直器材料一般为铅、铜、钨等高密度的纯金属或以其为基体的合金材料。传统的准直器加工方法一般为用整块铅版或钨板经电火花加工或用钻头钻孔加工出准直器的准直孔，通常只有圆形一种形状。但钨板质地硬脆，薄壁处常发生脆断；铅版质软，准直孔在加工过程易变形，故传统方式加工的准直器成品率低、成本高、工艺复杂。
伽马射线探测器的应用性能往往受限于探测效率，高的探测效率可使检出的剂量阈值大幅降低，有望提高核素检出率和检测精准度、缩短检测时间、实现动态成像等。而准直器是限制探测器探测效率的主要因素，在实现准直器的使能作用同时提高准直孔的孔隙率是准直器优化设计的大趋势。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，所得到的准直器具有良好的准直能力，同时具有相比于传统圆形准直孔显著提高的探测效率。
技术方案
一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于包括截角正三角形准直孔1、屏蔽壳层2和圆形承托盘3；屏蔽壳层2位于圆形承托盘3上，屏蔽壳层2上设有多个均布的截角正三角形准直孔1；每行准直孔均由顶角朝上即0°和顶角朝下即180°两个方向交替排列的全等正三角形水平排布构成，在垂直方向上各行准直孔之间成等距平移关系，各行内相邻两个顶角相反的正三角形准直孔的中心距和相邻两行之间相同位置上正三角形的中心距等于像素探测器阳极面上像素电极之间的间隔；所述准直孔与伽马射线探测器阳极像素电极数量一致；准直孔在垂直于准直孔的特征形状即正三角形或截角正三角形所在平面的方向上平行排布，准直器在各平行截面上所截图形均相同，贯通准直器的使能区，形成通孔。
在保证最小准直孔间距的前提下填充正三角形孔的一部分角，形成截角三角形孔，以保证准直孔与阳极像素电极的一一对应关系。
所述截角三角形孔的形状包括：由正三角形截去1个或2个或3个角，其中截角的截线可为直线段或圆弧，形成三边或四边或五边或六边形，截角后所得图形的边长为直线或曲线或二者的结合，截角后所得图形的顶角可为直边角或圆角或二者的组合。
所述准直孔间的最小孔间距的设计准则是保证使能量不超过特定值的伽马射线经过准直器后的强度衰减为入射强度的95％。
所述最小单壁倾斜穿透厚度、准直孔长度与孔间隔由下式确定
计算的数值保留到小数点后两位。
所述准直器上表面未开孔的部分与准直器侧壁构成探测器的屏蔽层。
所述圆形承托盘内部开矩形孔，形成币形结构，为探测器模块装配的第一区域；准直器使能区的中下部分开槽，大小尺寸与圆形承托盘中心矩形空区对应，为探测器模块装配的第二区域。与上述探测器模块装配的第一区域共同构成探测器模块的装配区域。
所述圆形承托盘开孔形状与使能区开槽形状大于探测器排布尺寸。
所述圆形承托盘非开孔部分分布有2n个固定用圆柱形通孔，n取决于实际工况。
所述准直器的材料为铅或纯铜或黄铜或紫铜或钨或钨镍铁。
有益效果
本发明提出的一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，包括：与伽马射线探测器阳极像素电极数量和排布一致的正三角形孔或截角正三角形孔；可使伽马射线强度衰减入射强度95％以上的最小孔间距；在垂直于准直孔特征形状所在平面且互相平行排布的贯通准直孔；由准直器使能区侧壁及准直孔特征平面未开孔区域构成探测器的屏蔽层；在探测器底端起机架固定和支撑作用的圆形承托盘；由圆形承托盘内部开孔和准直器使能区内部的中下部分开槽两部分组合构成的探测器装配区；圆形承托盘上周期通孔构成的固定孔。本发明专利描述的准直器，在达到相同的准直效果时可使较多的伽马射线入射到探测器上，实现高效率的伽马射线成像要求。
本发明的有益效果是：
第一、可以实现相比于传统圆形准直孔更大的孔隙率，在实现相同分辨率和孔间隔的条件下充分发挥三角形孔隙面积最大的优势，从而大幅提高准直器的机械准直效率。
第二、可以实现灵活的像素匹配设计，依据像素排布情况可以在正三角形的基础上灵活截角，形成四边形、五边形、六边形的设计，解决准直能力和最大空间孔隙的矛盾点。
第三、本发明叙述的准直器可以在实现准直作用的同时为探测器模块预留出装配空间，便于准直器与探测器配合实现对伽马射线的准直和探测功能，与此同时准直器的非探测器装配区域设计有与机架连接的固定孔，便于准直器的安装和拆卸。
第四、本发明集射线准直器功能和本底及噪声屏蔽层于一体，可大幅减小辐射探测器探头部分的重量和装配空间，实现辐射探测和成像设备的小型化轻量化，实现便携化使用。
附图说明
图1是准直器的总体结构示意图(斜上视角)；
图2是准直器的总体结构示意图(斜下视角)；
图3是准直器的俯视图；
图4是准直器的左视图及部分剖面图；和
图5是截角正三角形准直孔尺寸及相互关系示意图。
主要部件符号说明：1-截角正三角形准直孔，2-屏蔽壳层，3-圆形承托盘，4-固定孔。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“内部”、“边缘”、“角”、“水平”、“垂直”、“长”、“宽”、“高”、“上”、“下”、“左”、“右”、“正”、“反”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或元件必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作。
本发明是一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，因此，基于正三角形的准直孔要依据探测器阳极平面上的像素电极分布确定。例如商用探测器尺寸通常为25.40mm×25.40mm×5.00mm(长×宽×高)，像素电极尺寸为1.50mm×1.50mm(内部像素)，1.35mm×1.50mm(边缘像素)1.35mm×1.35mm(角像素)，像素间隙为0.10mm。本发明的设计思路是：
依据辐射探测器的应用领域、对分辨率的要求以及准直器材料的选择，计算最小单壁倾斜穿透厚度、最小准直孔壁厚、以及准直孔长度。
正三角形准直孔内切圆圆心间水平间距与像素间隔一致，水平方向的准直孔由顶角垂直向上(即0°)和顶角垂直向下(即180°)两个方向的正三角形按斜边相互平行、底边相互平行的方式交替排布，一正一反两正三角形相邻斜边间距满足最小准直孔壁厚要求。
垂直方向的准直孔排布为单个水平行排布在垂直方向的平移，每次垂直平移量定义为相邻两行准直孔内切圆圆心的垂直距离，等于探测器阳极像素电极的中心距，下一行准直孔的顶角和上一行准直孔的底边间的距离满足最小准直孔壁厚要求，若不满足则从上一行准直孔底边位置算起，相应在下一行准直孔的顶角部分截去一定尺寸的小正三角形，使从下一行截去小三角形底边到上一行三角形底边满足最小准直壁厚要求，所有正三角在相应位置均截去相同小三角形，截角后的短边与底边位置适当调整，使截角三角形的重心仍与探测器像素对应且准直孔水平方向排列整齐，截角三角形孔的形状包括：由正三角形截去1个或2个或3个角，其中截角的截线可为直线段或圆弧，形成三边或四边或五边或六边形，截角后所得图形的边长为直线或曲线或二者的结合，截角后所得图形的顶角可为直边角或圆角或二者的组合；由正三角形或截角三角形构成准直器孔的基本形状，基本形状之间为全等或相似关系。
在准直器厚度方向，准直孔沿着垂直于可以体现出上述准直孔特征形状平面的方向进行拉伸，形成厚度方向的垂直通孔，准直器的使能区厚度由探测目的即探测射线的能量范围决定。
定义准直器的本征分辨率为准直孔形状的内切圆半径，计算表明，在相同分辨率、最小准直壁厚前提下，正三角形准直孔具有最大的孔隙率，即在实现对伽马射线的相同准直效果时，正三角形准直孔允许透过最多的射线，对射线的探测效率最高，即使截角的三角形孔也具有相对传统加工工艺制备的圆孔明显提高的探测效率。
下面通过附图和实施例对本发明基于进一步说明：
实施例1：与4块拼成2×2的商用像素探测器模块配合使用的基于正三角形的探测器
准直器整体材料为钨，材料致密度在93％以上，材料密度在18g/cm3以上，准直器设计主要针对医疗应用的锝-99(衰变发射能量为140keV的伽马射线)以及其他能量低于150keV的伽马射线，此时单壁倾斜穿透厚度为1.12mm，可满足准直要求。
使用中通常将若干探测器模块按一定方式排列后联合使用，例如4块探测器拼成2×2的探测器矩阵或者4块探测器拼成4×1的探测器矩阵使用。如图1和图2所示，为与四块拼成2×2的探测器矩阵配合使用的基于正三角形的准直器总体结构示意图.
图5给出截角三角形的关键技术尺寸，其他关键尺寸分别为：截角三角形水平间隔为1.60mm；截角三角形垂直间隔为1.60mm；最小间隔厚度为0.28mm；准直器使能区长度为12.50mm；准直器屏蔽外壳厚度为5.00mm；准直器屏蔽外壳平截角为3.00mm；准直器屏蔽外壳截角圆角半径为1.00mm；圆形承托盘的厚度为3.00mm；圆形承托盘直径为85.00mm；圆形承托盘固定孔直径为3.20mm。
准直器屏蔽壳厚度考虑常见本底核素的能量范围即小于500keV，圆形承托盘尺寸和固定孔直径由实际工况综合确定。准直器由3D打印制备，准直孔的尺寸偏差不超过±0.05mm，准直孔的垂直度偏差不超过±0.05mm。
Claims (8)
1.一种匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于包括截角正三角形准直孔(1)、屏蔽壳层(2)和圆形承托盘(3)；屏蔽壳层(2)位于圆形承托盘(3)上，屏蔽壳层(2)上设有多个均布的截角正三角形准直孔(1)；每行准直孔均由顶角朝上即0°和顶角朝下即180°两个方向交替排列的全等正三角形水平排布构成，在垂直方向上各行准直孔之间成等距平移关系，各行内相邻两个顶角相反的正三角形准直孔的中心距和相邻两行之间相同位置上正三角形的中心距等于像素探测器阳极面上像素电极之间的间隔；所述准直孔与伽马射线探测器阳极像素电极数量一致；准直孔在垂直于准直孔的特征形状即正三角形或截角正三角形所在平面的方向上平行排布，准直器在各平行截面上所截图形均相同，贯通准直器的使能区，形成通孔；所述准直孔长度由下式确定：
计算的数值保留到小数点后两位；
所述圆形承托盘(3)内部开矩形孔，形成币形结构，为探测器模块装配的第一区域；准直器使能区的中下部分开槽，大小尺寸与圆形承托盘中心矩形空区对应，为探测器模块装配的第二区域；与上述探测器模块装配的第一区域共同构成探测器模块的装配区域。
2.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：在保证最小准直孔间距的前提下填充正三角形孔的一部分角，形成截角三角形孔，以保证准直孔与阳极像素电极的一一对应关系。
3.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：所述截角三角形孔的形状包括：由正三角形截去1个或2个或3个角，其中截角的截线可为直线段或圆弧，形成三边或四边或五边或六边形，截角后所得图形的边长为直线或曲线或二者的结合，截角后所得图形的顶角可为直边角或圆角或二者的组合。
4.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：所述准直孔间的最小孔间距的设计准则是保证使能量不超过特定值的伽马射线经过准直器后的强度衰减为入射强度的95％。
5.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：所述准直器上表面未开孔的部分与准直器侧壁构成探测器的屏蔽层。
6.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：所述圆形承托盘开孔形状与使能区开槽形状大于探测器排布尺寸。
7.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：所述圆形承托盘非开孔部分分布有2n个固定用圆柱形通孔，n取决于实际工况。
8.根据权利要求1所述匹配像素探测器的基于正三角形的伽马射线准直器，其特征在于：所述准直器的材料为铅或纯铜或黄铜或紫铜或钨或钨镍铁。
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| GR01 | Patent grant | ||
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