CN113031044A - 用于辐射检查的探测器及探测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于辐射检查的探测器，包括：灵敏介质，被配置为与入射到探测器的入射光进行反应，从而产生高能辐射光和低能辐射光；高能光电转换器件，可以被配置为设置在所述灵敏介质的远离所述入射光的一端处，用于探测所述高能辐射光；以及，低能光电转换器件，可以被配置为设置在所述灵敏介质的靠近所述入射光的一端处，用于探测所述低能辐射光。
Description
技术领域
本发明涉及辐射检查/识别领域，并且更具体地，涉及一种包括用于辐射检查的双读出探测器在内的探测器及探测装置。
背景技术
目前通常利用X射线束脉冲照射被检物体来识别被检物体的材料。当X射线束脉冲穿透被检物体之后，其能谱会发生变化，这些变化和被检物体的材料组成有关，因而测量这些变化就能实现被检物体的材料识别。随着技术的不断发展，现在主要采用兆伏级的X射线检查系统来获取更清晰的图像以及更多的物质组成信息，从而对被检物体的材料进行识别。
发明内容
在本申请的第一方面中，提供了一种用于辐射检查的探测器，可以包括：灵敏介质，被配置为与入射到探测器的入射X射线发生作用，从而产生高能辐射光和低能辐射光；高能光电转换器件，被配置为设置在所述灵敏介质的远离所述入射光的一端处，用于探测所述高能辐射光；以及，低能光电转换器件，被配置为设置在所述灵敏介质的靠近所述入射光的一端处，用于探测所述低能辐射光。
根据本申请的第一方面，探测器还可以包括反光层，其设置在所述灵敏介质外表，且是表面抛光的。
根据本申请的第一方面，探测器还可以第一数据读出电路，被配置为与所述高能光电转换器件连接，用于将所述高能光电转换器件所探测的高能辐射光转换为数字信号；以及第二数据读出电路，被配置为与所述低能光电转换器件连接，用于将所述低能光电转换器件所探测的低能辐射光转换为数字信号。
根据本申请的第一方面，所述灵敏介质可以具有使得对所述入射光的总探测效率大于80％的质量厚度。
根据本申请的第一方面，所述灵敏介质对所述高能辐射光和所述低能辐射光的折射率可以大于2.0。
根据本申请的第一方面，其中，所述灵敏介质可以是由闪烁光衰减时间大于所述入射光的脉冲宽度的材料形成的。
根据本申请的第一方面，其中，所述灵敏介质可以具有抛光的外表面。
根据本申请的第一方面，其中，所述灵敏介质外表面可以涂覆有反光物质。
根据本申请的第一方面，其中，所述入射光的脉冲宽度可以小于10μs。
根据本申请的第一方面，其中，所述入射光是由电子加速器产生的X射线束脉冲，所产生的X射线光子的范围为最低到500keV以下，最高到电子束的能量。
根据本申请的第一方面，其中，所述高能辐射光包括高能闪烁光和切伦科夫辐射光，所述低能辐射光包括低能闪烁光。
在本申请的第二方面中，提供了一种用于辐射探测的探测装置，可以包括：辐射源，被配置为向被检对象辐射光；以及，由根据本申请的第一方面所述的探测器组成的阵列，被配置为对穿过所述被检物体的辐射光进行探测。
根据本申请的各个方面，所提出的探测器和探测装置有效提升探测效率和总的闪烁光收集、增加光收集。此外，本申请所提出的探测器和探测装置不要求切伦科夫信号与闪烁光信号完全分离，可以有效降低探测难度和探测成本。
附图说明
图1中示出了根据本发明实施例的用于探测被检物体的材料的探测装置的示意性框图。
图2示出了根据本发明实施例的X射线能谱的示意性图示。
图3A示出了根据本发明实施例的X辐射束的示例性图示。
图3B示出了四种材料的质量衰减系数的示例性图示。
图4示出了根据本发明实施例的探测器的立体结构图。
图5中示出了根据本发明实施例的在灵敏介质内闪烁光的发射方向的示图。
图6中示出了根据本发明实施例的在灵敏介质内切伦科夫辐射光的发射方向的示图。
图7中示出了根据本发明实施例的设置有数据读出电路的探测器的剖视图。
图8中示出了在灵敏介质的材料为BGO时的透光性能曲线、滤波材料为UG11型材料的情况下的透光性能曲线、闪烁光发射光谱、以及切伦科夫辐射光谱。
图9中示出了穿过不同材料厚度的灵敏介质、且低能探测器的信号衰减到无介质信号的0.1倍时，模拟计算得到的四种原子序数物质产生的能谱。
图10中示出了在图9中所示的能谱的情况下得到的不同物质原子序数能谱线图。
图11中示出了在图10的基础上进一步进行数据处理而得到各种物质的特征值，且该特征值随原子序数的增加而单调增加。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。
应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。
此外，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
将理解的是，与术语相应的单数形式的名词可包括一个或更多个事物，除非相关上下文另有明确指示。如这里所使用的，诸如“A或B”、“A和B中的至少一个”、“A或B中的至少一个”、“A、B或C”、“A、B和C中的至少一个”以及“A、B或C中的至少一个”的短语中的每一个短语可包括在与所述多个短语中的相应一个短语中一起列举出的项的所有可能组合。如这里所使用的，诸如“第1”和“第2”或者“第一”和“第二”的术语可用于将相应部件与另一部件进行简单区分，并且不在其它方面(例如，重要性或顺序)限制所述部件。
如这里所使用的，术语“模块”可包括以硬件、软件或固件实现的单元，并可与其他术语(例如，“逻辑”、“逻辑块”、“部分”或“电路”)可互换地使用。模块可以是被适配为执行一个或更多个功能的单个集成部件或者是该单个集成部件的最小单元或部分。例如，根据实施例，可以以专用集成电路(ASIC)的形式来实现模块。
应该理解的是，本公开的各种实施例以及其中使用的术语并不意图将在此阐述的技术特征限制于具体实施例，而是包括针对相应实施例的各种改变、等同形式或替换形式。除非本文另有明确定义，否则所有术语将给出其最广泛的可能解释，包括说明书中暗示的含义以及本领域技术人员理解的和/或字典、论文等中定义的含义。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。对于附图的描述，相似的参考标号可用来指代相似或相关的元件。以下将参考附图对本公开进行示例性描述。
目前主要的兆伏级X射线检查系统为以下几种：
第一种为射线源是双能或多能的X射线检查系统，其交替射出不同能量的X射线束脉冲(即，高、低能射线束不同时出现)。该方法对射线源要求较高，并且当被检物体不停运动时，采用这样的射线源会使得分别经由高、低能射线束采集到的被检物体的位置之间存在偏差，使得探测效果不良。
第二种为采用双层探测器或多层探测器进行探测的X射线检查系统。这样的探测器结构复杂、体积较大，不易在诸如车载移动检查设备之类的结构紧凑的检查系统中应用。此外，在这样的探测器中，高、低能的灵敏介质是分开的，即通常被低能灵敏介质探测到的X射线光子，不会被高能灵敏介质探测到。
因此，为了解决现有X射线辐射探测技术中存在的现有问题，本申请提出了一种用于辐射检查的探测装置及其方法，其兼容于传统的采用单一的X射线源和单一类型的探测器的检查系统，并且可以实现物质识别能力。以下将参考附图对其进行示例性说明。
I.相关术语
X射线束脉冲：在本文中指代有一定能量分布的X射线束脉冲束，其能量分布中最高的X射线能量(在本文中称为“端点能量”)在1MeV以上，一般采用电子加速器作为X射线源，其端点能量一般即为电子加速器的能量；X射线束脉冲一般的时间宽度为微秒级。
灵敏介质：在本文中指代将入射的X射线转换为闪烁光和切伦科夫光的介质。
光电转换器件：指代将闪烁光和切伦科夫光信号转换为电信号的单元、器件、模块等，例如为“光电二极管”、“光电倍增管”和“硅光电倍增管”。
积分模式：指代对X射线束脉冲作为一个整体进行探测。
计数模式：指代X射线束脉冲中的光子进行探测，并输出其探测器到的各个光子产生的信号强度，并且能通过统计探测到的多个X射线光子，得到该X射线束脉冲的能谱结构。
II.实施例
图1中示出了根据本发明实施例的用于探测被检物体的材料的探测装置100的示意性框图。
如图所示，探测装置100可以包括辐射源101以及探测器阵列102。辐射源101可以被配置为用于产生入射到被检物体103上的辐射束。根据实施例，辐射源101可以是电子加速器。
根据实施例，辐射源101辐射的辐射束为脉冲束。在一个示例中，脉冲束可以为X射线束，且X射线能谱是一个最高能量为电子束能量的连续谱。在一个示例中，辐射源101的能量可以小于10MeV。
探测器阵列102可以被配置为包括多个探测器，用于接收穿透被检物体的X射线束中的光子，从而基于所接收到的光子进行材料识别。
图2中示出了X射线束能谱的图示，其中横轴表示X射线光子能量(MeV)，纵轴为X射线光子的相对强度。该图中，X射线能谱的最高能量为6MeV。
在一个示例中，X射线束的脉冲宽度可以小于10μs。在另一示例中，X射线束的脉冲宽度可以为4μs，周期可以为10ms(参见图3)。
图4示出了根据本发明实施例的探测器的立体结构图。结合图1参考图4，探测器阵列102中所包括的每一个探测器可以包括灵敏介质1021、设置在灵敏介质1021上的高能光电转换器件1023以及低能光电转换器件1024。
在本示例中，出于减小探测器的体积的目的，每一个探测器中可以仅包括一个灵敏介质。但是本领域技术人员应当理解，每一个探测器中可以包括多个灵敏介质。相应地，每一个灵敏介质上可以设置一个高能光电转换器件和一个低能光电转换器件。
灵敏介质1021可以被配置为经由穿透被检物体的X射线束的照射而产生用于识别被检物体的材料的识别信号。
在一个示例中，灵敏介质1021由透明的闪烁材料构成。透明的闪烁材料例如为锗酸铋(BGO)。
在一个示例中，灵敏介质1021可以具有使得对入射的X射线束中的端点能量的探测效率大于或等于80％的厚度，使得可以保证对相对高能的X射线的探测。具体地，该厚度可以取决于入射的X射线束的能谱。在一个示例中，优选地，在灵敏介质1021采用BGO材料的情况下，沿X射线入射方向的尺寸为60mm，对于6MeV的加速器产生的X射线束，灵敏介质1021沿着X射线束入射方向的质量厚度可以为40g/cm2，此时灵敏介质1021对X射线束的端点能量的探测效率可以大于或等于80％。
在一个示例中，灵敏介质1021可以由闪烁光发射谱峰值在400nm以上的闪烁材料组成，并且该闪烁材料对闪烁光发射谱峰值低100nm的光也有较好的透光性。例如，在闪烁材料的发射谱峰值为500nm的情况下，其对400nm的光也有很好的透光性能。
在一个示例中，灵敏介质1021可以由闪烁光衰减时间大于辐射束的脉冲宽度的材料形成。在一个示例中，优选地，灵敏介质1021的闪烁光衰减时间可以大于10μs。根据实施例，当X射线束入射到灵敏介质1021上时，灵敏介质1021中产生闪烁光和切伦科夫辐射光。切伦科夫辐射光的产生是皮秒级的，因此在灵敏介质1021的闪烁光衰减时间(例如，10μs)大于辐射束的脉冲宽度(例如，图3A中的4μs)的情况下，当X射线的脉冲结束后，迅速结束对闪烁光的接收，从而提高接收的光子中切伦科夫辐射光子的占比。在灵敏介质1021采用不同的材料形成时，其质量衰减系数不同(如图3B所示)。
图5中示出了根据本发明实施例的在灵敏介质内闪烁光的发射方向的示图。图6中示出了根据本发明实施例的在灵敏介质内切伦科夫辐射光的发射方向的示图。从图5和图6可以看出，闪烁光的辐射方向实质上是各项同向性发射的，而切伦科夫辐射光是在与水平方向成小于等于30°的角度范围内向前辐射的。
闪烁光的强度由在灵敏介质1021内的能量沉积决定，与X射线能量没有直接的相关性。切伦科夫辐射只有当X射线的强度高于切伦科夫阈值后才会发生，并且对于能量较高的X射线光子有较好的能量响应，并且其辐射出来的光子在短波长(例如，从蓝光到紫外射线)的区域相对较强。基于此，增加对切伦科夫辐射光子的探测可以增强对高能X射线光子的探测。
在一个示例中，为了增加对闪烁光和切伦科夫辐射光的收集，灵敏介质1021可以由具有对300nm至800nm的光子的折射率大于或等于2.0的材料形成。
再次参考图4，在一个示例中，为了增加对闪烁光和切伦科夫辐射光的收集，灵敏介质1021可以被配置为具有抛光的表面1022。
在一个示例中，灵敏介质1021可以被配置为其外表面1022由反光物质包裹或覆盖，从而实现镜面反射或全反射以有利于在灵敏介质1021的远离辐射源101的一端处收集切伦科夫辐射光。
灵敏介质1021应有不低于5000闪烁光子/MeV和不高于15000闪烁光子/MeV的闪烁光产额；在灵敏介质的选择上，选取闪烁光发光效率太低的介质，则影响低能信号强度，降低其信噪比；若选取过高的闪烁光发光效率的介质，则可能会对高能信号造成影响。
高能光电转换器件1023可以被配置为对波长在400nm以上的光子有较好的光电转换效率。低能光电转换器件1024可以被配置为对400nm以下的光子有较好的光电转换效率。
基于以上切伦科夫辐射光的波长描述、切伦科夫辐射光的发射方向以及闪烁光的发射方向可知，低能光电转换器件1024可以被配置为光学耦合地设置在灵敏介质1021的靠近辐射源101的一端(以下称为“前端”)，用于对闪烁光进行光电转换，输出的信号即为低能的闪烁光信号。高能光电转换器件1023可以被配置为光学耦合地设置在灵敏介质1021的远离辐射源101的一端(以下称为“后端”)，用于对切伦科夫辐射光进行光电转换，输出的信号即为切伦科夫光信号为主的高能信号。
示例性地，低能光电转换器件1024设置在靠近X射线入射端面15mm左右的位置处。
当X射线入射到灵敏介质中时，会在灵敏介质中产生相对低能的闪烁光和包括高能闪烁光的切伦科夫辐射光在内的高能光。
基于以上描述可知，根据灵敏介质的衰减时间大于辐射光脉冲宽度、灵敏介质对闪烁光和切伦科夫辐射光的折射率较大、用于接收切伦科夫辐射光的高能光电转换器件1023设置于灵敏介质的后端、灵敏介质的表面抛光等配置，即便高能光中包括高能闪烁光的切伦科夫辐射光，但是由于灵敏介质的衰减时间大于辐射光脉冲宽度，因此，当X射线束脉冲结束时，能够有效截断闪烁光，使得切伦科夫辐射光有效到达高能光电转换器件1023。
基于此，可以有效提升切伦科夫辐射光的占比，从而提高高能光电转换器件1023对切伦科夫辐射光的接收效率。
此外，本申请提供的探测器无需闪烁光和切伦科夫辐射光完全分离，技术难度减小、探测成本降低。
在利用本申请提供的探测器进行辐射探测时，为了便于读出高能光电转换器件1023和低能光电转换器件1024各自接收的切伦科夫辐射光和闪烁光的信号，可以在探测器外设置数据读出电路。
图7中示出了根据本发明实施例的设置有数据读出电路的探测器的剖视图。如图所示，高能光电转换器件1023与第一数据读出单元1026连接，低能光电转换器件1024与第二数据读出单元1025连接，由此第一数据单元1026和第二数据读出单元1025可以以数字信号的形式向用户呈现闪烁光和切伦科夫辐射光的强度。
在一个示例中，高能光电转换器件1023与第一数据读出单元1026之间光学耦接地设置滤波材料，用以滤除闪烁光信号。
第二数据读出单元1025工作在积分模式下，可以单独满足辐射成像探测器的要求，完成对射线强度的探测。第一数据读出单元1026工作在计数状态下，可以对入射的X射线能谱进行测试，并且其在X射线脉冲结束后，立即停止收集来自其对应的光电转换器件(即，高能光电转换器件1023)的信号。在这种情况下，完成对物质有效原子序数的识别。
图8中示出了在灵敏介质的材料为BGO时的透光性能曲线、滤波材料为UG11型材料的情况下的透光性能曲线、闪烁光发射光谱、以及切伦科夫辐射光谱。从图中可以看到，闪烁光谱的峰值约在500nm，灵敏介质1的透光性能的截止波长约在310nm，两者的差距超过了100nm；UG11型滤波材料5基本完全滤掉了闪烁光，确保了高能光电转换器件4接受到信号以切伦科夫光为主。
图9中示出了穿过不同材料厚度的灵敏介质、且低能探测器的信号衰减到无介质信号的0.1倍时，模拟计算得到的四种原子序数物质产生的能谱。图10中示出了在图9中所示的能谱的情况下得到的不同物质原子序数能谱线图。如图10所示，不同原子序数的能谱线图明显区分开；再进一步，如图11所示，取图10中第30到50道的积分值和第80到120道的积分值，计算出四种物质的这两个积分值的比值，可以看到，随着原子序数的增加，该比值单调递增。
本公开出于说明和描述的目的得以呈现，但是并非旨在穷举或限制。许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择和描述实施例以便说明原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解具有适合于所预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施例。
Claims (11)
1.一种用于辐射检查的探测器，包括：
灵敏介质，其与入射到探测器的入射光进行反应，从而产生高能辐射光和低能辐射光；
高能光电转换器件，被设置在所述灵敏介质的远离所述入射光的一端处，用于探测所述高能辐射光；以及
低能光电转换器件，被设置在所述灵敏介质的靠近所述入射光的一端处，用于探测所述低能辐射光。
2.根据权利要求1所述的探测器，还包括：
反射层，被设置在所述灵敏介质外表，且是表面抛光的。
3.根据权利要求1所述的探测器，还包括：
第一数据读出电路，被配置为与所述高能光电转换器件连接，用于将所述高能光电转换器件所探测的高能辐射光转换为数字信号；以及
第二数据读出电路，被配置为与所述低能光电转换器件连接，用于将所述低能光电转换器件所探测的低能辐射光转换为数字信号。
4.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述灵敏介质具有使得对所述入射光的总探测效率大于80％的质量厚度。
5.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述灵敏介质对所述高能辐射光和所述低能辐射光的折射率大于2.0。
6.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述灵敏介质是由衰减时间大于所述入射光的脉冲宽度的材料形成的。
7.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述灵敏介质外表面涂覆有反射物质。
8.根据权利要求6所述的探测器，其中，所述入射光的脉冲宽度小于10μs。
9.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述入射光是由电子加速器产生的X射线束脉冲。
10.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述高能辐射光包括高能闪烁光和切伦科夫辐射光，所述低能辐射光包括低能闪烁光。
11.一种用于辐射探测的探测装置，包括：
辐射源，被配置为向被检对象辐射光；
由根据权利要求1-10中任一项所述的探测器组成的阵列，被配置为对穿过所述被检物体的辐射光进行探测。
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