CN203037858U - 一种核探测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种核探测装置，所述装置包括闪烁单元、微光学单元、光电转换器件，以及图像采集与数据处理单元，其中所述闪烁单元为有机或无机的晶体或薄膜材料；所述微光学单元为微透镜阵列，该微透镜阵列由多个结构和参数相同的单元透镜组成；所述光电转换器件分别与所述微光学单元和所述图像采集与数据处理单元电连接。该装置能够降低对闪烁材料的要求，直接得到闪烁光在闪烁材料中产生位置的三维信息，能在实现位置分辨的同时具有能量分辨能力，从而提升了核探测装置的性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及射线探测技术领域，尤其涉及一种核探测装置。
背景技术
目前，核探测器是高能物理与核物理研究领域中用于射线探测的关键部件，在军事、工业检测以及医学影像等领域都有广泛的应用。依据功能的不同，核探测器可以分为位置灵敏型、能量分辨型和时间分辨型以及同时具备多种功能的探测器等。其中，闪烁探测器是核探测器中的常用技术，其中的闪烁材料是用于探测和记录各种射线粒子（包括X射线、γ射线以及中子等）的发光材料，当具有较高能量的带电或不带电粒子通过闪烁体时，其能量被吸收，从而引起这些材料的分子或原子激发和电离，当这些受激分子或原子由激发态回到基态时会以光子的形式释放能量，而发射的光子具有特定的能谱并被称为闪烁光，通过测量闪烁光的发光光谱就可以分析和记录各种射线的特性，从而测量其发光位置，闪烁探测器可以用于射线的定位以及成像。
射线的定位是核探测器的关键功能之一，由于高能射线通常具有较高的穿透深度，对其吸收系数的要求使得闪烁材料必须具有一定的厚度，而各向同性发射的光子导致系统的横向分辨率随着闪烁材料厚度的增加而降低，因而位置分辨型核探测器通常采用结构化的闪烁材料，例如具有微针状结构的碘化铯薄膜在X射线计算机断层扫描（CT）系统中得到了广泛的应用，具有类似结构的ZnO晶体则被用于中子探测。另外，人为创造结构化晶体阵列也是解决位置分辨问题的另一方法，例如在正电子发射断层扫描（PET）系统中通常将晶体切割成条，在侧壁添加隔离层后重新组合成阵列，或将晶体填充在具有固定形状的模板中，从而降低闪烁光在不同“像素”（阵列单元）之间的串扰。
虽然上述现有技术中的方案可以提高核探测器的位置分辨能力，但上述技术方案也丧失了其沿深度方向的位置信息，同时随着闪烁材料厚度的增加，光传输效率也逐渐降低，影响了核探测器的性能。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种核探测装置，能够降低对闪烁材料的要求，直接得到闪烁光在闪烁材料中产生位置的三维信息，能在实现位置分辨的同时具有能量分辨能力，且闪烁光的收集效率也得到了提高，从而提升了核探测装置的性能。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，一种核探测装置，所述装置包括闪烁单元、微光学单元、光电转换器件，以及图像采集与数据处理单元，其中：
所述闪烁单元为有机或无机的晶体或薄膜材料；
所述微光学单元为微透镜阵列，该微透镜阵列由多个结构和参数相同的单元透镜组成；
所述光电转换器件分别与所述微光学单元和所述图像采集与数据处理单元电连接。
所述装置还包括光学组件，所述光学组件设置在所述微光学单元的前端或后端，或所述微光学单元内置于所述光学组件的内部；且所述光学组件由一个或一组透镜组成。
所述光学组件包括凸透镜，或根据设计需要使用凹透镜、反光镜或分光镜。
所述微光学单元采用二维平面阵列设计；或采用一维线性阵列设计；或采用立体排列方式设计。
所述立体排列方式包括：球形、半球形或多边性。
所述闪烁单元为整块闪烁体，或由多块闪烁体进行拼接而成；
且整块闪烁材料的形状被设计成圆柱体、多面体、圆球或薄膜；
拼接而成的闪烁体阵列为平面结构，或为不同形状的立体结构。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，所述装置包括闪烁单元、微光学单元、光电转换器件，以及图像采集与数据处理单元，其中所述闪烁单元为有机或无机的晶体或薄膜材料；所述微光学单元为微透镜阵列，该微透镜阵列由多个结构和参数相同的单元透镜组成；所述光电转换器件分别与所述微光学单元和所述图像采集与数据处理单元电连接。该装置能够降低对闪烁材料的要求，直接得到闪烁光在闪烁材料中产生位置的三维信息，能在实现位置分辨的同时具有能量分辨能力，从而提升了核探测装置的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本实用新型实施例提供的核探测装置的结构示意图；
图2为本实用新型实施例所提供含有光学组件的核探测装置的某一结构示意图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
下面将结合附图对本实用新型实施例作进一步地详细描述，图1为本实用新型实施例提供的核探测装置的结构示意图，所述核探测装置包括闪烁单元1、微光学单元3、光电转换器件4，以及图像采集与数据处理单元5，上述各单元的位置及连接关系如图1所示，其中：
所述闪烁单元1为有机或无机的晶体或薄膜材料，用于将入射射线转换成闪烁光，转换后的闪烁光射向所述微光学单元3；这里，所述入射射线包括X射线、γ射线或中子射线。
在具体实现过程中，为了不改变闪烁光在闪烁材料中的传输方向，该闪烁单元1所采用的闪烁材料应当具有高透明性以及光传输各向同性的特点，例如可以为BaF2、LSO、BGO等。
且闪烁材料的形状既可以设计为圆柱体、圆球、薄膜等规则形状，也可以设计为多边体等不规则形状。这里无需对闪烁材料的晶体进行切割、隔离、排列、在模板中的填充等后处理操作，只需对其进行机械固定即可，从而降低对闪烁材料的要求。
上述闪烁材料可以为整块闪烁体，也可以由多块闪烁体进行拼接而成，拼接而成的闪烁体阵列为平面结构，或为不同形状的立体结构，如球形（圆球、半球、球冠等）、多面体等。
所述微光学单元3为微透镜阵列，例如凸透镜或凹透镜等，该微透镜阵列由多个结构和参数相同的单元透镜31组成，入射射线激发闪烁单元1激发的闪烁光经所述单元透镜31折射聚焦后产生射线照射物体的单元图像，并被所述光电转换器件接收。
在具体实现中，所述微光学单元3可以采用二维平面阵列设计，在特殊情况下（例如在进行位置分辨的同时进行时间分辨的测量）也可以采用一维线性阵列设计，当然也可以根据需要采用立体排列的方式设计，例如设计成球形、半球形或多边性。在本实用新型实施例的图1中，该微光学单元3为一维线性阵列结构，即所有单元透镜31的中心分布在同一直线上且间距相等，同时单元透镜31的主光轴平行于闪烁单元1和光电转换器件4的中心连线。
所述光电转换器件4将接收到的单元图像转换成二维数据电信号，并传递给所述图像采集和数据处理单元。在具体实现过程中，由于目前广泛使用的闪烁材料的光产额一般都小于105photons/MeV，除非增加数据采集的时间，否则每个单元透镜31所接收到的光子数一般比较少，这样到达光电转换器件4的通常是单光子且很多像素为零，因而要求光电转换器件4具有低噪声和单光子探测的能力，但若长时间进行数据采集或微光学单元3的单元透镜数比较少时，也可以采用普通的光电转换器件来实现。
这里，通过上述微光学单元3的引入实现了闪烁光光场的探测。对于一般的单一透镜成像而言，成像面上的任意位置的信号强度均为空间中与透镜不同距离的发光点出射的光线聚焦叠加而成，在此过程中发光点的距离信息损失，仅得到发光点的二维信息；而对于微光学单元3，空间中任意发光点相对所有单元透镜31的角度均不相同，故其经各个不同透镜单元31聚焦后在单元图像中的相对位置也不相同，这意味着在某一单元图像内成像位置重合的发光点在其他单元图像中的位置不会重合，即避免了发光点的距离信息的损失，从另外一个角度讲，发光点的距离信息转化成单元图像相对各个单元透镜31的角度信息以二维单元图像阵列的形式被记录下来。该原理对于入射射线激发的闪烁光同样适用，通过计算光电转换器件4记录的二维单元图像相对各个透镜单元31的角度以及光路的可逆性，从而确定闪烁光在闪烁单元1内的深度分布信息，从而得到闪烁光在闪烁材料中产生位置的三维信息。
另外，由于高能射线在闪烁材料中的入射深度是随射线能量的增加而增加的，因而通过确定闪烁光在闪烁材料的深度分布信息还可以用于能量分辨；同时，闪烁体所产生的光子数也与入射射线的能量有关，因而采用高性能的光电转换器件4经过数据重建后得到的强度信息也可以反映能量信息，从而使本实用新型实施例所述核探测装置在具有位置分辨能力的同时，也具有了能量分辨能力。
上述图像采集和数据处理单元5采集、存储和处理由所述光电转换器件转换得到的二维数据电信号，并根据所述装置的光路结构进行数据重建，得到光子在所述闪烁单元中产生的位置。数据重建的过程具体来说：闪烁光在闪烁单元1的发光点与透镜单元31的中心、透镜单元31对应的单元图像上的成像点处于同一直线上，根据这一几何关系以及光线传播的平方反比定律，某一发光点的强度由处于该发光点与各透镜单元31中心连线的延长线上的成像点的信号将强度叠加而成。
具体实施过程中，该图像采集和数据处理单元5可以为计算机终端等设备。
在具体实现中，上述核探测装置还可以包括光学组件2，如图2所示为本实用新型实施例所提供含有光学组件的核探测装置的某一结构示意图，所述光学组件2可以设置在所述微光学单元3的前端或后端，或将所述微光学单元3内置于所述光学组件2的内部。由于微光学单元3的有效成像区域有限，同时空间分辨率固定，为了扩展有效成像局域或者提高成像分辨率，引入光学组件2对闪烁单元1内的闪烁光进行一次成像（光学组件2置于光学单元3的前端）或者二次成像（光学组件2置于光学单元3的后端），调节光学组件2的放大比率使得有效成像区域放大（放大比率大于1）或者提高空间分辨率（放大比率小于1）。在本实用新型实施例的图2中，该光学组件2设置在微光学单元3的前端。
如图2所示：所述光学组件2可以由一个或一组透镜组成，可根据产生闪烁光的位置不同将所述闪烁单元吸收入射射线后产生的闪烁光（如图2中的6）聚焦于所述微光学单元左侧或右侧的某一点。所述光学组件2可用于缩小闪烁单元1的成像尺寸，使之与微光学单元或光电转换器件的几何尺寸相匹配。
在具体实现中，该光学组件2可以为凸透镜，或根据设计需要使用凹透镜、反光镜、分光镜等其它几何光学组件。
本实用新型实施例中，闪烁光收集效率主要受到光学组件2和微光学单元3的影响，这里可以通过改变其几何结构来最大限度的提高闪烁光的收集效率，例如将微光学单元3做成半球状结构，就可以使闪烁光的收集效率达到50%左右。
综上所述，本实用新型实施例所述核探测装置能够降低对闪烁材料的要求，直接得到闪烁光在闪烁材料中产生位置的三维信息，能在实现位置分辨的同时具有能量分辨能力，且闪烁光的收集效率也得到了提高，从而提升了核探测装置的性能。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种核探测装置，其特征在于，所述装置包括闪烁单元、微光学单元、光电转换器件，以及图像采集与数据处理单元，其中：
所述闪烁单元为有机或无机的晶体或薄膜材料；
所述微光学单元为微透镜阵列，该微透镜阵列由多个结构和参数相同的单元透镜组成；
所述光电转换器件分别与所述微光学单元和所述图像采集与数据处理单元电连接。
2.如权利要求1所述的核探测装置，其特征在于，所述装置还包括光学组件，所述光学组件设置在所述微光学单元的前端或后端，或所述微光学单元内置于所述光学组件的内部；且所述光学组件由一个或一组透镜组成。
3.如权利要求2所述的核探测装置，其特征在于，所述光学组件包括凸透镜，或根据设计需要使用凹透镜、反光镜或分光镜。
4.如权利要求1所述的核探测装置，其特征在于，所述微光学单元采用二维平面阵列设计；或采用一维线性阵列设计；或采用立体排列方式设计。
5.如权利要求4所述的核探测装置，其特征在于，所述立体排列方式包括：球形、半球形或多边性。
6.如权利要求1所述的核探测装置，其特征在于，所述闪烁单元为整块闪烁体，或由多块闪烁体进行拼接而成；
且整块闪烁材料的形状被设计成圆柱体、多面体、圆球或薄膜；
拼接而成的闪烁体阵列为平面结构，或为不同形状的立体结构。
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| CN 201220519149 CN203037858U (zh) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | 一种核探测装置 |
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| CN 201220519149 CN203037858U (zh) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | 一种核探测装置 |
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Cited By (1)
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| CN104730566A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-06-24 | 北京永新医疗设备有限公司 | 一种标定光电转换模块平均探测器响应函数的方法和系统 |
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2012
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