CN205015485U - 探测器组件和射线探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种探测器组件和射线探测器，涉及辐射成像领域。其中，本实用新型的探测器组件包括：多个转换层和信号引出结构；其中，转换层层叠排列，信号引出结构位于转换层的侧面，使得X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构。这样的探测器组件能够根据需要获取各个转换层的基本探测数据，在此基础上能够根据符合预定探测等级的转换层的基本探测数据获取预定探测等级的射线探测数据，从而实现根据探测的需要灵活探测不同能量等级的能量；另外，信号引出结构位于转换层的侧面，使得X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构，能够有效防止X射线经过转换层，提高了射线探测的灵敏度和信噪比。

Description

探测器组件和射线探测器

技术领域

本实用新型涉及辐射成像领域，特别是一种探测器组件和射线探测器。

背景技术

在辐射成像安检系统中一般采用线扫描成像方式，阵列探测器将透过被检测物体的X射线或γ射线信号转换为电信号。X射线与物质发生作用，穿过被照物衰减后被探测器接收转换成电信号并形成图像。传统单能X射线透视成像给出被照物在一个透视方向上的累积密度信息形成的图像，不能给出物质密度或物质成分等其他信息。具有能谱分布的X射线穿透被检物体后，能谱会发生变化，其变化与被检物体的材料的原子序数Z有关。在低能区域，光电效应占优，且与Z强相关；中低能区域康普顿散射占优，且与Z弱相关；两个能量下衰减系数的比值随Z单调变化，可以根据该比值来实现物质识别。

在大型物体辐射成像系统中，由于被检物体积较大，例如大型集装箱检测需要穿透较厚的钢板，目前一般采用双能加速器辐射源配合单能探测器或单能加速器配合双能探测器的双能成像物质识别技术方案。

采用双能加速器辐射源的方式对于探测器的要求较低，但是对于加速器辐射源的技术要求很高，需要加速器能够间隔产生高、低能两种脉冲射线，只需使用一种兼容两种能量X射线探测的探测器接收不同时间的间隔的光子信号分别作为高能和低能的数据即可，该方案的缺点是双能加速器相对于单能加速器的技术难度大、成本较高。

另一种方式是采用双能探测器实现高低能光子的分别探测。传统的双能探测器可以用于单能加速器的成像系统，一般的单能加速器辐射源产生的是一个连续谱，可以采用两个不同的探测器分别探测射线中的高低能两种射线成分即可获得两种能量的数据。双能探测器一般是由高低能两个探测器叠加组成，其中低能探测器是由一较薄的闪烁体和一个光电二极管组成，高能探测器是由一块较厚的闪烁体和另一个光电二极管组成。低能探测器布置在靠近被检物的一侧，主要吸收X射线能谱中的低能光子，高能探测器布置在低能探测器的后边，主要吸收射线能谱中的高能光子。一般在低能探测器和高能探测器之间还配置一个滤波片来进一步吸收X射线中未被低能探测器吸收的多余低能射线，从而使得双能探测器的高低能信号更接近X射线能谱中的高低能能谱比例。

双能物质识别技术在不同能量的射线下的有很大差距。对于低能双能的情况，如果被检物是单一物质，且双能X射线都为单一能量，根据透视结果可以得到两个能量下物质的衰减系数比，不同物质有不同的比值。物质在这两个能量下的质量衰减系数与Z⁴成正比，从而实现物质的分离。这些双能物质识别技术的低能X射线的典型能量范围是0.5MeV以下，低能X射线只能穿透几厘米的钢，不可能用来检测大型集装箱和交通工具，这方面的应用必须利用高能X射线(达到6MeV～9MeV，或者更高)来提供高质量辐射成像。

如果高能双能X射线DR(DigitalRadiography，直接数字平板X线成像系统)成像所用的X射线也是单一能量的，由于高能处质量衰减系数也有随Z值单调变化的规律，所以可以采取类似低能双能单一能量的方法实现物质的识别。但是在高能区质量衰减系数与Z值成正比，物质识别能力不如在低能区，相同的物质原子序数下，高能区比低能区的等效质量衰减系数差更小，区分不同材料的能力更弱。另外几兆电子伏特的X射线通常由加速器产生，这样的X射线能谱是连续的，且大部分光子集中在低能区，如图1中蒙特卡罗模拟的结果所示。如高能X射线的最高能量达到9MeV时，其平均能量最大不超过2MeV，大部分光子集中在4MeV以下。已知在1～4MeV康普顿效应占优，不同Z值的物质的质量衰减系数基本相同，因此高能量范围内，双能量X射线探测物质识别技术的实际效果仍不理想，即当被检物由两种或多种材料构成时，用高低能透视度对比来识别物质的方法失效。但实际上，尽管高能X射线的能谱很宽且高能区所占比例较少，高能电子对效应仍能提供一定的物质识别信息。

传统的双能探测器的结构，探测器由背靠背的两组探测器构成，其在X射线入射方向包含第一闪烁体阵列、第一光电二极管阵列，第一滤波片阵列，PCB板(PrintedCircuitBoard，印制电路板)，第二滤波阵列、第二光电二极管阵列、第二闪烁体阵列，这种结构存在高低能两个部分装配精度不易控制等问题。现有技术中另外一种改进了的双能X射线探测器由第一光电探测器件、闪烁体和第二光电探测器件组成，闪烁体可以由单一闪烁体材料整体构成或者由2个或两个以上的子闪烁体拼接或粘接而成。这样的结构在一定程度上解决了上述的问题，但作为双能探测器，其与传统双能探测器共存缺点仍无法避免，即由于闪烁体的厚度在制造时已经确定，因此探测器的探测能量范围已然确定，其适用性不广。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提出一种灵活探测不同能量等级能量的射线探测方案。

根据本实用新型的一个方面，提出一种探测器组件，包括：多个转换层和信号引出结构；其中，转换层层叠排列，信号引出结构位于转换层的侧面，使得X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构。

可选地，转换层为固体闪烁体转换单元，固体闪烁体转换单元包括闪烁体和光电转换器。

可选地，闪烁体层叠排列，闪烁体之间的连接面与X射线入射方向垂直；光电转化器位于闪烁体的侧面，光电转换器连接信号引出结构且连接面与X射线入射方向平行。

可选地，闪烁体耦合光电转换器的侧面以外的其他面覆盖反射层。

可选地，闪烁体之间通过反射粘接层紧密连接。

可选地，闪烁体为CsI:Tl闪烁体或CdWO₄闪烁体。

可选地，光电转换单元为光电二极管。

可选地，闪烁体厚度为0.2mm～8mm。

可选地，转换层为半导体转换单元。

可选地，根据每层转换层探测范围需求设置对应厚度的转换层。

可选地，探测器组件包括3层以上转换层。

这样的探测器组件包括层叠排列的转换层和与每个转换层连接的信号引出结构，能够根据需要获取各个转换层的基本探测数据，在此基础上能够根据符合预定探测等级的转换层的基本探测数据获取预定探测等级的射线探测数据，从而实现根据探测的需要灵活探测不同能量等级的能量；另外，信号引出结构位于转换层的侧面，使得X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构，能够有效防止X射线经过转换层，提高了射线探测的灵敏度和信噪比。

根据本实用新型的另一个方面，提出一种射线探测器，包括上文中提到的任一探测器组件和运算器，运算器用于将预定探测范围符合预定探测等级的转换层的基本探测数据相加获取预定探测等级的射线探测数据。

可选地，运算器还用于基于多个转换层的基本探测数据的组合获取多个预定探测等级的射线探测数据。

可选地，预定探测等级包括探测范围为0～200keV低能探测、探测范围为200keV～3MeV的中能探测和/或探测范围为3MeV～6MeV的高能探测。

可选地，预定探测等级包括探测范围为0～200keV低能探测、探测范围为200keV～6MeV的中能探测和/或探测范围为6MeV～9MeV的高能探测。

可选地，射线探测器包括多个探测器组件，多个探测器组件侧面紧密相连，且连接信号引出结构的一面固定于基板。

可选地，射线探测器包括多个层叠排列的固定有探测器组件的基板。

这样的射线探测器包括上文中提到的射线探测装置和探测器组件，射线探测装置能够根据从探测器组件获取的基本探测数据，根据预定探测等级的需求进行数据处理，根据符合预定探测等级的转换层的基本探测数据获取对应探测等级的射线探测数据；同时，由于X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构，能够有效防止X射线经过转换层，提高了射线探测的灵敏度和信噪比。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为加速器源X射线不同最高能量的能谱分布蒙特卡罗模拟结果图。

图2a为本实用新型的探测器组件的一个实施例的立体图。

图2b为本实用新型的探测器组件的一个实施例的剖面图。

图2c为本实用新型的探测器组件的一个实施例的透视结构。

图2d为本实用新型的探测器组件的一个实施例的结构示意图。

图3为本实用新型的射线探测器的一个实施例的设备结构图。

图4为本实用新型的射线探测器的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型的探测器组件的一个实施例的示意图如图2a-2d所示。图2a为本实用新型的探测器组件的一个实施例的立体图。其中，箭头所示的方向为射线的入射方向200，250为基本探测器组件，包括多个沿射线入射方向层叠排列的转换层。240为信号引出结构，位于转换层的侧面，X射线入射穿过转换层时不会经过信号引出结构。

现有技术中有一种具有若干转换层的辐射探测器，包括具有低衰减系数的至少一个初级转换层以及对于光子具有高衰减系数的至少一个次级转换层。其初级转换层可以由与相关联的能量分辨计数电子设备耦合的硅层实现，提供用于探测辐射特别是X辐射的应用于谱分辨的成像系统。这种辐射探测器由各层叠加而成，需要做好各层之间的耦合与保护，制造工序较为复杂，精度不易保证，且信号引出结构在各转换层之间，会造成一定的X射线损耗，将会牺牲扫描图像的灵敏度和信噪比。

本实用新型中的探测器组件包括层叠排列的转换层和与每个转换层连接的信号引出结构，能够根据需要获取各个转换层的基本探测数据，在此基础上能够根据符合预定探测等级的转换层的基本探测数据获取预定探测等级的射线探测数据，从而实现根据探测的需要灵活探测不同能量等级的能量；另外，信号引出结构位于转换层的侧面，使得X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构，能够有效防止X射线经过转换层，提高了射线探测的灵敏度和信噪比。

在一个实施例中，基本探测单元的转换层为半导体(如CZT(cadmiumzinctelluride，镉锌碲化物))转换单元。在一个实施例中，基本探测单元的转换层为固体闪烁体转换单元，包括闪烁体和光电转换器。如图2a中所示，210为层叠排列的闪烁体，230为光电转换器件阵列，分别与每个闪烁体相连。这样的探测器组件成本低廉，可以兼容目前闪烁体和PD制造工艺，甚至直接选用现有型号的闪烁体和光电二极管，另外，还可以根据探测范围、制造及成本的需求选择适合的基本探测单元，从而更加有针对性的进行探测。

在一个实施例中，如图2b所示，多个闪烁体沿射线入射方向200层叠排列，光电转换器阵列位于闪烁体侧面。光电转换器连接信号引出结构240。在一个实施例中，光电转换器可采用光电二极管PD或硅光电倍增管SiPM。这样的探测器组件，X射线不会经过光电转换器，光电转换器不会对进入探测器组件的X射线造成衰减，从而有效提高了探测信号的信噪比。

在一个实施例中，如图2c、2d所示，探测器组件由包括8个沿X射线入射方向200排列的闪烁体211-218层叠排列成，闪烁体211-218侧面分别与光电转换器231-238相连。光电转换器231-238连接信号引出结构，分别输出8个基本探测数据。图2c、2d的实施例中，探测器组件包括8个闪烁体。可以根据需要选择3个以上闪烁体共同构成探测器组件，如4～16个。这样的探测器组件在使用过程中，X射线不会经过光电转换器和信号引出结构，从而不会对进入探测器组件的X射线造成衰减，从而有效探测信号的信噪比；可以根据需要选择探测器组件中固体闪烁体转换单元的个数，从而使探测更加灵活。

在一个实施例中，可以根据不同应用场合所需穿透的被检物的厚度，如集装箱检测、车辆检测等，采用不同的组合方式将从转换层获得的基本探测数据相加以使得到的信号值适应于后端的数据处理单元的动态范围，实现更好的物质识别。可以将从连接光电转换器231的信号引出结构获取的数据作为低能(如探测0～200keV)探测数据，将从连接光电转换器232和233的信号引出结构获取的数据相加作为中能(如200keV～3MeV)探测数据，将从连接光电转换器234～238的信号引出结构获取的数据相加得到高能(如3MeV～6MeV)探测数据。另一个应用实例是从连接光电转换器231的信号引出结构获取的数据作为低能(如0～200keV)探测数据，将从连接光电转换器232～234的信号引出结构获取的数据相加作为中能(如200keV～6MeV)探测数据，将从连接光电转换器235～238的信号引出结构获取的数据相加作为高能(如6MeV～9MeV)探测数据。这样的探测等级较为符合实际探测需求，有助于物质识别。

在一个实施例中，闪烁体耦合光电转换器的侧面以外的其他面覆盖反射层。如图2c、2d所示，220为反射层。反射层能够提高光子在光电转换器的收集效率，提高探测的准确度。

在一个实施例中，各个闪烁体之间通过反射粘接层紧密连接。如图2c、2d所示，221-227为反射粘接层，能够避免各个闪烁体之间的闪烁光子串扰，使每个转换层的基本探测数据更加准确，同时还起到粘接闪烁体的作用。

在一个实施例中，可以根据每层转换层探测范围的需求设置对应厚度的转换层。层叠排列的闪烁体的厚度可以是均匀的，也可以是不均匀的，如沿着射线方向靠前的几个闪烁体层厚选择较薄的，如0.5mm～3mm，后边几个闪烁体层厚选择较厚的，如2mm～8mm，这样的探测器组件可以根据辐射源能谱分布进行优化以提高探测效率。

在一个实施例中，可以选用CsI:Tl闪烁体，闪烁体尺寸可以为5mm(入射端面宽度)×5mm(入射端面高度)×5mm(层厚)；还可以选用CdWO₄闪烁体，闪烁体尺寸可以为8mm(入射端面宽度)×5mm(入射端面高度)×4mm(层厚)。可以根据需要选择对应尺寸、材质的闪烁体，更具有灵活性。

在一个实施例中，光电转换器为光电二极管。可以选用背照式硅光电二极管，分立的背照式硅光电二极管焊接固定在PCB基板239上，而PCB基板239与信号引出结构240焊接为一体。背照式光电二极管的引线从背面引出到PCB板上，可以节省PCB板的空间，使PCB板的尺寸不大于闪烁体侧面，从而实现多个多能探测组件在探测器板上的紧密排列。

本实用新型的射线探测器包括上文中提到的探测器组件和运算器。运算器能够根据从探测组件的各个转换层获取的基本探测数据，根据预定探测范围的需求，运算出预定探测范围的探测数据。在一个实施例中，运算器为能够进行“和”运算的FPGA，能够将预定探测范围符合预定探测等级的转换层的基本探测数据相加获取预定探测等级的射线探测数据。在一个实施例中，如图3所示，每一个成像点位置的探测器组件上的若干个(例如：8个)光电二极管(例如：分别为PD1、PD2……PD8)所采集到的电信号经过前置放大器放大后，再经过A/D模数转换器转换为数字信号(例如：对应为p1、p2……p8)输出到FPGA可编程处理器。FPGA对数据进行运算，如：将若干个相邻的光电二极管电信号的数值相加作为对某一能量的探测数据(例如：p1为低能数据，p2+p3为中能数据，p4+p5+p6+p7+p8为高能数据)。

这样的射线探测器能够根据探测等级的需要灵活处理基本探测数据，获取对应预定探测等级的射线探测数据。同时，由于X射线入射穿过转换层时不经过信号引出结构，能够有效防止X射线经过转换层，提高了射线探测的灵敏度和信噪比。

在一个实施例中，还可以获取多个预定探测等级的射线探测数据，如预定探测等级包括0～200keV的低能探测、探测范围为200keV～3MeV的中能探测、探测范围为3MeV～6MeV的高能探测，能够分别根据属于低能探测范围、中能探测范围、高能探测范围的基本探测数据获取对应预定探测等级的射线探测数据。在一个实施例中，预定探测等级还可以包括探测范围为0～200keV低能探测、探测范围为200keV～6MeV的中能探测和/或探测范围为6MeV～9MeV的高能探测。

这样的射线探测器能够同时获取多个预定探测等级的射线探测数据，应用于多能探测时效率更高。

在一个实施例中，在面向X射线入射方向依次为第1转换层，第2转换层……第N转换层。各转换层分别探测从低能到高能不同能量的光子。由前述可知，加速器所产生的X射线光子能量主要集中在低能和中能区，高能光子数较少。因此为了提高高能探测效率，可以将后面若干个转换层的数据相加作为一组高能的探测数据。例如将第1层所得数据作为低能数据；第2至K层数据作为中能数据；第k+1层、第k+2层、第k+3层、……第N层(2≤k≤N-1)的数据相加作为高能探测数据。这样的转换层基本探测数据组合不限于形成上述一种高能数据，可以形成多组高能数据，如第一高能数据、第二高能数据等。可以根据不同X射线源的能谱分布、检测应用场合以及对扫描图像物质识别性能的不同要求进行灵活配置。在一个实施例中，还可以配置成双能探测器，用前边的几个探测单元组合成低能探测器，后边的剩余单元组合成高能探测器。

在一个实施例中，预定探测等级包括0～200keV的低能探测、探测范围为200keV～3MeV的中能探测、探测范围为3MeV～6MeV的高能探测，能够分别根据数据低能探测范围、中能探测范围、高能探测范围的基本探测数据获取对应预定探测等级的射线探测数据。在一个实施例中，预定探测等级还可以包括探测范围为0～200keV低能探测、探测范围为200keV～6MeV的中能探测和/或探测范围为6MeV～9MeV的高能探测。这样的预定探测等级较为符合实际需求，便于进行物质识别。

在一个实施例中，如图4所示，其中，射线探测器包括若干个排成一线的探测器组件4201～4232通过接插件4401～4432安装到基板401上，每个探测器组件作为线扫描X射线成像系统探测器臂上的一个像元。射线入射方向400如图所示，X射线穿过转换层时，不会穿过基板或信号引出结构。射线探测器基板401上还包含将探测单元模拟电信号放大并转换为数字信号的处理电路，以及数据输出接口403。图4所示的射线探测器包括32个排成一线的探测器组件。可以根据需要设置探测器组件的个数，如64个。

这样的射线探测器能够同时获取一条线上的射线探测数据，实现线扫描。探测器组件的尺寸小，获取的探测数据可以作为扫描成像上的一个像素。探测器组件之间紧密排列，有效减少了测量死角；探测器尺寸精度容易保保证，探测器组件可以预先切割封装成整齐的一列，结构简单可靠；信号的引出不受叠加操作影响，避免叠加操作中可能引起的探测器错位和制造缺陷问题；X射线不经过信号引出结构，射线探测器死区少，有助于提高信噪比。

在一个实施例中，可以将如图4所示的射线探测器层叠紧密排列，同时获取一个面上的射线探测数据，实现二维探测，提高探测效率。

具有宽穿透深度范围且具备物质识别能力的高能X射线多能(能谱)辐射成像大型检测系统技术将可能使现有安检设备性能得到极大的提高。通过上文中提到的射线探测器能够获取由单能高能加速器产生连续能谱X射线束穿透扫描对象后经过衰减得到的包含物质原子序数信息的衰减谱，利用衰减谱获取成像关键信息。上文中的多能探测器可以对连续X射线谱中不同能量射线的强度分别进行准确的测量，使得成像更加准确。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对齐限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种探测器组件，其特征在于，包括：

多个转换层；和

信号引出结构；

其中，所述转换层层叠排列，所述信号引出结构位于所述转换层的侧面，使得X射线入射穿过所述转换层时不经过所述信号引出结构。

2.根据权利要求1所述的探测器组件，其特征在于，所述转换层为固体闪烁体转换单元，所述固体闪烁体转换单元包括闪烁体和光电转换器。

3.根据权利要求2所述的探测器组件，其特征在于，所述闪烁体层叠排列，闪烁体之间的连接面与X射线入射方向垂直；所述光电转化器位于所述闪烁体的侧面，所述光电转换器连接所述信号引出结构且连接面与X射线入射方向平行。

4.根据权利要求2所述的探测器组件，其特征在于，

所述闪烁体耦合所述光电转换器的侧面以外的其他面覆盖反射层；和/或，

所述闪烁体之间通过反射粘接层紧密连接；和/或，

所述闪烁体为CsI:Tl闪烁体或CdWO₄闪烁体；和/或，

所述光电转换单元为光电二极管；和/或，

所述闪烁体厚度为0.2mm～8mm。

5.根据权利要求1所述的探测器组件，其特征在于，所述转换层为半导体转换单元。

6.根据权利要求1～5任一所述探测器组件，其特征在于，

根据每层所述转换层探测范围需求设置对应厚度的转换层；

和/或，

所述探测器组件包括3层以上所述转换层。

7.一种射线探测器，其特征在于，包括权利要求1～6任一所述探测器组件，和

运算器，用于将预定探测范围符合所述预定探测等级的所述转换层的基本探测数据相加获取预定探测等级的射线探测数据。

8.根据权利要求7所述的射线探测器，其特征在于，所述运算器还用于基于多个所述转换层的基本探测数据的组合获取多个预定探测等级的射线探测数据。

9.根据权利要求7或8所述的射线探测器，其特征在于，所述预定探测等级包括探测范围为0～200keV低能探测、探测范围为200keV～3MeV的中能探测和/或探测范围为3MeV～6MeV的高能探测；

或，

所述预定探测等级包括探测范围为0～200keV低能探测、探测范围为200keV～6MeV的中能探测和/或探测范围为6MeV～9MeV的高能探测。

10.根据权利要求7所述的射线探测器，其特征在于，所述射线探测器包括多个所述探测器组件，多个所述探测器组件侧面紧密相连，且连接所述信号引出结构的一面固定于基板。

11.根据权利要求10所述的射线探测器，其特征在于，所述射线探测器包括多个层叠排列的固定有所述探测器组件的所述基板。