專利名稱：一種伽瑪射線探測成像的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種伽瑪射線探測成像的方法及裝置，屬于輻射探測成像技術領域。
背景技術：
傳統(tǒng)的伽瑪射線探測技術通常采用一種以閃爍晶體作為探測材料、以光電倍增管作為信號放大器的結(jié)構(gòu)，通稱為閃爍探測器。當伽瑪射線入射到閃爍晶體內(nèi)，根據(jù)其能量范圍，通常會產(chǎn)生光電效應、康普頓散射效應及電子對效應，其自身能量最終被晶體吸收而同時釋放出極其微弱的閃爍光。對于在可見光區(qū)或紫外光區(qū)的閃爍光，可經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后利用高靈敏度的信號放大器件，即光電倍增管進行探測而獲得伽瑪射線的全部信息，比如光電倍增管輸出的脈沖信號的強度反應了伽瑪射線的能量；脈沖信號發(fā)生的時間反映了伽瑪射線的入射時間。這種傳統(tǒng)的閃爍探測器具有高效率，高信噪比和響應時間快等特點，被廣泛應用于高能物理、宇宙射線探測及核醫(yī)學的研究中，是當今輻射探測技術領域中不可或缺的手段。但傳統(tǒng)的閃爍探測器在進行成像時需采用大量獨立的光電倍增管來偶合一組閃爍晶體陣列進行定位分析，而且光電倍增管之間存在有較大面積的探測死區(qū)，從而整個探測器成像的體積大、成本高，而且空間分辨率相對較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種伽瑪射線探測成像的方法及裝置，通過真空電場來偶合閃爍晶體陣列與微通道板，完成伽瑪射線的探測、放大、定位及成像等功能，同時獲取伽瑪射線作用于閃爍晶體中的時間、空間和能量信息。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，成本相對低廉及空間分辨率高等特點。
本發(fā)明提出的伽瑪射線探測成像方法，包括以下步驟(1)在閃爍晶體陣列表面蒸鍍光電陰極；(2)伽瑪射線平行入射到上述閃爍晶體陣列，使晶體內(nèi)發(fā)出閃爍光；(3)上述閃爍光在晶體端面發(fā)射時與其表面光電陰極材料作用，產(chǎn)生光電效應而激發(fā)出光電子；(4)收集光電子，使光電子沿晶體表面法線方向?qū)С觯?5)對上述導出的光電子進行增益放大，收集經(jīng)放大后的脈沖電壓信號；(6)由上述脈沖電壓信號，計算伽瑪射線的能量和空間位置，伽瑪射線的能量正比于脈沖電壓信號大小，伽瑪射線的空間位置等于脈沖電壓信號產(chǎn)生的位置。
上述方法中計算伽瑪射線的能量和空間位置的計算方法為設輸出的脈沖電壓分別為Va，Vb，Vc，Vd，則伽瑪射線的能量Eγ為
Eγ＝k×(Va+Vb+Vc+Vd)其中k為正比系數(shù)，104≤k≤105伽瑪射線的空間位置X，Y分別為X=VB+VDVA+VB+VC+VD]]>Y=VA+VBVA+VB+VC+VD]]>本發(fā)明提出的伽瑪射線探測成像的裝置，包括閃爍晶體陣列、光電陰極、引出柵極、微通道板、探測成像陽極和引出電纜。閃爍晶體陣列、光電陰極、引出柵極、微通道板、探測成像陽極和引出電纜均置于真空外殼內(nèi)。光電陰極、引出柵極、微通道板和探測成像陽極分別與真空外殼外的高壓電極相連；所述的閃爍晶體陣列置于真空外殼內(nèi)的絕緣支架上，光電陰極緊貼在閃爍晶體陣列的一側(cè)，引出柵極、微通道板和探測成像陽極依次置于光電陰極的另一側(cè)，引出電纜的一端與微通道板相接，另一端伸出真空密封外殼。
本發(fā)明提出的伽瑪射線探測成像的方法和裝置，具有以下特點和優(yōu)點1、極高的空間分辨率由于本裝置中用于光電子信號放大的微通道板的空間分辨率極高，目前單通道的最小尺寸為2μm，遠小于閃爍晶體的截面尺寸，因此微通道板型伽瑪射線探測器的空間分辨率只由單根閃爍晶體的截面大小決定。不同閃爍晶體材料的機械加工性能不同，但一般都可切割得到1mm×1mm的截面尺寸，如果用鍺酸鉍(BGO)材料目前可加工到0.3mm×0.3mm，并且還有近一步縮小的潛力。因此微通道板型伽瑪射線探測器具有亞毫米級的極高空間分辨率(0.3～1mm)，遠好于目前商業(yè)市場的閃爍探測器最好分辨率(3-5mm左右)。
2、低成本和易生產(chǎn)本裝置采用了微通道板，因此可獲得極高的成像像素點陣，例如對應25mm×25mm的正方形微通道板，如果單根閃爍晶體的截面尺寸為1mm×1mm，則可在單片微通道板上獲得像素點為25×25的圖像，像素點數(shù)與微通道板數(shù)比為625∶1，如果閃爍晶體的截面尺寸為0.5mm×0.5mm，則像素點數(shù)與微通道板數(shù)比為2500∶1，此解碼效率遠大于傳統(tǒng)的閃爍探測器。目前傳統(tǒng)的閃爍探測器的最大解碼比為64∶1，為獲得同樣的圖象精度，傳統(tǒng)的閃爍探測器需用大量的光電倍增器來定位成像，而微通道板型閃爍探測器只須單片微通道板即可完成任務，因此微通道板型閃爍探測器成像的相對成本較低。傳統(tǒng)的閃爍探測器因為分光需要，必須在每根閃爍晶體表面加工或噴涂復雜的幾何圖形的反光材料，安裝過程相對復雜。而微通道板型閃爍探測器的閃爍晶體表面只要均勻涂覆一層反光材料，因此微通道板型閃爍探測器的晶體探頭的制做工藝大大簡化，可由傳統(tǒng)的手工制做轉(zhuǎn)為自動化大規(guī)模生產(chǎn)，節(jié)約了大量的勞動力成本并極大地提高了生產(chǎn)效率。另外傳統(tǒng)的閃爍探測器需用光學膠粘貼閃爍晶體與光電倍增器，對定位精度要求很高，而且閃爍光在界面存在光反射損失。而閃爍晶體點陣與微通道板的偶合是非接觸式的真空電場偶合，不存在粘貼對準及光偶合等問題，使得組裝過程簡單易行。綜上所述，微通道板型閃爍探測器的突出優(yōu)點不僅是極大地提高空間分辨率，而且其成本遠低于傳統(tǒng)的閃爍探測器。
3、較高能量分辨率微通道板的放大能力與光電倍增器基本相同(＞106)，但由于微通道板與閃爍晶體點陣的偶合方式是通過非接觸式真空電場，光電陰極直接蒸鍍在閃爍晶體表面，因此閃爍光直接激發(fā)光電陰極發(fā)射光電子，光電量子產(chǎn)額很高。而傳統(tǒng)的閃爍探測器在閃爍晶體與光電倍增管之間存在有光膠和光電倍增器管壁，有一定數(shù)量的閃爍光被這些界面反射和吸收，其最終有效的光電轉(zhuǎn)換效率遠低于微通道板型閃爍探測器，因此通過微通道板型閃爍探測器獲得的光電子數(shù)更多，在完成成像的同時可獲得20％左右的能量分辨率，而傳統(tǒng)的閃爍探測器成像時的能量分辨率在40％以上。
4、極快速響應傳統(tǒng)的光電倍增管的渡越時間較長，響應時間為數(shù)十納秒，漲落為2-3納秒。而微通道板具有極短的響應時間，通常小于1納秒，漲落小于0.1納秒。因此微通道板型閃爍探測器能更好地保留入射伽瑪射線的原始時間信息。
5、探測效率高微通道板型閃爍探測器的計數(shù)率可達106/s以上，而傳統(tǒng)閃爍探測器只有105/s.如果采用金屬陽極板、條型陽極或網(wǎng)絡電阻陽極，通過簡單的多路電荷積分電路可完成解碼定位以及時間和能量信息讀取。多陽極板也可直接用來測量每根閃爍晶體的信息，同時獲得地址信號和強度信號，不需要復雜的電子線路對其空間位置進行解碼，因此其探測和成像的電子線路相對簡單，設計成本低。另外各通道可以獨立工作，使得探測器具有更高計數(shù)率。
6、抗磁場干擾由于微通道板對磁場具有較強的抵抗能力，所以微通道板型閃爍探測器對地磁場的干擾可以完全忽略，而且在一些較強磁場的環(huán)境中(＜100高斯)也可正常工作。
7、結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小傳統(tǒng)光電倍增器體形狹長，通常超過100mm，相比之下，因為微通道板的厚度小于1mm，這使得微通道板型閃爍探測器具有非常緊湊輕巧的結(jié)構(gòu)，其整體長度僅為傳統(tǒng)閃爍探測器的十分之一，大大地降低了探測器的機械加工成本和占用空間。
8、可甄別光電效應或康普頓散射效應發(fā)光伽瑪射線激發(fā)的光電效應具有固定的光子產(chǎn)額，其相應的譜峰位置對應于伽瑪射線的特征能量，因此從閃爍探測器可獲得伽瑪射線的特征能量譜線。而康普頓散射效應產(chǎn)生的光子數(shù)產(chǎn)額低于光電效應的產(chǎn)額，但穿透多根閃爍晶體的多次散射效應由于總光子產(chǎn)額等于光電效應的產(chǎn)額，因此傳統(tǒng)的閃爍探測器很難加以區(qū)分。而微通道板型閃爍探測器中由于單根閃爍晶體與微通道板和多陽極一一對應，對每一晶體位置上獲得的能譜經(jīng)設定域值后，從根本上可甄別出閃爍晶體內(nèi)的光電效應或晶體之間的康普頓散射效應。


圖1是本發(fā)明設計的伽瑪射線探測成像的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的a-a剖視圖。
圖3是單根閃爍晶體示意圖。
圖4是閃爍晶體表面的光陰極和引出柵極的作用原理圖，其中(a)表示無光陰極和引出柵極，(b)表示有光陰極和引出柵極。
圖5是微通道板的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明裝置的一個實施例中所用的探測成像陽極的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1～圖5中，1是閃爍晶體陣列，2是光電陰極，3是引出柵極，4是微通道板，為雙片結(jié)構(gòu)，5是探測成像陽極，6是圖像信號引出電纜，7是高壓電極，可以有多組，8是真空濺射離子泵，9是絕緣支架，10是真空密封外殼，11是伽瑪射線入射方向，12是閃爍光，13是光電子，14是二次電子，15是反光材料，16是發(fā)光端口。
圖7是實驗測試示意圖，其中20是銫(Cs-137)伽瑪射線點源，21是微通道板型閃爍探測器，22、23、24、25為高壓電容(耐壓3000伏，470pF)，26、27、28、29為電阻(50歐姆)，30、31、32、33是高速放大器。
圖8是單電子噪聲信號的時間響應。
圖9是伽瑪射線激發(fā)閃爍發(fā)光的脈沖信號。
圖10是銫(Cs-137)伽瑪射線的能譜。
圖11是(3×3)鍺酸鉍晶體微通道板型閃爍探測器的伽瑪射線定位圖像。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的伽瑪射線探測成像方法，首先在閃爍晶體陣列表面蒸鍍光電陰極；伽瑪射線平行入射到上述閃爍晶體陣列，使晶體內(nèi)發(fā)出閃爍光；閃爍光在晶體端面發(fā)射時與其表面光電陰極材料作用，產(chǎn)生光電效應而激發(fā)出光電子；收集光電子，使光電子沿晶體表面法線方向?qū)С觯粚С龅墓怆娮舆M行增益放大，收集經(jīng)放大后的脈沖電壓信號；由脈沖電壓信號，計算伽瑪射線的能量和空間位置，伽瑪射線的能量正比于脈沖電壓信號大小，伽瑪射線的空間位置等于脈沖電壓信號產(chǎn)生的位置。
本發(fā)明的一個實施例中，使用如圖6所示的探測成像陽極，設輸出的脈沖電壓分別為Va，Vb，Vc，Vd，則伽瑪射線的能量Eγ為Eγ＝k×(Va+Vb+Vc+Vd)其中k為正比系數(shù)，104≤k≤105伽瑪射線的空間位置X，Y分別為X=VB+VDVA+VB+VC+VD]]>Y=VA+VBVA+VB+VC+VD]]>上述方法中，在閃爍晶體表面蒸鍍光電陰極材料之前，還可以先在閃爍晶體表面蒸鍍氧化銦錫(ITO)透明導電膜作為過渡層，可阻止晶體表面與光電陰極材料反應，從而延長探測器壽命。
上述方法中所述的光電陰極為單堿金屬(Cs-Sb)、二堿金屬(K-Cs-Sb)或三堿金屬(K-Na-Cs-Sb)等。
上述方法中所述的閃爍晶體的材料可以是鍺酸鉍(BGO)、硅酸镥(LSO)、硅酸釓(GSO)、氟化鋇(BaF2)、碘化鈉(NaI)、碘化銫(CsI)、鎢酸鉛(PbWO4)或鋁酸釔(YaP)中的任何一種。
本發(fā)明提出的伽瑪射線探測成像的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括閃爍晶體陣列1、光電陰極2、引出柵極3、微通道板4、探測成像陽極5和引出電纜6。閃爍晶體陣列1、光電陰極2、引出柵極3、微通道板4、探測成像陽極5和引出電纜6均置于真空外殼10內(nèi)。光電陰極2、引出柵極3、微通道板4和探測成像陽極5分別與真空外殼10外的高壓電極7相連。閃爍晶體陣列1置于真空外殼內(nèi)的絕緣支架9上，光電陰極2緊貼在閃爍晶體陣列1的一側(cè)，引出柵極3、微通道板4和探測成像陽極5依次置于光電陰極1的另一側(cè)，引出電纜6的一端與微通道板4相接，另一端伸出真空密封外殼。
本發(fā)明裝置中，閃爍晶體陣列1由細長條型閃爍晶體材料粘接而成，其剖示圖如圖2所示。當伽瑪射線入射到閃爍晶體陣列中，每個伽瑪光子會激發(fā)其入射位置的一根閃爍單晶體，通過光電效應或康普頓散射效應使單根晶體內(nèi)發(fā)出閃爍光，根據(jù)不同的閃爍晶體材料特性，對應的閃爍光子數(shù)目通常在102～103量級。這些晶體內(nèi)產(chǎn)生的閃爍光經(jīng)晶體周圍表面反光材料的反射而束縛于單根晶體內(nèi)，它們只能在未涂覆有反光材料的晶體末端發(fā)射出來，因此這些發(fā)射光產(chǎn)生的位置反映了伽瑪射線的入射位置，其空間精度的高低由單根閃爍晶體的截面尺寸決定。
在閃爍晶體發(fā)光末端的表面預先蒸鍍有光電發(fā)射材料，該材料成為光電陰極2，因此晶體內(nèi)的閃爍光在發(fā)射出晶體端口時激發(fā)光電發(fā)射材料產(chǎn)生光電子，從而完成光電轉(zhuǎn)換。
通過調(diào)節(jié)靠近閃爍晶體光電轉(zhuǎn)換端面的非接觸式的網(wǎng)狀電極，即引出柵極3的電壓，可將光電子沿晶體光電轉(zhuǎn)換端面法線方向穿過網(wǎng)狀電極全部引出，發(fā)射的光電子的空間分布與閃爍晶體的截面一致，因此它仍保持有伽瑪射線的入射位置信息。
在引出柵極3和特殊的電信號放大器，即圖中的微通道板4之間存在有真空偏壓電場，光電子將被直線加速射入到微通道板放大器表面，該電子信號經(jīng)增益放大后，大量的二次電子從微通道板放大器的背部發(fā)射出來，二次電子的發(fā)射位置與入射光電子的位置一致。這些二次電子再經(jīng)真空電場直線加速后，入射到探測成像陽極上而產(chǎn)生脈沖電流信號，通過計算脈沖電流信號在電極板上的位置，即可直接獲得伽瑪射線的入射位置；同時成像電極的脈沖電流的強度經(jīng)校正后對應于伽瑪射線的強度；脈沖電流發(fā)生的時間也非常接近伽瑪射線的入射時間。
通過信號采集系統(tǒng)對大量的伽瑪射線產(chǎn)生的成像電極脈沖信號的收集與處理，最終可獲得伽瑪射線入射的空間分布圖像，同時通過對每一象素點位置的信號分析，可獲得該處的伽瑪射線入射的時間信息和能量信息。
圖3是圖1中單根細長條型閃爍晶體的結(jié)構(gòu)示意圖，它由大塊閃爍晶體經(jīng)機械切割、打磨、拋光后制得。除發(fā)光端口外，晶體其它表面全部均勻涂敷一層反光材料，大量細長條型的單晶棒可粘接成閃爍晶體陣列1。當單個伽瑪射線射入閃爍晶體陣列中，會在其中某一根晶體內(nèi)被吸收而同時發(fā)出閃爍光，波長一般在200nm～600nm之間(紫外線或可見光范圍)。由于單根晶體表面反光材料的反射作用，閃爍光將被束縛于此單晶體內(nèi)并多次反射，其中小部分光被晶體吸收，但大量的閃爍光可集中從晶體唯一未涂反光漆的發(fā)光端射出，此時閃爍光在發(fā)光端口保持有伽瑪射線入射的空間位置信息，其空間定位精度等于單根晶體的截面尺寸，目前利用BGO晶體可加工的最小尺寸為0.3×0.3mm2。
由于從晶體發(fā)光端口射發(fā)的閃爍光是發(fā)散的，發(fā)射立體角為2π，因此空間定位信息隨著閃爍光的逃逸很快損失，如圖4a所示。為了保持其起始空間位置的信息，同時為了探測這些極其微弱的閃爍光強度，本發(fā)明首次提出在閃爍晶體發(fā)光端表面直接蒸鍍一層光電陰極2的方法(如單堿金屬Cs-Sb，二堿金屬K-Cs-Sb或三堿金屬K-Na-Cs-Sb等).利用閃爍光的激發(fā)而促使光電陰極產(chǎn)生光電效應，將閃爍光轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的光電子13，從而高效率地完成了的光電信號轉(zhuǎn)換。光電陰極的材料選擇和蒸鍍工藝屬已有技術，轉(zhuǎn)換效率在5％～30％之間.同時在距離光電轉(zhuǎn)換表面1mm左右安裝具有可調(diào)電壓的引出柵極3，利用光電陰極與引出柵極之間的真空電場，可將光電子垂直于晶體端面引出，此方法不僅有效地減小了光電子的逃逸損失，同時引出柵極使光電子飛行軌跡平行化，從而保留了伽瑪射線入射的位置信息，如圖4b所示。這種閃爍晶體陣列上直接沉積光電陰極及利用柵極引出的方法大大提高了此微通道板型探測器的前級信號強度，為后續(xù)的信號放大系統(tǒng)提供了足夠數(shù)量的光電子數(shù)。
本裝置中所用的微通道板4是70年代發(fā)展起來的一種新型電子倍增器件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，通常一塊微通道板上有接近百萬個微通道貫穿體內(nèi)，單根通道的直徑通常在2～50μm范圍。當電子入射到通道上時，它被加速轟擊到通道管壁的發(fā)射材料上激發(fā)出二次電子，然后二次電子繼續(xù)被加速轟擊管壁并激發(fā)出更多的電子，以這種級聯(lián)方式對入射電子信號進行放大。由于每個微通道直徑很小，長徑比很高(＞40)，單片微通道板的增益系數(shù)大于104，雙片可達107。另外微通道板的厚度一般小于1mm，因此電子渡越的分散性不大，信號響應時間低于1ns且具有很好的線性范圍。如果放大信號的最終收集極是多陽極結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡電阻結(jié)構(gòu)，則微通道板可作為優(yōu)異的位置靈敏探測器。隨著近30年的完善和改進，國際市場上微通道板的工作電流和使用壽命得到顯著的提高，目前此產(chǎn)品已廣泛應用到夜視設備、粒子與輻射探測，信號放大及其它科學研究等領域。本發(fā)明首次利用微通道板4直接收集從閃爍晶體的光電陰極3表面產(chǎn)生的光電子信號。由于光電陰極與微通道板之間存在有偏壓電場，因而光電子將被加速后轟擊到微通道板表面，經(jīng)多次級聯(lián)放大后二次電子14從后端面射出，再通過后續(xù)偏壓電場加速而最終被成像陽極板5俘獲并產(chǎn)生脈沖信號。在較強偏壓電場的束縛下，從閃爍晶體表面飛出的光電子經(jīng)對應區(qū)域的微通道管放大后仍保持有原來空間位置信息的，因此微通道板不僅完成了信號增益功能，而且非常理想地保留了光電子信號的空間位置。同時由于單個微通道的尺寸很小，每根閃爍晶體細棒的截面通常有102～104個微通道管對應，雖然單個微通道的增益略有不同，但大量微通道總和的平均增益具有很好的一致性，因此微通道板在閃爍晶體陣列范圍內(nèi)能提供均勻的放大倍數(shù)。由于單根閃爍晶體中被伽瑪射線激發(fā)的閃爍光子數(shù)目可達上千個，經(jīng)光電陰極轉(zhuǎn)化后得到數(shù)百個光電子，因此微通道板輸出的電流為10-10安培，脈沖電壓在20毫伏左右。
圖1中，位于微通道板4后面的探測成像陽極5是探測和成像的“視網(wǎng)膜”，不同位置的閃爍光信號經(jīng)微通道板放大后，被與之對應的探測成像陽極5吸收并產(chǎn)生電脈沖信號，最后通過圖像信號引出電纜7輸出。成像陽極屬已有成熟技術，有多種方法可供選擇。比如作為探測用的陽極板可以是單片金屬或條狀電極，它能提供脈沖信號的時間和強度，從而獲得伽瑪射線的入射時間和能量分布，脈沖電流在陽極板上的分布可確定出入射位置。如果用多個陽極板，即對應于閃爍晶體陣列的一組同樣空間分布的陽極陣列；或利用網(wǎng)絡電阻陽極，即對應于閃爍晶體陣列的一組電阻點陣陽極，每一陽極節(jié)點與單根閃爍晶體對應，通過直接測量或網(wǎng)絡運算，都可獲得對應于每根閃爍晶體的時間，能量和空間信息，從而獲得伽瑪射線的二維點陣圖像，因此微通道板的成像具有很高定位精度和對比度，并且能夠較好地保持信號的時間信息(＜1ns)。
由于光電陰極和微通道板必須要求在超高真空的環(huán)境中工作，因此微通道板型閃爍探測器靠安裝濺射離子泵8維持，整個探測器安裝在真空密封室10中，探測室內(nèi)的真空度優(yōu)于10-8Torr。
光電陰極、引出柵極、微通道板和成像陽極的電壓范圍從0V～3000V左右可調(diào)，因此需要安裝高壓系統(tǒng)7分別將它們與真空系統(tǒng)外的高壓電源連接，工作模式有正高壓和負高壓兩種。光電陰極接地，成像陽極接正高壓的方式為正高壓模式，陽極信號采用交流偶合方式輸出；光電陰極接負高壓，成像陽極接地的方式為負高壓模式，陽極信號采用直流偶合方式輸出。
下面介紹本發(fā)明的一個實施例實驗條件閃爍晶體材料鍺酸鉍(BGO)閃爍晶體結(jié)構(gòu)3行3列組成3×3鍺酸鉍晶體點陣。單根晶體截面尺寸為2.0mm×2.0mm，長度為10mm。
伽瑪射線源銫(Cs-137)點源，強度為10μCi，能量為662KeV光電陰極材料Cs-Sb，光電陰極電壓0V(接地)引出柵極電壓+150V微通道板數(shù)目2片，微通道板前表面電壓+250V，微通道板后表面電壓+2250V，微通道板增益5×106(雙片)成像陽極金屬板電極，成像陽極電壓+2400V探測器真空度＜10-8Torr如圖7所示，微通道板型閃爍探測器的實驗樣機由3行3列組成3×3鍺酸鉍晶體點陣組成，銫(Cs-137)伽瑪射線點源距離微通道板型閃爍探測器20cm遠，伽瑪射線近似平行地入射到3×3鍺酸鉍晶體點陣上，它激發(fā)的閃爍光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和微通道板放大后被金屬板陽極收集，從金屬板陽極發(fā)出的脈沖信號經(jīng)四個邊角觸頭引出，通過高壓電容(耐壓3000伏，470pF，見圖7中的22、23、24、25)，和50歐姆電阻(見圖7中的26、27、28、29)組成的高通濾波電路輸出，經(jīng)高速放大器(圖7中的30、31、32、33)放大后進行運圖6所示，從A，B，C，D四個極點輸出的脈沖電壓經(jīng)四個高速放大器放大后分別為Va，Vb，Vc，Vd，則伽瑪射線的能量Eγ為Eγ＝k×(Va+Vb+Vc+Vd)其中k為正比系數(shù)，其數(shù)量級為104(KeV/V)。
而伽瑪射線的空間位置X，Y分別為X=VB+VDVA+VB+VC+VD]]>Y=VA+VBVA+VB+VC+VD]]>實驗測得微通道板型閃爍探測器的時間響應很快，圖8是它對單電子噪聲信號的時間響應，脈沖前沿的響應時間小于1.2納秒。圖9是它對一個伽瑪射線在鍺酸鉍晶體內(nèi)激發(fā)大量閃爍發(fā)光的連續(xù)響應信號，閃爍發(fā)光的持續(xù)時間約2.0微秒。
圖10是利用通道分析儀測量的銫(Cs-137)伽瑪射線的能譜測量，水平軸的通道數(shù)正比于伽瑪射線的能量，垂直軸對應于該能量位置處的計數(shù)率，其中最大峰位對應于Cs-137發(fā)射的伽瑪射線的特征能量(662KeV)，該微通道板型閃爍探測器的能量分辨率為25％。
圖11是微通道板型閃爍探測器對伽瑪射線的探測成像，即伽瑪射線入射位置的空間分布圖，其中3×3點陣結(jié)構(gòu)清晰可見。圖像的灰度代表計數(shù)率，顏色越黑則該處伽瑪射線的強度越高，該微通道板型閃爍探測器的空間分辨率為2mm，即等于單根鍺酸鉍晶體的截面尺寸，總伽瑪射線計數(shù)為105個。
權利要求
1.一種伽瑪射線探測成像方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)在閃爍晶體陣列表面蒸鍍光電陰極；(2)伽瑪射線平行入射到上述閃爍晶體陣列，使晶體內(nèi)發(fā)出閃爍光；(3)上述閃爍光在晶體端面發(fā)射時與其表面光電陰極材料作用，產(chǎn)生光電效應而激發(fā)出光電子；(4)收集光電子，使光電子沿晶體表面法線方向?qū)С觯?5)對上述導出的光電子進行增益放大，收集經(jīng)放大后的脈沖電壓信號；(6)由上述脈沖電壓信號，計算伽瑪射線的能量和空間位置，伽瑪射線的能量正比于脈沖電壓信號大小，伽瑪射線的空間位置等于脈沖電壓信號產(chǎn)生的位置。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(6)中，設輸出的脈沖電壓分別為Va，Vb，Vo，Vd，則伽瑪射線的能量Eγ為Eγ＝k×(Va+Vb+Vc+Vd)其中k為正比系數(shù)，104≤k≤105伽瑪射線的空間位置X，Y分別為X=VB+VDVA+VB+VC+VD]]>Y=VA+VBVA+VB+VC+VD]]>
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于在閃爍晶體表面蒸鍍光電陰極材料之前先在閃爍晶體表面蒸鍍氧化銦錫。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的光電陰極為單堿金屬Cs-Sb、二堿金屬K-Cs-Sb或三堿金屬K-Na-Cs-Sb中的任何一種。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的閃爍晶體的材料為鍺酸鉍、硅酸镥、硅酸釓、氟化鋇、碘化鈉、碘化銫、鎢酸鉛或鋁酸釔中的任何一種。
6.一種伽瑪射線探測成像的裝置，其特征在于該裝置包括閃爍晶體陣列、光電陰極、引出柵極、微通道板、探測成像陽極和引出電纜；所述的閃爍晶體陣列、光電陰極、引出柵極、微通道板、探測成像陽極和引出電纜均置于真空外殼內(nèi)；所述的光電陰極、引出柵極、微通道板和探測成像陽極分別與真空外殼外的高壓電極相連；所述的閃爍晶體陣列置于真空外殼內(nèi)的絕緣支架上，光電陰極緊貼在閃爍晶體陣列的一側(cè)，引出柵極、微通道板和探測成像陽極依次置于光電陰極的另一側(cè)，引出電纜的一端與微通道板相接，另一端伸出真空密封外殼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種伽瑪射線探測成像方法及其裝置，屬于輻射探測成像技術領域。本方法在閃爍晶體陣列表面蒸鍍光電陰極；伽瑪射線入射到晶體陣列發(fā)出閃爍光；閃爍光在晶體端面發(fā)射時與光電陰極材料作用激發(fā)出光電子，收集光電子并使其沿晶體表面法線方向?qū)С?，對增益放大后的脈沖電壓信號計算伽瑪射線的能量和空間位置。本裝置中，閃爍晶體陣列置于真空室內(nèi)的絕緣支架上，光電陰極緊貼在閃爍晶體陣列的一側(cè)，引出柵極、微通道板和成像陽極依次置于光電陰極的另一側(cè)，引出電纜的一端與成像陽極相接，另一端伸出真空密封外殼。本發(fā)明方法和裝置具有很高的空間分辨率和較高能量分辨率，抗磁場干擾，響應速度快，并且結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，生產(chǎn)成本低。
文檔編號G01T1/00GK1564022SQ20041003064
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權日2004年4月2日
發(fā)明者謝舒平, 劉亞強, 謝立平 申請人:謝舒平, 劉亞強, 謝立平