專利名稱：高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器的設(shè)計(jì)方法，屬于輻射探測(cè)成像 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高能射線探測(cè)技術(shù)常用探測(cè)器之一為閃爍體探測(cè)器。它通常利用一種能夠有效阻擋和吸收電磁波輻射并與之產(chǎn)生發(fā)光作用的閃爍晶體作為探測(cè)材料。當(dāng)高能射線入射到閃 爍晶體內(nèi)，根據(jù)射線能量、閃爍晶體有效原子系數(shù)和密度的不同，與閃爍晶體發(fā)生不同比例 的光電效應(yīng)、康普頓散射及電子對(duì)效應(yīng)，將能量沉積在閃爍晶體中，被激發(fā)的閃爍晶體退激 發(fā)出大量微弱的閃爍光，退激服從指數(shù)衰減規(guī)律，不同材料的閃爍晶體具有不同的發(fā)光光 譜(包括不同的發(fā)光衰減時(shí)間，不同的峰位值等)。利用微光探測(cè)器，如光電倍增管(PMT)、 硅光電倍增管(SiPM)、雪崩二極管(APD)等，將位于可見光區(qū)或紫外光區(qū)的閃爍光經(jīng)過光 電轉(zhuǎn)換和倍增，形成脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)強(qiáng)度反映了高能射線的能量；脈沖信號(hào)發(fā)生的時(shí)間 反映了高能射線的入射時(shí)間；脈沖信號(hào)在多個(gè)微光探測(cè)器中的強(qiáng)度分配反映了高能射線的 入射位置等。閃爍探測(cè)器具有探測(cè)效率高，分辨時(shí)間短等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、安全 檢查、高能物理和宇宙射線探測(cè)的研究中，是當(dāng)今輻射探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的主要手段。傳統(tǒng)閃爍探測(cè)器在進(jìn)行成像探測(cè)時(shí)，通常用同一種材料的長(zhǎng)條型閃爍晶體組成的 閃爍晶體陣列來耦合微光探測(cè)器陣列的方法進(jìn)行高能射線的定位分析。當(dāng)高能射線入射到 晶體模塊上和長(zhǎng)條型晶體單元發(fā)生作用，將能量沉積在長(zhǎng)條型晶體單元中，長(zhǎng)條型晶體單 元退激發(fā)出大量低能光子(可見光或紫外光)，低能光子在長(zhǎng)條型晶體單元中傳播，經(jīng)過多 次反射最終被微光探測(cè)器探測(cè)到或逃逸。當(dāng)?shù)湍芄庾佑龅經(jīng)]有反射膜的表面將透射到其它 長(zhǎng)條型晶體單元中，從而可能被其它微光光探測(cè)器探測(cè)到。最終所有微光探測(cè)器將得到不 同強(qiáng)度的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的強(qiáng)度反映探測(cè)到低能光子的數(shù)量。通過探測(cè)到的所有脈沖 信號(hào)之和可以反映入射高能射線的能量，通過低能光子在各個(gè)微光探測(cè)器上的分布可以得 到高能射線的入射位置。因此傳統(tǒng)探測(cè)器通常采用Anger重心法定位。以光電倍增管方形 陣列為例，如圖la、lb，四個(gè)光電倍增管輸出信號(hào)為SA、SB、S。、SD，則高能射線的空間位置坐 標(biāo)X、Y和能量E分別由以下公式確定<formula>formula see original document page 3</formula>
如果用泛源照射到探測(cè)器上，采集足夠數(shù)量的高能射線粒子，根據(jù)上述重心法計(jì) 算每一個(gè)高能射線粒子的位置，并繪于二維直方圖中，得到如圖2的泛場(chǎng)直方圖或稱二維 位形圖。從高能射線粒子與晶體發(fā)生作用到被微光探測(cè)器探測(cè)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)的過程的隨 機(jī)性，導(dǎo)致輸出信號(hào)的不確定性，入射到同一塊長(zhǎng)條型晶體單元的若干個(gè)高能射線粒子會(huì)輸出不同的X、Y信號(hào)，反映在泛場(chǎng)直方圖中就是每一個(gè)晶體快呈現(xiàn)一個(gè)白色團(tuán)塊。根據(jù)泛場(chǎng)直方圖上的白色團(tuán)塊的分布情況，確定它們的分界線，并記錄在查找表中。數(shù)據(jù)采集時(shí)可 以根據(jù)每個(gè)入射事件產(chǎn)生的X、Y信號(hào)和查找表，判斷該入射粒子進(jìn)入了哪一個(gè)長(zhǎng)條型晶體 單元，從而得到相應(yīng)的晶體塊在探測(cè)器模塊中的位置編碼。另一種方法是利用泛場(chǎng)直方圖 使用最大似然估計(jì)方法，從粒子入射的X、Y值判斷它發(fā)生在哪個(gè)長(zhǎng)條型晶體單元中。然而由于探測(cè)信號(hào)的不確定性，產(chǎn)生的泛場(chǎng)直方圖的每一個(gè)白色團(tuán)塊是互相交聯(lián) 的，其物理意義為入射到同一塊長(zhǎng)條型晶體單元的若干個(gè)高能射線粒子輸出的X、Y信號(hào)， 在泛場(chǎng)直方圖中會(huì)被判定為作用于其它長(zhǎng)條型晶體單元，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，從而降低探測(cè) 器的空間分辨率。因此如何提高探測(cè)器的空間分辨率是輻射探測(cè)成像技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于探測(cè)高能射線，可以獲得高能射線的能量、時(shí)間、位置信息。本發(fā)明目 主要的在于獲得更高空間分辨率。本發(fā)明的特征在于高能射線疊層式晶體模塊以及用光學(xué)膠粘結(jié)在所述高能射線 疊層式晶體模塊上的微光探測(cè)器陣列，其中高能射線疊層式晶體模塊，由至少兩種以上不 同材料的長(zhǎng)條型晶體單元沿著所述長(zhǎng)條型晶體單元的寬度方向交替排列而成，所述兩種以 上不同材料的長(zhǎng)條型晶體單元是從下列各不同材料的晶體中任意選擇兩種以上組合而成 的鍺酸鉍、硅酸镥、硅酸釔镥、硅酸釓、硅酸釔、氟化鋇、碘化鈉、碘化銫、鎢酸鉛、鋁酸釔、溴 化鑭、氯化瀾、溴化鈰、硅酸镥、鋁酸镥、碘化镥。微光探測(cè)器陣列，其中的微光探測(cè)器包括光 電倍增管、硅光電倍增管、雪崩二極管；其中的光電倍增管包括方形頭和圓形頭。所述兩種 以上不同材料的長(zhǎng)條型晶體單元沿寬度方向的交替排列包括一個(gè)方向上交替排列或兩個(gè) 方向上的交替排列。所述高能射線疊層式晶體模塊與微光探測(cè)器陣列之間用光學(xué)膠或光導(dǎo) 材料粘結(jié)。所述光導(dǎo)材料是有機(jī)塑料、玻璃、光纖中的任意一種。所述兩種以上不同材料的 長(zhǎng)條型晶體單元交叉排列后的晶體模塊是一種方形或多邊形的晶體陣列。所述晶體模塊可 用多塊晶體模塊拼接代替。所述探測(cè)器是平面或弧形或環(huán)形。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施；選擇合適的晶體可以減少價(jià)格；通過對(duì)探測(cè)器輸出 脈沖信號(hào)的甄別，可以甄別與射線發(fā)生作用的長(zhǎng)條型晶體單元的材料，從而可以提高系統(tǒng) 空間分辨率；同時(shí)本發(fā)明的探測(cè)器易于擴(kuò)展。


圖Ia是單一種材料的閃爍晶體模塊耦合PQS(PMT-quadrant-sharing)方式的光 電倍增管陣列的傳統(tǒng)閃爍探測(cè)器的原理示意圖。圖Ib是單一種材料的閃爍晶體模塊耦合PQS方式的光電倍增管陣列的傳統(tǒng)閃爍 探測(cè)器的左視圖。圖2泛場(chǎng)照射獲得的二維直方圖。圖3泛場(chǎng)直方圖中心剖面線。圖4a是本發(fā)明閃爍探測(cè)器疊層式閃爍晶體陣列的基本結(jié)構(gòu)之一。圖4b是本發(fā)明閃爍探測(cè)器疊層式閃爍晶體陣列的基本結(jié)構(gòu)之一的左視圖。
圖5a是本發(fā)明閃爍探測(cè)器疊層式閃爍晶體陣列的基本結(jié)構(gòu)之二。圖5b是本發(fā)明閃爍探測(cè)器疊層式閃爍晶體陣列的基本結(jié)構(gòu)之二的左視圖。圖6a單塊疊層式晶體模塊和方形頭光電倍增管陣列的耦合。
圖6b單塊疊層式晶體模塊和方形頭光電倍增管陣列的耦合的右視圖。圖7a單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管陣列的耦合。圖7b單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管陣列的耦合的右視圖。圖8a單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管陣列的PQS方式耦和。圖8b單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管陣列的PQS方式耦和的左視圖。圖9a單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管陣列的PQS方式加上一個(gè)小尺寸 光電倍增管的耦和。圖9b單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管陣列的PQS方式加上一個(gè)小尺寸 光電倍增管的耦和的左視圖。圖IOa單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管六邊形陣列的耦和。圖IOb單塊疊層式晶體模塊和圓形頭光電倍增管六邊形陣列的耦和的左視圖。圖Ila單塊疊層式晶體模塊和硅光電倍增管或雪崩二極管陣列的耦和。圖lib單塊疊層式晶體模塊和硅光電倍增管或雪崩二極管的耦和的右視圖。圖1-11中1是晶體模塊，2是長(zhǎng)條型晶體單元，31為未進(jìn)行材料區(qū)分的泛場(chǎng)直方 圖的中心剖面線，32材料一的泛場(chǎng)直方圖的中心剖面線，33為材料二的泛場(chǎng)直方圖的中心 剖面線，3是另一種材料的長(zhǎng)條型晶體單元，4是光電倍增管，31，41，42是不同尺寸光電倍 增管，5硅光電倍增管或雪崩二極管。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種新型的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器的設(shè)計(jì)方法。探測(cè)器的 探頭由疊層式晶體模塊耦合光電倍增管陣列組成。所述的疊層式晶體模塊利用至少兩種以 上不同材料的長(zhǎng)條型晶體單元沿寬度方向交替排列成而成，交替包括一個(gè)方向交替和兩個(gè) 方向交替兩種。利用光學(xué)膠將上述疊層式晶體模塊和不同的微光探測(cè)器模塊耦合，上述微 光探測(cè)器陣列連接放大和解碼電路，獲取高能射線作用于閃爍晶體中的時(shí)間、空間和能量 以及能譜信息。不同的發(fā)光光譜，有不同的衰減時(shí)間，根據(jù)解碼電路中的能譜甄別電路，可以判定 高能射線主要沉積能量的長(zhǎng)條型晶體單元的材料。用泛源照射到探測(cè)器上，高能射線入射 到長(zhǎng)條型晶體單元時(shí)輸出不同的X、Y信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)甄別后，判斷高能射線所入射的長(zhǎng)條 型晶體單元的材料，并將不同材料的X、Y信號(hào)繪制于不同的二維直方圖中，從而可以得到 多個(gè)泛場(chǎng)直方圖。對(duì)多個(gè)泛場(chǎng)直方圖進(jìn)行分割，獲得多個(gè)查找表。探測(cè)高能射線，進(jìn)行位置 判斷時(shí)，先甄別信號(hào)，判斷出長(zhǎng)條型晶體單元材料，再選擇相應(yīng)的查找表進(jìn)行定位。采用該 方法，每個(gè)直方圖的白色團(tuán)塊的交聯(lián)較少，從而減小了晶體入射位置的誤判，提高探測(cè)器空 間分辨率。如圖3所示31為未進(jìn)行材料區(qū)分的泛場(chǎng)直方圖的中心剖面線，白色團(tuán)塊有很 大交聯(lián)；32、33為使用兩種晶體材料的疊層探測(cè)器對(duì)晶體材料區(qū)分后各個(gè)材料的泛場(chǎng)直方 圖的中心剖面線，白色團(tuán)塊有較小交聯(lián)。對(duì)高能射線沉積的位置做校正，能夠減小定位時(shí)的誤碼率，有效提高探測(cè)器的空間分辨率。本發(fā)明提出的疊層式晶體模塊的設(shè)計(jì)方法1.首先選擇兩種以上不同發(fā)光衰減常數(shù)的閃爍晶體。2.利用兩種以上晶體的長(zhǎng)條型單元交替排列構(gòu)成疊層晶體模塊，交替排列方法包 括單個(gè)方向的交替和兩個(gè)方向上交替。
利用上述疊層式閃爍晶體模塊組合高能射線探測(cè)器的方法1.利用多個(gè)微光探測(cè)器組成的陣列式模塊結(jié)構(gòu)。2.用光學(xué)膠將上述晶體模塊或拼接的模塊和微光探測(cè)器陣列耦合，或用光學(xué)膠將 光導(dǎo)材料粘結(jié)在上述晶體模塊與微光探測(cè)器陣列之間。將上述微光探測(cè)器陣列連接放大及 位置解碼電路。3.當(dāng)高能射線照射在此復(fù)合式閃爍探測(cè)器上時(shí)，利用解碼電路獲得高能射線信號(hào) 的時(shí)間、空間和能量以及通過能譜甄別獲得與高能射線發(fā)生作用的晶體材料。本發(fā)明提出的高能射線探測(cè)器的疊層式晶體模塊，其結(jié)構(gòu)之一如圖4所示，選擇 兩種不同材料的閃爍晶體，加工成細(xì)長(zhǎng)條型晶體單元，沿著上述晶體單元的寬度方向粘結(jié)， 在一個(gè)方向上交替使用兩種以上閃爍晶體單元拼接成晶體模塊，并在閃爍晶體單元粘結(jié)一 定長(zhǎng)度的反光膜；其結(jié)構(gòu)之二如圖5所示，選擇兩種以上不同材料的閃爍晶體，加工成細(xì)長(zhǎng) 條型晶體單元，沿著上述長(zhǎng)條型晶體單元的寬度方向粘結(jié)，在兩個(gè)方向上交替使用兩種以 上閃爍晶體單元拼接成閃爍晶體模塊，并在閃爍晶體單元粘結(jié)一定長(zhǎng)度的反光膜。上述裝置中所述的兩種閃爍晶體材料可以是鍺酸鉍、硅酸镥、硅酸釔镥、硅酸釓、 硅酸釔、氟化鋇、碘化鈉、碘化銫、鎢酸鉛、鋁酸釔、溴化鑭、硅酸镥、溴化鑭、氯化瀾、溴化鈰、 硅酸镥、鋁酸镥、碘化镥中任意兩種以上組合。本發(fā)明提出的高能射線探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)由本發(fā)明提出的疊層式晶體模塊和微光探 測(cè)器陣列耦合。微光探測(cè)器陣列包括光電倍增管、硅光電倍增管、雪崩二極管等。光電倍增 管包括方形頭和圓形頭兩種，耦合方式如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10，硅光電倍增管或雪崩二 極管耦合方式如圖11。耦合后的微光探測(cè)器陣列連接放大和解碼電路。本發(fā)明所提出的高 能射線探測(cè)器可以進(jìn)一步拼接成平板式探測(cè)器、弧形探測(cè)器或環(huán)形探測(cè)器。其中，為了提高閃爍晶體模塊與微光探測(cè)器陣列的耦合，可以對(duì)閃爍晶體模塊進(jìn) 一步加工，對(duì)閃爍晶體模塊和微光探測(cè)器陣列的耦合面進(jìn)行切割和打磨。
權(quán)利要求
高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，含有高能射線疊層式晶體模塊以及用光學(xué)膠粘結(jié)在所述高能射線疊層式晶體模塊上的微光探測(cè)器陣列，其中高能射線疊層式晶體模塊，由至少兩種以上不同材料的長(zhǎng)條型晶體單元沿著所述長(zhǎng)條型晶體單元的寬度方向交替排列而成，所述至少兩種以上不同材料的長(zhǎng)條型晶體單元是從下列各不同材料的晶體中任意選擇兩種以上組合而成的鍺酸鉍、硅酸镥、硅酸釔镥、硅酸釓、硅酸釔、氟化鋇、碘化鈉、碘化銫、鎢酸鉛、鋁酸釔、溴化鑭、氯化瀾、溴化鈰、硅酸镥、鋁酸镥、碘化镥；微光探測(cè)器陣列，其中的微光探測(cè)器包括光電倍增管、硅光電倍增管、雪崩二極管；其中的光電倍增管包括方形頭和圓形頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，所述至少兩 種以上不同材料的長(zhǎng)條型晶體單元沿寬度方向的交替排列包括一個(gè)方向上交替排列或兩 個(gè)方向上的交替排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，所述高能射 線疊層式晶體模塊與微光探測(cè)器陣列之間用光學(xué)膠或光導(dǎo)材料粘結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，所述光導(dǎo)材 料是有機(jī)塑料、玻璃、光纖中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，所述至少兩 種以上不同晶體材料的長(zhǎng)條型晶體單元交叉排列后的晶體模塊是一種方形或多邊形的晶 體陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，所述晶體模 塊至少是用一塊以上晶體模塊拼接而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，其特征在于，所述探測(cè)器 是平面或弧形或環(huán)形。
全文摘要
高能射線疊層式晶體模塊探測(cè)器，屬于輻射探測(cè)成像技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于由至少兩種以上具有不同發(fā)光衰減時(shí)間的細(xì)長(zhǎng)條型晶體單元沿著其寬度方向交替排列而成。交替排列方法包括在一個(gè)方向的交替和兩個(gè)方向上交替。利用光學(xué)膠將上述疊層式晶體模塊和不同的微光探測(cè)器陣列耦合，加上解碼電路得到高能射線探測(cè)器；高能射線入射到晶體模塊，產(chǎn)生閃爍光，微光探測(cè)器轉(zhuǎn)換和放大后得到電脈沖信號(hào)，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行處理得到高能射線作用的能量、時(shí)間、坐標(biāo)等信息。同時(shí)通過解碼電路對(duì)脈沖信號(hào)的甄別獲得與高能射線發(fā)生主要作用的晶體單元的材料，通過材料的判斷對(duì)坐標(biāo)信息修正。本發(fā)明方法可以降低微光探測(cè)器陣列對(duì)高能射線沉積的位置的錯(cuò)誤定位，從而提高探測(cè)器空間分辨率。
文檔編號(hào)G01T1/202GK101806912SQ201010128898
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者劉亞強(qiáng), 吳朝霞, 王石, 馬天予, 魏清陽 申請(qǐng)人:清華大學(xué)