專利名稱：一種復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，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)通常采用一種能夠有效阻擋輻射射線并吸收其能量而發(fā)光的閃 爍晶體作為探測(cè)材料，再用高增益的光電倍增器件對(duì)此微弱的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和
放大后產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過采集這些脈沖信號(hào)來獲得高能射線的能量、時(shí)間及空間 位置等信息，這類固體探測(cè)器通稱為閃爍探測(cè)器。
當(dāng)高能射線入射到閃爍晶體內(nèi)部，根據(jù)其能量的大小，通常會(huì)產(chǎn)生不同比例的光 電效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)及電子對(duì)效應(yīng)，射線自身的能量最終被閃爍晶體全部吸收， 同時(shí)釋放出極其微弱的閃爍光。對(duì)于在可見光區(qū)或紫外光區(qū)的閃爍光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后， 利用高靈敏度的信號(hào)放大器件(如光電倍增管)進(jìn)行探測(cè)而獲得高能射線的全部信 息，比如光電倍增管輸出的脈沖信號(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)光電倍增管中的強(qiáng)度分配反映了高能 射線的入射位置等。傳統(tǒng)的閃爍探測(cè)器具有探測(cè)效率高，信噪比高和響應(yīng)時(shí)間快等特 點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、物品安全檢査、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)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，特別在進(jìn)行探測(cè)定位時(shí)，通常采用多個(gè)相同的 光電倍增管來偶合閃爍晶體陣列進(jìn)行高能射線入射位置的定位判斷，光電倍增管相互 之間的空隙存在有較大面積的探測(cè)盲區(qū)，從而整個(gè)探測(cè)器成像的探測(cè)效率不均勻而且 其空間分辨率相對(duì)較低，因此如何提高探測(cè)效率，成像均勻性及空間分辨率是輻射探 測(cè)成像技術(shù)的研究重點(diǎn)。
圖1是傳統(tǒng)閃爍探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)，通常此類探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)是由一個(gè)閃爍晶 體陣列模塊偶合到四個(gè)相同尺寸和相同形狀的光電倍增管(PMT)組成。圖2是此傳統(tǒng)
閃爍探測(cè)器的俯視結(jié)構(gòu)圖，圖中可見閃爍晶體陣列模塊覆蓋在四個(gè)光電倍增管的探測(cè) 窗口表面。閃爍晶體陣列通常由細(xì)長(zhǎng)條型閃爍晶體材料和反光膜粘接而成。在閃爍晶體陣列模塊與光電倍增管玻璃窗口之間，可以直接通過高透明度光學(xué)膠粘合或是安置 光導(dǎo)材料(包括有機(jī)塑料、玻璃、光纖等)介于閃爍晶體與光電倍增管之間的間接偶合。
當(dāng)高能射線入射到閃爍晶體陣列中，每個(gè)高能射線會(huì)激發(fā)其入射位置的單根閃爍單 晶體，通過光電效應(yīng)或康普頓散射效應(yīng)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(duì)應(yīng)的閃爍光子數(shù)目通常在10:'—104量級(jí)，波長(zhǎng)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)并多次反射并依次從晶體前端向后端的光電倍增管傳播。遇到無(wú)反光材料
的晶體表面，閃爍光透射進(jìn)入其相鄰的閃爍晶體單元中并繼續(xù)傳播，最后通過光電倍增 管的入射玻璃端口收集并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，因此脈沖信號(hào)在各個(gè)光電倍增管的強(qiáng)度分配 反映了高能射線的入射位置，其脈沖信號(hào)的強(qiáng)度總和正比于高能射線的入射能量，脈 沖信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)于入射射線的發(fā)生時(shí)間，而此探測(cè)器的空間定位精度的高低由 單根閃爍晶體的截面尺寸決定。
對(duì)于傳統(tǒng)閃爍探測(cè)器而言，四個(gè)光電倍增管對(duì)同一入射高能射線激發(fā)產(chǎn)生的不同 強(qiáng)度的脈沖輸出信號(hào)的比值可用來估算入射射線在閃爍晶體陣列內(nèi)的作用位置，通常 這種定位計(jì)算方法稱為Anger邏輯定位法。如果四個(gè)光電倍增管產(chǎn)生的電壓信號(hào)強(qiáng)度 分別為VA、 VB、 Ve、 VD，則高能射線的空間位置X， Y和能量E分別為
,二 ^+^

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，通過利用不同尺寸 或不同形狀的光電倍增管的優(yōu)化組合來完成閃爍探測(cè)器的信號(hào)采集，通過光膠粘合閃 爍晶體陣列來完成高能射線的探測(cè)、放大、定位及成像等功能，同時(shí)獲取高能射線作
用于閃爍晶體陣列中的時(shí)間、空間和能量信息。
本發(fā)明提出的復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，包括以下步驟
(1)將用于捕獲高能射線的閃爍晶體排成方形陣列；(2) 將多個(gè)尺寸不同的光電倍增管組裝成復(fù)合式排列，使尺寸較小的光電倍增 管處于尺寸較大的光電倍增管的中心；
(3) 用光學(xué)膠將上述閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列直接相互粘結(jié)在一 起，或用光學(xué)膠將光導(dǎo)材料粘結(jié)在上述閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列之間 后，得到復(fù)合式高能射線探測(cè)器；
(4) 當(dāng)高能伽瑪射線入射到上述復(fù)合式高能射線探測(cè)器的閃爍晶體陣列中，產(chǎn)生 閃爍光，經(jīng)復(fù)合式光電倍增管陣列放大后得到電脈沖信號(hào)，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和解 碼，利用脈沖信號(hào)在光電倍增管陣列的權(quán)重分配，得到高能射線在上述閃爍晶體陣列中 的坐標(biāo)。
上述方法中，閃爍晶體的材料為鍺酸鉍、硅酸镥、硅酸釔镥、硅酸釓、氟化鋇、碘 化鈉、碘化銫、鉤酸鉛或鋁酸釔中的任何一種。
上述方法中，光導(dǎo)材料為有機(jī)塑料、玻璃或光纖中的任何一種。
上述方法中，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼的方法為設(shè)有N個(gè)光電倍增管，產(chǎn)生的電 壓信號(hào)強(qiáng)度分別為V。 V2、 V:,…Vw，則高能射線在閃爍晶體陣列中的位置坐標(biāo)X方向的 坐標(biāo)為所有X方向的光電倍增管的脈沖電信號(hào)之和除以所有光電倍增管的脈沖電信號(hào) 之和；Y方向的坐標(biāo)為所有Y方向的光電倍增管的脈沖電信號(hào)之和除以所有光電倍增 管的脈沖電信號(hào)之和；高能射線的能量為所有光電倍增管的脈沖電信號(hào)之和。
本發(fā)明提出的復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
1、 更高效和更均勻的高能射線探測(cè)由于不同尺寸或不同形狀的光電倍增管組 合可有效減小介于光電倍增管之間的探測(cè)盲區(qū)，提高光電倍增管的密排度，因此增加 了對(duì)閃爍晶體內(nèi)發(fā)出的閃爍微光的探測(cè)效率和探測(cè)均勻度，使得高能射線探測(cè)的成像 質(zhì)量更高。
2、 更高的空間分辨由于本方法利用高度密排的光電倍增管來收集全部的閃爍晶 體發(fā)光，因此能提高可探測(cè)到的有效閃爍光產(chǎn)額，從而降低了脈沖信號(hào)的統(tǒng)計(jì)噪聲， 使得探測(cè)的成像分辨率提高。其中不同閃爍晶體材料的發(fā)光產(chǎn)額不同，如果利用目前
具有高產(chǎn)額的LS0或LYS0晶體組成探測(cè)陣列，復(fù)合式射線探測(cè)方法將更好于目前商 業(yè)市場(chǎng)的傳統(tǒng)閃爍探測(cè)器分辨率。
3、 較高的能量分辨率由于本方法利用高度密排的光電倍增管來有效收集全部的
閃爍晶體發(fā)光，因此能有效探測(cè)到更多的閃爍光，降低信號(hào)的統(tǒng)計(jì)噪聲，從而使得探 測(cè)的能量分辨率也獲得提高。4、 獨(dú)立判斷無(wú)干繞對(duì)于高分辨型復(fù)合式高能射線探測(cè)器，由于閃爍晶體模塊 之間是光隔離的，閃爍光只能在其產(chǎn)生的單個(gè)晶體陣列模塊中傳播，因此多個(gè)晶體陣 列模塊之間的信號(hào)無(wú)串繞。
5、 快速響應(yīng)由于中心的光電倍增管尺寸較小，可以選用具有更快速響應(yīng)時(shí)間的 光電倍增管作為觸發(fā)時(shí)間，同時(shí)信號(hào)在光電倍增管的渡越時(shí)間也大為降低，使得這種 復(fù)合式探測(cè)方法能更快地響應(yīng)入射高能射線并具有適用于飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)(T0F) 的潛力。
6、 結(jié)構(gòu)緊湊與傳統(tǒng)的高能射線探測(cè)器相比，在不改變總體探測(cè)器外形尺寸的情
況下，由于復(fù)合式光電倍增管的加入，使得探測(cè)器的集成方式更為緊湊，同時(shí)大大降低 了探測(cè)器的盲區(qū)面積。
綜上所述，復(fù)合式高能射線探測(cè)器的突出優(yōu)點(diǎn)不僅是提高空間、能量分辨率和均 勻成像的特點(diǎn)，而且其成本也能低于傳統(tǒng)的閃爍探測(cè)器。


圖1是傳統(tǒng)閃爍探測(cè)器的原理示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3是由本發(fā)明方法構(gòu)建的閃爍探測(cè)器的原理示意圖。
圖4是圖3的俯視圖。
圖5是本發(fā)明方法的信號(hào)處理框圖。
圖6是本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例中由鍺酸鉍(BGO)晶體組成的8X 8點(diǎn)陣示意圖。
圖7是由本發(fā)明方法的實(shí)施例獲得的銫(Cs-137)高能射線能譜。
圖8是由本發(fā)明方法對(duì)高能射線的探測(cè)成像圖。
圖1一圖4中，l是閃爍晶體陣列，2是光電倍增管(以下簡(jiǎn)稱PMT)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，包括以下步驟
(1) 將用于捕獲高能射線的閃爍晶體排成方形陣列；
(2) 將多個(gè)尺寸不同的光電倍增管組裝成復(fù)合式排列，使尺寸較小的光電倍增 管處于尺寸較大的光電倍增管的中心；(3) 用光學(xué)膠將上述閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列直接相互粘結(jié)在一 起，或用光學(xué)膠將光導(dǎo)材料粘結(jié)在上述閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列之間 后，得到復(fù)合式高能射線探測(cè)器；
(4) 當(dāng)高能伽瑪射線入射到上述復(fù)合式高能射線探測(cè)器的閃爍晶體陣列中，產(chǎn)生 閃爍光，經(jīng)復(fù)合式光電倍增管陣列放大后得到電脈沖信號(hào)，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和解 碼，利用脈沖信號(hào)在光電倍增管陣列的權(quán)重分配得到高能射線在上述閃爍晶體陣列中的 坐標(biāo)。
利用本發(fā)明方法構(gòu)建的閃爍探測(cè)器原理示意圖。如圖3所示，由兩組不同尺寸的 圓形的光電倍增管組成，其中PMT1， PMT2， PMT3， PMT4的尺寸相同且等于PMT5直 徑的兩倍，PMT5作為小尺寸光電倍增管嵌位于四個(gè)大尺寸光電倍增管的中心探測(cè)盲 區(qū)。因此增加此中心的光電倍增管(PMT5)可有效彌補(bǔ)閃爍光在中心探測(cè)盲區(qū)的遺 漏，大大提高高能射線探測(cè)的均勻度。
圖4是圖3的俯視圖，其中閃爍晶體陣列模塊通過光學(xué)膠偶合在五個(gè)光電倍增管
陣列的前端窗口。對(duì)同一高能射線的激發(fā)的閃爍發(fā)光事件，中心光電倍增管(PMT5)
的信號(hào)發(fā)生時(shí)間可表征高能射線的入射時(shí)間，所有5個(gè)光電倍增的脈沖信號(hào)強(qiáng)度總和
正比于高能射線的入射強(qiáng)度，而利用修正的Anger邏輯定位法可獲得高能射線的入射
位置。如果5個(gè)光電倍增管產(chǎn)生的電壓信號(hào)強(qiáng)度分別為V,、 V2、 V:,、 V,、 V5,則高能射
線的空間位置X， Y和能量E分別為
〗—K2+r4+0.5*F5 一 J^+K2+r 5
本發(fā)明方法中，所用的閃爍晶體材料可以是鍺酸鉍(BGO)、硅酸镥(LSO)、硅酸 紀(jì)镥(LYSO)、硅酸禮(GSO)、氟化鋇(BaF2)、碘化鈉(Nal)、碘化銫(Csl)、鎢 酸鉛(PbW04)或鋁酸釔(YaP)中的任何一種。
圖5是本發(fā)明方法的信號(hào)處理流程框圖。對(duì)同一入射高能射線激發(fā)的閃爍光將讓 各個(gè)光電倍增管產(chǎn)生電脈沖，各脈沖信號(hào)經(jīng)過前置放大和放大后，通過求和電路相加
7生成反映射線能量的電壓脈沖。同樣由部分光電倍增管電脈沖信號(hào)的相加及除法運(yùn)算 獲得規(guī)一化的位置信息X和Y，同時(shí)中心光電倍增管的脈沖信號(hào)生產(chǎn)入射時(shí)間信息。 以下是本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例 實(shí)驗(yàn)條件
閃爍晶體材料鍺酸鉍(BGO)
閃爍晶體結(jié)構(gòu)8行8列組成8 X 8鍺酸鉍晶體點(diǎn)陣。如圖6所示，單根晶體截面
尺寸為9. 0mm X 9. Oram,長(zhǎng)度為20mm。
伽瑪射線源銫(Cs-137)點(diǎn)源，強(qiáng)度為10(^Ci,能量為662KeV 光電倍增管4個(gè)Photonis XP2040 (直徑39毫米) 1個(gè)Ph。tonis XP1912 (直徑19毫米)
光電倍增管數(shù)目5個(gè) 光電倍增管增益1 X l(f 光電倍增管陰極電壓-1100V 光電倍增管陽(yáng)極電壓0V (接地) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析-
如圖6所示，復(fù)合式高能射線探測(cè)器的閃爍晶體由8行8列鍺酸鉍晶體組成的8X 8點(diǎn)陣，銫(Cs-137)伽瑪射線點(diǎn)源距離探測(cè)器30cm遠(yuǎn)，伽瑪射線近似平行地入射到 8X 8鍺酸鉍晶體點(diǎn)陣上，它激發(fā)的閃爍光經(jīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的5個(gè)光電倍增管放大后由 Anger邏輯定位電路板進(jìn)行運(yùn)算，最終獲得伽瑪射線的能量，作用時(shí)間及空間定位等信 息。
圖7是利用通道分析儀測(cè)量的復(fù)合式高能射線探測(cè)器獲得的銫(Cs-137)高能射線 的能譜，水平軸的數(shù)值正比于伽瑪射線的能量，垂直軸對(duì)應(yīng)于該能量位置處的計(jì)數(shù)率， 其中最大峰位對(duì)應(yīng)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(cè)器的能量分辨率為21%。
圖8是本發(fā)明復(fù)合式高能射線探測(cè)方法對(duì)高能射線的探測(cè)成像，即高能射線入射 位置的空間分布圖，其中8 x 8點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)清晰可見。圖像的灰度代表計(jì)數(shù)率，顏色越黑 則該處伽瑪射線的強(qiáng)度越高，該復(fù)合式高能射線探測(cè)器的單根鍺酸鉍晶體的截面尺寸為 9mm，總伽瑪射線計(jì)數(shù)為105個(gè)。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將用于捕獲高能射線的閃爍晶體排成方形陣列；(2)將多個(gè)尺寸不同的光電倍增管組裝成復(fù)合式排列，使尺寸較小的光電倍增管處于尺寸較大的光電倍增管的中心；(3)用光學(xué)膠將上述閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列直接相互粘結(jié)在一起，或用光學(xué)膠將光導(dǎo)材料粘結(jié)在上述閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列之間后，得到復(fù)合式高能射線探測(cè)器；(4)當(dāng)高能伽瑪射線入射到上述復(fù)合式高能射線探測(cè)器的閃爍晶體陣列中，產(chǎn)生閃爍光，經(jīng)復(fù)合式光電倍增管陣列放大后得到電脈沖信號(hào)，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和解碼，利用脈沖信號(hào)在光電倍增管陣列的權(quán)重分配，得到高能射線在上述閃爍晶體陣列中的坐標(biāo)。
2、 如權(quán)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、硅酸釔镥、硅酸軋、氟化鋇、碘化鈉、碘化銫、鎢酸鉛或鋁酸釔中的任何一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的光導(dǎo)材料為有機(jī)塑料、玻璃 或光纖中的任何一種。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼的方法 為設(shè)有N個(gè)光電倍增管，產(chǎn)生的電壓信號(hào)強(qiáng)度分別為V,、 V2、 V3…Vw，則高能射線在 閃爍晶體陣列中的位置坐標(biāo)X方向的坐標(biāo)為所有X方向的光電倍增管的脈沖電信號(hào)之 和除以所有光電倍增管的脈沖電信號(hào)之和；Y方向的坐標(biāo)為所有Y方向的光電倍增管 的脈沖電信號(hào)之和除以所有光電倍增管的脈沖電信號(hào)之和；高能射線的能量為所有光 電倍增管的脈沖電信號(hào)之和。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合式高能射線探測(cè)和定位的方法，屬于輻射探測(cè)成像技術(shù)領(lǐng)域。首先將用于捕獲高能射線的閃爍晶體排成規(guī)則陣列；將多個(gè)尺寸不同的光電倍增管組裝成復(fù)合式排列，使尺寸較小的光電倍增管處于尺寸較大的光電倍增管的中心；用光學(xué)膠將閃爍晶體陣列與復(fù)合式光電倍增管陣列粘結(jié)在一起，得到復(fù)合式高能射線探測(cè)器；當(dāng)高能伽瑪射線入射到上述復(fù)合式高能射線探測(cè)器的閃爍晶體陣列中，產(chǎn)生閃爍光，經(jīng)復(fù)合式光電倍增管陣列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在閃爍晶體陣列中的坐標(biāo)，能量及時(shí)間等信息。本發(fā)明方法提供更高效和更均勻的高能射線探測(cè)，具有較高的空間分辨和較高的能量分辨率，同時(shí)具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01T1/29GK101539630SQ20091008367
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者謝舒平 申請(qǐng)人:上海生物醫(yī)學(xué)工程研究中心