专利名称：高能射线叠层式晶体模块探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高能射线叠层式晶体模块探测器的设计方法，属于辐射探测成像 技术领域。
背景技术：
高能射线探测技术常用探测器之一为闪烁体探测器。它通常利用一种能够有效阻挡和吸收电磁波辐射并与之产生发光作用的闪烁晶体作为探测材料。当高能射线入射到闪 烁晶体内，根据射线能量、闪烁晶体有效原子系数和密度的不同，与闪烁晶体发生不同比例 的光电效应、康普顿散射及电子对效应，将能量沉积在闪烁晶体中，被激发的闪烁晶体退激 发出大量微弱的闪烁光，退激服从指数衰减规律，不同材料的闪烁晶体具有不同的发光光 谱(包括不同的发光衰减时间，不同的峰位值等)。利用微光探测器，如光电倍增管(PMT)、 硅光电倍增管(SiPM)、雪崩二极管(APD)等，将位于可见光区或紫外光区的闪烁光经过光 电转换和倍增，形成脉冲信号。脉冲信号强度反映了高能射线的能量；脉冲信号发生的时间 反映了高能射线的入射时间；脉冲信号在多个微光探测器中的强度分配反映了高能射线的 入射位置等。闪烁探测器具有探测效率高，分辨时间短等特点，被广泛应用于核医学、安全 检查、高能物理和宇宙射线探测的研究中，是当今辐射探测技术领域不可或缺的主要手段。传统闪烁探测器在进行成像探测时，通常用同一种材料的长条型闪烁晶体组成的 闪烁晶体阵列来耦合微光探测器阵列的方法进行高能射线的定位分析。当高能射线入射到 晶体模块上和长条型晶体单元发生作用，将能量沉积在长条型晶体单元中，长条型晶体单 元退激发出大量低能光子(可见光或紫外光)，低能光子在长条型晶体单元中传播，经过多 次反射最终被微光探测器探测到或逃逸。当低能光子遇到没有反射膜的表面将透射到其它 长条型晶体单元中，从而可能被其它微光光探测器探测到。最终所有微光探测器将得到不 同强度的脉冲信号，脉冲信号的强度反映探测到低能光子的数量。通过探测到的所有脉冲 信号之和可以反映入射高能射线的能量，通过低能光子在各个微光探测器上的分布可以得 到高能射线的入射位置。因此传统探测器通常采用Anger重心法定位。以光电倍增管方形 阵列为例，如图la、lb，四个光电倍增管输出信号为SA、SB、S。、SD，则高能射线的空间位置坐 标X、Y和能量E分别由以下公式确定<formula>formula see original document page 3</formula>
如果用泛源照射到探测器上，采集足够数量的高能射线粒子，根据上述重心法计 算每一个高能射线粒子的位置，并绘于二维直方图中，得到如图2的泛场直方图或称二维 位形图。从高能射线粒子与晶体发生作用到被微光探测器探测产生电脉冲信号的过程的随 机性，导致输出信号的不确定性，入射到同一块长条型晶体单元的若干个高能射线粒子会输出不同的X、Y信号，反映在泛场直方图中就是每一个晶体快呈现一个白色团块。根据泛场直方图上的白色团块的分布情况，确定它们的分界线，并记录在查找表中。数据采集时可 以根据每个入射事件产生的X、Y信号和查找表，判断该入射粒子进入了哪一个长条型晶体 单元，从而得到相应的晶体块在探测器模块中的位置编码。另一种方法是利用泛场直方图 使用最大似然估计方法，从粒子入射的X、Y值判断它发生在哪个长条型晶体单元中。然而由于探测信号的不确定性，产生的泛场直方图的每一个白色团块是互相交联 的，其物理意义为入射到同一块长条型晶体单元的若干个高能射线粒子输出的X、Y信号， 在泛场直方图中会被判定为作用于其它长条型晶体单元，导致定位不准确，从而降低探测 器的空间分辨率。因此如何提高探测器的空间分辨率是辐射探测成像技术的研究重点之一。

发明内容
本发明用于探测高能射线，可以获得高能射线的能量、时间、位置信息。本发明目 主要的在于获得更高空间分辨率。本发明的特征在于高能射线叠层式晶体模块以及用光学胶粘结在所述高能射线 叠层式晶体模块上的微光探测器阵列，其中高能射线叠层式晶体模块，由至少两种以上不 同材料的长条型晶体单元沿着所述长条型晶体单元的宽度方向交替排列而成，所述两种以 上不同材料的长条型晶体单元是从下列各不同材料的晶体中任意选择两种以上组合而成 的锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴 化镧、氯化澜、溴化铈、硅酸镥、铝酸镥、碘化镥。微光探测器阵列，其中的微光探测器包括光 电倍增管、硅光电倍增管、雪崩二极管；其中的光电倍增管包括方形头和圆形头。所述两种 以上不同材料的长条型晶体单元沿宽度方向的交替排列包括一个方向上交替排列或两个 方向上的交替排列。所述高能射线叠层式晶体模块与微光探测器阵列之间用光学胶或光导 材料粘结。所述光导材料是有机塑料、玻璃、光纤中的任意一种。所述两种以上不同材料的 长条型晶体单元交叉排列后的晶体模块是一种方形或多边形的晶体阵列。所述晶体模块可 用多块晶体模块拼接代替。所述探测器是平面或弧形或环形。本发明结构简单，易于实施；选择合适的晶体可以减少价格；通过对探测器输出 脉冲信号的甄别，可以甄别与射线发生作用的长条型晶体单元的材料，从而可以提高系统 空间分辨率；同时本发明的探测器易于扩展。


图Ia是单一种材料的闪烁晶体模块耦合PQS(PMT-quadrant-sharing)方式的光 电倍增管阵列的传统闪烁探测器的原理示意图。图Ib是单一种材料的闪烁晶体模块耦合PQS方式的光电倍增管阵列的传统闪烁 探测器的左视图。图2泛场照射获得的二维直方图。图3泛场直方图中心剖面线。图4a是本发明闪烁探测器叠层式闪烁晶体阵列的基本结构之一。图4b是本发明闪烁探测器叠层式闪烁晶体阵列的基本结构之一的左视图。
图5a是本发明闪烁探测器叠层式闪烁晶体阵列的基本结构之二。图5b是本发明闪烁探测器叠层式闪烁晶体阵列的基本结构之二的左视图。图6a单块叠层式晶体模块和方形头光电倍增管阵列的耦合。
图6b单块叠层式晶体模块和方形头光电倍增管阵列的耦合的右视图。图7a单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管阵列的耦合。图7b单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管阵列的耦合的右视图。图8a单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管阵列的PQS方式耦和。图8b单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管阵列的PQS方式耦和的左视图。图9a单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管阵列的PQS方式加上一个小尺寸 光电倍增管的耦和。图9b单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管阵列的PQS方式加上一个小尺寸 光电倍增管的耦和的左视图。图IOa单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管六边形阵列的耦和。图IOb单块叠层式晶体模块和圆形头光电倍增管六边形阵列的耦和的左视图。图Ila单块叠层式晶体模块和硅光电倍增管或雪崩二极管阵列的耦和。图lib单块叠层式晶体模块和硅光电倍增管或雪崩二极管的耦和的右视图。图1-11中1是晶体模块，2是长条型晶体单元，31为未进行材料区分的泛场直方 图的中心剖面线，32材料一的泛场直方图的中心剖面线，33为材料二的泛场直方图的中心 剖面线，3是另一种材料的长条型晶体单元，4是光电倍增管，31，41，42是不同尺寸光电倍 增管，5硅光电倍增管或雪崩二极管。
具体实施例方式本发明提出了一种新型的高能射线叠层式晶体模块探测器的设计方法。探测器的 探头由叠层式晶体模块耦合光电倍增管阵列组成。所述的叠层式晶体模块利用至少两种以 上不同材料的长条型晶体单元沿宽度方向交替排列成而成，交替包括一个方向交替和两个 方向交替两种。利用光学胶将上述叠层式晶体模块和不同的微光探测器模块耦合，上述微 光探测器阵列连接放大和解码电路，获取高能射线作用于闪烁晶体中的时间、空间和能量 以及能谱信息。不同的发光光谱，有不同的衰减时间，根据解码电路中的能谱甄别电路，可以判定 高能射线主要沉积能量的长条型晶体单元的材料。用泛源照射到探测器上，高能射线入射 到长条型晶体单元时输出不同的X、Y信号，进行信号甄别后，判断高能射线所入射的长条 型晶体单元的材料，并将不同材料的X、Y信号绘制于不同的二维直方图中，从而可以得到 多个泛场直方图。对多个泛场直方图进行分割，获得多个查找表。探测高能射线，进行位置 判断时，先甄别信号，判断出长条型晶体单元材料，再选择相应的查找表进行定位。采用该 方法，每个直方图的白色团块的交联较少，从而减小了晶体入射位置的误判，提高探测器空 间分辨率。如图3所示31为未进行材料区分的泛场直方图的中心剖面线，白色团块有很 大交联；32、33为使用两种晶体材料的叠层探测器对晶体材料区分后各个材料的泛场直方 图的中心剖面线，白色团块有较小交联。对高能射线沉积的位置做校正，能够减小定位时的误码率，有效提高探测器的空间分辨率。本发明提出的叠层式晶体模块的设计方法1.首先选择两种以上不同发光衰减常数的闪烁晶体。2.利用两种以上晶体的长条型单元交替排列构成叠层晶体模块，交替排列方法包 括单个方向的交替和两个方向上交替。
利用上述叠层式闪烁晶体模块组合高能射线探测器的方法1.利用多个微光探测器组成的阵列式模块结构。2.用光学胶将上述晶体模块或拼接的模块和微光探测器阵列耦合，或用光学胶将 光导材料粘结在上述晶体模块与微光探测器阵列之间。将上述微光探测器阵列连接放大及 位置解码电路。3.当高能射线照射在此复合式闪烁探测器上时，利用解码电路获得高能射线信号 的时间、空间和能量以及通过能谱甄别获得与高能射线发生作用的晶体材料。本发明提出的高能射线探测器的叠层式晶体模块，其结构之一如图4所示，选择 两种不同材料的闪烁晶体，加工成细长条型晶体单元，沿着上述晶体单元的宽度方向粘结， 在一个方向上交替使用两种以上闪烁晶体单元拼接成晶体模块，并在闪烁晶体单元粘结一 定长度的反光膜；其结构之二如图5所示，选择两种以上不同材料的闪烁晶体，加工成细长 条型晶体单元，沿着上述长条型晶体单元的宽度方向粘结，在两个方向上交替使用两种以 上闪烁晶体单元拼接成闪烁晶体模块，并在闪烁晶体单元粘结一定长度的反光膜。上述装置中所述的两种闪烁晶体材料可以是锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、 硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、硅酸镥、溴化镧、氯化澜、溴化铈、 硅酸镥、铝酸镥、碘化镥中任意两种以上组合。本发明提出的高能射线探测器，其结构由本发明提出的叠层式晶体模块和微光探 测器阵列耦合。微光探测器阵列包括光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩二极管等。光电倍增 管包括方形头和圆形头两种，耦合方式如图6、图7、图8、图9、图10，硅光电倍增管或雪崩二 极管耦合方式如图11。耦合后的微光探测器阵列连接放大和解码电路。本发明所提出的高 能射线探测器可以进一步拼接成平板式探测器、弧形探测器或环形探测器。其中，为了提高闪烁晶体模块与微光探测器阵列的耦合，可以对闪烁晶体模块进 一步加工，对闪烁晶体模块和微光探测器阵列的耦合面进行切割和打磨。
权利要求
高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，含有高能射线叠层式晶体模块以及用光学胶粘结在所述高能射线叠层式晶体模块上的微光探测器阵列，其中高能射线叠层式晶体模块，由至少两种以上不同材料的长条型晶体单元沿着所述长条型晶体单元的宽度方向交替排列而成，所述至少两种以上不同材料的长条型晶体单元是从下列各不同材料的晶体中任意选择两种以上组合而成的锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、硅酸钇、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅、铝酸钇、溴化镧、氯化澜、溴化铈、硅酸镥、铝酸镥、碘化镥；微光探测器阵列，其中的微光探测器包括光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩二极管；其中的光电倍增管包括方形头和圆形头。
2.根据权利要求1所述的高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，所述至少两 种以上不同材料的长条型晶体单元沿宽度方向的交替排列包括一个方向上交替排列或两 个方向上的交替排列。
3.根据权利要求1所述的高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，所述高能射 线叠层式晶体模块与微光探测器阵列之间用光学胶或光导材料粘结。
4.根据权利要求3所述的高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，所述光导材 料是有机塑料、玻璃、光纤中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，所述至少两 种以上不同晶体材料的长条型晶体单元交叉排列后的晶体模块是一种方形或多边形的晶 体阵列。
6.根据权利要求2所述的高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，所述晶体模 块至少是用一块以上晶体模块拼接而成。
7.根据权利要求1所述的高能射线叠层式晶体模块探测器，其特征在于，所述探测器 是平面或弧形或环形。
全文摘要
高能射线叠层式晶体模块探测器，属于辐射探测成像技术领域，其特征在于由至少两种以上具有不同发光衰减时间的细长条型晶体单元沿着其宽度方向交替排列而成。交替排列方法包括在一个方向的交替和两个方向上交替。利用光学胶将上述叠层式晶体模块和不同的微光探测器阵列耦合，加上解码电路得到高能射线探测器；高能射线入射到晶体模块，产生闪烁光，微光探测器转换和放大后得到电脉冲信号，对电脉冲信号进行处理得到高能射线作用的能量、时间、坐标等信息。同时通过解码电路对脉冲信号的甄别获得与高能射线发生主要作用的晶体单元的材料，通过材料的判断对坐标信息修正。本发明方法可以降低微光探测器阵列对高能射线沉积的位置的错误定位，从而提高探测器空间分辨率。
文档编号G01T1/202GK101806912SQ201010128898
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者刘亚强, 吴朝霞, 王石, 马天予, 魏清阳 申请人:清华大学