CN101539630B

CN101539630B - 一种复合式高能射线探测和定位的方法

Info

Publication number: CN101539630B
Application number: CN2009100836718A
Authority: CN
Inventors: 谢舒平
Original assignee: SHANGHAI BIOMEDICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Current assignee: SHANGHAI BIOMEDICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: US8692205B2; US20120056094A1; WO2010127598A1; CN101539630A

Abstract

本发明涉及一种复合式高能射线探测和定位的方法，属于辐射探测成像技术领域。首先将用于捕获高能射线的闪烁晶体排成规则阵列；将多个尺寸不同的光电倍增管组装成复合式排列，使尺寸较小的光电倍增管处于尺寸较大的光电倍增管的中心；用光学胶将闪烁晶体阵列与复合式光电倍增管阵列粘结在一起，得到复合式高能射线探测器；当高能伽玛射线入射到上述复合式高能射线探测器的闪烁晶体阵列中，产生闪烁光，经复合式光电倍增管阵列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在闪烁晶体阵列中的坐标，能量及时间等信息。本发明方法提供更高效和更均匀的高能射线探测，具有较高的空间分辨和较高的能量分辨率，同时具有快速响应的特点。

Description

一种复合式高能射线探测和定位的方法

技术领域

本发明涉及一种复合式高能射线探测和定位的方法，属于辐射探测成像技术领域。

背景技术

高能射线探测技术通常采用一种能够有效阻挡辐射射线并吸收其能量而发光的闪烁晶体作为探测材料，再用高增益的光电倍增器件对此微弱的光信号进行光电转换和放大后产生电脉冲信号，通过采集这些脉冲信号来获得高能射线的能量、时间及空间位置等信息，这类固体探测器通称为闪烁探测器。

当高能射线入射到闪烁晶体内部，根据其能量的大小，通常会产生不同比例的光电效应、康普顿散射效应及电子对效应，射线自身的能量最终被闪烁晶体全部吸收，同时释放出极其微弱的闪烁光。对于在可见光区或紫外光区的闪烁光经光电转换后，利用高灵敏度的信号放大器件(如光电倍增管)进行探测而获得高能射线的全部信息，比如光电倍增管输出的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；脉冲信号在多个光电倍增管中的强度分配反映了高能射线的入射位置等。传统的闪烁探测器具有探测效率高，信噪比高和响应时间快等特点，被广泛应用于核医学、物品安全检查、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。

传统闪烁探测器的结构相对简单，特别在进行探测定位时，通常采用多个相同的光电倍增管来偶合闪烁晶体阵列进行高能射线入射位置的定位判断，光电倍增管相互之间的空隙存在有较大面积的探测盲区，从而整个探测器成像的探测效率不均匀而且其空间分辨率相对较低，因此如何提高探测效率，成像均匀性及空间分辨率是辐射探测成像技术的研究重点。

图1是传统闪烁探测器的基本结构，通常此类探测器的基本结构是由一个闪烁晶体阵列模块偶合到四个相同尺寸和相同形状的光电倍增管(PMT)组成。图2是此传统闪烁探测器的俯视结构图，图中可见闪烁晶体阵列模块覆盖在四个光电倍增管的探测窗口表面。闪烁晶体阵列通常由细长条型闪烁晶体材料和反光膜粘接而成。在闪烁晶体阵列模块与光电倍增管玻璃窗口之间，可以直接通过高透明度光学胶粘合或是安置光导材料(包括有机塑料、玻璃、光纤等)介于闪烁晶体与光电倍增管之间的间接偶合。

当高能射线入射到闪烁晶体阵列中，每个高能射线会激发其入射位置的单根闪烁单晶体，通过光电效应或康普顿散射效应使单根晶体内发出闪烁光，根据不同的闪烁晶体材料特性，对应的闪烁光子数目通常在10³-10⁴量级，波长一般在200nm-600nm之间(紫外线或可见光范围)。由于单根晶体表面反光材料的反射作用，闪烁光将被束缚于此单晶体内并多次反射并依次从晶体前端向后端的光电倍增管传播。遇到无反光材料的晶体表面，闪烁光透射进入其相邻的闪烁晶体单元中并继续传播，最后通过光电倍增管的入射玻璃端口收集并产生脉冲信号，因此脉冲信号在各个光电倍增管的强度分配反映了高能射线的入射位置，其脉冲信号的强度总和正比于高能射线的入射能量，脉冲信号的产生时间相关于入射射线的发生时间，而此探测器的空间定位精度的高低由单根闪烁晶体的截面尺寸决定。

对于传统闪烁探测器而言，四个光电倍增管对同一入射高能射线激发产生的不同强度的脉冲输出信号的比值可用来估算入射射线在闪烁晶体阵列内的作用位置，通常这种定位计算方法称为Anger逻辑定位法。如果四个光电倍增管产生的电压信号强度分别为V_A、V_B、V_C、V_D，则高能射线的空间位置X，Y和能量E分别为：

X = \frac{V_{B} + V_{D}}{V_{A} + V_{B} + V_{C} + V_{D}} .

Y = \frac{V_{A} + V_{B}}{V_{A} + V_{B} + V_{C} + V_{D}}

E＝V_A+V_B+V_C+V_D

发明内容

本发明的目的是提出一种复合式高能射线探测和定位的方法，通过利用不同尺寸或不同形状的光电倍增管的优化组合来完成闪烁探测器的信号采集，通过光胶粘合闪烁晶体阵列来完成高能射线的探测、放大、定位及成像等功能，同时获取高能射线作用于闪烁晶体阵列中的时间、空间和能量信息。

本发明提出的复合式高能射线探测和定位的方法，包括以下步骤：

(1)将用于捕获高能射线的闪烁晶体排成方形阵列；

(2)将多个尺寸不同的光电倍增管组装成复合式排列，使尺寸较小的光电倍增管处于尺寸较大的光电倍增管的中心；

(3)用光学胶将上述闪烁晶体阵列与复合式光电倍增管阵列直接相互粘结在一起，或用光学胶将光导材料粘结在上述闪烁晶体阵列与复合式光电倍增管阵列之间后，得到复合式高能射线探测器；

(4)当高能伽玛射线入射到上述复合式高能射线探测器的闪烁晶体阵列中，产生闪烁光，经复合式光电倍增管阵列放大后得到电脉冲信号，对电脉冲信号进行放大和解码，利用脉冲信号在光电倍增管阵列的权重分配，得到高能射线在上述闪烁晶体阵列中的坐标。

上述方法中，闪烁晶体的材料为锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅或铝酸钇中的任何一种。

上述方法中，光导材料为有机塑料、玻璃或光纤中的任何一种。

上述方法中，对电脉冲信号进行解码的方法为：设有N个光电倍增管，产生的电压信号强度分别为V₁、V₂、V₃…V_N，则高能射线在闪烁晶体阵列中的位置坐标X方向的坐标为：所有X方向的光电倍增管的脉冲电信号之和除以所有光电倍增管的脉冲电信号之和；Y方向的坐标为：所有Y方向的光电倍增管的脉冲电信号之和除以所有光电倍增管的脉冲电信号之和；高能射线的能量为：所有光电倍增管的脉冲电信号之和。

本发明提出的复合式高能射线探测和定位的方法，具有以下特点和优点：

1、更高效和更均匀的高能射线探测：由于不同尺寸或不同形状的光电倍增管组合可有效减小介于光电倍增管之间的探测盲区，提高光电倍增管的密排度，因此增加了对闪烁晶体内发出的闪烁微光的探测效率和探测均匀度，使得高能射线探测的成像质量更高。

2、更高的空间分辨：由于本方法利用高度密排的光电倍增管来收集全部的闪烁晶体发光，因此能提高可探测到的有效闪烁光产额，从而降低了脉冲信号的统计噪声，使得探测的成像分辨率提高。其中不同闪烁晶体材料的发光产额不同，如果利用目前具有高产额的LSO或LYSO晶体组成探测阵列，复合式射线探测方法将更好于目前商业市场的传统闪烁探测器分辨率。

3、较高的能量分辨率：由于本方法利用高度密排的光电倍增管来有效收集全部的闪烁晶体发光，因此能有效探测到更多的闪烁光，降低信号的统计噪声，从而使得探测的能量分辨率也获得提高。

4、独立判断无干绕：对于高分辨型复合式高能射线探测器，由于闪烁晶体模块之间是光隔离的，闪烁光只能在其产生的单个晶体阵列模块中传播，因此多个晶体阵列模块之间的信号无串绕。

5、快速响应：由于中心的光电倍增管尺寸较小，可以选用具有更快速响应时间的光电倍增管作为触发时间，同时信号在光电倍增管的渡越时间也大为降低，使得这种复合式探测方法能更快地响应入射高能射线并具有适用于飞行时间测量技术(TOF)的潜力。

6、结构紧凑：与传统的高能射线探测器相比，在不改变总体探测器外形尺寸的情况下，由于复合式光电倍增管的加入，使得探测器的集成方式更为紧凑，同时大大降低了探测器的盲区面积。

综上所述，复合式高能射线探测器的突出优点不仅是提高空间、能量分辨率和均匀成像的特点，而且其成本也能低于传统的闪烁探测器。

附图说明

图1是传统闪烁探测器的原理示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是由本发明方法构建的闪烁探测器的原理示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是本发明方法的信号处理框图。

图6是本发明方法的一个实施例中由锗酸铋(BGO)晶体组成的8×8点阵示意图。

图7是由本发明方法的实施例获得的铯(Cs-137)高能射线能谱。

图8是由本发明方法对高能射线的探测成像图。

图1-图4中，1是闪烁晶体阵列，2是光电倍增管(以下简称PMT)。

具体实施方式

(1)将用于捕获高能射线的闪烁晶体排成方形阵列；

(4)当高能伽玛射线入射到上述复合式高能射线探测器的闪烁晶体阵列中，产生闪烁光，经复合式光电倍增管阵列放大后得到电脉冲信号，对电脉冲信号进行放大和解码，利用脉冲信号在光电倍增管阵列的权重分配得到高能射线在上述闪烁晶体阵列中的坐标。

利用本发明方法构建的闪烁探测器原理示意图。如图3所示，由两组不同尺寸的圆形的光电倍增管组成，其中PMT1，PMT2，PMT3，PMT4的尺寸相同且等于PMT5直径的两倍，PMT5作为小尺寸光电倍增管嵌位于四个大尺寸光电倍增管的中心探测盲区。因此增加此中心的光电倍增管(PMT5)可有效弥补闪烁光在中心探测盲区的遗漏，大大提高高能射线探测的均匀度。

图4是图3的俯视图，其中闪烁晶体阵列模块通过光学胶偶合在五个光电倍增管阵列的前端窗口。对同一高能射线的激发的闪烁发光事件，中心光电倍增管(PMT5)的信号发生时间可表征高能射线的入射时间，所有5个光电倍增的脉冲信号强度总和正比于高能射线的入射强度，而利用修正的Anger逻辑定位法可获得高能射线的入射位置。如果5个光电倍增管产生的电压信号强度分别为V₁、V₂、V₃、V₄、V₅，则高能射线的空间位置X，Y和能量E分别为：

X = \frac{V_{2} + V_{4} + 0.5 * V_{5}}{V_{1} + V_{2} + V_{3} + V_{4} + V_{5}} .

Y = \frac{V_{1} + V_{2} + 0.5 * V_{5}}{V_{1} + V_{2} + V_{3} + V_{4} + V_{5}}

E＝V₁+V₂+V₃+V₄+V₅

本发明方法中，所用的闪烁晶体材料可以是锗酸铋(BGO)、硅酸镥(LSO)、硅酸钇镥(LYSO)、硅酸钆(GSO)、氟化钡(BaF₂)、碘化钠(NaI)、碘化铯(CsI)、钨酸铅(PbWO₄)或铝酸钇(YaP)中的任何一种。

图5是本发明方法的信号处理流程框图。对同一入射高能射线激发的闪烁光将让各个光电倍增管产生电脉冲，各脉冲信号经过前置放大和放大后，通过求和电路相加生成反映射线能量的电压脉冲。同样由部分光电倍增管电脉冲信号的相加及除法运算获得规一化的位置信息X和Y，同时中心光电倍增管的脉冲信号生产入射时间信息。

以下是本发明方法的一个实施例：

实验条件

闪烁晶体材料：锗酸铋(BGO)

闪烁晶体结构：8行8列组成8×8锗酸铋晶体点阵。如图6所示，单根晶体截面尺寸为9.0mm×9.0mm，长度为20mm。

伽玛射线源：铯(Cs-137)点源，强度为100μCi，能量为662KeV

光电倍增管：4个Photonis XP2040(直径39毫米)

1个Photonis XP1912(直径19毫米)

光电倍增管数目：5个

光电倍增管增益：1×10⁶

光电倍增管阴极电压：-1100V

光电倍增管阳极电压：0V(接地)

实验结果分析：

如图6所示，复合式高能射线探测器的闪烁晶体由8行8列锗酸铋晶体组成的8×8点阵，铯(Cs-137)伽玛射线点源距离探测器30cm远，伽玛射线近似平行地入射到8×8锗酸铋晶体点阵上，它激发的闪烁光经复合结构的5个光电倍增管放大后由Anger逻辑定位电路板进行运算，最终获得伽玛射线的能量，作用时间及空间定位等信息。

图7是利用通道分析仪测量的复合式高能射线探测器获得的铯(Cs-137)高能射线的能谱，水平轴的数值正比于伽玛射线的能量，垂直轴对应于该能量位置处的计数率，其中最大峰位对应于Cs-137发射的伽玛射线的特征能量(662KeV)，该微通道板型闪烁探测器的能量分辨率为21％。

图8是本发明复合式高能射线探测方法对高能射线的探测成像，即高能射线入射位置的空间分布图，其中8x8点阵结构清晰可见。图像的灰度代表计数率，颜色越黑则该处伽玛射线的强度越高，该复合式高能射线探测器的单根锗酸铋晶体的截面尺寸为9mm，总伽玛射线计数为10⁵个。

Claims

1.一种复合式高能射线探测和定位的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将用于捕获高能伽玛射线的闪烁晶体排成方形闪烁晶体阵列；

(2)将五个圆形光电倍增管组装成复合式光电倍增管排列，使尺寸较小的一个光电倍增管处于四个尺寸较大的光电倍增管的中心，其中所述四个尺寸较大的光电倍增管具有相同的尺寸，且所述尺寸较大的光电倍增管的直径是所述尺寸较小的一个光电倍增管的直径的两倍；

(4)当高能伽玛射线入射到上述复合式高能射线探测器的闪烁晶体阵列中，产生闪烁光，经复合式光电倍增管阵列放大后得到电脉冲信号，对电脉冲信号进行放大和解码，利用电脉冲信号在复合式光电倍增管阵列的权重分配，得到高能伽玛射线在上述闪烁晶体阵列中的坐标，计算方法为：设5个光电倍增管产生的电压信号强度分别为V₁、V₂、V₃、V₄、V₅，其中V₅为所述尺寸较小的一个光电倍增管产生的电压信号强度，则高能伽玛射线的空间位置X，Y和能量E分别为：

X = \frac{V_{2} + V_{4} + 0.5 * V_{5}}{V_{1} + V_{2} + V_{3} + V_{4} + V_{5}}

Y = \frac{V_{1} + V_{2} + 0.5 * V_{5}}{V_{1} + V_{2} + V_{3} + V_{4} + V_{5}}

E＝V₁+V₂+V₃+V₄+V₅。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的闪烁晶体的材料为锗酸铋、硅酸镥、硅酸钇镥、硅酸钆、氟化钡、碘化钠、碘化铯、钨酸铅或铝酸钇中的任何一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的光导材料为有机塑料、玻璃或光纤中的任何一种。