CN101833106A - 一种用于射线位置和能量测量的闪烁体探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用来测量放射性射线击中位置和能量的闪烁体探测器。这种探测器阵列包括一个闪烁晶体阵列和一个光导阵列。射线击中闪烁晶体阵列后，会发出闪烁荧光。这些闪烁荧光经过光导阵列后，被光电转换器件阵列接收。其中闪烁晶体阵列的晶体条和光导阵列中的光导条具有一一对应的关系。相邻的晶体条和光导条之间具有长度不同的反光介质。通过调节反光介质的长度，可以控制闪烁荧光在不同光电转换器件上的分配比例，从而识别射线击中的位置。通过将所有光电转换器件上的信号进行相加，可以得到射线的总能量。

Description

一种用于射线位置和能量测量的闪烁体探测器
技术领域
本发明的主要应用领域是放射性射线测量，特别是正电子发射断层扫描仪(PositronEmission Tomography，PET)的探测器。
背景技术
在PET应用中，要求对正电子湮灭后产生的一对伽马射线的能量，以及击中探测器的位置进行精确的测量。目前最主要的PET探测器为闪烁体探测器加上光电倍增管。射线击中闪烁体后产生闪烁荧光被光电倍增管搜集并进行放大后，得到电信号。为了得到射线击中的位置，最直观的方法是采用位置灵敏光电倍增管。但是这种方法的缺点是位置灵敏光电倍增管价格极其昂贵，所以目前的主要应用在小动物PET上。在人体PET探测器设计上，目前普遍采取的办法是通过控制探测器内部的光分配，调节不同位置的光电倍增管上接收到的闪烁荧光的比例，从而达到识别晶***置的目的。
目前主要的探测器内部光分配方式包括三种：
1.将整块的晶体锯出不同的深度。由于闪烁晶体通常比较脆，因此切割过程中不可避免的会产生破碎，导致材料的浪费。同时由于锯的过程中产生的缝隙较宽，会导致探测效率的下降。
2.采用小的晶体条组成晶体阵列，相邻的晶体条之间加入反光材料。通过调节反光材料的长度来调节光分配比例。这种方法的缺点是，部分反光材料的长度过短，会带来晶体的倾斜。这种倾斜一方面带来机械误差，影响定位精度，另一方面会导致探测器内部的应力不均匀，使得探测器容易在受到震动或温度变化热胀冷缩时出现破裂的现象。
3.采用小的晶体条组成晶体阵列，但是相邻的晶体条之间完全用反光材料隔离。在晶体阵列下方加入光导条，通过调节光导条之间的反光材料的长度来进行光分配。但是完全采用光导进行分配时，为了留下足够的光分配空间，就需要留下足够的长度。这种过长的光导会导致明显的光损失，影响探测器的分辨能力。
发明内容
本发明提供一种新的闪烁探测器的设计方法。探测器包含一个由晶体条组成的晶体阵列和一个由光导条组成的光导阵列。两个阵列中的晶体条和光导条具有一一对应的关系。传统的设计中或者仅采用晶体分光，或者仅采取光导分光。而在本发明中，我们在光分配的过程中，将晶体和光导作为一个整体进行考虑。通过调节晶体条和光导条之间的反射介质的长度，达到光分配的目的。由于在分光中，晶体条本身也参加了光分配，从而缩短了所需光导条的长度，降低了光传输过程中的光损失。
图1是一个8x8的探测器模块示意图。该模块包括一个由64根闪烁晶体条1组成的晶体阵列2和一个由64根光导条3组成的光导阵列4。相邻的光导/晶体条之间加入了长度不一的反射介质5.探测器模块被放置在包括多个光电转换器件6的光电转换器件阵列7上。
当射线击中晶体阵列2后，所发出的的光经过光导阵列4的光分配和调节，最终被光电转换器件阵列7接收。不同位置的晶体条1上所发的光，在光电转换器件阵列7中不同位置的光电转换器件6上的分配比例不同。通过计算光电转换器件阵列7上各光电转换器件6上所搜集到光的分配比例，即可获得射线击中晶体阵列2的位置。通过对光电转换器件阵列7上的所有光电转换器件6搜集到的光进行求和，即可获得射线的能量。
晶体1可以是任何合适的闪烁晶体，例如硅酸镥(LSO)，硅酸钇镥(LYSO)，锗酸铋(BGO)，或其他具有相近光产额的晶体。晶体的表面可以是粗糙面，也可以是抛光面。为了保持探测器模块的发光一致性，在进行探测器组装前，应该对晶体1的发光产额进行逐个测试。在组装探测器的时候，选择光产额接近的晶体进行组装，以保证探测器的一致性。
光导2可以是任何具有良好透光性的光学材料，例如光学玻璃和光学有机玻璃。光导条的表面可以是粗糙面，也可以是抛光面。
反射介质5可以是任何在闪烁荧光光谱范围内具有高反射率、低吸收率的反射材料，例如频谱增强型反射膜(Enhanced Spectral Reflector，ESR)，特氟龙(Teflon)薄膜，或氧化钛粉末等。
光电转换器件6可以是光电倍增管，也可以是半导体光电转换器件。
如图2所示，为了保证较高的机械精度，降低组装的误差，一种方法是在切割之前，即将整块的晶体块8和光导块9通过光学胶10粘合起来，然后再进行切割、研磨和抛光的处理，得到机械尺寸一致的晶体/光导条11。在进行后续的组装时，晶体/光导条11作为一个整体来进行。
附图说明：
图1是一个8x8的探测器的结构图
图2是晶体/光导条的切割示意图
图3是一个采用本发明设计的10x10的探测器模块
图4是10x10探测器模块的效果图
具体实施例子：
下面结合附图介绍本发明的一个实际应用。
图3是一个采用本发明设计的10x10的探测器模块。闪烁晶体材料为硅酸钇镥晶体，晶体条尺寸为4x4x20mm3。光导材料为K9光学玻璃，光导条尺寸为4x4x10mm3。晶体和光导的表面均为粗糙表面。反光材料为频谱增强型反射膜(ESR)，厚度为38微米。整个探测器模块的大小为40.7x40.7x30mm3。光电转换器件为直径39mm的光电倍增管。
图4是本探测器模块的点阵图，从中可以清楚的看到所有100个晶体的点阵。

Claims (7)

1.一种用来测量射线击中位置和能量的闪烁体探测器，其特征在于探测器包括：
(1)一个包含多个光电转换器件的光电转换器件阵列；
(2)一个包含多个闪烁晶体条的闪烁晶体阵列；
(3)一个包含多个光导条的光导阵列；
(4)光导阵列的一个面耦合在闪烁晶体阵列上，另一个面耦合在光电转换器件阵列上；
(5)相邻的闪烁晶体条和光导条之间，放有长度不一的反光介质，通过调节反光介质的面积来调节闪烁光的分配；
2.根据权利要求1所述的闪烁体探测器，其特征在于闪烁晶体阵列包含m乘以n个晶体条，其中m可以等于n，也可以不等于n。
3.根据权利要求1所述的闪烁体探测器，其特征在于光导条阵列中的光导条和闪烁晶体阵列中的晶体条的个数完全相同，位置上一一对应。
4.根据权利要求1所述的闪烁体探测器，其特征在于闪烁晶体的材料是硅酸钇镥、锗酸铋或者其它具有相近或更多光产额的闪烁晶体。
5.根据权利要求1所述的闪烁体探测器，其特征在于光导条的材料是光学玻璃，或者光学有机玻璃，或者其它具有较好透光能力的透明光学材料，光导条的表面或者是粗糙面，或者是抛光面。
6.根据权利要求1所述的闪烁体探测器，其特征在于反射介质是频谱增强型反射膜，或者特氟龙薄膜，或者氧化钛粉末，或者其他在闪烁荧光光谱范围内具有高反射率、低吸收率的反射材料。
7.根据权利要求1所述的闪烁体探测器，其特征在于在进行晶体/光导条生产时，首先将整块晶体块和光导块通过光学胶粘合起来，然后进行切割、研磨和抛光处理，从而保障晶体条和光导条的一致性。
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