CN102288983A - 伽马射线成像能谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于伽马射线成像能谱仪，它由均匀冗余阵列编码板、探测模块、前端信号处理模块、A/D模块、控制模块、数据接口模块、电源模块、铅屏蔽层组成。在铅屏蔽层中，均匀冗余阵列编码板置于探测模块前端；探测模块通过排线连接至前端信号处理模块；A/D模块与前端信号处理模块接口，再通过双排插针与控制模块接连；控制模块再通过排线插座与数据接口模块连接；数据接口模块通过以太网输给上位PC机；电源模块对***输入低压直流电源进行处理后分别供给各模块。本发明提供的伽玛射线成像能谱仪，它既能用于伽玛射线成像，又能用于伽玛射线能谱测量。

Description

伽马射线成像能谱仪

技术领域

本发明属于γ射线辐射测量技术领域，具体涉及一种伽马射线成像能谱仪。

背景技术

伽马射线是由原子核内部状态变化产生的，即原子核从激发态跃迁到较低能级过程中发射出来的光，因而伽马光谱可以反映原子核的部分特征；不同元素所发射的伽马射线不同，可以通过放射元素衰变发出的伽马射线特征谱来辨别不同元素。通过对不同伽马射线的诊断，可以获得伽马射线源的图像和能谱数据，进而获得伽马射线源的种类及位置等信息。伽马射线的成像和能谱诊断对于物理实验和辐射材料检验具有重要的意义。

通常用于伽马射线能谱诊断的方法有滤片法，活化法，多道测量方法等等，其中滤片法涉及到复杂的解谱计算及高能伽马射线的次级效应；活化法对伽马射线能量有最低要求，主要用来判断高能伽马辐射；多道测量也需要涉及到解谱计算。以上的方法对于伽马射线能谱的诊断精度均不是太理想，而且需要花费大量的时间进行后续数据处理，无法很快给出伽马射线能谱数据。在其获取伽马射线能谱的同时，不能给出相应伽马射线的图像，更不用说对于伽马射线位置的测量。

早期的伽马射线成像***采用扫描方法来成像。这种***通过采用一个闪烁型伽马射线探测器配合一个可以在选定的坐标方向连续移动，即以平行扫描的方式动作的聚焦准直器对多检测的区域进行扫描。这些早期成像***的缺点是获得伽马射线源图像所需的曝光时间较长，此外，它难以实现动态研究。

现有技术中另一种类型的放射检测***利用 “Anger”型伽马闪烁照相机来测定伽马射线图像；在其基础上，又发展了单光子发射计算机断层照相SPECT(Single Photon Emission Computerized Tomography)；最近，Anger照相机被用于正电子发射层析成像***PET(Positron Emission Computerized Tomography,简称PECT或PET)，它主要用于得到人体的解剖图像和功能图像，提高对疾病的诊断能力。Anger型照相机的局限性来源于将闪烁光子转换成电信号的过程。干扰因素包括：（1）光电倍增管的作用角度与发生闪烁事件点的距离的变化；（2）由于折射率不匹配造成的光折射和光导向传播；（3）光电倍增管之间无法避免的盲区；（4）远距离光电倍增管的有效密度；（5）各个光电倍增管的不一致的空间灵敏度；（6）从一个光电倍增管到另一个光电倍增管灵敏度的变化；（7）光电倍增管灵敏度的瞬时变化。其它误差则来源于光电倍增管的不稳定性以及闪烁晶体的易碎性和吸湿性。

传统的γ射线成像装置前端设计了单针孔准直器，用于针孔成像，存在着通光量小、性噪比低等不足，需要长时间曝光才能完成对待测目标的成像。

中国专利文献数据库公开了一种发明名称为γ射线成像装置（专利申请公布号CN101718875A）的专利申请技术，在该发明专利申请中，公开的γ射线成像装置只能用于γ射线成像测量，而不能用于γ射线能谱测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种伽玛射线成像能谱仪，它既能用于伽玛射线成像，又能用于伽玛射线能谱测量。

本发明的伽马射线成像能谱仪，含有均匀冗余阵列编码板、探测模块、前端信号处理模块、A/D模块、控制模块、数据接口模块、电源模块、铅屏蔽层；在最外层的铅屏蔽层中，探测模块与前端信号处理模块连接；A/D模块与前端信号处理模块接口连接后，再通过双排插针与控制模块接连；控制模块通过排线插座与数据接口模块连接；数据接口模块通过以太网输给上位PC机；电源模块对***输入低压直流电源进行处理后分别供给各模块；其特点是：所述的能谱仪在探测模块的前端还设置有均匀冗余阵列编码板。

本发明中的均匀冗余阵列编码板设计为r×s矩阵，其中r、s为素数，且r-s=2，孔径为3mm×3mm方孔或圆孔，均匀冗余阵列编码板采用金属钨制成。

本发明中的探测模块由1024道H9500位置灵敏光电倍增管阵列与闪烁晶体阵列组成。

本发明中的探测模块中的闪烁晶体可采用硅酸钇镥或锗酸铋或钨酸锗。

本发明中的均匀冗余阵列编码板能克服单针孔成像技术存在的通光量小、性噪比低等不足，具有非常高的光通量，总面积的50%通光，且自相关函数为平旁瓣，有效抑制了固有噪声，用其构造的成像***的分辨率等于其最小孔径，同时还具有一定的层析能力。

本发明通过闪烁体介质与位置灵敏光电倍增管构成的二维探测阵列来测量入射伽玛射线：根据伽玛光子产额和探测器单元的大小，选取合适的放置距离和滤片参数（材料和厚度），确保每个探测单元上最多有一个伽玛光子入射。随着伽玛光子能量的改变，探测器单元的响应信号也随之发生变化，其响应关系可以通过蒙特卡洛模拟计算和标准伽玛辐射源标定获得。将具有相同的信号响应的个数累加起来，即可得到入射伽玛射线能量与伽玛射线光子数目之间的关系，即可获得伽玛射线能谱。当需要获得伽玛射线成像诊断时，可以减小探测器与辐射源之间的距离，此时探测单元上会有超过一个以上的伽玛光子入射，探测器的信号响应与入射光子强弱相关，探测器按照二维排布即可获得伽玛射线图像信号。

对于伽玛射线诊断，由于大量的像素信号需要处理，高的数据处理速度要求性能更好的电子学处理电路。当电子学***的运行速度方面受到限制，则成像能够获得的计数率有限。本发明的每一个探测单元均配备一个后续的电子学处理单元，这样可以达到足够高的数据处理速度。

本发明的伽马成像能谱仪包括对伽玛射线灵敏的闪烁晶体、光电倍增管阵列（1024道）以及后续的电子学处理***。其中，闪烁体晶体与伽玛射线作用，介质内的原子分子退激发光，产生固定波长的荧光发射，此波长与闪烁体吸收波长不重叠，可以很好透过晶体。在闪烁体厚度一定的时候，荧光产额与入射伽玛光子能量相关；光电倍增管用于收集闪烁体产生的荧光，并将其转化为光电子，倍增输出电信号，输出信号大小与荧光光子数量成正比；后续的电子学处理***用于放大、记录输出电信号，如果光电倍增管为多道，则需要获得每个通道光电倍增管的输出信号，且各通道之间有较好的一致性，并防止串扰、幅度游动效应等等。

本发明的伽玛射线成像能谱仪特点是采用硅酸钇镥作为核心成像和测谱组件，由硅酸钇镥、位置灵敏光电倍增管阵列（1024道）以及后续的电子学处理***三个部件组成。伽玛射线成像能谱仪每道的组件可以方便拆卸及安装，便于检查、更换及故障处理。本发明的伽马射线成像能谱仪解谱过程简单，得到的能谱能量分辨率较高，数据获取较快。

附图说明

图1为本发明的伽马射线成像能谱仪总体结构框图。

图2为本发明的伽马射线成像能谱仪电路原理图。

图3为本发明的伽马射线成像能谱仪软件处理流程图。

图中：1.闪烁晶体阵列    2.位置灵敏光电倍增管阵列     3.前端信号处理模块     4.A/D模块     5.控制模块     6.数据接口模块     7.电源模块     8.铅屏蔽层     9.均匀冗余阵列编码板     10.探头     11.启动信号     12.PC机     13.待测放射源     14.能谱模式     15.成像模式。

具体实施方式

图1为本发明的伽马射线成像能谱仪总体结构框图，从图1中可以看出，本发明的伽马射线成像能谱仪的最外层设置有铅屏蔽层8，均匀冗余阵列编码板9、闪烁晶体阵列1、位置灵敏光电倍增管阵列2、前端信号处理模块3、A/D模块4、控制模块5、数据接口模块6、电源模块7顺序连接。

图2为本发明的伽马射线成像能谱仪电路原理图，从图2可以看出，***由4个结构相同的探头10构成，每个探头由一块256像素的闪烁晶体阵列1配一个位置灵敏光电倍增管阵列2构成，位置灵敏光电倍增管阵列为16×16阵列，整个***的4个探头构成1024像素的位置灵敏探测器。A/D模块4与前端信号处理模块接口3，使用双排插针与控制模块接连；控制模块5再使用排线插座与数据接口模块6连接；数据接口模块6通过以太网输给上位PC机12；电源模块7对***输入低压直流电源进行处理后分别供给各模块。

图3为本发明的伽马射线成像能谱仪工作流程图，伽马射线源13出束前，可以提供一个启动信号11，伽马射线成像***在收到这个启动信号后，准备好探测器***，确保在伽马射线束到达探测器前一定时间（约1μs），开始对1024通道同步采样（约10μs），确保覆盖伽马射线束发射时间。采集计算机获得原始数据后，根据用户选择能谱模式14或成像模式15，进行数据处理，形成供用户分析的能谱或者图像。

其具体制作过程：所述的均匀冗余阵列编码板中的阵列为r×s矩阵，其中r、s为素数，且r-s=2，具体可为：13×11、19×17、31×29，；均匀冗余阵列编码板上的孔为方孔或圆孔，孔径为3mm×3mm；均匀冗余阵列编码板采用金属钨制成。选取合适的硅酸钇镥的形状、尺寸和厚度，加工成型。尺寸为毫米量级。为使记录介质的性能参数尽可能一致，将同一块或同一批次的尺寸较大的硅酸钇镥记录介质切割为相同大小、形状规则的小块记录介质，其尺寸为mm量级。采用封装工艺将每个小块硅酸钇镥封装，参数要求：长方体结构，3mm×3mm，长度10mm，时间响应为ns量级。封装后的硅酸钇镥紧贴位置灵敏光电倍增管感光面，要确保硅酸钇镥发出的荧光最大量的进入位置灵敏光电倍增管内。将位置灵敏光电倍增管预留的信号输出线连接到后续的电子学处理***的信号输入接口，形成一道包含记录介质、光电转换和单独的电子学处理的独立探测器单元。再依次将其他探测器单元按照前面所述连接安装好后，将探测器单元以16×16的两维阵列进行排布，确保硅酸钇镥都处于同一个平面，再将4个16×16的探测器阵列组成一个32×32的探测器阵列，该阵列包含1024个探测器单元，每个单元由硅酸钇镥、位置灵敏光电倍增管和电子学处理电路组成。最后构建电子学处理***，将探测器每一道的输出信号通过采集、放大、去噪后，通过数据线输出到专门的数据采集卡，然后经过AD转换后，输出到计算机上，采用专门软件对数据进行统计、图形处理。

Claims (4)

1.一种伽马射线成像能谱仪，含有均匀冗余阵列编码板、探测模块、前端信号处理模块、A/D模块、控制模块、数据接口模块、电源模块、铅屏蔽层；在最外层的铅屏蔽层中，探测模块与前端信号处理模块连接；A/D模块与前端信号处理模块接口连接后，再通过双排插针与控制模块接连；控制模块通过排线插座与数据接口模块连接；数据接口模块通过以太网输给上位PC机；电源模块对***输入低压直流电源进行处理后分别供给各模块；其特征在于：所述的能谱仪在探测模块的前端还设置有均匀冗余阵列编码板。

2.根据权利要求1所述的伽马射线成像能谱仪，其特征在于：所述探测模块中的组件采用日本HAMAMATSU公司生产的位置灵敏光电倍增管阵列和闪烁晶体阵列。

3.根据权利要求1所述的伽马射线成像能谱仪，其特征在于：所述均匀冗余阵列编码板中的阵列为r×s矩阵，其中r、s为素数，且r-s=2；均匀冗余阵列编码板上的孔为方孔或圆孔，孔径为3mm×3mm；均匀冗余阵列编码板采用金属钨制成。

4.根据权利要求2所述的伽马射线成像能谱仪，其特征在于：所述的闪烁晶体阵列中的闪烁晶体采用硅酸钇镥、锗酸铋或钨酸锗。

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