CN111025370A - 一种双态功能材料辐射传感装置及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双态功能材料辐射传感装置及其组装方法，包括闪烁体模块，所述闪烁体模块包括固体闪烁体和液体闪烁体；光电倍增管模块，所述光电倍增管模块包括光电阴极模块、聚焦电极模块、打拿极模块和光电阳极模块；电子学模块包括第一电子学模块和第二电子学模块，所述第一电子学模块包括ADC采集模块、能量与位置处理模块以及SQL模块，所述第二电子学模块包括数据同步和封装模块、以太网接口模块；图像重建及成像模块包括依次相连的据预处理模块、FBP重建模块、断层成像及显示模块。本发明能够探测到更多的高能粒子，探测范围变得更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，具体为一种双态功能材料辐射传感装置及其组装方法。
背景技术
辐射探测器是一种用于探测高能粒子的装置，主要由闪烁体、光电转换装置、读出电子学和图像重建模块组成，其中闪烁体是不可或缺的重要部分。辐射探测器的探测过程为辐射粒子射入探测器的闪烁体，然后入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量并且发射出可见荧光，然后探测器通过光电转换装置将可见荧光转换为某种形式的模拟电信号，然后模拟电信号进一步通过读出电子学将之转换为容易操作的数字电信号，最后将加工好的数字电信号送到图像重建模块，对数字进行预处理、重建和后处理最终形成图像。目前常用辐射探测器中用到的闪烁体主要是固体闪烁体和液体闪烁体。
(1)固体闪烁体一般指为无机晶体(掺杂)、玻璃体、纯晶体、有机晶体和塑料闪烁晶体，这种闪烁体密度高，对粒子的阻止本领大，探测效率高，所以在探测器中一般都用固体闪烁体吸收高能粒子。现在一般在探测器中用的固体闪烁体都是由稀土元素构成，其中稀土超磁致伸缩晶体、稀土磁光晶体、稀土光学晶体等在信息、能源、医疗、环境等领域具有不可替代的应用，但从探明储量和出厂价格上看，各种稀土元素极不平衡，且高端医疗器械PET对重稀土元素镥的用量极大，而原料镥储量少、价格高，进而使高性能PET的成本很难降低。
(2)液体闪烁体简称液闪，是用发光物质溶于有机溶液内制成的，它由溶剂、第一闪烁体和移波剂组成，这种闪烁体具有高的光产额、快的荧光衰减时间、好的光透过率、制备简单和易于制备为大体积的材料且形状不受限制等一系列优点。其中溶剂吸收核辐射能被激发,退激时通过无辐射跃迁将能量转移到闪烁体，闪烁体产生荧光光子并照射在光电倍增管的光阴极上打出光电子,再通过光电倍增管的逐级放大,在阳极产生电流信号输出。一般溶剂是甲苯类芳香族有机物，而闪烁体溶剂用量通常占整个液闪的99%以上,因此溶剂的光学性质非常重要,对液闪的品质有决定性影响。PPO 是目前液体闪烁体中应用较为广泛的闪烁体, 它的化学性质稳定,价格便宜,能很好地溶解在常用的溶剂中。
(3)传统的辐射传感装置中使用的闪烁体一般都是固体晶体，这样使得辐射传感装置对吸收的高能粒子种类过于单一，并且因为固体晶体都是由稀土元素形成，而稀土元素尤其是重稀土储量十分稀少，这样使得辐射传感装置的生产成本很难降低。此外固体晶体与固体晶体之间需要用光学胶水等粘合剂进行粘合，这样不仅使得生产成本进一步增加，而且因为粘合剂的存在使得辐射传感装置对高能粒子的吸收能力下降，从而导致经过辐射传感装置后图像重建出的成像效果达不到完美重现原图像的程度。
高能粒子射线：是现代粒子散射实验中的炮弹，是研究物质基元结构的最有用的工具几乎是粒子物理学家们唯一的工具，包括α粒子，β粒子，β+粒子，γ粒子，μ子， τ子，质子，中子和中微子等。
SQL：稀疏量化电平(Sparse Quantization Level,简称SQL)是一种由数字PET实验室率先提出、有别于传统ADC采样的采样方法。这种方法通过预先设置多个阈值电压Vn，然后记录闪烁脉冲幅值达到各个阈值电压的具体时间Tn，得到时间阈值采样点Sn(Tn，Vn)。
荧光：荧光是物质吸收光照或者其他电磁辐射后发出的光。大多数情况下，发光波长比吸收波长较长，能量更低。但是，当吸收强度较大时，可能发生双光子吸收现象，导致辐射波长短于吸收波长的情况发生。当辐射波长与吸收波长相等时，既是共振荧光。常见的例子是物质吸收紫外光，发出可见波段荧光，我们生活中的荧光灯就是这个原理，涂覆在灯管的荧光粉吸收灯管中汞蒸气发射的紫外光，而后由荧光粉发出可见光，实现人眼可见。
通常情况下,大多数分子处在基态(So)的最低振动能级。当处于基态的分子吸收光子后被激发为激发态,激发态是很不稳定的,它可能通过非福射跃迁和辐射跃迁的形式失活释放出能量又重新跃迁回基态。非辐射跃迁是指多余的能量以热的形式耗散掉,包括振动弛豫、内转换、系间窜越等过程;辐射跃迁是指能量以光的形式释放出来,也就是所谓的荧光或憐光。
因此，针对以上提到的辐射传感装置中存在的问题有必要对现有辐射传感装置予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双态功能材料辐射传感装置及其组装方法，以实现吸收包含一种能量以上的高能粒子射线并免除光学胶水等粘合剂的使用。
为实现上述目的，本发明公开了一种双态功能材料辐射传感装置，包括闪烁体模块，所述闪烁体模块包括固体闪烁体和液体闪烁体；
光电倍增管模块，所述光电倍增管模块包括光电阴极模块、聚焦电极模块、打拿极模块和光电阳极模块，所述光电阴极模块一端分别与固体闪烁体和液体闪烁体连接，另一端与聚焦电极模块相连，所述聚焦电极模块与所述打拿极模块相连，所述光电阳极模块的一端与所述打拿极模块相连，另一端与电子学模块相连；
所述电子学模块包括第一电子学模块和第二电子学模块，所述第一电子学模块包括ADC采集模块、能量与位置处理模块以及SQL模块，所述第二电子学模块包括数据同步和封装模块、以太网接口模块，所述ADC采集模块的一端与所述光电阳极模块连接，另一端与所述能量与位置处理模块的一端连接，所述能量与位置处理模块的另一端与所述数据同步和封装模块相连，所述SQL模块的一端与所述光电阳极模块连接，另一端与所述数据同步和封装模块相连，所述数据同步和封装模块与以太网接口模块，所述以太网接口模块与图像重建及成像模块相连；
所述图像重建及成像模块包括依次相连的据预处理模块、FBP重建模块、断层成像及显示模块。
所述闪烁体模块还包括铝制腔体、网格架，所述铝制腔体呈中空一侧开口的方形结构，所述网格架设置于所述铝制腔体内用于放置固体闪烁体，所述固体闪烁体呈条状方形晶体结构，所述网格架与所述固体闪烁体之间设有包裹于所述固体闪烁体外部的液体闪烁体，所述铝制腔体的开口处设有用于将其密封的密封件。
所述网格架为光导有机玻璃；所述密封件为石英玻璃。
所述固体闪烁体的厚度为10mm~20mm，其长度和宽度相等皆为1mm~6mm。
所述固体闪烁体为无机晶体或玻璃体或纯晶体或有机晶体或塑料闪烁晶体，不同种类的固体闪烁体可以吸收不同类型的高能粒子射线，同时发射出不同颜色的荧光。
所述固体闪烁体为硅酸钇镥闪烁晶体。
所述液体闪烁晶体为有机液体闪烁晶体，即在有机液体溶剂中融入发光物质，称为第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂称为第二发光物质，组成有闪烁体性能的液体；不同种类的液体闪烁体可以吸收不同类型的高能粒子射线，同时发射出不同颜色的荧光。
本发明公开了一种双态功能材料辐射传感装置的组装方法，包括以下步骤：
步骤S1：将铝制腔体中放入光导有机玻璃的网格架；
步骤S2：往网格架中***固体闪烁体并注入液体闪烁体；
步骤S3：用石英玻璃密封件将铝制腔体密封；
步骤S4：在石英玻璃密封件另一侧接光电倍增管；
步骤S5：在光电倍增管阳极模块后接电子学模块电路板；
步骤S5：用电脑软件将电子学模块输出的信息进行处理得到重建图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中闪烁体模块由固体闪烁体和液体闪烁体组成，因为含有两种不同材料的闪烁体，所以首先比起寻常的辐射传感装置双态结构的辐射传感装置能够探测到更多的高能粒子，探测范围变得更加广泛；同时双态功能材料辐射传感装置通过检测一种以上的高能粒子射线从而发射出彩色荧光，我们可以通过观察荧光的颜色确定所检测的高能粒子射线的种类，并且比传统的辐射传感装置更容易得到实验现象；此外，固体闪烁晶体与晶体之间不再需要胶水和粘合剂，而是直接由液体闪烁体放在固体闪烁晶体与晶体之间起连接作用，相对现有技术极大的降低了闪烁晶体损耗的风险，降低了***维护成本，同时两种闪烁体相互起到补偿作用，改善了光探测，提高了闪烁体光输出效率，大大抑制了伽玛辐射产生的余辉。最后，闪烁体与光电探测器之间的光导也用液体闪烁体代替，使得光电探测器器件所接受到的闪烁光分布携带更为丰富的能量沉积信息。
附图说明
图1为本发明中闪烁体模块的结构示意图；
图2为本发明中闪烁体模块与广电倍增管模块的连接示意图；
图3为本发明的组装流程图；
图4为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，一种双态功能材料辐射传感装置，包括闪烁体模块100，用于将生物(或假体)体内发射出的高能粒子(如α粒子，β粒子，β+粒子，γ粒子，μ子， τ子，质子，中子和中微子)吸收并转化为可被光电转换器件转换的可见光，所述闪烁体模块100包括固体闪烁体110和液体闪烁体120，两种闪烁体可以探测到以上提到的一种以上种类的高能粒子并发射出彩色的荧光；本发明中闪烁体模块100由固体闪烁体110和液体闪烁体120组成，因为含有两种不同材料的闪烁体，所以首先比起寻常的辐射传感装置双态结构的辐射传感装置能够探测到更多的高能粒子，探测范围变得更加广泛，例如PET探测器中只能探测能量为511kev的伽马光子，而双态结构的辐射传感装置可以探测如α粒子，β粒子，β+粒子，γ粒子，μ子， τ子，质子，中子和中微子等不同能量的两种以上高能粒子；同时双态功能材料辐射传感装置通过检测一种以上的高能粒子射线从而发射出彩色荧光，我们可以通过观察荧光的颜色确定所检测的高能粒子射线的种类，并且比传统的辐射传感装置更容易得到实验现象；此外，固体闪烁晶体与晶体之间不再需要胶水和粘合剂，而是直接由液体闪烁体放在固体闪烁晶体与晶体之间起连接作用，相对现有技术极大的降低了闪烁晶体损耗的风险，降低了***维护成本，同时两种闪烁体相互起到补偿作用，改善了光探测，提高了闪烁体光输出效率，大大抑制了伽玛辐射产生的余辉。
本实施例中，所述固体闪烁体110为无机硅酸钇镥闪烁晶体LYSO，因为辐射探测器在探测小动物时，由于用于小动物活体体重与人相比低约3个数量级（通常以成人70kg和老鼠30g作比较），而探测人体所用的光电探测模块受灵敏度和分辨率的影响，无法满足小动物成像指标要求，所以小动物辐射探测的空间分辨率和灵敏度方面具备更高的性能要求，进而对其探测模块的核心组件─闪烁晶体阵列提出了更高的要求，在这种背景下，基于硅酸钇镥闪烁晶体LYSO阵列的小动物辐射探测装置脱颖而出，LYSO晶体具有高密度，高有效原子系数，发光时间短等优点，与常用的固体闪烁体材料BGO相比，LYSO晶体的光输出是BGO的4倍左右，衰减时间比BGO短，使得辐射探测装置的时间、空间分辨率都有很大提升，同时，LYSO晶体密度较大，有利于探测器小型化，是用于小动物辐射探测的绝佳材料。
本实施例中，液体闪烁体120为偏三甲苯(Pseudocumene,PC)和线性烷基苯(Linear alkyl benzene,LAB)的混合溶剂作为液体闪烁体的基质，2,5-二苯基恶唑(2,5-Diphenyloxazole,PPO)和1,4-双(2-甲基苯乙烯基)苯(1,4-bis(2-Methylstyryl)benzene,bis-MSB)作为第一闪烁体和移波剂的掺钆液体闪烁体。其中采用体积分数比为20% PC -80 % LAB的混合溶剂作为液体闪烁体基质，之所以采用掺钆液体闪烁体作为实施例中的液体闪烁体120，是因为稀土金属钆对于中子具有非常大的捕获截面，因此常常把钆掺杂到液体闪烁体中去提高中微子的探测效率，同时，LAB具有良好的综合性能，被许多中微子试验采用，但是为了追求更高的光产额，我们可以通过调配液体闪烁体配方来实现。PC具有比LAB更高的光输出，却对有机玻璃材料具有腐蚀性，但是LAB却能够与有机玻璃材料良好地兼容，同时也能够避免光产额的大幅下降。
本实施例中，硅酸钇镥闪烁晶体LYSO的长度和宽度为6mm，厚度为15mm，每根晶体条被掺钆液体闪烁体包裹，固体闪烁体110和液体闪烁体120通过用光导有机玻璃做成的网格架4固定在铝制腔体1中，然后通过石英玻璃的5密封；
本发明公开了一种双态功能材料辐射传感装置的组装方法，包括以下步骤：
步骤S1：将铝制腔体1中放入光导有机玻璃的网格架4；
步骤S2：往网格架4中***固体闪烁体110并注入液体闪烁体120；
步骤S3：用石英玻璃密封件5将铝制腔体1密封；
步骤S4：在石英玻璃密封件5另一侧接光电倍增管200；
步骤S5：在光电倍增管阳极模块240后接电子学模块300电路板；
步骤S6：用电脑软件将电子学模块300输出的信息进行处理得到重建图像。
使用铝制腔体1的原因是防止可见光折射或反射出闪烁体模块100，同时可以为固体闪烁体110和液体闪烁体120提供一个容器；使用光导有机玻璃的网格架4的原因是固定固体闪烁体110和液体闪烁体120，防止固体闪烁体110晶体条乱动，同时光导有机玻璃这种材料易于加工且不易碎，普通玻璃很难制成这么小且复杂的结构；使用石英玻璃的原因是密封铝制腔体1，防止闪烁体从腔体中掉出，同时可以将闪烁体中的可见光传递给光电倍增管模块200。
所述光电倍增管模块200包括光电阴极210、聚焦电极220、打拿极230和光电阳极240，其中光电阴极模块210用于将固体闪烁体模块110和液体闪烁体模块120传来的光子通过光电效应转换为光电子并传给聚焦电极模块220；聚焦电极模块220用于将光电子束进行聚焦然后传给打拿极模块230，打拿极模块230对光电子束进行二次发射并倍增传到光电阳极模块240，光电阳极模块240把放大后的电子用阳极收集作为信号输出给电子学模块300中的ADC采集模块311（放大器模块）和SQL模块321；本实施例中，光电倍增管为硅光电倍增管(SiPM)；SiPM 是在高能物理学应用领域发展起来的新型光电倍增管，其优势包括：低工作电压（20 ∼ 70 V）下的高增益（∼ 106），结构简单小巧，对磁场不敏感（适于建造PET/MRI成像），快速的时间响应（对测量TOF 足够），低价格以及与CMOS 技术兼容，可以赋予双态辐射探测装置更强的成像能力。
电子学模块300，包括第一电子学模块310和第二电子学模块320，而第一电子学模块310包括ADC采集模块311，能量与位置处理模块312和SQL模块313，第二电子学模块320包括数据同步和封装模块321和以太网接口模块322。其中ADC采集模块311和能量与位置处理模块312都从光电阳极模块240接收电信号，然后ADC采集模块311将模拟电信号进行模数转换处理后传给能量与位置处理模块312，能量与位置处理模块312将进行了模数转换后的数字电信号对其进行能量与位置的信息采集然后传给数据同步和封装模块321，SQL模块313将电信号稀疏量化后也传给数据同步和封装模块321，数据同步和封装模块321得到信号后进行进一步的封装打包后传给以太网接口模块322，以太网模块得到信号后进行处理后将加工后的电信号传给电脑软件，即图像重建及成像模块中的数据预处理模块400。
图像重建及成像模块400，用于将从以太网接口模块322得到的数字信号传到数据预处理模块410，数据预处理模块410对信号进行预处理后传给FBP重建模块420，FBP重建模块420再将处理好的信号传给断层成像及显示模块430，最后得到重建好的图像；在本实施例中， FBP重建算法是滤波反投影(Filtered BackProjection,FBP)算法，FBP算法是在傅立叶变换理论基础之上的一种空域处理技术，它的特点是在反投影前将每一个采集投影角度下的投影进行卷积处理，从而改善点扩散函数引起的形状伪影，重建的图像质量较好，FBP滤波反投影的整个步骤为：
1.对投影后的数据p(s,θ)进行一维傅里叶变换，得到P(ω,θ)；
2.对P(ω,θ)乘以滤波器的传递函数，得到Q(ω,θ)；
3.求Q(ω,θ)的以ω为变量的一维傅里叶反变换，得到q(s,θ)，再对q(s,θ)进行反投影得到f(x,y）。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：包括
闪烁体模块，所述闪烁体模块包括固体闪烁体和液体闪烁体；
光电倍增管模块，所述光电倍增管模块包括光电阴极模块、聚焦电极模块、打拿极模块和光电阳极模块，所述光电阴极模块一端分别与固体闪烁体和液体闪烁体连接，另一端与聚焦电极模块相连，所述聚焦电极模块与所述打拿极模块相连，所述光电阳极模块的一端与所述打拿极模块相连，另一端与电子学模块相连；
所述电子学模块包括第一电子学模块和第二电子学模块，所述第一电子学模块包括ADC采集模块、能量与位置处理模块以及SQL模块，所述第二电子学模块包括数据同步和封装模块、以太网接口模块，所述ADC采集模块的一端与所述光电阳极模块连接，另一端与所述能量与位置处理模块的一端连接，所述能量与位置处理模块的另一端与所述数据同步和封装模块相连，所述SQL模块的一端与所述光电阳极模块连接，另一端与所述数据同步和封装模块相连，所述数据同步和封装模块与以太网接口模块，所述以太网接口模块与图像重建及成像模块相连；
所述图像重建及成像模块包括依次相连的据预处理模块、FBP重建模块、断层成像及显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：所述闪烁体模块还包括铝制腔体、网格架，所述铝制腔体呈中空一侧开口的方形结构，所述网格架设置于所述铝制腔体内用于放置固体闪烁体，所述固体闪烁体呈条状方形晶体结构，所述网格架与所述固体闪烁体之间设有包裹于所述固体闪烁体外部的液体闪烁体，所述铝制腔体的开口处设有用于将其密封的密封件。
3.根据权利要求2所述的一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：所述网格架为光导有机玻璃；所述密封件为石英玻璃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：所述固体闪烁体的厚度为10mm~20mm，其长度和宽度相等皆为1mm~6mm。
5.根据权利要求4所述的一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：所述固体闪烁体为无机晶体或玻璃体或纯晶体或有机晶体或塑料闪烁晶体。
6.根据权利要求5所述的一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：所述固体闪烁体为硅酸钇镥闪烁晶体。
7.根据权利要求6所述的一种双态功能材料辐射传感装置，其特征在于：所述液体闪烁晶体为有机液体闪烁晶体。
8.一种双态功能材料辐射传感装置的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将铝制腔体中放入光导有机玻璃的网格架；
步骤S2：往网格架中***固体闪烁体并注入液体闪烁体；
步骤S3：用石英玻璃密封件将铝制腔体密封；
步骤S4：在石英玻璃密封件另一侧接光电倍增管；
步骤S5：在光电倍增管阳极模块后接电子学模块电路板；
步骤S6：用电脑软件将电子学模块输出的信息进行处理得到重建图像。
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