CN106501838B - 一种辐射探测器的光导及其制备方法、辐射探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射探测器的光导及其制备方法、辐射探测器。本发明的辐射探测器，包括一光导、闪烁体阵列和传感器阵列，其中所述光导包括一透光平板，该透光平板上表面S1为光导输入端，该透光平板下表面设有一台形阵列结构，构成该台形阵列结构的台形单元上底面S2为光导输出端；所述闪烁体阵列与该光导输入端耦合，所述传感器阵列与所述光导输出端对应耦合。与现有技术相比，本发明的设计方案避免了死区的产生，光收集效率提高，同时能够提升信噪比。

Description

一种辐射探测器的光导及其制备方法、辐射探测器

技术领域

本发明涉及一种核辐射探测装置，更具体的，涉及该装置中闪烁探测器的光导。

背景技术

核成像技术的一般方法是利用与核相关的物理量在被测目标中的变化规律或分布情况，获得物体内部信息，并通过计算机对这些信息进行处理，重建被测对象内部图像。基于射线探测的核成像技术在社会公共安全、高能物理、生物医学等领域发挥着愈来愈重要的作用。例如，作为先进的医学成像手段，正电子发射断层扫描(Positron EmissionTomography,PET)技术在获取生物某些器官或病灶的功能信息等方面具有独特的优点，因而在一些疾病的早期诊断、病理研究、疗效观察及新药研究等方面获得广泛应用；放射性照相机(Radiation Camera)由于具有直观、无损、灵敏度高的特点，在对一些公共场所及特殊场所的辐射监控方面获得了良好应用。

核探测装置一般由探测器、电子学、显示终端组成。其中探测器完成核辐射到电信号的转换，是系统的核心部件。

闪烁探测器是核成像设备最广泛采用的探测器，一般结构为闪烁体、光导、光电转换器。闪烁体实现射线到闪烁光的转换，由于探测器的有效探测面积与闪烁体阵列面积相关，一般用细晶体条拼成大面积的晶体阵列；光电转换器将光信号转换为可以处理的电信号，其价格昂贵，一般与面积成正比；为了节约成本，常在闪烁体和光电转换器之间加入锥形光导，用小面积的光电转换器实现探测大面积闪烁体。由于采用锥形光导后能保持探测面积和位置分辨信息，节约成本，目前已在核成像领域得到广泛应用，各种各样的光导也被研发出来。

现有方案一：申请号200510105211.2的专利申请，公开了一种用于核成像装置的闪烁探测器。这是一种典型的位置灵敏射线探测器，由闪烁体、光纤光导、光电倍增管组成。闪烁体阵列中个各个闪烁体条之间用反光材料隔离开，闪烁体阵列与光探测器件之间用玻璃纤维拉制成的光锥来进行光耦合。

优点：组装方便，结构稳定，在闪烁体阵列的面积与光电探测器件的有效面积相差不大的情况下能得到很好的效果，在小型PET系统中得到了广泛应用。缺点：由于光锥拉制工艺的限制，决定了锥比不能过大。也就是说，当闪烁体阵列的面积比光探测器件的有效面积大太多的时候，就需要较大锥比的光锥去耦合，这种情况下，光锥边缘特别是角落的光传输效率就会比中间的光传输效率低很多，这样会造成闪烁体阵列边缘特别是角落的闪烁体条的光只有较少的一部分能传输到光探测器件上，从而使这部分闪烁体条难以被分辨。另外一个缺点是，此光锥的成本较高。

现有方案二：申请号201210581442.0的专利申请，公开了一种用于辐射检测器的光导组件。此方法制作的光导是单个光导组件拼接构成的组合体，实现了将多通道的探测器简单拼接组合。

优点：实现了用小光导拼成大光导，制作方法便于批量生产。缺点：应用此方法的前提是先制作一个个的光导组件，再应用此方法，整体流程仍然复杂，并且新的光导较单个的光导组件拼接并没产生额外的好处。

发明内容

针对现有技术中存在的光导转换效率低的问题，本发明的目的在于提供一种辐射探测器的光导及应用此光导的辐射探测器。

一种辐射探测器的光导，其特点在于：上表面是一块整体的平面S1，下表面由M*N个分离的平面S2及其之间的倒V形表面S3组成，上表面与倒V形顶端距离D1，倒V形夹角为θ(0<θ≤120°)，高度为D2，侧面由竖直表面S4和斜面S5组成。

其制备方法为：

方法一：

a.将光导所用材料加工成长方体，上下平面面积均为S1，高度为D1+D2；

b.在长方体的一个S1面以切割或研磨的方式加工出V型槽；

c.以切割或研磨的方式加工出斜面S5；

方法二：

使用模型整体浇铸。

上平面S1耦合闪烁体阵列，下平坦表面耦合灵敏区不连续的光电转换器阵列，组成位置灵敏型闪烁探测器；

倒V形夹角的顶端据生产工艺不同可以是锐角、圆角或平角；

探测器可作为核心探测器用于正电子发射断层扫描或射线成像仪；

光电转换器是硅光电倍增管。

本发明的技术方案为：

一种辐射探测器的光导，其特征在于，包括一透光平板，该透光平板上表面S1为光导输入端，该透光平板下表面设有一台形阵列结构，构成该台形阵列结构的台形单元上底面S2为光导输出端。

相邻所述台形单元的侧面或侧面延伸面之间形成的夹角为θ；其中0<θ≤120°。

所有相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角均为θ；或者所述台形阵列结构中不同行或不同列的相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角不同。

所述台形阵列结构中最外圈相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₁，其余相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₂，其中，θ₁<θ₂。

所述透光平板的厚度为D1，所述台形单元的高度为D2，其中，0<D1≤a，a为所述台形单元的横截面下底边长，b为所述台形单元的横截面上底边长。

所述台形单元为正四棱台或长方形四棱台或圆台；所述台形单元的侧面敷高反光材料。

一种辐射探测器的光导制备方法，其步骤为：

1)将光导所用材料加工成长方体；该长方体高度为D1+D2；

2)在该长方体的一底面加工出两组相互垂直分布、深度为D2的V型槽；

3)对该长方体制备有V型槽的高度D2侧面部分加工出斜面S5，从而在该底面得到一由多个台形单元构成的台形阵列结构。

一种辐射探测器的光导制备方法，其步骤为：首先制备一对应于所述光导结构的浇铸模具，然后利用该浇铸模具制备光导。

一种辐射探测器，其特征在于，包括一光导、闪烁体阵列和传感器阵列，其中所述光导包括一透光平板，该透光平板上表面S1为光导输入端，该透光平板下表面设有一台形阵列结构，构成该台形阵列结构的台形单元上底面S2为光导输出端；所述闪烁体阵列与该光导输入端耦合，所述传感器阵列与所述光导输出端对应耦合。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

(1)探测器无探测死区。

光电转换器(例如光电倍增管、光电二极管、硅光电倍增管)的一般结构均为如图1、2所示(黑色是灵敏区)，灵敏面积为C1，周围有封装造成的不灵敏区，直接拼成大面积探测器时衔接处会有死区(不灵敏区)，当把闪烁体直接放在死区上方时，此闪烁体发出的光全部损失；解决措施之一是在晶体阵列和光电转换器之间加入玻璃片作为光导起分光作用，这样死区正上方的晶体发出的闪烁光会被两端的光电转换器接收到，但照在死区的光仍然损失了。

本发明的设计方案避免了死区的产生，光收集效率提高，提升信噪比；

(2)结合权重算法实现高位置分辨，分辨率可以小于光导尺寸，小于光电转换器尺寸；

晶体阵列像素可以做的很小，如图5所示的光分配使得即使很小的晶体发出的光都能被探测到，并且将位置计算出来，从而最终位置分辨率不再受限于光电转换器尺寸；

(3)光导厚度较薄，减少光在光导中的传播时间，保证探测器时间性能；

(4)实际的光电转换器灵敏面积比闪烁体阵列面积小，节约光电转换器成本；

(5)材质采用石英玻璃、K9玻璃、有机玻璃或其他透明材料，相对光纤光导成本大幅降低；

(6)便于机械化生产，加工成本低。

附图说明

图1为光电转换器结构原理图；

图2为传统探测器结构原理图；

图3为本发明光导结构示意图；

(a)截面图，(b)立体结构图，(c)俯视图；

图4为传感器阵列示意图；

图5为本发明探测器结构原理图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

一种辐射探测器的光导，如图3，其特点在于：上表面是一块整体的平面S1，下表面由M*N个分离的平面S2及其之间的倒V形表面S3组成，上表面与倒V形顶端距离D1，倒V形夹角为θ，高度为D2，侧面由竖直表面S4和斜面S5组成。

S1与闪烁体阵列光输出面的面积匹配；分立排列的光电转换器单元组成阵列，光电转换器按M*N排列，每个光电转换器单元的灵敏面积与S2匹配。当S1和S2确定后，a和b的值确定，a、b、θ、D1、D2需满足约束关系：

0<D1≤a；

1<θ≤120° 0<θ≤120°

a为所述台形单元的横截面下底边长，b为所述台形单元的横截面上底边长，光电转换器灵敏面积间的距离为a-b，固定光电转换器的电路板面积与S1面积一致。如图4。

闪烁体阵列、光导与光电转换器阵列组成探测器。

如图5，光导上表面S1耦合闪烁体，下表面S2耦合光电转换器，光电转换器的灵敏面积是不连续的。

上表面与倒V形顶端距离D1用来提供光的分配，使每个像素闪烁体发出的光通过此分光层分配到多个光电转换器，通过计算一次事例中每个光电转换器接收到光子数的权重计算闪烁体像素位置，计算公式为

其中X、Y为射线入射事例在探测器中能量沉积位置的X坐标值和Y坐标值，k_n、k_m为第n列和第m行位置计算时的权重因子，Cmn为M*N光电转换器阵列中位于第m行第n列的单元得到的闪烁光子数或等效值，A、B为常数。

考虑到实际应用中位置分辨的要求，各行及各列V型槽的夹角θ值可能不同。例如，光电转换器阵列为M*N，光导V型槽的夹角分别为θ_ij(0<i<M-1，0<j<N-1),为增强探测器的边缘位置分辨能力，一种实施方案为最外圈的V型槽θ值相等为θ₁，其余的V型槽θ值为θ₂，θ₁<θ₂。

光导上表面耦合的闪烁体阵列是由像素大小为a的闪烁体组成的P*Q阵列，可以根据需要将阵列做成任意尺寸，晶体间用高反光材料隔开。光导上平面S1与下平面面积比大于1，在(1，∞)区间，此值越大，即单位面积光电转换器能探测的闪烁体面积越大，成本越低，可根据实际应用需求确定此值及角度θ。

侧面敷高反光材料增加光收集率，根据闪烁体阵列的尺寸，S1与阵列尺寸和形状匹配，S2与分立的光电转换器耦合，光电转换器灵敏面积与小端面S2面积匹配，小于大端面面积。光导的材料可以是石英或K9玻璃或其他对特定波长光透明的材料。

可变化形式：

(1)为增强边缘位置的空间分辨能力，最外圈的光导像素单元的上表面可以比中间的光导像素单元的上表面面积小，在此情况下，会造成D2与S5的高度不同。

(2)为加强特定区域的分辨能力，不同行或列之间的倒V形夹角可以相同或不同。

(3)M＝N；M≠N。

(4)S1、S2、S3、S4、S5表面工艺为粗糙或抛光。

(5)S3、S4、S5表面覆盖反光层。

(6)光导材质为石英、K9玻璃、有机玻璃等对特定波段光波透明的材料。

(7)S1、S2为矩形；S1、S2为其他形状。

(8)光电转换器可以是PMT、PD、APD、SiPM等等。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种辐射探测器的光导，其特征在于，包括一起分光作用的透光平板，该透光平板上表面S1为光导输入端，该透光平板下表面设有一台形阵列结构，构成该台形阵列结构的台形单元下底面与透光平板连接，上底面S2为光导输出端，且上底面S2面积小于下底面；其中，相邻所述台形单元的侧面或侧面延伸面之间形成的夹角为θ；其中0<θ≤120°，所述台形阵列结构中最外圈相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₁，其余相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₂，且θ₁<θ₂。

2.如权利要求1所述的光导，其特征在于，所有相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角均为θ；或者所述台形阵列结构中不同行或不同列的相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角不同。

3.如权利要求1所述的光导，其特征在于，所述透光平板的厚度为D1，所述台形单元的高度为D2，其中，0<D1≤a，a为所述台形单元的横截面下底边长，b为所述台形单元的横截面上底边长。

4.如权利要求1～3任一所述的光导，其特征在于，所述台形单元为正四棱台或长方形四棱台或圆台；所述台形单元的侧面敷高反光材料。

5.一种辐射探测器的光导制备方法，其步骤为：

1)将光导所用材料加工成长方体；该长方体高度为D1+D2；

2)在该长方体的一底面上加工出两组相互垂直分布且深度为D2的V型槽，该V型槽下方为厚度为D1的透光平板；

3)对该长方体制备有V型槽的高度D2侧面部分加工出斜面S5，从而在该底面得到一由多个台形单元构成的台形阵列结构；其中，所述台形阵列结构中最外圈相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₁，其余相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₂，且θ₁<θ₂。

6.一种辐射探测器的光导制备方法，其步骤为：首先制备一对应于如权利要求1所述光导结构的浇铸模具，然后利用该浇铸模具制备光导。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，相邻所述台形单元的侧面或侧面延伸面之间形成的夹角为θ；所述透光平板的厚度为D1，所述台形单元的高度为D2，其中0<θ≤120°，0<D1≤a，a为所述台形单元的横截面下底边长，b为所述台形单元的横截面上底边长。

8.一种辐射探测器，其特征在于，包括一光导、闪烁体阵列和传感器阵列，其中所述光导包括一起分光作用的透光平板，该透光平板上表面S1为光导输入端，该透光平板下表面设有一台形阵列结构，构成该台形阵列结构的台形单元下底面与透光平板连接，上底面S2为光导输出端，且上底面S2面积小于下底面；所述闪烁体阵列与该光导输入端耦合，所述传感器阵列与所述光导输出端对应耦合；其中，相邻所述台形单元的侧面或侧面延伸面之间形成的夹角为θ；其中0<θ≤120°，所述台形阵列结构中最外圈相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₁，其余相邻所述台形单元的侧面之间形成的夹角为θ₂，且θ₁<θ₂。