CN111175326A - 探测仪以及探测方法 - Google Patents

Abstract

公开一种探测仪，包括：支架；针孔准直器，设于支架上；放射源，设于所述针孔准直器的焦点部上，放射源用于自焦点部连续发射光子对，光子对包括探测光子和位置分辨光子，探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子；位置灵敏探测器，设于针孔准直器大端的端面上，用于探测预设能量的所述位置分辨光子并生成位置信号；散射探测器，设于所述支架上，用于探测预设能量范围内的所述散射光子，其中，所述散射探测器的探头轴线与所述针孔准直器的轴线之间的夹角为钝角。该探测器提高了所探测散射光子事件的数量和能量，使得能量分辨率、信噪比和总探测效率均得到大大提高。还公开一种探测方法。

Description

探测仪以及探测方法

技术领域

本发明涉及无损探测技术领域，更具体地，涉及一种探测仪以及探测方法。

背景技术

无损探测，就是利用声、光、磁和电等特性，在探测面下检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态(如合格与否、剩余寿命等)的所有技术手段的总称。无损探测与破坏性探测相比拥有显著的优点，因此被广泛使用。

现有技术中的无损探测器，多采用背散射探测技术，散射角度大于90度，因此散射事件少，探测效率低；散射光子能量低，能量分辨率差、信噪比差。

例如，德国GSI名下的GFE公司，通过采用1毫米直径、强度1MBq～10MBq的钠22作为放射源，在放射源的同一侧，通过对放射性的钠22元素所释放的正电子衰变产生的两个相背而行的伽玛射线光子进行测量和比对，计算出背散射伽玛射线所对应的地表之下被掩藏物体的形状或管道内壁腐蚀状态的真实影像。但是，这种探测设备同样存在探测结果可靠性差以及探测效率低的问题，并且适用范围有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有较高探测准确可靠性和探测效率，并且具有极好适用性的探测仪以及探测方法，以解决现有技术中存在的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种探测仪，包括：

支架；

针孔准直器，设于所述支架上；

放射源，设于所述针孔准直器的焦点部上，所述放射源用于自所述焦点部连续发射光子对，所述光子对包括探测光子和位置分辨光子，所述探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，所述探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子；

位置灵敏探测器，设于所述针孔准直器大端的端面上，用于探测预设能量的所述位置分辨光子并生成位置信号；

散射探测器，设于所述支架上，用于探测预设能量范围内的所述散射光子，其中，所述散射探测器的探头轴线与所述针孔准直器的轴线之间的夹角为钝角。

优选地，所述针孔准直器的大端相对所述焦点部远离所述散射探测器。

优选地，还包括屏蔽板，所述屏蔽板设于所述位置灵敏探测器和所述散射探测器之间，用于屏蔽放射源射出的光子。

优选地，还包括信号采集和处理系统，所述信息采集和处理系统分别与所述位置灵敏探测器以及散射探测器电性连接。

优选地，所述位置灵敏探测器的探头由分立晶体制成，所述探头上设有多个像素点，光子发射至像素点上，从而形成光子的位置信号。

优选地，所述位置灵敏探测器的探头由连续晶体制成，所述信号采集和处理系统包括两个脉冲幅度变换器，两个所述脉冲幅度变换器用于将来自所述位置灵敏探测器的位置信号进行模数转换，从而形成数字模式的位置信号。

优选地，所述放射源为正电子放射源，所述光子为伽马光子；

所述预设能量的位置分辨光子的能量值为E，490keV＜E≤511keV，所述预设能量范围为250keV～E。

根据本发明的第二方面，提供一种探测方法，包括：

放射源连续发射光子对，所述光子对包括探测光子和位置分辨光子，所述探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，所述探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子，并使得光子的散射形成前角区散射；

对所述散射光子进行探测，以及对所述位置分辨光子进行探测，并根据对所述散射光子的探测结果以及对所述位置分辨光子的探测结果，生成所述待探测物体的图像。

优选地，对所述散射光子进行探测，以及对所述位置分辨光子进行探测，并根据对所述散射光子的探测结果以及对所述位置分辨光子的探测结果，生成所述待探测物体的图像包括：

对所述散射光子进行探测，若探测到预设能量范围内的所述散射光子，则生成开门信号ts；

对所述位置分辨光子进行探测，在生成开门信号ts后，在时间窗Δt内，若探测到预设能量的所述位置分辨光子则生成事件信号te，则判定所述开门信号ts与所述事件信号te符合，并根据对探测到的所述位置分辨光子的探测结果，得到相应一组位置信号；

重复上述步骤，得到多组所述位置信号，并根据多组所述位置信号生成所述待探测物体图像。

优选地，所述放射源为正电子放射源；

所述预设能量的位置分辨光子的能量值为E，490keV＜E≤511keV，所述预设能量范围为250keV～E。

有益效果：

本申请中探测仪，可用于探测例如地下管线等物体，通过将所述散射探测器的探头轴线与所述针孔准直器的轴线之间的夹角设置为钝角，使得在探测物体时射向待探测物体的探测光子和散射光子之间的夹角最大程度的位于90°范围内，散射事件增加，使得扫描速度更快，并进一步通过位置灵敏探测器判别出预设能量的位置分辨光子，以及通过散射探测器判别出预设能量范围的散射光子，从而在探测时形成前角区散射，提高了能量分辨率和信噪比，使得探测准确可靠性和探测效率大大提高；另外，该探测仪适用范围广，位置灵敏探测器和散射探测器探测时位于待探测物体的同一侧，便于探测一些结构复杂、特别是不利于或者根本无法使用透射测量方式的成像系统进行探测的场合。

本申请中的探测方法，提高了所探测散射光子事件的数量和能量，使得能量分辨率、信噪比和总探测效率均得到大大提高。另外，该探测方法适用范围广，便于探测一些结构复杂、特别是不利于或者根本无法使用透射测量方式的成像系统进行的场合。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了根据本发明实施例的探测仪的结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的散射光子能量随散射角度的变化图。

图3示出了根据本发明实施例的探测方法的流程图。

图4示出了本发明实施例的探测方法的步骤S02)的流程图。

图中：放射源100、支架1、针孔准直器2、焦点部21、锥筒部22、凸缘部23、放射源3、位置灵敏探测器4、散射探测器5、信息采集和处理系统6、屏蔽板7。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

如图1所示，本发明提供一种探测仪，该探测仪包括支架1、针孔准直器2、放射源3、位置灵敏探测器4和散射探测器5。其中，针孔准直器2，设于所述支架1上；放射源100，设于所述针孔准直器2的焦点部21上，所述放射源100用于自所述焦点部21连续发射光子对，所述光子对包括探测光子和位置分辨光子，所述探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，所述探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子；位置灵敏探测器4，设于所述针孔准直器2大端的端面上，用于探测预设能量的所述位置分辨光子并生成位置信号；散射探测器5，设于所述针孔准直器2上，用于探测预设能量范围内的所述散射光子，其中，所述散射探测器5的探头轴线与所述针孔准直器2的轴线之间的夹角为钝角。

下面结合附图进行较为详细的介绍。

支架1，用于安装承载各种元器件，并使得在探测时，整个的探测仪能够做整体移动调整探测。该实施例中，支架1为平板，针孔准直器2、位置灵敏探测器4和散射探测器5均设于平板的同一个平面上。在使用该探测仪进行探测时，支架1可进行水平移动式探测，例如，探测埋设于地面下的管道时，可进行水平滑动式探测，此种情况下，可在平板的下部装设滚轮，进行滚动移动；当然，该探测仪使用时，支架1也可竖直放置，或者采用其他角度的放置方式。

针孔准直器2，包括焦点部21、锥筒部22和凸缘部23，焦点部21连接于锥筒部22的小端的端面上，凸缘部23设于锥筒部22大端的端头的外周壁上。其中，焦点部21为与锥筒部22连通的圆筒状结构，焦点部21远离锥筒部22的一端的开口端为喇叭状结构，喇叭状结构的大端朝向外部设置，如此结构便于放射源3发出的探测光子自焦点部21射出。锥筒部22用于对放射源100发出的位置分辨光子进行导向约束，即利于位置灵敏探测器4对位置分辨光子的探测，又能够起到屏蔽作用防止位置分辨光子不受约束的自多个方向多范围角度的射出。

放射源100容纳于针孔准直器2的焦点部21上，该实施例中，放射源100选为钠-22，钠-22放射源100的半衰期约为2.6年，系统一般使用8年才需要更换放射源100。正电子放射源100活度不能太强，否则会使位置灵敏探测器4死时间过大，计数损失过大，同时，正电子放射源100活度不能太弱，否则会使散射探测器5计数率过低，数据采集时间过长，信噪比变差。

位置灵敏探测器4设于针孔准直器2的大端的端面上，具体为位置灵敏探测器4可固定于针孔准直器2的凸缘部23上，并且，位置灵敏探测器4的探头与针孔准直器2同轴设置。

在其中一种实施方式中，所述位置灵敏探测器4的探头可由分立晶体制成，该种探头设有多个像素点，该实施例中具体为该探头被分成多个像素点，位置分辨光子发射至像素点上，从而形成光子的位置信号。在可替代的实施方式中，所述位置灵敏探测器4的探头由连续晶体制成，对应的信号采集和处理系统包括两个脉冲幅度变换器，两个所述脉冲幅度变换器用于将来自所述位置灵敏探测器4的位置信号进行模数转换，从而形成数字模式的位置信号。

散射探测器5与位置灵敏探测器4间隔预设距离设置，用于探测预设能量范围内的所述散射光子，其中，所述散射探测器5的探头轴线与所述针孔准直器2的轴线之间的夹角为钝角。并且，所述针孔准直器2的大端相对所述焦点部21远离所述散射探测器5，即针孔准直器2的焦点部21相对锥筒部22的大端靠近散射探测器5设置。

进一步地，支架1上还设有屏蔽板7，屏蔽板7相对支架1垂直设置，所述屏蔽板7位于所述位置灵敏探测器4和所述散射探测器5之间，用于屏蔽放射源100射出的光子，防止放射源3发射出的光子不经过待探测物体散射直接射至散射探测器5上对探测结果造成影响。

进一步地，探测仪还包括信号采集和处理系统，所述信息采集和处理系统6分别与所述位置灵敏探测器4以及散射探测器5电性连接。

该实施例中，所述放射源3为正电子放射源100，所述光子为伽马光子。参考图2，随着散射角的变小，散射光子的能量也变大。考虑到基本噪声不变，所以减小散射角，可以提高能量分辨率和信噪比。该实施例中，所述预设能量的位置分辨光子的能量值为E，490keV＜E≤511keV，E的值优选为511keV，所述预设能量范围为250keV～E。如此，可尽量减少探测光子的散射角，使得光子的散射为前角区散射，并且，位置分辨光子和散射光子具有最大的能量，可以最大化的提高能量分辨率和信噪比。

如图3所示，本发明还涉及一种探测方法，该探测方法可应用本申请中的探测仪来实现。

该探测方法包括：

S01)、放射源3连续发射光子对，所述光子对包括探测光子和位置分辨光子，所述探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，所述探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子，并使得光子的散射形成前角区散射；

该步骤S01)中，正电子放射源3连续发出正电子，每个正电子在针孔准直器2的焦点部21附近与负电子发生湮灭反应，产生方向相反的一对能量值为E的一对伽马光子，该伽马光子对包括探测光子和位置分辨光子。其中，位置分辨光子朝向背离针孔准直器2焦点的方向射出，一部分直接射至位置灵敏探测器4上，能量没有损失，能量值可认为为E，此部分位置分辨光子为具有预设能量的位置分辨光子，该部分具有预设能量的位置分辨光子为有效位置分辨光子，后续会被位置灵敏探测器4识别采纳，另一部分位置分辨光子射至针孔准直器2的内壁上后发生散射，发生散射的位置分辨光子能量值会发生损耗并降低至E以下，此部分可称之为无效位置分辨光子，后续会被位置灵敏探测器4忽略；探测光子朝向待探测物体的方向发射并被散射生成散射光子。

S02)、对所述散射光子进行探测，以及对所述位置分辨光子进行探测，并根据对所述散射光子的探测结果以及对所述位置分辨光子的探测结果，生成所述待探测物体的图像。

参考图4，在步骤S02)中，又包括：

S021)、对所述散射光子进行探测，若探测到预设能量范围内的所述散射光子，则生成开门信号ts；

参考图2，在步骤S021)中，散射探测器5对散射光子脉冲的幅度进行判别，筛选出预设幅度范围的散射光子，光子幅度表征了光子的能量，只有对应于能量值为250keV～E的散射光子事件才有效，对应于能量值为250keV～E的散射光子事件对应于散射角度小于90°的前角区散射，然后提取开门信号ts。

提取开门信号ts具体为，散射探测器5生成开门信号ts并将此信号发送至信号采集和处理系统。

S022)、对所述位置分辨光子进行探测，在生成开门信号ts后，在时间窗Δt内，若探测到预设能量的所述位置分辨光子则生成事件信号te，则判定所述开门信号ts与所述事件信号te符合，并根据对探测到的所述位置分辨光子的探测结果，得到相应一组位置信号；

具体地，位置灵敏探测器4对位置分辨光子进行探测，并对位置分辨光子的幅度进行判别，筛选出有效位置分辨光子，只有对应于能量值为E的光子事件，才有效提取到达时间信号，经过一定延时，产生事件信号te。信号采集和处理系统接收到开门信号ts后，在一个时间窗Δt内，若信号采集和处理系统接收到来自位置灵敏探测器4的时间信号te，则判定所述开门信号ts与所述事件信号te符合，并向位置灵敏探测器4发送使能信号En，位置灵敏探测器4接收到使能信号En后根据对所述有效位置分辨光子的探测结果，向信号采集与处理系统发送一组位置信号该相应的位置信号可以用位置坐标X和Y来表示。

需要说明的是，该步骤中，当所述位置灵敏探测器4的探头由分立晶体制成，该种探头被分成多个像素点，位置分辨光子发射至像素点上，从而形成光子的位置信号，该位置信号为数字信号，可直接传输至信号采集和处理系统进行后续数据处理。当所述位置灵敏探测器4的探头由连续晶体制成时，此种情况下位置灵敏探测器4采集到位置信号为模拟信号，对应的信号采集和处理系统包括两个脉冲幅度变换器，两个所述脉冲幅度变换器将来自所述位置灵敏探测器4的位置信号进行模数转换，从而形成数字模式的位置信号再进行后续数据处理。

S023)、重复上述步骤，得到多组所述位置信号，并根据多组所述位置信号生成所述待探测物体图像。

重复步骤S021)-步骤S022)，信号采集和处理系统得到多组位置信号，并根据得到的多组位置信号生成一幅反应物体散射强度的分布图，进而得出待探测物体图像。

在对待探测物体进行探测时，可通过移动该探测仪，改变探测仪与待探测物体之间的相对位置，在不同位置对探测仪进行检测成像。

关于待探测物体的成像显示可直接在信号采集和处理系统上成像，也可在位置灵敏探测仪上显示成像单元来成像，另外，可以设置单独的成像设备并与信号采集和处理系统电性连接来显示探测到的物体图像。

另外，需要说明的是，该实施例中，所述放射源3为正电子放射源100。参考图2，随着散射角的变小，散射光子的能量也变大。考虑到基本噪声不变，所以减小散射角，可以提高能量分辨率和信噪比。该实施例中，所述预设能量的位置分辨光子的能量值为E，490keV＜E≤511keV，E的值优选为511keV，所述预设能量范围为250keV～E。如此，可尽量减少探测光子的散射角，使得光子的散射为前角区散射，并且，位置分辨光子和散射光子具有最大的能量，可以最大化的提高能量分辨率和信噪比。

本申请中探测仪，可用于探测例如地下管线等物体，通过将所述散射探测器5的探头轴线与所述针孔准直器2的轴线之间的夹角设置为钝角，使得在探测物体时射向待探测物体的探测光子和散射光子之间的夹角最大程度的位于90°范围内，散射事件增加，使得扫描速度更快，并进一步通过位置灵敏探测器4判别出预设能量的位置分辨光子，以及通过散射探测器5判别出预设能量范围的散射光子，从而在探测时形成前角区散射，提高了能量分辨率和信噪比，使得探测准确可靠性和探测效率大大提高；另外，该探测仪适用范围广，位置灵敏探测器4和散射探测器5探测时位于待探测物体的同一侧，便于探测一些结构复杂、特别是不利于或者根本无法使用透射测量方式的成像系统进行探测的场合。

本申请中的探测方法，提高了所探测散射光子事件的数量和能量，使得能量分辨率、信噪比和总探测效率均得到大大提高。另外，该探测方法适用范围广，便于探测一些结构复杂、特别是不利于或者根本无法使用透射测量方式的成像系统进行的场合。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种探测仪，其特征在于，包括：

支架；

针孔准直器，设于所述支架上；

放射源，设于所述针孔准直器的焦点部上，所述放射源用于自所述焦点部连续发射光子对，所述光子对包括探测光子和位置分辨光子，所述探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，所述探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子；

位置灵敏探测器，设于所述针孔准直器大端的端面上，用于探测预设能量的所述位置分辨光子并生成位置信号；

散射探测器，设于所述支架上，用于探测预设能量范围内的所述散射光子，其中，所述散射探测器的探头轴线与所述针孔准直器的轴线之间的夹角为钝角。

2.根据权利要求1所述的探测仪，其特征在于，所述针孔准直器的的大端相对所述焦点部远离所述散射探测器。

3.根据权利要求1所述的探测仪，其特征在于，还包括屏蔽板，所述屏蔽板设于所述位置灵敏探测器和所述散射探测器之间，用于屏蔽放射源射出的光子。

4.根据权利要求1所述的探测仪，其特征在于，还包括信号采集和处理系统，所述信息采集和处理系统分别与所述位置灵敏探测器以及散射探测器电性连接。

5.根据权利要求4所述的探测仪，其特征在于，所述位置灵敏探测器的探头由分立晶体制成，所述探头上设有多个像素点，光子发射至像素点上，从而形成光子的位置信号。

6.根据权利要求4所述的探测仪，其特征在于，所述位置灵敏探测器的探头由连续晶体制成，所述信号采集和处理系统包括两个脉冲幅度变换器，两个所述脉冲幅度变换器用于将来自所述位置灵敏探测器的位置信号进行模数转换，从而形成数字模式的位置信号。

7.根据权利要求1至6任一项所述的探测仪，其特征在于，所述放射源为正电子放射源；

所述预设能量的位置分辨光子的能量值为E，490keV＜E≤511keV，所述预设能量范围为250keV～E。

8.一种探测方法，其特征在于，包括：

放射源连续发射光子对，所述光子对包括探测光子和位置分辨光子，所述探测光子和位置分辨光子的发射方向相反，所述探测光子发射至待探测物体上发生散射生成散射光子，并使得光子的散射形成前角区散射；

对所述散射光子进行探测，以及对所述位置分辨光子进行探测，并根据对所述散射光子的探测结果以及对所述位置分辨光子的探测结果，生成所述待探测物体的图像。

9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，对所述散射光子进行探测，以及对所述位置分辨光子进行探测，并根据对所述散射光子的探测结果以及对所述位置分辨光子的探测结果，生成所述待探测物体的图像包括：

对所述散射光子进行探测，若探测到预设能量范围内的所述散射光子，则生成开门信号ts；

对所述位置分辨光子进行探测，在生成开门信号ts后，在时间窗Δt内，若探测到预设能量的所述位置分辨光子则生成事件信号te，则判定所述开门信号ts与所述事件信号te符合，并根据对探测到的所述位置分辨光子的探测结果，得到相应一组位置信号；

重复上述步骤，得到多组所述位置信号，并根据多组所述位置信号生成所述待探测物体图像。

10.根据权利要求8或9所述的探测方法，其特征在于，所述放射源为正电子放射源，所述光子为伽马光子；

所述预设能量的位置分辨光子的能量值为E，490keV＜E≤511keV，所述预设能量范围为250keV～E。

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