一种闪烁体阵列探测器及康普顿散射成像中三维位置分辨的方法技术

本发明专利技术公开了一种闪烁体阵列探测器及康普顿散射成像中三维位置分辨的方法，其步骤包括：1)将伽玛光子入射到闪烁体阵列探测器；2)根据发生响应的光探测器像素在其所在光探测器阵列中的编号确定伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的二维坐标信息(X，Y)；3)根据发生响应的光探测器输出信号(X1、X2)的幅度比f＝X1/(X1+X2)和查找表来确定伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的第三维坐标信息Z，得到伽玛光子作用位置的三维坐标(X，Y，Z)；其中，X1、X2为伽玛光子作用在闪烁体条探测单元i时对应的顶面、底面光探测器输出信号。本发明专利技术提高了康普顿相机的探测效率和对核辐射热点的成像精度。

A Three-Dimensional Position Resolution Method for Scintillator Array Detector and Compton Scattering Imaging

The invention discloses a method for three-dimensional position resolution in scintillator array detector and Compton scattering imaging. The steps include: 1) incident gamma photons into scintillator array detector; 2) determining two-dimensional coordinate information (X, Y) of the position of gamma photons in scintillator array according to the number of the responding photodetector pixels in the photodetector array in which they are located; The third-dimensional coordinate information Z of the position of gamma photon in scintillator array is determined by the amplitude ratio f=X1/(X1+X2) of the response photodetector output signal (X1,X2) and the look-up table, and the three-dimensional coordinates (X,Y,Z) of the position of gamma photon interaction are obtained, where X1 and X2 are the corresponding top and bottom light detector output signals when gamma photon acts on the scintillator strip detection unit I. The invention improves the detection efficiency of Compton camera and the imaging accuracy of nuclear radiation hot spots.

【技术实现步骤摘要】
一种闪烁体阵列探测器及康普顿散射成像中三维位置分辨的方法
本专利技术属于核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种闪烁体阵列探测器及康普顿散射成像中三维位置分辨的方法。
技术介绍
在核辐射探测领域，核监控、核安保和核应急等应用场合需要得到环境中核辐射热点的分布情况。目前，测量核辐射热点主要有两种技术手段：一是通过剂量仪、伽玛谱仪等给出测量点的核辐射信息(包括能谱、剂量等)，这种方法通常需要近距离扫描才能确定核辐射热点的位置；二是通过伽玛相机(包括小孔相机、编码孔相机、康普顿相机等)给出核辐射热点分布情况的二维图像，这种方法具有测量距离远、效果直观的优势，同时可大幅降低操作人员所受照射剂量。康普顿相机是基于入射伽玛光子在探测器中发生康普顿散射的原理，对伽玛射线来源的方向进行定位重建的核辐射探测设备，具有视野范围宽、能量范围广、体积紧凑等优势，在天文学、核医学和核安全中取得了广泛的应用。根据康普顿散射的成像原理，康普顿相机通常包含两层探测器，入射伽玛光子在第一层探测器中发生散射，散射光子被第二层探测器完全吸收，根据两次作用的位置和沉积能量信息，能够在成像空间中重建出一个假想的圆锥，入射伽玛光子的方向即在该圆锥面上。由多个伽玛光子的散射形成的多个圆锥会在成像空间中交叠，交叠位置即为核辐射热点的位置。这种两层探测器结构的康普顿散射成像方法，存在探测效率低的问题，这是由于两层探测器位置固定，只能获取两个探测器平面上的二维信息，缺少伽玛射线作用在两层探测器以外的第三维信息，即深度信息(DepthOfInteraction，DOI)，因此在深度方向上的很多散射事例没有被探测。通过三维位置灵敏探测的方法，能够获取伽玛射线作用位置的三维坐标信息，使得康普顿相机记录到的散射事例相比两层探测器时显著增多，探测效率提高约一个量级，极大扩展了其在弱辐射场条件下的应用前景。在现有的康普顿散射成像中所使用的三维位置灵敏探测方法里，主要有以下两种技术方案：1)对闪烁体阵列利用准直的放射源进行前期DOI定标。采用在闪烁体阵列的上下两面各耦合一块光探测器阵列进行两端读出的方法，对闪烁体条的DOI信息利用准直的放射源进行定标。伽玛光子作用位置的二维坐标信息由光探测器阵列给出；对第三维深度信息，通过记录准直的放射源放置在不同深度时，两端光探测器输出的信号幅度比f＝X1/(X1+X2)，拟合出信号幅度比f关于深度z的函数，即f＝F(z)，即可通过探测得的信号幅度比f，获得作用深度信息，继而获得伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的第三维坐标。该方案虽然没有对闪烁体阵列在深度方向上进行处理，但需要使用准直的放射源进行前期定标，步骤较为繁琐，且根据拟合结果获得的深度方向分辨能力有限，实际应用较为受限。2)对闪烁体阵列在深度方向上进行多段切割，或将小块的闪烁体在深度方向上进行堆砌形成像素型的闪烁体条，再将闪烁体条制成闪烁体阵列。采用在闪烁体阵列的上下两面各耦合一块光探测器阵列进行两端读出的方法，闪烁体条的DOI信息可以直接根据两端光探测器输出的信号幅度比f＝X1/(X1+X2)来获得，伽玛光子作用位置的二维坐标信息仍由光探测器阵列给出。该方案不需要利用准直的放射源进行前期定标，但多段切割的方法往往精度不够，而制作像素型的闪烁体条又存在工艺控制问题，易造成耦合不佳导致分辨效果变差。以上用于康普顿散射成像中的三维位置灵敏探测的方法，所获得的DOI分辨以及三维位置分辨仍有待提高。而三维位置分辨在康普顿散射成像中起着关键作用：提高三维位置分辨，一方面能提高康普顿相机的探测效率，另一方面能提高对散射事例所形成的假想圆锥的计算精度，从而提高康普顿相机最终对核辐射热点的成像精度。
技术实现思路
针对现有技术方案中存在的问题，本专利技术的目的在于，基于激光内雕技术(Sub-surfaceLaserEngraving，SSLE)的两端读出DOI定位方法，设计一种三维位置灵敏的闪烁体阵列探测器，以提高康普顿散射成像中的三维位置分辨。本专利技术设计了一种闪烁体阵列探测器及康普顿散射成像中三维位置分辨的方法。该方法基于激光内雕技术制成具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元；将闪烁体条探测单元拼接形成闪烁体阵列；在该闪烁体阵列的顶面与底面各耦合一块光探测器阵列，各闪烁体条探测单元与两个光探测器阵列中的光探测器像素大小匹配并一一对应耦合；利用发生响应的光探测器像素在其所在光探测器阵列中的编号，获取伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的二维坐标信息；利用闪烁体条探测单元顶面和底面对应的两个光探测器，在发生响应时的输出信号(X1、X2)的幅度比f＝X1/(X1+X2)，获取伽玛光子作用位置的第三维坐标信息；其中，X1为顶面光探测器输出信号，X2为底面光探测器输出信号。该方法的步骤包括：1)对用于康普顿散射成像中的具有一定深度的无机闪烁体条，在深度方向上采用激光内雕技术雕刻出多段反光面，这些反光面能使闪烁光部分反射同时部分透过，从而导致闪烁光在不同深度时传播路径存在差异；(N-1)个反光面可以将闪烁体条在深度方向上分成N个像素，因而形成具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元。由激光内雕技术形成的反光面是由许多的微爆裂点排列而成的，对闪烁光的透光率可以通过微爆裂点的排列密度进行调节。2)对利用所述激光内雕技术雕刻好的M×M个闪烁体条探测单元，拼接为M×M的闪烁体阵列；阵列中的各闪烁体条探测单元之间填充一定厚度的反射材料；阵列整体的前后左右四个面也填充反射材料，顶面和底面保持原有状态以使闪烁光透出。3)在拼接好的闪烁体阵列的顶面和底面，各耦合一块光探测器阵列；对光探测器阵列，其包含的单位像素的大小与闪烁体阵列的像素大小相匹配，并且闪烁体阵列中的每个闪烁体条探测单元与光探测器阵列中的每个像素一一对应。4)所述闪烁体阵列在与顶面和底面的光探测器阵列耦合完成后，即构成一套三维位置灵敏探测器；本专利技术提出的三维位置灵敏探测器，通过在深度方向对闪烁体条进行SSLE雕刻，获得深度方向具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元，并且应用于康普顿散射成像中，大大提高了三维位置分辨。这是因为目前康普顿散射成像中的三维位置灵敏闪烁体探测器均使用的是双面耦合光探测器阵列，但夹在中间的闪烁体阵列有所不同，或是一块整体的闪烁体阵列采用准直的放射源标定，或将闪烁体阵列在深度方向切割，这两种方法取得的DOI效果均不是很好；而本专利技术在深度方向采用了SSLE雕刻，从而使整体探测器的三维分辨得到提高。5)在所述三维位置灵敏探测器中，伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的二维坐标信息，根据发生响应的光探测器像素在其所在光探测器阵列中的编号来确定；对于由M×M个光探测器像素组成的光探测器阵列，对其光探测器像素从0开始编号至(M×M-1)，则当编号为i的光探测器像素产生响应时，其对应的二维位置坐标(X，Y)可以表示为([i％M]，[i/M])；其中％为取余运算，/为除法运算，[]为取整运算。6)在所述三维位置灵敏探测器中，伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的第三维坐标，即DOI信息，根据步骤5)中发生响应的编号为i的两个光探测器输出信号(X1、X2)的幅度比f＝X1/(X1+X2)来获得；由于每个闪烁体条探测单元均为双面耦合光探测器像素，因此当伽玛光子在闪烁体条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种闪烁体阵列探测器，其特征在于，包括多个基于激光内雕技术制成沿闪烁体条深度方向具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元；各所述闪烁体条探测单元拼接形成闪烁体阵列；该闪烁体阵列的顶面与底面各耦合一块光探测器阵列，该闪烁体阵列中的各闪烁体条探测单元与两所述光探测器阵列中的光探测器像素大小匹配并一一对应耦合。

【技术特征摘要】
1.一种闪烁体阵列探测器，其特征在于，包括多个基于激光内雕技术制成沿闪烁体条深度方向具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元；各所述闪烁体条探测单元拼接形成闪烁体阵列；该闪烁体阵列的顶面与底面各耦合一块光探测器阵列，该闪烁体阵列中的各闪烁体条探测单元与两所述光探测器阵列中的光探测器像素大小匹配并一一对应耦合。2.如权利要求1所述的闪烁体阵列探测器，其特征在于，每一所述光探测器像素的编号与该光探测器像素在闪烁体阵列中对应耦合的闪烁体条探测单元编号对应一致。3.如权利要求1所述的闪烁体阵列探测器，其特征在于，该闪烁体阵列中的各闪烁体条探测单元之间填充反射材料。4.如权利要求3所述的闪烁体阵列探测器，其特征在于，该闪烁体阵列的四个侧面填充反射材料。5.如权利要求1所述的闪烁体阵列探测器，其特征在于，对用于康普顿散射成像中的具有一定深度的无机闪烁体条，在深度方向上采用激光内雕技术雕刻出多段反光面，每一所述反光面均能使闪烁光部分反射同时部分透过，形成具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元。6.一种康普顿散射成像中三维位置分辨的方法，其步骤包括：1)将伽玛光子入射到闪烁体阵列探测器；其中，所述闪烁体阵列探测器，其特征在于，包括多个基于激光内雕技术制成沿闪烁体条深度方向具有DOI分辨能力的闪烁体条探测单元；各所述闪烁体条探测单元拼接形成闪烁体阵列；该闪烁体阵列的顶面与底面各耦合一块光探测器阵列，该闪烁体阵列中的各闪烁体条探测单元与两所述光探测器阵列中的光探测器像素大小匹配并一一对应耦合；2)根据发生响应的光探测器像素在其所在光探测器阵列中的编号确定伽玛光子在闪烁体阵列中作用位置的二维坐标信息(X，Y)；3)根据发生响应的光探测器输出信号(X1、X2)的幅度比f＝X1/(X1+X2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张济鹏，帅磊，唐浩辉，丰宝桐，李道武，章志明，魏龙，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11