一种用于快中子成像的探测器及其校正方法

摘要

本发明涉及一种用于快中子成像的探测器及其校正方法，该探测器从上至下依次包括：第一光电转换器件、第一耦合层、有机闪烁体阵列、第二耦合层和第二光电转换器件；所述有机闪烁体阵列为柱体结构；所述第一耦合层和第二耦合层用于将所述第一光电转换器件、有机闪烁体阵列和第二光电转换器件耦合在一起，所述第一光电转换器件、第二光电转换器件和有机闪烁体阵列的横截面积相同。本发明提供的探测器对快中子具有深度识别能力，解决了快中子探测中轴向位置定位不准确的问题，从而在伴随粒子成像系统中，提高系统的时间分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及核成像装置的探测器领域，特别是涉及一种用于快中子成像的探测器及其校正方法。

背景技术

核成像是以探测放射性射线的位置与能量为基础的，在医学诊断、环境评价、科学研究等领域得到了广泛的应用，核成像装置的关键之一就是探测器。目前，用于核成像的探测器主要有气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器等，其中闪烁体探测器的应用极为广泛。

闪烁体探测器一般由闪烁体与光电转换器件组成。中子透射成像使用快中子，探测器部分常使用发光材料，将中子转化成为光子再进行探测。

有研究利用塑料闪烁体和光电转换器件制作的探测器进行中子成像，此类探测器对于中子有一定的抗辐照能力。Adams等使用自研的小型中子发生器，利用塑料闪烁体和硅光电倍增管(SiPM)作中子探测器实现中子透射成像。其中，探测器部分使用的是分立的探测单元(一个闪烁体配合两个SiPM)构成一维的扇形阵列，使用时进行一次平行扫描形成二维图像，工作过程类似电子计算机断层扫描系统。此小型中子发生器只对二维快中子成像进行了研究，并没有涉及到三维快中子成像。

近年来，张雨等采用塑料闪烁体阵列和SiPM探测器阵列进行单端读出，对快中子探测器进行模拟，得到了其能谱响应、探测效率以及成像效果等相关信息。模拟和实验结果显示基于硅光电倍增管快中子成像系统是可行的，为进一步的研究提供了依据。

为了实现快中子探测器的深度识别能力，除了用独立探测器组成阵列，也可以用位置编码方式使探测器具有深度识别能力。这种类型的探测器广泛应用于各种位置灵敏的探测系统，如位置灵敏光电倍增管和SiPM，常用于γ和X射线成像。

目前国内外还没有具有深度识别能力的快中子成像的位置灵敏探测器，本发明使用的闪烁体为有机闪烁体。所有的有机闪烁体都是碳氢化合物，可以分为有机晶体闪烁体、液体闪烁体和塑料闪烁体。有机闪烁体都含有大量的氢原子，所以都可用于快中子测量。快中子打在氢核上，通过n-p弹性散射产生反冲质子，反冲质子引起闪烁体产生荧光而被光电转换器件记录。有机闪烁体的另一共同点是发光衰减时间短，因此可以用于高强度中子通量测量。有机闪烁体还有一个特点，即闪烁光输出产额随时间的变化对于电子和重带电粒子是不同的(前者由γ射线产生，后者由快中子产生的反冲质子产生)。利用适当的电子学波形甄别技术可以将中子和γ给出的脉冲区分开，因此可以在较强的γ本底下测中子。本发明是基于阵列的有机闪烁体探测器，用于探测快中子，通过最后的电子学电路读出，最终得到高位置分辨率、高时间分辨率的快中子探测器。本发明具有普通快中子探测器不具有的三维位置分辨率，从而在伴随粒子成像系统中提高系统的时间分辨率，对快中子探测器的发展提出了新的想法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于快中子成像的探测器及其校正方法，能够解决快中子探测中轴向位置定位不准确的问题，从而在伴随粒子成像系统中，提高系统的时间分辨率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于快中子成像的探测器，从上至下依次包括：第一光电转换器件、第一耦合层、有机闪烁体阵列、第二耦合层和第二光电转换器件；所述有机闪烁体阵列为柱体结构；所述第一耦合层和第二耦合层用于将所述第一光电转换器件、有机闪烁体阵列和第二光电转换器件耦合在一起，所述第一光电转换器件、第二光电转换器件和有机闪烁体阵列的横截面积相同。

可选的，所述有机闪烁体阵列包括多个方柱形闪烁体条，所述多个方柱形闪烁体条通过涂层耦合在一起。

可选的，所述涂层为反射箔或硫酸钡。

可选的，所述方柱形闪烁体条的四个侧面均进行磨毛处理。

可选的，所述有机闪烁体阵列的材料为塑料闪烁或液体闪烁体。

可选的，所述第一耦合层和第二耦合层材料为硅脂或光学胶。

可选的，所述第一光电转换器件和第二光电转换器件为硅光电倍增管或光电倍增管。

可选的，所述有机闪烁体阵列的范围为N×N阵列，其中N为大于2的整数。

可选的，所述方柱形闪烁体条横截面的边长范围为1mm-50mm，所述方柱形闪烁体条轴向长度的范围为5mm-500mm。

一种用于快中子成像的探测器的校正方法，所述校正方法应用于所述的用于快中子成像的探测器，所述方法包括：

固定准直器并确保γ射线以准直的狭缝指向有机闪烁体阵列固定的狭窄区域；

选择有机闪烁体阵列的顶部或底部为参考点；

沿所述有机闪烁体阵列轴向方向，每次将探测器平移固定步长，进行γ射线准直照射，每次的照射点距离参考点的位置记为Z

记录每一次照射闪烁体阵列时第一光电转换器件和第二光电转换器件上收集到的电荷量，分别记为该Z

根据所述Q

根据所述对比度进行高斯拟合分布，得到高斯曲线；

获取所述高斯曲线的平均值和FWHM值；

将所述平均值进行拟合得到校准曲线，根据所述FWHM值获得校准曲线的不确定度；

根据所述校准曲线和不确定度来校准重建深度Z。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种对快中子具有深度识别能力的探测器，本发明研究的有机闪烁体探测器对快中子具有深度识别能力，解决了快中子探测中轴向位置定位不准确的问题，从而在伴随粒子成像系统中，提高系统的时间分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于快中子成像的探测器结构示意图；

图2为本发明有机闪烁体阵列结构示意图；

图3为本发明对探测器进行DOI识别校正的结构示意图；

图4为本发明用于快中子成像的探测器添加光导示意图；

符号说明：1-第一光电转换器件，2-第一耦合层，3-有机闪烁体阵列，4-第二耦合层，5-第二光电转换器件，6-准直器，7-γ射线，8-第三耦合层，9-第一光导，10-第四耦合层，11-第五耦合层，12-第二光导，13-第六耦合层。

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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的目的是提供一种用于快中子成像的探测器及其校正方法，能够解决快中子探测中轴向位置定位不准确的问题，从而在伴随粒子成像系统中，提高系统的时间分辨率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明用于快中子成像的探测器结构示意图，如图1所示，有机闪烁体阵列3为8×8阵列，有机闪烁体阵列3上下两端分别通过第一耦合层2和第二耦合层4耦合到第一光电转换器件1和第二光电转换器件5上；有机闪烁体阵列3的上下截面与第一光电转换器件1和第二光电转换器件5的横截面相同。

其中，本发明的探测器由于耦合了两个光电转换器件，所以采用双端读出模式。有机闪烁体阵列3的材料可以为塑料闪烁体，例如EJ200、EJ208、EJ276或BC400等，也可以是液体闪烁体。一般的耦合层材料为硅脂、光学胶等。光电转换器件可以为硅光电倍增管或光电倍增管等，光电转换器件可以像素式读出，即为与有机闪烁体阵列3相同的阵列模式进行读出。其中，有机闪烁体阵列3的两端都通过耦合层耦合上光电转换器件，即能够通过有机闪烁体阵列3的两端读出信息。

有机闪烁体阵列3发出的光通过耦合层引出到光电转换器件上，通过对探测器进行实验照射，校正通过探测器得到的信息，使探测器具有良好的三维位置分辨能力，从而在伴随粒子成像系统中，提高系统的时间分辨率。

图2为本发明有机闪烁体阵列结构示意图，图2所示为8×8阵列的有机闪烁体阵列。有机闪烁体阵列3由多个闪烁体条组成，有机闪烁体阵列3的形状以立方体(即横切面和纵切面都为矩形)为主。

其中，闪烁体条之间涂敷涂层，之后耦合在一起。闪烁体条之间的涂层方式，可以是增加反射箔，也可以采用硫酸钡等。闪烁体条没有耦合光电转换器件的四个侧面也可以进行磨毛等处理。具体的，假如实验要进行磨毛处理，那么每个闪烁体条没耦合光电转换器件的四个侧面都需要进行磨毛处理。有机闪烁体阵列3的的范围为N×N的阵列(其中N为大于2的整数)。闪烁体条的横截面长度大致范围为1mm-50mm,闪烁体条的轴向范围在5mm-500mm。

图3为本发明对探测器进行DOI识别校正的结构示意图，为了确保γ射线7以准直的狭缝指向有机闪烁体阵列3固定的狭窄区域，使用了准直器6。实验过程中需要固定准直器6，沿着有机闪烁体阵列3的轴向方向，每次将探测器平移固定步长。

图4为不采用像素式读出时在闪烁体阵列和光电转换器件之间增加光导的结构示意图，如图4所示，有机闪烁体阵列3为8×8阵列，有机闪烁体3的上下两端分别通过第四耦合层10和第五耦合层11耦合到第一光导9和第二光导12上，第一光导9上端通过第三耦合层8耦合到第一光电转换器件1上，第二光导12下端通过第六耦合层13耦合到第二光电转换器件5上。

不采用像素式读出时，在闪烁体阵列和光电转换器件之间增加光导。有利于用于分光，所述光导横截面与闪烁体阵列横截面相同，光导厚度范围在5mm-40mm。

其中，第三耦合层、第四耦合层、第五耦合层，第六耦合层材料为硅脂或光学胶。

本发明提供的实验校准步骤具体包括：

步骤1：实验过程中使用准直器，选择有机闪烁体阵列的一端为参考点，沿有机闪烁体阵列轴向方向，每次将探测器平移固定步长，进行γ射线准直照射，每次照射点距离参考点的位置记为Z

步骤2：将步骤1中采集到的多组数据Q

步骤3：将步骤2获得的实验数据，即对于每个Z

其中，高斯曲线的横坐标为对比度C值，纵坐标为C出现的频率。

步骤4：取步骤3中高斯曲线上的平均值(高斯曲线峰位置)和FWHM值，每一条曲线的平均值即为该处参考点Z

此时，我们得到的几个孤立的点(C

其中，Z是指在闪烁体条距离参考点的距离，上文中提到的Z

得到校准曲线后，每一次中子入射有机闪烁体探测器，我们都可以通过闪烁体阵列两端的光电转化器件得到的电荷量Q

也就是说，基于实验校正，可以获得有机闪烁体轴向位置和有机闪烁体两端的光电转换器件探测到的电荷量的关系。最终可以通过关系式，精确定位出快中子在有机闪烁体中相互作用的具体位置。

即对于接下来实验中每一次快中子入射有机闪烁体，都可以利用该校准曲线检索轴向位置。即从而提高快中子探测器的深度识别能力最终在伴随粒子成像系统中，提高系统的时间分辨率。

本发明还公开了如下技术效果：

1.本发明使用的闪烁体为有机闪烁体，闪烁体中含有大量的氢原子，非常适合用于快中子的测量。

2.本发明使用闪烁体为有机闪烁体，例如塑料闪烁体：EJ200、BC400、EJ208、EJ276等等，其中部分型号的闪烁体由于其对γ光子和快中子的时间响应特性不同，能够甄别入射粒子为γ光子或快中子。

3.本发明使用阵列化的有机闪烁体，避开连续闪烁体块进行射线照射定位算法困难、需要单路读出等等的弊端，阵列化的有机闪烁体可以更好的对快中子进行深度位置探测。

4.本发明使用耦合层把有机闪烁体阵列和光电转换器件连接起来，这种结构的优点在于闪烁体发出的光可以几乎无损失的被光电转换器件收集，非常有利于探测器的位置分辨能力。

5.本发明使用光电转换器件在有机闪烁体阵列的双端进行读出，双端读出可以获得良好的DOI分辨率。

6.经过实验校正，得到具有深度识别能力的快中子探测器。更精准识别快中子在有机闪烁体中相互作用的位置，准确定位快中子在闪烁体中与物质发生相互作用的实际位置，以便于我们进行快中子探测的实际应用和相关研究工作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。