專利名稱：伽馬射線成像能譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Y射線輻射測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種伽馬射線成像能譜儀。
背景技術(shù)：
伽馬射線是由原子核內(nèi)部狀態(tài)變化產(chǎn)生的，即原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級過程中發(fā)射出來的光，因而伽馬光譜可以反映原子核的部分特征；不同元素所發(fā)射的伽馬射線不同，可以通過放射元素衰變發(fā)出的伽馬射線特征譜來辨別不同元素。通過對不同伽馬射線的診斷，可以獲得伽馬射線源的圖像和能譜數(shù)據(jù)，進而獲得伽馬射線源的種類及位置等信息。伽馬射線的成像和能譜診斷對于物理實驗和輻射材料檢驗具有重要的意義。通常用于伽馬射線能譜診斷的方法有濾片法，活化法，多道測量方法等等，其中濾片法涉及到復(fù)雜的解譜計算及高能伽馬射線的次級效應(yīng)；活化法對伽馬射線能量有最低要求，主要用來判斷高能伽馬輻射；多道測量也需要涉及到解譜計算。以上的方法對于伽馬射線能譜的診斷精度均不是太理想，而且需要花費大量的時間進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，無法很快給出伽馬射線能譜數(shù)據(jù)。在其獲取伽馬射線能譜的同時，不能給出相應(yīng)伽馬射線的圖像，更不用說對于伽馬射線位置的測量。早期的伽馬射線成像系統(tǒng)采用掃描方法來成像。這種系統(tǒng)通過采用一個閃爍型伽馬射線探測器配合一個可以在選定的坐標方向連續(xù)移動，即以平行掃描的方式動作的聚焦準直器對多檢測的區(qū)域進行掃描。這些早期成像系統(tǒng)的缺點是獲得伽馬射線源圖像所需的曝光時間較長，此外，它難以實現(xiàn)動態(tài)研究?，F(xiàn)有技術(shù)中另一種類型的放射檢測系統(tǒng)利用“Anger”型伽馬閃爍照相機來測定伽馬射線圖像；在其基礎(chǔ)上，又發(fā)展了單光子發(fā)射計算機斷層照相SPECT(Single Photon Emission Computerized Tomography)；最近，Anger照相機被用于正電子發(fā)射層析成像系統(tǒng) PET (Positron Emission Computerized Tomography,簡稱 PECT 或 PET)，它主要用于得到人體的解剖圖像和功能圖像，提高對疾病的診斷能力。Anger型照相機的局限性來源于將閃爍光子轉(zhuǎn)換成電信號的過程。干擾因素包括(1)光電倍增管的作用角度與發(fā)生閃爍事件點的距離的變化；(2)由于折射率不匹配造成的光折射和光導(dǎo)向傳播；(3)光電倍增管之間無法避免的盲區(qū)；(4)遠距離光電倍增管的有效密度；(5)各個光電倍增管的不一致的空間靈敏度；(6)從一個光電倍增管到另一個光電倍增管靈敏度的變化；(7)光電倍增管靈敏度的瞬時變化。其它誤差則來源于光電倍增管的不穩(wěn)定性以及閃爍晶體的易碎性和吸濕性。傳統(tǒng)的Y射線成像裝置前端設(shè)計了單針孔準直器，用于針孔成像，存在著通光量小、性噪比低等不足，需要長時間曝光才能完成對待測目標的成像。中國專利文獻數(shù)據(jù)庫公開了一種發(fā)明名稱為Y射線成像裝置(專利申請公布號 CN101718875A)的專利申請技術(shù)，在該發(fā)明專利申請中，公開的、射線成像裝置只能用于 Y射線成像測量，而不能用于Y射線能譜測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種伽瑪射線成像能譜儀，它既能用于伽瑪射線成像，又能用于伽瑪射線能譜測量。本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀，含有均勻冗余陣列編碼板、探測模塊、前端信號處理模塊、A/D模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、電源模塊、鉛屏蔽層；在最外層的鉛屏蔽層中， 探測模塊與前端信號處理模塊連接；A/D模塊與前端信號處理模塊接口連接后，再通過雙排插針與控制模塊接連；控制模塊通過排線插座與數(shù)據(jù)接口模塊連接；數(shù)據(jù)接口模塊通過以太網(wǎng)輸給上位PC機；電源模塊對系統(tǒng)輸入低壓直流電源進行處理后分別供給各模塊；其特點是所述的能譜儀在探測模塊的前端還設(shè)置有均勻冗余陣列編碼板。本發(fā)明中的均勻冗余陣列編碼板設(shè)計為rXs矩陣，其中r、s為素數(shù)，且r-S=2，孔徑為3mmX 3mm方孔或圓孔，均勻冗余陣列編碼板采用金屬鎢制成。本發(fā)明中的探測模塊由IOM道H9500位置靈敏光電倍增管陣列與閃爍晶體陣列組成。本發(fā)明中的探測模塊中的閃爍晶體可采用硅酸釔镥或鍺酸鉍或鎢酸鍺。本發(fā)明中的均勻冗余陣列編碼板能克服單針孔成像技術(shù)存在的通光量小、性噪比低等不足，具有非常高的光通量，總面積的50%通光，且自相關(guān)函數(shù)為平旁瓣，有效抑制了固有噪聲，用其構(gòu)造的成像系統(tǒng)的分辨率等于其最小孔徑，同時還具有一定的層析能力。本發(fā)明通過閃爍體介質(zhì)與位置靈敏光電倍增管構(gòu)成的二維探測陣列來測量入射伽瑪射線根據(jù)伽瑪光子產(chǎn)額和探測器單元的大小，選取合適的放置距離和濾片參數(shù)(材料和厚度)，確保每個探測單元上最多有一個伽瑪光子入射。隨著伽瑪光子能量的改變，探測器單元的響應(yīng)信號也隨之發(fā)生變化，其響應(yīng)關(guān)系可以通過蒙特卡洛模擬計算和標準伽瑪輻射源標定獲得。將具有相同的信號響應(yīng)的個數(shù)累加起來，即可得到入射伽瑪射線能量與伽瑪射線光子數(shù)目之間的關(guān)系，即可獲得伽瑪射線能譜。當需要獲得伽瑪射線成像診斷時，可以減小探測器與輻射源之間的距離，此時探測單元上會有超過一個以上的伽瑪光子入射， 探測器的信號響應(yīng)與入射光子強弱相關(guān)，探測器按照二維排布即可獲得伽瑪射線圖像信號。對于伽瑪射線診斷，由于大量的像素信號需要處理，高的數(shù)據(jù)處理速度要求性能更好的電子學處理電路。當電子學系統(tǒng)的運行速度方面受到限制，則成像能夠獲得的計數(shù)率有限。本發(fā)明的每一個探測單元均配備一個后續(xù)的電子學處理單元，這樣可以達到足夠高的數(shù)據(jù)處理速度。本發(fā)明的伽馬成像能譜儀包括對伽瑪射線靈敏的閃爍晶體、光電倍增管陣列 (10 道)以及后續(xù)的電子學處理系統(tǒng)。其中，閃爍體晶體與伽瑪射線作用，介質(zhì)內(nèi)的原子分子退激發(fā)光，產(chǎn)生固定波長的熒光發(fā)射，此波長與閃爍體吸收波長不重疊，可以很好透過晶體。在閃爍體厚度一定的時候，熒光產(chǎn)額與入射伽瑪光子能量相關(guān)；光電倍增管用于收集閃爍體產(chǎn)生的熒光，并將其轉(zhuǎn)化為光電子，倍增輸出電信號，輸出信號大小與熒光光子數(shù)量成正比；后續(xù)的電子學處理系統(tǒng)用于放大、記錄輸出電信號，如果光電倍增管為多道，則需要獲得每個通道光電倍增管的輸出信號，且各通道之間有較好的一致性，并防止串擾、幅度游動效應(yīng)等等。本發(fā)明的伽瑪射線成像能譜儀特點是采用硅酸釔镥作為核心成像和測譜組件，由硅酸釔镥、位置靈敏光電倍增管陣列(10M道)以及后續(xù)的電子學處理系統(tǒng)三個部件組成。 伽瑪射線成像能譜儀每道的組件可以方便拆卸及安裝，便于檢查、更換及故障處理。本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀解譜過程簡單，得到的能譜能量分辨率較高，數(shù)據(jù)獲取較快。


圖1為本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀電路原理圖。圖3為本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀軟件處理流程圖。圖中1.閃爍晶體陣列 2.位置靈敏光電倍增管陣列 3.前端信號處理模塊 4.A/D模塊 5.控制模塊 6.數(shù)據(jù)接口模塊 7.電源模塊 8.鉛屏蔽層 9.均勻冗余陣列編碼板 10.探頭 11.啟動信號 12. PC機 13.待測放射源 14.能譜模式 15.成像模式。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀總體結(jié)構(gòu)框圖，從圖1中可以看出，本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀的最外層設(shè)置有鉛屏蔽層8，均勻冗余陣列編碼板9、閃爍晶體陣列1、 位置靈敏光電倍增管陣列2、前端信號處理模塊3、A/D模塊4、控制模塊5、數(shù)據(jù)接口模塊6、 電源模塊7順序連接。圖2為本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀電路原理圖，從圖2可以看出，系統(tǒng)由4個結(jié)構(gòu)相同的探頭10構(gòu)成，每個探頭由一塊256像素的閃爍晶體陣列1配一個位置靈敏光電倍增管陣列2構(gòu)成，位置靈敏光電倍增管陣列為16X16陣列，整個系統(tǒng)的4個探頭構(gòu)成IOM 像素的位置靈敏探測器。A/D模塊4與前端信號處理模塊接口 3，使用雙排插針與控制模塊接連；控制模塊5再使用排線插座與數(shù)據(jù)接口模塊6連接；數(shù)據(jù)接口模塊6通過以太網(wǎng)輸給上位PC機12 ；電源模塊7對系統(tǒng)輸入低壓直流電源進行處理后分別供給各模塊。圖3為本發(fā)明的伽馬射線成像能譜儀工作流程圖，伽馬射線源13出束前，可以提供一個啟動信號11，伽馬射線成像系統(tǒng)在收到這個啟動信號后，準備好探測器系統(tǒng)，確保在伽馬射線束到達探測器前一定時間(約 μ8)，開始對IOM通道同步采樣(約ιομ8)，確保覆蓋伽馬射線束發(fā)射時間。采集計算機獲得原始數(shù)據(jù)后，根據(jù)用戶選擇能譜模式14或成像模式15，進行數(shù)據(jù)處理，形成供用戶分析的能譜或者圖像。其具體制作過程所述的均勻冗余陣列編碼板中的陣列為rXs矩陣，其中r、s為素數(shù)，且r-s=2，具體可為:13X11U9X17,31X29,；均勻冗余陣列編碼板上的孔為方孔或圓孔，孔徑為3mmX3mm ；均勻冗余陣列編碼板采用金屬鎢制成。選取合適的硅酸釔镥的形狀、尺寸和厚度，加工成型。尺寸為毫米量級。為使記錄介質(zhì)的性能參數(shù)盡可能一致，將同一塊或同一批次的尺寸較大的硅酸釔镥記錄介質(zhì)切割為相同大小、形狀規(guī)則的小塊記錄介質(zhì)，其尺寸為mm量級。采用封裝工藝將每個小塊硅酸釔镥封裝，參數(shù)要求長方體結(jié)構(gòu)， 3mmX3mm，長度10mm，時間響應(yīng)為ns量級。封裝后的硅酸釔镥緊貼位置靈敏光電倍增管感光面，要確保硅酸釔镥發(fā)出的熒光最大量的進入位置靈敏光電倍增管內(nèi)。將位置靈敏光電倍增管預(yù)留的信號輸出線連接到后續(xù)的電子學處理系統(tǒng)的信號輸入接口，形成一道包含記錄介質(zhì)、光電轉(zhuǎn)換和單獨的電子學處理的獨立探測器單元。再依次將其他探測器單元按照前面所述連接安裝好后，將探測器單元以16X16的兩維陣列進行排布，確保硅酸釔镥都處于同一個平面，再將4個16 X 16的探測器陣列組成一個32 X 32的探測器陣列，該陣列包含 IOM個探測器單元，每個單元由硅酸釔镥、位置靈敏光電倍增管和電子學處理電路組成。最后構(gòu)建電子學處理系統(tǒng)，將探測器每一道的輸出信號通過采集、放大、去噪后，通過數(shù)據(jù)線輸出到專門的數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，輸出到計算機上，采用專門軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、圖形處理。
權(quán)利要求
1.一種伽馬射線成像能譜儀，含有均勻冗余陣列編碼板、探測模塊、前端信號處理模塊、A/D模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、電源模塊、鉛屏蔽層；在最外層的鉛屏蔽層中，探測模塊與前端信號處理模塊連接；A/D模塊與前端信號處理模塊接口連接后，再通過雙排插針與控制模塊接連；控制模塊通過排線插座與數(shù)據(jù)接口模塊連接；數(shù)據(jù)接口模塊通過以太網(wǎng)輸給上位PC機；電源模塊對系統(tǒng)輸入低壓直流電源進行處理后分別供給各模塊；其特征在于所述的能譜儀在探測模塊的前端還設(shè)置有均勻冗余陣列編碼板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伽馬射線成像能譜儀，其特征在于所述探測模塊中的組件采用日本HAMAMATSU公司生產(chǎn)的位置靈敏光電倍增管陣列和閃爍晶體陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伽馬射線成像能譜儀，其特征在于所述均勻冗余陣列編碼板中的陣列為rXs矩陣，其中r、s為素數(shù)，且r-s=2;均勻冗余陣列編碼板上的孔為方孔或圓孔，孔徑為3mmX3mm ；均勻冗余陣列編碼板采用金屬鎢制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的伽馬射線成像能譜儀，其特征在于所述的閃爍晶體陣列中的閃爍晶體采用硅酸釔镥、鍺酸鉍或鎢酸鍺。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于伽馬射線成像能譜儀，它由均勻冗余陣列編碼板、探測模塊、前端信號處理模塊、A/D模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、電源模塊、鉛屏蔽層組成。在鉛屏蔽層中，均勻冗余陣列編碼板置于探測模塊前端；探測模塊通過排線連接至前端信號處理模塊；A/D模塊與前端信號處理模塊接口，再通過雙排插針與控制模塊接連；控制模塊再通過排線插座與數(shù)據(jù)接口模塊連接；數(shù)據(jù)接口模塊通過以太網(wǎng)輸給上位PC機；電源模塊對系統(tǒng)輸入低壓直流電源進行處理后分別供給各模塊。本發(fā)明提供的伽瑪射線成像能譜儀，它既能用于伽瑪射線成像，又能用于伽瑪射線能譜測量。
文檔編號G01T1/36GK102288983SQ201110130459
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者曹磊峰, 溫賢倫, 谷渝秋, 趙宗清, 韓丹 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心