专利名称：基于闪烁体的二维位置探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置探测技术，尤其涉及一种基于闪烁体的二维位置探测系统。
背景技术：
基于射线(如X射线、阿尔法射线、伽马射线、贝塔射线和中子等)的二维位置探测是利用射线束通过被测对象(例如不同形状的工件、人体的器官等)投影在探测器上，通过电子学读出装置和计算机数据采集和分析系统，使被测对象的内部结构的图像重现在显示屏幕上的一项综合性技术，已广泛应用于生命科学、医学、材料科学、工业、国防、交通、安检等领域。目前基于射线的二维位置探测的一种方案是基于固体的二维位置探测，又称为基于闪烁体的二维位置探测。基于闪烁体的二维位置探测的技术方案包括射线入射到闪烁体，并与闪烁体发生相互作用，闪烁体产生能够被探测器探测到的光信号，探测器将光信号转换为电信号，然后就可以确定射线粒子入射到闪烁体上的位置。基于闪烁体的二维位置探测的技术方案中，一种方案是利用光纤编码结合光电探测器实现，具体来说，射线入射到闪烁体上发光，在X方向上光被光纤收集并由光电探测器将光纤收集到的光信号转换成电信号，在Y方向上的光也被光纤收集并由光电探测器将光纤收集到的光信号转换成电信号，这样就能够分别根据从X方向和Y方向上探测到的电信号来确定射线入射到闪烁体上的位置。这种方案存在的问题是需要用到大面积的光纤编码技术，导致二维位置探测方法复杂。另一种方案是使用位置灵敏光电探测器与闪烁体耦合，位置灵敏光电探测器通常包括η个光电探测单元，可以分别读出位置灵敏光电探测器的每个光电探测单元输出的电信号，确定射线粒子入射到闪烁体上的位置。在这种方案中，通常将闪烁体切割成很小的尺寸，并将各小尺寸闪烁体用反射膜包装，在尽可能多的收集光信号的同时也防止闪烁光在各个小尺寸闪烁体上相互串扰。这样，每一个闪烁体代表一个像素，像素的大小决定了二维位置探测的位置分辨率(位置分辨率是指能够识别的两个相邻入射点的最小距离)。这种方案存在的问题是将多块小尺寸的闪烁体与位置灵敏光电探测器耦合，二维位置探测的分辨率决定于闪烁体尺寸的大小，导致二维位置探测的位置分辨率不高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于闪烁体的二维位置探测系统， 能够提高二维位置探测的位置分辨率，并且能够减小二维位置探测的复杂度。本发明提供了一种基于闪烁体的二维位置探测系统，包括整块连续的闪烁体，用于接收射线粒子，与所述射线粒子相互作用，产生光信号， 并使得光信号在传播过程中分散；光电探测装置，包括η个光电探测单元，每一光电探测单元分别用于探测所述闪烁体发出的光信号，并将所述光信号转换成电信号；η为大于1的自然数；二维位置探测处理装置，与所述光电探测装置连接，用于根据所述光电探测装置中各个光电探测单元转换成的电信号，确定所述闪烁体发出的光信号的分布重心，并将所述光信号的分布重心确定为所述射线粒子入射到所述闪烁体上的位置。本发明提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，用整块连续的闪烁体与射线粒子相互作用，使得产生的光信号在闪烁体中分散，进而形成具有一定轮廓和重心的光信号的分布，并由光电探测装置将光信号转化成电信号，再由二维位置探测处理装置根据光电探测装置产生的电信号确定闪烁体发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体上的位置。这样，二维位置探测的位置分辨率不会受制于闪烁体的尺寸大小，从而提高了二维位置探测的位置分辨率，并且由于不涉及到光纤编码定位，因而减小了二维位置探测的复杂度。通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
图1示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例一的结构示意图；图2示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例二的结构示意图；图3示例性示出本发明实施例中用到的多阳极光电倍增管Η8500探测到的整块连续闪烁体发出的光信号的示意图；图4示例性示出采用Η8500探测到的多个小尺寸闪烁体组成的阵列中单个小尺寸闪烁体发出的光信号的示意图；图5示例性示出根据重心法恢复出的各个入射点的水平方向分布和垂直方向分布的二维图；图6示例性示出图5中各个入射点的水平方向的分布示意图；图7和图8分别示例性示出图5中一个入射点的水平方向和垂直方向的分布图；图9示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例三的结构示意图；图10示例性示出图9中电阻网络模块的结构示意图。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明， 并不用于限制本发明。如图1示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例一的结构示意图，该系统包括整块连续的闪烁体1、光电探测装置2以及二维位置探测处理装置3。其中，该整块连续的闪烁体1用于接收射线粒子4(射线粒子可以包括X射线粒子、阿尔法射线粒子、伽马射线粒子、贝塔射线粒子或中子等)，与射线粒子4相互作用，产生光信号，并使得光信号在传播过程中分散。光电探测装置2包括η个光电探测单元21，每一个光电探测单元21分别用于探测闪烁体1发出的光信号，并将光信号转换成电信号。其中，η为大于1的自然数。二维位置探测处理装置3与光电探测装置2连接，用于根据光电探测装置2 中各个光电探测单元21转换成的电信号，确定闪烁体1发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体1上的位置。下面结合图1详细描述本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例一的原理。 需要说明的是，为了清楚说明本发明基于闪烁体的二维位置探测系统的结构，说明书附图中的各个组成部分可能进行了放大，附图中各个组成部分的比例不代表基于闪烁体的二维位置探测系统中各个组成部分的实际比例。在本发明的实施例中，用到的闪烁体1是整块连续的闪烁体，而不是如同现有技术中那样由多个小尺寸的闪烁体组成的阵列。闪烁体1可以根据实际需要制成各种形状， 例如，可以是具有一定厚度的平板状。当射线粒子4(射线粒子包括带电粒子或不带电粒子，例如，χ射线粒子，Y射线粒子，α粒子，β粒子，中子等)入射到闪烁体1上时，射线粒子4与闪烁体1相互作用，产生光信号，由于闪烁体是整块连续的，而且具有一定厚度，因此光信号在传播过程中分散，形成具有一定轮廓的分布。光信号的分布重心对应于射线粒子入射到闪烁体上的位置。光电探测器装置2的各个光电探测单元21分别探测闪烁体1发出的光信号，并将光信号转换成电信号。由于光信号在闪烁体中传播时发生分散(图中箭头R示出光信号传播方向)，形成了光信号的分布重心，相应地，随着光电探测单元21与光信号的分布重心的距离的由小到大，光电探测单元21输出的电信号的读出值由大到小。具体而言，对应于光信号的分布重心的光电探测单元21输出的电信号的读出值比较大，而距离光信号的分布重心较远的光电探测单元21输出的电信号的读出值比较小。光电探测单元21的读出值可以是电压值或者电荷值。光电探测器装置2中的η个光电探测单元21可以以一定的阵列排布，η个光电探测单元21组成的阵列的面积可以与闪烁体1的出光侧表面面积(光信号从闪烁体1的出光侧表面发出入射到光电探测装置2、相匹配，优选地，阵列的面积可以等于闪烁体1的出光侧表面面积，或者，阵列的面积可以稍大于闪烁体1的出光侧的表面面积，这样，闪烁体1 表面上每一部分发出的光均能够被相应的光电探测单元21探测到。如果阵列的面积设置得大于闪烁体1的出光侧表面面积，则从闪烁体1边缘处泄露出的光也能够被光电探测器单元21探测到。二维位置探测处理装置3接收到各个光电探测单元21转换成的电信号，根据各个光电探测单元21的电信号，采用重心法恢复出射线粒子4入射到闪烁体1上的位置。具体地，二维位置探测处理装置3根据各个光电探测单元21转换成的电信号，确定闪烁体1发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子4入射到闪烁体1上的位置。根据本发明的一个实施例，二维位置探测处理装置3可以是计算机，也可以是包括中央处理单元(Central Processing Unit，简称CPU)和显示器的小型数据处理设备。在进行二维位置探测时，射线粒子4经过被测对象入射到闪烁体1上，由于不同射线粒子入射到被测对象的位置不同，所以多个射线粒子4入射到闪烁体1的时刻不同。例如，对于入射到人体不同部位的射线粒子4，入射到闪烁体1上的时刻不相同。这样，就会有多个射线粒子4先后入射到闪烁体1上。只要光电探测装置2的响应时间足够快，二维位置探测处理装置3就能够分别确定单个射线粒子4入射到闪烁体1上的位置。根据各个单个射线粒子4的入射位置可以形成射线粒子的分布轮廓，从而能够形成图像。本发明实施例一提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，用整块连续的闪烁体与射线粒子相互作用，使得产生的光信号在闪烁体中分散，进而形成具有一定轮廓和重心的光信号的分布，并由光电探测装置将光信号转化成电信号，再由二维位置探测处理装置根据光电探测装置产生的电信号确定闪烁体发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体上的位置。这样，二维位置探测的位置分辨率不会受制于闪烁体的尺寸大小，从而提高了二维位置探测的位置分辨率，并且由于不涉及到光纤编码定位，因而减小了二维位置探测的复杂度。在有的情况下，如果将闪烁体1的厚度设置得过大，则光信号在闪烁体1中传播时衰减严重，可能导致光电探测装置2探测不到准确的光信号。但是，如果将闪烁体1的厚度设置得过小，则光信号在闪烁体1中传播时无法充分分散，从而无法根据光信号的轮廓来确定射线粒子的入射位置。优选地，可以根据射线粒子的种类或者闪烁体的种类来确定闪烁体的厚度。为了避免光信号严重衰减，同时又能避免因闪烁体厚度不够不能使得光信号充分分散的缺陷，可以在闪烁体1和光电探测装置2之间设置光导。图2示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例二的结构示意图， 该实施例二在实施例一的基础上增加了光导5，光导5设置于闪烁体1和光电探测装置2之间，用于将闪烁体1发出的光信号分散。该实施例中，光导5起到了将经过闪烁体1之后的光信号进一步分散的作用。如果基于闪烁体的二维位置探测系统中设置了光导5，则η个光电探测单元21组成的阵列的面积可以与光导5的出光侧表面面积相匹配，优选地，可以等于或稍大于光导5 的出光侧表面面积。在本发明的各实施例中，光电探测单元21可以是单阳极光电倍增管，光电探测装置2由η个单阳极光电倍增管组成。可选地，光电探测单元21也可以是一个多阳极光电倍增管中的单个光电探测单元，光电探测装置2可以是一个多阳极光电倍增管。例如，光电探测装置2可以采用日本滨松光子学株式会社的多阳极光电倍增管Η8500，该多阳极光电倍增管具有64个光电探测单元，即有64个阴极和64个阳极，64个阳极用于探测光信号，64个阴极输出64路电信号， 是一种位置灵敏光电倍增管。图3示例性示出本发明实施例中用到的多阳极光电倍增管 Η8500探测到的整块连续闪烁体发出的光信号的示意图，从图中可以看到，64个光电探测单元组成一个阵列，图中的圆形虚线框住的部分示意出光信号的轮廓，每个光电探测单元分别用P1、P2、. . .Ρ64标记。为了说明本发明提供的基于闪烁体的二维位置探测系统能够获得的技术效果，将采用Η8500探测整块连续闪烁体发出的光信号的二维位置探测结果，与采用Η8500探测多个小尺寸闪烁体组成的阵列发出的光信号的二维位置探测结果进行比较。将多个α粒子入射到一个小尺寸闪烁体的5个入射点。图4示例性示出采用 Η8500探测到的多个小尺寸闪烁体组成的阵列中单个小尺寸闪烁体发出的光信号的示意图，图中斜线阴影部分示意出光信号的轮廓。表一示出探测到的各个入射点的坐标，其中X 表示水平方向的坐标，y表示垂直方向的坐标，σ χ是一个表示水平方向的坐标的误差的值，大约等于高斯拟合峰的水平方向的半高宽除以2. 35，ο y表示垂直方向的坐标的误差的值， 大约等于高斯拟合峰的垂直方向的半高宽除以2. 35，D1、D2.....D5分别表示5个入射点。表一
权利要求
1.一种基于闪烁体的二维位置探测系统，包括整块连续的闪烁体，用于接收射线粒子，与所述射线粒子相互作用，产生光信号，并使得光信号在传播过程中分散；光电探测装置，包括η个光电探测单元，每一光电探测单元分别用于探测所述闪烁体发出的光信号，并将所述光信号转换成电信号；η为大于1的自然数；二维位置探测处理装置，与所述光电探测装置连接，用于根据所述光电探测装置中各个光电探测单元转换成的电信号，确定所述闪烁体发出的光信号的分布重心，并将所述光信号的分布重心确定为所述射线粒子入射到所述闪烁体上的位置。
2.根据权利要求1所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，还包括光导，设置于所述闪烁体与所述光电探测装置之间，用于将所述闪烁体发出的光信号分散。
3.根据权利要求1所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述η个光电探测单元以阵列形式排布。
4.根据权利要求3所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述η个光电探测单元形成的阵列的面积与所述闪烁体的出光侧表面面积相匹配。
5.根据权利要求3所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述η个光电探测单元形成的阵列的面积等于所述闪烁体的出光侧表面面积。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，还包括电阻网络模块，分别与所述光电探测装置的各个光电探测单元以及所述二维位置探测处理装置连接，用于将η个光电探测单元输出的η路电信号转化为m路电信号，m为小于或等于 η的自然数。
7.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中， 所述二维位置探测处理装置用于根据每个光电探测单元的位置坐标以及每个光电探测单元探测到的读出值确定所述闪烁体发出的光信号的分布重心。
8.根据权利要求7所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述读出值为电荷值。
9.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中， 所述射线粒子包括Χ射线粒子、阿尔法射线粒子、伽马射线粒子、贝塔射线粒子或中子。
全文摘要
本发明公开了一种基于闪烁体的二维位置探测系统，包括整块连续的闪烁体，用于接收射线粒子(如X射线、阿尔法射线、伽马射线、贝塔射线和中子等)，与射线粒子相互作用，产生光信号，使得光信号在传播过程中分散；光电探测装置，包括n个光电探测单元，每一光电探测单元分别用于探测闪烁体发出的光信号，将光信号转换成电信号；n为大于1的自然数；二维位置探测处理装置，与光电探测装置连接，用于根据光电探测装置中各个光电探测单元转换成的电信号，确定闪烁体发出的光信号的分布重心，将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体上的位置。本发明提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，能够提高位置分辨率，降低二维位置探测的复杂度。
文档编号G01T1/29GK102288982SQ20111012714
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者衡月昆 申请人:中国科学院高能物理研究所