一种切伦科夫辐射探测方法与装置与流程

本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法与装置。

背景技术：

切伦科夫辐射是一种由高速带电微粒发出的可见光区域及附近的电磁辐射。已有的切伦科夫探测器，主要是高速的光电探测器单元，在读出切伦科夫事件的位置信息和能量信息方面十分欠缺，例如在阿尔法磁谱仪上的切伦科夫计数器，其方向是通过其他粒子探测器来进行捕获的。如果辐射事件发出的事件数较少，或者没有其他的粒子被探测到，切伦科夫事件的方向信息将很难被捕获，极大地限制了切伦科夫辐射在生物、医学、国防、工业上的应用和推广。

因此，针对上述问题，有必要针对切伦科夫光子及其辐射系统，提供一种新的切伦科夫辐射探测方法与装置，以克服上述缺陷。全面捕获单个切伦科夫辐射事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种切伦科夫辐射探测方法与装置，该方法与装置能有效地读出一个切伦科夫事件的多个光子的电信号样本，通过多光子时间符合，剔除自发光事件，增大重构图像信噪比，避免基线漂移对读出信号的影响。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种切伦科夫辐射探测方法，其包括步骤：

S1：通过安放光电探测器阵列，读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；

S2：对读到的时间进行时间符合；

S3：通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置。

优选地，在上述的切伦科夫辐射探测方法中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。

优选地，在上述的切伦科夫辐射探测方法中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者切伦科夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。

优选地，在上述的切伦科夫辐射探测方法中，所述时间符合是指多个单光子（不少于20个）事件在很短的时间内（例如20 ns）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次切伦科夫单事件。

优选地，在上述的切伦科夫辐射探测方法中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定切伦科夫辐射发生的位置。

一种切伦科夫辐射探测装置，其中包括光电探测器模块、多事例时间符合模块和切伦科夫事件估计模块，其中，

光电探测器模块，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取切伦科夫事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息；

多事例时间符合模块，用于判断多光子事件是否属于一次切伦科夫事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如20 ns）内有多个单光子事件（不少于20个）；

切伦科夫事件估计模块，用于将符合的单光子信息重建成切伦科夫事件的属性。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的切伦科夫辐射探测方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于植物等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）无透镜设计，接收到的切伦科夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

（2）超大视野的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声；

（4）全事件读出设计可以全面的读出切伦科夫事件丰富的多维信息：角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明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为本发明单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法的流程图；

图2为本发明单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测装置的装置结构图；

图3为本发明的切伦科夫辐射探测装置的位置计算示意图；

图4为本发明切伦科夫辐射产生机制示意图；

图5为本发明切伦科夫探测器探测到的典型的光子强度图；

图6为本发明切伦科夫探测器探测到的位置谱；

图7为本发明典型的切伦科夫辐射探测装置的30个切伦科夫事件的重建结果；

图8为本发明剖面一的测试假体的重建结果；

图9为本发明剖面二的测试假体的重建结果；

图10为本发明剖面三的测试假体的重建结果。

具体实施方式

本发明公开了一种单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法与装置，该方法与装置能有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及装置的时间分辨率。

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详细地描述，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的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。

如图1所示，本发明公开的单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法与装置通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间符合和估计理论甄别出切伦科夫事件的位置，具体的方法步骤为：

S1：通过安放光电探测器阵列，读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；

S2：对读到的时间进行时间符合；

S3：通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测装置中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测装置中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者切伦科夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测装置中，所述时间符合是指多个单光子（不少于20个）事件在很短的时间内（例如20 ns）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次切伦科夫单事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测装置中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定切伦科夫辐射发生的位置。

如图2所示，本发明公开的一种切伦科夫辐射探测装置，包括光电探测器模块100、多事例时间符合模块200和切伦科夫事件估计模块300，其中，

光电探测器模块100，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取切伦科夫事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息；

多事例时间符合模块200，用于判断多光子事件是否属于一次切伦科夫事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如20 ns）内有多个单光子事件（不少于20个）；

切伦科夫事件估计模块300，用于将符合的单光子信息重建成切伦科夫事件的属性。

图1为本发明单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法的流程图。图2为本发明单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测装置的装置结构图。图3为本发明的切伦科夫辐射探测装置的位置计算示意图。图4为本发明切伦科夫辐射产生机制示意图。图5为本发明切伦科夫探测器探测到的典型的光子强度图。图6为本发明切伦科夫探测器探测到的位置谱。图7为本发明典型的切伦科夫辐射探测装置的30个切伦科夫事件的重建结果。图8为本发明剖面一的测试假体的重建结果。图9为本发明剖面二的测试假体的重建结果。图10为发明剖面三的测试假体的重建结果。结合图3、图4及图5，通过几个具体的实施例，对本发明单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法与装置做进一步描述。本发明提出的单光子时间分辨的切伦科夫辐射探测方法与装置，其涉及到的参数、时间符合处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的切伦科夫辐射分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤（1）采用红光增强的硅光电倍增管，探测器采用环状结构；

步骤（2）符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间符合处理；

步骤（3）采用解析的切伦科夫事件重建方法，直接绘出切伦科夫的时间和位置。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）采用红光增强的光电倍增管，探测器采用平板结构；

步骤（2）符合时间约为10ns，符合判断采用在线式的时间符合处理；

步骤（3）采用迭代的切伦科夫事件重建方法，逼近式绘出切伦科夫的时间和位置。

本发明的方法和装置可以用于辐射带电微粒的核技术，包括核探测、核分析、核医学仪器。

本发明提供的切伦科夫辐射探测方法中。通过时间符合，剔除生物体的自发光和背景光。通过单光子事件在孔内的相对位置判断切伦科夫事件的时间和位置，比背景技术中的单视角或者电流电荷读出的切伦科夫成像方法的成像质量好，捕获的切伦科夫光子多。

本发明公开的切伦科夫辐射探测方法中，注入可发射带电粒子的同位素可用于标记生物体中的生化和生理过程；读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；对读到的时间进行时间符合；通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；对估计的切伦科夫的位置和时间进行重建，获得核素的分布。通过比对可以看出，通过采用本发明的切伦科夫辐射探测方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于植物等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）无透镜设计，接收到的切伦科夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

（2）超大视野的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声；

（4）全事件读出设计可以全面的读出切伦科夫事件丰富的多维信息：角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。