一种核探测器的制作方法

本实用新型涉及一种辐射探测设备，更具体地涉及一种核探测器。

背景技术：

在γ照相机、正电子发射计算机断层成像(简称PET，Positron Emission Tomography)系统、辐射探测仪和晶体性能检测装置等核探测设备中，核探测器的空间分辨率是体现核探测设备性能的一个重要指标。比如在PET系统中，空间分辨率体现了PET系统对细微组织的空间辨识能力，是PET系统中最为重要的两个指标之一，也同时是评价PET图像质量的重要指标之一。PET系统作为一种影像系统最根本的评价标准是重建图像的质量，高质量的重建图像要求有良好的分辨率，空间分辨率是过去十多年来PET系统开发中一直重点优化的对象。特别是在动物PET系统中，由于动物大小的原因，对系统成像空间分辨率的要求远高于临床PET系统。

现有技术中通常将晶体条切细至小于2.0mm的核探测器称为高空间分辨率核探测器，目前的高空间分辨率核探测器通常采用以下几种设计方案：

第一种，通过位置敏感型光电倍增管(简称PSPMT)耦合闪烁晶体阵列的方式实现高空间分辨率，位置敏感型光电倍增管具有增益高(10⁶)、噪声低的特点，能够实现非常高的空间分辨率，已经有团队通过该耦合方式实现了空间分辨率要求很高的小动物PET系统(参考文献Luyao Wang,Jun Zhu,Xiao Liang,Ming Niu,Xiaoke Wu,Chien-Min Kao,Heejong Kim and Qingguo Xie，“Performance evaluation of theLH system-A large FOV small-animal PET system”，Physics in Medicine and Biology[J],2014)，达到了较好的系统性能。

第二种，通过雪崩光电二极管阵列(简称APD array)与相同尺寸的闪烁晶体阵列直接耦合的方式实现高空间分辨率，位置敏感型雪崩光电二极管体积小巧，正常工作时需求的电压不高，搭建PET探测器具有较强的灵活性，也可降低一部分系统集成工程难度，已有团队通过该耦合方式实现了较高空间分辨率的小动物PET探测器(参考文献Bergeron M，Cadorette J，Beaudoin J F，et al.Performance Evaluation of the LabPET APD-Based Digital PET Scanner[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2009，56(1):10-16)。

第三种，通过硅光电倍增管阵列(简称SiPM array)与相同尺寸的闪烁晶体阵列1:1直接耦合的方式来搭建PET探测器。硅光电倍增管增益为10⁶，与光电倍增管媲美，噪声低，体积小巧，排列紧实，时间性能良好。使用SiPM array搭建PET探测器时，前端探测器输出信号的信噪比高，探测器灵活性强，也可降低系统集成的工程难度。由于是半导体器件，具有大量生产时价格低廉的优势，尤其适合在PET这种探测器数量众多的仪器设备中。已有团队通过SiPM阵列和闪烁晶体阵列1:1直接耦合的方式实现了PET探测器的设计、生产，并且完成了系统集成，得到了2.5mm左右的PET系统空间分辨率(参考文献Daoming Xi，Jingjing Liu，Yanzhao Li，Jun Zhu，Ming Niu，Peng Xiao，Qingguo Xie，"Investigation of continuous scintillator/SiPM detector for local extremely high spatial resolution PET",in Conference Record of the 2011IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference[C],pp.4429-4432,2011)

然而，上述的核探测器设计中还存在诸多不足之处，比如第一种基于PSPMT耦合阵列闪烁晶体的核探测器，首先，其光电倍增管十分昂贵，对于通道数成千上万的PET系统而言，使用的探测器数量相当多，设备成本太高；其次，光电倍增管本身体积较大，不利于灵活的搭建系统；再次，光电倍增管运行时一般需要一千伏左右的高压，这会增加PET系统集成时的工程难度。对于第二种通过APD阵列耦合阵列闪烁晶体的核探测器，由于雪崩光电二极管有着天然的缺陷，增益不够高，噪声也较大，会造成前端探测器产生的电脉冲信号的信噪比将低，影响电子学读出效果，最终降低PET探测器的性能。对于第三种通过硅光电倍增管阵列和相同尺寸的阵列闪烁晶体1:1直接耦合的方式组成的PET探测器，虽然其能够获得较好的能量分辨率和时间分辨率，但是在该耦合方式下其空间分辨率受限于硅光电倍增管的尺寸，难以通过切细阵列晶体中晶体条的尺寸进一步提高PET探测器的空间分辨率。

综上所述，现有技术中基于PSPMT耦合阵列闪烁晶体的核探测器不仅成本太高，而且系统集成灵活度不高和工程难度较大，虽然在高空间分辨率的PET系统中可以采用，但付出的研发成本和生产成本都比较高。基于APD阵列耦合闪烁晶体阵列的核探测器，其雪崩光电二极管增益较低，信号的信噪比不好，会降低高空分辨率PET系统的性能。基于SiPM阵列1:1直接耦合闪烁晶体的PET探测器兼有上述两种方式的优点，但是受限于SiPM阵列中单颗SiPM的尺寸，难以获得晶体条切细至2mm以下的高空间分辨率核探测器。

因此，针对上述技术问题，有必要提出一种成本低廉、系统集成灵活度高且空间分辨率更高的核探测器以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种核探测器，从而解决现有技术中核探测器的成本高、系统集成灵活度低且空间分辨率不高的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种核探测器，所述核探测器包括闪烁晶体阵列、光导和光电探测器阵列，所述闪烁晶体阵列包括若干个依序紧密排列且尺寸相同的闪烁晶体条，所述光电探测器阵列包括若干个依序排列的光电探测器，所述光电探测器的横截面积大于所述闪烁晶体条的横截面积，所述光导包括相对的顶面、底面和侧面，所述光导的顶面与所述闪烁晶体阵列耦合，所述光导的底面与所述光电探测器阵列耦合，所述光导的厚度介于0.1mm-40mm之间；所述光导还具有切缝，所述切缝设置于靠近所述光导的边缘处，所述切缝自所述光导的顶面向所述光导的底面延伸，所述切缝的深度介于所述光导的厚度的0.1-0.5倍之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述光导呈长方体形状，所述切缝的延伸方向垂直于所述光导的所述顶面和所述底面。

根据本实用新型的一个实施例，所述切缝距离所述光导的所述侧面的距离介于所述闪烁晶体条的宽度的1.1-1.9倍之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述光导呈锥形台形状，所述光导的顶面面积大于所述光导的底面面积，所述切缝的延伸方向平行于所述锥形台的侧面。

根据本实用新型的一个实施例，所述切缝包括第一切缝和第二切缝，所述第一切缝距离所述光导的所述侧面的距离等于所述闪烁晶体条的宽度，所述第二切缝距离所述光导的所述侧面的距离等于所述闪烁晶体条的宽度的两倍，所述第一切缝的深度大于所述第二切缝的深度。

根据本实用新型的一个实施例，所述切缝的数量介于1-40之间，所述切缝自所述光导的侧面向所述光导的中心依次分布，所述切缝的深度自所述光导的侧面处向所述光导的中心依次递减。

根据本实用新型的一个实施例，所述闪烁晶体条的宽度介于0.5mm-4mm之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述闪烁晶体条的侧面涂覆有不透光物质。

根据本实用新型的一个实施例，所述不透光物质为硫酸钡粉末或者镜面反射膜。

根据本实用新型的一个实施例，所述切缝中和所述光导的侧面涂覆有不透光物质。

根据本实用新型的一个实施例，所述不透光物质为黑色油漆。

根据本实用新型的一个实施例，所述光导的层数介于1-4层之间，各层所述光导的累计厚度介于0.1mm-40mm之间。

本实用新型提供的核探测器，在闪烁晶体阵列中闪烁晶体条的尺寸明显小于光电探测器尺寸时，也就是无法实现闪烁晶体条和光电探测器1:1直接耦合的情况下，在两者之间加入具有切缝的光导，从而能够实现高空间分辨率的核探测器。由于光导的厚度较小，对闪烁晶体每次的闪烁光子损失较小，几乎不损失闪烁光子的信噪比，不仅能够实现核探测器的高空间分辨率，而且不会恶化核探测器的性能，使得该核探测的能量分辨率、符合时间分辨率均满足高空间分辨率PET探测器的需要，并且生产方便，制造便捷，成本低廉。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的核探测器的正面示意图；

图2是根据图1的核探测器的光导的立体示意图；

图3是根据图1的核探测器的复用电路的示意图；

图4是根据图1的核探测器的晶体位置谱的示意图；

图5是根据图1的核探测器的能量谱的示意图；

图6是根据图5的核探测器的中心闪烁晶体条的能量谱的示意图；

图7是根据图5的核探测器的边缘闪烁晶体条的能量谱的示意图；

图8是根据图5的核探测器的闪烁晶体条的平均能量谱的示意图，其中闪烁晶体条的平均能量分辨率为14.8％；

图9是根据图5的核探测器的符合时间分辨率的示意图，其中符合时间分辨率为941.4ps；

图10是根据本实用新型的另一个实施例的核探测器的正面示意图；

图11是根据本实用新型的又一个实施例的核探测器的正面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本实用新型而非用于限制本实用新型的范围。

图1为根据本实用新型的一个优选实施例的核探测器的正面示意图，图2为根据图1的核探测器的光导的立体示意图，由图1结合图2可知，本实用新型提供的核探测器包括闪烁晶体阵列10、光导20以及光电探测器阵列30，光导20设置于闪烁晶体阵列阵列30和光电探测器阵列30之间且分别与闪烁晶体阵列阵列30和光电探测器阵列30耦合。具体地，闪烁晶体阵列10包括m×n个依序紧密排列且尺寸相同的闪烁晶体条11，m、n均为不小于5的自然数，单个的闪烁晶体条11为六面抛光的长方体，单个的闪烁晶体条11的侧面涂抹不透光的漫反射物质，比如BaSO₄粉末或者镜面反射膜，单个的闪烁晶体条11的底面组合形成了闪烁晶体阵列10的底面；如图2所示，光导20包括光导本体21、第一切缝22和第二切缝23，光导本体21呈长方体形状，光导20的顶面与闪烁晶体阵列10的底面耦合，光导20的顶面面积等于闪烁晶体阵列10的底面面积，光导20的顶面上还设置有四条第一切缝22和四条向第二切缝23，四条第一切缝22分别平行于光导20的顶面的四条边，四条第二切缝23也分别平行于光导20的顶面的四条边，第一切缝22和向第二切缝23均自光导20的顶面沿着光导20的厚度方向向光导20内部延伸，四条第二切缝23与四条第一切缝22相比更靠近光导20的中心。在图1的实施例中，第一切缝22距离光导20边缘的距离等于单个闪烁晶体条11的宽度，第一切缝22和第二切缝23之间的距离等于单个闪烁晶体条11的宽度，第一切缝22的深度大于第二切缝23的深度。光电探测器阵列30的顶面与光导20的底面耦合，光电探测器阵列30包括x×y个依序排列且尺寸相同的光电探测器31，x、y均为自然数，单个光电探测器31的横截面积大于单个闪烁晶体条11的横截面积，光电探测器阵列30的顶面面积小于光导20的底面面积。

更具体地，在图1的实施例中，闪烁晶体阵列10由13×13个单独的闪烁晶体条11形成，闪烁晶体条11的材质为硅酸钇镥闪烁晶体(简称LYSO)，单根闪烁晶体条的尺寸为1.89mm×1.89mm×13mm，闪烁晶体阵列10的整体尺寸为26.5mm×26.5mm×13.3mm，各个闪烁晶体条11之间涂抹BaSO₄粉末。光导20的厚度为1.4mm，第一切缝22的宽度为0.2mm，深度为1.0mm，第二切缝的宽度为0.2mm，深度为0.4mm，第一切缝22和第二切缝23中均填充不透光物质，比如黑色不透光的油漆。值得注意的是，为了实现更好的导光效果，光导20的侧面也涂抹了不透光物质。光电探测器阵列30采用6×6个硅光电倍增管31，单个硅光电倍增管31的尺寸为4mm×4mm×0.65mm，相邻的硅光电倍增管31之间具有缝隙，缝隙的宽度为0.2mm。

图3为根据图1的核探测器的复用电路的示意图，由图3可知，本实用新型的核探测器的复用电路采用了均衡电荷分配电路，该电路包括16个通道，每个通道的硅光电倍增管31的闪烁脉冲信号先经过两个电阻40均衡分配电荷以产生8路加权信号50，电阻40的阻值为220欧姆；通过该均衡电荷分配电路可使x×y路的硅光电倍增管31的闪烁脉冲信号减少为x+y路，最后通过Anger算法产生位置谱。值得注意的是，Anger算法为本领域的常用技术手段，在此不再赘述。

图4是根据本实用新型的一个实施例的核探测器的能量谱的示意图，由图4可知，硅光电倍增管31产生的闪烁脉冲信号经过复用电路处理后，进一步采用多阈值(MVT)数字化方法处理。不同于传统的固定时间进行电压采样的ADC方法，MVT数字化方法预先在系统中设置多个电压阈值，记录闪烁脉冲信号到达各个电压阈值时对应的时间，进一步借助于闪烁脉冲模型的先验知识，通过拟合即可得到闪烁脉冲信号的时间、能量、基线漂移和衰减时间信息，进一步通过能量信息可获得位置信息，图4即为通过MVT数字化方法获得的图1的核探测器的位置谱图像，由图4可见，该核探测器的13×13个晶体的位置谱清晰可见。

图5示出了根据图1的基于SiPM的核探测器在应用了位置查表算法后获得的13×13个闪烁晶体条的能量谱，从图5中可知，通过对能量谱中光电峰进行高斯拟合可得每个闪烁晶体条上的能量分辨率，单个闪烁晶体条的能量分辨率介于12.9％-30.1％之间。图6是根据图5的核探测器的中心闪烁晶体条的能量谱的示意图，图7是根据图5的核探测器的边缘闪烁晶体条的能量谱的示意图，由图6对比图7可知，位于核探测器边缘的闪烁晶体条的能量分辨率与位于核探测器中心的闪烁晶体条的能量分辨率相比更差。图8为根据图5的核探测器的闪烁晶体条的平均能量谱的示意图，由图8可知，13×13个闪烁晶体条的平均能量分辨率为14.8％。

图9是根据图5的核探测器的符合时间分辨率的示意图，由图9可知，对正对放置的基于SiPM的核探测器抽取4573对相邻的响应线(简称LOR，Line of Response)统计符合时间分布谱，所有的事件均经过350-650keV的能量窗筛选，通过高斯拟合后获得的符合时间分辨率为941.4ps。

图10为根据本实用新型的另一个实施例的核探测器的正面示意图，在图10的实施例中，核探测器的闪烁晶体阵列110和光电探测器阵列130均与图1所示的实施例相同，在此不再赘述。不同之处为，图10的实施例中，光导120的顶面上仅设置有四条第一切缝122，该第一切缝122的分别平行于光导120的顶面的四条边切割，第一切缝122自光导120的顶面沿着光导120的厚度方向向光导120内部延伸，四条第一切缝122距离相应的光导120的边缘的距离介于闪烁晶体条宽度的1.1-1.9倍之间，第一切缝122的深度介于光导120的厚度的0.1-0.5倍之间。比如，在图10的实施例中，第一切缝122距离相应的光导120的边缘的距离为闪烁晶体条的宽度的1.5倍，第一切缝122的深度为0.4mm，光导120厚度为1.4mm。

图11是根据本实用新型的又一个实施例的核探测器的正面示意图，在图11的实施例中，核探测器的闪烁晶体阵列210和光电探测器阵列230均与图1所示的实施例相同，在此不再赘述。不同之处为，图11的实施例中，光导220呈锥形台状，包括相对的顶面、底面和四个侧面，光导220的顶面面积大于底面面积，光导220的底面面积等于光电探测器阵列230的顶面面积；光导220的顶面上设置有四条第一切缝222和四条第二切缝223，第一切缝222和第二切缝223所在的平面的分别平行于光导220的四个侧面，四条第一切缝222距离相应的光导220的侧面的距离等于单个闪烁晶体条的宽度，第二切缝223距离相应的光导220的侧面的距离等于单个闪烁晶体条的宽度的两倍；第一切缝222的深度大于第二切缝223的深度。比如，在图10的实施例中，第一切缝222的宽度为0.2mm，深度为1.0mm，第二切缝223的宽度为0.2mm，深度为0.4mm。

根据本实用新型的一个实施例，光导采用的材料为普通无机玻璃、有机玻璃或者闪烁晶体等透明元件。

根据本实用新型的一个实施例，光导的层数介于2-4层之间，所有光导的累计厚度介于0.1mm-40mm之间。

根据本实用新型的一个实施例，光导还可为圆锥台、圆柱体或者类锥形多面体等形状，光导的宽度或者直径介于闪烁晶体阵列的宽度和光电探测器阵列的宽度之间。

根据本实用新型的一个实施例，光导的第一切缝或者第二切缝中填充的不透光物质还可以为镜面反射膜(简称ESR，Enhanced Specular Reflector)。

根据本实用新型的另一个实施例，光导的切缝数量还可大于2，光导的切缝数量不超过40个。

根据本实用新型的一个实施例，闪烁晶体条为无机闪烁晶体，包括锗酸铋、硅酸镥、溴化镧、硅酸钇镥、硅酸镥、氟化钡、碘化钠和碘化铯等。

根据本实用新型另外的实施例，闪烁晶体阵列中的单个闪烁晶体条的宽度介于0.5mm-4mm之间。

根据本实用新型的一个实施例，光电探测器阵列中的光电探测器还可采用雪崩光电二极管(APD)、多像素光子计数器(MPPC)和盖革模式雪崩光电二极管(G-APD)。

本实用新型提供的核探测器，在闪烁晶体阵列中闪烁晶体条的尺寸明显小于光电探测器尺寸时，也就是无法实现闪烁晶体条和光电探测器1:1直接耦合的情况下，在两者之间加入具有切缝的光导，从而能够实现高空间分辨率的核探测器。由于光导的厚度较小，对闪烁晶体每次的闪烁光子损失较小，几乎不损失闪烁光子的信噪比，不仅能够实现核探测器的高空间分辨率，而且不会恶化核探测器的性能，使得该核探测的能量分辨率、符合时间分辨率均满足高空间分辨率PET探测器的需要，并且生产方便，制造便捷。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。