用于闪烁体余辉的检测装置和方法与流程

1.本公开涉及闪烁体检测领域，特别涉及一种用于闪烁体余辉的检测装置和方法。


背景技术：

2.对于掺杂激活剂的发光材料来说，基体晶体能够吸收入射的高能光子，被吸收的光子能量可由激活剂离子接收或由晶格吸收后将能量传递给激活剂离子，该激活剂离子的一个或多个电子被提升到较高的受激态。这些电子在返回其较低受激态的时候，将发射出相应能量较低的光子。闪烁体吸收的高能光子通常为x射线或γ射线等。通常应用的闪烁体发射的光子能量在可见光波段。
3.已知的闪烁体当激励辐射终止时，由闪烁体所发出的光将按两步衰减。第一步是从满负荷的光输出迅速衰减至较低值。这个过程称作衰减。处在该值时的衰减梯度实质上已转变至较低的衰减速率。第二步以该较低的衰减速率继续衰减。这种低强度的衰减一般为较长时间的衰减，此时衰减的发光被称为余辉(after glow)。通常是以其低于满强度值的2％界定。初始的迅速衰减时间被称为衰减时间(decay time)，通常为从激励辐射终止时刻开始，到光输出降至其满强度值的1/e时刻为止。
4.闪烁体的总体衰减时间对现代辐射成像探测器的性能有显著的影响。目前辐射成像探测器的采样时间通常为数毫秒，而要求扫描速度更高的ct(computed tomography，计算机断层扫描)装置的采样间隔可达1毫秒以内。目前的主流闪烁体的衰减时间可以达到数微秒以内，因此衰减时间对探测器性能的影响较小。而不同的闪烁材料，或者同体系的闪烁材料但是该闪烁材料具有不同微量杂质或采用不同处理工艺，都可能导致闪烁材料具有截然不同的余辉特性。因此余辉对于现代辐射成像装置的影响非常显著。在辐射成像领域，通常希望余辉尽可能小。因此，在闪烁材料的研发、闪烁体质量控制和闪烁体探测器设计等方面，闪烁体余辉的检测是一个重要环节。


技术实现要素：

5.本公开解决的一个技术问题是：提供一种用于闪烁体余辉的检测装置，从而实现闪烁体余辉的便捷检测。
6.根据本公开实施例的一个方面，提供了一种用于闪烁体余辉的检测装置，包括：led芯片光源，用于在被开启后发出紫外光，以及在被关断后不发出紫外光，其中，所述紫外光照射在闪烁体上以使得所述闪烁体发出光信号；光电探测器，用于接收所述闪烁体发出的光信号，并将所述光信号转换为电信号；信号处理器，用于对所述电信号进行信号处理，以得到所述闪烁体的闪烁光强度；以及信息处理设备，用于从所述信号处理器接收所述闪烁光强度，并拟合得到所述闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据所述曲线获得所述闪烁体的余辉特性参数。
7.在一些实施例中，所述紫外光的波长范围为200nm至350nm。
8.在一些实施例中，所述检测装置还包括：芯片控制器，与所述led芯片光源电连接，
用于控制所述led芯片光源的开启或关断；其中，所述芯片控制器控制所述led芯片光源关断时的关断过程时间为10微秒至100微秒。
9.在一些实施例中，所述芯片控制器还用于调节所述led芯片光源的发光功率，以调节所述led芯片光源所发出的紫外光的光强。
10.在一些实施例中，所述检测装置包括：准直器，与所述led芯片光源的出光面接触，用于将所述led芯片光源发出的紫外光进行准直处理以得到准直紫外光，并将所述准直紫外光照射在闪烁体上。
11.在一些实施例中，所述led芯片光源、所述光电探测器、所述闪烁体和所述准直器被设置在暗箱内。
12.在一些实施例中，所述检测装置还包括：载物台，用于承载所述闪烁体；其中，所述led芯片光源、所述准直器、所述光电探测器与所述闪烁体处于所述载物台的同一侧。
13.在一些实施例中，所述光电探测器包括窗口，所述窗口的材料为紫外光不能透过的材料。
14.在一些实施例中，所述窗口的材料包括硼硅玻璃。
15.在一些实施例中，所述led芯片光源与所述光电探测器分别位于所述闪烁体的两侧，且所述闪烁体与所述光电探测器通过光耦合剂耦合。
16.在一些实施例中，所述检测装置还包括：探测器电源，与所述光电探测器电连接，用于向所述光电探测器供电。
17.在一些实施例中，所述光电探测器包括：光电倍增管、硅光电倍增管或多像素光子计数器。
18.在一些实施例中，所述电信号为模拟电信号；所述信号处理器包括：信号放大单元，用于从所述光电探测器接收所述模拟电信号并对所述模拟电信号进行放大处理以得出放大后的模拟电信号；以及信号采集单元，与所述信号放大单元电连接，用于根据预定的采样频率采集所述放大后的模拟电信号，并将所述放大后的模拟电信号转换为数字电信号以得到所述闪烁光强度，并将所述闪烁光强度输出到所述信息处理设备。
19.在一些实施例中，所述采样频率大于1khz。
20.在一些实施例中，所述led芯片光源的基底材料包括：gaas、gaasp、gaalas、gap和algan中的至少一种。
21.根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种利用如前所述的检测装置检测闪烁体余辉的方法，包括：开启所述led芯片光源以使得所述led芯片光源发出紫外光，其中，所述紫外光照射在闪烁体上以使得所述闪烁体发出光信号，并在开启所述led芯片光源预定时间后，关断所述led芯片光源；利用光电探测器接收所述闪烁体发出的光信号，并将所述光信号转换为电信号；利用信号处理器对所述电信号进行信号处理，以得到所述闪烁体的闪烁光强度；以及利用信息处理设备从所述信号处理器接收所述闪烁光强度，并拟合得到所述闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据所述曲线获得所述闪烁体的余辉特性参数。
22.在一些实施例中，在开启所述led芯片光源之前，所述方法还包括：获取所述闪烁体的激发光谱；以及根据所述闪烁体的激发光谱，选用与所述激发光谱的峰值波长对应的led芯片光源。
23.上述检测装置包括led芯片光源、光电探测器、信号处理器和信息处理设备。该led
芯片光源在被开启后发出紫外光，以及在被关断后不发出紫外光。该紫外光照射在闪烁体上以使得该闪烁体发出光信号。光电探测器接收闪烁体发出的光信号，并将光信号转换为电信号。信号处理器对该电信号进行信号处理，以得到闪烁体的闪烁光强度。信息处理设备从信号处理器接收闪烁光强度，并拟合得到闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据该曲线获得闪烁体的余辉特性参数。该检测装置实现了闪烁体余辉的便捷检测。
24.通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
25.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
26.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
27.图1是示出根据本公开一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置的结构图；
28.图2是示出根据本公开另一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置的结构图；
29.图3是示出根据本公开一些实施例的信号处理器的结构图；
30.图4是示出根据本公开另一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置的结构图；
31.图5是示出根据本公开一些实施例的gos:pr闪烁体的激发光谱图；
32.图6是示出根据本公开一些实施例的检测闪烁体余辉的方法的流程图。
33.应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
34.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
35.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
36.在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
37.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语
oxisulfide，镨掺杂硫氧化钆)闪烁体的激发光谱图。由图5所示，低余辉的gos:pr闪烁体的激发光谱峰位为255nm。即表明255nm的深紫外光对gos:pr闪烁体的激发效率最高。因此可以选择255nm的深紫外led芯片光源作为低余辉gos:pr闪烁体余辉测试的激发光源。
51.在一些实施例中，led芯片光源可以方便地更换，用于满足不同闪烁体的测试需求。例如，对于不同种类的闪烁体，可以根据其激发光谱来选择最优波长的激发光源(即led芯片光源)。
52.在一些实施例中，led芯片光源的基底材料可以包括：gaas、gaasp、gaalas、gap和algan中的至少一种。led芯片光源作为光源，其具备可快速关断led发光的功能。不同基底材料制造的led芯片光源响应时间各不相同。例如，基底材料为gaas、gaasp或gaalas的led芯片光源，其响应时间在10-9
s级。基底材料为gap的led芯片光源，其响应时间在10-7
s级。而基底材料为algan材料的深紫外led芯片光源，可以实现微秒级甚至纳秒级的快速关断。
53.光电探测器102用于接收闪烁体110发出的光信号122，并将该光信号转换为电信号。该光电探测器102将该电信号传输到信号处理器103。
54.在一些实施例中，该光电探测器102可以包括光电倍增管(photomultiplier tube，简称为pmt)、硅光电倍增管(silicon photomultiplier，简称为sipm)或多像素光子计数器(multi-pixel photon counter，mppc)等。闪烁光余辉的光强通常较弱，而光电倍增管或硅光电倍增管等器件是高探测灵敏度的光电探测器，其可以对接收到的闪烁光进行倍增放大并形成电荷信号，因此可以提高光电检测的精度。
55.闪烁体的发射光谱通常范围较宽。例如闪烁体的发射光谱的范围可以是从波长为300nm的紫外光到波长为700nm的红光，甚至更宽的范围。因此可以根据所测试的闪烁体来选择光电探测器。例如，低余辉的gos:pr闪烁体的发射光谱范围为500nm至700nm，因此可以选择量子效率在该波长范围较高的光电探测器。即，该光电探测器可以选用光谱响应范围偏向长波的器件。
56.在一些实施例中，光电探测器102可以包括窗口。闪烁体发出的光信号可以通过该窗口进入光电探测器内。该窗口的材料可以为紫外光不能透过的材料。例如，光电探测器的窗口的材料可以为波长短于300nm的紫外光不能透过的材料。例如，该窗口的材料可以包括硼硅玻璃。通过采用紫外光不能透过的材料作为该窗口的材料，可以减少led芯片发出的紫外光(作为激发光)对光电探测器探测闪烁光的影响。
57.信号处理器103用于对该电信号进行信号处理，以得到该闪烁体110的闪烁光强度。该信号处理器103将该闪烁光强度传输到信息处理设备104。
58.信息处理设备104用于从信号处理器103接收闪烁光强度，并拟合得到该闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据该曲线获得闪烁体110的余辉特性参数。这里，余辉特性参数为根据该曲线得到的在不同时刻的余辉值。例如，该信息处理设备104可以为计算机。
59.至此，提供了根据本公开一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置。该检测装置包括led芯片光源、光电探测器、信号处理器和信息处理设备。该led芯片光源在被开启后发出紫外光，以及在被关断后不发出紫外光。该紫外光照射在闪烁体上以使得该闪烁体发出光信号。光电探测器接收闪烁体发出的光信号，并将光信号转换为电信号。信号处理器对该电信号进行信号处理，以得到闪烁体的闪烁光强度。信息处理设备从信号处理器接收闪烁光强度，并拟合得到闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据该曲线获得闪烁体的余辉特性
参数。该实施例实现了闪烁体余辉的便捷检测。该检测装置的成本低廉，便于实现多种闪烁体余辉检测的目的。
60.另外，由于led芯片光源具有快速关断的特性，因此该检测装置可以实现照射在闪烁体上的激发光的快速停止，因此可以提高闪烁体余辉的检测精度。
61.在上述实施例中，采用紫外光源(如，可以发出紫外光的led芯片光源)作为闪烁体的激发源。闪烁体有如下发光机理：
62.对于纯离子晶体闪烁体，入射粒子的能量传递给闪烁体产生电子-空穴对或激子。激子也可以吸收热运动能量而变成自由电子-空穴对。产生一个电子-空穴对平均约需3倍于禁带宽度的能量。对于掺杂闪烁体，原子受激产生的电子-空穴对迁移到杂质能量的激发态和基态上，使杂质原子处于激发态，形成发光中心或复合中心。实用的掺杂闪烁体一般含有合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价带高，杂质能级成为发光中心。
63.由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离能，原子受激产生的电子-空穴对将迅速迁移至杂质能级的激发态和基态，使杂质原子处于激发状态。电子从激发态跃迁回基态，发射出光子。闪烁体发光的衰减时间通常在10-7
s以内，称为“荧光”。荧光为可见光范围，且有效的克服了发光的自吸收，使闪烁体的发射光谱和吸收光谱有效的分离。激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间，像掉进陷阱一样。这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，然后再通过发射光子退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光”。它常常是闪烁体的“余辉”的重要来源。
64.对于大多数闪烁体，只要激发光子的能量大于某一个限值，就可以有效的激发闪烁体，而不论哪种激发方式，闪烁体退激发光的原理是相同的。
65.因此，紫外激发可以代替x射线激发引发闪烁体发光。例如，在辐射成像领域通常使用的csi:tl(thallium-doped cesium iodide，铊掺杂碘化铯)闪烁体的最高效激发波长为297nm，gos:pr闪烁体的最高效激发波长在255nm。深紫外led芯片有多种发射波长可选，而且功率控制方便。因此用深紫外led芯片光源可以作为用于闪烁体余辉测试的激发光源。
66.在一些实施例中，如图1所示，该检测装置还可以包括载物台105。，该载物台105用于承载闪烁体110。例如，如图1所示，led芯片光源101、光电探测器102与闪烁体110处于该载物台105的同一侧。
67.如图2所示，紫外光121照射在被测的闪烁体110上，激发该闪烁体发出闪烁光122，该闪烁体向空间发散。对于透光率较低且厚度较大的闪烁体(例如厚度大于2mm的gos:pr闪烁体等陶瓷型闪烁体)，闪烁光122难以良好地穿透闪烁体而到达闪烁体背面，因此，可以将led芯片光源、光电探测器与闪烁体设置在载物台的同一侧，并且闪烁体通过空气耦合到光电探测器的窗口，从而便于闪烁光的接收和检测。在该实施例中，采用了接收从闪烁体表面发射的闪烁光的方式，实现了闪烁光的接收和检测。
68.图2是示出根据本公开另一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置的结构图。如图2所示，该检测装置可以包括led芯片光源101、光电探测器102、信号处理器103、信息处理设备104和载物台105。
69.在一些实施例中，如图2所示，该检测装置还可以包括芯片控制器207。该芯片控制器207与led芯片光源101电连接。该芯片控制器207可以用于控制该led芯片光源101的开启
或关断。例如，该芯片控制器控制该led芯片光源关断时的关断过程时间为10微秒至100微秒，从而使得led紫外光输出的关断下降沿的持续时间可以为10微秒至100微秒。该芯片控制器可以采用已知的控制电路来实现。这可以实现led芯片光源的快速关断，从而有利于闪烁体余辉的检测。
70.在一些实施例中，该芯片控制器207还可以用于调节led芯片光源101的发光功率，以调节该led芯片光源所发出的紫外光的光强。这样便于在测试时调整适当的led发光光强。
71.在一些实施例中，该芯片控制器207还可以与信息处理设备104电连接。该芯片控制器207可以从信息处理设备104接收指令信息，从而对led芯片光源进行相应的控制操作。例如，信息处理设备可以包括人机交互界面，操作者在信息处理设备104上操作或预设程序发出指令，控制器207接收并执行该指令。
72.在一些实施例中，如图2所示，该检测装置还可以包括准直器206。该准直器206与led芯片光源101的出光面接触。该准直器206可以用于将led芯片光源101发出的紫外光进行准直处理以得到准直紫外光，并将该准直紫外光照射在闪烁体110上。这有利于将紫外光照射在闪烁体上。
73.在一些实施例中，如图2所示，该检测装置还可以包括暗箱209。由于紫外光的穿透能力较差，因此紫外光可以被闪烁体的表面吸收而激发出闪烁光。在这样的情况下，如图2所示，led芯片光源101、光电探测器102、闪烁体110和准直器206可以被设置在暗箱209内。这样可以防止环境光对测试造成干扰。另外，也可以防止光电探测器(例如光电倍增管)在强环境光的照射下损坏。另外，该led芯片光源101、准直器206、该光电探测器102与该闪烁体110处于载物台105的同一侧。这样有利于闪烁光的接收和检测。
74.在一些实施例中，如图2所示，该检测装置还可以包括探测器电源208。该探测器电源208与光电探测器102电连接。该探测器电源208用于向光电探测器102供电。
75.在一些实施例中，如图2所示，该检测装置还可以包括显示器211。该显示器211与信息处理设备104电连接。该显示器211可以从信息处理设备104接收闪烁光强度随时间变化的曲线的数据，从而显示该曲线。另外，该显示器还可以显示经信息处理设备104计算处理后得到的余辉特性参数值等。
76.至此，提供了根据本公开另一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置。在该检测装置中，可以采用led芯片光源(例如深紫外led芯片)作为闪烁体的激发光源来实现闪烁体余辉的便捷测试。深紫外led芯片光源可以有效的激发闪烁体发光，而且led芯片光源可以实现非常快速的开启和关断。该检测装置由于不需快速关断x射线，因而不需要复杂厚重的阻挡x射线的快门，且不是采用脉冲式的激发光源，因此可以使闪烁体持续受激发足够长的时间，更真实的反应接近实际使用情况下的余辉累积效果。该检测装置便于闪烁体余辉的测试，而且成本低廉，易于实现。
77.在一些实施例中，光电探测器102输出的电信号为模拟电信号。
78.图3是示出根据本公开一些实施例的信号处理器的结构图。
79.在一些实施例中，如图3所示，该信号处理器103可以包括信号放大单元1031和信号采集单元1032。信号采集单元1032与信号放大单元1031电连接。
80.信号放大单元1031可以用于从光电探测器102接收模拟电信号s
a
并对该模拟电信
号进行放大处理以得出放大后的模拟电信号s
a_am
。该信号放大单元1031将该放大后的模拟电信号s
a_am
传输到信号采集单元1032。例如，该信号放大单元可以为放大器。
81.信号采集单元1032用于根据预定的采样频率采集该放大后的模拟电信号s
a_am
，并将该放大后的模拟电信号s
a_am
转换为数字电信号s
d
以得到闪烁光强度，并将该闪烁光强度输出到信息处理设备104。例如，该信号采集单元可以为信号采集卡。
82.这里，信号采集单元可以以一定的采样频率将模拟电信号转换为数字电信号。例如，采样频率可以大于1khz。又例如，采样频率可以大于300khz。又例如，采样频率可以大于1mhz。这样可以实现闪烁体余辉至少毫秒分辨率的测量。
83.在上述实施例中，信号处理器包括信号放大单元和信号采集单元，通过对从光电探测器接收的模拟电信号进行放大、采样和模数转换处理，从而得到闪烁光强度数据。
84.图4是示出根据本公开另一些实施例的用于闪烁体余辉的检测装置的结构图。
85.与2所示的检测装置类似地，图4所示的检测装置可以包括：led芯片光源101、光电探测器102、信号处理器103、信息处理设备104、准直器206、芯片控制器207、探测器电源208、暗箱209和显示器211。另外，图4中还示出了闪烁体410。
86.与图2所示的检测装置相比，图4所示的检测装置的不同之处在于：图4所示的检测装置采用了接收穿透闪烁体的闪烁光的余辉测试的结构方式。如图4所示，led芯片光源101与光电探测器102分别位于闪烁体410的两侧。该闪烁体410与光电探测器102通过光耦合剂耦合。
87.该闪烁体410是透光率高的闪烁体、或透光率较低但厚度较薄的闪烁体。这样的闪烁体受深紫外光激发而发射的闪烁光有较大部分可以穿透该闪烁体。因此可以将闪烁体410与光电探测器102通过光耦合剂耦合。闪烁光被光电探测器102接收，这之后的处理方式与前面所述的处理方式类似，因此这里不再赘述。
88.图6是示出根据本公开一些实施例的检测闪烁体余辉的方法的流程图。如图6所示，该方法可以包括步骤s602至s608。
89.在步骤s602，开启led芯片以使得该led芯片发出紫外光，其中，该紫外光照射在闪烁体上以使得该闪烁体发出光信号，并在开启该led芯片预定时间后，关断该led芯片。
90.在步骤s604，利用光电探测器接收闪烁体发出的光信号，并将该光信号转换为电信号。
91.在步骤s606，利用信号处理器对电信号进行信号处理，以得到闪烁体的闪烁光强度。
92.在步骤s608，利用信息处理设备从信号处理器接收闪烁光强度，并拟合得到闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据该曲线获得闪烁体的余辉特性参数。
93.至此，提供了根据本公开一些实施例的检测闪烁体余辉的方法。该方法包括：开启led芯片光源以使得led芯片光源发出紫外光，其中，该紫外光照射在闪烁体上以使得该闪烁体发出光信号，并在开启该led芯片光源预定时间后，关断该led芯片光源；利用光电探测器接收闪烁体发出的光信号，并将该光信号转换为电信号；利用信号处理器对电信号进行信号处理，以得到闪烁体的闪烁光强度；以及利用信息处理设备从信号处理器接收闪烁光强度，并拟合得到闪烁光强度随时间变化的曲线，并根据该曲线获得闪烁体的余辉特性参数。该方法可以实现闪烁体余辉的检测，成本低廉，而且可以满足多种闪烁体余辉测试的目
的。
94.上述方法可以适用于响应紫外光激励与x射线或γ射线激励均可发光的闪烁体。这类型闪烁体在闪烁体中的占比较大。上述方法便于实施，能够用于闪烁体余辉的快捷测量，尤其适用于辐射成像安检、医疗领域探测器等的工业应用闪烁体的余辉测试。
95.在一些实施例中，在步骤ss602之前，所述方法还可以包括：获取闪烁体的激发光谱；以及根据闪烁体的激发光谱，选用与激发光谱的峰值波长对应的led芯片光源。这里实现了led芯片光源的选用。
96.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
97.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。