专利名称：一种伽玛射线探测成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种伽玛射线探测成像装置，属于辐射探测成像技术领域。
背景技术：
传统的伽玛射线探测技术通常采用一种以闪烁晶体作为探测材料、以光电倍增管作为信号放大器的结构，通称为闪烁探测器。当伽玛射线入射到闪烁晶体内，根据其能量范围，通常会产生光电效应、康普顿散射效应及电子对效应，其自身能量最终被晶体吸收而同时释放出极其微弱的闪烁光。对于在可见光区或紫外光区的闪烁光，可经光电转换后利用高灵敏度的信号放大器件，即光电倍增管进行探测而获得伽玛射线的全部信息，比如光电倍增管输出的脉冲信号的强度反应了伽玛射线的能量；脉冲信号发生的时间反映了伽玛射线的入射时间。这种传统的闪烁探测器具有高效率，高信噪比和响应时间快等特点，被广泛应用于高能物理、宇宙射线探测及核医学的研究中，是当今辐射探测技术领域中不可或缺的手段。但传统的闪烁探测器在进行成像时需采用大量独立的光电倍增管来偶合一组闪烁晶体阵列进行定位分析，而且光电倍增管之间存在有较大面积的探测死区，从而整个探测器成像的体积大、成本高，而且空间分辨率相对较低。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种伽玛射线探测成像的装置，通过真空电场来偶合闪烁晶体阵列与微通道板，完成伽玛射线的探测、放大、定位及成像等功能，同时获得伽玛射线作用于闪烁晶体中的时间、空间和能量信息，并提高探测器的空间分辨率，缩小探测器体积，降低探测器的成本。
本实用新型设计的伽玛射线探测成像装置，包括闪烁晶体阵列、光电阴极、引出栅极、微通道板、探测成像阳极和图象信号引出电缆；所述的闪烁晶体阵列、光电阴极、引出栅极、微通道板、探测成像阳极和引出电缆均置于真空室内；所述的光电阴极、引出栅极、微通道板和探测成像阳极分别与真空室外的高压电极相连；所述的闪烁晶体阵列置于真空室内的绝缘支架上，光电阴极紧贴在闪烁晶体阵列的一侧，引出栅极、微通道板和探测成像阳极依次置于光电阴极的另一侧，图象信号引出电缆的一端与探测成像阳极相接，另一端伸出真空密封外壳。
本实用新型提出的伽玛射线探测成像装置，具有以下特点和优点
1、极高的空间分辨率由于本装置中用于光电子信号放大的微通道板的空间分辨率极高，目前单通道的最小尺寸为2μm，远小于闪烁晶体的截面尺寸，因此微通道板型伽玛射线探测器的空间分辨率只由单根闪烁晶体的截面大小决定。不同闪烁晶体材料的机械加工性能不同，但一般都可切割得到1mm×1mm的截面尺寸，如果用锗酸铋(BGO)材料目前可加工到0.3mm×0.3mm，并且还有近一步缩小的潜力。因此微通道板型伽玛射线探测器具有亚毫米级的极高空间分辨率(0.3～1mm)，远好于目前商业市场的闪烁探测器最好分辨率(3-5mm左右)。
2、低成本和易生产本装置采用了微通道板，因此可获得极高的成像像素点阵，例如对应25mm×25mm的正方形微通道板，如果单根闪烁晶体的截面尺寸为1mm×1mm，则可在单片微通道板上获得像素点为25×25的图像，像素点数与微通道板数比为625∶1，如果闪烁晶体的截面尺寸为0.5mm×0.5mm，则像素点数与微通道板数比为2500∶1，此解码效率远大于传统的闪烁探测器。目前传统的闪烁探测器的最大解码比为64∶1，为获得同样的图象精度，传统的闪烁探测器需用大量的光电倍增器来定位成像，而微通道板型闪烁探测器只须单片微通道板即可完成任务，因此微通道板型闪烁探测器成像的相对成本较低。传统的闪烁探测器因为分光需要，必须在每根闪烁晶体表面加工或喷涂复杂的几何图形的反光材料，安装过程相对复杂。而微通道板型闪烁探测器的闪烁晶体表面只要均匀涂覆一层反光材料，因此微通道板型闪烁探测器的晶体探头的制做工艺大大简化，可由传统的手工制做转为自动化大规模生产，节约了大量的劳动力成本并极大地提高了生产效率。另外传统的闪烁探测器需用光学胶粘贴闪烁晶体与光电倍增器，对定位精度要求很高，而且闪烁光在界面存在光反射损失。而闪烁晶体点阵与微通道板的偶合是非接触式的真空电场偶合，不存在粘贴对准及光偶合等问题，使得组装过程简单易行。综上所述，微通道板型闪烁探测器的突出优点不仅是极大地提高空间分辨率，而且其成本远低于传统的闪烁探测器。
3、较高能量分辨率微通道板的放大能力与光电倍增器基本相同(＞106)，但由于微通道板与闪烁晶体点阵的偶合方式是通过非接触式真空电�。獾缫跫苯诱舳圃谏了妇灞砻妫虼松了腹庵苯蛹し⒐獾缫跫⑸涔獾缱樱獾缌孔硬詈芨�。而传统的闪烁探测器在闪烁晶体与光电倍增管之间存在有光胶和光电倍增器管壁，有一定数量的闪烁光被这些界面反射和吸收，其最终有效的光电转换效率远低于微通道板型闪烁探测器，因此通过微通道板型闪烁探测器获得的光电子数更多，在完成成像的同时可获得20％左右的能量分辨率，而传统的闪烁探测器成像时的能量分辨率在40％以上。
4、极快速响应传统的光电倍增管的渡越时间较长，响应时间为数十纳秒，涨落为2-3纳秒。而微通道板具有极短的响应时间，通常小于1纳秒，涨落小于0.1纳秒。因此微通道板型闪烁探测器能更好地保留入射伽玛射线的原始时间信息。
5、探测效率高微通道板型闪烁探测器的计数率可达106/s以上，而传统闪烁探测器只有105/s。如果采用金属阳极板、条型阳极或网络电阻阳极，通过简单的多路电荷积分电路可完成解码定位以及时间和能量信息读取。多阳极板也可直接用来测量每根闪烁晶体的信息，同时获得地址信号和强度信号，不需要复杂的电子线路对其空间位置进行解码，因此其探测和成像的电子线路相对简单，设计成本低。另外各通道可以独立工作，使得探测器具有更高计数率。
6、抗磁场干扰由于微通道板对磁场具有较强的抵抗能力，所以微通道板型闪烁探测器对地磁场的干扰可以完全忽略，而且在一些较强磁场的环境中(＜100高斯)也可正常工作。
7、结构紧凑，尺寸小传统光电倍增器体形狭长，通常超过100mm，相比之下，因为微通道板的厚度小于1mm，这使得微通道板型闪烁探测器具有非常紧凑轻巧的结构，其整体长度仅为传统闪烁探测器的十分之一，大大地降低了探测器的机械加工成本和占用空间。
8、可甄别光电效应或康普顿散射效应发光伽玛射线激发的光电效应具有固定的光子产额，其相应的谱峰位置对应于伽玛射线的特征能量，因此从闪烁探测器可获得伽玛射线的特征能量谱线。而康普顿散射效应产生的光子数产额低于光电效应的产额，但穿透多根闪烁晶体的多次散射效应由于总光子产额等于光电效应的产额，因此传统的闪烁探测器很难加以区分。而微通道板型闪烁探测器中由于单根闪烁晶体与微通道板和多阳极一一对应，对每一晶体位置上获得的能谱经设定域值后，从根本上可甄别出闪烁晶体内的光电效应或晶体之间的康普顿散射效应。
图1是本实用新型设计的伽玛射线探测成像的装置的结构示意图。
图2是图1的a-a剖视图。
图3是单根闪烁晶体示意图。
图4是闪烁晶体表面的光阴极和引出柵极的作用原理图，其中(a)表示无光阴极和引出柵极，(b)表示有光阴极和引出柵极。
图5是微通道板的结构示意图。
图6是本装置所用的成像阳极的结构示意图。
图1～图5中，1是闪烁晶体阵列，2是光电阴极，3是引出栅极，4是微通道板，为双片结构，5是探测成像阳极，6是图像信号引出电缆，7是高压电极，可以有多组，8是真空溅射离子泵，9是绝缘支架，10是真空密封外壳，11是伽玛射线入射方向，12是闪烁光，13是光电子，14是二次电子，15是反光材料，16是发光端口。
具体实施方式
本实用新型设计的伽玛射线探测成像装置，其结构如图1所示，包括闪烁晶体阵列1、光电阴极2、引出栅极3、微通道板4、探测成像阳极5和图象信号引出电缆6。闪烁晶体阵列1、光电阴极2、引出栅极3、微通道板4、探测成像阳极5和引出电缆6均置于真空外壳10内。光电阴极2、引出栅极3、微通道板4和探测成像阳极5分别与真空外壳外的高压电极7相连。闪烁晶体阵列1置于真空外壳10内的绝缘支架9上，如图2所示。光电阴极2紧贴在闪烁晶体阵列1的一侧，引出栅极3、微通道板4和探测成像阳极5依次置于光电阴极2的另一侧，引出电缆6的一端与微通道板4相接，另一端伸出真空密封外壳10。
本实用新型的装置中，闪烁晶体阵列1由细长条型闪烁晶体材料粘接而成，其剖示图如图2所示。当伽玛射线入射到闪烁晶体阵列中，每个伽玛光子会激发其入射位置的一根闪烁单晶体，通过光电效应或康普顿散射效应使单根晶体内发出闪烁光，根据不同的闪烁晶体材料特性，对应的闪烁光子数目通常在102～103量级。这些晶体内产生的闪烁光经晶体周围表面反光材料的反射而束缚于单根晶体内，它们只能在未涂覆有反光材料的晶体末端发射出来，因此这些发射光产生的位置反映了伽玛射线的入射位置，其空间精度的高低由单根闪烁晶体的截面尺寸决定。
在闪烁晶体发光末端的表面预先蒸镀有光电发射材料，该材料成为光电阴极2，因此晶体内的闪烁光在发射出晶体端口时激发光电发射材料产生光电子，从而完成光电转换。
通过调节靠近闪烁晶体光电转换端面的非接触式的网状电极，即引出栅极3的电压，可将光电子沿晶体光电转换端面法线方向穿过网状电极全部引出，发射的光电子的空间分布与闪烁晶体的截面一致，因此它仍保持有伽玛射线的入射位置信息。
在引出栅极3和特殊的电信号放大器，即图中的微通道板4之间存在有真空偏压电�。獾缱咏恢毕呒铀偕淙氲轿⑼ǖ腊宸糯笃鞅砻妫玫缱有藕啪鲆娣糯蠛螅罅康亩蔚缱哟游⑼ǖ腊宸糯笃鞯谋巢糠⑸涑隼矗蔚缱拥姆⑸湮恢糜肴肷涔獾缱拥奈恢靡恢�。这些二次电子再经真空电场直线加速后，入射到探测成像阳极上而产生脉冲电流信号，通过计算脉冲电流信号在电极板上的位置，即可直接获得伽玛射线的入射位置；同时成像电极的脉冲电流的强度经校正后对应于伽玛射线的强度；脉冲电流发生的时间也非常接近伽玛射线的入射时间。
通过信号采集系统对大量的伽玛射线产生的成像电极脉冲信号的收集与处理，最终可获得伽玛射线入射的空间分布图像，同时通过对每一象素点位置的信号分析，可获得该处的伽玛射线入射的时间信息和能量信息。
图3是图1中单根细长条型闪烁晶体的结构示意图，它由大块闪烁晶体经机械切割、打磨、抛光后制得。除发光端口外，晶体其它表面全部均匀涂敷一层反光材料，大量细长条型的单晶棒可粘接成闪烁晶体阵列1。当单个伽玛射线射入闪烁晶体阵列中，会在其中某一根晶体内被吸收而同时发出闪烁光，波长一般在200nm～600nm之间(紫外线或可见光范围)。由于单根晶体表面反光材料的反射作用，闪烁光将被束缚于此单晶体内并多次反射，其中小部分光被晶体吸收，但大量的闪烁光可集中从晶体唯一未涂反光漆的发光端射出，此时闪烁光在发光端口保持有伽玛射线入射的空间位置信息，其空间定位精度等于单根晶体的截面尺寸，目前利用BGO晶体可加工的最小尺寸为0.3×0.3mm2。
由于从晶体发光端口射发的闪烁光是发散的，发射立体角为2π，因此空间定位信息随着闪烁光的逃逸很快损失，如图4a所示。为了保持其起始空间位置的信息，同时为了探测这些极其微弱的闪烁光强度，本发明首次提出在闪烁晶体发光端表面直接蒸镀一层光电阴极2的方法(如单碱金属Cs-Sb，二碱金属K-Cs-Sb或三碱金属K-Na-Cs-Sb等)。利用闪烁光的激发而促使光电阴极产生光电效应，将闪烁光转换成一定数量的光电子13，从而高效率地完成了的光电信号转换。光电阴极的材料选择和蒸镀工艺属已有技术，转换效率在5％～30％之间。同时在距离光电转换表面1mm左右安装具有可调电压的引出柵极3，利用光电阴极与引出栅极之间的真空电�。山獾缱哟怪庇诰宥嗣嬉觯朔椒ú唤鲇行У丶跣×斯獾缱拥奶右菟鹗В币鰱偶构獾缱臃尚泄旒Ｆ叫谢佣Ａ袅速ぢ晟湎呷肷涞奈恢眯畔ⅲ缤�4b所示。这种闪烁晶体阵列上直接沉积光电阴极及利用柵极引出的方法大大提高了此微通道板型探测器的前级信号强度，为后续的信号放大系统提供了足够数量的光电子数。
本装置中所用的微通道板4是70年代发展起来的一种新型电子倍增器件，其结构如图5所示，通常一块微通道板上有接近百万个微通道贯穿体内，单根通道的直径通常在2～50μm范围。当电子入射到通道上时，它被加速轰击到通道管壁的发射材料上激发出二次电子，然后二次电子继续被加速轰击管壁并激发出更多的电子，以这种级联方式对入射电子信号进行放大。由于每个微通道直径很�。ぞ侗群芨�(＞40)，单片微通道板的增益系数大于104，双片可达107。另外微通道板的厚度一般小于1mm，因此电子渡越的分散性不大，信号响应时间低于1ns且具有很好的线性范围。如果放大信号的最终收集极是多阳极结构或网络电阻结构，则微通道板可作为优异的位置灵敏探测器。随着近30年的完善和改进，国际市场上微通道板的工作电流和使用寿命得到显著的提高，目前此产品已广泛应用到夜视设备、粒子与辐射探测，信号放大及其它科学研究等领域。本实用新型首次利用微通道板4直接收集从闪烁晶体的光电阴极3表面产生的光电子信号。由于光电阴极与微通道板之间存在有偏压电�。蚨獾缱咏患铀俸蠛浠鞯轿⑼ǖ腊灞砻妫啻渭读糯蠛蠖蔚缱�14从后端面射出，再通过后续偏压电场加速而最终被成像阳极板5俘获并产生脉冲信号。在较强偏压电场的束缚下，从闪烁晶体表面飞出的光电子经对应区域的微通道管放大后仍保持有原来空间位置信息的，因此微通道板不仅完成了信号增益功能，而且非常理想地保留了光电子信号的空间位置。同时由于单个微通道的尺寸很�。扛了妇逑赴舻慕孛嫱ǔＳ�102～104个微通道管对应，虽然单个微通道的增益略有不同，但大量微通道总和的平均增益具有很好的一致性，因此微通道板在闪烁晶体阵列范围内能提供均匀的放大倍数。由于单根闪烁晶体中被伽玛射线激发的闪烁光子数目可达上千个，经光电阴极转化后得到数百个光电子，因此微通道板输出的电流为10-10安培，脉冲电压在20毫伏左右。
图6是本装置所用的金属板探测成像阳极的结构示意图，图中的A、B、C、D分别为四个引出极。
本装置中，位于微通道板4后面的探测成像阳极5是探测和成像的“视网膜”，不同位置的闪烁光信号经微通道板放大后，被与之对应的探测成像阳极5吸收并产生电脉冲信号，最后通过图像信号引出电缆7输出。成像阳极属已有成熟技术，有多种方法可供选择。比如作为探测用的阳极板可以是单片金属或条状电极，它能提供脉冲信号的时间和强度，从而获得伽玛射线的入射时间和能量分布，脉冲电流在阳极板上的分布可确定出入射位置。如果用多个阳极板，即对应于闪烁晶体阵列的一组同样空间分布的阳极阵列；或利用网络电阻阳极，即对应于闪烁晶体阵列的一组电阻点阵阳极，每一阳极节点与单根闪烁晶体对应，通过直接测量或网络运算，都可获得对应于每根闪烁晶体的时间，能量和空间信息，从而获得伽玛射线的二维点阵图像，因此微通道板的成像具有很高定位精度和对比度，并且能够较好地保持信号的时间信息(＜1ns)。
由于光电阴极和微通道板必须要求在超高真空的环境中工作，因此微通道板型闪烁探测器靠安装溅射离子泵8维持，整个探测器安装在真空密封室10中，探测室内的真空度优于10-8Torr。
光电阴极、引出柵极、微通道板和成像阳极的电压范围从0V～3000V左右可调，因此需要安装高压电极7分别将它们与真空系统外的高压电源连接，工作模式有正高压和负高压两种。光电阴极接地，成像阳极接正高压的方式为正高压模式，阳极信号采用交流偶合方式输出；光电阴极接负高压，成像阳极接地的方式为负高压模式，阳极信号采用直流偶合方式输出。
权利要求1.一种伽玛射线探测成像装置，其特征在于该装置包括闪烁晶体阵列、光电阴极、引出栅极、微通道板、探测成像阳极和图象信号引出电缆；所述的闪烁晶体阵列、光电阴极、引出栅极、微通道板、探测成像阳极和引出电缆均置于真空外壳内；所述的光电阴极、引出栅极、微通道板和探测成像阳极分别与真空外壳外的高压电极相连；所述的闪烁晶体阵列置于真空外壳内的绝缘支架上，光电阴极紧贴在闪烁晶体阵列的一侧，引出栅极、微通道板和探测成像阳极依次置于光电阴极的另一侧，图象信号引出电缆的一端与探测成像阳极相接，另一端伸出真空密封外壳。
专利摘要本实用新型涉及一种伽玛射线探测成像装置，属于辐射探测成像技术领域。该装置包括闪烁晶体阵列、光电阴极、引出栅极、微通道板、探测成像阳极和引出电缆；闪烁晶体阵列置于真空室内的绝缘支架上，光电阴极紧贴在闪烁晶体阵列的一侧，引出栅极、微通道板和探测成像阳极依次置于光电阴极的另一侧，引出电缆的一端与探测成像阳极相接，另一端伸出真空密封外壳。本装置具有很高的空间分辨率和较高能量分辨率，抗磁场干扰，响应速度快，并且结构紧凑，尺寸�。杀镜汀�
文档编号G01T1/00GK2689255SQ200420047529
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月2日 优先权日2004年4月2日
发明者谢舒平, 刘亚强, 谢立平 申请人:谢舒平, 刘亚强, 谢立平
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