闪烁晶体阵列及具有其的闪烁探测器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102565841 A (43)申请公布日 2012.07.11 CN 102565841 A *CN102565841A* (21)申请号 201210025490.1 (22)申请日 2012.02.06 G01T 1/202(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084-82 信箱 (72)发明人 刘亚强 王石 魏清阳 马天予 夏彦 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 宋合成 (54) 发明名称 闪烁晶体阵列及具有其的闪烁探测器 (57) 摘要 本发明提出了一种

2、闪烁晶体阵列和具有其的 闪烁探测器。本发明的闪烁晶体阵列由多个晶体 单元按预定设计排列而成， 且多个晶体单元通过 光学胶或硅油相连， 其中每个晶体单元的外表面 的一部分上镀有反光膜以便多个晶体单元上的反 光膜共同限定出闪烁晶体阵列的出光面。本发明 的闪烁探测器具有灵活性高、 反射率高、 结构紧 凑、 易于大规模生产的优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 所述闪烁晶体阵列由

3、多个晶体 单元按预定设计排列而成， 且所述多个晶体单元通过光学胶或硅油相连， 其中每个所述晶 体单元的外表面的一部分上镀有反光膜以便所述多个晶体单元上的反光膜共同限定出闪 烁晶体阵列的出光面。 2. 根据权利要求 1 所述的用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 所述多个晶 体单元上的反光膜的分布被设计为控制每个所述晶体单元内产生的闪烁光沿预定路线传 播。 3.根据权利要求1或2所述的用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 每个所述 晶体单元由单个长条形晶体块或多个长条形晶体块拼接而成。 4. 根据权利要求 1-3 中任一项所述的用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 所述反

4、光膜通过浸镀、 喷镀、 真空蒸镀和离子镀中的至少一种形成在所述晶体单元上。 5. 根据权利要求 1-4 中任一项所述的用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 所述反光膜具有全反特性或半反半透特性。 6. 根据权利要求 1-5 中任一项所述的用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 所述反光膜为单层或多层。 7. 根据权利要求 1-6 中任一项所述的用于闪烁探测器的闪烁晶体阵列， 其特征在于， 所述晶体单元由选自下面材料之一或它们的组合构成 ： 锗酸铋、 硅酸镥、 硅酸钇镥、 硅酸钆镥、 硅酸钆、 硅酸钇、 氟化钡、 碘化钠、 碘化铯、 钨酸 铅、 铝酸钇、 溴化镧、 氯化镧、 钙钛镥

5、铝、 焦硅酸镥、 铝酸镥和碘化镥。 8. 一种闪烁探测器， 其特征在于， 包括 ： 闪烁晶体阵列， 所述闪烁晶体阵列为根据权利要求 1-7 中任一项所述的用于闪烁探测 器的闪烁晶体阵列 ； 和 光电探测器， 所述光电探测器与所述闪烁晶体阵列耦合以从所述闪烁晶体阵列的出光 面接收闪烁光。 9. 根据权利要求 8 所述的闪烁探测器， 其特征在于， 所述光电探测器为光电倍增管、 多 像素光子计数器、 硅光电倍增管、 血崩二极管、 电子倍增电感耦合器件中的一种。 10. 根据权利要求 8 或 9 所述的闪烁探测器， 其特征在于， 所述光电探测器与所述闪烁 晶体阵列通过硅油、 有机玻璃和有机塑料中的一种

6、耦合。 权 利 要 求 书 CN 102565841 A 2 1/5 页 3 闪烁晶体阵列及具有其的闪烁探测器 技术领域 0001 本发明属于辐射探测技术领域， 尤其是涉及一种闪烁晶体阵列及具有其的闪烁探 测器。 背景技术 0002 闪烁探测器是高能射线探测常用得到探测器之一。 闪烁探测器通常利用能够有效 阻挡和吸收电磁波辐射并与电磁波辐射产生发光作用的闪烁晶体作为探测材料。 当高能射 线入射到闪烁晶体内， 根据射线能量、 晶体有效原子系数和密度的不同， 与晶体发生不同比 例的光电效应、 康普顿散射效应及电子对效应， 将能量沉积在闪烁晶体中， 被激发的闪烁晶 体退激发出闪烁光。利用光电探测器如

7、 PMT(Photomultiplier Tube， 光电倍增管 ) 将位于 可见光区或紫外光区的闪烁光经过光电转换和倍增， 形成脉冲信号。脉冲信号强度反映了 高能射线的能量 ； 脉冲信号发生的时间反映了高能射线的入射时间 ； 脉冲信号在多个光电 倍增管中的强度分配反映了高能射线的入射位置等。闪烁探测器具有探测效率高， 分辨时 间短等特点， 被广泛应用于核医学、 安全检查、 高能物理和宇宙射线探测的研究中。 0003 为获得高性能的探测器， 除了闪烁晶体阵列和晶体单元的尺寸大小需要合理的设 计外， 还需要对闪烁晶体内部激发产生的闪烁光的传播进行控制。光传播控制的两个目标 是 ： 一、 尽可能使

8、大部分的光能够传到光电探测器上， 减小统计噪声， 从而能够对信号取得 较强的能量甄别和时间甄别， 最终可以获得更高的空间分辨率 ； 二、 控制闪烁晶体阵列中的 各个晶体单元按不同的比例把光传到各个光电探测器上， 从而能够利用光电探测器单元的 信号的比例区分产生闪烁光的晶体单元， 从而确定射线作用的位置， 闪烁光在光电探测器 上的分配比例直接影响到了晶体甄别的准确度， 也最终影响探测器系统的空间分辨率。 0004 传统上， 闪烁探测器在闪烁光传播的控制上采用的方法包括以下两种 ： 一、 在闪烁 晶体阵列的每个晶体单元上按一定的规则涂抹白色反光涂料 ； 二、 按一定的按一定的规则 在闪烁晶体阵列的

9、每个晶体单元上粘贴反光膜。 0005 但是， 涂抹反光涂料的缺点是光反射率不够好， 经过多次反射后光损失较大 ； 而且 涂料层具有较大的厚度， 因此整个闪烁晶体阵列内的缝隙较大， 特别是在晶体单元尺寸较 小时， 涂料层占据的空间比例大， 涂料层占据的空间为探测死区， 影响了闪烁晶体阵列的探 测效率。贴反光膜的缺点是反光膜有一定厚度通常大于 0.5 毫米， 而且反光膜的粘贴工艺 复杂、 耗时， 一致性差， 不适于大批量生产。 发明内容 0006 本发明旨在至少解决上述技术问题之一， 本发明一方面提出一种用于闪烁探测器 的闪烁晶体阵列， 该闪烁晶体阵列具有灵活性高、 反射率高、 结构紧凑、 易于大

10、规模生产的 优点。 0007 本发明的另一方面还提出一种闪烁探测器， 该闪烁探测器具有分辨率高、 探测效 率高、 成本较低的优势。 说 明 书 CN 102565841 A 3 2/5 页 4 0008 根据本发明实施例的闪烁晶体阵列， 由多个晶体单元按预定设计排列而成， 且所 述多个晶体单元通过光学胶或硅油相连， 其中每个所述晶体单元的外表面的一部分上镀有 反光膜以便所述多个晶体单元上的反光膜共同限定出闪烁晶体阵列的出光面。 0009 根据本发明实施例的闪烁晶体阵列由于采用了镀膜技术， 具有以下优点 ： 0010 1、 可以根据实际分光设计需求的不同， 在晶体单元表面镀上不同形状、 不同大小

11、 和不同材料的反光膜， 灵活性较高。 0011 2、 由于镀膜工艺镀上的反光膜反光率较高， 能够使大部分光多次反射后仅从出光 面出， 最终传播到光电探测器上。 0012 3、 由于镀膜厚度可以很薄， 可以使晶体阵列更紧凑， 降低了光电探测器的盲区面 积。 0013 4、 由于不同模块相同位置的晶体， 以及同一模块对称位置的晶体通常具有一样的 膜方案， 可以将这些晶体同时进行镀膜， 提高加工效率， 易于大规模生产。 0014 在本发明的一个实施例中， 多个晶体单元上的反光膜的分布被设计为控制每个所 述晶体单元内产生的闪烁光沿预定路线传播。 经过精确设计后的晶体单元能够使入射光经 多次反射后仅从出

12、光面射出。 0015 在本发明的一个实施例中， 每个所述晶体单元由单个长条形晶体块或多个长条形 晶体块拼接而成。规则形状的晶体材料易于切割加工， 有利于提高生产效率。 0016 在本发明的一个实施例中， 反光膜通过浸镀、 喷镀、 真空蒸镀和离子镀中的至少一 种形成在所述晶体单元上。具体镀膜方式可以根据实际需要进行选择。 0017 在本发明的一个实施例中， 反光膜具有全反特性或半反半透特性。具体反光特性 可以根据分光设计方案进行选择。 0018 在本发明的一个实施例中， 反光膜为单层或多层。具体膜层数目可以根据分光设 计方案进行选择。 0019 在本发明的一个实施例中， 闪烁晶体单元由选自下面材

13、料之一或它们的组合构 成 ： 锗酸铋、 硅酸镥、 硅酸钇镥、 硅酸钆镥、 硅酸钆、 硅酸钇、 氟化钡、 碘化钠、 碘化铯、 钨酸铅、 铝酸钇、 溴化镧、 氯化镧、 钙钛镥铝、 焦硅酸镥、 铝酸镥和碘化镥。 0020 根据本发明实施例的闪烁探测器， 包括 ： 闪烁晶体阵列和光电探测器。 其中所述闪 烁晶体阵列具有上文所述的技术特征 ； 所述光电探测器与所述闪烁晶体阵列耦合以从所述 闪烁晶体阵列的出光面接收闪烁光。 0021 根据本发明实施例的闪烁探测器由于采用了基于镀膜技术的闪烁晶体阵列， 具有 以下优点 ： 0022 1、 具有高的时间、 能量和空间分辨率。 0023 2、 结构紧凑， 盲区面

14、积小， 具有高的探测效率。 0024 3、 易于实施和大批量生产， 从而降低闪烁探测器的造价。 0025 在本发明的一个实施例中， 闪烁探测器中的光电探测器为光电倍增管、 多像素光 子计数器、 硅光电倍增管、 血崩二极管、 电子倍增电感耦合器件中的一种。 0026 在本发明的一个实施例中， 闪烁探测器中的光电探测器与所述闪烁晶体阵列通过 硅油、 有机玻璃和有机塑料中的一种耦合。 0027 本发明的优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变得明显， 或 说 明 书 CN 102565841 A 4 3/5 页 5 通过本发明的实践了解到。 附图说明 0028 本发明的上述和 / 或附

15、加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中 ： 0029 图 1 为本发明实施例的闪烁晶体阵列的示意图 ； 0030 图 2 为图 1 中一个闪烁晶体单元的示意图 ； 0031 图 3 为本发明实施例的闪烁探测器的示意图 ； 以及 0032 图 4 为本发明实施例的闪烁探测器的响应结果图。 具体实施方式 0033 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0034 在本发

16、明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“宽度” 、 “厚度” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” “内” 、“外” 等指示 的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描 述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解 为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有 “第一” 、 “第二”

17、的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中， 除非 另有说明，“多个” 的含义是两个或两个以上。 0035 在本发明的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相 连” 、“连接” 应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接 ； 可 以是机械连接， 也可以是电连接 ； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。 0036 下面结合图 1 和图 2 描述根据本发明实施例的闪烁晶体阵列。 0037

18、 如图 1 所示， 根据本发明实施例的闪烁晶体阵列 1 由多个晶体单元 11 按预定设计 排列而成， 且多个晶体单元11可以通过光学胶或硅油相连， 其中每个晶体单元11的外表面 的一部分上镀有反光膜以便多个晶体单元 11 上的反光膜共同限定出闪烁晶体阵列 1 的出 光面。例如， 在该实施例中， 闪烁晶体阵列 1 包括 36 个晶体单元 11， 作 66 排列。需要说 明的是， 此处闪烁晶体阵列的数目仅作为示例， 而非对本发明的限制。单个晶体单元 11 如 图 2 所示， 包括晶体材料块 1101 和镀在其一部分外表面上的反光膜 1102。 0038 根据本发明实施例的闪烁晶体阵列由于采用了镀膜

19、技术， 具有以下优点 ： 0039 1、 可以根据实际分光设计需求的不同， 在晶体单元 11 的表面镀上不同形状、 不同 大小和不同材料的反光膜， 灵活性较高。 0040 2、 由于镀膜工艺镀上的反光膜反光率较高， 能够使大部分光多次反射后仅从出光 面出， 最终传播到光电探测器上。 说 明 书 CN 102565841 A 5 4/5 页 6 0041 3、 由于镀膜厚度可以很薄， 可以达到微米甚至纳米级别， 可以使晶体阵列更紧凑。 0042 4、 由于不同模块相同位置的晶体单元 11， 以及同一模块对称位置的晶体单元 11 通常具有一样的膜方案， 可以将这些晶体单元 11 同时进行镀膜， 提

20、高加工效率， 易于大规 模生产。 0043 在本发明的一些实施例中， 多个晶体单元 11 上的反光膜的分布被设计为控制每 个晶体单元内产生的闪烁光沿预定路线传播。经过精确设计后的晶体单元 11 能够使入射 光经多次反射后仅从出光面射出。例如， 每个晶体单元 11 由单个长条形晶体块或多个长条 形晶体块拼接而成。规则形状的晶体材料易于切割加工， 有利于提高生产效率。 0044 具体地， 反光膜可以通过浸镀、 喷镀、 真空蒸镀和离子镀中的至少一种形成在晶体 单元 11 上。具体镀膜方式可以根据实际需要进行选择， 并且这些镀膜技术对于本领域的技 术人员都是已知的， 这里不再详细描述。 0045 优选

21、地， 所述反光膜可以具有全反特性或半反半透特性。具体的反光特性可以根 据分光设计方案进行选择。可选地， 所述反光膜可以为单层或多层。具体膜层数目可以根 据分光设计方案进行选择。 0046 在本发明的一个实施例中， 晶体单元 11 由选自下面材料之一或它们的组合构成 ： 锗酸铋、 硅酸镥、 硅酸钇镥、 硅酸钆镥、 硅酸钆、 硅酸钇、 氟化钡、 碘化钠、 碘化铯、 钨酸铅、 铝 酸钇、 溴化镧、 氯化镧、 钙钛镥铝、 焦硅酸镥、 铝酸镥和碘化镥。 0047 下面结合图 3 描述本发明实施例的光电探测器。 0048 如图3所示， 根据本发明实施例的闪烁探测器包括 ： 闪烁晶体阵列1和光电探测器 2。

22、其中闪烁晶体阵列 1 可以为参考上述实施例描述的闪烁晶体阵列。光电探测器 2 与闪 烁晶体阵列 1 耦合以从闪烁晶体阵列 1 的出光面接收闪烁光。 0049 根据本发明实施例的闪烁探测器由于采用了基于镀膜技术的闪烁晶体阵列， 具有 以下优点 ： 0050 1、 具有高的时间、 能量和空间分辨率。 0051 2、 结构紧凑， 盲区面积小， 具有高的探测效率。 0052 3、 易于实施和大批量生产， 从而降低闪烁探测器的造价。 0053 在本发明的一个实施例中， 闪烁探测器中的光电探测器为光电倍增管、 多像素光 子计数器、 硅光电倍增管、 血崩二极管、 电子倍增电感耦合器件中的一种。 0054 在

23、本发明的一个实施例中， 闪烁探测器中的光电探测器与所述闪烁晶体阵列通过 硅油、 有机玻璃和有机塑料中的一种耦合。 0055 在本发明的一个优选实施例中， 如图 3 所示， 闪烁探测器包含由 36 个闪烁晶体单 元组成的闪烁晶体阵列 1 和由 4 个光电倍增管组成的光电探测器 2。其中闪烁晶体单元采 用硅酸钇镥， 尺寸为 3.18mm3.18mm20mm， 排列为 6 行 6 列的闪烁晶体阵列 ； 每个闪烁晶 体单元的一部分表面镀上反射膜。采用真空镀膜的方法， 对多个闪烁晶体单元表面镀反射 膜， 镀膜材料使用银， 厚度为0.1m。 以一个位于闪烁晶体阵列一角的闪烁晶体单元的镀膜 方案为例， 如图

24、 2 所示， 该闪烁晶体单元朝外两边全部镀满， 和其它闪烁晶体单元拼接面镀 上 90长度的反光膜 1102。采用光学胶将多个闪烁晶体单元组装成闪烁晶体阵列 1， 最终 组装成的闪烁晶体阵列 1 尺寸为 19.2mm19.2mm20mm。选用 4 个 R260 型号、 直径 19mm 的光电倍增管对闪烁光进行检测， 将光电倍增管阴极高压为 -1000V， 阳极高压为 0V。如图 说 明 书 CN 102565841 A 6 5/5 页 7 3 所示， 该闪烁晶体阵列 1 与光电探测器 2 用硅油进行耦合， 组成闪烁探测器。 0056 如图 4 所示， 为该闪烁探测器的实验结果。该探测器以自身镥

25、176 的本底进行实 验， 测试 30 分钟， 可以清楚地区分出 66 的晶体单元响应。 0057 本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不一定 指的是相同的实施例或示例。而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任何的一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 0058 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 本领域的普通技术人员可以理解 ： 在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换和变型， 本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。 说 明 书 CN 102565841 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102565841 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102565841 A 9