伽马射线成像能谱仪.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102288983 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102288983 A *CN102288983A* (21)申请号 201110130459.X (22)申请日 2011.05.19 G01T 1/36(2006.01) (71)申请人 中国工程物理研究院激光聚变研究 中心 地址 621900 四川省绵阳市 919 信箱 986-6 分箱 (72)发明人 谷渝秋 赵宗清 韩丹 温贤伦 曹磊峰 (74)专利代理机构 中国工程物理研究院专利中 心 51210 代理人 翟长明 何勇盛 (54) 发明名称 伽马射线成像能谱仪 (57) 摘要 本发明提。

2、供了一种用于伽马射线成像能谱 仪， 它由均匀冗余阵列编码板、 探测模块、 前端信 号处理模块、 A/D 模块、 控制模块、 数据接口模块、 电源模块、 铅屏蔽层组成。在铅屏蔽层中， 均匀冗 余阵列编码板置于探测模块前端 ； 探测模块通过 排线连接至前端信号处理模块 ； A/D 模块与前端 信号处理模块接口， 再通过双排插针与控制模块 接连 ； 控制模块再通过排线插座与数据接口模块 连接 ； 数据接口模块通过以太网输给上位 PC 机 ； 电源模块对系统输入低压直流电源进行处理后分 别供给各模块。本发明提供的伽玛射线成像能谱 仪， 它既能用于伽玛射线成像， 又能用于伽玛射线 能谱测量。 (51)I。

3、nt.Cl. (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 4 页 附图 1 页 CN 102288996 A1/1 页 2 1. 一种伽马射线成像能谱仪， 含有均匀冗余阵列编码板、 探测模块、 前端信号处理模 块、 A/D 模块、 控制模块、 数据接口模块、 电源模块、 铅屏蔽层 ； 在最外层的铅屏蔽层中， 探测 模块与前端信号处理模块连接 ； A/D 模块与前端信号处理模块接口连接后， 再通过双排插 针与控制模块接连 ； 控制模块通过排线插座与数据接口模块连接 ； 数据接口模块通过以太 网输给上位 PC 机 ； 电源模块对系统输入低压直流电源进行处。

4、理后分别供给各模块 ； 其特征 在于 ： 所述的能谱仪在探测模块的前端还设置有均匀冗余阵列编码板。 2. 根据权利要求 1 所述的伽马射线成像能谱仪， 其特征在于 ： 所述探测模块中的组件 采用日本 HAMAMATSU 公司生产的位置灵敏光电倍增管阵列和闪烁晶体阵列。 3. 根据权利要求 1 所述的伽马射线成像能谱仪， 其特征在于 ： 所述均匀冗余阵列编码 板中的阵列为 rs 矩阵， 其中 r、 s 为素数， 且 r-s=2 ； 均匀冗余阵列编码板上的孔为方孔或 圆孔， 孔径为 3mm3mm ； 均匀冗余阵列编码板采用金属钨制成。 4. 根据权利要求 2 所述的伽马射线成像能谱仪， 其特征在于。

5、 ： 所述的闪烁晶体阵列中 的闪烁晶体采用硅酸钇镥、 锗酸铋或钨酸锗。 权 利 要 求 书 CN 102288983 A CN 102288996 A1/4 页 3 伽马射线成像能谱仪 技术领域 0001 本发明属于 射线辐射测量技术领域， 具体涉及一种伽马射线成像能谱仪。 背景技术 0002 伽马射线是由原子核内部状态变化产生的， 即原子核从激发态跃迁到较低能级过 程中发射出来的光， 因而伽马光谱可以反映原子核的部分特征 ； 不同元素所发射的伽马射 线不同， 可以通过放射元素衰变发出的伽马射线特征谱来辨别不同元素。通过对不同伽马 射线的诊断， 可以获得伽马射线源的图像和能谱数据， 进而获得伽。

6、马射线源的种类及位置 等信息。伽马射线的成像和能谱诊断对于物理实验和辐射材料检验具有重要的意义。 0003 通常用于伽马射线能谱诊断的方法有滤片法， 活化法， 多道测量方法等等， 其中滤 片法涉及到复杂的解谱计算及高能伽马射线的次级效应 ； 活化法对伽马射线能量有最低要 求， 主要用来判断高能伽马辐射 ； 多道测量也需要涉及到解谱计算。 以上的方法对于伽马射 线能谱的诊断精度均不是太理想， 而且需要花费大量的时间进行后续数据处理， 无法很快 给出伽马射线能谱数据。 在其获取伽马射线能谱的同时， 不能给出相应伽马射线的图像， 更 不用说对于伽马射线位置的测量。 0004 早期的伽马射线成像系统采。

7、用扫描方法来成像。 这种系统通过采用一个闪烁型伽 马射线探测器配合一个可以在选定的坐标方向连续移动， 即以平行扫描的方式动作的聚焦 准直器对多检测的区域进行扫描。 这些早期成像系统的缺点是获得伽马射线源图像所需的 曝光时间较长， 此外， 它难以实现动态研究。 0005 现有技术中另一种类型的放射检测系统利用 “Anger” 型伽马闪烁照相机来测定 伽马射线图像 ； 在其基础上， 又发展了单光子发射计算机断层照相 SPECT(Single Photon Emission Computerized Tomography) ； 最近， Anger 照相机被用于正电子发射层析成像系 统 PET(Pos。

8、itron Emission Computerized Tomography, 简称 PECT 或 PET)， 它主要用于得 到人体的解剖图像和功能图像， 提高对疾病的诊断能力。Anger 型照相机的局限性来源于 将闪烁光子转换成电信号的过程。干扰因素包括 ：（1） 光电倍增管的作用角度与发生闪烁 事件点的距离的变化 ；（2） 由于折射率不匹配造成的光折射和光导向传播 ；（3） 光电倍增管 之间无法避免的盲区 ；（4） 远距离光电倍增管的有效密度 ；（5） 各个光电倍增管的不一致的 空间灵敏度 ；（6） 从一个光电倍增管到另一个光电倍增管灵敏度的变化 ；（7） 光电倍增管灵 敏度的瞬时变化。 。

9、其它误差则来源于光电倍增管的不稳定性以及闪烁晶体的易碎性和吸湿 性。 0006 传统的 射线成像装置前端设计了单针孔准直器， 用于针孔成像， 存在着通光量 小、 性噪比低等不足， 需要长时间曝光才能完成对待测目标的成像。 0007 中国专利文献数据库公开了一种发明名称为 射线成像装置 （专利申请公布号 CN101718875A） 的专利申请技术， 在该发明专利申请中， 公开的 射线成像装置只能用于 射线成像测量， 而不能用于 射线能谱测量。 说 明 书 CN 102288983 A CN 102288996 A2/4 页 4 发明内容 0008 本发明要解决的技术问题是提供一种伽玛射线成像能谱。

10、仪， 它既能用于伽玛射线 成像， 又能用于伽玛射线能谱测量。 0009 本发明的伽马射线成像能谱仪， 含有均匀冗余阵列编码板、 探测模块、 前端信号处 理模块、 A/D 模块、 控制模块、 数据接口模块、 电源模块、 铅屏蔽层 ； 在最外层的铅屏蔽层中， 探测模块与前端信号处理模块连接 ； A/D 模块与前端信号处理模块接口连接后， 再通过双 排插针与控制模块接连 ； 控制模块通过排线插座与数据接口模块连接 ； 数据接口模块通过 以太网输给上位 PC 机 ； 电源模块对系统输入低压直流电源进行处理后分别供给各模块 ； 其 特点是 ： 所述的能谱仪在探测模块的前端还设置有均匀冗余阵列编码板。 0。

11、010 本发明中的均匀冗余阵列编码板设计为 rs 矩阵， 其中 r、 s 为素数， 且 r-s=2， 孔 径为 3mm3mm 方孔或圆孔， 均匀冗余阵列编码板采用金属钨制成。 0011 本发明中的探测模块由 1024 道 H9500 位置灵敏光电倍增管阵列与闪烁晶体阵列 组成。 0012 本发明中的探测模块中的闪烁晶体可采用硅酸钇镥或锗酸铋或钨酸锗。 0013 本发明中的均匀冗余阵列编码板能克服单针孔成像技术存在的通光量小、 性噪比 低等不足， 具有非常高的光通量， 总面积的 50% 通光， 且自相关函数为平旁瓣， 有效抑制了 固有噪声， 用其构造的成像系统的分辨率等于其最小孔径， 同时还具有。

12、一定的层析能力。 0014 本发明通过闪烁体介质与位置灵敏光电倍增管构成的二维探测阵列来测量入射 伽玛射线 ： 根据伽玛光子产额和探测器单元的大小， 选取合适的放置距离和滤片参数 （材料 和厚度） ， 确保每个探测单元上最多有一个伽玛光子入射。随着伽玛光子能量的改变， 探测 器单元的响应信号也随之发生变化， 其响应关系可以通过蒙特卡洛模拟计算和标准伽玛辐 射源标定获得。将具有相同的信号响应的个数累加起来， 即可得到入射伽玛射线能量与伽 玛射线光子数目之间的关系， 即可获得伽玛射线能谱。 当需要获得伽玛射线成像诊断时， 可 以减小探测器与辐射源之间的距离， 此时探测单元上会有超过一个以上的伽玛光。

13、子入射， 探测器的信号响应与入射光子强弱相关， 探测器按照二维排布即可获得伽玛射线图像信 号。 0015 对于伽玛射线诊断， 由于大量的像素信号需要处理， 高的数据处理速度要求性能 更好的电子学处理电路。当电子学系统的运行速度方面受到限制， 则成像能够获得的计数 率有限。本发明的每一个探测单元均配备一个后续的电子学处理单元， 这样可以达到足够 高的数据处理速度。 0016 本发明的伽马成像能谱仪包括对伽玛射线灵敏的闪烁晶体、 光电倍增管阵列 （1024 道） 以及后续的电子学处理系统。其中， 闪烁体晶体与伽玛射线作用， 介质内的原子 分子退激发光， 产生固定波长的荧光发射， 此波长与闪烁体吸收。

14、波长不重叠， 可以很好透过 晶体。 在闪烁体厚度一定的时候， 荧光产额与入射伽玛光子能量相关 ； 光电倍增管用于收集 闪烁体产生的荧光， 并将其转化为光电子， 倍增输出电信号， 输出信号大小与荧光光子数量 成正比 ； 后续的电子学处理系统用于放大、 记录输出电信号， 如果光电倍增管为多道， 则需 要获得每个通道光电倍增管的输出信号， 且各通道之间有较好的一致性， 并防止串扰、 幅度 游动效应等等。 0017 本发明的伽玛射线成像能谱仪特点是采用硅酸钇镥作为核心成像和测谱组件， 由 说 明 书 CN 102288983 A CN 102288996 A3/4 页 5 硅酸钇镥、 位置灵敏光电倍增。

15、管阵列 （1024 道） 以及后续的电子学处理系统三个部件组成。 伽玛射线成像能谱仪每道的组件可以方便拆卸及安装， 便于检查、 更换及故障处理。 本发明 的伽马射线成像能谱仪解谱过程简单， 得到的能谱能量分辨率较高， 数据获取较快。 附图说明 0018 图 1 为本发明的伽马射线成像能谱仪总体结构框图。 0019 图 2 为本发明的伽马射线成像能谱仪电路原理图。 0020 图 3 为本发明的伽马射线成像能谱仪软件处理流程图。 0021 图中 ： 1. 闪烁晶体阵列 2. 位置灵敏光电倍增管阵列 3. 前端信号处理模 块 4.A/D 模块 5. 控制模块 6. 数据接口模块 7. 电源模块 8.。

16、 铅 屏蔽层 9. 均匀冗余阵列编码板 10. 探头 11. 启动信号 12.PC 机 13. 待测放射源 14. 能谱模式 15. 成像模式。 具体实施方式 0022 图1为本发明的伽马射线成像能谱仪总体结构框图， 从图1中可以看出， 本发明的 伽马射线成像能谱仪的最外层设置有铅屏蔽层 8， 均匀冗余阵列编码板 9、 闪烁晶体阵列 1、 位置灵敏光电倍增管阵列 2、 前端信号处理模块 3、 A/D 模块 4、 控制模块 5、 数据接口模块 6、 电源模块 7 顺序连接。 0023 图 2 为本发明的伽马射线成像能谱仪电路原理图， 从图 2 可以看出， 系统由 4 个结 构相同的探头 10 构。

17、成， 每个探头由一块 256 像素的闪烁晶体阵列 1 配一个位置灵敏光电倍 增管阵列 2 构成， 位置灵敏光电倍增管阵列为 1616 阵列， 整个系统的 4 个探头构成 1024 像素的位置灵敏探测器。A/D 模块 4 与前端信号处理模块接口 3， 使用双排插针与控制模块 接连 ； 控制模块5再使用排线插座与数据接口模块6连接 ； 数据接口模块6通过以太网输给 上位 PC 机 12 ； 电源模块 7 对系统输入低压直流电源进行处理后分别供给各模块。 0024 图 3 为本发明的伽马射线成像能谱仪工作流程图， 伽马射线源 13 出束前， 可以提 供一个启动信号 11， 伽马射线成像系统在收到这个。

18、启动信号后， 准备好探测器系统， 确保在 伽马射线束到达探测器前一定时间 （约 1s） ， 开始对 1024 通道同步采样 （约 10s） ， 确保覆 盖伽马射线束发射时间。采集计算机获得原始数据后， 根据用户选择能谱模式 14 或成像模 式 15， 进行数据处理， 形成供用户分析的能谱或者图像。 0025 其具体制作过程 ： 所述的均匀冗余阵列编码板中的阵列为 rs 矩阵， 其中 r、 s 为 素数， 且 r-s=2， 具体可为 ： 1311、 1917、 3129， ； 均匀冗余阵列编码板上的孔为方孔或 圆孔， 孔径为 3mm3mm ； 均匀冗余阵列编码板采用金属钨制成。选取合适的硅酸钇镥。

19、的形 状、 尺寸和厚度， 加工成型。尺寸为毫米量级。为使记录介质的性能参数尽可能一致， 将同 一块或同一批次的尺寸较大的硅酸钇镥记录介质切割为相同大小、 形状规则的小块记录介 质， 其尺寸为 mm 量级。采用封装工艺将每个小块硅酸钇镥封装， 参数要求 ： 长方体结构， 3mm3mm， 长度 10mm， 时间响应为 ns 量级。封装后的硅酸钇镥紧贴位置灵敏光电倍增管感 光面， 要确保硅酸钇镥发出的荧光最大量的进入位置灵敏光电倍增管内。将位置灵敏光电 倍增管预留的信号输出线连接到后续的电子学处理系统的信号输入接口， 形成一道包含记 录介质、 光电转换和单独的电子学处理的独立探测器单元。再依次将其他。

20、探测器单元按照 说 明 书 CN 102288983 A CN 102288996 A4/4 页 6 前面所述连接安装好后， 将探测器单元以 1616 的两维阵列进行排布， 确保硅酸钇镥都处 于同一个平面， 再将 4 个 1616 的探测器阵列组成一个 3232 的探测器阵列， 该阵列包含 1024个探测器单元， 每个单元由硅酸钇镥、 位置灵敏光电倍增管和电子学处理电路组成。 最 后构建电子学处理系统， 将探测器每一道的输出信号通过采集、 放大、 去噪后， 通过数据线 输出到专门的数据采集卡， 然后经过 AD 转换后， 输出到计算机上， 采用专门软件对数据进 行统计、 图形处理。 说 明 书 CN 102288983 A CN 102288996 A1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102288983 A 。