一种新型射线探测器

1.本发明属于核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种新型射线探测器。


背景技术：

2.正电子发射断层成像(positron emission tomography，pet)是一种非常重要的核医学成像技术，广泛应用于肿瘤、冠心病、脑神经系统疾病的诊断。具有飞行时间测量功能的tof-pet(time of flight-pet)是目前pet市场的主流，tof-pet探测器的时间分辨越好，则系统信噪比越高，病人需要注射的放射性药物量越少，扫描时间也更短。
3.目前tof-pet的时间分辨越来越好，市场上的商用tof-pet系统的符合时间分辨一般能达到500ps以下，而最新一代的tof-pet甚至能达到200ps左右。研究表明，tof-pet系统的信噪比随着符合时间分辨的变好而提高，特别是在系统符合时间分辨小于200ps时，信噪比会随着符合时间分辨的变好而迅速增加，如果系统符合时间分辨能达到50ps以下，则pet的图像重建会发生革命性的变化，甚至能实现pet动态成像。
4.目前商用tof-pet探测器均采用闪烁探测器来探测正电子湮灭产生的γ射线，其闪烁探测器结构基本上是采用闪烁体耦合光电倍增管(pmt)或者硅光电倍增管(sipm)，而受制于闪烁体的发光机制以及所使用的光探测器件的时间特性，商用的闪烁探测器tof-pet系统的符合时间分辨的极限在150ps到200ps之间，距离革命性的50ps以下的符合时间分辨还有较大距离。为了实现50ps以下的符合时间分辨，必须采用更快的γ射线探测方法，其中最被看好的就是探测切伦科夫光探测器。具体原理就是，γ射线与切伦科夫辐射体物质作用产生光电子或康普顿电子，如果电子的能量高于切伦科夫光产生阈值，则会有切伦科夫光产生，切伦科夫光的产生几乎是瞬发的，时间尺度在10ps以内，所以对切伦科夫光的高精度探测，即可实现对γ射线作用时间的高精度探测，因此基于切伦科夫光探测的tof-pet系统的符合时间分辨完全可能达到50ps以内。为了实现这个目标，传统的光探测器件pmt或者sipm已经无法满足要求，必须要更换为时间特性更好的光探测器件，而微通道板光电倍增管(mcp-pmt)则是首选。目前已有研究机构使用切伦科夫辐射体结合mcp的方式得到优于40ps的符合时间分辨。具体实施方式为，将mcp-pmt的光阴极窗用切伦科夫辐射体代替，如图1所示。这样切伦科夫光直接在光阴极窗内产生，不经过任何光学界面即可直接被光阴极探测，最大程度的减少了切伦科夫光子数的损失以及时间信息的离散。然而，对于正电子湮灭产生的511kev能量的γ射线来说，一次事例能够产生的切伦科夫光子数较少，能被探测到的切伦科夫光子数更少，通常只有一两个，有时候一个都探测不到，而切伦科夫光的发射方向虽然大体上是朝着γ射线的传播方向，但是存在着一定的随机性，这样mcp探测到的切伦科夫光子的位置会相对于γ射线在切伦科夫辐射体中的作用位置有一定的偏离，如图2所示。因此，基于此模型的切伦科夫光tof-pet系统的位置分辨能力会受到影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型射线探测器。本发
明将玻璃光纤面板作为光阴极窗的mcp-pmt，用于切伦科夫光tof-pet探测器。
6.本发明的技术方案为：
7.一种新型射线探测器，其特征在于，包括切伦科夫辐射材料窗，所述切伦科夫辐射材料窗的出光面镀有光阴极面，微通道板和读出电路板；其中，
8.所述切伦科夫辐射材料窗为玻璃光纤面板，用于接收入射的γ射线，并将γ射线入射到纤芯中所产生的切伦科夫光输入到所述光阴极面；
9.所述光阴极面，用于将所述切伦科夫光转换成光电子并经真空电场传输至所述微通道板；
10.所述微通道板，用于将接收的光电子倍增放大后输入所述读出电路板。
11.进一步的，所述玻璃光纤面板将入射的γ射线在纤芯中所产生的切伦科夫光通过光纤壁的全反射传输到所述光阴极面。
12.进一步的，所述玻璃光纤面板的纤芯为高折射率、高有效原子序数的材料，用作切伦科夫辐射体。
13.进一步的，所述玻璃光纤面板的纤芯为铅玻璃。
14.进一步的，所述光阴极面为光电转换膜。
15.本发明的优点如下：
16.本发明将切伦科夫光mcp-pmt的切伦科夫辐射窗用玻璃光纤面板代替，用以实现更好的位置分辨。
附图说明
17.图1为切伦科夫光窗mcp-pmt示意图。
18.图2为探测到的切伦科夫光子位置p1或p2偏离实际γ射线作用位置p0示意图。
19.图3为本发明玻璃光纤面板切伦科夫光窗mcp-pmt结果示意图。
20.图4为因切伦科夫光在光纤壁上的全反射。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
22.本发明设计了一种具有γ射线精确定位能力的切伦科夫光mcp-pmt探测器，在实现极限时间分辨的同时保留极好的位置分辨能力，期望用于新一代tof-pet探测器。本发明的结构设计示意图如图3所示，具体结构包括：
23.1)玻璃光纤面板窗
24.传统的mcp-pmt的窗材料是普通的光学玻璃，作用是让外界闪烁体产生的闪烁光能够顺利进入，切伦科夫光窗mcp-pmt将传统mcp-pmt的窗材料换成高有效原子序数的切伦科夫辐射体，γ射线入射到切伦科夫辐射体的窗材料中发生光电效应或康普顿效应，产生光电子或康普顿电子，电子在窗材料中运动产生切伦科夫光。为了使切伦科夫光到达光阴极面的位置不偏离γ射线在窗中的作用位置，本发明将切伦科夫辐射材料窗更换为玻璃光纤面板，其中纤芯为高折射率高有效原子序数的材料，比如铅玻璃，用作切伦科夫辐射体。入射的γ射线入射到玻璃光纤面板的纤芯(即切伦科夫辐射体)中先是发生光电效应或康
普顿效应，产生光电子或康普顿电子；然后所产生的电子在纤芯中向前传输运动过程中，产生切伦科夫光，γ射线的次级电子在纤芯中产生切伦科夫光，切伦科夫光通过光纤壁的全反射传输到光阴极面，这样光阴极面探测到的切伦科夫光子的位置会与γ射线的作用位置保持一致，如图4所示，因此本发明在实现极限时间分辨的同时保持了极好的位置分辨能力，更有希望用于新一代tof-pet。
25.2)光阴极面
26.光阴极面为镀在玻璃光纤面板窗内侧的光电转换膜，用于将切伦科夫光转换成光电子。
27.3)微通道板
28.用于将光电子倍增，形成为容易被测量的电信号。
29.4)读出电路板
30.用于将倍增后的电信号读出供后续处理。
31.尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。


技术特征：
1.一种新型射线探测器，其特征在于，包括切伦科夫辐射材料窗，所述切伦科夫辐射材料窗的出光面镀有光阴极面，微通道板和读出电路板；其中，所述切伦科夫辐射材料窗为玻璃光纤面板，用于接收入射的γ射线，并将γ射线入射到纤芯中所产生的切伦科夫光输入到所述光阴极面；所述光阴极面，用于将所述切伦科夫光转换成光电子并经真空电场传输至所述微通道板；所述微通道板，用于将接收的光电子倍增放大后输入所述读出电路板。2.根据权利要求1所述的新型射线探测器，其特征在于，所述玻璃光纤面板将入射的γ射线在纤芯中所产生的切伦科夫光通过光纤壁的全反射传输到所述光阴极面。3.根据权利要求1或2所述的新型射线探测器，其特征在于，所述玻璃光纤面板的纤芯为高折射率、高有效原子序数的材料，用作切伦科夫辐射体。4.根据权利要求3所述的新型射线探测器，其特征在于，所述玻璃光纤面板的纤芯为铅玻璃。5.根据权利要求1所述的新型射线探测器，其特征在于，所述光阴极面为光电转换膜。

技术总结
本发明公开了一种新型射线探测器，其特征在于，包括切伦科夫辐射材料窗，所述切伦科夫辐射材料窗的出光面镀有光阴极面，微通道板和读出电路板；其中，所述切伦科夫辐射材料窗为玻璃光纤面板，用于接收入射的γ射线，并将γ射线入射到纤芯中所产生的切伦科夫光输入到所述光阴极面；所述光阴极面，用于将所述切伦科夫光转换成光电子并经真空电场传输至所述微通道板；所述微通道板，用于将接收的光电子倍增放大后输入所述读出电路板。本发明能够实现更好的位置分辨能力。现更好的位置分辨能力。现更好的位置分辨能力。


技术研发人员：李道武 唐浩辉 王贻芳 魏龙 章志明 黄先超 王英杰 柴培 韩笑柔 许琼 钱森 马丽双
受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/7/1