[发明专利]用于改善闪烁探测器中光收集的反射器和光准直器布置

说明书

本申请涉及电磁辐射探测领域。本发明与核成像扫描期间探测伽马辐射相结合有特别应用。然而，应当理解的是，本发明还应用于收集可见光的其他探测器，而并不限于前述应用。

在像素化的闪烁体/固态探测器中，闪烁体常常为直角棱镜。一个面面对固态探测器，相反的面面对辐射源。为了使辐射收集效率最大化，这两个面尽可能大，即，将闪烁体紧密压在一起。将诸如反射材料的结构的厚度最小化。

一个大问题是可靠地收集产生出的光。固态探测器的光敏区域仅覆盖面对闪烁体的表面中的一小部分。因为闪烁体通常具有与固态探测器匹配的截面，所以光敏区域小于相邻的闪烁体面。

在直角棱镜形状闪烁体的五个面上使用带反射镜的表面。不过已经发现，利用具有漫反射特性的反射材料能实现更好的性能。漫反射器似乎比带反射镜的表面获得了改善的光子收集效率。直接附接到闪烁体的镜面反射器往往会使收集效率变差。

诸如聚四氟乙烯和Teflon^TM的聚合物可以是漫反射器。在典型的像素化PET探测器中，将闪烁体划分成小的像素。示范性像素尺度可以是4mm×4mm×25mm。每个像素的五个侧面上包裹有Teflon^TM，从耦合到光电探测器的第六侧面发射光。这种设置的一个缺点是Teflon^TM对所产生的光子具有较高透射率。这导致了闪烁体之间的光学串扰。光学串扰可能以几种方式劣化探测器的性能。首先，降低了用于识别闪烁晶体的逻辑的精确度。这导致错误识别晶体或闪烁体的概率更高，从而导致扫描器的空间分辨率降低。此外，如果在闪烁阵列边缘处的晶体中发生闪烁，则可能由于光子离开阵列并不被任何光电探测器探测到而丢失光子。这可能导致探测器阵列中边缘像素的能量分辨率降低。而且，可见光子散布在大面积上导致堆积的可能性增大。在高计数率下，这个问题更经常发生，闪烁脉冲交迭的概率增大。这可能导致空间分辨率、能量分辨率和时间分辨率的降低。

另一个问题在于，闪烁体通常大于其耦合到的光探测元件。工作在Geiger模式下的小型雪崩式光电二极管的阵列，例如硅光电倍增管(SiPM)的阵列，有可能取代先前的光电倍增管(PMT)。在飞行时间PET(TOF-PET)扫描器中，小到皮秒范围的严格计时是有价值的。SiPM的光敏区域仅是该面总面积的一小部分。其余的面对光反应迟钝或是无效空间。

SiPM之间这种无效空间的结果是闪烁体发射的一些光将不会被SiPM收集到。在4×4mm闪烁体耦合到光敏区域为2×2mm的4×4mm SiPM的范例中，收集效率降低到25％。四分之三的光输出损失掉。这种降低的探测效率使得空间分辨率、能量分辨率和时间分辨率劣化大约面积分数的平方根。

硅光电倍增管(SiPM)单元可以包括与熄灭电阻器串联的诸如雪崩式光电二极管(APD)的附带电子器件。存在附带电子器件实际上进一步减小了整个封装的光敏面积。光敏部分之间有很大距离，降低了探测器的总体有效性。敏感面积减小得越多，探测器能量分辨率和时间分辨率更差的概率越大。

本申请提供了一种新型改进方法和设备，以更高效地将产生的光完全引导到光探测元件的敏感部分，从而克服了上述问题和其他问题。

根据一个方面，提供了一种辐射探测器阵列。多个闪烁晶体响应于辐射发射可见光脉冲。多个光电探测器均具有光敏区域，所述光敏区域具有光学地耦合到闪烁晶体的光发射面的表面面积。第一漫反射层至少部分封装每个闪烁晶体。第一反射层漫反射闪烁晶体产生的一部分光。第二镜面反射层将来自闪烁晶体且离开第一漫反射层的光反射回闪烁晶体中。

根据另一方面，提供了一种辐射探测方法。在高能量光子撞击闪烁晶体时，闪烁晶体发射可见光。利用至少部分围住闪烁晶体的第一漫反射层使可见光漫射。利用第二镜面反射层将来自闪烁晶体且离开第一漫反射层的可见光反射回闪烁晶体中。允许可见光从闪烁晶体的光发射面离开闪烁晶体。可见光被具有光接收面的光电探测器探测到。

根据另一方面，提供了一种辐射探测器阵列元件。闪烁晶体响应于高能量光子发射可见光。第一漫反射层至少部分包封闪烁晶体并使可见光漫射。第二镜面反射层至少部分包封闪烁晶体和第一反射层。第二反射层将离开第一漫反射层的可见光反射回闪烁晶体中。光集中器光学地耦合到闪烁晶体的光发射面。光集中器传导从闪烁晶体的光发射面发射的光。光电探测器具有光学地耦合到光集中器的光接收面。光接收面具有表面面积小于闪烁晶体的光发射面的光敏区域。光电探测器探测由光集中器传导的可见光。