具有第一配置和第二配置的手持反向散射成像系统的制作方法

本说明书涉及光纤耦合闪烁检测器及其制造方法、以及采用光纤耦合闪烁检测器以用于x射线的有效检测的x射线检查系统和方法。

背景技术：

1、在过去的30年中，已经使用了辐射和粒子的光纤耦合闪烁检测器。在某些情况下，闪烁体是像素化的，由离散的闪烁体元素组成，并且在其他情况下，采用其他策略(例如正交交叉耦合的光纤)以提供空间分辨率。光纤耦合闪烁检测器的示例由美国专利号(nos.)6,078,052(授予difilippo)和7,326,933(授予katagiri等人)提供，这两个专利均通过引用并入本文。difilippo和katagiri等人描述的检测器采用波长偏移光纤(wsf)，以便可以以低衰减将光纤纤芯材料发出的光传导到通常位于远离闪烁体本身的方便位置的光电检测器。空间分辨率在诸如中子成像的应用中具有特殊价值。在费米大面积空间望远镜(以前为glast)中，空间分辨率也是至关重要的，在该望远镜中，高效的分段闪烁检测器采用wsf读出来检测高能宇宙射线，如moiseev,et al.,high efficiency plastic scintillatordetector with wavelength-shifting fiber readout for the glast large areatelescope,nucl.instr.meth.phys.res.a,vol.583,pp.372-81(2007)中描述，其通过引用并入本文。

2、由于光纤耦合闪烁体检测器迄今为止所使用的的环境，所有已知的光纤耦合闪烁体检测器都对粒子(光子或大质量粒子)与闪烁体的单独相互作用产生的脉冲进行计数，从而允许基于闪烁体再发射的累积光通量来确定入射粒子沉积的能量。

3、然而，x射线反向散射检查系统的检测要求与现有的光纤耦合闪烁检测器的检测要求完全不同。反向散射x射线检查系统已经被用于检测隐藏在行李、货物集装箱、车辆和人员身上的有机材料超过25年。由于块状有机材料优先散射x射线(通过康普顿散射)而不是吸收它们，这些材料在反向散射图像中表现为更亮的物体。由于入射x射线散射到各个方向，灵敏度远远超过空间分辨率的要求，并且在大多数散射应用中，由于分辨率是由入射光束而不是由检测来决定的，检测器的空间分辨率根本不受关注。

4、在图1a中的侧截面和图1b中的前截面所示的类型的“常规”闪烁检测器100的情况下，由x射线散射系统提出的大面积和高灵敏度的特殊检测要求特别令人烦恼。这种检测器的示例在美国专利号5,302,817(授予yokota)中描述，在本文引用作为参考。通常，不透光的盒子102衬有闪烁屏幕103，在闪烁屏幕103处，入射的x射线辐射101转换成闪烁光，该闪烁光通常在电磁(em)光谱的uv、可见或更长波长部分中。大光电阴极面积光电倍增管(pmt)105耦合以经由舷窗108接收闪烁光。一个问题在于，一部分来自屏幕的闪烁光从屏幕透射到封闭的空间中。剩余的闪烁光在屏幕材料中丢失。闪烁屏幕103被设计为使发射的光的部分最大化，这等于确保对于屏幕103与填充检测器空间的介质(通常是空气)之间的界面的大透射系数t。然而，在图1a和图1b中描绘的那种常规的反向散射检测器中，闪烁屏幕103也应当用作良好的反光板，因为闪烁光一旦发射到盒子102的空间中，通常就需要多次反射，直到它到达光电检测器105为止。因此，屏幕表面的反射系数r也应该较大；但是，由于t和r的总和被约束为1，因此t和r不能同时最大化，必须做出折衷。结果，常规反向散射检测器的光收集效率本来就很低，只有百分之几的所产生的闪烁光被收集到光电检测器中。

5、对于成像检测器，根据检测器吸收的光子计算光子统计噪声并用于产生图像。任何穿过检测器而没有被吸收的光子，或者甚至那些被吸收而没有产生图像信息的光子，都是浪费的，并且无助于减少图像中的噪声。由于光子不能被细分，所以该光子表示系统的基本量子能级。通常的做法是根据用于表示沿成像链的任何位置的图像的最小量子数来计算统计噪声。沿成像链使用最少数量的量子来表示图像的点被称为“量子阱”。量子阱处的噪声水平确定了成像系统的噪声极限。如果不增加量子阱处的信息载体(即量子)的数目，系统噪声极限就不能得到改善。不良的光收集可能会产生次级量子阱，也就是说，它会限制入射x射线中产生pmt电流的部分。此外，它会增加图像噪声。光收集效率可以通过增加光电检测器的敏感面积来提高，然而，这种提高效率的途径是昂贵的。

6、现在参照图2描述在现有技术x射线闪烁检测器中通常采用的闪烁屏的结构。例如，将一层复合闪烁体202夹在用于结构支撑的背衬片204与由聚酯构成的薄的透明保护膜206之间。复合闪烁体由有机基体或树脂中通常的微米级无机晶体组成。晶体是实际的闪烁材料。掺有稀土元素的氟氯化钡(bafcl，或“bfc”)或硫氧化钆(gd202s，或“gadox”)是常见的选择。屏幕的停止能力由复合闪烁体层202的厚度确定，该厚度通常以每单位面积闪烁体晶体的毫克数来测量。由于无机闪烁体(如bfc或gadox)具有较高的自吸收性，复合闪烁体层必须保持相当薄以提取较好的闪烁光。这限制了屏幕的有效停止能力，使其只适合于检测能量高达100kev左右的x射线。具有用于x射线散射检测应用的闪烁检测器将是有利的，其提供更高效的闪烁光的提取、收集和检测。

7、闪烁体结构已经使用许多制造技术制造，包括例如压铸、注射模塑(如yoshimuraet al.,plastic scintillator produced by the injection-molding technique,nucl.instr.meth.phys.res.a,vol.406,pp.435-41(1998)描述的和挤压(如bross等人的美国专利号7,067,079所描述的)，这两种技术的参考文献均通过引用并入本文。

8、正如上面简要讨论的，波长偏移光纤(wsf)长期以来一直被用于闪烁检测。波长偏移光纤由具有相对较高折射率的芯组成，该芯被一层或多层较低折射率的包层围绕。芯包含波长偏移材料(也被称为染料)。进入光纤的闪烁光被染料吸收，然后染料发出更长波长的光。较长波长的光在光纤材料中各向同性地发射。全内反射会捕获一部分光，并以相对较低的损耗将该一部分光传导长距离。如参照图3a所描述的，这是可能的，因为染料的吸收304和发射302波长范围有效地不重叠，使得不会重新吸收波长偏移的光。捕获的部分由光纤表面的折射率之比确定。wsf的另一个优点是波长偏移可以将闪烁光306带入光电检测器(pmt，硅光电倍增器(sipm)或多像素光子计数器(mppc)或其他)的敏感波长范围内。

9、wsf检测器在飞点x射线成像系统中的使用是已知的。飞点扫描仪(fss)使用作为光斑的扫描源(诸如但不限于高分辨率、高光输出、低余辉阴极射线管(crt))以扫描图像。相对于具有建立系统分辨率的空间敏感检测器的胶片或数字x射线检测器，飞点x射线系统受到照明光束光斑尺寸的限制。照明光束光斑的尺寸由许多因素决定，该因素包括x射线焦斑尺寸、准直长度、孔径尺寸和到目标的距离。

10、光束光斑是焦斑的针孔图像，由于相对较大的针孔或孔径尺寸而在几何上模糊。通常，孔径的形状基本上类似于焦斑的形状，但通常更大。因此，任何内部结构都是模糊的，只有焦斑的总体尺寸是相关的。理想的光束光斑是尖锐的圆盘或矩形。然而，在现实中，边缘是模糊的。本影区域由等效/虚拟点源的孔径投影获得，然而，只有圆盘形焦斑的情况下才有很好的限定。本影区域被限定为整个光源被遮挡体遮挡的区域；而半影是只有一部分光源被遮挡体遮挡的图像区域。

11、描述光束光斑的实际二维光强分布由焦斑和准直器的组合控制。已知的准直设计力求使半影的尺寸最小化，如图3b所示，图3b示出焦距与本影和半影直径之间的关系，其中，明暗区域颠倒。如所示出的，半影宽度310与焦斑312尺寸相对于准直长度314的比率相关并与之成比例，准直长度314是焦斑312与孔径316之间的距离，如由源318和目标320限定的。因此，小的焦斑允许更短的准直器(更紧凑和更轻的设计)和/或更好的准直(更小的半影)。

12、数学上，本影直径(ud)320和半影宽度(pw)310通过以下公式与焦斑直径312(fs)、孔径(ad)322、准直长度(cl)314和目标距离(td)324相关：

13、

14、目前可用的飞点x射线成像系统的分辨率受到飞点尺寸的限制。该检测系统几乎没有空间灵敏度，因此，空间信息是通过在检测器上移动光斑来创建的，并且随着时间的推移与检测器读数同步。最小光斑尺寸受x射线源光斑尺寸和用于产生光斑的准直系统的限制。通常，在货物成像系统中，检测器处的光斑尺寸为7mm-10mm。如上述公式(1)和公式(2)所示，减小焦斑的尺寸能够为飞点x射线成像系统设计短长度的准直器并获得更清晰的图像。

15、鉴于上述情况，在飞点成像系统中，显然需要增加x射线检测器的空间灵敏度。还需要开发wsf系统，该系统能够确定图像的高分辨率内容以及光斑粗略位置的低分辨率映射。此外，需要能够以最小的单个通道产生高分辨率图像，从而节省系统的成本和复杂性。最后，需要一种改进的检测系统，该系统可以有效地用于任何飞点x射线系统，并且被配置为在一维或二维中产生改进的分辨率。

技术实现思路

1、结合系统、工具和方法来描述和说明以下实施例及其方面，这些系统、工具和方法是示例性和说明性的，并且不限制范围。本技术公开许多实施例。

2、根据本说明书的各种实施例，提供了将光纤耦合闪烁检测器应用于反向散射和透射x射线检查中的问题的系统和方法。

3、为了便于表示，波长偏移光纤耦合闪烁检测器在本文中可称为“sc-wsf”检测器。

4、本说明书公开了一种用于x射线成像系统的检测器，该检测器包括：至少一个高分辨率层，其包括彼此平行放置的多个高分辨率波长偏移光纤，其中，每个光纤穿过并穿出检测区域，并在覆盖高分辨率波长偏移光纤的闪烁屏下循回送到检测区域，其中，多个所述高分辨率波长偏移光纤中的每个占据检测器的不同区域；至少一个低分辨率层，其包括多个低分辨率区域，该多个低分辨率区域具有以平行配置布置的多个低分辨率光纤，其中，多个低分辨率光纤中的每个被配置为偏移接收波长；以及分段多通道光电倍增管(pmt)，其用于耦合从高分辨率光纤和低分辨率区域获得的信号。

5、可选地，多个高分辨率光纤包括范围为0.2mm至2mm的高分辨率光纤。

6、可选地，多个低分辨率区域包括范围为1mm至3mm低分辨率光纤。

7、可选地，pmt包括8到16个通道。

8、可选地，检测器包括至少一个闪烁体层，该闪烁体层光学耦合到至少一个高分辨率层。

9、可选地，多个高分辨率光纤中的每个和多个低分辨率光纤中的每个由塑料制成。

10、可选地，多个高分辨率光纤中的每个和多个低分辨率光纤中的每个的直径小于200微米。

11、可选地，多个高分辨率光纤中的每个和多个低分辨率光纤中的每个覆盖有闪烁材料。

12、可选地，检测器还包括位于至少一个高分辨率层和至少一个低分辨率层之间的闪烁体层。

13、可选地，检测器还包括嵌入在至少一个高分辨率层或至少一个低分辨率层中的至少一个中的一个或多个闪烁体滤波器。

14、本说明书还公开了一种用于x射线成像系统的检测器，该检测器包括：多个波长偏移光纤，其中，多个波长偏移光纤中的每个具有第一边缘和第二边缘；第一刚性条，其连接到多个波长偏移光纤中的每个的第一边缘，并且被配置为对多个波长偏移光纤中的每个提供机械支撑；以及第二刚性条，其连接到多个波长偏移光纤中的每个的第二边缘，并且被配置为对多个波长偏移光纤中的每个提供机械支撑，其中，多个波长偏移光纤通过第一和第二刚性条物理地结合在一起以形成片，并且其中，多个波长偏移光纤的第二边缘与光电倍增管光学耦合。

15、可选地，多个波长偏移光纤中的每个彼此相邻地定位，而在多个波长偏移光纤中的每个之间没有空间。

16、可选地，多个波长偏移光纤中的每个都覆盖有闪烁材料，以形成用于入射检测x射线的闪烁屏。

17、可选地，多个波长偏移光纤中的每个的直径小于200微米。

18、本说明书还公开了一种检测器，其包括多个波长偏移光纤和闪烁体粉末，多个波长偏移光纤由模制片材物理地结合在一起，闪烁体粉末嵌入在多个波长偏移光纤中的每个之间，从而形成检测器片材。

19、可选地，多个波长偏移(wsf)光纤中的每个之间的距离约为3mm。

20、可选地，多个波长偏移光纤中的每个包括第一端和第二端，其中，第一端或第二端中的至少一个与光电倍增管光学通信。

21、可选地，距离是闪烁体粉末浓度的函数。

22、本说明书还公开了一种形成具有预定信号响应的检测器的方法，包括定位多个波长偏移光纤以限定检测器片材；通过改变检测器片材中的多个波长偏移光纤中的每个之间的空间来建立预定信号响应的可变性；使用透明柔性塑料粘合剂的模制片材将多个波长偏移光纤粘合在一起；以及在多个波长偏移光纤中的每个之间嵌入闪烁体粉末，从而形成检测器片材。

23、可选地，如本公开所述的方法还包括通过减小多个波长偏移光纤中的每个之间的空间减小信号响应的可变性。

24、本说明书还公开了一种用于x射线成像系统的检测器，该检测器包括：限定检测区域的闪烁屏；至少一个高分辨率层，光学耦合到闪烁屏，包括多个第一波长偏移光纤，其中，多个第一波长偏移光纤中的每个由第一光纤半径和多个第一波长偏移光纤中的相邻光纤之间的第一间距限定，其中，多个第一波长偏移光纤中的每个延伸穿过检测区域并在闪烁屏之下，并且其中，多个第一波长偏移光纤被配置为接收辐射并产生信号；至少一个低分辨率层，包括多个第二波长偏移光纤，其中，多个第二波长偏移光纤中的每个由第二光纤半径和多个第二波长偏移光纤中的相邻光纤之间的第二间距限定，并且其中，第二光纤半径中的至少一个大于第一光纤半径或第二间距大于第一间距，并且其中，多个第二波长偏移光纤被配置为接收穿过至少一个高分辨率层的辐射并产生信号；以及分段多通道光电倍增管，其被配置为接收从至少一个低分辨率层获得的信号以及接收从至少一个高分辨率层获得的信号。

25、可选地，检测区域中的多个第二波长偏移光纤中的每个彼此平行地放置。

26、可选地，检测区域中的多个第一波长偏移光纤中的每个彼此平行地放置。

27、可选地，多个第一波长偏移光纤中的每个延伸穿过并穿出检测区域，并在闪烁屏下循回送到检测区域。

28、可选地，多个第一波长偏移光纤中的每个占据检测器的不同区域。

29、可选地，多个第二波长偏移光纤中的每个被配置为偏移接收辐射的波长。

30、可选地，第一半径在0.2mm至2mm高分辨率光纤的范围内。

31、可选地，第二半径在1mm至3mm的范围内。

32、可选地，分段多通道光电倍增管包括8至16个通道。

33、可选地，检测器包括至少一个闪烁体层，该闪烁体层光学耦合到至少一个高分辨率层。

34、可选地，多个第一波长偏移光纤中的每个和多个第二波长偏移光纤中的每个包括塑料。

35、可选地，第一半径和第二半径各自小于200微米。

36、可选地，检测器还包括位于至少一个高分辨率层和至少一个低分辨率层之间的闪烁体层。

37、可选地，检测器还包括嵌入在至少一个高分辨率层或至少一个低分辨率层中的至少一个中的一个或多个闪烁体滤波器。

38、本说明书还公开了一种形成具有至少一个高分辨率层和至少一个低分辨率层的检测器的方法，其中，至少一个高分辨率层具有第一预定信号响应，并且其中，至少一个低分辨率层具有第二预定信号响应，该方法包括：定位多个第一波长偏移光纤以限定至少一个高分辨率层；通过改变多个第一波长偏移光纤中的每个之间的第一空间来建立第一预定信号响应的可变性；使用透明柔性塑料粘合剂的模制片材将多个第一波长偏移光纤粘合在一起；在多个第一波长偏移光纤中的每个之间嵌入闪烁体粉末，以形成至少一个高分辨率层；定位多个第二波长偏移光纤以限定至少一个低分辨率层；通过改变多个第二波长偏移光纤中的每个之间的第二空间来建立第二预定信号响应的可变性；使用透明柔性塑料粘合剂的模制片材将多个第二波长偏移光纤粘合在一起；以及在多个第二波长偏移光纤中的每个之间嵌入闪烁体粉末，以形成至少一个低分辨率层，其中，第一空间小于第二空间。

39、可选地，该方法还包括通过减小多个第一波长偏移光纤中的每个之间的第一空间减小第一信号响应的可变性。

40、可选地，该方法还包括通过减小多个第二波长偏移光纤中的每个之间的第二空间减小第二信号响应的可变性。

41、本说明书还公开了一种用于x射线成像系统的检测器，该检测器包括：至少一个高分辨率层，该高分辨率层包括多个第一波长偏移光纤，其中，多个第一波长偏移光纤中的每个由第一光纤半径和多个第一波长偏移光纤中的相邻光纤之间的第一间距限定，其中，多个第一波长偏移光纤中的每个延伸穿过检测区域并在闪烁屏之下，并且其中，多个第一波长偏移光纤覆盖有闪烁材料并且被配置为接收辐射并产生信号；至少一个低分辨率层，包括多个第二波长偏移光纤，其中，多个第二波长偏移光纤中的每个由第二光纤半径和多个第二波长偏移光纤中的相邻光纤之间的第二间距限定，并且其中，第二光纤半径中的至少一个大于第一光纤半径或第二间距大于第一间距，并且其中，多个第二波长偏移光纤覆盖有闪烁材料并且被配置为接收穿过至少一个高分辨率层的辐射并产生信号；以及分段多通道光电倍增管，其被配置为接收从至少一个低分辨率层获得的信号以及接收从至少一个高分辨率层获得的信号。

42、可选地，多个第二波长偏移光纤覆盖有闪烁材料。

43、在本说明书的第一实施例中，提供了一种穿透辐射检测器，其具有用于将入射穿透辐射的能量转换为闪烁光的闪烁介质的非像素化体积。该检测器具有多个光波导，在与闪烁介质的非像素化体积相邻的闪烁光提取区域上彼此基本平行地排列，光波导将从闪烁光导出的光引导到光电检测器，用于检测由波导引导的光子并用于产生检测器信号。

44、在本说明书的其他实施例中，检测器还可以具有积分电路，用于在指定的持续时间内对检测器信号进行积分。

45、在本说明书的替代实施例中，提供了一种穿透辐射检测器，其具有用于将入射穿透辐射的能量转换为闪烁光的闪烁介质的体积，和多个光波导，这些光波导在与闪烁介质的体积相邻的闪烁光提取区域上彼此基本平行地排列。光波导将从闪烁光导出的光引导到产生检测器信号的光电检测器。最后，积分电路，用于在指定的持续时间内对检测器信号进行积分。

46、在本说明书的进一步实施例中，前述检测器中的光波导可以适用于闪烁光的波长偏移，并且更具体地，可以是波长偏移光纤。闪烁介质可以包括镧系元素掺杂的混合卤化钡，例如氟氯化钡。光电检测器可以包括光电倍增管。

47、在本说明书的又进一步实施例中，任何前述检测器的厚度的平方除以检测器的面积可以小于0.001。多个波导中的至少一个可以没有包层，并且闪烁介质的特征在于折射率的值低于表征波导的折射率。光波导可以布置在多个平行平面中，每个平行平面包含多个光波导的子集。

48、在本说明书的其他实施例中，检测器可以具有被入射光束连续遇到的多个闪烁体介质层，并且这些层的特征可以在于对入射光束的不同光谱灵敏度。闪烁体的交替层可以包括与光纤耦合bafcl(eu)和光纤耦合bafi(eu)中的至少一个交替的li6f:zns(ag)。多层闪烁体介质中的第一层可以是优先对低能量x射线敏感的波长偏移光纤耦合检测器，并且多层闪烁体介质中的最后一层可以是塑料闪烁体。

49、闪烁体介质的段可以布置在横向于入射光束的传播方向的平面中，并且可以经由光纤清楚地耦合到光电检测器。

50、根据本说明书的另一方面，用于制造闪烁检测器的方法，该方法包括围绕光波导挤压闪烁材料的外壳，并且在具体实施例中，光波导是波长偏移光纤。

51、在替代实施例中，用于检测散射x射线辐射的方法具有以下步骤：提供检测器，其特征在于多个单独读出段；以及对来自单独读出段的子集的信号求和，其中，子集是基于相对信噪比选择的。

52、在本说明书的另一方面，提供了一种用于检测散射x射线辐射的方法。该方法具有以下步骤：提供检测器，其特征在于多个单独读出段；以及对来自单独读出段的子集的信号求和，其中，子集是基于主照明光束的已知位置选择的。

53、根据另一实施例，提供了一种移动式x射线检查系统。该检查系统具有x射线辐射源，该x射线辐射源布置在具有平台和地面接触构件的运输工具上，以及光纤耦合闪烁检测器，该光纤耦合闪烁检测器在检查操作期间部署在运输工具外部，用于检测与被检查物体彼此作用的x射线。

54、移动式x射线检查系统还可以具有光纤耦合闪烁遮阳检测器，该光纤耦合闪烁遮阳检测器在检查过程期间部署在被检查物体上方，并且该遮阳检测器可以在检查操作之前从运输工具的顶部滑出。还可以有部署在运输工具平台下方的裙部检测器，以及用于检测高于运输工具的空间的车顶检测器，以及基本水平和基本竖直的光纤耦合闪烁体检测器段。基本水平和基本竖直的光纤耦合闪烁体检测器段可形成为整体结构。

55、根据本说明书的另一方面，提供了一种用于检测入射到该装置上的辐射的装置，该装置包括：多个基本平行的有源准直叶片，其包括对辐射敏感的波长偏移光纤耦合闪烁检测器，用于产生至少第一检测信号；后广域检测器，用于检测在多个有源准直器叶片中基本上平行的有源准直器叶片之间通过的辐射，并产生第二检测信号；以及处理器，用于接收和处理第一和第二检测信号。

56、根据本说明书的替代实施例，提供了一种自上而下的成像检查系统，用于检查布置在下垫表面上的物体。该自上而下成像检查系统具有基本上向下指向的x射线源和布置在下垫表面上方的突起内的线性检测器阵列。线性检测器阵列可以包括波长偏移光纤耦合闪烁检测器。

57、根据本说明书的另一方面，提供了一种x射线检查系统，用于检查车辆底部。该x射线检查系统具有耦合到底盘的基本向上指向的x射线源和布置在底盘上的波长偏移光纤耦合闪烁体检测器，用于检测由车辆和隐藏在车辆下面或内部的物体散射的x射线。底盘可适于通过电动机和手动控制中的至少一种在车辆下面操纵。

58、在下面提供的附图和详细描述中，将更深入地描述本说明书的前述和其他实施例。