高能 X射线成像系统固体探测器模块的设计 (2003年)
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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/
N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci & T ech),
2003 年第43 卷第12 期
2003,Vol. 43,No. 12
4/ 32
1594-1596,1612
高能
X
射线成像系统固体探测器模块的设计
李玉兰
1
, 李元景
1
, 王少锋
2
, 李树伟
2
, 何会林
2
(1. 清华大学 工程物理系,北京 100084;2. 清华同方 威视技术股份有限公司,北京 100084)
收稿日期:2003-05-13
基金项目:国家自然科学基金资助项目 (10135040)
作者简介:李玉兰(1976-),女(汉),河北,副教授。
E -m ail :y ulanli@ ma il. tsing hua . edu. cn
摘 要:常规的阵列探测器用于高能 X 射线成像系统时,由
于射线能量的增大会出现许多新的问题,设计时必须综合考
虑多个方面的要求。在
Monte Carlo
估算的基础上,设计了
若干由 CdWO
4
晶体耦合光电二极管形成的线性阵列探测
器模块。射线源采用直线加速器,最大能量 9
MeV
。探测器
呈模块化结构,每个模块 16 个通道,通道间距 1. 3 m m 。
CdWO
4
晶体尺寸 0.8mm× 5mm× 30mm,晶体间放置铅隔
离层以减小串扰。模拟得其探测效率达 70% ,能量沉积率
30% ,而串扰率小于 5% 。模块加工完成后,分别在
60
Co
、
6MeV 和 9MeV 加速器下进行了测试,证明其满足成像系
统的要求。
关键词:探测器;高能
X
射线成像;钨酸镉;光电二极管
中图分类号:O 572. 21
+
2 文献标识码:A
文章编号:1000-0054(2003)12-1594-03
Design of solid-state detector modules
for high energy X-r ay imaging
LI Yulan
1
,LI Yua njing
1
,WANG Shaofeng
2
,
LI S huw e i
2
,HE Huilin
2
(1. Department of Engineering Physics,
T sing hua U n iver sity,Beijing 100084,China;
2. Nuctech com pany limited,Tongfang Building,
Beijing 100084,China)
Abstract:Various problems can arise when standard detectors are
used in high energy X-ray imaging systems. Several linear CdW O
4
arrays coupled to photodiode arrays were designed using M onte-
C arlo simulations. T he desig ns w er e tested using an elect ro n linear
accelerator producing pulsed X-r ays w ith a maximum energy of
9 M eV as the X-ray source. T he detectors w ere assembled in
m odular form , w ith 16 channels in each m odule,cr ystal size o f
0. 8 mm × 5 m m × 30 m m and pitch size of 1. 3 m m . Lead spacers
w ere placed between crystals to reduce the cross-talk. T he results
are that the detection efficiency reaches 70% ,energy deposition rate
is 30% ,while cross-talk is reduced to 5% . T he modules were
fabricated and tested under the radiation sources of
60
Co,6 M eV
L INA C and 9 M eV LIN A C. T he conclusion is that the linear
CdWO
4
arrays can satisfy the m eet of the NDT syst em.
Key words:detectors; high energy X-ray imaging; C dWO
4
;
photodiode
随着对大型高密度物体无损检测需求的增加,
许多高性能的高能
X
射线成像系统应运而生,如数
字化 X 射线成像技术(digital radiograph,DR)和工
业计算机断层成像术(
industrial computerized
tomography,ICT)等
[1 ]
。这些系统对探测器分系统
主要提出了如下要求:对高能
X
射线的探测效率和
灵敏度高、响应一致性好、单元尺寸适当且排列紧
凑、串扰小、动态范围大等
[2]
。
总的来说,在高能无损检测系统中,一般采用两
种类型的探测器,一种是气体电离室探测器,另一种
是闪烁晶体探测器。气体电离室探测器结构牢固、成
本低、且易做到高的一致性;但与闪烁探测器比起
来,气体探测器探测效率低且不易做到小尺寸。所以
由闪烁晶体耦合到光电二极管或光电倍增管所形成
的固体探测器阵列在高能 X 射线 CT 中得到了更为
广泛的应用
[3,4]
。
本文介绍了一种由钨酸镉晶体(CdWO
4
,
CWO
)耦合光电二极管所形成的固体阵列探测器模
块。利用 Monte-Carlo 模拟计算及基础实验,对其各
项参数进行了优化及折中。模块加工完成后,对其各
项指标都进行了直接或间接的测量。
1 理论模拟计算
1. 1 计算模型
取 9
MeV
直线加速器所产生的脉冲
X
射线作
为射线源,M onte-Carlo 模拟得其能谱分布如图 1
所示。论文中随后的计算如无特殊说明,皆以此能谱
作为输入。计算模型如图 2 所示,X 射线理论抽象
为一沿
Z
轴方向垂直入射到晶体端面中央的均匀
面源,其尺寸为宽 0. 2 m m (x 方向)、高 5mm(y 方
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