基于连续晶体的康普顿成像探测器技术研究

Compton imaging camera has the advantage in the field of FOV, imaging efficiency, detection area and without collimator. The detector based on the continuous crystal has the advantages of simple structure, high energy resolution, high efficiency and low cost. According to the requirements of high performance Compton camera scintillation detector in the nuclear detection field, the continuous crystal scintillator model is simulated by Monte Carlo simulation and the effect factors of intrinsic spatial resolution will be analyzed. Based on the requirements of Compton camera, the key elements of the position sensitive detector are designed to meet the needs of high resolution and high energy resolution. The corresponding test plan will be established and the testing platform will be built. The designed camera angle resolution will be better than 10°@662keV. The application of Compton imaging camera will be promoted in the field of biomedical imaging, astrophysics, and nuclear environment monitoring.

康普顿成像相机在视野、成像效率、探测面积和无需准直器等方面具有优势。基于连续晶体的探测器具有结构设计简单、能量分辨率高、探测器效率高以及造价低等优点。本项目结合核监测领域康普顿相机对高性能闪烁探测器的需求，从连续晶体闪烁体模型入手，通过蒙特卡罗方法模拟计算，对影响晶体内在空间分辨率的因素进行分析；确定影响探测器特性的关键要素，结合康普顿相机的需求，完成满足高时间分辨、高能量分辨的位置灵敏探测器闪烁体设计；建立相应的探测器测试方案并搭建平台；相机角分辨设计指标优于10°@662keV。通过本项目的实施推动康普顿成像相机在放射性核素探测的生物医学成像、天体物理、核环境监测等领域的应用。

用于康普顿相机的探测器需要对组成相机的探测器中的射线入射位置、射线能量和时间性能进行准确测量。连续晶体形式可改善探测器的能量分辨和时间性能。连续晶体探测器的空间定位是连续的，若将基于连续晶体的探测器应用于康普顿成像探测，将有利于提高康普顿相机的发生作用点定位性能，从而改善定位误差带来的角度分辨。本项目提出一种结构，可以作为康普顿探测器的一种新设计，即将透镜用于调制闪烁光的输出。本项目建立了连续晶体和透镜结构的仿真模型，可对多种影响因素进行模拟分析，根据需求对探测器结构进行优化，完成了闪烁体材料、闪烁体结构的模拟设计和闪烁体表面工艺、耦合方式等光学机制研究。建立了连续晶体+透镜结构的射线作用点定位重建算法，实现了算法的自动化的数据处理的完整流程，完成了探测器性能评价模拟与实验设计。搭建了基于连续晶体的探测器实验平台，建立了连续晶体和透镜性能测试的实验方法，完善了不同封装下的晶体性能数据，为连续晶体探测器的设计提供数据基础。项目研究的探测器具有结构简洁的特点，可减少射线成像编码成像技术中的码板结构和康普顿成像中的双层结构，使得探测器结构更加简洁。由于采用透镜结构可以获取康普顿事例的两个作用点，还可以在康普顿成像中减少符合判选的电子学，从而减少电子学的设计难度，可在射线成像、粒子探测等领域推广使用。