компоновка отражателя и коллиматора света для улучшенного накопления света в сцинтилляционных детекторах

Формула изобретения

1. Решетка детекторов излучения, содержащая:

- множество сцинтилляционных кристаллов (34), при необходимости из легированного цезием лютецие-иттриевого ортосиликата (LYSO), которые испускают вспышки света в ответ на излучение;

- множество фотодетекторов (38), при необходимости кремниевых фотоумножителей (SiPM), при этом каждый фотодетектор (38) имеет светочувствительную область (40), оптически связанную с помощью по меньшей мере одного элемента оптической связи со светоизлучающей поверхностью (36) по меньшей мере одного сцинтилляционного кристалла (34);

- первый отражающий слой (44), выполненный по выбору из одного из политетрафторэтилена, фторированного пропиленаэтилена и перфторалкокси-полимерной смолы, по меньшей мере частично окружающий каждый сцинтилляционный кристалл (34), при этом первый отражающий слой (44) диффузно отражает первую часть света, испускаемого сцинтилляционным кристаллом (34) и падающего на первый отражающий слой (44), и пропускает вторую часть излучаемого света;

- второй отражающий слой (46), при необходимости зеркальный отражатель на диэлектрической основе, например, алюминий, напыленный на майлар, или зеркальный отражатель, изготовленный из полированного металлического листа, рядом с первым отражающим слоем (44) для отражения света, который прошел через первый отражающий слой (44), обратно в направлении первого отражающего слоя (44) и сцинтилляционного кристалла (34).

2. Решетка детекторов излучения по п.1, в которой светоизлучающие поверхности (36) имеют большую площадь, чем светочувствительные области (40), и в которой по меньшей мере один элемент оптической связи включает в себя множество концентраторов (50) света, которые оптически связывают светоизлучающие поверхности (36) сцинтилляционных кристаллов (34) и светочувствительные области (40) фотодетекторов (38).

3. Решетка детекторов излучения по п.2, в которой концентраторы (50) света являются по меньшей мере частично параболическими.

4. Решетка детекторов излучения по п.2, в которой концентраторы (50) света имеют показатели преломления, превышающие показатели преломления сцинтилляционных кристаллов (34), и

- показатели преломления концентраторов (50) света меньше показателей преломления светочувствительных областей (40), и при необходимости дополнительно включающая в себя:

- первое средство оптической связи между каждой светоизлучающей поверхностью сцинтиллятора (36) и соответствующим концентратором (50) света, при этом первое средство оптической связи имеет показатель преломления, превышающий или равный показателю преломления кристалла (34) сцинтиллятора и меньший или равный показателю преломления концентратора (50) света; и

- второе средство оптической связи между каждой светоизлучающей поверхностью (54) концентратора и ее светочувствительной областью (40), при этом второе средство оптической связи имеет показатель преломления, превышающий или равный показателю преломления концентратора (50) и меньший или равный показателю преломления светочувствительной области (40).

5. Решетка детекторов излучения по любому из предшествующих пунктов, в которой сцинтилляционный кристалл (34) является шестигранным кристаллом, и первый отражающий слой (44) окружает сцинтилляционный кристалл (34) по меньшей мере с трех из этих шести граней, а предпочтительно с пяти из шести граней.

6. Решетка детекторов излучения по п.1, в которой полимерная пленка наносится на обе поверхности второго отражающего слоя (46), и первый отражающий слой (44) располагается между смежными сцинтилляционными кристаллами (34).

7. Решетка детекторов излучения по п.1, в которой фотодетекторы (38) включают в себя SiPM со светочувствительными областями (40), которые имеют большую площадь, чем светоизлучающие поверхности (36), и стандартная логическая схема Ангера используется для того, чтобы идентифицировать кристаллы (34).

8. Решетка детекторов излучения по п.1, в которой каждый фотодетектор (38) имеет несветочувствительную область, и которая дополнительно включает в себя:

- отражающий слой (48) опорного компонента, расположенный на несветочувствительной области каждого фотодетектора (38), который отражает свет, падающий на несветочувствительные области, обратно в направлении сцинтилляционного кристалла (34).

9. Способ обнаружения излучения, содержащий этапы, на которых:

- испускают свет с помощью сцинтилляционного кристалла (34) в ответ на фотон высокой энергии;

- рассеивают свет с помощью диффузно отражающего слоя (44), который по меньшей мере частично окружает сцинтилляционный кристалл (34);

- отражают свет, который прошел через диффузно отражающий слой, обратно в направлении сцинтилляционного кристалла (34) с помощью первого непрозрачного отражающего слоя (46), расположенного рядом с диффузно отражающим слоем (44);

- позволяют свету выходить из сцинтилляционного кристалла (34) из светоизлучающей поверхности (36) сцинтилляционного кристалла (34);

- обнаруживают свет в фотодетекторе (38), который имеет светоприемную (40) поверхность; и

- отражают часть света, которой позволяют выходить из сцинтилляционного кристалла (34), который попадает на несветочувствительную часть фотодетектора (38), обратно в сцинтилляционный кристалл с помощью непрозрачного отражающего слоя (48) опорного компонента, расположенного на несветочувствительной части.

10. Способ по п.9, при этом способ дополнительно включает в себя этапы, на которых:

- оптически связывают светоизлучающую поверхность (36) сцинтилляционного кристалла (34) с широким концом концентратора (50) света;

- оптически связывают узкий конец концентратора (50) света со светоприемной поверхностью (40) фотодетектора (38);

- концентрируют свет, испускаемый из сцинтилляционного кристалла (34), с помощью концентратора (50) света от области поверхности светоизлучающей поверхности сцинтилляционного кристалла (34) к области поверхности светоприемной поверхности (40) фотодетектора (38).

11. Способ по п.10, дополнительно включающий в себя этап, на котором:

- выбирают показатель преломления концентратора (50) света так, чтобы он был большим или равным показателю преломления сцинтилляционного кристалла (34) и был меньшим или равным показателю преломления фотодетектора (38).

12. Способ по любому из пп.9-11, в котором этап рассеяния включает в себя этап, на котором рассеивают свет с помощью слоя из одного из политетрафторэтилена, фторированного этиленпропилена и перфторалкокси-полимерной смолы.

13. Способ по п.9, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:

- наносят на две стороны полимерной пленки непрозрачное отражающее покрытие, формируя непрозрачный отражающий слой (46);

- наносят на одну из кристаллических поверхностей и непрозрачный отражающий слой (46) диффузно отражающее покрытие (44), формируя диффузно отражающий слой; и

- прослаивают полимерную пленку с покрытием между смежными гранями сцинтилляционного кристалла (34) и смежным сцинтилляционным кристаллом.

14. Решетка детекторов излучения, которая включает в себя множество элементов обнаружения, причем каждый элемент обнаружения содержит:

- сцинтилляционный кристалл (34), который испускает вспышки света в ответ на излучение и имеет светоизлучающую поверхность (36) с первым поперечным сечением;

- множество фотодетекторов (38), при этом каждый фотодетектор (38) имеет светочувствительную область (40) со вторым поперечным сечением и дополнительно несветочувствительное электронное оборудование, причем светочувствительная область (40) оптически связана с частью светоизлучающей поверхности (36) сцинтилляционного кристалла (34), при этом первое поперечное сечение больше второго поперечного сечения;

- первый отражающий слой (44), по меньшей мере частично окружающий сцинтилляционный кристалл (34), при этом первый отражающий слой (44) диффузно отражает первую часть света, испускаемого сцинтилляционным кристаллом (34) и падающего на первый отражающий слой (44), и пропускает вторую часть излучаемого света;

- второй отражающий слой (46) рядом с первым отражающим слоем (44) для отражения света, который прошел через первый отражающий слой (44), обратно в направлении первого отражающего слоя (44) и сцинтилляционного кристалла (34); и одно из

- отражающего слоя (48) опорного компонента, покрывающего несветочувствительное электронное оборудование, которое отражает свет, падающий на несветочувствительное электронное оборудование, обратно в сцинтилляционный кристалл (34), и

- множества концентраторов (50) света, причем каждый концентратор (50) света оптически связывает светочувствительную область (40) одного из множества фотодетекторов (38) с частью светоизлучающей поверхности сцинтилляционного кристалла (34).

Описание изобретения к патенту

Настоящая заявка относится к области техники обнаружения электромагнитного излучения. Она находит конкретное применение в связи с обнаружением гамма-излучения в ходе сканирования с радионуклидной визуализацией. Тем не менее, следует понимать, что она также находит применение в других детекторах, где накапливается видимый свет, и не ограничена вышеуказанным применением.

В мозаичных сцинтилляционных/твердотельных детекторах сцинтилляторы зачастую являются прямоугольными призмами. Одна поверхность обращена к твердотельному детектору, а противоположная поверхность обращена к источнику излучения. Чтобы максимизировать эффективность накопления излучения, эти две поверхности являются максимально большими, т.е. сцинтилляторы плотно сжаты. Толщина структур, таких как отражающий материал, минимизирована.

Значительная проблема заключается в надежном накоплении формируемого света. Светочувствительная область твердотельного детектора охватывает только часть поверхности, обращенной к сцинтиллятору. Поскольку сцинтиллятор обычно имеет поперечное сечение, соответствующее поперечному сечению твердотельного детектора, светочувствительная область меньше примыкающей поверхности сцинтиллятора.

Зеркальные поверхности используются для пяти поверхностей сформированного сцинтиллятора прямоугольной призмы. Тем не менее, обнаружено, что лучшие характеристики достигаются с помощью отражающего материала, который имеет возможности диффузного отражения. Считается, что диффузный отражатель дает лучшую эффективность накопления фотонов относительно зеркальной поверхности. Зеркальный отражатель, крепящийся непосредственно к сцинтиллятору, имеет тенденцию ухудшать эффективность накопления.

Полимеры, такие как политетрафторэтилен и, например, Teflon , могут быть диффузным отражателем. В типичном мозаичном PET-детекторе сцинтиллятор делится на небольшие пикселы. Примерные размеры пиксела могут составлять 4 мм × 4 мм × 25 мм. Каждый пиксел обертывается Teflon на пяти сторонах, и свет испускается из шестой стороны, которая связана с фотодетектором. Один недостаток этого типа размещения состоит в том, что Teflon имеет относительно высокий коэффициент пропускания генерируемых фотонов. Это приводит к перекрестным оптическим помехам между сцинтилляторами. Перекрестные оптические помехи могут ухудшать производительность детектора несколькими способами. Во-первых, уменьшается точность логической схемы, которая используется для идентификации сцинтиллирующего кристалла. Это приводит к более высокой вероятности неправильной идентификации кристалла или сцинтиллятора и тем самым к уменьшенному пространственному разрешению сканера. Дополнительно, если сцинтилляция происходит в кристалле на границе сцинтилляционной решетки, фотоны могут быть потеряны, поскольку они могут выходить из решетки и вообще не определяться фотодетекторами. Это может приводить к уменьшенному энергетическому разрешению краевых пикселов в детекторной решетке. Кроме того, распространение оптических фотонов по большой области приводит к увеличению возможности наложения импульсов. При высоких уровнях радиоактивности эта проблема возникает чаще, и вероятность перекрытия импульсов сцинтилляции возрастает. Это может приводить к ухудшению пространственного, энергетического и временного разрешения.

Другая проблема заключается в том, что сцинтилляторы обычно крупнее фотодетекторных элементов, с которыми они связаны. Решетки небольших лавинных фотодиодов, работающие в режиме Гейгера, например кремниевые фотоумножители (SiPM), имеют потенциал для замены предшествующих фотоэлектронных умножителей (PMT). Точная синхронизация, вплоть до диапазона в пикосекунды, является полезной в сканерах на основе PET по времени пролета (TOF-PET). Светочувствительная область SiPM является только частью полной площади поверхности. Остальная часть поверхностей является светоинертным или мертвым пространством.

Следствие этого мертвого пространства между SiPM заключается в том, что некоторый свет, испускаемый сцинтиллятором, не накапливается SiPM. В примере сцинтиллятора 4×4 мм, связанного с SiPM 4×4 мм со светочувствительной областью 2×2 мм, эффективность накопления уменьшается до 25%. Три четверти светового выхода теряются. Эта уменьшенная эффективность обнаружения ухудшает пространственное, энергетическое и временное разрешение примерно до квадратного корня от части площади.

Элемент на кремниевом фотоумножителе (SiPM) может включать в себя сопутствующее электронное оборудование, такое как лавинный фотодиод (APD), последовательно соединенный с гасящим резистором. Наличие сопутствующего электронного оборудования фактически дополнительно уменьшает фоточувствительную площадь всего комплекта. Существуют значительные расстояния между светочувствительными частями, уменьшающие полную эффективность детектора. Чем больше уменьшение чувствительной области, тем больше вероятность того, что детектор будет иметь худшее энергетическое и временное разрешение.

Настоящая заявка предлагает новый и усовершенствованный способ и устройство для более эффективного и полного использования формируемого света для чувствительных частей фотодетекторных элементов, которые преодолевают вышеуказанные и другие проблемы.

В соответствии с одним аспектом предложена решетка детекторов излучения. Множество сцинтилляционных кристаллов испускает вспышки видимого света в ответ на излучение. Множество фотодетекторов имеют светочувствительные области с площадью поверхности, которая оптически связана со светоизлучающей поверхностью сцинтилляционного кристалла. Первый диффузно отражающий слой по меньшей мере частично покрывает каждый сцинтилляционный кристалл. Первый отражающий слой диффузно отражает часть света, формируемого сцинтилляционным кристаллом. Второй зеркально отражающий слой отражает свет от сцинтилляционного кристалла, который выходит из первого диффузно отражающего слоя, обратно в сцинтилляционный кристалл.

В соответствии с другим аспектом предложен способ обнаружения излучения. Видимый свет испускается сцинтилляционным кристаллом, если на сцинтилляционный кристалл попадает фотон высокой энергии. Видимый свет рассеивается с помощью первого диффузно отражающего слоя, который, по меньшей мере, частично окружает сцинтилляционный кристалл. Видимый свет от сцинтилляционного кристалла, который выходит из первого диффузно отражающего слоя, отражается обратно в сцинтилляционный кристалл с помощью второго зеркально отражающего слоя. Видимому свету позволяют выходить из светоизлучающей поверхности сцинтилляционного кристалла. Видимый свет определяется фотодетектором, который имеет светоприемную поверхность.

В соответствии с другим аспектом предоставляется элемент решетки детекторов излучения. Сцинтилляционный кристалл испускает видимый свет в ответ на фотоны высокой энергии. Первый диффузно отражающий слой, по меньшей мере, частично окружает сцинтилляционный кристалл и рассеивает видимый свет. Второй зеркально отражающий слой, по меньшей мере, частично окружает сцинтилляционный кристалл и первый отражающий слой. Второй отражающий слой отражает видимый свет, который выходит из первого диффузно отражающего слоя, обратно в сцинтилляционный кристалл. Концентратор света оптически связан со светоизлучающей поверхностью сцинтилляционного кристалла. Концентратор света канализирует свет, испускаемый из светоизлучающей поверхности сцинтилляционного кристалла. Фотодетектор имеет поверхность, которая оптически связана с концентратором света. Светоприемная поверхность имеет оптически чувствительную область с площадью поверхности, которая меньше светоизлучающей поверхности сцинтилляционного кристалла. Фотодетектор определяет видимый свет, канализированный концентратором света.

В соответствии с другим аспектом предоставляется элемент решетки детекторов излучения. Фотодетектор имеет светочувствительную область с первым поперечным сечением. Сцинтилляционный кристалл имеет светоизлучающую поверхность со вторым поперечным сечением, причем второе поперечное сечение превышает первое поперечное сечение. Концентратор света имеет светоприемную поверхность со вторым поперечным сечением, оптически связанную со светоизлучающей поверхностью сцинтилляционного кристалла. Концентратор имеет светоразрядную поверхность с первым поперечным сечением, оптически связанную со светочувствительной поверхностью фотодетектора.

Одно преимущество заключается в повышенной эффективности накопления света.

Другое преимущество состоит в более надежном обнаружении событий излучения.

Другое преимущество заключается в способности использовать сцинтилляторы и детекторы различных размеров.

Другое преимущество состоит в уменьшенных оптических перекрестных помехах между сцинтилляторами.

Другое преимущество состоит в улучшенном накоплении света на границах детекторной решетки.

Другое преимущество заключается в простоте реализации.

Другое преимущество заключается в повышенном временном и энергетическом разрешении.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения должны приниматься во внимание специалистами в данной области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.

Изобретение может принимать форму различных компонентов и компоновок компонентов, а также различных этапов и компоновок этапов. Чертежи служат только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.

Фиг.1 является схематической иллюстрацией устройства радионуклидной визуализации в соответствии с настоящей заявкой;

Фиг.2 является видом в разрезе решетки элементов детектора, в которой первый отражающий слой, который окружает сцинтиллятор с пяти из шести граней, включает в себя третий отражающий слой на несветочувствительных элементах детектора;

Фиг.3 является видом в разрезе нескольких элементов детектора, в которых первый отражающий слой, который окружает сцинтиллятор с трех из шести сторон, включает в себя третий отражающий слой на несветочувствительных элементах детектора;

Фиг.4 является видом в разрезе решетки элементов детектора, в которой первый отражающий слой, который окружает сцинтиллятор с пяти из шести сторон, включает в себя светоконцентрирующие элементы;

Фиг.5 является видом в разрезе нескольких элементов детектора, в которых первый отражающий слой, который окружает сцинтиллятор с трех из шести сторон, включает в себя светоконцентрирующие элементы;

Фиг.6 является графиком сжатия площади в сравнении с показателем преломления материала концентратора;

Фиг.7 является видом в разрезе другого варианта осуществления решетки элементов детектора, где детекторы размещаются плотно;

Фиг.8 является видом в разрезе элемента детектора, который включает в себя один сцинтилляционный кристалл, связанный с несколькими концентраторами света.

Со ссылкой на Фиг.1, устройство 10 диагностической визуализации включает в себя корпус 12 и надлежащую основу 14. В корпус 12 помещена детекторная решетка 16. Детекторная решетка 16 включает в себя множество отдельных элементов 18 детектора. Хотя один конкретный вариант осуществления описан в отношении сканера позитронно-эмиссионной томографии (PET), следует понимать, что настоящая заявка также применима в астрофизике, к примеру в телескопах на гамма-излучении, радиографии, безопасности, промышленных и других медицинских вариантах применения, таких как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT) и рентген. В общем, настоящая заявка находит применение в визуализирующих рентгеновских лучах, гамма-лучах или других заряженных частицах с высоким энергетическим и пространственным разрешением. Решетка 16 размещается так, что элементы 18 детектора расположены рядом с областью 20 визуализации. Детекторной решеткой 16 может быть кольцо детекторов 18, несколько колец, одна или более дискретных плоских панелей и т.п. В позитронно-эмиссионной томографии (PET) пары гамма-лучей формируются событием позитронной аннигиляции в области визуализации и двигаются во встречных направлениях. Эти гамма-лучи определяются как пары, с небольшой задержкой (порядка наносекунд) между обнаружениями, если один гамма-луч продвигается дальше, чтобы достигать детектора, чем другой. Соответственно, в PET-сканерах, детекторные решетки окружают область визуализации.

Перед тем как PET-сканирование начинается, в объект впрыскивается радиоактивный медицинский препарат. Радиоактивный медицинский препарат содержит радиоактивный элемент, связанный с молекулой-признаком. Молекула-признак ассоциирована с областью, которая должна быть визуализирована, и имеет тенденцию накапливаться в ней через обычные процессы в организме. Например, быстро размножающиеся раковые клетки имеют тенденцию расходовать анормально большое количество энергии, дублируя себя. Таким образом, радиоактивный медицинский препарат может связываться с молекулой, такой как глюкоза, которую элемент типично метаболизирует для того, чтобы создавать энергию, накапливаться в таких областях и отображаться как "горячие точки" в изображении. Другие технологии отслеживают меченые молекулы, протекающие в кровеносной системе.

Для PET-визуализации выбранный радиоизотоп испускает позитроны. Позитрон может перемещаться только на очень короткое расстояние (порядка миллиметров) до того, как он уничтожается при реакции аннигиляции, которая создает два противоположно направленных гамма-луча. Пара гамма-лучей движется во встречных направлениях со скоростью света, попадая на противоположную пару детекторов, чтобы задавать линию реагирования (LOR).

Если гамма-луч попадает на детекторную решетку 16, сигнал времени формируется. Инициирующий процессор 22 отслеживает каждый детектор 18 на предмет выброса энергии, например, в интегрированной области под импульсом, характеристики энергии гамма-лучей, формируемых радиоактивным медицинским препаратом. Инициирующий процессор 22 проверяет синхросигнал 23 и помечает каждый обнаруженный гамма-луч с помощью временной метки приема переднего фронта. Временная метка сначала используется процессором верификации событий 24 для того, чтобы определять, какие гамма-лучи являются парой, которая задает линию реагирования (LOR). Поскольку гамма-лучи двигаются со скоростью света, если обнаруженные гамма-лучи поступают более чем через несколько наносекунд, они вероятно не сформированы одним событием аннигиляции и отбрасываются. Синхронизация является особенно важной в PET по времени пролета (TOF-PET), поскольку несущественная разность практически при одновременных событиях может использоваться для того, чтобы дополнительно локализовать событие аннигиляции вдоль LOR. По мере того как разрешение по времени событий становится более точным, точность, с которой событие может быть ограничено вдоль его LOR, становится выше. В камере SPECT, LOR или траектория для каждого обнаруженного гамма-луча определяется путем коллимации.

LOR сохраняются в буфере 26 хранения событий, и процессор 28 восстановления восстанавливает LOR в представление изображения объекта с использованием фильтрованной обратной проекции или другого надлежащего алгоритма восстановления. Восстановление затем может отображаться для пользователя на дисплейном устройстве 30, печататься, сохраняться для последующего использования и т.п.

На Фиг.2 показана часть детекторной решетки 16. Если гамма-луч 32 попадает на детекторную решетку 16, он взаимодействует с отдельными элементами 18 детектора. Сначала, гамма-луч 32 попадает на сцинтиллятор 34. Сцинтиллятор 34 преобразует гамма-луч 32 во вспышку света или событие 33 сцинтилляции, содержащее несколько фотонов электромагнитного излучения. Некоторые из фотонов проходят через светоизлучающую или разрядную поверхность 36 сцинтиллятора 34 и попадают на твердотельный фотодетектор 38, такой как SiPM. Светоизлучающая поверхность 36 сцинтиллятора имеет большую площадь поверхности, чем светочувствительная поверхность 40 фотодетектора 38, например 4×4 мм² в сравнении с 2×2 мм². Фотодетекторы 38, наряду с ассоциированным электронным оборудованием, т.е. несветочувствительными схемными элементами, содержатся на подложке 42.

В одном варианте осуществления фотодетекторы 38 являются твердотельными кремниевыми фотодетекторами (SiPM), но следует понимать, что фотодиоды и другие фотоприемники также жизнеспособны и безусловно рассматриваются, как и непрерывные световоды и PMT с большей площадью. В одном варианте осуществления сцинтилляторы на основе легированного цезием лютецие-иттриевого ортосиликата (LYSO) используются для того, чтобы формировать видимый свет в диапазоне сине-зеленых длин волн. Другие сцинтилляторы, такие как вольфрамовокислый кадмий (CWO), оксид германия и висмута (BGO), ортосиликат гадолиния (GSO), легированный церием ортосиликат лютеция (LSO), бромистый лантан, сульфат свинца, фторид цезия, легированный церием фтористый лантан и т.п., также рассматриваются. Сцинтилляторы, такие как BaF₂ или LaBr₃, должны испускать электромагнитное излучение с меньшими длинами волны, например в диапазоне 220-370 нм.

Только часть света из сцинтилляционной вспышки направлена непосредственно к фотодетектору 38. Обращаясь снова к Фиг.2, первый диффузно отражающий слой 44, по меньшей мере, частично окружает каждый сцинтиллятор 34. Первый отражающий слой 44 может быть полимером, таким как политетрафторэтилен и, например, Teflon в одном варианте осуществления. Аналогичные светорассеивающие материалы, такой как фторированный этиленпропилен и перфторалкокси-полимерная смола, также рассматриваются. Для первого отражающего слоя 44, фотоны, которые пытаются выходить из сцинтиллятора 34 через первый отражающий слой 44, диффузно отражаются обратно в сцинтиллятор 34 или рассеиваются и выходят из первого отражающего слоя 44. Teflon является серьезным вариантом материала для первого отражающего слоя 44 вследствие своих светорассеивающих характеристик. При диффузном отражении световой выход повышается, приводя к лучшему временному и энергетическому разрешению. Для светорассеивающих отражателей угол отражения является независимым от угла падения. Согласно закону Ламберта сила света отраженного пучка фотонов пропорциональна косинусу угла с нормалью к поверхности, и эта взаимосвязь приводит к распределению отраженных фотонов, которые фокусируются в направлении нормали к отражающей поверхности, независимо от тракта падающих фотонов, явление, известное как прямая фокусировка. Конечным результатом является то, что сила отраженного света возрастает. Тонкое покрытие Teflon , аналогично другим диффузным отражателям, является частично пропускающим, давая возможность части света проходить в соседний сцинтиллятор.

Лучшее отражение требуется, чтобы канализировать максимально возможное количество сцинтиллированного света в двойной фотодетектор. С этой целью, второй зеркально отражающий слой 46 частично окружает сцинтилляторы 34 и первый диффузно отражающий слой 44. Для компактности, второй отражающий слой 46 является отражающим на обеих поверхностях или наносится на прозрачную подложку. Он включает в себя, не ограничиваясь, двустороннее зеркало. Второй отражающий слой 46 является непрозрачным для видимого света в одном варианте осуществления, чтобы не допускать выхода света из системы или поступления в другие сцинтилляторы 34. Хотя он является непрозрачным для видимого света, следует понимать, что второй отражающий слой 46 по-прежнему является практически прозрачным для гамма-излучения. Второй отражающий слой 46 также имеет высокую степень отражения, так что весь или почти весь свет, который попадает на второй отражающий слой 46, отражается обратно в сцинтиллятор 34. Второй отражающий слой - это зеркальный отражатель, такой как пластиковая пленка с алюминиевым покрытием, или диэлектрический отражатель, или полированный металлический слой. В другом варианте осуществления используются отражающие частицы, внедренные в связующую смолу. Другие непрозрачные материалы с высокой степенью отражения также рассмотрены. Второй отражающий слой является тонким, относительно размера сцинтиллятора 34, порядка приблизительно 70 мкм.

В варианте осуществления по Фиг.2 первый отражатель 44 окружает сцинтиллятор 34 с пяти из шести граней. В другом варианте осуществления, как показано на Фиг.3, первый или диффузный отражатель 44 окружает сцинтиллятор 34 с трех из шести граней (два показаны на виде в разрезе). Две или четыре грани также возможны. В проиллюстрированных вариантах осуществления, второй отражатель 46 окружает каждый сцинтиллятор 34, канализируя сцинтиллированный свет к шестой, светоизлучающей поверхности 36 сцинтиллятора. Более высокий световой выход приводит к меньшему количеству фотонного шума в фотодетекторе 18, обеспечивая лучшее энергетическое и временное разрешение, тем самым, улучшая общие характеристики обнаружения элементов 18 детектора.

Свет, который проходит через тонкий диффузно отражающий слой 44, рассеивается по мере того, как он проходит. Таким образом, свет, который проходит через диффузно отражающий слой 44, проходящий из сцинтиллятора 34 во второй отражающий слой 46, по меньшей мере, частично рассеивается перед отражением. Свет, отражаемый вторым отражающим слоем 46, частично рассеивается по мере того, как он проходит через диффузно отражающий слой 44 обратно в сцинтиллятор 34, и частично диффузно отражается обратно в направлении второго отражающего слоя 46. Поскольку свет, достигающий второго отражающего слоя 46, проходит через диффузно отражающий слой 44, по меньшей мере, два раза, может использоваться более тонкий слой Teflon .

Для изготовления решетки листы отражающего материала вставляются между смежными сцинтилляторами 34. Каждый лист формируется напылением алюминия с обеих сторон очень тонкого, например 70 мкм, полимерного листа. Затем лист Teflon крепится на обоих алюминиевых слоях на Фиг.2 и на одном алюминиевом слое на Фиг.3. Чем более толстыми являются слои 44 Teflon , тем больше рассеяние. Но для того, чтобы поддерживать конкретный шаг, чем более толстыми являются отражающие слои, тем не менее, тем меньше поперечное сечение сцинтилляторов 34 и ниже полная эффективность преобразования гамма-лучей в свет. Вариант осуществления по Фиг.3 имеет преимущество, состоящее в том, что отражающие слои являются более тонкими (на толщину слоя Teflon ), следовательно, эффективность преобразования является более высокой. Вариант осуществления по Фиг.2 является преимущественным в том, что он максимизирует светорассеивающую отражающую поверхность.

Альтернативно, Teflon может быть прикреплен к сцинтилляторам 34, и полимерные слои с алюминиевым покрытием могут вставляться между сцинтилляторами 34. Но поскольку Teflon является пористой поверхностью (волокна с воздушными ямами), напыление тонкого алюминиевого покрытия на Teflon не создает светонепроницаемую зеркальную поверхность. Конечно, вместо Teflon и алюминия могут быть использованы другие диффузные и отражающие материалы. На верхней поверхности, где толщина является меньшей проблемой, могут использоваться аналогичные структуры. Более толстые структуры также являются возможным вариантом.

В вариантах осуществления по Фиг.2 и 3 светоизлучающая поверхность 36 сцинтиллятора 34 имеет большую площадь, чем светоприемная поверхность 40 фотодетектора. Свет, который не выходит из части сцинтиллятора, которая непосредственно связана с детектором, может быть потерян в несветочувствительных частях фотодетекторов 38, которые поддерживают светоприемные поверхности 40. Чтобы обеспечивать то, что свет, который первоначально не попадает на светоприемную поверхность 40, не теряется, несветочувствительные части фотодетектора 38 покрываются отражающим слоем 48 опорного компонента. Свет, который попадает на отражающий слой 48, отражается обратно в сцинтиллятор 34, где он дополнительно отражается и рассеивается диффузно отражающим слоем 44 и вторым отражающим слоем 46. В конечном счете, свет, который первоначально попадает на отражающий слой 48 опорного компонента, отражается внутри сцинтиллятора и достигает светоприемной поверхности фотодетектора 40. Поверхность раздела между светоизлучающей поверхностью 36 сцинтиллятора 34 и светочувствительной областью фотодетектора 40 покрывается неотражающим гелем или клеем на оптической связи, чтобы минимизировать отражение от светочувствительной области 40. Также может использоваться противоотражающее покрытие, которое включает в себя набор диэлектриков из одного или более слоев.

В этом варианте осуществления свет, который отражается внутри сцинтиллятора 34, способствует энергетическому разрешению формированного сигнала. Поскольку фактически отнимает некоторое ненулевое время (порядка пикосекунд), то, чтобы отражаться о сцинтиллятор, тем не менее, это не используется для целей синхронизации. Наоборот, фотоны, которые попадают на светочувствительную поверхность 40 фотодетектора 38 непосредственно от сцинтилляционной вспышки, без отражения, используются для того, чтобы инициировать индикатор истекшего времени. Таким образом, все или почти весь свет, который формируется из любой данной сцинтилляции, в итоге определяется. Сформированный свет попадает или на детектор 40, или на отражающую поверхность. После одного или более отражений, свет, который первоначально не попадает на детектор 40, в конечном счете, оказывается в детекторе 40. Типичные устройства имеют эффективность обнаружения приблизительно 50%, таким образом, добавление отражающего слоя 48 опорного компонента может повышать эффективность обнаружения на коэффициент 2.

Отражающий слой 48 опорного компонента может быть изготовлен из набора диэлектриков одного или более слоев. Он также может быть металлическим покрытием или комбинацией металлического покрытия и набора диэлектриков.

Применение отражающего слоя 48 опорного компонента к несветочувствительным схемным компонентам дает возможность уменьшения размера светочувствительной поверхности 40, поскольку весь свет, который сцинтиллятор формирует, в конечном счете, поступает на светочувствительную поверхность 40. Это повышает временное разрешение детектора 38 без негативного влияния на энергетическое разрешение, поскольку вся сцинтилляция по-прежнему определяется. Это применимо как к аналоговым, так и к цифровым SiPM.

В другом варианте осуществления, как можно видеть на Фиг.4 и 5, концентратор 50 света располагается между сцинтиллятором 34 и фотодетектором 38. Концентратор 50 света имеет светоприемную поверхность 52 и светоизлучающую или разрядную поверхность 54. Светоприемная поверхность 52 концентратора 50 оптически связана со светоизлучающей поверхностью 36 сцинтиллятора 34. Поверхности 52 и 36 имеют практически идентичную площадь поверхности и геометрическую форму. Таким образом, весь свет, который выходит из сцинтиллятора 34 через поверхность 36, должен поступать в концентратор 50. Гель или клей на оптической связи предусмотрен на поверхности раздела между сцинтиллятором 34 и концентратором 50 света. Аналогично, светоизлучающая поверхность 54 концентратора 50 имеет площадь поверхности и геометрическую форму, практически идентичные светочувствительной области 40 фотодетектора 38, и гель или клей на оптической связи также предусмотрен на этой поверхности раздела. Показатель преломления геля находится между двумя показателями преломления материалов, между которыми физически располагается гель, чтобы минимизировать отражение на поверхности раздела. В случае PMT в качестве детекторов использование стандартной логической схемы Ангера для того, чтобы идентифицировать сцинтилляторы, световод, такой как непрерывный световод или световод с зазорами, между сцинтиллятором и PMT, должно применяться.

Концентратор 50 канализирует свет, который поступает на светоприемную поверхность 52, к светоизлучающей поверхности 54 без значительных потерь. Требуемая степень сжатия выбирается путем выбора показателя преломления концентратора 50 относительно показателя преломления сцинтиллятора 34 и светочувствительной области 40. Пусть n₁ - это показатель преломления сцинтиллятора 34, n₂ - это показатель преломления концентратора 50, а n₃ - это показатель преломления светочувствительной области фотодетектора 38. В общем, n ₁ n₂ n₃. Скорость сжатия составляет примерно (n ₂/n₁)².

Как показано на Фиг.4 и 5, конкретные варианты осуществления включают в себя концентраторы 50, которые имеют усеченные параболические поперечные сечения. Если свет поступает в концентратор 50, вспышки света преобразуются в узкие конусы согласно закону преломления Снеллиуса. Таким образом, угловое распределение лучей в сцинтилляторе 34 для 90° уменьшается до , где =arcsin(n₁/n₂)<90°. Как известно из теории оптического накопления света, трехмерная структура, называемая диэлектрическим параболическим концентратором, рассеивает свет с углом падения ₀ и площадью падения a_i к выходной площади a₀, которая зависит от ₀, без значительных потерь.

Другие формы для концентратора 50 также рассмотрены, например усеченная пирамида с прямыми или плоскими границами вместо параболических. Параболический концентратор 50 имеет самые эффективные свойства концентрации света, но другие формы или ориентации, безусловно, являются жизнеспособными.

Таким образом, практически 100% рассеивающегося света сцинтиллятора сжимается в меньшую область вследствие разностей в показателях преломления сцинтиллятора 34 и концентратора 50 света. В одном варианте осуществления с кремниевым концентратором и сцинтиллятором LYSO, если площадь поверхности светоприемной поверхности 40 фотодетектора 38 составляет приблизительно 25% от площади поверхности светоизлучающей поверхности 36 сцинтиллятора 34, фотодетектор 38 может принимать практически 100% рассеивающегося света, испускаемого из сцинтиллятора 34. График сжатия площади в сравнении с показателем преломления (n2) концентратора 50 показывается на Фиг.6.

Со ссылкой теперь на Фиг.7, решетка фоточувствительных областей 38 показывается как плотно сгруппированная, в противоположность разнесенной решетке 42 по Фиг.4 и 5. В варианте осуществления по Фиг.7 каждый концентратор 50 света формируется так, чтобы канализировать свет к соответствующей светочувствительной области 38, даже несмотря на то что они также могут иметь различные поперечные сечения. В этом варианте осуществления светочувствительные элементы фотодетекторов 38 могут плотно группироваться, и ассоциированное электронное оборудование может находиться в другом месте на подложке 42. Следует понимать, что первый и второй отражающие слои 44, 46 по-прежнему присутствуют, но не проиллюстрированы на Фиг.7, поскольку они являются очень тонкими по сравнению со сцинтилляторами 34.

В альтернативном варианте осуществления, как показано на Фиг.8, детекторная решетка включает в себя множество элементов 60 детектора. Каждый элемент 60 детектора включает в себя один сцинтилляционный кристалл 34, такой как LYSO. Множество концентраторов 50 света связывает сцинтилляционный кристалл 34 со светочувствительными частями фотодетекторов 38. В этом варианте осуществления один сцинтиллятор 34 связан с детектором, который включает в себя решетку фоточувствительных элементов. Как и для других вариантов осуществления, сцинтилляционный кристалл 34 по-прежнему окружен первым 44 и вторым 46 отражающими слоями.

Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Очевидно, что после прочтения и понимания вышеприведенного подробного описания могут быть предусмотрены модификации и изменения. Изобретение должно трактоваться как включающее в себя все подобные модификации и изменения в той мере, в которой они находятся в рамках объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов. После описания предпочтительных вариантов осуществления далее приводится формула изобретения.