一種切倫科夫輻射探測方法與裝置與流程

本發明涉及數字信號處理、光電信號處理和核探測領域，尤其涉及一種單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法與裝置。

背景技術：

切倫科夫輻射是一種由高速帶電微粒發出的可見光區域及附近的電磁輻射。已有的切倫科夫探測器，主要是高速的光電探測器單元，在讀出切倫科夫事件的位置信息和能量信息方面十分欠缺，例如在阿爾法磁譜儀上的切倫科夫計數器，其方向是通過其他粒子探測器來進行捕獲的。如果輻射事件發出的事件數較少，或者沒有其他的粒子被探測到，切倫科夫事件的方向信息將很難被捕獲，極大地限制了切倫科夫輻射在生物、醫學、國防、工業上的應用和推廣。

因此，針對上述問題，有必要針對切倫科夫光子及其輻射系統，提供一種新的切倫科夫輻射探測方法與裝置，以克服上述缺陷。全面捕獲單個切倫科夫輻射事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種切倫科夫輻射探測方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個切倫科夫事件的多個光子的電信號樣本，通過多光子時間符合，剔除自發光事件，增大重構圖像信噪比，避免基線漂移對讀出信號的影響。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種切倫科夫輻射探測方法，其包括步驟：

S1：通過安放光電探測器陣列，讀出帶電粒子發出切倫科夫光子射向探測器模組的光子計數和每個計數的時間；

S2：對讀到的時間進行時間符合；

S3：通過光子在孔內的相對位置來估計切倫科夫事件發生的位置。

優選地，在上述的切倫科夫輻射探測方法中，所述切倫科夫單事件是指單個放射性同位素原子核發射帶電粒子在介質中發生切倫科夫效應。

優選地，在上述的切倫科夫輻射探測方法中，所述的單光子事件是指生物體通過自發光或者切倫科夫事件發出的單個可見光或軟紫外光光子擊中光電器件被吸收的事件。

優選地，在上述的切倫科夫輻射探測方法中，所述時間符合是指多個單光子（不少于20個）事件在很短的時間內（例如20 ns）發生，即認為這多個單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

優選地，在上述的切倫科夫輻射探測方法中，所述探測器的感光孔是指建造在探測器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定切倫科夫輻射發生的位置。

一種切倫科夫輻射探測裝置，其中包括光電探測器模塊、多事例時間符合模塊和切倫科夫事件估計模塊，其中，

光電探測器模塊，用于以多視角的方式實現對切倫科夫光子的探測。探測器模塊的設計采用孔狀的探測幾何和單光子響應時間較快的光電器件，用以獲取切倫科夫事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息；

多事例時間符合模塊，用于判斷多光子事件是否屬于一次切倫科夫事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如20 ns）內有多個單光子事件（不少于20個）；

切倫科夫事件估計模塊，用于將符合的單光子信息重建成切倫科夫事件的屬性。

從上述技術方案可以看出，通過采用本發明的切倫科夫輻射探測方法與裝置，能有效提高裝置的成像信噪比，抵御生物組織自發光影響，特別適合于植物等成像深度要求不高的活體成像。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

（1）無透鏡設計，接收到的切倫科夫光子數多，進而可以獲得較高的圖像信噪比；

（2）超大視野的探測器設計，一次掃描即可同時獲取無數視角的切倫科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物體自發光的時間符合設計，有利于降低成像的背景噪聲；

（4）全事件讀出設計可以全面的讀出切倫科夫事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發明的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法的流程圖；

圖2為本發明單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測裝置的裝置結構圖；

圖3為本發明的切倫科夫輻射探測裝置的位置計算示意圖；

圖4為本發明切倫科夫輻射產生機制示意圖；

圖5為本發明切倫科夫探測器探測到的典型的光子強度圖；

圖6為本發明切倫科夫探測器探測到的位置譜；

圖7為本發明典型的切倫科夫輻射探測裝置的30個切倫科夫事件的重建結果；

圖8為本發明剖面一的測試假體的重建結果；

圖9為本發明剖面二的測試假體的重建結果；

圖10為本發明剖面三的測試假體的重建結果。

具體實施方式

本發明公開了一種單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法與裝置，該方法與裝置能有效地實現事件到達時間的標記，提升模塊及裝置的時間分辨率。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，本發明公開的單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法與裝置通過以事件的數據形式采集單光子信號，再利用時間符合和估計理論甄別出切倫科夫事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：通過安放光電探測器陣列，讀出帶電粒子發出切倫科夫光子射向探測器模組的光子計數和每個計數的時間；

S2：對讀到的時間進行時間符合；

S3：通過光子在孔內的相對位置來估計切倫科夫事件發生的位置。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測裝置中，所述切倫科夫單事件是指單個放射性同位素原子核發射帶電粒子在介質中發生切倫科夫效應。。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測裝置中，所述的單光子事件是指生物體通過自發光或者切倫科夫事件發出的單個可見光或軟紫外光光子擊中光電器件被吸收的事件。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測裝置中，所述時間符合是指多個單光子（不少于20個）事件在很短的時間內（例如20 ns）發生，即認為這多個單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測裝置中，所述探測器的感光孔是指建造在探測器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定切倫科夫輻射發生的位置。

如圖2所示，本發明公開的一種切倫科夫輻射探測裝置，包括光電探測器模塊100、多事例時間符合模塊200和切倫科夫事件估計模塊300，其中，

光電探測器模塊100，用于以多視角的方式實現對切倫科夫光子的探測。探測器模塊的設計采用孔狀的探測幾何和單光子響應時間較快的光電器件，用以獲取切倫科夫事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息；

多事例時間符合模塊200，用于判斷多光子事件是否屬于一次切倫科夫事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如20 ns）內有多個單光子事件（不少于20個）；

切倫科夫事件估計模塊300，用于將符合的單光子信息重建成切倫科夫事件的屬性。

圖1為本發明單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法的流程圖。圖2為本發明單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測裝置的裝置結構圖。圖3為本發明的切倫科夫輻射探測裝置的位置計算示意圖。圖4為本發明切倫科夫輻射產生機制示意圖。圖5為本發明切倫科夫探測器探測到的典型的光子強度圖。圖6為本發明切倫科夫探測器探測到的位置譜。圖7為本發明典型的切倫科夫輻射探測裝置的30個切倫科夫事件的重建結果。圖8為本發明剖面一的測試假體的重建結果。圖9為本發明剖面二的測試假體的重建結果。圖10為發明剖面三的測試假體的重建結果。結合圖3、圖4及圖5，通過幾個具體的實施例，對本發明單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法與裝置做進一步描述。本發明提出的單光子時間分辨的切倫科夫輻射探測方法與裝置，其涉及到的參數、時間符合處理需要根據與獲取數據的特點進行調節以達到良好的切倫科夫輻射分辨性能和較短的脈沖持續時間。此處列出所涉及的應用實施例處理數據的參數。

實例1：

此處列出本實施例處理數據的參數：

步驟（1）采用紅光增強的硅光電倍增管，探測器采用環狀結構；

步驟（2）符合時間約為2ns，符合判斷采用離線式的時間符合處理；

步驟（3）采用解析的切倫科夫事件重建方法，直接繪出切倫科夫的時間和位置。

實例2：

此處列出本應用實例2處理數據的參數：

步驟（1）采用紅光增強的光電倍增管，探測器采用平板結構；

步驟（2）符合時間約為10ns，符合判斷采用在線式的時間符合處理；

步驟（3）采用迭代的切倫科夫事件重建方法，逼近式繪出切倫科夫的時間和位置。

本發明的方法和裝置可以用于輻射帶電微粒的核技術，包括核探測、核分析、核醫學儀器。

本發明提供的切倫科夫輻射探測方法中。通過時間符合，剔除生物體的自發光和背景光。通過單光子事件在孔內的相對位置判斷切倫科夫事件的時間和位置，比背景技術中的單視角或者電流電荷讀出的切倫科夫成像方法的成像質量好，捕獲的切倫科夫光子多。

本發明公開的切倫科夫輻射探測方法中，注入可發射帶電粒子的同位素可用于標記生物體中的生化和生理過程；讀出帶電粒子發出切倫科夫光子射向探測器模組的光子計數和每個計數的時間；對讀到的時間進行時間符合；通過光子在孔內的相對位置來估計切倫科夫事件發生的位置；對估計的切倫科夫的位置和時間進行重建，獲得核素的分布。通過比對可以看出，通過采用本發明的切倫科夫輻射探測方法與裝置，能有效提高裝置的成像信噪比，抵御生物組織自發光影響，特別適合于植物等成像深度要求不高的活體成像。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

（1）無透鏡設計，接收到的切倫科夫光子數多，進而可以獲得較高的圖像信噪比；

（2）超大視野的探測器設計，一次掃描即可同時獲取無數視角的切倫科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物體自發光的時間符合設計，有利于降低成像的背景噪聲；

（4）全事件讀出設計可以全面的讀出切倫科夫事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。