分光法探测器优化设计.docx

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1、分光法探测器优化设计摘要：基于分光法的晶体阵列解码技术是正电子发射成像系统最为高效的探测器设计方案之一，但目前基于分光法的晶体阵列解码设计依靠于经历和实验迭代，晶体解码和分光层设计缺少有效的仿真方法。该文采用了仿真软件，对分光法的探测器进行建模拟真，提出了逐列逼近的优化算法对分光层反光片进行长度优化设计，且对优化仿真中主要参数进行了分析，并组装、阵列实验模块对所提方法进行验证。实验结果表明：该基于仿真的优化设计方法能有效实现分光法探测器晶体阵列解码的仿真以及解码斑点均匀分布的反光片长度优化设计。关键词：正电子发射成像；探测器设计分光法是一种高效的正电子发射成像技术探测器设计方案，能利用较少的光

2、电倍增管，对整个晶体阵列实现解码。例如，对于方块形探测器，个光电倍增管便可实现解码；基于光电倍增管象限分享，设计的探测器可进一步提高对晶体阵列的解码效率。因而，分光法是大型正电子发射成像系统、等公司产品最为重要的探测器设计方案之一。然而，分光法探测器设计难度较大，很多因素都会影响探测器的性能，包括闪烁晶体光输出、衰减系数、衰减时间、本征能量和时间分辨率、折射系数等、光导材料的光学性能折射率、可见光衰减长度等、光学耦合材料的光学性能空气耦合和光学胶水耦合有差异、闪烁晶体和光导的外表处理机械抛光、化学腐蚀、机械切割等、光学反射材料聚四氟乙烯反光带、加强型镜面反光片、高密度聚乙烯合成纸等及其性能镜面

3、反射、漫反射等。目前，基于分光法的晶体阵列解码技术依靠于经历和实验迭代，晶体解码和分光层设计缺少有效的仿真方法。是基于的仿真方法，能较为准确实现闪烁晶体的光学仿真。本文利用软件，对分光法探测器进行建模，提出了逐列逼近的分光层设计优化方法，对分光法探测器进行优化设计。分光法探测器基于的探测器、方块形探测器和多边形探测器五边形及以上，例如公司的六边形阵列排布方式的探测器都是分光法探测器，方块形探测器是最经典的分光法探测器，本文以方块形探测器为例作研究。如图所示，方块形探测器包括晶体层、分光层和层。晶体层中，多个晶体条组成晶体阵列，晶体条之间有反光片，反光片将晶体条内部传输的闪烁光子局限于捕获事件的

4、晶体条内，便于解码。分光层的一端与晶体层用光学胶水耦合，在耦合端面上有不同深度的刻槽，刻槽中填有不同长度的反光片，这些反光片与晶体层中的反光片逐一对应。分光层的另一端面上耦合个大小一样的，且的直径约为晶体阵列边长的一半。对于晶体阵列中的一次光子事件，采用逻辑方法，用个采集到的能量算出事件在晶体阵列中的发生位置，这一经过称为晶体阵列解码。为了保证晶体阵列能够较好解码，分光层中的反光片长度要知足一定的规律，如图所示，边缘处反光片长，中心处反光片短，且详细长度需准确控制。晶体阵列的解码准确率影响正电子发射成像系统的空间分辨率，而分光层中反光片的优化设计决定了晶体阵列解码效果。晶体阵列解码好坏由晶体阵

5、列解码图表示，如图所示，解码图中的斑点与晶体条单元逐一对应，假如解码斑点相互重叠，就难以反算光子事件对应于哪个晶体条单元。图也展示了分光层优化前后的晶体阵列解码图。分光层优化即对分光层刻槽中反光片序列的长度进行优化设计。基于的分光法探测器建模拟真分光层反光片优化设计对于探测器解码效果具有决定性的意义，然而目前分光层反光片长度优化大多依靠于经历和试错实验迭代。仿真软件提供了一个光学仿真工具，能够对光子在传输经过中的衰减、折射、反射进行模拟，能够定义不同的光学界面。为了用软件对探测器进行仿真和优化设计，将探测器简化为图所示的构造，包括闪烁晶体、反光片、光学胶水、光导材料和光电传感器；由于软件只提供

6、了部分几何构造，无法直接定义出刻槽的分光层构造，所以需要将分光层进行拆分，如图中将实体定义为与实体一样的光导材料，等效实现了刻槽光导构造的建模。图为基于软件的方块形探测器的几何模型。分光层反光片长度优化分光层反光片优化方案图所示为分光层反光片优化方案，以解码图斑点均匀分布为优化目的，以每个晶体在解码图中对应的位置为其优化目的位置。由于外侧反光片比内侧反光片长，内侧反光片长度的变化对于外围晶体单元的解码位置影响较小，因而本文提出了从外向内依次优化反光片的逐列逼近分光层优化设计方法。由于反光片序列对解码斑点的影响具有协同性，调整一块反光片对所有斑点都有影响，用逐列优化方法得到的结果并非最终的优化值

7、，只是反光图分光层反光片长度优化方案片优化目的的逼近值。为了得到最终的优化方案，需要用上一次的逼近值作为初始值进行优化迭代。如图所示的探测器，依次优化反光片、和。首先优化，使得晶体对应的解码斑点位于目的位置；然后优化，使得晶体对应的解码斑点位于目的位置，直到完成对的优化。在这个优化经过中，改变内侧的反光片会对外侧晶体的解码位置产生一定的影响，可能使其偏离目的解码位置，因而用优化后的、和作为初始值再次依次优化，由于迭代的初始值非常接近优化目的，保障了内侧反光片优化后外围晶体的解码斑点仍位于目的位置。图所示为基于仿真的分光层优化流程图。首先，给定反光片序列的初始值；其次，根据设置的反光片序列长度生

8、成几何模型所需的脚本文件；然后，随机生成光子事件位置，进入主程序完成一次光子事件的光学仿真，计算此次事件的解码位置；循环产生屡次光子事件，计算解码位置并保存；到达仿真事件数要求后计算平均解码位置，并计算其与目的解码位置的误差，根据误差调节反光片增加或缩小反光片的长度，直到误差足够小并知足设定要求；依次对反光片序列进行优化，所有反光片均完成优化后，此时的反光片长度作为初始值迭代入下次优化。仿真优化在环境下完成，编写脚本文件循环调用程序，并利用程序自动修改模型的参数脚本文件，并分析仿真产生的结果，全经过无人工干涉。仿真参数设置表为仿真的主要参数。在仿真经过中，为了提高仿真速度，能够将的检测效率等效

9、在晶体的光输出上，但是需要在可见光能量探测值上增加一个量子噪声。光学仿真跟踪了每个光子的途径，非常耗时。优化算法里两个参数对仿真速度影响较大：反光片调节步长和位置误差容忍值。反光片调节步长代表每次反光片调节的梯度，位置误差容忍值代表优化位置的准确度。当仿真的解码位置均值与目的解码位置的误差小于时，以为知足设定要求，该反光片优化完成。解码图分辨率为像素。、和耗时三者的关系如表所示主频。其中，光子事件采样数为。当时，完成优化所需时间约为时的一半；但当时，在的精度下无法完成优化；当时可完成的优化目的。解码位置收敛速度研究优化仿真的耗时不但与反光片调节步长和位置误差容忍值有关，还与设定的光子事件采样数

10、相关。图展示了光子事件采样数与定位误差期望的关系曲线。图展示了光子事件采样数分别为、和时其定位误差的概率分布情况。从图能够看出，当光子事件采样数在，范围内，定位误差期望随着采样数的增加快速下降。当采样数为时，定位误差期望为像素；采样数为时，定位误差期望到达像素。当采样数大于时，定位误差期望固然逐步减小，但是变化缓慢。当采样数为时，定位误差期望降低为像素，采样数为时，定位误差期望为像素。图、和分别为事件采样数、和时的定位误差概率分布。当事件采样数为时，的定位误差小于像素；当事件采样数为时，的定位误差小于像素；当事件采样数为时，的定位误差小于像素。由此可见，在仿真时，为了缩短时间，当位置误差容忍值

11、设定为时，能够将事件采样数减小为，仿真时间相比事件采样数时缩短；但当位置误差容忍值设定为时，事件采样数不宜小于。实验验证实验模块为、的晶体阵列，如图所示。用硅油作为分光层光导材料，替代常用的玻璃，个浸没在光导材料中，采用方块形探测器的组装方式接收可见光子。对应的仿真模型，只需将图中光学胶水的性能设置成光导材料的性能，即可完成仿真，如图所示。图所示为图所示探测器的实验解码图，图为对应的仿真优化解码图。能够看出，实验解码图中斑点各自独立未重叠，且解码斑点位置基本知足均匀分布。但可以以看到，一些斑点存在变形，这一方面是由于解码图受晶体均匀性、晶体自发辐射、晶体外表处理质量、系统性误差枕形失真、增益和

12、信息采集基线设置等因素的影响，另一方面是由于探测器的加工组装存在误差，反光片微小的误差都会导致解码图较大的变化。结论本文研究了分光法探测器的仿真与优化问题。首先用仿真软件实现了对分光法探测器的建模拟真；其次提出了逐列逼近的分光层优化算法，实现了对分光层反光片设计的优化，并对仿真优化经过中的关键参数进行了讨论与研究；最后用实验结果验证了基于仿真的分光法探测器仿真与优化设计的有效性。本文结论主要有下面两点：仿真软件能有效实现分光法探测器的仿真建模，逐列逼近的分光层优化方法能完成探测器分光层的仿真优化，仿真结果和实验结果能较好匹配，但是实验结果非常容易遭到加工质量的影响；分光层仿真优化中，仿真事件采样数、反光片调节步长和位置误差容忍值对仿真效率有较大影响，同时仿真事件采样数对定位误差有较大影响，仿真时光子事件采样数应该大于。