技术领域
[0001] 本
发明属于核
辐射探测技术领域，涉及一种用于进行放射源核素识别的伽马相机及放射源核素识别方法，尤其是涉及一种基于全吸收判断机制放射源核素识别的伽马相机及利用该相机进行核素识别的方法。
背景技术
[0002]
放射性源项调查是
核设施退役工程中必不可少的
基础性工作，其目的是确定场所中
放射性核素的数量、种类以及空间分布，为退役方案的制定提供参考和依据。在环境核辐射监测、核事故应急以及核反恐等领域中，也需要快速确定放射性物质的核素种类和
位置分布。γ相机(伽马相机)是一种伽马(γ)射线成像装置，它可以快速获取γ辐射源的空间位置分布，因此在核设施退役
去污、环境核辐射监测以及核事故应急等领域发挥着重要作用。放射性源项调查的常规流程一般是先通过伽马相机得到场所中放射性污染物质的总体空间分布，再通过伽马(γ)谱仪确定污染物所包含的具体核素种类。然而，该方法却无法得到具体的某一种核素的位置分布情况。如果伽马相机可以同时实现γ射线成像和核素识别功能，那么只需利用伽马相机就可以准确地知道场所中放射性核素的种类和每一种核素的空间分布；放射性源项调查过程将变得更加的简单、快捷，所获得的源项数据也将会更加的准确、完整。因此，为了实现高效的放射性源项调查目的，需要具备能够准确识别核素功能的伽马相机。
[0003] 目前，大部分伽马相机如CARTOGAM、GammaVisor以及GammaCam等都只能得到γ放射源的二维强度分布信息，不具有核素识别功能。2003年，美国RMD公司发明了一种称为“DataCube”
数据处理方法，并将其应用于RadCam2000TM伽马相机上。其基本思想是把γ射线的位置信息和
能量信息结合起来进行存储，通过
选定“能窗”，可以对特定核素的位置分布进行显示；通过选择“位置窗”则可对选定区域的γ能谱进行显示。英国的RadScan和中国
原子能科学研究院研制的伽马相机也是在获取γ能谱的基础上通过“能窗”选择来得到不同核素的位置分布信息。2013年报道的法国CAE和CANBERRA公司合作研制的新一代伽马相机Medipix2仅通过设定不同
阈值对γ射线在探测器产生的
信号大小进行甄别，由此来实现简单的核素识别功能。总体上，当前具有核素识别功能的伽马相机本质上都是利用单个探测器测量得到γ射线的能量，再通过能窗的设定实现核素识别。
[0004] 然而，由于γ射线与闪烁晶体的相互作用包括
光电效应、康普顿散射以及
电子对效应三种可能过程。对于单个γ射线来说，如果发生康普顿散射或电子对效应的，那么γ射线在探测器中沉积的能量将不是γ射线本身的能量。反映在γ能谱上，则表现为能谱中不仅包括全能峰、还存在康普顿坪和逃逸峰。对于存在混合γ源的场所，能量较低的γ射线的全能峰必然是和高能γ射线的康普顿坪重叠在一起的。因此，通过设定“能窗”选取低能γ射线来进行位置显示时不可避免地会包含高能γ射线的康普顿散射本底，这种情况下得到的位置分布就不是所选定核素的真实位置分布。即，单纯通过能窗选取的方法不能有效地进行核素识别。因此，亟需一种能够快捷准确的进行放射源核素识别的伽马相机及核素识别方法。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服现有伽马相机及其核素识别方法进行核素识别时准确率低且使用便利性差的缺点，提供一种具有放射源核素识别功能的伽马相机及核素识别方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：具有放射源核素识别功能的伽马相机，包括依次相连接的
探头单元、
信号处理单元、
数据采集单元和数据处理及显示单元，所述探头单元包括针孔
准直器、主探测器、反符合探测器及屏蔽罩，所述屏蔽罩为四面及后侧的
侧壁围绕而成具有前侧开口的罩体，屏蔽罩内为用于放置主探测器及反符合探测器的容腔屏蔽罩的前端设有
针孔准直器，使得放射源的伽马射线仅能通过针孔准直器进入容腔中，针孔准直器与主探测器、反符合探测器隔有一定距离，所述反符合探测器围绕在主探测器的四面及后侧，所述主探测器包括
闪烁体阵列及位置灵敏
光电倍增管，位置灵敏光电倍增管设置在闪烁体阵列的后表面，针孔准直器与闪烁体阵列及位置灵敏光电倍增管同轴设置，以便使得光束通过针孔准直器直接全部入射到闪烁体阵列上；
[0007] 信号处理单元包括依次连接的前置放大
电路、增益调节电路、A/D
采样电路及
微处理器，用于对主探测器及反符合探测器的
输出信号进行放大、滤波成形及A/D转换处理，并将处理之后的信号传递给数据采集单元；
[0008] 数据采集单元用于接收信号处理单元传递的信号，并依据信号计算出并储存放射源的伽马射线的位置信息及能量信息，并将该信息传输给数据处理单元，同时依据信号对主探测器和反符合探测器同时有输出信号的情况进行标记和筛选，并将标记和筛选的结果传递给数据处理单元；
[0009] 数据处理及显示单元读取数据采集单元传递的位置信息及能量信息，并利用标记和筛选的结果判断放射源的伽马射线是否发生全吸收，并进行特定核素成像。
[0010] 具体的，所述反符合探测器的探测介质为BGO晶体。
[0011] 具体的，所述闪烁体阵列为NaI或CsI或LaBr3或LaCl3闪烁体阵列。
[0012] 进一步的，所述闪烁体阵列和位置灵敏光电倍增管之间涂敷有
硅脂。
[0013] 具体的，所述闪烁体阵列为总面积50mm×50mm，单元横截面尺寸为1mm的CsI闪烁烁体阵列，所述位置灵敏光电倍增管的型号为Hamamastu R2486-02。
[0014] 本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
[0015] 核素识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0016] 第一步.利用上述具有放射源核素识别功能的伽马相机获取主探测器的四路输出信号，以及反符合探测器的一路输出信号；
[0017] 第二步.对五路信号进行处理；
[0018] 第三步.基于第二步处理后的信号，进行计算，得到放射源的伽马射线的位置及能量结果，并存储结果，同时判断位置主探测器的输出信号和反符合探测器的输出信号是否为同时出现，对输出信号的情况进行标记和筛选；
[0019] 第四步.读取放射源的伽马射线的位置及能量结果，并利用标记和筛选的输出信号情况判断放射源的伽马射线是否发生全吸收，并进行特定核素成像。
[0020] 具体的，第二步具体为对五路信号进行放大、滤波成形及A/D转换，并通过FPGA产生时钟基准来控
制模数变换器ADC的采样
频率。
[0021] 进一步的，第二步中在对五路信号进行放大之前，需要通过极-零相消电路对五路信号进行处理，而后将五路信号通过滑动变阻器分压，进行信号放大。
[0022] 具体的，第三步中，得到放射源的伽马射线的位置及能量结果后需要将结果滤波后，依次进行脉冲成形、基线估计、堆积判弃、幅度提取后存储结果。
[0023] 本发明的有益效果是：在常规的基于闪烁晶体阵列—PSPMT的伽马射线位置测量系统基础上，通过设置一组外围探测器对闪烁晶体阵列上发生全吸收或康普顿散射的事例进行判别；利用反符合技术对在主晶体上发生全吸收的事例进行筛选，使测量得到的伽马射线能量与其实际能量相对应。将由伽马探测器得到的每一个伽马射线的测量位置和测量能量(即X、Y坐标和输出信号总大小)作为一个数据组来进行存储以便于进行数据处理，最终实现根据伽马射线能量对不同核素的位置分布进行分别显示的功能。该方法能够使得利用γ相机进行测量时能直接获得各种特定放射性核素的位置分布信息，使用方便，准确率高。本发明适用于进行识别核素操作。
附图说明
[0025] 图2是本发明伽马相机的探头单元的结构示意图；
[0026] 图3是本发明中信号处理单元及数据采集单元的流程示意图；
[0027] 其中，1为针孔准直器，2为闪烁体阵列，3为位置灵敏光电倍增管，4为反符合探测器，5为屏蔽罩。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图及
实施例，详细描述本发明的技术方案。
[0029] 如图1所示，本发明的具有放射源核素识别功能的伽马相机，包括依次相连接的探头单元、信号处理单元、数据采集单元和数据处理及显示单元。
[0030] 如图2所示，所述探头单元包括针孔准直器1、主探测器、反符合探测器4及屏蔽罩5，所述屏蔽罩5用于屏蔽可见光，其具体为上下左右四面及后侧的侧壁围绕而成具有前侧开口的罩体，屏蔽罩5内为用于放置主探测器及反符合探测器4的容腔，屏蔽罩的前端设有针孔准直器，放射源的伽马射线只可以通过前侧的针孔准直器进入容腔内，针孔准直器1与主探测器、反符合探测器4隔有一定距离，以便探测由所述准直器透射后的伽马射线。所述反符合探测器4围绕在主探测器的上下左右四面及后侧，基于探测效率及探测灵敏度考虑，其探测介质选为BGO晶体，采用光电倍增光对γ射线在BGO上产生的闪烁光进行收集；主探测器包括闪烁体阵列2及位置灵敏光电倍增管3，闪烁体阵列2为NaI或CsI或LaBr3或LaCl3闪烁体阵列。位置灵敏光电倍增管3设置在闪烁体阵列2的后表面，位置灵敏光电倍增管与闪烁体阵列2光耦合以接收闪烁体阵列2在吸收伽马射线能量后发出的可见光并将所述可见光转换为
电信号，具体可以在二者之间涂敷有硅脂予以固定；针孔准直器与闪烁体阵列2及位置灵敏光电倍增管3同轴设置，以便使得光束通过针孔准直器直接全部入射到闪烁体阵列2上。
[0031] 信号处理单元包括依次连接的前置放大电路、增益调节电路及A/D采样电路，信号处理单元分别与主探测器、反符合探测器4及数据采集单元相连，用于对主探测器及反符合探测器4的输出信号进行放大、滤波成形及A/D转换处理，并将处理之后的信号传递给数据采集单元；
[0032] 数据采集单元用于接收信号处理单元传递的信号，并依据信号计算出并储存放射源的伽马射线的位置信息及能量信息，并将该信息传输给数据处理单元，同时依据信号对主探测器和反符合探测器4同时有输出信号的情况进行标记和筛选，并将标记和筛选的结果传递给数据处理单元；
[0033] 数据处理及显示单元读取数据采集单元传递的位置信息及能量信息，并利用标记和筛选的结果判断放射源的伽马射线是否发生全吸收，并进行特定核素成像，最终完成伽马射线二维图像的显示和能谱的显示。该单元具体可由
软件、显示器及处理器组成。
[0034] 为了识别放射源核素，其方法包括：利用上述具有放射源核素识别功能的伽马相机获取主探测器的四路输出信号A、B、C、D，以及反符合探测器的一路输出信号T；对五路信号进行放大、滤波成形及A/D转换，并通过FPGA产生时钟基准来控制模数变换器ADC的
采样频率；基于前述处理后的信号，进行计算，得到放射源的伽马射线的位置及能量结果，并存储结果，同时判断位置主探测器的输出信号和反符合探测器的输出信号是否为同时出现，对输出信号的情况进行标记和筛选；读取放射源的伽马射线的位置及能量结果，并利用标记和筛选的输出信号情况判断放射源的伽马射线是否发生全吸收，并进行特定核素成像。
[0035] 实施例
[0036] 本例中的具有放射源核素识别功能的伽马相机包括以下各部分，其方法详见各部分叙述：
[0037] (1)探头单元
[0038] 建立基于“针孔准直器——闪烁体阵列——位置灵敏光电倍增管”结构的伽马相机探头。采用总面积50mm×50mm，单元横截面尺寸为1mm的CsI闪烁体阵列配合Hamamastu R2486-02位置灵敏光电倍增管作为γ射线位置测量系统。准直器采用钨
合金构成，针孔60
尺寸设计时满足闪烁体灵敏面积对应的总的
视野达到30°×30°，针孔外 Co 1.33MeV伽马射线的透过率小于0.1％。γ射线通过针孔型准直器后打在闪烁体阵列上后，将会在HamamastuR2486-02位置灵敏光电倍增管的四个输出端上产生信号。由后序单元可以测得四个输出端的输出信号幅度分别为A、B、C和D，则对γ射线测量位置的二维坐标可由公式X＝A/(A+B)、Y＝C/(C+D)来确定，γ射线的能量由公式E＝k*(A+B+C+D)来进行计算。
当有大量γ射线入射时，通过位置灵敏光电倍增管测量γ射线在闪烁体上的位置分布就可以反推出γ放射源的二维空间分布。
[0039] (2)信号处理单元
[0040] 包括前置放大电路、增益调节电路、A/D采样电路及微处理器，主要完成的工作是放射源放射出的γ射线，并把其转换成电信号，再经过放大、滤波成形、A/D转换等初步处理，得到捕捉的γ射线打在探头单元的晶体上的准确位置信息以及能量信息，交于数据采集单元进行特定的数据采集与传输。
[0041] 伽马相机的探测部分包括主探测器和作为外围探测器的反符合探测器。基于Hamamastu R2486-02的γ相机共有A、B、C、D四路输出信号，外围探测器有一路输出信号T。研制一个五通道的前置
放大器，再针对前置放大器输出信号设计一套滤波成形电路。成形电路的输出信号由A/D转换芯片进行数字化，通过FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程
门阵列)产生时钟基准来控制模数变换器ADC的采样频率。
[0042] (3)数据采集单元
[0043] 数据采集单元主要完成γ射线的位置计算、能量计算和结果存储，同时判断位置灵敏光电倍增管输出信号和外围反符合探测器输出信号是否为同时出现，对输出信号的情况进行标记和筛选，以便后续γ成像软件系统可以对发生全吸收或康普顿散射的γ射线进行区分。其关键为对γ射线的位置信息和能量信息进行同步存储，(即每一个γ射线的X、Y坐标都要和能量E相对应)。
[0044] 对两个探测器的信号处理过程和数据采集过程如图3所示。
[0045] 前端探测器输出的信号周期较长，前沿上升的较快，而后沿下降到基线的速度却很慢，这样不适合后续对
输入信号的分析要求，需要经过极-零相消电路将脉冲的宽度变窄，以能适应高计数率的情况，同时尽量减少堆积和基线涨落；
[0046] 经过极-零相消电路的A、B，C、D，T五路信号，通过一个滑动变阻器进行分压，调节滑动变阻器将输入脉冲的幅值调到需要的范围，从而进行信号放大。
[0047] 通过信号放大的五路信号，由于受环境
温度的影响，测量的过程比较容易产生峰漂，这时候就可以通过调节放大倍数或是探测器晶体的高压来改善这种情况，通常对探测器晶体的高压的调节只能实现粗调，要想实现精密的调节还是通过使用数字电位器或DAC来实现精密调节从而减轻峰漂目的。将待处理的脉冲信号输入到DAC的基准端，
数字信号的输入端将作为控制端口来使用，而原有的模拟量输出端将仍作为信号输出端。通过控制输入的数字信号，可以调节输出的
模拟信号的放大倍数，若是输入的
数字量不变，则放大比例一定；若需要改变放大比例，只需通过在微处理器程序中来改变数字端的输入量。
[0048] 经过信号增益调节的信号，传入五路A/D转换模
块采样，得到数字信号。在A/D转换与数据
锁存之间，加载FIFO数据缓冲，已达到减缓不同单元时钟不同造成的干扰。经过数据锁存之后的信号，被分成A1、B1、C1、D1数据，A1、B1、C1、D1、T1数据两组数据缓冲在FIFO中。第一组数据A1、B1、C1、D1读入SOPC片上系统，按能量由公式E＝A+B+C+D求和后，进入数字滤波模块进行简单的滤波处理，剔除“毛刺”干扰，之后并行进入4个模块分别是脉冲成形模块、基线估计模块、堆积判弃模块、幅度提取模块。首先传输到成形模块，该模块包括一个快成形与慢成形，快成形主要得到脉冲之间时间间隔用于堆积识别，同时快成形得到快通道计数率用于计数率校正。而慢成形与快成形相比，具有更长的上升沿时间与更宽的平顶，主要实现幅度提取与基线估计，实际的脉冲幅度为幅度提取模块提取出的幅度与基线估计值之间的差值，故将两个模块输出以实现幅度的调整，最后实现寻峰功能。另外第一组数据A1、B1、C1、D1读入位置计算模块，调用FPGA的IP核按照公式X＝A/(A+B)、Y＝C/(C+D)进行位置计算，并将结果缓存。
[0049] 第二组数据A1、B1、C1、D1、T1，读入实时记录单元，该单元主要包括数据延迟、脉冲捕捉、脉冲采样点长度记录功能。当脉冲信号
电压大于设定起始电压时，当前分别A1、B1、C1、D1、T1数据读入缓冲区，其他数据进入锁存器延迟，小于设定起始电压时则停止启动。读入缓冲区的数据进行脉冲捕捉、此时脉冲计数器开始计数，直到接收到停止信号，此时分别记录计数值。此时将计数值进行比较，如果比较区域相同，则将捕捉到A1、B1、C1、D1分别与T1进行比较，记录比较结果，以便于后期作图。
[0050] 经FPGA处理后的数据缓存于SDRAM芯片中，并通过驱动USB
接口电路进行数据的高速传输，从而完成数据的采集与处理。
[0051] (4)数据处理及显示单元
[0052] γ射线的位置、能量信息经FPGA处理后可通过USB接口传输至计算机。计算机中的γ成像软件通过USB接口读取γ射线的位置信息和能量信息，并利用数据采集系统设定的标识对γ射线是否发生全吸收进行判断。而后根据上述信息，对特定核素进行成像显示，最终完成γ射线二维图像的显示和能谱的显示。
