小型γ相机压缩效应的研究

    1 引言

    典型的传统C相机探头由一块大面积NaI晶体、光导介质(出射玻璃窗、光耦合剂)、光电倍增管阵列和准直器组成.由于受单个光电倍增管的限制,C相机的尺寸和重量不能做得很小,而且光电倍增管之间的死区造成的相机固有的非均匀性比较明显.近年来,小型C相机在天文学和医学上得到了较为广泛的应用.与传统的C相机相比,小型C相机体积小、重量轻,更能适合在太空中的应用;在医学上,小型C相机能满足单个器官显影的需要.由位置灵敏光电倍增管(PSPMT)构成的小型C相机在分辨率方面也比传统的光电倍增管阵列组成的C相机好[1)4].但由于面积小,小型C相机的压缩效应显得很突出.晶体是我们研究的重点,模拟中暂时不考虑PSPMT的影响,认为它是理想的位置探测器.晶体边界的处理有3种情况:(1)在C射线入射面及晶体侧面涂上一层漫反射层(全漫反射);(2)在C射线入射面涂上一层漫反射层,在晶体侧面涂上一层吸收层(侧面吸收);(3)在C射线入射面及晶体侧面涂上一层吸收层(全吸收).本文通过闪烁光在晶体中的产生和传输过程的Monte-Carlo模拟,对晶体的几何尺寸、表面光学条件及玻璃窗的几何尺寸对压缩效应的影响进行了详细的研究.

    2 Monte-Carlo模拟的物理模型

    模拟的物体如图1所示.所采用的晶体为NaI(Tl),C源为57Co,能量122keV;图中出射玻璃窗包括晶体的出射窗、硅油及位置灵敏光电倍增管的入射窗,把此三者当成一个整体.模拟中,跟踪的物理过程主要分两步:第一步,C射线在晶体中转换成次级电子的过程;第二步,次级电子在晶体中形成闪烁光子及闪烁光子传播收集过程.上述过程均由若干随机子过程构成,模拟的核心部分是抽样:根据各子过程的相互作用截面进行抽样从而得到所需的物理量,如作用类型,出射粒子方向及动量等.在此模拟中采用了GEANT3软件包来对射线进行跟踪,当C射线从某一方向射入晶体,在晶体中可能发生光电效应或康普顿散射,按光电效应和康普顿散射截面进行抽样,若抽样结果是光电效应,程序跟踪其产生的光电子;若抽样结果是康普顿散射,程序依次跟踪反冲电子和散射光子,,最终以次级电子出现并把能量沉积在某一空间内,判断能量是否沉积在闪烁体中,由沉积的能量和闪烁体的发光效率按泊松分布抽样得出闪烁光子数,再按均匀分布抽样得出光子的运动方向,然后跟踪光子:(1)如果其打在光电倍增管光阴极上,按光阴极量子效率抽样判断其是否转化为光电子;记录光电子出射的空间坐标. (2)如果闪烁光子打在漫反射介面上,反射角的分布函数正比于反射角的余弦.当闪烁光子到达晶体与玻璃窗的交界处,由于两者的折射系数不一样,光子将可能发生折射或反射.如入射角大于临界角,则光子全部反射回晶体内,被吸收或衰减掉,或再经过反射,最后到达出射窗.如入射角小于临界角,由菲涅尔公式可推出其反射概率.光子经过折射,进入玻璃窗内,如其打在出射面上,则认为其到达光阴极,按光阴极量子效率抽样决定其是否转换成光电子.而没能到达光阴极的闪烁光子,则认为被玻璃窗的边界吸收.分布中心的判断:为探测到的第i个C射线事例的坐标;xij,yij是第i个事例中探测到的第j个光电子的坐标;mi是第i个事例中探测到的光电子的总数.由分布中心的判断公式可知,探测到的位置是每个事例收集到的光电子的空间分布的重心,而在光电子空间分布相对于峰位不对称时,此重心与实际的入射位置并不一致.