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1、闪烁晶体的相关资料整理1. What早期研制的PET的品体材料为NaI （碘化钠）；80年代初期，BGO （锗 酸铋）与GSO（硅酸钆）2种晶体被用作PET探测品体!从1980年#2000年， BGO是主要的PET晶体材料之一，而NaI与GSO在PET中应用相对较 少! 1990年，LSO （硅酸镥）品体的研究引起人们很大关注，LSO晶体短的余 辉时间允许窄的符合时间窗（8ns），因而随机计数显著减少，同时其高能量分 辨（大约12%FWHM）可降低图像的散射，LSO晶体以其明显优于NaI和 BGO的性能得到逐步应用，这种新型探测器材料对PET的发展具有重要贡 献! 1闪烁体是一种吸收电离辐射（
2、如X或y射线）并转变吸收能量的一部分为 可见光或紫外线光的材料。这个转变过程发生的时间范围为几个ns到几个ps, 而产生一个短光子脉冲，光脉冲与闪烁材料发生作用的每一个X和y射线相对应。 这种光脉冲，其强度通常和沉积在闪烁体上的能 成比例，被光电倍增管（PMT） 探侧到并转化为电信号。闪烁体可以是液体或固体，有机体或无机体，也可以是 晶体或非品体。有机液体和塑料闪烁体经常被用来探测P粒子和中子。为了探测 X和y射线（如用在PET中的511keVY射线），常采用无机单品闪烁体，因为它有 高的密度和原子序数，导致更高的探测效率。一般的闪烁体是一块透明单晶，它的禁带和导带由5eV以上的能带隔开。一
3、个理想的晶体，没有缺陷，或者说没有杂质，在这个带沟里应该没有能级。然而， 大多数闪烁体掺有一种活性离子，而这种活性离子提供了在禁带范围内的能级。 Y射线能量被大多数晶体吸收后，能量中的一小部分停留在活性离子上。活性离子 的退激导致闪烁光子的发射，典型的能量通常在4eV左右，对应可见蓝光。在 PET的初期，探测器由掺有铭的碘化钠单品体（NaI（TI）构成，单个晶体与PMT 耦合。随着锗酸秘（BGO）的发现，大多设计者因它探测Y射线的高效率而转向这 种材料。块探侧器在过去是最广泛的设计，在这个设计中，一个BGO被分割为 多达64个单元并被耦合到4个PMT。其他闪烁体包括氟化钡、掺有铈的铝酸钇 （Y
4、AP）、掺有铈的硅酸（GSO）。在近几年，一种有前途的新材料一掺杂有钵的硅 酸镥（LSO）已经出现。GSO在制造工艺上也有了突破，使成本下降。所以,LSO 和GSO有可能被广泛用于未来一代PET扫描仪。2一个闪烁体将Y射线沉积在它上面的能量转化为可见光脉冲（或紫外线辐射 UV）包括三个主要步骤。根据Lempicki等观点，转化过程的总效率n,可以用 三个因子的乘积来表示：n=pSQ。这里P是Y射线能量转化为电子空穴对的效 率,S为将电子空穴对拥有的能量转到活性离子或其他发光中心的传递效率,Q为 发光中心本身的盘子效率。Robbins论证了能利用闪烁品体的基本物理参数来计 算&这些参数包括电子禁
5、带、高频和静态绝缘常数以及可见光纵向的光子能量 对于许多闪烁体材料，这些参数是已知的，因而，转换效率可以合理的计算出。 对于一些新的闪烁体，无论怎样，有些参数不能确切地知道，这样在计算转换效 率时导致了很大的不确定性。尽管S非常重要，但没有模型来可靠的计算它。事 实上，或许当前闪烁体研究的主要挑战是发展一种在这种紧要过程的精确模型。 Q直接用UV光激发它的中心来测量，其能 和中心的激发能量相匹配。这样， 电子穴对建立的过程和能童传递的过程不存在，发光体中心本身的效率能够被直接观测到。2. Why(1) 探测器是整个PET中的主要部分，探测器由闪烁品体和光电倍增管组成， 其中闪烁品体性能好坏决定
6、探测器的性能好坏，闪烁品体探测器是系统的核心！ 理想的晶体材料应具有足够高的密度、余辉时间短、光输出量高、能量分辨率好 以及生产成本低等特点！高的密度、高原子序数能有效提高r射线探测效率；余 辉时间短能更好地完善时间匹配，减少随机计数；光输出量高可使每个光电探测 器品体数目增多；好的能量分辨率能减低图像散射，使图像更为清晰！而这些性 能就探测器品体而言又是相互制约的。(2) 探测器应有高空间分辨率。探测器空间分辨率主要取决晶体材料及尺寸大 小，光电倍增管的多少。品体尺寸越小、光电倍增管数越多，探测器的空间分辨 率越高。但是符合探测的物理特性决定了它的空间分辨率存在极限。探测器应有 高可靠性和稳
7、定性。探测器的可靠性和稳定性好坏是评定PET系统性能的基本 依据，其重要性在所有性能指标之上。光电倍增管的性能会直接影响探测器的可 靠性和稳定性，闪烁品体是探测器质量的关键。PET选用的常用品体比较性能指标NalflT)CeflBunBGOCsi(n)LSCYAPGSO物理宅虔(g/c*3)3L674S97-134.517355.556.71辐射长度()2.591.702.101.12LS6(k882.70她衰被赢数0340.640.47。皿0,600.870.62发射波长(tn)410310220480580420380430素球数(ns)230213001000403060光子产翻(1)1
8、0034IS45704。41折射指数1.85L621.492A5L8O1.S21.901.B5NaI(Tl)品体能量分辨率较高，价格便宜。BGO晶体密度大，探测效率高、稳定性好。LSO、GSO等晶体密度大、衰减常数小、光产额高。理想的闪烁体应该是几种物理和闪烁特性的结合(表1)。对于感兴趣的Y射线 要有高的探测效率，对于大的光电子截面来讲就要求有高的原子序数，对于大的 康普顿散射截面来讲就要求高的密度。光电效应和康普顿散射是511keVY射线 和闪烁品体相互作用的两个主要过程。好的符合时序和高的计数能力，要求短的 衰减常数。换句话说，闪烁光子的脉冲必须尽可能的短暂。一个高效率的光输出 要求大量
9、的晶体单元被祸合到单个的光探测器中，好的能量分辨要求清楚地识 别出全部的能量事件。当闪烁体材料的折射指数接近于人射窗和藕合材料的指数 时(通常约为1.5),闪烁光脉冲到光电倍增管的传输是最好的。在有些材料中, 通过电离辐射很容易产生色心，这样阻止闪烁光通过闪烁体本身传输。所以，阻 止这种效应的能力，叫做辐射硬度一一希望其越大越好。一些闪烁体容易潮解， 即，它们容易吸收空气中的水分，因而要求特殊的包装来密封封装。不潮解的材料有一个优点是可以采用较简易的包装。机加工容易是所希望的，因为它使小块 品体制作变得较容易。因为一个PET扫描仪将用到500010000cm3闪烁品体, 所以在合理成本情况下大
10、体积晶体的生长必须是可行的。ft 1 PET用理短闪摭晶体特性序号 14体膀性发鲜被长在400nm左右月光龟偌增骨蜉的匹配高密度商的射线探艇敏隼商原子序数商的7射经探S9败拳短的衰减时何好的符合定时高的光输出奸射能童分排辜整个能量事件的清楚分耕光在笼射披长铮输允咨光无损夫施修送到游电倍增曾frStlSK在 3,5左右ST射硬度3K晶律性旎辑定不1解精易包装莪岛加工允许小晶怫单元副作生长过程铤济合理成本允许鲁一个光电倍增管与务个扇体单元柄含从矗体到光电度野的光侍蓄因为理想的闪烁体实际上不存在，人们必须着眼于那些现存材料的特性并选择 最适于应用的材料。表2列出了一些常用到的闪烁材料的物理特性，按密
11、度减小 顺序排列BGO和LSO都有极好的物理特性。它们具有高的密度和原子序数，导 致其对下射线的有效探测，并且也较易加工和不潮解，这样允许相对简单的探测 器制作。钨酸福和GSO也是好的候选者，但不足之处都容易裂开（这使探测器 制作变得更难）。表3列出了一些常见闪烁的闪烁和光学特性，按衰减常数的增 加顺序排列。到目前为止，BaF2有最短的衰减常数0.8ns。遗憾的是，发射光微 弱并且位于220nm的远紫外区，其要求PMT配有昂贵的石英窗。它还有一个高 的600ns的次要成分。氟化铯（CsF）有一个4ns的十分短的衰减常数，但是 它的发射太微弱，以至于这种闪烁体基本不采用LSO具有短的衰减常数（4
12、0ns） 和高的发射强度，另外它没有一次要衰减成分。一华富麋爆体的物理炷祯密度港FnT有破原子序Si性可由工艳力Cdg7.WM不 NTIH易裂开3 挣心(CtHLSQ)7465不晶裂开SkCijOutfiGO)?,1375不撬解不曷事开曲迎攻06.7159不摩牌粉瓠升岫4廊55不藤衅不晶裂开GF53曷瑁升司Ml巽啤解不晶挈开CiltT)4,31脂菲雷解不鞘颦开心叫3、351潮解3 JS179L3 一裁甯母囚尊体同妹*1卷攀赣性晶体主唱寰赤乾心4矗m折射指丘岫膜询豹碰433901.(C*)(GW3600m1.5倾1513C-1C0004101.&J险可如(舵0)3W15地2 AS5际)汹7S碰L
13、M40-1.44dig,000峙5K商CtrtRj,5000,2000020402.20PET用闪烁体特性比较尽管对所有可能用于PET的各种闪烁体进行了调查，但仅仅两种目前被广泛应 用,NaI(Tl)和B G O。第三种,LSO ( Ce),被期望在未来广泛应用。在这部分，将 对这三种重要的闪烁体的特性进行详细比较。PET用闪烁体的一个最重要的特 性是Y射线探测效率。因为期望缩短扫描时间和维持低的示踪放射性，品体必须 尽可能多的探测到发射的Y射线，这是BGO流行的主要原因511keV能量的y 射线与固体物质主要通过两种现象作用，即光电效应和康普顿效应。在光电效应 中，射线被一个原子吸收，这个原
14、子发射一个电子(光电子)同时产生特征X射 线或是Auger电子。最终,y射线的全部能量被吸收。在康普顿散射中，通过散 射下射线丢失一小部分能量给电子。在晶体中电子的能量可能被吸收，然而散射 的Y射线有可能被吸收也有可能不被吸收。在电子和下射线间能量的分配由散射 角来决定。探测器的探测效率通过被吸收(部分或全部)Y射线占人射Y线的份额 来描述。一个厚度为X的探测器，暴露在一束初始强度为I0的单能Y射线中，下 射线通过下式衰减:I(E)=I0(E)exp(-|j x)其中I是Y射线通过探测器后没有作用的强度，M是线性衰减系数。在探测器中通过相互作用沉积它的全部或部分能量的丫射线份额如下式：A = 1-exp (p x)很清楚，人射Y射线被部分或完全吸收的份额是由线性衰减系数(对于一个理想 化的几何条件)决定的。图1比较了 Nal、BGO以及LSO的线性衰减系数。从 这些数据可以看BGO和LSO明显优于NaI.在511kev,BGO的p =0.96cm-1，LSO的.=0.87cm-1,然而N al仅为0.35cm-1】。因此，为了获得相近的效率,与 BGO和LSO探测器比,N al探测器在厚度上必须是它们的两倍多。IO1IG1图】NakBGO利ISO对y射城的绵性
