核醫學/閃爍探測器的基本物理學
我們將討論的第二種輻射探測器稱為閃爍探測器。 閃爍是某些材料在吸收輻射時產生的微弱閃光。這些材料被稱為熒光材料、熒光體、閃爍體或磷光體。
如果我們在實驗室裡有一個放射源和一個閃爍體，我們可以使房間變暗，將閃爍體移到源附近，並觀察閃爍。這些小的閃光可能是綠色、藍色或其他顏色，具體取決於閃爍體。我們還可以計算產生的閃光次數，以估計源的放射性，即看到的閃光次數越多，放射性就越多。
閃爍探測器可能是第一個被發現的輻射探測器。你可能聽說過威廉·倫琴在 1895 年發現 X 射線的經過。他在德國維爾茨堡的實驗室裡工作，用一個裝置將電子束射向一個位於真空玻璃管內的靶。在使用這個裝置時，他注意到一些氰化鉑鋇晶體，這些晶體恰好就在他附近，開始發光——當他關閉裝置時，它們停止發光。倫琴意外地發現了一種新的輻射形式。他也意外地發現了一種閃爍探測器。
雖然可以觀察到閃爍，但我們今天可以使用某種光電探測器更精確地計數和測量它們。
我們將在本章中瞭解這種探測器的構造和工作原理。此外，我們將看到它不僅可以用於檢測電離輻射的存在，還可以用於測量這種輻射的能量。
但是，在我們這樣做之前，有必要指出，閃爍體在醫療輻射領域得到了廣泛的應用。例如，用於放射照相的X 射線暗盒包含一個閃爍體（稱為增感屏），它與感光膠片緊密接觸。第二個例子是用於透視檢查的X 射線影像增強器，它包含稱為磷光體的閃爍體。閃爍體也用於一些CT 掃描器，正如我們將在下一章中看到的那樣，它也用於伽馬相機和PET 掃描器中。它們的應用並不侷限於醫療輻射領域，因為閃爍體還用作電視機和電腦顯示器的螢幕，以及用於在熒光燈管中產生光——僅舉兩個常見的例子。你能想到其他哪些應用？
因此，閃爍體比你最初認為的要常見得多，所以你發現這裡提供的資訊對你來說不僅對學習核醫學有用。
下表列出了一些熒光材料。鉈啟用的碘化鈉，NaI(Tl) 是一種晶體材料，在閃爍探測器中廣泛用於檢測伽馬射線。我們將在下面更詳細地介紹它。
另一種晶體材料鈉啟用的碘化銫，CsI(Na) 廣泛用於 X 射線探測器中，例如X 射線影像增強器。另一種稱為鎢酸鈣，CaWO4，曾在 X 射線暗盒中廣泛使用，儘管這種物質已經被其他閃爍體（如溴氧化鑭）在許多現代暗盒中取代。
| 材料 | 形式 |
|---|---|
| NaI (Tl) | 晶體 |
| CsI (Na) | 晶體 |
| CaWO4 | 晶體 |
| ZnS (Ag) | 粉末 |
| 甲苯中的對叔苯基苯 | 液體 |
| 聚苯乙烯中的對叔苯基苯 | 塑膠 |
請注意，一些閃爍材料是用某些元素啟用的。這意味著基體材料中存在少量的啟用元素。術語摻雜有時用於代替啟用。這種啟用元素用於影響閃爍體產生的光的波長（顏色）。
銀啟用的硫化鋅是一種粉末狀的閃爍體，甲苯中的對叔苯基苯是一種液體閃爍計數器。這種閃爍體的優點是放射性物質可以與閃爍材料緊密接觸。例如，如果放射性樣品碰巧是液體形式，我們可以將其與液體閃爍體混合，以最大限度地提高檢測發射輻射的機會，從而獲得一個非常靈敏的探測器。
最後一個例子是聚苯乙烯中的對叔苯基苯，它是一種塑膠形式的閃爍體。這種形式可以像大多數塑膠一樣容易地製成不同的形狀，因此在需要特定形狀的探測器時非常有用。
下圖展示了與光電倍增管 (PMT) 相連的閃爍晶體。整個裝置通常呈圓柱形，圖中顯示了該圓柱體的橫截面。
閃爍晶體 NaI(Tl) 非常脆弱，這也是它被封裝在鋁外殼中的原因之一。外殼的內壁設計成，任何撞擊它的光都會被反射到 PMT 下方。
PMT 本身由一個光陰極、一個聚焦網格、一系列倍增極和一個陽極組成，這些都封裝在抽空的玻璃管中。光陰極的作用是將閃爍晶體中輻射衰減產生的光閃爍轉換為電子。網格將這些電子聚焦到第一個倍增極上，倍增極陣列用於電子倍增。我們將在下面更詳細地考慮這個過程。最後，陽極收集倍增極陣列產生的電子。
下一幅圖顯示了通常連線到 PMT 的電子線路。
它由一個高壓電源、一個電阻分壓器鏈和一個負載電阻 RL 組成。高壓電源產生一個直流電壓 Vdc，它可以高達 1000 伏。它被施加到電阻分壓器鏈，該鏈由一系列電阻組成，每個電阻的阻值都相同，為 R。該電阻鏈的作用是將 Vdc 分成相等的電壓，這些電壓被提供給倍增極。因此，倍增極陣列上施加的電壓以相等的步長增加。負載電阻用於產生輸出電壓 Vout。
最後，下圖說明了該裝置的工作原理。
電離輻射在閃爍晶體中產生光閃爍。這種光照射光陰極，並被轉換為電子。電子由網格引導到第一個倍增極上。
倍增極由某些合金製成，當它們表面受到電子撞擊時會發射電子，其優點是發射的電子比吸收的電子多。PMT 中使用的倍增極通常對每個撞擊它的電子發射兩個到五個電子。
因此，當來自光陰極的電子撞擊第一個倍增極時，會發射兩個到五個電子，並被引導到陣列中的第二個倍增極（圖中顯示了三個）。這種電子倍增過程在第二個倍增極重複，因此我們最終得到例如九個電子朝向第三個倍增極前進。因此會發生電子雪崩，最終會有相當數量的電子撞擊倍增極鏈底部的陽極。
這些電子流過負載電阻 RL，構成電流，根據歐姆定律，會產生一個電壓 Vout，該電壓由電子線路測量（我們將在後面介紹）。
以下顯示了一些基於閃爍探測的裝置的照片。
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閃爍探測器的重要特徵是，這種輸出電壓 Vout 與輻射在晶體中沉積的能量成正比。我們將在下面看到這是一個多麼有用的特徵。在我們這樣做之前，我們將簡要分析該裝置的工作原理。
下面將介紹一個簡單的數學模型，它將幫助我們更好地理解閃爍探測器的效能。我們將透過量化閃爍體、光陰極和倍增極的效能來實現這一點。
讓我們使用以下符號來描述檢測過程的每個階段
- m：晶體中產生的光子數
- k：晶體的光學效率，即晶體傳輸光的效率
- l：光陰極的量子效率，即光陰極將光子轉換為電子的效率
- n：倍增極數量
- R：倍增極倍增係數，即每個被吸收的初級電子，倍增極發射的次級電子數量。
因此，在陽極收集的電荷量由以下公式給出：
其中 e：電子電荷。
例如，假設一個 100 keV 的伽馬射線被晶體吸收。對於典型的閃爍晶體，產生的光子數 m 可能約為 1000。典型的晶體可能具有 0.5 的光學效率 k，也就是說，50% 的產生的光到達了光陰極，光陰極的量子效率可能為 0.15。典型的光電倍增管具有十個倍增極，假設倍增極倍增係數為 4.5。
因此
這個電荷量非常小。即使我們使用了光電倍增管這樣的精密光電探測器，最終得到的電訊號仍然很小。
因此，需要一個非常靈敏的放大器來放大此訊號。這種型別的放大器通常稱為前置放大器，我們稍後會再次提到它。
我們上面已經注意到，在電阻 RL 上測量的電壓與輻射在閃爍晶體中沉積的能量成正比。讓我們考慮輻射如何在晶體中沉積能量。
讓我們考慮用晶體檢測伽馬射線的情況。我們在第 5 章中瞭解到，伽馬射線衰減涉及兩種相互作用機制——光電效應和康普頓效應。您會記得，光電效應涉及伽馬射線能量的完全吸收，而康普頓效應僅涉及伽馬射線能量的部分吸收。由於閃爍探測器的輸出電壓與伽馬射線沉積的能量成正比，因此可以合理地預期，晶體中的光電效應會產生不同的且相對較大的輸出電壓，而康普頓效應會導致較低的輸出電壓。
通常以繪製計數率與輸出電壓脈衝高度圖的形式來表示此資訊，如下圖所示
此圖說明了對於單能伽馬發射放射性同位素（例如99mTc）獲得的結果，如前所述，該同位素發射單個能量為 140 keV 的伽馬射線。
在我們詳細分析之前，請記住我們上面已經注意到，該探測器的輸出電壓與輻射在晶體中沉積的能量成正比。因此，橫軸可以用來表示輸出電壓或伽馬射線能量。這兩種量都在圖中顯示，以幫助我們進行討論。此外，請注意，此圖通常被稱為伽馬射線能譜。
上圖包含兩個區域。一個稱為光峰，另一個稱為康普頓散射。光峰是由於放射源發出的伽馬射線的光電吸收造成的——請記住，我們正在處理此示例中的單能發射體。它包含一個代表伽馬射線能量（在我們示例中為 140 keV）的峰值。如果我們的放射性同位素發射了兩種能量的伽馬射線，我們的光譜中就會有兩個光峰，以此類推。
請注意，該峰值具有統計偏差。這與我們的探測器質量有關，我們在這裡不會詳細介紹，只是要注意，這種偏差的程度是衡量我們探測器質量的指標。高質量（且更昂貴！）探測器將在其測量的光峰中具有更窄的統計偏差。
我們光譜的另一個組成部分是康普頓散射。它表示一系列比光峰更低的輸出電壓。因此，它表明了伽馬射線在晶體中部分吸收的能量。在某些康普頓效應中，可能發生與價電子的大幅散射，從而產生相對較大的電壓脈衝。在其他康普頓效應中，伽馬射線只是輕微地掠過價電子，能量轉移最小，因此產生相對較小的電壓脈衝。在這兩種極端情況之間，存在一系列涉及各種能量轉移的散射事件，因此也存在一系列電壓脈衝高度。因此，伽馬射線能譜上會出現“散射”。
重要的是要注意，圖中所示的光譜為了便於介紹而進行了簡化，實際光譜稍微複雜一些——請參見下圖以瞭解示例
不過，您會發現，您可以輕鬆地根據我們在這裡描繪的簡單影像來理解實際光譜。
同樣重要的是要認識到，與氣體探測器相比，這種型別的輻射探測器提供了更多資訊。本質上，氣體探測器可以用來告訴我們是否存在任何輻射，以及輻射量。閃爍探測器也能提供這些資訊，但它們還能告訴我們該輻射的能量。此附加資訊可用於許多不同的應用，例如識別未知放射性同位素和製作核醫學影像。不過，讓我們再花點時間來了解閃爍探測器的工作原理。
伽馬射線能譜的光峰通常是核醫學中的關注點。此峰值是所用放射性同位素的主要特徵，通常使用稱為脈衝高度分析的技術將其與康普頓散射分離。
這是一種電子技術，它允許使用兩種型別的電路來採集光譜。一種電路稱為下限鑑別器，它只允許高於其設定值的電壓脈衝透過。另一種稱為上限鑑別器，它只允許低於其設定值的電壓脈衝透過。
將這兩種電路組合使用，結果是可以在光譜上的任何位置放置一個可變寬度視窗。例如，如果我們希望從簡化光譜中僅獲得光峰的資訊，我們會將鑑別控制放置如下面的圖所示
這裡要注意的最後一點是，由於閃爍探測器被廣泛用於獲取有關從放射源發射的輻射能量的資訊，因此它通常被稱為閃爍譜儀。
閃爍譜儀型別分為兩大類——相對簡單的單道分析儀和更復雜的多道分析儀。
單道分析儀是我們迄今為止在討論中一直描述的儀器型別。儀器的框圖如下所示
它由一個閃爍晶體和一個光電倍增管組成，光電倍增管由高壓電路 (H.V.) 供電。輸出電壓最初由一個靈敏的前置放大器 (**Pre-Amp**) 進行放大，正如我們之前提到的，然後再由放大器 (**Amp**) 進行進一步放大和調節。
然後，電壓脈衝被轉換成適合脈衝高度分析儀 (**P.H.A.**) 的形式 - 從脈衝高度分析儀輸出的脈衝可以饋送到**計數器**和**計數率計**，以顯示我們允許透過脈衝高度分析儀的那部分光譜的資訊。計數率計是一個顯示裝置，就像汽車的速度計一樣，指示每單位時間產生的脈衝數量。另一方面，計數器通常由一個數字顯示器組成，顯示指定時間段內產生的電壓脈衝數量。
我們可以透過考慮如何使用這種電路來生成伽馬射線能譜來說明它的工作原理。我們要做的是設定 LLD 和 ULD，以定義一個窄視窗，並將此視窗設定為使探測器產生的最低電壓脈衝透過到計數器和計數率計。換句話說，我們將把一個窄視窗放在光譜的最左側，並獲取有關晶體中最低能量伽馬射線相互作用的資訊。然後，我們將調整 LLD 和 ULD 設定，以獲取有關下一個最高能量相互作用的資訊。我們將以這種方式繼續掃描整個光譜。
下圖顯示了一個更復雜的探測器電路
它與上圖中的電路非常相似，只是脈衝高度分析儀、計數器和計數率計被多道分析儀和一臺計算機取代。多道分析儀 (**MCA**) 是一種電路，它能夠設定大量獨立視窗，以便一次性檢視整個光譜。例如，MCA 可能由 1024 個獨立視窗組成，而計算機可能由一臺個人計算機組成，它可以同時從每個視窗獲取資訊並將其顯示為能譜。計算機通常包含允許我們以多種方式操縱所得資訊的軟體。事實上，上面顯示的137Cs 譜圖就是使用這種方法生成的。