闪烁晶体课件R

1、闪烁晶体、肖鹏PET仪器研发和多模医学图像实验室华中科技高等院校生命学院、PET系统信号流、闪烁晶体是检测器系统的前沿，系统整体的能量信息、时间信息和位置信息均由闪烁晶体提供的信号提取。 探针的结构和性能直接决定着机器的性能。 闪烁晶体检测器，结构，闪烁晶体检测器，特征： 1，能检测多种粒子2，结构紧凑，加工和使用方便，检测效率高4，系统响应时间短，闪烁体分类， 化学成分分类：有机闪烁体无机闪烁体按物理形态分类：固体闪烁体液体闪烁体气体闪烁体、无机闪烁体结晶、无机闪烁体结晶的特征是密度大，由于含有原子序数高的元素体，所以粒子电荷、放射性射线都有很高的检测效率，能量高目前，PET检测器几乎采用无

2、机闪烁体晶体。 伽马射线与闪烁晶体的相互作用，伽马射线光子与闪烁晶体的相互作用主要具有光电效应、康普顿效应、瑞利散射和电子对效应。 当伽马射线光子通过闪烁晶体时，由于与闪烁晶体原子的光电效应、康普顿效应、瑞利散射、电子对效应而失去能量的伽马射线与闪烁晶体原子发生四个相互作用时，原来的能量hv的光子消失，散射而能量改变，或者从原来的入射方向当射线通过物质时，强度逐渐减弱，指数衰减，不与物质相互作用的光子通过吸收层，其能量不变，因此没有射程的概念，但射线的物质透过状况可以用“半吸收厚度”来表示。 伽马射线与闪烁晶体的相互作用，1、光电效应闪烁晶体在低能量射线照射时以光电效应为主。 光子把所有的能量

3、给予束缚电子的电子用其能量的一部分克服原子的束缚，剩下的能量作为动能。 一种康普顿效应，其中伽马射线与闪烁晶体的相互作用，2、康普顿效应伽马光子能量大大超过电子的结合能时，光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子能量的一部分转移到电子，被反弹，散射光子能量和运动方向发生变化。 伽马射线与闪烁晶体的相互作用，3、瑞利散射除了康普顿散射之外，伽马射线光子还可以通过原子或单一电子向别的方向散射，其能量损失只是方向的变化，即瑞利散射。 伽马射线与闪烁晶体的相互作用，4，入射到电子对效应光子的能量超过1.02MeV的话，可以生成电子对。 在粒子电荷的库仑场中，产生的电子对总动能等于光子能量减去这两个电子的静止

4、质量能量(2mc2=1.022MeV )。 闪烁体晶体的发光反应历程、无机闪烁体中不掺杂杂质的纯粹晶体，例如1970年代中后期新开发的锗酸铋(BGO )单晶、含有微量杂质(称为活性剂)的无机盐晶体，例如以铊为活性剂的碘化纳金属钍有单晶和碘化铯CsI(Tl )单晶、以铈为活化剂的掺铈硅酸镨LSO(Ce )等。 闪烁体一旦进入放射性射线，就会产生自由电子对(空穴对)和激发子。 然后电子从传导带和激发带向价电子带移动，在撤退的过程中放出光子，但是放出的光子容易被闪烁体结晶吸收。 不掺杂杂质的纯结晶主要产生这样的可见光。 对于渡越大头针晶体，内部杂质和晶格缺陷在禁带中产生孤立能级，起捕获中心的作用。

5、当入射粒子通过闪烁晶体时，产生激发子、电子、空穴，这些个可自由经过晶格运动直至被捕获中心捕获，此时捕获中心的电子从基态达到激发态。 之后，捕获中心激发的电子返回基态发射光子，选择适当的激活剂，可以使发射光子在可见光范围内。闪烁晶体的发光反应历程，由杂质和缺陷形成的捕获中心，后退时放出的光子，不仅能量比禁带宽度小，而且不被闪烁晶体吸收，光谱在可见光范围内，容易使用。 闪烁结晶的基本特性，光视效能(光输出量)表示闪烁结晶吸收的粒子能变成光的能力。 光功率s的定义是在一个闪光灯中产生的光子数r和带电粒子在闪光灯晶体中损耗的能量之比(光子数/MeV )，闪光灯晶体的基本特性、能量响应和能量极限分辨率能

6、量响应是闪光灯晶体的光输出和入射粒子在闪光灯晶体中的能量闪烁晶体的能量极限分辨率主要受以下因素的影响：1.闪烁晶体的光视效能2 .光子传输效率3 .能量响应的非线性响应、闪烁晶体的基本特性、发射色光谱闪烁晶体发出的光一般有多种波长，而不是单色光闪烁晶体发出的光子数的波长分布称为闪烁晶体的发射光谱。 不同的闪烁体晶体具有不同的光谱特性。 在使用闪烁晶体的情况下，了解其发光色光谱对于选择与之匹配的光电子倍增管是必要的。 闪烁晶体的基本特性和发光衰减时间发光衰减时间定义为光子数从最大值衰减到1/e所需要的时间。 PET系统直接影响系统的时间分解性能，并用于获得DOI信息。 闪烁体晶体的基本特性和光衰

7、减长度表示闪烁体晶体的传输过程中光子数衰减到初始值的1/e时所通过的长度。 其值越大，表明闪烁体晶体的光学透明度越好。 包括固有衰减长度和技术衰减长度。 前者只依赖于闪烁体晶体的内部特性(成分、结构)，反映了闪烁体晶体内部的光学特性。 后者与闪烁体晶体的内部特性有关，与闪烁体晶体的形状、厚度、表面光反射状况等外部技术条件有关。 闪烁晶体的基本特性、温度效应闪烁晶体的性能，如光视效能、发光衰减时间、光衰减长度等与温度有关。 闪光灯结晶的性能随温度的变化叫做温度效应。 温度效应越小越被要求好。 闪烁体晶体的基本特性、检测效率的检测效率是粒子在闪烁体晶体内产生的可测量的脉冲信号数与入射粒子数之比。

8、PET系统的检测效率除了与闪烁结晶特性(材料的原子序数、密度、发光强度)、几何形状、光的收集状况之外，还与光电子倍增管的特性、工作电压、电子电路的阈值等有关。 闪烁晶体的基本特性、辐射效应闪烁晶体在辐射环境下随着辐射量的累积，光输出减少。 放射效果越小越要求好。 常见的无机闪烁晶体，碘化金属钍(NaI )晶体密度小(3.67g/cm3 )，对放射性射线和x射线的阻挡能力差，能量转化效率高，光输出大，一般配合0.1%-0.5%的Tl，进一步提高光输出的发光波长415nm， 配合光电子倍增管放射光的衰减时间短，约230ns容易潮解，难以加工和保存，常见的无机闪烁体结晶是锗酸铋(Bi4Ge3O2，B

9、GO )结晶密度大(7.13g/cm3 )，有效原子序数高(7.6 )、 对于放射性射线和x射线的阻挡能力最强的闪烁体晶体的光输出低，只有NaI晶体的20%的发光波长为510ns，与光电子倍增管不匹配的发光衰减时间长，300ns不发生潮解的加工和保存容易，但是，由于其性能是温度影响大的目前，很多商用机械采用该晶体， 常见的无机闪烁晶体是硅酸钯(LSO )晶体密度大(7.40g/cm3 )、有效原子序数高(6.5 )、对放射性射线和x射线的阻挡能力强。能量转化效率高，光输出大，NaI晶体约75%的发光波长为420ns，配合光电子倍增管发光衰减时间短，在4.0 ns中难以潮解，容易加工和保存的晶体

10、，含有176Lu，是天然放射性，而且价格高，目前西门子公司的PET系统采用LSO晶体， 常见的无机闪光晶体氟化钡(BaF2 )的晶体密度小(4.89g/cm3 )，有效原子序数高(5.3 )，对放射性射线和x射线的阻挡能力低，光输出低，只有NaI晶体的25%的发光波长为310ns，与光电子倍增管的匹配差，发光的衰减时间短8ns下不易潮解，容易加工保存，目前主要应用于CT图像的常见无机闪烁体晶体、常见闪烁体检测器结构晶体完全断裂，结构、完全断裂晶体阵列、位置易感性光电转换元件、常见闪烁体检测器结构完全断裂， 工作原理光子在一个晶体脱衣舞上堆积能量产生可见光，可见光在该晶体脱衣舞内传播到达半导体光

11、检测器表面，半导体光检测器根据可见光光子到达的位置产生不同振幅的脉冲，通过处理脉冲可以知道光子堆积能量的晶体脱衣舞。 水晶位置识别图，常见的闪烁体检测器结构完全切断，优点和缺点，工作电路简单，位置极限分辨率强，不能提供信息，视觉感知误差对图像重建有一定的影响，包装件数低，检测效率相对低，空间极限分辨率被水晶棒的尺寸所限制， 常见的闪烁体检测器结构不完全切断，结构、光电转换元件、不完全切断的晶体阵列一般的闪烁体检测器结构不完全切断，工作原理光子在一个晶体脱衣舞上堆积能量产生可见光， 可见光在该结晶脱衣舞内传播到未切断部分后光子发生扩散，由于半导体光检测器距发生能量堆积的结晶脱衣舞的位置不同，因此接受不同数量的可见光光子，产生响应脉冲。 通过处理响应脉冲，可以知道光子堆积能量的结晶条纹。 晶体位置识别图，常见闪烁体检测器结构不完整，优点和缺点，工作电路简单，不需要位置敏感型光电转换元件，位置极限分辨率差，不能提供信息，视觉感知误差对图像重建有一定影响，空间极限分辨率石英条尺寸限制，包装数量低，检测效率相对低， 以常见的闪烁体检测器结构采用连续晶体、结构、连续晶体连续晶体、位置敏感光电转换元件、光电转换阵列、常见的闪烁体检测器结构连续晶体、工作原理光电转换阵列结构的检测器为例，光子在晶体中堆积能量产生可见光光子， 可见光光