• Одна из основных задач – локализация источника испускания γ-квантов в биологическом объекте.

• γ-диагностика используется в поисках локальных образований опухолей (уплотнений). РФП (γ-источник) вводится в организм и концентрируется в области злокачественных образований. Детектор γ-квантов позволяет локализовать место образования.

• Один из таких возможных приборов может быть выполнен в виде детектора для регистрации γ-квантов.

• Для указанных задач необходим детектор γ-квантов в области энергий

60 ~ 600 кэВ.

Радионуклидная γ - диагностика

Сцинтиллятор Световыход относительно световыхода

[NaI(TI)]

Эфф.Z t, ns λmax, nm

ρ, г/см3

NaI(Tl) 1 50 230 415 3,67

LYSO 1,2 63 40 428 7,3-7,4

LSO До 1 66 40 440 7,41

BGO 0,1 75 300 480 7,13

LaBr3Ce 1,7 51 60 350 2,3

Проанализировав, таким образом, сцинтилляционные кристаллы, можно сказать, что наиболее полно, указанным выше требованиям, удовлетворяют кристаллы LYSO, LaBr3Ce.

Таблица 1. Параметры сцинтилляторов.

SiPM – кремниевый фотоприёмник.

• Основные параметры, по которым были отобраны твердотельные фотодетекторы:

1. Спектральная характеристика близка к спектру излучающего сцинтиллятора;

2. Высокая квантовая эффективность ~ 25 - 30% ;3. Коэффициент усиления ~ 10^5 – 10^6;4. Напряжение питания от 20 до 100 В.;5. Габариты: 3х3мм;6. Нечувствительность к магнитным полям;7. Уровень шумов 1 МГц (порог 0,5 фотоэлектрон), 0,12МГц (порог 1,5

фотоэлектрон)

В данной работе, использовались фотоприёмники (рис.1)и сцинтилляторы (рис.2) со следующими спектральными характеристиками:

200 300 400 500 600 700 800 9000

5

10

15

20

25

30

35

3

1

2

Длина волны, нм.

Квантовая эффективность, %.

2

1

Рис.1. Спектральные характеристики фотоприёмников.

1 – SiPM Hamamatsu,2 – SiPM MAPD-3,3 – ФЭУ Hamamatsu.

4

Длина волны, нм.

2

3

5

300 350 400 450 500 550 600 650 7000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Интенсивность

1

Рис.2. Спектральные характеристики сцинтилляторов.

1 – NaI, 2 – LSO, 3 – LYSO,4 – BGO, 5 - LaBr3:Ce.

Фотоприёник Uсм,V Ig, mkA λ, nmЭффективность,

%

Колличество ячеек,

pixl/mm2

ФЭУ Hamamatsu 15 2,91 200-640 13-20 -

SiPM Hamamatsu (3x3) mm2

72,4 1,46 320-900 22-30 3600

SiPM MAD-3 Zecotek (3x3) mm2

90,5 0,18 350-790 16-28 15000

Таблица 2. Параметры фотоприёников.

Экспериментальная установка.

• На рис.3. приведена схема экспериментальной установки, с помощью которой проводились измерения.

Рис.3. SiPM- фотодиод; сцинтиллятор – LYSO, LaBr3Се; Att.-аттенюатор; У.- усилитель; Л.Р.- линейный разветвитель; Л.З.- линия задержки;Д.- дискриминатор; QDC-ЗЦП (Lecroy2249).

Источник

Периодполу-

распада

Энергия Еγ,, кэВ

Интенсивность излучения, %

Сопутствующее излучение

Активность,расп./с

137Сs 30 лет 661,6 85 γ , β ~ 105

241Am432,2 года

60 36 γ, β ~ 105

99мТс 6 часов 140 80 γ ~ 3÷10*108

В качестве источников гамма – излучения использовались стандартные лабораторные источники 137Cs и 241Am. Характеристики источников приведены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики источников.

Полученные экспериментальные данные.

Ист. 137Сs (662кэВ) ER=8%

Ист. 241Am (60kэВ) ER=28%

Ист. 137Cs (662кэВ) ER=13%

Ист. 241Am (60kэВ)ER=44%

Спектры SiPM Hamamatsu 3х3;

Сцинтиллятор LaBr3:Ce ; Сцинтиллятор LYSO ;

Рис.4. Экспериментальные спектры.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

500

1000

1500

2000

2500

N

Ch

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

N

Ch

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

500

1000

1500

2000

2500

N

Ch

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

N

Ch

Таблица 3. Результаты экспериментальных измерений.

Фотоумножитель

кристалл LaBr3:Ce

137Cs 241Am

ER,% N1/N2(фотопик) ER,% N1/N2(фотопик)

ФЭУ Hamamatsu 6 2700 20 5451

SiPM Hamamatsu 9 1200 27 3367

SiPM MAPD-3 (Zecotek) 16 1070 45 414

SiPM МИФИ 13 2803 44 2718

SiPM MPPC Hamamatsu 8 3700 28 770

Фотоумножитель

кристалл LYSO137Cs 241Am

ER,% N1/N2(фотопик) ER,% N1/N2(фотопик)

ФЭУ Hamamatsu 15 14 42 647

SiPM MPPC Hamamatsu 14 8 50 740

SiPM MAPD-3 (Zecotek) 16 16 52 605

SiPM МИФИ 17 11 56 1023

SiPM MPPC Hamamatsu 13 13 44 977

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГАММА-ЛОКАТОРА.

Для работы с реальными короткоживущими медицинскими источниками разработан и изготовлен компактный прототип прибора представленный на рис.5. С его помощью проведены измерения при различном расположении детектора относительно коллимированного радиоактивного источника. Результаты измерений приведены на рис.6,7.

Время набора 5 секунд с использованием коллиматора диаметром 2мм.

Рис.5. Прототип гамма – локатора. Блок электроники с индикацией, детектор.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

Расстояние, см.

Счёт

c

b

a

Рис.6. Зависимость количества счета от расстояния между детектором(Д) и γ – источником (Cs137)(Р) a – воздух, b – с использованием поглотителя (вода),

d - фон.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Расстояние, см.

Счёт

Рис.7. Зависимость количества счета от смещения - γ – источника (Cs137)(Р) от центра детектора.

Выводы:

Кристалл LaBr3:(Ce) является наиболее оптимальным сцинтиллятором для регистрации γ-квантов в диапазоне энергий от 60 до 600 кэВ.

SiPM Hamamatsu (new) 3x3 mm2 - оптимальным фотоприёмником.Энергетическое разрешение (ист. Cs137(662кэВ), ER=8%; ист. Am241(60

кэВ), ER=28%).

Отношение сигнал/фон ~ 3000 (в области фотопика 662кэВ).

LYSO имеет энергетическое разрешение (ист. Cs137, ER=13%; ист. Am241(60кэВ), ER=44%).

Отношение сигнал/фон ~ 20 (в области фотопика 662кэВ ).