核医学仪器与方法-NMIM1-2-刘亚强.ppt

核医学仪器与方法NuclearMedicineInstrumentsandMethods清华大学 刘亚强Cell 13601390718Email liuyaqiang 参考书 PhysicsinNuclearMedicine JamesA Sorenson MichaelE Phelps W B SaundersCompany 1987 RadiologicalImagingTheTheoryofImageFormation DetectionandProcessing HarrisonH Barrett WilliamSwindell AcademicPress Inc 1981 放射成像 图象形成 检测和处理的理论 HarrisonH Barrett WilliamSwindell著 张万里 王维道译 科学出版社 NuclearMedicine RobertE Henkinetl Mosby YearBook Inc 1996 DigitalImageProcessing WilliamK Pratt JohnWiley Sons Inc 1978 相关网站 学术组织 中国国家原子能机构 中华核医学专业网 中华放射医学网 相关网站 大学和公司 劳伦兹伯克利国家实验室核医学和功能成像部 http www lbl gov lifesciences departments nmfi html哈佛大学医学院核医学 http radiology bidmc harvard edu kinds of exams nuclear nucmed html约翰霍普金斯大学放射学系 http www rad jhmi edu 北卡罗莱那大学生物医学工程系 http www bme unc edu宾夕法尼亚大学放射学系 http www med upenn edu radiology html亚利桑那大学放射学系 http www radiology arizona edu芝加哥大学放射学系 http www radiology uchicago edu匹兹堡大学放射学系 http www radiology upmc edu 通用电气公司医疗系统 1核医学及其技术基础2同位素及辐射测量3放射配体结合分析4脏器功能测量仪5核医学平面成像设备6闪烁图像的数字化7断层成像方法 8单光子发射断层成像9正电子发射断层成像10核医学仪器的新发展11图像融合与多模式复合成像12分子核医学成像设备 第一章核医学及其技术基础 1 什麽是核医学核医学 NuclearMedicine NM 采用放射性同位素来进行疾病的诊断 治疗及研究 它是核技术与医学相结合的产物 与放射医学不同 核医学通常将开放型放射性同位素 以放射性药物的形式引人体内 核医学是现代医学的重要组成部分 是医学现代化的标志之一 核医学 NM 临床NM 基础NM 诊断NM 治疗NM 体内invivo 体外Invitro 显像imaging 非显像nonmaging 体内诊断 把放射性核素引入活体内 进行脏器功能测量或显像 体外诊断 将放射性核素放在试管中 进行放射性免疫测量或活化分析 基础核医学为临床核医学提供理论依据和技术支持 它以研究正常的和病态的生命现象为主要内容 在免疫学 分子生物学 遗传工程等新兴学科的发展中发挥着重要的作用 核医学的工作领域 2 核医学的基本原理及特点 1 同位素示踪原理放射性核素及其标记物构成放射性药物 它们保持着对应稳定核素或被标记药物的生物学特性 能够正常参与机体的物质代谢 将放射性药物引入人体以后 它所产生的 射线能穿出机体 被置于体外的探测器测量到 使医生能够观察药物分子在活体中被输运 摄取和排泄的过程 获得病人的生理学和脏器功能方面的信息 揭示细胞中的新陈代谢过程 洞悉生命现象的本质 疾病的发病原因和药物的作用机制 核素成像以药物分子的 molecular 代谢的 metabolic 生物的 biological 功能的 functional 显像为特点 成为影像医学不可缺少的组成部分 在疾病的发生 发展过程中 往往是相关组织与器官先发生生化 代谢 血流与功能性改变 在经过一定的功能代偿期或潜伏期后 才发展成器质性病变 出现组织与器官形态学变化 如出现异常结节 肿块 密度改变 器官体积增大或缩小 和其它临床症状 核医学能在发生脏器形态改变之前发现功能的变化 与疾病发生时的情况相对应 当疾病治愈 康复时 相关组织与器官的功能恢复也往往滞后于疾病的治愈 在疾病的康复期 监测和确认病愈组织与器官的功能恢复情况 对于疾病的康复指导和愈后评价是十分有效和重要的 核医学对于心血管系统 神经系统 肿瘤等严重威胁人类健康的疾病的早期诊断 治疗决策 疗效判断和预后估价中起着十分重要的作用 抗原和抗体互相结合的免疫反应具有很强的特异性 一种抗原只与一种特定的抗体结合 核测量具有很高的灵敏度 甚至可以测到单个原子 综合了这两种技术的放射免疫测量 能够检测人体中10 9 10 12克的微量生物活性物质 放免分析仅需从病人取少量血样或尿样 即可测量其中某种物质的含量 它可测定血液成份 如肌红蛋白 心肌球蛋白 铁蛋白 激素 如甲状腺激素 前列腺素 生长激素 促性腺激素 胰岛素 胃泌素 胰泌素 病原体 如肝炎病毒 肿瘤相关抗原 如癌胚胎性抗原 血清铁蛋白 单克隆抗体 等多种重要的生物活性物质 2 放射免疫分析 核素辐射的 能导致物质电离 损伤细胞分子 破坏特定细胞的功能 包括分裂或增生 核素治疗是将放射性核素或其标记物引入病灶 进行内照射 达到抑制或破坏病变组织的目的 作为非手术治疗方法 核素治疗可以减少病人的痛苦 选择合适的放射性核素或其标记物 使其有选择性地浓聚于病变组织 令病变部位的局部受到大剂量的照射 而周围正常组织所受辐射量很低 损伤较小 这种方法称为靶向内照射治疗 例如 给病人服用的适量131I会在甲状腺聚集 131I发射的 粒子能够杀死癌细胞或部分 割除 亢进的甲状腺组织 达到治疗功能自主性甲状腺腺瘤 功能性甲状腺癌转移灶和甲亢等疾病的目的 131I发射的 粒子射程只有2 3mm 对周围组织影响很小 3 电离辐射的生物效应和内照射治疗 放射免疫治疗则利用特异性抗体作载体 利用免疫反应 将发射 粒子或 粒子的放射性核素导向肿瘤抗原部位 实现对瘤体的内照射治疗 例如用131I抗肿瘤坏死单克隆抗体 TNT 治疗肝癌 肺癌和淋巴瘤 受体介导的靶向放射性核素治疗和基因介导的靶向放射性核素治疗是当今核素治疗的发展方向 如用90Y Octrotide治疗神经内分泌肿瘤 由于治疗的效果取决于所选择的放射性核素是否具有适合内照射治疗的生物物理学特性以及在病变处特异性聚集的程度 因此寻找和研制适用于靶向内照射治疗的放射性药物 研究施予的放射性核素活度与细胞水平上的辐射吸收剂量的关系 估量辐射的生物学效果 对核素靶向内照射治疗的安全性和有效性是非常重要的 除靶向内照射治疗外 放射性胶体腔内治疗将放射性胶体注入病人体腔 如胸腔 腹腔 膀胱 关节腔等 使胶体颗粒附着在体腔内壁和肿瘤组织表面 所发射的 粒子对渗出液内的游离癌细胞和散播在浆膜表面的肿瘤结节进行照射 达到预防手术后肿瘤细胞的扩散 控制恶性肿瘤引起的腹水之目的 目前主要使用32P 胶体磷酸铬 198Au 胶体金等 它们仅发射 粒子 核素种子治疗则将125I 103Pa颗粒种植在肿瘤内 进行局部照射 通过导管将核素送入冠状动脉内进行照射 可以防止PTCA支架等介入治疗导致的血管再狭窄 前列腺增生放射性核素尿道内置入治疗是近年发展起来的新技术 最近美国有人证实18F FDG在肿瘤中滞留明显 认为肿瘤局部注射18F FDG是抑制肿瘤生长的有效方法 3 核医学的发展历程 初创 三十 四十年代 1934年FredericJoliotCurie和IreneCurie第一次获得30P 第二年 Chiewetz和Hevesy就观察了32P在小白鼠体内的分布与排泄 开始了放射性示踪研究 1936年Hamilton用24Na为示踪剂观察了Na在人体中的吸收与排泄 成为临床应用的开端 1942年Hertz和Hamilton开始用131I治疗甲抗 当时放射性核素种类有限 使用的核仪器只是一般的GM管和率表 它们的探测效率低 计数率也低 不能做能量分析 确立 五十年代初 1950年闪烁探测器问世 核辐射的测量灵敏度从mCi级进入 Ci级 并能进行幅度分析 定标器 单道 多道脉冲幅度分析技术导致功能测量仪和扫描机的诞生 产生了影像核医学 大大提高了诊断的准确性 1953年美国首先成立了核医学学会 SocietyofNuclearMedicine 从而确立了核医学这门学科 大量的物理 化学工作者进入核医学领域 与医生们共同研究开发核医学的诊断 治疗方法和设备 飞越 五十年代末 六十年代末 1958年HalO Anger发明单晶体 相机 它灵敏度高 分辨率好 可以拍摄动态影像 从而把形态和功能结合起来 这个时代还诞生了性能极好的核素99mTc 六十年代末计算机技术引入核医学 使得测量 分析自动化 还实现了多门控数据采集等方法 扫描机 相机使用了图像处理系统以后提高了图像质量 核医学的特点 功能性显像得到更充分发挥 现代化 八十年代末 今 建立了放射性核素的发射型计算机断层重建术 显像从二维进入三维 定量分析更精确 单光子发射断层仪 SPECT 普遍用于常规临床检查 正电子发射断层仪 PET 的空间分辨率及探测效率大大提高 它使用的轻核素为组织器官的功能测定提供广泛的可能 对认识思维的本质 进行分子生物学和分子核医学研究具有重大价值 在这个时代 新型放射药物层出不穷 各种99mTc标记的显像剂 受体 抗体 多肽广泛应用 201Tl 123I 113In 和11C 13N 15O 18F进入临床 创新 二十一世纪 生命科学研究已经从机体 器官 组织进入细胞 染色体 DNA的微观水平 医学正在从传统的疾病表征观察 常规的生化实验室检测 过渡到从人体全身显像分析基因 蛋白质表达水平来认识疾病的病因 并提供全新的预防 诊断和治疗手段 新诞生的分子核医学 MolecularNM 把核医学的方法用于分子生物学和分子医学的研究 又将分子生物学和分子医学的方法和成果引人核医学 它将在基因学 遗传工程 干细胞治疗技术 免疫学 脑科学等新兴学科中发挥重要的作用 分子核医学给仪器提出了更高的要求 显微正电子发射断层仪 microPET 显微microSPECT的空间分辨率在1mm左右 4 核医学在现代医学中的地位 随着尖端技术向医学渗透 产生了影像医学这一强有力的手段 在影像医学的四大分支中 X光 超声 核医学 核磁共振 核医学占据着其他方法不可替代的位置 它使人们能得到体内分子水平的早期病变的图像 在发达国家里 相机 SPECT已是医院的常规设备 PET也全面进入临床 住院病人中1 3以上使用核医学诊断技术 当前 核医学已经成为医学现代化的重要标志之一 在美国 立法规定每年举行一次核医学周 病床在250张以上的医院 如果没有核医学人员和设备就不准开业 5 我国的核医学的概况 目前 核医学已经成为我国医学的一个重要分支 卫生部规定 三级甲类医院必须有SPECT 全国有800多个医院和科研单位有核医学科或核医学实验室 上千家医疗机构使用同位素技术 全国现有核医学工作者5600多人 核医学会会员达4500多人 还有一支从事核医药研究和应用的队伍 我国核医学己经成为一个独立的二级医学学科 核医学的整体水平有了很大提高 据05年统计 3我国现有510台SPECT 65台PET或PET CT 50台回旋加速器 10年 SPECT和PET装机量都超过百台 我国的大型核医学设备拥有量在亚太地区仅次于日本 远远超过居第三 四位的澳大利亚和韩国 6 核医学的技术基础 核医学综合了核物理 放射化学 药学 电子学 计算机等学科 它与工程技术的关系比其它医学专业都密切 核医学在技术上以放射性药物和核医学仪器为基础 它们的发展是推动核医学进步的动力 第二章同位素及辐射测量 1 同位素和放射性衰变自然界中存在的核素的一些同位素 isotope 是不稳定的 会自发地蜕变成其他的核素或改变其能态 并伴随 辐射 这个过程称为放射性衰变 decay 放射性衰变的发生是随机的 用单位时间内平均发生衰变的次数来衡量样品的放射性衰变能力 称做放射性强度或放射性活度 activity 单位是贝克尔 Bq 或居里 Ci 1Bq 次核衰变 秒 1Ci 3 7 1010次核衰变 秒 因此 1mCi 37MBq 随着衰变进行 样品中放射性核素逐渐减少 放射性强度呈负指数规律下降A Aoe t 为核素的衰变常数 一个放射性原子核在单位时间内发生衰变的概率 放射性强度减弱一半所需的时间称为半衰期T1 2 ln2 0 693 粒子是两个质子和两个中子构成的氦原子核 辐射就是电子流 射线的本质电磁波 由于它的波长比可见光更短 有更强烈的粒子性表现 所以我们也常称之为 光子 photon 这些粒子所具有的能量用电子 伏特 electronvolt 来量度 1eV就是电子经过1伏特的电场加速所获得的能量 核内质子数和中子数都相同 而处在不同能量状态的核素互称同质异能素 isomer 处于亚稳态的原子核在回到基态时会放出 光子 这种原子核能态的改变称为同质异能跃迁 isomerictransition IT 2 同质异能素与 辐射 3 正负电子对湮灭 正电子是普通电子的反粒子 它从原子核放出来以后 与周围物质的原子发生碰撞 迅速损失能量 一般在几个毫米距离内就停止下来 然后 正电子与普通电子发生湮灭反应 annihilation 它们的质量转变为能量 以两个向相反方向运动的511keV的湮灭光子的形式释放出来 许多 缺中子 核素会发生质子转变成中子 并放出一个正电子的 蜕变 结果变成原子序数少1的核素 4 临床使用的放射性核素 医学临床的放射性药物应符合以下要求 1 半衰期合适 2 射线的能量恰当 3 产生的射线种类及能量单一 核素的衰变产物应该是稳定核素 不再产生次级射线 4 放射性药物的比放射性 或放射性比度 即单位质量药物所具有的放射性强度 Ci g mCi g Ci g 要恰当 5 放射性药物应具有尽可能高的核纯度 很少混有其他放射性核素 放化纯度 指处于特定化学状态中的放射性核素占总放射性的比例 和化学纯度 无其他化学物质 包括辐射分解产物的存在 为了保证病人的安全 放射性核素及其衰变产物的生理 生化作用应该对机体无害 毒理效应小 作为药物还应符合药典或国家的有关标准 6 放射性药物的生化特性应适合被测器官或组织显像 在聚集在靶器官以前 在体内不发生代谢 药物引入体内后 应给出较高的靶对非靶的活度比值 99mTc technetium锝 经IT衰变产生140keV的 光子 半衰期T1 2 6 02h 可以做所有器官的显像和血流动力学研究 131I iodine 碘 衰变产生364keV的 光子 半衰期T1 2 8 04h 适于作甲状腺 肾 肝 脑 肺 胆的显像 以及功能测量和治疗 临床常用的放射性核素 133Xe xenon 氙 衰变产生814keV的 光子 半衰期T1 2 5 29d 用于肺通气 灌注显像 正电子衰变类放射性核素 11C 20 3m 13N 10m 15O 123s 18F 110m 可用于正电子显像 内照射治疗用的放射性药物 以半衰期较长的 粒子为宜 目前常用的治疗用放射性核素是 131I iodine 碘 32P phosphorus 磷 5 医学放射性核素的制备方法 利用反应堆 nuclearreactor 1 将稳定核素置于反应堆的孔道中受中子流照射 经中子活化反应产生放射性核素 有两类反应 一类过程用表示 靶与产物是同一元素的同位素 另一类过程用表示 靶与产物不属于同一元素 2 从使用过的核燃料中分离提取裂变产物 如99Mo 131I 133Xe 等 利用回旋加速器 cyclotron 许多重要的核素 尤其是 缺中子 核素必需用回旋加速器产生的正离子与稳定核素作用来生成 例如 147N p 116C 168O p 137N 157N p n 158O 188O p n 189F 105B d n 116C 126C d n 137N 147N d n 158O 2010Ne d 189F 12452Te p 2n 12353I 20281Tl p 2n 20182Pb 20181Tl 医用小型回旋加速器 babycyclotron 已成为PET的配套设备 国外有十余种规格医用小型回旋加速器生产 利用放射性核素发生器 generator 利用半衰期长的放射性核素为母体 经过衰变产生适合临床诊断用的 半衰期短的子体 如 装置可以把子体从母体中分离出来或提取出来 子体分离出来以后 随着母体的放射性衰变 新的子体不断生长 经一定时间达到平衡 子体生长到一定量时又可分离 犹如母牛不断生成牛奶 故俗称 母牛 如果父核素的半衰期大于子核素但不能近似认为是无穷大 那么在足够长时间内可以观察到父核素的活度在下降 此时 子核素的活度从t 0时刻开始先是上升 至超过父核素的活度并达到最大值 然后随父核素的活度下降而一同下降 且父核素与子核素的活度比值保持恒定 99Mo和99mTc的半衰期分别为66小时和6小时 由99Mo生成99mTc的分支比为0 876 可计算得到22 8小时 而达到过渡平衡后 99mTc与99Mo的活度比为0 9636 6 射线与物质的作用 是带电粒子 它们在人体组织中会与各种分子 原子发生碰撞 减慢速度 失去能量 最后被吸收掉 而被碰撞的分子 原子则被电离和激发 获得的能量最终转变为热 由于 和 粒子很快就失去了能量 所以它们很难穿过人体组织 光子与原子壳层电子相互作用 把能量全部交给电子 使之成为自由电子的过程 光子丧失全部能量后消失 壳层电子逸出造成的空缺会导致荧光辐射 而电子由光电效应获得的动能在与周围物质的作用中迅速耗散 光子的本质为电磁波 它与物质作用的机理主要有以下三种 1 光电效应 photo electriceffect PhotoelectricEffect photo electron photonhv K L M Theincidentphotonisabsorbedbytheatom anelectron e g K shell isejectedwithakineticenergyequaltohv EK Thevacancyisfilledbyanoutershellelectron e g L shell therebyemittingacharacteristicx raywithenergyEK EL Alternatively insteadofthecharacteristicx ray anAugerelectron e g M shell isejected withkineticenergyofEK EL EM Characteristicx ray Augerelectron Photoelectricmassattenuationcoefficient 1 10 0 1 0 01 Photonenergy MeV 0 01 0 1 1 10 100 photoelectricmassattenuationcoefficient cm2 g K shellbindingenergy 88keV L shellbindingenergy 15keV 发生光电作用的首要条件是光子能量大于壳层电子的束缚能 逸出电子的动能等于入射光子能量与束缚能之差 不同壳层 K L M等 有不同的束缚能 所以光电吸收截面 光子能量曲线有锯齿形的 吸收边 原子序数Z高的吸收体 如铅 钨 发生光电效应的几率相当大 Z低的物质 如铝 发生光电效应的几率十分小 光电效应的发生几率与电子能量的3次方成反比 2 康普顿散射 Comptonscattering 光子与原子最外壳层电子发生弹性碰撞 将部分能量交给电子 使之脱离原子核的束缚 从原子中逸出 而光子运动方向改变 能量减少 ComptonScattering hv Incidentphotoninteractswitha free electron Theelectronisejectedatangle withkineticenergyT Thephotonisscatteredatangle withareducedenergyhv hv e Comptonelectron T Kinematics 康普顿散射是入射 光子与弱束缚电子之间的作用 可按照弹性碰撞处理 用动量守恒和能量守恒定律分析 如果入射光子的能量是E0 h0v0 电子的束缚能为0 自由电子 散射光子的能量是E hv 散射角为 可以得出 其中m0为电子的静止质量 c为光速 m0c2 0 511MeV 射线穿过物质时 因康普顿散射引起的强度减弱正比于单位体积内的电子数 即正比于原子序数Z和单位体积内的原子数N的乘积Z N 3 电子对生成 pairproduction 能量大于1 022MeV的光子经过原子核场 转化为一个正电子和一个负电子 光子消失 PairProductionintheNuclearField Thephotoninteractswiththeelectromagneticfieldofthenucleusandgivesupallitsenergyintheprocessofcreatingapairofelectron e andpositron e hv 1 022MeV e electron Sincetherestmassenergyofeachparticleis0 511MeV thephotonenergymustbegreaterthan1 022MeVforthisinteractiontohappen Thetotalkineticenergycarriedbythepairis hv 1 022 MeV e positron T T PairProduction distribution T T hn 1 022MeV Duetothenuclearrepulsionofthepositronandattractionoftheelectron theaverageenergyofthepositron T isslightlygreaterthanthatoftheelectron T EnergyDistribution AngularDistribution Forhn 2m0c2 theaverageanglebetweentheincidentphotonandthecreatedelectronis m0c2 PairProduction crosssection Pairproductioncoefficientincreaseswithphotonenergy 10 100 1 0 1 0 1 1 Pairproductioncoefficient Photonenergy MeV ak Z2 Theatomicattenuationcoefficient cm2 atom r akNA A Z2 A Z Themassattenuationcoefficient cm2 g 发生电子对生成的几率随物质的原子序数Z和 光子的能量E加大而增加 与 相比 光子能够穿透更厚的物质 而且能量越高的 射线穿透物质的能力越强 对于能量为140keV的 射线来说 46mm厚的人体组织才使它的强度衰减一半 0 9mm的铅便可使它的强度衰减10倍 强度为I0的 光子束流穿过物质时 一部分光子与物质发生作用 被散射或吸收掉 穿出厚度为x的物质后 光子流强度被衰减为I I0e x 其中 线衰减系数 linearattenuationcoefficient 单位cm 1 它与吸收物质的密度 单位g cm3 有关 定义 为质量衰减系数 m massattenuationcoefficient 单位cm2 g 7 物质对 射线的衰减 质量衰减系数主要是上述三种效应的衰减系数之和 m 光电效应衰减系数 Z3 4 E3 低能 光子和重元素原子作用时光电效应显著 康普顿散射效应衰减系数 Z E 随Z E变化不大 中等能量的 光子与中等原子序数的物质作用时 康普顿散射是主要因素 在E 1 022MeV时才发生电子对生成 其衰减系数 Z2 lnE 高能光子经过重元素核场时才有电子对生成效应 右图表示不同能量 E 的 光子在不同原子序数 Z 的吸收物质中主要的作用机制 核医学使用的能量范围为50 500keV的 光子与Z 20的人体组织的主要作用是康普顿散射 与Z 82的铅主要作用机制是光电效应 RelativeImportanceofVariousTypesofInteractions 1 10 0 1 0 01 Photonenergy MeV 0 01 0 1 1 10 100 Massattenuationcoefficient cm2 g K shellbindingenergy 88keV L shellbindingenergy 15keV lead water 3MeV 50MeV TheInteractionofPhotonswithMatter Inradiologicalphysics therangeofenergiesofinterestisfrom1keVto 50MeV Withinthisrange thefollowingtypesofinteractionwithmatterarerelevant Increasingenergyoftheincomingphoton coh inc PhotonBeamAttenuation narrowbeam Incidentphotonfluence transmittedphotonfluence scatteredphotons detector collimator isthelinearattenuationcoefficient Itrepresentsthefractionofphotonsthatinteractperunitthicknessofattenuator ortheprobabilityofinteractionperunitpathlengthintheattenuator 1 m dependsonthephotonenergyandthematerial 8 射线探测器 NaI Tl 晶体 铝壳 反光粉 光学窗 磁屏蔽 射线 光电倍增管 闪烁探测器的构造 e 闪烁探头主要由闪烁晶体和光电倍增管组成 光子射入闪烁晶体 产生可见光 其强度与入射 光子的能量成正比 与晶体紧密耦合的光电倍增管把微弱的光信号转换成电流脉冲 电流脉冲幅度与闪光的强度成正比 也与入射的 光子的能量成正比 光电倍增管 1 闪烁晶体 scintillationcrystal NaI Tl 的密度大 3 67g cm3 又含有高原子序数 Z 53 的碘 有一定厚度就能将 光子的全部能量沉积在晶体中 退激能量大部分转变成可见光 光产额高 30 40photons keV 探测灵敏度高 NaI Tl 晶体对它产生的闪光是透明的 自吸收损失很小 它的荧光持续时间短 时间分辨率达10 6s 能满足高计数率的要求 因此核医学仪器广泛使用NaI Tl 闪烁探测器 光子在闪烁晶体中发生光电效应和康普顿散射 把能量传给电子 通过电离或激发作用将能量沉积在晶格中 然后晶体发生退激 其中一部分能量以可见光的形式释放出来 2 光电倍增管 photomultipliertube PMT是一种电子管 光学光子在光阴极上打出光电子 并被第一打拿极上的正电压加速 在其上产生多个二次电子 二次电子又被加有更高电压的第二打拿极加速 撞出更多二次电子 经过8 12个打拿极的连续倍增 二次电子最后被阳极收集 形成电流脉冲 每个打拿极的倍增因子一般为3 6 总倍增因子可以达到105 108 3 光电倍增管的高压供电 正高压被R1 R8电阻分压 最后几个打拿极级流过的脉冲电流较大 C1和C2可以保持脉冲发生时打拿极电位稳定 减少信号噪声和畸变 阳极负载电阻RL给阳极电流脉冲提供通路 由于它连在正高压上 必须有高耐压的电容Ca把直流高压与后续电路隔离开 而让脉冲信号通过 由于RL下端不接地 输出信号容易引入干扰 但是正高压供电时光阴极是接地的 这对光阴极的安全有利 而且暗电流小 输出噪声低 负高压供电也能给各个打拿极和阳极提供依次递增的电位 由于RL下端接地 故不需要高耐压的隔直电容 可以克服干扰问题 但因为紧贴PMT的金属支架或磁屏蔽套通常是接地的 负高压供电会使电子撞击光电倍增管内壁 产生噪声 高压的1 改变会造成输出脉冲幅度10 以上的变化 因此要求电源的长期稳定性和温度稳定性都非常好 其输出应该不受电源电压和负载电流变化的影响 交流纹波应该小于0 1V 让PMT工作在坪区 灵敏度受高压变化影响最小的区域 不但有利于提高增益的稳定度 而且常常能获得较佳的信号 噪声比 9 射线的能谱 光子与闪烁晶体作用产生闪光 由于作用过程不同 各次闪光的强度不尽相同 有一定的分布 光电效应产生右端的光电峰 photopeak 由于 光子把全部能量转换成可见光 所以光电峰的横坐标对应 光子的能量Er 在康普顿散射中 光子只把部分能量通过反冲电子传递给闪烁晶体 因此探测器的输出脉冲幅度有很宽的分布 在光电峰左边形成康普顿坪 如果被散射的 光子接着又被探测器吸收 产生的脉冲也在光电峰里 由于 射线在NaI Tl 晶体中产生可见光光子的数目 可见光光子到达PMT光阴极的数目 光阴极释放光电子的数目 打拿极的倍增因子都有随机的统计涨落 此外PMT光阴极各处灵敏度的不均匀 加在PMT上的高压的波动 PMT的电子学噪声 都会造成虽然 光子的沉积在NaI Tl 晶体中的能量相同 但是闪烁探测器输出的脉冲幅度参差不齐的现象 这在脉冲幅度谱上表现为光电峰有一定的宽度 也就是说探测器有一定的能量分辨率 我们可以用光电峰高度一半处的宽度 E来描述探测器的能量分辨率 称为半高宽 fullwidthathalfmaximum FWHM 通常FWHM表示为 E与光电峰能量Er的百分比 FWHM E Er 100 能量高的 射线在闪烁晶体中可以产生更多的可见光光子 相对的统计涨落较小 探测器的能量分辨率也较好 对140keV的 射线 NaI Tl 闪烁探测器的FWHM 大约为10 15