CN105723246A - 用于成像应用的具有稳定光输出的辐射检测器 - Google Patents

用于成像应用的具有稳定光输出的辐射检测器 Download PDF

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Abstract

一种辐射检测器可包括闪烁器、光源和传感器。闪烁器可包括能够将非可见辐射(入射辐射)转换成可见光的多种闪烁材料。传感器可以被放置在闪烁器附近或者紧靠闪烁器，使得任何转换的可见光可以被传感器检测或者测量。光源可以被放置在闪烁器附近或者紧靠闪烁器，使得来自光源的光可与闪烁器中的缺陷相互作用，从而使得由该缺陷引起的对非可见辐射向可见光的转换的干扰最小化。

Description

用于成像应用的具有稳定光输出的辐射检测器
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年6月14日提交的，题为“用于成像应用的具有稳定光输出的辐射检测器”，申请号为61/835,072的美国临时申请的权益，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本发明涉及高能成像系统和高能光子检测器。
背景技术
在各种应用(包括医学成像、地质勘探、国土安全、以及高能物理)中，闪烁材料与光电检测器结合用以检测高能光子、电子和其它粒子，具有科学上和经济上的重要意义。在辐射检测器/成像设备中，闪烁材料(例如，铈掺杂的闪烁器)可以被使用。为了在这些应用中将闪烁器的价值最大化，在这些闪烁器中特定的性质是期望的。通常，高闪烁光产额、快速闪烁动力学(同时在衰减时间和上升时间上)、良好的能量分辨率、高程度的比例性、以及对环境光曝光的相对不灵敏性是希望的。
为此目的，期望获得一种没有或者相对没有可以阻止闪烁过程的电子/空穴陷阱和其它缺陷的闪烁器成分，和/或减少闪烁器中不期望的陷阱和缺陷的效应。
附图说明
图1说明了根据本发明的实施例的辐射检测器。
图2说明了根据本发明的实施例的辐射检测器的特性。
图3说明了根据本发明的实施例的辐射检测器的特性。
图4说明了根据本发明的实施例的辐射检测器的特性。
具体实施方式
图1说明了根据本发明的实施例的辐射检测器100。
根据实施例，辐射检测器100可以包括闪烁器110、光源120以及一个或多个传感器140。
闪烁器110可包括能够将非可见辐射(入射辐射)转换为可见光(出射辐射)的各种闪烁材料。传感器140可以被放置在闪烁器110邻近，或者紧靠闪烁器110，使得任何转换的可见光可以被传感器140检测或者测量。光源120可以被放置在闪烁器110邻近，或者紧靠闪烁器110，使得来自光源120的光可以与闪烁器110中的缺陷相互作用，从而使由缺陷引起的对非可见辐射向可见光的转换的干扰最小化。
闪烁器110可以是或者可以包括这样的材料，其当与电离辐射相互作用时，具有可以最终用于产生图像的可测量的响应。在一些实施例中，这样的材料为当被入射辐射激发时产生光的光子的闪烁材料。
在传感器140处的测量的光的量可以被称为“光产额”，或者“光输出”，并且通常被报告为相对于已知标准的值，或者是如光子数/MeV的绝对值。
在一些实施例中，辐射检测器100可适于用于多种辐射检测应用，包括医学成像应用，诸如正电子发射计算机断层扫描(PET)、飞行时间正电子发射计算机断层扫描(TOF-PET)、X-射线计算机断层扫描(X-rayCT)或者单光子发射计算机断层扫描(SPECT)、以及任何其它多模态系统(PET-CT、PET-MRI、PETSPECT)。
光源120可以将闪烁器110的所有部分曝光于各种选定波长的光，以稳定任何长时间的光输出漂移。该漂移可以由闪烁器110的闪烁材料中的缺陷引起。闪烁器110在特定波长的光下的曝光可以在辐射检测器100内部发生，以将闪烁器110内的缺陷维持在它们的饱和能量状态。这些饱和的缺陷可以对闪烁过程具有显著较低的影响或者干扰。曝光可以在辐射检测器100的正常工作条件期间，也可以在校准期间或者空闲时间，连续地或者间歇地，或者以脉冲方式进行。
在一些实施例中，针对任何给定的应用，为了优化辐射检测器100的性能，可以选择或者调谐来自光源120的特定的光波长或者多波段/范围的波长、强度、以及曝光时间/持续时间/频率。光源120的光波长、强度和曝光时间/持续时间/频率的选择可以在辐射检测器100的设计期间完成。可选地，光源120的光波长、强度和曝光时间/持续时间/频率的调谐可以在操作或者校准期间动态完成，从而针对(诸如由环境条件引起的)性能变化进行调节。调谐可以由控制光源120的控制器(未示出)控制，并且该调谐可以基于对辐射检测器100的性能测量结果来控制。
辐射检测器100可以进一步包括在闪烁器110和传感器140之间的滤光器130，其可以滤除来自光源120的光，从而增加信号对比度。因为来自光源120的光可以透射通过闪烁器110并到达传感器140，从而传感器140可以检测到来自光源120的光。检测到的来自光源120的光通常被看做是噪音。为了允许传感器140检测来自闪烁器110中的闪烁过程的光，而不检测(或者检测较少的)来自光源120的光，滤光器130可以滤除来自光源120的光。由于来自光源120的光可以被调谐/选择为特定的波长，滤光器130可以类似地被调谐/选择为过滤/阻挡该来自光源120的特定波长的光，使得来自光源120的光在通过滤光器130后并且到达传感器140时被降低强度。
在实施例中，来自光源120的光可以由辐射检测器100外壳内的发光二极管(LED)或者其它期望波长的光源生成，使得闪烁器110被曝光于来自光源120的光。或者闪烁器110可以被磷光体或者其它材料包围，该磷光体或者其它材料当被闪烁器本身的正常发射激发时以期望的波长发射光。曝光在持续时间和/或强度上应当足够使闪烁器110内的缺陷中心饱和，使得缺陷中心基本上不能俘获载流子，并且闪烁过程可以基本上不受阻碍。
光源120还可以包括光管、波导或者反射表面，其被设计为引导光至闪烁器110。
X-射线或者其它电离辐射源可以实现为进入辐射检测器100中的光源120的一部分，和/或设计为x-射线生成器或者辐射源的一部分。在目前公开的主题的特定实施例中，辐射源可从辐射检测器100附近移除，或者与辐射检测器100屏蔽，从而控制曝光时间以及闪烁器110的体积所吸收的能量的量。
在实施例中，辐射检测器100可以在校准期间采用非可见辐射(入射辐射，如x-射线)曝光闪烁器110的每个部分达一持续时间，以使闪烁器110中所有的缺陷饱和，并且随后在操作阶段，相同的非可见辐射(入射辐射，如x-射线)可以穿过样品材料(例如生物材料)以生成非可见辐射下的图像，其可以被具有饱和缺陷的辐射检测器100检测或者测量。在校准阶段期间，光源120可以引导或者导向具有相对均一强度的非可见辐射(入射辐射，如x-射线)至闪烁器110的每个部分。在操作阶段期间，光源120的非可见辐射可以穿过样品材料并且随后进入闪烁器110。
在实施例中，闪烁器110可以是石榴石型的闪烁器，诸如(例如采用铈(Ce)掺杂的)钆镓石榴石晶体(通常被称为GGAG或者GAGG闪烁器)。在一些实施例中，目前公开的主题将钆镓石榴石晶体或陶瓷作为闪烁材料并入辐射检测器100。然而，也可以使用其它材料。闪烁材料的成分可以包括，但是不限于，Gd3Ga3Al2O12、Gd3Ga2Al3O12、Gd3Ga1Al4O12、以及其它变种。这些闪烁器可以采用激活剂/掺杂剂(例如铈或者镨)掺杂，同时可采用或者不采用共掺杂物。
为了根据目前公开的主题的这些镓石榴石的潜能的初始评价，单晶形式的铈掺杂Gd3Ga3Al2O12(GGAG)被用作闪烁器110中的示例材料。然而，目前公开的主题不限于该精确成分，也不限于铈作为激活剂，也不限于单晶形式。相对于激活剂来说是异价的和等价的额外的共掺杂物，都可以用于这些成分中。
钆镓石榴石是一类有希望的闪烁器110，具有高的密度和潜在优良的闪烁性质。然而，具有石榴石或者钙钛矿结构的材料可以具有空位缺陷和反位缺陷，其可以对这些材料的闪烁性质造成干扰。
辐射检测器，诸如用于成像应用的这些检测器，可以依赖于闪烁器在检测器的整个使用寿命过程中一致的性能。成像装备的硬件、电子件以及软件被设计为预期闪烁器光产额将在一个窄的范围内保持相对稳定，并且与该预期的偏差将导致降级的检测的信号或者图像。
然而，在单独的有晶格缺陷(包括空位或者反位缺陷)的晶体材料中，获得该所需的一致的闪烁器性能可能是困难的或者不可能的。
闪烁器110可以包括具有缺陷俘获中心的材料，使得被俘获的载流子的浓度随着时间变化，因此其导致光输出依赖于时间，即光产额可以随着时间减少。这种减少的光产额可以在医学成像设备中导致不稳定的和降级的闪烁器性能。
因此，根据目前公开的主题的一些实施例，提供一种方法和一种设备，通过将闪烁器晶体曝光于适当的特定波长的光、x-射线或者任何其它类型的电离辐射，来使这些陷阱重新饱和，以恢复该减少的光产额，创建在辐射检测器100的操作期间具有稳定的光产额的辐射检测器100。
此外，一些其它缺陷俘获中心可以产生余辉效应，其不一定与闪烁机制竞争，或者引起时间依赖的光输出，但的确在闪烁器110中产生额外的不期望的光子的背景噪音信号。该“余辉”缺陷俘获中心可以在曝光于特定波长的光期间被填充。该填充的“余辉”缺陷俘获中心可以引起余辉效应。这些缺陷俘获中心可以通过对晶体的低温加热被耗尽/脱陷(detrapped)，或者可以通过用导致光学漂白现象的特定波长照射晶体而被光学耗尽。与引起减少光输出的缺陷中心相反，为减少余辉效应，余辉缺陷俘获中心是空的而不是填充的是优选的。
在实施例中，光源120(或者在闪烁器110附近的第二光源)可以进一步生成光，以与闪烁器110中的余辉效应相互作用，从而通过例如调谐所述光(针对特定的波长、强度和持续时间)以耗尽/脱陷闪烁器110所有部分内的任何余辉缺陷，最小化由余辉缺陷引起的余辉。
图2通过说明在一定温度范围内GAGG：Ce晶体的热致发光(TL)发光曲线，说明了根据本发明的实施例的辐射检测器的特性。
图2示出了300度(K)附近的发光带，其可以被称为室温俘获中心。
针对GAGG：Ce晶体(5×5×5mm3的测试样品)测量的TL谱示出了若干发光带(具有发光峰)，并且因此多个俘获中心从10度(K)至500度(K)的存在。造成在300K处看到的发光峰的缺陷俘获中心可能是影响闪烁器内的室温闪烁性质的主要原因。
通过加热样品或者将样品保存在黑暗中很长时间，室温下的缺陷俘获中心可以是热减少的(即耗尽/脱陷)。这些耗尽的缺陷俘获中心随后可以干扰闪烁过程。
在样品测试期间，通过在空气中以500℃加热晶体(5×5×5mm3)，闪烁光输出减少了～45％。
如图3中所示，通过在室温下将样品保存在黑暗中，光输出也被发现随着时间减少。
图3说明了根据本发明的实施例的辐射检测器的特性。
如图3中所说明的，室温下将样品保存在黑暗中可以引起相对光输出随着时间降低。相对光产额以与标准的铋锗氧化物(BGO)晶体的性能相比的通道数来表示，其中铋锗氧化物晶体的光输出设定为参考通道数100。
如果不加预防，光产额随着时间降低可以导致辐射检测器100中降低的性能。因此，期望将光产额维持在最初的值，或将光产额恢复到最初的值。
为了确定用于利用曝光恢复光输出的来自光源120的光的合适的波长(一个或多个)，样品(5×5×5mm3)被以300℃加热从而耗尽载流子陷阱，降低可测量的光产额。随后，在样品被曝光于不同波长的光之后，通过监控光致发光(PL)的发射强度，光产额的恢复被测定，以作为光产额的表示。
图4说明了根据本发明的实施例的辐射检测器的特性，特别是在GAGG：Ce晶体样品被加热之后，不同波长的曝光对PL强度的影响。图4的水平轴表示用于产生用于测量的光致发光的入射辐射的波长。
如图4中所示，在电荷载流子陷阱被耗尽(以300℃加热一段持续时间)后，与“退火前”的测量结果相比，样品中的PL强度明显降低。为了观察每个特定波长的光能量重新填充缺陷陷阱的能力，样品随后被单独地曝光于不同波长的光，并且然后经由光致发光被测试。
在将样品曝光于445nm的光(例如从Ce的4f能带到5d能带的跃迁)10分钟后，PL发射强度被恢复到最初的值。
同样地，通过将晶体加热至500℃，耗尽陷阱，以及随后从Cs-137源的辐射测量光产额闪烁，这些结果也适用于闪烁光产额。测量的光产额下降～45％。晶体随后被曝光于445nm波长的光30分钟，并且闪烁的最初的光产额被恢复。
下面的表1示出了在不同的温度下退火的GAGG：Ce晶体的相对闪烁光输出。在未将晶体曝光的情况下在退火后光输出被立刻测量，并且随后在将样品曝光于环境光下21小时后光输出被再次测量。报告的光产额是相对于BGO参考标准的，其中BGO参考标准的光产额被设定为100。
曝光前 曝光21小时后
随着生长(无退火) 279 306
在900度下退火 163 306
在1100度下退火 160 295
在1300度下退火 166 310
表1在不同温度下退火的GAGG：Ce晶体的相对闪烁光输出
因此，通过使缺陷陷阱中心饱和，并且防止缺陷陷阱中心阻止闪烁过程，具有以345nm或者445nm波长的光(其可电离Ce3+)曝光闪烁器的光源120的辐射检测器100，可以在整个设备操作寿命内维持基本上恒定的或者稳定的光产额。
如图4中所说明的，在样品曝光于445nm波长的光后，测得的PL强度高于“退火前”的样品。这是由于测试期间TL发射的贡献。
尽管以上已经参考特定实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不限于以上实施例，以及附图中示出的特定配置。例如，示出的一些部件可以互相结合作为一个实施例，或者一个部件可以被分割成若干子部件，或者可以增加任何其它已知的或者可用的部件。本领域技术人员将理解在不背离本发明的精神和实质特征的情况下，本发明可以以其它方式实现。因此，本实施例在各方面被看做是示例性的而不是限制性的。本发明的范围通过随附的权利要求而不是前述的说明书来指示，并且来自权利要求的等价的含义和范围内的所有改变因此意在被包含在本文中。

Claims (13)

1.一种辐射检测器，所述辐射检测器包括：
闪烁器；
光源；以及
传感器，
其中所述闪烁器能够将非可见辐射转换为可见光，
所述传感器被定位在所述闪烁器附近，以检测来自所述闪烁器的转换的可见光，以及
所述光源被定位在所述闪烁器附近，以将所述闪烁器曝光，使得来自所述光源的光与所述闪烁器内的缺陷相互作用，以使所述缺陷引起的对所述闪烁器内的闪烁的干扰最小化。
2.根据权利要求1所述的辐射检测器，进一步包括在所述闪烁器和所述传感器之间的滤光器。
3.根据权利要求2所述的辐射检测器，其中所述滤光器基本上阻止来自所述光源的光到达所述传感器。
4.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述闪烁器包括GAGG或者GGAG材料。
5.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光源采用可见辐射、红外辐射、紫外辐射、X-射线辐射或者电离辐射曝光所述闪烁器。
6.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光源被调谐成发射特定波长的光，以使所述缺陷饱和。
7.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光源采用光连续地曝光所述闪烁器。
8.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光源在闪烁检测期间采用光连续地曝光所述闪烁器。
9.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光源采用光间歇地或者周期性地曝光所述闪烁器。
10.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中所述光源采用光脉冲曝光所述闪烁器。
11.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中在执行闪烁检测之前，所述光源在校准阶段期间采用光曝光所述闪烁器达预定的持续时间。
12.根据权利要求1所述的辐射检测器，进一步包括定位在所述闪烁器附近的第二光源，以将所述闪烁器曝光于第二光，使得来自所述第二光源的第二光与所述闪烁器内的余辉缺陷相互作用，从而减少由所述缺陷引起的余辉。
13.根据权利要求11所述的辐射检测器，其中所述第二光源被调谐成发射特定波长的第二光，从而使所述余辉缺陷脱陷。
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