CN1910473A - 放射线检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有发光效率高、衰减时间短的荧光成分，且荧光成分发射的光波长位于可见光区域或位于可见光区附近的闪烁晶体，以及一种使用该闪烁晶体的具有高时间分辨能力的放射线检测装置。作为闪烁晶体，可使用氯化钡(BaCl2)。一种放射线检测装置，其特征在于，作为闪烁物使用氯化钡晶体，使用光电倍增管接收来自于闪烁物的光；作为来自该闪烁物发射的光，使用波长250～350nm的光，并将该闪烁物放置在低湿度气氛中。

Description

放射线检测装置
技术领域
本发明涉及一种放射线、特别是伽马射线的检测装置。更详细地，本发明涉及一种时间分辨(timing resolution)能力非常快速的伽马射线检测装置。
背景技术
在现有的伽马射线检测器、特别是正电子湮灭伽马射线(0.511MeV)的寿命测量(Positron Annihilation Lifetime；PAL)中，到目前为止还不能说一定能够获得足够的时间分辨能力。在实际应用中，时间分辨能力非常重要。例如，通过提高医疗中的PET(Positron EmissionTomography：正电子断层摄像)的时间分辨能力，基于时间信息提高正电子的位置检测精度，其结果，就能够缩短测量时间并降低放射线源强度等，并能够降低被测试人的负担。还有，在材料科学中，由于正电子的寿命测量被利用在晶格缺陷的检测中，所以时间分辨能力的提高就关系到检测灵敏度的提高。
为了提高这种伽马射线检测器的时间分辨能力，与现有伽马射线检测器相比具有衰减时间短的荧光成分的闪烁晶体(scintillationcrystal)是不可欠缺的，以前实用化的大部分闪烁晶体为，发光量子产率大、但荧光的衰减时间常数为几百纳秒这样慢的物质(NaI(Tl)、CsI(Tl)、ScI(Tl)、CsI(Na)、BGO、CdWO4等)；或者衰减时间常数比较快为大约几纳秒至30纳秒左右、但是发光量子产率小的物质(CsF、CeF3、CsI、有机闪烁物等)。
在实用的闪烁物中，仅氟化钡(BaF2)具有唯一的亚纳秒的衰减时间常数(600微微秒)(非专利文献1)，但其快速荧光成分的波长为225nm，非常短，必须使用高价的紫外线用检测器等，而且，其操作非常困难。
另一方面，就BaCl2而言，测量X射线照射后的荧光寿命(非专利文献2)，但由于在放射线测量领域要求高速且发光量大的材料，并且此材料中存在潮解性而使用困难，所以基本上不作为闪烁物进行研究。
此外，本申请的发明者们为了发现理想的闪烁物，对同时具有高发光强度和短衰减时间常数、且可用于廉价的检测器的在可见光区域下发光的材料进行了研究(非专利文献3、专利文献1、日本专利特愿2003-106277)。
专利文献1：日本专利特开2003-215251；
非专利文献1：M.Laval等人，Nucl.Instm.Meth.，206(1983)169；
非专利文献2：S.E.Derenzo等人，IEEE Nuclear ScienceSymposium Conference Record 91CH3100-5，vol.1，pp.143-147，1991；
非专利文献3：H.Saito等人，Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A487(2002)612-617。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有发光效率高衰减时间短的荧光成分、且其发光波长位于可见光区域或位于可见光区附近的闪烁晶体，以及一种使用该闪烁晶体的具有高时间分辨能力的放射线检测装置。
作为闪烁晶体，可使用氯化钡(BaCl2)。
即，本发明提供一种放射线检测装置，其特征在于，作为闪烁物使用氯化钡(BaCl2)晶体，使用光电倍增管，接收来自于闪烁物的光；作为来自该闪烁物发射的光，使用波长250～350nm的光，将该闪烁物放置在低湿度气氛中。优选冷却此闪烁晶体。
附图说明
图1是表示实施例中使用的测量装置的配置的图。
图2是表示实施例1的测量结果的图，横轴表示通道数(时间)，纵轴表示计数数。
图3是表示比较BaCl2闪烁物和BaF2闪烁物的测量波形的上升时间的图。
图4是表示BaCl2闪烁物的冷却测量的情况的图。使用液氮冷却铜块，通过安装在晶体附近的温度传感器控制加热器，保持在规定温度。
图5是表示实施例3的测量结果的图。
图6是表示比较例1的测量结果的图。
具体实施方式
作为制造本发明的闪烁晶体的方法，可以制作大型单晶的垂直布里奇曼法(Bridgeman method)是适合的。该方法使加入了晶体原料的纵长坩埚，在具有规定的温度梯度的纵型炉(晶体生长炉)中慢慢下降，从坩埚内的熔液的下端开始固化，就能够获得晶体。
氯化钡(BaCl2)容易溶于水中(在20℃下、36g/100g H2O)，熔点962℃、为单斜晶系，在923℃下相变为立方晶体。通常公知为二水合物，在121℃下变成无水物。因此，优选尽可能含水少的物质。
由于氯化钡(BaCl2)晶体具有潮解性，就必须将此闪烁物放置在低湿度气氛中。为了形成低湿度气氛，例如，将此晶体放置在密闭环境中保持真空，或在其中充满氮气和稀有气体等惰性气体，或者还可以使惰性气体流动。此外，在短时间测量的情况下，还可以简单地仅在其附近放置吸湿剂。
由于氯化钡(BaCl2)晶体在照射放射线、特别是照射伽马射线时，发射波长300nm附近即250～350nm的光，所以为了接收此放射光而使用光电倍增管。
光电倍增管由用于将光转换为电子的光电面、和放大此电子的放大部构成。也可以使用MCP内置光电倍增管。MCP(microchannelplate：微通道板)是在玻璃上空出有微细孔(通道)的元件，在其两面施加电压(几kV)时，从负电位侧入射的电子在撞击通道壁的同时产生2次电子而进行放大。MCP内置光电倍增管通过内置这种元件，就能够进行单个光子的检测，是一种高速响应时间的光电倍增管。这种MCP内置光电倍增管在市场上有销售，例如，可以从浜松ホトニクス株式会社订购R3809U系列和R5916U系列。
此外，通过进行冷却来增加来自BaCl2的发光量。因此，通过冷却晶体，就能够期待进一步提高时间分辨能力。
BaCl2的高速发光成分，在波长300nm附近出现。BaF2闪烁物中，此快速发光成分为225nm，非常短，使用的光电倍增管必须是窗口材料中使用高价的UV玻璃或合成石英的光电倍增管，但若是300nm，则可以使用更常规使用的硼硅酸盐玻璃。此外，对于光电面材料，在225nm附近，尽管限定为灵敏度高的物质，但如果为300nm，就可以使用在近紫外光-可见光区域经常使用的、采用高灵敏度·低暗电流的双碱的光电倍增管。为此，BaCl2与BaF2相比，可使用的光电倍增管的种类更多。此外，即使不如BaF2那样，由于保持足够短的衰减时间常数，因此也可以期待通过使用它而实现具有高时间分辨能力的放射线检测装置。
除了上述氯化钡晶体和光电倍增管之外，本发明的放射线检测装置还可以结合这些部件，组合使用用于检测放射线的具有恰当必要技术要求的装置。例如，也可以是将氯化钡晶体和MCP内置光电倍增管中加入数字示波器，或通过外部触发电路使该数字示波器工作的结构。并且，为了处理所检测出的波形，可以使用合适的公知装置。
过去，在使用同时计数法的放射线时间计测中，使用恒比甄别器(constant fraction discriminator(CFD))、时间-振幅转换电路(TAC)、多通道分析器(MCA)；但本发明中，替代上述装置，利用高速数字示波器对从光电倍增管输出的波形进行保存·数值化，并传送到个人计算机，进行时间差的解析。这是我们开发的方法(非专利文献1)。由此，非常高的时间分辨能力的测量就成为可能。
此放射线检测装置的测量对象优选为正电子湮灭伽马射线，放射线源可为在PET中使用的物质，可列举出C-11、N-13、O-15、F-18；作为在正电子寿命测量中可使用的物质，可列举出Na-22、Ge-68。
下面，利用实施例来举例证明本发明，但其并不意图用于限定本发明。
制造实例1
按以下的程序来制备氯化钡(BaCl2)晶体。
在内径60mm的碳坩埚中，加入850g BaCl2(Aldrich制、纯度99.999％，成分比Ba∶Cl＝1∶2，晶体结构为立方晶系、比重3.096、折射率1.646)，放置于炉中。使用旋转泵和油扩散泵使炉内成为真空状态(真空度：～10-5Pa)。通过加热器对其加热，进行低温干燥(120℃，24小时)。
按照温度升温程序，将此炉升温到970℃后，保持24小时。以下拉速度0.3mm/h，将坩埚下拉105mm(约350小时)。冷却到室温(96小时)，慢慢冷却后，取出，进行成型·研磨。
使用硅脂，将如此得到的BaCl2晶体直接粘贴在光电倍增管(浜松ホトニクスH3378)的受光面上，从而制造出放射线检测装置。在BaCl2上，覆盖铝制反射板，以高效地将发光导入光电倍增管中。此外，由于测量在短时间内进行，因此在BaCl2附近放置吸湿剂。
另一方面，为了进行比较，准备在闪烁晶体中使用氟化钡(应用光研工业株式会社)的相同的放射线检测装置。
作为这些闪烁晶体，BaCl2是10mm见方的立方体、BaF2是直径30mm、厚度10mm的圆柱状。
实施例1
在图1所示的测量系统中，在一个放射线检测装置中，作为闪烁晶体，用使用了氯化钡(BaCl2)晶体的物质，在另一个中，用使用了氟化钡晶体的物质。
作为放射线源使用68Ge，进行正电子湮灭伽马射线(0.511MeV)的时间差测量。使来自光电倍增管的输出分支为2个，将一支直接输入到高速数字示波器(LeCroy WavePro 7100)，将另一支输入到峰值鉴别器及符合电路(coincidence circuit)，并向示波器施加触发。将测量数据输入微机，进行解析。
图2中示出了由本装置进行的正电子湮灭伽马射线的时间差测量的结果。根据此图，时间差测量的时间分辨能力(曲线的半幅全宽)是205ps。
实施例2
接着，根据实施例1的测量结果，比较BaCl2闪烁物和BaF2闪烁物的测量波形的上升时间。其结果用图3表示。
可以看出，对于BaF2，分布在900～1300ps之间，对于BaCl2与BaF2相比有一些延迟，分布在1000～1600ps之间。如此，可以看出BaCl2是具有接近BaF2的时间响应特性的闪烁晶体。
实施例3
接着，冷却BaCl2闪烁物，进行与实施例1相同的测量。图4表示此晶体的冷却的情况。BaCl2晶体与实施例1相同，为10mm见方的立方体，使用硅脂将其直接粘贴在光电倍增管的管面上，使其相反一侧的表面与用于冷却晶体的铜块相接触。在晶体和铜块之间也涂敷有硅脂。为了使入射到晶体的伽马射线的衰减最小，必须使与晶体接触部分的铜块尽可能薄。此处为0.5mm。此外，为了防止晶体的结露，使晶体的周围成为真空状态。在此装置中，将BaCl2晶体冷却到-100℃，进行测量。图5是其测量结果。按照曲线图，时间分辨能力提高到198ps。
比较例1
为了与上述实施例1比较，对2个闪烁物双方使用BaF2，进行相同的实验。BaF2晶体都是直径30mm、厚度10mm的圆柱状的晶体。用图6表示得到的结果。根据该曲线，时间分辨能力是174ps。
如上所述，如果进行组合了BaCl2闪烁物和数字示波器的时间差测量，就能够在实用化的已存在的闪烁物中，获得与具有最快速的衰减常数的BaF2相同程度的时间分辨能力，能够充分地用于正电子寿命测量等需要高时间分辨能力的放射线测量。

Claims (3)

1、一种放射线检测装置，其特征在于：
作为闪烁物使用氯化钡(BaCl2)晶体，
使用光电倍增管，接收来自于闪烁物的光；
作为来自该闪烁物的发光，使用波长250～350nm的光，并将该闪烁物放置在低湿度气氛中。
2、根据权利要求1中所述的放射线检测器，其特征在于，
冷却上述闪烁晶体。
3、根据权利要求1或2中所述的放射线检测装置，其特征在于，
该装置用于检测伽马射线。
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