DE2633950B2 - SzintUlations-Gammakamera mit durch optische Streuelemente voneinander getrennten Szintillatorkristallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Szintillations-Gammakamera nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um bei einer solchen Gammakamera eine gute Ortsauflösung zu erreichen, kommt es darauf an, daß das von einem bestimmten Szintillationsort ausgehende Licht nach Möglichkeit nur in den dem Szintillationsort nächsten Photoelektronen-Vervielfacher gelangt, während die diesem benachbarten Photoelektronen-Vervielfacher möglichst wenig Licht aufnehmen sollen.

Bei der aus der deutschen Auslegeschrift 18 11 258 bekannten Szintillations-Gammakamera, die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht, besteht die Szintillator-Anordnung aus einer Vielzahl kleiner prismatischer Szintillatorkristalle, die in einem sich parallel zur Lichtaustrittsebene erstreckenden Mosaik angeordnet und durch Metallschirme und Aluminiumfolien voneinander getrennt sind, die eine derartige Streuung oder Kanalisierung des Lichtes bewirken, daß sich das Licht vom jeweiligen Szintillationsort praktisch nur in Richtung der Prismenachsen ausbreiten kann und schräg verlaufende Lichtstrahlen unterdrückt werden.

Ein derartiges Mosaik aus einer Vielzahl einzelner durch Metallschirme und Aluminiumfolien voneinander getrennter .Szintillatorkristalle ist jedoch in der Praxis schwierig und teuer. Außerdem ist es fast unmöglich, die erforderliche Vielzahl von Szintillatorkristallen mit der erforderlichen vollkommenen Giejchförmigkeit bezüglich der physikalischen Eigenschaften vorzusehen.
Aus der französischen Offenlegungsschrift Nr. 22 37 206 ist eine ähnliche Anordnung bekannt, bei der ein einzelner Szintillatorkristall durch rasterartig gelegte Einschnitte in eine Vielzahl von prismatischen Vorsprüngen mit in Richtung der Lichtausbreitung

to verlaufenden Prismenachsen zerteilt ist. Die Einschnitte können dabei mit einem Material ausgefüllt sein, das die Streuung oder Reflexion der Photoelektronen erhöht Auch ein derartiger mit zahlreichen Einschnitten versehener Kristall ist jedoch nur schwierig herzustellen. Um schräg verlaufende Strahlen wirksam zu unterdrücken, müssen die Einschnitte möglichst tief sein. In diesem Fall ist aber eile Bruchgefahr der Kristallplatte erheblich. Im übrigen gehen bei einer Anordnung ebenso wie bei der oben beschriebenen Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift Nr. 1811258 die zwischen den einzelnen Kristallprismen vorhandenen mit Luft oder sonstigen Materialien ausgefüllten Zwischenräume für die Aufnahme der Gammastrahlung verloren.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 08 428 ist es ferner bekannt, die Lichtleiterscheibe einer Szintillationskamera mit Einschnitten im Bereich der zentrumsnahen Photoelektronen-Vervielfacher zu versehen, um die Verteilung des Lichts zur Verbesserung der räumlichen Linearität zu beeinflussen.

Aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 1165773 ist weiterhin eine Szintillator-Anordnung bekannt, die aus mehreren in der zur Lichtaustrittsebene senkrechten Richtung hintereinander angeordneten Szintillatorkristallen besteht, die an ihren äußeren Oberflächen aufgerauht sind. Diese Aufrauhung bewirkt eine diffuse Reflexion, die verhindern soll, daß sich das in den so ausgebildeten Szintillatorkristallen erzeugte Licht nicht innerhalb der Kristalle totläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Szintillations-Gammakamera nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Szintillator-Anordnung so auszubilden, daß sie hohe Ortauflösung ergibt, sich leicht herstellen läßt und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Die danach vorgesehene grob polierte Trennfläche zwischen den beiden in Lichtaustrittsrichtung senkrecht hintereinander angeordneten Szintillatorkristallen hat auf Strahlen,

so die sie senkrecht durchsetzen und somit zum nächsten Photoelektronen-Vervielfacher gelangen, praktisch keinen Einfluß, während schräg auftreffende Strahlen erheblich gestreut werden und daher nur mit wesentlich herabgesetzter Intensität auf die dem nächsten Photoelektronen-Vervielfacher benachbarten Vervielfacher gelangen können.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 und 2 den grundsätzlichen Aufbau einer Szintillations-Gammakamera im Schnitt bzw. von oben gesehen,

F i g. 3 einen Schnitt durch die Szintillator-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Intensitätsverteilung längs einer Richtung der Lichtaustrittsebene der Szintillator-Anordnung nach F i g. 3.
Gemäß F i g. 1 umfaßt eine Szintillations-Gammaka-

mera einen Szintillations-Kristall 3, wobei ein Szintiilat'tonsereignis am Punkt P angedeutet ist, ein Fenster 2, einen Lichtleiter 1 sowie eine Vielzahl von Photoelektronen-Vervielfacher, die mit PMi + 1, MPi. PMi- 1 usw. bezeichnet sind.

Nach F i g. 2 sind die Photoelektronen-Vervielfacher hexagonal angeordnet, und die Signale werden an Leitungen YX bis YS für die Y-Achse und Xi bis X 9 für die X-Achse abgegriffen.

Die soweit beschriebene Anordnung ist Stand der Technik.

In Fig.3 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Szintillator-Anordnung mit einem Streuelement gezeigt, das durch Grobpolieren der Voderseite, der Rückseite und der Seitenflächen zweier Kristalle und anschließendes Andrücken der Vorderseite des einen Kristalls gegen die Rückseite des anderen Kristalls gebildet wird. Ein Fenster 4 dieser Szintillator-Anordnung besteht aus Glas. Die beiden Szintilfetorkristalle 5 und 6 sind NaJ(TI)-Kristal!e. Der Reflektor 7 kann aus AI₂O₃, MGO oder BaSO₄ bestehen. Die beiden Szintillatorkristalle 5 und 6 sind mittels eines gummielastischen Halteelementes 8 in ein Gehäuse eingesetzt Das Fenster 4 und der obere Szintillatorkrista.II 5 sind entweder durch einen Epoxidklebstoff miteinander verklebt oder optisch durch ein Siliconöl miteinander gekoppelt.

Die Oberflächen der Szintillatorkristalle 5 und 6 sind grobpoliert. Poliert sind die vordere und die rückwärtige Hauptoberfläche sowie die Seitenflächer« beider Kristalle. Die Gesaintdicke der beiden übereinanderliegenden Szintillatorkristalle 5 und 6 (Fig.3) beträgt beispielsweise etwa !O bis 15 mm, die Dicke des Szintillatorkristalles 6 beträgt beispielsweise 0,5 bis 6 mm. Der Szintillatorkristall 6 ist dabei also dünner als der Szintillatorkristiill 5.

Beim Zusammenhalten beider Kristalle unter mechanischem Druck werden aufgrund der Oberflächenunebenheiten der Grobpolitur kleinste unregelmäßig verteilte Lufteinschlüsse zwischen den beiden Kristalloberflächen eingeschlossen. Wenn die beiden Kristalle optisch durch ein Siliconöl oder ein Epoxidharz miteinander verbunden sind, stellt diese kombinierte Grenzfläche zwischen beiden Kristallen das Streuelement 9 dar.

In der F i g. 4 sind in graphischer Darstellung die Eigenschaften der so beschaffenen Szintillator-Anordnung gezeigt. Die in F i g. 3 dargestellte Struktur ist in ihren wesentlichen Elementen zu Erläuterungszwecken in vergrößertem Maßstab unter die graphische Darstellung der F i g. 4 gezeichnet Unter dieser vergrößerten Darstellung der Struktur sind schematisch durch einen Pfeil die einfallenden y-Strahlen angedeutet

Das im Punkt P im Kristall 6 erzeugte Szintillaiionslicht pflanzt sich im Szintillatorkristall unter einem v> bestimmten Raumv/inkel dreidimensional fort. Die in der Darstellung der F i g. 4 aufwärts gerichtete optische Komponente L 1 wird geringfügig am Streuelement 9 gestreut. Nach Eintritt in den Szintillatorkristall 5 wird es erneut an der grobpolierten Oberfläche gestreut und tritt dann aus dem Kristall aus. Die schräger zur Normalen des Szintillationskristalls verlaufenden Strahlenkomponenten L 2 des Lichtes werden am Streuelement 9 stark gestreut, und zwar in der Weise, daß die Einfallswinkelkomponente und die senkrechte Komponente etwa den gleichen Ausbreitungsgrad in den Szintillatorkristall 5 hinein erhalten. Die Komponente L 3 der stärker geneigten Lichtstrahlen wird praktisch vollständig am Streuelement 9 gestreut und büßt dabei praktisch vollständig die Einfaliswinkelkomponente ein. Dabei bleiben eine vertikale Komponente und eine Reflexionskomponente übrig, so daß insgesamt eine trapezförmige Lichtverteilung ohne ausgedehnte Verteilungsflanken erhalten sind.

Andererseits wird die abwärts gerichtete optische Komponente LA zunächst geringfügig an der grobpolierten Oberfläche des Szintillatiofkristalls 6 gestreut und anschließend an dem vollkommen streuenden Reflektor 7 reflektiert Wenn das Licht senkrecht auf den vollkommen streuenden Reflektor 7 auftritt, streut der Reflektor 7 das Licht vollständig, und zwar praktisch in idealer Weise. Wenn das Licht dagegen schräg auf den vollständig streuenden Reflektor 7 auftrifft, ist die Reflexion nicht mehr ideal und das Licht geringfügig gestreut, jedoch kann die Reflexion zumindest in erster Näherung als normale Reflexion betrachtet werden, unter der das Licht auf den Kristall 6 zurückgeführt wird. Nach starker Streuung am Streuelement 9 wird es dann geringfügig an der grobpolierten Oberfläche des Szintillatorkristalls 5 gestreut und tritt dann in der zuvor beschriebenen Weise aus dem Kristall aus. Wenn das Streuelement in dieser Weise in der Nähe der Lichtquelle angeordnet ist, nimmt die Lichtverteilung praktisch Trapezform für die niederenergetischen y-Strahlen an, die im Kristall 6 Szintiallationsereignisse auslösen. Die erhaltene Verteilungskurve ist in der F i g. 4 als ausgezogen dargestellte Kurve s gezeigt.

Nicht ganz ideal wird dagegen der Verlauf der Verteilungskurve für hochenergetische -/-Strahlen, da für diese die Szintillationsereignisse nicht ausschließlich im Szintillatorkristall 6, sondern auch im Szintillatorkristall 5 eintreten. Selbst unter diesen Bedingungen wird jedoch eine Lichtverteilung erhalten, die von der idealen Verteilung in der in Fig.4 durch die unterbrochen dargestellte Kurve d gezeigten Art nicht allzu stark abweicht. Da im hochenergetischen y-Strahl jedoch die Anzahl N der Lichtquanten sehr groß ist, kann auch für die hochenergetischen y-Strahlen selbst bei nicht ganz idealer Lichtverteilung eine hohe Auflösung erzielt werden.

Auf diese Weise wird in der Szintillatoranordnung eine praktisch ideale Lichtverteilungsfunktion für niederenergetische y-Strahlen und damit eine hohe Auflösung erzielt Dabei kann die Szintillatoranordnung einen relativ dicken Szintillatorkristall enthalten, wie er für hochenergetische y-Strahlen verwendet wird, um die Quantenausbeute im Photomaximum zur Erzielung einer hohen Auflösung zu verbessern.

Je nach dem gewünschten Verlauf der Lichtverteilung v/ird das Streuelement 9 entweder durch mechanischen Druck auf die beiden Kristalle oder durch eine optische Kopplung beider Kristalle hergestellt. Wenn beispielsweise für einen Photoelektronenvervielfacl er mit 7,6 cm Durchmesser eine breite trapezförmige Lichtverteilung eingestellt werden soll, wird die Oberfläche des Streuelements besonders rauh poliert, und die beiden Kristalle werden unter Anwendung eines mechanischen Druckes zur Erhöhung der optischen Streuung aufeinandergepreßt Wenn auf der anderen Seite Photoelektronenvervielfacher mit einem Durchmesser von 5,1 cm oci>.r weniger eingesetzt werden, können weniger grobpolierte Oberflächen verwendet werden, die unter Reiben gegeneinander unter Einwirkung eines mechanischen Druckes aufeinander gepreßt oder unter Verwendung eines Siliconöls oder eines Epoxidharzklebers miteinander verbunden werden. Dabei wird eine

Lichtverteilung in solchen Strukturen erhalten, die der idealen trapezförmigen Lichtverteilung sehr nahe kommt. Die dabei erhaltenen Trapezbreiten sind wesentlich schmaler als die bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erhaltenen Breiten.

Für jede einzelne Ausführungsform des Szintiilators existiert ein Optimalbereich der Dicke des Szintillatorkristalls 6. Dieser Bereich wird durch Faktoren, wie beispielsweise den Durchmesser des Photoelektronenvervielfachers und der Dicke des Wellenleiters, bestimmt. Diese Größen können unter Beachtung bzw. unter Bezug auf die Streueigenschaften des Streuelementes 9 frei gewählt werden.

Wenn beispielsweise ein niederenergetischer Strahler wie das Tc-Nuclid mit 140 keV vermessen werden soii, so muß der Szintillatorkristall 6 etwa 2 bis 6 mm dick sein, wenn die Szintillationsereignisse zumindest ganz wesentlich in diesem Kristall auftreten sollen. Beim Vermessen hochenergetischer Nuklide im Szintillatorkristall 6 dagegen dürfen die Signalimpulshöhen für Licht nicht voneinander verschieden sein, das der Photoelektronenvervielfacher einmal direkt von der Quelle aufwärts abgestrahlt, das andere Mal von der Quelle abwärts abgestrahlt und nach Reflexion direkt aufwärts gerichteter Strahlung erhält Trotz unterschiedlicher Dicken des Szintillatorkristalls 6 für rein mechanisch aneinandergedrückte und optisch gekoppelte Szintillatorkristalle können diese Dicken so gewählt werden, daß die durch das vom Photoelektronenvervielfacher aufgefangene Licht erzeugten Signalimpulshöhen in beiden Fällen praktisch gleiche Werte annehmen. Diese Bedingung kann in aller Regel für eine Dicke des Szintillatorkristalls 6 im Bereich von 0,5 bis 6 mm eingestellt werden. Die Erfindung ist nicht auf die Ausbildung eines einzigen Steuerelements im Szintillatorkristall beschränkt. Vielmehr können auch mehrere solche Steuerelemente übereinanderliegend im Szintillatorkristall ausgebildet sein. Solche Szintillatorkristalle sind zwar aufwendiger herzustellen, jedoch erlauben sie die Herstellung fast rechteckiger, seitlich scharf begrenzter Lichtverteilungen.

Insbesondere bei der Herstellung von Szintillatorkristauen mit großen Durchmessern von y-Kameras mag es in der technischen Ausführung mitunter schwierig sein, den dünnen Szintillatorkristall 6 in ausreichender Flächengröße herzustellen, zu schleifen und an den dicken Szintillatorkristall 5 anzuheften. Daher kann für die Herstellung solcher Kamerakristalle mit besonders großem Durchmesser in der Art verfahren werden, daß zunächst ein relativ dicker und mechanisch in sich stabiler Szintillatorkristall 6 mit einer entsprechend bearbeiteten Oberfläche mit dem Szintillatorkristall 5 verbunden wird, wobei dann der Szintillatorkristall 6 erst anschließend nach dem Verbinden auf die gewünschte Dicke abgeschliffen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Szintillations-Gammakamera mit einer Szintillator-Anordnung, einem Lichtleiter und einer Vielzahl von Photoelektronen-Vervielfachern, wobei die Szintillator-Anordnung mindestens zwei durch optische Streuelemente voneinander getrennte gleichartige Szintillatorkristalle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Szintillatorkristalle (5,6) in der zur Lichtaustrittsebene der Szintillator-Anordnung senkrechten Richtung hintereinander angeordnet sind, und daß ihre einander zugewandten, grob polierten und quer zum Lichtverlauf vom Szintillationsort zum jeweils nächsten Photoelektronenvervielfacher stehenden Oberflächen das Streuelement (9) bilden.

2. SzLntülations-Gammakamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der Szintillatorkristalle (5, 6) 10 bis 15 mm beträgt.

3. Szintillations-Gammakamera nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Szintillatorkristalle (5, 6) durch mechanischen Druck zusammengehalten werden.

4. Szintillations-Gammakamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung cfss mechanischen Druckes ein gummielastisches Spannelement (8) vorgesehen ist, das die Ränder der Szintillatorkristalle (5,6) aufeinanderdrückt.

5. Szintillations-Gammakamera nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander in Berührung stehenden Oberflächen der einzelnen Szintillatorkristalle (5, 6) durch ein Haftmittel verbunden sind.

6. Szintillations-Gammakamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Haftmittel Siliconöl ist.

7. Szintillations-Gammakamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Haftmittel ein Epoxidharz ist.