DE2653837C2 - Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Eine derartige Szintillator-Anordnung ist aus »IEEE Transactions on Nuclear Science«, Band NS-22, Februar 1975, Seiten 626 bis 632, bekannt. Die dort insbesondere als Röntgen-Detektor eingesetzten Szintillator-Anordnungen arbeiten mit Szintillationskristallen, die bei kleineren Durchmessern eine Dicke von 3 mm, bei großflächigen Detektoren eine solche von 5 mm haben. Eine geringe Dicke ist dort erwünscht, um das Szintillationskristall-Volumen möglichst klein und damit das Hintergrundrauschen entsprechend gering zu halten.

Bei Szintillations-Kameras ist es vorteilhaft, wenn auf diejenigen Fotovervielfacher, die von der Lumineszenzstelle im Szintillationskristall weiter entfernt sind, eine möglichst geringe Lichtmenge auftrifft, um die räumliche Auflösung nicht zu beeinträchtigen.

Um dies näher zu erläutern, wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine herkömmliche Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera dargestellt ist. Dabei gelangt das Licht von einer Szintillationsstelle P, von der bei Auftreffen eines Gammaquants Szintillationslicht ausgeht, vorwiegend auf die Fotovervielfacher PMi^i, PMiund PM_i+\ (mit i = ganze Zahl). In Fig. 1 sind ferner ein optischer Leiter 1 und ein Szintillationsfenster 2 dargestellt. Der Szintillationskristall 3 besteht beispielsweise aus NaI (Tl).

Eine optimale Lichtverteilungsfunktion wäre dann gegeben, wenn das Licht nur auf die obengenannten, der Szintillationsstelle P benachbarten Fotovervielfacher, nicht jedoch auf die weiter entfernten Fotovervielfacher PMi-2, PMi-z usw. auf treffen würde. Eine derartige Lichtverteilungsfunktion läßt sich mit den bisherigen Szintillator-Anordnungen nicht erreichen, so daß die bekannten Szintillationskameras geringe räumliche Auflösung aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera der eingangs bezeichneten Gattung so weiterzubilden, daß eine höhere räumliche Auflösung erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben. Wie im folgenden noch ausführlich dargelegt werden soll, führt die Verwendung eines Szintillationskristalls, der die im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebene Dicke von höchstens 9 mm und gleichzeitig die im Kennzeichenteil des Patentanspurchs angegebene Oberflächenrauhigkeit aufweist, zu einer Lichtvertei

lungsfunktion, die eine hohe räumliche Auflösung ergibt

Aus dem Buch von Kai Siegbahn »ALPHA-, BETA-

AND GAMMA-RAY SPECTROSCOPY«, 1965, Band 1, Seite 283, ist es zwar an sieht bekannt, Szintillationskristalle mit einer Oberflächenrauhigkeit zu versehen, die in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Bereich fällt Außerdem ist dort auch von einer Verbesserung der Auflösung die Rede. Da sich die Druckschrift jedoch auf Spektrometer

ίο bezieht kann es sich bei dem Begriff »Auflösung« nur um die Energie-Auflösung handeln, d. h. um dasjenige Maß, bis zu dem schwache Strahlungsenergien von dem Spektrometer noch erfaßt werden. Demgegenüber befaßt sich die Erfindung, wie oben dargelegt, mit der räumlichen Auflösung, die für eine Szintillationskamera wesentlich ist

Dem Gegenstand des älteren deutschen Patents 26 33 950 liegt zwar die gleiche Aufgabe wie der vorliegenden Erfindung zugrunde; die Aufgabe wird dort bei der Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera durch zwei in der zur Lichtaustrittsebene senkrechten Richtung hintereinander angeordnete Szintillationskristalle gelöst, die an ihren einander zugewandten Oberflächen zur Bildung eines Streuelementes grob poliert sind. Die Gesamtdicke der beiden Szintillationskristalle ist dort vorzugsweise 10 bis 15mm, d.h. etwas größer als die im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebene Dicke des in der erfindungsgemäß ausgebildeten Szintillator-Anordnung vorliegenden Kristalls. Die Dicke eines der beiden Kristalle kann daher beim Gegenstand des älteren Patents in dem bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung vorausgesetzten Bereich liegen, beim Ausführungsbeispiel etwa zwischen 0,5 und 6 mm.

Grundlagen und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1, auf die bereits Bezug genommen wurde, eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Szintillator-Anordnung,

F i g. 2 eine Anordnung zur Erläuterung der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorgenommenen Untersuchungen,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Signalamplituden und der Oberflächenrauhigkeit des Szintillationskristalls wiedergibt,

F i g. 4A und 4B graphische Darstellungen zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Oberflächenrauhigkeit und der Lichtverteilung,

F i g. 5 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des Einflusses der Oberflächenrauhigkeit,

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel,

F i g. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Lichtverteilung in dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel und

F i g. 8 eine Tabelle der mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 erzielten Auflösungswerte.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurden Untersuchungen angestellt, um die Bedingungen herauszufinden, bei denen eine optimale Lichtverteilungsfunktion auftritt; d.h., es wurde untersucht,
i) die Bedingung, bei der der Gradient der Lichtverteilung bei dem der Lumineszenzstelle am nächsten liegenden Fotovervielfacher am größten ist und die auf diesen auffallende Lichtmenge klein ist,
die Bedingung, unter der die Lichtmenge bei dem Fotovervielfacher zu Null gemacht werden kann, die neben dem der Lumineszenzstelle am nächsten

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liegenden Fotovervielfacher liegen oder noch weiter von der Lumineszenzstelle entfernt angeordnet sind, und

in) die Bedingungen, unter denen die Zahl N der insgesamt ausgelösten Fotoelektronen vergrößert werden kann.

Bei diesen Experimenten wurden die Kurven für die Lichtverteilung für verschiedene Kristalldicken mit einer rauhpolierten Oberfläche gemessen. Bei diesen Messungen zeigte sich ein zuvor nicht bekanntes, sehr interessantes Phänomen, das nachfolgend im einzelnen beschrieben werden soll.

Zunächst richtete man die Aufmerksamkeit auf ein Experiment, um die Zahl TVder Gesamtphotoelektronen durch rauhes Policen des Kristalls zu erhöhen, wobei die in F i g. 2 dargestellte Anordnung verwendet wurde. Die Dicke d und, die Oberflächenrauhigkeit des Szintillationskristalls 3 bildeten die Parameter. Der Durchmesser des Sekundär-Elektronenvervielfachers PM und die Dicke do eines Glasfensters 2 wurden konstant gehalten. Als eine Strahlung γ liefernde Quelle wurde 57 Co benutzt Die dabei erhaltenen Meßwerte sind in F i g. 3 dargestellt, wobei auf der Ordinate die Impulshöhen und auf der Abszisse die Oberflächenrauhigkeit aufgetragen sind.

Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß die Rauhigkeit, die einem mittleren Poliermittel-Korndurchmesser von 20 μπι entspricht, für jede Kristalldicke eine wesentlich größere Impulshöhe als eine Oberfläche ergibt, die spiegelpoliert ist. Das heißt, daß die Zahl N der gesamten Fotoelektronen ansteigt, wenn die Oberfläche rauher wird. Die Zahl N ist dagegen umgekehrt proportional zur räumlichen Auflösung.

Bei einer Oberflächenrauhigkeit unter einem Wert entsprechend einem mittleren Poliermittel-Korndurchmesser von 40 μηι ergab sich keine wesentliche Vergrößerung der Zahl H für einen Kristall mit einer Dicke von 12,7 mm, wie.dies in Fig.3 durch eine mit kleinen Kreisen markierte Kurve dargestellt ist. 1st der Kristall jedoch dünner als 9 mm, so ergibt sich eine Zahl «o N, die mit rauherer Oberflächenrauhigkeit ansteigt, wie dies durch die mit kleinen Kreuzen versehene Kurve dargestellt ist. Die Begründung für dieses Phänomen wird weiter unten gegeben. In Fig.3 ist eine durch kleine Dreiecke bezeichnete Kurve dargestellt, wobei diese Dreiecke die Meßergebnisse sind, die mit einem 5 mm dicken Kristall gewonnen wurden.

Es wurde durch verschiedene Gruppen von Kristallen und durch verschiedene Poliermittel und Poliervorgänge festgestellt, daß für Kristalle, die dünner als 9 mm >° sind, die Impulshöhe bei Korndurchmessern des Poliermittels über 40 μπί im wesentlichen proportional zum Korndurchmesser des Poliermittels ist, und daß diese Tendenz um so klarer und auffälliger ist, j-ϊ dünner die Kristalle sind. Bei Kristallen, die zwischen 9 und 12,7 mm dick sind, war die Vergrößerung der Zahl N jedoch nicht so stark.

Um eine verbesserte Lichtverteilungskurve zu erhalten, d. h., um die Bedingungen und Voraussetzungen gemäß den zuvor aufgeführten Punkten i) und ii) herauszufinden, wurde danach eine Untersuchung durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Lage der Lumineszenzstelle und der Impulshöhe zu ermitteln, indem die Lage der Gammastrahlungsquelle (vgl. F i g. 2) in seitlicher Richtung verändert wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in den F i g. 4A und 4B dargestellt. In diesen Figuren sind die Lichtverteilungsfunktionen in normierter Form dargestellt, um die Auswertung zu erleichtern. F i g. 4A zeigt Relativwerte der Impulshöhe für Kristalle mit einer Dicke von 12,7 mm und einer Rauhigkeit entsprechend mittleren Poliermittel-Korndurchmessern von 24 μπι (Meßwerte O), 74 μπι (Meßwerte Δ ) und von 125 μηι (Meß'verte x). Fig.4B zeigt die Meßergebnisse für einen 5 mm dicken Kristall mit Rauhigkeiten entsprechend mittleren Korndurchmessern von 24 μπι (Meßwerte O)und74 μπι (Meßwerte Δ).

In Fig.4A besitzen die Kurven eine ausgeprägte, scharfe Spitze und ein nachziehendes, langsam auslaufendes Ende. Unterschiede in der Rauhigkeit beeinflussen die Kurvenspitze nicht, jedoch etwas das seitliche Ende der Kurven. Darüber hinaus bewirkt dieser Unterschied keine wesentliche Änderung im Gradienten in der Lage (Xi+1) des Fotovervielfacher, der der Lumiiieszenzquelle am nächsten liegt

In Fig.4B zeigen die Kurven ein weniger langsames Auslaufen des Kurvenendes, d. h„ die Kurven nehmen mit zunehmendem Abstand stärker ab. Die Form der Kurvenspitze ändert sich bei größerer Rauhigkeit. Der Gradient an der Stelle Xi+1 des der Lumineszenzstelle benachbarten Fotovervielfachers steigt mit zunehmender Rauhigkeit stark an. Es sei darauf hingewiesen, daß im Abstand Xi+ 2 die Impulshöhe Null ist. Dies wurde allgemein für Kristalle festgestellt, die dünner als 9 mm sind.

In den Fig.4A und 4B sind auf den Ordinaten die relativen Werte der Impulshöhen und auf den Abszissen die Abstände von der Szintillationsstelle aufgetragen. Die Angaben Xi, Xi+1 und Xi+ 2 bezeichnen die Mittelpunkte der Fotovervielfacher PMi, PMi+1 bzw. PMi+2.

Es hat sich also herausgestellt, daß drei Erfordernisse lediglich dadurch in geeigneter Weise befriedigt werden können, daß der Kristall dünner als 9 mm und rauher ausgeführt wird, wobei die Erfordernisse darin bestehen, die Anzahl N der Fotoelektronen zu erhöhen, den Gradienten zu erhöhen, und das Licht an dem der Lumineszenzstelle am nächsten liegenden Fotovervielfacher sowie das Licht, das auf die diesem benachbarten und auf die entfernten Fotovervielfacher trifft, zu verringern.

Es besteht jedoch immer noch die Frage, ob dieser Effekt tatsächlich auf die rauhere Oberfläche oder auf den kleineren Gesamtabstand d+do zwischen der Szintillationsstelle und dem Fotovervielfacher zurückzuführen ist. Um dies bei dem zuvor beschriebenen, vorteilhaften Phänomen herauszufinden, wurde ein Experiment für Kristalle mit Dicken von 12,7 mm und 5,0 mm durchgeführt, bei denen der Gesamtabstand d+do mit 18mm konstant gehalten wurde, indem geeignete optische Leiter eingesetzt wurden. Die Meßergebnisse sind in F i g. 5 dargestellt. Die Angaben auf den Achsen entsprechen denen von F i g. 4, wobei die Abstände .Yin mm auf der Abszisse angegeben sind. Die Meßwerte χ ergeben die Kurve für die 12,7 mm dicken Kristalle, und die Meßwerte O ergeben die Kurve für die 5,0 mm dicken Kristalle, die mit einem Poliermittel der Korngröße 74 μ,η poliert wurden. Aus F i g. 5 ergibt sich, daß der rauhpolierte Kristall einen idealen, trapezähnlichen Verlauf der Lichtverteilungsfunktion FXx) unabhängig vom Gesamtabstand der Lumineszenzstelle vom Fotovervielfacher ergibt.

F i g. 6 zeigt den Aufbau eines Szintillators, der als Szintillationskristall einen Nal-Kristall 5 mit einer Dicke von 9 mm oder einer kleineren Dicke aufweist. Ein Fenster 4 besteht beispielsweise aus Glas. Ein

streuender Reflektor 6 besteht beispielsweise aus AI2O3, MgO oder BaSO₄. Das Fenster 4 und der Kristall 5 sind mit einem Epoxyharz-Kleber optisch miteinander gekoppelt. Die obere und untere Fläche des Kristalls 5 ist rauh poliert mit einem Polierungsgrad entsprechend einem mittleren Poliermittel-Korndurchmesser von 40 bis 125 μπι. Der Reflektor 6 reflektiert dasjenige Licht in den Kristall zurück, das von der Szintillationsstelle auf die Unterseite des Kristalls fällt.

Die optischen Vorgänge im Kristall 5 sollen anhand von F i g. 7 beschrieben werden und zwar durch Erläutern des Grundes, weshalb die rauh polierte Oberfläche einen bestimmten Effekt zeigt, wenn die Kristalldicke kleiner als 9 mm ist.

In Fig.7 sind zwei Medien mit einem höheren Brechungsindex π von 1,54 und einem kleineren Brechungsindex η von 1,0 dargestellt, die an den Übergangsflächen rauh poliert sind. Wenn ein Laserstrahl auf die Medien gerichtet wird, so ergeben sich Kurven für die Lichtemission, wie sie in F i g. 7 dargestellt sind. In F i g. 7 sind die Lichtintensität (in logarithmischer Darstellung) und die Strahlungsrichtung in Polarkoordinaten angegeben, wobei die Punkte Oa, Ob und Oc die Pole bzw. die Nullpunkte des Polarkoordinatensystems sind. Die Strahlungsrichtung bzw. die Richtung des Lichts gibt den Emissionswinke! des Lichtes wieder, der der Richtungswinkel der Polarkoordinate ist.

Des einfacheren Verständnisses halber sei hier angenommen, daß Licht mit jeweils gleicher Intensität auf die Stellen Oa. Ob und Oc auftritt, obgleich die Intensitäten in der Praxis nicht gleich sind, wie dies im weiteren beschrieben werden wird.

Für die rauheren Übergangsflächen ist die Komponente "Oc?an der Stelle O_c in Lichteinfallsrichtung im Vergleich zur Komponente Obb an der Stelle Ob wesentlich kleiner, da die Ausbreitung oder Zerstreuung mit größer werdendem Einfallswinkel auch größer wird. Dagegen ist die Komponente O_CC\ an der Stelle O_c im Vergleich zur Komponente Obb\ an der Stelle Ob in Richtung zur Eintrittsfläche des Fotovervielfachers nicht so stark unterschiedlich. Wenn die Flächen dagegen fein poliert sind, wie dies durch die gestrichelten Kurven dargestellt ist, ist diese Tendenz gerade umgekehrt, d. h., die Abnahme der Komponente in Einfallsrichtung bzw. im Einfallswinkel ist klein, und die Abnahme der Komponente, die auf die Oberfläche des Fotovervielfachers gerichtet ist ist relativ groß.

Bei dünnen Kristallen sind die Komponenten mit größerem Einfallswinkel dominierend, da der Abstand d von der Szintillationsstelle P zur polierten Oberfläche relativ klein ist. Da die Oberfläche rauher ist, wird die Verteilungskurve des emittierten Lichtes, wie es in F i g. 7 dargestellt ist, auch aus diesem Grunde runder, so daß die auf den Fotovervielfacher gerichteten Lichtkomponenten größer werden. Oder genauer ausgedrückt, da der Abstand zwischen der Szintillationsstelle fund jeder Stelle sich voneinander unterscheidet, muß der Absolutwert der an den Stellen Oa, Ob und Oc auftretenden Lichtmenge berechnet werden, wobei das Quadrat des Abstands in Betracht gezogen werden muß. Die tatsächlichen Absolutwerte sind jedoch hier nicht signifikant genug, um die Vorteile zu verstehen, die sich aus der kleineren Dicke des Kristalls und der rauhen Oberfläche desselben ergeben.

Auf dem zuvor Beschriebenen ergibt sich also, daß die Wirkung einer rauhen Politur bei dünnen Kristallen von größerer Bedeutung ist, da die Ausbreitungskennlinie stark vom Lichteinfallswinkel abhängt und da die Komponenten größerer Einfallswinkel in dünnen Kristallen dominieren. Ein 5 mm dicker Kristall zeigt daher bezüglich einer unterschiedlichen Oberflächenrauhigkeit eine größere Wirkung als ein 9 mm dicker Kristall.

In Fig.4B ist die Änderung der Verteilung um die Kurvenspitze herum als Folge eines starken Anstiegs oder einer starken Vergrößerung der auf den Fotovervielfacher gerichteten Lichtkomponente auf Grund der Rauhigkeit der Kristalloberfläche angesehen worden. Gleichzeitig sind der steil verlaufende Teil und der nicht nachlaufende oder langsam abfallende Randbereich der Kurven der Tatsache zuzuschreiben, daß die Komponente Obb wesentlich mehr gegenüber der Komponente 0 ₃a'als die Komponente OcCgegenüber der Komponente Obb abfällt, so daß die Komponente in Richtung des Einfallswinkels abnimmt, wenn der seitliche Abstand größer wird.

Bei einem dicken Kristall ist aus Vergleichsgründen der Abstand d' von der Szintillationsstelle P' zur polierten Oberfläche relativ größer gewählt, um kleinere Einfallswinkel zu schaffen. Daher ist die Gerade POc als parallel zur Geraden POb anzusehen.

Daher wird das von P' kommende und auf den Punkt Oc auffallende Licht in entsprechender Weise wie das Licht Obb' und Obb verbreitert, so daß sich die Vertikalkomponenten (d. h. die auf den Fotovervielfacher gerichteten Komponenten) Obb\ und Obb\ ergeben.

Infolgedessen besteht bei dicken Kristallen bei Vergleich eines vertikalen Einfalls und eyies schrägen Einfalls die Ungleichung O_aa\ > Obb\, wenn der Kristall fein poliert ist. Bei rauh polierten Kristallen ergibt sich O_aa\ > Obb\ und Obb\ > Obb\. Daher ist das auf den Fotovervielfacher auftreffende Gesamtlicht bei dicken Kristallen praktisch konstant und nicht von der Rauhigkeit der Kristalloberfläche abhängig, da die integrierten Lichtkomponenten, die auf den Fotovervielfacher gerichtet sind, in beiden Fällen praktisch gleich sind, so daß sich unabhängig von der Rauhigkeit die in F i g. 3 dargestellte Eigenschaft ergibt. Die nachschleppenden oder nur langsam abfallenden Randbereiche der Kurven gemäß Fig.4A gehen auf die Tatsache zurück, daß ein kleinerer Einfallswinkel bei dicken Kristallen eine geringere Abnahme der Komponenten Obb in Einfallrichtung verursacht.

Kameras, die mit den beschriebenen Szintillator-Anordnung ausgerüstet sind, zeigten Auslösungswerte, wie sie in der Tabelle von F i g. 8 angegeben sind, wenn ⁵⁷Co als Strahlungsquelle verwendet wird.

Wie zuvor beschrieben wurde, sind die Vorteile einer rauhen Politur bei dünneren Kristallen größer. Es bestehen jedoch in der Praxis Grenzen hinsichtlich der Rauhigkeit und der Dicke bei den Kristallen. Ein sehr dünner Kristall führt zu einer wesentlichen Verschlechterung des Detektions-Wirkungsgrades bei Gammastrahlen. Daher ist die Kristalldicke für die Messung der Strahlung von Tc (Technetium) mindestens 1 bis 3 mm.

Darüber hinaus führt eine sehr rauhe Politur zum Zerspringen des Kristalls sowie zur Ausbildung von Blasen an der gesamten Übergangsfläche von dem Glas des Fensters zum Kristall. Wenn der Kristall von kombinierten Domänenbereichen mit unterschiedlichen Achsen gebildet wird, ergibt sich darüber hinaus eine unterschiedliche Lichtausbreitung durch die Domänen, so daß eine falsche Empfindlichkeitsverteilung gemessen wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Szintillator-Anordnung einer Szintillationskamera mit einem Szintillationskristall einer Dicke von 9 mm oder weniger sowie Mitteln zur optischen Ankopplung des Szintillationskristalls an Fotovervielfacher, dadurch gekennzeichnet, daß die den Fotovervielfachern zugewandte Oberfläche und die von den Fotovervielfachern abgewandte Oberfläche des Szintillationskristalls (5) eine Rauhigkeit aufweisen, die einem mittleren Korndurchmesser des zu ihrer Erzielung verwendeten Poliermittels von 40 bis 125 μπι entspricht