KR19990067259A - 극저의 광레벨 다중 광자 검출기 - Google Patents

Abstract

방사성 동위원소(20)를 검출하기 위한 극저의 광레벨 다광자 검출 장치는 하루에 약 1 카운트의 광레벨을 가지고 있어서 아토몰의 재료를 검출할 수 있다. 두 개의 마주보고 있는 감마 및 X 선 광자 검출기는 각각 바람직하게 신틸레이션 결정체(22)와 광전자 증배관(26)을 포함한다. 상기 검출기 사이에, I¹²⁵와 같은 방사성 동위원소로 표지화된 샘플(36)을 위한 세퍼레이터(32)와 샘플 홀더(34)가 삽입되어 있다. 각 검출기는 베이스(30)에서 방사성 동위원소로부터의 방출을 전기 출력 펄스로 변환시키고, 이어서 펄스는 펄스 파형 분석, 동시와 비동시 이벤트의 식별 그리고 방사성 동위원소의 양을 정하기 위해 신호 처리된다. 검출기 재료 및 구성 성분은 광레벨을 최소화하는 것이 선택되고, 복합 차폐물(55)내에서 외부 방사로부터 차폐된다. 다른 원리로 작동되는 검출기 및 다른 구성의 샘플 홀더가 사용될 수도 있다. 상기 장치는 또한 이차원 샘플 어레이의 영상을 분해하고 제공하도록 구성될 수도 있다.

Description

극저의 광레벨 다중 광자 검출기

하드웨어 수행 동시 카운팅은 미국 특허 제5,083,026호에 개시된 양전자-감마(pg) 이미터(emitter)용 검출기에서 사용된다. 양전자와 감마가 동시 방출된 다음 10 나노초(nanoseconds)내에, 양전자는 511 keV의 에너지를 가진 두 개의 연속 감마 광자(two back-to-back gamma photons)를 생산하는 전자를 소멸시킨다. 다수의 신틸레이션 검출기는 세 개의 동시성 고에너지(E ≥ 250 keV) 감마를 기록하는데 사용되고, 이 삼중 감마 신호를 부족하게 하는 이벤트는 배제된다. 이들 장치는 특히 사용가능한 동위원소의 종류 및 질량이 크고 비용이 높은 신틸레이터 결정체에서 심한 제약이 따른다.

본 명세서에 참고로 삽입된 미국 특허 제 5,532,122호에 대응하는 WO 95/10308호에 따르면, 시간당 일 카운트와 같이 아주 낮은 광레벨을 갖는 소량으로 감마 및 X 선 방출 동위원소의 양을 동시 측정(quantitation)하는 방법이 개시되어 있다.

동시에 감마 및 x 선을 개별적으로 그리고 동시에 카운팅하는 것은 문헌(Oesterlin et al., U.S. patent 4,005,292; Horrocks et al., U.S.patent 4,016,418; Coffey, U.S. patent 3,974,088; 그리고 Fymat et al., U.S. Patent 4,682,604)에 교시되어 있다. 하지만, 이들은 모두 높은 방사능 응용에 제한된다.

본 발명은 아주 낮은 광레벨(ultralow background)을 갖는 다광자 방사성 동위원소 검출기에 관한 것이다. 이들 검출기는 전자 포획(EC) 동위원소로부터 감마선 및 X 선 동시 방출량을 정하고, 동시 카운팅(coincident counting) 및 기타 광레벨 배제 방법(background rejection measures)을 결합시켜 이상 감도(extraordinary sensitivity)를 달성할 수 있다.

도 1은 다광자 검출기의 블록도이고,

도 2는 검출 서브어셈블리이고,

도 3은 증폭기와 고전압 전원을 포함하는 일체형 광전자 증배기의 블록도이고, 도 3a 내지 3c는 더욱 상세하게 구성 부품의 예시적 실시예로, 도 3a는 PMT 베이스이고; 도 3b는 네가티브 고전압 전원이고; 도 3c는 증폭기 및 파형기(shaper)이고,

도 4는 본 발명에 따른 MPD의 다이내믹 레인지를 나타내는 그래프이고,

도 5는 색 분광계와 비교된 MPD 장치의 다이내믹 레인지이고,

도 6은 샘플 교환장치를 가진 순차 샘플 MPD에 대한 레이아웃이고,

도 7은 본 발명에 따른 MPD 실시예의 블록도이고,

도 8a, 8b 및 8c는 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.

본 발명의 목적은 아주 낮은 광레벨 검출기를 제공하는 것으로, 이는 특히 저레벨의 감마/X 선 동시 방출 동위원소(CGX 동위원소)를 대상으로 한다. 또 다른 목적은 CGX 이벤트를 선택적으로 정하고 광레벨 배제를 달성하기 위한 수단으로 CGX 동위원소들의 개별적인 핵 및 전자 껍질 여기에서 비롯된 동시성 광자를 사용하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 광레벨의 중요한 소스를 모두 배제함으로써 시간당 일 카운트 미만으로 광레벨을 감소시키는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 단일 감마 카운터(single gamma counters)와 비교하여 선택적 CGX 카운팅 모드의 더 낮은 고유 검출 효율을 달성하고, 10% 보다 큰 검출 효율 및 약 1%의 재현성을 가지고, 피코 퀴리 미만의 샘플에 대한 민감성 및 5 x 10^-21몰 미만의 표지화된 분자, 젭토몰(zeptomole)/ml, 또는 단일의 큰 표지화된 생체분자 조차도 검출할 수 있는 능력을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 넓은 다이내믹 레인지 및 10의 9승에 대해 5% 보다 더 좋은 선형성을 가지고, 비동시(단광자) 모드 또는 감마-x 선 동시 방출(CGX 경우) 카운팅 모드 중 한 모드에서 작동될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 검출기는 상기 목적들을 만족한다. 검출기들은 여러개의 동위원소를 동일 샘플내에서 측정하고 구별할 수 있다는 점에서, 다색 능력을 갖는다. 검출기들은 많은 별개의 샘플들을 측정하고 충분히 재현할 수 있는 결과를 얻을 수 있다. 검출기들은 자기 교정 및 자기 진단을 넣는다. 검출기들은 100 마이크로미터 이하의 공간 분해능을 제공할 수 있다. 이들 모두의 장점은 수송가능하고, 종래 장치 보다 훨씬 비용이 적게 드는 장치로 달성된다는 것이다. 본 발명에 따른 장치의 감도가 증가되었기 때문에, 동위원소의 농도를 줄일 수 있고, 그에 따라서, 동위원소 입수 비용, 작업자의 노출, 그리고 방사성 폐기물 처리 문제를 줄일 수 있다.

샘플내에서 방사성 동위원소(동시성 감마/X 선(CGX) 이미터)를 검출하기 위한 다광자 검출 장치(MPD)는 독립된 방사 검출기에서 출력 펄스로서의 CGX 이미터로부터의 동시(예를 들면, 감마 및 X 선) 방사를 검출하기 위한 수단, (예를 들면, 비동시 감마 및 X 선 방사) 스퓨리어스 펄스(spurious pulse)를 식별하고 배제하기 위한 수단, 광레벨 방사를 억제하기 위한 수단, 바람직하게는 복합 방사 차폐물 및 X 선을 흡수하는 세퍼레이터, 그리고 샘플내에 존재하는 (예를 들면, CGX) 이미터의 양을 약 100 피코 퀴리 미만으로 정하기 위한 수단을 포함한다.

또 다른 목적과 이점은 하기 상세한 설명과 도면으로 명확해질 것이다.

본 발명에 따른 MPD 장치 시스템의 전형적인 실시예는 도 1에 나타난다. 도시된 바와 같은 예시적인 시스템은 다음과 같은 5가지 주요 부품을 포함한다:

1. 두 개의 광자 검출기, 예를 들면, 신틸레이터/광센서 모듈;

2. 세퍼레이터를 포함하는 차폐 부품;

3. 광자 검출기 사이에 놓여 있는 샘플 홀더;

4. 전압 공급장치를 포함한 전자 검출 장치(detection electronics); 및

5. 데이터 포착(data acquisition), 펄스 파형/높이 분석, 그리고 디스플레이를 위해 처리되는 신호. 상기 예시적인 실시예의 모든 부품은 방사성 광레벨을 최소화하는 것이 선택되어 배치된다.

검출 서브어셈블리(20)에서, 적당한 광센서(26), 예를 들면, PMT,를 가진 두 개의 신틸레이터 결정체(22)은 공통축에 대해 실질적으로 서로 마주보고 있다. 광센서는 바람직하게 두께가 8 mm 미만이고, 중앙에 위치한 쌍원뿔 구멍(34)내에 샘플(36)을 홀딩시키는 적당한 세퍼레이터(32)에 의해 분리되어 양쪽 결정체(22)에 조사한다. 구멍(34)의 크기는 개구의 입체각이 결정체(22)의 면을 꼭 둘러싸도록 선택된다. 세퍼레이터(32)는 결정체(22) 사이의 크로스토크를 최적으로 제한하고 두께는 특정 광레벨 이벤트를 제한하도록 선택된다. 검출기는 복합 차폐물(55)내에 놓여서 주위의 방사능으로 인한 광레벨을 감소시킨다. 응용하기에 따라, 이 차폐물은 중량으로 0.5 내지 20 kg일 수 있다. 각 광센서(26)에도 또한 차폐물(27)이 제공된다.

작동되는데 있어서, 신틸레이션 결정체(22)내에 놓인 에너지는 광센서(26)에 의해 충전 펄스로 변환되고 이어서 집적 베이스(30)에서 전압 펄스로 변환된다. 펄스는 도 3a-3c에 상세히 도시된 바와 같이 고속 저잡음 전단증폭기(52)에 의해 모양을 갖춘다. 베이스 일렉트로닉스는 또한 광센서(26)를 위한 고전압 전원(50), 그리고 고이득 증폭기(54)를 포함한다. "삼각형" 모양의 특별 전단증폭기(52)는 고속 동시성과 양호한 에너지 분해능을 허용하기 위해 사용된다. 양쪽 검출기(26)로부터의 신호 A와 B, 그리고 동시 트리거 A+B는 PC-기본인 디지털 기억 오실로스코프(DSO) 카드(58)에 대한 입력신호이고, 이는 소프트웨어 제어하에서 고속 실시간 펄스 파형/펄스 높이를 분석하기 위해 사용된다.

PC에 대해서 DSO 카드-베이스 펄스 파형 분석을 지지하는 소프트웨어는, 코드를 높은 모듈로, 명쾌하게, 그리고 사용자의 선택 취향에 맞추기 쉽게 하는 볼란드 터보 파스칼(Borland Turbo Pascal) 및 C++로 코드화되는 것이 바람직하다. 소프트웨어를 바꾸므로써, 같은 장치는 하드웨어를 바꾸지 않고 다양한 응용에 알맞게 될 수 있다. 최상의 시간-임계 과정은 바람직하게 IBM PC 어셈블리 언어로 코드화되어, 신호 포착과 분석 효율을 최대화한다.

DSO 카드(58)는 적어도 8 비트 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 갖는 두 개의 입력 및 포착 트리거로 사용되는 부가 입력을 갖는다. 적어도 10 MHz의 샘플링 속도로 두 개의 입력 채널을 동시에 모니터할 수 있다. 신호는 100 메가샘플/초까지의 샘플링 속도로 포착되고 트리거가 검출될 때까지 내장 메모리(on-board memory)에 계속 저장된다. 그 때문에 포스트 트리거 데이터 포인트는 미리 정의된 수만큼 얻는다. 포착이 멈추면, 내장 메모리의 내용은 호스트 컴퓨터 CPU(59)에 이용될 수 있게 된다.

DSO 채널중 어느 것이라도 트리거로 사용될 수 있고, 또는 소프트웨어 및/또는 트리거 일렉트로닉스(56)를 통해 트리거될 수 있다. 샘플링 속도, 포스트 트리거 포인트의 수, 채널상의 이익, 그리고 트리거 조건은 PC I/O 포트를 통해 설정될 수 있고, 내장 메모리는 4 킬로바이트 창을 통해 직접 접근될 수 있고, 이는 예를 들면, CPU 스트링 명령 또는 다른 주변 장치에 대한 DMA 이동(transfer)을 이용하여 빠르게 회복하게 한다.

펄스 파형 분석은 방사능의 자연 붕괴에 의해 펄스를 하기 특성에 기초한 스퓨리어스 펄스와 식별하는 방법으로 작용한다. 광자가 신틸레이터/PMT 또는 신틸레이터/포토다이오드 조합에 의해 흡수될 때, 특징적인 파형 및 신틸레이터에서 광자에 의해 침적된 에너지에 비례하여 예상할 수 있는 크기를 가진 펄스를 생산한다. 반대로, 판독 일렉트로닉스(readout electronics)에서 전자기적으로 유도된 스퓨리어스 펄스의 파형은 그렇게 잘 정의되지 않는다. 스퓨리어스 펄스는 단독으로 좁은 스파이크, 그런 스파이크의 빠른 연속물, 임의의 전자 잡음 및 PMT 암펄스를 포함한다. 펄스 높이 분석 시스템에서 스퓨리어스 펄스는 얻어낸 스펙트럼을 상당히 오염시킬 수 있고 시스템 전체의 신호 대 광레벨 비를 감소시킨다. 또한, 광자의 검출에 의해 야기된 많은 "실(real)"펄스는 예를 들면, 두 개의 독립된 이벤트가 단시간 간격내에서 발생할 때 왜곡(축적 결함(pile-up artifacts))될 것이고 또는 광자로 야기된 펄스는 동시 전자기성 픽업에 의해 왜곡될 것이다. 이런 경우는 얻어낸 스펙트럼을 흐리게 하고, 파형 분석을 바탕으로 버려지거나 바르게 해석된다. 프런트 엔드 일렉트로닉스(the front end electronics)에서의 고주파수 전자 잡음은 스펙트럼을 교란시키고, 에너지 분해능을 감소시킨다. 하지만, 펄스 파형 분석을 통해 스펙트럼은 광센서의 실질적인 분해능을 강화시킬 수 있다.

다음은 광레벨을 감소시키기 위한 설계에 대해 이야기할 것이다. 광레벨의 하기 소스는 본 발명에 따른 예시적인 실시예에서 현저히 줄어든다:

A1 신틸레이터 결정체의 방사성 오염;

A2 광전자 증배관(PMT)의 방사성 오염;

A3 차폐물의 방사성 오염;

A4 환경으로부터의 고에너지 감마;

B1 신틸레이터, PMT 그리고 차폐물로부터의 중성자 유도 감마(neutron induced gammas);

B2 신틸레이터, PMT 그리고 차폐물로부터의 우주선 유도 감마(cosmic ray induced gammas);

B3 우주선에 의한 직접 타격;

C1 PMT의 암펄스;

C2 PMT의 우주선 유도 암전류;

D1 전자 픽업;

D2 진동 픽업.

광레벨 소스의 제 1 그룹(A1-A4)는 초당 몇개 카운트(cps)의 광레벨 레벨을 생산한다. 이런 부류의 광레벨을 감소시키는 종래 방법은 흔히 99.999% 이상으로 정제된 아주 순수한 재료를 사용하는 것이다. 하지만, 정제 방법은 생체의학 응용을 위한 저비용의 장치에서 사용되기에는 너무 비싸다. 광레벨 삭감의 통계 방법은 통계적 결함에 의해 제한되고, 단지 신호 대 광레벨 비(S/B)가 클 경우, 즉 10을 초과(>10)인 경우에 사용될 수 있다.

광레벨 소스의 제 2 그룹(B1-B3)은 분당 0.1-1 카운트(cpm) 수준에서 광레벨을 발생시킨다. 능동 차폐물과 복잡한 펄스 파형 분석은 이 광레벨을 배제하기위해 사용될 수 있지만, 능동 차폐물의 사용은 매우 비싼편이다. 또한, 능동 차폐물의 사용은 종종 검출기 모양(geometry)을 복잡하게 하고 샘플에 필요한 공간에 대해 제한되기 때문에, 장치의 유용성을 떨어뜨린다.

광레벨 소스의 제 3 그룹(C1-C2)은 시간당 몇개 카운트(cph)를 생산한다. 이들 소스는 하드웨어 수단에 의해 배제되기가 아주 어렵다. 동시성의 상승적 조합, 하드웨어 수단 및 복잡한 펄스 파형 분석은 이 부류에 속한 광레벨을 약 90% 제거한다. 하지만, 이들은 디지털 기억 오실로스코프에 기반을 둔 온라인 펄스 파형의 사용을 많이 필요로 한다.

광레벨 소스의 제 4 그룹(D1-D2)인, 전자 및 진동 픽업 잡음은 매우 큰 시스템이고 지점(site) 의존적이다. 일렉트로닉스에 기초한 종래의 NIM은 통상적으로 장치당 0.1 cpm의 잡음을 보이고, 사용된 모듈의 총수에 의존한다. 통상의 NIM 시스템을 연결하기 위해 사용된 10 내지 20 캐이블을 가진, 잘 접지된 공동축 캐이블을 사용할 때 조차도, 전자기 잡음은 약 1 cpm이 관찰된다. 또한, 외부의 높은 전압 소스를 사용하는 것은 픽업 잡음의 레벨에 부정적인 영향을 준다.

시간당 일 스퓨리어스 카운트 미만의 레벨에 이르기 위해서, 특별한 저잡음 일렉트로닉스를 사용한다. 소스 B1-B2 그리고 C1-C2를 억제시키기 위해 필요한 본 발명에 따른 시스템의 온라인 계산 요구 사이에서의 선택(a trade-off)이 있고, 그 결과는 전자 픽업 잡음을 증가시킨다.

이제 동위원소 선택에 대해 이야기 한다. 본 발명에서 사용되기에 가장 적절한 EC 이미터는 미국 특허 제 5,532,122호, 리스트 1-4에 나와 있다. EC 이미터는 일반적으로 두 개의 동시 광자를 가지고, 광자중 하나는 항상 원자 껍질 재배치에 의해 방출된 저에너지 X 선이다. 또한, 바람직하게는 매우 높은 공간 분해능을 얻는데 사용될 수 있는 약간의 오제 전자(Auger electrons)가 존재할 수 있다. 바람직한 방사이미터 I¹²⁵에 대해서, 제 2 광자 또한 저에너지를 갖고; 스펙트럼은 각각 27, 31, 35 keV에서 세 개의 피크를 갖는다. MPD 검출기를 설계하는 것은 검출 효율(DE), 에너지 분해능(dE) 그리고 시간 응답 간의 선택(trade-offs)에 관계한다. 광자 에너지는 검출 요소의 선택에 상당한 영향을 준다. 100 keV보다 큰 에너지를 가진 적어도 하나의 감마 광자를 갖는 고에너지 이미터의 경우에서는, 많은 무기성 신틸레이터가 실용적이고 경제적이지만, EC 동위원소의 검출을 위해서, 커다란 종류의 검출기는 신틸레이터, 반도체 검출기 및 가스 검출기를 포함할 수 있다.

바람직하게는, CGX 이미터는 공유 결합을 형성하는 원소, 또는 유기 화합물에 킬레이트될 수 있는 원소의 동위원소이다. 더욱 바람직한 동위원소는 I¹²³, I¹²⁵, I¹²⁶, Br⁷⁶, 또는 Br⁷⁷, 그리고 가장 바람직한 것은 I¹²⁵이다.

특히 60일의 반감기를 가진 EC 동위원소 I¹²⁵가 바람직하다. 오래된 기계로 얻고 핵 데이터 테이블에 기록된 결과에 따르면, 35 keV 핵 감마와 27-31 keV 범위내의 몇 개의 가능한 X 선 중 하나의 동시 방출은 7%의 I¹²⁵붕괴를 일으킨다. 하지만, 본 발명의 개선된 시스템에 따른 실험에서는 실제로 25-35%의 붕괴에서 동시성을 나타냈다.

CGX 이미터는 바람직하게 CGX 란탄족 동위원소의 족의 동위원소이다. 상기 족은 그들의 상이한 붕괴 광자 에너지를 바탕으로 구별될 수 있는 동일한 화학 특성을 갖는 54개의 동위원소를 포함한다. CGX 란탄족 동위원소는 금속 이온을 포획하는 킬레이트 원자단의 사용을 통해 생체 분자에 표지로 도입될 수 있다. 킬레이트 원자단을 DNA 소단위체와 그들의 폴리머에 첨가시키기 위한 화학은 잘 알려져 있다.

이제 I¹²⁵용의 아주 낮은 광레벨 CGX 시스템에 대한 재료 선택에 대해 이야기 한다. I¹²⁵로부터 감마선을 검출하기 위해서 양호한 에너지 분해능을 가진 신티레이터 검출기가 필요하다. 일반적으로, 가장 우수한 에너지 분해능은 NaI(Tl)결정체/PMT 조합으로 달성된다. 하지만, NaI(Tl)의 사용은 특징적인 요오드 흡수단에 의해 부가의 강 X 선 광레벨에 이르게 한다. 이는 본 발명에 따른 바람직한 CaF₂/PMT 조합을 사용함으로써 효과적으로 배제된다.

1mg의 양보다 많은 CGXD 시스템에 사용된 모든 재료는 방사성 불순물에 대해 가려진다. K⁴⁰을 포함한 유리는 석영 또는 특수 낮은 광레벨 내열유리(pyrex)로 대체되는 것이 바람직하다. 철분을 함유한 재료는 방사성 코발트 오염 때문에 제외된다. 다행히 플라스틱, 예를 들면 테플론(teflon) 및 아크릴 등의 몇가지 형태가 사용될 수 있고, 또한 초고순도의 구리, 주석 그리고 납이 사용될 수 있다.

진단(Diagnostics): 본 발명의 진단 응용은 DNA 서열, DNA 지문인쇄, 그리고 경쟁 및/또는 결합 분석, 예를 들면, 방사능면역학적검정(RIA)의 다양한 형태를 포함한다. pCi 레벨의 I¹²⁵동위원소 입력을 사용하여, 분석 샘플 또는 시료에 존재할 수 있는 독소 및 병원균에 노출되는 것은 사용된 I¹²⁵의 미량보다 훨씬 안전하다.

이 시스템은 IAs, 면역-PCR 및 DNA 프로브, 그리고 IRMA 등의 진단 테스트에서 생체분자의 아토몰 미만(< 10^-18M)의 양으로 정하는데 사용될 수 있다. 1 cps 광레벨 레벨에서 적당한 신호 대 광레벨 비(S/B)를 얻기 위해, 이전의 IRMA는 방사성 동위원소의 위험한 양의 사용이 필요했다. 인가된 처리 부지가 없기 때문에, 잠재 방사 및 생물학적 위험을 만들어내는 방사성 폐기물은 폐기물이 발생되는 현장(즉, 병원, 대학교 및 산업체)에 저장되었다. 본 발명에 따라, 고형 어세이 잔재는, 환경 광레벨 보다 방사능이 적기 때문에, 단지 생물학적 위험 규정에 해당하는 물질만을 버릴 수 있다. 액상 잔재는 대부분의 방사능을 포함하겠지만, 현재 생물의학 과정, 예를 들면, 방사능면역학적검정(RIA)에서 나온 것보다는 활성이 낮고, 일반적으로 지상에 있는 물의 방사능 레벨보다 훨씬 아래이다. 따라서, 많은 경우에 아마도 즉시 처리될 것이다.

이제 "샌드위치" 검출기 모양의 이점에 대해 이야기한다. 본 발명에 따른 장치중 한 요소는 "샌드위치" 모양이고, 여기서 단일 샘플은 독립된 두 개의 신틸레이터 검출기 사이에 놓이고, 독립된 PMT 또는 동등물에 의해 각각 판독된다. 샌드위치 모양은 PMT를 포함하여, 광레벨의 주요 소스인 요소의 수를 두배로 하기 때문에 직관에 반하는 것이다. 또한, 수동 차폐물은 상당히 비용이 높고, 검출 어셈블리의 전체 모형은 나쁘고, 사용자 친화를 확실히 감소시킨다. 마지막으로, 샌드위치 모양은 우물 모양과 비교하여 검출 효율을 감소시킨다.

하지만, 샌드위치 모양의 사용은 몇 개의 요건사이에서 최적의 선택(trade-off)을 나타낸다:

* OR(비동시성) 그리고 AND(동시성) 모드 양쪽에서 작동되는 능력;

* 비대칭 검출 구성을 허용하는 모양(geometry);

* 흡수 결함의 극소화 및/또는 교정.

신틸레이터 기본의 감마 카운터에서의 광레벨 카운트의 주요 소스는 검출기 자체 성분의 방사능 오염물이다. 광레벨의 실제 방사능 성분을 감소시키기 위해, 신틸레이터의 부피를 최적으로 한다. I¹²⁵붕괴에 관련된 저에너지 감마 및 X 선은 NaI(Tl) 신틸레이터의 1 mm 또는 CaF₂(Eu) 신틸레이터의 1.5 mm 미만에서 효율적으로 멈춘다. 하지만, 이 정도의 얇은 벽을 가진 우물형 검출기의 생산은 비실용적이고, 특히 PMT를 신틸레이터에 결합시킬 필요가 주어진다. 대신에, 평편한 신틸레이터 모양은 비록 다소 적은 검출 효율을 가지긴 하지만, 바람직하다. 실제로, 2 인치 직경의 평판형 검출기의 검출 효율은 검출기 중간에 놓인 조그만(몇 mm 직경) 소스에 대해 약 40%이다. 시스템의 전체 검출 효율은 검출기 사이에 놓인 소스를 가진 두 개의 동일한 평판 원형 검출기를 사용함에 따라 향상되고 모양(geometry)에 덜 의존하게 된다.

검출기의 분할은 또한 다른 이점을 가진다. 2-광자 이벤트와 이중 광자 에너지를 갖는 단 광자 이벤트를 구별하는 능력을 제공한다. 또한 반-동시 배제 기술을 사용함으로써 광레벨을 식별하는 능력을 제공한다. 하지만, 각각의 검출기 모듈은 PMT 암펄스 및 각종 전자 결함에 인한 비방사성 광레벨 성분을 증가시키는 독립된 PMT를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 펄스 파형 분석에 의한 비방사성 이벤트의 효과적인 식별은 바람직하다.

샌드위치형 검출기 모양은 우물형 검출기나 평판형 검출기 모양 중 어느 하나의 모양보다 더 좋게 작동한다. 세 개의 다른 모양으로 만들어진 신틸레이터 검출기의 양적 특성은 표 1에 도시된다.

검출기	검출 효율	에너지 분해능	백그라운드
우물 형 검출기	매우 양호 (≥50%)	공평	불량
평판 형 검출기	불량 (≤40%)	양호	양호
샌드위치 형 검출기	양호 (≥50%)	양호	우수

재현성과 확실성은 생물 의학 장치에 있어서 중요한 특징이다. 많은 검출기에서, 전형적인 불확실성의 원인은 검출기 내부/앞에 위치하는 샘플의 변동에 의한 자체 흡수 및 오차이다. 이들 오차는 샘플이 액체일 때 최소가 되기 쉽고, 이 경우에 우물 모양을 사용하는 것은 상당히 이롭다. 불행히도, 액체 사용은 샘플 취급이 어렵다는 문제가 있다. 현대 진단 방법은 종종 생물학적 샘플이 고체 표면에 붙거나, 적절한 필터에 흡착되는 분리 공정중의 생산물인 포맷(formats)을 사용한다. 예를 들면, 전기영동 산물은 겔에 잡히거나 멤브레인으로 이동된다. 커다란 표면/부피 비를 가진 샘플이 사용될 때, 특히 생물학적 샘플이 고상 필터, 서포트 또는 상당한 두께의 멤브레인 표면의 내부에 불균일하게 분배되거나, 그 표면에 붙을 때, 평판 모양의 검출기가 이롭다.

각각 본 발명에 따른 독립된 판독 일렉트로닉스를 가진 본질적으로 동일한 두 개의 평판형 검출기를 이용할 때, 양적 결함는 상당히 감소될 수 있다. 자체 흡수를 무시하고 샘플의 배치를 바르게 할 때, 양쪽 검출기는 본래의 동일한 카운트 비를 제공한다. 하지만, 카운트 비가 양쪽 검출기에서 서로 다를 때 조차도, 샌드위치 모양은 고도의 효율적인 차별/보상 계획(differentiation/ compensation schemes)의 사용을 허용한다.

본 발명에 따른 샌드위치 모양을 사용하는데, 특히, 효율적인 광레벨 배제에 관해서 다른 이점이 있다. 많은 광레벨 이벤트는 PMT에서 전자기적 픽업 및 암펄스에 인한 것이다. 두 개의 우물형 분리 검출기로, 전자기적 픽업의 상당한 부분은 양쪽 검출기에서 펄스를 비교함으로써 검출될 수 있다. 따라서, 분리되어 있지만 동일 일렉트로닉스를 가진 한쌍의 검출기는 전자 및 진동 픽업을 배제하기 위한 반동시성 모드에서 작동될 수 있다.

PMT내에서 K⁴⁰오염에 기인한 광레벨은 단일 검출기 구성내의 전체 광레벨의 중요 성분이다. 두 개의 평판형 검출기를 사용할 때, 하나의 검출기의 에너지는 흔히 제 2 검출기의 에너지와 매우 다르고, 상기 제 2 검출기는 신틸레이터, PMT 및 차폐물을 오염시키는 베타 이미터에 기인한 광레벨을 배제한다. 적절한 세퍼레이터의 사용으로 장치 외부에서 들어온 고에너지 광자에 기인한 광레벨은 더 배제된다. 또한 우주선을 배제하는데도 유용하다.

본 발명에 따른 샌드위치 모양의 또 다른 중요 이점은 그 다재다능함에 있다. 본 발명의 바람직한 장치는 동위원소 I¹²⁵에 대해 본질적으로 동일한 두 개의 검출기를 사용한다. I¹²⁵의 경우는 다소 예외적이다. 즉, 다중 광자가 동시에 방출되지만, 그들 에너지는 E = 27, 31, 35 keV 로 매우 가깝다. 따라서, I¹²⁵의 경우, 동일한 두 개의 얇은 신틸레이터를 사용할 수 있다. 하지만, 다른 많은 중요한 소스는 꽤 다른 에너지의 다중 광자를 방출하고; 종종 한 광자는 약한 X 선(E < 50 keV)이고, 두 번째 광자는 핵 감마선, 예를 들면, E > 100 keV이다. 예를 들면, 이것은 I¹²⁵의 경우이며, 각각 27 keV, 31 keV, 150 keV에서 세 개의 선을 갖는다. 이 경우에, 결정체 두께가 다른 두 개의 신틸레이터를 가진 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치형 검출기가 최상이다. 또한, 포토스위치 요소는 아주 다른 에너지의 광자를 검출하는데 사용될 수 있다.

신틸레이터 검출기를 사용할 때, 가능한한 많이 검출기 사이에 유도된 X 선 크로스토크를 줄이기 위해 신틸레이터를 물리적으로 격리시키는 것이 적당하다. 만약 샘플의 부피가 비교적 적으면(몇 백 마이크로리터), 이것은 샘플 홀더내에 1-5 mm의 두꺼운 납 또는 구리판을 구비시킴으로써 달성될 수 있다. 검출기의 격리는 단광자 I¹²⁵대상 에너지 영역(region of interest, ROI)에서 광레벨을 효율적으로 두배로 감소시킨다. 검출기 격리는, 이들 검출기가 I¹²⁵ROI에서 이차 X 선을 생산하지 않기 때문에, CaF₂(Eu)가 기본인 시스템에서 광레벨에 대해 훨씬 적은 영향을 갖는다. CaF₂(Eu)의 사용은 부피가 큰 샘플을 위해 본 발명에 따른 MPD 검출기의 제작을 용이하게 한다. NaI(Tl) 또는 CsI(Tl)가 기본인 검출기는 세퍼레이터내의 개구의 모양과 직경에 대해 상당한 민감성을 나타낸다.

본 발명에 따른 장치 및 MSKCC(Memorial Sloan Lerrering Cancer Center)와 다른 회사의 검출기의 비교는 상업용으로 사용되는 방사요오드화 TSH 항체의 이성분 희석(binary dilutions)을 이용하여 행해졌다. 이 항체의 분자량은 약 40,000 달톤이다. 대부분의 시험은 교정 샘플 세트를 사용하여 행해졌다. 추가 교정은 NaI¹²⁵및 I¹²⁵-dCTP의 사용된 물 희석을 행한다. 방사성 기준에 따라, 에티디움 브로마이드(ethidium bromide)를 I¹²⁵로 요오드화하여 약 0.1 mCi/mL의 비활성도가 되도록 한다. 이는 그 다음에 이소프로필 알코올로 이루어진 네 개의 인자에 의해 순차적으로 희석되었다. 교정 세트는 몇 천 dpm에서 약 0.1 dpm의 범위를 커버하는 10개의 샘플을 포함한다. 백 마이크로리터의 각 희석물은 얇은 플라스틱으로 만든 200 마이크로리터짜리 에펜도르프 병(Eppendorf vials)에 놓였다.

이들 비교 결과로 MPD가 다른 감마 검출기보다 방사능의 양이 더 낮게 측정됨을 확인했다. 또한 상이한 두 개의 MPD 검출기의 검출 효율과 에너지 분해능을 비교했다. 비동시 모드에서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MPD 장치는 종래의 장치와 비교해서 비슷한 검출 효율과 약 50 배 더 낮은 방사성 광레벨을 갖는다. 또한, 종래 시스템은 약 ±5%로 교정되고, 본 MPD는 ±1%내로 교정된다.

표 2는 다수의 상업용 감마 카운터 및 각각 NaI(Tl)와 CaF₂(Eu)에 기초한 본 발명에 따른 두 개의 MPD 검출기에 대한, 몇가지 가장 중요한 파라미터인 검출 효율 및 광레벨을 나타낸다. 표 2는 또한 AND 모드에서 MPD 장치에 대해, EC 소스에 의해 방출된 두 개의 광자 사이의 동시성이 이용될 때, 광레벨은 OR(비동시성) 모드와 비교해서 더 감소되고, 이는 감도를 상당히 증가시킨다. 하지만, 검출 효율의 약간의 감소는 동시 모드에서 관찰된다.

검출기	검출 효율	I125에 대한 백그라운드(cpm)
감마-카운터(1)	70%	200
감마-카운터(2)	80%	150
감마-카운터(3)	50%	60
감마-카운터(4)	50%	60
MPD1[NaI(Tl)](5)	60%	2(0.1 cpd)
MPD2[CaF2(Eu)](6)	50%(5%)	1.5(0.3 cph)

(1) 벡맨(Beckman) 5500 (at American Red Cross, Gaithersburg, Md.);

(2) 벡맨 5500 감마 카운터 (at Lehigh University, Bethelheim, Pa.);

(3) 감마스코프 LKB 1272 (at Georgetown University, Washington D.C.);

(4) 감마스코프 LKB 1292 (at MSKCC, New York, NY);

(5) 두 개의 2 인치 NaI(Tl) 신틸레이터에 기초한 MPD;

(6) 두 개의 2 인치 CaF₂(Eu) 신틸레이터에 기초한 MPD.

MPD 검출기에 대해서는, OR과 AND 카운팅 모드 양쪽에서 행해진다(괄호안의 값은 AND 모드의 값임).

이제 본 발명에 따라 작동의 OR 및 AND 모드를 모두 허용하는 MPD 시스템의 최적화에 대해서 이야기 할 것이다. 샌드위치형 검출기는 작동의 동시(AND) 모드를 허락함에 따라 광레벨이 10의 몇 승까지 극적으로 감소한다. 하지만, 이런 포착 모드에 관한 검출 효율은 비교적 낮고 (샌드위치 모양에서 I¹²⁵소스 및 2 인치 내지 3 인치 직경의 검출기에 대해 5 내지 15%), 저활성 소스에 대해 카운팅 시간을 길게 연장한다. 하지만, 본 발명에 따른 샌드위치형 검출기는 또한 OR 모드로 설명되는 비동시성 모드에서도 작동될 수 있다. 이런 OR 모드에서, 검출기중 어느 하나에서 기록된 이벤트가 카운트된다. 따라서, 전체 시스템은 하나의 검출기로서 작동되고, 이런 점에서 우물형 검출기 또는 어떤 비분할 검출기와 유사하다. OR 모드에서, 검출 효율은 더 높지만(일반적으로, 샌드위치 모양에서 I¹²⁵소스 및 2 인치 직경의 검출기에 대해 50%), 동시성을 통해 더 나은 광레벨 배제라는 부가 이점을 상실한다.

OR 모드에서 작동되는 본 발명에 따른 MPD는 최적의 신틸레이터 두께; 단광자 피크에 대해 대상 카운팅 영역을 감소시키는 두 광자 이벤트의 일부(두 검출기 시스템에 대해 50%)의 올바른 해석; 반동시성; 그리고 펄스 파형 분석을 이용하여 상당한 광레벨 감소를 달성한다.

2 인치 직경의 CaF₂(Eu) 결정체 MPD에서 OR 모드내의 광레벨은 1.5 내지 2 cpm이고 검출 효율은 50%이다. OR 모드 포착 동안, 동시 이벤트가 확인되고 카운트됨에 따라, 독립된 AND 모드 카운팅이 필요하지 않게 된다. 포착이 끝날 때, MPD는 OR과 AND 카운팅 데이터 모두 출력한다. OR 데이터는 만약 소스의 활성(activity)이 OR 광레벨 등가 활성(I¹²⁵표지의 약 5 피코퀴리, 또는 2 아토몰)이상일 때 사용되어야 한다. 이들 데이터는 OR 카운팅의 높은 검출 효율로 인해 통계적 불확실성이 낮다. 만약 OR 카운트가 OR 모드 광레벨에 가깝다면, AND 모드 카운팅 데이터가 사용되는데, 그 이유는 그것의 광레벨이 훨씬 낮기 때문이다.

실용적인 방법으로서, 작동의 OR 모드는 10 dpm 보다 큰, 즉 약 5 피코퀴리의 소스에 대해서는 좋다. 하지만, 1-20 dpm의 활성 범위에서 OR 및 AND 카운팅 모드는 모두 이롭게 사용된다. 이 감도의 범위에 대해서, 소프트웨어는 OR 및 AND 데이터를 결합하여 참 카운트비에 관한 최상의 추정법칙(estimators)을 얻는데 사용된다. 이는 통계적 불확실성(AND 데이터) 그리고 고 광레벨(OR 데이터)로 인한 결함을 극소화시킨다. 1 dpm 이하에서, AND 모드는 당연히 더 나은 신호 대 광레벨 비를 제공한다.

본 발명에 따른 중요한 소프트웨어 기능중 하나는 카운트 비에 해당하는 데드 타임 및 축적 보정을 적절히 추정하는 것이다. DSO를 기본으로 한 펄스 포착은 데드 타임이 비교적 커지고, 이는 특히 높은 카운트 비를 보상하여야 한다. 본 발명에 따른 MPD 장치에서, 이것은 부가 카운터/타이머 카드를 사용해서 행해진다.

카운터/타이머 카드는 바람직하게 적어도 두 개의 펄스 카운터 및 타이머를 갖는다. 하나의 카운터는 신호 조정/트리거링 카드에 의해 형성된 모든 하드웨어 트리거를 카운트해야 하고, 다른 하나는 동시 트리거만을 카운트하여야 한다. 타이머는 우수한 정확도로 노출 시간의 트랙을 유지하여야 한다. 바람직한 장치로는 JDR 마이크로디바이스사의 모델 PCL-720이 사용된다. 이 카드는 세 개의 카운터를 갖는데, 이중 하나는 내부 배선에 의해 타이머로 변환될 수 있다. 카운터는 16 비트이고, 초 당 적어도 한 번 판독하여 데이터 손실을 방지하여야 한다. 이 실시예에서 세 번째 카운터는 1초의 1/2,500의 간격으로 시간을 카운트하도록 배선된다.

카운팅을 시작할 때, MPD 소프트웨어는 첫 번째 펄스의 포착에 대해 DSO 카드를 갖추고, 동시에 카운터와 타이머를 개시한다. PC 하드웨어 타이머 방해가 있을 때마다(예를 들면, 매 55 밀리초마다), 카운터와 타이머의 값이 판독되어 전체 카운트/경과된 시간에 더해진다. 카운팅이 끝나면, 적당한 카운터내의 카운트 비(상기 시간으로 나누어진 전체 카운트는 타이머로부터 판독되고; DSO가 동시 트리거에 의해 트리거된다면, 동시 트리거 카운터가 사용되고, 그렇지 않다면 전체 카운트 카운터가 사용된다)은 모든 이벤트, 비배제된 이벤트 및 모든 대상 영역(ROI)에서의 이벤트의 카운트 비를 조정하는데 사용되며 하기 공식이 사용된다:

Cpm_{i Adj}= Cpm_i* (Cpm_{Total Counters}/Cpm_{Total DSO}),

여기서 Cpm_{i Adj}는 데드 타임 손실을 조정한 i번째 ROI에 대한 카운트 비(분당), Cpm_i는 i번째 ROI에 대한 원 DSO cpm이고, Cpm_{Total Counters}는 카운터내의 전체 cpm이고, Cpm_{Total DSO}는 DSO에서 배제되기 전의 전체 카운트 비가다.

이 조정은 데드 타임 손실에 대해서 완전 보상하고, 효율적으로 카운트의 선형성이 고카운트 비로 단지 펄스 축적에 의해 한정되도록 한다. 자기 교정 프로그램은 예를 들면, 3 퍼센트 미만내로 OR 및 AND 카운팅 비율 데이터가 일치하도록 한다.

이제 CGX 검출기의 성능 특성에 대해 이야기 할 것이다. 본 발명에 따른 검출기는 종래 장치와 비교했을 때 성능이 급진적으로 향상되었다. 향상된 내용은 감도, 재현성, 다이내믹 레인지를 포함한다.

감도: 직접 인디케이터의 방사 카운터의 감도(또는 검출의 한계)는 그 광레벨 등가 활성(BEA), 즉, 검출기내에서 광레벨와 동등한 카운트 비를 생산해 낼 소스의 활성이다. 이러한 이점의 특징은 카운터의 광레벨와 검출 효율을 모두 설명한다.

OR 모드(비동시 검출)에서 본 발명에 따른 MPD 검출기의 통상의 BEA는 분 당 3 내지 4 붕괴의 범위에 있고, 이는 I¹²⁵의 2 피코퀴리 미만과 등가이다. 이는 OR 모드에서 약 50%의 검출 효율(DE) 그리고 1.5 내지 2 cpm의 I¹²⁵대상 에너지 영역에서의 광레벨 카운트 비에 기초한다.

AND 모드(동시 검출)에서 본 발명에 따른 MPD 검출기의 통상의 BEA는 하루 당 1 붕괴 범위에 있고, 이는 수 펨토 퀴리와 등가이다. 이는 약 7%의 AND 모드에서 DE 그리고 이주 당 1 카운트의 I¹²⁵대상 영역에서의 광레벨 카운트 비에 기초한다.

적은 활성 소스(10 피코퀴리)에 대해서, 상업용으로 사용가능한 검출기는 샘플의 양을 측정할 수 없거나 1에 가까운 S/B로 한계 측정한다. 하지만, 10 피코퀴리의 I¹²⁵샘플이 본 발명에 따른 CGX 검출기로 몇주에 걸쳐 400 회, 반복해서 측정된다. 측정된 방사능은 I¹²⁵의 알려진 반감기에 필적한다. 이 측정값은 작동의 OR 모드를 사용하여 얻었고, 동시성은 이용되지 않는다.

동시성과 더욱 정확한 펄스 파형 분석을 바탕으로 성능이 강화된 모드에서, DE는 다소 낮고(5-10% 대 50%), 광레벨은 10의 수(a few) 승까지 낮아진다. 이 강화된 모드에서, 성능은 샘플 크기에 의존한다. 표준 12 mm 직경의 샘플관에서, DE는 6.5%이고 광레벨은 0.25 cph이고, 4 dph의 BEA를 얻는다. 조그만 샘플(직경이 4 mm 이하)에서, DE는 5-7%이고 광레벨은 3 dpd (하루 당 붕괴)의 BEA와 등가인 주당 0.5-1 카운트이다. 따라서 이 강화된 감도 모드에서, 약 10 dpd의 방사능을 가진, 즉, 일천개 미만의 I¹²⁵원자를 포함한 I¹²⁵소스를 검출할 수 있다.

재현성: 본 발명에 따른 MPD 장치로 측정한 뛰어난 재현성은 매우 낮은 온도 카운트, 신틸레이터[CaF₂(Eu)] 온도 반응의 부분적 보상; 우주선에 의한 암펄스의 배제, 그리고 전자기 간섭의 배제를 가진 전자 요소를 선택함으로써 달성할 수 있다.

이러한 모든 효과는 시간 의존적이라고 알려져 있다. 예를 들면, 신틸레이터에서 나온 신호의 온도 의존성은 종래 상업용 감마 검출기에서 3-5%의 레벨로 주/야 영향을 나타낸다. 낮은 카운트 비로, 우주선속의 주간(diurnal)과 연간 변동은 우물형 검출기에서 수(a few) 퍼센트 효과를 나타낸다. 마지막으로, 전자기 간섭에 대한 감도는 10 cpm이하의 활성에서, 현저한 주/야 변화를 나타낸다. MPD에서의 이러한 영향의 배제/보상은 측정 재현성을 상당히 향상시켰고 모든 주간(diurnal) 영향을 배제했다.

본 발명에 따른 MPD 장치의 측정 재현성은 우선적으로 카운팅 통계, 클록 정확성, 장치 내에서의 샘플 배치의 재현성에 의해 측정된다. 본 발명에 따른 MPD 장치는 오랜 기간동안에도 상당히 안정하다. 광레벨에서의 변동이 관찰되지 않고, 검출 효율이 안정하다. 몇 주에 걸쳐 MPD 장치의 측정 안정성을 시험하기 위해, 동일한 샘플(50 나노퀴리)은, 각각 측정되기 전에 홀더내의 샘플을 뺏다 넣다하면서, 약 1,200번 카운트되었다. 각각 측정되는 동안, 샘플은 10,000 카운트가 축적될 때까지 카운트되었다(±1%의 통계 불확실성에 해당).

본 발명에 따른 MPD의 또다른 이점은 믿을 만한 교정 확률이다. 개선된 교정은 엘드리지 교정 절차의 이용을 허용하여, 흡수 및 샘플 이동 결함을 배제하는 "샌드위치" 모양과, I¹²⁵의 사용으로 인해 가능하게 된다. 예를 들면, 동일한 MPD 장치는 50 나노퀴리 소스로 25번 교정되었다. 평균 DE는 ±1.7%의 표준 편차로 49.1%가 되도록 결정되었다. 비교해 보면, 일반적인 상업용으로 사용가능한 검출기는 ±5%내에서 명목상 교정되지만, 실제로 0.1 나노퀴리 이하의 활성을 가진 소스에 대한 교정 불확실성은 ±10%에 더 가깝다.

다이내믹 레인지: 10의 다수 승이상의 선형성은 모든 분석 및 생체의학적 응용에 대해 바람직한 특징이다. 종종, 주요 생체 화합물의 레벨은 좀 더 낮은 10의 다수 승 일 수 있는 대사 산물의 레벨과 비교되어야 한다. 현재 사용되고 있는 대다수의 종래 장치는 다이내믹 레인지를 매우 한정했다.

사진 유제는 1.5 로그 범위 이상의 양을 측정한다. 전형적으로, 검출기의 응답은 저레벨과 고카운팅 비율 양쪽 모두에서 제한된다. 따라서, 소정의 선형 응답 대신에, 특징적인 검출기의 응답은 S자 모양의 곡선이다. 저 카운트 비에서, 우물형 검출기는 고유 광레벨에 의해 심하게 제한된다. 유사하게, 광학 검출기, 예를 들면, 색 분광계는 광자 광레벨에 의해 심하게 제한된다. 고 방사능 레벨에서, 축적 또는 광학 간섭은 종래 검출기의 선형성을 왜곡시킨다. 실제로, 감마 검출기는 고 카운트 비에 대한 이상값, 약 1,000,000 cps에 가깝다. 따라서, 전형적인 우물형 카운터는 약 100 cps에서 1,000,000 cps까지 약 4 로그 다이내믹 레인지에 걸친 선형 응답을 나타낸다.

본 발명에 따른 MPD 장치에서 사용된 광레벨 배제 기술은 OR 모드에서 1 cpm에서 1,000,000 cpm, 즉, 6 로그 다이내믹 레인지에 걸쳐서 믿을 만한 정량화(quantitation)를 허용한다. 광레벨이 1 cpd인, 강화된 작동 AND 모드를 사용할 때, 본 발명에 따른 MPD 검출기는 9 로그 다이내믹 레인지에 걸쳐 직선형으로 있다. 고 카운트 비(500,000 dpm이상)에서, 신틸레이터에서의 펄스 축적에 의해 포화될 수도 있다. 비록 응답이 이 범위에서 더 이상 선형이 아니라 해도, MPD의 데드 타임은 연장될 수 없기 때문에, 카운팅이 행해지고 그 결과로 축적에 대해 보정될 수 있다. 저 카운트 비에서, 응답의 선형성은 광레벨에 의해 제한된다. MPD를 사용한 측정 결과는 도 4에 나타나 있다. I¹²⁵로 표지화된 시약의 희석은 0.1 젭토몰/시료 레벨 아래까지 10⁵에 걸친 측정된 활성의 완전한 선형성을 나타낸다.

본 발명에 따른 MPD의 응답 선형성은 상업용으로 사용가능한 비색계 검출기와 비교했으며 MPD의 장점은 명백하다. MPD 검출기의 다이내믹 레인지는 색 분광계에서 보다 훨씬 더 좋다. 이 연구를 행하기 위해, 스트랩태비딘(streptavidin)-HRP는 요오드화되었고 바로 그 샘플은 MPD를 사용하여 측정되었고, 엘리사(ELISA) 시험용으로는 상업용 칼라 분광계가 사용되었다. 결과는 도 5에 나타낸다. MPD의 감도는 색 분광계의 것보다 적어도 10의 2승 정도 더 좋고, 그 다이내믹 레인지는 10의 5승 정도 더 좋다. 색 분광계가 믿을 만하게 작동되는 범위에서, 본 발명에 따른 MPD와 색 분광계 사용으로 동일한 결과를 얻었다.

이제 CaF₂(Eu) 신틸레이터의 사용에 대해 이야기 한다. NaI(Tl) 신틸레이터 결정체은 MPD 장치에 대해 통상적으로 선택되는 것으로 보인다. 동시 모드에서, 광레벨 배제는 반대로 에너지 분해능의 제곱에 비례하고, 그 분해능에 관해서는 NaI(Tl)이 다른 신틸레이터 보다 약 50% 정도 더 좋다. 또한, 적당한 에너지 분해능을 가진 신틸레이터(NaI(Tl), CsI(Tl), CaF₂(Eu)) 가운데서, 요오드화 나트륨 신틸레이터가 가장 빠르다. 보통 실행하는 것에 따르면, 광레벨 배제는 시간 분해능의 제곱에 비례한다. NaI(Tl)에 기초한 MPD에서의 광레벨이 다른 신틸레이터를 사용했을 때 보다 약 4배 정도 더 낮아야 한다고 생각되고, 매우 적은, 즉, < 10 마이크로리터 소스를 위한 MPD시스템은 주당 약 0.5 카운트(0.5 cpw)의 광레벨을 달성했다.

하지만, NaI(Tl) 기본의 장치의 단점은 다음과 같다:

* NaI(Tl)는 기계적으로 부서지기 쉽다, 예를 들면, 온도 구배될 때 및/또는 수송되는 동안 종종 깨진다.

* NaI(Tl)은 용접 밀폐되어야 하고, 신틸레이터 앞면을 싸는 얇은 Al 또는 BE 호일은 샘플이 호일 옆에 놓일 때, 예를 들면, 공간 분해하는 MPD 장치를 작동시킬 때 쉽게 벗겨진다.

* 큰 샘플이 사용될 때, NaI(Tl)에 바탕을 둔 MPD 시스템에서의 광레벨은 결정체 사이의 X 선 크로스토크에 기인하여 상당히 나빠진다.

NaI(Tl)을 CaF₂(Eu) 등의 다른 신틸레이터로 대체하면 광레벨이 소폭으로 증가한다. 하지만, 전자 판독 장치(read-out electronics)와 데이터 처리 소프트웨어를 최적화함으로써, I¹²⁵또는 I¹²³의 작은 샘플에 대해서, CaF₂(Eu)가 기본인 MPD 시스템은 NaI(Tl)가 기본인 시스템과 거의 같은 광레벨을 이룬다. 큰 샘플에 대해서, CaF₂(Eu)가 기본인 MPD 시스템에서의 광레벨은 약 10 배정도 더 좋다.

CaF₂(Eu)는 몇가지 상식적으로 이해되지 않는 이유에 대해 I¹²⁵검출에 대해 상기한 바와 같은 놀라울 정도의 낮은 광레벨을 갖는다. 먼저, 본 발명에 따르는 MPD 시스템에 대해서, AND 모드에서 광레벨의 주요 소스는 하나의 결정체에서 방출되고 흡수된 약한 X 선의 결정으로 두번째 결정체에서 검출된 에너지의 몇몇 소스와 일치한다. NaI(Tl)이 사용될 때, 결정체내에서 E > 35 keV를 갖는 외부 광자의 어떠한 흡수는 원자 껍질의 재배치로부터 26 keV 또는 32 keV의 완화를 가져온다. 따라서, NaI(Tl) 결정체가 사용될 때, 특징적인 요오드 X 선이 방출된다. 이들은 I¹²³또는 I¹²⁵딸핵(daughter nucleii)중 어느 하나에 의해 방출된 25 및 31 keV Te X 선과 구별될 수 없다. 사실, Cs와 I의 양쪽 모두의 특징적인 X 선이 방사요오드에 의해 방출된 X 선과 사실상 같기 때문에, CsI(Tl)에 대한 이 효과는 훨씬 더 크다. 다행히도, 이에 반해서 CaF₂(Eu)는 단지 낮은 원자 번호 원소를 포함한다. 따라서, 그 특징적인 X 선은 15 keV 이하의 에너지를 갖고 방사요오드 X 선과 구별될 수 있다. 따라서, 바람직하게 NaI(Tl) 또는 CsI(Eu)는 40 보다 적거나 70 보다 큰 원자 번호를 가진 EC 방사성 동위원소를 사용하여야 한다. 40에서 70 사이의 원자 번호를 가진 EC 동위원소에 대해서, CaF₂(Eu)는 바람직한 신틸레이터이다.

CaF₂(Eu)의 두 번째 장점은 훨씬 더 미묘하고 상식적으로 이해되지 않는다. CaF₂(Eu)는 약 5 마이크로초, 즉 NaI(Tl)보다 약 25 배 더 낮은 특징적인 광붕괴를 갖는 매우 느린 신틸레이터이다. 종래 검출기는 1 cps의 광레벨을 가진 가능한 가장 빠른 검출기를 사용했다. 광레벨이 몇 cpm으로 올라갈 때, 광레벨의 우세한 소스는 우주선과 PMT로부터의 암전류 펄스로 인한 것이다. 결정체 자체의 우주선에 의해 쌓인 에너지에 의한 스퓨리어스 신호는 상기 에너지의 양을 분석함으로써, 부분적으로 설명될 수 있다. 특히 저에너지 X 선에 대해, 예를 들면, I¹²⁵에 대해, 이 방법은 신틸레이터를지나는우주선의 95% 이상을 배제시킨다. 이는 우주선 쇄도(showers)에서 이차적 입자의 효율적인 배제를 포함한다.

하지만, MPD 시스템의 경우에서, 결정체 자체는 매우 얇고 PMT 음극의 표면은 결정체의 표면보다 약 50배 더 크다. PMT 음극중 하나를 때리는 고에너지 우주선은 전자의 사태(an avalanche)를 일으키고 그 결과로 증폭된다. 그런 펄스는 우주선의 에너지 보다 훨씬 더 낮은 겉보기 에너지 축적을 유도한다. 즉, PMT에서 암전류 펄스를 유도한 우주선의 에너지 스펙트럼과 방사요오드로부터의 에너지 사이에 상당한 겹침이 존재한다. 신틸레이터-PMT 조합을 사용하는 검출기에서 이러한 광레벨의 소스는 각 PMT에서 분당 수 카운트, 또는 동시 모드에서 시간당 수 카운트로 설명된다. 하지만, 신틸레이터에 놓인 에너지는 PMT내의 우주 유도 펄스보다 더 긴 펄스가 되게 하며, 그 펄스는 약 0.2 nsec의 특징적인 시간 상수를 갖는다.

실질적으로, 배제 능력은 몇가지 검출 특성으로 제한된다. 이들은 신틸레이터의 특징적인 응답 시간, 파형 증폭기의 파라미터, 그리고 온라인 펄스 파형 분석 시스템의 성능을 포함한다. 예를 들면, MPD 시스템에서 저 비용의 필요성과 펄스 파형 분석에서 사용된 온라인 디지털 기억 오실로스코프(DSO)의 성능 사이에 선택(a trade off)이 있다. NaI(Tl)에서 유도된 펄스와 비교하여, PMT에서 우주선에 의해 유도된 펄스의 약 반이 배제될 수 있다. 우주선에 의해 유도된 PMT 펄스와 CaF₂(Eu)에서 발생된 것 사이의 펄스 발생 시간의 차이는 크다. 즉, 각각 0.1 나노초(nsec)와 몇 마이크로초이다. CaF₂(Eu)-기본 MPD 시스템에서, 우주선 유도된 PMT 결함의 95%이상 온라인 배제된다.

약 40개의 NaI(Tl) 결정체에서 2년의 기간에 걸쳐 발견된 NaI(Tl) 결정체 특성에서 변화가 관찰되었다. 약간(약 10%)은 열적 스트레스로부터의 갈라지고 또 다른 약간(약 15%)은 흡습 성질로 인해 노랗게 변한다. 반대로, 1년의 기간에 걸쳐 결정체 특성에서의 현저한 변화가 20개의 CaF₂(Eu) 결정체에 대해서 관찰되었다.

요약하면, 샌드위치 모양에서 CaF₂(Eu) 신틸레이터는 특히 방사요오드의 큰 직경 샘플을 측정할 때, 광레벨을 우수하게 배제한다. CaF₂(Eu)의 우수한 기계적 특성은 NaI(Tl)보다 더 좋은 또 다른 이점을 제공한다.

이제 신틸레이터의 선택과 그 치수에 대해서 설명될 것이다. 종래 신틸레이터는 검출 효율을 최대화하기에 적합하다. 따라서, 선택된 통상의 두께는 중요한 에너지에서 차단력이 약 두 배이다. 또한, 통상의 샘플 크기, 즉 0.5인치의 직경대신에, 선택된 결정의 직경은 3 또는 4 인치이다. 하지만, 광레벨은 신틸레이터 치수의 복잡한 비선형 함수에서 결정 부피에 개략적으로 비례한다. 예를 들면, 3인치의 결정체에 대해서 종래 디자인은 그 결정체를 3인치 짜리 PMT에 연결한다. 하지만, 3인치의 PMT는 2인치의 PMT보다 상당히 더 많은 방사성이 있다. 이러한 방사성은 PMT 유리내의 자연적으로 발생되는 동위원소로부터 생겨난다. 따라서 커다란 PMT에서 유리 벽의 커다란 표면적과 두꺼운 두께는 현저히 더 높은 방사성 광레벨이 있게 한다. 따라서, 종래 가설과는 반대로, 저 광레벨 MPD 장치의 성능을 최상화하기 위해, 본 발명에서는 2인치 직경의 검출기와 실질적으로 더 얇은 결정체가 바람직하다.

본 발명에 따른 MPD 검출기는 두 광자 동시 검출을 사용하여 I¹²⁵에 대해서 자기 교정될 수 있는 이점을 가진다. 하지만, 이것을 달성하기 위해, 검출기 쌍이 잘 정합되어야한다. 즉, 유사한 특성을 가져야 한다. 잘 정합된 쌍의 선택을 용이하게 하기위해, 모든 결정체는 바람직하게 같은 크기의 직경의 결정체로 잘린다. 결정체는 저 방사성 광레벨 구리관에 설치된다. X 선 창/반향기는 MgO와 50 마이크론의 두께인 Al 필름으로 만들어진다. 선택적으로, 얇은 테플론 필름이 사용된다. 광학 창은 적어도 2 mm 두께의 석영으로 만들어진다.

직경과 두께의 최적화: 단일 표본 MPD 장치에 있어서, 본 발명에 의하면 가장 적합한 신틸레이터의 직경은 2인치가 된다. 이러한 크기로 인해 샘플이 검출기 사이에 1/2inch의 간격을 두고 위치된 상태와 같은 표준 샌드위치 형태(sandwich geometry)에서는 S/B가 가장높게 된다.

그러나, 결정체 사이즈의 함수로서의 최적곡선은 오히려 완만하다. 예를 들어 (S/B)[3'']1.2 이다. MPD 검출기를 I¹²⁵로최적화 할 때, CaF₂(Eu)를 위한 신틸레이터의 최적의 두께는 1.5mm 이며, 1.0에서 3.0으로 변화하는 결정체의 두께는 (S/B)를 단지 50% 정도만 변화시킨다.

선택기준: 육안검사를 통해 균열이 있거나, 투명도가 떨어지는 결정체는 불합격처리된다. 그 다음, 결정체는 정해진 저방사능 PMT의 백그라운드에 고정된 상태에서 일련의 검사과정을 거치게 된다. 첫 번째 검사에서는 모든 결정체의 에너지 분해능과 검출효율이 측정된다. PMT는 규격화되어 있지 않기 때문에 다른 영역에서의 PMT의 작동은 별도로 측정되어야 한다. 이러한 작업을 위해 신틸레이터/PMT 어셈블리의 표면은 중심부의 방사원에 의해 직경이 확장되는 납링으로 덮여씌워진다. 제1차 납덮개에는 (직경) 0.5cm의 홀이 있다. 그 후에 신틸레이터/PMT 중심의 에너지 분해능이 측정된다. 1인치짜리 납링과 2인치 짜리 납링으로 이루어진 다른 두 개의 납덮개 역시 에너지 분해능을 위해 사용된다. I¹²⁵를 위한 dE/E(FWHM)≤ 21%의 CaF₂(Eu) 결정체 만이 통과하게 된다. 더욱이 통과된 결정체의 방사성 백그라운드는 0.05 dpm 이하가 되어야 한다. 대개, 열 개들이 한묶음에서 2개 내지 3개의 결정체가 검사에 탈락하여 반품된다.

PMT와 신틸레이터 결정체 중에서 방사능 백그라운드 PMT가 낮거나 투명한 재질의 것을 선택하는 방법이 다음에 기술된다. 본 발명에 따르면 MPD장치는 PMT를 선택하는데 있어 상당한 주의를 요한다. 추가비용이 적절하다면 주문 생산된 PMT의 석영도 사용할 만 하다. 본 발명에 따라 적절하게 조정된 기존의 인티그럴 신틸레이터/PMT 어셈블리와 일반 PMT 베이스도 사용할 수 있다. 이러한 인티그럴 어셈블리에서는 많은 부위가 스테인레스 스틸로 이루어지며, 따라서 일반적인 PMT의 방사능은 상당히 높은 편이다. 본 발명에 따른 PMT 베이스는 방사능 백그라운드를 줄이기 위해 베이스와 PMT 사이에 합성 쉴드(shield)를 가지고 있다. PMT 역시 적당히 낮은 방사능 백그라운드 광학 커플러(석영)을 통해 신틸레이터와 광학적으로 연결된다.

MPD 시스템에서 방사능 백그라운드를 줄이기 위해, 2인치와 3인치 신틸레이션 결정체 중 가장 적당한 것이 선택된다. PMT의 변수로서는 방사능 백그라운드, 검출효율, 에너지 분해능, 포토캐소드(photocathode) 표면의 균일성, 암 전류(dark current), 장기간 사용 시의 안정성, 온도와 자기장의 신호에 대한 의존성 등이 중요하게 작용한다.

검사과정과 결과: 다섯 개의 다른 회사에서 생산된 광전자 중배관(photomultiplier)을 검사한 결과, 일렉트론 튜브사(ETI)와 하마마츠 PMT의 제품에서 가장 우수한 결과를 얻었다. 상기 두 회사 제품 중에서 40PMT에 대해서는 전자적인 특성과 방사능 오염에 관한 검사가 시행되었다. 그 결과 하마마츠 PMT가 전자적 작동에 있어서 약간 우수했다. 검출효율과 에너지 분해능에 있어서는 우수한 결과가 나왔다. 암 전류는 약간 낮았다. 그러나, 2인치와 3인치 튜브에서는 ETI가 가장 우수했다. 상기 튜브들은 집단내에서 다소 큰 전자적 작동이 다소 크게 나타났다. 방사능 백그라운드에 관해서는 ETI 튜브가 더 우수했다. 백그라운드는 측정된 하마마츠 튜브보다 낮은 열 개 요소 중 하나이다.

상기 PMT는 선택기준을 통과할 수 있는 지의 여부를 가리기 위해 일련의 검사과정을 거치게 된다. 첫 번째 검사는 개방면 결정체의 에너지 분해능과 검출효율을 측정하기 위한 것이다. 다음으로는 PMT의 각기 다른 부위의 에너지 분해능을 측정하기 위한 것이다. 이러한 검사는 방사능 샘플이 위치된 곳에 형성된 세 개의 리드(lead) 구멍을 사용하여 이루게 된다.

첫 번째 마스크(mask)는 그 구멍이 0.5cm이며, 두 번째 마스크는 1inch의 아우터 리드 링이다. 전자적인 기준은 사용되는 동위원소에 따라 결정된다. 예를 들어, 약 30 keV(I¹²⁵source)와 약 88keV(Ga⁶⁷source) 사이에서는 에너지 분해능의 상관관계가 나타나지 않았다.

PMT의 관련된 방사능 백그라운드는 PMT가 선택된 낮은 백그라운드 2인치 PMT에 연결된 직경 2'', 두께 2mm의 CaF₂(Eu)검사기 다음에 위치됨으로써 측정된다. 모든 검사 시스템은 납, 주석 및 구리 등으로 잘 보호된다. CaF₂(EU)검사기의 백그라운드는 20에서 40keV 사이의 에너지 범위에서 측정되며 이미 측정된 PMT가 없는 백그라운드와 비교된다. 펄스 형태를 분석하여 이벤트(events)와 전자 아티팩트(electronic artifacts)를 구분할 수 있다. 테스트 PMT 없이 CaF₂(Eu) 검출기의 백그라운드를 검사하는 다이닝(dining)은 0.7cpm으로 밝혀졌다. ETI PMT는 일반적으로 카운트 비율을 조금씩 높이나, 하마마츠 PMT는 큰 보조 백그라운드를 형성한다.

하마마츠 PMT의 방사능 백그라운드는 상당히 크며, 평균 백그라운드는 3.5cpm이지만, 4.2cpm 정도의 높은 값도 발견된다. 그러므로, NaI(Tl) 또는 CaF(Eu) 신틸레이터에 연결된 선택된 2인치 ETI 모델의 9266KB PMT가 바람직하다. 평균 dE/E(FWHM)은 17.4% 이며, 최저 에너지 분해능은 16.2% 이고, 최고 에너지 분해능은 20.7%이다. de의 평균치, 최저치, 최대치는 각각 37.4%, 31.1%, 40.3% 이다. EMI PMT의 방사능 백그라운드는 다소 낮으며, 백그라운드의 평균치, 최저치, 최대치는 각각 0.2cpm, 0.1cpm, 0.55cpm이다. 약 20%의 PMT는 0.3cpm 보다 높은 백그라운드를 가지는 것으로 밝혀졌다. 이것들을 제외한 백그라운드의 평균치, 최저치, 최대치는 각각 0.13cpm, 0.11cpm, 0.28cpm 이다. 적합한 다른 모델은 ETI model R-2486 PMT 이다.

포장: 일반적으로 PMT는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸재의 조립식 튜브로 포장된다. 판매를 위해 장착되는 PMT는 방사능 백그라운드가 증가되었으므로 약간의 수정을 가하여 장착하는 것이 바람직하다. 그리고, PMT에 균열이나 흠이 없는지 검사하는 과정을 거치게 된다. 또한, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 이용하여 PMT에 묻은 불순물을 제거하는 세척과정을 거친다. 다음으로, 창 부분을 제외한 나머지 유리표면을 네겹의 검은 전자테잎으로 덮는다. 이러한 과정이 모두 끝나면 검은 전자테잎에 의해 나선형으로 창 부분을 제외한 전 밴드를 감싸게 된다. 이어서, 전도성과 접착력이 있는 두겹의 구리호일 테입으로 프라스틱재의 베이스를 포함한 PMT의 전부분을 감싸게 된다. 또 다른 한겹의 검은 전자테잎으로는 나선형으로 구리를 감싸게 된다. 이어서, 한겹의 구리호일테잎으로 마무리를 하게 된다.

결정체는 실리콘 광학 그리스에 의해 PMT에 연결되는 바, 공기방울이 상기 결정체와 PMT 사이에 들어가지 않도록 주의를 요한다. 그리고, 백색 테프론 테잎으로 PMT와 결정체가 접하는 부분의 PMT를 감싸게 된다. 결정체는 아주 얇은 4내지 8조각의 알루미늄 접착테잎으로 고정하게 된다. 접착 구리테잎으로 결정체와 PMT를 한 번 감싸서 결정체와 PMT를 서로 붙이며, 외부의 X-선에 대한 보호작용도 이루게 된다. 3인치 짜리 PMT에는 결정체와 PMT를 서로 붙이는 접착용 납 테잎이 포함되어 있다. 마지막으로, 광자(photon)의 누출을 막기 위하여 검은색 전자테잎로 구리를 감싸게 된다.

낮은 백그라운드의 계산을 위해 신틸레이터는 연결된 광전자 중배관에서 나오는 방사능과 접하지 않도록 보호된다. 신틸레이터/PMT 시스템의 광학치수를 낮추지 않고서는 PMT에서 나오는 고에너지의 감마선으로부터 검출기를 보호할 수 없다. PMT와 신틸레이터 사이에서 석영과 같은 투명재질의 창을 사용함으로써 베타요소와 저에너지의 광자로부터 신틸레이터를 보호할 수 있다. 도 1은 광학 그리스층(optical grease layer)(23)를 이용한 이 창(24)의 실시예를 나타낸다. 석영은 그 우수한 광학적 특성과 높은 순도로 인해 선택된다. 석영은 CaF₂(Eu)의 광학적 밀도와 NaI(TI)에 적합하다. 5mm 두께의 석영 창이 적합하다. 석영에는 눈에 뜨일만한 방사능 오염물질이 없다.

석영보다 차단력(stopping power)이 뛰어난 재질을 사용함으로써 감마선과 X-선으로부터 신틸레이터를 보다 효과적으로 보호할 수 있다. 고순도의 GeO₂와 주성분이 게르마늄(germanium)인 유리는 본질적으로 방사능 백그라운드가 낮기 때문에 이러한 목적에 적합하다. 이들은 원자번호와 밀도가 크기 때문에 석영보다 효과가 좋다. 이러한 창은 수 미리미터(mm) 정도의 얇은 두께일지라도 신틸레이터/PMT 시스템의 광학적 특성을 떨어뜨리지 않고 저에너지 광자와 베타 입자(beta particles)를 효과적으로 차단할 수 있다. 겔리카(gelica)와 게르마늄 유리는 NaI(Tl)에 적합한 정도가 석영보다 높다.

또다른 방법은 주성분이 납으로 이루어지고 부분적으로 PbF2와 미스무트 게르마나이트(bismuth germanite)(BGO) 같은 고밀도의 투명 결정체로 이루어진 고밀도 유리를 사용하는 것이다. BGO를 사용할 경우에는 도프(dope)처리되지 않은 결정체를 사용함으로써 BGO 내에서 신틸레이션으로 인한 부산물이 생성되지 않도록 해야 한다. 이러한 성분들의 광학적 밀도는 CaF₂(Eu)나 NaI(Tl)보다 높다. 그러므로, 신틸레이터와 창 및 창과 PMT의 광학적 특성을 일치시키기 위해서는 실리콘 그리스에서의 가압된 PbF₂와 같은 특수한 광학 그리스를 얇은 두께로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, "겔리카/고밀도 창/겔리카"와 같은 구조로 이루어진 삼중의 창을 사용할 수도 있다. 이때, 겔리카의 두께는 고밀도 광학 창 보다 얇은 것이 좋다.

차폐/격리: 방사능의 외부누출을 막기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 MPD에 는 도 1에 나타난 것과 같이 차폐막(55)을 사용하여 그 외부에서 차폐되어야 한다.

약 1-1.5mm 두께의신틸레이터 결정체를 구성하는 MPD에는 2인치 두께의 차폐막이 적당하다. 지표면에서는 차폐막의 두께가 두꺼워져도 백그라운드가 크게 감소하지 않는데 이것은 잔류하는 백그라운드가 우주선(cosmic ray)에 의해 크게 좌우되기 때문이다. 그러나, 차폐막이 납으로만 이루어진다면 방사능 입자에 의한 차폐막의 자체 자극 때문에 2차 납 X-선이 백그라운드 스텍트럼에서 존재하게 된다. 납 차폐막 내에 납 X-선을 흡수하는 1-5mm 두께의 주석층이 구성되고, 상기 주석층 내에 주석 X-선을 흡수하는 1-5mm 두께의 구리층이 구성된 합성 차폐막이 효과적이다. 구리 자체의 X-선은 그 에너지(8에서 9 keV)가 I¹²⁵의 외부로 드러날 만큼 작다. NaI(Tl)과 CaF₂(Eu) 신틸레이터는 이러한 파동을 90% 이상으로 reject할 충분한 에너지 분해능을 가지고 있다. 시중에서 구입할 수 있는 구리호일은 방사능 백그라운드를 유입하지 않을 정도로 순도가 높다. 상기 외부 차폐막은 PMT와 베이스를 포함한 검출기 어셈블리의 전면을 감싸야 한다.

샘플 홀더/크로스토크(sample holder/crosstalk)는 구리나 납 또는 구리/납의 합성으로 된 1-5mm 두께의 판으로 이루어진다. 이 정도의 두께는 아이오다인(iodine) X-선을 차단하기에 충분하다. 차폐막을 이루는 재료는 방사능 검사를 거쳐야 하며, 방사능 백그라운드가 낮고 정해진 위해서 고정된 CaF2(Eu) 검출기에서 백그라운드가 측정된다. 2시간 동안 진행된 검사결과 통계적으로 각 검사점에서 ±10% 정도의 오차가 발생한다. 백그라운드 수치가 0.9cpm 이상인 차폐막은 4시간동안 측정하는 것이 바람직하다. 재검사 결과 나온 수치 역시 0.9cpm 이상인 차폐막은 불합격 처리된다. 일반적으로 20%의 차폐막이 불합격 처리된다.

안정도가 높은 MPD 장치에 적용되는 인티그랄 PMT 베이스 어셈블리에 대한 설명은 다음과 같다. 저방사능원을 정확히 측정하기 위해서는 안정도가 높은 검출 시스템을 필요로 한다. 관측된 드리프트(drift)는 주위 온도의 변화에 따라 크게 달라지는 바, 이러한 주위 온도변화는 PMT의 증가량과 전자 수치 뿐만 아니라 신틸레이터 영역에서의 드리프트를 유발하게 된다. PMT의 안정을 위해서는 전자회로(electronics)와 고압전류가 공급되어야 한다.

PMT를 위한 고전압 공급설비는 이득이 높은 음 피드백(negative feedback)을 유도하고, 낮은온도계수(1-2ppm/섭씨)의 참고 칩(예를 들면 최대 580)과, 역시 낮은 온도계수의 금속필름 레지스터(resistor)의 사용을 통해 안정된다. PMT를 위한 전압분배기(voltage divider)는 레지스터와 같은 타입의 것이 사용된다.

PMT와 신틸레이터에서 장기간 온도유도된 드리프트로 인해 발생하는 문제점은 증폭기(amplifier)의 증폭량을 조절함으로써 해결되며, 따라서, 얻어진 스펙트럼도 변하지 않는다. 전자를 이용해 이러한 증폭량을 조절할 수 있다. 검출 시스템에 설치된 온도검출장치와 연결함으로써 온도유도 드리프트를 상쇄하기 위한 증폭량 조절을 계속할 수 있게 된다. 각 검출기의 온도 대 이득 교정은 비 일치(non-coincident)(OR) 모드를 사용하거나, OR 모드와 AND 모드를 같이 사용함으로써 효율적으로 달성된다. 장기간의 드리프트를 주기적으로 상쇄하기 위해 모든 교정과정이 자동수행되도록 할 수 있다.

PMT 베이스: 시중에서 유통되는 HVPS와 PMT 베이스는 HVPS와 전압분배기, 고전압 케이블의 작동/위험, 구성요소의 방사능 백그라운드 및 PMT와 전치증폭기(preamplifier) 사이의 전자기 픽업 노이즈(electromagnetic pick-up noise)에 따라 달라지기 때문에 생체의학에 적용되는 백그라운드가 낮은 검출기에는 접합치 않다. 그러므로, HVPS/VD/전치증폭기/셰이핑 증폭기(shaping amplifier) 어셈블리를 포함한 인티그랄 PMT가 적합하다.

일반적으로 PMT베이스에는 집적구조(integrated design)가 사용되지 않는다. 보통 전압 분배기 만이 PMT 베이스에 설치되는 데, 이로 인해 MPD에 악영향을 끼치는 전자 픽업 노이즈가 심하게 발생한다. 일부 시중에서 유통되는 PMT 베이스에는 특별히 집적전압 분배기(integral voltage divider)와 전치증폭기가 구비되어 있다. PMT 베이스에는 최대 집적을 위해서 HVPS와 전압분배기 그리고 전치증폭기가 구비되는 것이 바람직한데 이것은 고전압 케이블을 사용함으로써 그라운드 루프(ground loops)와 전자기 픽업과 같은 문제점을 일으킴과 동시에 일렉트로덕션(electroduction)과 같은 위험이 있기 때문이며, 특히 습도가 높은 환경에서 사용되는 이동용일 경우에 이러한 문제는 더욱 심해진다. PMT 베이스의 방사능 백그라운드는 PMT를 직경이 2inch 이고, 두께가 2mm 인 CaF₂(Eu) 검출기 옆에 놓아서 측정하게 되는 바, 상기 검출기는 선택된 백그라운드가 낮은 2inch 짜리 PMT에 연결된다. 전 시스템은 납, 주석, 구리재질의 차폐막에 의해 감싸진다. 그런다음, 20에서 40keV의 에너지 범위(the region of interest for I¹²⁵)내에서 CaF2(Eu)검출기의 백그라운드가 측정되며, PMT 베이스가 없는 백그라운드와 비교된다. 이벤트(events)와 전자적인 불순물(electronic artifacts)을 구분하기 위해 펄스의 형태분석이 이루어진다.

PMT 베이스에 따른 백그라운드는 CaF2(Eu) 결정체의 표면으로부터 2mm 내지 5cm 떨어진 베이스에서 측정된다. 1차 위치(positioning)에서는 백그라운드를 측정하는 반면, 2차 위치에서의 측정을 통해서는 MPD 작동에 따른 영향을 알 수 있다.(사용된 PMT의 길이는 약 5cm). 검사 PMT베이스가 없는 CaF₂(Eu)의 백그라운드는 0.7cpm으로 밝혀졌다.

신틸레이터로부터 5cm 떨어져서 위치된 경우에는 PMT 베이스 어셈블리에 따른 백그라운드가 MPD의 백그라운드 전체에 영향을 미치지 않는다. 그러나, 신틸레이터에 근접하여 위치된 경우에는 매우 큰 영향력을 발휘하게 된다. 따라서, 일부 PMT는 분해된 상태에서 다음과 같은 각 부품의 방사능 백그라운드가 측정된다.

* 플라스틱 HV 커넥터(plastic HV connector);

* 디바이더 체인 레지스터(divider chain resistor)와 커페시터(capacitor);

* 납/주석/구리 합성 차폐막(Pb/Sn/Cu composite shield);

* 알루미늄 홀더(aluminum holder)와 PMT 베이스의 하우징(housing of PMT base);

* HVPS 모듈(HVPS module)과 전치증폭기 모듈(preamplifier module);

특이하게도, 베타 입자로 인해 프라스틱재의 고전압 커넥터에서 방출되는 방사능 백그라운드가 가장 큰 것으로 밝혀졌다. 이러한 백그라운드는 가는 프라스틱재의 가이드링에 의해 매우 효과적으로 감소된다. 이와같은 조정 후에 PMT 베이스 방사능 백그라운드는 PMT의 방사능 백그라운드를 10% 이하로 인식하게 된다.

0.1 피코퀴리(picoCurie_ 이하의 낮은 방사능원의 양을 측정하기 위해서는 여러 시간동안 측정작업이 이루어져야 한다. 그러므로 전자(electronics)의 느린 드리프트는 이러한 긴시간(1시간)동안의 측정과정에 영향을 줄 수 있다. 이러한 드라프트의 근원은 PMT이다. HVPS의 고전압에 따라 진폭이 크게 달라지기 때문에 시그날 드리프트(signal drift)가 온도에 영향을 받게 된다.

고전압 공급: 전압 분배기는 HVPS로 부터의 음전압을 RC회로를 통해 PMT 다이노드(dynods)(pins 1-11)와 캐소드 C로 공급한다. PMT 어셈블리(30)에서의 이러한 과정이 도 3A, 3B, 3C에 잘 나타나 있다. R7과 R8으로 나타난 전압 분배기 레지스터는 낮은 온도계수( 100ppm/℃)를 가지고 있으며, PMT에서 배출되는 신호를 안정시킨다. 네거티브 HVPS(50)에는 마츄사다사(Matsusada Co.)에서 나온 조정된 직류대 직류 컨버터(64)와, 전압 조정기(66)와, 정밀도 레퍼런스(precision reference)(68)(온도 계수 약 3ppm/℃)를 가진 피드백 회로(feed back circuit)와, 비교측정기 증폭기(70)가 구비되는 것이 바람직하다.

HVPS의 출력값에 따른 온도변화가 일어나지 않도록 하는 것이 중요하기 때문에 온도계수가 낮은 요소가 적합하다.

올텍(Ortec), 캔버라(Canberra), 테네렉(Tennelec)에서 나온 NIM 모듈과 같이 시중에서 유통되는 것은 열배나 향상된 작동성능을 발휘한다. 이들은 매일 같이 일어나는 MPD의 변화를 크게 감소시킨다.

사용에 적합한 HVPS는 다음과 같은 특성을 가지고 있다.

* 입력전압: -15에서 -18VDC까지

* 입력전류: ≤120mA

* 출력전압 범위: 300 - 1,100V[DC]

* 소음: ≤50mV 피크 대 피크(peak-to-peak)

* 온도안정성: 노미날(nominal) 출력전압(1,000V)에서20mV/℃

PMT 베이스의 또다른 중요요소는 도 3과 3C에 나타난 것과 같은 최적화된 전치증폭기/셰이퍼(preamplifier/shaper)이다. PMT에서의 암전류 펄스(dark current pulses)로 인한 백그라운드를 방출(reject) 하기 위해 펄스형태분석기(pulse shape analysis)를 사용함으로써 나타나는 최적의 펄스형태는 삼각형이다. 반대로, 시중에서 유통되는 대부분의 장치는 가우시안 형태의 펄스(Gaussian pulse shaping)를 사용하게 되는 바, 이것은 낮은 에너지의 X-선에 대한 에너지 분해능을 최적화하고, 멀티채널 분석기(multichannel analyzer)를 사용함으로써 펄스 높이의 분석이 이루어질 때 적합하다. 증폭기/셰이퍼(amplifier/shaper)에는 EL2030 저소음 전류 피드백 증폭기를 기본으로 한 전치증폭기(pre-amplifier)(52)와, 이득이 높고 다이나믹 레이지(dynamic range)를 같는 모델 OP64 증폭기를 기본으로 한 출력증폭기(output amplifier)(54)가 포함되는 것이 바람직하다. 작동 중에는 출력 증폭기(54)를 조정하거나 튜닝할 필요가 없다. 체인 C1, R1 과 집적 체인 C2, R2의 차이는 다음과 같은 출력펄스의 파라미터를 결정한다.

* 상승시간(rise time) t_r∼ 400 ns [800 ns]

* 0.1 FWHM에서 펄스 폭 t = 3 ms [4 ms]

첫 번째 숫자는 NaI(Tl) 신틸레이터의 사용과 일치하고 괄호 속의 숫자는 CaF₂(Eu)와 일치한다. 레지스터 체인(R4, R5)은 증폭기(54)의 이득을 정의한다. 이 이득은 20-50의 간격으로 선택되었고, 전위차계로 조정된다. 이 값은 주어진 PMT와 신틸레이터 결정의 특성에 의존하고 30keV의 광자에 대해 약 2V의 출력 증폭을 갖는다.

본 발명에 따른 PMT 베이스(PMT base)/조작 가능한 증폭기 어셈블리는 하기의 특성을 갖는다:

. 소음 ≤50 mv 피크 대 피크

. 이득 20-50

. 다이내믹 레인지 50,000

. 오프셋 ≤ 2 mv

. 입력 신호 t_r=200 ns, t=100 ms, [음극 펄스]

. 출력 신호 t_r=400 ns, t=3 ms, [양극 펄스]

. 최대 출력 신호 10V

. 비선형도 ≤ 2% 완전한 다이내믹 레인지 2%를 초과

. 동력원 DC 전류≤20 mA, ±12 V DC 이상의 전압에서부터

±18 V DC 까지

. PMT 베이스 크기 직경 2.2", 길이 3.74"

. 무게 1 lb(내부 Pb/Cu 차폐의 0.5 lb를 포함)

이러한 전자 회로는 높은 온도 안정성을 갖게 되고 운전중에 조정을 필요로 하지 않는다. 이러한 장치는 또한 생산과 조정이 용이하다. NIM 모듈과 비교할 때, 이러한 장치는 10배나 안정적이며, 상당히 값비싼 비용으로 생산할 수 있다.

소음 및 온도 안정성: 전자 회로에 대한 본 발명의 명세서는 MPD의 고감도 및 낮은 광레벨 조건에 의해서 결정된다. 스펙트럼과 S/B의 감소를 유발하는 조건은 단기 소음(전자 소음, 암펄스) 및 전자 파라미터(이득, 고전압, 온도 드리프트)의 장기 드리프트로 분류된다.

본 발명에 따른 바람직한 검출기에 있어서, 30 keV에서 에너지 분해능 dE/E(FWHM)는 NaI(Tl)에 대해서 약 16%이고, CaF₂(Eu)에 대해서 약 35%이다. 전자가 에너지 분해능에 대해 10% 보다 작게 영향을 미치게 되면, 이는 소음을 ≤0.016의 신호비(N/S)로 이르게 한다. 증폭기, 고전압 동력 공급원(HVPS)과 전자기 차폐는 N/S≤0.005을 얻을수 있도록 한다. 전자 소음원의 대부분은 전자 회로에 의해서 제거되는 반면, 소음의 나머지 부분은 온-라인 소프트웨어 형태의 분석에 의해서 제거된다.

시중에서 구입가능한 HVPS를 사용할 때, 온도 의존성은 I¹²⁵에 대한 펄스 증폭을 용이하게 측정할 수 있는 드리프트를 이끌어낸다. 본 발명에 따른 바람직한 HVPS로서, 주위 온도에서 얻어지는 이득의 온도 의존성은 정밀 측정값 이하로 된다. HVPS의 온도 변화 영향을 감소시킬수 있도록, PTM에 대한 전압 분배기는 낮은 온도 계수를 갖는 금속세라믹 1%의 레지스터를 사용하여 시행될 수 있다. 더욱이, 전류 피드백(feed back)과 베이스라인 전압(baseline voltage)의 초안정 공급원 사용을 통해 다음과 같은 파라미터를 가진 크기가 작은 HVPS를 사용하는 것이 가능하다.(도 3참조)

* DC 전압 입력: -12에서 -18V 입력: -300에서 1,100V

* DC 전류 입력: ≤120mA 출력: <1mA

* 출력소음 ≤100mV

* 펄스소음 ≤150mV peak-to-peak 주파수 100kHz

예를 들어 펄스소음은 2-3의 요소이며 시중에서 구할 수 있는 HVPS 보다 우수한 것이다.

25℃에서 70℃ 사이에서 HVPS 출력전압의 온도의존성(temperature dependence)에 대해 시중에서 유통되는 HVPS와 본 발명에 의한 HVPS가 비교되었다.

상기 베이스라인/소음(baseline/noise)은 24시간 동안 1%이상의 베이스라인 안정성을 나타낸다.( 동절기에 난방기를 끈 상태에서 15℃를 유지하고 낮부터 밤까지 측정). 본 발명에 따른 음(negative)HVPS의 작동이 HVPS PS1800 시리즈(일렉트론 튜브사)와 비교되었다. 상기 두 HVPS가 같은 초기온도(25℃)에서 작동개시되어 동시에 60℃까지 가열되었다. 일반 HVPS는 몇 퍼센트 만의 전압 드리프트를 나타내었으나, 가열에 의해 본 발명에 따른 HVPS의 출력은 알아볼 수 있을 만한 변화를 나타내지 않았다.

단일 샘플 MPD: 이에 대한 바람직한 실시예는 다음과 같다. 존재하는 감마 카운터구조는 일반적으로 검출효율을 높인다. 본 발명의 목적은 검출효율을 높게 유지하는 동안 백그라운드를 최소화하는 것이다. 이러한 목적을 이루기 위해서는 방사능 백그라운드의 근원을 제거해야 하고, 최적의 카운터 형상(counter geometry)을 사용해야 하며, 구성요소들을 선택에 신중을 기해야 함과 동시에 안정된 전자회로(electronics)를 사용해야 하고, 백그라운드 신호의 방출을 위해 온라인(on-line)소프트웨어를 사용해야 한다.

따라서, MPD는 다음과 같은 서브시스템을 포함한다.

* PMT 리드아웃(read-out)을 구비한 신틸레이터와 같은 광자 검출기;

* 시퍼레이터/쉴드(separator/shield) 서브시스템;

* 리드아웃 전자; 그리고

* 데이터 획득/분석 서브시스템

상술한 바와 같이 CaF₂(Eu)는 차단력이 우수하고, 에너지 분해능이 적절하기 때문에 사용에 적합하다. 도 1과 도 2는 샌드위치 형상(sandwich geometry)과, 다중광자 일치(multiphoton coincidence) 및 펄스형태 분석 서브시스템을 포함한 MPD 검출기의 블록 다이어그램과 사시도이다.

두 개의 모듈을 포함하는 검출기(20)는 중금속재질의 저방사능 백그라운드 분리기(32)에 의해 분리되며, 대개 수 밀리미터(mm) 씩의 구리/주석/납으로 이루어진 샌드위치 형상을 이룬다. 상기 분리기(32) 내에는 샘플(36)이 위치되는 홀(34)이 형성된다.

상기 두 개의 검출기 모듈 어셈블리(20)는 중금속 혼합재질의 불용성(passive) 차폐막(55)에 의해 감싸지는 바, 상기 차폐막은 상술한 것 처럼 일반적으로 납, 주석, 구리와 같이 방사능이 순수한 재질로 이루어진다. 이 중 납과 같이 원자번호가 가장높은 재질은 적어도 1inch의 두께로 이루어지며 가장외측을 감싸게 된다. 그 내측에 원자번호가 중간인 주석과 같이 재질이 1-2mm 정도의 두께로 층이 형성된다. 마지막으로 가장 내측에 약 2mm 정도로 순수한 구리재질의 층이 형성된다.

각 검출기 모듈은 다음과 같은 요소를 포함한다.

* 이미터(emitter)에 대해 최적의 두께로 이루어진 무기성 신틸레이터 결정체(inorganic scintillator crystal)(22);

* 신틸레이터와 PMT 사이에 위치된 순도높은 광학 창(24)

* 선정된 저방사능 백그라운드(26);

* PMT(26)와 PMT 베이스 어셈블리(30) 사이에 위치된 선별된 음차폐막(46);

* 고전압전원(50), 전압 디바이더(51), 그리고 전단증폭기(52)가 있는 PMT 베이스 어셈블리(30) (도 3에 도시).

3mm 두께 이하의 CaF₂(Eu) 결정체가 신틸레이터로 바람직하다. 광학 창(24)은 적어도 4mm 두께의 초고순도 석영이며, 광학적으로 연마되고 광학 커플러(23)와 방사능이 낮은 광레벨 실리콘 그리스가 제공된다.

정선된 PMT(26)은 K⁴⁰오염이 낮은 유리로 만들어졌고, 바람직하게는 2인치의 PMT로 선택되어 0.1 cps 이하의 광레벨을 제공한다. 원자수가 아주 다른 세 금속층으로 이루어진 실드(46)를 써서 PMT 베이스(30)를 PMP(26)으로부터 분리하는 것이 좋다. 일반적으로, 그러한 실드는 약 0.2인치의 Pb, 0.15인치의 Sn, 그리고 0.1인치의 Cu를 포함한다.

PMT 베이스(30)는 방사능 광레벨이 낮은 물질을 정선해서 바람직하게 제조되는데, 즉 지지 프레임용의 순수 구리나 알루미늄을 사용한다. 낮은 방사능 광레벨을 위한 저항기와 커패시터의 사용이 개시되었고, 순수 Sn 이나 Sn/Pb 합금으로 만들어진 In이 없는 땜납의 사용도 개시되었다. PMT 베이스 (30)의 모든 수동, 능동 요소가 매우 낮은 온도 변화를 가지도록 정선되고, 온도에 의한 이득 변화를 없애기 위해서 능동 보상 기술(active compensation technique)이 개시되었다.

온라인 광레벨 배제를 위한 다중 채널 DSO(52)을 이용해서 OR 과 AND 모드 둘다 데이터 포착과 분석을 위해 사용된다. PMT(26)의 우주선이 유도한 신호에 의해서 고속 펄스를 삼각형으로 형성하는 것과 소프트웨어를 배제하는 것이 이용된다. 펄스 상승 시간은 약 0.75 마이크로세컨드 그리고 서서히 하강하는 시간은 약 5-10 마이크로세컨드가 바람직하다.

자기 진단과 자기 교정이 OR과 AND 모드에서의 카운트 비를 확실하게 정합시키는데 이용되는데, 보다 구체적으로, 온라인 기준선 복원과 축적 배제 기술을 말한다. 동시 모드에서 두 검출기 모듈에서 나오는 펄스의 파형과 시간의 동시성을 정합시키는데 DSO(58)를 사용하는 것이 중요하다. 100 nsec 이상의 범위로 펄스 동시성을 측정할 필요성과 삼각형으로 되어 있고 지속시간이 길며 PMT에서 나오는 암전류의 배제를 허용하는 펄스에 대한 필요성이 교환된다. 그러나 온라인 소프트웨어에 기초한 펄스 맞춤 절차(pulse fitting procedures)는 이러한 모순되는 요건을 극복한다.

펄스 파형 분석: 트윈 신틸레이터 시스템의 데이터 포착은 각 검출기의 PMT에서 나오는 신호를 증폭하고 그 파형을 형성하는 것에 기초하고 또 차후의 분석을 위해 결합 에너지 스펙트럼을 만드는 것에 기초한다. 그리고 원하는 동위 원소에 대한 적절한 에너지 대상 영역(ROI)에서의 카운트는 카운트 비를 결정하도록 통합된다. 2인치 직경의 NaI(T1) 또는 CaF₂(Eu) 신틸레이터로 구성된 샌드위치형 검출기에 있어서, 단광자 에너지 ROI의 이벤트만이 카운트될 때 검출 효율은 일반적으로 50% 가량 된다. I¹²⁵에 있어서, 30 keV 와 60 keV 의 이벤트를 모두 카운트하는 것은 검출 효율을 70% 정도까지 높일 수 있으나, 집적 에너지 범위를 두배로 만들고, 따라서 광레벨도 두배가 된다.

카운트 비(분당 카운트, cpm)를 샘플의 실 활성(분당 붕괴,dpm)으로 바꾸려면 카운터의 검출 효율(DE)을 알아야 한다. I¹²⁵에 있어서, DE는 알려진 엘드리지 공식을 이용하여 스펙트럼 자체로부터 결정될 수 있다. DE는 각 검출기에 대해 따로따로 결정되고, 이에 따라 교정과 정확도가 높아지며, 교정 샘플의 실 활성의 두 평가치를 비교함으로써 시스템 통합을 테스트할 수 있고 샘플 배치를 수정할 수 있다. 동시 이벤트의 스펙트럼은 DE 값을 향상시키는데 이용될 수 있고 또 진단 목적으로 이용될 수도 있다.

저 에너지 감마/X-선 검출기의 비방사능 광레벨의 주된 성분은 PMT의 암펄스 때문이다. I¹²⁵ROI에서, 이들은 통상적으로 이중 PMT 시스템에 대해 수 cpm을 발생시킨다. 그러나, 펄스 파형에 기초한 구별이 생기면서, 이들 펄스의 파형은 검출기의 신틸레이터에 의해 발생된 펄스 파형과는 다르게 된다. PC에 기초한 이중 입력 플러그인 DSO 카드(58)를 이용하면서 각 이벤트에 대한 펄스 파형이 얻어지고, 고속 펄스 파형 분석이 수행된다. 이것은 PMT 암펄스, 그리고 다른 전자기적 진동 결함의 배제를 가능하게 한다. 펄스 파형에 기초한 배제가 이루어진 다음에는, 시스템의 광레벨은 검출기와 근접한 곳의 활성에 관계없이, 15-100 keV 범위의 에너지에 대해 거의 균일해지고 현저하게 안정된다.

검출기: 평평한 2인치 직경의 검출기 (1mm 두께의 NaI(Ti) 또는 1.5mm 두께의 CaF₂(Eu))가 바람직하다. 크기가 더 큰 결정체에서 신호 대 광레벨 비가 감소할 때 크기가 더 작은 신틸레이터는 시스템의 DE를 떨어뜨린다. 신틸레이터는 3-5mm 두께의 석영 창을 통해 낮은 광레벨을 위해 선택된 2인치 직경의 고 에너지 분해능 PMT에 연결된다. PMT 베이스(30) 내에 만들어진 전자회로를 이용하여 PMT 신호는 판독되고, 증폭되고, 그리고 파형이 만들어진다. 베이스에서 신틸레이터로 광레벨 광자가 유입되는 것을 감소시키기 위해, 베이스는 PMT 핀 구멍이 있는 5mm 의 납과 1mm 의 구리로 도금된 PMT로부터 격리된다.

실드와 홀더: 검출기 어셈블리는 납+주석+구리로 된 실드(납 2인치, 주석 1mm, 구리 1mm)에 놓여진다. 검출기들은 서로 1/2 인치 간격으로 정면으로 마주보고 있으며, 샘플 홀더/크로스토크 배제기는 그 사이에 놓인다. 이것은 납 프레임에 장치된 1mm 두께의 박판이다. 구멍들은 샘플용 구리 박판에 남는다.

개구의 모양은 사용될 샘플의 포맷(format)에 의해서 결정된다. 구리 외부 재킷을 갖는 델린 가이드(a delrin guide)는 모든 샘플이 검출기 시스템의 중앙에 확실하게 모이도록 한다. 샘플 포맷과 샘플 홀더가 바뀌면, 시스템은 엘드브리지 공식(the Eldbridge formula)을 사용하여 자동적으로 재교정 될 수 있다.

데이터 포착-하드웨어: 데이터 포착 하드웨어는 MPD를 제어하는 전용 PC의 내측에 설치되는 것이 바람직하다. 도 7을 참조하면, 한 실시예에서의 데이터 포착 전자 회로는 트리거링 회로(56)을 포함하고, 각각의 검출기, 디지탈 타이머/카운터(57) 및 2-입력 다중채널 분석기와 펄스형 분광기로서 사용되는 듀얼채널 20 MHz 디지탈 저장 오실로스코프(DSO)(58)에 대한 증폭/감쇄 모듈을 포함한다.

트리거링 회로(56)는 존재하는 문턱값 진폭을 초과하는 펄스가 검출기(26)의 어느 하나에 기록될 때마다 사각형의 트리거 펄스를 발생시킨다. 펄스가 검출기의 양쪽에 동시에 레지스터에 되게 되면, 보다 높은 증폭 트리거 펄스가 발생된다. 따라서, 동시 또는 동시에 일어나지 않는 사건들을 카운트하는 것이 가능하다. 트리거 펄스는 DSO의 외부 트리거 입력부로 보내진다. 트리거 회로는 하기에 기술하는 바와 같이 일체형 카드가 될 수도 있다.

증폭/감쇄 모듈은 펄스의 증폭을 조절하여 대상 에너지 영역이 DSO의 0-1 Volt 창 범위내가 되게 되고 동일한 에너지 입자가 채널 양쪽에서 동일한 증폭의 채널을 발생시킨다.

타이머/카운터(57)의 첫 번째는 (2.5kHz 기준 펄스를 카운트하는) 정밀한 포착 시간 타이머로서 사용된다. 타이머/카운터의 두 번째는 트리커링 회로에 의해 발생된 모든 트리거 회로를 카운트하고, 세 번째는 동일한 사건에 관련된 트리거만을 카운트한다. 이러한 카운터들로부터 얻어진 데이터는 포착 시스템 데드 타임(acquisition system dead time)에 의한 손실을 평가하므로서 높은 활성에서도 정확하게 카운트하는 것을 가능하게 한다.

(Gage Inc.사에 의해 제조된 상업용의 CSLite 부착 카드가 바람직한) DSO(58)는 8-비트의 정확성과 20MHz의 샘플링 비를 갖는 2개의 입력 채널 동시 샘플링을 가능하게 하며, 부가적인 외측 트리거 입력단을 갖는다. 데이터는 내장된 메모리에 저장되며 PC 버스를 경유하여 표준 메모리 대 메모리 이동에 의해 호스트 PC RAM에 이동된다. 데드 타임은 엄밀히 말하면 연장이 불가능하며 상기한 바와같이 카운터에 의해서 카운터 비가 데드 타임의 손실에 대해서 수정된다. DSO(58)는 각각 포착되고 처리된 사건후에 재시동되어 초기화된다.

펄스의 기록은 DSO(58)에서 호스트 PC(59)로 이동되고 소프트웨어에 의해 증폭과 형태를 위해 분석된다.

초기에 DSO(58)는 입력 전압을 계속해서 기록할 수 있고 트리거 입력단에서 트리거링 펄스를 대기할 수 있도록 설정된다. 트리거 펄스가 기록되면, DSO(58)는 포스트-트리거 포인트(post-trigger points)의 설정된 수를 포착한후 정지된다. (일반적으로 20MHz 샘플링에서 (20 프리-트리거 포인트(pret-trigger points)와 108 포스트-트리거 포인트) 기록의 관련된 부분은 분석을 위해 호스트 PC로 이동된다. 이 이동 과정은 예들들면 486 DX66 컴퓨터에 대해 추적 당 200 마이크로초 보다 작게 걸린다.

신호 조정/처리 카드(SCPC)(56): MPD 검출기 소프트웨어가 2개의 검출기로부터 나온 신호를 처리할 수 있도록, 트리거 회로는;

1) 펄스가 PMT의 어느 하나에 의해 발생될 때마다 트리거 신호를 발생시키고;

2) 2개의 채널에서 아날로그의 이득을 매치시키며;

3) 신호와 트리거 펄스의 사이에서의 지연을 조정할 수 있도록 시용된다.

이러한 하드웨어는(도 7참조)는 컴퓨터의 내부에 위치된 신호 조정/처리 카드(SCPC)(56)으로 실행되는 것이 바람직하다. SCPC 카드(56)는 각각의 채널에 대해 조정 가능한 이득과 트리거 레벨을 얻을수 있으며 TTL 트리거 펄스를 발생시킨다. SCPC 카드는 PMT 베이스(30)으로부터 직접 나온 신호를 입력값으로서 받는다. 설정된 신호 및 트리거 펄스는 DSO 카드(58)의 입력단으로 직접적으로 이동된다.

2개의 채널 SCPC(56)은 하기의 용도를 위해 설계된다.

* 동시 모드 및 합산 모드 양쪽에서 DSO(58)를 출발시키는 아날로그 트리거의 발생

* 양쪽 모드에서 카운터(57)를 출발시키는 TTL 트리거의 발생

* 입력 신호가 어떤 고정된 레벨보다 큰 증폭을 갖는 경우에 트리거를 블로킹(Blocking)

* 입력 신호의 아날로그 지연

* DSO 입력 신호 레벨의 조정

SCPC(56)은 하기의 파라미터를 갖는다:

* 입력 신호(양극 펄스): 0.1 - 8 V 증폭; 0.1 - 100 ms 펄스 지속

* 하위 레벨 조정: 연속 0.2 - 5 V

* 상위 레벨 조정: 연속 0.2- 5 V

* 출력 감쇄 범위: -3에서 - 60 db

* 디지탈 지연 범위: 0.1 - 10 ms

* 아날로그 지연 기간: 0.1 - 10 ms

* 출력 신호(양극 펄스)

아날로그 신호: 0.1-1 V 진폭; 0.1-10 ms 펄스 지속 기간

TTL 레벨: 진폭 ≥ 4.5 V ; 지속기간 4-5 ms.

아날로그 트리거 : OR 모드에는 진폭 0.5 V, "AND" 모드에는 진폭 1V 지속 기간 4-5ms.

* 온도 안정도

문턱 레벨 〈 0.05% ／℃

변화 계수 〈 0.01% ／℃

본 발명에 따른 방법이 도 8a - 8c 에 포함된 플로우 차트를 예로 참조하여 기술되겠다. 뒤따르게 될 예시적 방법의 기술에서부터, 그 방법은 다양한 소프트웨어를 근거로 한 다양한 처리 환경에서 수행될 수 있고 또 그러한 것이 본 발명의 범위 내에 있음이 명백해질 것이다.

온라인 펄스 배제 소프트웨어는 그 파형이 신틸레이션 검출기에서 차단된 입자에 의해 생성된 펄스와 양립하지 않는 펄스는 배제한다. 배제된 광레벨의 대부분은 PMT 내의 소음, 전자기 방해, 그리고 진동 소음에 기인한다.

소정의 검출기에 있어서, 방사능 이벤트에 의해 야기된 펄스 파형은 시간에 따라 변화하지 않으며, 증폭의 선형 범위 내에 있는 펄스 폭에 의존하지 않는다. 따라서, 펄스 파형의 배제를 위한 한 접근법은 기록된 펄스를 보통의 폭으로 표준화하는 것이고, 그 표준화된 펄스 파형을 키스퀘어 테스트(chi-square test)를 이용하여 "기준" 파형과 비교하는 것이다. 그러나 이것은 현재 이용할 수 있는 저 가격 마이크로프로세서에서 효과적인 수행을 하기에는 시간을 너무 소모하는 대량의 부동 소수점 계산(floating-point computations)을 해야 한다는 문제가 있다.

또는, 펄스 파형의 배제는 다수의 파라미터를 결정함으로써 수행될 수 있는데, 이 파라미터들은 정수 연산법(integer arithmetic)을 주로 또는 단독으로 이용하여 계산될 수 있는 펄스 파형에 관련한다.

데이터 처리: 포착을 위한 DSO 설정과 트리거 대기의 초기 단계가 지나면, 각 검출기에서 기준선과 펄스 폭의 계산으로 분석이 시작된다(단계 S3 에서 S14 까지). 이것에서부터, 이벤트가 검출기 A 에서 혹은 B 에서 또는 양쪽 모두에서 발생했는지의 여부가 알려진다. 펄스 폭은 전류 기준선에 적합하게 되어 있고, 또 만약 후자가 과도하게 일그러진다면, 이벤트는 배제된다. 그 다음, 다수의 펄스 파형 파라미터 값이 구해지고 시스템 설정에서 소프트웨어에 의해 확립된 수용 가능한 값의 범위와 비교된다. 이들은, 예를 들어 피크 펄스 높이(도 8b 와 8c)의 1/4, 1/2, 그리고 3/4 만큼의 펄스 폭을 포함한다. 파라미터는 다음을 포함할 수 있다.

펄스 폭

상승 시간

하강 시간

전체 펄스 폭;

펄스의 상승 부분의 파형;

펄스의 하강 부분의 파형;

두 검출기에서 나온 펄스들 사이의 지연;

펄스 다양성;

전펄스(pre-pulse) 추적 ; 그리고

최소 제곱법을 이용하여 펄스 파형을 기준 고 에너지 광자 펄스 파형에 비교하는 콤퍼레이터

이런 계산법에 대한 정수에 기초한 고속 경로는 인텔 프로세서에서 매우 효율적으로 작동한다. 동시 이벤트에 있어서(도 8b), 추가의 상승 시간 정렬 검사가 행해진다. 펄스 파형, 펄스 높이, 동시/비동시 분석이 행해진 후에, 배제되지 않은 이벤트가 적정 스펙트럼(검출기 A의 스펙트럼, 검출기 B의 스펙트럼, 또는 동시 이벤트의 2D 스펙트럼)에 추가된다.

DSO(58)는 각 펄스에 대한 각 입력 채널에 대해 8 비트 분해능을 가진 128 포인트를 얻는다. 시간 창은 형성된 펄스의 전체 폭에 걸치고(5 마이크로세컨드), 펄스의 상승 전에 약 1 마이크로세컨드에 걸친다. 펄스의 디지털 프로세싱은 최초 8 포인트의 평균을 계산하면서 시작하는데(S4), 이것은 전류 기준선을 제공한다. 만약 계산된 기준선이 0 에서 상당히 다르다면, 축적에 의해 일그러진 이벤트는 배제된다(단계 S5 에서 S7).

추적의 다음 120 포인트는 최대값을 얻기 위해 스캔된다(80X86 프로세서의 고속 LODS 명령을 이용함으로써). 오버플로가 탐지되면 이벤트는 배제된다(단계 S5 에서 S7). 그렇지 않으면, 진폭은 피크 값과 전류 기준선 사이의 다른 것으로서 계산된다(단계 S8 에서 S10). 프로그램은 또한 피크의 시간 오프셋을 저장한다. 이어서, 고속 (LODS에 기초한) 스캔이 피크에서부터 앞뒤로 행해져, 예로 진폭의 1/4, 1/2, 그리고 3/4 레벨의 교차점의 시간 오프셋을 결정한다(단계 S15 에서 S20, 그리고 S26 에서 S28). 이들 데이터는 펄스 파형 배제 테스트를 수행하는데 충분하다.

한 이벤트가 처리된 후, DSO(58)가 다음 이벤트의 포착을 위해 재설정된다. 처리 시간동안 발생하는 어떠한 이벤트라도 손실된다(데드 타임). 스펙트럼 데이터가 처리될 때, 계산된 카운트 비는 이러한 손실에 적합하게 된다.

포착은 기설정되어 일정 시간 간격 동안 또는 선택된 ROI 내에서 일정수의 카운트가 얻어질 때까지 데이터를 수집하게 된다. 포착은 사용자가 언제라도 종료시킬 수 있다.

교정 경로: 자동 장치 교정/ROI 설정 경로는 다음과 같다. 사용자는 소프트웨어가 언제라도 이 절차를 수행하게 할 수 있다. 교정된 샘플이 필요하지는 않지만, 상당한 고활성 (최적 50,000 에서 200,000 dmp) I¹²⁵샘플이 요구된다. 그러한 소스를 검출기 안에 놓은 뒤에 프로그램은 모든 펄스 높이와 펄스 파형의 배제가 가능하도록 하면서 100,000 번의 이벤트를 얻게 된다. 포착이 완료되면 스펙트럼은 분석되어 단광자(27-35 keV) 피크에 대한 대상 영역(ROI)을 결정한다. ROI 내의 카운트 비(cpm)가 결정된다. 샘플의 실 활성(dpm)이 알려진다면, cpm/dpm 의 비로부터 검출 효율이 확립될 것이다. 교정 샘플의 절대 활성을 측정하기 위해서, 프로그램은 펄스 파형 배제가 불가능하도록 하면서 제 2 데이터 포착 순환을 시작한다(교정 샘플의 활성이 높으므로, 광레벨을 배제할 필요가 없고, 버려지는 실 이벤트도 없다). 200,000 번의 이벤트가 얻어질 때까지 두 검출기(A,B)에 대한 스펙트럼이 만들어진다.

계속해서 각 검출기의 스펙트럼이 분석되어 1 광자와 2 광자 피크에서의 카운트 비를 측정하게 된다(동시 스펙트럼은 또한 이 두 피크의 분리를 강화하는데 사용되기도 한다). 그리고 나서, 엘드리지 공식이 검출기의 검출 효율과 교정 샘플에 대한 붕괴 속도를 측정하는데 사용된다. 검출기 A와 B의 평가치를 비교함으로써 데이터의 일관성이 검증되고, 그 두 값의 평균이 절대 활성이 되며, 이로써 검출 효율이 측정된다. DE는 보통 2인치 시스템에 있어서 50-60% 의 범위에 있게 된다. 1 광자 피크만이 카운팅에 이용되며, 이는 전자 소음을 배제하는 샌드위치형 검출기의 경우 광레벨을 2-3배 정도 감소시키는 반면 약 15% 정도로 검출 효율을 떨어뜨린다.

자동교정/ROI 설정이 완벽하다면, 시스템은 마지막 교정 샘플이 사용된 것과 동일한 모양의 샘플을 카운트할 수 있는 상태가 된다. 일정 시간 동안 또는 (카운팅의 통계적 불확실성을 결정하는) 일정수의 카운트가 ROI 에서 얻어질 때까지 포착이 수행된다. 그 다음 프로그램이 이미 계산되어진 DE를 이용하여 샘플에서 실 붕괴 속도를 측정한다. 샘플 카운팅 데이타는 분석을 위한 데이터베이스나 스프레드시트 프로그램으로 변환될 수 있는 ASCII 데이터 파일의 디스크에 일반적으로 저장된다.

소프트웨어는 새로 조립된 각 검출기 시스템에 대한 포착/배제 파라미터를 설정한다. 이것은 시스템에 대한 최적의 트리거 레벨과 펄스 파형 배제 파라미터를 결정하고, 내부 데이터 파일을 만들어 이들 파라미터를 저장한다. 주요 구성요소(예. PMT/base 또는 DSO 카드)가 대체되지 않으면 시스템의 수명 동안 이들 파라미터들은 일반적으로 다시 결정될 필요가 없다.

데이터 표시: 시스템 프로그램은 사용자에 의해 기설정되어 하나 이상의 샘플을 카운트하거나 또는 동일 샘플을 원하는 횟수로 반복하여 카운트 할 수 있다. 만약 한 묶음의 샘플이 카운트되면, 프로그램은 사용자가 각 측정 후에 샘플을 바꾸도록 유발할 수 있고, 모든 데이터는 동일한 ASCII 파일에 저장된다. 파일은 날짜/시간 스탬프와 시스템 설정이 있는 헤더를 포함하며, 또한 카운팅이 시작되기 전에 사용자가 구이 편집 윈도우(GUI edit window)같은 것을 이용하여 샘플에 대한 확장 설명을 입력시킬 수 있다.

프로그램은 또한 단일 샘플 그리고 한 묶음의 샘플에서 나온 데이터를 조사하거나 분석하는 것을 허용하는 간단한 데이터 파일 브라우저(browser)가 제공될 수 있다. 사용자는 검색할 데이터 파일을 메뉴 시스템을 통해 선택할 수 있고, 각 샘플에 대한 카운팅 불확실성을 발견할 수 있으며, 카운트와 붕괴 속도 대 샘플 번호를 정할 수 있으며, 통계적 불확실성을 가진 데이터를 인쇄할 수도 있다. 예로 상업용 스프레드시트 프로그램을 이용함으로써 데이터를 더욱 광범위하게 분석하고 합하는 것이 행해질 수 있다.

소프트웨어는 바람직하게 볼란드 파스칼(Borland Pascal)과 어셈블리(Assembly) 언어로 코드화 되어 펄스 처리를 가속화시키고, 윈도우 방식의 구이 셸(shell)을 이용하는 도스 하에서 작동한다. 또는, 엠에스 윈도우(MS-Window) 하의 소프트웨어는 최근에 발표된 델피(Delphi) 소프트웨어 개발 시스템(Borland International)을 사용할 수 있는데, 이것은 확장된 볼란드 파스칼 언어를 사용한다. 이 기술 분야의 전문가는 다른 프로그램 언어를 사용할 수도 있고 본 발명의 정신 내에 머물 수 있다.

자기 교정과 자기 진단: 본 발명에 따른 MPD 장치는 자기 진단과 자기 교정을 포함한다. 자기 교정과 자기 진단은 EC 소스에 대한, 즉, 단일 검출기 스펙트럼의 1광자와 2광자 피크 그리고 동시 이벤트의 2D 스펙트럼의 1광자와 2광자 피크에 대한 스펙트럼 정보 특성에서의 중복을 이용한다(검출기 A 에 있는 에너지 대 검출기 B 에 있는 에너지의 스캐터 플롯(scatter plot)). 다른 이익들은 두 개의 분리된 펄스 카운팅 서브시스템, 다시 말해서 DSO(58) 그리고 펄스 카운터(57)를 이용하는 MPD에서 기인한다. 이것은 두 검출기 서브시스템 간에 카운트 비에서의 모순을 감시할 수 있게 하고 생길지 모르는 하드웨어 고장을 탐지한다. MPD 소프트웨어는 알려진 동위원소의 소스에서 얻어진 데이터를 이용하여 검출기, PMT, HVPS, 그리고 전자 판독 장치의 작동을 체크한다. MPD의 오염은 광레벨 스펙트럼을 측정하고 분석함으로써 탐지된다. 소프트웨어는 동위 원소의 교정 샘플을 이용하여 일정한 EC 동위원소에 대해 동시 모드와 비동시 모드로 검출 효율을 자동으로 계산한다. 진단 경로는 장치에서의 이득과 문턱의 드리프트를 추적하고, 필요한 조정을 계산한다.

동조 후에, MPD 는 상당한 장기 안정성을 갖는다; 단기(1주일 미만)간의 변화는 I¹²⁵피크에서 1% 미만이다. MPD로 수행된 1,200 번의 독립된 측정은 재현성이 이들 측정의 통계적 불확실성보다 훨씬 낫다는 것을 보여준다. MPD 장치는 0.1-1000 피코퀴리의 범위에서 소스에 대해 1% 이상의 측정 정밀도를 가능하게 한다. 6 개월 이상 작동하면 드리프트는 3% 보다 작아지게 된다.

젭토몰 레벨(zeptomole level)에서의 측정을 위해 MPD 장치는 자주 밤새도록 작동하는데, 따라서 주간의 변화성이 중요하다. 섭씨 5도의 변화는 신틸레이터/PMT 어셈블리 수행에서 약 1-2% 의 현저한 드리프트를 낳는다. 이러한 온도의 영향을 상쇄하기 위해서 펄스 폭을 수정하는데 결정체가 소프트웨어에 의해 측정되고 이용된다.

비대칭 검출기 모양이 지금부터 논의될 것이다. 단일 샘플을 사용한 바람직한 실시는 완전히 대칭적인 샌드위치 형태로 MPD를 개시한다. 이 형상은 CGX 동위 원소의 붕괴의 대칭에 적합하다; 동시 광자간의 방출 방향에는 상관 관계가 없다. I¹²⁵에서는 두 광자가 거의 같은 에너지를 가진다. 이것은 대칭 검출기를 이용하여 최적의 수행을 가능하게 한다. 따라서 대칭 붕괴에 대해 다른 형상을 이용하는 것은 효과가 없다. 그러나 최적의 수행을 위해 형상을 비대칭 모양으로 이용할 수 있는 응용이 있다. 본 발명에 따라 이용될 수 있는 비대칭의 여러 유형은 다음과 같은 것을 포함하지만 그에 한정되지는 않는다:

* 두 검출기는 다른 물질로 만들어 질 수 있는데, 예로 다른 두 유형의 신틸레이터가 사용될 수도 있고, 또는 하나의 신틸레이터 그리고 하나의 반 도체 검출기가 사용될 수도 있다;

* 두 검출기는 크기가 다른데, 보통 하나는 광레벨을 줄이기 위해 아주 작고 다른 하나는 검출 효율을 증가시키기 위해 크기가 크다;

* 두 검출기는 다른 기능을 하는데, 하나는 공간 분해를 하고 다른 하나는 트리거 장치 기능을 하면서 공간 분해를 하지 않는다. 일반적으로 제 2 검출기는 소스에 완전히 노출되는 반면 공간 분해 검출기는 코드화된 개구의 적정 패턴에 의해 부분적으로 가려진다.

최적의 형상은 요소의 결합을 이용한다. 본 발명에 따른 한 수행에서 하나의 검출기는 공간 분해 PMT에 결합되는 NaI(T1) 결정체를 포함한다. 그러나, 트리거 검출기는 다른 발생기와는 상이한 유형의 PMT에 결합된 CaF₂(Eu) 신틸레이터이다.

공간 분해 MPD 검출기(여기서는 SR-MPD를 일컬음)에서, 시스템 수행은 시스템의 모든 부분, 즉, 신틸레이터의 유형, 신틸레이터 직경, 신틸레이터 두께, 광학 창의 두께, 그리고 코드화된 개구 마스크의 형상에 달려있다.

고 분해능, 공간 분해 MPD가 지금부터 기술되겠다. CGX 동위 원소, 특히 I¹²⁵로 표지화된 샘플을 이용할 때 단일 샘플 MPD는 상당한 정도로 광레벨의 감소를 허용한다. 그러나 많은 응용에 있어서, 분리 처리 (전기영동겔, 도트 블롯, 박막, 그리고 종이 크로마토그래피)에서 그리고 조직 프레파라트(tissue preparates)의 해부학에서 얻어지고 방사성 동위원소로 식별된 분포를 측정할 때 효과적인 공간 분해능이 필요하다.

매우 잘 알려진 2D 방사성 동위 원소로 식별된 분포는 뒤에 적절한 수단으로 여과될 수 있는 전기 영동, 박막 크로마토그래피(TLC) 또는 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)에 의한 분리 생성물질을 포함한다. 이러한 것들은 크로마토그램(chromatograms)으로 불릴 수 있다. 이들은 일반적으로 자체 지지한다. 즉, 분리 생성물질은 얇고 기계적으로 강성인 판 표면에 놓이거나 고정된다. 2D 방사성 동위 원소로 식별된 분포의 가장 잘 알려진 종류는 겔 내에 고정된 전기 영동 분리 생성물질이다. 일반적으로 겔은 경화되거나 건조되어서 그 기계적 특성이 향상된다. 그러나, 이를 비롯한 많은 경우에서, 두 개의 박막 물질 사이에 생체의학 샘플을 삽입하는 것이 보다 실용적이다. 마지막으로, 전기영동 분리 생성물질은 니트로셀룰로오스나 플라스틱으로 된 탄성 막 위에서 변화되거나 블롯될 수 있다. 이들 생성물질은 블롯이라 불린다.

이 모든 응용에 있어서, MPD 검출기는 종래의 방사선 사진술과 형광체 영상기를 대체하는데 이용될 수 있다. 이 모든 응용에서, 본질적으로 생체의학 샘플은 두 다른 치수보다 훨씬 더 작은 두께를 가진 2D 물체이다. 종종 이 샘플은 적절한 얇은 막에 의해 한쪽에서 지지된다. 대부분의 응용에서, 얇은 지지체는 플라스틱과 같이 낮은 원자번호를 가진 물질로부터 만들어질 수 있다. 그러한 얇은 기계적 지지체는 X-선을 상대적으로 적게, 즉 5% 이하로 흡수한다.

방사성 동위원소로 식별된 2D 분포의 물리적인 표시에 대한 세 가지 경합 조건은 다음과 같다:

1) 샘플은 평평해야 하고 기계적으로 다루기 수월해야 한다;

2) 샘플은 용접 밀폐하여 에어로솔에 직접 접촉하거나 에어로솔을 배제함으로써 검출기가 오염되는 것을 막아야 한다;

3) 차단 물질에서의 X-선 흡수는 최소화되어야 한다.

이러한 세 가지 요건은 전례가 없는 SR-MPD 검출기의 기술적 수행, 특히 감도 때문이다. 첫째로, 샘플은 가능한 평평해야 한다. 샘플에서 검출기 표면까지의 거리가 변화하면 측정된 활성에서 결함이 생겨나기 때문이다. MPD는 ±1% 의 교정과 재현성을 달성하는 반면 종래의 검출기는 통상 ±5% 범위 내에서 교정된다. 또한, 샘플이 평평하지 않을 때에는 공간 분해능에서 상당한 손실이 있게 된다. MPD의 새로운 감도는 아무리 오염이 적다하더라도 측정의 완전성에 치명적이라는 것을 의미한다. 생체적합물질 뿐만 아니라 보조물질도 오염되는 일이 잦다. 이것은 블롯에 해당하는 경우인데, 블로팅이라는 것은 특수 완충액을 사용하면서 수행되기 때문이다. 방사성 동위원소로 식별된 전기영동 생성물질의 소량이 확산에 의해 막의 반대쪽으로 이동된다. 마찬가지로 TLC 판의 반대쪽이 조금 오염되는 일이 잦다. 마지막으로, 피코퀴리 미만(sub-picoCurie)의 샘플로 작동할 때는 추가 흡수가 문제가 된다. 따라서 원자번호가 낮은 물질의 매우 얇은 층을 이용하는 차단 방법이 선호된다.

2D 방사성 동위원소로 식별된 블롯을 캡슐화하는 세 가지 바람직한 방법은 다음과 같다. 자체 지지 샘플, 예를 들어 크로마토그래픽 판이나 블롯에 있어서, 가장 쉬우면서도 실용적인 방법은 액체 래커로 뿌리는 것이다. 아크릴 스프레이와 실리콘 스프레이 그리고 GE 전기 베르닉스(GE electrical vernix)가 성공적으로 이용되어 왔다. 방사능 오염에 대해 스프레이 물질을 체크하는 것이 중요하다; 그리고 0.1 picoCurie/cc 보다 낮은 동시 활성을 가진 스프레이만을 사용하는 것이 중요하다. 다른 실용적인 방법은 플라스틱이나 매우 얇은 (0.1 mm 미만) 알루미늄 테이프로 된 얇은 접착 테이프를 사용하는 것이다. 얇은 주머니가 사용될 수도 있는데, 베릴륨 박막으로 된 주머니가 바람직하다. 그러나, 대부분의 응용에서, 플라스틱이나 매우 얇은 알루미늄으로 된 주머니 또는 자루를 사용하는 것이 적절하다. 비자체지지 샘플에 있어서, 적층화(lamination)는 SR-MPD 장치에 필요한 기계적 특성과 방사화학적 순도를 비자체지지 샘플에 부여하는 매우 실용적인 방법이다. 일반적으로 적층화는 두개의 뜨거운 표면 사이에 호일-샘플-호일의 샌드위치 형태(foil-sample-foil-sandwich)를 굴림으로써 이루어지는데, 적층화 기계 자체가 오염되지 않도록 주의하여야 한다. 또한, 적층 호일이 오염되지 않도록 주의하여야 한다.

스캐닝 MPD 장치에 대해 기술하겠다. 대부분의 대칭 MPD 시스템에 있어서, 공간 분해능은 결정체 직경에 필적한다. 저 에너지 X-선 이미터, 즉 I¹²⁵에 있어서, 공간 분해능은 "핀 홀(pin hole)" 또는 "슬릿" 개구를 포함함으로써 급격히 향상될 수 있다. 그리고 나서, 2D 동위 원소 분포는 두 검출기 사이에 기계적으로 변위될 수가 있는데, 그들 중 하나는 상기의 개구를 갖는다. 이 수행을 MPD 스캐너라고 칭한다.

2D 방사성 동위 원소로 식별된 생체분자 분포, 즉 DNA 분포를 아토몰보다 낮은 레벨로 해석하는데 필요한 감도를 손실하지 않고서 밀리미터 미만(sub-millimeter)의 분해능을 획득하기는 어렵다. 이러한 응용에 대한 종래의 영상기에 있어서, 근접 영상의 원리가 수행된다. 예로, 공간 분해 검출기에서, 베타 이미터에 대한 "시스템 분해능"은 사용 이미터의 에너지에 의존한다; 더 높은 에너지 소스에서는 베타 입자 범위의 증가 때문에 시스템 분해능이 상당히 악화된다. 예를 들어, 필름이나 형광체 영상기로 영상화될 때, 비록 동일한 DNA 밴드에 응답 지령 신호를 보낸다 하더라도 S³⁵로 표지화된 DNA 밴드는 P³²로 표지화된DNA 밴드보다 더 감도가 좋다. 그러므로 정적 시스템의 "시스템 분해능"은 고유 분해능(intrinsic resolution)에 의존할 뿐만 아니라 방출 정도에 의해 상당한 정도로 넓어진다.

본 발명에 따른 MPD 스캐너는 탁월한 S/B 로 동적 데이터 포착을 허용한다. MPD 스캐너는 시스템 분해능이 블롯이나 다른 2D 샘플 포맷 표면 상에서의 개구 움직임의 정밀도에 정비례하도록 한다. 일반적으로 콜리메이터(슬릿) 폭은 샘플의 특성 물리적 밴드 폭과 똑같은 수치를 갖는다. 고정 콜리메이터는 전체 슬릿 영역으로 들어가는 전체 신호, 즉 1mm×4mm 슬릿을 향하여 샘플의 4mm²로부터 나오는 신호를 측정한다. 시간 분해 검출기가 사용될 때는 상황이 다르다. 콜리메이터가 블롯을 지나 새로운 위치로 움직일 때는, 슬릿의 선단의 움직임에 의해 검출기 쪽으로 개방된 블롯 영역에서의 활성의 상대적인 증가 또는 감소가 측정된다. 한편, 블롯의 어떤 부분은 슬릿의 후단부에 가려지기 때문에 더 이상 노출되지 않는다. 따라서, 신호 도착 시간을 알면, 블롯을 영상화 할 때 블롯 활성과 밀리미터 미만 공간 분해능의 다른 역컨벌루션(deconvolution)을 가능하게 한다. "시스템" 공간 분해능은 스캐너 움직임의 정확도에 정비례한다; MPD 스캐너는 약 100 마이크론의 정확도를 제공할 수 있다.

x 폭으로 움직이는 슬릿을 이용할 때, 공간 분해능 dx는 (x/A) 의 크기이고, A는 min{S/B; sqrt(N)} 이다. 여기서 S/B는 신호 대 광레벨 비이고, Sqrt(N)은 N 광자가 소정의 슬릿 위치에서 검출될 때의 측정의 통계적 불확실성이다. 일반적으로, S/B 〉〉sqrt(N) 〉〉10, 그리고 dx 는 대략 0.1mm 이다. 30 keV 의 광자, 보통 I¹²⁵에 있어서, 약 200 마이크로미터 두께의 텅스텐 호일이 광자의 90% 이상을 차단한다. 따라서 "에지 효과(edge effect)" 는 분해능을 100 마이크로미터까지 제한하게 된다. 이 제한은 저 에너지 EC 동위원소에 있어서는 20 마이크로미터 정도로 낮아질 수 있다. 공초점형 현미경과 MPD 스캐너의 향상된 분해능 사이에 유사점이 있다; 공간 분해능은 개구 치수보다 양호하지만 개구 치수에 비례한다.

그러한 시스템에는 분명한 제한이 있다; 카운트 비는 급격히 감소한다. 개구의 최적 치수와 재료는 2D 분포의 응용과 활성에 의존한다. 0.2-1mm 두께의 납 필름이 바람직하다. 일반적으로, 스캐닝 TLC 판과 아가로스 겔(agarose gels) 있어서, 구멍 폭이 2mm 이고 길이가 2cm 인 슬릿 형태의 개구가 바람직하다. 일반적으로 고분해능 아크릴아미드 겔과 시퀀싱 블롯에 있어서, 1mm 의 폭과 수 mm 길이의 슬릿을 이용할 수 있다.

MPD 스캐너를 사용할 때, 공간 분해능은 대체로 0.2mm 로서 개구 치수보다 훨씬 낫다. 그러나, 이 경우는 기계적 이동장치의 각 단계에 대한 최적의 카운트 비가 계산되는 재구축 소프트웨어에 관련된다. 이 최적의 카운트 비는 2D 분포 소정 위치에서의 신호-광레벨 비에 의존한다.

따라서, 바람직한 스캔 경로는 반복적이다. 첫째로, 정밀도가 낮고 단계가 일정하고 통계학적으로 제한된, 2D 동위 원소 분포의 지도가 얻어진다. 후에 최적화된 스캔이 수행되는데, 각 지점에서의 포착 시간이 최소의 공간 분해능과 통계적 불확실성을 제한하면서 전체 스캔 시간을 최적화하도록 계산된다. 작동자는 2D 샘플의 어떤 부분을 선택하여 높은 정밀도로서 스캔할 수 있다.

MPD 스캐너의 카운트 비는 결정체의 치수에 의존한다. 최적의 형상은 두 개의 결정체가 서로 다른 직경을 갖는 형상이다. 개구가 놓인 검출기는 다른 하나보다 작아서 직경이 보통 0.75 또는 1 인치이다. 제 2 결정체는 훨씬 커서, 직경이 보통 3 이나 4 인치이다. MPD 스캐너는 치수에서 비대칭이어야 할뿐만 아니라 다른 신틸레이터의 사용에 있어서도 비대칭이어야 한다. 예를 들어, 작은 결정체가 NaI(T1) 이고 큰 결정체가 CaF₂(Eu) 일 때 신호/광레벨은 약 2배 정도로 개선될 수 있다.

MPD 스캐너용 소프트웨어: 본 발명에 따라 MPD 스캐너에 사용되는 두 검출기는 공간 분해능을 결정하는 작은 직경(0.5-1 인치)의 1차 검출기와, 동시/비동시 분석에 이용되는 2차 검출기이다. 1차 검출기의 표면은 (대체로 직사각형 슬릿 형태의) 개구가 있는 (Pb 또는 Cu로 된) 흡수 마스크로 덮여 있다. 스캔이 수행될 때, 컴퓨터로 통제되는 이동장치가 슬릿 앞의 샘플을 슬릿 폭과 같아지거나 그보다 작을 수 있는 단계로 이동시킨다. 각 단계에서 측정이 이루어지고, 따라서 프로파일이 재구축된다.

포착 로직은 다음과 같다. 1차 검출기의 신호로부터 트리거가 수행된다. 1차 검출기에서 나오는 각 펄스는 파형(광레벨 배제)과 진폭에 대한 분석이 수행된다. 2차 검출기로부터 동시에 기록된 추적 또한 분석되고, 그리고 동시/비동시 분석이 행해진다. 측정되는 동안 1차 검출기에서 배제되지 않은 모든 이벤트의 에너지 스펙트럼과 동시 이벤트의 에너지 스펙트럼이 수립된다. 샘플이 다음 위치로 이동되기 전에, 다른 동위원소에 대해 설정된 ROI에서의 카운트가 통합되고 데이터는 스캔 데이터 디스크 파일에 추가된다.

MPD 스캐너에 대한 사용자 인터페이스는 스캔 선명도와 데이터 분석 모듈을 포함한다. 스캔 선명도 모듈은 사용자가 다중 스캔을 위해 기하학적 파라미터를 기설정할 수 있도록 한다; 시작점, 스캔 길이와 단계, 또한 각 단계에서의 측정 시간(스캔에 따라 달라질 수 있다), 그리고 각 스캔에서의 사용자 기재사항. 데이터 분석 모듈은 상이한 모드에서 스캔 프로파일을 검색하는 것을 가능하게 한다(프로파일 그래프 또는 시뮬레이트된 방사선 사진). 이 모듈은 또한 사용자 희망에 따른 분석을 하도록 스프레드시트에 데이터를 보내는 것은 물론이고, 프로파일의 분석을 가능하게 한다.

고성능의 공간 분해능 스캐닝 MPD 가 기술되겠다. 많은 응용에서, 수 마이크론의 공간 분해능이 필요하다. 그러한 공간 분해능을 가진 MPD 는 많은 생체의학 연구, 예를 들어 해부학이나 세포 연구에서 상당한 발전을 가능하게 한다. MPD 의 공간 분해능은 일반적으로 100 마이크론이다. 모든 검출기의 공간 분해능은 다음과 같은 효과에 의해 제한을 받는다.

1) 방사성 동위원소의 2D 분포의 두께

2) 결정체에서의 패럴랙스 오차를 낳는 검출기의 제한된 차단력

3) 비델타(non-delta) 이동 기능을 낳는 개구에서의 제한된 차단력

4) 기계적인 변위 시스템에 오차를 두는 것

최초의 오차 소스는 종래의 광학 그리고 전자 현미경 검사에 사용되는 것과 유사한 장치를 사용함으로써 배제될 수 있다. 오류의 제 2 소스는 근접 영상을 이용하는 모든 검출기에 있어서의 불확실성을 낳는 근본적인 제한이 된다. 이것은 방사선 사진이나 형광체 영상기의 공간 분해능에의 주된 제한이 된다. 이미 언급했듯이, 베타 소스의 경우, 입자의 범위는 트리튬을 제외한 모든 소스에 대한 전형적인 검출기의 분해능을 제한한다.

명백히, 필요한 공간 분해능만큼 얇은 신틸레이터를 제조하기 위한 것이기는 하지만 매우 낮은 검출 효율을 가져오는 평범한 해결 방안이 있다.

개구로 영상화하는 사용방법은 입자 범위의 문제점을 부분적으로 배제한다. 이러한 해결 방법은 금 또는 백금 막의 차단력이 NaI(TI)보다 약 30배 높고 CaF₂(Eu)보다 100까지 높은 소프트 X-선의 경우에 특히 바람직하다. 그러나, 중금속 막, 예를 들어, 금, 백금, 텅스텐 또는 납의 경우에서도 많은 양의 27 keV 광자가 100마이크론 두께의 호일을 통과한다. 부분 투명 막에 대한 영상의 생성을 허용하는 소프트웨어는 I¹²⁵에 대해 약 50마이크론으로만 감소하는 MPD-스캐너의 공간 분해능을 향상시킨다.

더욱 향상시키기 위해, 바람직한 해결 방법은 영상 생성에 사용되는 광자 에너지를 줄이는 것이다. 이는 낮은 원자 번호, 예를 들어, Fe⁵⁶또는 Cr⁵¹을 갖는 EC 이미터에서 발견된다. 이 경우, 약 6 keV의 광자가 나타나며, 이 광자는 금막을 이용하여 10 마이크론 이상의 정밀도로 영상화될 수 있다. 또다른 대안책은 I¹²⁵및 I¹²³의 이용이다. 이 경우, L-에지 특성의 광자 (27 및 31 keV) 뿐만 아니라 4 keV K-에지 X-선이 나타난다. 결국, 보다 높은 에너지 CGX 소스에 의해 방출된 오제전자 (Auger electrons)를 사용할 수 있다.

15 keV 보다 적은 매우 소프트한 X-선의 경우, 신틸레이터는 최선의 검출기가 아니다. 적은 실리콘 검출기가 개구를 갖는 고농도 막에 의해 커버될 경우 하이브리드 MPD-스캐너를 사용할 수 있다. 제 2 검출기는 보다 높은 에너지 광자, 예를 들어, I¹²⁵의 경우 27 및 31 KeV 광자만을 검출한다. 따라서, 제 2 검출기는 상대적으로 큰 2-3인치 직경의 신틸레이터, 예를 들어 CaF₂(Eu)가 될 수 있다.

또한, 가스 검출기는 매우 낮은 에너지 X-선의 검출에 사용될 수 있다. 창이없는 가스 검출기는 막 개구를 통해 흐르는 압축 가스를 이용하여 사용될 수 있다. 이러한 막 자체는 가스 검출기 증폭 시스템의 전극으로서 사용된다.

MPD-스캐너에서 오차의 제 4 소스는 기계적 변위 시스템의 정밀도이다. 압전 기계적 변위 발생기는 서브-마이크론 분해능을 가지는 것으로 나타난다. 또한, MPD-스캐너의 기계적인 부분의 정밀도 문제는 절대적이라기보다는 상대적인 인덱싱이 요구되는 경우의 적용에서 촉진된다.

바람직한 공간 분해 MPD(SR-MPD)에 대해 설명한다. 신틸레이터를 베이스로 한 공간 분해 SR-MPD 검출기는 저가, 우수한 감도 및 양호한 공간 분해능을 특징으로 한다. SR-MPD는 합리적인 검출 효율과 최소한의 크로스토크(1%이하)를 가지고, CGX 동위원소, 예를 들어, I¹²⁵로 표시된 생물학적 물질의 50 샘플까지 동시에 양을 측정한다. 일일 샘플당 광 레벨은 약 0.3카운트이다. SR-MPD의 공간 분해능은 약 2-3mm이다. SR-MPD는 도트 블롯의 형태로 존재하거나 표준 8X12 우물형 마이크로티터 (well microtiter) 플레이트에 포함된 생물의 분석에 성공적으로 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 SR-MPD는 세 부분, 즉, 보조 검출기, 공간 분해 검출기, 데이터 포착 전자회로를 포함한다. 보조 검출기는 낮은 광 레벨 비공간 분해 PMT에 결합된 3" CaF₂(Eu) 신틸레이터를 이용한다. 보조 검출기의 성능은 검출 효율과 낮은 광 레벨 사이에서 최선의 균형을 제공하는 결정체 직경 및 두께의 선택에 의해 최대한 이용된다. 단일 샘플 MPD(낮은 광 레벨 PMT의 선택, 얇은 석영 창의 사용, 특수 포장, 전자 판독 장치의 온도 안정화, 기준 PMT 고 전압의 특정 디자인)에 대해 개시된 방법들이 이용된다. 그러한 방법들은 통상적으로 사용가능한 어셈블리와 비교하여 5배의 감소된 광 레벨을 허용한다. 공간 분해 검출기는 공간 분해 PMT (SR-PM)에 결합된 얇은 2-3" 직경 NaI(TI) 결정체를 포함한다. 바람직한 SR-MPD 장치는 Hamaatsu에 의해 제조된 3" 직경 SR-PMT를 이용하여 실행된다.

최소한의 크로스토크를 갖는 다수의 샘플을 카운트하기 위해, 약 1mm 두께의 납 마스크가 SR 검출기의 표면에 배치된다. 텅스텐, 금 또는 백금으로 이루어진 코드화된 개구 마스크는 공간 분해능의 향상을 허용한다. 예를 들어, 도트 블롯으로 배열된 샘플이 마스크 내의 개구 옆에 배치된다. 이러한 구성은 약 50 샘플 각각에 대한 단일 샘플 MPD 검출 효율의 절반까지 허용한다. 문제점 중의 하나는 비선형 SR-PMT 반응이다. 동시에 측정된 샘플의 개수를 극대화시키기 위해, SR-PMT의 외부 에지를 향해 샘플 간격이 증가하도록 샘플들이 배열될 수 있다. SR-MPD는 약 3배의 비용으로 SS-MPD보다 20배까지 높은 성능을 허용한다.

I¹²⁵에 있어서, X-선은 매우 소프트하다. 이는 평행 홀 콜리메이터를 이용할 때 영상화를 허용한다. 스캐닝 장치와 연관하여 SR-PMT의 사용은 0.2mm로 감소한 우수한 공간 분해능을 허용한다. 이는 거의 모든 분자 생물학적 적용에 적절하다. SR-PMT 기술은 매우 낮은 방사성 광 레벨 적용의 엄격한 표준에 적용될 수 있다. SR-PMT는 높은 카운팅 비의 적용 (통상적으로 100 cpm)을 위해 기존에 개발되었지만 본 발명에 따르면, SR-PMT는 0.1 cpm보다 낮은 카운트 비로 사용된다. 따라서, PMT의 방사성 광 레벨, 진동 및 전자기적 노이즈는 배제되어야 하고 공간 분해능 불균질성 및 결함이 설명되어야 한다. Hamamatsu 3" SR-PMT, 모델 R2486이 바람직하다. Hamamatsu SR-PMT의 전자 판독 시스템은 사용자에게 검출 이벤트 좌표가 계산될 수 있는 4개의 입력을 제공한다.

SR-PMT는 물리적으로, 대략 2.5" 직경 활성 영역, 즉, 양호한 공간 분해능이 달성될 수 있는 영역만을 갖는 3" 장치이다. 신호는 PMT 센터로부터 약 1.1"로철저히 나오며, PMT 센터는 X-선에 대해 신틸레이터의 광학적 광자 케스케이드의 측정된 위치에서 철저한 결함을 가져온다.??? 따라서, 2"-2.5" 직경 신틸레이터는 SR-MPD에 최적이며, 적절한 하드웨어에 의해 그리고 하기에 설명되는 반복적인 위치 계산 소프트웨어를 이용하여 양호한 공간 분해능이 달성될 수 있다. I¹²⁵에 있어서, 이 점은 제조업자의 전자 회로 및 제조업자에 의해 제시된 위치 계산 소프트웨어를 이용하여 분해될 수 있는 32 샘플과 비교하여, 49 샘플이 잘 분해될 수 있다는 것을 의미한다. 광 레벨의 관점에서, 결정체가 SR-PMT 직경보다 상당히 적다는 것은 매우 중요하다. 2" 직경 신틸레이터의 사용은 3" 결정체를 사용할 때 보다 3겹 더 낮은 광 레벨을 가져온다. 또한, 매우 얇은, 즉 SR-PMT 및 신틸레이터 결정체 사이의 0.5-2mm의 두께의 석영 커플러의 사용은 약 5겹의 PMT 글래스로부터 나온 베타 입자로 인해 광 레벨을 감소시킨다.

또다른 SR-MPD 기구는 5" 직경 Hamamatsu SR-PMT를 베이스로 한다. 공간 분해능은 Hamamatsu 3" SR-PMT에서 보다 약간 저하되며, 3" SR-PMT보다 검출기 표면마다 더 잘 분해된 픽셀을 허용한다. 5" SR-PMT는 낮은 광 레벨 장치에 대해서는 바람직하지 않다. 대기 압력으로 인한 내파에 대항하여 튜브를 지지하기 위해, 5" SR-PMT는 K⁴⁰으로 심하게 오염된 대략 6 mm 두께의 앞면 유리창을 활용하여, 비공간 분해 3" PMT에서 보다 높은 4배의 방사성 광 레벨을 유도한다. 보다 큰 SR-MPD는 바람직하게 석영으로 이루어진 5" SR-PMT를 베이스로 한다.

SR-MPD에 대한 소프트웨어: SR-MPD 데이터 포착 소프트웨어는 각 이벤트에 대해 두 개의 추적 이상으로 처리되어야 한다. Hamamatsu SR-PMT는 다음에서 신호 레프트 (SL), 신호 라이트 (SR), 신호 탑 (ST), 신호 바텀 (SB)으로 언급되는 4개의 출력을 갖는다. 이들 신호들은 SR-MPD 검출기 하드웨어에서 결합되어 총 신호, TS = SL + SR + ST + SB를 얻는다. 그리하여, 신호 포착 및 처리 소프트웨어는 6개의 신호, SL, SR, ST, SB, TS 및 비공간 분해 트리거 전자 회로부터 발생한 신호 (TR)를 분석한다. 공간 분해 검출기로부터 발생한 신호들은 보조 검출기로부터 발생한 신호들과 매우 다른 파형을 가질 수 있다. NaI(TI)로부터 발생한 신호는 CaF₂(Eu)로부터 발생한 신호보다 매우 빠르다. 소프트웨어는 이러한 이분(dichotomy)을 이용하여 광 레벨을 더욱 양호하게 배제한다.

합계 펄스 TS와 제 2 검출기로부터 발생한 펄스 TR은 진폭 및 파형에 대해 분석되어 전자 회로 및 기타 결함을 배제하는 한편, SR-PMT에서 발생한 4개의 오리지날 신호는 진폭에 대해서만 분석된다. 합계 펄스의 진폭은 대략적으로 입자 에너지에 비례하고 사용된 소스와의 양립성을 위해 전용의 하드웨어에서 분석된다. 그러나, 결정체에는 광자 충격 위치상의 신호 의존성이 있다. ?? 따라서, 이벤트 위치가 설정된 후, 총 신호의 진폭이 소프트웨어 분석되고 기설정된 에너지 ROI의 외부의 에너지로 이루어진 모든 이벤트가 배제된다. ???

결국, 하드웨어 및 소프트웨어 이벤트 분석의 다른 유형들은 광 레벨 이벤트의 95% 이상의 배제를 허용한다. 비공간 분해 MPD의 경우, 광 레벨의 메인 소스는 우주선으로 인한 전도이고 반면에, SR-MPD의 경우 광 레벨의 메인 소스는 PMT에서 전자기적 간섭과 암전류의 조합이다.

검출기의 표면에서 이벤트의 위치는 SR-PMT의 4개의 출력으로부터 계산된다. 제 1 근사치는 x₀= (SL-SR)/TS 와 y₀= (ST-SB)/TS에 의해 주어진다. 그러나, 이 근사치는 결정체의 중심에 가까운 충격을 갖는 이벤트에 대해서만 유효한 반면 에지에 대해서는 중요한 위치 결함이 존재한다. 따라서, 실제 위치가 다음 식으로부터 설정되는 반복 위치 서치 루틴이 바람직하다.

x_i= (a[x_i-1] * SL - b[x_i-1]*SR)/TS

y_i= (c[y_i-1] * ST - d[x_i-1]*SB)/TS

교정 함수 a(x), b(x), c(y), d(y)는 각 SR-PMT에 대해 실험적으로 설정되어야 한다. 불행히도, 이 함수 또한 소스 에너지에 의존한다. 데이터 포착시, 검출기의 표면에 해당하는 2D 영상이 설정된다. 데이터 포착에 따라, 마스크의 개구와 연관된 영역에서의 카운트는 각 샘플에 대한 카운트 비를 얻을 수 있도록 통합되며, 카운트 비는 교정 데이터를 이용하여 dpm으로 변환된다.

개구 및 검출 효율, 그리고 각 개구에 대한 광 레벨 값에 해당하는 영상 부분은 알려진 활성 샘플을 개구속에 위치시키고, 영상을 포착하고, 영상을 분석하여 장치의 교정시 결정된다. 소프트웨어 마스크 구조는 똑바로향하는 피크 검출 루틴을 이용하는 소프트웨어에 의해 자동으로 수행된다.

MPD 영상기에 대해 설명된다. 신틸레이터를 베이스로 한 MPD 영상기는 저가, 우수한 감도, 고성능 및 밀리미터 미만의 공간 분해능을 특징으로 한다. MPD 영상기는 분류된 생물학적 물질 예를 들어 크로마토그래픽 출력 및 DNA 시퀀싱 젤 및 블롯의 양의 측정을 위해 사용될 수 있다. MPD 영상기의 공간 분해능은 0.2 mm에 이르거나 초과할 수 있다.

MPD 영상기는 밀리미터 미만의 분해능을 허용하며, 분류 출력, 예를 들어, 시퀀싱 젤 또는 크로마토그래픽 플레이트의 양의 측정에 적절하다. 이 장치에서, SR-MPD는 높은 정밀도의 2D 이동장치와 결합된다. 다중 개구 패턴을 이용하여 높은 분해능이 얻어지며, 각 이벤트가 공간 ROI에 할당되고 이동장치의 위치 인식으로부터 재 구축된다. MPD 영상기는 분자 생태에서 많이 사용되는 인 영상기보다 훨씬 민감하고 빠르다. DNA 시퀀싱 블롯은 MPD 영상기를 이용하여 양이 측정되고, 도트/바 패턴은 적은 젭토몰 레벨에서 공간적으로 분해된다.

바람직한 MPD 영상기는 다음의 서브시스템을 포함한다.

.3" 공간 분해 PMT를 갖는 2.5" NaI(TI) 신틸레이터;

.낮은 방사성 광 레벨 PMT 판독을 갖는 3" CaF₂(eu) 신틸레이터;

.코드화된 개구/분리기/차폐 서브시스템;

.약 100 마이크론의 상대적인 이동 정밀도를 갖는 2D 이동장치 시스템;

.3 DSO 58 카드를 포함하는 전자 판독 장치;

.데이터 포착/분석 서브시스템 (예를 들어, 펜티엄 90MHz).

MPD 영상기는 우수한 S/B로 정보의 다이내믹 포착을 허용한다. MPD 영상기는 시스템 분해능이 블롯의 표면에서 개구 움직임의 정밀도와 직접적으로 비례하도록 한다. 통상적으로, 콜리메이터 (슬릿) 폭은 DNA 대역의 물리적 폭과 대략 동일한 크기이다. 고정 콜리메이터는 전체 슬릿 영역에서 나온 총 신호, 예를 들어 1 mm x 4 mm 슬릿에 대한 블롯의 4 mm²로부터 발생한 신호를 측정한다. 시간 분해 검출기가 사용될 때 상황은 다르다. 콜리메이터가 블롯을 가로질러 새로운 위치로 이동함에 따라 콜리메이터는 슬릿의 앞면 에지의 움직임에 의해 검출기에 오픈된 블록 영역에서 활성의 상대적인 증가 또는 감소를 측정한다. 반면에, 블롯의 일부분은 슬릿의 뒷면 에지에 의해 차폐되므로 더 이상 노출되지 않는다. 따라서, 신호 도착 시간의 인식은 블롯을 영상화할 때 블롯 활성의 다른 역컨벌루션과 밀리미터 미만의 공간 분해능을 허용한다. "시스템" 공간 분해능은 스캐너의 움직임의 정확성에 직접적으로 비례하며, MPD 영상기는 약 100 마이크론의 정확성을 갖는다.

MPD 영상기의 고유의 분해능에 대해서 논의한다. 이 파라미터는 MPD 영상기와 인 영상기의 비교를 가능하게 하는 일련의 정의된 패턴을 발생하도록 HP 잉크젯 프린터에서 방사성 잉크를 이용하여 측정 될 수 있다. cm²당 10 picoCurie의 상대적으로 낮은 표면 활성이 사용되었다. 테스트 패턴은 동일하게 배치된 3 mm, 2 mm, 1 mm의 수평 바로 구성되었고 바의 간격은 바의 폭과 같다. 상기 패턴과 그 영상이 MPD 영상기와 분자 다이내믹 브랜드 인 영상기로 얻어졌다. 48시간 노출 후, 광 레벨이 매우 높았지만 인 영상기는 3 mm 패턴을 검출했다. 인 영상기는 2 mm 패턴만을 부분적으로 분해하고 1 mm 패턴은 측정 불가능하다. 이와 대조적으로, MPD 영상기는 약 10의 S/B로 1 mm 패턴도 분명하게 분해했다. 또한, 0.5 mm 패턴은 분해되기는 하지만 보다 긴 시간을 필요로 한다.

MPD 영상기의 소프트웨어: MPD 영상기는 SR-MPD의 기능과 MPD 스캐너의 기능을 결합한다. 제 1 (SR) 검출기 상의 마스크는 영상기의 공간 분해능을 정의하는 개구의 어레이를 갖는다. 2D 샘플은 컴퓨터 제어된 이동장치에 위치되며, 상기 이동장치는 샘플을 측정 위치에 순차적으로 위치시킨다. 각 위치에서, 기설정 시간 동안 (SR-MPD에 대한 것과 동일한 포착 논리를 이용하여) 카운팅이 수행된다. 모든 개구에 대한 카운트 비가 구해져서 디스크 파일에 저장된다.

스캔에 따라, 영상은 카운팅 데이터로부터 재구축된다. 분해능 정의 개구 패턴은 연속적인 영상을 얻기 위해 픽셀이 X 및 Y 치수에 삽입되어야 하는 방식으로 이루어진다. 패턴은 반드시 직사각형으로 이루어질 필요는 없지만 상기 삽입을 허용해야 한다. 각각의 가능한 분해능 마스크를 위해, 시스템은 영상 표면에 대한 개구의 매핑을 정의하는 소프트웨어 마스크를 포함하는 별도의 교정 파일을 갖는다. 마스크는 교정시 소프트웨어에 의해 자동으로 구축된다.

사용자 인터페이스는 직사각형 면적을 선택하는 것을 스캐닝할수 있도록 하며 각 픽셀에 대한 카운팅 시간을 미리 설정하는 것을 허용한다. 데이터 분석 모듈은 카운팅 데이터로부터 영상을 재구축하며, 잘못된 색상, 회색 음영부, 윤곽 맵의 영상을 시각적으로 구체화시키거나 또는 3D 표면으로 영상을 시각적으로 구체화시키고, 기타 영상 처리 프로그램에 의한 분석을 위해 다수의 표준 포맷에 영상을 저장시키는 것을 허용한다.

대형 MPD 영상기에 대해 논의한다. 대형 MPD 영상기에 있어서, 시스템의 공간 분해 부는 대형 2D 분류 출력을 위한 보다 높은 성능을 가능하도록 처리된다. MPD 영상기의 상거래 가격은 10^-19몰 레벨에서 2D 젤 및 블롯을 하룻밤동안 분석하기에 충분한 성능의 제공에 따라 달라진다. 이를 달성하기 위해, 큰 면적, 즉, 12인치 x 8인치의 MPD 영상기를 사용할 수 있다.

대형 MPD 영상기에 사용될 수 있는 세가지 유형의 대형 공간 분해 감마 검출기는 하나 또는 몇가지의 SR-PMT를 이용하는 검출기, 오제 카메라 구성에서 적은 직경의 수십개의 PMT를 이용하는 검출기, 마이크로채널 플레이트와 CCD 영상기를 이용하는 검출기이다. 바람직한 새로운 신틸레이터, 즉 세륨으로 도핑된 이트륨 알루미늄 페로브스키트 (Yttrium Aluminum Perovskite) (YAP(Ce))의 사용은 매우 양호한 공간 분해능과 예외적으로 낮은 광 레벨을 갖는 대형 MPD 영상기를 허용한다.

대형 MPD 영상기의 이점은 다음과 같다.

1) 다수의 생물학적 역할(tasks)에서 젭토몰 감도를 허용하는 최하위의 가능성 있는 방사성 광 레벨;

2) 방사성의 매우 낮은 레벨을 갖는 샘플에서도 높은 성능을 허용하는 기계의 사용;

3) 생물학적 역할을 용이하게 하는 소프트웨어를 갖는 저가의 사용자 친숙 장치.

본 발명에 따른 대형 MPD 영상기의 한가지 실행에서, 단일 컴퓨터는4개의 공간 분해 서브-유니트의 동시 및 좌표 동작을 제어한다. 이는 픽셀당 분당 소수의 카운트에 대해 초당 수십개 사이의 카운트 비에서 의도된 적용에서 상대적으로 낮은 카운트 비에 의해 가능하게 된다. 펄스 파형 분석은 약 100 마이크로초가 걸리고 약 10 마이크로초로 줄일 수 있다. 여러 검출기에서의 이벤트의 축적으로 인한 손실은 충분히 설명될 수 있다.

다중 검출기 기구에서 검출기의 개수는 DSO 58 버스 성능, 제어 마이크로프로세서의 스피드를 포함하는 펄스 파형 분석 시간, 가능한 버스 슬롯의 개수, 가격 대가에 의해 제한된다. 4 검출기 MPD는 예를 들어, 전탑형 구성 (full-tower configuration) 및 12 버스 슬롯을 갖는 마더보드의 펜티엄 120 MHz상에서 인터페이스될 수 있다. 4개의 SR-PMT는 단일 컴퓨터에서 멀티플렉스될 수 있다.

몇가지의 SR-PMT를 베이스로 한 대형 MPD 영상기: 이러한 바람직한 실시예는 다음과 같이 4개의 모듈을 갖는다.

* 보조 검출기;

* 4개의 서브-어셈블리로 조립된 공간 분해 검출기;

* 기계 이동 장치 어셈블리;

* 데이터 포착 및 처리 유니트.

보조 검출기는 다수의 선택된 낮은 광 레벨 PMT와 결합된 CaF₂(Eu) 신틸레이터를 기본으로 한다. 바람직한 보조 검출기 모듈은 다음과 같다. 첫째, 대형, 즉 8"x 8" 결정체가 적절한 광 가이드에 의해 6"PMT에 결합된다. 이는 가장 간편하고 가장 낮은 비용의 실행이지만, 다소 큰 장치를 야기한다. 둘째, 단일 CaF₂(Eu) 신틸레이터는 PMT 어레이에 결합된다. 예를 들어, 9"x9"신틸레이터 9개의 정합 3" PMT 어레이에 결합될 수 있다. 셋째, 8"x8" 결정체가 16개의 정합 2" PMT 어레이에 결합된다. 모든 PMT의 출력은 합산되고 펄스 높이와 펄스 파형은 DSO 58을 포함하는 낮은 노이즈 전자 회로에 의해 분석된다. 적절한 진폭의 펄스는 공간 분해 검출기로부터 데이터를 포착하고 분석하기 위한 트리거로서 사용될 수 있다.

전자 회로를 제공하는 "정합" PMT를 사용하는 것은 바람직하다. 일정한 에너지 입자에 의해 시뮬레이트될 때, 펄스의 진폭 및 파형은 필수적으로 동일해야 한다. 예를 들어, 일시적인 지연은 100nsec 내로 동일해야 하고, 진폭은 10%내로 동일해야 하고 펄스의 진폭은 거의 동일해야 한다. 정합 PMT에 대한 조건을 해결하기 위해, 트리거 검출기는 4개의 서브-어셈블리로 구성될 수 있고 4개의 서브-어셈블리 각각은 단일의 4"PMT와 결합된 4"x4" CaF₂(Eu) 결정체로 구축된다.

바람직하게는, PMT는 정방형이거나 6각형이지만, 원주형의 PMT가 적절한 아크릴 도파관을 이용하여 광 커플링으로 사용될 수 있다. 4개의 4"x4" 검출기의 모자이크의 경우, PMT의 어려운 정합 대신, 보다 간단한 컴퓨터 교정이 사용될 수 있다. 그러나, 신틸레이션 검출기의 불균질성은 항상 신틸레이터의 경계에 크게 근접한다, 즉, 모자이크 트리거 검출기는 다소 낮은 검출 효율 및 낮은 에너지 분해능을 가질 수 있으며, 광 레벨에 부정적으로 영향을 미친다.

NaI(TI)는 신틸레이터 중에서 양호한 차단력 및 최선의 에너지 분해능을 위해 사용될 수 있다. 바람직한 대형 면적 공간 분해 검출기 모듈은 8"x6" 활성 면적을 사용하여 전형적인 시퀀싱 젤의 전표면을 영상화시킨다. 바람직한 모자이크 SR-검출기는 보다 적은 4개의 SR-PMT를 사용한다. 검출기 어셈블리는 4개의 공간 분해 검출기 모듈을 포함하며, 4개의 공간 분해 검출기 모듈 각각은 Hamamatsu 정방형 SR-PMT에 의해 판독된 4"x3" NaI(TI) 결정체로 구축된다. 정방형 SR-PMT는 2-3mm의 공간 분해능이 예상되는 60x55 mm의 활성 면적을 갖는다. 정방형의 3" SR-PMT는 표면의 보다 양호한 피복성을 허용하므로 둥근 모양의 3" SR-PMT보다는 정방형이 바람직하다. 정방형 및 둥근 모양의 3" SR-PMT의 전자 회로 및 영상 특성은 거의 동일하며, 둘다 기본적으로 동일한 전자 회로와 소프트웨어를 사용할 수 있다.

제어 컴퓨터에서 가능한 슬롯을 절약하기 위해, 단일 SR-PMT용의 모든 전자회로가 단일 카드에 바람직하게 위치된다. 대형 MPD 영상기는 공간을 절약하기 위해 전자 회로 카드의 수를 줄이는 멀티플렉싱을 사용하고, 열-로드 (heat-load) 문제점의 처리를 용이하게 하고, 장치의 비용을 줄인다.

단일 펜티엄 120 Mhz의 사용은 단일의 표준형 카드가 두 개의 검출기 즉, 4개의 채널에 대한 신호 조정 및 동시발생 회로를 포함한다는 것이 추정된다. DSO 58은 카드 마다 두 개의 채널을 특징으로 하므로 12개의 슬롯 마더보드도 충분한 ISA 슬롯이 부족하다. 바람직한 DSO 카드 58은 각각 50 MHZ의 4개의 채널을 가지며, 열 손실을 상당히 감소시키기 위해 CMOS 소자를 기본으로 한다. DSO의 4개의 채널은 PCI 버스를 갖는 단일의 표준형 카드에 끼워진다.

소프트웨어용 플래그를 제공하는 8개의 문턱으로 전자를 멀티플렉싱하는 것이 바람직하다. 각 검출기에는 카운팅을 동시에 수행하는 것과 동시에 수행하지 않는 것을 허용하는 별도의 지연 및 일치 회로가 있다. 한 세트의 40 플래그 (합 신호에 대한 4개의 일치 신호와 4개의 문턱으로 이루어진 각 SR-PMT에 대한 8개의 문턱으로부터의 출력)가 온라인 이벤트 재구축을 허용하는 컴퓨터에 전달된다. 모든 SR-PMT로부터 발생한 신호는 합산되고 그 출력은 3 DSO에 입력된다. 이는 현재의 소프트웨어를 이용하여 펄스 파형 분석을 허용한다. 4채널 DSO의 이용가능성으로 4개의 SR-PMT로부터의 정보를 처리할 수 있도록 3개의 카드만이 필요하다. 두 개의 SR-PMT로부터 발생한 데이터를 처리하기 위한 극성 인코딩을 이용하여 SR-PMT (모두 4개의 출력의 합)와 비공간 분해 PMT에서 펄스 진폭에 관한 정보를 처리할 수 있도록 두 개의 4-채널 DSO 카드만이 필요하다.

열 로드를 관리하기 위해, 소수의 팬 카드가 DSO 카드와 SCPC 카드 사이에 배치될 수 있다. 일일 광 레벨당 일일 카운트를 보여주는 장치의 경우에 팬 카드(카드당 2개의 AC 모터)로부터의 전자기적 간섭 요청은 매우 어렵지만 전자기적 차폐는 적절하다. Peltier 효과 (AC 전류가 없는)에 근거한 냉각 요소는 다소 어려운 해결 방법을 제공한다.

검출기 유니트 사이의 비활성 영역을 참작하여 소프트웨어는 바람직하게 "박층이 없는(seamless)" 영상 재구축을 허용하며, Intel P6 프로세서에 의거한 컴퓨터의 사용과 일치시킨다.

몇가지의 SR-PMT를 베이스로 한 검출기를 멀티플렉싱하고 큰 면적의 검출기를 조립하는 것은 보다 빠른 펄스 파형 분석을 필요로 한다. 단일 검출기 시스템에서는, 긴 전달 시간 (200 마이크로초/펄스)을 갖는 DSO가 적당하다. 대형 MPD 영상기는 보다 빠른 컴퓨터 인터페이스를 갖는 DSO를 사용한다. 이러한 이점을 충분히 활용하는 것은 빠른 드라이버와 가속 펄스 처리를 필요로 한다. 따라서, 펄스 파형 배제 논리는 모든 PMT로부터의 추가 정보를 고려하고 테스트 순서를 변화시켜 다중화된 시스템에 최대한 이용된다. 펄스 파형 분석 코드의 또다른 이용은 매우 효율적인 고유의 펜티엄 및 P6 인스트럭션을 이용하여 달성된다.

MPD는 매우 적은 양의 레디오레이블(radiolabel)의 양 측정 및 영상화를 위한 것이므로, 바람직하지 않은 신호 대 광레벨 비율 (S/B) 및 상당한 불확실성을 갖는 소스로부터 발생된 데이터의 통계학적 분석은 정확한 데이터 해석에 중요하다. 따라서, MPD 영상기는 영상 강화 및 인식을 위해 소프트웨어의 통계학적 분석 기능 및 루틴을 포함한다. 소프트웨어의 통계학적 분석 루틴은 시뮬레이트된 신경 네트워크 및 메모리 메트릭스의 반복적인 사용과 같은 AI 기술을 토대로 한다.

시간 지연 기술을 근거로 한 대형 MPD 영상기: 대형 MPD 영상기의 일부 제한은 사용된 SR-PMT에 관한 것으로서, K⁴⁰으로 이루어진 Hamamatsu 튜브의 오염으로 인한 높은 방사성 광 레벨 및 4개의 별도 SR-PMT 사이의 대규모의 데드 존 (dead zone)으로 인한 교정의 어려움을 갖는 SR-PMT에 관한 것이다.

오제 카메라는 단일의 대형 NaI(TI) 결정체의 표면이 많은 광전자증배기(photomultipliers)로 분포된 인기있는 종류의 대형 감마 검출기이다. 광자가 결정체에 흡수될 때, 빛은 몇몇 PMT사이에서 공유된다. 광 펄스의 중력의 중심은 가장 큰 신호를 갖는 4개의 PMT를 찾고 그 신호 진폭의 비율로부터 발생한 이벤트를 재구축하여 설정된다. 공간 분해능은 결정체 두께, 광 수율 및 사용된 PMT의 개수에 의해 제한된다. 전형적인 오제 카메라 파라미터는 다음과 같다.

NaI(TI) 결정체 두께 = 0.5 인치, PMT의 수 = 36-64; 고유의 공간 분해능 = 2-3mm.

I¹²⁵에 있어서, 결정체 두께는 1.5 mm로 감소 될 수 있고, 1mm로 감소된 공간 분해능을 향상시킨다. 가장 간편한 실행에 있어서, ADC의 개수는 PMT의 개수, 즉, 24개의 2" PMT와 동일하다. 본 발명의 이러한 관점에 따라 좀더 복잡한 구성이 이루어져, 다수의 문턱이 사용되지만 8개의 ADC 채널만이 필요하다. 오제 카메라를 베이스로 한 MPD 영상기는 바람직하지만 필요한 전자 회로는 복잡하고 다수의 채널로 인해 펄스 파형 분석은 수행하기 어렵다.

또다른 실시예는 광자 위치를 재구축하기 위한 펄스 지연 기술 및 DSO와 새로운 신틸레이터 물질, 즉, Ce로 활성화된 이트륨 알루미늄 페로브스키트 (YAP(Ce)를 이용하는 고성능의 공간 분해 감마 검출기에 관한 것이다. 고성능의 공간 분해 감마 검출기는 높은 광 수율 (NaI(TI)의 약 50%)을 제공하며 NaI(TI)보다 약 5배 빠르다.

멀티채널 방식이고, 속도가 빠르며 메모리가 큰, 인텔 펜티엄이나 P6와 호환 가능한 DSO 카드 또한 사용할 수 있는 바, 이러한 것으로는 게이지사(Gage Inc.)에서 나온 두 채널 방식의 32kb 메모리를 가진 150MHz/채널의 것이 있다.

저감쇄 아날로그 지연 요소(Low attenuation analog delay elements)는 이미 1억분의 몇초내지는 1백만분의 몇초 정도 시간을 지연함으로써 가능하다. 삼각형의 YAP펄스를 이용하여 10PMT까지의 출력을 단일 채널 DSO로 수치화하는 것이 가능하다. 그러므로, 두 개의 DSO 카드가 40 PMT까지의 출력을 엔코드(encode)하게 됨으로써 신뢰도가 향상되며, 8비트의 정량화(quantitation)을 이루게 된다. 네 개의 근접한 PMT가 다른 DSO 채널에 따라 각각 엔코드 되는 경우에는 모듈로 포 엔코딩(modulo four encoding)을 사용할 수 있다. 따라서, 크기가 작고 비교적 가격이 저렴한 앵거 카메라(Anger camera)가 가능해진다.

MPD-영상기(Imager)에 대해 YAP 신틸레이터를 사용함으로써 신호펄스가 50nsec 정도 지속된다. 계속 지연시킴으로써 단일 DSO 입력신호에 다수개의 PMT신호를 중첩시키는 것이 가능해진다. 4열의 PMT에서 0, 100, 200, 300, 400, 500의 연장 시간에 나오는 각각의 출력을 합하는 것이 바람직하다. 이러한 펄스트레인(pulse train)은 DSO 입력채널과 시스템의 모든 DSO에 대한 트리거(trigger)를 만드는 트리거카드(SCPC)에 전달된다. 2차 검출기에 의해 같은 크기 (12＂x 8＂)의 a NaI(Tl) 결정체가 네 개의 3＂PMT에 의해 판독된다. 이러한 PMT의 출력신호는 합쳐져서 이벤트(event)의 일치여부를 가리기 위해 사용된다. 더불어, 이러한 펄스는 백그라운드의 방출을 위해 그 형상이 분석된다. 모든 문턱과, 디지탈 딜레이(digital delay)와, 이득은 SCPC를 통해 소프트웨어 콘트롤(software control)된다.

방사능 백그라운드에 문제가 발생하는 것을 피하기 위해 대용량 MPD-영상기는 방사능 백그라운드, 검출효율, 에너지 분해능, 포토캐소드의 균일성, 암 전류(dark current), 장기 안정성을 기준으로 엄선된 PMT를 사용한다. 적합한 광전자 증배관은 EMI에서 나온 1inch 또는 2inch 짜리 육각형 PMI를 포함한다. 12 x 8 inch MPD-영상기는 중심간의 거리가 2inch 인 육각 격자형으로 이루어지고 어레이(array)가 8 x 5 인 PMT로 이루어지는 것이 바람직하다. 2inch PMT는 전자가 훨씬 단순하고 두 개의 DSO 카드만을 필요로 하기 때문에 가격이 저렴하다. 반면에, 1inch PMT는 공간 분해능이 약간 우수하며, 백그라운드가 2배정도 낮다. 대용량 MPD-영상기는 획득된 데이터(dedicated data acquisition)와 처리 소프트웨어(processing software)를 사용하는 것이 바람직하다. 몇몇 PMT에서 나오는 신호는 딜레이 라인(delay lines)을 통해 엔코드되며, 하나의 DSO 채널에 중첩된다. acquisition software는 적합한 펄스형태방출과 베이스라인 저장과정을 통해 펄스연결을 진행한다.

신호와, 트레인(train)내의 펄스가 단일 이벤트에 따르는 지를 지속적으로 분석하는 것 사이에서의 지속적인 지연시간에 의해 이러한 작업이 단순화 되더라도, 몇몇 디콘보레이션(deconvolation)이 필요할 경우도 있다.

다중 PMT로 부터의 정보를 기초로 한 각 이벤트(event)의 좌표계산은 신속하고 정확하게 이루어져야 한다. 검출영역이 큰 검출기에서는 비획일성(non-uniformities)이 불가피하기 때문에 이러한 것을 상쇄할 뿐만 아니라 보다 많은 양의 데이터를 저장하고 처리하기 위해 특별공급이 이루어진다.

펄스진행, 스펙트럼 분석, 이미지 재구성은 다른 형태의 단일 검출기 SR-MPD 시스템에도 적용된다.

순차 샘플 MPD 장치(sequential sample MPD device): 상기 ssMPD는 12번째 샘플로서, 광자배출 동위원소에 의해 1분당 배출되는 카운트를 측정하고 디스인티그레이션을 계산하기 위해 사용 가능함과 동시에 I¹²⁵를 포함하는 벤치-탑 레이디에이션 카운터(bench-top radiation counter)이다.

12 x 75 x 13 x 100mm의 샘플 튜브에 0.05에서 2.0mls의 부피로 내장된 디스인티그레이션은 1에서 10⁶dpms의 범위에서 측정된다. 상기 샘플 튜브는 검출실이 오염되는 것을 막기위해 덮어씌워진다.

도 6은 ssMPD의 레이아웃을 나타낸다. 튜브홀더(70)는 납 차폐물(72) 위의 수평튜브 드라이브(71)에 설치된다. 각각 신틸레이터(74)와 PMT(75)와 베이스 전자회로(76)를 포함하는 두 개의 검출기(73)는 분리기(77)에 접하여 설치된다. 각 샘플튜브(미도시)는 교대로 수직 튜브리프트(78)에 의해 상하 이동하게 된다. 상기 검출기와 기계장치들은 프레임(79)에 의해 지지되며 장치전체는 케이스(80)에 내장된다.

검출기 어셈블리는 각각 분해능이 높은 평면 광전자 중배관에 연결된 두 개의 신틸레이터 결정체를 구비한 트윈 검출기 시스템으로 이루어진다. 상기 검출기 어셈블리는 주위의 백그라운드를 최소화하기 위하여 납과 주석 및 구리 재질의 합성 케이스에 내장된다. 감마 방출기의 효과적인 카운팅 외에도 샘플홀더는 트윈 신틸레이터 검출기 어셈블리 내에서 크로스토크를 줄이는 분리기 역할도 한다.

검출기 어셈블리는 전자, 윈도우^TM용 데이터 운반 소프트웨어를 읽는 ssMPD 전자 판독 장치 및 선택적으로 프린터와 같이 형성된 개인용 컴퓨터(PC)에 직접적으로 연결된다. 소프트웨어는 샘플수, 샘플 위치, 카운트 타임, 분당 측정된 카운트, 분당 계산된 붕괴 및 통계적 불확실성에 대한 각각의 샘플용으로 출력프린터 또는 파일 및 일반 리포트 헤더(report header) 출력된다. 부가적으로, 소프트 웨어는 다양한 통상의 데이타 분석과 시험 분석 소프트웨어 패키지에 대한 데이터 수출(data export)을 지원한다.

¹²⁵I에 있어서, 에너지의 특정한 영역과 검출 효율은 교정 과정이 수행되는 동안에 자동적으로 이루어진다. 다른 동위 원소에 대해서, 카운팅은 제한된 에너지와 펄스 형태의 차이(즉, 보다 높은 광레벨)를 갖고 수행되며, 완벽한 검출 효율이 알려져 있지는 않다. 비(non)-¹²⁵I 샘플의 완벽한 활성이 요구될 경우에는, 운전자는 해당 동위원소의 교정된 공급원을 포착할 수도 있으며, 이러한 동위원소에 대한 ssMPD의 검출 효율을 갖게 된다.

ssMPD 시스템은 감마-X-선 방사 검출기로서 광전 배증관을 갖는 한쌍의 신틸레이터를 채용하고 있다. 판독 전자 회로와 소프트웨어는 각각의 PMT로부터의 신호를 증폭하고 형성하며, 그 모양을 분석하고 이후 펄스 높이의 분석을 위해 조합된 에너지 스펙트럼을 만들어낸다.

ssMPD 검출기의 외부 차폐는 주위의 공기에 대한 방사능의 효과를 최소화 하며; 따라서, 비방사적인 광레벨 대부분의 성분은 PMTs내의 암펄스가 된다. 이러한 펄스의 모양은 검출기내의 신틸레이션에 의해 발생된 펄스와는 크게 다르고, PMT 암펄스 뿐만이 아니라 전자기 변화 결함의 대부분은 제거된다. 펄스 모양에 근거한 제거 반응후에, 시스템내의 광레벨은 15-100 keV 범위의 에너지에 대해 거의 균일하고 매우 안정적이며, (ssMPD 차폐를 관통할 수 있는 강한 감마 방사선을 제외하고) 검출기에 인접한 활성에 독립적이다.

소정의 동위 원소에 대한 적절한 에너지 영역에서의 제거되지 않은 카운트는 카운트비를 결정할 수 있도록 적분된다. 샘플(분 또는 dpm 당 붕괴)에서 실질적 활성으로 카운드 비(분 또는 cpm 당 카운트)를 변환 하는 것은 특정한 식별용 방사성 동위 원소에 대한 카운터의 검출 효율(DE)의 지식을 필요로한다.

2개의 검출기 각각에 대한 DE는 시스템 완전성을 시험과; 샘플 홀더의 오조정을 정정을 교정 샘플의 실질적인 활성 평가에 대한 2가지 평가를 비교함으로서 ssMPD의 측정 및 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

ssMPD 감도(검출 한계)의 직접적인 인디케이터는 -검출기의 광레벨에 대해 동일한 카운트비를 발생시키는 공급원의 활성으로서 정의되는- 자체 광레벨의 동일한 활성(BEA)이 된다. 이러한 형상은 광레벨과 ssMPD의 검출효율에 대한 장점을 갖는다. ssMPD에 대한 광레벨에 상당하는 활동은 2 피코규리, 또는^125II의 1아토몰인 반면에, 유사한 검출 효율(DE 50%)과 방사성 광레벨(BKG 2cpm)을 상당히 낮출수 있다.

ssMPD의 광레벨 제거 테크닉은 1-10⁶cpm(6 logs 다이내믹 레인지)까지의 신뢰성있는 양을 허용한다. 상기 -10⁶cpm 비선형도는 검출기내의 펄스 연쇄 충돌에 의해 야기된다. 비록 응답이 이 범위내에서 선형적이 아닐지라도, ssMPD 포착 시스템의 데드 타임은 연장이 불가능하여, 카운팅이 수행될 수 있고 연쇄 충돌에 대한 결과가 정정되게 된다.

또다른 벤치탑(benchtop)의 실시예로서는 샘플 선반으로부터 선택된 샘플을 집어내고, 그 샘플을 다른 홀더내에 배치시키며 카운팅이 끝났을때 샘플을 제거하여 원위치시키는 집기 및 배치 로봇을 사용한다. 벤치탑 실시예 모두에서는, 교환 기계가 데이터 처리 장치와에 연결되어 샘플 카운트 시간이 최적화될 수 있도록 한다.

종합하면, 본 발명의 다수의 광자를 함유한 검출기는 여러 가지 잇점을 제공할 수 있다는 것을 알수 있다. 이는 낮은 광레벨과 고감도, 고검출 효율, 고에너지 분해능, 뛰어난 재생성과 안정성, 저비용 및 소형을 포함한다.

본 발명의 설명이 여러 가지 특정한 세부사항을 포함하고 있음에도 불구하고, 이는 본 발명의 범위를 제한한다기 보다는 바람직한 구체예의 실시예라고 여겨져야만 될 것이다. 본 발명의 범위는 기술되고 예시된 구체예에 의해서 뿐만이 아니라 청구의 범위 및 그 동등물과 같이 넓게 이해되어져야만 할 것이다.

Claims (53)

1. (a) 샘플이 검출기 사이에 있는 샘플 홀더내에 놓일 때 샘플내의 방사성 동위원소로부터의 방출을 검출하기 위한, 그리고 상기 방출을 전기 출력 펄스로 변환시키기 위한 마주보고 있는 감마/X 선 검출기를 포함하는 검출 어셈블리, 그리고

   (b) 상기 검출기에 연결되어 작동되고, 출력 펄스를 분석하여 소정의 수락 기준(accep과 비교하고, 소정의 수락 기준을 만족하지 않는 펄스를 배제하고 수락 기준을 만족하는 출력 펄스를 카운팅하고, 상기 카운팅은 동시 및 비동시 방출에 해당하는 펄스에 대해서 개별적으로 행해지는 펄스 파형 분석기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 샘플내의 방사성 동위원소를 검출하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 검출 어셈블리는 적어도 두 개의 마주보고 있는 검출기를 포함하고, 그 중 적어도 하나는 방사성 동위원소로부터의 광자 방출과 충돌될 때 신호를 발생시키는 얇은 무기성 신틸레이터 결정과; 상기 신틸레이터 사이에 놓인 세퍼레이터와; 상기 신틸레이터를 외부 방사와 격리시키는 차폐 어레이(a shield array)와; 그리고 신틸레이터에서 나온 신호를 증폭시키기 위한 광센서를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 신틸레이터는 NaI(Tl), CsI(Tl), CaF₂(Eu), 그리고 YAP로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 신틸레이터는 약 0.5 인치 미만의 두께를 가진 동일한 CaF₂(Eu)인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 광센서는 약 10 pCi 미만의 방사능을 갖도록 선택된 저방사성 재료로 만들어진 광전자 증배관인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   광전자 증배기의 직경은 약 2 인치 내지 약 3 인치이고, 신틸레이션 결정체의 직경은 광전자 증배관의 직경보다 약 7% 내지 25% 더 적은 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 2 항에 있어서,

   저방사성 광레벨 광학적 투명 창은 신틸레이터 및 광센서 사이에 놓인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 창는 석영 또는 고밀도(> 4 g/cc)이고 높은 원자 번호(약 50 보다 큰)의 광학적 투명 재료를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 창은 고순도의 GeO₂또는 게르마늄이 기본인 유리와, 납, PbF₂가 기본인 고밀도 유리와, 도핑되지 않은 비스무트 게르마나이트(BGO)로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 만들어지고, 그리고 상기 창는 신틸레이터와 PMT의 광학 특성과 잘 정합하는 광학적 그리스(an optical grease)를 갖는 광센서에 광학적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 신틸레이터 및 광전자 증배관은 불투명 플라스틱 테이프로 적어도 연속 삼 층으로 싸인 다음 얇은 금속 테이프로 싸인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 금속 테이프는 고도자율을 가진 특수 금속 테이프를 포함하고, 상기 어셈블리는 몇 개 층의 구리 테이프로 싸인 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 검출 어셈블리는 구성성분 중 적어도 하나가 약 61 보다 큰 원자 번호를 갖는 금속, 또는 약 5 g/cc보다 큰 밀도를 갖는 금속 화합물인 차폐물내에 놓이고, 상기 차폐물 재료는 방사성 광레벨이 약 10 pCi/g 미만이 되도록 선택된 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 샘플 홀더는 약 12 x 13 mm와 약 75 x 100 mm 사이의 치수를 갖는 플라스틱 접시인 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 1 항에 있어서,

    양쪽 검출기는 모두 약 5 g/cm²미만의 두께를 갖는 반도체 검출기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제 1 항에 있어서,

    양쪽 검출기는 모두 가스 검출기이고, 그 중 하나는 공간 분해 검출기인 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 샘플 홀더는 캡슐화된 샘플 지점을 포함하고, 샘플 홀더가 X 선의 무시될 만한 양을 흡수하고 검출기를 오염시키지 않을 정도로 충분히 얇고, 충분히 낮은 밀도/충분히 낮은 원자 번호의 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 샘플 지점은 약 0.1 pCi/cm²미만의 매우 낮은 방사성 광레벨와 낮은 원자 번호를 갖는 재료의 얇은 층으로 캡슐화된 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 캡슐화 재료는 스프레이, 래커, 아크릴성 페인트, 실리콘 페인트, 그리고 GE 베르니스(GE vernis)로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 샘플은 약 1 mm 보다 얇은 베릴리움 필름, 약 0.5 mm 보다 얇은 플라스틱 필름, 그리고 0.2 mm 보다 얇은 알루미늄 필름으로 이루어진 군으로부터 선택된 박막으로 만든 캡슐화 주머니내의 단단한 평판 시트에 부착된 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제 2 항에 있어서,

    스캐닝을 위한 것으로, 신틸레이션 검출기 중 하나는 다른 것보다 실질적으로 더 작고, 상기 작은 검출기의 앞에 놓인 작은 개구를 갖는 고밀도/높은 원자 번호의 중금속 박막을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제 20항에 있어서,

    ¹²⁵I 소스에 대해 최상이고, 상기 신틸레이터는 약 3 mm 미만의 두께와, 더 작은 결정을 위한 약 0.5와 약 1 인치 사이, 더 큰 결정을 위한 약 2와 약 3 인치 사이의 직경을 갖는 CaF₂(Eu)의 결정인 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
22. 제 20항에 있어서,

    상기 펄스 파형 분석기는 두 개의 모드, 즉, 카운팅을 위한 비동시와 동시 펄스를 모두 수용하는 OR 모드 및 카운팅을 위한 동시 펄스만을 수용하는 AND 모드를 가지고; 실질적으로 평판형 샘플을 상기 작은 신틸레이터 결정체 앞의 개구에 놓아두기에 알맞는 공간 분해능을 가지며 이차원으로 샘플 홀더를 홀딩하고 이동시키기에 적당한 샘플 이동 장치(a sample mover); 그리고 상기 샘플 이동 장치의 위치를 확인하고 각 위치에 대한 카운트 비와 상관있도록 하는 컨트롤러를 더 포함하고; 그리고 각 샘플 위치에 대한 데이터 포착 시간을 최적으로 하여, 축적 데이터가 소정의 신호 대 광레벨비 또는 신호 대 통계적 불확실성비에 이를 때 데이터 포착이 멈출 수 있도록 하고; 그리고 펄스 파형 분석과 컨트롤러는 획득한 데이터를 이 차원적 영상으로 나타내는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
23. 제 22 항에 있어서,

    두 번의 샘플의 스캔(scans)은 카운트 비가 소정값 이하인 선택된 영역에서 첫 번째는 낮은 공간 분해능으로, 두 번째는 높은 공간 분해능으로 행해지는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
24. 제 21 항에 있어서,

    상기 작은 신틸레이터는 약 0.1 mm보다 더 얇고, 오제 전자(Auger electrons) 또는 매우 낮은 에너지 X 선(E < 10 keV)에 민감하고, 약 0.1과 약 0.5 인치 사이의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
25. 제 20항에 있어서,

    ¹²⁵I 소스에 대해 최적이고, 상기 작은 검출기는 약 0.1 mm보다 더 얇은 실리콘 신틸레이터 또는 공간 분해 CCD 검출기(a silicon scintillator or spatially resolving CCD detector)이고, 오제 전자 또는 매우 낮은 에너지 X 선(E < 10 keV)에 민감하고, 약 0.1과 약 0.5 인치 사이의 직경을 가지며, 상기 큰 신틸레이터는 약 3mm 미만의 두께와, 약 2와 약 3 인치 사이의 직경을 갖는 CaF₂(Eu)의 결정체인 것을 특징으로 하는 스캐닝 장치.
26. 제 1 항에 있어서,

    공간 분해능을 가지고, 상기 검출기 중 적어도 하나는 코드화된 개구 패턴을 갖는 고밀도/중금속 필름이 부착된 얇은 NaI(Tl) 신틸레이터를 포함하고, 상기 신틸레이터는 복수의 출력이 각각 정합 저 잡음 증폭기에 연결되어 작동되는 공각 분해 광전자 증배관에 결합되고, 그것의 출력은 전자적으로 전체 출력에 더해지고, 개별 출력과 전체 출력은 다중채널 스펙트럼 분석기에 입력되는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 공간 분해 PMT로부터의 증폭 출력 펄스는 펄스 파형 수락 기준에 따른 "기준 파형(standard shape)" 펄스와 비교되고, 공간 분해 PMT와 비공간 분해 PMT 양쪽에서 "기준 파형" 조건을 만족하는 경우에만 허용되어 이차원 샘플 영상을 만들기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제 6 항에 있어서,

    공간 분해 광전자 증배기는 네 개의 출력을 갖고, X 선의 충돌 위치는 반복 알고리즘으로부터 계산되고, 첫 번째 근사값은 x₀= (SL - SR)/TS 그리고 y₀= (ST - SB)/TS에 의해 주어지고, 그 다음 근사값은 다음 식:

    x_i= (a[x_i-1] * SL - b[x_i-1] * SR)/TS

    그리고

    y_i= (c[y_i-1] * ST - d[x_i-1] * SB)/TS

    으로 구해지고, 상기 식에서 SL = 왼쪽 신호, SR = 오른쪽 신호, ST = 상부 신호 그리고 SB = 하부 신호(SB) 그리고 TS = SL + SR + ST + SB이고, a(x), b(x), c(y) 그리고 d(y)는 공간 분해 광전자 증배기에 대해 경험적으로 확립된 교정 함수인 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제 28 항에 있어서,

    X 선의 참에너지는 공간 분해 광전자 증배기에 대해 사용하기 위해 찾음 교정표(look up calibration tables)를 사용하여 X 선의 충돌 위치로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제 26항에 있어서,

    NaI(Tl) 결정체는 구멍이나 슬릿이 약 50개까지 있는 정규 패턴을 갖는 고밀도/큰 원자 번호 필름으로 이루어진 코드화된 개구 마스크에 부착되고; 샘플 홀더는 샘플의 평편한 이차원 어레이이고; 기설정 시간동안 순차적으로 샘플을 개구 마스크 앞의 측정 위치에 놓는 컴퓨터-제어된 이동 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 장치.
31. 제 30 항에 있어서,

    카운팅 데이터로부터 영상이 구축되는 영상 분석기를 더 포함하고; 상기 분해-정의 개구 패턴은 연속적인 영상을 얻기 위해 화소가 X와 Y 차원 모두에 삽입되어야 하고 상기 패턴은 간삽법(interleaving)을 허락하고; 각각의 이용 가능한 분해 마스크에 대해 시스템은 개구의 매핑을 영상면에 정의하는 소프트웨어 마스크를 포함한 독립된 교정 파일을 갖고; 사용자 인터페이스는 스캐닝될 직사각형 면적을 선택하고 각 화소의 카운팅 시간을 기설정하도록 하고; 데이터 표시 시스템은 의색(擬色), 회색의 음영, 윤곽선(a contour map)으로 또는 3D 표면으로써 영상을 시각화하게 하고, 다른 영상 처리 프로그램에 의한 분석용의 다수 표준 포멧으로 영상을 저장하는 것을 특징으로 하는 영상 장치.
32. 제 1 항에 있어서,

    상기 검출기 중 하나는 X 선 검출에 최적인 Ge 반도체 검출기, 실리콘 검출기, 공간 분해 가스 검출기인 것을 특징으로 하는 장치.
33. 제 32 항에 있어서,

    상기 공간 분해 검출기는 얇은 자동 제한 스트리머 챔버(a thin self-limiting streamer chamber)이고, 상기 공간 분해능은 CCD 카메라를 사용하여, 영상화됨에 따라 얻어지는 것을 특징으로 하는 장치.
34. 마주보고 있는 감마 및 x 선용 검출기 사이에 끼워진 샘플 홀더내에 샘플을 놓는 과정과;

    적어도 두 개의 검출기내에서 동위원소로부터의 감마 및 x 선 광자 방출을 전기 출력 펄스로 변환시키는 과정과;

    상기 출력 펄스를 카운팅하고 시간을 재는 과정과;

    기준선에 걸쳐서 소정 범위내에 들어서 상기 방출의 에너지와 관련되도록 하기 위해 상기 출력 펄스 진폭을 정규화하는 과정과;

    출력 펄스의 진폭이 소정의 문턱값을 초과하는 트리거 출력 펄스가 있을 때 제 1 트리거 펄스를 발생시키고, 출력 펄스의 진폭이 소정의 문턱값을 초과하는 두 개의 동시 트리거 출력 펄스가 있을 때 제 2 트리거 펄스를 발생시키고, 소정 문턱값을 초과하지 않는 펄스를 배제하는 과정과;

    소정 수의 연속 정규화 출력 펄스를 포획하여, 트리거 펄스에 응답하는 과정과;

    소정 동위원소 및 시스템 종속 수락 기준(systenm-dependant acceptance criteria)에 관하여 포획된 출력 펄스를 분석하는 과정과; 그리고

    상기 수락 기준을 만족하는 펄스를 카운팅하고 수락 기준을 만족하지 않는 펄스를 배제하는 과정을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 샘플내의 방사성 동위원소의 감마 및 x 선 광자 방출을 광레벨 방사 및 잡음과 식별하는 방법.
35. 동위원소로부터의 방출을 전기 출력 펄스로 변환시키기 위한 수단 사이에 끼워진 샘플을 홀딩하기 위한 수단과,

    상기 출력 펄스를 카운팅하고 시간을 재기 위한 수단과,

    기준선에 걸쳐서 소정 범위내에 들어 상기 방출의 에너지와 관련되도록하여 출력 펄스 진폭을 정규화하기 위한 수단과,

    소정 문턱값을 초과하는 진폭을 갖는 출력 펄스가 있을 때 제 1 트리거 펄스를 발생시키고, 각각 소정 문턱값을 초과하는 진폭을 갖는 두 개의 실질적으로 동시 출력 펄스가 있을 때 제 2 트리거 펄스를 발생시키며, 소정 문턱값을 초과하지 않는 펄스를 배제하기 위한 수단과,

    소정 수의 연속 정규화 출력 펄스를 포획하기 위해 트리거 펄스에 응답하는 수단과,

    소정 동위원소 및 펄스 파형, 높이, 좌표(coordinates), 그리고 동시성으로 이루어진 군으로부터 선택된 시스템 종속 수락 기준을 바탕으로 한 포획된 출력 펄스를 분석하기 위한 수단과; 그리고

    소정 동위원소 및 시스템-의존 수락 기준을 만족하는 펄스를 카운팅하고 수락 기준을 만족하지 않는 펄스를 배제하기 위한 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 샘플내의 방사성 동위원소의 방사를 광레벨 방사 및 잡음으로부터 식별하는 장치.
36. 제 35 항에 있어서,

    상기 검출기를 방사성 광레벨로부터 차폐시키기 위한 수단을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
37. 제 35 항에 있어서,

    대부분의 외부 X 선을 흡수하기 위한 수단을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
38. 제 1 항에 있어서,

    상기 샘플 홀더는 쉽게 구별되는 패턴내에 다수의 원뿔형 구멍이 배열되어 있고, 관찰될 샘플은 상기 구멍내에 놓이는 것을 특징으로 하는 장치.
39. 제 38 항에 있어서,

    상기 샘플 홀더는 상기 세퍼레이터내의 구멍 패턴이 샘플 홀더내의 구멍과 실질적으로 동일한 패턴으로 적당한 박막상에 블롯(blot)된 샘플을 정렬시키는 것을 특징으로 하는 장치.
40. 제 39 항에 있어서,

    상기 샘플 홀더는 각각 동일한 구멍 패턴을 갖는 두 부품을 갖고, 상기 블롯된 필름은 이들 두 부품 사이에 놓인 것을 특징으로 하는 장치.
41. 제 1 항에 있어서,

    상기 검출 어셈블리는 각 검출기에 대해 전단증폭기, 증폭기 및 파형 증폭기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
42. (a) 독립된 방사 검출기내의 출력 펄스로서 CGX 이미터로부터의 동시 감마 및 x 선 방출을 검출하기 위한 수단과,

    (b) 상기 검출기로부터의 출력 펄스의 파형과 높이를 분석하기 위한 수단과,

    (c) 비동시 출력 펄스를 식별하고 배제하기 위한 수단과,

    (d) 스퓨리어스 동시 출력 펄스를 식별하고 배제하기 위한 수단과, 그리고

    (e) 샘플내에 존재하는 CGX 이미터의 양을 정하기 위해 잔류 출력 펄스를 사용하기 위한 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 샘플내의 동시 감마/X 선(CGX) 이미터의 선택적인 양을 측정하기 위한 장치.
43. 제 42 항에 있어서,

    10^-18몰 미만의 표지화된 분자를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
44. 광자 방출이 적어도 하나의 검출기상에 입사될 때 발생된 출력 신호를 수신하기 위해 적어도 하나의 검출기에 연결되어 작동되는 프로그램가능 장치에서,

    적어도 하나의 검출기에 대해서, 검출될 소정의 특성 방출과 관련된 다수의 펄스 파형 배제 파라미터에 관한 검출 의존 허용 범위를 결정하고 저장함으로써 상기 장치의 설정(a setup)을 실행하는 과정과;

    적어도 하나의 검출기로부터의 출력 신호의 펄스 파형 파라미터를 결정하고; 그리고

    적어도 하나의 검출기로부터의 출력 펄스의 펄스 파형 파라미터를 저장된 검출기 의존 허용 범위와 비교하고;

    적어도 하나의 검출기로부터의 출력 신호의 펄스 파형 파라미터가 저장된 검출기 의존 허용 범위와 비교해서 가깝지 않다면, 적어도 하나의 검출기로부터의 출력 신호는 소정의 특성 방출의 검출로서 배제함으로써 소정의 특성-방출을 검출하기 위해 장치를 작동시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
45. 제 44 항에 있어서,

    상기 설정은 적어도 하나의 검출기에 소정의 특성 방출원(source)의 샘플을 제공하는 과정과;

    상기 적어도 하나의 검출기로부터 다수의 펄스를 포착하는 과정과;

    전류 기준선과 펄스 진폭의 1/4, 1/2, 3/4에 해당하는 펄스폭을 포함하는, 다수의 펄스의 막대 그래프를 만들어 저장하는 과정과;

    적어도 하나의 검출기에 대한 다수의 펄스 파형 배제 파라미터에 대해 검출기 의존 허용 범위(the detector dependent permitted ranges)를 각 막대그래프에 대해서, 막대그래프의 우뚝 솟은 인접 피크 면적의 99%를 수락하는 것으로 결정하는 과정과;

    적어도 하나의 검출기에 대한 다수의 펄스 파형 배제 파라미터에 대해 결정된 검출기 의존 허용 범위를 저장하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
46. 제 45 항에 있어서,

    상기 설정은 제 1 및 제 2 검출기로부터 실질적으로 동시에 출력되는 다수의 동시 이벤트를 포착하는 과정과;

    막대그래프를 만들어 상기 99% 수락하는 막대그래프 근사법의 우뚝 솟은 인접 피크 지역을 이용함으로써 펄스 이동 파라미터(pulse displacement parameters)의 허용된 범위를 결정하여 저장하는 과정과; 그리고

    펄스 이동 파라미터의 허용된 범위를 저장하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
47. 제 46 항에 있어서,

    상기 설정은 제 1 검출기에 대한 스펙트럼, 제 2 검출기에 대한 스펙트럼, 동시 이벤트의 이 차원 스펙트럼을 포함하여, 소정의 특성 방출과 관련된 세 개의 독립된 에너지 스펙트럼을 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
48. 제 44 항에 있어서,

    소정의 특성 방출을 검출하기 위한 장치를 작동하는데 있어서, 적어도 하나의 검출기로부터의 출력신호의 상기 결정 펄스 파형 파라미터는,

    펄스의 전체 폭에 걸리는 시간 창 및 펄스의 상승 전의 단시간에 걸쳐 수신된 펄스에 대한 다수의 데이터 포인트를 포착하는 과정과;

    전류 기준선을 결정하기 위해 첫 번째 몇 개의 데이터 포인트의 평균을 계산하는 과정과;

    만약 계산된 전류 기준선이 0과 상당히 다르다면, 축적에 의해 일그러진 상기 펄스를 배제하는 과정과;

    만약 펄스가 이전 과정에서 배제되지 않았다면, 최대값을 찾기 위해 다수의 다음 데이터 포인트를 스캔하는 과정과;

    만약 찾은 최대값이 과잉 양을 초과하면, 상기 펄스를 배제하는 과정과;

    만약 펄스가 이전 과정 중 어디에서도 배제되지 않았다면, 최대값과 전류 기준선 사이의 차이로 펄스의 피크폭을 계산하는 과정과;

    피크폭의 다수의 분수로 진폭 레벨에 대한 시간 오프셋을 결정하기 위해 펄스의 피크 앞뒤로 스캔하는 과정과; 그리고

    결정된 시간 오프셋을 적어도 하나의 검출기로부터 출력 신호의 펄스 파형 파라미터로 사용하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
49. 제 48 항에 있어서,

    소정의 특성 방출을 검출하기 위해 상기 장치를 작동시키는데 있어서, 상기 출력 신호의 펄스 파형 파라미터를 저장된 검출기 의존 허용 범위와 비교하는 과정은,

    펄스의 피크 폭의 1/2, 1/4, 3/4의 폭 레벨에 대한 시간 오프셋이 저장된 검출기 의존 허용 범위내에 있는지를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
50. 제 48 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 검출기는 제 1 및 제 2 검출기를 포함하고,

    상기 설정은 제 1 및 제 2 검출기로부터 실질적으로 동시 출력되는 다수의 동시 이벤트를 포착하는 과정과;

    막대그래프를 만들어 상기 99% 수락하는 막대그래프 근사법의 우뚝 솟은 인접 피크 지역을 이용함으로써 펄스 이동 파라미터의 허용된 범위를 결정하여 저장하는 과정; 그리고

    상기 펄스 이동 파라미터의 허용된 범위를 저장하는 과정을 더 포함하고; 그리고

    소정의 특성 방출을 검출하기 위해 장치를 작동하는 과정은 제 1 및 제 2 검출기로부터 각각의 펄스의 상승 정면에 1/4 폭의 레벨에 대한 각각의 타임 오프셋 사이의 거리를 측정하는 과정과; 그리고

    상기 측정 거리를 상기 저장된 펄스 이동 파라미터의 허용 범위와 비교하는 과정을 포함하여, 작동하는 동안 동시 발생에 대한 시험 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
51. 제 44 항에 있어서,

    특정 동위원소에 대해 상기 장치를 교정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
52. 컴퓨터 프로그램을 나타내기 위해 물리적으로 구성된 기판을 가진 컴퓨터 판독가능 기억 수단(a computer readable storage medium)을 포함하고, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램가능 입자/방사 방출 검출 장치를 설정하고 작동하기 위한 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조품.
53. 신틸레이터 결정체와,

    상기 신틸레이터 결정체에 광학적으로 연결된 광전자 증배기와,

    상기 광전자 증배기에 연결되고, 고전압 전원, 전압 디바이더 및 증폭기를 포함하고 있는 일체형 광전자 증배기 베이스 일렉트로닉스 모듈,

    상기 베이스 모듈과 상기 광전자 증배기 사이에, 상기 광전자 증배기 및 상기 신틸레이터 결정체 사이에, 상기 광전자 증배기 주위에, 그리고 상기 신틸레이터-광전자 증배기-베이스 모듈 어셈블리 주위에 차폐물을 포함하고 있고, 상기 검출기에 사용된 모든 재료는 약 1 cpm 광레벨 이하의 방사능이 있는 것을 특징으로 하는 감마 및 X 선 방출을 위한 검출 어셈블리.