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Dokumentenidentifikation DE69019497T2 21.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0437051
Titel Strahlungsdetektor mit Szintillationsmatrix.
Anmelder Hamamatsu Photonics K.K., Hamamatsu, Shizuoka, JP
Erfinder Uchida, Hiroshi, Hamamatsu-shi, Shizuoka-ken, JP;
Omura, Tomohide, Hamamatsu-shi, Shizuoka-ken, JP
Vertreter Hauck, Graalfs & Partner, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69019497
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.12.1990
EP-Aktenzeichen 903135010
EP-Offenlegungsdatum 17.07.1991
EP date of grant 17.05.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.09.1995
IPC-Hauptklasse G01T 1/202
IPC-Nebenklasse G01T 1/20   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, genauer gesagt einen Strahlungsdetektor, bei dem eine Szintillatarmatrix, beispielsweise eine Positronemissions- Tomographie, Verwendung findet, um die Position einer auf die Szintillationsmatrix auftreffenden Strahlung zu detektieren.

Im Bereich der Nuklearmedizin gibt es ein neues technisches Gebiet zum Diagnostizieren und Heilen von Krankheiten eines menschlichen Körpers unter Verwendung von Radioisotopen (RI). Als eine der Techniken, die zu diesem technischen Gebiet gehören, ist die Positronemissions-Tomographie (PET) zum Detektieren einer Strahlung, beispielsweise Gammastrahlen, emittierenden Stelle mit einem Szintillator bekannt.

Bei der Positronemissions-Tomographie findet eine Nuklearabbildungsvorrichtung Verwendung, die besonders für diagnostische medizinische Zwecke und Forschungszwecke eingesetzt wird. Bei der Positronemissions-Tomographie wird einem Patienten oder einem unter Beobachtung stehenden lebenden Organismus eine Art einer radioaktiven Verbindung (ein mit einem Nuklid, das Positronemissionsfähigkeit besitzt, versehenes Arzneimittel) verabreicht. Positronen sind positiv geladene Partikel, die von dem Nuklid der radioaktiven Verbindung beim Isotopenzerfall innerhalb des Körpers emittiert werden. Bei der Emission trifft das Positron auf ein Elektron und beide werden vernichtet. Infolge einer derartigen Vernichtung werden Gammastrahlen in der Form von zwei Photonen erzeugt, die sich etwa in entgegengesetzten Richtungen (um etwa 180º) zueinander bewegen. In herkömmlicher Weise ist die Vorrichtung so angeordnet, daß sie den Körper umgibt, um Informationen in bezug auf die Bewegungsbahnen der emittierenden Photonen unter verschiedenen Winkeln um den unter Beobachtung stehenden Körper herum zu speichern und diese Informationen über einen Computer zu verarbeiten, so daß ein tomographisches Bild in bezug auf die Verteilung und Konzentration der Nuklide erhalten wird, das zur gleichen Zeit zusammen mit einem Schichtbild des Körpers zweidimensional angezeigt wird. Diesbezüglich kann der PET-Scanner biochemische und physiologische Veränderungen, die auf natürliche Weise und bei Krankheit im menschlichen Körper o.ä. entstehen, beobachten und quantifizieren.

Die Menge des Arzneimittels, das dem Patienten o.ä. verabreicht wird, ist vorzugsweise geringer, um eine Beeinflussung des Nuklides auf den Körper zu verhindern. Eine geringere Menge an Arzneimittel bewirkt jedoch, daß die emittierte Strahlung in ihrer Intensität stärker reduziert wird. Der Strahlungsdektor muß daher in der Lage sein, auf wirksame Weise die vom Körper emittierte Strahlung geringer Intensität zu detektieren.

Um diese Anforderung zu erfüllen, wurde beim Stand der Technik ein Gammastrahlendetektor verwendet, der ein anorganisches Szintillationskristall, wie beispielsweise mit Thallium aktiviertes Natriumiodid (NaI (Tl)), Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2; (BGO), CsF o.ä., als Szintillator besitzt. Dieser Garnmastrahlendetektor umfaßt eine Vielzahl von Szintillatoren, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind, um die vom Körper emittierten Gammastrahlen in ein dispers emittiertes Szintillationslicht umzuwandeln, und eine Vielzahl von Fotovervielfacherröhren (PMT), die mit den Szintillatoren optisch gekoppelt sind, um das Szintillationslicht in Elektronen umzuwandeln und diese zu vervielfachen. Bei diesem Gammastrahlendetektor wird das von einem Szintillator der ein- oder zweidimensional angeordneten Szintillatormatrix emittierte Szintillationslicht auf die anderen Szintillatoren in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis verteilt und dann zu den den jeweiligen Szintillatoren entsprechenden Fotovervielfacherröhren geführt, so daß verstärkte elektrische Signale, die statistische Informationen in bezug auf eine auftreffende Position der Gammastrahlen auf die Szintillatormatrix (d.h. eine Szintillationsposition) besitzen, von den entsprechenden Fotovervielfacherröhren abgegeben werden. Die Position der auf die Szintillatormatrix auftreffenden Garnmastrahlen (die Szintillationsposition) wird auf der Basis der elektrischen Signale statistisch bestimmt. Der auf diese Weise konstruierte Gammastrahlendetektor ermöglicht daher eine Verbesserung der Detektionsauflösung, bewirkt jedoch gleichzeitig, daß das Szintillationslicht durch einen Verteilungsprozeß, bei dem das in einem Szintillator erzeugte Szintillationslicht auf die anderen Szintillatoren verteilt wird, und durch einen Führungsprozeß, bei dem die verteilten Szintillationslichter den Fotovervielfacherröhren zugeführt werden, geschwächt wird. Bei dieser Art von Gammastrahlendetektor war es daher erforderlich, eine Schwächung des Szintillationslichtes, insbesondere durch den Verteilungsprozeß, zu verhindern und den Verteilungsprozeß optimal auszuführen.

Um diese Anforderung zu erfüllen, sind verschiedene Arten von Strahlungsdetektoren vorgeschlagen worden, bei denen jeweils eine Szintillatormatrix und eine Fotovervielfacherröhre in Kombination Verwendung finden, wie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt.

Der in Figur 1 gezeigte Strahlungsdetektor umfaßt eine Szintillatormatrix 1, die vier eindimensional angeordnete Szintillatoren 1&sub1; bis 1&sub4; aufweist, und zwei Fotovervielfacherröhren 2&sub1; und 2&sub2;, von denen eine mit einer Hälfte (zwei Szintillatoren) der Szintillatormatrix 1 optisch gekoppelt ist, während die andere mit der anderen Hälfte (den anderen beiden Szintillatoren) optisch gekoppelt ist. Die Szintillatormatrix 1 ist mit einer Reflexionsschicht an jeder der Grenzflächen (Kopplungsflächen) 3&sub1; und 3&sub3; zwischen den benachbarten Szintillatoren 1&sub1; und 1&sub2; und zwischen den benachbarten Szintillatoren 1&sub3; und 1&sub4; versehen und weist des weiteren ein vorgegebenes Flächenverhältnis zwischen einer Reflexionsschicht und einer Transmissionsschicht an einer Grenzfläche (Kopplungsfläche) 3&sub2; zwischen den benachbarten Szintillatoren 1&sub2; und 1&sub3; auf. Die Szintillatoren 1&sub1; und 1&sub4; sind daher von den Szintillatoren 1&sub2; und 1&sub3; durch die Reflexionsschichten voneinander optisch getrennt, während die Szintillatoren 1&sub2; und 1&sub3; über die Transmissionsschicht miteinander optisch gekoppelt sind. Mit anderen Worten, das von einem der vier Szintillatoren 1&sub1; bis 1&sub4; emittierte Szintillationslicht wird durch die Reflexionsschichten nicht auf die anderen Szintillatoren verteilt (übertragen), während das von einem der Szintillatoren 1&sub2; und 1&sub3; emittierte Szintillatorionslicht durch die Transmissionsschicht aufeinander verteilt (übertragen) wird. In diesem Fall entspricht das Verteilungsverhältnis des Szintillationslichtes dem Flächenverhältnis zwischen den Reflexions- und Transmissionsschichten, die an der Grenzfläche (Kopplungsfläche) 3&sub2; vorgesehen sind. Dieser Strahlungsdetektor ist im einzelnen in der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 62-135787 beschrieben.

Der in Figur 2 gezeigte Strahlungsdetektor umfaßt einen Szintillator, der eine Vielzahl von Nuten (Schlitzen) 4 aufweist, die durch vertikales Einschneiden des Szintillators auf unterschiedliche Tiefen erhalten wurden, und zwei Fotovervielfacherröhren, von denen eine mit einer Hälfte des Szintillators 1 und die andere mit der anderen Hälft des Szintillators 1 optisch gekoppelt ist. Die Nuten 4 sind mit einem Reflexionsmittel versehen und dienen dazu, das innerhalb des Szintillators erzeugte Szintillationslicht in Richtung auf die Fotovervielfacherröhren zu führen, während das Szintillationslicht in einem geeigneten Verteilungsverhältnis auf die anderen Szintillatoren und entsprechenden Fotovervielfacherröhren verteilt wird. Diese Art von Strahlungsdetektor ist im einzelnen in der US-PS 4 749 863 und der Veröffentlichung "IEEE Transactions on Medical Imaging", Band 7, Nr. 4, 1988, Seiten 264-272 beschrieben.

Der in Figur 3 dargestellt Strahlungsdetektor umfaßt eine Szintillatormatrix, die eine Vielzahl von Szintillatoren 1&sub1;&sub1; bis 1&sub4;&sub4; aufweist, welche dreidimensional angeordnet sind, eine Vielzahl von Fotovervielfacherröhren 2&sub1; und 2&sub2; und eine Lichtführung 5, die sandwichartig zwischen der Szintillatormatrix und den Fotovervielfacherröhren angeordnet ist, um das von der Szintillatormatrix emittierte Szintillationslicht den Fotovervielfacherröhren zuzuführen. Als Lichtführung kann eine solche verwendet werden, wie sie in der Veröffentlichung "IEEE Transactions on Nuclear Science", Band 33, Nr. 1, Februar 1986, Seiten 446-451, Seiten 460-463 beschrieben ist. Bei dieser Art von Szintillatormatrix sind die Grenzflächen (Kopplungsflächen) zwischen den entsprechenden benachbarten Szintillatoren mit dem Reflexionsmittel gefüllt (oder beschichtet). Diese Art von Strahlungsdetektor ist im einzelnen in der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 62-129776, in der Veröffentlichung "IEEE Transactions on Nuclear Science", Band 33, Nr. 1, Februar 1986 und in der Veröffentlichung "IEEE Transactions on Medical Imaging", Band 7, Nr. 4, Dezember 1988 beschrieben. Anstelle einer Lichtführung in Form einer flachen Platte kann eine Lichtführung verwendet werden, die eine Vielzahl von Segmenten umfaßt, welche jeweils eine komplizierte Form besitzen, wie in der Veröffentlichung "IEEE Transactions on Nuclear Science", Band NS-34, Nr. 1, Februar 1987 beschrieben, um das von einem der Szintillatoren emittierte Szintillationslicht in unterschiedlichen Verteilungsverhältnissen auf die anderen Szintillatoren zu verteilen.

Ein entsprechender Detektor ist in WO 86/03596 dargestellt. Bei diesem Detektor ist der Szintillator durch eine Reihe von Nuten unterteilt, die mit einem reflektierenden Material gefüllt sind, um den Lichtdurchgang zu steuern.

Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Strahlungsdetektoren sind die Grenzflächen (Kopplungsflächen) zwischen den benachbarten Szintillatoren mit dem Reflexionsmittel gefüllt (oder beschichtet), um die Verteilung des Szintillationslichtes zwischen den entsprechenden benachbarten Szintillatoren einzustellen. Das Reflexionsmittel besitzt die Fähigkeit, auftreffendes Licht ohne Lecken zu reflektieren, hat jedoch den Nachteil, daß es einen Teil des Lichtes absorbiert. Diese Lichtabsorption wird signifikant, wenn der Szintillator oder die Szintillatormatrix in eine Vielzahl von kleineren Szintillatoreinheiten segmentiert ist. Insbesondere in einem Fall, in dem eine Lichtführung zwischen der Szintillatormatrix und den Fotovervielfacherröhren vorgesehen ist, wie in Figur 3 gezeigt, tritt auch in der Lichtführung eine Lichtabsorption auf. Diese Effekte führen dazu, daß das Szintillationslicht geschwächt wird, bevor es auf die Fotovervielfacherröhren übertragen wird. Eine solche Schwächung des von der Szintillatormatrix emittierten Szintillationslichtes (d.h. ein optischer Verlust) bewirkt, daß die Energieauflösung und Timing-Auflösungen reduziert werden, und hat ferner zur Folge, daß die Diskriminationseigenschaft eines jeden Szintillators schlechter wird.

Die GB-A-2 204 769 beschreibt einen Szintillator, der mit zwei Sätzen von Nuten versehen ist, die den Szintillator in eine Reihe von Lichtführungen unterteilen. Ein Satz von Nuten ist am oberen Teil des Szintillators vorgesehen, während sich der andere Satz am unteren Teil des Szintillators befindet, wobei ein dazwischen angeordneter Bereich keine Nuten aufweist. Im Bereich der Nuten kann kein Licht in Querrichtung übertragen werden, während in dem Bereich ohne Nuten Licht in Querrichtung übertragen werden kann. Der Detektor kann daher die Tiefe der Strahlung detektieren.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Strahlungsdetektor zum Detektieren der Position einer auftreffenden Strahlung:

eine Szintillatormatrix mit einer Vielzahl von Szintillatorelementen zur Erzeugung von Szintillationslicht beim Auftreffen der Strahlung auf die Szintillatorelemente, wobei jedes Szintillatorelement eine Strahlungsaufnahmefläche, eine Licht-emittierende Fläche zum Emittieren von durch das Szintillatorelement in einer ersten Richtung geführtem Licht und eine Lichtverteilungsfläche zur Übertragung eines Teiles des Szintillationslichtes auf ein benachbartes Szintillatorelement in einer zweiten Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verläuft, um Szintillationslicht auf andere Szintillatorelemente mit einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis zu verteilen, wobei die Lichtverteilungsfläche als Kopplungsfläche zum optischen Koppeln eines jeden Szintillatorelementes mit einem benachbarten Element dient, und eine Vielzahl von Fotovervielfacherröhren, die optisch mit der Szintillatormatrix gekoppelt sind, wobei jede Fotovervielfacherröhre optisch mit den Licht-emittierenden Flächen einer Vielzahl von Szintillatorelementen gekoppelt ist, um das Szintillationslicht aufzunehmen und in ein verstärktes elektrisches Signal zu überführen, das die Position des Auftreffens der Strahlung auf die Szintillatormatrix kennzeichnet,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lichtverteilungsflächen als Kopplungsfläche zum optischen Koppeln eines jeden Szintillatorelementes mit einem benachbarten Element dient und daß jede der Lichtübertragungsflächen eine aufgerauhte Fläche, eine hochglanzpolierte Fläche oder beide aufweist, um das Szintillationslicht mit einem vorgegebenen Grad an Durchlässigkeit zu übertragen und das Verteilungsverhältnis des zwischen benachbarten Szintillatorelementen übertragenen Lichtes zu steuern.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Detektor besitzt eine einfache Konstruktion zum genauen Detektieren einer strahlungsemittierenden Stelle. Auch der optische Verlust wird beträchtlich reduziert.

Die Szintillatormatrix kann eine Einheit aus einer Vielzahl von Szintillatorelementen oder einen Szintillator, der mit einer Vielzahl von Nuten versehen ist, umfassen. Wenn die Szintillatormatrix die Einheit aus der Vielzahl der Szintillatoren aufweist, entspricht ein Szintillationsabschnitt einem Szintillator und der Verteilungsbereich umfaßt beide Kopplungsflächen von zwei benachbarten Szintillatoren. Wenn die Szintillatormatrix einen Szintillator mit einer Vielzahl von Nuten aufweist, entsprechen die Szintillationsabschnitte beliebigen anderen Abschnitten als den die Nuten bildenden gegenüberliegenden Wänden im Szintillator, während der Verteilungsbereich die gegenüberliegenden Flächen und dazwischen befindlichen Räume der Nuten umfaßt.

Es werden nunmehr Ausführungsformen von Detektoren gemäß der Erfindung beschrieben und dem Stand der Technik gegenübergestellt, wobei die Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt. Hiervon zeigen:

Figur 1 einen herkömmlich ausgebildeten Strahlungsdetektor, der eine Einheit aus einer Vielzahl von Szintillatoren aufweist;

Figur 2 einen anderen herkömmlichen Strahlungsdetektor, der einen Szintillator aufweist, der mit einer Vielzahl von Nuten versehen ist;

Figur 3 einen weiteren herkömmlich ausgebildeten Strahlungsdetektor, bei dem der in Figur 1 dargestellte Strahlungsdetektor mit einer Lichtführung versehen ist;

die Figuren 4A bis 4F verschiedene Ausführungsformen des Oberflächenzustandes und Kopplungszustandes gemäß der Erfindung;

Figur 5 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsdetektors;

Figur 6 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsdetektors; und

Figur 7 eine Szintillatoranordnung einer dritten Ausführungsform eines Strahlungsdetektors.

Wie bei dem herkömmlich ausgebildeten Strahlungsdetektor wird bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsdetektor von einem der Szintillatoren emittiertes Szintillationslicht in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis auf die anderen Szintillatoren verteilt, wonach das verteilte Szintillationslicht einer Vielzahl von Fotovervielfacherröhren zugeführt wird, um verstärkte elektrische Signale zu erhalten, die eine Emissionsstelle des Szintillationslichtes repräsentieren. Im Gegensatz zum herkömmlich ausgebildeten Strahlungsdetektor wird jedoch das Verteilungsverhältnis einer Szintillatormatrix dieser Erfindung nicht mit einem Reflexionsmittel eingestellt, sondern mit Hilfe der nachfolgenden zwei Faktoren (Oberflächenzustand und Kopplungszustand einer Grenzfläche (Kopplungsfläche) zwischen entsprechenden benachbarten Szintillatoren). Der Oberflächenzustand wird durch ein Profil der Kopplungsfläche definiert, beispielsweise eine rauhe Oberfläche, eine hochglanzpolierte Oberfläche o.ä., während der Kopplungszustand durch eine Substanz (oder den Brechungsindex der Substanz) definiert wird, die an der Kopplungsfläche vorgesehen ist, wie beispielsweise Luft, oder durch ein Kopplungsmittel, wie Wasser, Silikonöl oder RTV- Kautschuk. In diesem Fall betragen die Brechungsindices des Szintillators (BGO), von Silikonöl (RTV-Kautschuk) und von Wasser 2,15, 1,45 und 1,33. Das Verteilungsverhältnis ist daher frei variierbar, indem der Oberflächenzustand einer jeden Kopplungsfläche und/oder die Substanz, die zwischen den benachbarten Szintillatoren vorgesehen ist, verändert wird.

Die Figuren 4A bis 4F zeigen diverse Arten von Modellen, die bei einer erfindungsgemäß vrewendeten Szintillatormatrix anwendbar sind. Um die Änderung der Lichtdurchlässigkeit durch die Kopplungsfläche in Abhängigkeit von einer Änderung des Oberflächenzustandes und des Kopplungszustandes der Szintillatoren 1a und 1b zu erläutern, besitzt jedes Modell die gleiche Konstruktion, bei der zwei Szintillatoren 1a und 1b über Kopplungsflächen 3a und 3b optisch miteinander gekoppelt sind.

Wie in Figur 4A gezeigt, umfaßt ein erstes Modell zwei Szintillatoren, die jeweils eine rauh ausgebildete Kopplungsfläche besitzen. Wie in Figur 4B gezeigt, umfaßt ein zweites Modell einen Szintillator mit einer hochglanzpolierten Kopplungsfläche, während der andere Szintillator eine rauh ausgebildete Kopplungsfläche besitzt. Gemäß Figur 4C weist ein drittes Modell zwei Szintillatoren auf, die jeweils eine hochglanzpolierte Kopplungsfläche besitzen. Luft ist in einen Spalt zwischen den gegenüberliegenden Kopplungsflächen der Szintillatoren bei jedem Modell eingefüllt, d.h. zwischen den Kopplungsflächen ist eine Luftschicht vorgesehen.

Was den Oberflächenzustand anbetrifft, so wird die Lichtdurchlässigkeit durch die Kopplungsfläche, d.h. das Verteilungsverhältnis des Lichtes, in jeder Kopplungsfläche erhöht, wenn ein besetzter Bereich der rauhen Kopplungsfläche erhöht wird oder die Kopplungsfläche des Szintillators rauher ist. Die Lichtdurchlässigkeit durch die Kopplungsflächen der benachbarten Szintillatoren nimmt daher in der Reihenfolge vom ersten bis zum dritten Modell ab. Mit anderen Worten, das erste Modell mit zwei rauhen Kopplungsflächen besitzt die höchste Lichtdurchlässigkeit, während das dritte Modell, das zwei hochglanzpolierte Kopplungsflächen besitzt, die geringste Llichtdurchlässigkeit aufweist. Der Grad der Rauhigkeit der Kopplungsfläche kann durch Veränderung des Durchmessers von Schleifpartikeln, die zum Schleifen der Kopplungsfläche verwendet werden, eingestellt werden. Die gewünschte Größe der Schleifpartikel beträgt vorzugsweise # 1000 im JIS-System (japanische Industrienorm).

In einem Fall, bei dem die beiden Szintillatoren, die einen unterschiedlichen Oberflächenzustand besitzen, verwendet werden, wie dies beim zweiten Modell gezeigt ist, ist die Durchlässigkeit des Lichtes (m), das vom Szintillator mit der rauhen Kopplungsfläche 3b auf den anderen Szintillator mit der hochglanzpolierten Kopplungsfläche 3a übertragen wird, geringfügig größer als die von Licht (n), das eine entgegengesetzte übertragungsrichtung wie das Licht (m) besitzt.

Die Lichtdurchlässigkeit zwischen den benachbarten Szintillatoren wird feiner eingestellt durch Veränderung des Flächenverhältnisses zwischen der hochglanzpoliertn Fläche und der rauhen Fläche, die auf einer Kopplungsfläche eines jeden Szintillators auszubilden sind. Figur 4D zeigt ein viertes Modell, das zwei Szintillatoren umfaßt, die jeweils eine Kopplungsfläche besitzen, auf der sowohl ein hochglanzpolierter Flächenabschnitt S1 als auch ein rauher Flächenabschnitt S2 in jedem Szintillator in einem vorgegebenen Flächenverhältnis (51:52) ausgebildet sind. Bei diesem Modell liegen der hochglanzpolierte Flächenabschnitt und der rauhe Flächenabschnitt auf der Kopplungsfläche eines Szintillators vollständig denen auf der Kopplungsfläche des anderen Szintillators gegenüber. Mit anderen Worten, das in Figur 4D gezeigte vierte Modell entspricht einem Modell, bei dem eine Kombination aus dem ersten und dritten Modell, wie in den Figuren 4A und 4C gezeigt bei jeder Kopplungsfläche Anwendung findet. Eine solche Konfrontation zwischen dem hochglanzpolierten Flächenabschnitt und dem rauhen Flächenabschnitt ist jedoch nicht auf das vorstehend beschriebene Modell beschränkt. Beispielsweise kann eine andere Konfrontationsrelation als in Figur 4B gezeigt, bei der ein hochglanzpolierter Flächenabschnitt auf einer Kopplungsfläche einem rauhen Flächenabschnitt auf der anderen Kopplungsfläche gegenüberliegt, in Kombination mit der Konfrontationsrelation gemäß Figur 4D Anwendung finden. Figur 4E zeigt ein fünftes Modell, das einen Szintillator aufweist, der eine Nut besitzt. Bei diesem Modell dienen die gegenüberliegenden Innenwände der Nut als Kopplungsflächen, und die Lichtdurchlässigkeit durch die Kopplungsflächen wird durch Veränderung der Tiefe der Nut geändert.

Der Oberflächenzustand zwischen den benachbarten Szintillatoren wird eingestellt, indem das erste bis fünfte Modell allein oder in Kombination eingesetzt werden, um die Lichtdurchlässigkeit zwischen den Szintillatoren, d.h. das Verteilungsverhältnis des Szintillationslichtes, feiner zu verändern.

Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Art und Weise kann die Lichtdurchlässigkeit zwischen den benachbarten Szintillatoren auf geringere Weise verändert werden, indem der Brechungsindex eines Spaltes zwischen den Kopplungsflächen der benachbarten Szintillatoren verändert wird.

Bei dem ersten bis fünften Modell ist Luft in jeden Spalt zwischen den entsprechenden Kopplungsflächen eingefüllt. Bei einem in Figur 4F gezeigten sechsten Modell ist ein optisches Kopplungsmittel 6, wie beispielsweise Silikonöl, Silikonfett oder Wasser, in den Spalt zwischen den benachbarten Kopplungsflächen eingefüllt oder auf die Kopplungsflächen aufgetragen. Durch das Beschichten der Kopplungsflächen mit dem optischen Kopplungsmittel, das einen höheren Brechungsindex als Luft besitzt, oder das Einfüllen dieses Mittels in den Spalt zwischen den Kopplungsflächen kann die Lichtdurchlässigkeit gegenüber dem Vorhandensein von Luft im Spalt erhöht werden, so daß auf diese Weise das Verteilungsverhältnis des Lichtes erhöht wird.

Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen des Strahlungsdetektors gemäß der Erfindung.

Der Strahlungsdetektor der ersten Ausführungsform umfaßt ein Paar von Fotovervielfacherröhren 21 und 22 und eine Szintillatormatrix, die sechs Szintillatoren 11 bis 16 aufweist, von denen jeder die gleiche Form besitzt. Die eine Hälfte der Szintillatormatrix (drei Szintillatoren 11 bis 13) ist an der Fotovervielfacherröhre 21 montiert, während die andere Hälfte (die anderen drei Szintillatoren 14 bis 16) an der anderen Fotovervielfacherröhre 22 montiert ist. Diese Szintillatoren 11 bis 16 sind über entsprechende Kopplungsflächen 31b bis 36a zwischen den entsprechenden benachbarten Szintillatoren optisch miteinander gekoppelt.

Bei dieser Szintillatormatrix ist jede der vier Kopplungsflächen 31b, 32a, 35b und 36a, die vom Mittelpunkt der Szintillatormatrix am weitesten weg angeordnet sind, als hochglanzpolierte Fläche ausgebildet. Die Spalte zwischen diesen gegenüberliegenden Kopplungsflächen sind mit Luft gefüllt. Mit anderen Worten, jedes Paar der beiden Paare der benachbarten Szintillatoren 11 und 12 und der benachbarten Szintillatoren 15 und 16 entspricht dem in Figur 4C gezeigten dritten Modell. Andererseits ist jede der anderen vier Kopplungsflächen 32b, 33a, 34b und 35a, die nahe am Mittelpunkt der Szintillatormatrix angeordnet sind, als rauhe Fläche ausgebildet. Die Spalte zwischen diesen gegenüberliegenden Kopplungsflächen sind ebenfalls mit Luft gefüllt. Mit anderen Worten, jedes der beiden Paare der benachbarten Szintillatoren 12 und 13 und der benachbarten Szintillatoren 14 und 15 entspricht dem in Figur 4A gezeigten ersten Modell. Des weiteren ist jede Kopplungsfläche eines Paares von Kopplungsflächen 33b und 34a, die in der Mitte der Szintillatormatrix angeordnet sind, als rauhe Fläche ausgebildet. Der Spalt zwischen den Kopplungsflächen ist mit einem optischen Kopplungsmittel gefüllt, das einen höheren Brechungsindex als Luft besitzt, nachdem eine Vielzahl von Szintillatoren zur Szintillatormatrix zusammengesetzt worden ist, oder die Kopplungsflächen 33b und 34a sind mit dem optischen Kopplungsmittel beschichtet worden, bevor die Szintillatoren montiert worden sind. Die Szintillatormatrix dieser Ausführungsform besitzt daher eine Konstruktion, bei der die Lichtdurchlässigkeit (d.h. das Verteilungsverhältnis) intermittierend stärker erhöht wird, wenn man sich von beiden Seiten der Szintillatormatrix der Mitte derselben nähert.

Das Identifikationsvermögen (die Identifikationscharakteristik) des auf diese Weise ausgebildeten Strahlungsdetektors wurde geschätzt, indem man jeden der Szintillatoren 11 bis 16 des Strahlungsdetektors mit Gammastrahlen bestrahlte, um im Szintillator Szintillationslicht zu emittieren und dann Ausgangssignale von den beiden Fotovervielfacherröhren 21 und 22 zu erhalten. Wenn man daher die relativen Intensitäten der Ausgangssignale der Fotovervielfacherröhren 21 und 22 mit P1 und P2 bezeichnet, wurde die Identifikationscharakteristik des Strahlungsdetektors mit den Werten DC (P1) oder DC (P2) gemäß der nachfolgenden Gleichung geschätzt

DC (P1) = P1/(P1+P2) X 100 oder DC (P2) = P2/(P1+P2) X 100

Die Werte DC (P1) oder DC (P2) bedeuten Anteile des in einem Szintillator emittierten Szintillationslichtes an den elektrischen Ausgangssignalen der Fotovervielfacherröhren P1 und P2. Beispielsweise wird im Falle von DC (P1) das in einem Szintillator emittierte Szintillationslicht in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis auf alle Szintillatoren 11 bis 16 verteilt, und ein Teil des verteilten Szintillatorlichtes wird durch die Szintillatoren 11 bis 14 zur Fotovervielfacherröhre 21 geführt, so daß ein elektrisches Signal mit einer Intensität, die diesem Teil des Szintillationslichtes entspricht, von der Fotovervielfacherröhre 21 abgegeben wird. Das Verteilungsverhältnis des in jedem der Szintillatoren emittierten Szintillationslichtes auf jede der Fotovervielfacherröhren 21 und 22 wird bestimmt, indem ein Ausgangssignal einer jeden der Fotovervielfacherröhren 21 und 22 zu dem Zeitpunkt detektiert wird, wenn jeder Szintillator mit Gammastrahlen bestrahlt wird.

Ein Detektionsergebnis für den Wert DC (P1) war wie folgt: DC (P1) = 89, 76, 61, 37, 20 und 11 für die Bestrahlung der Szintillatoren 11 bis 16 mit den Gammastrahlen. Aus den obigen Werten von DC (P1) geht hervor, daß das Auftreffen der Gammastrahlen auf die Szintillatoren positionsmäßig von den beiden Fotovervielfacherröhren 21 und 22 genau unterschieden werden kann. Das gleiche Detektionsergebnis wurde von der Fotovervielfacherröhre 22 erhalten.

Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsdetektors.

Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Strahlungsdetektor eine Szintillatormatrix, die eine Vielzahl (24) von zweidimensional angeordneten Szintillatoren 11&sub1;&sub1; bis 11&sub4;&sub6; aufweist, und vier Fotovervielfacherröhren 21 bis 24, die jeweils an eine gleiche Zahl (6) von Szintillatoren optisch gekoppelt sind. Dieser Strahlungsdetektor besitzt eine Konstruktion, bei der eine Vielzahl von eindimensional angeordneten Szintillatormatrizen (beispielsweise in X-Richtung), wie in Figur 5 gezeigt, in Y-Richtung angeordnet ist, so daß eine zweidimensional angeordnete Szintillatormatrix gebildet wird. Der Oberflächenzustand und der Kopplungszustand der benachbarten Szintillatoren der Szintillatormatrix dieser Ausführungsform sind mit denen der Szintillatormatrix der ersten Ausführungsform in X-Richtung identisch. Bei der Anordnung der Szintillatoren in Y- Richtung sind sechs Paare der beiden Kopplungsflächen 72b und 73a, die in der Mitte der Szintillatormatrix in Y- Richtung angeordnet und in X-Richtung miteinander ausgerichtet sind, als rauhe Flächen ausgebildet, wobei diese Kopplungsflächen mit dem optischen Kopplungsmittel 6 beschichtet oder dazwischen befindliche Spalte mit dem optischen Kopplungsmittel 6 gefüllt sind. Bei den anderen Paaren der Kopplungsflächen 71b und 72a (73b und 74a), die am Seitenabschnitt der Szintillatormatrix in Y-Richtung angeordnet sind, sind die äußeren Kopplungsflächen 71b und 74a der entsprechenden Paare hochglanzpoliert, während die inneren Kopplungsflächen 72a und 72b rauh ausgebildet sind. Spalte zwischen diesen Paaren von Kopplungsflächen, die am Seitenabschnitt der Szintillatormatrix angeordnet sind, sind mit Luft gefüllt. Diese Anordnung ermöglicht, daß die vier Fotovervielfacherröhren 21 bis 24 24 Szintillatoren genau unterscheiden können.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden die in den Figuren 4A bis 4C und 4F dargestellten Modelle in Kombination verwendet, um die Szintillatoranordnung auszubilden. Um jedoch das Verteilungsverhältnis des Szintillationslichtes auf die anderen Szintillatoren fein zu steuern, können auch die in den Figuren 4D und 4E gezeigten Modelle in Verbindung mit den vorstehend genannten Modellen eingesetzt werden. Um die Lichtdurchlässigkeit (das Verteilungsverhältnis) der Kopplungsflächen noch feiner zu verändern, kann der Grad der Rauhigkeit der rauhen Kopplungsflächen verändert werden, können verschiedene optische Kopplungsmittel mit unterschiedlichen Brechungsindices verwendet werden oder kann das optische Kopplungsmittel teilweise auf einige Kopplungsflächen aufgebracht (oder in die dazwischen befindlichen Spalte eingefüllt werden), während Luft in die Spalte zwischen den anderen Kopplungsflächen eingefüllt werden kann.

Figur 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Szintillatormatrix. Die Szintillatormatrix dieser Ausführungsform umfaßt 6 x 6 (= 36) Szintillatoren, die zweidimensional angeordnet sind, und vier Fotovervielfacher, die jeweils so angeordnet sind, daß sie sechs Szintillatoren gegenüberliegen. Wie in Figur 7 gezeigt, sind hochglanzpolierte Flächen an den vier äußeren Seitenflächen der Szintillatormatrix ausgebildet, um ein Lecken des Szintillationslichtes von den Seitenflächen nach außen zu verhindern. Derartige hochglanzpolierte Flächen sind ebenfalls an gegenüberliegenden Kopplungsflächen (durch schiefe Linien A angedeutet), die den äußeren Seitenflächen nächstgelegen sind, ausgebildet. Mit anderen Worten, eine vollständige Maskierung (definiert als Kopplungsabschnitt, der gegenüberliegende Kopplungsflächen aufweist, die hochglanzpoliert sind) ist am Seitenabschnitt der Szintillatormatrix vorgesehen. An den anderen gegenüberliegenden Kopplungsflächen (B) (wie durch die sägezahnförmigen Linien angedeutet) sind aufgerauhte Flächen vorgesehen. RTV-Kautschuk ist zwischen den Kopplungsflächen (C) in der Mitte der Szintillatormatrix angeordnet.

Wie vorstehend erläutert, kann mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsdetektor das Verteilungsverhältnis zwischen den benachbarten Kopplungsflächen ohne Reflexionsschicht frei und fein verändert werden, so daß der Verteilungsprozeß des Szintillationslichtes ohne Schwächung des Lichtes wirksamer abläuft, wodurch die Energieauflösung, die Timing-Auflösung und die Kristallidentifikationseigenschaften verbessert werden. Da keine Reflexionsschicht erforderlich ist, können die Szintillatoren minuziös angeordnet werdend so daß der nicht-sensitive Bereich der Szintillatoren reduziert werden kann. Des weiteren benötigt der Strahlungsdetektor der Erfindung keine Szintillatormatrix mit einem komplizierten Aufbau, so daß auf diese Weise die Herstellung der Szintillatormatrix in einfacher Weise durchgeführt werden kann.


Anspruch[de]

1. Strahlungsdetektor zum Detektieren der Position einer auftreffenden Strahlung mit einer Szintillatormatrix mit einer Vielzahl von Szintillatorelementen (11..16) zur Erzeugung von Szintillationslicht beim Auftreffen der Strahlung auf die Szintillatorelemente, wobei jedes Szintillatorelement (11..16) eine Strahlungsaufnahmefläche, eine Lichtemittierende Fläche zum Emittieren von durch das Szintillatorelement (11..16) in einer ersten Richtung geführtem Licht und eine Lichtverteilungsfläche (31..36; 71..74) zur Übertragung eines Teiles des Szintillationslichtes auf ein benachbartes Szintillatorelement (11..16) in einer zweiten Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verläuft, um Szintillationslicht auf andere Szintillatorelemente (11..16) mit einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis zu verteilen, aufweist; und einer Vielzahl von Fotovervielfacherröhren (21..24), die optisch mit der Szintillatormatrix gekoppelt sind, wobei jede Fotovervielfacherröhre (21..24) optisch mit den Licht-emittierenden Flächen einer Vielzahl von Szintillatorelementen (11..16) gekoppelt ist, um das Szintillationslicht aufzunehmen und in ein verstärktes elektrisches Signal zu überführen, das die Position des Auftreffens der Strahlung auf die Szintillatormatrix kennzeichnet; dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lichtverteilungsflächen (31..36; 71..74) als Kopplungsfläche zum optischen Koppeln eines jeden Szintillatorelementes (11..16) mit einem benachbarten Element (11..16) dient und daß jede der Lichtübertragungsflächen (31..36; 71..74) eine aufgerauhte Fläche,eine hochglanzpolierte Fläche oder beide aufweist, um das Szintillationslicht mit einem vorgegebenen Grad an Durchlässigkeit zu übertragen und das Verteilungsverhältnis des zwischen benachbarten Szintillatorelementen übertragenen Lichtes zu steuern.

2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, bei dem jedes Szintillatorelement (11..16) von jedem benachbarten Szintillatorelement (11..16) durch einen Spalt getrennt ist.

3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, bei dem der Spalt mit Luft oder einem optischen Kopplungsmittel (6), das einen von Luft verschiedenen Brechungsindex aufweist, gefüllt ist, um den Grad der Durchlässigkeit zwischen benachbarten Szintillatorelementen (11..16) weiter zu steuern.

4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, bei dem das optische Kopplungsmittel (6) Silikonöl, Silikonfett, Wasser oder eine Kombination dieser Substanzen ist.

5. Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine der Lichtverteilungsflächen (31..36; 71..74) sowohl eine aufgerauhte Fläche als auch eine hochglanzpolierte Fläche in einem vorgegebenen Verhältnis aufweist, um einen Grad an Durchlässigkeit zu erhalten, der sich von dem für eine hochglanzpolierte Fläche oder eine aufgerauhte Fläche unterscheidet.

6. Strahlungsdetektor nach den Ansprüchen 2 bis 5, bei dem die Lichtverteilungsflächen (31..36; 71..74) einen Grad an Rauhigkeit besitzen, der so gesteuert ist, daß ein gewünschter Grad an Durchlässigkeit zwischen benachbarten Szintillatorelementen (11..16) erreicht wird, wobei der Grad an Durchlässigkeit das Verteilungsverhältnis des zwischen den benachbarten Szintillatorelementen (11..16) übertragenen Szintillationslichtes bestimmt.

7. Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Szintillatormatrix eine Vielzahl von unabhängigen separaten Szintillatorelementen (11..16) aufweist, die Seite an Seite angeordnet und voneinander getrennt sind, wobei diese separaten Szintillatorelemente (11..16) durch die Lichtverteilungsflächen (31..36; 71..74) mit benachbarten Szintillatorelementen (11..16) optisch gekoppelt sind.

8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Szintillatormatrix eine Vielzahl von Szintillatorelementen umfaßt, die aus einem gemeinsamen Substrat gebildet und durch eine Vielzahl von Nuten, die die Verteilungsbereiche bilden, voneinander getrennt sind.

9. Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Verteilungsverhältnis zwischen einem Paar von benachbarten Szintillatorelementen (11..16) von dem zwischen einem anderen Paar von benachbarten Szintillatorelementen (11..16) verschieden ist.

10. Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem einige der Spalte zwischen benachbarten Szintillatorelementen Luft enthalten, während andere Spalte zwischen benachbarten Szintillatorelementen (11..16) ein optisches Kopplungsmittel (6) enthalten.







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