1、核物理基础与核医学仪器全册核物理基础与核医学仪器全册 配套最完整精品课件配套最完整精品课件 一、课程介绍 一、课程基本信息 课程名称：核物理基础与核医学仪器 英文名：Basic nuclear physics and nuclear medicine equipment 课程号（代码）：502050020 课程类别：专业必修课 学时：39（讲27，习12） 学分：2 三、课程教学目标 认知教学目标：认知教学目标： 使学生对核医学相关的核物理基础知识和核医学仪 器有较系统的了解。 技能教学目标：技能教学目标： 根据核医学实践的需要正确应用核物理的相关知识 ，掌握核医学仪器的基本操作原理和方法。
2、职业素养教学目标：职业素养教学目标： 核医学是一门交叉学科，课程将以核医学仪器方面 核医学技师的职责和工作内容为中心，培养学生在 工作态度、服务意识、团队合作等方面的职业技能 和行为规范。 四、本课程主要内容 一 、原子和原子核 二、 核的衰变及其方式 三、 放射性核素的衰变规律 四、 射线与物质的相互作用 五、 核医学中的射线探测器 六、 核医学射线测量仪器 七、照相机 八、单光子发射计算机断层 九、 正电子发射计算机断层显像 十、核医学仪器的发展 五、课程考核方式 考核方式分数权重% 笔试40 写作（论文、综述、心得、反思、见 习报告等） 20 平时成绩（考勤、纪律、作业等）10 技能考核
3、10 发言、报告10 其他：带习教师评价10 共计100% 二、四川大学课程中心的应用 一、基本情况 二、做作业 三、学习、下载资料 四、考试 网址： 核物理基础和核医学仪器 华西医院核医学科 周绿漪 电话： 85422330 18980601587 13658067571 教师自我介绍 本职工作 教育背景 学术兼职 国际交流 核医学技师的职责核医学技师的职责 放射性药物的预备、质控测试和给药； 进行病人显像检查及相关的计算机图像 处理和数据处理等； 实验室测定； 病人监护与准备； 质量控制； 辐射防护。 什么是核医学 医学影像学 放射：X光、CT、MRI（磁共振成像） 超声：B超、彩色多普勒
4、超声 核医学： 显像：SPECT（单光子发射计算机断层）、PET （正电子发射计算机断层 ） 治疗：放射性核素内照射治疗 究竟什么是核医学？ 放射成像: 各种组织吸收性质不同（differential absorption of tissues） 超声成像: 各种组织反射性质不同（differing reflective properties of tissues） 核医学:? 放射性药物:进入人体后，会按一定的生 理路径运动，并在特定部位聚积 核医学显像仪器：探测放射性，展示放射 性药物在体内的分布情况。 例如 : 99mTc-RBC, 静脉注入后主要在血池 聚积。 通过记录和分析放射性药物
5、的时间和空 间分布，就可得到诊断结果。 核物理基础和核医学仪器 核医学物理 核物理 核仪器 核医学仪器 高度专门化的核仪器 本课程主要内容 一 、原子和原子核 二、 核的衰变及其方式 三、 放射性核素的衰变规律 四、 射线与物质的相互作用 五、 核医学中的射线探测器 六、 核医学射线测量仪器 七、照相机 八、单光子发射计算机断层 九、 正电子发射计算机断层显像 十、核医学仪器的发展 一 、原子和原子核 （一）原子 l原子：Atom 原子核：Nucleus 电子：Electron 玻尔模型：Bohr Model 壳层：Shell 能级：Energy Level 结合能：Binding Energ
6、y 原子发射：Atomic Emissions 特征X射线：Characteristic X Ray 俄歇效应：Auger Effect 能级和结合能 原子发射 特征 X射线 原子发射 俄歇效应（自电离，autoionization） （二） 原子核 1、 组成和表示方法 组成 核子(nucleon)： 质子（proton）: 一个单位的正电荷（+e）,重量为1.007277u 中子(neutron): 不带电荷，重量为1.008665u *1u=1/12 12C质量=1.6604310-24g *电子带一个负电荷（-e），重量为0.000549u N A Z X l表示方法 如 简化表示法：
7、 或 X-A X A 78 131 53 I 或 I-131 I 131 2、 核素及其分类 核素(nuclide)：具有确定的质量数A和原子序数Z， 核内的核子按一定规律排列，并有可测量的寿命 的一类原子。 同位素(isotope)：具有同样的原子序数Z，但质量 数不同的核素称为某一元素的同位素。 集体名词：如I-125、I-127、I-131 称为碘的同位素 互称： 如I-125、I-127互为同位素 同质异能素（isomer） （同量异位素，isobar；同中异荷素，isotone） 核素分为稳定核素和放射性核素 放射性核素分为天然和人工两种 3、 核子间的相互作用 核内核子受两种力的作
8、用，一是静电力，二是 核力 静电力：排斥力、远程力、不饱和力、幅度较小(对 应的能量为电子伏特) 核力：吸引力、短程力、饱和力、幅度很大(对应的 能量为百万电子伏特) 核内核子间的相互作用力平衡时，核就稳定，否则 就要衰变 4、 核的能态 原子核也有能级存在。可处在三种状态之一 基态（ground state)：是最稳定的状态 激发态(excited state)：极不稳定，在很短时间 内变化到其它状态 亚稳态(metastable state)：核在某一激发态下较 长时间稳定，即有可测量的寿命，则称这一激 发态为亚稳态，或称同质异能态(isomeric state)。 同质异能素（isome
9、r）：两种核素，如果它们 的区别仅在于一个是另一个的亚稳态，则它们 称为同质异能素。（如Tc-99和Tc-99m） 5、原子核的稳定与衰变 l核内核子间的相互作用力是否平衡 l质子数和中子数量 l质子和中子相互转换 l发射质子和中子（如粒子） l裂变 l核能态 l跃迁 二、 核的衰变及其方式 （一） 有关的几个基本概念 衰变（decay）：不稳定的核素通过发射粒子 或光子放出核能成为其它核素的过程。 母核(parent) 子核(daughter)。 放射性核素：是指具有一定的衰变特性（如衰 变方式，发射类型）的核素。 放射性同位素：某一元素的全部放射性核素的 统称。 核衰变的自发性(spont
10、aneity) 不可能预测某个核在何时衰变。 核外发生的任何事件都不会对核的衰变产生丝毫影 响。 （二）核的衰变形式 1、 -衰变：不稳定的核发射出一个电子，一个 中微子，一定的能量。本身的原子序数增加1 变为别的核素。 QYX A Z A Z 1 X：母核 Y：子核 Q：衰变能，单位是MeV ：中微子，不带电，无静止质量，很难和物质 发生相互作用。 史上中微子对人类的两史上中微子对人类的两 次惊吓：次惊吓： 1、 decay：能量不守 ：能量不守 恒？恒？ 2、2012，the film： neutrinos from a massive solar flare(太太 阳耀斑阳耀斑) hav
11、e mutated and are causing the temperature of the Earths core to increase CERN：欧洲核子研 究中心 衰变图(Decay scheme )：衰变也可用衰变图表示。 在衰变图中，由左向右表示原子序数增加，由上 向下表示能量的减少，水平线间的距离与能量成 正比。 如C-14的衰变 MeVNC156. 0 14 7 14 6 C 14 6 N 14 7 MeVQ156. 0 能量Q的分配：- 和占绝大部分，-和之间 随机分配。 粒子的能谱特点： -的能量（动能）在0到Q之间连续分布； 能量为最大的-粒子很少； 能量约为1/3
12、Q的-粒子最多。 -粒子的动能（MeV） 发射的相对数目 05.01.015.0 C 14 粒子能谱 2、 （-）衰变 -产生的子核不是处在基态，而是处在激发态或亚稳态。子核通 过发射跃迁变到更稳定的状态。 1 * 1 ) 1 (QYX A Z A Z 21 * 1 )2(QYY A Z A Z MeVQ427.0 MeV384.0 MeV161.0 MeV081.0 0 2 3 1 6 4 Cs 133 55 1 2 3 Xe 133 54 5 133Xe衰变图 射线的能谱特点与应用 射线的能量分布是不连续的。 从射线的能量的分布可以分析是何种核素发射射 线。 在已知核素种类的情况下，可通过
13、测量其特定的射 线来确定其数量及分布。 发射的相对数目 0.050.100.15 射线能量（MeV） 1(0.080MeV) 2(0.081MeV) 3、 同质异能跃迁与内转换 同质异能跃迁（isomeric transition, IT） 处于激发态的同质异能素发射射线，跃迁到 基态或较低能态。 内转换（internal conversion, IC） 处于激发态或亚稳态的原子核把跃迁能量传递 给本原子的一个核外轨道电子，使其脱离原子。 （较多发生在激发态的同质异能素中） 内转换电子 4、 电子俘获（electron capture, EC） 原子核俘获一个本原子的核外轨道电子，与核 内的一
14、个质子结合，形成一个中子。轨道电子 俘获又被称为反-衰变。 衰变后的子核如果处于激发态，则通过跃迁 回到基态或较低能态，称为电子俘获-衰变。 1 0 Te 125 52 I 125 53 EC MeVQ177.0 MeV035.0 125I的衰变 5、 +衰变 核发射出一个正电子，一个中微子，一定的能量。 N 15 7 O 15 8 MeVQ722.2 MeVE7.1 max 15O的衰变 湮灭反应（annihilation) 正电子与一个电子发生结合，生成两个能量各为 511keV的光子向相对180的方向飞出。 利用这一特点开发了正电子发射断（PET）。 6、 衰变（alpha decay）
15、和核裂变(nuclear fission) 衰变 核衰变时放出粒子。经衰变后的核素，质量 数减少4，原子序数减少2，放出的粒子实质 是氦核，发射时其能量也是不连续的。 核裂变 重核自发地分裂，生成两个较轻核和中子，放 出大量的能量。两个轻核大致按6:4的比例分别 得到裂变重核的核子。 7、按产生射线或粒子的不同将衰变分类 产生射线： 衰变； 产生射线： -衰变，+衰变； 产生射线： （，）衰变，（-，）衰变， （+，）衰变，同质异能衰变，（EC，）； 不产生三种射线，而产生电子或X射线： 轨道电子俘获（单纯EC）：产生特征X射线 或俄歇电子； 内转换：产生转换电子、特征X射线或俄歇 电子。 三
16、、 放射性核素的衰变规律 （一）放射性活度的定义和单位 1、放射性活度的定义和单位，放射性比度和放 射性浓度 放射性核素的活度（activity）是指一定范 围内的某种放射性核素在单位时间内发生核 衰变的次数（decay per second ,dps)或 (decay per minute,dpm) 活度的单位 S.I制-贝克勒尔（bequerel, Bq）:每秒一次 衰变=1Bq 常用-居里：（curie, Ci） 3.710 10 dps=1Ci 换算关系 1Ci= 3.71010 Bq 1Bq0.2710-10Ci 1mCi=10-3Ci=3.7107Bq 1Ci=10-6Ci=10-
17、3mCi=3.7104Bq; 1KBq=103Bq;1MBq=106Bq;1GBq=109Bq。 相关定义 放射性比度（specific activity）：单位 质量的物质内的放射性活度（如0.5Ci/g）； 比放射性 放射性浓度(concentration)：单位体积的 溶液内的放射性活度（如0.5Ci/ml）; （二） 指数规律 放射性核素的数量及放射性活度的变化服从指 数衰变规律。 N=N0e-t; A=A0e-t; N：t时刻放射性核素的数量， A：t时刻放射性核素的活度 N0：t=0时的放射性核素数量 A0：t=0时的放射性核素活度。 为衰变常数。 用图描绘放射性核素数量和活度的变
18、化，直线 坐标下，衰变曲线是指数曲线；在半对数坐标 下，是直线。(如图所示，设=0.1/s) ？这条直线的斜率与什么有关？ 时间（S） 相 对 数 量 或 活 度 1616 01. 0 6 . 0 4 . 0 3 . 0 1 . 0 0 5 . 0 9 . 0 8 . 0 7 . 0 1224324208 0 . 1 时间（S） 衰变曲线 相 对 数 量 或 活 度 16 1 .0 01.0 1224324208 0 .1 28 （三） 衰变常数、半衰期、平均寿命、有 效半衰期 1、衰变常数（decay constant） 表示单位时间内衰变的核的数目占总的放射性核数 目的百分比。不同的核素有
19、不同衰变常数。 A=N 例如，设=0.02/s=2%/s,表示单位时间（1秒钟）内有2%的核衰变，如此 时N=10000，则A=0.02/s10000=200/s,表明在N=10000的一段时间内， 放射性核数目平均每秒减少200个，即平均每秒有200次衰变发生。 如果某种核素有一种以上的衰变形式（如18F，有 97%+衰变，3% EC），它们的衰变常数分别为 1、2、3n，则其总的衰变常数 =1+2+3n。 2、半衰期 放射性核素的数量和活度减少到原来的一半所需 要的时间 693. 0 2ln 2/1 T 2/1 2/1 693. 0 2ln T T 如99mTc的T1/2=6.02小时，则
20、其=0.693/6.02=0.115/小时。 3、平均寿命 2/1 0 0 0 0 00 44.1 1 T dteNtdteN NdtNtdt tt 4、有效半衰期(effective half-life) 放射性核素放射性衰变和生物代谢的共同作用 下数量和活度减少到原来的一半所需要的时间。 核素物理衰变，衰变常数为,半衰期为T1/2， 生物代谢，衰变常数为b，生物半衰期为Tb。 在两种因素的共同作用下 e=+b； ln2/Te=ln2/T1/2+ln2/Tb Te=T1/2Tb/(T1/2+Tb) 日常应用的放射性核素的物理半衰期是已知的，而有效半衰 期可以通过放射性测量获得，利用物理半衰期
21、和有效半衰期 可以获得生物半衰期，从而揭示生物代谢的规律。 衰变公式总结： 放射性核素的数量变化：N=N0e-t 放射性核素的活度变化：A=A0e-t 放射性核素的活度与数量的关系：A=N 放射性核素半衰期与衰变常数的关系：T1/2=0.693/ 放射性核素平均寿命与衰变常数的关系：=1/ 放射性核素半衰期与平均寿命的关系：T1/2=0.693 说明： N0和A0是指t=0时的放射性核素的数量和活度； t是相对于t=0的时间，对t=0之后的时间，t取正值， t=0之前的时间，t取负值。 e=2.71828.2.7 （四）递次衰变（母核-子核）衰变 递次衰变(parent-daughter de
22、cay) 如果核素衰变后生成的子核也是放射性 核素，由于子核在衰变的同时又在不断 生成，因此其衰变规律复杂。 母核的活度 及数量变化 按指数规律 子核的活度 及数量变化 ) 1 () 0( t p pp eAA ) 2() 0 ()() 0 ( t d d t d t p pd d pd eAeeAA 长期平衡（secular equilibrium）：出现在母核的 半衰期比子核的半衰期长得多（如100-1000倍） 的情况下 。 例：Sr-90-Y-90 子核半衰期数 相对活度 74 2.0 1.0 3681 52 0.1 910 4.0 6.0 8.0 5.0 75.0 97.0 母核 子
23、核 长期平衡 暂时平衡（transient equilibrium）：出现在母核 的半衰期比子核的半衰期长不太多（如10-100倍） 的情况下 。 子核半衰期数 相 对 活 度 44 2.0 1.0 368152 0.1 910 4.0 6.0 8.0 max t 母核 子核 暂时平衡 四、 射线与物质的相互作用 (interaction) （一） 带电粒子与物质的相互作 用 1.作用的一般过程 与轨道电子作用：引起原子的电离和激发 与原子核作用：产生韧致辐射、散射和核反 应 2、电离 带电粒子(、射线)与物质的原子相互作用， 使核外轨道电子获得足够的能量而脱离原子， 成为自由电子。原子失去电
24、子成为离子。 原电离 入射带电粒子引起的电离。 次电离 原电离产生的自由电子有一些能量较高，又可 引起电离，称为次电离。 总电离 原电离与次电离之和 电离密度(ionization density, Specific ionization ) 带电粒子在单位路程上产生的电子-离子 对(ion pair)的数目 用表示，它和粒子电荷量q、粒子速度v 和物质密度有关。 q v 如：粒子（q大，v慢）和粒子相比， 粒子的电离能力强。 对带电粒子而言，电离密度高说明其 电离能力高； 对物质而言，电离密度高说明其阻止 本领高。（阻止本领，stopping power ） 3.激发（excitation）
25、 如果在带电粒子与原子的相互作用中传递给轨道电子的能量不 足以使原子电离，相互作用的结果是轨道电子运动到更高的壳层， 即原子激发。激发后的原子放出特征X射线或产生饿歇效应。 4.散射(scattering) 入射粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动 方向与能量。 偏转角度与粒子和物质性质的关系 粒子电荷 物质原子序数 粒子质量 粒子速度 偏转角 q Z m v 反散射：在一次或多次散射后，粒子转向入射 方向运动 5.韧致辐射（bremsstrahlung） 高速带电粒子穿过物质时，受原子核的作用力 而改变速度，失去动能，其中的一部分动能以 电磁波的形式辐射出来。 特点 韧致辐射发射的能量分布从0
26、到粒子的最大能量都有。 轻元素（H,C）产生韧致辐射较少，而重元素（如铅） 产生的韧致辐射多。 只有当粒子能量较高时，韧致辐射才显著。 轻粒子（如粒子）才有显著的韧致辐射。 应用：防护屏的材料应采用原子序数较低的物 质作为第一层。 6吸收 入射带电粒子经电离、激发和韧致辐射等 失去能量后，被物质吸收。 粒子俘获周围原子的两个电子成为氦原子 -粒子成为自由电子 +粒子与电子产生湮灭反应后消失 射程：带电粒子在物质中运动从起点到终点的 直线距离 （二） 射线与物质的相互作用 1、射线的本质 无静质量、无电荷 粒子、波、光子、射线、电离辐射 （能量包） 2、光电效应（photoelectric ef
27、fect） 1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电 效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。 也称光电吸收（photoelectric absorption） 是指光子在与原子的作用中，把全部能量传递 给一个轨道电子，使其脱离原子，成为自由电 子，原子被电离，光子本身消失。电子的动能 为Epe=E-Eb，其中E为光子能量，Eb为电 子所在壳层的结合能。 当能量足够时，打出内层电子的几率大 光电效应发生的几率，随原子序数的增加而增 加，随光子能量的增加而减少 ( Z3/E3)。 3、康普顿效应（Compton effect） 又称为康普顿-吴有训效应和康普顿散射 (scattering)
28、。其过程是光子与物质 的电子相互作用，把一部分能量传递给 电子，使其脱离原子，光子改变运动方 向。 )cos1)(511. 0/(1/ EEE 特点 光子的散射与物质的特性基本无关 高能光子散射少，低能光子散射多 当散射角很小时，光子在散射中 几乎不损失能量， 当=180度时，称为反散射，此时 光子损失的能量最大。散射电子的能 量为 )2555. 0/( 2max EEE e 光子能量与散射角 区分散射光子的方法(1) 采用准直器（Collimator） 区分散射光子的方法(2) 能量窗（能量窗（Energy window） 4、电子对生成(electron pair production)
29、当能量大于1.02MeV的光子从核附近穿过时， 产生一个正负电子对，而光子本身消失。 特点 正、负电子的能量分配是随机的。 Ee+Ee-=E-1.02MeV （1.02MeV是两个电子的质量所对应的能量。） 发生几率与光子的能量和物质的原子序数成 正比。 5、光子能量在物质中的消耗（Deposition of Photon Energy in Matter） 中子不带电，主要与原子核作用 弹性碰撞：中子与核作用，将一部分能量传递 给核，引起核的运动（称为反冲）。 特点：与轻核碰撞能量损失大；与重核碰撞能量损 失小； 应用：常用轻物质（含H）吸收中子。 设想中子被吸收后的变化？ 非弹性碰撞、辐射
30、俘获，（n,）反应：中子穿 入核内，将一部分能量传递给核，使核处于激 发态。激发态的核通过发射射线、发射质子、 发射粒子、裂变等方式释放能量。 （三）中子与物质的相互作用 （四）辐射剂量的基本概念 电离辐射：、n等，它们和物质作用时，都 把能量传递给物质，引起原子的电离，因此常把它们 统称为电离辐射。 1、照射量、照射量率 照射量（exposure）：X射线和光子对空气的 电离能力的量度。 单位: S.I制为库仑/千克（C/kg） 专用单位伦琴（R）、毫伦（mR）、微伦（R） 1R=2.5810-4 C.Kg-1 照射量率：单位时间内的照射量 照射量率与放射性样品的活度的关系为： P=KrC/
31、R2 Kr：照射率常数，不同核素的Kr可查 手册获得。 C：点源的放射性活度 R：距点源的距离 照射量与放射性样品的活度的关系为： X=PT=KrCT/R2 外照射防护中的三个重要因素，即时间T、 距离R和屏蔽（KrC）。为了减少照射， 应尽量缩短照射时间，增大与源的距离， 并采用适当的屏蔽措施。 2、吸收剂量（ absorbed dose） 被照射物质每单位质量所吸收的电离辐射的平 均能量 单位：格雷(Gy)和拉德(rad)。 1Gy=1焦耳.千克-1 1rad=100尔格/克=0.01Gy 1Gy=100rad 吸收剂量可从照射量换算获得， D=f.X。 f是换算因子，与介质和射线能量有关
32、，可查 表获得。 3、剂量当量 辐射类型和照射条件不同时，相同的吸 收剂量引起的生物效应不同。剂量当量是用 适当修正系数对吸收剂量进行修正，把吸收 剂量与射线对生物机体的影响统一起来，使 修正后的吸收剂量能更好地反映辐射对机体 的危害。 剂量当量只限于辐射防护中使用，不适 用于高水平事故照射剂量的估算。 单位：雷姆（rem）、西沃特（SV） 1rem=0.01SV 剂量当量（dose equivalent） 1980，国际辐射单位和测量委员会(ICRU） （4.当量剂量， equivalent dose） 1990，国际放射防护委员会(ICRP） 4、内照射剂量计算 核医学显像和治疗必 然导致
33、内照射 源器官、靶器官 累积活性 内照射与活度和时间有 关： 例：静脉注射3mCi99mTc 胶体，假如肝脏聚集注 入量的60%。问肝脏的 累积活性是多少？ 0 )( dttAA 解： 肝脏摄取胶体后无排泄，其活度的变化完全 由物理衰变引起： 计算： 累积活性=1.446.02 0.6 3.0=15.6Ci .hr 0 0 /693. 0 0 /693. 0 0 44. 1 )( TpA dteAA eAtA Tpt Tpt MIRD的基本概念 Medical Internal Radiation Dosimetry 平常人（average man） S因子 每累积活性的吸收剂量 MIRD方法
34、已计算出核医学中常用的核素的、各 种源器官-靶器官对的S因子 用MIRD方法计算吸收剂量的步骤 对每一相关的源器官 计算累积活性 确定S因子（查表、软件） 计算吸收剂量：S因子累积活性 对所有相关的源器官 累加吸收剂量 体重校正： 70/体重 （五） 以射线与物质的相互作用 探测放射性 1、 电离作用 收集电离产生的电子-离子对作为电信号，探测射线 电离室、盖革计数管 2、 荧光现象 记录闪光的次数或闪光的强度、波形，探测射线性质 3、 感光效应 4、 热效应 5、 化学变化 谢谢！ 核医学中的射线探测器 （一）核医学射线探测的目标 射线探测的目标 了解射线种类、能量、数量（活度、强度）等性质
35、， 核医学射线探测目标 通常是已知放射性核素的数量，如活度、分布、数 量随时间的变化等 （二） 放射性探测的依据 1、 电离作用 收集电离产生的电子-离子对作为电信号，探测射线 电离室、盖革计数管 2、 荧光现象 记录闪光的次数或闪光的强度、波形，探测射线性质 3、 感光效应 4、 热效应 5、 化学变化 （三） 气体探测器 1、 气体的电离和电流-电压特性曲线 A 电离电流的测量 电压 电流 FEDCBA 气体电离的电流-电压特性曲线 电流-电压特性曲线实例 2、 医用核素活度计 样 品 电流测量电路 活度显示 电压 核素选择 外电极 收集电极 l工作在饱和区饱和区的电流电离室 l特点 l几
36、何效率探测效率高 l可测量各种核素 l直接显示样品活度 l不能区分核素的性质 3、 其它气体探测器 l正比计数管 利用气体的电荷放大现象， 可测量射线粒子的能量。 lG-M计数管 只能记录粒子的数量，不 能区分粒子的能量。 l多丝正比室 用于记录粒子的运动轨迹 或核素的分布情况。 l袖珍剂量仪 专用于监测个人接受剂量 （四）半导体探测器 （ semiconductors detector） 1、物质的导电性 通常用电阻率（），即长为1cm,截面积 为1cm2的物质所具有的电阻值 来表明物 质的导电能力。 把物质按其导电能力分类 导体：10-5 (.cm) 半导体：10-41010(cm) 2、
37、能带与导电性 能级分裂为能带 绝缘体、半导体、导体的能带与导电性 载流子 电子 空穴 在半导体中，较少的能量就能形较多的载流子 思考：能象气体探测器那样用半导体或导体构成射线探测器吗？思考：能象气体探测器那样用半导体或导体构成射线探测器吗？ 3、半导体的分类 纯净半导体 （本征半导体） 如硅，化合价为4 掺杂半导体 N型半导体 加入5价元素，如磷 多余的电子和新的能级 P型半导体 加入3价元素，如硼 多余的空穴和新的能级 4、PN结（p-n junction） 空间电荷区 耗尽层：杂质原子全部电离，导电电子和 空穴数目很少 加反向电压的PN结 耗尽层变宽 厚度与反向电压的平方根成正比关系 5、
38、半导体探测器 加反向电压的PN结耗尽层作为探测器的灵敏区 当有射线在耗尽层内损失能量产生电子-空穴对时， 电子-空穴对在外加电场的作用下，形成电流，作 为探测器的输出信号 通常是测量单个射线粒子产生的脉冲信号 半导体探测器的优缺点 能量分辨率高 脉冲时间短（毫微秒） 能量线性好 体积小 工作电压低 缺点：价格贵 对电子线路要求高 使用条件严格 （五） 固体闪烁探测器 核医学中最常用的探测器 主要优点 既可测带电粒子又可测中性粒子； 既可测射线强度又可测粒子能量，还可鉴别粒子 的性质； 探测效率高； 分辨时间短； 体积可大可小，并可制成各种形状。 1、 基本工作原理 射线进入闪烁体，损失能量；闪
39、烁体吸收能量，其中 的原子受激发，在退激的过程中发生荧光；荧光光子 到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子； 电子在光电倍增管中电场的作用下数量成倍增加，最 后到达光电倍增管的阳极，输出电脉冲信号，脉冲的 幅度与射线在闪烁体中损失的能量成正比 2、 闪烁体 lNaI(Tl)闪烁晶体 是无机，固体闪烁体，由NaI单晶中加 入0.1%0.5%的铊作为激活剂制成。 特点 透明单晶，可制成各种大小和 形状 发光光谱与光电倍增管很好配 合 密度较大，射线探测效率高 对10keV-10MeV的射线，光 能输出是一个常数，可用于测 能谱。 易碎 易潮解（变黄） 其它闪烁体 BGO （锗酸铋） LSO
40、（硅酸镥） 液体闪烁体、气体闪烁体 闪烁体的性能指标（1） 光能输出额 =闪烁体发出的光子数/闪烁体吸收的射线能量 发光效率Ce Ce=闪烁体放出的光能量/闪烁吸收的射线能量 和Ce越大越好，和Ce在一定能量范围内应是常 数。 发光衰减时间ep 发光光谱 能量分辨率 密度 折射率n：n要求小，以减少全反射。 闪烁体的性能指标（2） 闪烁体的性能指标（3） 3、 光电倍增管 l作用：将微弱的光信号转换成电子并倍增放大成 易于测量的电信号。 l构成：真空器件 l光阴极：用光电转换效率高的材料制成（如锑-铯合金） l聚焦极：把光阴极发射的电子聚焦，引向第一打拿极 l次阴极（打拿极，dynode ）：
41、镍片上蒸涂银-锰等材料 l阳极：收集倍增电子，输出电压脉冲。 光阴极聚焦极打拿极阳极 光电倍增管结构示意 工作过程 l光电倍增管的特性 l光谱响应：光电子的发射数量与入射光波长的关系； l光阴极灵敏度（量子效率）：一个光子在光阴极上 打出一个电子的几率（25%）； l放大倍数：阳极上得到的电子数与光阴极上发射的 电子数之比。 M=dN ，d是打拿极的平均放大倍数，N是打拿极数 目； （108） M对供电电压的变化很敏感 ，电压变化1%，M变化 约10%，因此，光电倍增管的供电电压要求高稳定 度。 高压供电方法 串联电阻分压器 4、光导 安放在闪烁体的透明窗口与光电倍增管光阴 极玻璃表面之间的光
42、学材料。 作用 减少光的折射和全反射（用硅油） 如：NaI(Tl)n=1.77与空气n=1接触 ic=34.4 NaI(Tl)与光学硅油n=1.45接触ic=55; 闪烁体面积与光电倍增管光阴极面积不等时，可 用光导作中间过渡; 在照相机中，特殊设计的光导可改善照相机的 图象均匀性和线性 在特殊环境中，如强电磁场，高温，低温等，不 宜于PMT工作，可用光导使PMT远离。 5、闪烁探测器的结构 “探头”的概念 4、 闪烁能谱 l能谱：将从探测器 得到的电压脉冲幅 度与某一幅度出现 的次数的变化关系 描绘成曲线，它代 表了晶体中接收到 的能量的分布情况 l 能谱构成（1） l全能峰（光电峰） 光电
43、效应中，光子的 能量全部传递给晶体，能谱 中对应的峰代表了射线的全 部能量，称为全能峰。因为 全能峰主要由光电效应产生， 所以更多地被称为光电峰。 同样，在康普顿散射中，如 果散射电子和散射光子的能 量被全部吸收，也对全能峰 有贡献。 l能谱构成（2） l康普顿连续谱 康普顿散射中，散射 电子的能量在0到最大散 射能量之间连续分布，散 射电子的能量容易被吸收， 在能谱中形成连续分布， 称为康普顿连续谱 反散射时光子损失的能 量最大，散射电子的能量 为 )2555. 0/( 2max EEE e 实际能谱 峰变宽，边缘变平缓 反散射峰 有一些光子打在放 射源的包装物或探测器 周围的物质上，被散射
44、 的光子的散射角在90度 到180度之间时，可以返 回到探测器内而形成反 散射峰，迭加在康普顿 连续谱上。 Eb+Ece=E 其它成份 能量分辨率（1） 在实际能谱中，由于光电峰变宽，能量相 近的射线的光电峰可能重叠而无法分辨。 光电峰的形状很接近正态分布（高斯分布）， 按此分布计算，如果射线的能量相差小于 峰的半高宽（FWHM，full width at half maximum）,则两个峰完全无法分辨。因此常 用光电峰的半高宽代表射线探测系统的能量 分辨能力，称为能量分辨率，常用半高宽与 能量之比的百分数表示。例如对核医学中常 用的核素99mTc的140KeV的射线，NaI(Tl) 探测器
45、的能量分辨率约为10%。 能量分辨率（2） l能量分辨率与能量 的关系 l能谱与闪烁体大小 的关系 散射与能量的关系 E, 散射成份相对于光电 峰而言是增加的 但是E,散射成份与光电峰 的区分越明显 例如 . 90o 散射 入射 ， 散射 100keV, 84keV 500keV, 253keV 5、能量窗 预设的能量（电压） 范围 通过选择能量来选择 要测量的核素 光电峰 排除散射、本底等因 素的影响 （本底？求同学演讲） （六） 液体闪烁计数器 用途：用于测量低能射线。 特点 采用液体闪烁体，提高探测效率（放射性样品溶解 或悬浮在闪烁液(cocktail)中） 采用双光电倍增管符合电路减低
46、噪声的影响 （七）核医学探测器的发展 新的或改良的闪烁体，如LSO，配合 雪崩式光电二极管 比PMT更坚固、紧凑、量子效率更高（90%）、工作区域更宽、 动态工作范围更大 低价位的多通道光电倍增管 新型半导体探测器 室温、适合于探测射线，如CdZnTe(含80% CdTe、20% ZnTe) 核医学射线测量仪器 （一）核医学仪器基本构成和原理 核医学射线测量仪器主要由三部分组成。 一是射线探测器，利用射线和物质相互作用产生的各种 效应，如电离电荷、荧光现象等，将射线的辐射能转变 为电子线路部分能处理的电信号。常根据需要把探测器 和最基本的电子线路，如前置放大器等封装在一起，形 成一个独立的单元
47、，这部分常称为探头。 二是电子线路部分，即根据不同的测量要求和探测器的 特点而设计的分析和记录电信号的电子测量仪器，如放 大器、脉冲幅度分析器、计数率计、计数器等。 三是各种附加部件，该部分在仪器中起辅助作用，如按 不同的检测目的和需要而配备的电子计算机数据处理系 统、自动控制系统、显示系统和储存系统等，进一步完 善了仪器的性能 （二）电子线路部分 1、 放大器 匹配和降噪：前置放大器 放大：稳定、可调的放大倍数 滤波 成形 2、 定时计数器（定标 器） 记录预定时间内的脉冲 数 3、 计数率仪 连续显示和记录脉冲计 数率（单位时间内的 脉冲数） 4、脉冲幅度鉴别器 构成： 电压幅度比较器 输
48、入： 各种幅度的脉冲信号 输出： 恒定幅度的脉冲信号 条件： 输入的脉冲幅度大于预定的电压（阈值） 作用： 鉴别粒子能量是否大于阈值 5、 脉冲幅度分析器 构成： 两个电压幅度比较器 输入： 各种幅度的脉冲信号 输出： 恒定幅度的脉冲信号 条件： 输入脉冲幅度在下阈值和上阈值之间 作用： 分析粒子能量是否在能量窗内 压 电 上阈 下阈 AB C 输入信号 输出信号 脉冲幅度分析示意 下阈 上阈 计数率 电压或能量 能量窗的设置 6、多道脉冲幅度 分析器 （Multichannel Analyzers ，MCA) 核心是模拟核心是模拟-数字数字 转换（转换（ ADC: Analog- to- D
49、igital Converter） （三）核医学仪器的系统分类 脉冲计数系统 脉冲幅度分析系统 平均水平探测系统 符合测量系统 脉冲计数系统 脉冲幅度分析系统 多道脉冲幅度分析系统 平均水平探测系统 符合测量系统 （四）核医学中射线的测量 平均水平探测系统 脉冲计数系统 脉冲幅度分析系统 （符合测量系统：PET） 射线测量原理 工作条件选择 目的 保证设备的参数适合于待测核素，实现核素选择功 能 基本要求 探测效率高 稳定性好 易于操作 可变因素 光电倍增管的供电高压 放大器的放大倍数 脉冲幅度鉴别器的阈值 脉冲幅度分析器的阈值和道宽 不同工作条件下能谱的变化 下阈 上阈 计数率 电压 积分测
50、量与微分测量 积分测量 微分测量 积分能谱 微分能谱 下阈 上阈 计数率 电压或能量 选择工作条件的方法 坪曲线法 优值方法 能量刻度法 坪曲线法 高压选择 放大倍数选择 阈值选择 道宽选择 高压 坪曲线示意图 计数率 积分能谱 微分能谱 下 阈 上阈 计数率 电压或能量 本方法特点：直观、主观 优值方法（1） 优值的意义： 当NsNb 当NsNb b s N N Q b s N N Q 2 )( 2 2 2 1 b sb s NN N T Q 优值方法（2） 在高压、放大倍数、阈值中固定 两个参数，变化一个参数，测得优 值随这个参数的变化情况，找出其 最大值。对其它参数组合重复测量 优值，一
