第二节　射线探测器种类

依据探测原理可将射线探测器笼统地分为三大类：电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器。

一、电离探测器及其应用

（一）原理

通常情况下电离探测器的探测材料都是气体，所以又称气体探测器。气体探测器的核心部分是电离室，电离室两端设有正、负两个电极，室内充满惰性气体。入射射线引起气体原子的电离，产生电子-离子对。在两个电极上施加高压电场，电子和离子分别向电场的两极运动从而形成电流（图2-1）。

根据外加电压的不同，气体探测器会处于不同的工作状态，根据其状态特点可以将其分成不同的工作区域：复合区、电离饱和区、正比区、Geiger计数区和放电区。

（二）复合区

复合区的电压为0～300V，在这一电压范围时，由于电场强度比较低，电子-离子对经过电离室敏感区时漂移的速度比较低，一部分电子和离子会进行重新复合，使一部分电子未能到达阳极，最终导致探测到的信号低于电离数。我们称0～300V偏置电压区为复合区。

（三）电离饱和区

当偏置电压增加到300V时，基本不存在复合，所有的原电子（入射射线电离探测器材料所产生的电子）都被阳极收集到，探测信号达到最大。即使将偏置电压继续提高到600V，探测信号也不会增加，因为在这一阶段不会再有额外的原电子被阳极收集到。偏置电压处于300～600V时，探测信号等于原电子的数量，并且与入射射线的能量成正比，我们称这一区域为电离饱和区。工作在这个区域的气体探测器称为电离探测器。电离探测器主要用于射线治疗仪输出剂量的校正和核医学活度计。

（四）正比区

将偏置电压继续加大到600～900V时，强大的电场会加速流向阳极的自由电子，其速度之高足以打出电离敏感区内的次级电子，次级电子被电场加速后有可能再产生次级电子，这种现象被称作气体放大。这些次级电子与原电子一起构成探测信号，电压越高，电子的能量也越高，组成信号的次级电子也就越多，探测到的总电子数与原电子数之比称为放大倍数。工作在这一区段的探测器探测到的信号正比于电子的数量及入射射线的能量，我们称这一区段为正比计数区。正比计数器就工作在这一区域，高灵敏性和能量甄别是其最大优势。

（五）Geiger计数区

当偏置电压增加到900V以上时，由原电子和次级电子组成的自由电子被加速到更高的速度，它们将生成更多的次级电子，使得信号再一次达到饱和，即使电压再升高也不会对其造成影响，我们称900～1200V区段为Geiger计数区。Geiger计数探测器具有高灵敏性，电压稳定性好，常用于测量环境辐射水平和放射性污染的监测仪，它的高灵敏度和无能量依赖性是在其领域应用的保障。

（六）放电区

将偏置电压设置在1200V以上，由于气体被击穿，即使没有入射射线，探测材料也能自发的电离而生成伪信号，因而我们称1200V以上电压区为自发放电区。

需要指出的是，以上所说的电压300V、600V、900V和1200V等只是为了给读者一个直观的概念而给出了这些具体的电压值，其实它们只是一个大概的电压范围，在不同的气体探测器中会取不同的值。

二、闪烁探测器

（一）原理

闪烁探测器是目前核医学中应用最广泛的一类探测器，它们大多采用闪烁晶体+光电倍增管（PMT）的结构。入射射线与闪烁晶体[如碘化钠，NaI（TI）]相互作用并将能量沉积其内，这些沉积的射线能量被转换成可见闪烁光并向四周发射。晶体的后面可透光，以便与PMT耦合，晶体的外面涂有反光材料，它可以使侧向及前向发射的闪烁光子反射到PMT，使收集的光子数量最大化，从而保证探测器的灵敏度。晶体与PMT之间通过光导耦合连接，现在的光导仅为很薄的光耦合剂。光导耦合能够确保更多的闪烁光子进入PMT，入射的闪烁光子轰击PMT光阴极并打出电子。光阴极的电压是0V，与此毗邻的是聚焦栅极，聚焦栅极的电压是10V左右。当光阴极产生的电子通过聚焦栅极后，被加有300V高电压的第一打拿极所吸引，每个电子与第一打拿极高速碰撞时平均打出3个电子，这些电子被加有更高电压（400V）的第二打拿极所吸引，高速碰撞过程中，每个电子又平均打出另外3个电子。PMT通常具有10～12个打拿极，每个打拿极的电压值逐个增高100V，这样算下来PMT的倍增系数为310～312。最后在PMT的阳极输出一个较大的电脉冲信号，这些形状不规则的信号又经过前置放大器整形与进一步放大，最终生成能够进行电子学处理的脉冲。脉冲幅度或高度正比于PMT光阴极生成的电子数量，同时也正比于入射射线的能量。脉冲高度分析器对脉冲进行甄别，其高度在预置能窗之内的脉冲被定标器接受并计数。图2-2给出了闪烁探测器的组成情况。

（二）评价指标

闪烁晶体的主要评价指标包括：密度、原子序数、光产额、闪烁衰减时间、光折射系数和发射光谱等。

高密度和高原子序数能够提高晶体的γ光子阻止能力，从而使更多的γ光子能量沉积其内，改善探测灵敏度。高原子序数的晶体还可以使光电效应与康普顿散射的比值增加，从而使光子的能量甄别更方便。

光产额表征闪烁晶体将入射射线转换为闪烁光子的性能，代表晶体吸收单位能量的入射射线所产生的闪烁光子数量。闪烁探测器的脉冲信号输出正比于入射射线的能量和闪烁晶体的光产额，高的光产额可以降低晶体闪烁光子和相关电子的统计噪声，提高能量分辨率。

光子闪烁衰减时间表示闪烁光子数从最大值下降到其1/e所需要的时间。光子衰减时间越短越好，可以提高计数率，也可以使用较短的符合时间窗。

晶体的光折射系数高低本身不存在好与不好之分，它与PMT的光窗的折射率越接近越好，这样可以保证使更多的闪烁光子进入PMT。

发射光谱即闪烁晶体发射的光子的波长分布曲线。它与PMT的光阴极的敏感波长匹配度越高最好。

目前核医学领域使用的闪烁晶体有 NaI（TI）、BGO、LSO、LYSO、GSO。 NaI（TI）通常用于γ照相机和SPECT系统，其他晶体多用于PET系统。

（三）常用晶体的物理及光学参数

三、半导体探测器

（一）原理

导体、绝缘体和半导体之间的区别取决于它们的禁带宽度。半导体的禁带宽度非常窄，入射射线可以使电子从价带跃迁到导带，从而形成电子-空穴对，在外加电场的作用下能够形成电信号（图2-3），其信号幅度等于辐射所生成的电子-空穴对的数量，并正比于入射射线的能量。

（二）与核医学领域相关的半导体探测材料

目前核医学领域应用较多的半导体探测器材料包括碲化镉（CdTe），碲锌镉（CZT），碘化汞（HgI2）。它们的密度大，原子序数高，而且禁带宽度较大，适合于正常室温下的工作环境。

半导体探测器的探头方便灵巧，能够直接光电转换，能量分辨率好，排除散射能力强。像素化的小晶体设计确保了仪器的高空间分辨率。目前在小型仪器中使用较多，例如术中探测仪、乳腺及心脏专用小视野γ照相机等。