呂子祎，董建榮，何培忠

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

研究人員很早就認識到將液氙作為粒子探測的優(yōu)勢。歷史上，液氙用于粒子探測的優(yōu)勢是Alvarez在1969年首次認識到的[1]。隨著Berkeley研究組第一臺液氙電離探測器的研發(fā)，俄羅斯和日本的獨立團隊也進行了實驗來研究液氙放射性探測的基本性質(zhì)。從Dolgoshein[2]、Doke[3]等的開創(chuàng)性工作和康普頓望遠鏡大體積液氙時間投影室的首次開發(fā)[4]，到如今液氙成為暗物質(zhì)直接探測的主要技術(shù)之一，我們可以看到液氙探測器在不同領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。與其他探測器介質(zhì)相比，液態(tài)稀有氣體具有電離電子和閃爍光子對放射響應(yīng)的獨特特性。使用兩種高探測效率信號的探測器在測量放射特性方面具有顯著優(yōu)勢。近年來，以液氙為閃爍體的178 nm波長閃爍光子高效率光電探測器的研制取得了很大進展。同時，具有足夠的液化和維持液體溫度能力的低溫冷卻器的研制，使探測器的運行更加可靠。

2 液氙基本性質(zhì)

氙氣是一種惰性氣體，在空氣中含量少于0.1 ppm，可以通過空氣分離和進一步低溫蒸餾技術(shù)制備高純氙氣(99.999%)。高純氙氣通過制冷機或液氮制冷的方式冷卻到-100℃，形成密度約為3 g/cm3的液氙(LXe)[5]。外部入射粒子與氙原子核或者外層電子發(fā)生散射，散射粒子獲得一部分動能，產(chǎn)生反沖，這些額外能量會以閃爍光子和電離電子的形式釋放出來，在液氙中產(chǎn)生閃光和電離信號。在所有惰性氣體中，氙具有最高的電離產(chǎn)額和閃爍光產(chǎn)額，意味著其內(nèi)部沉積的額外能量能夠產(chǎn)生較強的可供探測的閃光和電離信號。除了半衰期長達1 021年的氙136同位素外，氙沒有其他長壽命的放射性同位素，所以純氙本身具有較低的本底，同時氙在常溫下是氣體，提純相對簡單。然后，液氙的高原子序數(shù)(54)和高密度(3 g/cm3)使其具有非常有效的阻止穿透性輻射，與NaI(Tl)等晶體閃爍體或Ge等半導(dǎo)體相比，液氙提供了很好的屏蔽作用，這是其他閃爍體不易實現(xiàn)的。液氙作為閃爍體的特性總結(jié)見表1，與常用晶體LSO和BGO相比，具有很好的優(yōu)越性[6]。作為一種優(yōu)異的探測介質(zhì), 液態(tài)氙的閃爍率高、閃爍衰減時間快，更適合應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)，并且液態(tài)氙的價格比目前的晶體都便宜，具有很大的優(yōu)勢。

表1液態(tài)氙作為閃爍體的性能與常用的PET閃爍體相比(液態(tài)氙中的光子數(shù)是在2kv/cm的電場中給出的)

Table1Compare the properties of liquid Xenon as a scintillator to commonly scintillators used for PET(The number of photos in liquid Xenon is given at an electric field of2kv/cm)

參數(shù)BGOLSOLXe511 kev時的衰減長(mm)111236光電比(%)423322#511 kev下產(chǎn)生的光子數(shù)3 30016 40012 000衰減時間常數(shù)(ns)300402(97%),27(2%)峰值波長(nm)480420178

3 正電子發(fā)射斷層成像

正電子發(fā)射斷層成像(PET)是一種先進的診斷成像技術(shù)。PET系統(tǒng)的原理是將由正電子放射性同位素標記的藥物注入生物體內(nèi)，嵌入生物體內(nèi)特定的分子中，以測量不同器官或癌細胞對其的攝取量。通過重建正電子湮滅過程中產(chǎn)生的兩個沿相反方向飛行的511 keV伽馬光子響應(yīng)線，可獲得顯示正電子發(fā)射放射性同位素位置的圖像。湮滅發(fā)生在離正電子源幾毫米之內(nèi)時，在探測器中同時檢測兩個光子及其相互作用點的坐標，可以確定正電子放射源在患者體內(nèi)位置的一條直線。一組這樣的交叉線可以對放射源進行三維重建。因此，對PET探測器的主要要求是高光子探測效率、高能量分辨率、高位置分辨率、降低假光子組合時間分辨率。PET探測器必須非常有效地檢測511 keV伽馬射線，并且具有1 mm的位置分辨率。為限制來自不同湮滅(稱為隨機湮滅)過程的光子假組合的數(shù)量，通常需要3 ns或更靈敏的時間分辨率。在進入探測器敏感區(qū)之前光子的相互作用會使圖像失真。這些光子通過在探測器中沉積511 keV可以被移除。為了限制大多數(shù)散射光子進入探測敏感區(qū)域，需要不低于9%(FHWM)的能量分辨率[6]。

4 研究進展

首次將液氙用于SPECT時，測得的位置分辨率可達4 mm(FWHM)，計數(shù)率可達106 c/s,但是由于使用的多絲正比計數(shù)器的不穩(wěn)定性，妨礙了它作為一個實用伽馬照相機的使用[4]。1983年，Egorov等利用高壓氙氣的電致發(fā)光成功研發(fā)了伽馬照相機，能夠?qū)?22 keV伽馬射線獲得3.5 mm(FWHM)空間分辨率和15%(FWHM)能量分辨率[7]。隨后的液氙探測在醫(yī)學(xué)成像方面的研究大多集中于PET系統(tǒng)上。液氙探測主要有兩種方法：僅使用閃爍信號測量伽馬射線能量和位置的探測器(不加電場)；閃爍信號僅作為事件的觸發(fā)器，通過電離信號測量伽馬射線能量和位置的探測器(加電場)。在此討論了這兩種方法的發(fā)展和現(xiàn)狀。

4.1 LXe TOF PET

該方法只測量初次閃光，此時光電倍增管PMT浸沒在液氙中。1976年，Lavoie首次提出了以LXe作為閃爍體的優(yōu)良性能構(gòu)建TOF PET的可能性[8]。Waseda研究組于1997年開始對TOF PET進行研究，在2000年建立了由兩個液氙電離室組成的一個原型。2001年開始對原型進行測試[9]。此后不久，改進的PMT便用于原型[10]。2006年又提出了一種軸向感光長度為24 cm的全尺寸TOF PET。Grenoble研究組提出了另一個關(guān)于LXe TOF PET的建議，采用分光法測量軸向位置[11]，然而得到的位置分辨率在中心區(qū)域僅為10 mm(FWHM)[12],與市場上的晶體PET毫無競爭力。

最近有研究提出了一種基于LXe的正電子發(fā)射TOF裝置——Petalo，是由硅光電倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)讀出的基于液氙優(yōu)良閃爍特性的新型閃爍探測器[13-14]。Petalo的關(guān)鍵技術(shù)是以高效率、最小的幾何畸變和均衡的響應(yīng)來捕獲液氙閃爍產(chǎn)生的大部分光，以獲得良好的能量和空間分辨率并進行TOF測量。SiPM因能夠提供大面積、高增益和非常低的噪聲而作為Petalo的光讀出傳感器(目前即將完全取代PMT)。在氙的液化溫度下，SiPM可以正常運行，其暗計數(shù)率基本可以忽略不計。見圖1，在其最簡單的版本中,每個單元均有入口和出口面，而其他單元則被高反射材料(如聚四氟乙烯)覆蓋，該材料在紫外線波長下具有接近100%的反射效率[15]。盒子本身的形狀和尺寸可以適應(yīng)特定的應(yīng)用，還可以根據(jù)應(yīng)用程序調(diào)整SiPM的大小和類型。一項蒙特卡羅研究表明，Petalo可以獲得能量分辨率為12%(FWHM)，空間分辨率為2 mm(FWHM)，光探測效率為20%[13]，可以獲得一個非常好的CRT，其FWHM可達70 ps。該方法克服了在PET技術(shù)中使用LXE的缺點，不會因漂移而產(chǎn)生高電壓和死區(qū)時間。此外，它還利用了更小的新一代傳感器，在伽馬相互作用的重建中提供更好的空間分辨率。

圖1 Petalo的液氙閃爍室簡易模型

4.2 LXe Compton PET

該探測方法基于時間投影室(time projection chamber,TPC)。文獻[16]中，液氙TPC被提議使用于Compton PET系統(tǒng)，主要因為電離信號和閃爍光信號的結(jié)合提高了能量分辨率。在2 kV/cm電場強度下，一個511 keV的光子在液態(tài)氙中產(chǎn)生約2萬個電子離子對。用低噪聲電子設(shè)備可以輕易探測到這些電子，并且光子的擴散非常小，能獲得非常精確的位置分辨率。TPC的液氙探測器通過綜合測量空間內(nèi)每個相互作用點的空間坐標和能量損失，使用康普頓運動學(xué)來測量交互序列[17]。1993年，Chepelsh首次提出在LXe TPC同時讀取閃爍電荷和電離電荷[18]，此后又做了大量工作,隨后的研發(fā)記錄在參考文獻[19-27]中。后來盡管使用122 keV伽馬射線得到了小于2 mm的位置分辨率，但對511 keV伽馬射線來說至今未達到[28-29]。2007年，法國Subatech的Xemis小組開始建造LXe Compton PET，該PET系統(tǒng)使用會發(fā)射高能伽馬β+衰變同位素，如44sc[30-31]。Nantes研究組使用微結(jié)構(gòu)模式電荷讀出和一個氣體光電倍增管(GPM)[32]的方法，證明了用一個完全浸沒在液氙中的所謂的微型氣體探測器能完全收集電離電子[33]。Giboni等使用無窗口雪崩光電二極管(APD)測得液氙中511 keV伽馬射線的時間分辨率約為270 ps[34]。

這些研究并未充分利用LXe應(yīng)用于PET的全部潛力。一方面，雖然同時讀取光和電荷可以提供更好的能量和空間分辨率，但TPC速度較慢，并且由于電荷漂移而引入死區(qū)時間，可能會降低靈敏度，增加探測器的復(fù)雜性和成本，從而限制該技術(shù)的大規(guī)模實施。另一方面，大尺寸的PMT會導(dǎo)致較低的幾何校正精度和較差的空間分辨率。

4 總結(jié)

用于改進醫(yī)學(xué)成像的液氙探測器得到了快速發(fā)展，這是一項有益于整個社會的實際應(yīng)用。在高速、高靈敏度的PET系統(tǒng)中使用液氙探測器對醫(yī)學(xué)成像具有潛在的重要意義。液氙探測器與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，存在著成本、安全性和復(fù)雜性等實際問題，加上快速產(chǎn)生圖像，復(fù)雜康普頓重建等其他要求，所以這項技術(shù)在被應(yīng)用之前需要做更多的研究。在國內(nèi)，液氙探測技術(shù)在暗物質(zhì)探測中趨于成熟[35]，然而在醫(yī)學(xué)成像上的研究還未深入，希望本研究能夠?qū)鴥?nèi)研究人員起到一定的作用。