医学专题—放射性核素的探测概述8414.ppt

课堂练习 已知一Sr标准源1981年3月18日，标定其强度为0.4uCi。若用一探测效率(xio l)为40%，本底计数为600cpm的探测器测该标准源，问该标准源衰变到2004年9月18日时，其放射性强度是多少Bq?第一页，共五十一页。在某次测量中，5min测得放射源加本底(bn d)的总计数N=1080，移去放射源，10min测得本底(bn d)总计数为223，求放射源的静计数率 第二页，共五十一页。第二章第二章放射性核素的探放射性核素的探测(tnc)(tnc)第一第一节 气体气体电离探离探测器器 第二第二节 闪烁探探测器器 第三第三节 放射性探放射性探测器中使用的器中使用的电子子仪器器第四第四节 放射性放射性样品的品的测量量第五第五节核核计数数(jsh)(jsh)的的统计学学处理理第三页，共五十一页。探探测器器测量核射量核射线是基于是基于(jy)(jy)第一章中我第一章中我们学学过的的什么原理什么原理?射射线与物与物质作用能作用能产生各种效生各种效应。电离、激离、激发、光、光电效效应放大放大(fngd)电信号信号记录器器记录电脉冲脉冲（光（光变成成电）。）。探头(tn tu)电子线路第四页，共五十一页。常用常用(chn yn)的探测器类型的探测器类型 测量形式测量形式气体(qt)电离探测器固体闪烁探测器液体闪烁探测器半导体探测器激光扫描仪r照相机,PET,SPECT放射自显影放射自显影定量(dngling)（强度测量）定性（能量测量）定位（相对定量，绝定位（相对定量，绝 对定位）对定位）第五页，共五十一页。第一节 气体(qt)电离探测器 气体作为吸收射线（带电粒子）的介质。带电粒子穿过气体时，气体被电离产生电子和正离子。在外电场作用下，引起一个瞬间的电离电流随着外电场的增加和降低，电极上收集到的离子对数(du sh)也随之变化。见下一张图。第六页，共五十一页。当带电粒子穿过气体时，气体被电离当带电粒子穿过气体时，气体被电离(dinl)(dinl)产生电子和正离子，产生电子和正离子，并做混乱的热并做混乱的热运动。运动。在在没有外没有外电场(E)(E)时，电离离产生的生的电子和正离子在子和正离子在混乱的混乱的热运运动中，中，又复合成气体分子。又复合成气体分子。在外在外电场作用作用下下,电子向正极子向正极漂移漂移，正，正离子向离子向负极漂移。极漂移。当当EVEV1 1时，一些正离子和，一些正离子和电子会重子会重新新复合复合成中性分子，成中性分子，电极两端极两端收集收集到的到的离子离子对数小于数小于射射线的的初始初始电离离的离子数。的离子数。V V1 1EVEV2 2，射射线产生的生的电子和离子子和离子完完全被收集全被收集，收集到，收集到.等于等于(dngy)(dngy).V V2 2EVEV3 3，电子在运子在运动过程中可程中可获得得足足够的能量，的能量，产生生次次级电子子。收集的。收集的.大于大于.,“.,“气体放大气体放大”。V V3 3EVEV4 4,有限正比有限正比。V V4 4EVEV5 5，G-MG-M区区，气体探气体探测器工作在器工作在这个区。个区。放放电区区复合(fh)区饱和区正比区有限正比区G-M计数区放电区第七页，共五十一页。图图2-9.G-M2-9.G-M计数管结构示意图计数管结构示意图第八页，共五十一页。G-M计数器（Geiger-Muller Counters）射线（带电粒子）进入G-M 管，产生电离，气体放大，雪崩现象，假计数，淬灭。G-M 管内充有两种气体：1、惰性气体 2、卤素气体（有机蒸汽）。淬灭原理：、淬灭气体比惰性气体电离电势低。、淬灭气体的正离子在与阴极作用时，打出次级电子和光子(gungz)的几率很小。3、淬灭气体对光子具有较强的吸收能力。初始电离效应，在高外电场下，气体放大，导致的电子(dinz)增值过程。工作(gngzu)气体淬灭气体淬灭气体第九页，共五十一页。图图2-13.G-M2-13.G-M防护仪防护仪（polon-ekolab的产品）第十页，共五十一页。闪烁(shn shu)探测器（Scintillation Detectors）闪烁探测器的组成见右图。闪烁体的种类很多，从化学成份上看分为无机和有机两大类，而从物理形态(xngti)上又分为固体、固溶体、液体和气体。理想闪烁体的特征。无机和有机闪烁体的发光机制有很大的不同。大家自己看讲义。常用的无机闪烁体（常用的无机闪烁体（NaI(Tl),ZnS(Ag),NaI(Tl),ZnS(Ag),常用的有机闪烁体（塑料闪烁体）常用的有机闪烁体（塑料闪烁体）液体闪烁体（组成、特点）1、闪烁体应有较好的将吸收射线能量转变成光的能力，即有高的发光(f un)效率。2、能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射粒子能量之间应有线性关系。3、闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减时间要短。4、有好的化学和辐射稳定性，及小的温度效应5、易作成大晶体，高密度。透明度和光学均匀 度好。用于射线探测用于射线探测用于射线探测第十一页，共五十一页。理想闪烁(shn shu)体特性：闪烁体应有较好的将吸收射线能量转变成光的能力，即有高的发光效率。能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射粒子能量之间应有线性关系。闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减时间要短。有好的化学和辐射(fsh)稳定性，及小的温度效应。易作成大晶体，高密度。透明度和光学均匀度好。第十二页，共五十一页。液体(yt)闪烁体由溶剂、溶质、添加剂组成闪烁液中99%以上是有机溶剂（甲苯、二氧杂环乙烷(y wn)和二甲苯等）。溶质：第一溶质（0.3-1%）对联三苯TPNO2,5-二苯基氧氮杂茂PPOONN2-苯基-5（4-二苯基）-1，3，4-氧二氮杂茂PBD第二溶质（0.01-0.05%CH3CH3NONODMPOPOP1,4-双-2-（4-甲基-苯基噁唑基）-苯NONOPOPOP 1,4-双-2-（5-苯基噁唑基）-苯CH3CH3CH=CHCH=CH双-MSB对-双（邻-甲基苯乙烯基）-苯添加剂（也称第二(d r)溶剂）萘、乙醇、甲醇等1、溶解样品和溶质。2、接收样品的能量转移给第一溶质。主溶质，作用：接收溶剂传递的能量并发光。作用：接收第一溶质发射的光，发射较长波长的光。波长转移剂波长转移剂。1、改善溶剂的溶解度；2、增加光传递效率；3、分散样品。第十三页，共五十一页。死死时间(shjin)(shjin)”（D D）、“恢复恢复时间”（R R）、“分辨分辨时间”（）一次雪崩后，一次雪崩后，质量相量相对大的阳离子，大的阳离子，由于迁移速度由于迁移速度远小于小于电子，故仍滞子，故仍滞留在阳极留在阳极丝周周围，形成阳离子鞘，形成阳离子鞘，抵消了一部分外抵消了一部分外电场。此。此时(csh)(csh)不能引起不能引起G-MG-M计数器的再一次雪崩，数器的再一次雪崩，这段段时间称称G-MG-M计数器的数器的“死死时间”（D D）。随着阳离子鞘不断向阴极运随着阳离子鞘不断向阴极运动，阳极，阳极丝周周围的的电场逐逐渐恢复，入射粒子形恢复，入射粒子形成的脉冲幅度逐成的脉冲幅度逐渐增大，从有脉冲出增大，从有脉冲出现到脉冲幅度恢复到最大到脉冲幅度恢复到最大值所需要的所需要的时间称称为“恢复恢复时间”（R R）。）。探探测器能器能记录下来的两个相下来的两个相邻脉冲脉冲的最短的最短时间间隔，称隔，称为“分辨分辨时间”（）。第十四页，共五十一页。光光电倍增倍增(bi zn)管管将光将光变成成电(阴极阴极)光光电子在倍增子在倍增(bizn)(bizn)级中倍增中倍增(bizn)(bizn)阳极阳极输出出电脉冲脉冲光耦合光耦合剂和光和光导第十五页，共五十一页。放射性探放射性探测器中使用器中使用(shyng)(shyng)的的电子子仪器器 电脉冲通脉冲通过(tnggu)(tnggu)电子子仪器的状况器的状况.定定标器或器或记录仪是在是在给定定的的时间内，累内，累计、显示，示，由脉冲高度分析器由脉冲高度分析器输出的出的信号。信号。各种探各种探测器器电子子线路部分路部分基本相同基本相同.第十六页，共五十一页。探测器的调试探测器的调试(dio sh)确定(qudng)甑别域值确定工作电压调整放大倍数计算探测效率(E)品质因素(F)的计算甑别域计数率有源无源(w yun)工作阈值第十七页，共五十一页。放射性样品(yngpn)的测量 探测器的测量方式:定量测量(获得样品量多少(dusho)的测量)绝对测量:利用测量装置直接测量或经过各种校正后测得样品的活度。相对测量:将样品和标准源在相同条件下进行测量。定性测量：根据放射性核素在衰变时都会发射(fsh)出自己特征能 量的射线，分析判断出射线种类样品的计数（cps)-本底计数（cps)E（探测效率）测量样品的制备 液闪测量中的淬灭校正方法 样品的衰变数(dps)=第十八页，共五十一页。测量样品(yngpn)的制备放射性测量对样品制备的要求不高。相比之下液闪测量，多数(dush)样品需根据其测量形式进行一定的处理。液闪测量，包括：均相测量和非均相测量。非均相测量，包括：乳浊液测量法、悬浮液测量、固相法。液体体积一样,固体摆放位置一致。Tritonx-甲苯-水乳化剂:凝胶剂(硬脂酸铝等)一定大小微粒固相载体摆放位置第十九页，共五十一页。液闪测量中的淬灭校正(jiozhng)方法 内标准源法：样品计数(j sh)效率用外加的标准源（对标准源有要求）来确定。具体操作步骤是：先测样品计数率（C1）；加入已知活度（A）的标准源，并计数（C2）；确定计数效率E。样品道比法：原理：1、淬灭时，谱脉冲高度降低，能谱左移（见图（1）2、谱在给定的两个道内计数比值发生变化（见图（2）3、道比值与淬灭程度与仪器探测效率有线性关系（见右下图）。具体方法见后。外标准源道比法 淬灭1淬灭2计数率脉冲高度（1）无淬灭计数率B无淬灭A淬灭1淬灭2C脉冲(michng)高度（2）图2-15.淬灭对谱的影响第二十页，共五十一页。用样品道比法进行(jnxng)淬灭校正的方法是：配制一组（一般配制一组（一般79个）放射性活度（个）放射性活度（DPM）已知并相等，但淬灭程度不同的一系列标准）已知并相等，但淬灭程度不同的一系列标准样品。样品。计算道比值：计算道比值：在液闪中测出这些样品在两道中在液闪中测出这些样品在两道中（A A，B B）的计数（）的计数（CPMCPM），），B/A=?,B/A=?,算出道比值算出道比值。计算探测效率：计算探测效率：E=（样品计数率-本底计数）/放射性活度以样品道比值作为(zuwi)横坐标，探测效率作为纵坐标可作出一条关系曲线（两道选取合理所得到的是一条直线或光滑的曲线）。未知样品测量时，可先测出该未知样品在两道中的计数率，算出道比值，利用道比值在标准曲线上查出探测效率。即可算出该未知样品的放射性活度大小。第二十一页，共五十一页。NaI探测器第二十二页，共五十一页。液体(yt)闪烁计数器第二十三页，共五十一页。半半导导体体探探测测器器第二十四页，共五十一页。激光激光(jgung)扫描成像仪扫描成像仪第二十五页，共五十一页。Gamma照相机和它的发明者H.Anger1958年，H.Anger和他的同事们共同研制成功了Gamma照相机。它既可以单独完成探测(tnc)显像任务，又是现代所有核医学显像仪如PET、SPECT实现探测(tnc)的重要组成部分。第二十六页，共五十一页。Cassen发明发明AngerAnger发明发明发明发明SPECTSPECT和和和和PETPET技术技术技术技术Gamma计数器计数器Gamma照相机照相机ECT技术技术二维投影(tuyng)三维显像第二十七页，共五十一页。正电子发射正电子发射(fsh)计算机计算机断层扫描断层扫描（Positron Emission Tomography）简称简称 PET核医学显像核医学显像技术技术(jsh)的双引擎的双引擎单光子发射单光子发射(fsh)计算计算机断层扫描机断层扫描（Single Photon Emission ComputedTomography）简称简称SPECT探探头围绕患者旋患者旋转采集放射性核素空采集放射性核素空间分布投影分布投影采用采用滤波反投影等方法波反投影等方法获得放射性核素空得放射性核素空间分布的断分布的断层图像像第二十八页，共五十一页。The picture shows one-head SPECT照相机探头围绕着病人旋转照相机探头围绕着病人旋转(xunzhun)运动运动第二十九页，共五十一页。The picture shows two-head SPECT第三十页，共五十一页。Siemens tri-head SPECT第三十一页，共五十一页。1964年环状头部PET，图为第一台的PET扫描仪，从图中我们可以看到其纷繁的线路(xinl)裸漏在外面。第三十二页，共五十一页。PET发展史商品化PET 通用公司 第三十三页，共五十一页。第三十四页，共五十一页。第三十五页，共五十一页。课堂堂练习在在32P标记寡核苷酸的实验中所购买的标记寡核苷酸的实验中所购买的r-32P生产标定生产标定时的放射性比活度为时的放射性比活度为20106 Bq/ml，在使用时，在使用时r-32P的的放射性比活度需放射性比活度需5106 Bq/ml。32P半衰期为半衰期为14天，天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？,三种射线分别三种射线分别(fnbi)用什么类型探测器进行探测用什么类型探测器进行探测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？第三十六页，共五十一页。表2-8 一个长寿命核素样品重复测量(cling)数据测 量序 号计数(2min)Ni测 量序 号计数(2min)Ni11880-1832411197678608421887-11121121876-2248431915172891319013941815-47220914197981656151874-24576151836-62384461853-452025161832-6643537193133108917193032102481866-321024181917193619198082672419189911101893-525201890-864注：数据来源于核化学(huxu)及核技术应用平均值放射性统计放射性统计(tngj)误差误差第三十七页，共五十一页。第五第五节核核计数数(jsh)(jsh)的的统计学学处理理 误差来源：系差来源：系统误差、偶然差、偶然误差、差、过失失误差差。放射性放射性统计(tngj)(tngj)误差是一种差是一种特殊的偶然特殊的偶然误差差，它是由核事件的，它是由核事件的微微观过程程本身的随机性所造成的本身的随机性所造成的。本本节重点介重点介绍涉及在核涉及在核辐射射计数数测量量应用中的用中的统计（偶然）（偶然）误差。差。核衰核衰变的的统计性性，可通，可通过实验观察到。平均察到。平均计数数N N1010时，它服从泊松分，它服从泊松分布。当布。当N N1616时，它，它过渡到高斯分布。在放射性渡到高斯分布。在放射性测量中量中N N一般都一般都远远大大于于1616。统计误差的差的表示表示及及运算运算。测量量结果表示：果表示：NNN N，（，（）核衰核衰变的的标准准误差差可表示可表示为：N N=N=N1/21/2（中科院原子能所（中科院原子能所编“放射性同放射性同位素知位素知识应用用”第第156156页），所以），所以测量量结果又能写成：果又能写成：NNNN1/21/2相相对误差差F=F=N N/N=N/N=N1/21/2/N=1/N/N=1/N1/21/2（相相对误差反映差反映测量的精确度量的精确度）误差的运算差的运算（见书6767页）第三十八页，共五十一页。图图2-312-31。m=3.5时的泊松分布图时的泊松分布图m=10时的高斯分布图时的高斯分布图第三十九页，共五十一页。相加时为：相减时为：相乘时为：相除时为：设设两个独立两个独立测测量量值值和和 第四十页，共五十一页。统计分析的分析的应用用(yngyng)(yngyng)平均(pngjn)计数率的标准误差为：1 1、计数率、平均数率、平均计数和平均数和平均计数率数率标准准误差和相差和相对误差差(xinduwch)(xinduwch)的表示的表示 计数率的标准误差为：相对误差为：平均计数的标准误差为：相对误差为：相对误差为:注意：在此时间（t）和测量次数（m）看作无误差的确定值。第四十一页，共五十一页。例一：在2分钟里测得计数是4900，测量次数为次，求平均(pngjn)计数率 (n)和相对误差(Fn)。解：=4900/2=2450 CPM测量结果表达为：2450 35第四十二页，共五十一页。2 2、样品品净计数率的数率的计算算 所有(suyu)的核探测器都有本底计数。所以探测器测量样品所得到的计数包括放射性样品（Nc）和仪器本底（Nb）计数两部分，样品的净计数（Ns）为：Ns=Nc-Nb 根据误差运算公式，净计数率的标准误差为：相对误差为：如果tc 和tb 分别为放射性样品和本底的测量时间，则样品的净计数率为：第四十三页，共五十一页。例二：在样品和本底测量时间(shjin)各4分钟里，测得总的样品的计数是 6000，本底是计数4000。问：其净计数率和标准误差各是少？所以，ns=500 25 cpm 第四十四页，共五十一页。3 3、测量量时间(shjin)(shjin)的合理分配的合理分配 在给定总测量时间T内（T=tc+tb），tc 和tb如何分配可使测量误差最小？因为所以(suy)，欲使ns最小，应令上式的一阶导数为零，即 因为上式中故整理后第四十五页，共五十一页。例例，一个放射性测量实验，根据实验情况要求，样品，一个放射性测量实验，根据实验情况要求，样品 和本底和本底(bn d)的总测量时间为的总测量时间为2min，样品的计数率为，样品的计数率为3840cpm，本，本底的计数率为底的计数率为60cpm。问，样品和本底的测量时间各为多。问，样品和本底的测量时间各为多少时，测量的标准误差最小？少时，测量的标准误差最小？答：已知成立时标准误差最小。第四十六页，共五十一页。4 4、估算所需的、估算所需的测量量时间 给定测量时相对误差(xin du w ch)，计算满足不大于这个相对误差时所需要的最短测量时间。将代入得整理可得第四十七页，共五十一页。5 5、最小可、最小可测量量的量量的计算算 给定测量时间和误差(wch)，计算至少需要多少放射性量。才能满足实验要求。，两式相加得：第四十八页，共五十一页。例三：如果某仪器的探测效率为60%，本底不超过40cpm，实验给定 的总测量时间T=2min，Fns5%，要达到上述要求，所需样品最小的放射(fngsh)量是多少？解：则所需最小强度(qingd)为：cpmnc425=()()nc401205.022-=()nnTFbcn122-=第四十九页，共五十一页。在在32P标记寡核苷酸的实验中所购买的标记寡核苷酸的实验中所购买的r-32P生产生产标定时的放射性比活度为标定时的放射性比活度为20106 Bq/ml，在使用时，在使用时r-32P的放射性比活度需的放射性比活度需5106 Bq/ml。32P半衰期半衰期为为14天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？验？,三种射线分别用什么类型探测器进行探测？其三种射线分别用什么类型探测器进行探测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量(cling)？在某次在某次测量中，量中，5min5min测得放射源加本底的得放射源加本底的总计数数N=1080N=1080，移去放射源，移去放射源，10min10min测得本底得本底总计数数为223223，求放射源的，求放射源的净计数率及其数率及其标准准误差、相差、相对误差。差。课堂堂练习第五十页，共五十一页。内容(nirng)总结课堂练习 已知一Sr标准源1981年3月18日，标定其强度(qingd)为0.4uCi。带电粒子穿过气体时，气体被电离产生电子和正离子。在外电场作用下,电子向正极漂移，正离子向负极漂移。收集的.大于.,“气体放大”。V3EV4,有限正比。3、闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减。能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射粒子能量之间应有线性关系。闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减时间要短第五十一页，共五十一页。