Многокристальные и полупроводниковые гамма-камеры

В предыдущих разделах обсуждались особенности и технические характеристики традиционной гамма-камеры с тонким , но широким кристаллом NaI(Tl), свет от которого регистрировались сборкой ФЭУ. В этом разделе рассмотрим другие конструкции камер, некоторые из которых потенциально являются достаточно перспективными

Многокристальная камера-камера состоит из матрицы индивидуальных γ-детекторов, кристаллов или твердотельных детекторов толщиной от 2 мм до 10 мм, упакованных в единую конструкцию, образующую поле видимости гамма-камеры. Внутреннее разрешение такой системы определяется размерами детекторов. Задача позиционной электроники здесь заключается в простом определении – какой из детекторов активирован? Дополнительным преимуществом такого устройства является возможность работы при высокой скорости счета. Недостаток многокристальной камеры состоит в относительно слабом внутреннем разрешении (> 1 см). В настоящее время коммерческих предложений по ней нет.

Главной особенностью следующей разработки, предложенной в середине 80-х годов прошлого века, является применение позиционно-чувствительного ФЭУ (ПЧФЭУ). Такой ФЭУ имеет площадь фотокатода значительно больше 6 х 6 см². Принцип его работы иллюстрируется на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Схематическое изображение позиционно-чувствительного ФЭУ [4]

Внутри ПЧФЭУ расположена двумерная сетка динодов, пространственно организованных так, что они идут от фотокатода к решетке перекрещивающихся анодных проволочек, расположенных на расстоянии 2 – 3 мм друг от друга. Считывание электрического заряда и расчет локализации сцинтилляции света в кристалле подобны таким же операциям в гамма-камере Ангера. Преимущество этой системы в том, что ПЧФЭУ обеспечивает определение локализации события в пределах 2 – 3 мм. Вместе с тем у нее существуют те же проблемы однородности и линейности, как и у гамма-камеры Ангера. Детальное описание одного из вариантов гамма-камеры с ПЧФЭУ и кристаллом CsI(Tl) дается в работе [12]. В настоящее время этот тип гамма-камеры коммерчески доступен.

В следующей новой разработке применено сочетание многокристального детектора и ПЧФЭУ [13,14]. Камера имеет несколько реализаций – от переносного прибора до стационарной камеры с большим поле обзора и предназначена для проведения сцинтимаммографии. Недостатками этого варианта являются большая нелинейность в периферийной области и сильное проявление эффекта мертвого времени. Производство таких камер налажено в нескольких компаниях.

Альтернативой ФЭУ в последнее время успешно выступают полупроводниковые светодиоды (англ. light-sensitive semiconductor photodiode (SPD)). Преимущество SPD – малые размеры, что позволяет их монтировать на каждом отдельном кристалле (в многокристальном варианте), относительно большая активная площадь и небольшое "мертвое" пространство. SPD имеют также высокую квантовую эффективность, от 70 до 80 %, по сравнению с 20 % у ФЭУ, однако коэффициент усиления SPD на много порядков меньше чем у ФЭУ. Кроме того, у них высокие токи утечки, поэтому отношение сигнал-шум меньше, чем у ФЭУ, что приводит к худшему энергетическому разрешению. Другой существенный недостаток SPD – сбор электронно-дырочных пар из обедненной носителями зарядов области полупроводника от 2 до 10 раз медленнее, чем распространение электронов через диноды ФЭУ. Следствием является большие потери счета при высокой скорости входных событий.

Несколько групп разработали SPD системы гамма-камер [15]. Эти камеры могут рассматриваться как настоящие плоские панели, так как их полная толщина меньше 1 см. Компания Digirad Corporation создала коммерческую систему, состоящую из 4096 кристаллов CsI(Tl) размером 3 х 3 х 6 мм³, сочлененных с матрицей 64 х 64 SPD. Кристаллы CsI(Tl) при работе в паре с SPD, имеют ряд преимуществ перед NaI(Tl), в частности, более походящий к SPD спектр света.

Полупроводники с прямым детектированием излучения (англ. SDR) представляют большой потенциальный интерес для разработчиков гамма-камер с высоким энергетическим разрешением. Германиевые и кремниевые детекторы нашли широкое применение в гамма-спектроскопии. Но их применение в гамма-камерах было затруднительно из-за необходимости охлаждения до температуры жидкого азота. Ситуация изменилась с появлением SDR детекторов на базе диодов с обратно смещенными p-n переходами. Они могут работать при комнатной температуре, но для детектирования γ-излучения с достаточно высокой эффективностью необходима широкая протяженность района, обедненного носителями заряда (именно он является чувствительной областью), высокое напряжение смещения и материал с высокой тормозной способностью. Наиболее подходящим на сегодняшний день является теллурид кадмий цинк (СdZnTe или CZT). Он может работать при комнатной температуре, имеет приемлемое отношение сигнал-шум, энергетическое разрешение от 2 до 5 % . Однако глубина района у CZT, обедненного носителями заряда, порядка 5 мм, что ограничивает его применение, в основном, низкоэнергетическим γ-излучением.

Детекторы CZT сегодня достаточно дорогие, поэтому они применяются в переносных гамма-камерах с небольшим полем обзора. Например, в работе [16] описана переносная CZT гамма-камера с площадью 3,2 х 3,2 см² с 256 CZT кристаллами размерами 2 х 2 мм². Разрешение камеры 8,6 % для 140-кэВ фотонов и внешнее пространственное разрешение 2,2 мм FWHM на поверхности низкоэнергетического вольфрамового коллиматора высокого разрешения. В последних моделях энергетическое разрешение для 140-кэВ фотонов улучшено до 6 %.