專利名稱：發(fā)射γ和X射線同位素的改進(jìn)定量測定法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一類用于定量測定特定類別同位素的新裝置。他們相對于現(xiàn)有探測器具有下述優(yōu)點*增加靈敏度，即，可測亞微微的居里級樣品；*多色的，即，可以在同一樣品中測量和區(qū)別多個同位素；*多樣品，即，同一裝置可測量多個不同樣品；*便攜性。
上述裝置不僅是非常靈敏的，即，他們可以檢測5×10-21mole的標(biāo)記分子，而且也可得到非常重現(xiàn)性的結(jié)果。微微微樣品的獨(dú)立測量表示相同的結(jié)果，其最佳的重現(xiàn)性大于1％。此外，我們有資料表明裝置具有很好的線性，其線性度大于0.01×10-6。所公開的符合的γ/X射線探測器(CGXD)的特性將在許多領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境學(xué)方面的應(yīng)用。
該技術(shù)的廣闊的應(yīng)用范圍包括快速發(fā)展的如免疫檢驗，DNA定序，色譜和醫(yī)學(xué)成象的醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域。此外，這些技術(shù)可以擴(kuò)展至例如污染監(jiān)測，廢水處理，化學(xué)工業(yè)和法醫(yī)等領(lǐng)域等。尤其是，這些技術(shù)將在下述方面具有重要的應(yīng)用·分子生物學(xué)；·生物醫(yī)學(xué)診斷；
·環(huán)境污染探測；·材料加工；·石油化學(xué)工業(yè)。
本發(fā)明涉及對現(xiàn)有技術(shù)中在發(fā)射光子同位素稀有族的成員定量測定的改進(jìn)。首次綜合應(yīng)用了相關(guān)的原子和核物理學(xué)。大約存在著上千種γ發(fā)射同位素，其中有上百種從S層(最低的能態(tài))通過電子捕獲(EC)而得到他們的受激核態(tài)。結(jié)果一個不穩(wěn)定的S層空位和一個不穩(wěn)定的受激核態(tài)形成，在小于1微秒內(nèi)，可以發(fā)生從核發(fā)射γ光子(瞬時發(fā)射)，或者核激發(fā)可以具有相當(dāng)長的半衰期(延遲發(fā)射)。每個不同衰變通道的出現(xiàn)幾率與同位素十分有關(guān)，這種控制物理學(xué)是非常復(fù)雜的。S層空位可以由外層電子的下落來充填，同時伴隨X-線光子的發(fā)射，或者通過級聯(lián)的低能躍遷(典型的是低于10kev)，逐步再建電子層。有瞬時γ和X線發(fā)射的EC衰變是本公開的最大應(yīng)用，下面將通過“GX”通道而予以說明。下面，這種EC同位素付類的成員被引用作為符合的γ/x射線同位素(CGX同位素)。
對于大部分應(yīng)用，只有壽命為幾小時至幾年的EC同位素具有重要性，尤其是選用半衰期的壽命大于幾天的同位素。同位素表1說明某些EC同位素的性質(zhì)。尤其是EC同位素I125，其某些應(yīng)用在下面介紹。依據(jù)用舊的儀器獲得的和核數(shù)據(jù)表中所記錄的結(jié)果，35kev核γ線和在27-31kev范圍內(nèi)幾種可能的x線之一的符合發(fā)射出現(xiàn)在7％的I125衰變中。采用本文公開的改進(jìn)測量系統(tǒng)，實際上實驗表明在25-35％的衰變中有符合。
在化學(xué)上CGX同位素是不同的，包括稀有氣體Ar37。幾種CGX放射性同位素形成共價鍵。許多是多價的金屬。形成共價鍵的放射性同位素多年來已用于有機(jī)和生物化學(xué)分析中。近年來，多價金屬也用作標(biāo)記物。他們以螯合絡(luò)合物形式受到捕獲，這種絡(luò)合物是要定量測定的分子或大分子的組分，或是可以加合到該要定量測定的分子或大分子上。除金屬之外，清除的蛋白金屬硫堇能捕獲24～40個多價金屬原子。金屬硫蓳近年來已被用作遺傳工程融合蛋白的組分。因此，它的高載帶能力，例如與抗體的目標(biāo)特異性相結(jié)合。從而可以取得高度選擇的標(biāo)記提供給復(fù)雜的細(xì)胞混合物內(nèi)的特殊抗原目標(biāo)。于是，CGX同位素可應(yīng)用于各種已有技術(shù)的標(biāo)記方案中。標(biāo)記的方法本身不是本發(fā)明的主題。
放射性同位素計數(shù)通過利用CGX同位素擴(kuò)展至非常低的放射性區(qū)域，以及對CGX衰變選擇性定量測定是本發(fā)明的主要目的。為了以最大的靈敏度對CGX的衰變定量測定，我們采用不同的本底源。基于已有系統(tǒng)的經(jīng)驗我們找到一些不是所期望的源。作為已認(rèn)可的本底層，有一種逐級計數(shù)測量的儀器。這種儀器具有單光子或者選擇CGX計數(shù)方式的功能，并被稱為一種符合γ/X的線探測器(CGXD)。就本身來說，具有符合計數(shù)的硬件不是新的。然而，利用從獨(dú)特的核和電子層的激發(fā)出來的符合光子來取得本底抑制，這是非顯而易見的，也是新的。其它新的特征是在研制程序過程中與符合探測協(xié)同地結(jié)合一起，得到低成本的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以定量測量放射性很低的，以至于用傳統(tǒng)的單個γ計數(shù)器記錄本底無法區(qū)別的CGX源。
已有技術(shù)的計數(shù)單個γ的儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測量能量范圍在幾十kev至幾Mev的許多類γ發(fā)射體中。在這些裝置中，多道分析儀電子系統(tǒng)區(qū)分能量脈沖高度，分們通常用于區(qū)分多個同位素源的發(fā)射能量。對任何同位素來說，希望對最高的試樣量提供最大的計數(shù)效率。
可是，特定的CGXD能力只與EC同位素有關(guān)，他們只是很大類γ發(fā)射同位素中的一小部分付族。即使對于EC同位素，CGX通道也是相當(dāng)少的，這就不需使用目前常用的許多同位素。而且，在選擇CGX計數(shù)方式中，探測效率始終小于單個γ計數(shù)器的效率。直至本發(fā)明，人們相信較低的探測效率將減低整個的測量，因此在已有裝置中只能應(yīng)用高效率的探測器。由此，CGXD的利用是具有顯著創(chuàng)造性的。
然而，我們證實，CGXD極大地擴(kuò)展同位定量測定的有用放射性范圍。通常使用I125作為實例。在雙共價鍵有機(jī)分子時碘很容易加成、這種有機(jī)分子包括核酸，碳水化合物和蛋白質(zhì)。碘標(biāo)記物常用于生物化學(xué)，核醫(yī)學(xué)和分子與細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)研究中。他們廣泛應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)的免疫測定中。已有的探測器其放射性本底在10～40計數(shù)/分(cpm)范圍內(nèi)，這就需要使用有相當(dāng)大放射性的同位素。對于使用單光子定量測量，一般需要每試樣具有10毫微居里(nci)的同位素，以便在本底上提供統(tǒng)計的有效數(shù)。在利用CGXD來優(yōu)化抑制沒有I125符合CGX特征的現(xiàn)象，本底的誤差不定地是1計數(shù)/天(1cpd)。因此，一個微微居里(pci)的I125輸入將足以滿足每個樣品的典型測定。相比于已有探測器，只需要千分之幾的少量放射性。實際上，這些pci放射性是大大低于環(huán)境的放射性。
上述方法的直接應(yīng)用是利用超低放射性標(biāo)記的定量測定。他們的主要應(yīng)用是生物醫(yī)學(xué)的診斷。這些應(yīng)用包括DNA定序，DNA指紋鑒定，以及不同形式的可競爭性(competitive)和/或結(jié)合的測定，例如放射免疫測定(RIA)。通常，測量多個稀釋液以提供一種對診斷有意義的結(jié)果。競爭性放射測定具有許多優(yōu)點(非常高的靈敏度，大量熟知/標(biāo)定合，以及多年積累的經(jīng)驗)，他們廣泛用于生物醫(yī)學(xué)中。然而，RIA逐步由熒光免疫測定(FIA)和酶免疫測定(EIA)所替代。主要原因是，所使用放射性標(biāo)記物的放射性對每次測定都是約微居里，因此產(chǎn)生了大量對有害材料的處理和排放問題。采用選擇性的CGX計數(shù)，較高的靈敏度，降低同位素獲取成本，對人體的較小接觸以及減少放射性廢物排放均是容易的。如果實施pci同位素輸入，對于可能剩留在試樣或試劑內(nèi)的毒素和病原體的接觸是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所使用少量I125的安全量。
在需要時，樣品計數(shù)首先可以不用使樣品與單γ本底上的放射性有效地符合。因此，低放射性的樣品可以在符合方式時再計數(shù)，以取得具有很大本底抑制的有效定量。在利用對特定EC同位素的CGX通道的預(yù)定頻率時，可以用計算方法將兩種計數(shù)方式的結(jié)果相結(jié)合。使用約比單個γ計數(shù)器大1000倍的動態(tài)范圍的計數(shù)器時，對具有高量和底量目標(biāo)材料的樣品的差異處理將不再需要。因為這將降低測定費(fèi)用和提高他們的可靠性。
CGXD高靈敏度的優(yōu)點可以由其重要應(yīng)用領(lǐng)域的具體例子來說明，該應(yīng)用領(lǐng)域是對聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)產(chǎn)物的分析。在PCR反應(yīng)中，把已有的核酸順序知識用于確定目標(biāo)順序是否在絡(luò)合核酸混合物中，例如在人體細(xì)胞群體中的一種單HIV病毒。一種周期的重復(fù)反應(yīng)選擇性地放大目標(biāo)序列，直至受放大的核酸可以通過某些端點分析技術(shù)予以定量。一個實際問題是，某些人為的產(chǎn)物不可避免地產(chǎn)生。其中一些產(chǎn)物的放大要比目標(biāo)序列的快。需要放大的周期愈大，所尋找的目標(biāo)信號受到淹沒的可能性愈大。于是，減少PCR周期的數(shù)目將增加目標(biāo)/人工核酸的信/噪比。PCR反應(yīng)適于用CGX標(biāo)記。例如，用于每個反應(yīng)周期的引物可以載有I125標(biāo)記。當(dāng)CGXD分類法用于端點定量測量時，則少得多的放大周期就足夠，它與PCR人為積累的限制相符合。相同的這些優(yōu)點可用于許多其它的與PCR相競爭的放大作用設(shè)想中。
CGXD保留基于單γ計數(shù)器的較簡單的MCA的能力，當(dāng)已知源的γ能量可以區(qū)分時則可區(qū)分共存的同位素。此外，X射線分立的特性提供區(qū)別混合物中的源同位素的另外依據(jù)。由此，CGXD可以比簡單的計數(shù)器提供同時定量測定更多的復(fù)雜的同位素混合物。只需在下述軟件中作菜單驅(qū)動改變，對混合物中的已知同位素作出選擇。為簡便起見，這種同時定量測量的能力在下面被稱為“多色”能力。
具有成象能力的放射探測是可以得到的。老的樣機(jī)是X射線膠片，但它不能用在CGXD中?？臻g分辨探測器，如果其告知輻射的到達(dá)時間，那么它只與CGXD的能力相關(guān)，并且可通過符合計數(shù)來支持本底的抑制。目前，這些計數(shù)器包括空間分辨半導(dǎo)體探測器和空間分辨氣體探測器。也可以使用具有合適耦合空間分辨光子探測器，例如成象光電倍增管(PMTS)和CCDS的閃爍體。例如，把成象PMT設(shè)計成， 通過在單PMT內(nèi)提供四通道輸出而在單平面閃爍體上確定吸收位置。在由閃爍體中高能粒子中止所引起的突發(fā)低能光子分配在PMT的分立部位。合適的四道的分析輸出提供在閃爍體上吸收位置的確定。由此保證二維(2D)同位素源的定量成象。排列在薄的支承膜上的有規(guī)樣品可表示成百個欲同時測定的鑒測樣品。成象的PMT可以與下面將詳述的選擇CGX計數(shù)方案相適應(yīng)。因此，個別的，低放射性CGX樣品的低計數(shù)率可以采用平行定量多個樣品來予以補(bǔ)償。當(dāng)CCD連接到閃爍體的情況下可以取得更高的空間分辨。
當(dāng)傳統(tǒng)地使用放射自顯影時可以使用一種空間分辨的CGXD，它具有附加的多色能力的優(yōu)點。利用已有的標(biāo)記探測技術(shù)，例如化學(xué)發(fā)光或通常的放射自顯影，任何重合的目標(biāo)分布必需通過依次的探詢周期來讀出。在許多應(yīng)用中，2D的目標(biāo)圖形被轉(zhuǎn)移至耐用的膜上，產(chǎn)生一個表示原2D樣品的韌性2D點，即斑點。在其它的設(shè)計方案中，斑點是由把核酸或蛋白質(zhì)樣品置放在膜上而產(chǎn)生，并把它固定在其上。通常，必需采用不同的分析試劑來顯示/定量各種不同的2D圖形的目標(biāo)。采用依次的探詢。這種方法是冗長的，頻繁處理樣品或其斑點膜圖象，限制了它的使用壽命。用CGXD的區(qū)分目標(biāo)的探針可以載有不同的標(biāo)記。因此，可以單獨(dú)地或同時地測量其余目標(biāo)的分配。
在2D樣品持有抗原(Ag)時，具有區(qū)別CGX標(biāo)記的多個抗體(Ab)可以分別制取，并匯集以供斑點的同時探詢。反之，可以把抗體結(jié)合至2D樣品上，并且許多載有區(qū)別CGX標(biāo)記的抗原來顯示位置。這兩種方式結(jié)合一起可提供多種免疫測定。
在2D樣品束縛了核酸(DNA或RNA)時，附加至特定目標(biāo)序列的核酸探針可以對CGX分別標(biāo)記，然后匯集以進(jìn)行同時探詢。這些方式有助于通過與短的齊聚物探針雜化(SBH)而定序程序，以及多重定序和基因定序，其中DNA定序反應(yīng)的多餾分產(chǎn)物是重合的。
這些免疫技術(shù)的靈敏度可通過使用CGXD而增加，它可以達(dá)到先前只有用比較困難的技術(shù)，例如PCR才能取得的靈敏度水平。這個高靈敏度在某些對欲探索的幾百個分子靈敏的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用是非常有用的。這些應(yīng)用包括探索非常強(qiáng)烈的毒素和某些微生物。CGXD的靈敏度可允許探測在幾毫升生理液中的單個病毒或細(xì)菌。它也有利于探測不同癌的轉(zhuǎn)移，例如肺癌。對毒素，例如黃曲霉毒素和真菌毒素的改進(jìn)靈敏度可以在食品加工過程中進(jìn)行高質(zhì)量的鑒測，也包括對谷物的儲存和其它農(nóng)產(chǎn)品在內(nèi)的檢測。
通過超低本底能力可以有新的一類應(yīng)用。考慮把放射性同位素或電離輻射引入人體被認(rèn)為是有危險的。它用于腫瘤破壞，或者從放射性獲得的診斷信息值被認(rèn)為遠(yuǎn)強(qiáng)于放射性自身的危險時。然而，人體不是一種無放射的環(huán)境。在生理液中，K40是主要的放射源。還有一種可吸收氡氣和它的衰變子核，穿透的宇宙線和微量的重放射性元素。用CGXD，選擇的EC同位素可以在放射性低至不對電離過程的“天然”負(fù)載，形成明顯增量的情況下，得到精確的定量。由此，可以使用CGX標(biāo)記的化合物，而不用害怕在“自發(fā)”本底上的引起的損害。這就開創(chuàng)了一整套常規(guī)使用的診斷，它可用于各種具有嚴(yán)重?fù)p害病人的初期判斷。
有關(guān)環(huán)境方面的應(yīng)用。CGX同位素或CGX標(biāo)記化合物可在外部環(huán)境中作為示蹤物釋放，此時附加的放射性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“天然”源。對于一種具體實例，可以把CGX示蹤物加至容器或管路中未探測泄漏。非活性的惰性氣體Ar37用于此目的是理想的?；瘜W(xué)容器場地，鐵路和高速路的油槽車，和有毒化學(xué)物生產(chǎn)廠都是明顯的市場。其它可溶的示蹤物可使用地/水附近已經(jīng)嚴(yán)重污染的地方，即連續(xù)的從容器或管路中幔泄漏是難以定位的地方。CGX系列的同位素包括幾種相當(dāng)短壽命的同位素，以致即使埋入少量外加的放射性也可以很快地從環(huán)境中消失。
示蹤技術(shù)對于定量測量環(huán)境中的目標(biāo)物質(zhì)的分配不是十分相關(guān)的，例如測量在谷物上毒素或殘留的農(nóng)藥。目標(biāo)不是一開始予以標(biāo)記，但是他們的定量測定可以通過免疫鑒測技術(shù)而達(dá)到。通過放射免疫測定可以得到最大的靈敏度，通常使用I125作為在抗體或抗原制劑上的標(biāo)記。試劑的CGX標(biāo)記和CGXD的讀出將擴(kuò)大這種測定的靈敏度，這在過去是受到放射性本底所限制的?，F(xiàn)已有對致癌物，除草劑和農(nóng)藥的抗體。由混雜物產(chǎn)生的均勻單克隆抗體(基本上產(chǎn)生所要求的單抗體的不變的淋巴細(xì)胞的克隆)可以是選擇的試劑。
在環(huán)境分析中，要研究成千個樣品以估測被某種污染的物質(zhì)污染是否超過預(yù)定允許值。這些值通常為1微微mol/ml，即，大約比好的免疫測定的靈敏度限高出三個量級。由此，如有任何樣品被污染可以把成百個樣品匯集一起，并通過測試最終的“混合(cockta-il)樣品”。在很少的這種混合測試情況下表示正的結(jié)果。依據(jù)“Boltzano區(qū)分”的統(tǒng)計技術(shù)，可以采用相當(dāng)少的步驟來確定哪些樣品真正受到污染。于是，不用測量成千的樣品，一般需要測量幾十個合適的“混合樣品”就可以，這樣至少可減少20倍的費(fèi)用。只要鑒測的靈敏度大于可允許的污染體的一千倍，那么這種測量是可靠的。CGXD的優(yōu)良靈敏度有助于這種測量方法。
在天然環(huán)境中，水流的局部圖形和土壤的不均勻性可導(dǎo)致通常在僅幾米直徑的幾個“熱點”區(qū)內(nèi)集中污染。因此，污染值的動態(tài)范圍高達(dá)幾千。另一方面，在一個平方公里內(nèi)，可以存在很少的熱點區(qū)，結(jié)果只有千分之一或少數(shù)樣品內(nèi)測試到污染。目前的技術(shù)，尤其是質(zhì)譜(MS)和高性能的液相色譜(HPLC)，同時測試一個樣品。CGX同位素與2D成象的相容性可以同時測量幾百個樣品，同時保持極限的本底抑制，和因而所需的高動態(tài)范圍。
優(yōu)良靈敏度的CGXD技術(shù)和專用的競爭性測定技術(shù)專一性的創(chuàng)造性結(jié)合，當(dāng)他們用在“清潔房間”使用時具有明顯的改進(jìn)。研制非常高密度的VLSI芯片要求對用于半導(dǎo)體加工的清潔室有日益增高的潔凈度。因清潔房間環(huán)境中沾染，引起的缺陷問題是在新一代芯片生產(chǎn)中高產(chǎn)率的嚴(yán)重限制問題之一。因此需要估測空氣/化學(xué)純度的新的診斷方法以達(dá)到新一代半導(dǎo)體制造的要求。關(guān)鍵在于大量的污染物起源于生物學(xué)的，例如部分人的皮膚，頭發(fā)，衣服的材料的線頭，細(xì)菌，花粉等，對這些非常特定的單克隆和多克隆抗體或者已經(jīng)存在，或者可能發(fā)展。初步估計提出，由每立方米零點幾微米大小的顆粒引起的污染可以檢測。例如，在使用單克隆抗體時，可以探測10-15mole的人體皮膚部分。這個測定極限是由現(xiàn)今使用的免疫測定法的特性所致。許多典型的污染物應(yīng)同時定量測定，這就需要用“多色”測定法。我們相信，把使用免疫測定法以判斷清潔房間可以通過同時使用多個單克隆抗體而進(jìn)行相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。這需要一種能夠定量符合的多標(biāo)記，并進(jìn)行高產(chǎn)率的測試的分析技術(shù)；CGXD在這些方面具有特長。已有技術(shù)的X射線和γ射線探測器。
下面介紹已有技術(shù)的探測器，可以把現(xiàn)有的輻射探測器分成幾類a)超低本底探測器，放射性本底每小時小于0.1計數(shù)(＜0.1cph)；b)非常低本底探測器，放射性本底小于1cph(＜1cph)；c)低本底探測器，放射性本底每分鐘小于1計數(shù)(＜1cpm)。
在最近幾年，超低放射性本底技術(shù)已有非?？焖俚陌l(fā)展(見參考1)。這些發(fā)展已由幾個在世界上使用大的(幾4克質(zhì)量的)，高純度鍺(Ge)探測器的大型基礎(chǔ)實驗室領(lǐng)先使用。在最近十年中，放射性本底已縮減大約五個數(shù)量級，現(xiàn)在對于硬的X射線能量(20-50kev)其本底約為每天1個計數(shù)。對于半衰期為幾個小時至幾天的放射性同位素，檢測單個放射性原子在目前是可能的。然而，這些探測裝置是十分昂貴的，這種系統(tǒng)的典型費(fèi)用約為$250,000元。他們完全用于基礎(chǔ)物理研究，他們的遙控，地下設(shè)施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通分析實驗室的能力。
在世界上只有幾個非常低放射性本底探測器放置在地球的表面上。他們是Ge-探測器，非常重，一般所用屏蔽鉛超過1噸。
商業(yè)上制造的低本底系統(tǒng)，用于一般的研究和生物醫(yī)學(xué)，環(huán)境測定。在這些前沿的探測器中，已取得放射性本底約為每小時10個計數(shù)。他們主要是半導(dǎo)體Ge探測器，通過用閃爍體反符合屏蔽?，F(xiàn)今，Ge-譜儀是最成熟的，是最佳性能的γ探測器。他們的主要優(yōu)點是，具有良好的能量分辨率，dE/E＜1％，無論對硬X-射線還是γ光子。他們常與反符合放射性屏蔽配合操作。然而，Ge探測器必需在液氮中操作，這就嚴(yán)重地限制它在平凡的生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境測量中的應(yīng)用，尤其是在需要便攜應(yīng)用的情況下。其它缺點是價格高，裝置至少每臺約$30,000元。對于高能γ探測器，需要2kg Ge探測器，其價格約為$100,000元。
大量商業(yè)上可得的輻射探測器具有放射性本底大于1cpm的特點。他們是最常見的氣體探測器或閃爍探測器。從歷史上看，氣體探測器最先用于診斷。他們簡單和可靠。他們的能量分辨率一般對30kev的硬X射線是10％。具有重被動屏蔽的X射線氣體探測器通常具有20-30cpm的本底。由于他們低的截止功率和由于大尺寸的氣體凈化系統(tǒng)所帶來的不方便，使他們被閃爍計數(shù)器所替代。在某些應(yīng)用中，氣體探測器的重要優(yōu)點是可以得到具有高空間分辨率的大尺寸探測器。最典型的是多線比例室(MWPC)型探測器。多道電子學(xué)的需要將導(dǎo)致成本增加。此外，放射性本底正比于引線的數(shù)目，并能在MWPC氣體探測器中得到明顯的提高。因此，將具有低線數(shù)的漂移氣體室優(yōu)選使用在超低本底的應(yīng)用中。然而，對于低能積存，例如在X射線受到中止時，要建立在兩個方向具有良好空間分辨率的漂移室是困難的。
今天，閃爍計數(shù)是一種對位素衰變測量(見參考文件2)最常用的方法。使用液體或固體閃爍體把β或γ衰變能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€可見光子脈沖，并對與原粒子能量成正比的總光子數(shù)進(jìn)行分析。這些應(yīng)用的閃爍探測器在1960年首先研制，今天商用儀器中已有一定的改進(jìn)。這種探測器的局限性是由于需要屏蔽而導(dǎo)致的體積和重量；中等的能量分辨率，將對可能區(qū)別的其余標(biāo)記的數(shù)目有限制；本底值是每分鐘20個計數(shù)(20cpm)。其它實用上的考慮是，某些閃爍體，例如MaI(T1)，是高度吸濕的，因此需要合適的房子。
通常，井式閃爍探測器(對樣品帶孔的單晶體)用于探測和定量化低能γ/X射線發(fā)射同位素。為了使較高能量的探測效率(DE)最大，通常它具有一個相當(dāng)大的體積，典型的能量分辨率dE/E(FWHM)分別在30kev時為30％，在511kev時為9％。即使用厚的3-4時鉛屏蔽，在低能時的本底計數(shù)率是20～40cpm。本底是由進(jìn)入大探測器體積的宇宙線、環(huán)境輻射和探測器的內(nèi)部污染所產(chǎn)生。宇宙線以兩種主要方式產(chǎn)生低能本底計數(shù)通過直接激發(fā)探測器內(nèi)的原子，然而發(fā)射特征的X射線，和通過使電子飽和，產(chǎn)生假脈沖。來自環(huán)境的高能γ光子(大部分是空氣中的K40，Tl208，Bi204和氡的子核，以及人為的污染)，通過屏蔽而穿透并產(chǎn)生次級低能γ/X射線?？v然他們的高探測效率為70-90％，但是高的本底將導(dǎo)致所需輸入的放射性至少為每樣品幾十個毫微居里。
在經(jīng)濟(jì)的超低本底計數(shù)方面的最新進(jìn)展是符合γ探測器(CGD)，它由Dr.A.K.Drukier小組推出到實用中。所設(shè)計的CGD用于探測和定量同位素，該同位素隨著正電子和γ光子的符合發(fā)射而衰變。在10ns(毫微稱)內(nèi)，正電子與電子一起湮沒，產(chǎn)生反向的γ光子，其能量為511kev。對于沒有三重γ特性的過程受到抑制。在U.S專利No.5,083,026中，優(yōu)選的CGD實施利用多重閃爍探測器以記錄三個符合的高能(E≥250kev)的γ光子。
最近，有一種有利的元件進(jìn)展，它能用到CGX探測系統(tǒng)中。已知老一代的閃爍體具有放射性污染，例如K40有ppm沾染，錒系元素有ppb沾染。由此，大部分的放射性本底是來自晶體自身。最近已研制出超純的閃爍體用于超低本底的探索，適用于雙β衰變和非放射性的無光體。這些材料的放射性本底比以前所得的閃爍體低三個數(shù)量級。
基于此，大部分的本底來自于PMT的玻璃中的K40。石英的PMT可以使用，但是十分昂貴。而且，即使K40引起的放射性污染被消除，還有由光陰極所產(chǎn)生的不可忽略的放射性本底。
在過去的若干年中，大面積(大于1cm2)的光兩極管(PD)和雪崩光兩極管(APD)已在商業(yè)上可得到。與PMT相對照，PD/APD是較小的，更堅固耐用，只需要低電壓電源(對PD通常為＜100V)，并具有相當(dāng)?shù)偷目偰芰肯?。他們對濕度變化和分散磁場也不太靈敏。因此，用超純的硅基器件替代PMT有助于降低總本底和較高的靈敏度。
其它可能改進(jìn)地用于CGXD中的探測器是層式閃爍體(phoswitch)。它是由二個不同響應(yīng)時間的閃爍體結(jié)合而成，把兩者光學(xué)地耦合到一個單PMT或其它的光傳感器上。它可以更有效地探測低的和高能光子，所述軟X射線和γ光子。一種實施例是一個薄的NaI(T1)晶體，在其后有一塊厚的CSI晶體，接著有一個公共的PMT。例如一個0.1英寸NaI(T1)閃爍體起到一個高能量分辨，低能量γ/X射線探測器的作用，其中硬γ幾乎不吸收。CsI閃爍體起到硬γ光子探測器的作用。由于快和幔閃爍體的不同響應(yīng)時間，脈沖形狀可以測定其內(nèi)光子受阻的閃爍體。帶能光子的能量可以從已知的X-射線/γ-射線的吸收位置和脈沖高度來計算。這些能力使層式閃爍體可用于CGXD裝置中。但需指出，已有的使用復(fù)雜硬件電子學(xué)的層式閃爍體檢測器是用于測量閃爍體的光脈沖時間。已有技術(shù)的裝置適用于高能的γ-射線，其能量為E＞200kev，以及用于高計數(shù)率的實驗中。當(dāng)用于軟γ-射線和低計數(shù)率的實驗時，已有技術(shù)的層式閃爍體檢測器就會導(dǎo)致假象。
同樣，在使用袖珍的計算機(jī)和專用電子學(xué)方面的有關(guān)的研究。IBM PC-兼容計算機(jī)和便攜式(laptop)/筆記本式的計算機(jī)目前已可獲得，其價格為$1000-4000之間。他們或他們的“擴(kuò)充”箱可以接納數(shù)字存儲示波器的引線，它能簡便地插接到擴(kuò)充的槽縫內(nèi)。它對閃爍探測器輸出的脈沖形狀分析提供一種潛在的能力，作為一種按低價格的計算機(jī)來對本底進(jìn)行抑制的工具。引用的文獻(xiàn)1、F.T.Avignone等，Phys、Rev、C34(1986)、P666、R.L.Brodzi-nski等，NIM A 254(1987)，P 472；R.L.Bodzinki等、J.of Radi-oanalytical and Naclear Chemistry，124(1988)p.513.2、Radiation Detectors，Har Show 1990.3、U.S patent，No.5,083,026。
實施例1一般的CGXD在原理上，可以使用γ發(fā)射與來自電子層級聯(lián)的低能光子(X-射線除外)的符合來尋求本底的抑制。然而，實質(zhì)上對低能光子(紫外，可見，以及近紅外)產(chǎn)生本底區(qū)分的問題增加，尤其對X-射線更為嚴(yán)重。由此，為了使計數(shù)CGX同位素例如I125的系統(tǒng)最佳，需要損失一些符合衰變以達(dá)到意外的本底抑制。I125發(fā)出35 kev的γ光子，其中25-35％的衰變，并在該γ光子和少數(shù)具有能量為27-31 kev的特征性X-射線光子之間有符合。γ和X射線能量之間的差異足夠的小，以致一個薄的閃爍體/PMT系統(tǒng)就具有合理的探測效率和對兩種輻射型式有能量分辨率。為經(jīng)濟(jì)起見，使用耦合到PMT上的具有幾英寸直徑NaI(T1)晶體的閃爍計數(shù)器。具有2英寸和3英寸直徑的晶體類似的性能。那些高原子數(shù)/高密度的無機(jī)閃爍體具有優(yōu)良的截止功率，合理的能量分辨率和可能的快速定時時間(＜10ns)。把樣品放在位于公共軸上的相對放置的閃爍體的相對面之間。為了使探測效率最佳，把同位素樣品安置在最小間距計數(shù)器的兩個面之間的中心線上。
合適的CGX同位素表的(見同位素表1-4)的分析表明，NaI(T1)探測器在所用的能量范圍內(nèi)，可以識別直至8個不同的γ/X射線。
對主要本底抑制的效果測量值(要CGXD研制過程中不斷進(jìn)行的)綜合在表1中。符合度作為首要的本底抑制測量。利用MCA實施的符合，本底約減小100倍。這種改進(jìn)相比于最好的已有技術(shù)的商業(yè)探測器提供較好的性能，已有的探測器為具有放射性外屏蔽的鍺井式探測器。但需注意，使用符合也會導(dǎo)致探測效率的下降。采用兩個探測器構(gòu)型和具有80％效率的計數(shù)器，探測到符合I125的γ和X射線發(fā)射的全部n率為約15％。因此，其中只使用符合的CGX探測器，其信號/本底之比只比已有技術(shù)探測器大幾倍。
被動式屏蔽提供某些本底的抑制。與符合結(jié)合一起，一種外部復(fù)合的屏蔽可以使本底從10降低到5cph。屏蔽不影響探測效率，但是限制了探測器的便攜性。典型地，一種復(fù)合的屏蔽由多層具有高、中和低原子數(shù)的材料構(gòu)成，它比單一的鉛基屏蔽優(yōu)越2倍。優(yōu)選地，復(fù)合的屏蔽可以比等效的鉛屏蔽輕2倍以上。
為了減低閃爍晶體之間“串話”，通過使用一種γ/X-射線的吸收材料使他們之間盡可能地隔離是重要的。采用一個計數(shù)器和高放射性I125源的實驗中1mm的鉛箔足以吸收99％的單光子。驚奇的是，當(dāng)1mm的箔放在二個探測器之間時，不足以適當(dāng)?shù)負(fù)踝∈Ｓ嗟谋镜?。另外，在沒有樣品的情況下，增加鉛間隔物的厚度至3-5mm，這對于減低平緩的本底計數(shù)是需要的。比單光子更為復(fù)雜的衰變可以由較厚的間隔物來阻擋。例如，某些衰變可以由宇宙線撞擊隔離板而引發(fā)，并且散射的輻射進(jìn)入兩個晶體。鉛的放射性同位素污染可能是另一個原因，它能放射/散射符合的輻射進(jìn)入相對設(shè)置的晶體中。采用較厚的隔離物，到達(dá)二個探測器的多重發(fā)射的幾率減小。如果厚的隔離物放置在兩個閃爍晶體之間，這將使本底下降4倍，下降到約1cph，同時探測效率的下降不超過10％。
研發(fā)具有雙錐孔，其固體角正對著晶面的厚隔離物，它可以使屏蔽和探測效率的要求之間得到折衷。一個允許最佳接觸晶體的樣品架其形狀和尺寸都是相關(guān)連的。我們研制了一組具有不同孔徑的隔離物，在實驗時對不同體積的樣品來說是重要的。
表1、放射性本底下降因素的效果具有相對的探測器的符合γ-射線/X射線探測器2×NaI(T1) 沒有符合 40cpm2×NaI(T1) MCA實施符合 10cpm2×NaI(T1) 同上+薄復(fù)合屏蔽 5cph2×NaI(T1) 同上+閃爍體間的間隔物1cph2×NaI(T1) 同上+DSO脈沖形狀分析 1cpd已有技術(shù)的具有井式晶體幾何結(jié)構(gòu)的探測器NaI(T1) 薄鉛屏蔽 40cpmNaI(T1) 復(fù)合被動屏蔽 20cpmNaI(T1) 放射性屏蔽[CsI] 5cpmGe 復(fù)合被動屏蔽 1cpmGe 主動屏蔽[NaI(T1)]20cph其中cpm＝每分鐘計數(shù)，cph＝每小時計數(shù)，cpd＝每天計數(shù)。
在該表中，本底測量中的系統(tǒng)的和統(tǒng)計的誤差不超過5％。
采用符合抑制和被動屏蔽是有效的，通過脈沖形狀分析還可獲得增益。這種分析是依據(jù)每個閃爍晶體的輸出進(jìn)行的，用以估計每衰變過程的成分是可以與同位素衰變特性相適應(yīng)的，即，對I125的情況下，35kev的γ和在27-31kev范圍中少量X-射線之一。兩種衰變應(yīng)該在毫微秒內(nèi)符合，并由單光子產(chǎn)生的具有脈沖形狀的特征。這種分析允許對許多其它的源于荷電粒子，堆積的低能光子，電子飽和現(xiàn)象和電磁積存噪聲的本底衰變進(jìn)行區(qū)別。也可使用電磁積存噪聲的知識以調(diào)節(jié)DC補(bǔ)償畸變，加上符合檢測并增加能量分辨率。實時脈沖分析的實現(xiàn)，在正常情況下將使信號/本底比按大于1個數(shù)量級而增加。本底的降低最高可達(dá)到從幾個cph至約1cpd。在

圖1中表示對所做的所有本底測量的1微微居里I125的分析結(jié)果。
這一類脈沖形狀分析，在以前只是在離線進(jìn)行，需用非常昂貴的電子學(xué)。通過一系列在三類超低放射性本底設(shè)備上所進(jìn)行的實驗，形成使用基于數(shù)字存儲示波器(DSO)的PC機(jī)進(jìn)行在線脈沖形狀分析的基本原理。對具有本底抑制的輸出用多路單道分析儀和計算機(jī)；并把閾值/符合單元和多道分析器(MCA)相結(jié)合；以及用DSO的在線脈沖形狀分析來進(jìn)行估測。較傳統(tǒng)的MCA設(shè)備，主要由于電磁脈沖的吸收得出幾個cph的本底。然而，在具有DSO基的在線脈沖形狀分析的相同探測器/屏蔽系統(tǒng)中。本底約為1cpd。于是，脈沖形狀分析將對本底的抑制產(chǎn)生明顯的改進(jìn)。
利用DSO的其它有利之處在于，通過檢查許多對以MCA基的系統(tǒng)不可能得到的參數(shù)而可以更可靠地測量，例如，偏置水平(liaslevel)。不用任何輔助的硬件，以DSO基的信號允許自動診斷和自校正，例如，實時鑒測高壓電源的性能，PMT的增益，和數(shù)據(jù)采樣鏈的線性。
需要強(qiáng)調(diào)，所有相結(jié)合的本底降低測量的協(xié)同作用。沒有先前的由于符合探測所導(dǎo)致的本底降低，可能存在一種高的，不同剩余本底的，復(fù)雜化的計算系統(tǒng)。在CGXD用于區(qū)別和定量多個共存同位素時，以上所述尤為重要。然而，計算上的負(fù)擔(dān)是十分繁重的，如衰變的分布曲線必需與每個共存同位素所允許的曲線進(jìn)行比較。當(dāng)脈沖形狀分析程序已取得了實質(zhì)性的進(jìn)展使用相當(dāng)厚的間隔物僅成為顯然。先前，它的正效應(yīng)是不明顯的。在由被動屏蔽和間隔物結(jié)合一起所取得本底降低僅是幾倍時，這才使DSO/計算機(jī)系統(tǒng)的計算負(fù)擔(dān)有了明顯的減輕。從下述實施例中所提供的內(nèi)容將可見，將計算負(fù)擔(dān)降到低價格的PC型計算機(jī)的容量內(nèi)是需要作出相當(dāng)努力的。
讓我們考慮不采用上述協(xié)同本底抑制方法中之一的執(zhí)行系統(tǒng)。我們做成一系列裝置，其中只用到符合和脈沖形狀分析；所觀察到的本底是大于10cph。在不使用復(fù)合屏蔽，而只考慮使用符合，間隔物和脈沖形狀分析時，本底約為1cph。在使用復(fù)合屏蔽，但是去除間隔物時，可以觀察到類似的本底。于是，我們的實驗表明，由放射性本底支配本底。放射性污染和宇宙線的影響似乎是可以相比較的。然而，電磁和振動的吸收在10cph水平上也是重要的，總之，任何一個本底抑制測量的消除將減低效率和提高整個CGXD系統(tǒng)的成本。
上述因素同樣也涉及到專用CGXD的實施。
以DSO基的脈沖形狀分析對所有系統(tǒng)是公用的。CGXD技術(shù)的核心在于用許多適于專用的已有的輔助件補(bǔ)充到幾個基本的探測器模件。在下面所述的實例中，只介紹基本元件，而略去許多已有技術(shù)的特征，尤其是樣品的傳輸和讀出顯示系統(tǒng)。
實施例2適用于I125的超低本底的CGXD系統(tǒng)探測I125的γ射線需使用具有一定能量分辨率的閃爍體探測器?，F(xiàn)今，最好的能量分辨率是用NaI(T1)/PMT組合而達(dá)到的。然而，使用NaI(Tl)，由于其特征的碘吸收邊緣將引起附加的硬X射線本底。這一點可以通過結(jié)合使用CaF2/PMT組合而予以消除。
需要選擇用于構(gòu)成這些器件的材料。所有選用的超過1mg量的材料都應(yīng)該進(jìn)行放射性雜質(zhì)的屏蔽。尤其是，含K40的玻璃應(yīng)該改用石英，或者特別低本底的Pyrex玻璃。三價鐵材料不能應(yīng)用，因為具有放射性鈷的沾染。某些類型的塑料，例如，聚四氟乙烯和丙烯酸是可取的，還有超純的銅，錫和鉛也可采用。
實施例3用于X射線和高能γ線的系統(tǒng)在許多CGX源中I125不是代表性的，因為X射線能量(27-31kev)相當(dāng)接近于γ線的能量(35kev)。然而，對許多CGX源來說，γ線是在200-2,000kev范圍內(nèi)，對比需對CGXD的結(jié)構(gòu)作出某些改變。
通常假定，能量分辨率是受到閃爍光子發(fā)射的統(tǒng)計學(xué)限制的。然而，實際上，通常它是受PMT的選擇，偏壓和前端電子學(xué)的噪聲所限制。我們在X-射線和γ射線源的超低本底計數(shù)的經(jīng)驗中得知，在高和低能量時系統(tǒng)的最佳條件是不同的。我們披露，在非常低的計數(shù)率時，當(dāng)PMT增益是低的時候，有可能得到相當(dāng)好的能量分辨率，約是105量級而不是106。用前置放大器增益優(yōu)化PMT是非常重要的，以便獲得最好的能量分辨率，這是所公開的探測系統(tǒng)的一個重要的和創(chuàng)新的方面。
當(dāng)從CGX通道給出的X射線和γ線能量相差幾倍或更大些時，至少一個晶體必需厚到足以吸收所有由γ線積存的能量。在用于區(qū)別多重同位素時，CGXD的晶體厚度將按照吸收來自由要定量的同位素匯集單元發(fā)射的最高能的γ線的全部能的要求來決定。這將導(dǎo)致對X-射線探測的本底有某些增加，同樣在較大體積的閃爍體內(nèi)宇宙線，容能γ線，例如從K40的高能γ線的存積能量增加。
使用具有較高能γ線的CGX發(fā)射體也會引起對間隔物和屏蔽的改動。在兩種情況下，被動屏蔽裝置將變厚，并且部分高原子數(shù)的組分將增加。使用具有高能γ線的CGX發(fā)射體也會導(dǎo)致使用軟件的改變。根據(jù)可接受的依據(jù)來使用不同的參數(shù)，尤其是有關(guān)脈沖寬度和脈沖上升時間的參數(shù)。
一種解決上述X-射線本底變大的巧妙的方案是，把樣品放在成對的層式閃爍體探測器之間。對每個探測器，0.1英寸NaI(T1)或CaF2閃爍體，作為鄰近樣品的慢探測器是合用的。它提供X射線的高能分率探測并基本上對γ線是可透過的。背后的CsI閃爍體起到高能γ探測器的作用。采用適當(dāng)?shù)拿}沖形狀，如果光子在幔的或快的(NaI)閃爍體中被吸收時DSO基數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以進(jìn)行區(qū)別。由此可以對符合衰變進(jìn)行計算，γ和X射線是否吸收在單個層式閃爍體內(nèi)，或在兩個相向的層式閃爍體內(nèi)。
此外，一個4英寸的鍺酸鉍(BGO)晶體可以用作一種主動屏蔽。這種設(shè)施，其靈敏度比不屏蔽的或當(dāng)前醫(yī)院中使用的被動屏蔽裝置要高出4個數(shù)量級，比實施例I中介紹的系統(tǒng)要高出5-10倍。
實施例4利用光電二極管的低本底，便攜式CGXD系統(tǒng)光電二極管或雪崩光電二極管替代PMT，因為他們的更大耐久性，在溫度改變時較好的穩(wěn)定性以及低的能耗。利用符合和附加的脈沖形狀分析而形成的本底抑制，只需要小于2公斤被動復(fù)合材料屏蔽，并且對便攜性沒有影響。將軟件管理補(bǔ)充到便攜式計算機(jī)?？梢圆捎孟嘞虻奶綔y器結(jié)構(gòu)，也可以采用實施例3中介紹的層式閃爍體結(jié)構(gòu)型式。
實施例5利用空間分辨的PMT的多樣品CGXD系統(tǒng)空間的和時間的分辨X射線/γ探測器已經(jīng)通過把單個閃爍晶體耦合到空間分辨的PMT上而做成。例如，Hamamatsu R24 86 PMT有四個輸出。測量所有四個通道中的脈沖高度，可以計算被吸收γ線的空間的位置。由此可以取得與晶體相接觸的2D源的定量圖象。因為電子干擾噪聲的緣故只有使用相當(dāng)高強(qiáng)度的源(≥1cps)才能得到良好的空間分辨率。這種相當(dāng)大的容性噪聲在這些多電極器件中是固有的，并且由于電荷分布導(dǎo)致較低的振幅信號而使得這種噪聲變得復(fù)雜。于是，由EMI對空間分辨的PMT的影響大于對簡單的PMT的影響。
對于排列或分布在一個二維膜支承體上的EC源，核心的CGXD意圖仍可實施。把2D的樣品放在最適于γ的非成象的“硬”探測器與成象的PMT之間。在成象閃爍體/PMT的平面閃爍體內(nèi)X射線受到有效地阻擋。通過來自“硬”和成象探測器的符合信號來觸發(fā)衰變分析。對四個PMT輸出中的每一個，以及“硬”探測器的輸出進(jìn)行DSO脈沖形狀分析，并需要多個DSO卡。這種分析是十分重要的，因為對于大部分衰變的信號是很小的，對于電磁和電子噪聲是靈敏的，所以在一個位置處的衰變就有可能錯誤地把它歸于另外一個位置的。非常好的結(jié)果是空間分辨率的增加，尤其是對低放射性源。由此，可以獲取清晰的圖象和/或受控制的位于支承膜上的樣品位置可以更為接近。
實施例6γ和級聯(lián)的光子符合探測本實施例設(shè)計成用于捕獲具有多次低能的衰變，在緊隨電子俘獲的電子層的再建過程中發(fā)射級聯(lián)的光子，與來自受激核的γ光子符合。把樣品放置在二個不同的探測器組合件之間。建議采用一種PMT-NaI(Tl)-CCD-樣品-NaI(Tl)-PMT的結(jié)構(gòu)。相比于先前介紹的實施例，在數(shù)據(jù)分析方面明顯的復(fù)雜化。分析衰變的總量，以決定是否CCD中的衰變只是來自級聯(lián)的UV/可見光子的，或者它是否是X射線所引起的。這就需要一個非常低噪聲的單光子CCD和可能需要一種冷卻裝置。
一種可能的較好的實施例是利用下述的結(jié)構(gòu)的一種CCD-氣體探測器-樣品-NaI(Tl)-PMT。氣體探測器以自限制的電子流方式工作，即，在外加高壓(一般為1000伏)情況下，由單光子吸收引起放電。選擇氣體的組合物，不使他們?nèi)粨舸?，形成火花隙，但限制在約形成0.2mm長的電子流。最終電子數(shù)受到100,000的放大，形成許多可見光子的發(fā)射。利用一個低噪聲的CCD探測這種光脈沖的位置?？捎^察到，電子流形成只有幾毫秒分之一。由此，以自限制方式工作的氣體探測器有一個固定的延遲，這有利于用于符合系統(tǒng)，例如在CGXD，中的應(yīng)用。
實驗上的困難是，氣體探測器其尺寸比CCD的尺寸大得多。因此，應(yīng)該使用大焦距的光學(xué)部件。為了增加光的產(chǎn)生，可將不透鏡列陣放在氣體探測器和CCD之間。每個透鏡把發(fā)散的光脈沖準(zhǔn)直成一種平面波前或會聚的光束。
為了增加光子的信號/噪聲比，和減小探測器的尺寸，可以使用一種加強(qiáng)的CCD，即，一種微通道板和CCD的組合。微通道板具有10英寸的直徑，即，比CCD大5倍。于是，來自氣體室的象投射到微通道板上，然而輸出圖象采用適當(dāng)?shù)耐哥R列陣被準(zhǔn)直至CCD上。
使用微通道板，還具有兩個優(yōu)點。第一，它是一個容易控制的門器件，它可以由在裝置的NaI(Tl)/PMT部件中探測的高能光子來觸發(fā)。第二，可用于匹配氣體發(fā)射體和CCD探測器之間的光譜。尤其是，可使微通道板的輸入磷光體最佳吸收由氣體放電所發(fā)射出來的光子，而選擇輸出磷光體使它與硅的吸收光譜相匹配。優(yōu)選的實施例在本文所公開的CGXD系統(tǒng)包括五個子系統(tǒng)二個光子探測器，例如閃爍體/光電傳感體組件；讀出電子路，包括電源；數(shù)據(jù)采集和分析子系統(tǒng)；間隔物/屏蔽子系統(tǒng)；以及樣品架。由此，它基本上是實施例1所描述的設(shè)備。
二個具有合適光電傳感體的閃爍晶體，例如PMT的閃爍晶體，他們互相面對。他們由一個合適的，小于8mm厚的間隔物分開，該間隔物具有雙錐形的中心孔，允許樣品放在其內(nèi)，以輻照兩個晶體。選擇孔徑，要使得開孔的立體角只朝向晶體的晶面。這種間隔物可最佳地限制晶體之間的“串話”，其厚度需要限制一定的本底衰變。把晶體放置在由多種材料構(gòu)成的復(fù)合屏蔽中，以減小由于環(huán)境放射性所造成的本底。這種屏蔽根據(jù)應(yīng)用的需要，可以選用0.5-20kg的重量。
積存在閃爍晶體，例如NaI(Tl)晶體內(nèi)的能量由光電傳感器轉(zhuǎn)換成電脈沖，再變成電壓脈沖，該電壓脈沖由快速低噪聲的前置放大器成形。電子電路包括，光電傳感器用的高壓電源，高增益放大器和一個符合電路。使用專門的“三角形狀”成形前置放大器可允許快速符合和良好的能量分辨率。來自兩個探測器，以及符合觸發(fā)器的信號輸入至PC基的數(shù)字存儲示波器(DSO)的卡板，這種示波器通過專有的軟件提供快速實時脈沖形狀/脈沖高度的分析。
在PC機(jī)上提供DSO卡基脈沖形成分析的軟件開發(fā)是一個主要的任務(wù)，并利用三種程序語言給出約30000行碼的程序。用BorlandTurbo Pascal語言和C++編碼的步驟，有助于碼高度模塊化，透明化和容易定型化。通過改變軟件，可以使相同的裝置適用于各種不同應(yīng)用，而不用改變硬件。使最嚴(yán)格時間的步驟是IBM PC組合語言編碼，可使我們用最大的效率荻取和分析信號。
DSO卡板有二個具有至少8-位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入，和一個附加輸入，它可以用作采樣觸發(fā)器。在取樣速度至少為10MHZ時，應(yīng)該可以同時監(jiān)測二個輸入通道，在取樣速度高達(dá)100兆樣品/秒時得到信號并繼續(xù)存儲于單板儲存器直到檢測到觸發(fā)器，依據(jù)預(yù)定的后置觸發(fā)器的數(shù)目來獲取數(shù)據(jù)點。一旦這種采樣停止，單板存儲器的內(nèi)容可用于主計算機(jī)。任一通道都可用作觸發(fā)器，也可以通過軟件來觸發(fā)。采樣速度，后置觸發(fā)點的數(shù)目，以及通道上的增益，解發(fā)條件都可以通過一個PC I/O接口來置定，同時單板存儲器可以直接通過一個4K字節(jié)的窗口未存取，這就允許利用CPU的字符串指令或者DMA轉(zhuǎn)換至其它的外圍裝置而進(jìn)行快速的恢復(fù)。
由閃爍體/PMT，或者閃爍體/光電二極管組合，在光子被吸收時所產(chǎn)生的脈沖具有其振幅正比于由閃爍體內(nèi)光子積存能量的形狀。另一方面，在讀出電子電路內(nèi)電磁感生的脈沖形狀沒有這樣好的限定。后者有多種形狀，從單個窄的尖峰信號脈沖，至快速連續(xù)的這種尖峰信號脈沖，至隨機(jī)的電子噪聲。在脈沖-高度分析系統(tǒng)中，偽脈沖可能大大損害所獲取的譜，并減小系統(tǒng)的整個信號/本底比率。同時，許多由探測光子所產(chǎn)生的“真”脈沖受到破壞，例如在二個分別的衰變出現(xiàn)在短時間間隔內(nèi)(積聚假象)，或一個由光子所產(chǎn)生的脈沖受到一個符合的電磁接收而有所畸變。這種衰變將使所獲取的譜變得模糊，或者應(yīng)該將這樣的譜丟棄，或者依據(jù)形狀分析來予以校正。在前端電子線路中的高頻電子噪聲干擾頻譜，同時降低能量分辨率。通過脈沖形狀分析，可以使譜提高至閃爍體的真正分辨率。不用對硬件作任何改變，執(zhí)行脈沖形狀分析的軟件可以用1/2cpm的計數(shù)率來增加能量分辨率。
圖1表示利用DSO基的頻譜分析器獲得的微微居里I125源的譜。圖中表示作為光子能量函數(shù)的測量計數(shù)率。
表明最好的信號/本底比(S/B＞50)。
圖2表示經(jīng)過100小時采樣時間在CGXD內(nèi)的放射性本底。圖示作為每個探測器中的能量函數(shù)的所檢測的本底計數(shù)數(shù)目。指出，在I125的位置(小“+”字表示)計數(shù)速度為約1cpd。同位素表1選擇的EC同位素Be7(53.6d)Na22(2.58y)Ar37(34.3d)V49(330.0d)Cr48(23.0h)；Cr51(27.8d)Mn52(5.6d)； Mn54(291.0d)Fe52(8.0h)； Fe55(2.7y)Co55(18.0h)；Co56(77.3d)； Co57(270.0d)； Co58(71.0d)Ni56(6.4 d)；Ni57(1.5d)Cu64(12.8h)Zn62(9.3h)； Zn65(245.0d)Ga66(9.5h)； Ga67(78.0h)As71(62.0h)；As72(26.0h)；As73(76.0d)；As74(18.0d)Se72(8.4d)； Se75(120.0d)Br76(16.5h)；Br77(2.6d)Kr76(10.0h)；Kr79(1.6d)Rb82m(6.3h)；Rb83(83.0d)；Rb84(33.0d)Sr82(25.5d)；Sr83(1.6d)； Sr85(64.0d)Y83(108.0d)；Y86(14.6h)； Y87(3.33d)Zr88(85.0d)；Zr89(3.29d)Nb92(10.1d)Tc93m(60.d)；Tc96(4.3d)； Tc99m(6.0h)Ru97(2.9d)；Rh99(16.d)； Rh100(21h)； Rh102(206d)Pd100(4.0d)；Pd101(8.5h)；Pd103(17d)Ag105(40d)； Ag106(8.3d)；Ag108m(＞5y)Cd107(6.7h)；Cd109(470d)In111(2.81d)； In113(118d)Sn113(118d)Sb119(158d)；Sb122(2.8d)Te118(60d)； Te119(45d)； Te121(17d)I123(4.2d)； I125(60d)； I126(13.2d)Cs132(6.5d)Ba128(2.4d)；Ba131(11.6d)小計71同位素同位素表2在鑭族中的EC同位素La135(19.8h)；Ce133(6.3h)；Ce134(3.0d)； Ce(22.0h)； Ce137(9.0h)；Ce139(140d)Nd140(3.3d)pm143(265d)；Pm144(440d)； pm145(18y)； Pm146(710d)；pm158m(40.6d)Sm145(340d)；Eu145(5.6d)；Eu146(1.58d)；Eu146(4.6d)；Eu147(24d)；Eu148(54d)； Eu149(120d)； Eu150m(14h)；Eu150(5y)；Eu152(13y)Gd146(48d)； Gd147(35h)； Gd149(9d)； Gd151(120d)；Gd153(200d)Tb151(19h)； Tb152(18h)； Tb(2.58d)； Tb154m(8h)；Tb154(21h)； Tb165(5.4d)； Tb160(73d)Dy155(10h)； Dy157(8.2h)Tm165(1.21d)； Tm167(9.6d)； Tm168(85d)Yb169(32d)Lu169(1.5d)；Lu170(2.0d)； Lu171(8.3d)；Lu172(6.7d)；Lu173(1.3y)；Lu174m(165d)Hf173(24h)； Hf175(70d)Ta175(11h)； Ta176(8.0h)； Ta177(2.21d)； Ta179(1.6y)；Ta180m(8.1h)小計鑭族54同位素同位素表3在很重的金屬族中的EC同位素W181(130d)Re181(20h)；Re182(13h)； Re182(64h)；Re183(71d)；Re184m(2.2d)； Re184(50d)； Re186(90h)Os183m(10h)； Os183(12h)； Os185(94d)Ir185(15h)；Ir187(12h)； Ir188(1.71d)； Ir189(11d)；Ir190(11d)；Ir192(74d)Pt191(3.0d)Au193(15.8h)； Au194(39h)； Au195(200d)；Au196(5.55d)Hg193m(1.1d)； Hg193(6h)； Hg194(130d)；Hg195(1.66d)；Hg195(9.5h)； Hg197m(24h)；Hg197(2.71d)Tl200(1.08d)； Tl201(3.04d)； Tl202(12d)； Tl204(3.9y)pb200(21h)；Pb201(9.4h)；Pb202(2.17d)Bi203(12.3h)； Bi204(11.6h)； Bi206m(15.3d)； Bi206(6.3d)；Bi207(30y)小計重金屬40同位素同位素表4在錒系的EC同位素po206(8.8d)At210(8.3h)； At211(7.2h)Rn211(16h)Ac226(29h)Pa228(22h)； Pa229(1.5d)U231(4.2d)Np23(4.4d)Pu234(9h)； Pu237(45.6d)Am239(12h)Cm241(35d)Bk245(4.95d)；Bk246(1.8d)小計錒系15同位素
權(quán)利要求
1.具有非常低放射性，小于100微微居里的符合γ/X射線(CGX)發(fā)射體的使用，用于定量測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的使用，其中所述CGX放射性同位素壽命在5小時至1年之間，可由所述的同位素表1-4中選取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的使用，其中所述放射性發(fā)射體是共價鍵合元素的同位素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的使用，其中所述放射性發(fā)射體是碘和/或溴的同位素，尤其是I125同位素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的使用，其中所述放射性發(fā)射體是可用于共軛有機(jī)化合物的螯合過程中的元素同位素，包括CGX鑭系同位素。
6.測定非常低放射性，小于100pci的CGX同位素的裝置，它包括至少二個以符合方式使用的高能光子探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中至少一個所述的探測器是適用于探測器X射線的Ge-半導(dǎo)體探測器，即該探測器的厚度小于0.5英寸，并使用一個具有薄鈹或鋁窗的恒低溫器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中至少一個所述的探測器是空間分辨的氣體探測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述的空間分辨探測器是一個薄的自限制電子流室，空間分辨率由成象取得，同時使用一個CCD攝象機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中至少一個所述的探測器是一個閃爍體，包括其中閃爍體是一種具有良好能量分辨率的無機(jī)閃爍體的情況。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述的閃爍體是一種適當(dāng)摻雜的NaI或CaF2晶體，其厚度小于0.5英寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中光電倍增管用于放大來自所述閃爍體的信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中使用大面積的光電二極管或雪崩光電二極管以放大所述的閃爍體的信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中低放射性的本底石英窗放置在所述閃爍體和光電二極管之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中使用低放射性本底的外殼以復(fù)蓋所述閃爍體的表面，尤其是，所述的外殼是非常薄的(＜0.1g/cm2)，由低原子數(shù)元素(Z＜10)，例如鈹，鋁或塑料做成。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述的探測器組件放置在其屏蔽內(nèi)，該屏蔽至少一個部件是由非常高原子數(shù)的金屬(Z＞61)制作，尤其是，所述的高原子數(shù)材料是鉛，鎢或汞。
17.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中所述的探測器組件放置在由具有低原子數(shù)(Z＜20)，中間原子數(shù)(21＜Z＜60)和高原子數(shù)(Z＞61)的相繼材料層組成的屏蔽內(nèi)，高原子數(shù)層是最外層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中所述的具有低和中原子數(shù)的材料是高純度的銅(Cu)和錫(Sn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中吸收大量X射線的間隔放置在所述的二個獨(dú)立的γ/X射線探測器之間，其中所述的間隔物是由厚度大于2mm的高原子數(shù)材料(Z＞61)層組成。
20.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中所述的權(quán)利要求19中的間隔物被包覆在具有中原子數(shù)和低原子數(shù)的材料層的兩表面上，還包含其中所述的低和中原子數(shù)材料分別是Cu和Sn的情況。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所述的間隔物有一個錐形孔，孔中放置樣品。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所述的間隔物由二部件組成，所使用的樣品架包括一個窄的帶有球面端部的微毛細(xì)管，中孔的端頭，可容納0.1毫升的液體。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中如權(quán)利要求22所述的樣品架是由低原子數(shù)(Z＜10)和低放射性本底，例如塑料，鋰或鈹材料制作。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所述的間隔物有多個依次的錐形孔，形成一種易識別的圖形，其中欲研究的樣品放在所述的孔內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所述的樣品是以斑點，放在具有與權(quán)利要求24的間隔物內(nèi)相同孔圖形的薄膜上，所述斑點對準(zhǔn)探測器之間的間隔物。
26.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中間隔物由二部件組成，每一個具有相同的孔圖形，其中如權(quán)利要求25的斑點放置在該二部件之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中來自閃爍體的脈沖用低噪聲前置放大器放大，最好采用二級前置放大器，使成形為一種特征三角形脈沖，脈沖上升時間小于200ns，下降時間在0.5-5ms之間，其中在兩個晶體中的脈沖形狀和幅度被匹配到優(yōu)于＞10％。
28.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中如權(quán)利要求27的脈沖由適宜的單道分析儀(SCA)進(jìn)行幅度分析，并利用具有限定時間窗口的符合電路(COINC)提供SCA輸出信號。
29.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中一種快速的，至少每通道10MHZ的ADC或DSO用于分析上述脈沖的形狀，來自COINC的信號用作觸發(fā)器的信號。
30.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中從上述權(quán)利要求29的ADC或DSO給出的存儲內(nèi)容進(jìn)行儲存，用于在計算機(jī)的快速存儲器中進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。
31.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中由權(quán)利要求30的脈沖形狀記錄用包括下述模塊中的部分或全部軟件進(jìn)行分析a)脈沖幅度分析器；b)所有脈沖寬度的分析器；c)脈沖上升部分形狀的分析器；d)脈沖下降部分形狀的分析器；e)二個探測器的脈沖之間的延遲的分析器；f)脈沖倍乘數(shù)的分析器；g)前脈沖蹤跡的分析器；h)利用最小二乘方技術(shù)把脈沖形狀與標(biāo)準(zhǔn)高能光子脈沖形狀作比較的比較器；以及如果至少這些模塊中的一個其采用數(shù)據(jù)不滿足時，衰變在線的分析就被拒絕。
32.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中按權(quán)利要求31選擇的符合脈沖是用于建立一個三維的矩陣，或“散射曲線”，它能用于以非在線方式而進(jìn)一步優(yōu)化本底抑制。
33.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中至少一個閃爍體與空間分辨的PMT耦合，由上述空間分辨的PMT的輸出通過至少二個和典型的為4個相匹配的低噪聲放大器進(jìn)行放大，并可以用作多道ADC或DSO模塊的輸入。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中來自所述空間分辨的PMT的合適的放大脈沖與如權(quán)利要求31所述算法的“標(biāo)準(zhǔn)形狀”脈沖進(jìn)行分析比較，其至少二個，最好所有4個空間分辨的PMT輸出滿足“標(biāo)準(zhǔn)形狀”條件，并用于形成1D或2D圖象。
35.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中至少一個探測器是γ探測器，它由二個具有不同特征響應(yīng)時間的光耦合的閃爍體組成，例如層式閃爍體。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中緊靠樣品的層式閃爍體部分是具有高能量分辨率的非常薄的閃爍體，例如NaI(Tl)或CaF2(Eu)，層式閃爍體的另一部分是厚的，高中止功率閃爍體，例如CsI或BGo，其中所述的二個閃爍體可以用具有低放射本底的幾毫米的透光材料來分隔，例如用丙烯酸塑料或石英材料。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中來自層式閃爍體的信號由快速，低噪聲成形放大器放大，然后用權(quán)利要求27、28、29、30和31的一組數(shù)據(jù)分析模塊來進(jìn)行分析，所述的由權(quán)利要求35的ADC和DSO的脈沖形狀分析被用于將閃爍體部件定位在吸收光子的層式閃爍體內(nèi)。
38.根據(jù)權(quán)利要求2特定實施方法，其中同位素是一種加入到有機(jī)分子，或結(jié)合到有機(jī)分子上的原子，還包括其中所述的有機(jī)分子是一種用于大分子合成的母體的情況。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的特定實施方法，其中所述的有機(jī)分子是一種雌激素，或其它的類固醇化合物。
40.根據(jù)權(quán)利要求2的特定實施方法，其中所述的放射性同位素用作大分子上的標(biāo)記，它包含其中所述大分子是蛋白質(zhì)或者生物制品，或者合成生產(chǎn)的制品的情況。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的特定實施方法，其中所述的分子屬于一種核酸的母體類，或者是天然的，或者是合成的，它包含其中放射性同位素標(biāo)記結(jié)合到用于核鏈伸長的引物內(nèi)的情況。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的特定實施方法，其中一個或多個引物用作體外核酸放大的方案，包含其中所述放大反應(yīng)是聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)的情況。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的特定實施方法，其中所述的PCR在放大作用呈指數(shù)上升時予以中止，約少于十個放大周期，或者其中經(jīng)標(biāo)記的核酸用作線性聚合酶反應(yīng)的引物。
44.根據(jù)權(quán)利要求40的特定實施方法，其中經(jīng)標(biāo)記的蛋白質(zhì)是一種抗體或抗原，包含，其中所述抗體是一種單克隆抗體的情況。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的特定實施方法，其中所述抗體或抗原被用于一種競爭性測定中。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的特定實施方法，其中所述抗體被用于探測生理液或手術(shù)去除的組織中癌細(xì)胞的存在，包含其中雌激素或其它類因醇用于診斷肺癌的情況。
47.根據(jù)權(quán)利要求2的特定實施方法，其中放射性同位素用作生物有機(jī)體的標(biāo)記，包含所述生物體是病毒，細(xì)菌，藻類，真菌或原生動物的情況。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的特定實施方法，其中所述的病毒是通過性或血液灌注傳染疾病，如愛滋(AIDS)病的制劑，以及包含其中所述細(xì)菌是結(jié)節(jié)桿菌或細(xì)菌，它們是性傳染疾病，例如梅毒的母體的情況。
49.根據(jù)權(quán)利要求45的特定實施方法，其中所述的競爭性測定法用于探測人體生理液的污染，例如血液，尿、痰、眼淚、汗、羊水，或脊髓液等的污染，包含權(quán)利要求47的微生物污染。
50.根據(jù)權(quán)利要求45的特定實施方法，其中所述的競爭性測定法用于探測動物生理液的污染，包括由微生物引起的污染，并其中所得數(shù)據(jù)用于獸醫(yī)實踐中。
51.根據(jù)權(quán)利要求45的特定實施方法，其中所述的競爭性測定方法用于探測食物或農(nóng)產(chǎn)品的污染，包括由微生物和其有毒付產(chǎn)品，例如黃曲霉素和真菌毒素所引起的污染。
52.根據(jù)權(quán)利要求45的特定實施方法，其中所述的競爭性測定法用于探測環(huán)境試樣的污染，例如水，土壤，空氣等，包括由微生物引起的污染，并測試數(shù)據(jù)用在環(huán)境監(jiān)測中，尤其可能的化學(xué)污染包括農(nóng)藥，除草劑，PCB，二噁英(dioxin)和重金屬。
53.根據(jù)權(quán)利要求45的特定實施方法，其中所述的競爭性測定法用于凈室環(huán)境中的空氣塵埃的測定，所測數(shù)據(jù)用于估算懸浮在空氣中的微粒塵埃和其它顆粒的數(shù)目和大小分布。
全文摘要
對于利用核捕獲內(nèi)層電子的同位素衰減，可以出現(xiàn)X射線和γ光子的符合發(fā)射。X射線由外層電子下降充填S層而發(fā)生，γ光子由受激的子核躍遷至較低能級而引起，本發(fā)明是一種符合γ和X射線探測器(CGXD)，它通過符合計數(shù)和其它的本底抑制測量的協(xié)同組合而取得異常的本底抑制。從而由單個γ計數(shù)器記錄的本底約為20-40計數(shù)/分，而最適用電子捕獲放射性同位素I
文檔編號H01L31/09GK1137239SQ94194455
公開日1996年12月4日 申請日期1994年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月12日
發(fā)明者安德澤·K·德魯克伊爾 申請人:比奧特雷斯公司