В результате исследований импульсной катодолюминесценции кристаллов-сцинтилляторов в ФИАНе предложена методика определения их люминесцентных свойств без использования источников радиоактивного излучения. Разработка может применяться для определения свойств кристаллов, применяемых в ПЭТ-томографах.

    Особенность кристаллов-сцинтилляторов заключается в том, что они обладают хорошей способностью преобразовывать радиоактивное излучение в видимое излучение. Благодаря этому данные материалы очень востребованы в ядерной медицине, особенно в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). До последнего времени их анализ проводился методом гамма-люминесценции с применением радиоактивных источников. Неудобство такого способа заключалось как в сложности работы с радиоактивными материалами, так и в опасности для персонала.

    Исследования спектрально-кинетических свойств кристаллов, проводимые учеными ФИАН, показали, что как спектры, так и времена высвечивания при импульсной катодолюминесценции и гамма-люминесценции совпадают. Эта особенность позволила разработать высокочувствительный метод, основанный на явлении импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), для быстрого определения люминесцентных свойств сцинтилляционных кристаллов для дальнейшей оптимизации основных характеристик сцинтилляционных детекторов-модулей.

    Исследования проводились с использованием катодолюминесцентного спектрографа «Клави». Работа установки базируется на явлении взрывной эмиссии электронов с холодного катода, которое было открыто группой ученых под руководством акад. Г.А. Месяца в 1966 году. При взрывной эмиссии возникают потоки электронов высокой плотности. Под воздействием наносекундных электронных пучков с плотностью пиковой мощности более 1 МВт/см² при энергии электронов в пучке свыше 140 кэВ в образцах кристаллов возникала импульсная катодолюминесценция.

На рисунке: Катодолюминесцентный спектрограф «Клави»:
(1) блок возбуждения люминесценции – ускоритель электронов РАДАН-ЭКСПЕРТ,
(2) многоканальный фотоприемник; (3) компьютер

    В отделе оптики низкотемпературной плазмы экспериментальную установку усовершенствовали. Теперь она позволяет исследовать не только спектр, но и кинетику катодолюминесценции. Импульс из ускорителя электронов направлялся в кристалл, в котором возбуждалась импульсная катодолюминесценция. Спектр и время высвечивания люминесценции образцов регистрировались спектрометром. Учеными были исследованы образцы кристаллов CsI: Tl, YAG: Ge 3+, Tb3+ и LFS-3, выращенных в Институте общей физики РАН.

    В результате исследований был обнаружен кристалл-сцинтиллятор высокой плотности около 7,5 г/см³, который может быть использован в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Минимальное время высвечивания люминесценции такого кристалла было зарегистрировано на уровне 20-25 нс, что позволит при использовании данного кристалла обеспечить высокое пространственное разрешение в ПЭТ-томографах и, следовательно, повысить качество и точность диагностирования. До последнего времени в ПЭТ использовали кристаллы с неудобным, медленным временем высвечивания (около 300 нс).

    Рассказывает заместитель заведующего по научной работе Отделения Оптики ФИАН, доктор физико-математических наук Савинов Сергей Юрьевич:

    «Анализ спектров и времени высвечивания кристаллов-сцинтилляторов при импульсной катодолюминесценции доказали их полную тождественность с показателями при гамма-люминесценции. Важное значение разработанной нами методики ИКЛ состоит в возможностях ее практического применения. Она позволит подбирать сцинтилляторы для ПЭТ-томографов без использования радиоактивных источников. ПЭТ-томографы нового поколения позволят диагностировать онкологические заболевания на самой ранней стадии, даже до их клинических проявлений».

    ПЭТ позволяет диагностировать онкологические опухоли на начальном этапе. В организм пациента вводится глюкоза, подвергнутая радиоактивному воздействию. Поскольку раковая опухоль активно поглощает глюкозу, препарат накапливается в местах ее образования. Когда радиоактивный изотоп распадается с испусканием позитрона, в результате столкновения с электроном образуются два кванта γ-излучения, с энергией 511 кэВ каждый. Энергия γ-кванта преобразуется во вспышку видимого излучения, которое регистрируется детектором ПЭТ-томографа, состоящим из большого количества сцинтилляционных кристаллов.

Герасимова И., АНИ «ФИАН-информ»