本发明公开一类用于定量测定特定类别同位素的新装置。他们 相对于现有探测器具有下述优点：

*增加灵敏度，即，可测亚微微的居里级样品；

*多色的，即，可以在同一样品中测量和区别多个同位素；

*多样品，即，同一装置可测量多个不同样品；

*便携性。

上述装置不仅是非常灵敏的，即，他们可以检测5×10-21mole 的标记分子，而且也可得到非常重现性的结果。微微微样品的独立 测量表示相同的结果，其最佳的重现性大于1％。此外，我们有资 料表明装置具有很好的线性，其线性度大于0.01×10-6。所公开的 符合的γ/X射线探测器(CGXD)的特性将在许多领域得到重要的应用， 包括生物医学和环境学方面的应用。

该技术的广阔的应用范围包括快速发展的如免疫检验，DNA定 序，色谱和医学成象的医学和生物化学领域。此外，这些技术可以 扩展至例如污染监测，废水处理，化学工业和法医等领域等。尤其 是，这些技术将在下述方面具有重要的应用：

·分子生物学；

·生物医学诊断；

·环境污染探测；

·材料加工；

·石油化学工业。

本发明涉及对现有技术中在发射光子同位素稀有族的成员定量 测定的改进。首次综合应用了相关的原子和核物理学。大约存在着 上千种γ发射同位素，其中有上百种从S层(最低的能态)通过电子捕 获(EC)而得到他们的受激核态。结果一个不稳定的S层空位和一个 不稳定的受激核态形成，在小于1微秒内，可以发生从核发射γ光 子(瞬时发射)，或者核激发可以具有相当长的半衰期(延迟发射)。 每个不同衰变通道的出现几率与同位素十分有关，这种控制物理学 是非常复杂的。S层空位可以由外层电子的下落来充填，同时伴随X -线光子的发射，或者通过级联的低能跃迁(典型的是低于10kev)， 逐步再建电子层。有瞬时γ和X线发射的EC衰变是本公开的最大应 用，下面将通过“GX”通道而予以说明。下面，这种EC同位素付 类的成员被引用作为符合的γ/x射线同位素(CGX同位素)。

对于大部分应用，只有寿命为几小时至几年的EC同位素具有重 要性，尤其是选用半衰期的寿命大于几天的同位素。同位素表1说 明某些EC同位素的性质。尤其是EC同位素I125，其某些应用在下面介 绍。依据用旧的仪器获得的和核数据表中所记录的结果，35kev核 γ线和在27-31kev范围内几种可能的x线之一的符合发射出现在 7％的I125衰变中。采用本文公开的改进测量系统，实际上实验表明 在25-35％的衰变中有符合。

在化学上CGX同位素是不同的，包括稀有气体Ar37。几种CGX放 射性同位素形成共价键。许多是多价的金属。形成共价键的放射性 同位素多年来已用于有机和生物化学分析中。近年来，多价金属也 用作标记物。他们以螯合络合物形式受到捕获，这种络合物是要定 量测定的分子或大分子的组分，或是可以加合到该要定量测定的分 子或大分子上。除金属之外，清除的蛋白金属硫堇能捕获24～40个 多价金属原子。金属硫蓳近年来已被用作遗传工程融合蛋白的组分。 因此，它的高载带能力，例如与抗体的目标特异性相结合。从而可 以取得高度选择的标记提供给复杂的细胞混合物内的特殊抗原目标。 于是，CGX同位素可应用于各种已有技术的标记方案中。标记的方 法本身不是本发明的主题。

放射性同位素计数通过利用CGX同位素扩展至非常低的放射性 区域，以及对CGX衰变选择性定量测定是本发明的主要目的。为了 以最大的灵敏度对CGX的衰变定量测定，我们采用不同的本底源。 基于已有系统的经验我们找到一些不是所期望的源。作为已认可的 本底层，有一种逐级计数测量的仪器。这种仪器具有单光子或者选 择CGX计数方式的功能，并被称为一种符合γ/X的线探测器(CGXD)。 就本身来说，具有符合计数的硬件不是新的。然而，利用从独特的 核和电子层的激发出来的符合光子来取得本底抑制，这是非显而易 见的，也是新的。其它新的特征是在研制程序过程中与符合探测协 同地结合一起，得到低成本的结构系统，可以定量测量放射性很低 的，以至于用传统的单个γ计数器记录本底无法区别的CGX源。

已有技术的计数单个γ的仪器已经广泛应用于测量能量范围在 几十kev至几Mev的许多类γ发射体中。在这些装置中，多道分析仪 电子系统区分能量脉冲高度，分们通常用于区分多个同位素源的发 射能量。对任何同位素来说，希望对最高的试样量提供最大的计数 效率。

可是，特定的CGXD能力只与EC同位素有关，他们只是很大类γ 发射同位素中的一小部分付族。即使对于EC同位素，CGX通道也是 相当少的，这就不需使用目前常用的许多同位素。而且，在选择 CGX计数方式中，探测效率始终小于单个γ计数器的效率。直至本 发明，人们相信较低的探测效率将减低整个的测量，因此在已有装 置中只能应用高效率的探测器。由此，CGXD的利用是具有显著创造 性的。

然而，我们证实，CGXD极大地扩展同位定量测定的有用放射性 范围。通常使用I125作为实例。在双共价键有机分子时碘很容易加 成、这种有机分子包括核酸，碳水化合物和蛋白质。碘标记物常用 于生物化学，核医学和分子与细胞生物学的基础研究中。他们广泛 应用在临床医学的免疫测定中。已有的探测器其放射性本底在10～ 40计数/分(cpm)范围内，这就需要使用有相当大放射性的同位素。 对于使用单光子定量测量，一般需要每试样具有10毫微居里(nci) 的同位素，以便在本底上提供统计的有效数。在利用CGXD来优化抑 制没有I125符合CGX特征的现象，本底的误差不定地是1计数/天(1 cpd)。因此，一个微微居里(pci)的I125输入将足以满足每个样品的 典型测定。相比于已有探测器，只需要千分之几的少量放射性。实 际上，这些pci放射性是大大低于环境的放射性。

上述方法的直接应用是利用超低放射性标记的定量测定。他们 的主要应用是生物医学的诊断。这些应用包括DNA定序，DNA指纹鉴 定，以及不同形式的可竞争性(competitive)和/或结合的测定，例 如放射免疫测定(RIA)。通常，测量多个稀释液以提供一种对诊断 有意义的结果。竞争性放射测定具有许多优点(非常高的灵敏度， 大量熟知/标定合，以及多年积累的经验)，他们广泛用于生物医 学中。然而，RIA逐步由荧光免疫测定(FIA)和酶免疫测定(EIA)所 替代。主要原因是，所使用放射性标记物的放射性对每次测定都是 约微居里，因此产生了大量对有害材料的处理和排放问题。采用选 择性的CGX计数，较高的灵敏度，降低同位素获取成本，对人体的 较小接触以及减少放射性废物排放均是容易的。如果实施pci同位 素输入，对于可能剩留在试样或试剂内的毒素和病原体的接触是远 远大于所使用少量I125的安全量。

在需要时，样品计数首先可以不用使样品与单γ本底上的放射 性有效地符合。因此，低放射性的样品可以在符合方式时再计数， 以取得具有很大本底抑制的有效定量。在利用对特定EC同位素的 CGX通道的预定频率时，可以用计算方法将两种计数方式的结果相 结合。使用约比单个γ计数器大1000倍的动态范围的计数器时，对 具有高量和底量目标材料的样品的差异处理将不再需要。因为这将 降低测定费用和提高他们的可靠性。

CGXD高灵敏度的优点可以由其重要应用领域的具体例子来说明， 该应用领域是对聚合酶链反应(PCR)产物的分析。在PCR反应中，把 已有的核酸顺序知识用于确定目标顺序是否在络合核酸混合物中， 例如在人体细胞群体中的一种单HIV病毒。一种周期的重复反应选择 性地放大目标序列，直至受放大的核酸可以通过某些端点分析技术 予以定量。一个实际问题是，某些人为的产物不可避免地产生。其 中一些产物的放大要比目标序列的快。需要放大的周期愈大，所寻 找的目标信号受到淹没的可能性愈大。于是，减少PCR周期的数目 将增加目标/人工核酸的信/噪比。PCR反应适于用CGX标记。例如， 用于每个反应周期的引物可以载有I125标记。当CGXD分类法用于端 点定量测量时，则少得多的放大周期就足够，它与PCR人为积累的 限制相符合。相同的这些优点可用于许多其它的与PCR相竞争的放 大作用设想中。

CGXD保留基于单γ计数器的较简单的MCA的能力，当已知源的 γ能量可以区分时则可区分共存的同位素。此外，X射线分立的特 性提供区别混合物中的源同位素的另外依据。由此，CGXD可以比简 单的计数器提供同时定量测定更多的复杂的同位素混合物。只需在 下述软件中作菜单驱动改变，对混合物中的已知同位素作出选择。 为简便起见，这种同时定量测量的能力在下面被称为“多色”能力。

具有成象能力的放射探测是可以得到的。老的样机是X射线胶 片，但它不能用在CGXD中。空间分辨探测器，如果其告知辐射的到 达时间，那么它只与CGXD的能力相关，并且可通过符合计数来支持 本底的抑制。目前，这些计数器包括空间分辨半导体探测器和空间 分辨气体探测器。也可以使用具有合适耦合空间分辨光子探测器， 例如成象光电倍增管(PMTS)和CCDS的闪烁体。例如，把成象PMT设 计成，  通过在单PMT内提供四通道输出而在单平面闪烁体上确定吸 收位置。在由闪烁体中高能粒子中止所引起的突发低能光子分配在 PMT的分立部位。合适的四道的分析输出提供在闪烁体上吸收位置 的确定。由此保证二维(2D)同位素源的定量成象。排列在薄的支承 膜上的有规样品可表示成百个欲同时测定的鉴测样品。成象的PMT 可以与下面将详述的选择CGX计数方案相适应。因此，个别的，低 放射性CGX样品的低计数率可以采用平行定量多个样品来予以补偿。 当CCD连接到闪烁体的情况下可以取得更高的空间分辨。

当传统地使用放射自显影时可以使用一种空间分辨的CGXD，它 具有附加的多色能力的优点。利用已有的标记探测技术，例如化学 发光或通常的放射自显影，任何重合的目标分布必需通过依次的探 询周期来读出。在许多应用中，2D的目标图形被转移至耐用的膜上， 产生一个表示原2D样品的韧性2D点，即斑点。在其它的设计方案中， 斑点是由把核酸或蛋白质样品置放在膜上而产生，并把它固定在其 上。通常，必需采用不同的分析试剂来显示/定量各种不同的2D图 形的目标。采用依次的探询。这种方法是冗长的，频繁处理样品或 其斑点膜图象，限制了它的使用寿命。用CGXD的区分目标的探针可 以载有不同的标记。因此，可以单独地或同时地测量其余目标的分 配。

在2D样品持有抗原(Ag)时，具有区别CGX标记的多个抗体(Ab) 可以分别制取，并汇集以供斑点的同时探询。反之，可以把抗体结 合至2D样品上，并且许多载有区别CGX标记的抗原来显示位置。这 两种方式结合一起可提供多种免疫测定。

在2D样品束缚了核酸(DNA或RNA)时，附加至特定目标序列的核 酸探针可以对CGX分别标记，然后汇集以进行同时探询。这些方式 有助于通过与短的齐聚物探针杂化(SBH)而定序程序，以及多重定 序和基因定序，其中DNA定序反应的多馏分产物是重合的。

这些免疫技术的灵敏度可通过使用CGXD而增加，它可以达到先 前只有用比较困难的技术，例如PCR才能取得的灵敏度水平。这个 高灵敏度在某些对欲探索的几百个分子灵敏的生物医学应用是非常 有用的。这些应用包括探索非常强烈的毒素和某些微生物。CGXD的 灵敏度可允许探测在几毫升生理液中的单个病毒或细菌。它也有利 于探测不同癌的转移，例如肺癌。对毒素，例如黄曲霉毒素和真菌 毒素的改进灵敏度可以在食品加工过程中进行高质量的鉴测，也包 括对谷物的储存和其它农产品在内的检测。

通过超低本底能力可以有新的一类应用。考虑把放射性同位素 或电离辐射引入人体被认为是有危险的。它用于肿瘤破坏，或者从 放射性获得的诊断信息值被认为远强于放射性自身的危险时。然而， 人体不是一种无放射的环境。在生理液中，K40是主要的放射源。还 有一种可吸收氡气和它的衰变子核，穿透的宇宙线和微量的重放射 性元素。用CGXD，选择的EC同位素可以在放射性低至不对电离过程 的“天然”负载，形成明显增量的情况下，得到精确的定量。由此， 可以使用CGX标记的化合物，而不用害怕在“自发”本底上的引起 的损害。这就开创了一整套常规使用的诊断，它可用于各种具有严 重损害病人的初期判断。

有关环境方面的应用。CGX同位素或CGX标记化合物可在外部环 境中作为示踪物释放，此时附加的放射性是远远低于“天然”源。 对于一种具体实例，可以把CGX示踪物加至容器或管路中未探测泄 漏。非活性的惰性气体Ar37用于此目的是理想的。化学容器场地， 铁路和高速路的油槽车，和有毒化学物生产厂都是明显的市场。其 它可溶的示踪物可使用地/水附近已经严重污染的地方，即连续的 从容器或管路中幔泄漏是难以定位的地方。CGX系列的同位素包括 几种相当短寿命的同位素，以致即使埋入少量外加的放射性也可以 很快地从环境中消失。

示踪技术对于定量测量环境中的目标物质的分配不是十分相关 的，例如测量在谷物上毒素或残留的农药。目标不是一开始予以标 记，但是他们的定量测定可以通过免疫鉴测技术而达到。通过放射 免疫测定可以得到最大的灵敏度，通常使用I125作为在抗体或抗原制 剂上的标记。试剂的CGX标记和CGXD的读出将扩大这种测定的灵敏 度，这在过去是受到放射性本底所限制的。现已有对致癌物，除草 剂和农药的抗体。由混杂物产生的均匀单克隆抗体(基本上产生所 要求的单抗体的不变的淋巴细胞的克隆)可以是选择的试剂。

在环境分析中，要研究成千个样品以估测被某种污染的物质污 染是否超过预定允许值。这些值通常为1微微mol/ml，即，大约比 好的免疫测定的灵敏度限高出三个量级。由此，如有任何样品被污 染可以把成百个样品汇集一起，并通过测试最终的“混合(cockta- il)样品”。在很少的这种混合测试情况下表示正的结果。依据 “Boltzano区分”的统计技术，可以采用相当少的步骤来确定哪些 样品真正受到污染。于是，不用测量成千的样品，一般需要测量几 十个合适的“混合样品”就可以，这样至少可减少20倍的费用。只 要鉴测的灵敏度大于可允许的污染体的一千倍，那么这种测量是可 靠的。CGXD的优良灵敏度有助于这种测量方法。

在天然环境中，水流的局部图形和土壤的不均匀性可导致通常 在仅几米直径的几个“热点”区内集中污染。因此，污染值的动态 范围高达几千。另一方面，在一个平方公里内，可以存在很少的热 点区，结果只有千分之一或少数样品内测试到污染。目前的技术， 尤其是质谱(MS)和高性能的液相色谱(HPLC)，同时测试一个样品。 CGX同位素与2D成象的相容性可以同时测量几百个样品，同时保持 极限的本底抑制，和因而所需的高动态范围。

优良灵敏度的CGXD技术和专用的竞争性测定技术专一性的创造 性结合，当他们用在“清洁房间”使用时具有明显的改进。研制非 常高密度的VLSI芯片要求对用于半导体加工的清洁室有日益增高的 洁净度。因清洁房间环境中沾染，引起的缺陷问题是在新一代芯片 生产中高产率的严重限制问题之一。因此需要估测空气/化学纯度 的新的诊断方法以达到新一代半导体制造的要求。关键在于大量的 污染物起源于生物学的，例如部分人的皮肤，头发，衣服的材料的 线头，细菌，花粉等，对这些非常特定的单克隆和多克隆抗体或者 已经存在，或者可能发展。初步估计提出，由每立方米零点几微米 大小的颗粒引起的污染可以检测。例如，在使用单克隆抗体时，可 以探测10-15mole的人体皮肤部分。这个测定极限是由现今使用的免 疫测定法的特性所致。许多典型的污染物应同时定量测定，这就需 要用“多色”测定法。我们相信，把使用免疫测定法以判断清洁房 间可以通过同时使用多个单克隆抗体而进行相当的改进。这需要一 种能够定量符合的多标记，并进行高产率的测试的分析技术；CGXD 在这些方面具有特长。已有技术的X射线和γ射线探测器。

下面介绍已有技术的探测器，可以把现有的辐射探测器分成几 类： a)超低本底探测器，放射性本底每小时小于0.1计数(＜0.1cph)； b)非常低本底探测器，放射性本底小于1cph(＜1cph)； c)低本底探测器，放射性本底每分钟小于1计数(＜1cpm)。

在最近几年，超低放射性本底技术已有非常快速的发展(见参 考1)。这些发展已由几个在世界上使用大的(几4克质量的)，高纯 度锗(Ge)探测器的大型基础实验室领先使用。在最近十年中，放射 性本底已缩减大约五个数量级，现在对于硬的X射线能量(20-50 kev)其本底约为每天1个计数。对于半衰期为几个小时至几天的放 射性同位素，检测单个放射性原子在目前是可能的。然而，这些探 测装置是十分昂贵的，这种系统的典型费用约为$250,000元。他 们完全用于基础物理研究，他们的遥控，地下设施是远远超出普通 分析实验室的能力。

在世界上只有几个非常低放射性本底探测器放置在地球的表面 上。他们是Ge-探测器，非常重，一般所用屏蔽铅超过1吨。

商业上制造的低本底系统，用于一般的研究和生物医学，环境 测定。在这些前沿的探测器中，已取得放射性本底约为每小时10个 计数。他们主要是半导体Ge探测器，通过用闪烁体反符合屏蔽。现 今，Ge-谱仪是最成熟的，是最佳性能的γ探测器。他们的主要优 点是，具有良好的能量分辨率，dE/E＜1％，无论对硬X-射线还是 γ光子。他们常与反符合放射性屏蔽配合操作。然而，Ge探测器必 需在液氮中操作，这就严重地限制它在平凡的生物医学和环境测量 中的应用，尤其是在需要便携应用的情况下。其它缺点是价格高， 装置至少每台约$30,000元。对于高能γ探测器，需要2kg Ge探 测器，其价格约为$100,000元。

大量商业上可得的辐射探测器具有放射性本底大于1cpm的特 点。他们是最常见的气体探测器或闪烁探测器。从历史上看，气体 探测器最先用于诊断。他们简单和可靠。他们的能量分辨率一般对 30kev的硬X射线是10％。具有重被动屏蔽的X射线气体探测器通常 具有20-30cpm的本底。由于他们低的截止功率和由于大尺寸的气 体净化系统所带来的不方便，使他们被闪烁计数器所替代。在某些 应用中，气体探测器的重要优点是可以得到具有高空间分辨率的大 尺寸探测器。最典型的是多线比例室(MWPC)型探测器。多道电子学 的需要将导致成本增加。此外，放射性本底正比于引线的数目，并 能在MWPC气体探测器中得到明显的提高。因此，将具有低线数的漂 移气体室优选使用在超低本底的应用中。然而，对于低能积存，例 如在X射线受到中止时，要建立在两个方向具有良好空间分辨率的 漂移室是困难的。

今天，闪烁计数是一种对位素衰变测量(见参考文件2)最常用 的方法。使用液体或固体闪烁体把β或γ衰变能转变为一个可见光 子脉冲，并对与原粒子能量成正比的总光子数进行分析。这些应用 的闪烁探测器在1960年首先研制，今天商用仪器中已有一定的改进。 这种探测器的局限性是：由于需要屏蔽而导致的体积和重量；中等 的能量分辨率，将对可能区别的其余标记的数目有限制；本底值是 每分钟20个计数(20cpm)。其它实用上的考虑是，某些闪烁体，例 如MaI(T1)，是高度吸湿的，因此需要合适的房子。

通常，井式闪烁探测器(对样品带孔的单晶体)用于探测和定量 化低能γ/X射线发射同位素。为了使较高能量的探测效率(DE)最大， 通常它具有一个相当大的体积，典型的能量分辨率dE/E(FWHM)分别 在30kev时为30％，在511kev时为9％。即使用厚的3-4时铅屏蔽， 在低能时的本底计数率是20～40cpm。本底是由进入大探测器体积 的宇宙线、环境辐射和探测器的内部污染所产生。宇宙线以两种主 要方式产生低能本底计数：通过直接激发探测器内的原子，然而发 射特征的X射线，和通过使电子饱和，产生假脉冲。来自环境的高 能γ光子(大部分是空气中的K40，Tl208，Bi204和氡的子核，以及人为 的污染)，通过屏蔽而穿透并产生次级低能γ/X射线。纵然他们的 高探测效率为70-90％，但是高的本底将导致所需输入的放射性至 少为每样品几十个毫微居里。

在经济的超低本底计数方面的最新进展是符合γ探测器(CGD)， 它由Dr.A.K.Drukier小组推出到实用中。所设计的CGD用于探测和 定量同位素，该同位素随着正电子和γ光子的符合发射而衰变。在 10ns(毫微称)内，正电子与电子一起湮没，产生反向的γ光子， 其能量为511kev。对于没有三重γ特性的过程受到抑制。在U.S专 利No.5,083,026中，优选的CGD实施利用多重闪烁探测器以记录三 个符合的高能(E≥250kev)的γ光子。

最近，有一种有利的元件进展，它能用到CGX探测系统中。已 知老一代的闪烁体具有放射性污染，例如K40有ppm沾染，锕系元素 有ppb沾染。由此，大部分的放射性本底是来自晶体自身。最近已 研制出超纯的闪烁体用于超低本底的探索，适用于双β衰变和非放 射性的无光体。这些材料的放射性本底比以前所得的闪烁体低三个 数量级。

基于此，大部分的本底来自于PMT的玻璃中的K40。石英的PMT可 以使用，但是十分昂贵。而且，即使K40引起的放射性污染被消除， 还有由光阴极所产生的不可忽略的放射性本底。

在过去的若干年中，大面积(大于1cm2)的光两极管(PD)和雪 崩光两极管(APD)已在商业上可得到。与PMT相对照，PD/APD是较小 的，更坚固耐用，只需要低电压电源(对PD通常为＜100V)，并具有 相当低的总能量消耗。他们对湿度变化和分散磁场也不太灵敏。因 此，用超纯的硅基器件替代PMT有助于降低总本底和较高的灵敏度。

其它可能改进地用于CGXD中的探测器是层式闪烁体(phoswitch)。 它是由二个不同响应时间的闪烁体结合而成，把两者光学地耦合到 一个单PMT或其它的光传感器上。它可以更有效地探测低的和高能 光子，所述软X射线和γ光子。一种实施例是一个薄的NaI(T1)晶体， 在其后有一块厚的CSI晶体，接着有一个公共的PMT。例如一个0.1 英寸NaI(T1)闪烁体起到一个高能量分辨，低能量γ/X射线探测器的 作用，其中硬γ几乎不吸收。CsI闪烁体起到硬γ光子探测器的作 用。由于快和幔闪烁体的不同响应时间，脉冲形状可以测定其内光 子受阻的闪烁体。带能光子的能量可以从已知的X-射线/γ-射线 的吸收位置和脉冲高度来计算。这些能力使层式闪烁体可用于CGXD 装置中。但需指出，已有的使用复杂硬件电子学的层式闪烁体检测 器是用于测量闪烁体的光脉冲时间。已有技术的装置适用于高能的 γ-射线，其能量为E＞200kev，以及用于高计数率的实验中。当 用于软γ-射线和低计数率的实验时，已有技术的层式闪烁体检测 器就会导致假象。

同样，在使用袖珍的计算机和专用电子学方面的有关的研究。 IBM PC-兼容计算机和便携式(laptop)/笔记本式的计算机目前已 可获得，其价格为$1000-4000之间。他们或他们的“扩充”箱可 以接纳数字存储示波器的引线，它能简便地插接到扩充的槽缝内。 它对闪烁探测器输出的脉冲形状分析提供一种潜在的能力，作为一 种按低价格的计算机来对本底进行抑制的工具。 引用的文献： 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。

实施例1：一般的CGXD

在原理上，可以使用γ发射与来自电子层级联的低能光子(X- 射线除外)的符合来寻求本底的抑制。然而，实质上对低能光子(紫 外，可见，以及近红外)产生本底区分的问题增加，尤其对X-射线 更为严重。由此，为了使计数CGX同位素例如I125的系统最佳，需要 损失一些符合衰变以达到意外的本底抑制。I125发出35 kev的γ光子， 其中25-35％的衰变，并在该γ光子和少数具有能量为27-31 kev 的特征性X-射线光子之间有符合。γ和X射线能量之间的差异足够 的小，以致一个薄的闪烁体/PMT系统就具有合理的探测效率和对两 种辐射型式有能量分辨率。为经济起见，使用耦合到PMT上的具有 几英寸直径NaI(T1)晶体的闪烁计数器。具有2英寸和3英寸直径的 晶体类似的性能。那些高原子数/高密度的无机闪烁体具有优良的 截止功率，合理的能量分辨率和可能的快速定时时间(＜10ns)。 把样品放在位于公共轴上的相对放置的闪烁体的相对面之间。为了 使探测效率最佳，把同位素样品安置在最小间距计数器的两个面之 间的中心线上。

合适的CGX同位素表的(见同位素表1-4)的分析表明，NaI(T1)探测器在所用的能量范围内，可以识别直至8个不同的γ/X射线。

对主要本底抑制的效果测量值(要CGXD研制过程中不断进行的) 综合在表1中。符合度作为首要的本底抑制测量。利用MCA实施的符 合，本底约减小100倍。这种改进相比于最好的已有技术的商业探 测器提供较好的性能，已有的探测器为具有放射性外屏蔽的锗井式 探测器。但需注意，使用符合也会导致探测效率的下降。采用两个 探测器构型和具有80％效率的计数器，探测到符合I125的γ和X射线 发射的全部n率为约15％。因此，其中只使用符合的CGX探测器，其 信号/本底之比只比已有技术探测器大几倍。

被动式屏蔽提供某些本底的抑制。与符合结合一起，一种外部 复合的屏蔽可以使本底从10降低到5cph。屏蔽不影响探测效率， 但是限制了探测器的便携性。典型地，一种复合的屏蔽由多层具有 高、中和低原子数的材料构成，它比单一的铅基屏蔽优越2倍。优 选地，复合的屏蔽可以比等效的铅屏蔽轻2倍以上。

为了减低闪烁晶体之间“串话”，通过使用一种γ/X-射线的 吸收材料使他们之间尽可能地隔离是重要的。采用一个计数器和高 放射性I125源的实验中1mm的铅箔足以吸收99％的单光子。惊奇的 是，当1mm的箔放在二个探测器之间时，不足以适当地挡住剩余的 本底。另外，在没有样品的情况下，增加铅间隔物的厚度至3-5mm， 这对于减低平缓的本底计数是需要的。比单光子更为复杂的衰变可 以由较厚的间隔物来阻挡。例如，某些衰变可以由宇宙线撞击隔离 板而引发，并且散射的辐射进入两个晶体。铅的放射性同位素污染 可能是另一个原因，它能放射/散射符合的辐射进入相对设置的晶 体中。采用较厚的隔离物，到达二个探测器的多重发射的几率减小。 如果厚的隔离物放置在两个闪烁晶体之间，这将使本底下降4倍， 下降到约1cph，同时探测效率的下降不超过10％。

研发具有双锥孔，其固体角正对着晶面的厚隔离物，它可以使 屏蔽和探测效率的要求之间得到折衷。一个允许最佳接触晶体的样 品架其形状和尺寸都是相关连的。我们研制了一组具有不同孔径的 隔离物，在实验时对不同体积的样品来说是重要的。

表1、放射性本底下降因素的效果

具有相对的探测器的符合γ-射线/X射线探测器 2×NaI(T1)          没有符合                 40cpm 2×NaI(T1)          MCA实施符合              10cpm 2×NaI(T1)          同上+薄复合屏蔽          5cph 2×NaI(T1)          同上+闪烁体间的间隔物    1cph 2×NaI(T1)          同上+DSO脉冲形状分析     1cpd

已有技术的具有井式晶体几何结构的探测器 NaI(T1)             薄铅屏蔽                 40cpm NaI(T1)             复合被动屏蔽             20cpm NaI(T1)             放射性屏蔽[CsI]         5cpm Ge                  复合被动屏蔽             1cpm Ge                  主动屏蔽[NaI(T1)]        20cph

其中：cpm＝每分钟计数，

      cph＝每小时计数，

      cpd＝每天计数。

在该表中，本底测量中的系统的和统计的误差不超过5％。

采用符合抑制和被动屏蔽是有效的，通过脉冲形状分析还可获 得增益。这种分析是依据每个闪烁晶体的输出进行的，用以估计每 衰变过程的成分是可以与同位素衰变特性相适应的，即，对I125的情 况下，35kev的γ和在27-31kev范围中少量X-射线之一。两种 衰变应该在毫微秒内符合，并由单光子产生的具有脉冲形状的特征。 这种分析允许对许多其它的源于荷电粒子，堆积的低能光子，电子 饱和现象和电磁积存噪声的本底衰变进行区别。也可使用电磁积存 噪声的知识以调节DC补偿畸变，加上符合检测并增加能量分辨率。 实时脉冲分析的实现，在正常情况下将使信号/本底比按大于1个数 量级而增加。本底的降低最高可达到从几个cph至约1cpd。在图1 中表示对所做的所有本底测量的1微微居里I125的分析结果。

这一类脉冲形状分析，在以前只是在离线进行，需用非常昂贵 的电子学。通过一系列在三类超低放射性本底设备上所进行的实验， 形成使用基于数字存储示波器(DSO)的PC机进行在线脉冲形状分析 的基本原理。对具有本底抑制的输出用多路单道分析仪和计算机； 并把阈值/符合单元和多道分析器(MCA)相结合；以及用DSO的在线 脉冲形状分析来进行估测。较传统的MCA设备，主要由于电磁脉冲 的吸收得出几个cph的本底。然而，在具有DSO基的在线脉冲形状分 析的相同探测器/屏蔽系统中。本底约为1cpd。于是，脉冲形状分 析将对本底的抑制产生明显的改进。

利用DSO的其它有利之处在于，通过检查许多对以MCA基的系统 不可能得到的参数而可以更可靠地测量，例如，偏置水平(lias level)。不用任何辅助的硬件，以DSO基的信号允许自动诊断和自 校正，例如，实时鉴测高压电源的性能，PMT的增益，和数据采样 链的线性。

需要强调，所有相结合的本底降低测量的协同作用。没有先前 的由于符合探测所导致的本底降低，可能存在一种高的，不同剩余 本底的，复杂化的计算系统。在CGXD用于区别和定量多个共存同位 素时，以上所述尤为重要。然而，计算上的负担是十分繁重的，如 衰变的分布曲线必需与每个共存同位素所允许的曲线进行比较。当 脉冲形状分析程序已取得了实质性的进展使用相当厚的间隔物仅成 为显然。先前，它的正效应是不明显的。在由被动屏蔽和间隔物结 合一起所取得本底降低仅是几倍时，这才使DSO/计算机系统的计算 负担有了明显的减轻。从下述实施例中所提供的内容将可见，将计 算负担降到低价格的PC型计算机的容量内是需要作出相当努力的。

让我们考虑不采用上述协同本底抑制方法中之一的执行系统。 我们做成一系列装置，其中只用到符合和脉冲形状分析；所观察到 的本底是大于10cph。在不使用复合屏蔽，而只考虑使用符合，间 隔物和脉冲形状分析时，本底约为1cph。在使用复合屏蔽，但是 去除间隔物时，可以观察到类似的本底。于是，我们的实验表明， 由放射性本底支配本底。放射性污染和宇宙线的影响似乎是可以相 比较的。然而，电磁和振动的吸收在10cph水平上也是重要的，总 之，任何一个本底抑制测量的消除将减低效率和提高整个CGXD系统 的成本。

上述因素同样也涉及到专用CGXD的实施。  以DSO基的脉冲形状 分析对所有系统是公用的。CGXD技术的核心在于用许多适于专用的 已有的辅助件补充到几个基本的探测器模件。在下面所述的实例中， 只介绍基本元件，而略去许多已有技术的特征，尤其是样品的传输 和读出显示系统。

实施例2：适用于I125的超低本底的CGXD系统

探测I125的γ射线需使用具有一定能量分辨率的闪烁体探测器。 现今，最好的能量分辨率是用NaI(T1)/PMT组合而达到的。然而， 使用NaI(Tl)，由于其特征的碘吸收边缘将引起附加的硬X射线本底。 这一点可以通过结合使用CaF2/PMT组合而予以消除。

需要选择用于构成这些器件的材料。所有选用的超过1mg量的 材料都应该进行放射性杂质的屏蔽。尤其是，含K40的玻璃应该改用 石英，或者特别低本底的Pyrex玻璃。三价铁材料不能应用，因为 具有放射性钴的沾染。某些类型的塑料，例如，聚四氟乙烯和丙烯 酸是可取的，还有超纯的铜，锡和铅也可采用。

实施例3：用于X射线和高能γ线的系统

在许多CGX源中I125不是代表性的，因为X射线能量(27-31kev) 相当接近于γ线的能量(35kev)。然而，对许多CGX源来说，γ线 是在200-2,000kev范围内，对比需对CGXD的结构作出某些改变。

通常假定，能量分辨率是受到闪烁光子发射的统计学限制的。 然而，实际上，通常它是受PMT的选择，偏压和前端电子学的噪声 所限制。我们在X-射线和γ射线源的超低本底计数的经验中得知， 在高和低能量时系统的最佳条件是不同的。我们披露，在非常低的 计数率时，当PMT增益是低的时候，有可能得到相当好的能量分辨 率，约是105量级而不是106。用前置放大器增益优化PMT是非常重要 的，以便获得最好的能量分辨率，这是所公开的探测系统的一个重 要的和创新的方面。

当从CGX通道给出的X射线和γ线能量相差几倍或更大些时，至 少一个晶体必需厚到足以吸收所有由γ线积存的能量。在用于区别 多重同位素时，CGXD的晶体厚度将按照吸收来自由要定量的同位素 汇集单元发射的最高能的γ线的全部能的要求来决定。这将导致对 X-射线探测的本底有某些增加，同样在较大体积的闪烁体内宇宙 线，容能γ线，例如从K40的高能γ线的存积能量增加。

使用具有较高能γ线的CGX发射体也会引起对间隔物和屏蔽的 改动。在两种情况下，被动屏蔽装置将变厚，并且部分高原子数的 组分将增加。使用具有高能γ线的CGX发射体也会导致使用软件的 改变。根据可接受的依据来使用不同的参数，尤其是有关脉冲宽度 和脉冲上升时间的参数。

一种解决上述X-射线本底变大的巧妙的方案是，把样品放在 成对的层式闪烁体探测器之间。对每个探测器，0.1英寸NaI(T1)或 CaF2闪烁体，作为邻近样品的慢探测器是合用的。它提供X射线的 高能分率探测并基本上对γ线是可透过的。背后的CsI闪烁体起到 高能γ探测器的作用。采用适当的脉冲形状，如果光子在幔的或快 的(NaI)闪烁体中被吸收时DSO基数据采集系统可以进行区别。由此 可以对符合衰变进行计算，γ和X射线是否吸收在单个层式闪烁体 内，或在两个相向的层式闪烁体内。

此外，一个4英寸的锗酸铋(BGO)晶体可以用作一种主动屏蔽。 这种设施，其灵敏度比不屏蔽的或当前医院中使用的被动屏蔽装置 要高出4个数量级，比实施例I中介绍的系统要高出5-10倍。

实施例4：利用光电二极管的低本底，便携式CGXD系统

光电二极管或雪崩光电二极管替代PMT，因为他们的更大耐久 性，在温度改变时较好的稳定性以及低的能耗。利用符合和附加的 脉冲形状分析而形成的本底抑制，只需要小于2公斤被动复合材料 屏蔽，并且对便携性没有影响。将软件管理补充到便携式计算机。 可以采用相向的探测器结构，也可以采用实施例3中介绍的层式闪 烁体结构型式。

实施例5：利用空间分辨的PMT的多样品CGXD系统

空间的和时间的分辨X射线/γ探测器已经通过把单个闪烁晶体 耦合到空间分辨的PMT上而做成。例如，Hamamatsu R24 86 PMT有 四个输出。测量所有四个通道中的脉冲高度，可以计算被吸收γ线 的空间的位置。由此可以取得与晶体相接触的2D源的定量图象。因 为电子干扰噪声的缘故只有使用相当高强度的源(≥1cps)才能得 到良好的空间分辨率。这种相当大的容性噪声在这些多电极器件中 是固有的，并且由于电荷分布导致较低的振幅信号而使得这种噪声 变得复杂。于是，由EMI对空间分辨的PMT的影响大于对简单的PMT 的影响。

对于排列或分布在一个二维膜支承体上的EC源，核心的CGXD意 图仍可实施。把2D的样品放在最适于γ的非成象的“硬”探测器与 成象的PMT之间。在成象闪烁体/PMT的平面闪烁体内X射线受到有效 地阻挡。通过来自“硬”和成象探测器的符合信号来触发衰变分析。 对四个PMT输出中的每一个，以及“硬”探测器的输出进行DSO脉冲 形状分析，并需要多个DSO卡。这种分析是十分重要的，因为对于 大部分衰变的信号是很小的，对于电磁和电子噪声是灵敏的，所以 在一个位置处的衰变就有可能错误地把它归于另外一个位置的。非 常好的结果是空间分辨率的增加，尤其是对低放射性源。由此，可 以获取清晰的图象和/或受控制的位于支承膜上的样品位置可以更 为接近。

实施例6：γ和级联的光子符合探测

本实施例设计成用于捕获具有多次低能的衰变，在紧随电子俘 获的电子层的再建过程中发射级联的光子，与来自受激核的γ光子 符合。把样品放置在二个不同的探测器组合件之间。建议采用一种 PMT-NaI(Tl)-CCD-样品-NaI(Tl)-PMT的结构。相比于先前介 绍的实施例，在数据分析方面明显的复杂化。分析衰变的总量，以 决定是否CCD中的衰变只是来自级联的UV/可见光子的，或者它是否 是X射线所引起的。这就需要一个非常低噪声的单光子CCD和可能需 要一种冷却装置。

一种可能的较好的实施例是利用下述的结构的一种：CCD-气 体探测器-样品-NaI(Tl)-PMT。气体探测器以自限制的电子流方 式工作，即，在外加高压(一般为1000伏)情况下，由单光子吸收引 起放电。选择气体的组合物，不使他们全被击穿，形成火花隙，但 限制在约形成0.2mm长的电子流。最终电子数受到100,000的放大， 形成许多可见光子的发射。利用一个低噪声的CCD探测这种光脉冲 的位置。可观察到，电子流形成只有几毫秒分之一。由此，以自限 制方式工作的气体探测器有一个固定的延迟，这有利于用于符合系 统，例如在CGXD，中的应用。

实验上的困难是，气体探测器其尺寸比CCD的尺寸大得多。因 此，应该使用大焦距的光学部件。为了增加光的产生，可将不透镜 列阵放在气体探测器和CCD之间。每个透镜把发散的光脉冲准直成 一种平面波前或会聚的光束。

为了增加光子的信号/噪声比，和减小探测器的尺寸，可以使 用一种加强的CCD，即，一种微通道板和CCD的组合。微通道板具有 10英寸的直径，即，比CCD大5倍。于是，来自气体室的象投射到微 通道板上，然而输出图象采用适当的透镜列阵被准直至CCD上。

使用微通道板，还具有两个优点。第一，它是一个容易控制的 门器件，它可以由在装置的NaI(Tl)/PMT部件中探测的高能光子来 触发。第二，可用于匹配气体发射体和CCD探测器之间的光谱。尤 其是，可使微通道板的输入磷光体最佳吸收由气体放电所发射出来 的光子，而选择输出磷光体使它与硅的吸收光谱相匹配。 优选的实施例

在本文所公开的CGXD系统包括五个子系统：二个光子探测器， 例如闪烁体/光电传感体组件；读出电子路，包括电源；数据采集 和分析子系统；间隔物/屏蔽子系统；以及样品架。由此，它基本 上是实施例1所描述的设备。

二个具有合适光电传感体的闪烁晶体，例如PMT的闪烁晶体， 他们互相面对。他们由一个合适的，小于8mm厚的间隔物分开，该 间隔物具有双锥形的中心孔，允许样品放在其内，以辐照两个晶体。 选择孔径，要使得开孔的立体角只朝向晶体的晶面。这种间隔物可 最佳地限制晶体之间的“串话”，其厚度需要限制一定的本底衰变。 把晶体放置在由多种材料构成的复合屏蔽中，以减小由于环境放射 性所造成的本底。这种屏蔽根据应用的需要，可以选用0.5-20kg 的重量。

积存在闪烁晶体，例如NaI(Tl)晶体内的能量由光电传感器转 换成电脉冲，再变成电压脉冲，该电压脉冲由快速低噪声的前置放 大器成形。电子电路包括，光电传感器用的高压电源，高增益放大 器和一个符合电路。使用专门的“三角形状”成形前置放大器可允 许快速符合和良好的能量分辨率。来自两个探测器，以及符合触发 器的信号输入至PC基的数字存储示波器(DSO)的卡板，这种示波器 通过专有的软件提供快速实时脉冲形状/脉冲高度的分析。

在PC机上提供DSO卡基脉冲形成分析的软件开发是一个主要的 任务，并利用三种程序语言给出约30000行码的程序。用Borland Turbo Pascal语言和C++编码的步骤，有助于码高度模块化，透明化 和容易定型化。通过改变软件，可以使相同的装置适用于各种不同 应用，而不用改变硬件。使最严格时间的步骤是IBM PC组合语言编 码，可使我们用最大的效率荻取和分析信号。

DSO卡板有二个具有至少8-位模拟-数字转换器(ADC)的输入， 和一个附加输入，它可以用作采样触发器。在取样速度至少为10 MHZ时，应该可以同时监测二个输入通道，在取样速度高达100兆样 品/秒时得到信号并继续存储于单板储存器直到检测到触发器，依 据预定的后置触发器的数目来获取数据点。一旦这种采样停止，单 板存储器的内容可用于主计算机。任一通道都可用作触发器，也可 以通过软件来触发。采样速度，后置触发点的数目，以及通道上的 增益，解发条件都可以通过一个PC I/O接口来置定，同时单板存储 器可以直接通过一个4K字节的窗口未存取，这就允许利用CPU的字 符串指令或者DMA转换至其它的外围装置而进行快速的恢复。

由闪烁体/PMT，或者闪烁体/光电二极管组合，在光子被吸收 时所产生的脉冲具有其振幅正比于由闪烁体内光子积存能量的形状。 另一方面，在读出电子电路内电磁感生的脉冲形状没有这样好的限 定。后者有多种形状，从单个窄的尖峰信号脉冲，至快速连续的这 种尖峰信号脉冲，至随机的电子噪声。在脉冲-高度分析系统中， 伪脉冲可能大大损害所获取的谱，并减小系统的整个信号/本底比 率。同时，许多由探测光子所产生的“真”脉冲受到破坏，例如在 二个分别的衰变出现在短时间间隔内(积聚假象)，或一个由光子所 产生的脉冲受到一个符合的电磁接收而有所畸变。这种衰变将使所 获取的谱变得模糊，或者应该将这样的谱丢弃，或者依据形状分析 来予以校正。在前端电子线路中的高频电子噪声干扰频谱，同时降 低能量分辨率。通过脉冲形状分析，可以使谱提高至闪烁体的真正 分辨率。不用对硬件作任何改变，执行脉冲形状分析的软件可以用 1/2cpm的计数率来增加能量分辨率。

图1表示利用DSO基的频谱分析器获得的微微居里I125源的谱。图 中表示作为光子能量函数的测量计数率。  表明最好的信号/本底比 (S/B＞50)。

图2表示经过100小时采样时间在CGXD内的放射性本底。图示作 为每个探测器中的能量函数的所检测的本底计数数目。指出，在I125 的位置(小“+”字表示)计数速度为约1cpd。 同位素表1：选择的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) 小计：71同位素 同位素表2：在镧族中的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) 小计镧族：54同位素 同位素表3：在很重的金属族中的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) 小计重金属：40同位素 同位素表4：在锕系的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) 小计锕系：15同位素