АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Приемники рентгеновского излучения

3.1. Характеристики приемников рентгеновского излучения.

Условно приемники рентгеновского излучения можно разделить на два больших класса – приемники, предназначенные для визуализации скрытого рентгеновского изображения (рентгеновские пленки, люминесцирующие экраны, ПЗС-матрицы и т.п.) и приемники (чаще называемые детекторами) для регистрации интенсивности и спектра рентгеновского излучения (газовые, полупроводниковый, сцинтилляционные и т.д).

В соответсвии с предложенной классификацией основные характеристики приемников будут весьма различаться между собой.

К основным характеристикам систем визуализации:

1. Пространственная разрешающая способность - способность раздельно передавать мелкие участки объекта фотографирования. Она определяется наибольшей визуально различаемой пространственной частотой в фотографическом изображении специального тест–объекта. Измеряется в количестве пар линий разрешаемых на 1 мм.

2. Чувствительность – способность системы визуализации реагировать на попадающие в нее кванты рентгеновского излучения.

3. Динамический диапазон – диапазон интенсивностей (количества регистрируемой энергии) в котором зависимость плотности почернения пленки от величины регистрируемой энергии квантов остается линейной

К основным характеристикам детекторов относятся

1. Энергетическое разрешение, определяет способность детектора разделять фотоны разной энергии. электрического поля вдоль центрального электрода счётчика. Каждый фотон определённой энергии производит разное количество пар электрон- ион в пропорциональном счётчике. Поэтому импульсы, возникающие в счётчике, имею разную амплитуду.

2. Диапазон регистрируемых энергий квантов. В зависимости от типа и конструкции детектора может весьма варьироваться.

3. Скорость счета квантов – количество квантов в единицу времени, которые детектор способен зарегистрировать, разделяя отдельные кванты.

4. Ресурс детектора - максимальное число квантов из рабочего диапазона энергий, которые может сосчитать детектор без изменения параметров.

5. Эффективность детектора – отношение числа зарегистрированных квантов к общему числу упавших квантов.

3.2. Рентгеновские пленки

Благодаря универсальности и удобству фотографические методы продолжают широко применятся для регистрации излучений в одномерном и двумерном распределении.

Использование пленок в качестве преобразователей рентгеновского изображения основано на действии излу­чения на эмульсию пленки. Рентгеновская пленка представляет собой тонкую подложку из нитроцеллюлозы, на которую наносится слой фотографической эмульсии, состоящий из суспензии микроскопических кристаллов бромистого серебра в желатине. Толщина эмульсионных слоев достигает 0,03 мм. Для предохранения эмульсионные слои покрывают защитным слоем желатина толщиной 0,001 мм.

Электроны, образованные при поглощении пленкой квантов излучения, перемещаясь, попадают в потенциальные ямы на поверхности кристалла (серебряные центры). Электрон, захваченный серебряным центром (центром чувствительности), заряжает его. К центру притягивается один из междоузельных ионов серебра. В результате его нейтрализации в центре чувствительности появляется еще один атом серебра. Описанный процесс составляет элементарный акт образования скрытого изображения. После возникновения первого атома серебра элементарный акт повторяется снова, пока идет экспонирование - взаимодействие излучения с эмульсией рентгеновской пленки, в результате которого возни­кает скрытое изображение. Образуется группа атомов серебра - центр скрытого изображения.

Атомы брома, потерявшие электроны, диффундируют к поверхности кристалла, где связываются желатином.

Рис. 3.1. Характеристическая кривая рент­геновской пленки

Do — плотность вуали; DoA — область недодержек; АВ — область нормальных экспозиций; ВС — область передержек; CL — область соляризации

Чувствительность пленок к рентге­новскому излучению обычно невелика, что объясняется малой толщиной слоя светочувствительной эмульсии пленки и соответственно малой долей энергии рентгеновского излучения, поглощен­ной в эмульсии.. Для увеличения доли поглощенной энергии излучения на некоторых пленках эмульсию наносят с двух сторон прозрачной подложки пленки.

Рентгеновские пленки подразделяются на безэкранные и экранные. Первые предназначены для использования их без люминесцентных усиливающих рентгеновских экранов или с металлическими усиливающими экранами, вторые применяются с люминесцентными усиливающими экранами.

Люминофор, поглощая рентгеновские кванты, преобразует их в кванты длинноволнового излучения. Этот эффект подробнее рассмотрен в разделе 3.3. Эффективность преобразования энергии рентгеновского кванта определяется конверсионной эффективностью люминофора.

Спектр излучения некоторых люминофоров представлен на рис. 3.2. Получение максимальной чувствительности системы рентгеновская плёнка-люминофор заставляет подбирать такой тип фотоплёнки, который имеет наибольшую чувствительность в спектральной области максимальной интенсивности свечения люминофора.

Рис. 3.2. Нормированные спектры излучения рентгенолюминофоров.

1-BaSO4; 2-CaWO4; 3-ZnS-Ag

Разрешающая способность и чувствительность для фотоплёнки связаны так: нормальная чувствительность это разрешение 100-130 пар линий на мм, низкая чувствительность это 300-400 пар линий на мм. Специальные фотографические эмульсии обладают разрешающей способностью свыше 1000 линий на мм.

Рис. 3.3. Спектральная характеристика рентгеновских плёнок.

1-медицинская рентгенографическая плёнка; 2-флюорографическая плёнка.

3.3. Люминесцирующие экраны

Для увеличения фотографического действия рентгеновского излучения (сокращения времени просвечивания) в рентгенографии применяются также люминесцентные и металлические усиливающие экраны. Их усиливающее действие обычно оценивается коэффициентом усиления, определяемым отношением времени просвечивания с экраном и без него.

Несмотря на то, что люминесцирующий экран был предложен на ранней стадии развития рентгенологии, он не нашел применения в течение многих лет по нескольким причинам: чрезвычайно интенсивное послесвечение, - высокая зернистость изображения, вызванная использованием природных кристаллов люминофора больших размеров, неоднородность нанесения слоя люминофора.

Результатом целенаправленных исследований как в области фотографической науки и технологии рентгенографических пленок, так и в области люминесценции и технологии усиливающих экранов, явилось то, большинство обычных рентгеновских снимков было сделано с использова­нием пленки с двумя эмульсионными слоями, нанесенными на противоположные стороны основы (подложки) и пары кальций-вольфраматных усиливающих экранов.

Основные характеристики люминесцирующих экранов приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Характеристики люминофоров

а б

Рис. 3.4. Спектры люминесценции типичных рентгенографических люминофоров и типичные спектры поглощения рентгеногра­фических пленок общего назначения.

а - люминофоры, эмитирующие свет в синей части спектра, и синечувствительная радио­графическая пленка. б - люминофор, эмитирующий зеленый свет, и зеленочувствительная радиографическая пленка.

Современные экраны обладают следующими достоинствами:

а) светочувствительность в 2,5-3,0 раза больше, чем у пленок, что позволяет соответственно уменьшить время экспозиции и лучевые нагрузки на пациента и персонал;

б) существенно увеличено время эксплуатации лу­евых трубок вследствие уменьшения среднего времени экспозиции;

в) значительно улучшены структурно - резкостные характеристики и целенаправленно модифицированы формы характеристических кривых в соответствии с локальными контрастами объектов диагностики;

г) возможность надежной работы в широком диапазоне напряжений от 50 до 120 кВ;

д) химическая и радиационная стабильность ортохроматических экранов, малая остаточная радиоактивность и низкая их гигроскопичность увеличивают срок службы экранов и уменьшают влияние окружающей среды на их свойства.

3.3. Экраны с фотостимулированным люминофором

Второе по частоте распространение получила цифровая рентгенография на запоминающих люминофорах. Метод разработан в начале 80-х годов, но только недавно технологические и экономические аспекты этой системы стали более широко использоваться в клинике. Метод основан на фиксации рентгеновского изображения экраном, покрытым специальным люминофором и внешне похожим на обычный усиливающий экран. В момент рентгеновской экспозиции происходит запоминание информации люминофором в виде скрытого изображения, которое способно сохраняться длительное время (до 6 ч). Считывание скрытого изображения производится инфракрасным лазером, который стимулирует люминофор (отсюда другое название: “система на стимулированных люминофорах”). Под действием лазера происходит освобождение накопленной на люминофорах энергии в виде вспышек света. Свечение, как у обычных усиливающих экранов, пропорционально числу рентгеновских фотонов, поглощенных запоминающим люминофором. Эти вспышки видимого света преобразуются фотоэлектронным умножителем в электрические сигналы, а затем с помощью аналого-цифрового преобразователя – в цифровые данные, которые формируют цифровую матрицу, отражающую яркостные показатели каждого пикселя. Оставшееся на экране скрытое изображение стирается интенсивной засветкой видимым светом, после чего экран можно многократно использовать вновь.

Разрешающая способность люминесцентной цифровой рентгенографии в значительной мере определяется размером пикселя, который колеблется от 0,1х0,1 мм при использовании запоминающих экранов не более 20х20 см и до 0,2х0,2 мм в случае использования экранов размером 35х43 см.

К основным преимуществам экранов с фотостимулированных люминофоров можно отнести следующие:

- сверхвысокая чувствительность (в десятки раз выше, чем у плёнки).

- широкий динамический диапазон 10 -10 .

- цифровой вид получаемой информации.

- благодаря интегральному типу накопления информации исключаются ошибки просчётов, которые могут быть у детекторов считающих отдельные кванты.

3.4. Газовый пропорциональный детектор

Газовый пропорциональный детектор – один из первых приборов, предназначенных для регистрации интенсивности и спектрального распределения рентгеновского излучения.

Конструктивно пропорциональные счетчики рентгеновского излучения представляют собой газоразрядный двухэлектродный прибор, катодом которого служит металлический корпус (рис. 3.4), а анодом — тонкая вольфрамовая нить. В качестве наполнителя чаще всего используют аргон, а также ксенон. Для жесткого излучения предпочтительное ксенон, так как у него больше, и эффективность регистрации.

Рис. 3.5. Схема проточного пропорционального газового детектора.

1 — изоляторы; 2 — корпус; 3 — входное окно; 4 — нить;

5 — штуцеры для подвода газа.

Квант рентгеновского излучения, взаимодействуя с электронной оболочкой атомов газа, выбивает один из внешних электронов, в результате чего образуется ионная пара.

На образование одной ионной пары аргона расходуется в среднем 26,4 эВ энергии, для ксенона это 20,8 эВ. Число пар ионов, образованных при поглощении одного кванта с энергией e, будет

(3.1)

где J — средняя энергия образования ионной пары; Ф — фактор Фано, учитывающий, что отдельные акты ионизации не носят чисто случайный характер. Из (3.1) видно, что количество ионных нар пропорционально энергии падающих фотонов. Это приводит к тому, что амплитуда импульса на выходе детектора пропорциональна энергии регистрируемых квантов, т. е. детектор обладает энергетическим разрешением.

Под действием ускоряющего потенциала электроны движутся к нити, а положительные ионы — к корпусу. Электроны на своем пути ускоряются электрическим полем и многократно ионизируют атомы газа. Отношение числа первично возникших электронов к числу электронов, достигших нити, называется коэффициентом газового усиления, обычно равным 10⁴—10⁵. Значение коэффициента газового усиления экспоненциально зависит от рабочего напряжения на счетчике, поэтому стабильность ускоряющего напряжения должна быть не хуже 0,05 %. Для быстрого гашения импульса в инертный газ добавляется немного гасящего газа..

Рис. 3.6. Эффективность пропорциональных счетчиков с различным наполнителем.

1 — Не + 10 % СН4, окно — полипропилен 1 мкм; 2 — Ne + 10 % СН4 окно — Be 10 мкм. 3 — Ar — 10 % СН4, окно — полипропилен 1 -мкм; 4 — Кг + 10 % СН4, 5 — Xe + 10 % СН4,6 — Xе + 10 % СН4, давление 2 атм. Толщина слоя газа 2 см, давление 1 атм (кроме случая 6).

Газоразрядные счетчики бывают отпаянные с постоянным газовым наполнением и проточные. В отпаянных счетчиках для окон используют вакуумплотный бериллий толщиной около 0,2 мм. Срок службы таких детекторов определяется непроницаемостью окна детектора для газа. Для регистрации мягких рент­геновских лучей нужны очень тонкие входные окна, которые невозможно сделать непроницаемыми.

Чтобы компенсировать неизбежную утечку газа, через счетчик пропускается с малой скоростью струя газа из подключенного баллона. В проточных счетчиках окна изготовляются из органических пленок ПЭТФ, терефталата полиэтилена и полипропилена толщиной 1—6 мкм. Пленки толщиной 0,1 мкм и менее получают из нитроцеллюлозы, поливинилового формальдегида и ацетата целлюлозы испарением растворителя из капель раствора на поверхности воды. Сверхтонкие окна укрепляют на металлической сетке. Поглощаясь в рабочем газе детектора, рентгеновские лучи вызывают вторичное рентгеновское излучение газа. Если это вторичное излучение выйдет из рабочего объема детектора не поглотившись, то ионизации вторичными фотонами теряются, и наряду с основным пиком возникает пик потерь, смещенный от основного пика на величину потерянной энергии фотонов рабочего газа.

Пока продолжается разряд, счетчик не может зарегистрировать очередной квант рентгеновского излучения. При следовании квантов чаще, чем через 1—2 мкс счетчик не будет их регистрировать. Это время принято называть мертвым. Мертвое время может значительно увеличиваться и за счет регистрирующей электронной схемы, работающей в комплекте с детектором. Поэтому следует избегать нагрузок детектора,. превышающих 10⁵ имп/с.

Другая разновидность газоразрядного детектора — газовый позиционно-чувствительный детектор (ПЧД). В ПЧД в качестве анода используется нить с высоким сопротивлением. Регистрируемый сигнал снимается с обеих сторон анода.

При этом амплитуда и форма обоих выходных импульсов определяется расстояниями от участка нити, соответствующего точке первичной ионизации, до ее концов. Последующая обработка этих сигналов позволяет определить как энергию поглощенного фотона, так и лилейную координату точки его попадания в детектор. Пространственное разрешение ПЧД доходит до 50—100 мкм.

3.5. Сцинтилляционный детектор

Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (или фотодиода).

Сцинтилляторами называют вещества, которые под действием рентгеновских квантов испускают фотоны в видимом или ультрафиолетовой области спектра. В сцинтилляторе спектр испускания излучения должен быть сдвинут относительно полосы поглощения. То есть, в веществе должна быть высокой вероятность испускания фотонов атомами и молекулами в возбуждённых состояниях и, в то же время, мала вероятность поглощения испущенных фотонов. Сцинтиллятор и ФЭУ должны иметь хорошую оптическую связь, спектральная чувствительность умножителя должна соответствовать спектру изучаемому сцинтиллятором. Как правило, используются кристаллы NaI(Tl) имеющие высокую конверсионную эффективность(8%) и малую постоянную времени высвечивания. Для мягкого рентгеновского излучения оптимальная концентрация активатора Тl составляет 0.08-0.3%. Для излучения 20-60 кэВ 0.02-0.1%.

.

Рис. 3.7. Схема сцинтилляционного счётчика.

1-кристалл сцинтиллятор, 2-световод, 3 -фотокатод 4 –диноды,

5- анод, 6-выход, 7 – делитель напряжения.

Квант рентгеновского излучения, попадая через входное окно в кристалл-сцинтиллятор 1 вызывает в нем вспышку света в видимом или ультрафиолетовом диапазоне. Отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощённой в сцинтилляторе называют конверсионной эффективностью сцинтиллятора. Для разных сцинтилляторов конверсионная эффективность различается но не превышает 0,3. Количество фотонов света, испускаемое сцинтиллятором при попадании одного рентгеновского кванта, характеризуют величиной называемой световыходом сцинтиллятора.

Квант видимого света по световоду 2 попадает на фотокатод 3 ФЭУ

Фотоны света в результате фотоэффекта выбивают из катода электроны, которые размножаются в результате вторичной электронной эмиссии(коэффициент вторичной эмиссии материала динодов 4 при выбранных напряжениях существенно больше единицы).

Не все фотоны, образовавшиеся в сцинтилляторе, могут достичь фотокатода ФЭУ. Часть поглощается самим сцинтиллятором, часть в упаковке кристалла, и в отражателе и в стеклянной колбе ФЭУ..

Так как световой выход низок, в среднем требуется около 200-1000эВ для получения фотона, энергетическое разрешение счётчика невысокое, конверсионная эффективность сцинтиллятора очень мала. Свет испускается во всех направлениях и частично поглощается самим сцинтиллятором.

3.6. Газовый электролюминесцентный детектор

Газовый электролюминесцентный детектор преобразует кванты рентгеновского излучения во вспышки видимого света, яркость которых пропорциональна энергии квантов. Далее эти вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем, выдающим электрический сигнал (импульс), величина которого пропорциональна яркости вспышек.

Рис. 3.8. Схема газового электролюминесцентного детектора

Детектор представляет собой наполненный инертным газом цилиндр, в котором входное окно (для рентгеновского излучения) выполнено из бериллия, а выходное окно (для видимого света) из стекла. В объеме детектора находятся три металлические сетки под разными потенциалами. Квант рентгеновского излучения, проходя через входное окно, попадает в область между первой и второй сетками. Там он производит ионизацию нескольких атомов газа, в результате чего образуется электронное облако. Под действием разности потенциалов между первой и второй сетками облако начинает дрейфовать ко второй сетке. Разность потенциалов между сетками мала, поэтому дополнительной ионизации (газового усиления) не происходит. Пройдя через вторую сетку, электронное облако попадает в область большой разности потенциалов между второй третьей сетками. Здесь оно начинает двигаться с ускорением, по пути возбуждая атомы газа. Переходя из возбужденного в нормальное состояние, атомы газа излучают кванты света в видимом диапазоне. Этот свет, яркость которого пропорциональна энергии первичного рентгеновского кванта, выходит через выпускное окно и попадает в фотоэлектронный умножитель. Энергетическое разрешение газового сцинтилляционного счётчика может быть почти в 2 раза лучше, чем в пропорциональном счётчике с газовым усилением, что и является его основным достоинством.

3.7. Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор представляет собой монокристалл высокочистого кремния, германия или какого-либо другого полупроводникового материала с напыленными металлическими электродами, в которомимеется область, свободная от носителей заряда. Наличие такой области может быть обусловлено или высокой чистотой исходного материала (германий), или достигнуто искусственной компенсацией носителей р-типа литием (Si—Li-детекторы). Ширина такой области - несколько миллиметров.

Как известно, полупроводник имеет валентную зону со связанными электронами, зону проводимости с вакантными уровнями и разделяющую их запрещенную зону. Энергия рентгеновского фотона, поглощенного детектором, расходуется на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуются подвижные носители положительного заряда - дырки, а в зоне проводимости - подвижные носители-отрицательного заряда - электроны. Под действием приложенного к детектору поля заряды дрейфуют к соответствующим электродам, формируя во внешней цепи электрический импульс.

Отличительной особенностью ППД является малая энергия, затрачиваемая на образованно пары носителя заряда. Эта энергия, определяемая шириной запрещенной зоны, на порядок меньше, чем средняя энергия, необходимая для образования нары в. газовом детекторе.

Регистрируемое излучение

Рис. 3.9. Схема кремний-литиевого полупроводникового детекторa.

1 - контакты; 2 - «мертвый слой» (кремний р- типа);

3 - чувствительный слой (кремний р-типа), компенсированный литием;

4 - кремний п-типа

Следует отметить, что малая ширина запрещенной зоны для обычно используемых материалов (кремния и германия) приводит к необходимости охлаждения ППД до температуры жидкого азота. Чтобы избежать загрязнений поверхности детектора, в криостате поддерживается вакуум. Рентгеновский пучок входит в объем криостата через тонкое (25 мкм и менее) окно из бериллия. Эффективность ППД ограничивается в коротковолновой области толщиной пластинки монокристалла, а в длинноволновой - толщиной входного окна.

. Основные характеристики детекторов рентгеновского излучения приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Характеристики детекторов

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 1748 | Нарушение авторских прав