Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое детекторы рентгеновского излучения, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое детекторы рентгеновского излучения , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
Твердотельные детекторы используют полупроводники для регистрации рентгеновского излучения. Прямые цифровые детекторы называются так потому, что они напрямую преобразуют рентгеновские фотоны в электрический заряд и, следовательно, в цифровое изображение. Косвенные системы могут иметь промежуточные этапы, например, сначала преобразование рентгеновских фотонов в видимый свет , а затем в электронный сигнал. Обе системы обычно используют тонкопленочные транзисторы для считывания и преобразования электронного сигнала в цифровое изображение. В отличие от пленки или CR, для получения цифрового изображения не требуется ручного сканирования или проявки, поэтому в этом смысле обе системы являются «прямыми». Оба типа систем имеют значительно более высокую квантовую эффективность , чем CR.
В цифровой системе формирования изображений падающее рентгеновское изображение
должно быть дискретизировано как в пространственном, так и в интенсивностном
измерении. В пространственном измерении выборки
получаются как усредненные значения интенсивности по элементам изображения или пикселям. Они обычно имеют квадратную форму и
разнесены на равные интервалы по всей плоскости
изображения. Доля пикселя, чувствительная к
входящему сигналу, называется геометрическим коэффициентом заполнения. В
измерении интенсивности сигнал оцифровывается в один
из конечного числа уровней или бит. Размер пикселя и
количество бит должны быть выбраны соответствующим образом для данной
задачи получения изображения. Каждый пиксель обычно содержит
коммутирующий элемент и элемент считывания/запоминания.
Сочетание традиционных материалов для обнаружения рентгеновского излучения, таких как
люминофоры или фотопроводники, с
структурой считывания на основе активной матрицы большой площади составляет основу плоских рентгеновских томографов. Технология активных матриц
предлагает новый, высокоэффективный метод электронного хранения и измерения в реальном времени продукта
взаимодействия рентгеновских лучей, независимо от того, является ли продукт
фотонами видимого диапазона длин волн или электрическими зарядами.
Три этапа создания изображения:
Существуют два типа цифровых плоских рентгеновских детекторов (рис. 1),
в зависимости от типа обнаружения:
- Прямое обнаружение, включающее фотопроводник, для создания электрических зарядов при обнаружении рентгеновского излучения,
- Косвенное обнаружение, включающее фосфор, для создания видимых фотонов при обнаружении рентгеновского излучения.
Рис. 1 – Прямое и косвенное преобразование
С 1970-х годов разрабатываются полупроводниковые детекторы на основе кремния или германия , легированного литием (Si(Li) или Ge(Li)) . Рентгеновские фотоны преобразуются в электронно-дырочные пары в полупроводнике и собираются для регистрации рентгеновских лучей. Когда температура достаточно низкая (детектор охлаждается эффектом Пельтье или еще более холодным жидким азотом ), можно напрямую определить энергетический спектр рентгеновских лучей; этот метод называется энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX или EDS); он часто используется в небольших рентгенофлуоресцентных спектрометрах . Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD), производимые традиционным способом изготовления полупроводников , обеспечивают экономически эффективное и высокоразрешающее измерение мощности излучения. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . ] В отличие от обычных рентгеновских детекторов, таких как Si(Li), их не нужно охлаждать жидким азотом. Эти детекторы редко используются для визуализации и эффективны только при низких энергиях.
Практическое применение в медицинской визуализации началось в начале 2000-х годов. [Аморфный селен используется в коммерческих рентгеновских детекторах с большой площадью и плоскими панелями для маммографии и общей рентгенографии из-за его высокого пространственного разрешения и свойств поглощения рентгеновского излучения. [ Однако низкий атомный номер селена означает, что для достижения достаточной чувствительности требуется толстый слой.
Теллурид кадмия ( CdTe ) и его сплав с цинком , теллурид кадмия-цинка , считаются одними из самых многообещающих полупроводниковых материалов для обнаружения рентгеновского излучения из-за его широкой запрещенной зоны и высокого квантового числа , что обеспечивает работу при комнатной температуре с высокой эффективностью. В настоящее время применяются такие методы, как денситометрия костей и ОФЭКТ , но плоскопанельные детекторы, подходящие для рентгенографической визуализации, еще не производятся. В настоящее время исследования и разработки сосредоточены вокруг пиксельных детекторов с разрешением по энергии , таких как детектор Medipix от CERN и детектор HEXITEC от Научно-технического совета по обеспечению . [
Обычные полупроводниковые диоды , такие как PIN-фотодиоды или 1N4007 , будут производить небольшое количество тока в фотоэлектрическом режиме, если их поместить в рентгеновский луч.
Для прямого преобразования обычно используется толстый (~0,5–1 мм)
аморфный фотопроводящий слой Se (a-Se) (Z = 34). Пиксели включают в себя проводящий
электрод для сбора заряда и конденсаторный элемент для его хранения. Взаимодействующие рентгеновские лучи создают заряд в
фотопроводящем слое, который затем распределяется между
собственной емкостью фотопроводящего слоя и
емкостью хранения пикселя (рис. 2).
Рис. 2 – Поперечное сечение одного пикселя с a-Se
В зонной структуре фотопроводника, показанной на
рис. 3а, оптический фотон с энергией Eg может возбудить
электрон из валентной зоны в зону проводимости,
оставляя дырку в валентной зоне (внутренний фотоэффект). Энергия
фотонов света составляет от 1 до 3 эВ, но ширина запрещенной зоны Eg ~ 2
эВ для фотопроводников (Eg = 2,2 эВ для a-Se). В противном случае,
Eg ~ 1 эВ для полупроводников (например, 1,1 эВ для Si).
Для высокоэнергетического рентгеновского излучения с энергией
в тысячи раз выше, чем Eg, правила
иные. Многие материалы, используемые в
диагностической визуализации, имеют высокий атомный номер Z, и
поглощение диагностического рентгеновского излучения определяется
фотоэлектрическим эффектом. Высвобождается очень энергичный электрон, который, проходя через материал, вызывает
дальнейшую ионизацию. При этих обстоятельствах количество энергии, необходимое для создания пары электрон-дырка, равно не просто Eg, а 3Eg.
Рис. 3 – Электронные зонные структуры а) фотопроводников и полупроводников, и б) люминофора
Непрямые детекторы состоят из сцинтиллятора , преобразующего рентгеновское излучение в видимый свет, который считывается матрицей TFT. Это может обеспечить более высокую чувствительность по сравнению с современными прямыми детекторами (на основе аморфного селена), хотя и с потенциальным ухудшением разрешения.Непрямые плоскопанельные детекторы (ППД) сегодня широко используются в медицине, стоматологии, ветеринарии и промышленности.
Матрица TFT состоит из листа стекла, покрытого тонким слоем кремния, находящегося в аморфном или неупорядоченном состоянии. В микроскопическом масштабе кремний был отпечатан с миллионами транзисторов, организованных в высокоупорядоченный массив, подобно сетке на листе миллиметровой бумаги. Каждый из этих тонкопленочных транзисторов (TFT) прикреплен к поглощающему свет фотодиоду, образующему отдельный пиксель (элемент изображения). Фотоны, попадающие на фотодиод, преобразуются в два носителя электрического заряда , называемые электронно-дырочными парами. Поскольку количество производимых носителей заряда будет меняться в зависимости от интенсивности входящих световых фотонов, создается электрический рисунок, который может быть быстро преобразован в напряжение, а затем в цифровой сигнал, который интерпретируется компьютером для создания цифрового изображения. Хотя кремний обладает выдающимися электронными свойствами, он не особенно хорошо поглощает рентгеновские фотоны. По этой причине рентгеновские лучи сначала попадают на сцинтилляторы, изготовленные из таких материалов, как оксисульфид гадолиния или иодид цезия . Сцинтиллятор поглощает рентгеновские лучи и преобразует их в фотоны видимого света, которые затем попадают на фотодиодную матрицу.
При непрямом преобразовании слой люминофора находится в
плотном контакте с массивом активной матрицы (рис. 4).
Интенсивность света, излучаемого из определенного
участка люминофора, является мерой интенсивности
рентгеновского пучка, падающего на поверхность
детектора в этой точке. Каждый пиксель активной матрицы
имеет фоточувствительный элемент, который генерирует
электрический заряд, величина которого пропорциональна
интенсивности света, излучаемого люминофором в
области, близкой к пикселю. Этот заряд хранится в
пикселе до тех пор, пока массив активной матрицы не будет считан.
Рис. 4 – Поперечное сечение отдельного пикселя с люминофором
Система формирования изображения укомплектована периферийной
схемой, которая усиливает, оцифровывает и синхронизирует
считывание изображения, а также компьютером, который
обрабатывает и распределяет конечное изображение на
соответствующие электронные или печатные устройства (рис. 5).
Рис. 5 – Расположение групп пикселей на активной матрице
Обучение и испытания материалов по обезвреживанию взрывоопасных предметов (EOD). 105-мм снаряд просвечивается с помощью портативного рентгеновского генератора с питанием от аккумулятора и плоскопанельного детектора.
Цифровая радиография (DR) существует в различных формах (например, ПЗС и устройства формирования изображений на основе аморфного кремния) в области рентгеновского контроля безопасности уже более 20 лет и уверенно заменяет использование пленки для рентгеновского контроля в областях безопасности и неразрушающего контроля (NDT). DR открыла окно возможностей для отрасли НК безопасности благодаря нескольким ключевым преимуществам, включая превосходное качество изображения, высокую вероятность обнаружения (POD), портативность, экологичность и немедленное получение изображений. [ 12 ]
Неразрушающий контроль материалов имеет решающее значение в таких областях, как аэрокосмическая промышленность и электроника , где целостность материалов имеет решающее значение по соображениям безопасности и стоимости. Преимущества цифровых технологий включают возможность предоставления результатов в режиме реального времени.
Система прямой рентгеновской визуализации (DXIS) — отображение в реальном времени
| 1983 | Системы рентгенографии с люминофорной стимуляцией, впервые внедренные в клиническую практику компанией Fujifilm Medical Systems .] |
| 1987 | Цифровая рентгенография в стоматологии впервые была представлена как «РадиоВизиоГрафия». |
| 1995 | Французская компания Signet представила первую стоматологическую цифровую панорамную систему. |
| Представлены первые детекторы из аморфного кремния и аморфного селена. | |
| 2001 | Появился первый коммерческий непрямой CsI FPD для маммографии и общей рентгенографии. |
| 2003 | Беспроводные КМОП-детекторы для стоматологических работ впервые представлены компанией Schick Technologies |
Исследование, описанное в статье про детекторы рентгеновского излучения, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое детекторы рентгеновского излучения и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии