07 Detekcja promieniowania wysokoenergetycznego.pdf

VII. DETEKCJA PROMIENIOWANIA O WYSOKIEJ

ENERGII

7.1 Uwagi ogólne

Podstawą detekcji promieniowania jest powodowanie przezeń zmian fizycznych lub

chemicznych w ośrodku. Zmiany te są niewielkie, tak więc podstawowym problemem jest

skonstruowanie urządzeń wielkiej czułości. Urządzenia te powinny dostarczać informacji o:

• Obecności promieniowania,

• Ilości promieniowania, względnej lub bezwzględnej, w danej chwili,

• Energii promieniowania oraz

• Rodzaju promieniowania.

W medycynie nuklearnej z reguły wiemy z jakim promieniowaniem mamy do czynienia

i najbardziej interesuje nas jego natężenie. Niemniej jednak, choćby ze względu na

rozpraszania komptonowskie, musimy znać także rozkład energetyczny promieniowania, aby

odróżnić efekt od szumów.

7.2 Typowe detektory i ich istotne cechy

Spośród detektorów promieniowania jonizującego, wykorzystywanych w medycynie

nuklearnej, należy wymienić przede wszystkim:

• Liczniki (detektory) Geigera-Müllera, które mogą wykrywać dowolny rodzaj

promieniowania, ale nie służą wyznaczeniu energii tego promieniowania,

• Liczniki scyntylacyjne,

• Detektory półprzewodnikowe,

• Komory jonizacyjne, służące nie tyle do pomiaru natężenia, ile do pomiaru

ekspozycji, a więc ładunku tworzonego przez promieniowanie w jednostce masy

Detektor promieniowania charakteryzuje kilka istotnych cech, a mianowicie:

• Czułość , tj. minimalna wartość energii cząstki, wystarczająca do wykrycia sygnału,

• Wydajność , a więc stosunek liczby zarejestrowanych cząstek do liczby cząstek

wpadających do objętości czynnej detektora; im wyższa wydajność, tym taki detektor

jest bardziej przydatny w medycynie nuklearnej, gdyż pozwala skrócić czas badania

pacjenta. Wydajność zależy głównie od wartości liniowego współczynnika

pochłaniania oraz objętości czynnej detektora.

• Odpowiedź detektora, tj. zależność ładunku lub amplitudy sygnału wyjściowego od

energii rejestrowanej cząstki. Najlepiej, aby zależność ta była liniowa.

• Czas odpowiedzi i czas martwy ,

• Energetyczna zdolność rozdzielcza ,

• Wrażliwość na zakłócenia

Omówimy kolejno te istotne charakterystyki detektorów.

Czułość detektora zależy od:

• przekroju czynnego na oddziaływanie z podstawowym materiałem detektora,

• masy tego materiału,

• wielkości szumu, a także

• rodzaju obudowy detektora.

Odpowiedź detektora , tj. jego reakcja na promieniowanie postrzegana jako widmo sygnałów

generowanych w detektorze może być czasem mocno skomplikowana. Np. dzięki

różnorodności oddziaływań promieniowania gamma z materią, detektory germanowe lub

scyntylacyjne dają złożone widmo odpowiedzi (fotopik, obszar komptonowski, czy tzw. piki

ucieczki pojedynczej i podwójnej).

Czas odpowiedzi , a więc czas pomiędzy wniknięciem cząstki, a powstaniem uformowanego

sygnału wyjściowego, powinien być jak najkrótszy, determinuje on bowiem czasową

zdolność rozdzielczą detektora. Długość sygnału wyjściowego jest istotna, gdyż podczas jego

trwania detektor jest zablokowany dla rejestracji kolejnej cząstki lub kwantu.

Energetyczna zdolność rozdzielcza zdefiniowana jest jako stosunek szerokości połówkowej

(FWHM) fotopiku (sygnału wywołanego jonizacją zachodzącą przez efekt fotoelektryczny)

do amplitudy sygnału. Typowa zdolność rozdzielcza detektorów scyntylacyjnych NaI(Tl)

wynosi 8% dla fotonów o energii 1 MeV; dla detektora germanowego wynosi ona natomiast

ok. 0,2%. Im lepsza zdolność rozdzielcza, tym lepiej możemy rozróżnić cząstki lub kwanty

o różnych energiach.

Na zdolność rozdzielczą detektora mają wpływ takie czynniki, jak fluktuacje w

procesie tworzenia się impulsu, niejednorodność materiału detekcyjnego, szumy układu

elektronicznego stowarzyszonego z detektorem.

Dla cienkich detektorów, rejestrujących tylko część energii pozostawianej przez

cząstkę, liczba N wytworzonych nośników prądu podlega statystyce Poissona. Szerokość

połówkowa tego rozkładu wynosi

(7.1)

gdzie w – energia potrzebna do wytworzenia jednej pary nośników.

Jeśli zarejestrujemy całą energię cząstki i w rezultacie nie będziemy mieli do

czynienia z problemem fluktuacji energii pozostawianej w detektorze, statystyka Poissona

przestanie obowiązywać. Powstawanie kolejnych par nośników stanie się wówczas procesem

skorelowanym, opisywanym przez tzw. czynnik Fano , F , modyfikujący wartość wariancji

rozkładu σ N . Ostatecznie, zdolność rozdzielcza detektora ma postać:

(7.2)

Dla scyntylatorów czynnik F jest bliski 1, dla detektorów półprzewodnikowych jest on

mniejszy, a więc też zdolność rozdzielcza tych detektorów jest odpowiednio lepsza.

Czas martwy jest bardzo istotną cechą detektora. Niektóre detektory w czasie trwania impulsu

są nieczułe na przyjście kolejnej cząstki lub kwantu, niektóre zaś dają impuls nakładający się

na impuls pierwszej z rejestrowanych cząstek, co prowadzi do deformacji widma. Staramy

się, aby detektor miał zawsze jak najkrótszy czas martwy, gdyż może wtedy zarejestrować

wiele cząstek bez istotnych strat informacji. W medycynie nuklearnej mierzone natężenia nie

są zbyt wielkie, gdyż podawane aktywności są niezbyt wielkie. Tu wystarcza więc detektor

o czasie martwym dochodzącym do np. 10 μs. Natomiast, jeśli chcemy zobrazować działanie

serca, potrzebna jest większa szybkość zliczeń i wtedy wymagamy od detektora znacznie

krótszego czasu martwego: 2-3 μs.

7.3 Rodzaje detektorów i ich charakterystyki

7.3.1 Detektory gazowe

Zadaniem tego typu detektora jest pomiar jonizacji gazu znajdującego się wewnątrz detektora.

Najprostszy detektor gazowy ma formę cylindrycznego kondensatora o przewodzących

ściankach, patrz rys. 7.1. Jeśli potencjał anody wynosi +V 0 , natężenie pola elektrycznego E

wewnątrz kondensatora, w odległości r od osi symetrii, wynosi

(7.3)

ln(

)

gdzie b - wewnętrzny promień cylindra, a a – promień drutu anody.

V 0

Rys. 7.1 Schemat detektora gazowego

I II III IV V VI

Rys. 7.2 Charakterystyka prądowo-napięciowa detektora gazowego

Ponieważ cząsteczki gazu są stosunkowo dobrze rozseparowane, jonizacja gazu będzie

łatwiejsza dla cząstek alfa lub beta, które silnie jonizują materię, niż dla promieniowania

gamma. Dla zwiększenia wydajności detektora gaz wprowadza się pod zwiększonym

ciśnieniem. Charakterystyka prądowo-napięciowa takiego detektora (rys. 7.2) składa się

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: