Сцинтилляционные детекторы и системы регистрации

Общие требования к детекторам

Радионуклиды обладают двумя принципиальными особенностями, которые их делают привлекательными как трассеры. Первое: масса радиоактивного вещества, необходимая для клинических исследований очень мала (обычно меньше, чем 10¹⁰ моля), поэтому добавление радиотрассера не приводит к заметному возмущению в исследуемом органе. Второе: фотоны, испускаемые при радиоактивном распаде таких веществ, имеют достаточно высокую энергию, чтобы выйти из тела и быть зарегистрированными каким-либо прибором. Это позволяет осуществлять неинвазивный мониторинг поступления, распределения и выведения радиотрассеров. Для реализации такого мониторинга необходимо иметь соответствующую аппаратуру. Идеальный детектор у-излучения должен обладать многими свойствами, в том числе следующими:

• • высокой вероятностью поглощения фотонов (высокой физической эффективностью);
• • способностью преобразовывать поглощенную энергию фотона в электрический сигнал;
• • способностью количественного определения поглощенной энергии фотона (энергетическое разрешение).

Этим требованиям в комплексе наилучшим образом отвечают сцинтилляционные детекторы, и в особенности йодистый натрий, активированный таллием (Nal (Tl)).

Сцинтилляторы

Сцинтиллятором называется вещество, которое испускает световое излучение при поглощении энергии частиц ионизирующих излучений. Большая часть сцинтилляторов, применяемых для регистрации х-лучей и фотонов, являются твердыми веществами.

Сцинтилляции возникают в кристаллических структурах. Механизм возникновения сцинтилляций хорошо описывается при помощи зонной теории твердого тела. В одиночном атоме энергетические уровни, занимаемые электронами, имеют малую ширину и отделены друг от друга (рис. 2.6, а). В чистом кристалле энергетические состояния электронов определяются уже структурой кристалла. В кристалле образуется валентная непрерывная зона, которая при нормальных условиях полностью заполнена электронами, и непрерывная зона проводимости, которая обычно не заполнена. Последняя зона расположена выше первой (по энергии) и отделена от нее запрещенной зоной энергии. Любые дефекты в кристалле, такие как атомы примеси или свободные места в решетке, могут создавать в отдельных точках внутри кристалла уровни энергии в запрещенной зоне (рис. 2.8, б).

Рис. 2.6. Энергетические уровни в твердом теле:

а — дискретные энергетические уровни отдельного атома; 6 — структура энергетических уровней в твердом кристалле; в — энергия, поглощенная в кристалле при взаимодействии с фотоном, идет частично на перевод возбужденного электрона из валентной зоны в зону проводимости; г — при переходе электрона из возбужденного состояния в невозбужденное испускается фотон с энергией равной ширине запрещенной зоны Когда электроны в нижней зоне поглощают достаточно энергии (например, при взаимодействии с фотоном), то они переходят в возбужденное состояние и в результате могут перейти в зону проводимости. Электроны могут снять возбуждение и вернуться обратно в валентную зону. При этом переходе электронов будет освобождаться энергия, равная ширине запрещенной зоны. Эта энергия может диссипироваться различными способами, одним из которых является испускание фотона с энергией, равной ширине запрещенной зоны (рис. 2.6, г). Если данная энергия попадает в интервал видимого света, то такой материал называется сцинтиллятором. Хотя чистый кристалл йодистого натрия является сцинтиллятором, количество света, образующегося в нем при комнатной температуре, очень небольшое. Однако, если в кристалл добавлено небольшое количество таллия, структура уровней изменяется и внутри запрещенной зоны создаются новые энергетические уровни, известные как ловушки. Эти ловушки очень сильно увеличивают вероятность диссипации энергии, поглощенной в кристалле при взаимодействии фотонов, через сцинтилляции.

Желательными качествами сцинтиллятора являются высокие атомный номер и плотность, высокий выход света, хорошая прозрачность, низкий коэффициент преломления, малое время высвечивания, стабильность и невысокая стоимость. Немногие кристаллы обладают полным набором таких свойств. В таблице 2.1 приводятся характеристики наиболее часто используемых сцинтилляторов.

Таблица 2.1.

Характеристики неорганических сцинтилляторов, наиболее часто применяемых в ядерной медицине и ПЭТ.