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 10-10 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 γ-излучения должен обладать многими свойствами, в том числе следующими:
высокую вероятность поглощения фотонов (высокую физическую эффективность);
способность преобразовывать поглощенную энергию фотона в электрический сигнал;
способность количественного определения поглощенной энергии фотона (энергетическое разрешение).
Этим требованиям в комплексе наилучшим образом отвечают сцинтилляционные детекторы, и в особенности йодистый натрий, активированный таллием (NaI(Tl)).
Сцинтилляторы
Сцинтиллятором называется вещество, которое испускает световое излучение при поглощении энергии частиц ионизирующих излучений. Большая часть сцинтилляторов, применяемых для регистрации x-лучей и фотонов, являются твердыми веществами, хотя имеется и ряд жидких органических сцинтилляторов, применяемых в основном для регистрации низко энергетического β-излучения. В этом разделе речь пойдет, главным образом, об неорганических сцинтилляторах.
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. 2.8,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 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).
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 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. 2.8,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. По этой причине таллий называют активатором, а новые энергетические уровни - активационными центрами.
Желательными качествами сцинтиллятора являются высокие атомный номер и плотность, высокий выход света, хорошая прозрачность, низкий коэффициент преломления, малое время высвечивания, стабильность и невысокая стоимость. Высокий атомный номер и плотность необходимы для эффективного поглощения γ-излучения. Высокий световой выход, хорошая прозрачность и низкий коэффициент преломления нужны для хорошего энергетического разрешения. Длительность высвечивания сцинтилляции определяет максимально допустимую скорость счета детектора. Немногие кристаллы обладают полным набором таких свойств. В таблице 2.1 приводятся характеристики наиболее часто используемых сцинтилляторов.
Рис. 2.8. Энергетические уровни в твердом теле: (а) – дискретные энергетические уровни отдельного атома; (б) – 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
Йодистый натрий, активированный таллием, начал широко применяться в пятидесятых годах прошлого века в ядерной физике. У кристаллов Na(Tl) 13 % поглощенной энергии испускается в виде световых фотонов, что является очень хорошим показателем. Его эффективный атомный номер равен 50, плотность 3,67 г/см3. Он имеет высокую эффективность регистрации для фотонов с энергией ниже 200 кэВ и может выпускаться различных размеров и формы (диаметр от 1 до 60 см). Вместе с тем, Na(Tl) обладает ограниченной механической прочностью, имеет тенденцию к растрескиванию при изменении температуры со скоростью выше, чем 5 градусов/час, является гигроскопичным. Поэтому этот кристалл требует прочной герметической оболочки. Кроме того его коэффициент преломления выше, чем у стекла, поэтому на границе между кристаллом и стеклом используется специальная оптическая смазка.
Таблица 2.1.