Приемники рентгеновского излучения.

Для каждого вида рентгеновского исследования применяют соответствующие приемники, а именно: рентгенометрические, рентгенографические, рентгеноскопические.

Рентгенометрические приемники излучения.

В настоящее время используются в основном ионизационные, полупроводниковые, сцинтилляционные и люминесцентные приемники рентгеновского излучения.

Ионизационные приемники рентгеновского излучения.

Принцип их действия основан на изменении ионного тока в герметичной камере, причем ионы газа возникают в этой камере под действием рентгеновского излучения.

Ионизационный приемник содержит герметичную камеру 1, заполненную ксеноном или смесью ксенона и аргона. Во внутренней полости камеры на второпластовом изоляторе 3 размещен коллектор 2. Между металлическим корпусом камеры и коллектором приложено напряжение от источника 4. Когда под действием рентгеновского излучения во внутренней полости камеры образуются ионы газа, под действием поля обычно собирают положительные ионы (ионизированные молекулы газа). Если положительный ион попадает к коллектору, то из внешней цепи поступает электрон, они соединяются, и образуются нейтральные молекулы. Чем больше интенсивность излучения, тем больше ионов поступает к коллектору и нейтрализуется на нем. Таким образом, по внешней цепи и через резистор R протекает ток электронов, который однозначно связан с током ионов, а, следовательно, с интенсивностью рентгеновского излучения. Этот ток создает на резисторе падение напряжения, которое воспринимается усилителем 5, усиливается и поступает на вольтметр 6 или другой приемник информации. Ток ионов, протекающий через ионизационный приемник, чрезвычайно мал (10 - 10 А). Такой же ток протекает и во внешней цепи.

Для измерения таких токов используют электрометрические усилители. Входное сопротивление такого усилителя составляет 1 – 20 ГОм.

Рассматриваемый приемник имеет 3 режима работы:

1 – режим работы ионизационной камеры. При Uнасыщ. ток не изменяется. Обычно ионизационные камеры работают при напряжениях больше, чем Uнасыщ., что и обеспечивает их работу.

2 – режим пропорционального счетчика. Интенсивность сигнала зависит от энергии поступающих частиц.

3 – режим счетчика Гейгера – Мюллера, при котором сигнал связан только с числом поступающих частиц.

Применяют многоэлектродные ионизационные камеры (линейки ионизационных камер).

Такие приемники представляют собой множество электродов, расположенных в камере 1, заполненной ксеноном или смесью. Расстояние между электродами 4 каждой камеры 1 – 3мм. Число камер: 512 или 1024. Высота электродов (перпендикулярно плоскости доски) 10 – 30мм, длина – 100 – 120мм. Электроды расположены на общем изоляторе 2.

Полупроводниковые приемники рентгеновского излучения.

На рисунке а) показан фоторезистор. Между электродами 1 и 2 расположен слой полупроводника 3 (селенистый, сернистый кадмий). Под действием рентгеновского излучения в полупроводнике рождается свободный носитель заряда, и его сопротивление уменьшается. Последнее измеряется с помощью электроизмерительных устройств.

На рисунке б) показан фотодиодный приемник рентгеновского излучения. Здесь используется диод, включенный в непроводящем направлении. При этом ток через диод очень мал, когда в одной из зон полупроводника, например, зоне р, под действием рентгеновского излучения возникает свободные носители зарядов (электронные дырки). Под действием тока электронные дырки перемещаются к р-переходу и уменьшают его сопротивление. Поэтому во внешней цепи начинает протекать ток, который создает падение напряжения на резисторе R, последнее воспринимается электронным усилителем 2.

В данном случае нет особых требований по входному сопротивлению к электронному усилению. 1 – источник питания.

Сцинтилляционные приемники рентгеновского излучения.

В таких приемниках рентгеновское излучение попадает в кристалл 1, содержащий фосфор, при этом возникают отдельные вспышки сцинтилляции. Кристалл покрыт отражательным слоем 2. Конструктивно кристалл расположен в окне фотоэлектронного умножителя 3, который преобразует видимое электромагнитное излучение, создаваемое вспышками, в электрический сигнал. Этот сигнал еще усиливается электронным усилителем и выводится на измерительный прибор 4 или другое устройство.

Люминесцентные приемники рентгеновского излучения.

Люминесценция – это излучение, которое при данной температуре возникает в дополнение к тепловому излучению.

Различают следующие виды люминесценции:

- катодосодержащая (под действием катодных лучей – пучка электронов);

- фотолюминесценция, или флюоресценция (возникает под действием электромагнитного излучения другой длины волны);

- рентгенолюминесценция (возникает под действием рентгеновских лучей);

- хемилюминесценция (под действием химических реакций);

- электролюминесценция (под действием электрического поля);

- сонолюминесценция (под действием звука).

Слой люминофора 1 покрыт отражательным слоем 2. При попадании рентгеновского излучения в слой люминофора последний светится, а излучение видимой части спектра, возникающее при этом, поступает в фотодиоды 3. В люминесцентных преемниках в качестве люминофора используют CsI (Tl); CsI (Na); NaI (Tl). Размеры: 1х0,5х0,5мм. Это позволяет набирать линейки из люминесцентных преемников, содержащие 512÷1024 приемника. Они находят применение в цифровой рентгенографии и рентгеноскопии.

Рентгенографические приемники излучения.

Рентгенографические пленки.

Они представляют собой фотографические пленки высокой чувствительности.

Различают однослойные (рис.б) и двухслойные (рис.а) рентгеновские пленки.

1- основа – прозрачная пленка, изготовленная из ацетатцеллюлозы или

лавсана;

2 – фоточувствительный слой;

3 – адгезионный слой (обеспечивает склеивание фоточувствительного слоя с

основой);

4 – защитный слой (от механических повреждений).

Обычно в процессе обработки рентгеновская пленка подвергается проявлению и высушиванию. Поэтому, как правило, она скручивается. Это не страшно для двухслойной пленки, так как фоточувствительные слои деформируются с двух противоположных направлений. Для однослойных пленок используют специальный антискручивающий слой 5, который уменьшает деформацию пленки.

Рентгеновские пленки разделяют на два типа:

- синечувствительные (кривая 1);

- зеленочувствительные (кривая 2).

Зеленочувствительные пленки обычно применяются в флюорографии.

S – чувствительность пленки при любой из принятых S-волн;

So – максимальная чувствительность.

Для того чтобы рентгеновское излучение обладало высокой проникающей способностью, как правило, пленки применяются вместе с металлическими или флюоресцентными экранами. Металлические экраны представляют собой тонкие пластины из олова, свинца или вольфрама толщиной от 0,02мм до 0,5мм.

Размеры этих экранов минимум 6 х 4см и максимум 30 х 40см. Флюоресцентные экраны представляют собой плоские куски картона или пластической массы, на которые нанесен слой люминофора. В качестве люминофора используется вольфрамит кальция, лантановый или иттриевый люминофоры. Размеры этих экранов такие же, как и металлических.

Действие металлических экранов состоит в следующем:

Рентгеновские лучи, попадая на металлическую пластину 3, размещенную в кассете 1 и плотно прижатую к однослойной рентгеновской пленке 4, выбивают из нее электроны. Электроны попадают в фоточувствительный слой и вызывают фотохимическую реакцию в этом слое.

Действие флюоресцентного экрана состоит в следующем:

1 или 2 флюоресцентного экрана 3 (рис.б) плотно прижаты к двусторонней пленке 4. При облучении Х-лучами флюоресцируют, и за счет этой флюоресценции происходит двухсторонне облучение электромагнитной фотопленки. В результате формируется рентгеновское излучение.

Обычно за счет использования экранов, которые называют усиливающими, создается 95 – 97% изображения. Это позволяет существенно уменьшить дозу рентгеновского излучения и просвечивания пациента.

Рентгеновские пленки обладают высоким разрешающей способностью, равной R = 60÷180 линий/мм.

Под разрешающей способностью понимают число пар линий белых и черных, которые размещаются на 1мм поверхности фотопленки.

В силу того, что в сочетании с рентгеновскими пленками для усиления изображения применяются рассмотренные выше экраны, разрешающая способность получаемой рентгенографии на порядок меньше, она составляет 6,5÷13 линий/мм.

Ксерографические рентгеновские приемники.

Ксерографический метод рентгеновских изображений состоит в облучении слоя полупроводникового материала, получении скрытого изображения, формируемого с помощью электрических зарядов и проявления этого изображения мелким красящим порошком.

Процесс получения ксерорентгенограммы разделяется на следующие этапы:

1) специальная алюминиевая пластинка, покрытая тонким слоем селена (полупроводника, имеющего высокое удельное сопротивление), электризуется, т.е. на ее поверхность наносятся электрические заряды. Эту пластинку 2 размещают на столе 1 и с помощью электризатора 3, приводимого в движение двигателем 5, на всю поверхность пластины при движении пластины под поверхностью электризатора наносится заряд. Заряд формируется за счет газового разряда между проволочками 6 и основанием 1, и создается поле 0,5 – 1,5 кВ от источника 4.

2) в кассете перед съемкой имеется пластина 2, верхний слой которой 3 несет на себе заряды. При просвечивании объекта, который размещается между источником рентгеновского излучения и кассетой 1, часть зарядов теряется, причем, чем меньше плотность, тем меньше зарядов остается на участке А.

3) пластинка подвергается проявлению. При этом скрытое электростатическое излучение преобразуется в видимое изображение.

4) для получения отпечатка на пластинку накладывается бумага и путем прижатия на нее переносится изображение. Затем оно закрепляется путем теплового воздействия.

Как видно из рисунка ксерографический способ позволяет быстро, минуя процессы мокрого проявления и использования дорогих реактивов, получать рентгеновское изображение.

По литературным данным, разрешающая способность селеновой пластины составляет 20÷30 линий/мм, а при переносе на бумагу уменьшается в 3-4 раза.

Рентгенографические приемники, основанные на фотостимулировании люминесценции.

Принцип действия этих приемников основан на эффекте захвата электронов в тонком слое специального материала вторидбария, активированного в европий. При облучении этого слоя рентгеновскими лучами (образование скрытого изображения) и последующего считывания этого изображения лучом лазера, создающего люминесценцию.

Фотоприемник выпускается в виде пленок, по форме напоминающих рентгеновский. После экспонирования в рентгеновских лучах в нем создается скрытое изображение тени объекта, которое считывается специальным образом: приемник 2 располагается на подвижном столе 1, который приводится в движение приводом 3. С помощью лазера 11 создается тонкий луч 12, который через зеркало 6 и механическое развертывающее устройство 5 посылается на поверхность пластины 2. Луч движется поперек пластины по стрелке А, и при облучении чувствительного слоя пластины возникает люминесценция из-за того, что электроны занимают прежнее положение (фотостимулированная люминесценция). Возникающее люминесцентное излучение собирается цилиндрической линзой 4 и направляется в приемное окно фотоэлектронного умножителя 7. Сигнал последнего усиливается электронным усилителем 8 и с помощью аналого-цифрового преобразователя 9 вводится в компьютер 10.

При повороте барабана луч света от лазера будет перемещаться поперек фотоприемника 2.

Приемники с фотостимулируемой люминесценцией выдерживают 5000 – 10000 экспозиций. Разрешающая способность: 5-10 линий/мм.

Рентгеноскопические приемники излучения.

Рентгенолюминесцентный экран содержит основание 1 (изготовленное из картона или пластмассы), на котором с помощью адгезионного слоя 2 закреплен люминофор (обычно цинк, кадмий, йодид цезия). При облучении экрана через объект на нем возникает тень. Изображение имеет желто-зеленый цвет и разрешение 2,5-4 линий/мм.

Рентгеновский электролюминесцентный экран.

В работе данного устройства используется принцип электролюминесценции, а именно свечение люминофора под действием электрического поля. Экран содержит две стеклянные пластины 1 и 2, между которыми расположены два полупрозрачного металлического электрода 3, слоя полупроводника и слой электролюминофора. Под действием рентгеновского излучения, исходящего из объекта, изменяется электрическое сопротивление полупроводника. Причем чем больше интенсивность излучения, тем меньше местное сопротивление в слое полупроводника и тем больше интенсивность свечения слоя люминофора, которое можно наблюдать через стекло 2.

Напряжение питания, подводимого к электроду 3, составляет 600-1000В переменного тока. Разрешение экрана: 3-5 линий/мм.

Рентгеновские электронно-оптические преобразователи.

Данный преобразователь представляет собой электровакуумное устройство и содержит стеклянную колбу 1, во внутренней полости которой создан глубокий вакуум и расположены электроды: сферическая пластина 2 из алюминия, покрытая слоем люминофора 3, который сверху покрыт слоем соединения CsI имеющий малую работу выхода электрона. При попадании на люминофор рентгеновского излучения слой его светится, в результате из слоя 4 вылетают фотоэлектроны. Причем на 1 квант рентгеновских лучей преобразуется до 2000 электронов.

Под действием электрического напряжения, приложенного между слоем 4 и электродом 5 (примерно 25кВ), а также напряжения, приложенного к цилиндрическому электроду 11, поток электронов, вылетающих из пластины 4, фокусируется и направляется к люминесцентному экрану 6, нанесенному на стеклянную пластину 7. Получаемое при этом видимое изображение является перевернутым. С помощью оптической системы линз 8 и 9 это изображение переворачивается, в результате в окуляре 10 можно наблюдать прямое изображение контролируемого объекта, т.е. его тени. Входной диаметр электронно-оптического преобразователя РЭОП может составлять 120÷570мм; выходной диаметр РЭОП 35÷50мм. Разрешение составляет 2,5÷7 линий/мм. Усиление яркости изображения происходит за счет эффекта фотоэлектронной эмиссии и электрического поля.

Плоский рентгеновский электронно-оптический преобразователь.

Плоский РЭОП содержит стеклянный корпус 1, в котором расположен на соответствующем держателе слой люминофора 2, полупрозрачный электрод 3 и слой CsI 4, который является источником электронов (фотокатод). Фотоэлектроны, вылетающие из слоя 4 под действием электростатического поля, приложенного между электродами 3 и 6, ускоряются и направляются к слою люминофора 5, вызывая его люминесценцию.

Изображение наблюдают через полупрозрачный электрод 6 и стеклянное окно 7. Внутренняя полость преобразователя вакуумированная. Размеры этого устройства могут составлять 400 х 400мм, толщина 100-120мм. Разрешение 1,5-2,5линий/мм.

Рентгеновский видикон.

Рентгеновский видикон – передающая телевизионная трубка. Принцип действия видикона для видимого и рентгеновского изображения одинаков.

Вакуумный видикон представляет собой электровакуумную лампу, из внутренней полости которой полностью выкачан воздух. Он содержит стеклянную колбу 1 с внешним диаметром 15-30мм, где расположены электроды. Здесь используется для формирования электронного луча явление термоэлектронной эмиссии. Электроны вылетают из нагретой нити 7 и с помощью анода – модулятора 6, анода 5, анода 4, фокусирующей магнитной катушки 9 собираются в электронный луч, который под действием электрического поля направляется к полупроводниковой мишени 3, нанесенной на сигнальную полупрозрачную пластину 2. Сетка 11 обеспечивает перпендикулярность движения электронного луча к мишени 3. Мишени для видимой части спектра излучения изготавливают из окиси свинца (в этом случае видикон называется плюмбокон), кремния (кремнекон) и т.д. Рентгеновский видикон имеет мишень, изготовленную из аморфного селена. Кроме этого, рентгеновские видиконы снабжаются алюминиевым фильтром, который служит для предотвращения попадания видимого излучения на мишень. Перемещение электронного луча (имеет диаметр 15-20мкм) осуществляется с помощью отклоняющей системы 10. Причем перемещение луча по мишени происходит перпендикулярно плоскости доски постепенно по всей высоте мишени (рис.а). При этом электронный луч заряжает поверхность мишени равномерно электростатическим напряжением. Мишень можно представить (рис.б) в виде совокупности конденсаторов и сопротивлений, равномерно распределенных по поверхности. При попадании видимого и рентгеновского излучений на мишень за счет внутреннего фотоэффекта в мишени появляются свободные носители электричества. Причем чем больше интенсивность излучения, тем больше появляется названных носителей.

Поэтому в тех точках мишени, на которые попадает излучение большей интенсивности, происходит большая потеря заряда конденсатора, и этот заряд сохраняется до тех пор, пока в следующем кадре электронный луч, обегая мишень, попадет в рассматриваемую точку А. При этом электроны будут опять заряжать мишень до постоянного потенциала, а для этого будет необходим больший или меньший электрический заряд. Если эта точка А потеряла больший электрический заряд за счет большой освещенности, то ток электронного луча, протекает через эту точку мишени (сигнальную пластину 2) и входной резистор Рвх от источника напряжения 12 будет больше. Отсюда следует, что падение напряжения на резисторе будет больше, и это напряжение, усиленное электронным усилителем 13, будет создавать уже на экране телевизора 14 точку большей яркости, и так соответственно точка за точкой (строка за строкой) будет создаваться один кадр изображения.

Разрешающая способность видиконов составляет 20-80линий/мм.

Твердотельные преобразователи изображения (ПЗС матрицы).

ПЗС – это приборы с зарядовой связью.

Эти устройства по сравнению с вакуумным видиконом являются более совершенными, так как имеют очень малые размеры и очень высокую чувствительность. Они представляют собой множество полупроводниковых конденсаторов, состоящих из металла, диэлектрика и проводника (МДП конденсаторы) или металла, оксида и полупроводника (МОП конденсаторы).

Основным элементом твердотельных преобразователей изображения являются ПЗС матрицы.

В ПЗС матрице по всей поверхности размещены металлические полупрозрачные электроды. Они нанесены на слой диэлектрика Д, который в свою очередь нанесен на полупроводниковые электроны. При считывании заряда потенциала U и U в противофазе меняются значениями, а именно: потенциал U становится отличным от нуля, а U равен 0. При этом пакет зарядов 1 передвигается за счет электрического поля под электрод 2, а пакет зарядов 2 – под электрод 4. В следующем также U > 0, а U = 0. Поэтому ПЗ 1 и ПЗ 2 передвигают под электрод 3 и т.д., попадая к p-n-переходу, сформированному в полупроводниковой пластине р в виде выходного сигнала посылается на электронный усилитель. Так поочередно считываются все заряды, расположенные на одной строке.

Управление напряжением осуществляется с помощью устройства управления 1, а выбор строк матрицы осуществляется с помощью устройства 2. Заряды с каждой строки поступают на устройство 3, а далее на электронный усилитель, который воспринимается устройством отображения.

Усилители рентгеновского изображения.

1 – рентгеновский ЭОП посылает видимое изображение в оптическую систему 2, а с помощью зеркальца 3, имеющего полупрозрачный отражающий слой, это изображение посылается на аналоговый видикон (цифровой видикон) на базе ПЗС матрицы 4. Одновременно изображение можно посылать через окуляр 5.

Рентгенолюминесцентный экран с цифровой фотокамерой.

1 – рентгенолюминесцентный экран;

2 – цифровая камера.

Размер изображения 400 х 400мм. Разрешение определяется разрешающей способностью рентгенолюминесцентного экрана.

Матричные приемники рентгеновского излучения.

В матричных преобразователях рентгеновского излучения используются матрицы из чувствительных элементов, которые могут электронным путем подключаться к электронному усилителю 1 и далее согласующей системе 2 и монитору 3. Подключение осуществляется с помощью коммутатора столбцов 1 и коммутатора строк 2. В каждый момент времени с такой матрицы считывается сигнал элемента, находящегося на пересечении активированного столбца и такой же строки. Перспективными считаются два типа матричных приемников рентгеновского излучения: а) – люминесцентный экран 1 (слой люминофора) с матрицей фотодиодов 2, непосредственно соприкасающихся с экраном 1; б) – приемник с полевыми транзисторами. В последнем между тонким металлическим электродом 1 и полевым транзистором приложено электрическое поле. При облучении такого приемника рентгеновскими лучами в слое селена 2 появляются носители электрического заряда в тем большем количестве, чем больше интенсивность излучения. Под действием электрического поля эти носители движутся к полевому транзистору, попадают в его затвор 5 и изменяют сопротивление между истоком 3 и стоком 4 этого транзистора, тем самым изменяется ток, проходящий через него.

Матричные приемники выпускаются размерами 350 х 450мм и имеют разрешение 3,5 линии/мм.