detektori rentgenskog detektori rentgenskog zrazraččenjaenja

1DSA: Detektori/33

JOJOŠŠ NIJE PRILAGOĐENO NIJE PRILAGOĐENO POTREBAMA KOLEGIJA!POTREBAMA KOLEGIJA!

2

DETEKTORI RENTGENSKOG ZRADETEKTORI RENTGENSKOG ZRAČČENJAENJA

- detektorski materijal apsorbira upadno zračenje što dovodi do sekundarnih procesa:

- nastajanje parova elektron – ion ionizacijom plina

- nastajanje parova elektron – pozitivna šupljina unutar poluvodiča

- emisija fotona vidljivog zračenja u procesu luminescencije

- nastajanje latentne slike redoks procesom unutar filma

DSA: Detektori/33

3

FILM KAO DETEKTOR RENTGENSKOG ZRAFILM KAO DETEKTOR RENTGENSKOG ZRAČČENJAENJA

podloga podloga

- tanka, prozirna savitljiva poliesterska ploča otporna na vlagu i povišene temperature

fotoosjetljivi diofotoosjetljivi dio

Vanjski dio: štiti film od uništavanja

Fotosloj: dio u kojem nastaje latentna slika

Bazni sloj: služi samo kao nosač fotosloja

- filmovi su dvoslojni: znatno se povećava osjetljivost na upadno zračenje

DSA: Detektori/33

4

fotosloj (emulzija)fotosloj (emulzija)

- smjesa kristala AgBr, AgCl i AgI raspršenih u disperznom sredstvu kazeinskog ili polivinilnog sastava

- kristali su najčešće dopirani sumporom čime se znatno povećava osjetljivost (nastaju centri osjetljivosti u kojima se stvara latentna slika)

princip nastajanja latentne slikeprincip nastajanja latentne slike

- mehanizam su prvi predložili Gurney i Mott 1938. a Mitchell je 1957. dao detaljan opis

1. Interakcijom fotona svjetlosti i kristala dolazi do izbijanja elektrona iz kristala i nastajanja slobodnih elektrona i pozitivnih šupljina

DSA: Detektori/33

5

2. Elektroni migriraju do centara osjetljivosti (shallow electron trap sites) gdje dolazi do redukcije Ag+ iona i nastaje elementarno srebro (latentna slika)

3. Na nastalu grupu srebra adsorbiraju se Ag+ ioni s površine kristala

- pozitivni ioni odbijaju pozitivne rupe nastale ionizacijom (spriječena je moguća rekombinacija elektrona i rupa)

4. Novonastali elektroni migriraju do pozitivno nabijenih grupa elementarnog srebra gdje dolazi do ponovne redukcije adsorbiranih Ag+ iona (latentna slika se pojačava)

DSA: Detektori/33

6

nastajanje crno – bijelog negativa

2. Prekid razvijanja

4. ispiranje: izvodi se u čistoj vodi – uklanjanje otopine fiksira

5. sušenje

1. Razvijanje: dodatkom redukcijskih sredstava dolazi do redukcije Ag+ iona na mjestima izloženima svijetlu (latentna slika postaje vidljiva)

3. Fiksiranje: uklanjanje kristala srebrovih halogenida i otopine razvijača

DSA: Detektori/33

7

RENTGENSKI FILMRENTGENSKI FILM- fotografski film apsorbira samo 1 % rentgenskog zračenja

- koristi se u medicinskoj dijagnostici

- moguća detekcija rentgenskih zraka tek nakon otkrića scintilatorskih materijala

- scintilacijski proces: materijal (scintilator) apsorbira fotone upadnog zračenja a emitira fotone vidljivog zračenja

- sastoji se od 3 djela: kazete, fotoosjetljive folije i fotografskog filma

kazetakazeta

- tanka, plosnata kutija koja štiti foliju i film tijekom snimanja- prednja strana je od plastike, aluminija ili ugljikovih vlakana (transparentni materijali)

- na stražnju stranu nanesen je tanki sloj olova

DSA: Detektori/33

8

fotografski filmfotografski film

fotoosjetljiva folijafotoosjetljiva folija

- kartonske ili plastične podloge smještene unutar kazete sa svake strane filma- premazane su tankim slojem scintilatorskog materijala

kalcijev volframat, CaWO4

cinkov silikat

spojevi metala rijetkih zemalja poput gadolinija, lantana, itrija, skandija

presjek rentgenskog filma

DSA: Detektori/33

9

uporaba rentgenskih filmova u medicinskoj dijagnosticiuporaba rentgenskih filmova u medicinskoj dijagnostici

DSA: Detektori/33

10

TOTOČČKASTI DETEKTORI (BROJILA)KASTI DETEKTORI (BROJILA)

1. TOČKASTI DETEKTORI PUNJENI PLINOM

- cilindrična komora: sadrži plin (smjesa argona i ksenona) koji se ionizira

- na anodi se sakupljaju elektroni nastali ionizacijom plina

- na katodi se sakupljaju pozitivni ioni nastali ionizacijom

- rad se temelji na ionizaciji detektorskog materijala koji može biti plin, tekućina ili krutina

- primjenom napona pozitivni ioni putuju prema katodi, a elektroni prema anodi

- kretanje naboja dovodi do nastanka strujnog pulsa koji se detektira

DSA: Detektori/33

11

- postoje tri tipa ovisno o dovedenom naponu na elektrodama

a) Ionizacijska komoraa) Ionizacijska komora

- relativno mali napon među elektrodama.

- dovoljno mali da ne ubrzava elektrone do te mjere da dođe do sekundarne ionizacije

- dovoljno velik da spriječi rekombinaciju ionskih parova (da u potpunosti razdvoji elektrone i pozitivne ione).

- može se mjeriti intenzitet rentgenskog zračenja

- ionizacijska komora

- Proporcionalno brojilo

- Geiger-Müllerovo brojilo

DSA: Detektori/33

12

b) Proporcionalna brojilab) Proporcionalna brojila- povećanjam napona raste kinetička energija elektrona i dolazi do sekundarne ionizacije

(Towsendova lavina)

- ukupni broj ionskih parova proporcionalan je broju ionskih parova nastalih primarnom ionizacijom

- može se mjeriti energija rentgenskog zračenja

- nužna je upotreba plina za gašenje naboja (metan, etan ili CO2)

DSA: Detektori/33

13

3.Geiger3.Geiger--MMüüllerovo brojilollerovo brojilo- daljnjim povećanjem napona elektroni jako ubrzavaju

- procesi ionizacije se višestruko ponavljaju i nastaje prava lavina elektrona.

- količina skupljenog naboja je vrlo velika i ne ovisi o primarnoj ionizaciji, tj. o energiji upadne čestice

- Geiger-Mullerovo brojilo može samo detektirati prisustvo zračenja

- dolazi i do ionizacije katode djelovanjem fotona vidljivog i UV zračenja.

DSA: Detektori/33

14

2. TO2. TOČČKASTI SCINTILATORSKI DETEKTORIKASTI SCINTILATORSKI DETEKTORIScintilacijski proces: materijal (scintilator) apsorbira fotone upadnog zračenja a emitira

fotone vidljivog zračenja procesom fluorescencije

Fluorescencija:

- ne mijenja se multiplicitet elektronskih stanja

- traje samo za vrijeme izlaganja zračenju

- izuzetno brzi proces

Fosforescencija:

- mijenja se multiplicitet elektronskih stanja

- traje i nakon prestanka zračenja

- spori proces ( sekunde ili minute)

DSA: Detektori/33

15

fluorescencija i fosforescencijafluorescencija i fosforescencija

DSA: Detektori/33

16

karakteristike scintilatorskog materijalakarakteristike scintilatorskog materijala

- visoka moć apsorpcije rentgenskog zračenja

- visoka otpornost prema zračenju, na mehanički i termički stres

- što manja resorpcija emitiranog vidljivog zračenja

NaI : Tl CsI : Tl CaF2 : Eu Gd2SiO5 : Ce CdWO4

YalO3 :Ce Y3Al5O12 :Ce Lu3Al5O7 : Ce ZnSe : Te PbWO4

- visoka efikasnost pretvorbe rentgenskog zračenja u vidljivo zračenje

- vrlo brzi odgovor

- niska cijena

- minimalna naknadna emisija svjetlosti (afterglow)

- postojanje optičkih centara unutar kristalne strukture zbog prisutnosti nečistoća ili prirodnih defekata

DSA: Detektori/33

17

- proporcionalnost dobivene amplitude scintilacija i energije upadne čestice.

princip rada scintilacijskog detektoraprincip rada scintilacijskog detektora

DSA: Detektori/33

18

TERMOLUMINESCENTNI DETEKTORITERMOLUMINESCENTNI DETEKTORItermoluminescencija: termalno stimulirana emisija svijetla koja slijedi apsorpciju

energije nakon ozračivanja termoluminescentnog materijala

termoluminescentni materijal: apsorbira i pohranjuje dio upadnog zračenja koje se u obliku vidljivog zračenja oslobađa nakon zagrijavanja

CaF2 : Mn CaSO4 : Mn Li2B4O7 : Mn MgB4O7 : Mn YOCl :Eu

- koriste se izolatori (vodljivst je rezultat apsorpcije upadnog zračenja)

karakteristike termoluminescentnog materijalakarakteristike termoluminescentnog materijala

- visoka moć apsorpcije rentgenskog zračenja određenog raspona energije

- visoka otpornost prema zračenju, otpornost na mehanički i termički stres

- minimalna resorpcija emitiranog vidljivog zračenja

- linearna ovisnost energije upadnog zračenja i mjerenog električnog signala

- sporo slabljenje tj. gubitak TL signala tijekom vremena nakon ozračivanja DSA: Detektori/33

19

a: nastajanje elektrona i pozitivnih rupa (šupljina)

b: hvatanje elektrona i rupa u stupice

c: oslobađanje elektrona iz zamke zagrijavanjem

d: rekombinacija elektrona i pozitivnih rupa praćena termoluminescencijom

ba d

c

b

princip rada termoluminescentnog detektoraprincip rada termoluminescentnog detektora

model jedna zamka – jedan rekombinacijski centar

DSA: Detektori/33

20

POLUVODIPOLUVODIČČKA PROPORCIONALNA BROJILAKA PROPORCIONALNA BROJILA

DSA: Detektori/33

21

n n --TIP POLUVODITIP POLUVODIČČAA: - dopiranje s elementom koji ima veći broj valentnih elektrona- nosioci naboja su slobodni elektroni u valentnoj vrpci

p p --TIP POLUVODITIP POLUVODIČČAA:

- nosioci naboja su pozitivne šupljine u valentnoj vrpci

- dopiranje s elementom koji ima manji broj valentnih elektrona

DSA: Detektori/33

22

DIODADIODA

- pri jednom polaritetu priključenog stalnog napona dioda vodi struju s malim otporom

- promjenom polariteta napona stvara se vrlo veliki električni otpor

- moguće kretanja elektrona i šupljina preko p–n spoja što rezultira slabom strujom

- elektronički sklop koji nastaje kombinacijom n- i p-tipa poluvodiča

DSA: Detektori/33

23

a) primjena propusnog napona (foward bias)

b) primjena napona suprotnog polariteta (reverse bias)

DSA: Detektori/33

24

- dioda je u zapornom režimu (postoji područje osiromašenja naboja)

- rentgensko zračenje u području osiromašenja naboja uzrokuje ionizaciju i nastajanje parova elektron-pozitivna šupljina

- elektroni se kreću preko p-n spoja prema n-tipu poluvodiča

- dolazi do naglog porasta struje koja se mjeri

- pozitivne šupljine se kreću preko p-n spoja prema p-tipu poluvodiča

princip rada poluvodiprincip rada poluvodiččkih detektorakih detektora

- broj parova elektron-šupljina je proporconalan energiji upadnog zračenja

DSA: Detektori/33

25

poluvodipoluvodiččki materijaliki materijali

- kao poluvodički materijali najčešće se koriste silicij i kadmijev sulfid

- p-n spoj se može prirediti na 2 načina:

1. Donorski atomi (najčešće fosfor) unose se u materijal p-tipa

2. Naparavanjem zlata na površinu poluvodiča n-tipa

DSA: Detektori/33

26

AREA DETEKTORIAREA DETEKTORI- detektiraju položaj upadnog zračenja poput filmova

- uređaji vezanih naboja (charge coupled devices, CCD)

- elektroničke fotoosjetljive ploče (imaging plates, IP)

- TV kamere za rentgensko zračenje

- plinom punjena proporcionalna brojila s više elektroda (multiwire gas discharge proportional counters, APC),

- mikrokanalne ploče (MCP)

- fotoni rentgenskog zračenja u interakciji s određenim materijalom pretvaraju se u fotone vidljivog zračenja koji se detektiraju

- detektiraju energiju zračenja poput scintilatorskih detektora

DSA: Detektori/33

27

ELEKTRONIELEKTRONIČČKE FOTOOSJETLJIVE PLOKE FOTOOSJETLJIVE PLOČČE (IMAGE PLATES)E (IMAGE PLATES)

- koriste se u medicinskoj dijagnostici za dobivanje rentgenskih slika organa i kostiju

savitljiva plastična ploča

zaštitni sloj polietilen tereftalata

polikristalni sloj BaFBr dopiran Eu2+ ionima

DSA: Detektori/33

28

princip rada elektroniprincip rada elektroniččke fotoosjetljive ploke fotoosjetljive ploččee

- analogan je radu termoluminescentnih detektora

- razlika: elektroni napuštaju stupicu djelovanjem He-Ne lasera

- dolazi do fotostimulirane luminescencije.

- vidljivo zračenje se pomoću fotomultiplikatora pretvara u električni signal koji se mjeri

DSA: Detektori/33

29

prednosti nad rentgenskim filmom

- nije potrebna strojna obrada latentne slike

- jedna se ploča može koristiti mnogo puta

DSA: Detektori/33

30

UREĐAJI VEZANIH NABOJA UREĐAJI VEZANIH NABOJA (charge coupled devices, CCD)(charge coupled devices, CCD)- niz kondenzatora na bazi silicija prekrivenih elektrodama

- površina je prekrivena elektrodama izrađenim od polikristaliničnog silicija (polysilicon)

- ispod nje je tanki izolatorski sloj izgrađen od silicijevog dioksida ili silicijevog nitrida

- bazni sloj izgrađen je od silicija dopiranog galijem ili borom (p-tip poluvodiča)

DSA: Detektori/33

31

direktna detekcijadirektna detekcija

- upadno zračenje direktno se apsorbira što dovodi do stvaranja parova elektron-šupljina

prednosti: visoka efikasnost detekcije

nedostatci: mala aktivna površina pojedinog senzora i mogućnost oštećenjaDSA: Detektori/33

32

indirektna detekcijaindirektna detekcija

- tanki sloj scintilatora je preko optičkog vlakna povezan s CCD senzorom

- rentgensko zračenje se apsorbira a emitiraju se fotoni vidljivog zračenja koji dolaze na CCD senzor

prednosti: - detekcija rentgenskog zračenja visoke energije,

nedostatci: - znatno smanjena osjetljivost

- zaštita senzora od oštećenja,

DSA: Detektori/33

33DSA: Detektori/33