Szcintillációs detektorok

   Tankönyv Fizikusoknak  »  A röntgendiagnosztika alapjai  »  Röntgendetektorok  »  Szcintillációs detektorok

A szcintillációs detektorok olyan optikailag átlátszó szilárd vagy folyékony anyagok, amelyek ionizáló hatású sugárzásra fénykibocsátással válaszolnak. A kristályos szerkezetű szcintillátor anyagok elektronsáv szerkezete tartalmaz egy tiltott sávot, amelyben a kristályban található adalékanyagok (aktivátorok) hatására gerjeszthető állapotok alakulnak ki (lumineszcencia centrum).

16. ábra Szcintillátor kristály lehetséges elektronállapotai

 
A külső ionizáló hatású gerjesztés következtében az vegyértéksávban lévő elektronok gerjesztődhetnek egyrészt a vezetési sávba, másrészt a lumineszcencia centrumba. A lumineszcens centrumokból az elektronok legerjesztődnek a vegyértéksávba, amely folyamat a két állapot közötti energiakülönbségnek megfelelő energiájú foton emittálásával jár. Az így kibocsátott fotont fényelektromos jelenség felhasználásával lehet jó hatásfokkal detektálni vagy a hagyományos fotoelektron-sokszorozó, vagy valamilyen félvezető alapú fotodetektor alkalmazásával 7. Az adalékanyag választásával optimalizálni lehet az emittált fény hullámhosszát a fotodetektor maximális detektálási hatásfokához. A leggyakrabban alkalmazott szcintillációs detektortípus a NaI(Tl), de számos hasonló tulajdonságú kristályos anyag is alkalmas ilyen detektorokhoz (CsI(Na), ZnS(Ag), LiI(Eu) stb.). Szerves anyagokban szintén előfordulhatnak olyan gerjeszthető állapotok, amelyek alkalmassá teszik ezt az anyagtípust ionizáló sugárzás detektálására. A szerves szcintillátorok szinte bármilyen formában előfordulhatnak (folyadék, gáz, szilárd), ami az alkalmazhatóságot rendkívüli módon kiterjeszti.
A legújabb CT berendezésekben a Gd₂O₂S (gadolínium-oxiszulfid=GOS) kerámiát alkalmazzák, mint szcintillációs detektort, amely szcintillátor a röntgensugárzás detektálására számos előnyt biztosít más detektoranyagokkal szemben:

1. A Gd nagy rendszáma (64) és a Gd₂O₂S nagy sűrűsége (7.32 g/cm²) következtében jó detektálási hatásfokot biztosít már kis detektorméret esetén is a röntgensugárzásra nagy értékű fajlagos energiaveszteség következtében.
2. A szcintillátor által emittált fény maximuma 546 nm, ami ideálisan érzékelhető félvezető detektorokkal.
3. A Gd₂O₂S szcintillátorral kialakított detektor rendkívül gyors érzékelést lehet elérni, ami a röntgenvizsgálatok sebességét növeli. Ez utóbbi különösen a CT vizsgálatok során jelent hatalmas előnyt.

A Ga-alapú szcintillátor kisebb hatásfokkal rendelkezik a CsI-típushoz képest, de a röntgensugárzással szembeni nagyobb abszorpciója következtében jóval vékonyabb réteg is elegendő. A szcintillátor által emittált fényimpulzusok amplitúdója szoros kapcsolatban van a szcintillátort ért röntgennyaláb fluxusával. Az így keltett fotonokat vagy közönséges filmek exponálására használják, vagy fényelektromos jelenséggel elektronokat állítanak elő. A filmen a szcintillátor fotonjaiból a képet a film emulziójában lévő ezüst-bromid szemcsék kémiai átalakulása biztosítja. A pixel szerkezetű érzékelőkből felépített detektorok esetében valamilyen félvezető elemben a másodlagosan, a szcintillátorból emittált fény által keltett elektronokat lehet felhasználni képalkotásra. A legkorszerűbb, pixeles felépítésű detektorokban a fény-elektron konverziót térvezérlésű tranzisztorok (TFT= thin film transistor) végzik igen nagy detektálási hatásfokkal. Minden szcintillációs lap mögött közvetlenül elhelyezett mikroméretű TFT pixelek sokasága a szcintillátorból bejutott fotonok számának megfelelő elektromos töltést generálják, amelyből egy kiolvasó elektronika állítja elő a feldolgozás számára az elektromos jelet. A szcintillátor lapból és TFT elemekből felépített sokelemes detektorok nagy előnye egyrészt, hogy a röntgensugárzás fluxusával arányos jelet lehet produkálni rendkívül gyorsan. Ez utóbbi tulajdonság a gyors röntgenes képalkotó vizsgálatok esetén bír nagy jelentőséggel: szív vizsgálatok, pacienst érő dózis minimalizálása stb.