Рентгеновские и гамма-преобразователи изображений
Радиационные преобразователи являются пространственно- спектрально-временными регистраторами излучения и часто выполняются как совокупность множества отдельных маленьких детекторов. Число отдельных пространственных элементов, в которых кванты могут одновременно и вместе с тем независимо регистрироваться (и адресоваться) одним преобразователем, может быть очень большим. Примером этого класса преобразователей являются РЭОП и гамма-камера. Изображения также могут быть получены с помощью детекторов, вырабатывающих пространственно-усредненный по площади сигнал. Одним из методов получения двумерного изображения является сканирование, при котором детектор передвигают по плоскости и данные записываются последовательно во всех требуемых точках. Другой способ получения изображений –использование набора детекторов, расположенных друг около друга, как в современных вычислительных томографах.
В основе работы большинства радиационных преобразователей лежит явление люминесценции. Люминесценция – свечение некоторых веществ, превышающее их тепловое излучение при данной температуре с конечной длительностью послесвечения, большей периода световых колебаний. В зависимости от способа возбуждения люминесценция подразделяется на ряд типов: фото-, катодо-, рентгено-, радиоактивная люминесценция и др. Вещества, способные светиться под действием поглощенной энергии, называются люминофорами. Люминофоры являются эффективными преобразователями различных видов радиации с перепадом энергии квантов от 0,1 до 107 эВ и выше в электромагнитное излучение с энергией фотонов 2-3 эВ. Энергия, запасенная в люминофоре при его возбуждении, может затем высвечиваться в течение примерно 10~7–107 с, т. е. длительность свечения колеблется от долей микросекунды до года.
Большинство люминофоров включает в себя частицы твердых неорганических кристаллов, называемых кристаллофосфорами или фосфорами, светосоставами. Кристаллофосфоры являются веществами с низкой электропроводимостью. При энергиях рентгеновских квантов до 150 кэВ доминирующим первичным воздействием этих квантов с веществом люминофора является фотоэлектрическое поглощение [1]. При этом взаимодействии часть энергии квантов затрачивается на ионизацию К или L оболочки поглощающего атома, а остальная часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектронов.
Возбужденный квантом ион, возвращаясь в основное состояние, либо излучает флюоресцентное рентгеновское излучение, которое поглощается или не поглощается в люминофоре, либо испускает Оже-электрон. Первым результатом рассматриваемого процесса является один или большее число относительно высокоэнергетичных электронов, движущихся в решетке люминофора. Эти электроны теряют свою энергию за счет неупругих столкновений с другими слабо связанными (валентными) электронами кристалла, порождая электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Часть их энергии передается решетке и при энергии примерно 12 эВ электрон-фотонные взаимодействия оставляют каждой электрон-дырочной паре энергию примерно 3-4 эВ, т. е. порядка ширины зоны проводимости, переводя оставшуюся часть энергии в тепло. Рекомбинируя, электроны и дырки излучают фотоны ультрафиолетового или видимого диапазонов. Такая флюоресценция может происходить через промежуточные примесные уровни, возникающие из-за малых количеств «активатора», предварительно вводимого в решетку. Этот процесс может быть достаточно эффективен: при рекомбинации электронов зоны проводимости до 90% энергии может переходить в энергию оптических фотонов. На рис. 19 схематически представлены основные физические процессы, происходящие в люминофорах при фотопоглощении. Активатор не только увеличивает световую отдачу, но и часто изменяет спектральный состав излучения.
Рис. 19. Взаимодействие рентгеновских гамма-квантов с веществом люминофора
В зависимости от назначения люминофора (вида возбуждения) при его изготовлении используются разные по составу основные вещества и активаторы. Химический состав люминофора» обозначается так: на первом месте ставится основное веществ» (вещества), а после двоеточия – активатор (активаторы). В рентгенолюминофорах используются в основном сульфиды вольфраматы элементов второй группы периодической таблицы Менделеева, для гамма-лучей – щелочногалоидные монокристаллы, в катодолюминофорах – сульфиды, селениды, силикаты, вольфраматы, окиси элементов II группы.
В табл. 2 представлены спектральные, временные и энергетические параметры некоторых люминофоров: лт – положение •спектрального максимума; т – константа затухания; г – энергетический выход, т. е. отношение излученной элементарным объемом среды энергии к энергии, поглощенной этим объемом; С – световая отдача, т. е. отношение силы света экрана по нормали к поверхности к мощности, подведенной к пучку электронов, возбуждающих люминесценцию.
Идеальный радиационный преобразователь должен детектировать каждый падаюший на него квант и давать информацию без ошибок и искажений о пространственном положении, энергии и времени поступления каждого кванта. Он должен также обеспечить обработку произвольно больших потоков поступающих квантов в преобразователь. Реальные преобразователи не удовлетворяют всем этим требованиям.
Во-первых, не все падающие на преобразователь кванты с ним взаимодействуют, и, во-вторых, часть взаимодействий неинформативна или малоинформативна.
Рассмотрим два преобразователя: один идеальный (И), другой реальный (Р), выходные сигналы которых получаются путем интегрирования импульсов люминесценции с их выхода. Преобразователь И регистрирует каждый падающий на него квант, т. е. имеет относительный квантовый выход Q=I и сконструирован так, что каждая вспышка люминесценции имеет одинаковое N число моноэнергетических световых фотонов. С помощью такого преобразователя можно было бы точно определить, сколько «а него поступило квантов. Преобразователь Р также имеет Q = I и в среднем в каждом импульсе имеет N = N таких же фотонов, но во вспышке количество фотонов флуктуирует около среднего значения N. Интегрирование света с его выхода не позволяет точно определить количество поступивших на него квантов.
Рассмотрим несколько типичных случаев регистрации, которые встречаются на практике.
Сцинтилляционный счетчик, состоящий из сцинтиллятора, фотоумножителя и электронного преобразователя, очень близок к идеальному радиационному преобразователю. Падающий поток рентгеновских или гамма-квантов поглощается с большой вероятностью и порождает вспышку фотонов, которые в свою очередь порождают импульсы фотоэлектронов и в конечном итоге импульсы электронов на выходе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Число таких импульсов в некотором интервале счета представляет собой пуассоновскую случайную переменную, если источник пуассоновский. При таком режиме обобщенный квантовый выход очень близок к единице, если люминофор имеет достаточную толщину.
Однако часто счетчик используется в токовом режиме. В вычислительных томографах скорость счета слишком велика, чтобы можно было считать определенные кванты. В этом случае измеряется средний ток. Аналогично в РЭОП регистрируется свет, излучаемый входным экраном, а не число его вспышек, обусловленных квантовой структурой радиационного изображения. В этих случаях существует дополнительный источник шума, поскольку интенсивность световых вспышек сцинтиллятора является случайной величиной, причем в некоторых случаях дисперсия флюктуаций может иметь большие значения (рис. 20).
Рис. 20 Вероятное распределение событий Q (Е) в соответствии с функцией q (Е)
Для большинства сцинтилляционных счетчиков отношение моментов оказывается равным 0,8-0,9. Так что счетчик, работающий в токовом режиме, не так далек от идеального детектора.
Следует отметить, что во всех приведенных примерах в отношение сигнал/шум на выходе не включались ни шумы преобразователя (темнового тока ФЭУ), ни шум, создаваемый фоновыми засветками.
При облученности преобразователя ниже некоторого уровня его обобщенный квантовый выход становится незначительным, так как за счет собственных шумов устройства обнаружение актов взаимодействия квантов с преобразователем не представляется возможным. Если же облученность преобразователя гораздо выше обычного уровня, то он перегружается и квантовый выход опять становится нулевым. Часть носителей информации в радиационном преобразователе возникает на некотором расстоянии от места причинно связанного с ним первоначального взаимодействия кванта с преобразователем и поэтому существует соответствующая неопределенность в локализации первоначального события. Можно считать, что некоторая доля носителей информации, поступившей в какой-либо элемент радиационного преобразователя из других элементов устройства, является для него нежелательной – фоновой.
Неотличимые шумовые события в этом случае состоят из фоновых и шума самого преобразователя в данном элементе. Построив зависимость квантового выхода от облученности и пространственной частоты, мы получим поверхность в трехмерном пространстве (рис. 21). В сечении любой плоскостью, на которой Ф = const, значение QD уменьшается пропорционально квадрату функции передачи модуляции (ФПМ) преобразователя.
Рис. 21. Зависимость обобщенного квантового выхода от облученности радиационного преобразователя и пространственной частоты. 1 – предел, определяемый шумами преобразователя; 2, 5 – пределы, определяемые химсоставом и физическими характеристиками преобразователя; 3 – предел по Роузу; 4 – перегрузка.
Величина QD для конкретного преобразователя сильно зависит от энергии квантов. Типичная зависимость QD ОТ энергии рентгеновских квантов для современных РЭОП показана на рис. 22. Метод измерения QD подробно описан в литературе [23]. Рис. 23 поясняет принцип измерения этого параметра. Радиационное изображение локализуется диафрагмой малого диаметра. Изображение на выходном экране при помощи микрообъектива регистрируется ФЭУ. Измеряется среднее значение полученного сигнала, а также среднее квадратическое значение. Указанную процедуру повторяют с использованием монокристалла Csl, поглощающего 100% квантов. Поскольку флюктуации числа квантов подчиняются пуассоновскому распределению и, следовательно, дисперсия флуктуаций равна среднему значению числа квантов. Важно помнить, что имеются нежелательные вариации QD по поверхности преобразователя и временные варианты.
Для радиационных преобразователей ФПМ являются важной характеристикой и часто удобно ее двухпараметрическое представление
D (р) =ехр (–p/pd)q. (31);
Рис. 22. Зависимость квантового выхода радиационно-оптического преобразователя от энергии рентгеновского излучения.
Рис. 23. Измерение квантового выхода радиационных преобразователей. 1 – источник излучения; 2 – фильтр; 3 – диафрагма; 4 – радиационный преобразователь; 5 – микрообъектив; 6 – ФЭУ; 7 – усилитель тока; 8 – регистрирующие приборы; 9 – сцинтиляционный кристалл.
Рис. 24. Двухпараметрические функции передачи модуляции
Здесь pd и р характеристическая и пространственная частоты, мм-1 (рис. 24).
Считается, что ФПМ примерно гауссовой формы (q=2) является предпочтительной для радиационно-оптических преобразователей, поскольку она соответствует ФПМ глаза и обеспечивает естественность светового изображения. ФПМ для q–><х> вызывает неприятное двоение («звон») на резких краях изображения. Гауссоида q = 2 дает большие значения в области низких частот, а экспонента q=l – в области высоких частот в световых изображениях. Таким образом, качество световых изображений зависит не только от ФПМ процесса преобразования и передачи изображений, но также и от характеристик просвечиваемой среды и диапазона интересующих пользователя пространственных частот.
ФПМ может быть измерена для любого радиационно-оптического преобразователя несколькими методами [4]. Один из них заключается в формировании радиационного изображения очень узкой щели 10–100 мкм.
Этот интеграл определяют с помощью электронно-оптической системы, для чего изображение а(х) системой, включающей две противоположно вращающиеся решетки Муаре, направляется на ФЭУ.
Вращающиеся решетки Муаре создают приблизительное пространственное косинусоидальное распределение прозрачных участков с частотой р. Интенсивность света, регистрируемая ФЭУ, представляет собой произведение распределения яркости а(х) и прозрачности системы решеток Муаре Cos 2лрх.
Другой метод состоит в следующем: регистрируется контраст изображения серии штриховых прямоугольных рентгеновских мир с различными пространственными частотами, которые последовательно заменяются. В результате определяют контраст изображения rj в зависимости от пространственной частоты р.
Радационный преобразователь предназначен для регистрации информации, содержащейся в радиационном изображении. При ее оценке необходимо учитывать три основных обстоятельства Во-первых, информация должна быть согласована с параметрами регистратора по временным, спектральным и энергетическим характеристикам. Во-вторых, необходимо знать пространственные искажения изображения, выражающиеся в потере четкости деталей. И в-третьих, следует учесть шум, возникающий в преобразователе. Учет этих обстоятельств нормируется метрологическими параметрами преобразователя, в рамках которых гарантируется его качество функционирования.
