Регистрация ионизирующих излучений.

       При открытии рентгеновского излучения (1895 год; Рентген) и при открытии явления радиоактивности (1896 год; Беккерель) излучения регистрировались с помощью люминесцирующих материалов и с применением фотоматериалов. Оба эти метода применяются и поныне.

       Способность рентгеновского и радиоакривных излучений к ионизации определила принцип действия многих измерительных приборов для работы с этими излучениями.

 

Счетчик Гейгера.

       Счетчик Гейгера – прибор для определения частоты попадания в него ионизирующих частиц или квантов. Изобретен Гейгером в 1908 году. Принцип работы этого счетчика допускает регистрацию α-, b- и γ-излучения, но эффективность регистрации этих видов излучения неодинакова,

       Под эффективностью регистрации понимается процент от падающего потока частиц, который, в среднем, прибор регистрирует. Например,         эффективность регистрации 10% означает, что в среднем регистрируется 10 частиц или квантов из ста.

       Большой вклад в дело разработки различных версий счетчика Гейгера для эффективной регистрации разных видов излучений внес Мюллер.

       Счетчики Гейгера широко применяются в настоящее время в приборах дозиметрического контроля – радиометрах и дозиметрах. Эти простые и надежные приборы применяются экологами, доступны и для личного индивидуального использования.

 

       Схема счетчика Гейгера представлена на рис. 11:

 

                            Рис. 11. Схема счетчика Гейгера.

       Счетчик представляет собой цилиндрический сосуд, изготовленный из стекла или металла, и заполненный разреженной смесью аргона и неона.

        Счетчик имеет два электрода. Катодом является цилиндрическая поверхность счетчика; если он стеклянный, то катод выполняется в виде внутреннего металлического напыления. Анодом является тонкая металлическая нить, проходящая по оси датчика. Блок питания обеспечивает на электродах рабочее напряжение около 400 В.

       Электрическое поле датчика очень неоднородно: чем ближе к аноду, тем больше местная напряженность поля; причиной тому является малый диаметр  анода.

       Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку цилиндрической поверхностью. Важную роль при этом играет материал катода. 

      Для регистрации a-частиц и мягкого b-излучения применяют торцевые счетчики Гейгера. В них рабочей поверхностью, обращенной навстречу потоку частиц, является торец прибора; его закрывает тонкая пленка с малым коэффициентом ослабления – воздухоэквивалентная.

      Эффективность счетчика Гейгера при регистрации α- и b-частиц близка к единице; для g-излучения она гораздо ниже, Счетчик Гейгера, с его тонкими стенками и газообразным наполнением, для g-излучения представляет собой довольно слабую преграду. Повысить эффективность регистрации g-излучения можно выбором счетчика Гейгера с большей толщиной стенок. Но тогда понизится эффективность по  b-излучению.

 

      Работа счетчика при регистрации g-излучения основана на том, что g-квант, претерпевший в стенке датчика комптоновское рассеяние или фотопоглощение, выбивает из атома электрон, который попадает в газ, заполняющий счетчик и инициирует лавинообразный процесс роста численности вторичных свободных электронов и положительных ионов. Электрическое поле датчика оказывается настолько сильным, что вслед за появлением вторичных электронов появляются вторичные электронные лавины, Это приводит к стремительному нарастанию силы тока; возникший электрический разряд начинает переходить в категорию несамостоятельных (самоподдерживающихся) разрядов, способных длиться неограниченно долго.

       Однако этого не происходит. С ростом силы тока в электрической цепи счетчика увеличивается падение напряжения U=IR на сопротивлении R (единственное сопротивление на схеме рис. 10). До прилета g-кванта напряжение на электродах счетчика равно ЭДС - электродвижущей силе блока питания (около 400 В). При появлении и развитии электронных лавин напряжение на электродах становится меньше, чем ЭДС, на величину падения напряжения, и развитие электрического разряда резко обрывается, разряд гаснет. Состоявшийся электрический импульс учитывает схема счета импульсов, после чего счетчик готов к регистрации следующего γ-кванта или b-частицы.

 

Сцинтилляционный счетчик.

 

       Сцинтилляторы – это вещества, которые при поглощении ионизирующих излучений становятся источниками света. Один из широко применяемых сцинтилляторов – йодид натрия, активированный таллием: NaI(Tl). Чтобы из этого вещества получились детекторы ионизирующих излучений, из расплава йодида натрия по специальной технологии выращивают крупные прозрачные монокристаллы. Присадка таллия добавляется в расплав для повышения яркости световых вспышек (сцинтилляций).

       Для устройств различного назначения выращивают монокристаллы объемом от нескольких мм³ до нескольких литров.

Рис. 11. Сцинтилляционный счетчик с фотоэлектронным умножителем.

   На рис.11 представлена схема небольшого сцинтилляционного счетчика.

   Сцинтилляционный счетчик – прибор, способный с высокой эффективностью регистрировать рентгеновское и гамма-излучение. Он состоит из двух частей: сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), находящихся в оптическом контакте.

       Рентгеновские кванты имеют высокую вероятность взаимодействия с атомами сцинтиллятора: плотность монокристаллов NaI(Tl) равна 3,67 г/см³. Поэтому вдоль траектории кванта появляется цепочка ионизированных и возбужденных атомов. При переходе возбужденных атомов в основное (невозбужденное) состояние возникают световые вспышки – сцинтилляции. Суммарная энергия световых вспышек пропорциональна энергии зарегистрированного рентгеновского кванта.

       Под действием световых вспышек сцинтиллятора на катоде ФЭУ происходит вырывание электронов - фотоэлектронная эмиссия. Количество фотоэлектронов пропорционально суммарной яркости вспышек, вызванных рентгеновским квантом.

       Благодаря фотоэлектронам и ускоряющему их электрическому полю, в ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Для усиления импульсов в ФЭУ предусмотрена последовательная система электродов (см. рис 11), подключенная к блоку питания таким образом, что ускоряющий потенциал ступенчато возрастает  (высота ступеней – порядка 100 В). На электродах происходит вторичная электронная эмиссия: каждый быстрый электрон, ударяясь вскользь об  электрод, отражается от него сам и выбивает из него один или несколько дополнительных электронов, С помощью этой системы электродов достигается лавинообразный рост численности электронов в импульсе.

       Сцинтилляционный счетчик обеспечивает возможность не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию. Справа на рис. 11 – нерегулярная последовательность импульсов различной амплитуды на выходе ФЭУ.

       Дискриминатор – электронное устройство, представляющее подобную последовательность импульсов в виде гистограммы, характеризующей энергетический спектр регистрируемого излучения.          

 

Гамма-камера.

       Гамма-камера – это современное техническое устройство для медицинской радиоизотопной диагностики. Применяется для ранней диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний.

       В исследуемый орган вводится радиоактивный фармакологический препарат (РФП). Его радиоактивный распад сопровождается гамма-излучением. РФП по своим биохимическим свойствам таков, что включается в естественный метаболизм органа, а благодаря его гамма-излучению информация о его распределении передается за пределы организма.

       Гамма-излучение РФП проходит (с небольшими потерями) сквозь ткани организма и регистрируется сцинтилляционным методом с помощью гамма-камеры.

 На рис. 12, слева, представлена схема, поясняющая работу гамма-камеры.

 

Рис. 12. Гамма-камера: принципиальная схема и фотография установки.

           

       Судя по схеме, область грудной клетки стала источником гамма-излучения. Выше, над коллиматорами – сцинтиллятор. Он представляет собой большой монокристалл NaI(Tl), имеющий форму диска; сверху, в надежном оптическом контакте со сцинтиллятором – дискообразный прозрачный световод, с углублениями для установки группы ФЭУ.

       Коллиматор, на схеме отдаленный от сцинтиллятора, на самом деле примыкает к нему снизу. Форма, размеры и численность каналов в плотном материале коллиматора выбираются так, чтобы каждый ФЭУ имел на поверхности тела пациента четкую зону ответственности и был доступен для сцинтилляций, созданных квантами этой зоны. Эта функция коллиматора упрощает работу компьютерных программ, осуществляющих визуализацию распределения РФМ в теле пациента.

       Визуализация распределения РФП все равно остается сложной задачей; коллиматор лишь повышает достижимую точность ее решения.

 

       На рис. 12, на фотографии справа, представлена двухкамерная гамма-камера. Пациент размещается горизонтально. Лежак изготовлен из материала прочного, но достаточно прозрачного для гамма-излучения, исходящего от РФП в теле пациента в направлении нижней гамма-камеры. Лежак вдвигается в зону чувствительности камер с помощью электропривода.

       Электропривод может обеспечивать равномерное перемещение пациента с заданной скоростью при исследовании всего тела или его части; например, при обследовании позвоночника.

       Обычная гамма-камера представляет результаты исследований в виде двухмерной (плоской) картины распределения РФП; по сути, это – проекция распределения РФП на некоторую плоскость.

       Показанная на рис. 12 двухкамерная гамма-камера дает в результате синхронно получаемые две проекции распределения РФП, по которым дополнительная компьютерная программа может воссоздать трехмерный образ распределения РФП в виде послойных сечений, получаемых при томографии.

 

       Пример практического применения гамма-камеры: диагностика щитовидной железы. Можно использовать гамма-камеру размерами меньше, чем на рис. 12. Обычно применяется изотоп йода – йод-131, (₅₃I¹³¹). Это искусственно получаемый изотоп. Но он возникает также в значительных количествах при ядерных испытаниях и при авариях на ядерных реакторах.  Йод-131 имеет период полураспада Т_1/2=8,02 суток; при распаде b- и γ-активен. Для диагностики используется γ-излучение, характерное наличием нескольких спектральных линий, с максимальной энергией квантов 0,723 МэВ.

       Бета-активность изотопа йод-131, фактор второстепенный для диагностики на гамма-камере, становится фактором первостепенным, если этот изотоп вводится в щитовидную железу с целью подавления и уничтожения злокачественных клеток. Большое сродство йода с тканями щитовидной железы благоприятствует накоплению радиоактивного йода в диффузных очагах метастазов и их ликвидации с помощью b-частиц.