3.11. Детекторы рентгеновского излучения
Детекторы рентгеновского излучения для КТ должны обладать линейными характеристиками в широком диапазоне интенсивностей.
Находят применение детекторы комбинированные и однородные.
Комбинированный детектор содержит кристаллический сцинтиллятор (NaJ, CsJ, активированные таллием, CaF2, BiGe3O12 и др.), который преобразует рентгеновское излучение в световой сигнал, и оптоэлектронный элемент (фотоэлектронный умножитель — ФЭУ или полупроводниковый детектор), преобразующий световой сигнал в электрический.Связь между обоими элементами детектора может быть непосредственной, контактной, либо осуществляться через волоконный световод. Однородный детектор преобразует рентгеновское излучение непосредственно в электрический сигнал. Однородными детекторами являются ионизационные камеры высокого давления и полупроводниковые структуры типа теллурида кадмия.
Диаметр чувствительной площадки детекторов составляет 10–15 мм. Размер вдоль оси пучка выбирают из условия максимального поглощения рентгеновских фотонов, он достигает нескольких сантиметров.
К детекторам предъявляют следующие требования:
1. Квантовая эффективность (отношение полезно использованной доли падающего потока излучения ко всему потоку) должна быть близкой к единице, обычно она лежит в диапазоне 0,9–0,96. Чтобы повысить квантовую эффективность сцинтилляционных детекторов, в них применяют кристаллы с большим атомным номером. С этой же целью в ионизационных детекторах используют ксенон (z = 54) при давлении 25–28 кгс/см2.
2. Быстродействие детектора должно обеспечивать измерение излучения без динамических ошибок при сканировании с заданной скоростью.
Быстродействие кристаллического детектора связано с его временными параметрами — временем сбора зарядов и временем рассасывания. Постоянная времени сбора зарядов у кристаллов CsJ(Tl) составляет 1,1 мкс, CsJ(Na) — 0,65 мкс, а время рассасывания в десятки раз больше. Несмотря на сложность конструкции, сцинтилляционные детекторы продолжают находить применение в нейродиагностических томографах с их ограниченным числом измерительных каналов и относительно низким быстродействием.
Динамическую погрешность, обусловленную послесвечением (рассасыванием носителей зарядов), компенсируют программным способом в ЭВМ.Время сбора ионов в ионизационных ксеноновых детекторах составляет (1–5)10–3 с. Этой величиной ограничивается длительность интервала между импульсами излучения в томографах третьего поколения.
3. Большое значение имеет воспроизводимость параметров и характеристик детекторов при их серийном производстве.
Для обеспечения идентичности характеристик измерительных трактов осуществляют тщательный отбор детекторов перед их установкой в измерительный блок, выравнивают чувствительность каналов схемными средствами и корректируют измерительные данные каналов при помощи ЭВМ.
В качестве примера рассмотрим строение блока детекторов в системе Somatom фирмы “Siemens”. Система имеет две матрицы детекторов, каждая из которых содержит 256 ячеек. По краям блока расположены по два опорных канала. Обе матрицы изогнуты в виде дуги радиусом 1135 мм с центром в фокусе излучателя.
Матрица детекторов для исследования тела занимает сектор с углом 42°, ширина каждого детектора 3 мм, для исследования головы — сектор с углом 21°, ширина каждого детектора 1,5 мм.
В системе используют комбинированные детекторы «сцинтиллятор CsJ — высокоомный кремний».
Детекторы не нуждаются в подводе напряжения питания, так как кремний является источником тока. Они работают в импульсном режиме при длительности импульсов 2 мс.
В паузах между импульсами (10 мс) осуществляется возврат детекторов к нулю. Огромный динамический диапазон чувствительности детекторов (107) позволил отказаться от применения компенсирующих элементов.