Artykuł, który mam przyjemność Państwu zaprezentować powstał, gdy wpadł mi w ręce bardzo ciekawy element Tomografu PET. Elementem tym był wielki scyntylator wraz z zespołem fotopowielaczy. Na bazie tego urządzenia spróbuję przedstawić detektory promieniowania oparte o zjawisko scyntylacji oraz zbuduję detektor promieniowania jonizującego.

Pozytronowa emisyjna tomografia komputerowa, skrót PET pochodzi z języka angielskiego i oznacza Positron emission tomography. Jest to technika obrazowania w medycynie podobna do zwykłej tomografii, gdzie wykorzystuje się zewnętrzne źródło promieniowania rentgenowskiego lub zewnętrzne źródło izotopowe. W tomografii PET zamiast zewnętrznych źródeł stosuje się izotopy radioaktywne o bardzo krótkim czasie połowicznego rozpadu, które w postaci roztworu podaje się pacjentowi. Podany izotop jest źródłem pozytronów (anty-elektronów), w trakcie rozpadu w ciele pacjenta wyemitowany pozytron przebywa drogę kilku milimetrów i zderza się z elektronem w tkance ciała. W wyniku anihilacji powstają kwanty promieniowania o wysokiej energii, które padają na detektory ustawione pod różnymi kontami. Sygnały z tych detektorów są przetwarzane przez komputery na trójwymiarowe obrazy.

W badaniu wykorzystuje się fakt, że różne zmiany chorobowe wprowadzają zmiany metabolizmu w tych miejscach tkanek, a że głównym źródłem energii komórek jest metabolizm cukrów wystarczy do organizmu wprowadzić cukier znakowany radioizotopem by zaobserwować na przetworzonych obrazach gdzie w organizmie powstały np. zmiany nowotworowe. Po prostu te miejsca będą charakteryzować się znacznie większą lub mniejszą emisją promieniowania.
Oczywiście tomografu PET raczej nie zbuduję ale pokażę jak działają detektory scyntylacyjne i taki mały detektor zbuduję, wykorzystując zdobyte elementy.

Rys. 1 Matryca detekcyjna zbudowana ze scyntylatora i fotopowielaczy.

To, co Państwo widzą na zdjęciu nr 1 to wielka tafla scyntylatora osadzona na grubej tafli szkła ołowiowego wraz z doklejonymi za pomocą smaru optycznego fotopowielaczami skonfigurowanymi w matrycę. Całość zabudowana była tak by do środka nie mógł wpaść nawet najmniejszy promyczek światła. Kilka takich matryc tworzyło detektor tomografu. Zajmę się teraz zasadą działania takiego detektora scyntylacyjnego, który zbudowany jest ze scyntylatora, fotopowielacza, układu zasilania wysokiego napięcia, układu wzmacniacza i dyskryminacji.

Rys. 2 Fotopowielacz Philips XP 2412/SN.


Rys. 3 Fotopowielacz Philips XP 2412/SN.

Fotopowielacz, jest urządzeniem (lampą próżniową), które służy do detekcji bardzo słabych impulsów światła. Jest podobny do zwykłej fotodiody próżniowej (fotokomórki), która zawiera fotokatodę i anodę. Cała zasada działania prostej fotokomórki opiera się o zjawisko fotoelektryczne czyli emisję elektronów z powierzchni fotokatody pod wpływem promieniowania świetlnego. Fotokatoda w przypadku prezentowanego fotopowielacza jest napylona na przednie okienko, które jest obszarem detekcyjnym.

Rys. 4 Fotopowielacz Philips - widok okienka z napyloną fotokatodą.

Padające na fotokatodę światło powoduje emisję elektronów, które podążają w kierunku dodatnio spolaryzowanej anody. Mierząc powstały przepływ prądu można mierzyć natężenie padającego światła. Jednak tak działa fotokomórka, która nie grzeszy zbyt wielką czułością. Dlatego powstało urządzenie o nazwie fotopowielacz, które przypomina fotokomórkę jednak pomiędzy fotokatodą a anodą umieszczono elektrody pomocnicze nazywane dynodami. W takim urządzeniu wyemitowany z fotokatody nawet pojedynczy elektron nie pada od razu na anodę, trafia najpierw na jedną z wielu dynod, z których wybija elektrony wtórne padające na dynodę następną. W typowych lampach jedna dynoda daje trzy lub czterokrotne powielenie pierwotnej ilości elektronów.

Rys. 5 Zasada działania i podłączenia fotopowielacza wraz ze scyntylatorem.

Czasem jeden dobrze przygotowany rysunek jest więcej wart niż tysiąc słów dlatego przygotowałem powyższy diagram obrazujący zasadę działania fotopowielacza oraz jego podłączenie, w dalszej części powiem też co to jest scyntylator, który również na diagramie umieściłem.
Dzięki zastosowaniu wielu dynod fotopowielacze uzyskują niezwykle duże czułości rzędu 1000A/lumen przy bardzo małych szumach. Stosując fotodiody trzeba by wzmacniać niezwykle małe prądy na wyjściu co wiąże się z wprowadzeniem szumów dość dużych. Powielanie elektronów na dynodach jest praktycznie bezszumowe. Jednak fotopowielacz jak wszystko w otaczającym nas świecie nie jest pozbawione wad, jedną z nich jest obecność tzw. ciemnego prądu fotopowielacza. Co to takiego ? ano oprócz zjawiska fotoemisji elektronów istnieje także zjawisko termoemisji. O ile fotopowielacz można osłonić od niepożądanych źródeł światła, o tyle elementy jak fotokatoda czy dynody mają swoją pewną temperaturę i czy chciał czy nie - będą swoje elektrony emitować, co jest źródłem szumu na wyjściu, jednak w fotopowielaczu stosunek szumu do sygnału jest bardzo dobry.

Rys. 6 Scyntylator - monokryształ jodku sodu aktywowany talem.

Wcześniej wspomniałem o cząstkach promieniowania jonizującego a teraz cały czas mówię o detekcji i analizowaniu światła widzialnego, znakiem tego potrzebujemy jeszcze czegoś, co przetworzy nam informację o tym, że cząstka wpadła do detektora na impuls świetlny. Tym czymś jest scyntylator.