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.