تجهيزات آشكارسازي سنتيلاسيون

تجهيزات آشكارسازي سنتيلاسيون

يك نوع از سنتيلاسيون يا ابزار آشكارسازي پرتو گاما بطور متداول در پزشكي هسته اي بكار مي رود. شمارنده هاي چاهي[1]، به سوندهاي تيروئيد، و تصويربردارهاي گاما يا سنتيلاسيون معمولاً مورد استفاده بيشتري دارند. تمامي اين تجهيزات، ابزاري براي آشكارسازي پرتوگاما هستند و شامل يك موازي ساز[2] ( باستثناي شمارنده چاهي)، آشكارساز يديد سديم، لامپ تکثير كننده نوري[3]، و حافظه يا صفحه نمايش هستند. اساساً، پرتوهاي گاماي ناشي از يك چشمه در آشكارساز يديد سديم برهمكنش انجام داده و فوتونهاي نور گسيل مي شوند. در انتها يك فوتوكاتد به لوله تقويت كننده نوري(PM) متصل شده و يك پالس در انتهاي لوله PM توليد مي شود. پالس در ابتدا توسط يك پيش تقويت كننده و سپس بوسيله يك تقويت كننده خطي تقويت مي شود. يك تحليلگر[4] ارتفاع پالس، پالسهاي تقويت شده خروجي را مطابق انرژي مطلوب پرتو گاما مرتب سازي كرده و در نهايت پالسها به يك مقياس، نوار مغناطيسي، رايانه، لوله پرتو كاتدي و يا فيلم پرتو-X به عنوان خروجي هدايت مي شود.

 

موازي ساز

در همه تجهيزات پزشكي هسته اي براي تصويربرداري، يك موازي ساز به صفحه جلويي آشكارساز يديد سديم بمنظور محدود كردن ميدان ديد متصل شده است، بطوريكه از رسيدن تمامي تابشهاي خارج از ميدان ديد به آشكارساز جلوگيري شود. موازي سازها از سرب ساخته مي شوند و داراي تعدادي حفره با شكلها و اندازه هاي متفاوت هستند. سوندهاي تيروئيد، داراي يك منفذ ساده و استوانه اي شكل هستند. در تصويربردارهاي سنتيلاسيون، موازي سازها بسته به نوع كانوني كردن به حفره موازي، انشعابي، حفره سوزني، و همگرا طبقه بندي مي شوند. زماني كه تعداد حفره ها در يك موازي ساز افزايش يابد، حساسيت آشكارساز نيز افزايش مي يابد، اما يك افت ضخامت جداري قابل مقايسه بوجود خواهد آمد كه باعث نفوذ جداري پرتوهاي گاما با انرژي نسبي بالا مي شود و از اينرو وضوح فضايي كاهش مي يابد. عاملي كه مي تواند وضوح[5] يا جزئيات تصوير را افزايش دهد از طريق كاهش اندازه حفره ها در يك موازي ساز معين يا افزايش طول موازي ساز است. اين باعث يك كاهش در حساسيت (يعني راندمان آشكارسازي پرتو گاما) تصويربردار مي گيرد.

 

آشكارساز

براي آشكارسازي پرتو گاما، يك بلور يديد سديم كه يك مقدار خيلي كمي از تاليوم بصورت ناخالصي به آن افزوده شده است  بطور معمول استفاده مي شود. ساير آشكارسازها از قبيل آشكارساز ژرمانيوم با ليتيم مهاجر  ، ژرمانات بيسموت( BGB)، فلورايد باريم( BaF₂)، اكسيردو سيليكات گادليم(GSO) و اكسيردو سيليكات لوتسيم(LSO) نيز براي آشكارسازي سنتيلاسيون مورد استفاده هستند. انتخاب بلور(Tl)NaI براي آشكارسازي پرتو گاما در ابتدا بعلت چگالي قابل قبول(3/67g/cm³) و عدد اتمي بالاي يد(Z=53) كه بمحض برهمكنش پرتوهاي گاما با يك اندازه كمي از تاليوم موجود( % مول 0/1-0/4) باعث ايجاد مؤثر فوتونهاي نور( در حدود 1 فوتون نور بازاي تقريباً 30eV) مي شود، است. نور توليد شده در بلور مستقيماً از طريق پوشاندن سطح بيروني بلور با يك ماده بازتاب كننده مانند اكسيد منيزيم يا با استفاده از لوله هاي نوري بين بلور و لوله PM، به لوله PM هدايت مي شود. يديد سديم جاذب آب و نمگير بوده و باعث تغييرات رنگ كه انحراف مسير انتقال نور به لوله هاي PM را دربردارد، می شود. از اينرو، بلورها بطور سربسته و محكم در حفاظ هاي آلومينيومي محكم مهر و موم شده اند. دماي اتاق نبايد بطور ناگهاني تغيير كند، زيرا چنين تغييراتي در دما مي تواند باعث ترك خوردن بلور شود. همچنين، از ضربه هاي مكانيكي در حمل و نقل آنها بايد جلوگيري شود، زيرا بلورهاي NaI بسيار شكننده هستند.

اندازه هاي مختلفي از آشكارسازهايNaI(Tl) در تجهيزات مختلف مورد استفاده است. در نوع چاهي آشكارسازهايNaI(Tl)، بلور در مركز داراي يك حفره با عمق كافي بمنظور اينكه نمونه مورد شمارش را تقريباً بطور كامل پوشش دهد، می باشد. در اين بلورها راندمان شمارش بسيار بالا است و نياز به هيچ موازي سازي نيست. در سوندهاي تيروئيد و شمارنده هاي چاهي، بلورهاي استوانه اي كوچكتر اما ضخيم تر( 7/6×7/6cm يا 12/7×12/7cm) مورد استفاده قرار
مي گيرند، در حاليكه در تصويربردارهاي سنتيلاسيون، بلورهاي بزرگترمستطيلي
( 33-59cm) و نازكتر( 0/64-1/9cm) بكار مي روند.

 

لامپ تکثير کننده نوری

يك لوله PM شامل يك فوتوكاتد حساسيت- بالا در يك انتها و يك سري
( معمولاً 10) الكترودهاي فلزي بنام داينود در وسط، و يك آند در انتهاي ديگر كه همگي در يك لوله شيشه اي تحت خلأ قرار دارند، است. لوله PM به سمت بلور NaI(Tl) با يك روكش فوتوكاتد بلوري با يك روغن مخصوص اپتيكي ثابت شده است. تعداد لوله هاي PM در سوند تيروئيد و شمارنده چاهي يك عدد است، در حاليكه در تصويربردارهاي سنتيلاسيوني از 19 تا 94 عدد متغير است كه به پشت بلورNaI(Tl) متصل شده اند.

يك ولتاژ بالاي حدوداً 1000V از فوتوكاتد به آند لوله PM با گامهاي 100V بين داينودها بكار رفته است.

هنگاميكه يك فوتون نور از بلورNaI(Tl) به فوتوكاتد برخورد مي كند، فوتوالكترونها گسيل مي شوند، كه فوراً از طريق اختلاف ولتاژ بين الكترودها به سمت داينود شتاب مي گيرند. الكترونهاي شتاب گرفته با داينود برخورد و الكترونهاي ثانويه بيشتري گسيل مي شوند، كه مجدداً شتاب مي گيرند. فرايند تكثير الكترونهاي ثانوي بطور پيوسته تا زماني كه به آخرين داينود برسند ادامه دارد، كه در آن يك پالس از10⁵ تا 10⁸ الكترون توليد مي شود. سپس پالس در آند جذب و سرانجام به پيش تقويت كننده منتقل مي شود.

 

پيش تقويت كننده

پالس ناشي از لوله PM داراي دامنه كوچك است و بايد قبل از ساير فرآيندها تقويت شود. اين تقويت اساساً با يك پيش تقويت كننده كه در انتهاي لوله PM قرار گرفته انجام مي شود. يك پيش تقويت كننده نياز به تنظيم ولتاژ شكل پالس و تطابق سطوح امپدانس بين آشكارساز و اجزاء بعدي دارد بطوريكه پالس بطور مناسب توسط سيستم مورد پردازش قرار گيرد.

 

تقويت كننده خطي

پالس خروجي از پيش تقويت كننده نياز به تقويت بيشتري دارد و بطور مناسبی توسط تقويت كننده خطي شكل مي گيرد. سپس پالس تقويت شده بمنظور تحليل ولتاژ آن به تحليلگر ارتفاع پالس هدايت مي شود. تقويت پالس توسط بهره مشخص تقويت كننده از طريق نسبت دامنه پالس خروجي به دامنه پالس ورودي تعريف مي شود، و بهره مي تواند در محدوده 1 تا 1000 توسط كنترلهاي بهره فراهم شده بروي تقويت كننده تنظيم شود.

دامنه هاي پالسهاي خروجي معمولاً از 0 تا 10 ولت مرتب مي شوند.

 

تحليلگر ارتفاع پالس

انرژيهاي متفاوتي از پرتوهاي گاما مي تواند از يك چشمه، يا از راديونوكليدهاي يكسان و يا راديونوكليدهاي مختلف، يا بعلت پراكندگي پرتوهاي گاما در يك چشمه ساطع شود. پالس هاي خروجي از تقويت كننده ممكن است دامنه هاي مختلفي ناشي از اختلاف انرژيهاي پرتوهاي گاماي آن داشته باشند.

تحليلگر ارتفاع پالس((PHA ابزاري براي انتخاب شمارش تنها پالسهايي كه بين فاصله دامنه ولتاژ از پيش تعيين شده يا "كانال" و ساير آنهايي كه خارج از آن قرار گرفته اند، است. اين انتخاب پالسها بوسيله دكمه هاي كنترل كه سطح پايين و سطح بالا ناميده مي شود، يا پايه و پنجره، بر PHA فراهم شده، ساخته مي شود. انتخاب صحيح تنظيمات اين دكمه ها، محدوده انرژيهاي پرتو گاما را تعيين مي كند بطوريكه براي ساير پردازش ها از قبيل ثبت، شمارش و... قابل قبول خواهد بود. در تصويربردارهاي سنتيلاسيون، اين دو دكمه ها معمولاً از طريق يك كنترل پالس ولتاژ و كنترل درصد پنجره، جايگزين مي شود. كنترل ولتاژ پالس به انرژي پرتو گاما مطلوب مربوط مي شود و كنترل درصد پنجره، عرض پنجره در درصد مربوط به انرژي مطلوب را مشخص مي نمايد، كه بطور قرينه در هر طرف پالس ولتاژ تنظيم مي گردد.

روش شمارش فوق، شمارش تفاضلي ناميده مي شود، كه فقط پالسهاي مربوط به انرژي از پيش تعيين شده را مي شمارد. چنانچه نياز به شمارش پرتوهاي گاماي همه انرژيها يا همه پرتوهاي گاماي انرژيهاي بيشتر از يك انرژي از پيش تعيين شده معين باشد، روش شمارش، شمارش كامل ناميده مي شود، كه دو حالت تنها سطح پايين تر يا خط زمينه عمل كننده است و مكانيسم پنجره جنبي است.

يك تحليلگر ارتفاع پالس معمولاً فقط يك محدوده از پالسها را انتخاب مي كند و تحليلگر تك كاناله(SCA) ناميده مي شود. يك تحليلگر چند کاناله (MCA) يك ابزاري است كه مي تواند بطور همزمان پالسهاي خروجي انرژيهاي مختلف را در يك تعداد از كانالها طبقه بندي كند. با بكارگيري يك MCA، مي توان بطور همزمان يك طيف از پرتوهاي گاما با انرژيهاي متفاوت كه از يك چشمه دريافت مي شود را بدست آورد.

---

[1] - Well Counters

[2] - Collimator

[3] - Photomultiplier Tube

[4] - Analyzer

 [5]  وضوح، كمترين فاصله بين دو نقطه در يك تصوير است كه مي تواند بوسيله ابزار آشكارسازي، آشكار شود.