Ядерно-магнитно резонансные томографы

Классификация средств медицинской техники

1. Медицинская измерительная техника;
2. Медицинская аналитическая техника;
3. Технические средства в медицинской диагностике;
4. Технические средства терапии;
5. Медицинские инструменты и оборудования;
6. Технические средства для поддерживания жизни.

 

I. Медицинская измерительная техника (Мед.приборы).

1.1. Средства измерения электрических величин. К нему относиться помимо приборов общего назначения и приборы медицинского назначения (электрокардиографы, миографы, электрогастографы и т.д.)

1.2. Средства измерения магнитных величин;

1.3. Средства измерения перемещения и силы;

1.4. Средства измерения теплофизических величин (температура, давление, расход, объем и т.д.);

1.5. Средства измерения акустических величин;

1.6. Средства измерения ЭМИ;

II. Медицинская аналитическая техника

2.1. Измерение физико-химических свойств;

2.2. Концентрации;

2.3. Определение состава;

2.4. Измерение условных характеристик (раздел является частью физико-химических измерений);

Первые два раздела требуют метрологических аттестаций.

III. Средства медицинской диагностики

3.1. Рентгеновские;

3.2. Акустические (звуковые и ультразвуковые);

3.3. Механические;

3.4. Магнитные;

3.5. Оптические (лазерные, эндоскопические, тепловизионные);

3.6. Радиоизотопные;

3.7. Тепловые;

3.8. Ядерно-магнитно-резонансные;

3.9. Сверхвысокочастотные;

3.10. Электрические

Средства измерения 3.1, 3.2, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10 – составляют раздел медицинской техники, известной как интроскопия (средства визуализации).

IV. Терапевтическая техника

4.1. Тепловые средства;

4.2. Электрические на постоянном и переменном токе;

4.3. Рентгеновские;

4.4. Ультразвуковые;

4.5. Радиоизотопные;

4.6. Лазерные;

4.7. Электростатические полевые;

4.8. Магнитные;

4.9. Электрические полевые переменного тока;

4.10. Вибрационные;

4.11. Гипер- и гипобарические;

4.12. Аэроионные;

V. Медицинские инструменты и оборудование

5.1. Механические инструменты;

5.2. Лазерные, ультразвуковые и плазменные скальпели;

5.3. Термостаты;

5.4. Шкафы сушильные;

5.5. Стерилизаторы;

5.6. Кровати специальные;

5.7. Операционные столы;

5.8. Осветители;

VI. Технические средства поддержания жизни

6.1. Дозаторы;

6.2. Инкубаторы;

6.3. Аппараты ИВЛ;

6.4. Аппараты искусственного сердца;

6.5. Аппараты искусственного легкого;

6.6. Аппараты искусственной почки;

6.7. Электрокардиостимуляторы;

6.8. Протезы;

Лекция 2

Общие понятия интроскопии (визуализации)

Интроскопия (лат. вижу внутри) или визуализация.

Интроскопия – совокупность методов и средств, обеспечивающих возможность наблюдения невидимых изображений в видимой части спектра. В настоящее время для получения видимых изображений используется практически все длины волн электромагнитного излучения, а так же ультразвуковые колебания.

Диапазоны, м

1..10^-4 радио

10^-4.. 10^-5 терагерцовый, ТГ

10^-5.. 10^-6 ИК

320…640 нм видимый свет

 

10^-8.. 10^-11 х- лучи

10^-11.. 10^-18 гамма лучи

В настоящее время наиболее распространенными видами визуализации является рентгеновское, магнитно-резонансное, ультразвуковая визуализация. Разрабатывается визуализация на использовании сверхвысоко частотных колебаний, терагерцовых колебаний, оптические, электрические и другие.

 

Физические основы и технических средства рентгеновской медицинской визуализации

В 1895 году 8 ноября в 18.00 были открыты рентгеновские лучи.

Рентгеновские лучи – электромагнитные колебания очень малой длины волны 10^-8..10^-11 м. Они были открыты немецким физиком Рентгеном. Он назвал их Х – лучами, а впоследствии они были названы рентгеновскими лучами. В настоящее время на использовании рентгеновских лучей базируется примерно 70% медицинской визуализации. Методы рентгеновских исследований принято разделять на 3 вида.

Классификация:

1. Рентгенография.

Рисунок 1

Рентгенографическая визуализация – состоит в том, что от источника рентгеновского излучения ИИ пучок лучей направляется на объект исследования ОИ, за объектом за счет различного поглощения рентгеновских лучей различными частями этого объекта возникает рентгеновская тень, которая направляется на приемник излучения ПИ, представленный, в данном случае, размещенную в непрозрачной для видимого света кассете фоточувствительную пленку, которую называют рентгеновской. После обработки пленки получается негативное изображение объекта исследования. Оно используется для диагностики.

1. Рентгеноскопия

Рисунок 2, 3

Рентгеноскопическая визуализация с использованием флуорисцентного экрана В данном случае, как и в предыдущем, рентгеновская тень направляется на приемник излучения, которым служит специальных экран. Этот экран покрыт слоем вещества, называемым люминофором и представляет собой кусок картона. Под действием рентгеновского излучения люминофор светиться, причем в данном случае образуется позитивное изображении, а именно за неоднородностью Н, имеющей большую плотность, экран светится меньше. А по краям – больше. Такой метод визуализации очень вреден для рентгенолога, так как рентгеновские лучи способны ионизировать молекулы, из которых состоит ДНК человека. Поэтому в настоящее время данный метод применяется крайне редко.

Рисунок 3 – современный вариант рентгеноскопической визуализации. Здесь пучок рентгеновского излучения, выходящего из объекта, направляется на специальный приемник излучения аналого-цифровой или цифровой, который преобразует его в совокупность электрических сигналов, воспринимаемых ПК и после восстановления этих сигналов на экране монитора наблюдается изображение объекта исследования. В этом случае оператор не подвергается воздействию рентгеновских лучей. Пока что такие системы очень дороги (из-за ПИ).

1. Рентгенометрия

Рисунок 4

Рентгенометрическая визуализация (рентген + метрио). Сущность данного метода состоит в том, что с помощью источника излучения и коллиматора К (направляющее устройство) этим лучом просвечивается ОИ, при чем проходящий через ОИ луч попадает в специальный приемник, называемым детектором Д, который имеет аттестованные метрологические характеристики. Источник излучения и детектор движутся синхронно по параллельным направляющим (частный случай). Сигнал детектора, вызываемый рентгеновским излучением усиливается и посылается на вторичное обрабатывающее устройство, на котором можно видеть, как меняться сигнал в зависимости от перемещения системы ИИ – Д по ширине объекта. Таким образом получаются изображения одного слоя исследуемого объекта. Если систему ИИ – Д, то можно получить изображение других слоев объекта, а потом их суммировать. Этот метод визуализации, ранее хорошо применявшийся в технике, в настоящее время получил применение в компьютерной томографии.

 

Рентгеновское излучение и его свойства

Рисунок 5

T – интенсивность тормозного излучения

Рентгеновское излучение возникает, когда пучок электронов от источника 1 под действием электрического поля, приложенного между источником и металлической пластиной мишенью М приобретает высокую энергию и ударяется о мишень. При этом оказывается, что только 1% энергии пучка преобразуется в рентгеновское излучение, а остальная энергия расходуется на нагревание мишени. Установлено, что с увеличением энергии электрона частота возникающих рентгеновских колебаний увеличивается, а длина волны уменьшается. Наличие вакуума необходимо для исключения взаимодействия электронов с молекулами воздуха и других газов между источником электронов и мишенью. На графике показана зависимость интенсивности рентгеновского излучения от длины волны, причем выделяют 2 составляющие: Т – тормозное излучение и Х – характеристическое.

Тормозное излучение связано с энергией электронов, причем так как распределение энергии у электронов непрерывно, то спектр излучения тормозного излучения непрерывен. Характеристическое излучение связано с выбиванием электронов из внутренних оболочек атомов, и эти электроны возвращаются в исходное состояние излучения определенной длины волны, характерной для мишени.

Для характеристики рентгеновского излучения применяют несколько величин, среди которых наиболее важными являются:

1. Энергия

Е = eU = hv = h* c \ l

e- заряд электрона

U – потенциал между источником излучения и мишенью

h- постоянная планка

v – частота

с – скорость света

F – поток энергии излучения

к – материал анода

R – расстояние от некоторой точки до анода

U_a – напряжение на аноде

i_a – анодный ток – ток электрона между источником и мишенью

1. l= hc\(eU) = 12.8/U
2. F = E\t [Вт]
3. I = F\s [Вт/м²]
4. I = k*(1/R²)*U_а²*i_a

 

Поглощение рентгеновского излучения

Рисунок 6

Закон

При прохождении ЭМ излучения через вещество наблюдается его поглощение, причем закон поглощения аналогичен закону Бугера – Ламберта – Берра. Он имеет вид для случая, когда толщина поглощающего слоя постоянна и равна d (дельта)

I₀ – интенсивность излучения источника

I – интенсивность излучения, прошедшего поглощающее вещество

M (мю) – показатель поглощения – коэффициент ослабления (в рентгенологии).

Установлено, что Мю~ плотности вещества, причем используется также массовый коэффициент поглощения, который является постоянной величиной для всех веществ.

Мю_м = Мю/р

В виду того, что поглощаемое излучение является не монохроматическим, т.е. содержит в себе колебания различных частот, то приходиться использовать понятие эффективного коэффициента ослабления, который определяется в зависимости от спектрального состава рентгеновского излучения.

Интенсивность излучения, выходящего из объекта:

I = k* Uⁿ_a*i_a

Следовательно, коэффициент ослабления связан с плотностью вещества.

 

Эффекты, сопровождающие поглощение рентгеновского излучения

1. Так как излучение имеет высокую энергию, то оно способно ионизировать атомы и молекулы различных твердых, жидких и газообразных веществ. Это является крайне вредным эффектом, так как разрушает биологические молекулы, что является вредоносным для человека.

2. Рентгеновское излучение не преломляется, однако оно рассеивается атомами вещества. При соударении кванта рентгеновского излучения с электроном атома, последний изменяет траекторию своего движения и в тоже время происходит рассеивание рентгеновского излучения, т.е. часть излучения под некоторым небольшим углом отклоняется от первоначального направления, причем частота этого рассеянного излучения меньше исходного. Это явление является вредным с позиции получения рентгеновского изображения, так как излучение направляется под углом к объекту, а также меньшую частоту, т.е. меньшую проникающую способность. Это явление открыто в XIX веке Комптоном и называется эффектом Комптона.

 

Величины, характеризующие поглощение рентгеновского излучения

1. Поглощенная доза

D = E\m [ Дж\кг] = Гр (грей)

2. Мощность поглощенной дозы

W = D \ t = Гр \ с

3. Интегральная поглощенная доза

D_инт = W(t) m t

4. Рентген (не системная единица) – определяет экспозиционную дозу. Ее определяют по ионизирующим свойствам рентгеновского излучения, это связано с тем, что первоначально для измерения рентгеновского излучения использовался эффект ионизации молекул газов. 1 рентген составляет экспозиционную дозу, которая создает в 1 см³ воздуха 2*10⁹ ионов.

Источники рентгеновского излучения

1) Рентгеновские трубки.

Рисунок 7-10

 

Рентгеновские трубки имеют самые различные конструкции, что зависит от области их применения. В медицинской практике в основном используются трубки приведенных конструкций. Трубка (рис 7) используется в маломощных рентгеновских установках. В ней нет системы специального охлаждения анода. Все трубки представляют собой стеклянные сосуды, из внутренней полости которых удален газ и остаточное давление составляет 10^-8..10^-9 мм.рт.ст. Во внутренней полости трубок 1 (рис 7 и рис 8) расположены нить накала 2, которая может иметь плоскую спиральную форму или вид винтовой спирали. Нить накала нагревается при температуре 700..800 градусов, при этом из нее происходит эмиссия электронов. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией. Нить в форме плоской спирали создает поток электронов прямоугольного сечения, а нить винтовой спирали круглое сечение. Электроны фокусируются с помощью фокусирующего устройства 3 и сжимаются в тонкий луч, который под действием электрического поля, приложенного между нитью накала и анодом 5, движутся к мишени 4. За счет поля электроны приобретают высокую энергию. Напряжение, прикладываемое к трубкам между нитью и анодом, может составлять 50..400кВ. При ударе об мишень 4 99% энергии электронов переходит в тепловую энергию и только 1% энергии создает тормозное рентгеновское излучение. При ударе об мишень электронов имеет место вторичной электронной эмиссии, выражающейся в том, что из мишени выбиваются так называемые вторичные электроды, причем 1 первичный электрон способен выбить из мишени 3..10 вторичных электронов. Попадание таких электронов на стекло колбы 1, как показывает практика, вызывает электролиз стекла – выделение газа из стекла и уменьшение срока работы рентгеновской лампы, поэтому анод закрывают специальным защитным чехлом 6, который не допускает попадание вторичных электронов на стекло колбы.

Лампы (рис 8 и рис 9) снабжены соответственно радиатором 7, который служит для отвода теплоты от анода. Более эффективное охлаждение применяется в лампе на рис 9. Здесь анод снабжен подводящей и отводящей трубками 7, по которым циркулирует охлаждающая жидкость вода или масло. Чаще других в рентгеновских аппаратах используется трубки с вращающимся анодом (рис 10). Здесь анод 5 имеет форму конического диска, причем этот диск, с помощью ротора 8 вращается с угловой скоростью 3000 или 9000 об\мин. Ротор расположен во внутренней полости лампы, а к нему подводится энергия от статора 9, расположенного вне колбы. Так как в данном случае пучок электронов попадает не на одну и ту же поверхность анода, а на некоторую поверхность кольца, то тем самым происходит интенсивный отвод теплоты от области, на которую попадает пучок электронов. При такой конструкции большую часть времени анод не подвергается облучению электронным пучком и поэтому может работать длительное время.

 

Фокус рентгеновской трубки и его влияние на резкость изображения

Рисунок 11

 

При попадании потока электрона ЭП, имеющего прямоугольное сечение на поверхность анода, он создает так называемое действительное фокальное пятно. Это пятно также имеет прямоугольное сечение S_д. ЗА счет конусности анода создается так называемое эффективное фокальное пятно – проекция потока рентгеновского излучения на плоскость, параллельную оси вращения и перпендикулярную потоку излучения. В идеале это пятно имеет форму квадрата. В рентгеновской технике стараются добиться минимального размера эффективного пятна или фокуса, что определяется законами оптики.

Рисунок 12-13

На рисунках показано образование тени в случае, когда фокус Ф имеет форму точки (рис 12) и когда фокус имеет форму диска (рис 13). Как видно в первом случае, за объектом исследования, имеющего форму диска образуется резкая тень, а когда фокус имеет форму диска, то кроме основной тени Т, образуется также вокруг нее полутень ПТ. Так как рентгеновские лучи исходят из множества точек, а не из одной.

 

Характеристики рентгеновских трубок (ламп)

Рисунок 14

а) вольтамперная характеристика.

Как видно, при каждом значении тока накала кривая имеет затухающий характер, что определяется тем фактором, что все электроны, вылетающие из нити накала после некоторого значения напряжения и дальнейшего его увеличения попадают на анод. Дальше ток анода не увеличивается. В тоже время, изменяя ток накала i_н можно изменить анодный ток. Наличие участка характеристики, на котором анодный ток не зависит от напряжения, является очень важным фактором при эксплуатации рентгеновских труб, а именно он позволяет не стабилизировать напряжение анода, при этом сохраняя анодный ток, а следовательно интенсивность рентгеновского излучения.

б) зависимость рентгеновского излучения от тока анода при постоянном напряжении на аноде и токе накала. Как видно, все кривые в данном случае выходят из одной точки, что определяется приведенной ранее зависимость между длинной волны и напряжением на аноде.

в) зависимость интенсивности от длины волны при различных напряжениях на аноде, при постоянном анодном токе и токе накала. Как видно, здесь кривые исходят из разных точек длин волн, что определяется напряжением на аноде.

Эти характеристики примерно одинаковы для всех рентгеновских труб, различия могут быть только в значениях (характер один и тот же).

Неоднородность излучения, создаваемого рентгеновскими трубками

Рисунок 15

Излучение, создаваемое рентгеновскими трубками, имеет форму «мешка», профиль которого показан кривой «а», что связано с различной интенсивностью излучения, создаваемое при разных углах φ между центральным направлением луча и периферией. С другой стороны, на приемник излучения ПИ даже при одинаковых интенсивностях лучей в зависимости от расстояния попадает разный поток излучения, причем, чем больше расстояние от фокуса, тем меньше поток излучения, поступающего к приемнику. Т.е. R₀ излучения больше, чем R₁ (закон обратных квадратов).

 

Общая схема источников электрического питания рентгеновских трубок

Рисунок 16

В общем случае источник электропитания рентгеновских трубок состоит из регулятора напряжения РН, который представляет собой автотрансформатор. Напряжение с его выхода через контакт К (обычно теристорный) может быть подано на первичную обмотку главного трансформатора, который является повышающим, т.е. за счет передачи электромагнитной энергии входное напряжение может быть многократно увеличено. После ГТ в схему включен выпрямитель ВН, который преобразует в большинстве случаев напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а от выпрямителя на рентгеновскую трубку. Для питания нити накала рентгеновской трубки применяется отдельный трансформатор – трансформатор накала. С помощью регулятора напряжения создается напряжение на аноде рентгеновской трубки. При получении рентгеновского снимка с помощью реле времени РВ задается длительность просвечивания – экспозиция, а с помощью трансформатора накала создается анодный ток через лампу (см. ВАХ). После нажатия кнопки КН, контакты через реле времени замыкается на заданный интервал экспозиции и посылает напряжение к первичной обмотке главного трансформатора, где оно увеличивается, выпрямляется и поступает между нитью накала и анодом рентгеновской трубке, в результате получается импульс рентгеновского излучения заданной длительности.

 

Схемы источников электропитания рентгеновской трубы

 

Схема а) однофазового источника питания. Здесь используются детектирующие свойства самой рентгеновской лампы, которая является электровакуумным диодом, способным пропускать ток только в одном направлении. Сетевое напряжение по сигналам трансформатора ГТ подводится к рентгеновской трубке РТ. Так как в первой половине колебания (схема б) на аноде напряжение отрицательное, то ток через рентгеновскую лампу не протекает. Во второй половине (схема в) периода сетевого питания на анод поступает положительное напряжение, и поэтому от катода (нити накаливая НН) электроны способны поступать к аноду, при этом возникает рентгеновское излучение.

Схема г) – схема двухполупериодного источника питания. Здесь напряжение от ГТ поступает на выпрямитель, собранный по мостовой схеме. Поэтому обе половины переменного колебания сетевого напряжения (схема д) позволяют получать положительные напряжения (схема е) и оба полупериода трубка создает рентгеновское излучение. Такие устройства питания используются для маломощных рентгеновских аппаратов.

В наиболее распространенных аппаратах используется трех фазная система питания (схема ж). Здесь от трех фазного ГТ напряжение поступает по трем линиям к выпрямителю на полупроводниковых диодах. Трех фазное напряжение после выпрямления позволяет получить ток в трубке (схема з), который, как видно, меняется незначительно в течение всего периода колебания в сети.

Наиболее перспективными считаются источники питания с преобразователями частоты сетевого напряжения в высокочастотное колебание (схема и). Здесь сетевое напряжение подается в выпрямитель, состоящий из диода Д и фильтра, собранного на катушке индуктивности L и емкости С. Этот выпрямитель питает постоянным напряжением генератор высокочастотных колебаний ГВК (несколько КГц). Вырабатываемое этим генератор высокочастотное переменное напряжение поступает в ГТ, увеличивается по амплитуде и после выпрямителя ВП, подается на рентгеновскую трубку.

Кривая напряжения на трубке (схема К) в данном случае очень малы, что обеспечивает получение выдержек времени любой длительности без изменения напряжения на трубке.

 

Устройство формирования потока рентгеновского излучения

Эти устройства предназначены для изменения спектра рентгеновского излучения, поверхности облучения.

Их различают на:

1) Фильтры

2) Диафрагмы

3) Устройства формирования поля облучения

Фильтры.

Рисунок 20

Фильтры рентгеновского излучения обеспечивают изменение его спектра и обычно представляют собой пластины прямоугольные и квадратные из алюминия или меди различной толщины. Размер пластин 80 на 100 мм, 100 на 100 мм.

На рисунке показан график относительной интенсивности излучения I. Кривая 1 – без фильтра, кривая 2 – с алюминиевым фильтром толщиной 2 мм, кривая 3 – для алюминиевого фильтра толщиной 5 мм.

Фильтры вводятся в поток рентгеновского излучения перпендикулярного центральному лучу между рентгеновской трубкой и устройством коллимации.

2) Диафрагмы. Предназначены для ограничения потока рентгеновского излучения.

Рисунок 21

На рисунке изображены диафрагмы постоянного площади окна и изменяющейся площадью окна соответственно. Сами диафрагмы изготавливаются из свинца и пропускают только то излучение, которое проходит только через окно. Они имеют пары шторок, которые можно перемещать.

3) Устройство формирования поверхности облучения.

Рисунок 22

Обычно такое устройство содержит рентгеновский излучатель 1, фильтр 2, диафрагму 3 и оптический центратор рентгеновского потока, состоящий из зеркальца 4, лампы 5 и оптической системы 6. Параметры центратора подобраны так, что цветовой поток (пунктир) совпадает по направлению и по полю облучения с рентгеновским потоком. Как видно из рисунка, диафрагма ограничивает поток рентгеновского излучения, а перед облучением объекта исследования 7, рассматриваемое устройство наводится на фрагмент 8 объекта исследования, изображение которого необходимого получиться, причем наводка осуществляется с помощью цветового центратора, а затем уже осуществляется просвечивание с помощью рентгеновского излучения.

4) Тубусы. Представляют собой устройство, обеспечивающие создание постоянного поля облучения на фиксированном расстоянии.

Рисунок 23

Расстояние до объекта задается с помощью длины тубуса L и каждого тубуса есть фиксированное поле облучения.

 

Рентгеновские отсеивающие растры

Применение этих устройств необходимо для уменьшения влияния на изображения излучения, возникающего за счет эффекта Комптона, т.е. рассеивания рентгеновского излучения объектом исследования, а также для уменьшения влияния, так называемого афокального рентгеновского излучения, которое возникает в трубке, за счет того, что часть электронов (до 30%) попадает не в фокус трубки.

Рисунок 24

Растр представляет собой металлическую раму, в которой размещены тонкие пластины 1, которые называются ламелями. Число ламелей, перпендикулярных плоскости доски, может составлять 35..70. Ламели изготавливают из вольфрама или свинца. Расстояние между ламелями заполняется воздухом, лавсаном, углепластиком. Угол наклона ламелей от центра к периферии уменьшается. Если по центру он равен 90 градусам. Это сделано для того, чтобы полезное рентгеновское излучение непосредственно попадало на приемник излучения. Расстояние φ обычно подбирают с учетом высоты растра δ. δ \ φ = 6..8. Как видно, рассеянное в объекте излучение не способно пробиться к ПИ, так как его угол отличается от угла распространения основного излучения. В процессе съемки растр, содержащий 35 ламелей на 1см должен двигаться, для чего используется специальный привод, а растр с 70 ламелей на 1 см не нуждается в перемещении, так как не оставляет следа на приемнике.

 

Рентгеновские излучатели

Конструктивно различают 2 типа: рентгеновская трубка в защитном кожухе и моноблок.

Рисунок 25

 

Схема а) – излучатель – рентгеновская трубка в защитном кожухе. Здесь в металлическом кожухе, заполненном маслом, размещена рентгеновская трубка 2. К ней, через высоковольтные керамические изоляторы 3 и 4 подается высоковольтное напряжение. Масло выполняет 2 функции: исключает электрический пробой между электродами, подводящими напряжение, и охлаждает трубку, в которой в процессе работы выделяется теплота. Рентгеновское излучения выходит из защитного кожуха 1 через окно 9. Для предотвращения разрыва корпуса он снабжается маслорасширителем 5. Когда при нагревании масло расширяется и при этом деформируется изготовленный из бензостойкой резины или пластмассы маслорасширитель 5. Маслорасширитель имеет форму сильфона. Недостатком такого излучателя является то, что к нему необходимо подавать высокое напряжение через специальные высоковольтные кабели, имеющие большой диаметр и маленькую подвижность.

Схема б) – моноблок. Здесь в корпусе 1 моноблока помимо рентгеновской трубки 2 располагаются главный трансформатор 7, к которому напряжение подается по обычным проводникам, установлены изоляторы (обычные) 6. Трансформатор накала 8. Размещение всех этих элементов во внутренней полости моноблока позволяет подводить к нему напряжение 220 \ 380 В, что можно обеспечить обычными проводами. А элементы, на которых высокое напряжение, размещены в масле и непосредственно недоступны.

 

Детекторы рентгеновского излучения

Данный детектор служит не только для обнаружения, но для измерения интенсивности рентгеновского излучения. В настоящее время используются следующие детекторы РИ:

1. Ионизационные камеры (ионографические \ ионометрические детекторы)
2. Полупроводниковые детекторы
3. Сцинтилляционные

 

Ионизационные камеры

В настоящее время эти детекторы часто называют ионографическими.

Принцип действия данного детектора основан на явлении ионизации газа, размещенного в замкнутой камере. Обычно металлическая камера 1 заполнена ксеноном или смесью ксенона с аргоном. Возникающие в камере при облучении ее рентгеновскими, γ или … Под действием электрического поля, приложенного между корпусом 1 и коллектором. В виду того, что число ионов не значительно ток, протекающий через камеру, мал. Поэтому для избежания утечек между корпусом и коллектором используется изолятор фторопластовый (тифлон). Подходя к коллектору, положительные ионы получают электроны, поступающие от источника питания и нейтрализуются, превращаясь в атомы газа, поэтому по внешней цепи протекает ток электронов, численно равный ионному току.

Электронный ток создает падение напряжение на высокоомном резисторе R. Это падение напряжения посылается на специальный электрометрический усилитель.R составляет 0,5..20 ГОм и более. Ток – 10^-8..10^-16А.

С выхода усилителя 5 выходит унифицированный электрический сигнал.

Электрические токовые унифицированные сигналы: 0-5 мА; 0-20мА; 4-20мА.

Обычно ионизационные камеры используются в режиме I. (см вольтамперную характеристику). Причем, это т режим получил соответствующее название. Как правило, напряжение выбирают такого значения, чтобы оно не влияло на результат измерения, т. е имел место так называемый режим насыщения, при котором все образующиеся ионы поступают на коллектор.

II – режим пропорционального счетчика – измеряется энергия квантов или частиц

III – режим счетчика Гейгера-Мюллера, при котором можно измерять только количество поступающих в единицу времени частиц.

Кроме рассмотренной камеры в настоящее время широко применяется многоканальные ионизационные камеры (см.ниже).

 

Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения.

В настоящее время применяется 2 типа: резистивный и диодный.

На рисунке а) резистивный полупроводниковый детектор рентгеновского излучения. Здесь под действием рентгеновских лучей в слое полупроводникового сопротивления 1, который нанесен на подложку 2, возникают носители зарядов. Это приводит к уменьшению сопротивления полупроводникового резистора, что может использоваться для определения интенсивности рентгеновских лучей. В настоящее время наиболее распространенным полупроводником является арсенид галлия GaAs. Для усиления чувствительности подложка размешается на полупроводниковом холодильнике 3, который способен создаться температуру в -72 градуса Цельсия.

Рисунок б) диодный детектор. Здесь используется кремневый диод, содержащий 2 области. Одна с n, другая с р проводимостью. Диод включается в цепь источника питания 2 непроводящим направлением. К n области подключается + и наоборот. При этом сопротивление перехода будет максимальным и через резистор R протекает минимальный ток. Когда в кристалле полупроводника под действием рентгеновского излучения возникают носители электрических зарядов, под действием поля отрицательные заряды движутся к p-n переходу и при переходе в n область резко уменьшается сопротивление диода и возрастает ток, пропорциональный интенсивности рентгеновского излучения. Ток измеряется по падению напряжения на резисторе R с помощью усилителя 3 (не электрометрический).

Недостатком таких детекторов является их высокая стоимость. Так как рентгеновские лучи имеют большую проникающую способность, то для образования достаточного количества зарядов необходимо иметь кристалл кремния длиной 10..20мм, что очень дорого.

 

Сцинтилляционные детекторы

Сцинтилляция – вид люминесценции, выражающийся в возникновении вспышек под действием ионизирующих излучений, возникающих в специальных кристаллах, называемых сцинтилляторами или фосфорами. Это, как правило, кристаллы цезий-иод, активированные тулуром, натрий-иод, активированный тулуром.

Люминесценция – ЭМИ, превосходящее при данной температуре тепловое излучение.

Сцинтилляционные детекторы по схеме а) содержат кристалл, покрытый отражающим слоем 2. Возникающие здесь сцинтилляции отражаются от слоя 2 и попадают в окно 4 фотоэлектронного умножителя 3. В фотоэлектронном умножителе на 1 квант излучения получают 1 электрон и за счет эффекта вторичной электронной эмиссии добивается усиления в 10⁷ и более раз. Далее сигнал усиливается усилителем 5.

С появлением цифровой рентгеновской техники и компьютерной томографии изобрели сцинтилляционные миниатюрные детекторы. Здесь используются полимерные сцинтилляторы. Они также покрываются активным слоем из MgO и другие. Через окно 4

излучение возникающие направляется в полупроводниковый диод 6.

 

Приемники рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение, исходящее из объекта исследования, представляет собой теневое рентгеновское изображение внутренней структуры объекта. Для его визуализации используются 2 типа приемников: приемники- регистраторы, приемники-преобразователи.

 

Приемники-регистраторы

Предназначены для прима рентгеновского излучения на рентгеновские пленки или бумаге.

1. Рентгеновские пленки.

Представляют собой специализированные фотоприемники, изготавливаемые на основе лосана или ацетата целлюлозы и покрываются специальным светочувствительным (рентгеновским слоем). Различают 2 типа рентгеновских пленов: двусторонние и односторонние.

А) Двусторонняя пленка состоит из основы 1, адгезионого (клеящего) слоев 2, эмульсионных слоев 3 и защитных слоев 4. Защитный слой предотвращает нанесения царапин на пленку.