Detektory promieniowania
jonizującego
IAEA Training Material on Radiation Protection in Nuclear Medicine
Promieniowanie jonizujące nie oddziałuje
na zmysły człowieka. Dlatego też dla celu
wykrywania i charakteryzowania
promieniowania należało skonstruowad
urządzenia, w których wykorzystano
jonizujące właściwości promieniowania
oraz zjawiska chemiczne bądź fizyczne
wywołane przez wytworzone jony.
Zaczęło się od niewyjaśnionego
zaczernienia filmu fotograficznego, koło
którego umieszczono rudę uranu. Czyli
najpierw wykryto skutki i zaczęto szukać
przyczyny. Film w tym przypadku był
detektorem
- wykrył, że musi istnieć coś,
co jest źródłem zaczernienia.
Detekcja promieniowania wykorzystuje zjawisko
jonizacji i jego następstwa.
Następstwem jonizacji może być skraplanie pary na jonach.
Part 2: Radiation Physics
4
IR : infrared, UV = ultraviolet
Promieniowanie gamma – częśd spektrum
promieniowania elektromagnetycznego
Part 2: Radiation Physics
5
W detektorze może być zastosowana każda substancja,
która zmienia swoje własności ( w sposób mierzalny)
pod wpływem promieniowania jonizującego.
W szczególności dotyczy to:
•Zmiany barwy
•Zmian własności chemicznych
•Emisji światła widzialnego
•Powstawania ładunku elektrycznego
Detektory aktywne: natychmiastowy odczyt.
Detektory pasywne:przetworzenie przed odczytem wyniku
Part 2: Radiation Physics
6
Podział detektorów wg zasady działania
• gazowe
– komory jonizacyjne
– liczniki proporcjonalne
– liczniki Geigera - Müllera
(GM)
• detektory scyntylacyjne
– ciała stałe
– ciecze
• inne
– półprzewodnikowe
– filmowe
– termoluminescencyjne
(TLD)
Detektory fotochemiczne
,
AgBr
Ag
Br
Ziarna bromku srebra pod wpływem promieniowania
rozpadają się do srebra metalicznego
Ze względu na dużą liczbę atomową Z są wydajne i
umożliwiają rozróżnienie promieniowania.
Problem stanowi obróbka filmów, w szczególności
zachowanie stałych warunków obróbki (temperatura,
stężenie roztworów, …)
Trzy dziedziny , w których
wykorzystuje się detektory
fotochemiczne.
1. Dozymetria
2. Autoradiografia;
chromatografia
3. Promieniowanie kosmiczne
Dawka promieniowania
Il
ość
roz
łoż
onego
AgB
r
Zaczernienie jest zjawiskiem
progowym, dlatego dawkę
można odczytać, gdy jest
większa niż próg.
Part 2: Radiation Physics
9
1) Liczniki promieniowania
detektory gazowe
detektory scyntylacyjne
2) Spektrometry
detektory scyntylacyjne
inne detektor
y stałe
3) Dozymetry
detektory gazowe
detektor
y stałe
detektory scyntylacyjne
detektory termoluminescencyjne
detektory filmowe
Podział detektorów wg przeznaczenia
Part 2: Radiation Physics
10
Detektory gazowe
Part 2: Radiation Physics
11
Komora jonizacyjna
ZWN
+
-
Jon dodatni
Jon ujemny
1234
Elektrometr
Natężenie prądu jest proporcjonalne do
gęstości jonizacji
Part 2: Radiation Physics
12
•Miernik aktywności
•Urządzenia monitorujące
Komory jonizacyjne
zastosowanie w medycynie nuklearnej
Part 2: Radiation Physics
13
Podstawowe własności komór
jonizacyjnych
•Wysoka dokładność
•Stabilność
•Względnie niska czułość
Part 2: Radiation Physics
14
Knoll
Zakresy działania detektorów gazowych
Napięcie
Obszar
nasycenia
Obszar
proporcjonal
ności
Obszar ograniczonej
proporcjonalności
Obszar
Geigera-
Mullera
Amplituda
impulsu
15
Detekcja promieniowania
jonizującego
Licznik proporcjonalny
-
+
V
R
C
Katoda
Budowa
Anoda
Licznik proporcjonalny
W
liczniku
proporcjonalnym
występuje
wzmocnienie gazowe.
Part 2: Radiation Physics
17
Liczniki proporcjonalne
Gazowe detektory promieniowania
jonizującego pracujące w zakresie
napięd, dla których występuje
zjawisko tzw. wzmocnienia
gazowego (jonizacji wtórnej) , tj.
proporcjonalnego wzrostu ładunku
docierającego do elektrody
względem ładunku jonizacji
pierwotnej
Part 2: Radiation Physics
18
•Urządzenia monitorujące
Liczniki proporcjonalne
Zastosowania w medycynie nuklearnej
Part 2: Radiation Physics
19
Własności liczników proporcjonalnych
•Nieznacznie wyższa czułość w
porównaniu z komorą jonizacyjną
•Używane do pomiarów
promieniowania korpuskularnego i
niskoenergetycznych fotonów
20
Detekcja promieniowania
jonizującego
Licznik Geigera-Müllera
Budowa podobna do budowy licznika proporcjonalnego.
Wyższe napięcie (kilkaset V).
Różnica wewnątrz. W środku znajduje się mieszanina gazów:
90% gazu szlachetnego, np. Ar i 10% par alkoholu lub Cl2
(gaszą wyładowania lawinowe).
Cienkie
okienko
z miki
Part 2: Radiation Physics
22
Knoll
-
+
-
Pojedyncza cząstka może spowodować całkowitą jonizację.
Efekt
– wysoki impuls napięcia (wysoka czułość licznika)
Zasada działania licznika Geigera-Müllera
wyładowania
lawinowe
Part 2: Radiation Physics
23
•Monitor skażeń (radiometr)
•Dozymetr (po kalibracji)
Licznik Geigera – Müllera
Zastosowania w medycynie nuklearnej
Part 2: Radiation Physics
24
•Wysoka czułość
•Niższa dokładność
• Długi czas martwy
Własności licznika
Geigera - Müllera
Part 2: Radiation Physics
25
Detektory scyntylacyjne
Scyntylacja
– zjawisko powstawania
błysku świetlnego w wyniku
przechodzenia promieniowania
jonizującego przez niektóre substancje.
Powstaje na skutek deekscytacji atomu
wzbudzonego przez promieniowanie
jonizujące.
Zjawisko scyntylacji
Part 2: Radiation Physics
27
Źródło promieniowania
Kryształ scyntylacyjny
NaI(Tl)
Fotopowielacz
Elementy detektora
scyntylacyjnego
Wzmocnienie wiązki elektronów w fotopowielaczu
Part 2: Radiation Physics
29
Detector
Photocathode
cathodd
Dynodes
Anode
Wzmacniacz
Analizator
wysokości
impulsów
Przelicznik
Detektor scyntylacyjny
Kryształ
scyntylacyjny
fot
opo
wi
elac
z
Part 2: Radiation Physics
30
Analizator wysokości impulsów
GP
DP
Czas
Wysokość impulsu (V)
Analizator wysokości impulsów przepuszcza tylko impulsy o określonej
wysokości (energii)
zliczane
odrzucane
Part 2: Radiation Physics
31
Rozkład wysokości impulsów
Widmo energetyczne promieniowania w krysztale NaI(Tl)
Kwanty
g
całkowicie
pochłonięte
(fotopik)
Kwanty
g
rozproszone
Energia
Zli
cz
en
ia
Part 2: Radiation Physics
32
PM
PM
Próbka
wymieszana z
roztworem
scyntylatora
Ciekłe scyntylatory
Służą do detekcji promieniowania
,
, g
oraz neutronów
Zaleta : niski koszt
Part 2: Radiation Physics
33
•Liczniki próbek
•Gamma kamery
•Urządzenia monitorujące
Detektory scyntylacyjne
Zastosowania w medycynie nuklearnej
34
Detekcja promieniowania
jonizującego
Licznik próbek (scyntylacyjny)
Scyntylator do pomiarów promieniowania γ
Detektor
studzienkowy
Detektor
pełny
Obudowa
Scyntylator
Przezroczyste
szkło
Warstwa
rozpraszająca
35
Detekcja promieniowania
jonizującego
ZWN
AWI
Przel
Rejestr
Przykład – Zestaw do
pomiaru jodochwytności
tarczycy
g
Radionuklid -
131
I
Part 2: Radiation Physics
36
Inne detektory
37
Detekcja promieniowania
jonizującego
Detektor półprzewodnikowy
+ +
+ +
- -
- -
- - -
+ + +
+
-
Warstwa
zaporowa
p
n
W wyniku jonizacji w warstwie zaporowej pojawią się
elektronowo-dziurowe pary, które stanowią swobodne
nośniki ładunku elektrycznego. Pod wpływem pola
nośniki są usuwane z warstwy zaporowej w strony
przeciwne, co powoduje impuls elektryczny
Part 2: Radiation Physics
38
Detektor półprzewodnikowy jako spektrometr
• Zasada działania: para elektron - dziura
(analogicznie do pary jonów w detektorach
gazowych)
• Znakomita rozdzielczośd energetyczna
Part 2: Radiation Physics
39
Knoll
Porównanie widma
uzyskanego za pomocą
detektora scyntylacyjnego
NaI(Tl)
półprzewodnikowego
Ge(Li)
Part 2: Radiation Physics
40
•Identyfikacja radionuklidów
•Kontrola czystości nuklidowej
Detektory półprzewodnikowe
Zastosowania w medycynie nuklearnej
Part 2: Radiation Physics
41
Zasada:
taka jak przy zwykłej kliszy
fotograficznej
Pod wpływem promieniowania
jonizującego z bromku srebra wydziela
się czyste srebro
Zastosowanie w medycynie nuklearnej:
dozymetria
Detektory fotochemiczne
Part 2: Radiation Physics
42
Termoluminescencja
– wywołana przez
ogrzewanie luminescencja substancji,
która wcześniej została pobudzona przez
promieniowanie przenikliwe
Detektory termoluminescencyjne
Materiały termoluminescencyjne mają własności dozymetryczne -
natężenie światła emitowanego podczas termoluminescencji jest
proporcjonalne do sumarycznej dawki pochłoniętej przez dany
materiał od czasu ostatniego działania wysokiej temperatury
Zastosowania - dozymetry
Pasmo podstawowe
Pasmo przewodnictwa
„pułapki”
HEATING
ionising radiation
electron
trap
visible light
1
2
Wykorzystanie detektorów
scyntylacyjnych w urządzeniach
obrazujących stosowanych w
medycynie nuklearnej
Narząd ze zgromadzonym
radiofarmaceutykiem
Urządzenie
obrazujące
gamma
kamera
Ekran
Metoda scyntygrafii
Radiofarmaceutyk
Jest to substancja wprowadzona do ustroju zawierająca w
swojej cząsteczce promieniotwórczy nuklid (atom) emitujący
przenikliwe promieniowanie (gamma) które może byd
wykorzystywane dla celów diagnostycznych (scyntygrafii) lub
emitujący promieniowanie cząsteczkowe o krótkim zasięgu
(beta, alfa) umożliwiające leczenie zmian chorobowych, w
obrębie bądź w pobliżu których lokalizuje się radiofarmaceutyk
RF
131
I
131
I
↔
Hipuran
Przykłady radiofarmaceutyków
•
99m
Tc-EC (etylenodicysteina) – scyntygrafia
dynamiczna nerek
•
99m
Tc-HEDP (hydroksyetylenodifosfonian) –
scyntygrafia kośdca
•
99m
Tc-MIBI (2metyloizobutylizonitryl) –
scyntygrafia perfuzyjna mięśnia sercowego
•
131
I – scyntygrafia tarczycy
Gamma kamera
Schemat głowicy detekcyjnej
sygnały elektryczne
do konsoli
fotopowielacze
przedwzmacniacze
światłowód
kryształ
scyntylacyjny
kolimator
kolimator
Powstawanie obrazu planarnego
Każdy błysk lokalizowany w układzie
współrzędnych x,y
kolimator
kryształ scyntylacyjny
Scyntygrafia statyczna
Wątroba i śledziona - obraz prawidłowy
Badanie
drogą pomiarów zewnętrznych rozmieszczenia w ustroju pacjenta
(najczęściej w konkretnym narządzie) aktywności podanej w postaci
radiofarmaceutyku
Obrazowe badanie scyntygraficzne
Statyczny scyntygram prezentujący regionalną funkcję fagocytarną układu
siateczkowo-
śródbłonkowego watroby.
Wątroba - obraz prawidłowy
Wątroba - guz
Przykład: scyntygrafia statyczna - wątroba
Scyntygrafia dynamiczna - renoscyntygrafia
Kolejne obrazy scyntygraficzne w interwałach minutowych
Dynamiczne badanie nerek - renoscyntygrafia
Upośledzenie funkcji prawej nerki
W wyniku utrudnienia odpływu moczu
Kolejne obrazy
scyntygraficzne w
interwałach
minutowych
Scyntygrafia kośdca
99m
Tc-HEDP
PA
AP
M
M
AP
PA
M
M
PA
AP
ZMN UM w Łodzi
Scyntygrafia perfuzyjna m. sercowego (met. SPECT) – tomogramy serca
Przekroje poprzeczne
Przekroje strzałkowe
Przekroje czołowe
PET
Positron Emission Tomography – Pozytonowa
Tomografia Emisyjna
Zjawisko anihilacji
e
+
+ e
-
g
(511 keV)
g
(511 keV)
+ (1-3 mm)
Radionuklid
PET
Zasada działania
M Dahlbom, UCLA
Kryształy scyntylacyjne
Koincydencja
18
F
15
O
11
C
13
N
82
Rb
- 109
- 2,1
- 20,4
- 10
- 1,2
Radio-
nuklid
T
1/2
[min
]
Przykład obrazu uzyskanego techniką PET
Ognisko raka płuca z przerzutami do węzłów chłonnych
Tu
N
N
Radiofarmaceutyk:
18
FDG
(fluorodezoksyglukoza)