Современные виды томографии - часть 22

 89 

аксиальная коллимация создается тонкими вольфрамовыми кольцами назы-
ваемыми  септами,  так  и  в  трехмерном  режиме,  когда  септа  втягивается  и 
совпадение регистрируется между всеми возможными парами детекторов. 

Детекторы являются самими важным компонентами ПЭТ сканера. В ря-

де  случаев  они  похожи  на  используемые  в  однофотонном  отображении: 
большие кристаллы йодистого натрия соединенные с фотоумножителями. В 
коммерческих  томографах  детекторы  конструктивно  представляют  собой 
прямоугольную группу кристаллов (блок), т.к. более плотное расположение 
детекторов  позволяет  снизить  потери  пространственного  разрешения  и  ре-
гистрации фотонов. Использование множества регистрирующих кристаллов 
предотвращает  оптическую  дисперсию  света  между  отдельными  элемента-
ми блока. 

Сцинтилляционные  детекторы  (рис. 55), используемые  в  ПЭТ,  состоят 

из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронной системы. 

 

Рис. 55. Схема сцинтилляционного детектора: 1 - сцинтиллятор; 2 - фото-

катод; 3 - диафрагма; 4 - корпус фотоумножителя; 5 - диноды; 6 - анод; 7 

– делитель напряжения 

Сцинтиллятором  называют  вещество,  благодаря  которому  возникают 

флюоресцентные световые вспышки при испускании высокоэнергетическо-
го излучения (например, бета- или гамма-лучей). 

Быстрые  заряженные  частицы,  двигаясь  в  веществе, теряют свою  энер-

гию  при  столкновении  с  атомами,  причем  энергия  частиц  расходуется  на 
ионизацию и возбуждение атомов среды. Возбуждение атомов снимается в 
основном путем испускания квантов света характерной для данного вещест-
ва частоты. Обычно излучение, возникающее при  этом,  поглощается  в  той 
же  среде.  Только  в  люминесцирующих  средах  часть  высвеченной  энергии 
может выйти за пределы среды. 

Процесс люминесценции может осуществляться двумя путями. Если пе-

реходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, 
испускание  света  происходит  в  соответствии  со  средним  временем  жизни 
возбужденного состояния по обычным статистическим законам и называет-
ся  флуоресценцией.  Если  переход  из  возбужденного  состояния  в  основное 
запрещен, то возникает метастабильное состояние, среднее время жизни ко-

 

90

торого  может  быть  значительно  больше  времени  жизни  обычного  возбуж-
денного  состояния.  В  этом  случае  для  испускания  кванта  света  система 
должна перейти в более высокое энергетическое состояние, переход из ко-
торого в основное разрешен. Такой процесс называют фосфоресценцией. 

Основными характеристиками сцинтилляторов являются конверсионная 

эффективность, спектр излучения и время высвечивания. 

Конверсионная  эффективность – это  отношение  энергии  световой 

вспышки, к энергии, потерянной заряженной частицей в сцинтилляторе, за-
висящее от типа и качества сцинтиллятора. Количество света, испускаемое 
сцинтиллятором, характеризуется световым выходом – отношением энергии 
среднего  числа  фотонов  люминесценции  к  энергии,  потерянной  ионизи-
рующей частицей в сцинтилляторе. 

Т.к. световая вспышка сцинтиллятора регистрируется при помощи фото-

электронного умножителя, область спектральной чувствительности которо-
го лежит в диапазоне длин волн видимого света, то спектр частот, излучае-
мых сцинтиллятором, должен укладываться в чувствительной области ФЭУ. 
В большинстве случаев интенсивность вспышки I с течением времени t спа-
дает по экспоненциальному закону: 

τ

−

=

/

0

)

(

t

e

I

t

I

    

 

 

 

 

 

 

 

(31) 

Величина 

τ  - время,  в  течение  которого  интенсивность  падает  в  е  раз, 

характеризует длительность свечения и называется временем высвечивания 
сцинтиллятора. 

Основные свойства  сцинтилляторов определяются механизмом возбуж-

дения и высвечивания. С этой точки зрения удобно разделить все известные 
сцинтиллирующие вещества на три группы: кристаллофосфоры или неорга-
нические кристаллы (например, ZnS, NaI), органические кристаллы (напри-
мер,  антрацен,  стильбен),  инертные  газы  [11].  В  медицине  чаще  всего  ис-
пользуются  сцинтилляторы  в  виде  таллиевого  кристалла,  активированного 
йодидом натрия. 

В решетке такого кристалла

 при взаимодействии атомов и ионов проис-

ходит  возмущение  энергетических  уровней  внешних  электронов,  что  при-
водит к образованию чередующихся разрешенных и запрещенных областей 
(рис. 56). В обычных условиях нижние энергетические зоны кристалла заня-
ты полностью (валентная зона), а более высокие - целиком не заполнены и 
электроны в них могут свободно перемещаться (зона проводимости), не по-
лучая  дополнительной  энергии.  Самая  верхняя  валентная  зона  отделена  от 
наиболее низкой зоны проводимости интервалом в несколько эВ. При воз-
буждении  электроны  переходят  из  валентной  зоны  в  зону  проводимости, 
образуя в валентной зоне электронную вакансию - дырку. При обратном пе-
реходе электронов из зоны проводимости в валентную зону возникает излу-
чение  с характерным для  данного кристалла спектром – собственное излу-
чение. 

 91 

 

Рис. 56. Схема энергетических зон в неорганическом кристалле 

При  наличии  в  кристалле  примесей,  в  запрещенной  зоне  могут  возни-

кать  локальные  энергетические  уровни,  лежащие  вблизи  валентной  зоны. 
Если эти уровни не заняты, то на них могут попасть электроны, движущиеся 
в зоне проводимости. Если переход с этих уровней в валентную зону разре-
шен (люминесцентные центры), то возникает излучение, длина волны кото-
рого больше, чем в спектре поглощения. Таким образом, примеси сдвигают 
спектр  излучения  в  сторону  увеличения  длин  волн  и  к  увеличению  интен-
сивности свечения. Вместе с этим примеси создают дефекты в кристалличе-
ской  решетке,  и  создают  дополнительные  метастабильные  уровни,  прямой 
переход с которых в валентную зону запрещен. Электроны с этих уровней 
могут перейти в зону проводимости при поглощении ими тепловой энергии 
колебаний решетки, а затем попасть в люминесцентные центры. Это приво-
дит к замедленному испусканию фотонов (фосфоресценции). 

Фотоэлектронный  умножитель  (ФЭУ) - это  фотоэлемент  с  многократ-

ным усилением, основанным на явлении вторичной эмиссии. ФЭУ состоит 
из  фотокатода,  фокусирующего  устройства,  нескольких  эмиттеров  (дино-
дов) и анода. 

В  фотоумножителях  часто  применяется  сурьмяно–цезиевый  фотокатод, 

активированный  кислородом.  Фотокатод  нанесен  в  виде  тонкого  полупро-
зрачного слоя на внутреннюю сторону торцовой стенки стеклянного балло-
на ФЭУ, диаметром 15 мм.  Эмиттеры и анод изготовлены из металла. Для 
увеличения коэффициента вторичной эмиссии 

σ (среднего числа вторичных 

электронов, выбиваемых одним первичным электроном) эмиттеры покрыты 
пленкой  вещества  с  малой  работой  выхода  электронов.  В  ФЭУ  электроны 
ускоряются и фокусируются с помощью электростатического поля, опреде-
ляемого  конфигурацией  электродов  и  распределением  потенциалов  в  них. 
Для подачи напряжения на электроды используется делитель, состоящий из 
омических  сопротивлений.  К  концам  делителя  приложено  напряжение  U

k

 

(800-1500 В) от источника высокого напряжения. 

Световые кванты, падающие на фотокатод, вызывают фотоэффект. Воз-

никшие  при  этом  фотоэлектроны  попадают  в  электрическое  поле,  ускоря-
ются и фокусируются на первом эмиттере (диноде). При ударах электронов 

 

92

о  первый  эмиттер  происходит  вторичная  эмиссия.  Выбитые  электроны  ус-
коряются в следующем  межэлектродном промежутке и, попадая на второй 
эмиттер,  вызывают  в  свою  очередь  вторичную  эмиссию  со  второго  и  т.д. 
Таким  образом,  число  электронов  от  эмиттера  к  эмиттеру  лавинообразно 
нарастает. Электроны с последнего эмиттера собираются на аноде фотоум-
ножителя.  Если  σ - коэффициент  вторичной  эмиссии  на  каждом  эмиттере, 
то коэффициент усиления умножителя 

n

q

k

σ

=

,    

 

 

 

 

 

 

 

 

(32) 

где 

q<1 – множитель, учитывающий неполное собирание электронов с фо-

токатода на первый эмиттер; 

n- число эмиттеров. 

Величина  коэффициента  вторичной  эмиссии  σ  прямопропорционально 

зависит от напряжения питания ФЭУ и в области больших ускоряющих на-
пряжений имеет вид 

0

/ U

U

AUe

−

=

σ

   

 

 

 

 

 

 

 

(33) 

где 

U – ускоряющее напряжение, приложенное между соседними динодами 

и пропорциональное напряжению на делителе 

U

k

, 

А и U

0

 – постоянные, оп-

ределяемые свойствами материала поверхности эмиттера. 

Коэффициент усиления умножителя имеет вид: 

0

/ U

nU

n

n

e

U

qA

k

−

=

   

 

 

 

 

 

 

(34) 

Поскольку  коэффициент  вторичной  эмиссии  не  зависит  от  числа  па-

дающих электронов, то ФЭУ представляет собой линейный прибор, т.е. за-
ряд, приносимый лавиной на анод, пропорционален числу первичных фото-
электронов,  собираемых  с  фотокатода,  и,  следовательно,  пропорционален 
интенсивности световой вспышки, попавшей на катод. Если импульсы тока 
на  выходе  достаточно  велики,  линейность  может  нарушаться  за  счет  иска-
жения поля пространственным зарядом в области анода и последних эмит-
теров, а также за счет изменения потенциалов последних эмиттеров и анода. 
Оба фактора вызывают дефокусировку и тем самым нарушают линейность, 
которую  полностью  устранить  нельзя.  Расширению  области  линейности  в 
данном случае способствует только увеличение разности потенциалов меж-
ду последними эмиттерами и особенно между анодом и предыдущим дино-
дом. Если к ФЭУ предъявляется требование линейности в широком диапа-
зоне интенсивности световых вспышек, то это накладывает ограничение на 
величину  коэффициента  усиления.  Другой  причиной  ограничения  коэффи-
циента усиления может явиться резкое возрастание шумов ФЭУ. 

В  сцинтилляционном  детекторе  свечение  сцинтиллятора  приводит  к 

эмиссии  с  фотокатода  сотен  фотоэлектронов  и  полезные  сигналы  по  вели-
чине в несколько раз превышают шумы. Чаще в сканерах используют гер-
манат висмута, который создает около 2500 фотонов света на 511 кэВ фотон 
и имеет время затухания 300 нс. Один блок содержит матрицу 7

×8 кристал-

лов и четыре фотоумножителя. Каждый кристалл имеет сечение 3.3

×6.25 мм