Chat with us, powered by LiveChat
aparat rtg cena

Jak działają detektory cyfrowe w aparatach RTG?

Radiografia cyfrowa stała się powszechną metodą pozyskiwania obrazu w rentgenodiagnostyce. Również Italray – producent aparatów RTG, których jesteśmy dystrybutorem, od wielu lat skupia się na zastosowaniu w swoich aparatach rtg cyfrowych detektorów obrazu.

aparat rtg cena

Działanie detektorów RTG

W największym uproszczeniu działanie detektorów w aparatach rtg opiera się na zamianie padającego na nie promieniowania na mierzalny ładunek elektryczny. W zależności od tego jak powstaje ten ładunek, dzielimy detektory na bezpośrednie (stosowane w mammografii) i pośrednie (stosowane w badaniach kostno-płucnych)

Działanie płaskich detektorów cyfrowych oparte jest na właściwościach półprzewodników z których są zbudowane. Każdy detektor składa się z wielu elementów (jak matryca z pikseli) z których każdy „wychwytuje” padające promieniowanie i zamienia je na ładunek elektryczny. Takimi elementami są zbudowane z amorficznego krzemu (a-S) detektory półprzewodnikowe – tzw. pin-diody. Aby zrozumieć jej działanie, trzeba zacząć od właściwości samych półprzewodników, jakie montowane są w aparatach rtg.

Właściwości półprzewodników w aparatach RTG

Podstawową właściwością fizyczną materiałów półprzewodnikowych, determinującą ich podział i decydującą o zastosowaniu w spektrometrii promieniowania, jest wielkość przerwy energetycznej między pasmami walencyjnymi i przewodnictwa, oraz łatwość w tworzeniu materiału o określonym typie przewodnictwa poprzez domieszkowanie.

Pod względem przewodzenia, półprzewodniki zajmują pośrednie miejsce między dielektrykami i przewodnikami. W praktyce, szerokość przerwy energetycznej między pasmami, określa ilość energii jaką należy dostarczyć z zewnątrz aby przenieść elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

 Wytwarzanie materiału o dodatnim bądź ujemnym typie przewodnictwa, polega na domieszkowaniu atomami o określonej liczbie elektronów walencyjnych. Krzem, stosowany obecnie najczęściej, ma 4 elektrony walencyjne tworzące wiązania kowalencyjne.

Domieszkowanie go np. antymonem, który na ostatniej powłoce ma 5 elektronów, spowoduje oddanie jednego z nich i utworzenie materiału o nadmiernym przewodnictwie elektronowym – typ n. Przewodnictwo dziurawe (typu p), uzyskuje się poprzez domieszkowanie krzemu np. borem z 3 elektronami walencyjnymi. Na skutek tego, powstaje niedobór elektronów w paśmie walencyjnym. Prąd dziurowy powstaje więc, gdy wolne miejsca po elektronach tworzących wiązania w atomie, mogą być zajmowane przez sąsiednie elektrony z pasma walencyjnego. W wyniku tego, pewna liczba elektronów znajdujących się w paśmie walencyjnym, może się przemieszczać poprzez puste miejsca w tym paśmie, tworząc prąd elektryczny.

Historycznie pierwszym używanym półprzewodnikiem był german, chociaż obecnie został praktycznie wyparty przez tańszy i występujący powszechnie krzem. Detektory półprzewodnikowe wykazują wysoką, energetyczna zdolność rozdzielczą, która wzrasta wraz ze spadkiem temperatury, ponieważ maleje wtedy natężenie prądu ciemnego, wywołanego ruchem termicznym nośników ładunku.

Tworzenie detektorów półprzewodnikowych

W celu utworzenia detektora półprzewodnikowego łączy się dwa półprzewodniki o różnych typach przewodnictwa (złącze p-n). W miejscu zetknięcia następuje dyfuzja swobodnych ładunków, spowodowana różnicą w ich koncentracji. Przepływ nośników większościowych zwany jest prądem dyfuzyjnym, a różnica potencjałów między warstwami – napięciem dyfuzyjnym. W temperaturze pokojowej napięcie dyfuzyjne wynosi odpowiednio: dla krzemu 0,6 – 0,8 V i dla germanu 0,2 – 0,3 V. Proces wyrównywania koncentracji swobodnych nośników ładunków po obu stronach złącza, prowadzi do powstania warstwy zubożonej – wolnej od ładunków swobodnych, a wypełnionej nieruchomymi jonami domieszek. Jest to następstwo rekombinacji ładunków i wytworzenia pola elektrycznego w obszarze rekombinacji, zapobiegającego dalszej dyfuzji.

aparat rtg cenaaparat rtg cena

Wykorzystanie złącza p-n w aparatach rtg

Złącze p-n wykorzystuje się w detekcji, przy spolaryzowaniu w kierunku zaporowym. Jeśli biegun ujemny podłączymy do półprzewodnika typu p, a biegun dodatni do półprzewodnika n, to powstrzymamy dalszą dyfuzję przez złącze i poszerzymy warstwę zubożoną (Rys. 1.). Powstanie niewielki prąd wsteczny IR , którego wartość zależy głównie od temperatury i własności materiału. W przeciwnym wypadku, w polaryzacji w kierunku przewodzenia, wspomagamy dyfuzję ładunków i przepływ prądu przez złącze (Rys. 2.). Cząstka naładowana przechodząc przez detektor powoduje jonizację atomów. W wyniku tego w warstwie zaporowej powstają pary dziura-elektron. W zależności od znaku, ładunki odciągane są w przeciwne strony, na skutek czego przez złącze zainstalowane w aparacie rtg przepływa impuls prądu, a na oporze obciążenia impuls napięciowy.

PIN-diody są powszechnie stosowanymi półprzewodnikowymi detektorami promieniowania jonizującego, w szczególności promieniowania X, wykazującymi w detekcji lepszą efektywność niż detektory typu p-n. Cechą charakterystyczną PIN-diody jest zastosowanie, pomiędzy półprzewodnikami typu p i n, warstwy I będącej półprzewodnikiem niedomieszkowym, samoistnym, wolnym od chemicznych zanieczyszczeń. Od jej właściwości zależą m.in. poziom zakłóceń, , oraz czas przełączania tj. czas potrzebny do opróżnienia, bądź wypełnienia ładunkiem. Zastosowanie tej warstwy zwiększa prawdopodobieństwo detekcji fotonu, co wpływa na zwiększenie czułości.

aparat rtg cena

Warstwa  I  odznacza  się  bardzo  dużą  opornością.  Wartość  pola  elektrycznego  w  jej wnętrzu  zależy  od  szerokości  warstwy  i  przyłożonego  napięcia  polaryzacji.  W  idealnym przypadku,  pole  to  powinno  być  jednorodne,  jednak  niemożliwe  jest  uzyskanie  całkowitej kompensacji  ładunków  w  warstwie  samoistnej.  Rezystancja ta zależy  od  ruchliwości  dziur  i  elektronów,  szerokości  izolatora,  oraz  ładunku  w  nim zatrzymanego.

Jeśli spolaryzujemy PIN-diodę w kierunku zaporowym, to zacznie ona pracować jako kondensator,  o  pojemności  zależnej  od  geometrii  warstwy  I,  natomiast  niezależnej  od przyłożonego napięcia zaporowego.  W przypadku spolaryzowania w kierunku przewodzenia, następuje przemieszczenie się nośników ładunku z warstw p i n, do warstwy samoistnej, gdzie następnie rekombinują po upływie czasu τ. Czas życia dziur i elektronów w warstwie I zależy od zawartego w niej ładunku i natężenia przyłożonego prądu.

Detekcja promieniowania

Detekcja  promieniowania  opiera  się  na  efekcie  tworzenia  się  ładunku  typu  pary dziura-elektron,  po  tym  jak  elektron,  zostaje  uwolniony  z  pasma  walencyjnego półprzewodnika, do pasma przewodnictwa. Dzieje się to wtedy, gdy energia promieniowania padającego na obszar czynny, jest równa lub większa niż szerokość przerwy energetycznej dla danego rodzaju półprzewodnika. W przypadku germanu szerokość przerwy wynosi 0,67 eV, natomiast  dla  krzemu  –  1,1  eV,  co  odpowiada  fotonowi  od  długości  fali  1,1  mikrona.

O zastosowaniu konkretnych półprzewodników w detekcji promieniowania w aparatach rtg decyduje szereg czynników, takich jak opór właściwy, ruchliwość ładunków, czystość sieci krystalicznej czy temperatura w jakiej mogą pracować. Nie bez znaczenia jest również cena. Najpopularniejszym obecnie półprzewodnikiem stosowanym w detekcji promieniowania jest krzem. Decyduje o tym przede wszystkim niski koszt spowodowany powszechnym występowaniem tego pierwiastka w skorupie ziemskiej oraz masowe wykorzystanie w elektronice. Do jego zalet należy również szerokość przerwy energetycznej, której optymalna wartość sprzyja powszechnemu zastosowaniu w technikach detekcyjnych.

Dodaj komentarz

Twój e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola oznaczone są *

Search

+
Masz pytania? Oddzwonimy!