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.
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.
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.
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.
Redakcja KOSMED
