Рентгеновские сцинтилляторы: материалы и применение
Как работают сцинтилляторы для рентгеновской визуализации
Сначала, что такое рентгеновская визуализация? Рентгеновская визуализация — это метод получения изображений, который использует проникающую способность рентгеновских лучей и различия в их поглощении различными материалами. Для этого используется детектор, который принимает прошедшие через объект рентгеновские лучи и преобразует их в видимые изображения, показывающие внутреннюю структуру объекта. Рентгеновские лучи, также называемые X-излучением или лучами Рентгена, представляют собой вид электромагнитного излучения, подобного свету, только невидимого для глаза.
Полезность рентгеновских лучей в визуализации заключается в их способности проникать через материалы. Рентгеновская визуализация играет важную роль в таких областях, как медицина, проверка безопасности, обнаружение дефектов в промышленности и неразрушающий контроль (NDT).
Степень проникновения рентгеновских лучей зависит от свойств вещества. Рентгеновские лучи могут ионизировать молекулы или атомы вещества, например, клетки человеческого тела или молекулы материалов. Взаимодействие излучения с веществом позволяет создавать изображения: детекторы фиксируют сигналы, прошедшие через образец, и формируют изображение. Изменения фазы, направления, интенсивности и длины волны излучения дают информацию о внутренней структуре объекта.
Важно помнить, что переменный сигнал, регистрируемый при поглощении излучения, формирует контраст изображения. Например, в медицинской рентгеновской визуализации с использованием сцинтилляционного детектора разные ткани человеческого тела имеют различные коэффициенты ослабления рентгеновского излучения и различную толщину, поэтому при прохождении через эти ткани часть излучения поглощается в разной степени. Это создаёт различия в количестве света, производимого сцинтиллятором, формируя изображение с различным контрастом чёрного и белого.
Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны с длиной волны от 0,01 до 10 нм, что делает их невидимыми и неспособными формировать изображение на обычных фотоподложках. Здесь на помощь приходят сцинтилляторы, которые используются как детекторы рентгеновского излучения.
Сцинтилляторы для рентгеновской визуализации делятся на два типа: неорганические и органические сцинтилляторы. Неорганические сцинтилляторы состоят из кристаллов неорганических солей, легированных активаторами, типичные представители — йодид натрия, йодид цезия и др. Неорганические сцинтилляторы обладают высокой плотностью, отличной радиационной стойкостью и высоким световым выходом. Органические сцинтилляторы состоят из ароматических углеводородов с бензольным кольцом, таких как антрацен, фенантрен, пластиковые сцинтилляторы и др. Некоторые новые материалы излучают свет через агрегационно-индуцированное излучение (AIE) или термически активируемую задержанную флуоресценцию (TADF). Органические сцинтилляторы легко формовать в различные формы и применять для гибкой рентгеновской визуализации.
В тестировании сцинтилляторов чаще используется косвенный метод визуализации. В косвенной рентгеновской визуализации рентгеновские лучи служат источником возбуждения, а CMOS-камеры — детекторами. Образец помещается перед сцинтиллятором, и рентгеновские лучи, поглощённые и прошедшие через образец, попадают на сцинтиллятор. Сцинтиллятор преобразует энергию рентгеновского излучения в фотоны и испускает их, которые затем фиксируются камерой для получения изображения образца.
Косвенное преобразование остаётся «классическим» решением для основного оборудования, такого как DR и CT. Рентгеновские лучи сначала «поглощаются» материалом сцинтиллятора, преобразуются в видимые фотоны, а затем фиксируются массивом фотодиодов. Однако фотоны «рассеиваются» во всех направлениях внутри кристалла, постепенно снижая пространственное разрешение; вместе с ложными сигналами от тёмного тока низкоконтрастные детали часто «теряются в шуме».
Основные сцинтилляторы для DR: йодид цезия (CsI), оксисульфид гадолиния (GOS);
Для CT: Highlight, GOS, Gemstone, Superlight и другие названия продолжают появляться, но суть остаётся прежней: «сначала преобразуем рентгеновские лучи в свет, затем фиксируем свет».
Хотя косвенное преобразование относительно простое по принципу и несколько традиционное (с проблемами, такими как рассеяние света и шум), оно остаётся основным подходом в оборудовании для рентгеновской визуализации (DR/CT) благодаря зрелой технологии и надёжной работе, постоянно совершенствуемой за счёт новых материалов, таких как йодид цезия и сцинтилляторные детекторы.
Принцип работы сцинтилляторов для рентгеновской визуализации заключается в том, что сцинтилляторы преобразуют рентгеновские лучи в видимый свет, который затем фиксируется сенсорами (например, Si PD), преобразующими его в электрические сигналы, которые можно считывать и оцифровывать для формирования изображений на компьютере. Этот процесс можно подробнее рассмотреть на примере керамики GOS:Pr (оксисульфид гадолиния, легированный празеодимом):
Физический механизм работы сцинтилляторов для рентгеновской визуализации. В качестве примера используется сцинтиллятор GOS:Pr (оксисульфид гадолиния, легированный празеодимом):
1. Рентгеновское излучение, являющееся ионизирующим излучением, попадает в сцинтиллятор и взаимодействует с керамикой Pr:GOS через физические процессы, такие как фотоэффект, комптоновское рассеяние или генерация электронно-дырочных пар, передавая энергию материалу.
2. Переданная энергия приводит к генерации большого числа быстрых электронов, которые далее создают вторичные возбуждения вдоль своих траекторий. Эти энергии возбуждений затем мигрируют внутри кристаллической решётки GOS:Pr.
3. Энергия в конечном итоге передаётся люминесцентному центру.
4. Легирующий элемент Pr в GOS:Pr выступает в роли активатора, ответственного за люминесценцию: энергия мигрирует к ионам активатора Pr. Ион в возбужденном состоянии после адиабатического перехода возвращается в основное состояние и излучает флуоресценцию с пиком длины волны 512 нм.
5. Этот люминесцентный сигнал преобразуется в электрический сигнал с помощью кремниевых фотодиодов (Si PD) или кремниевых фотомножителей (SiPM). Полученный электрический сигнал затем обрабатывается и анализируется для извлечения информации о падающем излучении, что обеспечивает его детекцию и визуализацию.
6. На практике керамику Pr:GOS обычно изготавливают в виде пикселированных массивов. Такие структурированные сцинтилляторные массивы обеспечивают высокое разрешение изображений в медицинской диагностике, проверке безопасности и промышленном неразрушающем контроле.
Типы сцинтилляторных материалов для рентгеновской визуализации
В следующей таблице перечислены наиболее часто используемые сцинтилляторные материалы для рентгеновского излучения и их технические параметры; также оценены преимущества и области применения этих сцинтилляторов.
Прежде чем перейти к таблице, важно различать два ключевых понятия в рентгеновской визуализации: жёсткое рентгеновское излучение (hard X-ray) и мягкое рентгеновское излучение (soft X-ray):
- Что такое жёсткая рентгеновская визуализация и её применения:
Длина волны короче, чем у мягких рентгеновских лучей. Диапазон длин волн обычно составляет от 0,01 нм до 0,1 нм (или 0,1–1 ангстрем), с высокой энергией фотонов, как правило, выше 10–250 кэВ. Подходит для визуализации глубоких структур благодаря высокой проникающей способности. Применения жёсткой рентгеновской визуализации включают КТ-сканирование, высоковольтные рентгенограммы грудной клетки для отображения костей и лёгких, а также астрономические наблюдения, где требуется высокая эффективность поглощения.
- Что такое мягкая рентгеновская визуализация и её применения:
Длины волн обычно находятся в диапазоне от 0,1 нм до 10 нм (или 1–100 ангстрем), с низкой энергией фотонов, обычно между 0,1–10 кэВ. Благодаря более длинной длине волны и меньшей энергии такие лучи обладают слабой проникающей способностью и легко поглощаются воздухом, кожей и другими мягкими тканями. Мягкая рентгеновская визуализация чувствительна к различиям в поглощении материалов и обеспечивает качественное изображение поверхностей и тонких структур. Поэтому она подходит для биологической микроскопической визуализации, проверки полупроводников и анализа поверхностей в материаловедении, где требуется высокое пространственное разрешение и малая глубина проникновения.
Ниже приведены типы сцинтилляторных материалов для рентгеновской визуализации. Обратите внимание, что технические параметры приведены для справки; для более подробной информации рекомендуется обращаться к инженерам Shalom EO:
| Сцинтилляторы для рентгеновской визуализации | Световой выход / Светоотдача |
Плотность (г/см³) |
Пик излучения (нм) |
Время спада (нс) |
Послесвечение (%XX@X) |
Преимущества и недостатки | Применение |
| CsI(Tl) | 52 ph/KeV | 4.51 | 550нм | 1000нс | Послесвечение (после 20 мс) (%) <0.5 (для обычного CsI(Tl)) | Высокий световой выход, колонная структура направляет свет, не требуется высокое напряжение, отлично сочетается с фотодиодами | Наиболее распространённый материал для рентгеновской визуализации Не рекомендуется для высокоскоростных приложений |
| BGO | 8500 ph/MeV | 7.13 | 480нм | 317нс | Н/Д | Высокий атомный номер обеспечивает сильную останавливающую способность, полезно для улучшения пространственного разрешения детекторов Низкий световой выход |
Используется в основном в физике высоких энергий или КТ, не для рутинной визуализации с низкой дозой. |
| GOS(Pr) | 27000 ph/MeV | 7.28 | 512нм | 3000нс | Послесвечение <0.1%@3мс, ≤0.01%@100мс | Легирование Pr обеспечивает высокую скорость и низкое послесвечение | Высокоскоростная КТ Спиральная КТ и контрольно-безопасностная КТ |
| GOS(Tb) | 46500 ph/MeV | 7.34 | 510нм | 60000нс | ≤0.05%@3мс | Высокая световая эффективность | Медленнее, чем GOS(Pr), подходит для не высокоскоростного сканирования |
| CdWO4 | 12000~15000 ph/MeV | 7.9 | 475нм | 14000нс | Послесвечение (%@3мс) <0.1 | Высокий атомный номер и радиационная стойкость Низкое послесвечение |
Низкое послесвечение желательно для сканирования грузов, но световой выход средний |
| LaBr3(Ce) | 63000 ph/MeV | 5.2 | 380нм | 25нс | Н/Д | Отличное энергетическое разрешение | Ограниченные применения в рентгеновской визуализации, используется для идентификации нуклидов |
| YAG(Ce) | 8000 ph/MeV | 4.56 | 530нм | 70нс | Н/Д | Быстрее, чем CsI Главное преимущество – длина волны излучения 550нм, обеспечивающая эффективное сопряжение с детекторами, такими как кремниевые фотодиоды |
Можно изготавливать в виде тонких экранов для SEM или рентгеновского микроскопа |
| GAGG(Ce) | 54000 ph/MeV | 6.63 | 540нм | 90нс | Н/Д | Самый яркий среди оксидных сцинтилляторов Нет саморадиации Отлично сочетается с SiPM Более высокая цена |
Следующее поколение PET/CT |
Какие показатели производительности наиболее важны для сцинтилляторов рентгеновской визуализации?
Для сцинтилляторов рентгеновской визуализации наиболее важными показателями являются эффективность поглощения, световой выход и пространственное разрешение (достигаемое за счёт контроля времени спада и послесвечения, а также пиксельной структуры). В то же время, степень соответствия между спектром излучения и сенсором определяет эффективность системы, а стоимость, технологичность и экологическая стабильность являются ключевыми ограничениями для практического применения технологии. Будущие исследования и разработки высокопроизводительных сцинтилляторов будут направлены на балансировку и оптимизацию этих показателей.
Типичные сценарии применения рентгеновских сцинтилляторов
1) Медицинская визуализация – одно из важных направлений применения рентгеновских сцинтилляторов, включая КТ, рентгеновские снимки и другие методы, которые используют сцинтилляторы для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет и формирования изображения.
2) Промышленный неразрушающий контроль (NDT) также является важной областью применения сцинтилляторов. С их помощью можно проникать рентгеновским излучением в материалы и выявлять внутренние структуры, дефекты материала, посторонние предметы и т. д. Сцинтилляторы играют ключевую роль в преобразовании энергии в этом процессе.
3) Контроль безопасности, особенно при проверке багажа в аэропортах, на вокзалах и других объектах. Рентгеновские сцинтилляторы широко используются в системах досмотра для обнаружения подозрительных предметов и повышения эффективности и точности проверки.
Тенденции развития сцинтилляторов рентгеновской визуализации
Новые изобретения на основе перовскитных нанокристаллов:
Разработка перовскитных нанокристаллов является важным направлением будущих исследований в области рентгеновских сцинтилляторов. Учёные из Химического факультета NUS под руководством профессора LIU Xiaogang обнаружили, что перовскитные нанокристаллы на основе галогенида свинца обладают высокой чувствительностью к рентгеновскому излучению. По сравнению с традиционными сцинтилляторами, используемыми в рентгеновской визуализации, эти нанокристаллы имеют гораздо более низкую стоимость выращивания. Ещё одно преимущество – предел обнаружения примерно в 400 раз ниже (всего 13 nGyair s-1), чем типичные дозы для медицинской диагностики. Материал показал большой потенциал для рентгеновской радиографии, где изображение может быть напрямую записано с помощью недорогих и широко доступных цифровых камер.
Благодаря инновационным материалам (таким как перовскитные нанокристаллы) и расширенным возможностям применения (например, интеграция с терапевтическими методами), рентгеновские сцинтилляторы будут продолжать играть ключевую роль в медицинской диагностике, проверке безопасности, промышленном NDT и даже лечении опухолей.
Высокое разрешение рентгеновской визуализации с использованием пространственно разделённых тяжёлых атомных антенн в органических сцинтилляторах:
Органические сцинтилляторы, обладающие преимуществами низкой стоимости, экологичности и настраиваемой структурой, имеют большой потенциал в области рентгеновской визуализации. Однако до сих пор недостаточно изучены механизмы переноса заряда и проектирования тяжёлых атомов для балансировки светового выхода, времени спада и ширины люминесценции, что серьёзно ограничивает их практическое применение и промышленную реализацию. Команда профессора Tang Benzong предложила стратегию пространственно разделённых тяжёлых атомных антенн: введение алкилбромидных групп в локализованную структуру гибридного переноса заряда (HLCT) для создания органических сцинтилляторов с разделёнными тяжёлыми атомами и люминесцентными центрами. Такой подход поддерживает эффективное поглощение рентгеновских лучей и одновременно значительно подавляет безизлучательные переходы, вызванные тяжёлыми атомами. Кроме того, молекулярная система достигает синергетической оптимизации нескольких ключевых показателей: короткое время радиационного спада (3.74 нс), узкая ширина радиационной люминесценции (56 нм), большой сдвиг Стокса (110 нм) и 100% квантовый выход фотолюминесценции. Благодаря этим преимуществам сцинтиллятор демонстрирует отличные люминесцентные свойства при рентгеновском излучении, достигая пространственного разрешения 50.0 lp/mm в рентгеновской визуализации.
Часто задаваемые вопросы о рентгеновских сцинтилляторах:
В1: Что такое сцинтиллятор в рентгеновской визуализации?
Сцинтиллятор в рентгеновской визуализации — это рабочее вещество, которое люминесцирует под воздействием рентгеновского излучения. Сцинтилляторы используются для преобразования невидимого рентгеновского излучения в детектируемые сигналы, и на основе информации, содержащейся в этих сигналах, формируются изображения, показывающие детали, невидимые невооружённым глазом. Например, внутренние структуры человеческого тела (в медицинской радиографии) или содержимое багажа (при проверке безопасности).
В2: Почему CsI и GOS широко используются в рентгеновских детекторах (CsI против GOS)?
Эти два материала обладают высоким атомным номером (Zeff), высоким световым выходом и спектром излучения, хорошо соответствующим сенсору.
Для технических параметров CsI(Tl), GOS(Pr) и GOS(Tb) можно перейти по ссылкам, чтобы ознакомиться.
В общем, CsI обеспечивает лучшее пространственное разрешение и направление света, что делает его идеальным для плоских панелей. Керамика GOS более прочная, имеет высокую плотность и легче в производстве, поэтому её выбирают для КТ и прочных систем.
В3: Что определяет пространственное разрешение рентгеновских сцинтилляторов?
В отличие от видимого света, рентгеновские лучи трудно преломлять и фокусировать, они распространяются почти прямолинейно. Пространственное разрешение рентгеновской визуализации в основном зависит от соотношения между размером фокальной области источника рентгеновского излучения, размером элемента детектора и расстоянием до объекта исследования.
Рисунок 1. Схема выше показывает, как рентгеновский сцинтиллятор располагается в приложении
В4: В чем разница между мягкой и жёсткой рентгеновской визуализацией?
Мягкая рентгеновская визуализация: Использует рентгеновские лучи с диапазоном длин волн, как правило, от 0,1 нанометра до 10 нанометров (или 1–100 ангстрем), с более низкой энергией фотонов, обычно от 0,1 до 10 кэВ. Из-за низкой энергии мягкие рентгеновские лучи имеют слабую проникающую способность и легко поглощаются веществом (даже воздухом, часто требуется вакуум). Их используют преимущественно для визуализации лёгких элементов (например, углерода, азота, кислорода) и поверхностных структур, что делает их идеальными для биологических исследований (клеточная визуализация), проверки полупроводников и анализа поверхностей в материаловедении.
Жёсткая рентгеновская визуализация: Использует рентгеновские лучи с диапазоном длин волн, как правило, от 0,01 нанометра до 0,1 нанометра (или 0,1–1 ангстрем), с более высокой энергией фотонов, обычно выше 10 кэВ до 250 кэВ (в промышленных применениях — до МэВ). Благодаря высокой энергии жёсткие рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, позволяя проходить через плотные материалы, такие как кости, металл и толстые ткани. Они являются стандартом для медицинской диагностики (КТ, рентгенография), проверки безопасности (сканеры в аэропортах) и промышленного неразрушающего контроля (проверка сварных швов или внутренних дефектов отливок).
Shalom EO — поставщик сцинтилляторов для рентгеновской визуализации
Благодаря инженерной экспертизе и опытной команде продаж Shalom EO предлагает полный ассортимент сцинтилляторов для рентгеновской визуализации, включая:
· Сцинтилляторные материалы: CsI, CsI(Tl), CsI(Tl)-с низким послесвечениеем, BGO, LaBr3(Ce), керамика GOS, CdWO4 и др.
· Пикселированные сцинтилляторные матрицы: изготовленные из йодида церия, легированного таллием (Tl), GAGG(Ce), BGO, CdWO4, GOS(Pr)/GOS(Tb). Мы способны достигать размера пикселя 0,3x0,3 мм и расстояния между пикселями 0,07 мм.
Рисунок 2. Пикселированные рентгеновские сцинтилляторы Shalom EO
Tags: рентгеновский сцинтиллятор, сцинтиллятор для рентгеновской визуализации, рентгеновская визуализация, DR сцинтиллятор, CT сцинтиллятор, CsI сцинтиллятор, GOS сцинтиллятор