核醫學基礎物理/充氣輻射探測器
我們已經在前兩章中瞭解了輻射如何與物質相互作用，現在我們可以將我們的理解應用到輻射檢測。
輻射與物質相互作用的主要結果之一是產生離子，正如我們在第 5 章中看到的。正如您將在本章中看到的那樣，這種結果在充氣探測器中得到了利用。在這種情況下，探測器本質上是一種氣體，因為是氣體的原子被輻射電離。我們將在下一章中看到，固體也可以用作輻射探測器，但現在我們將討論氣體，並介紹電離室和蓋革計數器等探測器。
在考慮這些特定型別的充氣探測器之前，我們首先將從一個非常一般的角度來考慮這種情況。
正如我們上面提到的，在這種形式的探測器中，輻射與氣體原子相互作用並導致產生離子。根據我們在第 5 章中介紹的內容，很容易理解，當輻射由對診斷目的有用的能量的伽馬射線組成時，正是光電效應和康普頓效應導致了電離。
實際上，當產生一個離子時，會產生兩個粒子 - 正離子本身和一個電子。這兩個粒子統稱為離子對。氣體探測器的執行原理是檢測氣體中離子對的產生。實現這一點的方法是使用電場將電子掃到帶正電的電極，並將離子掃到帶負電的電極。
讓我們考慮一下下圖所示的非常簡單的排列。
這裡我們有兩個電極，中間是氣體。有點像帶有氣體介質的電容器。
所使用的氣體通常是惰性氣體，例如氬氣或氙氣。使用惰性氣體的原因是為了防止電離後氣體內部發生化學反應，從而改變我們探測器的特性。
在兩個電極之間施加直流電壓。因此，當輻射與氣體原子相互作用時，電子將向正電極移動，而離子將向負電極移動。但是這些電荷會到達它們各自的電極嗎？答案顯然取決於直流電壓的大小。例如，如果在極端情況下我們施加了 1 微伏的直流電壓（即百萬分之一伏），則產生的電場可能不足以使離子對移動很遠，並且這兩個粒子可能會重新結合以重新形成氣體原子。在另一個極端情況下，假設我們在兩個電極之間施加了 100 萬伏。在這種情況下，我們很可能會看到火花在兩個電極之間飛濺 - 就像閃電一樣 - 我們的探測器可能會像霓虹燈一樣工作。然而，在這兩個極端之間，我們應該能夠提供足夠的吸引力，使離子電子移動到它們各自的電極，而不會發生複合或產生火花。
我們將在下面更詳細地討論這個問題。在我們這樣做之前，讓我們看看上面說明的簡單探測器的概念如何在實踐中應用。在實際探測器中，充氣室通常呈圓柱形。這種形狀被發現比上面所示的平行電極排列更有效。
下圖顯示了穿過該圓柱體的橫截面檢視。
正電極由一根穿過圓柱體中心的細線組成，負電極由圓柱體的壁組成。原則上，我們可以透過獲取一段金屬管，在其中心安裝一根線，用惰性氣體填充它並密封管子的兩端來製造這樣的探測器。然而，實際的探測器要複雜一些，但讓我們不要在這個階段偏離主題。
我們透過電池或直流電壓電源施加直流電壓，並使用電阻 R 將其連線到圖中所示的位置。現在，假設一個伽馬射線進入探測器。離子對將在氣體中產生 - 離子朝外壁移動，電子朝中心線移動。讓我們花點時間想想電子。當它們撞擊中心線時，我們可以簡單地認為它們進入了導線，並流過電阻器到達直流電壓電源的正極。這些流過電阻器的電子構成電流，根據歐姆定律，電阻器上會產生電壓。該電壓被放大器放大，並使用某種型別的裝置來記錄放大的電壓。揚聲器是用於此目的的一種相當簡單的裝置，電壓脈衝的產生透過揚聲器發出咔嗒聲表現出來。其他顯示裝置包括計數率計，它顯示每單位時間產生的電壓脈衝數量 - 類似於汽車中的速度計 - 以及脈衝計數器（或刻度器），它計算在設定的時間段內產生的電壓脈衝數量。在實踐中，電壓脈衝通常被稱為計數，每單位時間產生的電壓脈衝數量通常被稱為計數率。
如果我們要構建一個探測器和電子電路，如上圖所示，我們可以進行一項實驗，讓我們探索直流電壓對電阻 R 上產生的電壓脈衝幅度的影響。請注意，該領域中經常使用術語脈衝高度來指代電壓脈衝的幅度。
理想情況下，我們可以生成類似於下圖所示的結果。
該圖說明了脈衝高度對直流電壓的依賴關係。請注意，代表脈衝高度的縱軸是以對數刻度表示的，以便將較大的線性刻度壓縮到尺寸合理的圖表上。
實驗結果可以分成五個區域，如所示。我們現在將依次考慮每個區域。
- 區域 A 這裡 Vdc 相對較低，因此正離子和電子的複合會發生。因此，並非所有離子對都被收集，並且電壓脈衝高度相對較低。然而，隨著直流電壓的增加，它確實會增加，因為複合量減少了。
- 區域 B 在該區域中，Vdc 足夠高，以至於複合量可以忽略不計。這是電離室這種型別的探測器工作的地方。
- 區域 C 在該區域中，Vdc 足夠高，以至於靠近中心線的電子在與氣體原子電子碰撞之間獲得足夠的能量以產生新的離子對。因此，電子的數量會增加，因此流過電阻 R 的電荷量可能比輻射相互作用最初產生的電荷大 1000 倍。這是正比計數器這種型別的探測器工作的地方。
- 區域 D Vdc 非常高，以至於即使是極小電離的粒子也會產生非常大的電壓脈衝。輻射產生的初始電離觸發了完整的汽體擊穿，因為大量電子朝向中心線移動並沿著中心線傳播。該區域稱為蓋革-米勒區，並被用於蓋革計數器。
- 區域 E 這裡 Vdc 足夠高，以至於氣體完全擊穿，無法用於檢測輻射。
我們現在將更詳細地考慮電離室和蓋革計數器的特點。
電離室由一個充氣探測器組成，該探測器由相對較低的直流電壓供電。我們首先將估計這種型別的探測器產生的電壓脈衝高度。然後，我們將考慮電離室的一些應用。
當一個貝塔粒子與氣體相互作用時，產生一個離子對所需的能量約為 30 伏。因此，當一個能量為 1 MeV 的貝塔粒子完全被氣體吸收時，產生的離子對數量為
因此，氣體中產生的電荷為
如果電離室的電容（記住我們之前將氣體填充探測器與電容器進行了比較）為 100 pF，那麼產生的電壓脈衝幅度為
由於產生的電壓很小，因此需要在連線到電離室的電子電路中使用非常靈敏的放大器。
現在我們將學習電離室的兩種應用。第一個是測量輻射照射量。您將在 第 4 章 中瞭解到，輻射照射量的單位（無論是 SI 單位還是傳統單位）都是根據空氣單位質量中產生的電荷量定義的。充滿空氣的電離室是用於此類測量的天然儀器。
第二個應用是測量放射性。此處使用的電離室配置為所謂的再入式排列（見下圖），以便放射性物質樣品可以使用支架放置在探測器內，從而可以檢測到大部分發射的輻射。該儀器通常被稱為同位素校準器，並且由這種探測器產生的微弱電流經過校準，以便可以獲得以放射性單位（例如 MBq 或 mCi）表示的讀數。大多數運作良好的核醫學科室將至少擁有這些裝置中的一個，以便在給患者服用之前可以檢查放射性劑量。
以下是一些針對不同應用而設計的電離室的照片
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蓋革計數器
[edit | edit source]我們之前看到蓋革計數器在相對較高的直流電壓下執行（例如 400-900 伏），並且在氣體中吸收輻射後會產生電子雪崩。該探測器產生的電壓脈衝相對較大，因為氣體有效地充當了產生的電荷的放大器。
我們將討論該探測器的四個特徵。第一個是由於上面提到的氣體放大，該探測器不需要靈敏的放大器（與電離室的情況一樣）。
第二個特徵源於必須停止電子雪崩的產生以重新形成探測器這一事實。換句話說，當輻射粒子/光子被氣體吸收時，會發生完全的氣體擊穿，這意味著氣體無法檢測進入探測器的下一個粒子/光子。因此，在極端情況下，一分鐘我們有一個輻射探測器，而在下一刻我們就沒有了。
因此，需要一種停止電子雪崩的方法 - 這個過程被稱為猝滅。一種方法是在雪崩後透過電子方式降低直流電壓。一種更廣泛使用的猝滅方法是在惰性氣體中新增少量猝滅氣體。例如，氣體可以是氬氣，並新增 乙醇。乙醇以蒸汽形式存在，由於它由相對較大的分子組成，因此如果在沒有它們的情況下，能量會導致電子雪崩持續，則會被這些分子吸收。大分子實際上充當制動器。
無論使用哪種型別的猝滅，探測器在吸收輻射粒子/光子後都會在很短的時間內不靈敏。這段時間被稱為 死時間，這是我們將考慮的該探測器的第三個特徵。死時間相對較短，但仍然很顯著 - 通常約為 200-400 微秒。因此，使用該探測器獲得的讀數小於應有的讀數。可以使用以下公式獲得真實計數率 T
其中 A 是（實際）讀數，τ 是死時間。一些儀器會自動執行此計算。
關於該探測器需要注意的第四個特徵是其效能對直流電壓的依賴性。我們上面圖中的蓋革-米勒區域將在下面更詳細地顯示
注意，它包含一個平臺，在該平臺上獲得的計數率與直流電壓無關。大多數探測器都執行在該平臺的中心。顯然，如果直流電壓在工作電壓附近波動，則探測器的計數率不會受到影響。這意味著可以使用相對簡單的直流電源。此功能加上不需要靈敏放大器這一事實實際上意味著輻射探測器相對便宜。