Signal transfer characteristics of columnar phosphors used in X-ray imaging
Authors: Ψυχής Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Οι σπινθηριστές είναι υλικά που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ανίχνευσης ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Στην απεικόνιση με ακτίνες – Χ συνιστούν συνήθως το πρώτο μέρος ενός συστήματος ανίχνευσης ιοντιζουσών ακτινοβολιών, όπου απορροφούν τα προσπίπτοντα φωτόνια – Χ και για κάθε απορροφώμενο φωτόνιο – Χ παράγεται μεγάλο πλήθος οπτικών φωτονίων τα οποία με την σειρά τους προσπίπτουν σε έναν ευαίσθητο οπτικό ανιχνευτή. Με τον τρόπο αυτό η απαιτούμενη δόση για την λήψη μιας συγκεκριμένης εικόνας μειώνεται, με αποτέλεσμα την μείωση της δόσης στον ασθενή και το προσωπικό. Ένας από τους συνήθως χρησιμοποιούμενους σπινθηριστές στην απεικόνιση με ακτίνες – Χ, είναι το CsI:Tl ινώδους τύπου. Λόγω της ινώδους δομής του κρυστάλλου τα οπτικά φωτόνια διαδίδονται προς τον οπτικό ανιχνευτή πιο αποτελεσματικά από άλλα είδη σπινθηριστών. Ο σπινθηριστής αυτός έχει μελετηθεί στην βιβλιογραφία με μοντέλα Monte Carlo και αναλυτικά μοντέλα.Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός αναλυτικού μοντέλου για την διάδοση των οπτικών φωτονίων μέσα σε σπινθηριστές ινώδους τύπου, το οποίο επιλύει τις αδυναμίες προηγούμενων αναλυτικών μοντέλων. Το μοντέλο αυτό βασίζεται στις γεωμετρικές και φυσικές ιδιότητες του κρυσταλλικού υλικού. Λαμβάνει υπ’ όψιν τις φυσικές διαστάσεις όπως το μήκος και το ύψος της κρυσταλλικής ίνας, την απορρόφηση των ακτίνων – Χ μέσα στον κρυσταλλικό όγκο, την περιοχή δημιουργίας των δεσμών οπτικών φωτονίων και την δημιουργία των δεσμών οπτικών φωτονίων μέσα στον κρυσταλλικό όγκο, την γωνία εκπομπής και συνεπώς την κατεύθυνση διάδοσης αυτών των δεσμών οπτικών φωτονίων, την εξασθένισή τους μέσα στον κρυσταλλικό όγκο, τις ανακλάσεις στην μπροστινή, πίσω και πλευρικές επιφάνειες της κρυσταλλικής ίνας, τις πλευρικώς διαδιδόμενες δέσμες οπτικών φωτονίων κατόπιν διαθλάσεων από τις παρακείμενες κρυσταλλικές ίνες, την γωνία διάθλασης στην επιφάνεια εξόδου του κρυστάλλου, τον συντελεστή διάθλασης του κρυστάλλου σε σχέση με το περιβάλλον υλικό και τον συντελεστή εξασθένισης φωτός των δεσμών οπτικών φωτονίων.Η πρωτοτυπία της εργασίας αυτής έγκειται στο γεγονός ότι το μοντέλο που αναπτύχθηκε, λαμβάνει υπ’ όψιν όλες τις παραπάνω παραμέτρους και όχι μόνο για μία έξοδο από τον κρύσταλλο, κάθε δέσμης οπτικών φωτονίων που δημιουργείται, αλλά για πολλαπλές εξόδους οι οποίες πραγματοποιούνται κατόπιν πολλαπλών ανακλάσεων από την πολλαπλή διάδοση έμπροσθεν και όπισθεν κάθε δέσμης οπτικών φωτονίων. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη διαφόρων παραμέτρων χρήσιμων για τον χαρακτηρισμό του σπινθηριστή όπως: η Συλλογή Φωτός (Light Collection), η Αποδοτικότητα Απορρόφησης Ενέργειας (Energy Absorption Efficiency), το Οπτικό Κέρδος Ανιχνευτή (Detector Optical Gain), η Γωνιακή Κατανομή (Angular Distribution) και η Συνάρτηση Μεταφοράς Διαμόρφωσης (Modulation Transfer Function). Εφαρμόστηκε σε σπινθηριστή CsI:Tl ινώδους τύπου, επιβεβαιώθηκε σε σύγκριση με δημοσιευμένα αποτελέσματα. Βρέθηκε ότι το Οπτικό Κέρδος Ανιχνευτή επηρεάζεται από το μήκος της κρυσταλλικής ίνας, όπως επίσης και από το ενεργειακό φάσμα των προσπιπτουσών ακτίνων – Χ, και τα αποτελέσματά του είναι σε συμφωνία με την χρήση βραχέων κρυσταλλικών ινών για χαμηλές ενέργειες (μαστογραφία) και την χρήση μακρών κρυσταλλικών ινών για υψηλότερες ενέργειες (διαγνωστική ακτινολογία). Τα αποτελέσματα της γωνιακής κατανομής είναι σε συμφωνία με την θεωρία ότι όσο αυξάνει το μήκος της κρυσταλλικής ίνας, η γωνιακή κατανομή αποκτά μεγαλύτερη κατευθυντικότητα και ότι η γωνιακή κατανομή εξαρτάται από το υλικό που βρίσκεται σε επαφή με τον σπινθηριστή. Τα αποτελέσματα της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης βρίσκονται σε καλή συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα της βιβλιογραφίας και δείχνουν ότι μειώνοντας το μέγεθος του εικονοστοιχείου οι τιμές της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης αυξάνονται σε όλες τις χωρικές συχνότητες. Αν και το συγκεκριμένο μοντέλο εφαρμόστηκε και επιβεβαιώθηκε σε σπινθηριστή CsI:Tl ινώδους τύπου, το οπτικό μέρος του μπορεί να εφαρμοστεί και σε μονοκρυσταλλικό σπινθηριστή CsI:Tl ή και σε άλλους σπινθηριστές ινώδους τύπου με την προϋπόθεση ότι οι φυσικές και γεωμετρικές ιδιότητες του σπινθηριστή είναι γνωστές.