核医学基础物理/充气辐射探测器
我们已经在前两章中了解了辐射如何与物质相互作用，现在我们可以将我们的理解应用到辐射检测。
辐射与物质相互作用的主要结果之一是产生离子，正如我们在第 5 章中看到的。正如您将在本章中看到的那样，这种结果在充气探测器中得到了利用。在这种情况下，探测器本质上是一种气体，因为是气体的原子被辐射电离。我们将在下一章中看到，固体也可以用作辐射探测器，但现在我们将讨论气体，并介绍电离室和盖革计数器等探测器。
在考虑这些特定类型的充气探测器之前，我们首先将从一个非常一般的角度来考虑这种情况。
正如我们上面提到的，在这种形式的探测器中，辐射与气体原子相互作用并导致产生离子。根据我们在第 5 章中介绍的内容，很容易理解，当辐射由对诊断目的有用的能量的伽马射线组成时，正是光电效应和康普顿效应导致了电离。
实际上，当产生一个离子时，会产生两个粒子 - 正离子本身和一个电子。这两个粒子统称为离子对。气体探测器的运行原理是检测气体中离子对的产生。实现这一点的方法是使用电场将电子扫到带正电的电极，并将离子扫到带负电的电极。
让我们考虑一下下图所示的非常简单的排列。
这里我们有两个电极，中间是气体。有点像带有气体介质的电容器。
所使用的气体通常是惰性气体，例如氩气或氙气。使用惰性气体的原因是为了防止电离后气体内部发生化学反应，从而改变我们探测器的特性。
在两个电极之间施加直流电压。因此，当辐射与气体原子相互作用时，电子将向正电极移动，而离子将向负电极移动。但是这些电荷会到达它们各自的电极吗？答案显然取决于直流电压的大小。例如，如果在极端情况下我们施加了 1 微伏的直流电压（即百万分之一伏），则产生的电场可能不足以使离子对移动很远，并且这两个粒子可能会重新结合以重新形成气体原子。在另一个极端情况下，假设我们在两个电极之间施加了 100 万伏。在这种情况下，我们很可能会看到火花在两个电极之间飞溅 - 就像闪电一样 - 我们的探测器可能会像霓虹灯一样工作。然而，在这两个极端之间，我们应该能够提供足够的吸引力，使离子电子移动到它们各自的电极，而不会发生复合或产生火花。
我们将在下面更详细地讨论这个问题。在我们这样做之前，让我们看看上面说明的简单探测器的概念如何在实践中应用。在实际探测器中，充气室通常呈圆柱形。这种形状被发现比上面所示的平行电极排列更有效。
下图显示了穿过该圆柱体的横截面视图。
正电极由一根穿过圆柱体中心的细线组成，负电极由圆柱体的壁组成。原则上，我们可以通过获取一段金属管，在其中心安装一根线，用惰性气体填充它并密封管子的两端来制造这样的探测器。然而，实际的探测器要复杂一些，但让我们不要在这个阶段偏离主题。
我们通过电池或直流电压电源施加直流电压，并使用电阻 R 将其连接到图中所示的位置。现在，假设一个伽马射线进入探测器。离子对将在气体中产生 - 离子朝外壁移动，电子朝中心线移动。让我们花点时间想想电子。当它们撞击中心线时，我们可以简单地认为它们进入了导线，并流过电阻器到达直流电压电源的正极。这些流过电阻器的电子构成电流，根据欧姆定律，电阻器上会产生电压。该电压被放大器放大，并使用某种类型的设备来记录放大的电压。扬声器是用于此目的的一种相当简单的设备，电压脉冲的产生通过扬声器发出咔嗒声表现出来。其他显示设备包括计数率计，它显示每单位时间产生的电压脉冲数量 - 类似于汽车中的速度计 - 以及脉冲计数器（或刻度器），它计算在设定的时间段内产生的电压脉冲数量。在实践中，电压脉冲通常被称为计数，每单位时间产生的电压脉冲数量通常被称为计数率。
如果我们要构建一个探测器和电子电路，如上图所示，我们可以进行一项实验，让我们探索直流电压对电阻 R 上产生的电压脉冲幅度的影响。请注意，该领域中经常使用术语脉冲高度来指代电压脉冲的幅度。
理想情况下，我们可以生成类似于下图所示的结果。
该图说明了脉冲高度对直流电压的依赖关系。请注意，代表脉冲高度的纵轴是以对数刻度表示的，以便将较大的线性刻度压缩到尺寸合理的图表上。
实验结果可以分成五个区域，如所示。我们现在将依次考虑每个区域。
- 区域 A 这里 Vdc 相对较低，因此正离子和电子的复合会发生。因此，并非所有离子对都被收集，并且电压脉冲高度相对较低。然而，随着直流电压的增加，它确实会增加，因为复合量减少了。
- 区域 B 在该区域中，Vdc 足够高，以至于复合量可以忽略不计。这是电离室这种类型的探测器工作的地方。
- 区域 C 在该区域中，Vdc 足够高，以至于靠近中心线的电子在与气体原子电子碰撞之间获得足够的能量以产生新的离子对。因此，电子的数量会增加，因此流过电阻 R 的电荷量可能比辐射相互作用最初产生的电荷大 1000 倍。这是正比计数器这种类型的探测器工作的地方。
- 区域 D Vdc 非常高，以至于即使是极小电离的粒子也会产生非常大的电压脉冲。辐射产生的初始电离触发了完整的汽体击穿，因为大量电子朝向中心线移动并沿着中心线传播。该区域称为盖革-米勒区，并被用于盖革计数器。
- 区域 E 这里 Vdc 足够高，以至于气体完全击穿，无法用于检测辐射。
我们现在将更详细地考虑电离室和盖革计数器的特点。
电离室由一个充气探测器组成，该探测器由相对较低的直流电压供电。我们首先将估计这种类型的探测器产生的电压脉冲高度。然后，我们将考虑电离室的一些应用。
当一个贝塔粒子与气体相互作用时，产生一个离子对所需的能量约为 30 伏。因此，当一个能量为 1 MeV 的贝塔粒子完全被气体吸收时，产生的离子对数量为
因此，气体中产生的电荷为
如果电离室的电容（记住我们之前将气体填充探测器与电容器进行了比较）为 100 pF，那么产生的电压脉冲幅度为
由于产生的电压很小，因此需要在连接到电离室的电子电路中使用非常灵敏的放大器。
现在我们将学习电离室的两种应用。第一个是测量辐射照射量。您将在 第 4 章 中了解到，辐射照射量的单位（无论是 SI 单位还是传统单位）都是根据空气单位质量中产生的电荷量定义的。充满空气的电离室是用于此类测量的天然仪器。
第二个应用是测量放射性。此处使用的电离室配置为所谓的再入式排列（见下图），以便放射性物质样品可以使用支架放置在探测器内，从而可以检测到大部分发射的辐射。该仪器通常被称为同位素校准器，并且由这种探测器产生的微弱电流经过校准，以便可以获得以放射性单位（例如 MBq 或 mCi）表示的读数。大多数运作良好的核医学科室将至少拥有这些设备中的一个，以便在给患者服用之前可以检查放射性剂量。
以下是一些针对不同应用而设计的电离室的照片
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盖革计数器
[edit | edit source]我们之前看到盖革计数器在相对较高的直流电压下运行（例如 400-900 伏），并且在气体中吸收辐射后会产生电子雪崩。该探测器产生的电压脉冲相对较大，因为气体有效地充当了产生的电荷的放大器。
我们将讨论该探测器的四个特征。第一个是由于上面提到的气体放大，该探测器不需要灵敏的放大器（与电离室的情况一样）。
第二个特征源于必须停止电子雪崩的产生以重新形成探测器这一事实。换句话说，当辐射粒子/光子被气体吸收时，会发生完全的气体击穿，这意味着气体无法检测进入探测器的下一个粒子/光子。因此，在极端情况下，一分钟我们有一个辐射探测器，而在下一刻我们就没有了。
因此，需要一种停止电子雪崩的方法 - 这个过程被称为猝灭。一种方法是在雪崩后通过电子方式降低直流电压。一种更广泛使用的猝灭方法是在惰性气体中添加少量猝灭气体。例如，气体可以是氩气，并添加 乙醇。乙醇以蒸汽形式存在，由于它由相对较大的分子组成，因此如果在没有它们的情况下，能量会导致电子雪崩持续，则会被这些分子吸收。大分子实际上充当制动器。
无论使用哪种类型的猝灭，探测器在吸收辐射粒子/光子后都会在很短的时间内不灵敏。这段时间被称为 死时间，这是我们将考虑的该探测器的第三个特征。死时间相对较短，但仍然很显著 - 通常约为 200-400 微秒。因此，使用该探测器获得的读数小于应有的读数。可以使用以下公式获得真实计数率 T
其中 A 是（实际）读数，τ 是死时间。一些仪器会自动执行此计算。
关于该探测器需要注意的第四个特征是其性能对直流电压的依赖性。我们上面图中的盖革-米勒区域将在下面更详细地显示
注意，它包含一个平台，在该平台上获得的计数率与直流电压无关。大多数探测器都运行在该平台的中心。显然，如果直流电压在工作电压附近波动，则探测器的计数率不会受到影响。这意味着可以使用相对简单的直流电源。此功能加上不需要灵敏放大器这一事实实际上意味着辐射探测器相对便宜。