كاشف الأشعة السينية

يحتوي فيلم الأشعة السينية النموذجي على "حبيبات" بلورية من هاليد الفضة ، تتكون في الغالب من بروميد الفضة . ^{[ 2 ]} يمكن تعديل حجم الحبيبات وتركيبها للتأثير على خصائص الفيلم، على سبيل المثال لتحسين دقة الصورة المُظهَرة. ^{[ 3 ]} عند تعريض الفيلم للإشعاع، يتأين الهاليد وتُحاصر الإلكترونات الحرة في عيوب البلورة (مُكَوِّنةً صورة كامنة ). تنجذب أيونات الفضة إلى هذه العيوب وتُختزل ، مُكَوِّنةً تجمعات من ذرات الفضة الشفافة . ^{[ 4 ]} في عملية التظهير، تتحول هذه التجمعات إلى ذرات فضة معتمة تُكَوِّن الصورة المرئية، وتكون أغمق ما يكون في المناطق التي تم فيها رصد أكبر قدر من الإشعاع. تعمل خطوات التظهير اللاحقة على تثبيت الحبيبات المُحسَّسة وإزالة الحبيبات غير المُحسَّسة لمنع المزيد من التعرض (مثل الضوء المرئي ). ^{[ 5 ] : 159 [ 6 ]}

أُنتجت أولى الصور الشعاعية (صور الأشعة السينية) بتأثير الأشعة السينية على ألواح زجاجية حساسة للضوء. وسرعان ما حلت أفلام الأشعة السينية (الأفلام الفوتوغرافية) محل الألواح الزجاجية، واستُخدمت هذه الأفلام لعقود في التقاط (وعرض) الصور الطبية والصناعية. ^{[ 7 ]} تدريجيًا، اكتسبت الحواسيب الرقمية القدرة على تخزين وعرض بيانات كافية لجعل التصوير الرقمي ممكنًا. منذ تسعينيات القرن الماضي، حلت تقنيات التصوير الشعاعي المحوسب والرقمي محل الأفلام الفوتوغرافية في التطبيقات الطبية وطب الأسنان، على الرغم من أن تقنية الأفلام لا تزال مستخدمة على نطاق واسع في عمليات التصوير الشعاعي الصناعية (مثل فحص اللحامات). يُعد معدن الفضة (الذي كان ضروريًا في السابق لصناعات التصوير الشعاعي والفوتوغرافي) موردًا غير متجدد، على الرغم من إمكانية استخلاص الفضة بسهولة من أفلام الأشعة السينية المستهلكة. ^{[ 8 ]} في حين كانت أفلام الأشعة السينية تتطلب مرافق معالجة رطبة، فإن التقنيات الرقمية الحديثة لا تتطلب ذلك. كما أن الأرشفة الرقمية للصور توفر مساحة التخزين المادية. ^{[ 9 ]}

منذ سبعينيات القرن الماضي، تم تطوير كواشف أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون أو الجرمانيوم المطعّم بالليثيوم (Si(Li) أو Ge(Li)) . ^{[ 15 ]} تُحوّل فوتونات الأشعة السينية إلى أزواج إلكترون-فجوة في شبه الموصل، وتُجمع هذه الفوتونات للكشف عن الأشعة السينية. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة بما يكفي (يتم تبريد الكاشف بتأثير بلتييه أو حتى باستخدام النيتروجين السائل )، يصبح من الممكن تحديد طيف طاقة الأشعة السينية مباشرةً؛ تُسمى هذه الطريقة مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDX أو EDS)؛ وهي شائعة الاستخدام في مطيافات فلورية الأشعة السينية الصغيرة . توفر كواشف انزياح السيليكون (SDDs)، المُصنّعة بتقنيات تصنيع أشباه الموصلات التقليدية ، قياسًا فعالًا من حيث التكلفة وعالي الدقة للإشعاع. ^{[ 16 ]} على عكس كواشف الأشعة السينية التقليدية، مثل Si(Li)، لا تحتاج هذه الكواشف إلى التبريد بالنيتروجين السائل. نادرًا ما تُستخدم هذه الكواشف في التصوير، وتكون فعالة فقط عند الطاقات المنخفضة. ^{[ 17 ]}

بدأ التطبيق العملي للسيلينيوم غير المتبلور في التصوير الطبي في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ^{[ 18 ]} يُستخدم السيلينيوم غير المتبلور في أجهزة الكشف التجارية ذات الألواح المسطحة كبيرة المساحة للأشعة السينية في تصوير الثدي بالأشعة السينية والتصوير الشعاعي العام ، وذلك بفضل دقته المكانية العالية وخصائصه الماصة للأشعة السينية. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، فإن انخفاض العدد الذري للسيلينيوم يعني ضرورة وجود طبقة سميكة لتحقيق حساسية كافية. ^{[ 20 ]}

يُعتبر تيلوريد الكادميوم ( CdTe )، وسبائكه مع الزنك ، تيلوريد الكادميوم والزنك ، من أكثر مواد أشباه الموصلات الواعدة للكشف عن الأشعة السينية، وذلك بفضل فجوة النطاق الواسعة ورقم الكم العالي، مما يسمح بتشغيله بكفاءة عالية في درجة حرارة الغرفة. [ ^{21 ] [ 22 ] تشمل} التطبيقات الحالية قياس كثافة العظام والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (SPECT)، إلا أن أجهزة الكشف المسطحة المناسبة للتصوير الشعاعي لم تُطرح في الأسواق بعد. ^{[ 23 ]} يتركز البحث والتطوير الحاليان على أجهزة الكشف البكسلية ذات القدرة على تحليل الطاقة ، مثل جهاز Medipix التابع لمركز CERN وجهاز HEXITEC التابع لمجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

تُنتج الثنائيات شبه الموصلة الشائعة ، مثل الثنائيات الضوئية PIN أو 1N4007 ، كمية صغيرة من التيار في الوضع الكهروضوئي عند وضعها في حزمة أشعة سينية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

تتكون الكواشف غير المباشرة من مادة وميضية لتحويل الأشعة السينية إلى ضوء مرئي، والذي يُقرأ بواسطة مصفوفة ترانزستورات رقيقة. يوفر هذا النوع من الكواشف حساسية أعلى من الكواشف المباشرة الحالية (السيلينيوم غير المتبلور)، مع احتمال وجود انخفاض في الدقة. ^{[ 20 ]} تُستخدم الكواشف المسطحة غير المباشرة على نطاق واسع اليوم في التطبيقات الطبية، وطب الأسنان، والطب البيطري، والصناعية.

تتكون مصفوفة الترانزستورات الرقيقة (TFT) من لوح زجاجي مغطى بطبقة رقيقة من السيليكون في حالة غير متبلورة أو غير منتظمة. على المستوى المجهري، يُطبع على السيليكون ملايين الترانزستورات المرتبة في مصفوفة عالية التنظيم، مثل الشبكة على ورقة رسم بياني. يرتبط كل ترانزستور من هذه الترانزستورات الرقيقة (TFT) بثنائي ضوئي ماص للضوء، مكونًا بكسلًا واحدًا (عنصر الصورة). تتحول الفوتونات الساقطة على الثنائي الضوئي إلى حاملين للشحنة الكهربائية ، يُطلق عليهما أزواج الإلكترون-فجوة. نظرًا لأن عدد حاملات الشحنة الناتجة يتغير بتغير شدة فوتونات الضوء الساقطة، يتشكل نمط كهربائي يمكن تحويله بسرعة إلى جهد كهربائي، ثم إلى إشارة رقمية، يفسرها الحاسوب لإنتاج صورة رقمية. على الرغم من أن السيليكون يتمتع بخصائص إلكترونية ممتازة، إلا أنه ليس ماصًا جيدًا لأشعة إكس. لهذا السبب، تسقط أشعة إكس أولًا على مواد وميضية مصنوعة من مواد مثل أوكسي كبريتيد الغادولينيوم أو يوديد السيزيوم . يمتص الوميض الأشعة السينية ويحولها إلى فوتونات ضوء مرئي تمر بعد ذلك إلى مصفوفة الثنائيات الضوئية.