Jan Lindström
Published: 2021-03-24
Total Pages: 61
Get eBook
A phosphor or scintillator is a material that will emit visible light when struck by ionising radiation. In the early days of diagnostic radiology, it was discovered that the radiation dose needed to get an image on a film, could be greatly reduced by inserting a fluorescent layer of a phosphor in direct contact with the film. Thus, introducing the step of converting the ionising radiation to light in a first step. Going forward in time, film has been replaced with photodetectors and there is now a variety of imaging x-ray systems, still based on phosphors and scintillators. There is continuous research going on to optimise between the radiation dose needed and a sufficient image quality. These factors tend to be in opposition to each other. It is a complicated task to optimise these imaging system and new phosphor materials emerges regularly. One of the key factors is the efficiency of the conversion from xrays to light. In this work this is denoted “extrinsic efficiency”. It is important since it largely determines the final dose to the patient needed for the imaging task. Most imaging x-ray detectors are based on phosphor or scintillator types where their imaging performance has been improved through tweaking of various parameters (light guide structure, higher density, light emission spectrum matching to photodetectors, delayed fluorescence quenching etc) One key factor that largely determines the extrinsic efficiency of a specific phosphor is the particle size. Larger particles result in a higher luminance of the phosphor for the same radiation dose as does as a thicker phosphor layer (to a limit). There exists already a battery of models describing various phosphor qualities. However, particle size and thickness have not been treated as a fully independent variables in previous model works. Indirectly, the influence of these parameters is accounted for, but the existing models were either considered too general, containing several complex parameters and factors to cover all kind of cases or too highly specialised to be easily applicable to fluorescent detectors in diagnostic radiology. The aim of this thesis is therefore to describe and assess a simple model denoted the “LAC-model” (after the original authors Lindström and Alm Carlsson), developed for a fluorescent layer using individual sub-layers defined by the particle size diameter. The model is thought to be a tool for quickly evaluating various particle size and fluorescent layer thickness combinations for a chosen phosphor and design. It may also serve as a more intuitive description of the underlying parameters influencing the final extrinsic efficiency. Further tests affirmed the validity of the model through measurements. The LACmodel produced results deviating a maximum of +5 % from luminescence measurements. During the development of the model various assumptions and simplifications were made. One assumption was the absence of a so called “dead layer”. This is a layer supposedly surrounding each particle decreasing the efficiency of converting x-rays to light. It is not completely “dead” as in inactive but is thought to have a reduced efficiency. This phenomenon was struggled with, when historically designing electron beam stimulated phosphors for various applications (i.e. displays, TV tubes etc). There are also articles reporting dead layer influence for x-ray detectors (usually spectrometers i.e. not for imaging). By introducing a dead layer in the LAC-model the effect of the layer was investigated and was found to result in a change of less than 8% for the extrinsic efficiency. It was also noted that sometimes a dead layer effect may emerge at surfaces of a scintillator slab but not necessarily connected to the phosphor particles themselves. Due to differences between phosphor material and the surroundings, an interface effect arose to compete with the process of inherent dead layers of the individual particles. It was found to be mostly negligible for x-rays in the studied energy and material range. However, an effect was shown for electrons as incident ionising radiation which could shed some light on the strangely neglected apparent dead layer created this way. Finally, applications, one involving developing a prototype for checking the light field radiation field coincidence, were evaluated for overall performance and the optimisation level of the applied fluorescent layer. Interesting findings were made during the development process: for the first time to the knowledge of the author, focus shift wandering was quantified in the corresponding movement of the x-ray field edge and a non-trivial discussion on the concept of an apparent light field edge resulted in a modified definition of the same. En fosfor eller scintillator är ett material som avger synligt ljus när det träffas av joniserande strålning. Inom diagnostisk radiologi upptäckte man i ett tidigt skede att stråldosen som behövdes för att få en bild på en röntgenfilm, reducerades kraftigt om man placerade ett fluorescerande skikt, en fosfor, i direkt kontakt med filmen. I nutid har film ersatts med fotodetektorer och det finns nu en mängd olika röntgenbildsystem men som fortfarande är baserade på fosforer och scintillatorer. Det pågår en kontinuerlig forskning för att optimera mellan erforderlig stråldos och en tillräcklig god diagnostisk bildkvalitet. Dessa faktorer tenderar att motverka varandra. Det är en komplicerad uppgift att optimera röntgenbildsystemen och nya fosformaterial dyker ständigt upp. En av de viktiga egenskaperna är fosforns omvandlingseffektivitet från röntgen till ljus. I detta arbete används benämningen ”extrinsisk (yttre) effektivitet". Denna egenskap är viktig eftersom den i stor utsträckning bestämmer den slutliga dosen till patienten som krävs för bilddiagnostiken. De flesta röntgendetektorer är baserade på fosfor- eller scintillatortyper där bildprestanda har förbättrats genom att utveckla olika parametrar (ljusledarstruktur, högre densitet, ljusemissionsspektrum som matchar fotodetektorer, minskad efterlysning etc.). En viktig faktor som i stor utsträckning bestämmer omvandlingseffektiviteten hos en specifik fosfor är partikelstorleken. Större partiklar resulterar i en högre luminescens (mer ljus) från fosforen för samma stråldos. Vilket också gäller för ett tjockare fosforlager (till en viss gräns!). Det finns redan fysikaliska modeller som beskriver olika fosforparametrar men partikelstorlek och fosfortjocklek har dock inte hanterats som fristående variabler i dessa modellarbeten. Istället har deras inverkan modellerats indirekt men det har gjort att de befintliga modellerna kan anses komplexa. De är antingen för generella som medför flera komplexa parametrar och faktorer för att täcka alla tänkbara varianter eller för specialiserade för att kunna tillämpas enkelt på fluorescerande detektorer i diagnostisk radiologi. Syftet med denna avhandling är därför att beskriva och analysera en praktisk modell betecknad ”LAC-modellen” (efter de ursprungliga författarna Lindström och Alm Carlsson). Den är utvecklad för ett fluorescerande block som består av flera underliggande skikt vars tjocklek bestäms av partiklarnas diameter. Avsikten med modellen är att den ska vara ett verktyg för att snabbt utvärdera olika varianter av partikelstorlek och tjockleks-kombinationer för en vald fosfor med i grunden samma design. Experiment har bekräftat modellens giltighet och mätresultat visar att modellresultaten avvek maximalt +5% från luminiscensmätningar. Utvecklingen av modellen krävde olika antaganden och förenklingar. Ett antagande var frånvaron av ett så kallat ”dött lager”. Det är ett skikt som antas omge varje partikel och som därför minskar omvandlingseffektiviteten från röntgen till ljus. Det är dock inte helt "dött" i meningen helt inaktivt men har en mindre förmåga att omvandla röntgen till ljus jämfört med fosforns huvudmaterial. Historisk sett har man försökt åtgärda detta fenomen under lång tid och speciellt för applikationer där man använt sig av elektronstrålar (dvs olika typer av displayer, TV-rör etc.). Just för elektroner har man sett att döda skiktet tenderar att växa med tiden. Det finns också artiklar som rapporterar en påverkan av röntgendetektorers funktion (vanligtvis dock för spektrometrar, dvs inte för avbildning). Genom att införa ett dött skikt i LAC-modellen undersöktes skiktets effekt och visade sig resultera i en förändring på mindre än 8% för effektiviteten. Det noterades också att ibland kan en dödskiktsliknande effekt uppstå vid ytor av ett scintillatorblock men inte nödvändigtvis pga. av själva fosforpartiklarnas ljusomvandlingsegenskaper. Då det uppstår skillnader mellan fosformaterialet och omgivningen får man en s.k. gränsskiktseffekt som s.a.s. konkurrerar med kemiskt döda skiktet på de enskilda partiklarna. De döda skiktens inverkan visade sig i princip försumbara för röntgenbild-detektorer - åtminstone inom det studerade energi- och materialområdet. En tydlig effekt kunde dock noteras för joniserande strålning i form av elektroner. Simuleringarna kunde ge en bättre bild av egenskaperna hos det döda skiktet som skapats på detta sätt. Slutligen utvärderades två applikationer med hjälp av LAC-modellen: en prototyp för kontroll av ljusfältets och strålfältets överenstämmelse i läge och position. Samt en etablerad produkt med samma användningsområde. I båda fallen undersöktes det fluorescerande skiktets optimeringsgrad. Intressanta resultat noterades under utvecklingsprocessen av prototypen: för första gången, så vitt författaren vet, kunde man kvantifiera röntgenrörs s.k. fokusvandring.
