X-Ray Efficiency and Modulation Transfer Function of Fluorescent Rare Earth Screens, Determined by the Monte Carlo Method

Abstract

The overall, X-Rays to light conversion efliciency and the modulation transfer function of radiographic single front screens have been computed using the Monte Carlo method to simulate the generation and the multiple-scattering diffusion and absorption of light photons in the screen. The computation is based on a set of probability functions related to the absorption of X-Ray photons, free-path lengths and absorption of light photons and reflection conditions at the boundaries. A constant scattering angle has been used for light photons colliding with phosphor grains. For a given phosphor volume fraction, results are shown as a function of phosphor grain size, screen thickness and light wavelength. Some computed results have been checked experimentally.

A comparison is made between screens based on mainly green emitting terbium activated gadolinium oxysulphide, and conventional screens based on blue emitting lead activated calcium tungstate. Screens having equal packing volume, thickness and phosphor grain size show a much higher conversion efficiency and improvement in modulation transfer functions when made of Gd₂O₂S:Tb.

Résumé

L’efficacité de la conversion totale des Rayons X en lumière et la MTF (Modulation Transfer Function) des écrans radiographiques frontaux ont été calculées par la méthode de Monte Carlo. L´émission, la diffusion, caracterisée par des nombreuses collisions avec les grains et l´absorption des photons lumineux dans l´écran ont été simulées. Le calcul et basé sur le choix des fonctions de probabilité en relation avec l´absorption des photons X, les longueurs du chémin Iibre parcouru, I’absorption des photons lumineux, et les conditions de reflexion aux interfaces. Un angle constant de reflextion pour les photons lumineux qui frappent les grains fluorescents a été fixé.

Pour une fraction de volume donnée, occupée par le phosphore, les résultats obtunes en fonction du diamètre des grains de l’épaisseur des écrans et de la longueur d’onde de la lumière ont été illustrès. Quelques résultats calculés on été contrôlés expérimentalement. Une comparaison cntre des écrans à base d’oxysulfure de gadolinium activé par du terbium qui émettent surtout dans la zone verte du spectre et des écrans conventionnels à base de tungstate de calcium activé par du plomb, émettant dans la zone bleue, a été effectuée.

A volume égal de phosphore, épaisseur et dimension des grains fluorescents, les écrans à base de Gd₂O₂S:Tb demontrent une efficacité de conversion beaucoup plus élevée et une amélioration de la MTF.

Zusammenfassung

Mit Hilfe der Monte Carlo Methode wurden berechnet: der Wirkungsgrad der totalen Konversion der Roentgenstrahlung in Licht und die MTF (Modulation Transfer Function) verschiedener vorderen Roentgenschirmen. Die Entstehung der Lichtphotone, deren Streuung, die durch zahlreiche Kollisionen mit den Koernern charakterisiert ist, und die Absorption der Lichtphotone im Schirm, wurde simuliert.

Die Berechnung berurht auf der Auswahl von Wahrscheinlichkeitsfunktionen, die korreliert wurden mit der Absorption der Roentgenstrahlung, mit der freien Weglaenge, mit der Absorption der Lichtphotone und mit den Reflexionsbedingungen an den Grenzschlichten. Ein konstanter Reflexionswinkel wurde fuer die Lichtphotone festgelegt, die mit den fluoreszierenden Koernern kollidieren. Fuer eine vorgegebene Volumenfraktion, die mit Phosphor belegt ist, werden Ergebnisse in Funktion des Korndurchmessers, der Dicke der verschiedenen Schirmen und der Wellenlaenge des Lichts erhalten. Einige der berechneten Ergebnisse wurden experimentell geprueft. Es werden Gadolinium Oxisulfid Schirmen mit Kalzium Tungstat Schirmen verglichen.

Die ersteren sind mit Terbium aktiviert, welches ueberwiegend im gruenen Bereich emittiert. Die letzeren sind mit Blei aktiviert, konventioneller Art und emittieren im Blau. Bei Paritaet von Volumen, Packung, Dicke und Groesse der fluoreszierenden Koerner, zeigen die Gd₂O₂S:Tb Schirmen einen viel groesseren Ueberfuehrungswirkungsgrad und eine erhoehte MTF.

Riassunto

L’efficienza di conversione totale dei raggi X in luce e la MTF (Modulation Transfer Function) di singoli schermi radiografici frontali sono state calcolate usando il metodo di Monte Carlo. Sono state simulate le generazione, la diffusione, caratterizzata da numerosi eventi di collisione con i grani, e l’assorbimento dei fotoni luminosi nello schermo.

Il calcolo è basato sulla scelta di funzioni di probabilità correlate all’assorbimento dei fotoni X, alle lunghezze del cammino libero, all´assorbimento dei fotoni luminosi, ed alle condizioni di riflessione alle interfacce. E’ stato fissato un angolo di riflessione costante per i fotoni luminosi che collidono con i grani fluorescenti.

Per una data frazione di volume occupata dal fosforo, vengono mostrati risultati ottenuti in funzione del diametro dei grani, dello spessore degli schermi e della lunghezza d´onda della luce.

Alcuni risultati calcolati sono stati sottoposti a controllo sperimentale. Viene fatto un confronto tra schermi basati sull’impiego dell’ossisolfuro di gadolinio attivato con terbio, che emette soprattutto nella zona verde dello spettro e schermi a base di tungstato di calcio attivati con piombo, di tipo convenzionale, che emettono soprattutto nella zona blu. A parità di volume d’impacchettamento, spessore e dimensione dei grani fluorescenti, gli schermi a base di Gd₂O₂S:Tb mostrano una efficienza di conversione molto più elevata ed un miglioramento della MTF.