ГАММА-КАМЕРА НА ОСНОВЕ ТОЛСТОГО СЦИНТИЛЛЯТОРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭНЕРГИЕЙ 0,5 - 5,0 МЭВ Российский патент 1996 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области сцинтилляционной спектрометрии и наиболее эффективно может быть использовано в астрофизике при определении направления на локальные слабые источники космического гамма-излучения в составе телескопов с кодированной апертурой или комптоновских телескопов, в ядерной спектрометрии при регистрации угловых распределений гамма-излучения, в экологических исследований при поиске "горячих" частиц в сочетании с точечным коллиматором типа камеры-обскуры или с кодированной апертурой.

Известна сцинтилляционная гамма-камера (ГК) [1] Она предназначена для позиционно-чувствительной регистрации гамма-излучения с энергией от сотен кэВ до 20 МэВ. ГК содержит большой плоский кристалл NaI (Tl) ⊘ 20 см • 7,5 см, просматриваемый массивом из 7 фотоумножителей типа 53 AVP с диаметром колбы 50 мм, оптически сочлененных непосредственно с плоским выходным окном кристалла. Координата взаимодействия определяется по соотношению семи амплитуд сигналов с ф.э.у. При этом получены с использованием источников гамма-излучения ¹³⁷Cs и ²⁴Na величины координатного разрешения (FWHM), равные 2,35 4,70 см (за исключением внешних 2 см, где пространственное разрешение резко ухудшается).

Недостаток этой конструкции заключается в том, что амплитудно-пространственные характеристики (АПХ) гамма-камеры при таком варианте сбора света с кристалла имеют малую крутизну, что приводит к значительной величине координатного разрешения.

Другим недостатком данной конструкции является то, что в толстом кристалле разным глубинам взаимодействия гамма-кванта со сцинтиллятором соответствуют разные АПХ, а так как для гамма-излучения с энергией в несколько МэВ разброс по глубине взаимодействия в кристалле значителен, то этот фактор будет давать вклад в величину координатного разрешения.

Известна также гамма-камера на основе толстого сцинтиллятора, предназначенная для определения координат взаимодействия гамма-квантов с детектором и их энергетического спектра в диапазоне 0,5 5,0 МэВ [2]
Описанная здесь гамма-камера предназначена для определения координат взаимодействия с детектором и определения энергии гамма-квантов в энергетическом диапазоне 50 кэВ 20 МэВ. ГК содержит полисцин на основе NaI (Tl) o 40,6 см • 5,1 см, просматриваемый девятнадцатью 76-миллиметровыми фотоумножителями типа "Hamamatsu 1307", расположенными в гексагональном порядке. Ф. э.у. оптически сочленены непосредственно с плоским выходным окном полисцина. Координаты взаимодействия с детектором и энергия гамма-квантов определяются по соотношению амплитуд сигналов с 19 фотоумножителей. Для определения положения взаимодействия гамма-квантов с детектором используется алгоритм, в котором для каждого гамма-кванта определяются Х и Y координаты взаимодействия гамма-кванта в плоскости детектора и Z глубина взаимодействия. Для оптимизации определения координат взаимодействия используется метод максимального правдоподобия. Получено координатное разрешение (FWHM) в одной точке (в центре камеры, равное 7 мм (¹³⁷Cs) и 10,5 мм (⁵⁷Co).

К недостатку такой конструкции относится невысокая крутизна АПХ, получаемых при непосредственном оптическом сочленении ф.э.у. с выходным окном полисцина, что снижает величину получаемого координатного разрешения. Другим недостатком данной конструкции является то, что определение координат взаимодействия Х и Y и коррекция их на глубину взаимодействия со сцинтиллятором Z осуществляется ЭВМ не в ходе, а после измерений при анализе накопленных данных, что приводит к снижению оперативности. Недостатком является также то, что требуется значительная память для записи результатов измерений.

Цель изобретения улучшение координатного разрешения гамма-камеры.

Цель достигается тем, что в гамма-камере на основе толстого сцинтиллятора для измерения гамма-излучения с энергией 0,5^oC5 МэВ, содержащей сцинтиллятор толщиной 3^oC8 см, сбор света с которого осуществляется со стороны наибольшей грани массивом фотоумножителей, выходы которых присоединены ко входу электронного блока преобразования сигналов, выход которого соединен с ЭВМ, а между выходным окном сцинтиллятора и фотоумножителями размещены оптически сочлененные с ними световоды в виде правильных четырехугольных усеченных пирамид, размер стороны нижнего основания а которых равен
а (0,8^oC1,3) • Д_фэу,
где Д_фэу диаметр колбы фотоумножителя,
угол наклона β боковых граней к нижнему основанию равен
b=α+γ
где a угол полного внутреннего отражения для материала световода.

g острый угол, являющийся корнем уравнения

где l толщина выходного окна сцинтиллятора,
D толщина сцинтиллятора,
средняя глубина взаимодействия со сцинтиллятором гамма-квантов данной энергии,
n₁ и n₂ коэффициенты преломления сцинтиллятора и его выходного окна соответственно,
а высота световода h определена согласно соотношению

где d=α+β 90 градусов, согласно изобретению, в световодах по осям симметрии, параллельным ребрам оснований световодов, со стороны нижних оснований сделаны тонкие прорези, которые заполнены непрозрачным веществом черного цвета, находящимся в оптическом контакте со стенками прорезей, а глубина прорезей Z определена согласно соотношению

Такое конструктивное выполнение ГК обеспечит большую крутизну АПХ детектора, что приведет к улучшению координатного разрешения.

Фиг. 1 и 2 изображают принцип работы используемого световода; фиг.3 - структурная схема гамма-камеры; фиг.4 измерение амплитудно-пространственные характеристики, полученные при использовании сцинтиллятора толщиной 34 мм и соответствующего световода.

При попадании гамма-кванта в сцинтиллятор возникает сцинтилляция. Световые фотоны через световоды попадают из сцинтиллятора на фотокатоды фотоумножителей. На выходах фотоумножителей возникают сигналы, амплитуды которых зависят от расстояний в плоскости детектора между точкой сцинтилляции и центрами световодов. Сигналы с фотоумножителей поступают в электронный блок, где происходит их усиление и формирование. С выхода электронного блока сигналы поступают на вход ЭВМ. В ЭВМ на основе полного набора сигналов с фотоумножителей для каждого взаимодействия γ-квантов со сцинтиллятором вычисляется энергия гамма-кванта Е и координаты сцинтилляции в плоскости детектора (х, y) (для двумерных гамма-камер) или координата х (для одномерных ГК).

Работоспособность изобретения была исследована в режиме одномерной ГК.

Регистрация гамма-излучения осуществлялась поликристаллическим сцинтиллятором на основе NaI (Tl) с размерами 300 • 78 • 34 (мм)³. Сбор света осуществлялся с грани 300 • 78 (мм)² через оптическое окно, изготовленное из кварцевого стекла толщиной 5 мм.

На оптическое окно на расстоянии 55 мм от края, перпендикулярно оси х, совпадающей с наибольшей осью симметрии сцинтиллятора, был установлен описанный ниже световод (фиг.1). Поскольку ширина сцинтиллятора (78 мм) больше диаметра колбы фотоумножителя (30 мм), то в этом случае для сбора света использовались два ФЭУ-85. Сигналы с двух фотоумножителей суммировались. Для уменьшения числа необходимых световодов вместо двух световодов в форме правильных усеченных пирамид использован один световод в форме прямой призмы. Высота призмы совпадает с шириной выходного окна и равна 75 мм. Световод был оптически сочленен как с выходным окном детектора, так и с фотоумножителями. Сечение световода плоскостью, параллельной оси х, совпадает с аналогичным сечением усеченных пирамид и представляет собой правильную трапецию (фиг.1). Ширина нижнего (наибольшего) основания трапеции равна 33 мм, угол b наклона боковых граней к нижнему основанию составляет 84,9 ^o, а высота h равна 22,4 мм.

Работа световода рассмотрим для простоты на примере плоского случая (фиг.1). Пусть линейно коллимированный источник g-излучения расположен прямо под световодом, так что сцинтилляции возникают на оси симметрии световода (щель коллимации расположена перпендикулярно оси х). Пусть сцинтилляция произошла в точке S_o. На световод попадут все лучи от прямого излучения, составляющие с осью симметрии углы, не превышающие v. Угол v определен из соотношения:

где n₁ показатель преломления сцинтиллятора, равный 1,85,
n₂ показатель преломления выходного окна сцинтиллятора, равный для кварцевого стекла 1,47,
γ=β-α 84,9 ^o 41,8 ^o 43,1 ^o (a угол полного внутреннего отражения для материала световода).

Тогда все лучи, выходящие из т. S_o под углом к OS_o, меньшим, чем v, испытывают преломление на границе сцинтиллятор-оптическое окно и попадут либо на грань ВС под углом, большим a, и, следовательно, испытывают полное внутренне отражение на этой грани (например, луч 2 на фиг.1), либо попадут на верхнее основание CD (например, луч 3 на фиг.1). Лучи, выходящие из т.S_o и составляющие с OS_o углы, большие v, не попадут на световод (например, луч 4 на фиг.1).

Часть света, выходящего из т.S_o и попадающего на нижнее основание световода АВ, поглощается нижним сечением прорези. В первом приближении величина потерь светового потока, вызванного наличием прорези толщиной d, равна d/a•100% Однако поскольку толщину прорези d можно сделать достаточно малой, то потери света не превысят нескольких процентов и ими можно пренебречь.

Глубина прорези Z определена из условия, чтобы лучи света, вышедшие из т. S_o, находящейся на оси световода, попавшие на боковые грани ВС и АD и отразившиеся от них, при своем движении по направлению к верхнему основанию световода CD не задерживались прорезью. Тогда не будет потерь света. Отсюда максимальная глубина прорези ограничивается точкой Р пересечения оси симметрии световода OG и луча, отразившегося в самой нижней точке боковой грани. На фиг. 1 это луч 1, отразившийся в т.В боковой грани ВС и попадающий затем в крайнюю точку D верхнего основания CD. Поскольку угол наклона луча 1 к нижнему основанию АВ равен
d, а ОВ а/2, то z ОР а/2•tgd.
Таким образом, в том случае, когда вспышка происходит прямо под световодом, на его оси симметрии, сбор света происходит так же, как и в прототипе, и количества собираемого световодом света в прототипе и в изобретении практически равны (с точностью до величины d/a). Это справедливо в рамках упрощенной плоской модели, рассматриваемой здесь. Учет распространения света в реальном пространственном случае, а также учет отраженного света приводят к большей величине потерь света. Теоретически оценка потерь света в этом случае и громоздка и затруднена вследствие необходимости знать точные коэффициенты отражения света в каждой точке поверхности сцинтиллятора, коэффициенты прозрачности сцинтиллятора в любой точке его объема и т.д. Поэтому величина потерь света вследствие наличия прорези при положении источника излучения на оси световода была определена экспериментально. Для сцинтилляторов различной толщины и соответствующих световодов при диффузном типе отражения света на гранях сцинтиллятора потери составляют от 5 до 15
При смещении центра сцинтилляционной вспышки от оси симметрии световода в сторону (например, т.S₃ на фиг.2) на фотокатод ф.э.у. попадает часть светового потока, заключенная между лучами 3 и 4, кроме светового потока, поглощаемого прорезью (между лучами 5 и 6). При дальнейшем смещении (т.S₄ на фиг. 2) величина относительных потерь света увеличивается. Из светового потока между лучами 7 и 8, который достигал бы фотокатода ф.э.у. через световод без прорези, прорезь "убирает" свет, заключенный между лучами 9 и 8. Это приводит к тому, что получается более крутая и узкая амплитудно-пространственная характеристика, что позволяет улучшить координатное разрешение гамма-камеры. Известно, что наихудшая координатное разрешение в гамма-камере получается при расположении источника гамма-квантов прямо под центром фотоумножителя. Это происходит потому, что АПХ вблизи своей вершины имеет обычно малую крутизну, а величина координатного разрешения обратно пропорциональна крутизне АПХ. Существенно, что введение в световод прорези увеличивает крутизну амплитудно-пространственной характеристики непосредственно вблизи вершины АПХ.

Гамма-камера на основе толстого сцинтиллятора для регистрации гамма-излучения с энергией 0,5 5 МэВ состоит (фиг.3) из плоского сцинтиллятора 10, световодов 11, оптически сочлененных большими своими основаниями с выходным окном сцинтиллятора, а меньшими с входными окнами фотоумножителей 12, выходы которых связаны со входом электронного блока преобразования сигналов 13, выход которого соединен с ЭВМ 14.

Перемещая коллимированный источник ⁵⁴Mn вдоль оси Х, была измерена амплитудно-пространственная характеристика (фиг.4, кривая 15). Затем АПХ была измерена в тех же условиях, но с использованием световода без прорези (фиг. 4, кривая 16). Обе кривые отнормированы на максимум кривой 15. Из фиг.4 видно, что использование световода с прорезью приводит к увеличению крутизны АПХ и уменьшению ее ширины, что позволит улучшить координатное разрешение гамма-камеры.

Использование: координатно-чувствительные детекторы гамма-излучения. Сущность изобретения: в световодах, по осям симметрии, параллельным ребрам оснований световодов, со стороны нижних оснований выполнены тонкие прорези, которые заполнены непрозрачным веществом черного цвета, находящимся в оптическом контакте со стенками прорезей, глубины которых выбраны таким образом, что обеспечивает большую крутизну амплитудно-пространственных характеристик. 4 ил.

Гамма-камера на основе толстого сцинтиллятора для регистрации гамма-излучения с энергией 0,5 5 МэВ, содержащая сцинтиллятор толщиной 3 8 см, сбор света с которого осуществляется со стороны наибольшей грани массивом фотоумножителей, выходы которых присоединены к входу электронного блока преобразования сигналов, выход которого соединен с ЭВМ, а между выходным окном сцинтиллятора и фотоумножителями размещены оптически сочлененные с ними световоды в виде правильных четырехугольных усеченных пирамид, размер стороны нижнего основания а которых равен
a (0,8 1,3)•D_фэу,
где D_фэу диаметр колбы фотоумножителя,
угол наклона β боковых граней к нижнему основанию равен
b = α+γ,
где α угол полного внутреннего отражения для материала световода;
g острый угол, являющийся корнем уравнения

где l толщина выходного окна сцинтиллятора:
D толщина сцинтиллятора;
средняя глубина взаимодействия со сцинтиллятором гамма-квантов данной энергии;
n₁ и n₂ коэффициенты преломления сцинтиллятора и его выходного окна соответственно,
а высота световода h определена согласно соотношению

где d = α+β 90^o,
в световодах по осям симметрии, параллельным ребрам оснований световодов, со стороны нижних оснований выполнены тонкие прорези, которые заполнены непрозрачным веществом черного цвета, находящимся в оптическом контакте со стенками прорезей, а глубина прорезей Z определена согласно соотношению .