ДЕТЕКТИРУЮЩИЙ УЗЕЛ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к средствам для детектирования ионизирующего излучения, более конкретно - к детектирующему узлу для получения распределения интенсивности принимаемого ионизирующего излучения по пространственной или угловой координате.

Известен детектирующий узел указанного назначения, содержащий позиционно-чувствительный детектор ионизирующего излучения на основе газоразрядного пропорционального счетчика [1]. При использовании такого детектирующего узла его подключают к многоканальному анализатору, формирующему сигнал на выходе одного или нескольких каналов при падении кванта ионизирующего излучения на участок рабочего окна позиционно-чувствительного детектора, соответствующий данным каналам [2]. Разрешающая способность такого детектирующего узла определяется свойствами газоразрядного пропорционального счетчика и ограничена достижимой точностью определения места поглощения кванта ионизирующего излучения вдоль рабочего окна позиционно-чувствительного детектора.

В детектирующем узле, использующем позиционно-чувствительный детектор матричного типа [3] в виде линейки чувствительных элементов, разрешающая способность определяется размером одного элемента.

После подсчета количества выходных сигналов каждого из каналов многоканального анализатора за время наблюдения совокупность полученных сумм, в зависимости от того, где используется детектирующий узел, может интерпретироваться либо как распределение интенсивности излучения непосредственно по линейной пространственной координате вдоль рабочего окна позиционно-чувствительного детектора, либо как распределение по угловой координате (когда источник принимаемого позиционно-чувствительным детектором излучения условно рассматривается как точечный).

В последнем случае может использоваться изогнутый по радиусу позиционно-чувствительный детектор, располагаемый так, чтобы точечный источник излучения находился в центре дуги, в виде которой выполнен этот детектор.

Детектирующие узлы, использующие двухкоординатные позиционно-чувствительные детекторы [3], также имеют разрешающую способность, ограниченную указанными факторами.

Так, в детектирующем узле, рабочее окно которого представляет совокупность рабочих окон параллельно расположенных линейных позиционно-чувствительных детекторов в виде газоразрядных пропорциональных счетчиков, по координате, параллельной направлению ориентации рабочих окон детекторов, разрешающая способность - такая же, как и у отдельно взятого линейного детектора. По другой координате она определяется расстоянием между соседними параллельно расположенными линейными детекторами.

В детектирующем узле с детектором в виде совокупности рядов чувствительных элементов, образующих матрицу, разрешающая способность, как и в одномерном случае, определяется размером одного элемента.

В детектирующем узле на основе уложенного в виде плоской спирали или зигзагообразной кривой сцинтиллятора [4] разрешающая способность по одной координате определяется точностью определения места падения кванта вдоль осевой линии сцинтиллятора, а по другой координате - расстоянием между соседними витками спирали или соседними параллельными участками зигзагообразной кривой.

Аналогичный характер имеет ограничение по разрешающей способности в детектирующем узле, содержащем пространственную спираль, навитую на сердечник из непроницаемого для ионизирующего излучения материала, предназначенном для определения направления падения квантов в цилиндрической системе координат [4].

Упомянутые факторы, ограничивающие разрешающую способность в известном детектирующем узле, основанном на любом из описанных принципов, таковы, что разрешающая способность не может быть улучшена ни путем увеличения интенсивности анализируемого излучения, ни путем увеличения времени анализа.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, использование которого описано в [2].

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении разрешающей способности детектирующего узла, ионизирующего излучения, использующего прямолинейный или изогнутый одномерный позиционно-чувствительный детектор или совокупность одномерных позиционно-чувствительных детекторов ионизирующего излучения, или двумерные позиционно-чувствительные детекторы.

Для достижения такого технического результата предлагаемый детектирующий узел ионизирующего излучения, как и в известном из [2] техническом решении, содержит позиционно-чувствительный детектор, имеющий рабочее окно для приема квантов ионизирующего излучения.

В отличие от указанного известного предлагаемый детектирующий узел ионизирующего излучения снабжен щелевой структурой из непроницаемого для ионизирующего излучения материала. Щелевая структура расположена перед рабочим окном позиционно-чувствительного детектора и имеет щели, ортогональные осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. При этом расстояние между серединами соседних щелей щелевой структуры должно быть не менее интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора, а ширина щели - менее этого интервала. Предлагаемый детектирующий узел содержит также средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора. Данное средство выполнено таким образом, что обеспечивает в процессе указанного перемещения сохранение ортогональности щелей щелевой структуры и осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. Благодаря наличию щелевой структуры в каждый момент времени позиционно-чувствительный детектор способен принять только те кванты, которые попадают в щели щелевой структуры. Благодаря тому что щели выполнены с указанными ориентацией и расстояниями между ними, гарантирована возможность однозначного разрешения всех принятых квантов по месту их падения по координате вдоль осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. Благодаря тому что средство для перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора является средством контролируемого перемещения, в любой момент времени известно положение каждой щели относительно некоторого начала отсчета по указанной выше координате, так как контролируемый характер перемещения означает, что имеется возможность устанавливать его величину. В сочетании с отмеченной выше возможностью разрешения места падения всех принятых квантов для каждого из них координата места падения может быть определена с точностью, не меньшей чем ширина щели. Поскольку ширина щели меньше интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора, достигается точность определения координат места падения квантов и соответственно разрешающая способность детектирующего узла, более высокая, чем интервал линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора. Благодаря наличию средства для перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора возможно определение распределения интенсивности падающего излучения во всей области пространства, соответствующей рабочему окна позиционно-чувствительного детектора.

В одном из возможных частных случаев выполнения предлагаемого детектирующего узла ионизирующего излучения позиционно-чувствительный детектор является одномерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде линейного газоразрядного пропорционального счетчика, содержащего прямолинейную анодную нить, размещенную перед плоским рабочим окном в корпусе-катоде. В этом случае направление осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с направлением ортогональной проекции анодной нити линейного газоразрядного детектора на его рабочее окно, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поступательного перемещения щелевой структуры вдоль осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора.

В другом возможном частном случае выполнения предлагаемого детектирующего узла ионизирующего излучения позиционно-чувствительный детектор является одномерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде изогнутого по радиусу газоразрядного пропорционального счетчика, содержащего анодную нить в виде дуги окружности. Анодная нить размещена перед рабочим окном в корпусе-катоде, которое имеет цилиндрическую поверхность, соосную с цилиндрической поверхностью, проходящей через указанную дугу окружности. В этом случае осевая линия рабочего окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с центральной проекцией анодной нити на рабочее окно изогнутого по радиусу газоразрядного пропорционального счетчика на его рабочее окно. Средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поворота вокруг оси указанной цилиндрической поверхности. В этом частном случае достигаемая линейная разрешающая способность - не хуже ширины щели щелевой структуры, а соответствующая ей угловая разрешающая способность - не хуже отношения ширины щели щелевой структуры к упомянутому радиусу изгиба.

В следующем частном случае выполнения предлагаемого детектирующего узла ионизирующего излучения позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде набора уложенных параллельно друг другу в одной плоскости одномерных позиционно-чувствительных детекторов. Каждый из них выполнен в виде линейного газоразрядного пропорционального счетчика, содержащего прямолинейную анодную нить, размещенную перед плоским рабочим окном в корпусе-катоде. Рабочее окно позиционно-чувствительного детектора образовано совокупностью рабочих окон указанных линейных газоразрядных пропорциональных счетчиков. Направление осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора в этом случае совпадает с ортогональной проекцией анодной нити одного из указанных линейных газоразрядных пропорциональных счетчиков, расположенных в средней части указанного набора, на рабочее окно этого счетчика, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поступательного перемещения щелевой структуры вдоль осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. В этом случае обеспечивается повышение разрешающей способности до величины порядка ширины щели по одной линейной координате - направленной вдоль осевой линии позиционно-чувствительного детектора.

Еще в одном частном случае выполнения предлагаемого детектирующего узла ионизирующего излучения позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором, содержащим сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, уложенный в виде плоской зигзагообразной кривой, имеющей параллельные друг другу прямолинейные участки, соединенные изогнутыми участками. В этом случае рабочее окно позиционно-чувствительного детектора образовано совокупностью указанных прямолинейных участков. При этом направление осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с осевой линией одного из указанных прямолинейных линейных участков, соответствующих средней части указанной зигзагообразной кривой, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поступательного перемещения щелевой структуры вдоль осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. В этом случае обеспечивается повышение разрешающей способности до величины порядка ширины щели по одной линейной координате - направленной вдоль прямолинейных участков упомянутой зигзагообразной кривой.

Предлагаемый детектирующий узел ионизирующего излучения может иметь также такое выполнение, при котором позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором для определения места падения квантов ионизирующего излучения на рабочее окно позиционно-чувствительного детектора в полярной системе координат, содержащим сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, уложенный в виде плоской спирали, образующей рабочее окно позиционно-чувствительного детектора. В этом случае осевой линией рабочего окна позиционно-чувствительного детектора является осевая линия указанной плоской спирали. Щелевая структура выполнена в виде щелей, радиально расходящихся от центра, совпадающего с центром указанной плоской спирали, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поворота щелевой структуры вокруг оси, перпендикулярной плоскости указанной спирали и проходящей через ее центр. В этом случае обеспечивается повышение разрешающей способности по координате, соответствующей полярному углу.

Возможен также частный случай выполнения предлагаемого детектирующего узла ионизирующего излучения, в котором позиционно-чувствительный детектор является позиционно-чувствительным детектором для определения места падения квантов ионизирующего излучения на рабочее окно позиционно-чувствительного детектора в цилиндрической системе координат, содержащим сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, навитый в один слой в виде спирали на непроницаемый для ионизирующего излучения цилиндрический стержень. В этом случае рабочее окно позиционно-чувствительного детектора образовано цилиндрической поверхностью, охватывающей указанную спираль. Его осевой линией является центрально-осевая проекция осевой линии указанной спирали на указанную цилиндрическую поверхность. Щелевая структура представляет собой цилиндрический экран, соосный с указанным цилиндрическим стержнем. В этом экране выполнены щели, имеющие наклон относительно образующих цилиндрического экрана, равный углу подъема указанной спирали, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поворота щелевой структуры вокруг оси, совпадающей с осью указанного цилиндрического стержня. В данном случае обеспечивается повышение разрешающей способности по координате, соответствующей полярному углу цилиндрической системы координат.

В следующих двух возможных частных случаях выполнения предлагаемого детектирующего узла ионизирующего излучения используется позиционно-чувствительный детектор матричного типа.

В одном из этих случаев позиционно-чувствительный детектор является одномерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде одномерной матрицы расположенных в ряд по одной прямой чувствительных к ионизирующему излучению элементов. Совокупность поверхностей чувствительных элементов образует рабочее окно позиционно-чувствительного детектора. В этом случае направление осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с направлением осевой линии, проходящей через центры указанных чувствительных элементов, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поступательного перемещения щелевой структуры вдоль осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. В данном случае обеспечивается повышение разрешающей способности по сравнению с размером одного элемента - до величины, соответствующей ширине щели.

В другом из указанных двух случаев позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде образующей двумерную прямоугольную матрицу совокупности рядов чувствительных к ионизирующему излучению элементов. Совокупность поверхностей чувствительных элементов образует рабочее окно позиционно-чувствительного детектора. Направление осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора в этом случае совпадает с направлением осевой линии, проходящей через центры указанных чувствительных элементов, принадлежащих одному из средних рядов указанной матрицы, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью поступательного перемещения щелевой структуры вдоль осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. В этом случае обеспечивается повышение разрешающей способности по сравнению с размером одного элемента - до величины, соответствующей ширине щели, по той координате, вдоль которой обеспечена возможность перемещения щелевой структуры.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется линейный позиционно-чувствительный детектор на основе газоразрядного пропорционального счетчика.

Фиг.2 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется изогнутый по радиусу позиционно-чувствительный детектор на основе газоразрядного пропорционального счетчика.

Фиг.3 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется двумерный позиционно-чувствительный детектор, использующий несколько расположенных параллельно друг другу линейных позиционно-чувствительных детекторов на основе газоразрядных пропорциональных счетчиков.

Фиг.4 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется двумерный позиционно-чувствительный детектор в виде сцинтиллятора, уложенного в форме плоской зигзагообразной кривой.

Фиг.5 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется двумерный позиционно-чувствительный детектор в виде сцинтиллятора, уложенного в форме плоской спирали.

Фиг.6 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется позиционно-чувствительный детектор, содержащий сцинтиллятор, навитый в виде спирали на непроницаемый для ионизирующего излучения стержень.

Фиг.7 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется одномерный позиционно-чувствительный детектор в виде расположенных в один ряд чувствительных к ионизирующему излучению элементов.

Фиг.8 иллюстрирует пример выполнения предлагаемого детектирующего узла, в котором используется двумерный позиционно-чувствительный детектор в виде прямоугольной матрицы чувствительных к ионизирующему излучению элементов.

На Фиг.9 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.1, вместе со средством для поступательного перемещения щелевой структуры относительно линейного одномерного позиционно-чувствительного детектора.

На Фиг.10 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.2, вместе со средством для вращательного перемещения щелевой структуры относительно одномерного изогнутого по радиусу позиционно-чувствительного детектора.

На Фиг.11 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.6, вместе со средством для вращательного перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора.

На Фиг.12 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.8, вместе со средством для поступательного перемещения щелевой структуры относительно двумерного позиционно-чувствительного детектора.

На Фиг.13, 14 и 15 показано использование предлагаемого детектирующего узла при рентгеновских дифрактометрических измерениях и исследовании рассеяния рентгеновского излучения объектом.

На Фиг.16, 17 и 18 представлены результаты экспериментальных исследований, иллюстрирующие эффективность предлагаемого детектирующего узла.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.1, содержит одномерный линейный позиционно-чувствительный детектор 101 на основе газоразрядного пропорционального счетчика (например, описанного в [1]) с рабочим окном 102. Осевая линия 105 рабочего окна является ортогональной проекцией анодной нити (на чертеже не показана) линейного газоразрядного пропорционального счетчика на его рабочее окно 102. Перед рабочим окном 102 размещена щелевая структура 103 со щелями 104 (на проекции в верхней части Фиг.1 детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Большими стрелками 106 условно показана возможность поступательного перемещения щелевой структуры 103 относительно позиционно-чувствительного детектора 101 с помощью средства для контролируемого перемещения (на данной фигуре не показано).

Щели 104 щелевой структуры ориентированы своей длинной стороной ортогонально осевой линии 105 рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. Расстояние d₁ между соседними щелями должно быть не менее интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора 101, а ширина Δ₁ щелей - меньше (предпочтительно - значительно меньше) интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора и расстояния d₁ между щелями. Целесообразно небольшое превышение размеров щелевой структуры над размерами окна детектора, чтобы при перемещении щелевой структуры относительно детектора его окно не выходило за пределы щелевой структуры.

Целесообразно также, чтобы длина щели (т.е. больший ее размер) была не менее ширины рабочего окна позиционно-чувствительного детектора, благодаря чему наличие щелей не приводит к дополнительному уменьшению количества квантов излучения, попадающего в пределы рабочего окна. Сказанное относится и к другим случаям выполнения детектирующего узла.

В данном и всех других случаях выполнения детектирующего узла целесообразно (но не обязательно) выполнение щелевой структуры периодической, т.е. с одинаковыми размерами всех щелей и одинаковыми расстояниями между серединами соседних щелей, равными или кратными интервалу разрешения детектора, а для полного использования рабочего окна детектора средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора должно обеспечивать возможность перемещения щелевой структуры на расстояние, не меньшее расстояния между соседними щелями (достаточно перемещение на расстояние, равное расстоянию между соседними щелями). При этом совокупность щелей щелевой структуры "просматривает" все рабочее окно позиционно-чувствительного детектора за время, соответствующее перемещению на указанное расстояние. Из сказанного выше следует, что это расстояние - одного порядка с интервалом линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора, который в типичных случаях составляет от одной до нескольких сотен микрон.

Входящий в состав детектирующего узла позиционно-чувствительный детектор в данном и других частных случаях выполнения предлагаемого детектирующего узла предназначен для подключения к электронной системе для определения на основе анализа его выходных сигналов координат места падения квантов ионизирующего излучения на рабочее окно. При использовании детектирующего узла по Фиг.1 позиционно-чувствительный детектор 101 должен быть ориентирован своим рабочим окном 102 ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. В соответствии с принципом действия используемого позиционно-чувствительного детектора координата места падения каждого зафиксированного кванта излучения может быть определена с точностью не хуже размера интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора 101. Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла указанная координата может быть уточнена до текущего положения щели, находящейся напротив участка рабочего окна, соответствующего указанному интервалу разрешения. При этом разрешающая способность определяется уже не размером интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора, а шириной щели, т.е. может быть значительно лучше, чем размер этого интервала.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.2, содержит одномерный изогнутый по радиусу позиционно-чувствительный детектор 201 на основе газоразрядного пропорционального счетчика (например, описанного в [1]) с рабочим окном 202. Осевая линия 205 рабочего окна является ортогональной проекцией изогнутой анодной нити (на чертеже не показана) данного газоразрядного пропорционального счетчика на его рабочее окно 202. Перед рабочим окном 202 размещена щелевая структура 203 со щелями 204 (на проекции в верхней части фигуре 2 детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Щелевая структура 203 имеет изгиб по радиусу относительно того же центра, что и окно 202 (и не показанная на чертеже анодная нить) позиционно-чувствительного детектора 201. Предпочтительно такое выполнение щелей щелевой структуры, при котором они сфокусированы на оси цилиндрической поверхности рабочего окна изогнутого по радиусу газоразрядного детектора, т.е. продолжения их осевых линий 207 пересекаются на указанной оси 208. Стрелками 206 (на проекции слева - изогнутой стрелкой) условно показана возможность поворота щелевой структуры 203 относительно позиционно-чувствительного детектора 201 с помощью средства для контролируемого перемещения (на данной фигуре не показано).

Щели 204 щелевой структуры ориентированы своей длинной стороной ортогонально осевой линии 205 рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. Расстояние d₂ между соседними щелями - не менее интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора 201, а ширина Δ₂ щелей - меньше (предпочтительно - значительно меньше) интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора. Как и в предыдущем случае, целесообразно небольшое превышение размеров щелевой структуры над размерами окна детектора, чтобы при перемещении щелевой структуры относительно детектора его окно не выходило за пределы щелевой структуры.

При использовании детектирующего узла по Фиг.2 позиционно-чувствительный детектор 201 должен быть ориентирован своим окном 202 такими образом, чтобы источник анализируемого излучения находился в центре вращения, т.е. в центре дуг, по которым изогнуты не показанная на чертеже анодная нить детектора, его рабочее окно 202 с осевой линией 205 и щелевая структура 203. Как и в предыдущем случае, благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла достигаемая разрешающая способность может быть значительно лучше, чем интервал линейного (или соответствующего ему углового) разрешения используемого изогнутого по радиусу позиционно-чувствительного детектора, и определяется шириной щели.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.3, содержит двумерный позиционно-чувствительный детектор, использующий несколько расположенных параллельно друг другу одномерных линейных позиционно-чувствительных детекторов 101 на основе газоразрядного пропорционального счетчика (подобный двумерный детектор описан, например, в [1]). Осевые линии 105 рабочих окон этих одномерных детекторов параллельны и расположены в одной плоскости. Совокупность рабочих окон одномерных детекторов 101 образует рабочее окно двумерного позиционно-чувствительного детектора.

Перед рабочим окном двумерного позиционно-чувствительного детектора расположена щелевая структура 303 (на проекции в верхней части Фиг.3 двумерный детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Щелевая структура 303 имеет щели 304, длинная сторона которых ортогональна осевым линиям рабочих окон детекторов 101. Любая из них, например осевая линия одного из средних детекторов совокупности, показанной на Фиг.3, может считаться направлением осевой линии окна двумерного позиционно-чувствительного детектора, образованного указанной совокупностью одномерных детекторов. Вдоль этого направления осуществляется поступательное перемещение щелевой структуры 303 относительно двумерного детектора, показанное стрелками 306, осуществляемое с помощью средства для контролируемого перемещения (на данной фигуре не показано). Расстояние d₃ между серединами соседних щелей щелевой структуры 303 - не менее интервала линейного разрешения одномерных позиционно-чувствительных детекторов 101, а ширина Δ₃ щелей 304 - меньше (предпочтительно - значительно меньше) интервала линейного разрешения одномерных позиционно-чувствительных детекторов. Как и в предыдущих случаях, целесообразно небольшое превышение размеров щелевой структуры над размерами окна детектора (в данном случае - двумерного детектора), чтобы при перемещении щелевой структуры относительно детектора его окно не выходило за пределы щелевой структуры.

При использовании детектирующего узла по Фиг.3 двумерный позиционно-чувствительный детектор должен быть ориентирован своим рабочим окном ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. В соответствии с принципом действия используемого позиционно-чувствительного детектора одна координата места падения кванта излучения определяется по положению того одномерного линейного позиционно-чувствительного детектора 101, для которого зафиксировано наличие кванта излучения. Эта координата определяется с точностью до расстояния между осевыми линями рабочих окон соседних линейных позиционно-чувствительных детекторов. Второй координатой является определенная с помощью того же самого одномерного детектора координата вдоль его окна. Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла обеспечивается повышение разрешающей способности для указанной второй координаты, аналогично описанному выше при рассмотрении детектирующего узла, иллюстрируемого Фиг.1.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.4, содержит двумерный позиционно-чувствительный детектор со сцинтиллятором 401, уложенным в форме плоской зигзагообразной кривой (см., например, [4]). Эта кривая и осевая линия 405 сцинтиллятора 401 имеют прямолинейные участки и изогнутые сопрягающие участки между ними. Рабочее окно данного двумерного позиционно-чувствительного детектора образовано совокупностью параллельных друг другу прямолинейных участков сцинтиллятора 401, а осевой линией рабочего окна этого двумерного детектора может считаться прямолинейный участок осевой линии 405 сцинтиллятора, принадлежащий любому из средних звеньев зигзагообразно изогнутого сцинтиллятора. Перед указанным рабочим окном двумерного позиционно-чувствительного детектора расположена щелевая структура 303 (на проекции в верхней части Фиг.4 двумерный детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Щелевая структура 303 имеет щели 304, длинные стороны которых ортогональны осевой линии двумерного детектора, т.е. прямолинейным участкам зигзагообразной осевой линии 405 сцинтиллятора. Вдоль направления указанной осевой линии двумерного позиционно-чувствительного детектора осуществляется поступательное перемещение (показанное стрелками 406) щелевой структуры 303 относительно двумерного детектора с помощью средства для контролируемого перемещения (на Фиг.4 не показано). Расстояние d₄ между серединами соседних щелей 304 щелевой структуры 303 - не менее интервала линейного разрешения детектора на основе сцинтиллятора 401, а ширина Δ₄ щелей - меньше (предпочтительно - значительно меньше) интервала линейного разрешения детектора на основе сцинтиллятора. Как и в предыдущем случае, целесообразно небольшое превышение размеров щелевой структуры над размерами рабочего окна двумерного детектора, чтобы при перемещении щелевой структуры относительно детектора его окно не выходило за пределы щелевой структуры

При использовании детектирующего узла по Фиг.4 двумерный позиционно-чувствительный детектор должен быть ориентирован своим рабочим окном ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. В соответствии с принципом действия используемого позиционно-чувствительного детектора определяется положение места падения кванта излучения вдоль изогнутой осевой линии 405 сцинтиллятора. При известных размерах прямолинейных и изогнутых участков сцинтиллятора это позволяет определить тот прямолинейный участок, на который упал квант излучения, и координату места падения кванта вдоль данного участка. Эта координата является одной из искомых декартовых координат места падения кванта, а положение упомянутого прямолинейного участка определяет вторую координату (с точностью до расстояния между соседними прямолинейными участками). Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла обеспечивается повышение разрешающей способности по первой из указанных координат до величины, определяемой шириной щели.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.5, содержит двумерный позиционно-чувствительный детектор со сцинтиллятором 501, выполненным в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, уложенным в форме плоской спирали (см., например, [4]). Рабочее окно данного двумерного позиционно-чувствительного детектора образовано поверхностью спирально уложенного сцинтиллятора. Под осевой линией рабочего окна этого двумерного детектора можно понимать спиральную осевую линию 505 сцинтиллятора. Перед рабочим окном данного двумерного позиционно-чувствительного детектора расположена щелевая структура 503 в виде множества щелей 504, радиально расходящихся от центра, совпадающего с центром указанной плоской спирали (на проекции в верхней части фигуры 5 двумерный детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Щелевая структура 503 имеет щели 504, большие стороны которых ортогональны осевой линии двумерного детектора, т.е. упомянутой осевой линии 505 спирально уложенного сцинтиллятора 501. Для перемещения ортогонально этому направлению осуществляется поворот (на Фиг.5 показан изогнутой стрелкой 506) щелевой структуры 503 относительно двумерного детектора вокруг оси, проходящей через центр спирали перпендикулярно плоскости чертежа, с помощью средства для контролируемого перемещения (на Фиг.5 не показано). Расстояние d₅ между серединами соседних щелей 504 щелевой структуры 503 в любом месте должно быть не менее интервала линейного разрешения детектора на основе сцинтиллятора 501, а ширина Δ₅ щелей - меньше (предпочтительно - значительно меньше) расстояния между щелями и интервала линейного разрешения детектора.

При использовании детектирующего узла по Фиг.5 двумерный позиционно-чувствительный детектор должен быть ориентирован своим рабочим окном ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. В соответствии с принципом действия используемого двумерного позиционно-чувствительного детектора определяется положение места падения кванта излучения вдоль изогнутой осевой линии 505 сцинтиллятора. При известных геометрических размерах спирали это позволяет определить номер витка спирали, на который приходится зафиксированное падение кванта излучения, и положение места падения кванта вдоль данного витка. Двум названным величинам, как нетрудно видеть, соответствуют две координаты: расстояние от центра (т.е. радиус соответствующего витка спирали) и полярный угол полярной системы координат. Первая из указанных координат определяется с точностью до расстояния по радиусу между осевыми линиями соседних витков спирали. Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла обеспечивается повышение разрешающей способности по второй координате, т.е. полярному углу, до величины, определяемой шириной щели (а именно отношением этой ширины к радиусу соответствующего витка спирали).

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.6, содержит позиционно-чувствительный детектор со сцинтиллятором 601, выполненным в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, навитым в виде спирали в один слой на непроницаемый для ионизирующего излучения стержень 606 (см., например, [4]). Рабочее окно позиционно-чувствительного детектора детектирующего узла в данном случае образовано наружной поверхностью навитого в виде спирали сцинтиллятора, а осевой линией рабочего окна является спиральная осевая линия 605 сцинтиллятора. Рабочее окно позиционно-чувствительного детектора окружено щелевой структурой, расположенной на пути возможного падения квантов ионизирующего излучения. На верхней и нижней проекциях на Фиг.6 позиционно-чувствительный детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга. Щелевая структура представляет собой цилиндрический экран 603, непроницаемый для ионизирующего излучения, соосный с цилиндрическим стержнем 606. В экране 603 выполнены щели 604, имеющие наклон относительно образующих цилиндрического экрана, равный углу подъема спирали, в виде которой навит сцинтиллятор 601. Благодаря такому наклону обеспечивается ортогональность длинных сторон щелей направлению осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. Перемещение щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора, показанное стрелкой 607, с сохранением указанной ортогональности достигается путем поворота экрана вокруг его оси, совпадающей, как было отмечено, с осью цилиндрического стержня 606, на который навит сцинтиллятор. Средство для контролируемого перемещения, с помощью которого осуществляется указанный поворот, на Фиг.6 не показано. Расстояние d₆ между серединами соседних щелей 604 щелевой структуры 603 должно быть не менее интервала линейного разрешения детектора на основе сцинтиллятора 601, а ширина Δ₆ щелей - меньше (предпочтительно - значительно меньше) расстояния между щелями.

При использовании детектирующего узла по Фиг.6 в соответствии с принципом действия входящего в его состав позиционно-чувствительного детектора определяется положение места падения кванта излучения вдоль изогнутой осевой линии 605 сцинтиллятора 601. При известных геометрических размерах спирали это позволяет определить номер витка спирали, на который приходится зафиксированное падение кванта излучения, и положение места падения кванта вдоль данного витка. Двум названным величинам в данном случае, как нетрудно видеть, соответствуют две цилиндрические координаты: расстояние вдоль оси стержня 606 и угол в плоскости, перпендикулярной оси стержня 606. Первая из указанных координат определяется с точностью до расстояния между осевыми линиями соседних витков спирали. Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла обеспечивается повышение разрешающей способности по второй координате, т.е. по указанному углу, до величины, определяемой отношением ширины щели к радиусу цилиндрического экрана 603.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.7, содержит одномерный позиционно-чувствительный детектор 701, выполненный в виде расположенных в ряд по одной прямой чувствительных к ионизирующему излучению элементов 706. Совокупность поверхностей элементов 706 образует рабочее окно одномерного позиционно-чувствительного детектора 701. В качестве направления осевой линии окна позиционно-чувствительного детектора может рассматриваться направление осевой линии 705, проходящей через центры чувствительных элементов 706. Перед рабочим окном позиционно чувствительного детектора 701 расположена щелевая структура 103, длинные стороны щелей 104 которой ортогональны осевой линии 705 (на верхней проекции, на Фиг.7 позиционно-чувствительный детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Большими стрелками 707 показана возможность поступательного перемещения щелевой структуры 103 относительно позиционно-чувствительного детектора 701 с помощью средства для контролируемого перемещения (на Фиг.7 не показано). Позиционно-чувствительный детектор 701 должен быть ориентирован своим рабочим окном ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. Расстояние d₇ между серединами соседних щелей 104 щелевой структуры 103 должно быть не менее интервала разрешения детектора (примерно равного расстоянию между серединами соседних чувствительных элементов 706 детектора или размеру чувствительного элемента), а ширина Δ₇ щелей - меньше (предпочтительно - значительно меньше) указанного интервала (размера линейного размера чувствительного элемента 706).

При использовании детектирующего узла по Фиг.7 одномерный позиционно-чувствительный детектор 701 должен быть ориентирован своим рабочим окном ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. В соответствии с принципом действия используемого одномерного позиционно-чувствительного детектора по положению чувствительного элемента, для которого зафиксировано наличие кванта излучения, координата места падения кванта может быть определена с точностью до размера одного элемента. Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла указанная координата может быть уточнена до текущего положения щели, расположенной напротив этого элемента. При этом достигаемая разрешающая способность определяется шириной щели, т.е. может быть значительно лучше, чем размер чувствительного элемента.

Предлагаемый детектирующий узел при его выполнении, показанном на Фиг.8, содержит двумерный позиционно-чувствительный детектор 801 в виде прямоугольной матрицы чувствительных к ионизирующему излучению элементов 806 и представляет собой совокупность рядов таких элементов. Совокупность поверхностей чувствительных элементов образует рабочее окно двумерного позиционно-чувствительного детектора. Перед рабочим окном двумерного позиционно-чувствительного детектора расположена щелевая структура 803 (на проекции в верхней части Фиг.8 двумерный детектор и щелевая структура показаны отдельно друг от друга). Щелевая структура 803 имеет щели 804, длинная сторона которых ортогональна осевым линиям рядов чувствительных элементов 806. Любая из них, например осевая линия 805 одного из средних рядов чувствительных элементов, может считаться осевой линией окна данного двумерного позиционно-чувствительного детектора. Вдоль направления этой линии осуществляется поступательное перемещение (показанное большими стрелками 807 на Фиг.8) с помощью средства для контролируемого перемещения (на Фиг.8 не показано) щелевой структуры относительно двумерного детектора. Расстояние d₈ между соседними щелями щелевой структуры 803 должно быть не менее расстояния между серединами соседних чувствительных элементов в ряду двумерного позиционно-чувствительного детектора 801, а ширина Δ₈ щелей 804 - меньше (предпочтительно - значительно меньше) линейного размера чувствительного элемента 806 в ряду.

При использовании детектирующего узла по Фиг.8 позиционно-чувствительный детектор 801 должен быть ориентирован своим рабочим окном ортогонально по отношению к ожидаемому направлению исследуемого потока ионизирующего излучения. В соответствии с принципом действия используемого позиционно-чувствительного детектора декартовы координаты места падения кванта излучения определяются по положению того чувствительного элемента, для которого зафиксировано наличие кванта излучения. Эти координаты определяются с точностью до размера одного чувствительного элемента 806 матрицы. Благодаря описанным особенностям конструкции предлагаемого детектирующего узла достигается повышение разрешающей способности для одной из этих координат - той, которая ортогональна длинным сторонам щелей щелевой структуры.

Если данный детектирующий узел дополнить второй щелевой структурой, аналогичной первой и расположенной перед нею, но имеющей ортогональную по отношению к ней ориентацию щелей и снабженной средством для контролируемого поступательного перемещения в направлении, ортогональном направлению перемещения первой щелевой структуры, то может быть достигнуто повышение разрешающей способности по обеим координатам. Это становится возможным благодаря перемещению отверстий, образуемых пересечениями щелей двух указанных структур относительно чувствительных элементов детектора при взаимно ортогональном перемещении обеих структур. При этом каждое отверстие может быть помещено в любое положение относительно чувствительных элементов и может быть определено распределение интенсивности излучения с разрешающей способностью, соответствующей размеру отверстия, т.е. ширине одной щели. Такой же результат может быть получен, если вместо двух взаимно ортогональных щелевых структур перед рабочим окном детектора поместить экран, непрозрачный для исследуемого излучения, с множеством отверстий, размер которых меньше размера элемента разрешения детектора (в данном случае - размера одного чувствительного элемента), а расстояние между центрами отверстий - не менее этого размера. Отверстия могут быть любой формы, например, круглые или квадратные, но необязательно такие. Однако для любого их размера должно соблюдаться указанное соотношение с размером элемента разрешения детектора. Предпочтительно равномерное расположение отверстий, аналогичное матричному расположению чувствительных элементов детектора, чтобы на каждый такой элемент приходилось одно отверстие. Детектирующий узел в этом случае должен иметь средство для поступательного перемещения указанного экрана по любой из двух координат, т.е. вдоль рядов чувствительных элементов детектора и в направлении, перпендикулярном ориентации рядов.

Аналогичная конструкция возможна и для детектирующего узла с одномерным позиционно-чувствительным детектором в виде одного ряда чувствительных элементов (Фиг.7) при использовании экрана с одним рядом отверстий. В этом случае детектирующий узел с одномерным детектором становится двумерным с размером рабочего окна по одной координате, равным размеру одного чувствительного элемента, а по другой - общему размеру ряда чувствительных элементов.

Такой же подход применим и в отношении детектирующего узла с детектором, вообще не обладающим позиционной чувствительностью. В этом случае экран имеет одно отверстие, меньшее рабочего окна детектора, а детектирующий узел тоже становится двумерным.

Если детектирующий узел предназначен только для определения положения координат пиков распределения интенсивности излучения, то может быть применена конструкция с двумя указанными выше взаимно ортогональными щелевыми структурами, в которой предусмотрена возможность работы в двух режимах - при наличии перед рабочим окном детектора только первой структуры и при дополнительном размещении второй структуры перед первой. В этом случае в результате сканирования, произведенного перемещением первой структуры при отсутствии перед нею второй структуры, определяется положение пиков по первой координате. Затем для каждого из положений первой щелевой структуры, соответствующих найденным значениям первой координаты пиков, определяется значение второй координаты в процессе перемещения по этой координате второй щелевой структуры, размещенной перед первой. Быстродействие детектирующего узла в этом случае существенно повышается.

Ниже приведены примеры выполнения предлагаемого детектирующего узла со средством для перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора для нескольких частных случаев выполнения детектирующего узла и пример его использования в одном из этих случаев для получения распределения интенсивности принимаемого ионизирующего излучения по угловой координате.

На Фиг.9 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.1, вместе со средством для поступательного перемещения щелевой структуры относительно линейного одномерного позиционно-чувствительного детектора. Это средство содержит подвижную часть - ползун 912 и неподвижную часть - направляющую 913 типа "ласточкин хвост". Направляющая 913 жестко закреплена на корпусе детектора 101 над его окном 102. Ползун 912 предназначен для крепления на нем щелевой структуры и установлен на направляющей 913. Указанное средство содержит также линейный шаговый электродвигатель 914, закрепленный на направляющей 913. Линейный шаговый электродвигатель 914 жестко связан своим штоком 915 с ползуном 912 и обеспечивает перемещение ползуна с закрепленной на нем щелевой структурой 103 на заданное расстояние вдоль осевой линии 105 окна детектора (перемещение показано стрелкой).

Возможно также выполнение средства для перемещения щелевой структуры относительно детектора в "ручном" режиме. В этом случае данное средство вместо линейного шагового электродвигателя 914 содержит микрометрический винт, соединенный толкателем с ползуном 912. Такая конструкция позволяет вручную перемещать ползун со щелевой структурой 103 на требуемое расстояние относительно окна детектора 101 путем вращения головки микрометрического винта.

Кроме того, средство для перемещения щелевой структуры относительно окна детектора может быть выполнено на обычном однокоординатном силовом приводе с шаговым электродвигателем, обеспечивающим шаг порядка 5 мкм, путем закрепления привода на детекторе, а щелевой системы - на ползуне привода.

На Фиг.10 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.2, вместе со средством для перемещения щелевой структуры относительно одномерного изогнутого по радиусу позиционно-чувствительного детектора. Это средство содержит изогнутые направляющую 1013 и ползун 1012, предназначенный для закрепления на нем щелевой структуры 203. Ползун 1012 установлен на направляющей 1013, закрепляемой на корпусе детектора 201. На направляющей 1013 установлен также линейный шаговый электродвигатель 914, который своим штоком 915 соединен с ползуном 1012 и обеспечивает перемещение последнего вместе со щелевой структурой в направлении, показанном стрелкой. Возможность перемещения изогнутого ползуна по изогнутой направляющей с помощью линейного шагового электродвигателя объясняется весьма малым отношением перемещения к радиусу изгиба. При такой величине этого отношения перемещение стыка ползуна со штоком шагового электродвигателя является квазилинейным.

На Фиг.11 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.6, вместе со средством для перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора для определения направления падения квантов излучения в цилиндрической системе координат. Вращательное перемещение щелевой структуры (цилиндрического экрана 603 со щелями 604) вокруг непроницаемого для исследуемого излучения стержня 606 с навитой на нем спиралью сцинтиллятора (на данном чертеже не показана) осуществляется при помощи шагового электродвигателя 1114 через зубчатую передачу 1116.

На Фиг.12 показан детектирующий узел, иллюстрируемый Фиг.8, вместе со средством для перемещения щелевой структуры относительно двумерного матричного позиционно-чувствительного детектора. Это средство содержит закрепленную на корпусе детектора 801 направляющую 1213 с ползуном 1212 и установленный на этой направляющей линейный шаговый электродвигатель 914. Шток 915 линейного шагового электродвигателя связан с ползуном 1212. На ползуне 1212 закреплена щелевая структура 303, перемещаемая вместе с ползуном в направлении, показанном стрелкой.

На Фиг.13 приведен пример использования детектирующего узла, иллюстрируемого Фиг.1 и 9, при проведении дифрактометрических измерений в рентгеновском диапазоне.

Излучение от рентгеновской трубки 1317 направляется на исследуемый объект 1318 и дифрагирует от него под углами, определяемыми кристаллической структурой вещества исследуемого объекта. Дифрагированное излучение принимается линейным позиционно-чувствительным детектором 101. Линейный шаговый электродвигатель 914 последовательно перемещает ползун 912 с установленной на нем щелевой структурой (на данном чертеже не показана) по направляющей 913 относительно окна позиционно-чувствительного детектора 101. Поступающие с выхода детектора сигналы обрабатываются в электронном блоке 1319, содержащем электронную систему для определения на основе анализа выходных сигналов детектора координат места падения квантов ионизирующего излучения на рабочее окно. Информация с выхода электронного блока 1319 поступает на средство 1320 отображения информации. Последнее воспроизводит в графическом виде и/или в форме таблиц результат измерения распределения интенсивности излучения вдоль окна детектора, или, что то же самое, в угловом секторе дифрагированного излучения. В автоматическом режиме с выхода электронного блока 1319 могут подаваться управляющие сигналы на шаговый электродвигатель 914 для осуществления перемещения ползуна 912 со щелевой структурой. Каждое очередное перемещение осуществляется через интервал времени, достаточный для накопления статистически приемлемого количества квантов излучения и обработки результатов наблюдения. Описанные информационные и управляющие связи на Фиг.13 показаны широкими линиями. Такую же роль выполняют электронные блоки при использовании детектирующего узла в описываемых ниже и всех других частных случаях его выполнения. Одинаковым для всех случаев является и описываемый ниже возможный вариант логики обработки сигналов в электронном блоке.

"Ручной" вариант управления может быть реализован при применении вместо шагового электродвигателя микрометрического винта.

На Фиг.14 приведен пример использования детектирующего узла, иллюстрируемого Фиг.2 и 10, при проведении дифрактометрических измерений в рентгеновском диапазоне. Данный случай отличается от предыдущего только использованием изогнутого по радиусу позиционно-чувствительного детектора вместо линейного и соответственно использованием криволинейных направляющей и ползуна. Излучение рентгеновской трубки 1317, дифрагированное на исследуемом объекте 1318, принимается изогнутым по радиусу позиционно-чувствительным детектором 201. Линейный шаговый электродвигатель 914 последовательно перемещает ползун 1012 с установленной на нем щелевой структурой (на данном чертеже не показана) по изогнутой направляющей 1013 относительно окна позиционно-чувствительного детектора 201. Поступающие с выхода детектора сигналы обрабатываются в электронном блоке 1319, информация с выхода которого поступает на средство 1320 отображения информации.

В описанных и других случаях использования предлагаемого детектирующего узла применимы электронные блоки, в которых при определении координат места падения квантов излучения реализуются традиционные алгоритмы обработки выходных сигналов детектора, основанные на подсчете обнаруженных квантов излучения, попавших в рабочее окно позиционно-чувствительного детектора, с распределением их по каналам, соответствующим координате вдоль рабочего окна детектора (см. [2]). Особенность обработки может заключаться, например, в том, что для каждого возможного положения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора заранее назначается канал, соответствующий середине щели, и все кванты, зарегистрированные при этом положении, относятся к указанному каналу. Благодаря этому обеспечивается "привязка" всех квантов к положению щели с точностью, ограничиваемой только механическими средствами, задающими или определяющими текущее положение щели.

На Фиг.15 приведен пример использования детектирующего узла, иллюстрируемого Фиг.8 и 12, при исследовании двумерного распределения интенсивности излучения, рассеянного исследуемым объектом. На исследуемый объект 1318 падает излучение рентгеновской трубки 1317. Рассеянное излучение принимается двумерным позиционно-чувствительным детектором 801 матричного типа. Прежде чем попасть на чувствительные элементы детектора, рассеянное излучение проходит через щелевую структуру 303, установленную на ползуне 1212, перемещаемом с помощью линейного шагового электродвигателя 914 по не показанной на данном чертеже направляющей в направлении стрелки. Поступающие с выхода детектора 801 сигналы обрабатываются в электронном блоке 1319, информация с выхода которого поступает на средство 1320 отображения информации.

На Фиг.16-18 представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных для проверки эффективности детектирующего узла в случае, представленном на Фиг.13. Горизонтальная координата соответствует координате вдоль окна одномерного линейного позиционно-чувствительного детектора, а расстояние от нее по вертикали - измеренному значению интенсивности излучения. Масштаб по одноименным координатам на всех трех фигурах одинаков. Исследовалось отражение от кристаллографической плоскости (111) кремния. Расстояние образец - детектор составляло 110 мм.

На Фиг.16 показано "истинное" распределение интенсивности излучения, измеренное с помощью детектора с весьма высокой разрешающей способностью.

На Фиг.17 представлено распределение, полученное при использовании детектора с относительно невысокой разрешающей способностью (порядка 250 микрон), а на Фиг.18 - распределение, полученное при использовании этого же детектора, перед окном которого была расположена щелевая структура с шириной щелей 50 микрон. Щелевая структура перемещалась с шагом 25 микрон.

Как видно из сравнения Фиг.16 и 18, получен профиль распределения интенсивности, практически соответствующий истинному. Максимумы этого распределения соответствуют линиям Кα1 и Кα2 Cu (использовалась рентгеновская трубка с медным анодом), хотя расстояние между этими линиями для расстояния образец-детектор 110 мм равно 139 микрон, т.е. существенно меньше размеров, разрешаемых использованным детектором. На Фиг.17 указанные линии не разрешаются.

Таким образом, использование детектирующего узла предлагаемой конструкции позволяет разделить близко лежащие пики исследуемого распределения интенсивности ионизирующего излучения при расстоянии между ними, меньшем разрешающей способности используемого позиционно-чувствительного детектора.

Кажущееся уменьшение быстродействия детектирующего узла, вызванное необходимостью механического перемещения щелевой структуры, компенсируется благодаря следующему обстоятельству. Известно, что принцип действия электронных схем, обрабатывающих выходные сигналы позиционно-чувствительного детектора, требует игнорирования квантов, падающих на детектор до окончания обработки каждого текущего кванта. Поэтому в известном детектирующем узле, в котором для падающих квантов открыто сразу все рабочее окно позиционно-чувствительного детектора, значительная часть квантов, падающих на любой ограниченный участок рабочего окна, не используется. Это приводит к необходимости увеличивать время наблюдения, чтобы получить статистически достоверное количество квантов, участвующих в обработке и получении искомого распределения интенсивности ионизирующего излучения. В предлагаемом детектирующем узле количество квантов, падающих в единицу времени на рабочее окно позиционно-чувствительного детектора, ограничивается благодаря описанной конструкции, содержащей щелевую структуру. Поэтому при прочих равных условиях из квантов, попадающих на участок рабочего окна, соответствующий одной щели, участвует в обработке большая их часть, чем для того же участка рабочего окна в известном детектирующем узле. Увеличение этого количества в среднем соответствует отношению расстояния между соседними щелями к ширине щели. Поэтому для накопления статистически достаточного количества квантов для каждого текущего положения щелевой структуры относительно рабочего окна позиционно-чувствительного детектора требуется в соответствующее число раз меньшее время, чем при использовании неподвижного известного детектирующего узла. Благодаря этому для получения искомого распределения интенсивности ионизирующего излучения в пределах, соответствующих размеру рабочего окна позиционно-чувствительного детектора, в среднем требуется такое же время, как при использовании известного детектирующего узла. Дополнительно следует отметить, что в известном детектирующем узле разрешающая способность не может быть повышена путем увеличения времени наблюдения, так как она ограничена наличием факторов, принципиально присущих конструкции позиционно-чувствительного детектора.

Источники информации

1. Спектрометрические детекторы рентгеновского излучения. Обзорная информация. Серия ТС-6. "Аналитические приборы и приборы для научных исследований". Выпуск 6. М.: Информприбор, 1987, с.9-16.

2. Рентгенотехника. Справочник. Под общ. ред. В.В.Клюева. Книга 2. М.: Машиностроение. 1992, с.35-39.

3. Патент США №5510622, опубл. 23.04.96.

4. Патент РФ №1145778, опубл. 10.05.96.

Перечень цифровых обозначений

№№ позицийОбозначаемый элементФигуры чертежей, на которых показан такой элемент   101Одномерный линейный позиционно-чувствительный детектор1, 3, 9, 13102Окно линейного одномерного детектора 1011, 9103Щелевая структура, используемая совместно с линейным одномерными детекторами 101 или 701 (имеющая короткие щели, достаточные для перекрытия по ширине окна одного одномерного детектора)1, 7, 9104Щель щелевой структуры 1031, 7105Осевая линия окна линейного одномерного детектора 1011, 3, 9106Направление движения щелевой структуры 1031   201Одномерный изогнутый по радиусу позиционно-чувствительный детектор2, 10202Окно одномерного изогнутого детектора 2012203Щелевая структура, используемая совместно с изогнутым детектором 201 (имеющая, как и структура 103, короткие щели, но в отличие от нее изогнутая).2, 10, 14204Щель, выполненная в изогнутой щелевой структуре 2032205Осевая линия окна изогнутого одномерного детектора 1012206Направление поворота щелевой структуры 2032207Осевые линии щелей 2042208Ось цилиндрической поверхности окна 2022   303Щелевая структура, используемая совместно с детектором, состоящим из нескольких детекторов 101, или совместно со сцинтиллятором 401, или совместно с матричным детектором 801, имеющая в отличие от структуры 103 длинные щели для перекрытия окон нескольких детекторов 101 или нескольких параллельных отрезков сцинтиллятора 401, или нескольких рядов матричного двумерного детектора 8013, 4, 8, 12, 15304Щели щелевой структуры 3033, 4, 8306Направление движения щелевой структуры 303 относительно детектора, состоящего из нескольких детекторов 1013   401Сцинтиллятор в виде плоской зигзагообразной кривой4405Осевая линия зигзагообразного сцинтиллятора 4014406Направление движения щелевой структуры 303 относительно сцинтиллятора 4014   501Сцинтиллятор в виде спирали5503Щелевая с радиальными щелями, используемая совместно со сцинтиллятором 5015504Радиальная щель структуры 5035505Осевая линия спирального сцинтиллятора 5015506Направление поворота щелевой структуры 503 относительно спирального сцинтиллятора 5015   601Сцинтиллятор, навитый на цилиндрический стержень6603Цилиндрический экран со щелями6, 11604Щель в цилиндрическом экране 6036, 11605Осевая линия навитого на стержень сцинтиллятора 6016606Цилиндрический стержень6, 11607Направление поворота экрана 6036   701Одномерный позиционно-чувствительный детектор в виде одного ряда чувствительных элементов 7067705Осевая линия детектора 701 706Чувствительный элемент одномерного детектора 701 или матричного двумерного детектора 8017.8   801Двумерный позиционно-чувствительный детектор в виде матрицы чувствительных элементов 7068, 12, 15805Осевая линия среднего ряда элементов матричного двумерного детектора 8018807Направление движения щелевой структуры 303 относительно матричного детектора 8018   913Направляющая, установленная на корпусе линейного детектора 1019, 13912Ползун для перемещения щелевой структуры 103 с короткими щелями по направляющей 913 относительно линейного детектора 1019, 13914Линейный шаговый электродвигатель9, 10, 12, 13, 14, 15915Шток линейного шагового электродвигателя 9149, 10, 12   1013Изогнутая (в отличие от 913) направляющая, установленная на корпусе изогнутого детектора 20110, 141012Изогнутый (в отличие от 912) ползун для перемещения изогнутой щелевой структуры 203 по изогнутой направляющей 1013 относительно изогнутого детектора10, 14   1114Шаговый электродвигатель (не линейный в отличие от двигателя 914)111116Зубчатая передача    1212Ползун для перемещения щелевой структуры 303 с длинными щелями по направляющей 1213 относительно матричного детектора 80112, 151213Направляющая для ползуна 1212 щелевой структуры с длинными щелями, установленная на корпусе матричного детектора 80112   1317Рентгеновская трубка13, 14, 151318Исследуемый объект13, 14, 151319Электронный блок для анализа выходных сигналов детектора13, 14, 151320Средство отображения информации13, 14, 15

Предложенное изобретение относится к средствам для детектирования ионизирующего излучения, а именно к конструкции детектирующего узла для получения распределения интенсивности принимаемого ионизирующего излучения по пространственной или угловой координате. Данное изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении разрешающей способности детектирующего узла ионизирующего излучения. В наиболее общем варианте своего конструктивного исполнения детектирующий узел ионизирующего излучения содержит позиционно-чувствительный детектор, имеющий рабочее окно для приема квантов ионизирующего излучения и щелевую структуру из непроницаемого для ионизирующего излучения материала, расположенную перед рабочим окном позиционно-чувствительного детектора и имеющую щели, ортогональные осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора. При этом расстояние между серединами соседних щелей щелевой структуры не менее интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора, а ширина щели - менее этого интервала, кроме того, указанный детектирующий узел ионизирующего излучения содержит средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора с сохранением ортогональности щелей щелевой структуры и осевой линии окна позиционно-чувствительного детектора. 8 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.

1. Детектирующий узел ионизирующего излучения, содержащий позиционно-чувствительный детектор, имеющий рабочее окно для приема квантов ионизирующего излучения, отличающийся тем, что он снабжен щелевой структурой из непроницаемого для ионизирующего излучения материала, расположенной перед рабочим окном позиционно-чувствительного детектора и имеющей щели, ортогональные осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора, при этом расстояние между серединами соседних щелей щелевой структуры не менее интервала линейного разрешения позиционно-чувствительного детектора, а ширина щели - менее этого интервала, кроме того, указанный детектирующий узел ионизирующего излучения содержит средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора с сохранением ортогональности щелей щелевой структуры и осевой линии окна позиционно-чувствительного детектора.2. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является одномерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде линейного газоразрядного счетчика, содержащего прямолинейную анодную нить, размещенную перед плоским окном в корпусе-катоде, при этом направление осевой линии окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с направлением ортогональной проекции анодной нити линейного газоразрядного счетчика на его окно, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поступательного перемещения.3. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является одномерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде изогнутого по радиусу газоразрядного счетчика, содержащего анодную нить в виде дуги окружности, размещенную перед окном в корпусе-катоде, которое имеет цилиндрическую поверхность, соосную с цилиндрической поверхностью, проходящей через указанную дугу окружности, при этом осевая линия рабочего окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с центральной проекцией анодной нити на окно изогнутого по радиусу газоразрядного счетчика, а средство контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поворота вокруг оси указанной цилиндрической поверхности.4. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде набора уложенных параллельно друг другу в одной плоскости одномерных позиционно-чувствительных детекторов, каждый из которых выполнен в виде линейного газоразрядного счетчика, содержащего прямолинейную анодную нить, размещенную перед плоским окном в корпусе-катоде, рабочее окно позиционно-чувствительного детектора образовано совокупностью окон указанных линейных газоразрядных счетчиков, при этом направление осевой линии рабочего окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с ортогональной проекцией анодной нити одного из указанных линейных газоразрядных счетчиков, расположенных в средней части указанного набора, на окно этого детектора, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поступательного перемещения.5. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором, содержащим сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, уложенный в виде плоской зигзагообразной кривой, содержащей параллельные друг другу прямолинейные участки, соединенные изогнутыми участками, рабочее окно позиционно-чувствительного детектора образовано совокупностью указанных прямолинейных участков, при этом направление осевой линии окна рабочего позиционно-чувствительного детектора совпадает с осевой линией одного из указанных прямолинейных линейных участков, соответствующих средней части указанной зигзагообразной кривой, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поступательного перемещения.6. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором для определения места падения квантов ионизирующего излучения на рабочее окно позиционно-чувствительного детектора в полярной системе координат, содержащим сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, уложенный в виде плоской спирали, образующей рабочее окно позиционно-чувствительного детектора, его осевой линией является осевая линия указанной плоской спирали, щелевая структура выполнена в виде множества щелей, радиально расходящихся от центра, совпадающего с центром указанной плоской спирали, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости указанной спирали и проходящей через ее центр.7. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является позиционно-чувствительным детектором для определения места падения квантов ионизирующего излучения на рабочее окно позиционно-чувствительного детектора в цилиндрической системе координат, содержащим сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода с пристыкованными к его концам фотоприемниками, навитый в один слой в виде спирали на непроницаемый для ионизирующего излучения цилиндрический стержень, рабочее окно позиционно-чувствительного детектора образовано наружной поверхностью указанного навитого в виде спирали сцинтиллятора, осевой линией рабочего окна является спиральная осевая линия сцинтиллятора, щелевая структура представляет собой цилиндрический экран, соосный с указанным цилиндрическим стержнем, в этом цилиндрическом экране выполнены щели, имеющие наклон относительно образующих цилиндрического экрана, равный углу подъема указанной спирали, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их вращения вокруг оси, совпадающей с осью указанного цилиндрического стержня.8. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является одномерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде одномерной матрицы расположенных в ряд по одной прямой чувствительных к ионизирующему излучению элементов, совокупность поверхностей которых образует рабочее окно позиционно-чувствительного детектора, направление осевой линии окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с направлением осевой линии, проходящей через центры указанных чувствительных элементов, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поступательного перемещения.9. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор является двумерным позиционно-чувствительным детектором, выполненным в виде образующей двумерную прямоугольную матрицу совокупности рядов чувствительных к ионизирующему излучению элементов, совокупность поверхностей которых образует рабочее окно позиционно-чувствительного детектора, направление осевой линии окна позиционно-чувствительного детектора совпадает с направлением осевой линии, проходящей через центры указанных чувствительных элементов, принадлежащих одному из средних рядов указанной матрицы, а средство для контролируемого перемещения щелевой структуры относительно позиционно-чувствительного детектора выполнено с возможностью их поступательного перемещения.