ДЕТЕКТИРУЮЩИЙ УЗЕЛ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к средствам для регистрации ионизирующих излучений, более конкретно к детектирующим узлам ионизирующих излучений, а именно к детектирующим узлам, позволяющим определять координаты места падения квантов регистрируемого ионизирующего излучения на рабочее окно.

Известен детектирующий узел ионизирующего излучения по авт. св. СССР №1278692 (опубл. 23.12.1986 [1]). Этот детектирующий узел содержит детектирующий элемент, не обладающий позиционной чувствительностью, перед рабочим окном которого установлен пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения. Пространственно-временной модулятор выполнен в виде двумерной матрицы параллельных капилляров, совершающей колебательное движение под воздействием средства, осуществляющего управление этим движением. Характер данного движения таков, что в каждый момент времени в пределы рабочего окна детектирующего элемента попадает излучение с выхода только одного капилляра, в результате чего осуществляется сканирование части пространства, расположенной перед рабочим окном детектирующего элемента. Выходы детектирующего элемента и средства, управляющего колебательным движением матрицы капилляров, подключены к средству обработки выходного сигнала детектирующего элемента. В этом средстве осуществляется временная "привязка" сигнала, соответствующая закону сканирования, и формируется картина искомого распределения интенсивности исследуемого излучения по пространственной координате. Разрешающая способность этого детектирующего узла определяется поперечным размером одного капилляра упомянутой матрицы и может быть достаточно высокой.

Однако режим работы данного детектирующего узла энергетически невыгоден. Одновременно с увеличением разрешающей способности уменьшается энергия излучения, воздействующего на детектирующий элемент, так как на него падает малая часть исследуемого излучения, проходящая в каждый момент времени только через один капилляр.

Известен также детектирующий узел по патентной заявке США №20020031202 (опубл. 14.03.2002 [2]). Этот детектирующий узел, как и предыдущий, содержит детектирующий элемент, не обладающий позиционной чувствительностью, перед рабочим окном которого установлен пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения, соединенный со средством управления им. Выход детектирующего элемента и средства управления им подключены к средству обработки выходного сигнала детектирующего элемента, формирующему картину искомого распределения интенсивности исследуемого излучения по пространственной координате. Пространственно-временной модулятор представляет собой совокупность не перекрывающих друг друга окон, расположенных перед рабочим окном детектирующего элемента. В каждом окне имеется механически управляемый элемент, периодически открывающий и закрывающий это окно для исследуемого ионизирующего излучения. Благодаря тому, что частоты переключения для разных окон различны, в средстве обработки выходного сигнала детектирующего элемента могут быть выделены составляющие этого сигнала, соответствующие каждому из окон. В этом детектирующем узле по сравнению с предыдущим обеспечивается значительно лучшее использование энергии исследуемого излучения. Благодаря тому, что все окна "работают" одновременно, в среднем через эти окна на рабочее окно детектирующего элемента могут проникать до 50% квантов исследуемого излучения.

Детектирующий узел, известный из патентной заявки [2], наиболее близок к предлагаемому. Его недостатком является невысокая разрешающая способность, определяемая размером отдельного окна пространственно-временного модулятора. Количество окон не может быть большим (а, следовательно, их размеры не могут быть малыми) вследствие механического принципа управления прозрачностью каждого из окон в отдельности. По этой же причине частоты переключения окон не могут быть высокими. Вследствие этого при большом количестве окон и, соответственно, составляющих выходного сигнала детектирующего узла их частотное разделение было бы затруднено. Это объясняется тем, что при невысоких частотах механического переключения присутствующие в выходном сигнале гармоники рабочих частот одних окон могут быть близки к рабочим частотам других окон, переключаемых с более высокими частотами. Но даже если бы названные трудности были преодолены, разрешающая способность этого детектирующего узла принципиально не могла бы быть лучше размера одного окна пространственно-временного модулятора.

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении разрешающей способности детектирующего узла без ухудшения энергетических показателей.

Предлагаемый детектирующий узел, как и указанный известный, содержит детектирующий элемент, не обладающий позиционной чувствительностью. Перед рабочим окном детектирующего элемента установлен пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения, соединенный со средством управления им. Детектирующий узел содержит также средство обработки выходного сигнала детектирующего элемента для получения искомого распределения интенсивности исследуемого излучения. Это средство соединено с выходом детектирующего элемента и средством управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения.

Для получения указанного технического результата в предлагаемом детектирующем узле в отличие от указанного известного пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения выполнен в виде подвижного экрана, имеющего неоднородную прозрачность по его площади. Средство для управления пространственно-временным модулятором выполнено с возможностью линейного перемещения указанного экрана параллельно рабочему окну детектирующего элемента, а неоднородность прозрачности указанного экрана имеет место в направлении перемещения. При этом средство обработки выходного сигнала детектирующего элемента выполнено с возможностью осуществления математической операции обратной свертки с функцией, описывающей распределение неоднородности прозрачности экрана в направлении его перемещения.

Подвижный экран пространственно-временного модулятора ионизирующего излучения может быть выполнен с периодической неоднородностью его прозрачности, период которой равен размеру рабочего окна детектирующего элемента в направлении перемещения экрана. В этом случае средство обработки выходного сигнала детектирующего элемента выполнено с возможностью осуществления операции обратной свертки, являющейся циклической обратной сверткой.

Указанный экран может быть выполнен с окнами, совокупность которых образует неоднородность прозрачности в виде URA-массива.

В предлагаемом детектирующем узле доля энергии исследуемого излучения, воспринимаемого детектирующим элементом, пропорциональна интегральной прозрачности части экрана, находящейся в каждый момент времени перед рабочим окном этого элемента. При указанном выше выполнении экрана пространственно-временного модулятора работоспособность детектирующего узла обеспечивается при интегральной прозрачности экрана как ниже, так и выше 50%. Поэтому доля энергии исследуемого ионизирующего излучения, участвующего, в конечном счете, в формировании электрического выходного сигнала детектирующего элемента, несущего информацию об искомом распределении интенсивности ионизирующего излучения, является примерно такой же, как и в наиболее близком известном устройстве. Однако принцип информационного кодирования указанного сигнала совершенно иной, так как обусловлен движением картины неоднородного распределения прозрачности упомянутого экрана. Совершенно иным является и принцип извлечения указанной информации из выходного сигнала детектирующего элемента. Он обеспечивается благодаря выполнению средства обработки выходного сигнала детектирующего элемента с возможностью операции обратной свертки этого сигнала как функции времени с функцией, описывающей распределение неоднородности прозрачности. Сочетание названных принципов кодирования и извлечения информации обеспечивает получение разрешающей способности, существенно более высокой, чем размер окна в механическом пространственно-временном модуляторе ионизирующего излучения в известном устройстве, наиболее близком к предлагаемому. Кроме того, благодаря тем же факторам разрешающая способность не зависит от размера неоднородности в распределении прозрачности экрана.

При выполнении неоднородности прозрачности подвижного экрана периодически могут быть проведены несколько циклов измерения без возвращения экрана в исходное положение.

При выполнении экрана с отверстиями, в совокупности образующими неоднородность прозрачности в виде URA-массива, максимизируется отношение сигнал/шум.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами:

- на фиг.1 схематически изображен предлагаемый детектирующий узел,

- фиг.2а и 2б поясняют математические соотношения, описывающие работу детектирующего узла.

Детектирующий узел (фиг.1) содержит детектирующий элемент 5, не обладающий позиционной чувствительностью. Рабочее окно детектирующего элемента 5 при его ориентации, показанной на чертеже, обращено вниз (его положение показано стрелкой 18; конструктивные элементы, ограничивающие рабочее окно, на чертеже не показаны). Перед рабочим окном 18 на пути потока излучения 3, распределение интенсивности которого по пространственной координате подлежит измерению, установлен пространственно-временной модулятор - экран 6. Последний имеет возможность поступательного перемещения параллельно рабочему окну детектирующего элемента. Для этого экран 6 связан со средством 19 управления пространственно-временным модулятором, осуществляющим его перемещение. Кроме того, экран 6 имеет неоднородную прозрачность в направлении его перемещения. Благодаря названным свойствам подвижный экран 6 является пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения, т.е. интенсивность излучения, прошедшего через экран, в каждой точке рабочего окна зависит от координат этой точки и времени. Это имеет место даже при равномерной в пределах рабочего окна и постоянной во времени интенсивности исследуемого излучения 3. Выход детектирующего элемента 5 соединен со средством 23 обработки выходного сигнала детектирующего элемента. Средство 23 связано также со средством 19 для перемещения экрана, которое выполняет функцию средства управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения. Благодаря этой связи средство 23 обработки располагает информацией о текущем положении экрана 6. Связь средства 23 со средством 19 изображена двунаправленной стрелкой. Этим показано, что в частном случае средство 23 может выполнять и функцию управления средством 19, а последнее в этом случае является просто средством для приведения экрана в движение. В этом случае средство 23 обработки располагает информацией о текущем положении экрана 6, так как выдает команды на изменение этого положения.

Детектирующий узел работает следующим образом.

Излучение 3 падает на экран 6. Часть его, определяемая прозрачностью экрана 6, попадает в рабочее окно 18 детектирующего элемента 5. Выходной сигнал детектирующего элемента определяется интегральным воздействием этой части излучения. Так как экран 6 движется относительно рабочего окна детектирующего элемента, а прозрачность его неоднородна, упомянутое интегральное воздействие в каждый момент времени различно. Поэтому выходной сигнал детектирующего элемента 5 является функцией времени. Этот сигнал поступает в средство 23 и подвергается обработке для нахождения искомой функции, описывающей распределение интенсивности падающего излучения по пространственной координате.

В частном случае подвижный экран 6 может иметь периодически повторяющуюся неоднородность его прозрачности с периодом, соответствующим размеру рабочего окна детектирующего элемента в направлении перемещения экрана. Это позволяет провести несколько циклов измерения при движении экрана в одном направлении. Так как в любом случае размер показанного на фиг.1 экрана 10 в направлении его движения ограничен, для обеспечения многократного проведения измерений должна иметься возможность возвращать экран в исходное положение, т.е. он должен совершать возвратно-поступательное движение.

Далее рассмотрим описанные процессы с математической точки зрения с учетом функции средства 23 обработки выходного сигнала детектирующего элемента, осуществляющего математическую операцию обратной свертки этого сигнала как функции времени с функцией, описывающей распределение неоднородности прозрачности экрана 6 в направлении его перемещения.

На фиг.2а изображены распределение прозрачности экрана в виде зависимости Н(х) в системе координат, связанной с экраном 6, и искомое распределение интенсивности излучения I(х') в виде зависимости от координаты х' в системе координат, связанной с детектирующим элементом 5. Взаимное положение упомянутых систем координат на фиг.2а соответствует начальному моменту времени t=0. Функция Н(х) не обязательно должна иметь дискретный характер, показанный на фиг.2а, но, как будет ясно из дальнейшего, такой характер является предпочтительным.

Экран движется относительно детектирующего элемента со скоростью V, поэтому при направлении перемещения, показанном на фиг.1 стрелкой 8, в некоторый произвольный момент времени t система координат, связанная с экраном, займет положение, показанное на фиг.2б. В этот момент ее начало в неподвижной системе, связанной с детектирующим элементом, будет иметь координату х'=vt.

На детектирующий элемент в произвольной точке рабочего окна, имеющей координату s, воздействует излучение, интенсивность которого пропорциональна произведению интенсивности I(s) падающего излучения 3 в точке с этой координатой на величину, характеризующую прозрачность экрана в точке, находящейся напротив указанной точки рабочего окна детектирующего элемента. Как видно из фиг.2б, в системе координат, связанной с экраном, эта точка будет иметь координату x=x'-s, т.е. прозрачность соответствует величине H(x'-s). Поэтому упомянутое произведение интенсивности на прозрачность пропорционально величине I(s)H(x'-s). Очевидно, что для нахождения выходного сигнала С(х') детектирующего элемента нужно произвести интегрирование по всем возможным значениям s:

(Бесконечные пределы интегрирования здесь и далее указаны формально, в действительности при значениях s, выходящих за пределы рабочего окна детектирующего элемента, подынтегральная функция равна нулю, поскольку соответствующая часть потока 3 не воздействует на детектирующий элемент).

Напомним смысл этого выражения. Оно соответствует выходному сигналу в момент времени t, когда движущийся со скоростью v экран смещен из своего начального положения на величину

Выражение (1), как следует из формы его записи, описывает не что иное, как математическую операцию свертки (конволюции) двух функций: искомого распределения интенсивности излучения и функции распределения неоднородности прозрачности экрана, играющей в данном случае роль весовой функции в операции свертки (см., например, Математический энциклопедический словарь, Москва, "Советская энциклопедия", 1988, с.538 [3]). Так как указанная функция известна, в результате осуществления в средстве 23 операции обратной свертки (деконволюции) над функцией, описывающей изменение выходного сигнала детектирующего элемента, получают искомое распределение интенсивности излучения по координате х':

где Н^-1(х') - восстанавливающая функция, соответствующая весовой функции Н(х') (здесь "-1" является не показателем степени, а обозначением весовой функции для операции обратной свертки).

Данная математическая задача, относящаяся к классу обратных некорректных задач, исследована и решена в работе [4] (А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач, Москва, "Наука", 1986). Фундаментальным требованием к функции H(x') распределения прозрачности экрана является отличие ее от константы. Если это требование выполняется, то возможно обратное преобразование. Решение этой задачи основано на так называемой регуляризации. Суть такого решения проще всего пояснить с использованием частотного подхода.

Если F[C(x')] - Фурье-образ выходного сигнала детектирующего элемента, а F[H(x')] - Фурье-образ распределения прозрачности экрана, то Фурье-образ искомого распределения интенсивности излучения равен:

где λ - коэффициент регуляризации,

а искомое распределение интенсивности равно:

где F¹[...] - оператор обратного частотного преобразования.

Поэтому Фурье-образ восстанавливающей функции равен:

а сама восстанавливающая функция равна:

Следовательно, роль коэффициента регуляризации λ заключается в "защите" от деления на малые величины. Его конкретное значение выбирают в зависимости от характера функции F[H(x')]. Более детальное разъяснение сути регуляризации можно найти в [4].

При практической реализации с использованием цифровой вычислительной техники выходной сигнал детектирующего элемента 5 дискретизируют по времени в средстве 23 обработки. Поэтому непрерывное интегрирование заменяется суммированием дискретизированных величин. В дискретизированном виде выходной сигнал детектирующего элемента 5 равен:

где N - количество дискретных отсчетов,

а искомое распределение интенсивности излучения, падающего на детектирующий элемент, -

Нахождение дискретных значений восстанавливающей функции Н^-1(...) можно обеспечить на основе знания дискретного распределения прозрачности экрана Н(...) и регуляризирующего подхода, описанного в [4] и поясненного выше, совместно с дискретным преобразованием Фурье.

Приведенное выше изложение относилось к так называемой апериодической свертке, соответствующей непериодическому рисунку неоднородной прозрачности экрана 6. Этот рисунок может быть также периодическим с периодом, равным размеру рабочего окна детектирующего элемента 5 в направлении движения экрана. В этом случае данные, являющиеся результатом дискретизации выходного сигнала детектирующего элемента, можно представить расположенными циклически с периодом повторения N. Математически этому случаю соответствуют преобразования, описываемые с помощью операций циклической свертки и обратной циклической свертки:

где mod[..., N] означает вычисление значения по модулю N от указанной величины. При этом, чем с большей частотой произведена дискретизация выходного сигнала детектирующего элемента, тем с большим разрешением будет получено искомое распределение интенсивности излучения.

Таким образом, разрешающая способность при прочих равных условиях определяется частотой дискретизации выходного сигнала детектирующего элемента. Так как функция, описывающая распределение прозрачности экрана, известна, то для получения распределения интенсивности излучения с более высоким разрешением требуется всего лишь увеличить частоту дискретизации сигнала.

В условиях наличия шумов, что соответствует реальной практической ситуации, целесообразна оптимизация выбора функции свертки, например, по критерию максимума отношения сигнал/шум для каждого отдельного дискретного значения искомого распределения интенсивности излучения. Для этого случая возможно решение задачи в дискретной форме на основе использования массивов, описывающих распределение прозрачности экрана 6, с плоскими боковыми лепестками в циклических автокорреляционных функциях (так называемых URA-массивов, см. патент США 4563583, опубл. 07.01.1986 [5]). Эти массивы построены на основе функций Уолша, которые могут принимать только значения 0 и 1. Для таких массивов известны восстанавливающие функции Н^-1 (...) [5], которые принимают только значения (-1) и (+1). Кроме того, известно, что максимальное значение указанного выше критерия (отношения сигнал/шум) достигается для массивов URA, обладающих эффективной прозрачностью по отношению к исследуемому излучению, равной 50% (то есть число единиц составляет 50% от общей длины массива). Использование массивов URA, соответствующих другим коэффициентам прозрачности (большим или меньшим 50%), не нарушает работоспособности, но понижает отношение сигнал/шум.

С учетом сказанного выше экран предпочтительно должен иметь последовательность полностью прозрачных или непрозрачных участков, условно изображаемую как последовательность единиц и нулей, типа 10100111001.... Экран можно изготовить из материала с высоким атомным номером (свинец, вольфрам и т.д.). Изготовление экрана с описанным видом неоднородности по прозрачности несложно и сводится к проделыванию отверстий в нужных местах экрана. Средство для перемещения экрана может быть выполнено на основе линейного (для дискретного перемещения - шагового) электродвигателя.

Так как размер экрана в направлении движения ограничен, для обеспечения многократного проведения измерений должна иметься возможность возвращать экран в исходное положение, т.е. в этом случае он совершает возвратно-поступательное движение. Применяемый электродвигатель для этого должен быть реверсируемым.

Как следует из приведенного выше описания, позиционно-чувствительный детектирующий узел с высокой разрешающей способностью может быть реализован на основе единственного детектирующего элемента, не обладающего позиционной чувствительностью. Этот элемент должен иметь рабочее окно с размерами, соответствующими требуемой протяженности области, для которой нужно определить распределение интенсивности ионизирующего излучения.

Источники информации

1. Авт. св. СССР №1278692, опубл. 23.12.1986.

2. Патентная заявка США №20020031202, опубл. 14.03.2002.

3. Математический энциклопедический словарь. Москва, "Советская энциклопедия", 1988, с.538.

4. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач. Москва, "Наука", 1986.

5. Патент США 4563583, опубл. 07.01.1986.

Изобретение относится к средствам для регистрации ионизирующих излучений, а именно к детектирующим узлам, позволяющим определять координаты места падения квантов регистрируемого ионизирующего излучения на рабочее окно. Данное изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении разрешающей способности детектирующего узла, не ограничиваемой размерами окон прозрачности пространственно-временного модулятора, без ухудшения энергетических показателей. Детектирующий узел ионизирующего излучения содержит детектирующий элемент, не обладающий позиционной чувствительностью, пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения, установленный перед рабочим окном детектирующего элемента на пути потока исследуемого излучения, распределение интенсивности которого по пространственной координате подлежит измерению, средство для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения и средство для обработки выходного сигнала детектирующего элемента, соединенное с выходом детектирующего элемента и средством для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения, при этом пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения выполнен в виде подвижного экрана, имеющего неоднородную прозрачность, средство для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения выполнено с возможностью линейного перемещения указанного подвижного экрана параллельно рабочему окну детектирующего элемента, неоднородность прозрачности указанного подвижного экрана имеет место в направлении перемещения, а средство для обработки выходного сигнала детектирующего элемента выполнено с возможностью осуществления математической операции обратной свертки указанного сигнала как функции времени с функцией, описывающей распределение неоднородности прозрачности указанного подвижного экрана, для получения искомого распределения интенсивности исследуемого излучения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Детектирующий узел ионизирующего излучения, содержащий детектирующий элемент, не обладающий позиционной чувствительностью, пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения, установленный перед рабочим окном детектирующего элемента на пути потока исследуемого излучения, распределение интенсивности которого по пространственной координате подлежит измерению, средство для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения и средство для обработки выходного сигнала детектирующего элемента, соединенное с выходом детектирующего элемента и средством для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения, при этом пространственно-временной модулятор ионизирующего излучения выполнен в виде подвижного экрана, имеющего неоднородную прозрачность, средство для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения выполнено с возможностью линейного перемещения указанного подвижного экрана параллельно рабочему окну детектирующего элемента, неоднородность прозрачности указанного подвижного экрана имеет место в направлении перемещения, а средство для обработки выходного сигнала детектирующего элемента выполнено с возможностью осуществления математической операции обратной свертки указанного сигнала как функции времени с функцией, описывающей распределение неоднородности прозрачности указанного подвижного экрана, для получения искомого распределения интенсивности исследуемого излучения.2. Детектирующий узел по п.1, отличающийся тем, что средство для управления пространственно-временным модулятором ионизирующего излучения выполнено с возможностью обеспечения возвратно-поступательного движения указанного подвижного экрана.3. Детектирующий узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанный подвижный экран выполнен с периодически повторяющейся неоднородностью его прозрачности, период которой равен размеру рабочего окна детектирующего элемента в направлении перемещения экрана, при этом средство обработки выходного сигнала детектирующего элемента выполнено с возможностью осуществления математической операции обратной свертки, являющейся циклической обратной сверткой.4. Детектирующий узел по п.3, отличающийся тем, что указанный подвижный экран выполнен с окнами, образующими неоднородность прозрачности в виде URA-массива.