УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ γ-ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G01T1/28 

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано в целях совершенствования техники регистрации гамма-излучения. В заявленном устройстве в качестве чувствительного к гамма-излучению элемента предложена микроканальная пластина (МКП), которая ранее, как показывают результаты патентного поиска уровня техники в данной области, в таком качестве не применялась.

Известно устройство [1] для регистрации γ-излучения, позволяющее получать информацию о пространственном распределении этого излучения. Известное устройство содержит слои сцинтилляторов, микроканальные фотоумножители и матрицы чувствительных анодов, чтобы обеспечить в режиме реального времени отображение ядерных источников. Введение сцинтилляторов обусловлено необходимостью получения оптического сигнала для каналов фотоумножителей. Известная конструкция устройства, в котором происходит преобразование падающего нормально к поверхности сцинтилляторов гамма излучения, обусловлена невозможностью усилить эффект взаимодействия такого излучения с веществом. Процесс усиления переносится на сигнал иной физической природы. Это приводит к усложнению устройства, что является его существенным недостатком. Аналогичное преобразование γ-излучения с помощью сцинтилляторов и усиление имеет место в другом устройстве [2], которое обладает тем же недостатком.

Известна аппаратура для анализа позитронного луча [3]. В ней для обработки информации о дефектах контролируемого образца, которая возникает в виде γ-излучения при облучении образца позитронами, используется германиевый детектор высокой концентрации, а усилению подвергается исходящий с него электрический сигнал, который можно использовать для дальнейшей обработки и получения искомой информации о дефектах контролируемых образцов. Однако известная аппаратура имеет низкое временное разрешение применительно к регистрации заряженных частиц [4].

Известно устройство [5], представляющее собой полупроводниковый микроканальный детектор с внутренним усилением сигнала. Для регистрации слабых потоков световых квантов и заряженных ядерных частиц предложена конструкция детектора, включающая три полупроводниковых слоя. В области одной границы между слоями реализуется режим, близкий к пробою. В этой области достигается усиление сигнала за счет лавинного умножения носителей тока как в лавинно-пролетном диоде. В области другой границы между слоями реализуется режим усиления, аналогичный транзисторному эффекту, В этом заключаются механизмы внутреннего усиления сигнала. Однако известное устройство имеет невысокий уровень регистрации γ-излучения.

Известно устройство одномерной регистрации излучения [6], использующее анод в виде одномерной системы чувствительных элементов вблизи поверхности выходов микроканалов. Сигнал с каждого элемента отдельно усиливается и подвергается цифровой обработке. Имеется режим цифроаналогового преобразования для представления распределения излучения в аналоговом виде. Недостатком устройства является сложность обработки и дискретность отсчета одномерной координаты, которая понижает точность по сравнению с отсчетом вдоль линии задержки.

Известно также устройство [7] для регистрации заряженных частиц, наиболее близкое по техническому результату и принятое в качестве прототипа. Устройство содержит микроканальные пластины, анод в виде комбинации расположенных параллельно друг другу полосковых проводников и плоской линии задержки, блок регистрации. Проводники линии задержки перпендикулярны полосковым проводникам.

Недостатком прототипа является малая чувствительность при регистрации γ-излучения и необходимость применения мишени-конвертора для регистрации такого излучения. Объясняется это тем, что вероятность генерации электрона в канале МКП при «пролетании» гамма-кванта ортогонально плоскости МКП оценивается малой величиной. В работе [8] приведен пример регистрации гамма-излучения с энергией 511 keV с помощью МКП при толщине набора пластин 1 см. Расчеты показывают возможность регистрации 10% потока излучения.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности за счет создания в предложенном устройстве условий, улучшающих отношения сигнал/шум на выходе детектора на МКП, а также существенное упрощение конструкции и ее удешевление. Такой технический результат возможно достигнуть, если нет необходимости иметь двумерную регистрацию. Тогда направление, соответствующее второй координате, может быть использовано для повышения вероятности генерации электронов в каналах МКП при «пролетании» γ-кванта.

Указанный технический результат реализуется двумя вариантами предложенного изобретения.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что в известное устройство, содержащее микроканальные пластины, анод, выполненный в виде плоской линии задержки, блок регистрации, в соответствии с заявленным изобретением дополнительно введен коллиматор, расположенный перпендикулярно поверхностям микроканальных пластин с зазором на 2 мм от их торцов, а щель коллиматора выполнена параллельно поверхностям микроканальных пластин и расположена напротив микроканальной пластины, наиболее удаленной от анода.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в известном устройстве линия задержки выполнена в виде полоскового проводника, изогнутого под прямыми углами в форме меандра, а между соседними проводниками меандра расположены экранирующие полосковые проводники

Первый вариант конкретного выполнения заявленного устройства проиллюстрирован Фиг.1, на которой представлена схема его конструкции. Устройство состоит из блока микроканальных пластин 1,2 (показан блок из 2 пластин), анода в виде плоской спиральной линии задержки 3, блока регистрации 4, коллиматора 5 в виде перпендикулярной поверхностям МКП свинцовой пластины со щелью 6, параллельной этим поверхностям. Щель коллиматора устанавливается у верхнего по чертежу края микроканальной пластины, наиболее удаленной от линии задержки. Ширина щели коллиматора меньше толщины этой микроканальной пластины. Расстояние от коллиматора до торца определяет точность расположения источника излучения в плоскости, проходящей через щель и параллельной плоскости микроканальной пластины. Результаты лабораторных испытаний показали, что оптимальным следует считать расстояние 2 мм при толщине свинцовой пластины коллиматора 10 мм. Выводы от металлизированных поверхностей микроканальных пластин подключаются к резистивному делителю напряжения. Постоянное напряжение U и номиналы резисторов R1-R4 соответствуют рабочему режиму микроканальных пластин. Выводы линии задержки подключены к блоку регистрации 4. Излучение регистрируется с направления 11 вдоль координаты «X».

Второй вариант конкретного выполнения заявленного устройства показан на Фиг.2. Устройство, как и в первом варианте, состоит из блока микроканальных пластин 1, 2 (показан блок из 2 пластин), анода в виде плоской линии задержки 3, блока регистрации 4, коллиматора 5 в виде перпендикулярной поверхностям МКП свинцовой пластины со щелью 6, параллельной этим поверхностям. Щель коллиматора устанавливается у верхнего по чертежу края микроканальной пластины, наиболее удаленной от линии задержки, на расстоянии 2 мм от торца. По второму варианту плоская линия задержки выполнена в виде полоскового проводника 7, изогнутого под прямыми углами в форме меандра, а между соседними проводниками меандра расположены экранирующие полосковые проводники 8. Выводы линии задержки подключены к блоку регистрации 4. Излучение регистрируется в направлении 11.

Описанная во втором варианте линия задержки иногда носит название "желобковый меандр". Ее выбор обусловлен более оптимальной дисперсионной характеристикой (зависимостью фазовой скорости волны от частоты) такой замедляющей системы (ЗС) (Касается зависимости фазовой скорости основной пространственной гармоники поля волны [9]). Оптимальность заключается в более слабой, по сравнению со спиралью, зависимости фазовой скорости от частоты гармонического сигнала, что характерно для ЗС с сигнальным проводником вблизи экрана [9]. Это позволяет с меньшими искажениями передавать вдоль линии импульсы позиционной информации, наведенные электронными сгустками, поступающими с выходной поверхности (в нижней части Фиг.2) блока МКП, что позволяет с большей точностью измерять времена прихода задержанных импульсов к выходам замедляющей системы, а по ним и координату сгустка (вдоль показанной на фигурах продольной оси «X»), определяющую локализацию излучения.

Заявленные варианты устройства работают следующим образом.

Кванты гамма излучения, проходящие через щель коллиматора 6, пронизывают верхнюю (по рисунку часть набора МКП и с вероятностью, пропорциональной размеру набора в направлении излучения 11, приводят к появлению электронов в одном или нескольких каналах МКП. Названная вероятность больше вероятности появления электронов при нормальном падении гамма-излучения на поверхность МКП. Отношение этих вероятностей оценивается отношением размера набора в направлении излучения к толщине набора (размеру набора в направлении, ортогональном плоскостям МКП) и может быть равна «10» или более.

Размещение щели в верхней части набора способствует формированию сгустка электронов почти по всей длине каналов, то есть локализации наиболее интенсивных сгустков.

Сгустки электронов, попадая на поверхность ЗС, вызывают появление в проводниках наведенного тока по механизму, аналогичному явлению электростатической индукции. Аналогия, по мнению заявителя, правомерна, так как выполняется условие квазистационарности и формируются импульсы тока, длительность которых определяется временем пролета сгустка расстояния, расположенного между ЗС и выходной поверхностью МКП. Часть сгустка электронов оседает на сигнальном проводнике. В зависимости от заявленного варианта выполнения этот проводник имеет форму плоской спирали или форму меандра. Другая часть во втором варианте заявленного устройства оседает на проводниках экрана 8, третья часть пролетает между проводниками. Влияние названных частей сгустка электронов на наведенный ток различно. Оседающие на сигнальный проводник электроны вызывают однополярный импульс напряжения в месте оседания; аналогичный импульс на проводнике экрана «закорачивается» на "землю". В момент оседания наведенный ток прекращается. Это является причиной формирования импульсов с коротким задним фронтом. Пролетающая часть сгустка вызывает импульс с более длинным задним фронтом. Оптимизация формы суммарного импульса для нормальной работы блока регистрации 4 проводится подбором расстояния между ЗС и выходной поверхностью МКП. Длительность импульса в основном определяется временем пролета указанного расстояния. Такой импульс напряжения вызывает распространение двух импульсов с половинной энергией в противоположных направлениях к выходам ЗС. Эти импульсы являются сигналами позиционной информации, по их временам прихода к выходам судят о координате сгустка электронов.

Пример конкретного выполнения устройства, на котором экспериментально доказано увеличение чувствительности при подаче γ-излучения в торец МКП по сравнению с нормальным падением, иллюстрирован действующим макетом, показанном на Фиг.3 и Фиг.4, который входит в состав экспериментальной базы Санкт-Петербургского госуниверситета для ядерных исследований, где проходили непосредственные исследования заявленного устройства.

Макет включает прямоугольные микроканальные пластины 12 и расположенную под ними систему съема информации, выполненную на основе планарной линии задержки по первому варианту описанного устройства. Макет смонтирован на круглом фланце 13, который является одной из стенок многофункциональной вакуумной камеры, показанной на Фиг.4. Это позволяет размещать устройство внутри вакуумной камеры под оптимальным углом к падающему излучению. На фланце 13 размещены также вакуумные сигнальные разъемы и высоковольтные разъемы делителя напряжения R1-R4. На переднем плане на боковой поверхности цилиндрической вакуумной камеры смонтировано входное окно 14, закрытое тонкой (100 мкм) медной фольгой. Через такое окно на микроканальные пластины направляется пучок гамма лучей от источника.

Измерение эффективности регистрации излучения источника Cs¹³⁷ при различных углах падения на плоскость МКП дает зависимость, которая представлена в таблице.

№ измерения Угол (°) Интенсивность (относительные единицы) 1 90 15792 2 120 12400 3 150 25663 4 180 226200

Как видно из приведенных экспериментальных данных, при направлении излучения через торец (угол 180°) интенсивность возрастает в 15 раз по сравнению с нормальным падением. Приведенные значения углов соответствует шкале макета. Близкие значения получены при численном моделировании на основе пакета программ GEANT3.

С помощью предложенного устройства можно получать информацию о времени прохождения излучения через детектор с точностью до 0,05 нс и одномерное пространственное разрешение с точностью до 50 мкм, что достижимо при изготовлении линий задержки по технологии, используемой в микроэлектронике.

Указанные характеристики позволяют использовать предложенное изобретение (в двух вариантах) в качестве основного элемента регистрации компактного томографа, используемого, в частности, в медицине для обнаружения патологий, либо, например, в приборах дефектоскопии материалов. Полезным свойством заявленного устройства является высокая угловая чувствительность при сканировании по углу, если исследуется внутренняя структура объектов (в том числе, биологических) радиационными методами. Значительно упрощается индикация излучения и получение на приемном конце информации в цифровом виде по сравнению с известными устройствами, использующими экран-преобразователь, каналы транспортировки излучения в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, радиографические медицинские материалы, коррекцию рассеяния радиации, визуализацию информации на пленке в устройствах компьютерной томографии.

Заявленное изобретение может найти применение не только в устройствах, предназначенных для непосредственной регистрации γ-излучения, но и в приборах, где γ-излучение является результатом взаимодействия других первичных излучений с веществом или биологическим материалом. Примерами могут служить позитронно-эмиссионная томография; исследование и диагностика с помощью радионуклидов и т.д..

Литература.

1. Патент США №5099128, кл. G01S 17/89, 1992.

2. Патент Японии №59202088, кл. G01T 1/20, 1984.

3. Патент Японии №9033461, кл. G01N 23/225, 1997.

4. Патент РФ №2152057, кл. G01T 1/17, 1999.

5. Патент РФ №2212733, кл. H01L 31/10.

6. Патент США №4086486, кл. G01T 1/29, 1976.

7. Патент РФ №2045078, кл. G01T 1/28. (прототип).

8. В.Т.A Me Kee, A.Zihante, A.T.Stewast. MicroChannel plate detector for 0.5 Mev gamma ray. Nucl. Instr. and Meth., A 273 (1988), p.911-915.

9. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. "Сов. радио", 1966.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. Технический результат - упрощение конструкции и использование в качестве чувствительных к излучению элементов микроканальных пластин (МКП). Повышение чувствительности в заявленном устройстве достигается одномерной регистрацией за счет использования направления, соответствующего свободной (второй) ортогональной координате, для взаимодействия γ-квантов с большим количеством вещества по сравнению с нормальным падением на поверхность МКП. Эффект повышения чувствительности оценивается величиной, большей 10, что выявлено проведенными экспериментальными исследованиями. Заявленные варианты устройства отличаются использованием линии задержки для получения сигналов позиционной информации, позволяющей более точно отсчитывать нужные координаты. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для регистрации γ-излучения по первому варианту, включающее микроканальные пластины, анод в виде плоской линии задержки, блок регистрации, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен коллиматор, расположенный перпендикулярно поверхностям микроканальных пластин с зазором не более 2 мм от их торцов, щель коллиматора параллельна поверхностям микроканальных пластин и расположена напротив микроканальной пластины, наиболее удаленной от анода.

2. Устройство для регистрации γ-излучения по второму варианту, включающее микроканальные пластины, анод в виде плоской линии задержки, блок регистрации, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен коллиматор, расположенный перпендикулярно поверхностям микроканальных пластин с зазором не более 2 мм от их торцов, щель коллиматора параллельна поверхностям микроканальных пластин и расположена напротив микроканальной пластины, наиболее удаленной от анода, плоская линия задержки выполнена в виде полоскового проводника, изогнутого под прямыми углами в форме меандра, а между соседними проводниками меандра расположены экранирующие полосковые проводники.