РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 2014 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сцинтилляционным датчикам, основанных на фильтрации рентгеновского излучения и может применяться в медицинских томографах, рентгеновских досмотровых системах, а также в устройствах для анализа спектрального состава рентгеновского и гамма излучения.

Действие детекторов основано на фильтрации рентгеновского излучения с помощью набора металлических фольг или отдельных элементов детектора, расположенных ближе к источнику. R.G. Waggener, M.M. Blough, J.A. Terry, et al., «Х-ray spectra estimation using attenuation measurements from 25 kVp to 18 MV», Med. Phys. 26 (1999) 1269; C. Avila, J. Lopez, J.C. Sanabria, G. Baldazzi, et al., «Contrast cancellation technique applied to digital x-ray imaging using silicon strip detectors», Med. Phys. 32 (2005) 3755.

Восстановление спектра пришедшего на детектор излучения осуществляют в энергетических окнах путем математической процедуры с учетом калибровочных данных.

Известен анализатор рентгеновского излучения, содержащий плоскую малогабаритную сборку из четырех термолюминесцентных детекторов, помещенных в полиэтиленовый контейнер. Байгарин К.А., Зинченко В.Ф., Лихолат В.М., Тимофеев В.В. Анализатор рентгеновского излучения на основе термолюминесцентных детекторов. Атомная энергия. 1991. N70. Вып.6. С.410.

Известен анализатор рентгеновского излучения, содержащий вакуумированный корпус с входным окном из невакуумноплотного, слабопоглощающего материала, например лавсана. Корпус заполнен слабопоглощающим электроположительным газом, например, водородом. Отпаянный детектор рентгеновского излучения с тонким невакуумноплотным окном заполнен рабочим газом неоном или аргоном. Патент Российской Федерации №2030736, МПК: G01N 23/223, 1995 г.

Недостатками вышеуказанных анализаторов рентгеновского излучения является громоздкость конструкций, необходимость работы с вакуумными или отпаянными системами, возможность использования лишь для мягкого рентгеновского излучения.

Известен анализатор рентгеновского излучения, содержащий корпус, термолюминесцентные детекторы и фильтры рентгеновского излучения, расположенные в ячейках, с корпусом из двух частей, причем в сквозных ячейках одной из частей расположены фильтры, зафиксированные от выпадения прижимной пластиной. Каждый детектор расположен в ячейке, выполненной в съемной пробке, установленной в отверстии другой части корпуса соосно с фильтром, а корпус и прижимная пластина выполнены из материала с атомным номером, близким к атомному номеру детекторов. Патент Российской Федерации №2177629, МПК: G01T 1/36, 2001 г.

Известно устройство для поиска источников, определения направления на него и измерения спектра гамма-излучения источника, содержащее блок индикации, блок измерения, блок сравнения и детектирующий блок, состоящий из цилиндрического экрана и более трех детекторов. Оно снабжено анализатором импульсов и оптоэлектронным преобразователем, соединенным электрически с анализатором и оптически с экраном, причем экран выполнен в виде сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2169380, МПК: G01T 1/16, 2001 г.

Недостатками аналогов являются большие габариты, сложность конструктивного исполнения и невозможность сконструировать координатно-чувствительный мульти-энергетический анализатор с пространственным разрешением ~1 мм.

Известен рентгеновский анализатор, выполненный из плоских элементов, содержащих слой сцинтиллятора, нанесенный на подложку или введенный в ее состав и волоконно-оптические элементы, на концах которых установлены фотоприемники, в котором слой сцинтиллятора расположен вдоль направления распространения излучения, непрозрачен в этом направлении и прозрачен в перпендикулярном направлении, а подложка выполнена в виде сотовой структуры. Патент Российской Федерации №2388015, МПК: G01T 1/00, 2009 г. Прототип.

Недостатком прототипа является невозможность его применения при наличии в спектре падающего на него излучения рентгеновских квантов с энергией вблизи K-края фотоэлектрического поглощения и/или с энергией, соответствующей рождении в сцинтилляторе электрон-позитронных пар.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Задачей изобретения является: расширение спектрального диапазона, в котором может применяться сцинтилляционный спектрозональный датчик рентгеновского и гамма излучений, упрощение технической реализации и процедуры измерений, обеспечение измерения спектров импульсных излучений, повышение точности восстановления спектра.

Техническим результатом изобретения является определение спектра рентгеновского излучения в диапазоне от 0,3 кэВ до 1,0 МэВ с помощью одного датчика, упрощение технической реализации и процедуры измерений, обеспечение измерения спектров импульсных излучений.

Технический результат достигается тем, что в рентгеновском анализаторе, выполненном из плоских элементов, содержащих слои сцинтиллятора, расположенные вдоль направления распространения излучения, не прозрачные в этом направлении и прозрачные в перпендикулярном направлении, и подложки в виде сотовой структуры, слои сцинтиллятора выполнены в виде расположенных друг за другом сцинтилляционных пластин из полистирола протяженностью не менее 3 мм, CaF₂ протяженностью не менее 2 мм, ZnO протяженностью не менее 2 мм, CsI протяженностью не менее 8 мм и BGO протяженностью не менее 15 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически представлен сцинтилляционный спектрозональный датчик рентгеновского и гамма излучения, где: 1 - сцинтиллятор, составленный из нескольких пластин из различных сцинтилляционных материалов, 2 - позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, 3 - первичная электроника, 4 - коллиматор. Стрелкой 5 показано направление распространения излучения.

Датчик содержит сцинтилляционные пластины 1, расположенные вдоль направления распространения излучения, на боковой поверхности сцинтилляционных пластин 1 расположено позиционно-чувствительное фотоприемное устройство 2, работающее в режиме накопления сигнала (токовом режиме).

Излучение поступает на торцевую поверхность сцинтилляционных пластин 1 через коллиматор 4, служащий для формирования угловой расходимости пучка таким образом, чтобы излучение не проходило через боковую поверхность сцинтилляционных пластин 1. При взаимодействии рентгеновских квантов с материалом сцинтилляционных пластин 1 в них образуются электроны, которые возбуждающие сцинтилляционные вспышки.

Фотоны от сцинтилляционных вспышек попадают на позиционно-чувствительное фотоприемное устройство 2, где образуют фотоэлектроны. Количество фотонов во вспышке пропорционально энергии, выделенной электроном.

Для измерения пространственного распределения энерговыделения в сцинтилляционных пластинах 1 на позиционно-чувствительное фотоприемное устройство 2 попадают только сцинтилляционные фотоны, которые распространяются перпендикулярно поверхности сцинтилляционных пластин 1.

Это обеспечивают с использованием: порошкового сцинтиллятора; сцинтиллятора, состоящего из набора пластин, разделенных светоотражающими или светопоглощающими перегородками; или матричного сцинтиллятора, например, волоконного; или оптического коллиматора, устанавливаемого между пластинами сцинтиллятора 1 и позиционно-чувствительным фотоприемным устройством 2.

В качестве позиционно-чувствительного фотоприемного устройства 2 в датчике могут использоваться фотодиодные линейки, ПЗС-матрицы, двухкоординатные ФЭУ, оптические хронографы.

Широко распространенным фотоприемным устройством является фотодиодная линейка. В основном применяют два типа фотодиодных линеек. В досмотровых системах используют линейки высотой 0,3-1.6 мм с межцентровым расстоянием между соседними фотодиодами (шаг считывания) в пределах 0,2-1,6 мм. При этом длина линейки принимает два значения: 51,2 мм и 102,4 мм.

Фотодиодные линейки, применяемые в спектрометрии, содержат более 10³ фотодиодов высотой до 4 мм и минимальным шагом считывания 6,25 мкм в бескорпусном исполнении на одном термостабилизированном основании V.A. Labusov, «Setup complexes for atomic-emission spectral analysis based on grand spectrometer», Chemistry and Materials Science. Inorganic Materials Volume 45, Number 14, 1529-1536, DOI: 10.1134/S0020168509140039; V.A. Labusov, L.N. Mazalov, S.V. Fomenko, D.O. Selyunin, A.V. Bekhterev, «Multichannel Linear Detector for X-ray Spectroscopy», Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing (Avtometriya), 2009, N3, v.45, p.53-61.

Квантовая эффективность этих линеек в оптическом диапазоне превышает 50%, а нелинейность фотоотклика измерительного канала не превышает 0,5%. Динамический диапазон выходных сигналов измерительных каналов составляет 10⁴.

Важным условием корректного восстановления спектра в энергетических окнах по пространственному распределению сигнала в пластинах сцинтиллятора 1 является выбор материала пластин.

Необходимо, чтобы энергетическая зависимость коэффициента линейного ослабления µ(Е) в сцинтилляторе для падающего на него излучения не имела экстремумов и характеризовалась максимально возможной производной.

Если коэффициенты линейного ослабления в соседних энергетических окнах µ(E_i) отличаются недостаточно по сравнению со статистической неопределенностью измеряемого сигнала, то восстановление спектра становится либо неточным, либо невозможным.

Для всех сцинтилляторов зависимость µ(Е) имеет один и тот же характер. При малых энергиях µ(E) быстро падает, затем меняется сравнительно слабо и, наконец, начинает расти. Указанные области соответствуют различным механизмам ослабления излучения. В начале основным механизмом является фотопоглощение, затем неупругое рассеяние и, наконец, рождение электрон-позитронных пар. В общем случае в зависимости сечения от энергии существуют две области энергий, в которых имеют место экстремумы. Первая область - это область скачков в фотопоглощении, вторая - переходная область между неупругим рассеянием и рождением электрон-позитронных пар.

Скачки в зависимости µ(E) в области фотопоглощения имеют место при значениях энергии, определяемых энергией связи электронов атомов, входящих в состав сцинтиллятора. Необходимо, чтобы левая граница спектра падающего на сцинтиллятор излучения E_min лежала выше энергии К-края полосы поглощения E_K-edge (E_min>E_K-edge) самого тяжелого атома из входящих в состав сцинтиллятора, за исключением атомов активатора, концентрация которых обычно достаточно мала.

Правая граница спектра падающего на сцинтиллятор излучения E_max должна быть ограничена сверху энергией E_e-e, при которой заметный вклад в сцинтилляционный сигнал начинает вносить рождение электрон-позитронных пар. Величина E_e-e составляет несколько МэВ в случае сцинтилляторов, содержащих атомы с большим зарядом электронной оболочки и >10 МэВ в случае малого заряда.

В определенном таким образом интервале энергий (E_min, E_max) основными видами взаимодействия рентгеновского излучения с веществом является фотопоглощение и неупругое рассеяние, причем сечение фотопоглощения характеризуется более выраженной зависимостью от энергии, чем сечение неупругого рассеяния. Поэтому в области преимущественного ослабления излучения за счет фотопоглощения, спектр восстанавливается более точно, чем при неупругом рассеянии. В качестве правой границы этой области принята энергия E_ф-к, при которой сечение фотопоглощения сравнивается с сечением неупругого рассеяния. В переходной области (Е_ф-к, Е_е-е) µ(E) меняется сравнительно слабо и поэтому при разбиении спектра на энергетические группы может оказаться целесообразным представлять эту область энергий одной группой.

В таблице 1 приведены определенные выше значения E_К-край, Е_ф-к, а также E_e-e для применяемых в датчике сцинтилляторов.

Таблица 1 № п/п Сцинтиллятор E_К-край, кэВ E_ф-к, кэВ E_е-е, МэВ 1 Полистирол (пластмасса) ≈0.3 ≈20 >10 2 CaF₂ (керамика) ≈4.1 ≈60 >10 3 ZnO (керамика) ≈9.8 ≈120 >10 4 CsI (кристалл) ≈37 ≈300 ≈5 5 BGO (кристалл) ≈91 ≈470 ≈3

Из таблицы 1 видно, что значения E_К-край для полистирола, CaF₂ и ZnO находятся в области практически мало используемых энергий (Е<10 кэВ). Для CsI и BGO значения E_К-край составляют, соответственно, ≈37 кэВ и ≈91 кэВ и находятся в широко используемой области энергий. Для представленных в таблице сцинтилляторов значений E_ф-к для предыдущего по порядку сцинтиллятора существенно больше значения E_К-край для последующего. Размещение этих пластин сцинтилляторов последовательно друг за другом по мере увеличения E_К-край позволяет при достаточной толщине пластин практически полностью (примерно, в 10⁴-10⁵ раз) удалить из спектра кванты с энергией в области значений E_К-край для последующих сцинтилляторов. Из приведенных в таблице 1 данных следует, что для составного сцинтиллятора диапазон энергий (E_К-край, E_ф-к), который может быть сравнительно точно восстановлен, лежит в области 0,3 кэВ - 470 кэВ, а возможный энергетический диапазон, в котором не нарушается работа датчика лежит в области 0,3 кэВ - 3 МэВ.

Восстановление спектра излучения основано на решении переопределенной системы линейных уравнений:

C∗A=B,

где C - восстанавливаемый спектр, вектор столбец с элементами с, равными числу фотонов в i-й энергетической группе восстанавливаемого спектра,

A - калибровочная матрица с элементами a _ij равными среднему сигналу, вызываемому фотоном i-й группы в j-м элементе (пикселе) фотоприемного устройства, которое определяется калибровочными измерениями и (или) расчетом,

B - сигнал в j-м элементе (вектор-строка).

Для оценки влияния на точность восстановления спектра статистики сигнала в элементах датчика, количества выбранных энергетических окон и спектрального диапазона падающего на датчик излучения была использована группа расположенных друг за другом сцинтилляционных пластин 1 с поперечным сечением 0,8×0,8 мм, из полистирола, CaF₂, ZnO, CsI и BGO протяженностью, соответственно, 3 мм, 2 мм, 2 мм, 8 мм и 15 мм.

Рентгеновский пучок падает вдоль оси расположенных друг за другом сцинтилляционных пластин 1, а пространственное распределение разрешение датчика составляет 100 мкм.

Оценки проведены для трех различных спектров (10÷50) кэВ, (50÷250) кэВ и (10÷250) кэВ, характеризующихся равномерным энергетическим распределением. Все спектры разбиты на пять энергетических групп. В последнем случае расчеты были выполнены еще и для 10 групп (число в скобках в таблице 2). Относительное стандартное отклонение сигнала, просуммированного по всех пикселям %RSDS, варьировалось в пределах от 0,1% до 10%. В таблице 2 представлены максимальные значения относительного стандартного отклонения %RSDⁱ для числа квантов в энергетических группах восстановленного спектра при %RSDS=1%.

Таблица 2 Диапазон энергий, кэВ 10÷50 50÷250 10÷250 %RSDⁱ <14% <10% <4% (28%)

Из представленных в таблице 2 результатов видно, что величина %RSDⁱ тем меньше, чем больше отличаются значения µ(E_i) в соседних энергетических группах.

Величина %RSDⁱ находится в прямой зависимости от %RSDS в диапазоне 0,1%÷10%. При восстановлении спектра в пяти энергетических окнах в области широко используемых энергий (10-250) кэВ относительное стандартное отклонение для числа частиц в отдельной группе может быть менее 10% при 1% статистической точности интегрального сигнала и менее при лучшей статистике. В случае излучения со спектром в более узком энергетическом диапазоне количество применяемых в датчике сцинтилляторов может быть уменьшено. При наборе пластин с значением энергии E_ф-к, при которой коэффициент линейного ослабления за счет фотоэффекта сравнивается с сечением неупругого рассеяния, для данного сцинтиллятора и его длина обеспечивает эффективное выведение из пучка квантов с энергией E_К-край, соответствующей К-краю фотопоглощения для последующей пластины сцинтиллятора, а вероятность рождения электрон-позитронных пар в каждой из пластин была пренебрежимо мала возможен и другой подбор материала пластин.

Использование: для исследования объектов посредством рентгеновского излучения. Сущность: заключается в том, что рентгеновский анализатор выполнен из плоских элементов, содержащих слои сцинтиллятора, расположенные вдоль направления распространения излучения, непрозрачные в этом направлении и прозрачные в перпендикулярном направлении, и подложки в виде сотовой структуры, при этом слои сцинтиллятора выполнены в виде расположенных друг за другом сцинтилляционных пластин из полистирола протяженностью не менее 3 мм, CaF₂ протяженностью не менее 2 мм, ZnO протяженностью не менее 2 мм, CsI протяженностью не менее 8 мм, BGO протяженностью не менее 15 мм. Технический результат: обеспечение возможности определения спектра рентгеновского излучения в диапазоне от 0,3 кэВ до 1,0 МэВ с помощью одного датчика, упрощение технической реализации и процедуры измерений, обеспечение измерения спектров импульсных излучений. 1 ил., 2 табл.

Рентгеновский анализатор, выполненный из плоских элементов, содержащих слои сцинтиллятора, расположенные вдоль направления распространения излучения, непрозрачные в этом направлении и прозрачные в перпендикулярном направлении, и подложки в виде сотовой структуры, отличающийся тем, что слои сцинтиллятора выполнены в виде расположенных друг за другом сцинтилляционных пластин из
полистирола протяженностью не менее 3 мм,
CaF₂ протяженностью не менее 2 мм,
ZnO протяженностью не менее 2 мм,
CsI протяженностью не менее 8 мм,
BGO протяженностью не менее 15 мм.