МНОГОКАНАЛЬНАЯ ГАЗОВАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА Российский патент 2014 года по МПК H01J47/02 G01T5/12 

Изобретение относится к области регистрации рентгеновского излучения и может быть использовано для визуализации внутренней структуры объектов в медицинской диагностике, в системах досмотра, дефектоскопии и т.д.

Известен метод, позволяющий отдельно измерять разные участки спектра падающего рентгеновского излучения путем установки 2-х разных детекторов последовательно. Эти решения представлены на рынке различными фирмами, например каталоги:

XDAS V3 1.6 Issue 6, 04 September 2012, Sens-Tech Limited, UK.

http://www. sens-tech.com/assets/media/files/Data%20Sheets/XDAS%20V3%201_6%20Iss6.pdf Dual-Energy X-ray Line Scan Camera С10800 Series. Cat. No. SFAS0023E05. May 2012. Hamamatsu Photonics K.K. Japan. http://jp.hamamatsu.com/resources/products/sys/pdf/eng/e_c10800s.pdf

Недостатками метода являются существенные потери рентгеновских квантов в промежуточных элементах, а также в зазорах между измерительными элементами. Точное совмещение изображений с детекторов затруднительно, т.к. обычно используются разные детекторы с существенно различающимися характеристиками, а также требуется прецизионное совмещение элементов детекторов. Стоимость устройства соответствует стоимости 2-х детекторов. Использование более 2-х последовательных детекторов затруднительно за счет описанных выше сложностей.

Известен метод, позволяющий отдельно измерять разные участки спектра падающего рентгеновского излучения с использованием устройства типа рентгеновского спектрометра, в частности на рынке представлены устройства, позволяющие отдельно измерять 5 участков спектра:

"Multi-Energy X-ray Imaging with Linear CZT Pixel Arrays and Integrated Electronics," 2004 IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. p.4548. - Victoria B. Cajipe, Martin Clajus, Oded Yossifor, Ramaprabhu Jayaraman, Brian Grattan, Satoshi Hayakawa, Robert F. Calderwood and Tumay O. Turner. http://www.novarad.com/nexis.html

Hamamatsu; Energy Differentiation Type 64 CH, CdTe Radiation Line Sensor; С 10413, Dated Aug. 2006, 4 pgs. http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/parts_C/C10413_TAPP1066E02.pdf

Недостатками метода являются очень высокая стоимость устройств даже при небольшом количестве координатных каналов, а также потеря части рентгеновских квантов в зазорах между измерительными элементами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является детектор рентгеновского излучения в рентгенографической установке сканирующего типа, защищенной патентом №2257639. Детектор содержит рентгенопрозрачный корпус, заполненный рабочим газом под высоким давлением, в котором размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку вводимого рентгеновского излучения сплошным анодом и катодом, разделенным на полоски, к которым подключена регистрирующая электроника, а на сплошной анод подано высокое напряжение. В работе установки использован принцип сканирования человека плоским веерообразным лучом. Коллиматор вырезает из излучения трубки плоский веерообразный пучок излучения, который после прохождения через обследуемого регистрируется однокоординатным детектором. Во время обследования трубка, коллиматор и детектор синхронно перемещаются по вертикали. Данные с детектора о распределении излучения вдоль одной "строки" изображения записываются в память. После окончания сканирования весь снимок передается в компьютер и после быстрой обработки изображение появляется на дисплее.

К недостаткам установки можно отнести невозможность измерения отдельных участков спектра падающего рентгеновского излучения, а следовательно, оценивать элементный состав отдельных фрагментов просвечиваемых объектов, в частности оценивать состав материала предметов, содержащихся в багаже при досмотре.

Задачей изобретения является создание устройства, способного измерять энергетические характеристики падающего на него рентгеновского излучения, путем раздельного детектирования участков спектра с разными средними энергиями, и при использовании детектора в сканирующих рентгенографических устройствах получать изображения объекта при разных средних энергиях при выполнении одной процедуры съемки, тем самым решать задачи определения эффективного атомного номера вещества, определения типа просвечиваемого объекта, или повышения четкости изображения деталей объекта.

Технический результат: разделение спектрального диапазона детектора на несколько спектральных зон путем последовательного измерения падающего рентгеновского излучения в геометрически разделенных измерительных объемах газового детектора и соответственно энергетической фильтрации излучения на каждом участке за счет выбывания из исходного спектра зафиксированных рентгеновских квантов.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, содержащем заполненный рабочим газом корпус, прозрачный для рентгеновских лучей, по крайней мере, в месте их ввода, в котором размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку вводимого рентгеновского излучения сплошным анодом и катодом, разделенным на полоски, согласно изобретению полоски катода разделены на независимые элементы, каждый из которых соединен с электроникой регистрации, таким образом, образуя отдельный детектор, и эти элементы образуют, таким образом, матрицу, причем столбцы матрицы ориентированы вдоль рентгеновских лучей, при этом, за счет существенно разных длин пробегов рентгеновских квантов разных энергий, в первой по ходу рентгеновских лучей строке регистрируются преимущественно кванты более низких энергий, а в каждой последующей - кванты все более высоких энергий.

Предлагаемая конструкция камеры позволяет при использовании ее как детектора в цифровых рентгенографических сканерах измерять сигналы от квантов разных энергетических диапазонов спектра рентгеновского излучения в каждом месте снимка и, после математической обработки, приближенно оценивать элементный состав отдельных фрагментов просвечиваемых объектов, что расширяет получаемую диагностическую информацию при применении в медицине или дает возможность использовать устройство в системах досмотра с функцией разделения объектов по типу материала, а также повышать качество снимков путем использования весовых коэффициентов для снимков каждой энергии и последующим образованием результирующего снимка.

Описание устройства поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен поперечный разрез, на Фиг.2 - вид в плане.

На чертежах: 1 - корпус, 2 - рентгеновский луч, 3 - анод, 4 - катод, 5 - элементы катодной матрицы, 6 - электроника.

Детектор содержит корпус 1, плоский металлический анод 3, плоскую катодную матрицу 4, состоящую из изолированных друг от друга элементов 5, подключенных к электронике 6. Внутренний объем детектора заполнен газом. Между катодом и анодом приложено напряжение. Столбцы катодной матрицы ориентированы на источник излучения.

Устройство работает следующим образом.

Поток рентгеновского излучения, проходя внутрь корпуса, вызывает ионизацию газа. Средняя глубина проникновения рентгеновских квантов, а значит удаленность от входа элементов матрицы, в пределах которых произошло взаимодействие, зависит от энергии кванта. Образовавшийся заряд дрейфует под действием электрического поля и оседает на соответствующем элементе катодной матрицы. Собранный заряд периодически считывается электронной схемой детектора. Измеренные данные передаются на компьютер для последующей обработки.

В отличие от детектора рентгеновского излучения в рентгенографической установке сканирующего типа, защищенной патентом №2257639, считанные данные образуют двухкоординатную матрицу, в которой номера столбцов соответствуют поперечной координате кванта, а номер строки - энергетическому диапазону спектра, что позволяет при выполнении одной процедуры съемки получить изображения объекта при разных средних энергиях.

Конструктивные параметры катодной матрицы выбираются исходя из применения детектора. Количество столбцов определяет геометрическую разрешающую способность детектора, а количество строк - его разрешающую способность по энергии квантов. Выбор исходного спектра рентгеновского излучателя может осуществляться из внешних условий или являться частью задачи оптимизации.

Для определения оптимальных длин разбиений на строки можно использовать экспериментальный метод, т.к. типичная ионизационная камера имеет большое количество координатных каналов (512 столбцов или более). Для этого изготавливается прототип детектора, в котором каждый столбец разбивается на строки разных длин, и эти длины соответственно меняются от столбца к столбцу. Изготавливаются тест-объекты из интересующих материалов. При этом толщина объектов одинакова для каждого столбца детектора и варьируется в перпендикулярном направлении в интересующем диапазоне. Для каждой толщины проводятся измерения при фиксированной дозе облучения. Измерения повторяются для набора достаточной статистики и достижения необходимой точности амплитуд сигналов и их дисперсий. По измеренным величинам проводится анализ и выбирается столбец с оптимальными длинами строк.

При возможности оптимизации спектра рентгеновского источника проводятся дополнительные измерения при разных спектрах, которые получаются за счет выбора напряжения на рентгеновской трубке и выбора соответствующих рентгеновских фильтров.

Аналогично экспериментальному возможен расчетный путь определения оптимальных длин строк, с использованием упрощенного аналитического описания или Монте-Карло моделирования.

Таким образом, по сравнению с существующими методами регистрации отдельных участков спектра падающего рентгеновского излучения предлагаемое решение обладает следующими преимуществами:

1. Существенно меньшая стоимость, т.к. для достижения результата требуется небольшая модификация исходного детектора (изменение в геометрии каналов, которые обычно выполняются на печатной плате, и увеличение количества измеряемых каналов, что достигается путем установки дополнительных схем мультиплексоров).

2. В предлагаемой камере естественным образом осуществляется совмещение пикселей различных энергий, что увеличивает точность измерения энергетических характеристик падающего рентгеновского излучения. Достижение такой же точности в системе из 2-х отдельных детекторов требует специального технического решения.

3. В предлагаемой конструкции отсутствуют промежуточные элементы между измерительными объемами детектора, соответственно отсутствуют потери рентгеновских квантов в этих элементах, что позволяет использовать детектор в приложениях, для которых доза облучения играет существенную роль, например сканирование человека. В решении из 2-х отдельных детекторов это преимущество отсутствует.

Изобретение относится к области регистрации рентгеновского излучения и может быть использовано для визуализации внутренней структуры объектов в медицинской диагностике, в системах досмотра, дефектоскопии и т.п. Многоканальная газовая ионизационная камера содержит заполненный газом корпус, прозрачный для рентгеновских лучей, по крайней мере, в месте их ввода, в котором размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку вводимого рентгеновского излучения сплошным анодом и катодом, разделенным на элементы, снабженные регистрирующей электроникой, которые образуют матрицу, имеющую не менее двух строк, столбцы матрицы ориентированы вдоль рентгеновских лучей, при этом в первой по ходу рентгеновских лучей строке матрицы регистрируются преимущественно кванты более низких энергий, а в каждой последующей - кванты все более высоких энергий. Технический результат - возможность при выполнении одной процедуры съемки одновременно получить несколько изображений объектов при разных эффективных энергиях излучения, что упрощает процесс досмотра людей и багажа. 2 ил.

Многоканальная газовая ионизационная камера, содержащая заполненный газом корпус, прозрачный для рентгеновских лучей, по крайней мере, в месте их ввода, в котором размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку вводимого рентгеновского излучения сплошным анодом и катодом, разделенным на элементы, снабженные регистрирующей электроникой, отличающаяся тем, что элементы катода образуют матрицу, имеющую не менее двух строк, столбцы матрицы ориентированы вдоль рентгеновских лучей, при этом в первой по ходу рентгеновских лучей строке матрицы регистрируются преимущественно кванты более низких энергий, а в каждой последующей - кванты все более высоких энергий.