Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор Советский патент 1990 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области технической физики, детектирующим устройствам ядерной Физики, конкретнее к сцинтилляционным позиционно- чувствительным детекторам (СПЧД), и может быть использовано в вычислительной томографии.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства и точности определения номера кристалла, в котором произошло взаимодействие.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства СПЧД; на фиг.2 структурная схема порогового устройства; на фиг.З - схема, при помощи которой производилось моделирование работы устройства СПЧД; на Лиг.4 - амплитудный спектр двумерного распределения импульсов пятикристального СПЧД; на фиг.5 - эллипсы попаданий, прлученные для пятикристального СПЧД при помощи измерительно-вычислительной системы; на Лиг.6 - результирующая гистограмма однократного измерения источника ионизирующего излучеел

о to

00

ния на пятикристальном СПЧД, полученная при помощи этой же системы.

СПЧД (фиг.1) состоит из детекти - ругошей части, содержащей, например, пять сцинтилляционных кристаллов 1-5, соединенных при помощи светопровода 6 с двумя фотоприемниками 7 и 8, расположенными на краях светопровода симметрично относительно его центра. Соединение кристаллов со светопроводом выполнено в виде гребенки с постоянным шагом, кратным толщине используемых кристаллов. Выходы фотоприемников 7 и 8 при помощи электри- ческих кабелей соединены с входами усилителей 9 и 10. Выходы усилителей соединены с входами пороговых устройств 11-J5, причем выход усилителя 9 соединен с первыми входами всех устройств , а выход усилителя 10 соединен с вторыми входами пороговых устройств 11-15. Выходы каждого из пороговых устройств 11-15 соединены с входами счетчиков 16-20 импульсов соответственно.

Пороговое устройство (фиг.2) содержит три аналоговых сумматора, два аналоговых делителя, два аналоговых умножителя и амплитудный дискримина- тор, причем пороговое устройство можно представить в виде двух однотипных аналоговых каналов и общей части.

Первый аналоговый канал состоит из первого аналогового сумматора 21 , выход которого соединен с входом первого аналогового делителя 22, выход аналогового делителя 22 соединен одновременно с двумя входами первого аналогового умножителя 23. Аналогично для второго канала - выход аналогового сумматора 24 соединен с входом аналогового делителя 25, выход аналогового делителя 25 соединен с двумя входами аналогового умножителя 26. Выходы аналоговых умножителей 23 и 26 соединены с двумя входами третьего аналогового сумматора 27, выход аналогового сумматора 27 соединен с вхо- цом амплитудного дискриминатора 28.

Устройство СПЧД работает следующим образом.

При взаимодействии кванта ионизирующего излучения с веществом кристалла, входящим в состав СПЧД, в пос- леднем возникает явление сцинтилляции. Свет от этой сцинтилляции распространяется по кристаллу, по светопроводу 6 и одновременно попадает на

5 0 5

о

Q 5 Q

5

входные окна фотоприемников 7 и 8, которые видят каждый из кристаллов под определенным телесным углом. Сигналы с фотоприемников 7 и 8 через усилители 9 и 10 одновременно поступают на входы всех пяти 11-15 пороговых устройств, при помощи которых реализуется алгоритм выделения позиционной информации, заключающийся в следующем .

Амплитуды импульсов, одновременно возникающих на выходах фотоприемников в результате взаимодействия ионизирующей частицы с веществом кристаллов, распределены по закону нормального распределения и представляют собой маргинальные распределения двумерного нормального распределения. В число характеристик последнего входят величины среднего значения дисперсии, эллипса попаданий и объема под огис бающей его поверхностью, однозначно связанные между собой, j В схеме устройства СПЧД величина среднего значения получаемого двумерного амплитудного распределения однозначно соответствует номеру кристалла , в котором произошло взаимодействие. Это обусловлено тем, что каждый кристалл виден каждому фотоприемнику под определенным для каждого кристалла телесным углом и, значит, доля света от сцинтилляции, возникшей при этом в кристалле, строго определена для каждого фотоприемника. Объем под поверхностью, огибающей это амплитудное распределение, определяет число событий взаимодействия ионизирующего излучения с данным кристаллом. При этом, выбирая величины полуосей эл- липса попаданий, можно вычислить количественное соотношение между объемами под поверхностями, огибающими все амплитудное распределение и часть распределения, ограниченного эллипсом попаданий.

Таким образом, для каждого амплитудного распределения, однозначно соответствующего каждому кристаллу, выбирается эллипс попаданий на одинаковом уровне высоты каждого амплитудного распределения, определяются координаты центров эллипсов попаданий и величины их полуосей. Полученные их значения в аналоговом виде принимаются как параметры режимов работы пороговых устройств, реализующих следующее математическое выражение

Ј хо

Л

де X, Y

Y - Yo Д.

Ч

& 1, (О

х.

- величины амплитуд импуль- сов, одновременно возникающих на выходах сЬотопри- емников при .взаимодействии кванта ионизирующего излучения с веществом одного из кристаллов; координаты центра эллипса попаданий, соответствующего одному из кристаллов; величины полуосей эллипса попаданий, соответствующего одному из кристаллов, которые можно выбрать -из следующих соображений. Вероятность попадания случайной еличины (X, Y) распределенной по ормальному закону с координатами

Д

х

Yn flt

максимума (X , Y ) и дисперсиями Gx

СГм. в эллипс попаданий Вк, описываемый уравнением

X - Х0 в- f Y - Yo Л - ....j + -.j j

s °ij„г

равна P {(X, Y) 6 В

-JL г.

Здесь параметр К связан с величиной дисперсий и уровнем расположения эллипса попаданий относительно величины -амплитуды распределения соотно- шением

Дх

к

е

и в случае его расположения, например, на 0,5 величины амплитуды равен 1,67 для всех пиков полного поглощения, описываемых нормальным распределением Гаусса. Таким образом, выбирая для всех пиков полного поглощения один и тот же относительный уровень расположения эллипсов попаданий, получаем одинаковую эффективность каналов при корректно выбранных размерах областей эллипсов попаданий.

Пороговые устройства 11-15 одновременно анализируют поступившие на их входы сигналы на соответствие их величин параметрам, характеризующим амплитудные распределения каждого из кристаллов СПЧД по приведенному алгоритму. При этом одно из пороговых устройств, в котором результат анализа входных сигналов удовлетворил заданным ему параметрам, посылает

28706

Стандартный импульс на вход соответствующего ему счетчика импульсов.

Схема порогового устройства рабо- с тает следующим образом,

Каждый из сигналов, одновременно возникающих на выходах фотоприемников, при взаимодействии кванта ионизирующего излучения с веществом одно- 10 го из кристаллов, входящего в состав

СПЧД, поступает на соответствующий вход одного из двух аналоговых сумматоров 21 и 24 порогового устройства. Блоки аналоговых сумматоров 21 и 24 выполняют операцию сложения поступивших на их входы сигналов с инверсными значениями аналоговых величин коордк15

20

25

30

35

40

45

50

55

нат центра эллипса попаданий Х0 и Yfl соответственно для амплитудного распределения выбранного кристалла, определенные по предварительным измерениям. Полученные таким образом значения поступают на входы соответствующих аналоговых делителей 22 и 25, где происходит процесс их аналогового деления на значения аналоговых величин полуосей эллипса попаданий для амплитудного распределения выбранного кристалла, определенные по предварительным измерениям. Полученные таким образом значения поступают на входы аналоговых умножителей 23 и 26 соответственно. Причем каждый сигнал, снимаемый с аналоговых делителей 22 и 25, одновременно поступает на оба входа соответствующего аналогового умножителя.

При этом аналоговые умножители 23 и 26 реализуют функции возведения в квадрат величин сигналов, поступивших на их входы. Получившиеся таким образом значения поступают на соответствующие входы третьего аналогового сумматора 27, в котором происходит их аналоговое сложение. Полученный на выходе аналогового сумматора результат сравнивается в уровнем заданной величины уровня дискриминации блока интегрального амплитудного дис- криминатора 28, определенного по предварительным измерениям. В случае превышения величины результирующего сигнала над выбранным порогом дискриминации на счетчик импульсов выдается стандартный сигнал, В противном случае, на выходе амплитудного дискриминатора стандартный сигнал не возникает .

Информация, получаемая со счетчиков импульсов, представляет собой число актов взаимодействия ионизирующего излучения с кристаллами СПЧД, причем каждый счетчик импульсов однозначно соответствует одному из кристаллов . Полученные отсчеты по всем счетчикам в результате измерений могут вводиться в ЭВМ для их использования в расчетах или использоваться каким-либо иным способом.

Для моделирования работы устройства СПЧД -создана измерительно-вычислительная система. Она реализована при помощи стандартных спектрометрических блоков, выполненных в стандарте КАМАК под управлением микроЭВМ

MC12I1.02. Схема измерительной установки приведена на сЬиг.З. Б качестве сцинтилляторов использовались кристаллы .J2. (BOO), в качестве фо- топриемникос - ФЭУ-85, материал светопровода - кварц. Источником ионизирующего излучения служил радиоактивный изотоп С5-137 с энергией гамма- квантов 662 КэВ.

Принцип работы установки заключается в следующем.

Коллиматор 29 с источником гамма- квантов устанавливается под одним из кристаллов СПЧД. Сигналы, одновременно возникающие на обоих ФЭУ 7 и 8, при взаимодействии гамма-квантов с веществом кристалла усиливаются при помощи двух спектрометрических усили- телей 9 и 10. Схема 30 временных совпадений выдает стробирующий сигнал двум блокам 31 и 32 амплитудно-цифровых преобразователей (АШ1) и блоку 33 переключаемой памяти, в качестве которого может использоваться блок ББЗ-Al разработки нашего предприятия. С блока 33 переключаемой памяти коды АПП в той же последовательности через стандартный интерфейс 34 считываются в микроЭВМ 35, где при помощи программных средств формируются в матрицу инкрементированием по составному адресу, складывающемуся из значений кодов анализируемых сигналов.

После набора опредепенной статистики получается матрица, представляющая собой двумерное амплитудное распределение, подчиняющееся закону двумерного распределения Гаусса. Вид матрицы для фотопиков представлен на фиг.4. При помощи программы, реали

0

5

0

5

0

5

0

5

зующей алгоритм метода наименьших квадратов, определяются параметры полученного амплитудного распределения - координаты максимума, отсчет в канале максимума, величины осей эллипса попаданий на половине высоты амплитудного распределения.

Такая операция производится для каждого кристалла СПЧД.

После получения всех параметров, характеризующих амплитудное распределение каждого кристалла, их значения заносятся в программу, реализующую алгоритм отбора импульсов по уравнению (1), записанному для каждого кристалла. В алгоритме работы этой программы последовательно реализуется проверка условия (1) для каждого кристалла.

Число пар значений л#одов, удовлетворяющих одному из этих уравнений, записываются в программные счетчики, соответствующие каждому условию алгоритма. Из количества отсчетов, соответствующих каждому кристаллу, формируется гистограмма (фиг.6). После чего сравниваются результаты, полученные путем формирования двумерной матрицы и путем отбора импульсов по алгоритму программы.

Отличие результатов измерений, полученных обоими способами, составляет около 1 % для амплитудных распределений каждого кристалла при одинаковой статистике (50000 импульсов в интеграле) .

Таким образом, результаты моделирования работы устройства СПЧД полностью удовлетворяют выдвинутым требованиям .

Приборная реализация устройства по схемам, приведенным на фиг.2 и 3, с использованием исключительно аналоговой техники может быть произведена на стандартных аналоговых микросхемах. В качестве аналоговых сумматоров 21, 24 и 27 может быть использован операционный усилитель КР544УД2, в качестве аналоговых умножителей 23 и 26 и делителей 22 и 25 - микросхемы К525ПС1 или К525ПС2 в соответствующем включении, в качестве амплитудного дискриминатора 28 - один из компараторов КР597СА1 или КР597СА2, в качестве счетчика 16-20 импульсов - микросхема К155ИЕ7.

Реализация устройства СПЧД на базе аналоговых элементов способна

обеспечить увеличение быстродействия и определение числа отсчетов по каждому кристаллу с наперед заданной точностью в процессе измерения, а при замене части СПЧД, состоящей из сцин- тилляционных кристаллов, кварцевого светопровода и двух ФЭУ-85, легко перестраивается под возникшие в результате ЭТОГО УСЛОВИЯ.

Быстродейстие такого устройства СПЧД ограничено временем высвечивания сцинтиллятора и временем срабатывания порогового устройства. Обычно эти времена не превышают нескольких сотен наносекунд, что существенно меньше времени преобразования аналого-цифрового преобразователя в схеме известного устройства (несколько десятков микросекунд), а тем более времени мат тематической обработки сигналов СПЧД, поступающих на ЭВМ (десятки секунд).

При использовании способа выделе- ния информации, основанного на свойствах двумерного распределения Гауе- са, описывающего амплитудный спектр импульсов, одновременно возникающих на выходах фотоприемника СПЧД, существенно повышается точность определения номера кристалла, в котором произошло взаимодействие кванта излучения, за счет лучшего разделения пиков полного поглощения от соседних кристаллов.

Преимущества применения такого устройства СПЧД наболее полно проявляется при массовом их применении в сложных детектирующих системах, например в позитронно-эмиссионных томографах.

Формула изобретения

. Сцинтилляционный позиционно- чувствительный детектор (СПЧД), сое- тоящий из сцинтилляционных кристаллов, оптически соединенных со светопроводом и размещенных на нем равномерно с постоянным шагом, кратным

толшине используемых кристаллов,двух фотоприемников, оптически соединенных со светопроводом и размещенных на его краях симметрично относительно его центра, и электронной схемы, содержащей два измерительных канала с усилителями, при этом вход усилителя каждого из измерительных каналов подключен к выходу соответствующего фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности определения номера кристалла, в его электронную схему введены -счетчики импульсов и однотипные с регулируемыми величинами задаваемых параметров функционирования, пороговые устройства, при этом число счетчиков и пороговых устройств равно числу используемых в СПЧД кристаллов, при этом выход усилителя первого измерительного канала подключен к пер вому входу каждого из пороговых устройств, а выход усилителя второго измерительного канала соединен с вторым входом каждого из пороговых устройств, а выход каждого из пороговых ройств соединен с входом соответствующего ему счетчика импульсов.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что каждое пороговое устройство содержит три аналоговых сумматора, два аналоговых делителя, два аналоговых умножителя и амплитудный дискриминатор, причем входы первого и второго аналоговых сумматоров являются соответственно первым и вторым входами порогового устройства,выходы первого и второго аналоговых сумматоров через соответствующие аналоговые делители подключены к двум входам соответствующих аналоговых умножителей, выходы которых подключены к двум входам третьего аналогового сумматора, выход которого подключен к входу амплитудного дискриминатора, выход которого является выходом порогового устройства.

Фиг1

Л,

16

28

27

26

JLL

25

/7 «II

24

т

У

У

Изобретение относится к технической физике, к детектирующим устройствам ядерной физики, а более конкретно - к сцинтилляционным позиционно-чувствительным детекторам (СПЧД), и может быть использовано в вычислительной томографии. Целью изобретения является повышение быстродействия устройства и точности определения номера кристалла, в котором произошло взаимодействие. СПЧД состоит из нескольких сцинтилляционных кристаллов, соединенных светопроводом с двумя фотоприемниками, расположенными на краях светопровода симметрично относительно его ценра, а также пороговых устройств со счетчиками, число которых равно числу используемых кристаллов. Двумерный амплитудный спектр на выходах двух фотоприемников описывается для фотопика каждого кристалла двумерным распределением Гаусса, пороговые устройства с регулируемыми величинами задаваемых параметров функционирования с помощью аналоговых вычислений позволяют выделить фотопики, соответствующие определенным кристаллам. Приведена измерительно-вычислительная схема, позволяющая моделировать работу устройства. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

29

им™

Фиг.З

Отсчет в канале

Фиг. 4

чЈ

3

il

§

Г

s

I

& имлульса х)

5

i

1 г з 4 5 Номер кристалла спчд Фиг. 6