Способ измерения потока фотонов низкоэнергетического рентгеновского излучения сцинтилляционным детектором Советский патент 1993 года по МПК G01T1/16 

Изобретение относится к технической физике, в частности к технике измерений потоков низкознергетического рентгеновского излучения, и может быть использовано в системе метрологической службы для создания эталонных средств измерения потока фотонов в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне.

Целью изобретения является повышение, точности измерения потока фотонов низкоэнергетического рентгеновского диапазона и расширение диапазона измерения в область низких энергий,

На фиг,1 представлена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - амплитудные спектры одноэлектронных и шумовых импульсов; на фиг.З - форма выходных импульсов спектрометрического усилителя для одноэлектронных и. сцинтил- ляционных импульсов.

Способ осуществляется следующим образом.

В сцинтилляционном детекторе отделяют сцинтилляционный кристалл от фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и устанавливают его на достаточном расстоянии от фотокатода ФЭУ, обеспечивающем регистрацию сцинтилляций в виде одно- электронных импульсов, Затем сдвигают уровень дискриминации импульсов сцин- тилляционного детектора по амплитуде в область шумовых импульсов так, чтобы над уровнем дискриминации четко выделялись одноэлектронные импульсы. Определяют амплитуду одноэлектронного импульса. Далее соединяют сцинтилляционный кристалл с фотокатодом ФЭУ, проводят дискриминацию по форме сцинтилляционных и одно- электронных импульсов и при этом определяют среднюю амплитуду сцинтилляционных импульсов и ведут счет импульсов. Далее, используя распределение Пуассона, определяют поправку на долю просчитанных одноэлектронных сцинтилляционных импульсов, т,е, восстанавливают истинный счет от сцинтилляционных импульсов.

Устройство для измерения потока фотонов {фиг,1) содержит ФЭУ 1, сцинтилляционный кристалл 2, установленный на ФЭУ 1 с возможностью его отделения от ФЭУ 1 и перемещения вдоль оси измерения. Выход ФЭУ 1 подключен к входу спектрометрического усилителя 3, выход которого подключен к входам дискриминатора 4 формы импульса, дифференциального дискриминатора 5 и многоканального анализатора амплитуды импульсов (ААИ) 6, Выходы дискриминатора 4 формы импульса и дифференциального дискриминатора 5

подключены к входам схемы 7 совпадений, выходы которой подключены к ААИ б и пересчетному прибору 8, Устройство содержит также источник 9 низкоэнергетического

рентгеновского излучения.

Устройство работает следующим образом.

Источник 9 низкоэнергетического излучения, например, радионуклидный источник

Fe, испускает КХ-фотоны с энергией 5,9 кэВ, которые детектируются сцинтилляци- онным детектором, содержащим ФЭУ 1 и сцинтилляционный кристалл 2, например, Nal(TI), ФЭУ 1 вырабатывает электрические

импульсы, поступающие на спектрометрический усилитель 3, При регистрации фотонов с энергий 5,9 кэВ среднее число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом фотоэлектронного умножителя, на один акт

регистрации, как правило, 8 и, следовательно, существует вероятность того, что при одном акте регистрации будет испущен один фотоэлектрон с фотокатода ФЭУ 1, Число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом, колеблется около среднего значения в соответствии с законом Пуассона, и так как фотоэлектроны возникают во времени в соответствии с функцией высвечивания Nal(TI) кристалла ( т- 300 не), то форма

сцинтилляционного импульса меняется от импульса к импульсу в зависимости от числа фотоэлектронов и моментов их возникно- вения на фотокатоде ФЭУ 1, Минимальную длительность имеют импульсы одноэлект

ронной регистрации, такую же длительность имеют шумовые импульсы ФЭУ,

45

Дискриминация одноэлектронных импульсов, поступающих с усилителя 3, по 40 форме осуществляется дискриминатором 4 формы импульсов.

Дискриминация импульсов по амплитуде осуществляется дифференциальным дискриминатором 5, нижний порог дискриминации которого устанавливается таким

образом, чтобы регистрировались одно- электронные импульсы сцинтилляционного детектора. Амплитудный спектр импульсов от сцинтилляционного детектора регистри0 руется ААИ 6, а скорость счета фотонов - пересчетным прибором 8, В исходном состоянии сцинтилляционный кристалл Nal(TI) устанавливается в положение, показанное на фиг,1 пунктиром, на расстоянии 3-4 см от

5 фотокатода ФЭУ, В этом положении происходит однократная регистрация рентгеновских фотонов от источника 9 и в ААИ б наблюдается одноэлектронный пик (фиг,2, кривая 10) и спектр шумовых импульсов (кривая 11),

Спектры на фиг.2 измеряют с использованием серийного спектрометрического усилителя Б4С 2-97 при установке постоянных времени дифференцирования и интегрирования 3,2 МКС.

Затем ААИ 6 переключают в режим совпадений и. изменяя нижний порог дифференциального дискриминатора 5, добиваются полной регистрации одноэлек- тронного пика в ДАЙ 6. При этом схема 7 совпадений работает в режиме пропускания импульсов от дифференциального дискриминатора 5, Далее определяется амплитуда одноэлектронного пика в относительных единицах (например, в каналах). Затем сцинтилляционный кристалл 2 устанавливается непосредственно на фотокатод ФЭУ 1 и определяется амплитуда сцинтилляционного импульса в ААИ 6. При этом схема совпадений работает в режиме совпадений импульсов по каналам дискриминатора 4 формы импульсов и дифференциального дискриминатора 5.

Причем нижний амплитудный порог дискриминации в Дискриминаторе 4 формы импульсов должен быть установлен ниже нижнего порога дифференциального дискриминатора 5, а порог дискриминации по форме должен быть установлен таким образом, чтобы дискриминировались по форме только импульсы, имеющие одноэлектрон- ную форму. На фиг.З представлена форма импульсов напряжения на выходе специально разработанного спектрометрического усилителя, имеющего постоянную интегрирования 700 не и с дифференцированием на короткозамкнутой линии задержки, для однозлектронных импульсов (кривая 12) и сцинтилляционных (кривая 13). Скорость счета импульсов, вырабатываемых схемой 7 совпадений, регистрируется пересчетным прибором 8. Поправка к измеренной скорости счета фотонов на пересчет сцинтилляционных импульсов, соответствующих одноэлектронной регистрации, определяется следующим образом.

По измеренным амплитудам одноэлектронного АЭ и сцинтилляционного АС импульса определяется среднее число фотоэлектронов , пропускаемых фотокатодом ФЭУ при одном акте регистрации рентгеновского фотона сцинтилляционным детектором

Так, например, для энергии КХ-фотонов от радионуклидного источника Fe 5,9 кэВ

и детектора Nal(TI) + ФЭУ 140 среднее число фотоэлектронов составляет 8, Затем рассчитывается из распределения Пуассона вероятность Р возникновения всего одного фотоэлектрона при одном акте регистрации рентгеновского фотона. Для данного примера

10

Р(х)

-1

1

1 8

Р(1) 8 е 2,6- 10

При регистрации фотонов с более низкой энергией необходимо учитывать также и вероятность Р(о); т.е. случай, когда фотоэлектроны вовсе отсутствуют. Для данного примера эта поправка в 8 раз меньше, чем

P(i), и ею можно пренебречь. Погрешность определения Р(1) для данного примера, как правило, меньше 10% и обусловлена погрешностью определения среднего числа фотоэлектронов, т.е. поправка к счету импульсов 0,26% ±0,03%. Аналогичная поправка на экстраполяцию к нулевой энергии, приведенная в известном решении, составляет 3,9 ± 0,6%, что на порядок хуже, чем в настоящем техническом решеНИИ, и к тому же она и ее погрешность резко возрастают с уменьшением энергии регистрируемых рентгеновских фотонов.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить на порядок основную поправку и ее погрешность при измерении потока низкоэнергетических фотонов, а также расширить диапазон измерений в область более низких энергий от 5 до 2 кэВ. В этом диапазоне энергий погрешность определения эффективности кристалла будет больше, но в настоящее время методов измерений потока фотонов в этом энергетическом диапазоне, даже с большой погрешностью, нет. А этот диапазон очень

важен как для калибровки детекторов низкоэнергетического рентгеновского излучения, так и для аттестации серийно выпускаемых источников, например, тритий-циркониевых источников для рентгенофлуоресцентного анализа с энергией характеристического излучения 2,5 кэВ.

Испытания макета устройства подтвердили, что данный способ применим для всех типов сцинтилляционных детекторов, представляющих собой комбинацию сцинтилля- тор - ФЭУ при условии, что функция высвечивания используемого сцинтиллято- ра имеет период высвечивания, как мини мум, на порядок большую величину чем временное разрешение используемого

ФЭУ. Это условие хорошо выполняется для сцинтилляционных кристаллов Nal(TI), Csl и ФЭУ типа ФЭУ-35, 140, имеющих временное разрешение 1 не.

Применение ФЭУ с диодной системой на основе микроканальных пластин, обладающих более высоким временным разрешением - 0,1-0,2 НС. позволяет использовать и более быстрые сцинтиллято- ры типа стильбен, антрацен.

(56) I.L Campbell and L.A. McNelles. An Inter- comparison of efficiency-calibration techniques for semiconductor X-ray detectors. Nucl. Instrum. and Methods. 1975 V.125, p.205-223.

D. Smith and M.I. Woods. Report on the International comparison of activity measurements of a. solution of Fe. Rapport BIPM- 82/2 Bureau International des Folds et Mesures Favlllon de Breteull, F-92310 Sevres. 1982. p.1-30.

Изобретение относится к технической физике, в частности к технике измерений потоков низкоэнергетического рентгеновского излучения, и может быть использовано в системе метрологической службы для создания эталонных средств измерения потока фотонов в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне. Целью изобетения является повышение точности измерения и расширение диапазона измерений в область низких энергий. Сущность изобретения состоит в способе учета чиспа одноэлектронных сцинтилляционных импульсов, амплитуда которых лежит в области шумов фотоумножителя (ФЭУ). При подсчете импульсов детектора одноэлектронные сцинтилляционные и шумовые импульсы не регистрируются, а дискриминируются от остальных сцинтилляционных импульсов по форме импульса. Поправка на их число делается по распределению Пуассона после измерения среднего числа электронов в сцинтилляционном импульсе. Для этого сцинтилляционный кристалл отделяют от ФЭУ и устанавливают его на расстояние от фотокатода ФЭУ, обеспечивающее регистрацию сцинтилляций в основном в виде одноэлектронных импульсов. Определяют амплитуду/ одноэ- лектронного импульса, соединяют кристалл с ФЭУ и определяют среднюю амплитуду сцинтилляционно- го импульса, отношение этих амплитуд дает среднее число эле1аронов в импульсе. 3 ил.

Формула изобретения

ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОГО МАТЕРИАЛА, включающая 65%-ный раствор поли(эти- лен)дизтиленгликольмалеинатфталата в стироле или его смеси с метилметакрила- том, полиэтилен, диэтиламиноэтилметак- рилат, гидроперекись изопропилбензола, 8%-ный раствор нафтената кобальта в стироле и смесь солей, отличающаяся тем, что, с целью приближения состава тканеэк- вивалентного материала к биологической легочной ткани она дополнительно содержит метилметакрилат. полые микросферы на основе фенолформальдегидной смолы и азодиизобутиронитрил, а в качестве смеси солей - соли щелочных или щелочноземельных металлов минеральных кислот с содержанием кальция 0,2 - 0,5 мас.%, маг2. 2 1

9

Фиг.1

ния 0,2 - 0,5 мас.%, серы 0,2 - 0,36 мас.% при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%;

поли(этилен)диэтиленгликоль- малеинатфталата 65%-ный раствор в стироле или его смеси с метилметакрилатом3-13

Полиэтилен25-30

Диэтиламиноэтилметакрилат 22,7 - 30 Метилметакрилат20 - 30

Азодиизобутиронитрил1 - 3

Полые микросферы на основе фенолформальдегидной смолы8-10Гидроперекись изопропилбензола 0,08-0,15 8%-ный раствор нафтената кобальта в стироле 0,02 - 0,05 Указанная смесь солей1 - 3

М

dA

и. (наприн еяие)

I

Фиг.2