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

Изобретение относится к техничес- кой физике, а конкретно к сцинтилляци- онным позиционно-чувствительным детектирующим устройствам ядерной физики, и может быть использоьано.в вычисли- те-льной томографии,

Цель изобретения - повышение точности определения пространственного

распределения ионизирующего излучения за счет идентификации событий взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов на границе раз дела при максимальной плотности сцинтилляционного вещества в чувствительном объеме сцинтилляционного позици- онно-чувствительного детектора и увеличение его быстродействия.

На фиг. 1 представлена схема распределения сцинтил-ляционных кристалов из общего ряда, состоящего из 12 кристаллов, в котором крист ллы по четыре связаны общими светепроводниками} на фиг, 2 - блок-схема сцинтил- ляционного позиционно-чувствительного детектора (СПЧД), состоящего из К измерительных каналов; на фиг. 3 - Q блок-схема СПЧД, состоящего из двух измерительных каналов; на фиг. 4 - амплитудные распределения сигналов, полученных с использованием СПЧД, состоящего из двух каналов; на фиг. 5 - 15 схема распределения сцинтилляционных кристаллов для СПЧД, состоящего их трех измерительных каналов.

На фиг. 1 представлен общий ряд плотноупакованных, оптически изоли- 20 рованных друг от друга обычно при помощи тонкого диффузного отражателя сцинтилляционных кристаллов, состав- чувствительный объем СПЧД. Для определенности общее число крис- 25 таллов М выбрано равным двенадцати, а число N - число интеграции кристаллов в одном измерительном канале, равным четырем. Кристаллы в одном измерительном канале, т.е. в одной бенке, обозначены позициями 1-4. Число К - число кратности вложений, рав- нбе числу измерительных каналов, равно трем. В общем случае , , М K N.

При этом каждая группа из Ы кристаллов, выбранная из общего ряда М K«N кристаллов, имеет оптический контакт с одним из К общих светопроводов, который полностью изолирован от дру- 40 гих кристаллов и общих светопроводов. На фиг. 1 вынесена одна гребенка из четырех кристаллов, находящаяся в контакте с одним из трех светопроводов, обозначенным позицией 5.45

На фиг. 2 представлена блок-схема СПЧД, содержащая К измерительных каналов. Для конкретизации ее описания выберем i-ый измерительный канал (1 1 К) и предположим, что каждый изме- рительный канал СПЧД содержит по четыре кристалла, т.е. , из общего ряда сцинтилляционных кристаллов, со- держйщего в этом случае кристаллов. Кристаллы i-ro канала имеют опти- ческий контакт только.с i-ым общим светопроводом. Причем, эти четыре кристалла расположены на i-ом общем светопроводе с постоянным шагом.

35

0 5

5

Тогда 1-измеритель1влй , входящий в состав СПЧД, состоит из четырех в;ристаллов 1-4, оцтическ;а соединенных с обш;им светопроводом 5, на краях которого расположены два ФЭУ 6 и 7, имеющие с ним оптический кон- такт. Выходы ФЭУ 6 и 7 подключены к входам схемы временш1х совпадений 8 и входам аналогового делителя 9 одновременно. Выход схемы временных совпадений 8 подключен к стробируемо- му входу аналогового делителя 9, к первому входу общей cxesbi временных совпадений 10 и к второму входу об- ,щей схемы временных совпадений 10 (i-l)-ro измерительного канала одновременно. Делительный выход аналогового делителя 9 подключен к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, а его сумгчирующий выход подключен к первому входу компаратора 12 и к второму входу компа- .ратора 12 (i-l)-ro измерительного ка- нала одновременно. К второму входу общей схемы временных совпадений 10 подключен выход схемы временных совпадений 8 (i+l)-ro измерительного канала, Выход общей схемы временных совпад,ений 10 подключен к стробируе- мому входу компаратора 12. К стробиру- емому входу аналого-цифрового преобразователя 11 одновременно подключены первый выход компаратора 12 и второй выход компаратора 12 ()-ro измерительного канала, второй выход компаратора 12 подключен к стробиру- емому входу аналого-цифрового преобразователя 11 (i+l)-ro измерительного канала. Выход аналого-цифрового преобразователя I1 подключен через стандартный интерфейс 13 к ЭВМ 14.

Первый вход 15 и первый выход 16 компаратора первого измерительного канала соединены соответственно с вторым входом и вторым выходом компаратора последнего измерительного канала, а первый вход 17 общей схемы временных совпадений первого измерительного канала соединен с вторым входом аналогичной схемы последнего канала..

СПЧД, представленный на фиг. 2, работает спедую1цим образом.

При взаимодействии кванта ионизирующего излучения с веществом одного из кристаллов, или 1, или 2, или . 3, или 4, i-ro измерительного канала, в последнем возникает сцинтилляция. Свет от этой сцинтилляции распространяется по этому кристаллу, по световоду 5 и одновременно попадает на входные окна обеих ФЭУ 6 и 7, которые видят каждый из кристаллов под опреде- лfeнны н телесными углами. При этом, количество света, одновременно попавшее на входные окна обеих ФЗУ, а, следовательно, и амплитуды, одновременно возникакщие на их выходах, пропорциональны величинам этих телесных углов. Электрические сигналы, одновременно возникшие на выходах ФЭУ 6 и 7, одновременно поступают на входа схемы временных совпадений 8 и входы аналогового делителя 9, Величину сигналов, возникающих на выходе ФЭУ- 6, обозначим буквой А, а на выходе ФЭУ 7 - буквой В.

. Тогда при одновременном приходе сигналов А и В срабатывает схема временных совпадений 8 и выдает на стро- бируемый вход аналогового делителя 9 сигнал, разрешающий последнему принять СИГНШ1Ы А и В, и произвести их аналоговое Сравнение по формуле (А-В)/ /(А+В). После проведенного сравнения на делительном выходе аналогового делителя 9 возникает сигнал,величина которого пропорциональна величине частного ((А+В), а на суммирующем выходе аналогового делителя 9 возникает сигнал, величина которого пропорциональна величине суммы амплитуд (А+В). Длительный выход аналогового делителя подключен к сигнальному входу aнaлoгo-цифpoвofo преобразователя 11, куда он и передает сигнал, величина которого пропорциональна (А-В)/(А+В). Сигнал с суммирующего выхода поступает на первый вход компаратора 12, который при отсутствии стробирующего сигнала с общей схе№1 временных совпадений 10, выдает стробирующий сигнал на строби- . руемый вход аналого-цифрового преобразователя И. Код, полученный в результате отцифровки величины сигнала (А-В)/(А+В), поступает на вход интерфейса 12, при помощи которого осуществляется связь измерительных ка- напов СПЧД с ЭВМ 14, где производится накопление. и дальнейшая обработка полученной с СПЧД информации.

В случае, когда квант ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом одного из кристаллов i-ro измерительного канала, перерассеивается и взаимодействует с веществом

10

15

20

25

1613985 6

смежного с ним кристалла, входящего в состав (i-t-)-ro измерительного канала, вызывая таким образом одновременные сцинтилляции в обоих кристаллах, срабатывает цепочка связи двух соседних i-ro и (i+l)-ro измерительных каналов, состоящая иэ общей схе- ы временных совпадений 10 и компаратора 12, призванная идентифицировать кристалл, в который следует отнести это событие«

Обозначим величины амплитуд, одновременно возникающих на выходах ФЭУ 6 и 7 i-ro измерительного анала, соответственно А, и В;, а на выходах ФЭУ 6 и 7 (i+l)-ro измерительного канала - AU, и Б ;4 соответственно. Сигналы А , в;, А|+„ В;+,, одновременно возникшие в i-том и (i+i)-OM измерительных каналах в процессе перерассеяния кванта ионизирующего излучения мезвду соседними кристаллаьм, принадг.ежащими к указанным измерительным каналам, попад.ая на входы схем временных совпадений 8 i-ro и (i+l)- го измерительных каналов соответственно, вызывают срабатывание общей схемы временных совпадений 10 i-ro измерительного канала. При зтом, сработавшие схемы временных совпадений 8 обоих измерительных каналов разрешают аналоговым делителям 9 обоих измерительных каналов произвести аналоговое сравнение соответствующих им величин амплитуд. В результате отих сравнений на делительных выходах аналоговых делителей 9 i-ro и (i + U-ro измерительных каналов появятся сигналы, пропорциональные выра)(е1-шям (А -В ;)/(Aj +B ;) и

(А,- н« «+ соответственно, а на су ммируюнг-х выходах ан алоговых делителей 9 i-ro и (i+)-ro измерительных каналах появятся сигналы, пропорциональные выражениям () и (А- +Bj,) соответственно.

компаратор 12 i-ro измерительного канала одновременно поступают сигналы: на первый вход сигнал (А;+В;) с аналогового делителл i-ro измерительного канала, а на второй вход сигнал (А-,+В, 4() с аналогового делителя (i+U-ro измерительного канала, и стробирующий сигнал с общей схемы временных совпадений 10 i-ro измерительного канала. При условии, что величина сигнала (А;+В;) превышау .. ,,

30

35

40

50

55

ет величину сигнала (, , компаратор 2 i-ro измерительного капа На компаратор 12 i-ro измерительно го канала одновременно поступают сигналы: на первый вход сигнал (А;+В;) с аналогового делителл i-ro измерительного канала, а на второй вход сигнал (А-,+В, 4() с аналогового делителя (i+U-ro измерительного канала, и стробирующий сигнал с общей схемы временных совпадений 10 i-ro измерительного канала. При условии, что величина сигнала (А;+В;) превышау .. ,,

ет величину сигнала (, , компаратор 2 i-ro измерительного капала строёируёт аналого-цифровой преобразователь 1I i-ro измерительного канала, а при условии, что величина сигнала (А,,+В| ) меньше вели-ины сиг- шша (A.i+Bj) , компаратор 12 i-ro измерительного канала стробирует аналого-цифровой преобразователь 11 (i+ +)-го измерительного канала. При этом, определение номера кристалла п из выбранного таким путем номера измерит ель лого канала i, в котором произошло взаимодействие кванта ионизирующего излучения с его веществом, производится так, если бы взаимодей- стние произошло только в этом кристал ле, входящем в состав выбранного измерительного канала. По номеру кристалла можно определить место взаимодействия излучения с веществом.

На фиг, 3 представлена блок-схема СПЧД, содержащая два измерительных канала (), с интеграцией кристаллов, равной четырем (). Отличие ее от общей блок-схеьы СПЧД, представленной на фиг. 2, состоит в том, что во втором измерительном канале отсутствует общая схема временных совпадений 10 и компаратор 12, Это связано с тем, что перерассеяние кванта может происходить между соседними кристаллами двух измерительных каналов, а для идентификации кристалла, в котором произопшо взаимодействие, достаточно наличия этих схем в первом измерительном канале. Уже в случае кратности вложений, равной трем, необходимо в каждом измерительном канале использовать и общую схему временных совпадений 10 и компаратор 12,.

Алгоритм сбора и сортировки информации, поступающей с СПЧД, состоит в считывании кода из сработавшего аналого-цифрового преобразователя по его запросу, и инкрементирование по считанному коду в область адресов памяти ЭВМ, соответствующей сработавшему аналого-цифровому преобразователю

На фиг, 4 представлен амплитудный спектр СПЧД, состоящего из двух измерительных каналов. Он представляет собой два амплитудных спектра, каждый из которых соответствует своему измерительному каналу, первому - спектр 18, а второму - спектр 19, Из рассмотрения амплитудного спектра одного из измерительных каналов 18 или 19 видно, что настоящий СПЧД обеспечивает

высокую степень разделения амплитудных распределений сигналов от двух соседних кристаллов, входящих в состав одного измерительного канала, В случае использования в СПЧД К измерительных каналов амплитудный спектр СПЧД будет состоять из К амплитудных спектров, каждый из которых соответ Q ствует своему измерительному каналу. На фиг, 5 представлена компоновка чувствительного обьема СПЧД, состоящего из трех измерительных каналов. Предлагаемое создание позиционно1 чувствительного детектора позволяет добиться низкого уровня перекрытия

амплитудных распределений из двух соседних пиков в каждом канале детектора. При этом плотность сцинтилляци- онного вещества в чувствительном объеме детектора максимальна. Такой подход к построению сцинтилляционного позидионно-чувствительного детектора позволяет наиболее рациональным обра25 зом распределить зарегистрированные события взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов по дискретным областям, что в конечном итоге приводит к повышению быст30 родействия детектора и повьш1ению точности определения пространственного распределения ионизирующего излучения.

20

Формула изобретения

Сцинтилляционный позиционно-чув- ствительньй детектор, содержащий измерительный канал, состоящий из ряда изолированных друг от друга сцинтилляционных кристаллов, оптически соединенных общим светопроводом с двумя фотоприемниками и образующих со светопроводом гребенку с постояннымшагом зубцов, схем, временных совпадений и анапоговоJ ° делителя, к входам которых подключены выходы соответствующих им фотоприемников, схема временных совпадений через аналоговый делитель подключена к сигнальному входу аналого-цифрового

преобразователя (АЦП), интерфейса, через который аналого-цифровой преобразователь подключен к ЭВМ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения пространственного распределения ионизи- рутощего излучения за счет идентификации событий взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов на границе раздела при максимальной

Изобретение относится к технической физике, а конкретно к сцинтилляционным позиционно-чувствительным детектирующим устройствам ядерной физики, и может быть использовано в вычислительной томографии. Целью изобретения является повышение точности определения пространственного распределения ионизирующего излучения за счет идентификации событий взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов на границе раздела при максимальной плотности сцинтилляционного вещества в чувствительном объеме сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора (СПЧД) и увеличение его быстродействия. СПЧД содержит K≥2 измерительных каналов, детектирующая часть каждого канала состоит из гребенка из N≥3 сцинтилляционных кристаллов, связанных общим светопроводом с двумя фотоумножителями

гребенки вложены одна в другую и общее число M плотноупакованных кристаллов равно M=K^.N. электрическая схема каждого канала содержит схему временных совпадений, аналоговый делитель, общую схему временных совпадений, компаратор, аналого-цифровой преобразователь. Каналы связаны между собой через общие схемы временных совпадений и компараторы, что позволяет выделить определенный канал регистрации в том случае, если регистрируемая частица перерассеивается между кристаллами разных гребенок. 5 ил.

отсчет

В канале

Q/ncve/n

б канале

Номер канала

Номер канала

U2M

Фиг. 5