Спектрометрический гамма-детектор

Изобретение относится к технике обнаружения и распознавания радиоактивных объектов и может быть использовано для регистрации гамма-излучения, заряженных частиц и малоинтенсивных потоков световых квантов. Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение влияния темнового потока импульсов однофотонного фотосенсора, снижение порога чувствительности гамма-детектора и формирование изображения радиоактивного объекта без механического сканирования. Предложенный спектрометрический гамма-детектор содержит один или более сцинтиляторов, установленные в виде матрицы и разделенные на группы высокочувствительные (однофотонные) лавинные фотодиоды со схемами нормализации электрических импульсов, соединенный с выходами фотосенсоров анализатор импульсов. Анализатор импульсов снабжен функцией пропускания импульсов фототока от той или иной группы фотодиодов только в том случае, если на заданном элементарном интервале времени сформированы импульсы фототока во всех фотодиодах, образующих предварительно заданную комбинацию фотодиодов, входящих в состав соответствующей группы фотодиодов, при этом величина указанного элементарного интервала времени, размерность указанных групп и комбинаций фотодиодов, проверяемых на совпадение в каждой из обрабатываемых групп, с определением соответствующих выборок фотодиодов, образующих такую комбинацию, программируются в анализаторе в режиме обработки текущих данных тем большим, чем меньше текущее отношение средней частоты сигнальных квантов к средней частоте темновых квантов. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике обнаружения и распознования радиоактивных объектов и может быть использовано для регистрации гамма-излучения, заряженных частиц и малоинтенсивных потоков световых квантов, в частности для виазулизации радиоактивных объектов.

Известны спектрометрические гамма-детекторы, содержащие один или более сцинтиляторов, излучающих световые кванты с интенсивностью, пропорциональной энергии поглощенной гамма-частицы, высокочувствительные (однофотонные) фотосенсоры, чувствительные к излучению сцинтиляторов, обладающие пространственным разрешением, преобразующие световые кванты в электрические импульсы, соединенный с выходами фотосенсоров анализатор импульсов, пропускающий для подсчета и дальнейшей обработки те из них, которые соответствуют заданным критертям. См., например: патенты США 5866907, Drukier et al. "Ultralow background multiple photon detector", February 2, 1999; 5532122, Drukier. "Quantitation of gamma and x-ray emitting isotopes", July 2, 1996.

В этих источниках описываются устройство и метод для регистрации излучения радиоизотопов. Устройство обеспечивает фон в 1 частицу за день. Детектор преобразует эмиссию от радиоизотопа в электрические импульсы, которые затем анализируются по форме в анализаторе для идентификации изотопа. На основании патентов может быть создано устройство со сканированием для получения двумерных изображений радиоактивных объектов. Патент США 5866907 является наиболее близким аналогом к заявленному изобретению. Однако в нем, как и в аналогах, предусмотрены средства для защиты от фоновой радиации, но отсутствуют меры по снижению влияния на результаты детектирования темнового потока импульсов одноквантового фотосенсора. Кроме того, оно содержит одноканальные фотоумножители, из-за чего для формирования изображения требуется механическое скнирующее устройство.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение влияния темнового потока импульсов однофотонного фотосенсора и тем самым снижение порога чувствительности гамма-детектора и формирование изображения радиоактивного объекта без механического сканирования.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве гамма-детектора, содержащем один или более сцинтиляторов, излучающих световые кванты с интенсивностью, пропорциональной энергии поглощенной гамма-частицы, высокочувствительные (однофотонные) фотосенсоры, чувствительные к излучению сцинтиляторов, обладающие пространственным разрешением, преобразующие световые кванты в электрические импульсы, соединенный с выходами фотосенсоров анализатор импульсов, пропускающий для подсчета и дальнейшей обработки те из них, которые соответствуют заданным критертям, предложено:

- высокочувствительные (однофотонные) фотосенсоры выполнить в виде матрицы высокочувствительных (однофотонных) лавинных фотодиодов со схемами нормализации импульсов,

- анализатор снабдить функцией пропускания импульсов от групп фотодиодов по критерию совпадения импульсов от заданного количества фотодиодов с заданными координатами в каждой группе на каждом из заданных элементарных интервалов времени,

- шаг фотодиодов, размерность групп и размерность матрицы определять в соответствии с требуемым пространственным разрешением,

- количество фотодиодов, сигналы которых проверяются на совпадение в каждой из групп, программировать в анализаторе тем большим, чем меньше текущее отношение средней частоты сигнальных квантов к средней частоте темновых квантов.

Указанный выше технический результат достигается совокупностью приведенных выше новых признаков изобретения.

Матрица высокочувствительных (однофотонных) лавинных фотодиодов с соответствующим пространственным разрешением позволяет определять траекторрии движения гамма-частиц, а также получать изображение радиоактивного объекта без громоздких механических устройств сканирования.

Анализатор с функцией пропускания импульсов от групп фотодиодов на каждом из заданных элементарных интервалов времени по критерию совпадения сигналов фотодиодов, количество которых программируется в каждой группе тем большим, чем меньше текущее отношение средней частоты сигнальных квантов к средней частоте темновых квантов, позволяет уменьшить влияние темнового потока импульсов одноквантового фотосенсора на правильность его функционирования и тем самым понизить порог чувствительности гамма-детектора.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:

чертеж иллюстрирует предлагаемое устройство гамма-детектора.

Предлагаемый спектрометрический гамма-детектор состоит из одного или более сцинтиляторов 1, излучающих световые кванты с интенсивностью, пропорциональной энергии поглощенной гамма-частицы, высокочувствительных (однофотонных) фотосенсоров, обладающих пространственным разрешением, выполненных в виде матрицы 2, чувствительных к излучению сцинтиляторов лавинных фотодиодов 3, преобразующих световые кванты в нормализованные электрические импульсы, и соединенного с выходами фотосенсоров анализатора импульсов 4, пропускающего от групп 5 фотодиодов по критерию совпадения сигналы заданного количества фотодиодов с заданными координатами в группе на каждом из заданных элементарных интервалов времени.

Устройство работает следующим образом. Гамма-частица, попавшая в сцинтилятор 1, вызывает в нем излучение световых квантов с интенсивностью, пропорциональной энергии частицы. Световые кванты непосредственно или через объектив попадают на матрицу лавинных фотодиодов 2. Каждый квант вызывает импульс фототока в фотодиоде и соответственно стандартизованный импульс напряжения на выходе схемы считывания матрицы. Длительность импульсов соответствует элементарному интервалу времени (например, 1 мкс). Информация о наличии или отсутствии импульсов фототока у всех фотодиодов матрицы на элементарном интервале времени передается схемой считывания в анализатор 3. Анализатор в зависимости от текущих значений средней частоты импульсов, вызванных квантовым потоком сигнала, и средней частоты темновых импульсов устанавливает размер групп 5 и количество фотодиодов, в которых анализатор оставляет значения, соответствующие наличию импульсов, по критерию совпадения, т.е. только при наличии импульсов на элементарном интервале времени во всех фотодиодах заданного количества с заданными координатами в составе группы 5. Отсутствие хотя бы одного импульса в этой комбинации переводит данную комбинацию в пустое состояние. Эта процедура повторяется во всех комбинациях из k фотодиодов всех групп с N фотодиодами в каждой группе на всех элементарных интервалах на протяжении заданного времени наблюдения.

При интенсивности потока квантов, выражаемой их частотой: сигнальной f_S, темновой f_N, при количестве k фотодиодов, проверяемых на совпадение в группе из N фотодиодов, длительности элементарного интервала времени t, времени наблюдения Т, количестве элементарных интервалов во времени наблюдения T/t, допустимой вероятности ошибки, т.е. принятия за сигнал темнового импульса или пропуска сигнального импульса, δ, данное устройство обеспечивает следующее улучшение пороговой чувствительности.

Максимальная длительность безошибочного наблюдения определяется неравенством

T/t≤=δ[tf_N]^kC^N _K

из которого следует, что она быстро растет с увеличением k(tf_N<<1, t=10^-7 с, f_N=10² Гц, С^N _K - число сочетаний из N по k, когда число фотодиодов N в группе больше k). Минимальный (пороговый) уровень интенсивности сигнала при вероятности ошибки δ и максимальной длительности безошибочного наблюдения определяется неравенством

f_S/f_N>=(-10lnδ/δ)^1/k,

из которого следует, что он быстро снижается с ростом k. Так, при вероятности ошибки δ=10^-5 и при k=N=1, 2, 3, 4 соответственно f_S/f_N=10⁷, 3·10³, 2.5·10², 50.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализаций. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Спектрометрический гамма-детектор, содержащий один или более сцинтиляторов, излучающих световые кванты с интенсивностью, пропорциональной энергии поглощенной гамма-частицы, установленные в виде матрицы и разделенные на группы высокочувствительные (однофотонные) лавинные фотодиоды со схемами нормализации электрических импульсов, чувствительные к излучению сцинтиляторов, обладающие пространственным разрешением, преобразующие световые кванты в электрические импульсы фототока, соединенный с выходами фотосенсоров анализатор импульсов, пропускающий для подсчета и дальнейшей обработки те из них, которые соответствуют заданным критериям, отличающийся тем, что анализатор импульсов снабжен функцией пропускания импульсов фототока от той или иной группы фотодиодов только в том случае, если на заданном элементарном интервале времени сформированы импульсы фототока во всех фотодиодах, образующих предварительно заданную комбинацию фотодиодов, входящих в состав соответствующей группы фотодиодов, при этом величина указанного элементарного интервала времени, размерность указанных групп и комбинаций фотодиодов, проверяемых на совпадение в каждой из обрабатываемых групп, с определением соответствующих выборок фотодиодов, образующих такую комбинацию, программируются в анализаторе в режиме обработки текущих данных тем большим, чем меньше текущее отношение средней частоты сигнальных квантов к средней частоте темновых квантов.