Многослойный детектор

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах. Технический результат - повышение эффективности регистрации, понижение порога обнаружения источника излучений, расширение спектрометрических возможностей за счет применения набора пластин и последующей математической обработки количества поступивших с них сигналов, снятие требования об использовании сцинтилляционных материалов, отличающихся спектром оптического излучения. В многослойном детекторе пластины сцинтиллятора выполнены с переменной толщиной, увеличивающейся по мере удаления от источника, а фотоприемные устройства расположены на боковых поверхностях каждой пластины сцинтиллятора или над стыками пластин. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма-излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах.

Известен детектор проникающих излучений, содержащий волоконный модуль, собранный из сцинтиллирующих оптических волокон, оптическую систему регистрации излучения, выходящего из торцов этих волокон.

Волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов. Оптическая система содержит отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива, с которого световой поток попадает на ПЗС-матрицу. Патент Российской Федерации №2290666, МПК: G01T 1/20, G01N 23/02, 2006 г.

Известен детектор со сцинтилляторами различного типа с различными спектрами излучения и фотоприемниками. Сцинтиллятор выполнен составным и содержит не менее двух составных элементов различного типа с различными спектрами излучения, установленных последовательно, на одном из торцов составного сцинтиллятора установлено такое же количество фотоприемников со спектральными чувствительностями или светофильтрами, согласованными с соответствующим типом составного элемента сцинтиллятора. Для регистрации быстрых нейтронов использован пластиковый сцинтиллятор, для регистрации тепловых нейтронов сцинтиллятор изготовлен из кристалла ⁶LiF, а для регистрации рентгеновских и гамма-квантов сцинтиллятор изготовлен из кристалла NaI(Tl). Патент Российской Федерации на полезную модель №76141, МПК: G01T 1/20, 2008 г.

Известен многослойный детектор, содержащий два разных сцинтиллятора, светящиеся в двух диапазонах длин волн, расположенных последовательно друг за другом. Первый служит для регистрации мягкого рентгеновского излучения, второй - для регистрации жесткой компоненты. Первый элемент сцинтиллятора включает гадолиний, и имеет толщину от 0.03 мм до 0.06 мм; второй элемент сцинтиллятора включает отдельный кристаллический вольфрамат кадмия толщиной от 2 мм до 3 мм. Один из оптических датчиков включает кремниевый фотодиод. Полная толщина элементов сцинтиллятора от 1.0 мм до 10.0 мм. Общая толщина сцинтиллирующих кристаллов достаточна для поглощения 99% всего излучения. Патент США №7388208, МПК: G01T 1/00, 2008 г. Прототип.

Основным недостатком аналогов и прототипа является неполное разделение сигналов, возникающих в фотоприемнике.

Недостатками являются также низкая чувствительность обнаружения источников ионизирующих излучений из-за наличия собственных шумов фотоприемных устройств, невозможность учета вклада рассеянного в детекторе излучения, необходимость использования только прозрачных сцинтилляторов, отличающихся в необходимой степени спектром оптического излучения.

Изобретение устраняет недостатки аналога и прототипа. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации, понижение порога обнаружения источника излучений, расширение спектрометрических возможностей за счет применения набора пластин и последующей математической обработки количества поступивших с них сигналов, снятие требования об использовании сцинтилляционных материалов, отличающихся спектром оптического излучения, упрощение конструкции.

Технический результат достигается тем, что в многослойном детекторе, содержащем пластины сцинтиллятора, внешние поверхности которых покрыты слоями защитного материала и приемники оптического излучения, пластины сцинтиллятора выполнены с переменной толщиной, увеличивающейся по мере удаления от источника, а фотоприемные устройства расположены на боковых поверхностях пластин сцинтиллятора.

Фотоприемные устройства, за исключением первого и последнего, расположены на границах боковых поверхностей между смежными пластинами.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 схематично представлен многослойный детектор, где 1 - пластины сцинтилляторов, 2, 2¹ - фотоприемные устройства, X - направление излучения. Поверхности пластин покрыты светоотражающим материалом, а вся конструкция помещена в светозащищенный корпус.

На Фиг.2 схематично представлен многослойный детектор, где: 1 - пластины сцинтилляторов, 2, 2¹ - фотоприемные устройства, расположенные на границах боковых поверхностей между смежными пластинами, X - направление излучения. Такое расположение фотоприемников позволяет уменьшить их количество.

На фиг.3 представлена в качестве примера реализации двухканальная схема обработки сигналов, где 1 - пластины сцинтилляторов; 2, 2¹ - фотоприемные устройства, 3 и 3¹ - аналоговые усилители; 4 и 4¹ - аналоговых выходов; 5 и 5¹ - дискриминаторы с регулируемыми порогами дискриминации; 6 - схема совпадений.

Устройство работает следующим образом.

Излучение в виде рентгеновского или гамма-кванта направляют на торец первой пластины 1 сцинтилляционного многослойного детектора.

В результате фотоэффекта, или комптоновского рассеяния, или в результате рождения электрон-позитронной пары квант вызывает сцинтилляционную вспышку в одной или нескольких пластинах 1 одновременно.

Свет от сцинтилляционной вспышки через боковые поверхности пластин 1 поступает на фотоприемные устройства 2 и 2¹, в которых под его действием возникает электрический сигнал.

Сигналы с фотоприемников 2 и 2¹ (кремниевых фотоумножителей) поступают на аналоговые усилители 3 и 3¹.

Затем аналоговый сигнал поступает на дискриминаторы 5 и 5¹ с регулируемыми порогами дискриминации (Фиг.3).

Логические сигналы с дискриминаторов 5 и 5¹ идут на схему совпадений 6.

Если на обоих входах схемы совпадений 6 появляются сигналы, схема совпадений 6 вырабатывает сигнал, который хранится в выходном регистре схемы.

Внешний контроллер (не показан) опрашивает выходные регистры схемы совпадений 6 и в случае наличия в них сигнала (запроса) считывает сигналы с аналоговых выходов 4 и 4¹ (как опция) и передает их в компьютер для оцифровки и суммирования.

Собранные данные направляют в амплитудный анализатор, в котором накапливают амплитудный спектр сигнала для данной пластины 1.

События, произошедшие в одной или нескольких пластинах 1, разделяют по времени прихода запроса. Количество сигналов запроса с каждой пластины 1 и амплитудный спектр сигнала по окончании регистрации анализируют и с помощью компьютерной программы производят восстановление спектра излучения.

Все логические схемы выполнены в стандарте ЭСЛ. В качестве дискриминаторов 5 и 5¹ использованы микросхемы AD 96687 ВР, а в качестве схемы совпадений 6 использована микросхема HEL (MC10LD1).

В случае достаточно большого поперечного сечения пластин 1 возможно одновременное появление сцинтилляционного сигнала (множественное событие) в нескольких пластинах 1 по следующим причинам:

- в результате комптоновского рассеяния кванта в одной из пластин 1, попадания этого кванта в другую пластину 1 и повторного рассеяния или фотоэффекта в нем;

- пробега электрона, возникающего при взаимодействии рентгеновского кванта с материалом сцинтиллятора в одной пластине 1, с другими пластинами 1.

Идентификация таких событий и пластин 1, в которых они произошли, проводится путем анализа времени прихода запроса со всех пластин 1.

Если сигналы поступили в интервале времени T≤L/c, где L - длина детектора вдоль направления излучения X, с - скорость света, то события вызваны одним квантом.

Определение энергии этого кванта проводят на основании анализа амплитуды сигналов, поступивших с соответствующих пластин 1.

При достаточно малом поперечном сечении количество событий, поступивших одновременно с нескольких пластин 1, может быть пренебрежимо мало.

В случае достаточно большого размера пластин 1 возможно одновременное появление сцинтилляционного сигнала (множественное событие) в нескольких пластинах 1 по следующим причинам:

- в результате комптоновского рассеяния кванта в одной из пластин 1, попадания этого кванта в другую пластину 1 и повторного рассеяния или фотоэффекта в нем;

- пробега электрона, возникающего при взаимодействии рентгеновского кванта с материалом сцинтиллятора в одной пластине 1, в другие пластины 1.

Идентификация таких событий и пластин 1, в которых они произошли, проводится путем анализа времени прихода запроса со всех пластин 1. Если сигналы поступили в интервале времени T≤L/c, где L - длина детектора вдоль направления излучения X, с - скорость света, то события вызваны одним квантом. Учет таких событий осуществляется при восстановлении энергетического спектра излучения.

При достаточно малом поперечном сечении количество событий, поступивших одновременно с нескольких пластин 1, пренебрежимо мало.

Для восстановления спектра излучения источника решается система интегральных уравнений

где Q_i - количество запросов с i-го слоя (пластины) многослойного детектора; n - число слоев; S_i(E) - чувствительность i-го слоя к потоку квантов с энергией Е; φ(Е) - искомая энергетическая зависимость падающего на детектор потока квантов. Система уравнений (1) решается с использованием итерационного метода минимизации направленного расхождения (МНР) (Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ №1446. Обнинск, 1983).

1. Многослойный детектор, содержащий пластины сцинтиллятора, внешние поверхности которых покрыты слоями защитного материала, и приемники оптического излучения, отличающийся тем, что пластины сцинтиллятора выполнены с переменной толщиной, увеличивающейся по мере удаления от источника, а фотоприемные устройства расположены на боковых поверхностях пластин сцинтиллятора.

2. Многослойный детектор по п.1, отличающийся тем, что фотоприемные устройства, за исключением первого и последнего, расположены на границах боковых поверхностей между смежными пластинами.