СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЙ ОДНОКООРДИНАТНЫЙ ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ
MULTISPECTRAL ONE-DIMENSIONAL X-RAY AND GAMMA-RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для регистрации направленного рентгеновского или гамма-излучения и может применяться в рентгеновских досмотровых системах, медицинских томографах, а также в устройствах для анализа спектрального состава рентгеновского и гамма-излучения.
Детекторы, используемые для регистрации спектрального распределения рентгеновского или гамма-излучения (далее «излучения»), могут быть условно разделены на две группы. Действие детекторов, относящихся к первой группе, основано на фильтрации излучения с помощью набора металлических фольг или отдельных элементов детектора, расположенных ближе к источнику (R.G. Waggener, М.М. Blough, J.A. Terry, et al., «Х-ray spectra estimation using attenuation measurements from 25 kVp to 18 MV», Med. Phys. 26 (1999) 1269; C. Avila, J. Lopez, J.C. Sanabria, G. Baldazzi, et al., «Contrast cancellation technique applied to digital x-ray imaging using silicon strip detectors», Med. Phys. 32 (2005) 3755).
Детекторы второй группы регистрируют амплитудное распределение сигнала (Т. Yasuhiro, S. Yuji, М. Shinjiro, et cet., «Energy discrimination type photon counting radiation line sensor (X-ray color scanner)», Ionizing Radiation, Vol. 32, No. 1 (2006) 39-47; K. Ogawa, T. Kobayashi, F. Kaibuki, et al., «Development of an energy-binned photon-counting detector for X-ray and gamma-ray imaging», NIM A 664 (2012) 29-37).
В обоих случаях восстановление спектра пришедшего на детектор излучения осуществляется в энергетических окнах (зонах) путем соответствующей математической процедуры с учетом калибровочных данных, полученных расчетным и/или экспериментальным путем.
В медицинских томографах и рентгеновских досмотровых системах для получения радиографических изображений в основном применяются однокоординатные устройства регистрации, состоящие из набора одинаковых сцинтилляционных детекторов, расположенных вдоль одной прямой или окружности и снабженных однокоординатными фотоприемными устройствами, как правило, в виде фотодиодных линеек. В этих устройствах восстановление спектра излучения обычно осуществляется в двух энергетических окнах. Для этого устройство регистрации обычно содержит два набора сцинтилляционных детекторов различной толщины из одного и того же сцинтиллятора, например CsI, располагаемых вдоль направления потока излучения друг за другом и разделенных фильтром из медной фольги.
Изобретение относится к области рентгеновской и гамма-радиографии, а именно регистрации рентгеновского и гамма-излучения с помощью однокоординатных детекторов с возможностью восстановления спектра излучения в нескольких энергетических окнах.
2
Известен «Рентгеновский анализатор», выполненный из плоских элементов, содержащих слои сцинтиллятора, расположенные вдоль направления распространения излучения, непрозрачные в этом направлении и прозрачные в перпендикулярном направлении, и подложки в виде сотовой структуры, отличающийся тем, что слои сцинтиллятора выполнены в виде расположенных друг за другом пластин сцинтилляторов из полистирола протяженностью не менее 3 мм, CaF протяженностью не менее 2 мм, ZnO протяженностью не менее 2 мм, CsI протяженностью не менее 8 мм, BGO протяженностью не менее 15 мм. Патент РФ №2504756, МПК: G01N 23/223, 2014 г. Аналог.
Недостатком аналога является отсутствие линейного координатного разрешения устройства, необходимого для рентгеновских досмотровых систем.
Известен «Рентгеновский анализатор», выполненный из плоских элементов, содержащих слой сцинтиллятора, нанесенный на подложку или введенный в ее состав, и волоконно-оптические элементы, на концах которых установлены фотоприемники, отличающийся тем, что слой сцинтиллятора расположен вдоль направления распространения излучения, непрозрачен в этом направлении и прозрачен в перпендикулярном направлении, а подложка выполнена в виде сотовой структуры. Патент Российской Федерации №2388015, МПК: G01T 1/00, 2009. Прототип.
Недостатком прототипа является невозможность восстановления спектра рентгеновского и гамма-излучений при наличии в спектре падающего на него излучения рентгеновских или гамма-квантов с энергией вблизи К-края фотоэлектрического поглощения материала сцинтиллятора.
Техническим результатом изобретения является возможность восстановления спектра рентгеновского и гамма-излучений при наличии в спектре падающего на него излучения рентгеновских или гамма-квантов с энергией вблизи К-края фотоэлектрического поглощения материала сцинтиллятора.
Технический результат достигается тем, что в спектрозональном однокоординатном детекторе рентгеновского и гамма-излучений, содержащем слой сцинтиллятора, непрозрачный вдоль направления распространения излучения и прозрачный в перпендикулярном направлении, слой сцинтиллятора состоит из параллельных друг другу и оптически разделенных сборок пластин сцинтилляторов, непрозрачных вдоль направления распространения излучения и прозрачных в направлении, перпендикулярном поверхности сцинтиллятора, расположенных вплотную друг к другу в порядке возрастания среднего атомного номера сцинтилляторов в направлении распространения излучения, длина пластин сцинтилляторов l выбирается из условия:
ф-к
ф-к
где µ(Е) - коэффициент линейного ослабления излучения с энергией Е, при которой сравниваются сечение фотопоглощения и сечение комптоновского рассеяния в материале пластины сцинтиллятора, поверхность сцинтиллятора находится в оптическом контакте с двухкоординатным позиционно чувствительным фотоприемным устройством.
Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, 2 и Таблицах 1, 2.
На Фиг. 1 схематически представлено устройство спектрозонального однокоординатного детектора рентгеновского и гамма-излучений, состоящего, где:
1 - сборки пластин сцинтилляторов, расположенные вплотную друг к другу;
2 - пластины сцинтилляторов, изготовленные из различных сцинтиллирующих веществ, например, перечисленных в Таблице 1, и входящие в состав сборок;
3 - светонепроницаемые перегородки, оптически разделяющие сборки;
4 - двухкоординатное позиционно-чувствительное фотоприемное устройство;
5 - направление потока рентгеновского или гамма-излучения;
6 - светонепроницаемые перегородки, которые могут устанавливаться внутри пластин сцинтилляторов 2 при использовании оптически прозрачных сцинтилляторов.
х
На Фиг. 2 в качестве примера показано пространственное распределение энерговыделения в пластинах 2 вдоль направления 5, рассчитанное для моноэнергетических квантов излучения с энергией Е:
7 - 22,5 кэВ;
8 - 36 кэВ;
9 - 55 кэВ;
10 - 90 кэВ;
11 - 135 кэВ;
12 - 225 кэВ;
13 - 360 кэВ.
2
В таблице 1 для сцинтилляторов из полистирола, CaF, ZnO, CsI и BGO приведены значения энергий, характеризующих материал сцинтиллятора:
К-край
Е - энергия K-края фотопоглощения;
ф-к
Е - энергия, при которой сравниваются сечение фотоэффекта и комптоновского рассеяния;
е-е
Е - энергия, при которой заметный вклад в сцинтилляционный сигнал начинает вносить рождение электрон-позитронных пар.
2
K-край
K-край
ф-к
ф-к
i
i+1
i-1
i
В таблице 2 для сцинтилляторов из полистирола, CaF, ZnO, CsI и BGO приведены значения длины ослабления 1/µ(Е) излучения при энергиях: Е , E , E  и Е  (i - номер по порядку сцинтиллятора в таблицах 1 и 2).
Спектрозональный однокоординатный детектор рентгеновского и гамма-излучений содержит слой сцинтиллятора, состоящий из набора параллельных друг другу и оптически разделенных с помощью светонепроницаемых перегородок 3 сборок 1, содержащих пластины 2, изготовленные из сцинтиллирующих материалов, отличающихся атомным номером, и расположенных вдоль направления 5 в порядке возрастания среднего атомного номера материала пластин 2.
На поверхности слоя сцинтиллятора с оптическим контактом расположено двухкоординатное позиционно чувствительное фотоприемное устройство 4. Для предотвращения распространения света в слое сцинтиллятора вдоль направления 5 при использовании в пластинах 2 оптически прозрачных сцинтиллирующих веществ в таких пластинах устанавливают светонепроницаемые перегородки (светоотражающие или светопоглощающие) 6, которые не требуются при использовании в пластине 2 порошкового сцинтиллятора.
Однокоординатная чувствительность устройства обеспечивается применением двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства 4 и применением светонепроницаемых перегородок 3, обеспечивающих пространственное разрешение в плоскости слоя сцинтиллятора в направлении, перпендикулярном направлению 5.
Пространственное разрешение вдоль направления 5 обеспечивает измерение пространственного распределения сигнала в пластинах 2, используемое для восстановления спектра излучения.
Для корректного измерения пространственного распределения энерговыделения в пластинах 2 на устройство 4 должны, в основном, попадать только те сцинтилляционные фотоны, которые распространяются перпендикулярно поверхности слоя сцинтиллятора. Это может обеспечиваться различными способами с использованием:
2
3
- порошкового сцинтиллятора (Во Kyung Cha, Jong Yul Kim, Gyuseong Cho b, Chang-Woo Seo, Sungchae Jeon, Young Huh, Quasi-pixel structured nanocrystalline GdO(Eu) scintillation screens and imaging performance for indirect X-ray imaging sensors, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 648 (2011) S12-S15);
- сцинтиллятора, состоящего из набора пластин сцинтилляторов, разделенных светонепроницаемыми перегородками 6;
- матричного сцинтиллятора, например волоконного;
- оптического коллиматора, устанавливаемого между слоем сцинтиллятора и фотоприемником.
В качестве двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства 4 могут использоваться:
- ПЗС-матрицы (Sol М. Gruner, Mark W. Tate, Eric F. Eikenberry, Charge-coupled device area x-ray detectors, Review of Scientific Instruments, Vol. 73, #8 (2002) 2815-2842);
- двухкоординатные ФЭУ;
- позиционно чувствительные детекторы на основе панелей изображения из аморфного кремния (Дэвид Л. Джилблом. Устройство и способ получения рентгеновского изображения с применением плоской панели изображения из аморфного кремния. Патент РФ №2181491. МПК: G01N, G01T, H05G. 2000).
2
Фиг. 2 показывает пространственную зависимость энерговыделения в пластинах 2, изготовленных из следующих сцинтилляторов: полистирола длиной 3 мм, CaF (2 мм), ZnO (2 мм), CsI (8 мм), BGO (15 мм), расположенных вдоль направления потока излучения 5 в указанном порядке (по возрастанию среднего атомного номера).
Для однозначного восстановления спектра излучения необходимо, чтобы на каждую последующую пластину 2 проходило излучение, для которого зависимость коэффициента линейного ослабления µ(E) от энергии была бы однозначно определена, т.е. не содержала экстремумов. Важно также, чтобы зависимость коэффициента линейного ослабления µ(E) в пластинах 2 в области энергий, падающего на них излучения, характеризовалась максимально возможной производной. Для выполнения этих условий необходимо, чтобы на каждую из последующих пластин 2 падал спектр излучения преимущественно в области энергий фотоэффекта, не содержащий энергий, во-первых, слева от K-края фотопоглощения и, во-вторых, в области рождения электрон-позитронных пар.
min
К-edge
min
K-edge
Скачки в зависимости µ(E) в области фотопоглощения имеют место при значениях энергии, определяемых энергией связи электронов атомов, входящих в состав сцинтиллятора. Необходимо, чтобы левая граница спектра падающего на сцинтиллятор излучения E лежала выше энергии K-края полосы поглощения Е (E>E) атома с самым большим атомным номером из атомов, входящих в состав сцинтиллятора, за исключением атомов активатора, концентрация которых обычно достаточно мала.
max
е-е
е-е
Правая граница спектра падающего на сцинтиллятор излучения E должна быть ограничена сверху энергией Е, при которой заметный вклад в сцинтилляционный сигнал начинает вносить рождение электрон-позитронных пар. Величина Е (таблица 1) составляет несколько МэВ в случае сцинтилляторов, содержащих атомы с большим зарядом электронной оболочки (большим атомным номером) и >10МэВ в случае малого заряда.
min
max
ф-к
ф-к
В определенном таким образом интервале энергий (E, E) основными видами взаимодействия рентгеновского излучения с веществом является фотопоглощение и комптоновское рассеяние, причем сечение фотопоглощения характеризуется более выраженной зависимостью от энергии, чем сечение комптоновского рассеяния. Поэтому в области энергий, при которых ослабление излучения происходит преимущественного за счет фотопоглощения, спектр может восстанавливаться более точно, чем при комптоновском рассеянии. В качестве правой границы этой области можно условно принять энергию Е, при которой сечение фотопоглощения сравнивается с сечением комптоновского рассеяния. Для эффективного поглощения квантов с энергией Е, характерной для материала сцинтиллятора, используемого в пластине 2, необходимо выполнение условия:
ф-к
ф-к
где µ(Е) - коэффициент линейного ослабления излучения с энергией Е, при которой сравниваются сечение фотопоглощения и сечение комптоновского рассеяния в материале сцинтиллятора.
ф-к
е-е
В переходной области (Е, Е) µ(E) меняется сравнительно слабо и поэтому при разбиении спектра на энергетические группы может оказаться целесообразным представлять эту область энергий одной группой.
К-край
ф-к
е-е
2
К-край
2
К-край
В таблице 1 приведены определенные выше значения Е, Е, а также Е для полистирола, CaF, ZnO, CsI и BGO. Из таблицы 1 видно, что значения Е для полистирола, CaF и ZnO находятся в области практически мало используемых энергий (Е<10 кэВ). Для CsI и BGO Е составляет соответственно 37 кэВ и 91 кэВ и попадает в область энергий, используемых в досмотровых и медицинских устройствах.
К-край
е-е
ф-к
K-край
i
i+1
Из приведенных в таблице 1 значений Е и Е следует, что диапазон рабочих энергий устройства при применении перечисленных в ней сцинтилляторов лежит в области энергий от 0,3 кэВ до 3 МэВ. Видно также, что значение Е  для i-го сцинтиллятора существенно больше значения E  для (i+1)-го сцинтиллятора (i - номер по порядку сцинтиллятора в таблице 1).
х
ф-к
х
K-край
i
i+1
Коэффициент линейного ослабления излучения в сцинтилляторе возрастает при уменьшении энергии излучения, поэтому для излучения падающего на i-й сцинтиллятор выполнение соотношения (1) при энергии Е=Е  для i-го сцинтиллятора означает безусловное его выполнение и при энергии равной Е=E , характерной для материала (i+1)-го сцинтиллятора.
К-край
ф-к
В таблице 2 приведены длины ослабления (1/µ(E)) излучения в сцинтилляторах, перечисленных в таблице 1, при энергиях Е и Е.
i+1
K-край
2
х
К-край
Из таблицы 2 видно, что длина ослабления в i-ом сцинтилляторе для квантов с энергией E  составляет соответственно 440 мкм в случае полистирола, 100 мкм для CaF, 260 мкм для ZnO, и 1 мм для CsI. Это, например, означает, что для уменьшения числа квантов с энергией Е=91 кэВ (Е для BGO), падающих на пластину сцинтиллятора из BGO, на 3 порядка достаточно пластины CsI протяженностью менее 1 см.
Восстановление спектра излучения производится путем решения переопределенной системы линейных уравнений.
где:
i
С - восстанавливаемый спектр, вектор столбец с элементами с, равными числу фотонов в i-той энергетической группе восстанавливаемого спектра,
ij
А - калибровочная матрица с элементами a, равными среднему сигналу вызываемому фотоном i-ой группы в j-ом элементе (пикселе) позиционно чувствительного фотоприемного устройства, которое определяется калибровочными измерениями и (или) расчетом,
В - сигнал в j-том элементе (вектор-строка).
2
Для оценки точности восстановления спектра излучения, падающего на устройство, была выбрана конструкция с поперечным сечением сборок 1, равным 0,8×0,8 мм, составленных из расположенных друг за другом пластин сцинтилляторов 2 из полистирола, CaF, ZnO, CsI и BGO протяженностью соответственно 3 мм, 2 мм, 2 мм, 8 мм и 15 мм.
В расчетах предполагалось, что поток излучения распространяется вдоль направления 5, а пространственное разрешение двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства 4 и пластин 2 вдоль этого направления составляет 100 мкм. Оценки проводились в случае, когда на устройство падает излучение в диапазоне (10÷250) кэВ равномерного спектра. Восстановление проводилось в 5-ти энергетических группах. Максимальное стандартное отклонение для числа квантов в энергетических окнах реконструируемого спектра составило <4% при 1% статистической точности сигнала, просуммированого по всем элементам устройства 4.
Помимо перечисленных в таблице 1 сцинтилляторов могут использоваться и другие (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов. Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, МПК:G01T 1/20, 2008).
Устройство работает следующим образом.
Включается питание устройства 4. Рентгеновское или гамма-излучение поступает на торцевую поверхность слоя сцинтиллятора вдоль направления 5. При взаимодействии рентгеновских или гамма-квантов с веществом одной из пластин 2 в ней образуются электроны, которые возбуждают в пластине 2 сцинтилляционную вспышку. Фотоны от сцинтилляционной вспышки частично попадают на один или несколько фоточувствительных элементов устройства 4, частично выходят в противоположную от него сторону и поглощаются (или отражаются) при распространении в других направлениях в перегородках 3 и 6 (при их наличии). Количество фотонов в сцинтилляционной вспышке и величина электрического сигнала, вызванная фотонами в фоточувствительных элементах устройства 4, пропорциональны энергии, выделенной электроном в пластине 2.
Сигнал, возникший в фоточувствительных элементах устройства 4, расположенных перпендикулярно направлению распространения излучения 5 (вдоль направления Y на Фиг. 1), формирует однокоординатное изображение потока падающего на устройство излучения. Этот сигнал при необходимости интегрируется по ширине сборок 1 (вдоль направления Y на Фиг. 1) и вдоль направления распространения излучения 5.
Сигнал, возникший в фоточувствительных элементах устройства 4, расположенных вдоль направления распространения излучения 5 (вдоль направления X на Фиг. 1), при необходимости интегрируется по ширине сборок 1 (вдоль направления Y на Фиг. 1). Пространственное распределение этого сигнала вдоль направления X (Фиг. 1) используется в выражении (1)) для восстановления спектра излучения, который приписывается значениям Y, соответствующим положению осевых линий сборок 1.
Корректное восстановление спектра падающего на сборку 1 излучения с помощью выражения (1) при наличии в спектре рентгеновских или гамма-квантов с энергией вблизи К-края фотоэлектрического поглощения для сцинтилляторов в одной или нескольких пластинах 2, входящих в сборку, обеспечивается тем, что такие кванты эффективно поглощаются в предыдущих пластинах 2, изготовленных из сцинтилляторов с меньшим средним атомным номером и поэтому характеризующихся меньшей энергией К-края фотоэлектрического поглощения, выходящей за пределы регистрируемого спектра излучения. При этом применение двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства обеспечивает определение спектра излучения в каждой точке однокоординатного рентгеновского или гамма-изображения.