РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗАТОР
X-RAY ANALYSER

Изобретение относится к мультиэнергетическим детектирующим устройствам, применяемым в медицинских томографах, рентгеновских досмотровых системах, а также к устройствам для анализа спектрального состава рентгеновского и гамма-излучения.
Известен анализатор рентгеновского излучения, содержащий плоскую малогабаритную сборку из четырех термолюминесцентных детекторов (ТЛД), помещенных в полиэтиленовый контейнер. Байгарин К.А., Зинченко В.Ф., Лихолат В.М., Тимофеев В.В. Анализатор рентгеновского излучения на основе термолюминесцентных детекторов. Атомная энергия. 1991. N 70. Вып.6. С.410.
Известен анализатор рентгеновского излучения, содержащий вакуумированный корпус с входным окном из невакуумноплотного, слабопоглощающего материала, например лавсана. Корпус заполнен слабопоглощающим электроположительным газом, например водородом. Детектор рентгеновского излучения с тонким невакуумноплотным окном выполнен отпаянным и заполнен рабочим газом (неоном или аргоном). Патент Российской Федерации №2030736, МПК: G01N 23/223, 1995 г.
Недостатками вышеуказанных анализаторов рентгеновского излучения являются громоздкость конструкций, необходимость работы с вакуумными или отпаянными системами, ограниченность использования лишь для мягкого рентгеновского излучения.
Известен анализатор рентгеновского излучения, содержащий корпус, термолюминесцентные детекторы и фильтры рентгеновского излучения, расположенные в ячейках, корпус выполнен составным из двух частей, причем в сквозных ячейках одной из частей расположены фильтры, зафиксированные от выпадения прижимной пластиной. Каждый детектор расположен в ячейке, выполненной в съемной пробке, установленной в отверстии другой части корпуса соосно с фильтром, а обе части корпуса и прижимная пластина выполнены из материала с атомным номером, близким к атомному номеру детекторов. Патент Российской Федерации №2177629, МПК: G01T 1/36, 2001 г.
Известно устройство для поиска источника, определения направления на него и измерения спектра гамма-излучения источника, содержащее блок индикации, блок измерения, блок сравнения и детектирующий блок, состоящий из цилиндрического экрана и m>3 детекторов, где m - количество детекторов. Оно снабжено анализатором импульсов и оптоэлектронным преобразователем, соединенным электрически с анализатором и оптически с экраном, причем экран выполнен в виде сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2169380, МПК: G01T 1/16, 2001 г. (прототип).
Недостатками известных устройств являются большие габариты, сложность конструктивного исполнения и, вследствие этого, невозможность сконструировать координатно-чувствительный мультиэнергетический анализатор с пространственным разрешением ~ 1 мм.
Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Задачей изобретения является создание координатно-чувствительного и энергетически-чувствительного рентгеновского анализатора с пространственным разрешением не хуже 1 мм, упрощение конструкции рентгеновского анализатора.
Техническим результатом изобретения является возможность анализа спектра излучения с пространственным разрешением не хуже 1 мм, возможность объединения одиночных анализаторов спектра в однокоординатные линейные детекторы, возможность создания интегрированных сборок однокоординатных линейных детекторов различной протяженности для целей медицинской и промышленной радиографии и томографии.
Технический результат достигается тем, что в рентгеновском анализаторе, выполненном из плоских элементов, содержащих слой сцинтиллятора, нанесенного на подложку или введенного в ее состав, и волоконно-оптические элементы, на концах которых установлены фотоприемники, слой сцинтиллятора расположен вдоль направления распространения излучения, непрозрачен в этом направлении и прозрачен в перпендикулярном направлении, а подложка выполнена в виде сотовой структуры.
2
2
Сотовая структура выполнена в виде волоконно-оптической пластины из полимерного материала. Сотовая структура выполнена в виде волоконно-оптической пластины из рентгенозащитного стекла. Сотовая структура выполнена в виде двух последовательно расположенных волоконно-оптических пластин из полимерного материала и из рентгенозащитного стекла. Сотовая структура выполнена в виде микроканальной пластины с непрозрачными для света стенками каналов, заполненных сцинтиллятором, оси каналов микроканальной пластины перпендикулярны ее поверхности, одна из поверхностей микроканальной пластины покрыта светоотражающим материалом. Сотовая структура выполнена в виде микроканальной пластины с непрозрачными для света стенками каналов, заполненных порошковым люминофором состава GdOS:Tb(Eu) или порошковым люминофором состава ZnS:Ag, оси каналов микроканальной пластины перпендикулярны ее поверхности, одна из поверхностей микроканальной пластины покрыта светоотражающим материалом. Сотовая структура выполнена в виде волоконно-оптической пластины, волокна которой перпендикулярны направлению излучения и изготовлены из сцинтиллятора. Сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора, волоконно-оптических пластин из полимерного материала и из рентгенозащитного стекла. Сотовая структура выполнена составной в виде двух последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора и волоконно-оптического шлейфа. Сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора и волоконно-оптического кабеля.
Сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора, микроканальной пластины и волоконно-оптического кабеля.
Существо изобретения поясняется на фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4.
На фиг.1 схематично представлен в качестве примера один из детекторных элементов мультиэнергетического анализатора рентгеновского излучения, где 1 - слой дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора, 2 - сотовая структура, например волоконно-оптическая или микроканальная пластина, 3 - позиционно-чувствительный фотоприемник оптического излучения, X - направление излучения, L - длина слоя сцинтиллятора вдоль направления распространения излучения, d - толщина слоя сцинтиллятора, h - высота слоя сцинтиллятора.
На фиг.2 показано одно из устройств однокоординатного мультиэнергетического детектора рентгеновского излучения с однокоординатными фотоприемниками, где 1 - слой дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора, 2 - сотовая структура, например волоконно-оптическая или микроканальная пластина, 3 - фотоприемники однокоординатные, например фотодиодные линейки, 4 - волоконно-оптические шлейфы, (N) - общее число пар: волоконно-оптические шлейф - однокоординатный фотоприемник, X - направление излучения.
На фиг.3 показано одно из устройств однокоординатного мультиэнергетического детектора рентгеновского излучения с двухкоординатным фотоприемником, где 1 - слой дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора, 2 - сотовая структура, например волоконно-оптическая пластина или фокон (или оптический объектив), 3 - фотоприемник двухкоординатный, например ПЗС-матрица.
На фиг.4 представлены в качестве примера результаты моделирования работы анализатора рентгеновского излучения, где 5 - исходный (в общем случае неизвестный) спектр, 6 - восстановленный спектр, 7 - гистограмма исходного спектра в тех же энергетических окнах, что и для восстановленного спектра.
В отличие от дисперсного сцинтиллятора толщина d пластины волоконно-оптического сцинтиллятора практически не ограничена и может составлять от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Это снимает ограничения на ширину пучка излучения, связанного с прозрачностью сцинтиллятора.
2
2
Детекторный элемент мультиэнергетического спектрометра рентгеновского излучения содержит слой дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора 1. Дисперсный сцинтиллятор 1 нанесен на подложку в виде сотовой структуры или введен в ее состав. В качестве подложки, на которую наносится дисперсный сцинтиллятор, использованы волоконно-оптические элементы (волоконно-оптические пластины, фоконы, волоконно-оптические кабели и шлейфы). При введении дисперсного сцинтиллятора 1 в состав сотовой структуры эту структуру выполняют в виде микроканальной пластины с непрозрачными для света стенками каналов, оси каналов микроканальной пластины перпендикулярны ее поверхности, одна из поверхностей микроканальной пластины покрыта светоотражающим материалом, а каналы заполнены порошковым люминофором состава GdOS:Tb(Eu) или порошковым люминофором состава ZnS:Ag. Микроканальная пластина уменьшает вклад в сигнал детектора излучения, рассеянного в подложке. Это уменьшение достигнуто за счет малой плотности материала микроканальной пластины. В случае волоконно-оптического сцинтиллятора 1 оси волокон расположены перпендикулярно направлению излучения, а стенки волокон сцинтиллятора 1 покрыты непрозрачным для собственного оптического излучения материалом. Внешняя поверхность пластины волоконно-оптического сцинтиллятора 1 покрыта светоотражающим слоем.
Для переноса оптического сигнала, возникающего в сцинтилляторе 1, к фотоприемному устройству установлены примыкающие к сцинтиллятору 1 волоконно-оптические элементы: пластины 2, кабели, шлейфы 4, на противоположном конце этих элементов расположен позиционно-чувствительный приемник оптического излучения 3. В качестве позиционно-чувствительного приемника использованы однокоординатные фотодиодные линейки и двухкоординатные ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью). Для уменьшения собственных шумов фотодиодная линейка и ПЗС-матрица снабжены электрическим микрохолодильником. Для преобразования сигнала в цифровой вид и передачи его в ПЭВМ фотоприемники снабжены платой преобразователя с микропроцессором.
2
В настоящее время волоконно-оптические, сцинтилляционные и микроканальные пластины изготавливают площадью не менее 100×100 мм. При подобном размере сотовой структуры в качестве фотоприемника применяют ПЗС-матрицу, а для переноса изображения фоконы или оптические объективы.
Устройство работает следующим образом.
Излучение в виде рентгеновского или гамма кванта направляют на торец детекторного элемента мультиэнергетического анализатора рентгеновского излучения (фиг.1).
По мере распространения излучения вдоль слоя сцинтиллятора 1 происходит фильтрация излучения: спектр ужесточается по мере удаления от входного торца слоя дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора 1.
В результате взаимодействия с веществом слоя дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора 1 квант вызывает сцинтилляционную вспышку в том или ином месте по длине слоя дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора 1.
Свет от сцинтилляционной вспышки выходит в основном через поверхности слоя дисперсного или волоконно-оптического сцинтиллятора 1 в волоконно-оптические пластины 2.
Свет распространяется по волокнам волоконно-оптической пластины 2 и попадает в позиционно-чувствительный приемник 3 оптического излучения. По завершении экспозиции сигнал с позиционно-чувствительного 3 приемника считывают и направляют в ПЭВМ для обработки.
Спектр первичного рентгеновского излучения восстанавливают по пространственному (однокоординатному) распределению оптического сигнала в слое сцинтиллятора 1 вдоль направления распространения излучения. Энергетическое разрешение мультиэнергетического детектора определяется пробегом заряженных частиц и длиной ослабления света в слое сцинтиллятора 1.
И та, и другая величина для рентгеновского излучения от рентгеновских трубок, используемых в медицинской томографии, и дисперсного сцинтиллятора не превышает 0,1 мм. В случае волоконного сцинтилятора 1 пробег заряженной частицы также не превышает 0,1 мм, а длина ослабления света в направлении распространения излучения определена поперечным размером волокна, которое составляет 0,1 мм-1 мм.
Волоконно-оптические пластины 2 применяют в качестве входных и выходных окон электронно-оптических преобразователей, в качестве экранов электронно-лучевых трубок и в других электронно-оптических системах. Размер волокна составляет обычно 6 мкм, протяженность пластины до нескольких сантиметров, поперечный размер до 10 см. Таким образом, разрешение, обеспечиваемое волоконно-оптической пластиной 2, значительно выше, чем для слоя сцинтиллятора 1. Волоконно-оптическая пластина 2 изготовлена из полимерного материала или свинцового стекла. В первом случае уменьшается вероятность рассеяния рентгеновского излучения в волоконно-оптической пластине 2, во втором волоконно-оптическая пластина 2 эффективно ослабляет рассеянное излучение и препятствует его попаданию на фотодиодную линейку. Возможно комбинированное использование двух пластин: ближайшая к слою из полимера, вторая из свинцового стекла.
Микроканальные пластины изготавлены из стекла и органических материалов, характеризуются малой плотностью, что уменьшает вероятность рассеяния в них рентгеновского излучения и широким диапазоном поперечных размеров ячейки: от долей миллиметра до сантиметра.
Фотодиодные линейки являются стандартными оптическими детекторами компактных спектрометров, характеризуются высокой линейностью, а также большим динамическим диапазоном >10000. Их чувствительные элементы обыкновенно имеют большие размеры. Типичная ширина одного фотодиодного элемента составляет (25÷50) мкм, а высота 500÷2500 мкм. Число элементов фотодиодной линейки составляет 512, 1024, 2048.
3
При моделировании работы анализатора рентгеновского излучения в качестве сцинтиллятора использован слой из порошкового сульфида цинка с плотностью 2,5 г/см, протяженностью вдоль направления распространения излучения 30 мм. Из фиг.4 видно хорошее согласие восстановленного спектра 6 с гистограммой исходного спектра 7.