ДЕТЕКТОР ДЛЯ КООРДИНАТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И АННИГИЛЯЦИОННЫХ ГАММА-КВАНТОВ

Предложение относится к технике измерения координаты взаимодействия рентгеновского излучения и аннигиляционных гамма-квантов в веществе и может быть использовано в медицине, биологии и в рентгенографии промышленных изделий.
В настоящее время известны приборы-коллиматоры, используемые совместно с газонаполненными многопроволочными пропорциональными камерами [А.Р.Jeavons, С.Gate. The Proportional Chamber Gamma-Gamma. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1975, v.NS-22, N 1, p.640; Ю.В.Заневский. Проволочные детекторы элементарных частиц. М. Атомиздат, 1978].
В этих приборах дрейфовое пространство перед камерой заполняется твердыми конверторами, имеющими каналы. Каналы коллиматора могут быть круглыми или квадратными диаметром от 0,8 мм до 3 мм. Фотоэлектроны, образованные при взаимодействии γ-квантов со стенками конвертора-коллиматора, дрейфуют по каналам под действием электрического поля в чувствительную область камеры.
Существенным недостатком прибора является то, что пространственное разрешение детектора определяется шагом каналов. С увеличением энергии γ-квантов более 50 кэВ из-за поглощения в конверторах фотоэлектронов эффективность регистрации падает до 10%. В целом, подобные детекторы имеют довольно сложную конструкцию, низкое пространственное разрешение и не обеспечивают высокой эффективности регистрации, что приводит к использованию больших доз облучения на единицу площади исследуемого объекта.
99m
γ
Наиболее близким техническим решением по сущности и достигаемому результату является конструкция детектора для координатной регистрации рентгеновского излучения и аннигиляционных гамма-квантов, содержащего многопроволочную пропорциональную камеру и два слоя конверторов из металлической фольги, расположенных по обе стороны камеры. [J.Е. Bateman and J.F.Connolly. AMWPC gamma camera for imaging Tc radionuclide distributions. RL 77-031/B, 1977]. Используемый в приборе материал зависит от энергии излучения, а эффективность регистрации определяется вероятностью вылета фотоэлектронов из фольги катода. При сборке, состоящей из 25 пропорциональных камер с катодами из оловянной фольги толщиной 30 мкм, эффективность регистрации γ-квантов с энергией E=140 кэВ составляет всего 16.5%.
γ
Существенные недостатки прототипа проявляются в низкой эффективности регистрации рентгеновского излучения в диапазоне энергий E=(50÷200) кэВ ввиду неправильного положения конверторов относительно направления γ-квантов, которое противоречит процессу фотоэффекта, благодаря которому γ-квант регистрируется в камере.
Пучок γ-квантов, проходя через вещество, ослабляется по экспоненциальному закону
0
-µx
N=N·e,
0
2
-1
где N - число γ-квантов в первоначальном пучке; N - число γ-квантов, прошедших слой вещества толщиной x; µ - линейный коэффициент ослабления (в смг).
Линейный коэффициент ослабления µ связан с полным сечением σ рассеяния или поглощения на один атом вещества выражением
µ=n·σ,
3
2
где n - число атомов поглотителя в 1 см, а σ - измеряется в см.
Если энергия пучка квантов ≤511 кэВ, то он ослабляется в результате фотоэлектрического поглощения, при этом для существенного ослабления потока γ-квантов необходимо использовать большие толщины конверторов. Поглощение существенно усиливается, если вещество конвертора имеет большой атомный номер. Однако образующиеся при этом фотоэлектроны из-за низкой энергии и высоких ионизационных потерь не способны в таких условиях выйти из вещества и попасть в чувствительный газ детектора, - это определяет недостоверность показаний.
Технической задачей и положительным результатом заявляемого детектора является устранение указанных недостатков и повышение эффективности регистрации рентгеновского излучения и аннигиляционных гамма-квантов газонаполненными координатными детекторами, повышение точности измерения координаты точки взаимодействия γ-квантов в конверторе.
Указанная задача и технический результат достигаются за счет того, что детектор для координатной регистрации рентгеновского излучения и аннигиляционных гамма-квантов, содержащий многопроволочную пропорциональную камеру и два слоя конверторов из металлической фольги, расположенных по обе стороны камеры, при этом конверторы составлены из полосок фольги длиной, равной чувствительной высоте камеры, при этом полоски фольги натянуты в вертикальном направлении с малым шагом вдоль ширины камеры под острым углом относительно направления движения гамма-кванта, причем камера оснащена спектросмещающими световодами для регистрации электролюминесцентных сигналов от дрейфующих электронов.
Описываемый детектор раскрывается на прилагаемых графических материалах, где:
на фиг.1 изображена принципиальная конструктивная схема предлагаемого детектора;
на фиг.2 - упрощенная схема детектора на фиг.1;
на фиг.3 - схема распределения фотоэлектронов в детекторе;
на фиг.4 - процесс сборки технической и электронной схем детектора;
на фиг.5 - общий вид детектора в сборе.
Детектор для координатной регистрации рентгеновского излучения и аннигиляционных гамма-квантов содержит многопроволочную пропорциональную камеру 1, два слоя конверторов 2 и 3, выполненных из металлической фольги и расположенных по обе стороны камеры. Указанные конверторы составлены из полосок 4, 5 фольги, длина их выбрана равной чувствительной высоте камеры 1; полоски натянуты в вертикальном направлении и с малым шагом вдоль ширины камеры под острым углом относительно направления движения гамма-кванта. Камера оснащена катодными 6 и анодными 7 элементами в виде натянутых катодных и анодных проволок, при этом проволоки первого катода 8 натянуты в направлении перпендикулярном к направлению анодных проволок 9, а второго катода 10 - параллельно анодным проволокам. В детекторе для определения места взаимодействия гамма-кванта и повышения эффективности гамма-гамма совпадений используют спектросмещающие световоды 11, регистрирующие электролюминесцентный сигнал от дрейфующих электронов, возникающих в результате срабатывания рентгеновского излучателя 12; заряды регистрируют зарядово-чувствительными усилителями 13, 14, далее, обработкой сигналов с помощью компьютера (на чертеже не показан) определяют горизонтальную "X" и вертикальную "У" координаты точки взаимодействия гамма-кванта в конверторе 2-3 с учетом углового распределения (фиг.3) фотоэлектронов и с учетом различных значений скоростей, длины пути гамма-кванта в технической схеме детектора.
Разработанный детектор превосходит аналоги по радиационной стойкости, по скорости счета и пространственному разрешению, что позволяет при незначительных лучевых нагрузках получать более четкие изображения изучаемого объекта.
Работа детектора, как она частично изложена выше, осуществляется следующим образом. На катодные 6 и анодные 7 проволоки подают потенциал; рентгеновским излучением - 12 воздействуют на слои конверторов 2 и 3 и их чувствительные полоски 4, 5, выполненные из металла с высоким значением "Z" ("Z" - атомный номер поглощающего вещества), в частности, - из тантала, при этом эффективная длина пробега гамма-кванта в конверторных слоях составит 230-350 мкм. Обеспечение дрейфа электронов ионизации к анодным проволокам 7 обеспечивается благодаря нескольким полоскам 4, 5 каждого слоя конвертора; определение места взаимодействия гамма-кванта с полосками используют спектросмещающие световоды 11 и усилители 13, 14, от которых сигналы подают на обработку с помощью компьютера. Установка конверторов 2, 3 под углом около 5° (фиг.1, 2) к направлению пробега гамма-квантов позволяет с абсолютной точностью считывать и распознавать угловое распределение фотоэлектронов при нескольких значениях скоростей (фиг.3). Полная картина процесса формируется рабочим пространством данного детектора (фиг.4, 5), позволяющим работать с минимальными лучевыми нагрузками и при этом получать более точные и четкие изображения изучаемого объекта с превосходящей скорости счета (более чем на порядок по сравнению с лучшими образцами таких детекторов) и в 2-4 раза более точными по пространственному размещению.