Многомодульный полупроводниковый детектор для получения цифровых рентгеновских изображений объекта

Полезная модель относится к методам получения цифровых рентгеновских изображений объекта на базе полупроводниковых детекторов [1].
Известен детектор рентгеновского излучения с р-n переходом на основе эпитаксиальных структур GaAs, который выращен с помощью газофазной эпитаксии и имеет тонкий слой 70-150 мкм активного поглощения рентгеновского излучения в диапазоне эффективных энергий от 12 до 120 кэВ и работающий без напряжения смещения в режиме солнечной батареи [2].
Известна работа по изготовлению и испытанию многоканального детектора, выращенного с помощью жидкофазной эпитаксии на кристалле GaAs и имеющего толщину активного слоя поглощения 550 μm [3], но по степени чистоты материала уступающего эпитаксиальным слоям, полученным методом газофазной эпитаксии.
Данные прототипы многоэлементных детекторов способны регистрировать лишь рентгеновское излучение в мягком диапазоне эффективной энергии с максимум чувствительности при 35 кэВ, так как использовались в рентгеновской диагностике при облучении по нормали к поверхности детектора.
Техническим результатом полезной модели является расширение энергетического диапазона регистрации рентгеновского излучения, который можно получить путем ориентации поверхности детектора по отношению к направлению излучения.
Устройством, принятым за прототип, является многомодульный полупроводниковый детектор на основе эпитаксиальных структур арсенида галлия, которое способно регистрировать рентгеновское излучение лишь в мягком диапазоне эффективной энергии, так как облучение происходит по нормали к поверхности детектора [4].
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения цифровых рентгеновских изображений объекта, выполненным с возможностью взаимодействия с источником рентгеновского излучения и включающем многомодульный полупроводниковый детектор на основе эпитаксиальных структур арсенида галлия, многомодульный детектор выполнен в виде дуги с радиусом закругления, равным расстоянию от источника рентгеновского излучения до поверхности детектора, при этом каждый модуль расположен под углом скольжения к направлению распространения рентгеновского излучения.
При угле скольжения к направлению распространения излучения менее 10° достигается наилучшее увеличение ширины диапазона эффективной энергии рентгеновского излучения.
0
2
Экспериментальные результаты измерения зависимости фототока GaAs детектора с размерами по длине 5 мм при облучении его рентгеновским излучением под различными углами скольжения Ang, обозначенные под цифрой: 1-Ang=0° - в торец шириной 0.5 мм, 2 - Ang=5°, 3 - Ang=10°, 4 - по нормали; в зависимости от эффективной энергии рентгеновского излучения представлены на фиг. 1. Мощность дозы облучения составляет 10 мР/с. Использовался источник тормозного рентгеновского излучения с W-анодом при напряжении на трубке 100 кВ. Максимум приходится при эффективной энергии и углом скольжения облучения 5° и в торец при Е=60 кэВ, когда излучение проходило через медный фильтр толщиной 0.8 мм. Излучение при таких энергия на длине 5 мм кристалла GaAs поглощается на 99.5%, то есть соответствует наиболее эффективному преобразованию энергии поглощенных фотонов в фототок [5]. Зависимость фототока от дозы облучения - линейная [6]. При этом надо заметить, что апертура детектора при нормальном облучении составляет 0.5×5=2.5 мм, тогда как наклоняя детектор под скользящим углом Ang апертура детектора становится равной 0.5×5×cos (Ang), то есть уменьшается. Наклоном детектора достигается сдвиг максимальной чувствительности детектора от 30 кэВ в более жесткую область рентгеновского излучения. Таким образом, детектор с тонким активным слоем поглощения фотонов можно использовать для регистрации более жесткого рентгеновского излучения, когда он слабо реагирует при нормальном падении фотонов. По результатам исследования структур GaAs была разработана многоэлементная линейка. Если взять модуль шириной 32 мм, состоящий из 64 каналов с шагом детекторов 0.5 мм и продольной длиной 5 мм и сориентировать его по нормали к направлению облучения под скользящим углом Ang=5°. При этом на длине прохода луча через детектор в 5 мм уход луча в канале будет менее 0.053 мм. С параллаксом 0.0107 рад при расстоянии до источника излучения 1.5 м. В многоэлементной линейке детекторов на 1024 канала, состоящая из 16 модулей, каждый модуль будет ориентироваться по нормали к направлению облучения в виде дуги с радиусом закругления 1.5 м (фиг. 2). Такую линейку детекторов с коллимированным излучением в 1 мм синхронно можно сканировать вдоль исследуемого в рентгеновских лучах объекта. Схема съема и обработки сигналов с детекторов будет в соответствии с фиг. 2. Фототок с каждого детектора, возникающий при поглощении рентгеновского излучения, поступает на малошумящий операционный усилитель Am [7], далее усиленный аналоговый сигнал с помощью коммутатора К передается для оцифровки и последующей обработки компьютером. В результате получаем рентгеновские цифровые изображения с большим динамическим диапазоном по энергиям излучения, аналогично полученным в режиме регистрации мягкого излучения с меньшим динамическим диапазоном.
Многомодульный детектор можно применять в медицинской диагностике.
Список литературы
1. Ахмадуллин Р.А., Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Дикаев Ю.М., Ермаков М.Г., Ермакова О.Н., Крикунов А.И., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Телегин А.А. Линейный детектор регистрации рентгеновских изображений. // Приборы и Техника Эксперимента. 2002. №4. С. 166-167.
2. Ахмадуллин Р.А., Дворянкин В.Ф. Детектор рентгеновского излучения. // Заявка на изобретение RU 97116708 (МПК H01L 31/115). Дата публикации заявки: 10.07.1999.
3. Ayzenshtat G.I., Germogenov V.P., Guschin S.M., Okaevich L.S., Shmakov O.G., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. X-ray and y-ray detectors based GaAs epitaxial structures. // RADIATION IMAGING DETECTORS 2003. Proceedings of the 5th International Workshop on Radiation Detectors (IWORID), Riga, Lativa, September, 7-11, 2003, C. 97-102.
4. Дворянкин В.Ф., Дикаев Ю.М., Крикунов А.И., Кудряшов А.А., Телегин А.А., Бабичев Е.А., Бару С.Е., Поросев В.В., Савинов Г.A. GaAs - многоэлементный детектор рентгеновского излучения. // Микроэлектроника. 2004. Т. 33. №6. С. 460-464.
5. Дворянкин В.Ф., Дикаев Ю.М., Кудряшов А.А. Исследование свойств фотовольтаических детекторов рентгеновского излучения на основе эпитаксиальных структур GaAs. // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. В. 6. С. 126-128.
6. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Дикаев Ю.М., Ермаков М.Г., Ермакова О.Н., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Телегин А.А. Характеристики фотовольтаического рентгеновского детектора на основе структуры арсенида галлия. // Журнал Технической Физики. 2007. Т. 77. В. 10. С. 121-124.
7. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Дикаев Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г. Понижение уровней пульсаций интенсивности в приемниках рентгеновского излучения. // Приборы и Техника Эксперимента. 2002. №2. С. 159-161.