Устройство для регистрации сцинтилляционного сигнала в досмотровом комплексе

Полезная модель относится к области средств неразрушающего контроля состава объектов с большой эффективной толщиной (эквивалентных 40 см стали). Устройство может быть использовано в составе неразрушающих досмотровых комплексов для инспектирования крупногабаритных предметов, таких как автомобильный транспорт. Принцип работы устройства состоит в регистрации высокоэнергетичных фотонов (до 10 МэВ) с высокой приникающей способностью, прошедших через объект досмотра, преобразовании их энергии в электрические сигналы и передаче измеренных величин в цифровом виде в компьютер для формирования изображения содержимого досматриваемого объекта.
Известно устройство для проведения интроскопического сканирования, предназначенное для инспекционно-досмотрового комплекса, включающее в себя линейный ускоритель электронов, являющийся источником излучения, и детекторный узел для сбора данных сканирования [1] - патент РФ 149560 U1, МПК: G01N 23/04, G01T 1/29. Недостатком указанного устройства является отсутствие системы регулировки питания фотоприемника в детекторном узле, позволяющей изменять коэффициент усиления преобразования сцинтилляционного сигнала в электрический импульс, что приводит к невозможности использования системы коррекции усиления при работе детектирующего модуля на нижнем пределе чувствительности.
3
Известно устройство для создания рентгенографических установок для медицинской диагностики, интроскопии, и при обследовании различного транспорта [2] - патент РФ 95108699 А1, МПК: H05G 1/60. Недостатком этого устройства является то, что детектор зондирующего пучка выполнен из полупроводникового детектора, работающего в режиме прямой конверсии энергии излучения в токовые импульсы. Этот метод неприменим для использования в рассматриваемых досмотровых комплексах, т.к. для эффективной регистрации высокоэнергетического излучения (до 10 МэВ) требуются большой объем единичного детектора (до 10 см).
Известно устройство для проведения интроскопического сканирования, предназначенное для получения информации о внутреннем устройстве и содержимом досматриваемого объекта [3] - патент РФ 2566468 С1, МПК: G01T 1/00, наиболее близкое к заявленной полезной модели, принятое в качестве прототипа. Известное устройство относится к системе интроскопического сканирования инспекционно-досмотрового комплекса, включающей в себя линейный ускоритель электронов, являющийся источником излучения для сканирования объектов, и детекторный узел для сбора данных сканирования. В изобретении также описан метод интроскопического сканирования, осуществляемого в таком устройстве.
Принцип работы известного устройства-прототипа основан на сканировании досматриваемого объекта с использованием коллимированного направленного пучка высокоэнергетического ионизирующего фотонного излучения с большой проникающей способностью (рентгеновского, тормозного или гамма), создаваемого источником ионизирующих излучений. При прохождении через материалы различных размеров и состоящих из различных веществ, пучок зондирующего излучения испытывает ослабление интенсивности. По результатам измерения интенсивности прошедшего излучения определяются характеристики просвечиваемых предметов, с последующим преобразованием полученных результатов в визуальную модель содержимого инспектируемого объекта. Заявленная полезная модель выполняет функции аналогичные функциям детекторного узла известного устройства, и, соответственно, имеет похожую структуру. А именно, элементом, преобразующим энергию высокоэнергетического фотонного излучения в световые вспышки, является сцинтилляционный кристалл, обеспечивающий высокую эффективность регистрации высокоэнергетического излучения. Функции зарядово-чувствительного усилителя в известном устройстве выполняют двухканальные интеграторы, попеременно осуществляющие сбор токового сигнала с фотоприемника. Преобразование измеренного сигнала в цифровой код и визуализация выполняется средствами аналого-цифрового преобразователя и удаленного ПЭВМ.
Недостатком этого устройства является низкая контрастность изображения объекта, соответствующая его областям, обладающим высокой поглощающей способностью. Это обстоятельство приводит к потере полезной информации в изображении при прохождении зондирующего излучения через материал предельной толщины, и, как следствие, к ухудшению информативности формируемого изображения инспектируемого объекта. Этот недостаток возникает за счет использования для регистрации сцинтилляционного сигнала фотоприемников, работающих по принципу блокирующего контакта (гетероструктура, работающая по принципу фотодиода), что приводит к принципиальному отсутствию возможности усиления первичного сигнала. Отсутствие первичного усиления приводит к тому, что минимальный уровень измеряемого сигнала, а значит и нижняя граница динамического диапазона, определяется шумами электроники, а не интенсивностью падающего излучения.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение контрастности изображения инспектируемых объектов, обладающих высокой поглощающей способностью. Этот результат является следствием расширения динамического диапазона устройства за счет уменьшения влияния шумов электроники при измерении предельно малых сигналов. Такой результат является следствием нескольких факторов. Во-первых, толщина фотоприемника из материала CdZnTe может быть значительно увеличена по сравнению с кремниевым фотодиодом. При этом электрическая емкость фотоприемника уменьшается, уменьшая при этом непосредственно шум электроники, а величина тока утечки остается меньшей из-за того, что удельное сопротивления CdZnTe намного больше, чем у высокоомного кремния. Во-вторых, фотоприемник из CdZnTe с омическими контактами работает в режиме фотосопротивления, поэтому при выполнении определенных условий (суть которых состоит в том, что время жизни носителей много больше времени их дрейфа) можно получить пропорциональное усиление первичного заряда (а значит и сигнала), протекшего через фотоприемник. Технический результат заявленной полезной модели достигается за счет оснащения устройства регулируемой системой питания фотоприемника.
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг., на которой представлена схема заявленной полезной модели. Заявленная полезная модель состоит из сцинтилляционного детектора (1), покрытого отражателем. К его выходу через оптический контакт подключено входное окно фотоприемника (2). Электрические выводы фотоприемника подключаются ко входу зарядово-чувствительного усилителя (3). Выход усилителя подключен к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя (4), который шиной ввода-вывода подключен к информационно-измерительной системе (5). Управляемый блок питания (6) своим выходом подключен к электроду фотоприемника. Информационно-измерительная система шиной ввода-вывода подключена к системе управления питанием фотоприемника (7). Выход системы управления питанием фотоприемником подключен к управляющему входу блока питания.
Работа заявленной полезной модели осуществляется следующим образом. При прохождении зондирующего пучка ионизирующего излучения через сцинтилляционный детектор (1), он взаимодействует с веществом детектора, что приводит образованию световых фотонов в его рабочем объеме. Это оптическое излучение является полезным сигналом и, попадая в рабочий объем фотоприемника на базе CdZnTe (2), поглощается, что приводит к образованию в нем первичных пар носителей заряда. Эти пары под действием электрического поля, созданного блоком питания фотоприемника (6), распространяются к соответствующим электродам, создавая электрический импульс тока. Полученный электрический импульс интегрируется, усиливается и преобразуется зарядово-чувствительным усилителем (3) в уровень напряжения, который, попадая на вход аналого-цифровой преобразователя (4), преобразуется в цифровой код. Коды, полученные аналого-цифровым преобразователем, используются информационно-измерительной системой (5) для построения изображения инспектируемого объекта. Помимо этого информационно-измерительная система (5) посредством системы управления питанием фотоприемника (7) осуществляет регулировку напряжения, подаваемого блоком питания на фотоприемник, в зависимости от режима работы и функциональных настроек системы.
Указанный технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что в устройстве для регистрации сцинтилляционного сигнала в досмотровом комплексе (Фиг. ), содержащем сцинтилляционный детектор, покрытый светоотражателем (1), фотоприемник (2), зарядово-чувствительный усилитель (3), аналого-цифровой преобразователь (4), информационно-измерительную систему (5), в соответствии с заявленной полезной моделью, устройство дополнительно содержит регулируемый блок питания (6) и систему управления питанием фотоприемника (7) для питания фотоприемника (2), где выходы регулируемого блока питания (б) подключены к входам фотоприемника (2), входы системы управления питанием фотоприемника (7) подключены к выходам информационно-измерительной системы (5), выходы системы управления питанием фотоприемника (7) подключены ко входам регулируемого блока питания фотоприемника (6), а фотоприемник (2) выполнен из монокристаллического кадмий-цинк-теллура, толщина которого не менее 0,5 мм и не более 2 мм.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях на стенде «Центра промышленной томографии и интроскопии», расположенного на территории ОАО «НПП «Пирамида». Была показана работоспособность заявленной полезной модели и достижение указанных технических результатов.
Ниже приведен конкретный пример результатов апробации.
Измерение электрофизических параметров образцов CdZnTe.
Было проведено экспериментальное измерение электрофизических параметров серии монокристаллов CdZnTe. Размер всех образцов был равен 2 мм × 2 мм × 10 мм, при этом межэлектродное расстояние было выбрано равным максимальному предлагаемому: 2 мм для регулировки напряжения питания фотоприемника в максимальном диапазоне. Соответственно, измерительный стенд был оснащен регулируемым источником питания фотоприемников. В первой части испытаний были проведены измерения темновых токов кристаллов CdZnTe, которые показали, что последние, имея на два порядка больший межэлектродный геометрический размер, позволяют работать с величиной темнового тока порядка единиц нА в зависимости от образца, что по величине сравнимо с характерным значением для кремниевых фотодиодов. Во второй части испытаний были измерены вольт-амперные характеристики образцов в режиме индуцированной проводимости. Благодаря максимальному выбранному межэлектродному расстоянию напряжение питания изменялось в интервале от 0 вольт до 200 вольт. Измеренные вольт-амперные характеристики образцов облают линейной зависимостью, что подтверждает их работу в омическом режиме и, как следствие, возможность соблюдения условия усиления при работе в режиме фоторезистора.
Как показывают результаты, приведенные в примере, у монокристалла CdZnTe, изготовленного с заявленными габаритами уровень темнового тока не превышает значения для кремниевых фотодиодов. Также кристалл способен функционировать в режиме фотосопротивления, предоставляя возможность внутреннего усиления сцинтилляционного сигнала.
Как видно из приведенного примера, заявленная полезная модель имеет преимущества перед известными устройствами, а именно, позволяет увеличить контрастность изображения за счет смещения нижней границы динамического диапазона детектирующего модуля при использовании фотоприемника сцинтилляционного сигнала в режиме собственного усиления. Это свойство позволяет получать более достоверное изображение инспектируемого объекта, если его поглощающая способность находится вблизи верхней границы.
Список использованной литературы.
[1] - патент РФ 149560 U1, МПК: G01N 23/04, G01T 1/29.
[2] - патент РФ 95108699 А1, МПК: H05G 1/60.
[3] - патент РФ 2566468 С1, МПК: G01T 1/00 - прототип.