Патент на изобретение №2388015

(54) РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма-излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах. Технический результат – анализ спектра рентгеновского 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. В рентгеновском анализаторе слой сцинтиллятора расположен вдоль направления распространения излучения, непрозрачен в этом направлении и прозрачен в перпендикулярном направлении, а подложка выполнена в виде сотовой структуры. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

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.

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 Gd₂O₂S: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.

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 Gd₂O₂S: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.

В настоящее время волоконно-оптические, сцинтилляционные и микроканальные пластины изготавливают площадью не менее 100×100 мм². 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.

При моделировании работы анализатора рентгеновского излучения в качестве сцинтиллятора использован слой из порошкового сульфида цинка с плотностью 2,5 г/см³, протяженностью вдоль направления распространения излучения 30 мм. Из фиг.4 видно хорошее согласие восстановленного спектра 6 с гистограммой исходного спектра 7.

Формула изобретения

1. 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.

2. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена в виде волоконно-оптической пластины из полимерного материала.

3. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена в виде волоконно-оптической пластины из рентгенозащитного стекла.

4. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена в виде двух последовательно расположенных волоконно-оптических пластин из полимерного материала и из рентгенозащитного стекла.

5. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена в виде микроканальной пластины с не прозрачными для света стенками каналов, заполненных сцинтиллятором, оси каналов микроканальной пластины перпендикулярны ее поверхности, одна из поверхностей микроканальной пластины покрыта светоотражающим материалом.

6. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена в виде микроканальной пластины с непрозрачными для света стенками каналов, заполненных порошковым люминофором состава Gd₂O₂S:Tb(Eu) или порошковым люминофором состава ZnS:Ag, оси каналов микроканальной пластины перпендикулярны ее поверхности, одна из поверхностей микроканальной пластины покрыта светоотражающим материалом.

7. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена в виде волоконно-оптической пластины, волокна которой содержат сцинтиллятор.

8. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора и, по крайней мере, одной из волоконно-оптических пластин из полимерного материала или из рентгенозащитного стекла.

9. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора и волоконно-оптического шлейфа.

10. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора и волоконно-оптического кабеля.

11. Рентгеновский анализатор по п.1, отличающийся тем, что сотовая структура выполнена составной в виде последовательно расположенных волоконно-оптического сцинтиллятора, микроканальной пластины и волоконно-оптического кабеля.

РИСУНКИ