[go: up one dir, main page]

RU2579157C1 - Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector - Google Patents

Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector Download PDF

Info

Publication number
RU2579157C1
RU2579157C1 RU2014147346/28A RU2014147346A RU2579157C1 RU 2579157 C1 RU2579157 C1 RU 2579157C1 RU 2014147346/28 A RU2014147346/28 A RU 2014147346/28A RU 2014147346 A RU2014147346 A RU 2014147346A RU 2579157 C1 RU2579157 C1 RU 2579157C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillator
radiation
ray
gamma
energy
Prior art date
Application number
RU2014147346/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Иванович Микеров
Александр Павлович Кошелев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority to RU2014147346/28A priority Critical patent/RU2579157C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2579157C1 publication Critical patent/RU2579157C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, namely to devices for recording directed x-ray or gamma radiation. Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector has a layer of scintillator, opaque along the direction of radiation propagation and transparent in the perpendicular direction, the layer of scintillator consists of parallel to each other and optically separated assemblies plates scintillators, opaque along the direction of propagation of radiation and transparent in the direction perpendicular to the surface of scintillator located close to each other in ascending order of average atomic number of scintillators in direction of propagation of radiation; the length of scintillator plates l is selected accordingly condition:
Figure 00000006
where µ(Ef-k)-coefficient of attenuation of radiation with energy Ef-k, at which photoabsorption section and section of Compton scattering in the material of scintillator plate is measured surface of the scintillator is in optical contact with two-coordinate position-sensitive photodetector.
EFFECT: technical result consists in reduction of the spectrum of x-ray and gamma-radiation in the presence of incident radiation of x-ray or gamma-quanta with energy near the K-edge of photoelectric absorption material of the scintillator.
1 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для регистрации направленного рентгеновского или гамма-излучения и может применяться в рентгеновских досмотровых системах, медицинских томографах, а также в устройствах для анализа спектрального состава рентгеновского и гамма-излучения.The invention relates to measuring technique, namely, devices for recording directional x-ray or gamma radiation and can be used in x-ray examination systems, medical tomographs, as well as in devices for analyzing the spectral composition of x-ray and gamma radiation.

Детекторы, используемые для регистрации спектрального распределения рентгеновского или гамма-излучения (далее «излучения»), могут быть условно разделены на две группы. Действие детекторов, относящихся к первой группе, основано на фильтрации излучения с помощью набора металлических фольг или отдельных элементов детектора, расположенных ближе к источнику (R.G. Waggener, М.М. Blough, J.A. Terry, et al., «Х-ray spectra estimation using attenuation measurements from 25 kVp to 18 MV», Med. Phys. 26 (1999) 1269; C. Avila, J. Lopez, J.C. Sanabria, G. Baldazzi, et al., «Contrast cancellation technique applied to digital x-ray imaging using silicon strip detectors», Med. Phys. 32 (2005) 3755).The detectors used to record the spectral distribution of x-ray or gamma radiation (hereinafter “radiation”) can be conditionally divided into two groups. The action of the detectors belonging to the first group is based on filtering radiation using a set of metal foils or individual detector elements located closer to the source (RG Waggener, M.M. Blough, JA Terry, et al., “X-ray spectra estimation using attenuation measurements from 25 kVp to 18 MV ", Med. Phys. 26 (1999) 1269; C. Avila, J. Lopez, JC Sanabria, G. Baldazzi, et al.," Contrast cancellation technique applied to digital x-ray imaging using silicon strip detectors ", Med. Phys. 32 (2005) 3755).

Детекторы второй группы регистрируют амплитудное распределение сигнала (Т. Yasuhiro, S. Yuji, М. Shinjiro, et cet., «Energy discrimination type photon counting radiation line sensor (X-ray color scanner)», Ionizing Radiation, Vol. 32, No. 1 (2006) 39-47; K. Ogawa, T. Kobayashi, F. Kaibuki, et al., «Development of an energy-binned photon-counting detector for X-ray and gamma-ray imaging», NIM A 664 (2012) 29-37).Detectors of the second group record the amplitude distribution of the signal (T. Yasuhiro, S. Yuji, M. Shinjiro, et cet., "Energy discrimination type photon counting radiation line sensor (X-ray color scanner)", Ionizing Radiation, Vol. 32, No . 1 (2006) 39-47; K. Ogawa, T. Kobayashi, F. Kaibuki, et al., “Development of an energy-binned photon-counting detector for X-ray and gamma-ray imaging”, NIM A 664 (2012) 29-37).

В обоих случаях восстановление спектра пришедшего на детектор излучения осуществляется в энергетических окнах (зонах) путем соответствующей математической процедуры с учетом калибровочных данных, полученных расчетным и/или экспериментальным путем.In both cases, the restoration of the spectrum of the radiation that came to the detector is carried out in the energy windows (zones) by the appropriate mathematical procedure, taking into account the calibration data obtained by calculation and / or experimentally.

В медицинских томографах и рентгеновских досмотровых системах для получения радиографических изображений в основном применяются однокоординатные устройства регистрации, состоящие из набора одинаковых сцинтилляционных детекторов, расположенных вдоль одной прямой или окружности и снабженных однокоординатными фотоприемными устройствами, как правило, в виде фотодиодных линеек. В этих устройствах восстановление спектра излучения обычно осуществляется в двух энергетических окнах. Для этого устройство регистрации обычно содержит два набора сцинтилляционных детекторов различной толщины из одного и того же сцинтиллятора, например CsI, располагаемых вдоль направления потока излучения друг за другом и разделенных фильтром из медной фольги.In medical tomographs and X-ray inspection systems, for obtaining radiographic images, mainly single-coordinate recording devices are used, consisting of a set of identical scintillation detectors located along one straight line or circle and equipped with single-coordinate photodetector devices, usually in the form of photodiode arrays. In these devices, the restoration of the radiation spectrum is usually carried out in two energy windows. For this, the recording device usually contains two sets of scintillation detectors of different thicknesses from the same scintillator, for example CsI, located along the radiation flux one after another and separated by a copper foil filter.

Изобретение относится к области рентгеновской и гамма-радиографии, а именно регистрации рентгеновского и гамма-излучения с помощью однокоординатных детекторов с возможностью восстановления спектра излучения в нескольких энергетических окнах.The invention relates to the field of x-ray and gamma radiography, namely the registration of x-ray and gamma radiation using single-axis detectors with the ability to restore the radiation spectrum in several energy windows.

Известен «Рентгеновский анализатор», выполненный из плоских элементов, содержащих слои сцинтиллятора, расположенные вдоль направления распространения излучения, непрозрачные в этом направлении и прозрачные в перпендикулярном направлении, и подложки в виде сотовой структуры, отличающийся тем, что слои сцинтиллятора выполнены в виде расположенных друг за другом пластин сцинтилляторов из полистирола протяженностью не менее 3 мм, CaF2 протяженностью не менее 2 мм, ZnO протяженностью не менее 2 мм, CsI протяженностью не менее 8 мм, BGO протяженностью не менее 15 мм. Патент РФ №2504756, МПК: G01N 23/223, 2014 г. Аналог.The known "X-ray analyzer" made of flat elements containing scintillator layers located along the direction of radiation propagation, opaque in this direction and transparent in the perpendicular direction, and substrates in the form of a honeycomb structure, characterized in that the scintillator layers are made in the form of other plates made of polystyrene scintillators length not less than 3 mm, CaF 2 length of at least 2 mm, ZnO length of at least 2 mm, CsI length of at least 8 mm, BGO protyazhennos Strongly not less than 15 mm. RF patent No. 2504756, IPC: G01N 23/223, 2014. Analog.

Недостатком аналога является отсутствие линейного координатного разрешения устройства, необходимого для рентгеновских досмотровых систем.The disadvantage of the analogue is the lack of linear coordinate resolution of the device required for x-ray inspection systems.

Известен «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. Патент Российской Федерации №2388015, МПК: G01T 1/00, 2009. Прототип.The well-known "X-ray analyzer" made of flat elements containing a scintillator layer deposited on a substrate or introduced into its composition, and fiber-optic elements at the ends of which photodetectors are installed, characterized in that the scintillator layer is located along the radiation propagation direction, is opaque this direction and is transparent in the perpendicular direction, and the substrate is made in the form of a honeycomb structure. Patent of the Russian Federation No. 2388015, IPC: G01T 1/00, 2009. Prototype.

Недостатком прототипа является невозможность восстановления спектра рентгеновского и гамма-излучений при наличии в спектре падающего на него излучения рентгеновских или гамма-квантов с энергией вблизи К-края фотоэлектрического поглощения материала сцинтиллятора.The disadvantage of the prototype is the inability to restore the spectrum of x-ray and gamma radiation in the presence of incident radiation of x-ray or gamma rays with energy near the K-edge of the photoelectric absorption of the scintillator material.

Техническим результатом изобретения является возможность восстановления спектра рентгеновского и гамма-излучений при наличии в спектре падающего на него излучения рентгеновских или гамма-квантов с энергией вблизи К-края фотоэлектрического поглощения материала сцинтиллятора.The technical result of the invention is the ability to restore the spectrum of x-ray and gamma radiation in the presence in the spectrum of incident radiation of x-ray or gamma rays with energy near the K-edge of the photoelectric absorption of the scintillator material.

Технический результат достигается тем, что в спектрозональном однокоординатном детекторе рентгеновского и гамма-излучений, содержащем слой сцинтиллятора, непрозрачный вдоль направления распространения излучения и прозрачный в перпендикулярном направлении, слой сцинтиллятора состоит из параллельных друг другу и оптически разделенных сборок пластин сцинтилляторов, непрозрачных вдоль направления распространения излучения и прозрачных в направлении, перпендикулярном поверхности сцинтиллятора, расположенных вплотную друг к другу в порядке возрастания среднего атомного номера сцинтилляторов в направлении распространения излучения, длина пластин сцинтилляторов l выбирается из условия:The technical result is achieved in that in a single-axis spectrozonal x-ray and gamma-ray detector containing a scintillator layer that is opaque along the radiation propagation direction and transparent in the perpendicular direction, the scintillator layer consists of scintillator plates parallel to each other and optically separated, opaque along the radiation propagation direction and transparent in the direction perpendicular to the surface of the scintillator, located close to each other in in order of increasing average atomic number of scintillators in the direction of radiation propagation, the length of the plates of scintillators l is selected from the condition:

Figure 00000001
Figure 00000001

где µ(Еф-к) - коэффициент линейного ослабления излучения с энергией Еф-к, при которой сравниваются сечение фотопоглощения и сечение комптоновского рассеяния в материале пластины сцинтиллятора, поверхность сцинтиллятора находится в оптическом контакте с двухкоординатным позиционно чувствительным фотоприемным устройством.where μ (Е f-k ) is the coefficient of linear attenuation of radiation with energy Е f-k , at which the photoabsorption cross section and the Compton scattering cross section in the material of the scintillator plate are compared, the surface of the scintillator is in optical contact with a two-coordinate position-sensitive photodetector.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, 2 и Таблицах 1, 2.The invention is illustrated in FIG. 1, 2 and Tables 1, 2.

На Фиг. 1 схематически представлено устройство спектрозонального однокоординатного детектора рентгеновского и гамма-излучений, состоящего, где:In FIG. 1 schematically shows a device for a spectrozonal single-axis detector of x-ray and gamma radiation, consisting of, where:

1 - сборки пластин сцинтилляторов, расположенные вплотную друг к другу;1 - assembly of plates of scintillators located close to each other;

2 - пластины сцинтилляторов, изготовленные из различных сцинтиллирующих веществ, например, перечисленных в Таблице 1, и входящие в состав сборок;2 - scintillator plates made of various scintillating substances, for example, listed in Table 1, and included in the assemblies;

3 - светонепроницаемые перегородки, оптически разделяющие сборки;3 - lightproof partitions that optically separate the assembly;

4 - двухкоординатное позиционно-чувствительное фотоприемное устройство;4 - two-coordinate position-sensitive photodetector;

5 - направление потока рентгеновского или гамма-излучения;5 - flow direction of x-ray or gamma radiation;

6 - светонепроницаемые перегородки, которые могут устанавливаться внутри пластин сцинтилляторов 2 при использовании оптически прозрачных сцинтилляторов.6 - lightproof partitions that can be installed inside the plates of scintillators 2 when using optically transparent scintillators.

На Фиг. 2 в качестве примера показано пространственное распределение энерговыделения в пластинах 2 вдоль направления 5, рассчитанное для моноэнергетических квантов излучения с энергией Ех:In FIG. 2 as an example, shows the spatial distribution of energy release in plates 2 along direction 5, calculated for monoenergetic radiation quanta with energy E x :

7 - 22,5 кэВ;7 - 22.5 keV;

8 - 36 кэВ;8 - 36 keV;

9 - 55 кэВ;9 - 55 keV;

10 - 90 кэВ;10 - 90 keV;

11 - 135 кэВ;11 - 135 keV;

12 - 225 кэВ;12 - 225 keV;

13 - 360 кэВ.13 - 360 keV.

В таблице 1 для сцинтилляторов из полистирола, CaF2, ZnO, CsI и BGO приведены значения энергий, характеризующих материал сцинтиллятора:Table 1 for the polystyrene, CaF 2 , ZnO, CsI and BGO scintillators shows the energies characterizing the scintillator material:

ЕК-край - энергия K-края фотопоглощения;E K-edge is the energy of the K-edge of photoabsorption;

Еф-к - энергия, при которой сравниваются сечение фотоэффекта и комптоновского рассеяния;E fk - energy at which the cross section of the photoelectric effect and Compton scattering are compared;

Ее-е - энергия, при которой заметный вклад в сцинтилляционный сигнал начинает вносить рождение электрон-позитронных пар.E e-e is the energy at which the production of electron-positron pairs begins to make a significant contribution to the scintillation signal.

В таблице 2 для сцинтилляторов из полистирола, CaF2, ZnO, CsI и BGO приведены значения длины ослабления 1/µ(Е) излучения при энергиях: ЕiK-край, Ei+1K-край, Ei-1ф-к и Еiф-к (i - номер по порядку сцинтиллятора в таблицах 1 и 2).Table 2 for scintillators made of polystyrene, CaF 2 , ZnO, CsI and BGO shows the attenuation lengths of 1 / μ (E) radiation at energies: E i K-edge , E i + 1 K-edge , E i-1 f- k and E i f-k (i is the number in the order of the scintillator in tables 1 and 2).

Спектрозональный однокоординатный детектор рентгеновского и гамма-излучений содержит слой сцинтиллятора, состоящий из набора параллельных друг другу и оптически разделенных с помощью светонепроницаемых перегородок 3 сборок 1, содержащих пластины 2, изготовленные из сцинтиллирующих материалов, отличающихся атомным номером, и расположенных вдоль направления 5 в порядке возрастания среднего атомного номера материала пластин 2.A single-axis spectrozone x-ray and gamma-ray detector contains a scintillator layer consisting of a set of assemblies 1 parallel to each other and optically separated by opaque baffles 3, containing plates 2 made of scintillating materials of different atomic number and located along direction 5 in increasing order the average atomic number of the material of the plates 2.

На поверхности слоя сцинтиллятора с оптическим контактом расположено двухкоординатное позиционно чувствительное фотоприемное устройство 4. Для предотвращения распространения света в слое сцинтиллятора вдоль направления 5 при использовании в пластинах 2 оптически прозрачных сцинтиллирующих веществ в таких пластинах устанавливают светонепроницаемые перегородки (светоотражающие или светопоглощающие) 6, которые не требуются при использовании в пластине 2 порошкового сцинтиллятора.A two-coordinate positionally sensitive photodetector device 4 is located on the surface of the scintillator layer with optical contact 4. To prevent light propagation in the scintillator layer along direction 5, when 2 optically transparent scintillating substances are used in the plates, lightproof partitions are installed in such plates (light-reflecting or light-absorbing) 6, which are not required when used in the plate 2 powder scintillator.

Однокоординатная чувствительность устройства обеспечивается применением двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства 4 и применением светонепроницаемых перегородок 3, обеспечивающих пространственное разрешение в плоскости слоя сцинтиллятора в направлении, перпендикулярном направлению 5.The single-coordinate sensitivity of the device is ensured by the use of a two-coordinate position-sensitive photodetector 4 and the use of opaque baffles 3, which provide spatial resolution in the plane of the scintillator layer in a direction perpendicular to direction 5.

Пространственное разрешение вдоль направления 5 обеспечивает измерение пространственного распределения сигнала в пластинах 2, используемое для восстановления спектра излучения.The spatial resolution along direction 5 provides a measure of the spatial distribution of the signal in the plates 2 used to reconstruct the radiation spectrum.

Для корректного измерения пространственного распределения энерговыделения в пластинах 2 на устройство 4 должны, в основном, попадать только те сцинтилляционные фотоны, которые распространяются перпендикулярно поверхности слоя сцинтиллятора. Это может обеспечиваться различными способами с использованием:To correctly measure the spatial distribution of energy release in the plates 2, the device 4 should mainly receive only scintillation photons that propagate perpendicular to the surface of the scintillator layer. This can be achieved in various ways using:

- порошкового сцинтиллятора (Во Kyung Cha, Jong Yul Kim, Gyuseong Cho b, Chang-Woo Seo, Sungchae Jeon, Young Huh, Quasi-pixel structured nanocrystalline Gd2O3(Eu) scintillation screens and imaging performance for indirect X-ray imaging sensors, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 648 (2011) S12-S15);- powder scintillator (In Kyung Cha, Jong Yul Kim, Gyuseong Cho b, Chang-Woo Seo, Sungchae Jeon, Young Huh, Quasi-pixel structured nanocrystalline Gd 2 O 3 (Eu) scintillation screens and imaging performance for indirect X-ray imaging sensors, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 648 (2011) S12-S15);

- сцинтиллятора, состоящего из набора пластин сцинтилляторов, разделенных светонепроницаемыми перегородками 6;- scintillator, consisting of a set of plates of scintillators, separated by opaque baffles 6;

- матричного сцинтиллятора, например волоконного;- matrix scintillator, for example fiber;

- оптического коллиматора, устанавливаемого между слоем сцинтиллятора и фотоприемником.- an optical collimator installed between the scintillator layer and the photodetector.

В качестве двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства 4 могут использоваться:As a two-coordinate position-sensitive photodetector 4 can be used:

- ПЗС-матрицы (Sol М. Gruner, Mark W. Tate, Eric F. Eikenberry, Charge-coupled device area x-ray detectors, Review of Scientific Instruments, Vol. 73, #8 (2002) 2815-2842);- CCD arrays (Sol M. Gruner, Mark W. Tate, Eric F. Eikenberry, Charge-coupled device area x-ray detectors, Review of Scientific Instruments, Vol. 73, # 8 (2002) 2815-2842);

- двухкоординатные ФЭУ;- two-axis PMTs;

- позиционно чувствительные детекторы на основе панелей изображения из аморфного кремния (Дэвид Л. Джилблом. Устройство и способ получения рентгеновского изображения с применением плоской панели изображения из аморфного кремния. Патент РФ №2181491. МПК: G01N, G01T, H05G. 2000).- positionally sensitive detectors based on image panels of amorphous silicon (David L. Gilblom. Device and method for obtaining x-ray images using a flat image panel of amorphous silicon. RF Patent No. 2181491. IPC: G01N, G01T, H05G. 2000).

Фиг. 2 показывает пространственную зависимость энерговыделения в пластинах 2, изготовленных из следующих сцинтилляторов: полистирола длиной 3 мм, CaF2 (2 мм), ZnO (2 мм), CsI (8 мм), BGO (15 мм), расположенных вдоль направления потока излучения 5 в указанном порядке (по возрастанию среднего атомного номера).FIG. 2 shows the spatial dependence of energy release in plates 2 made of the following scintillators: polystyrene 3 mm long, CaF 2 (2 mm), ZnO (2 mm), CsI (8 mm), BGO (15 mm) located along the direction of radiation flux 5 in the indicated order (ascending average atomic number).

Для однозначного восстановления спектра излучения необходимо, чтобы на каждую последующую пластину 2 проходило излучение, для которого зависимость коэффициента линейного ослабления µ(E) от энергии была бы однозначно определена, т.е. не содержала экстремумов. Важно также, чтобы зависимость коэффициента линейного ослабления µ(E) в пластинах 2 в области энергий, падающего на них излучения, характеризовалась максимально возможной производной. Для выполнения этих условий необходимо, чтобы на каждую из последующих пластин 2 падал спектр излучения преимущественно в области энергий фотоэффекта, не содержащий энергий, во-первых, слева от K-края фотопоглощения и, во-вторых, в области рождения электрон-позитронных пар.In order to unambiguously reconstruct the emission spectrum, it is necessary that radiation pass through each subsequent plate 2, for which the energy dependence of the linear attenuation coefficient µ (E) is uniquely determined, i.e. did not contain extremes. It is also important that the dependence of the linear attenuation coefficient µ (E) in the plates 2 in the region of energies of the radiation incident on them is characterized by the maximum possible derivative. To fulfill these conditions, it is necessary that a radiation spectrum is incident on each of the subsequent plates 2 mainly in the energy range of the photoelectric effect, which does not contain energies, firstly, to the left of the K-edge of photoabsorption and, secondly, in the production region of electron-positron pairs.

Скачки в зависимости µ(E) в области фотопоглощения имеют место при значениях энергии, определяемых энергией связи электронов атомов, входящих в состав сцинтиллятора. Необходимо, чтобы левая граница спектра падающего на сцинтиллятор излучения Emin лежала выше энергии K-края полосы поглощения ЕК-edge (Emin>EK-edge) атома с самым большим атомным номером из атомов, входящих в состав сцинтиллятора, за исключением атомов активатора, концентрация которых обычно достаточно мала.The jumps in the dependence μ (E) in the photoabsorption region take place at energy values determined by the binding energy of the electrons of the atoms that make up the scintillator. It is necessary that the left edge of the spectrum of the radiation incident on the scintillator E min lie above the energy of the K-edge of the absorption band E K-edge (E min > E K-edge ) of the atom with the largest atomic number of the atoms that make up the scintillator, with the exception of atoms activator, the concentration of which is usually quite low.

Правая граница спектра падающего на сцинтиллятор излучения Emax должна быть ограничена сверху энергией Ее-е, при которой заметный вклад в сцинтилляционный сигнал начинает вносить рождение электрон-позитронных пар. Величина Ее-е (таблица 1) составляет несколько МэВ в случае сцинтилляторов, содержащих атомы с большим зарядом электронной оболочки (большим атомным номером) и >10МэВ в случае малого заряда.The right edge of the spectrum of the radiation incident on the scintillator E max should be limited from above by the energy E ee , at which the production of electron-positron pairs begins to make a significant contribution to the scintillation signal. The value of E e (Table 1) is several MeV in the case of scintillators containing atoms with a large charge of the electron shell (large atomic number) and> 10 MeV in the case of a small charge.

В определенном таким образом интервале энергий (Emin, Emax) основными видами взаимодействия рентгеновского излучения с веществом является фотопоглощение и комптоновское рассеяние, причем сечение фотопоглощения характеризуется более выраженной зависимостью от энергии, чем сечение комптоновского рассеяния. Поэтому в области энергий, при которых ослабление излучения происходит преимущественного за счет фотопоглощения, спектр может восстанавливаться более точно, чем при комптоновском рассеянии. В качестве правой границы этой области можно условно принять энергию Еф-к, при которой сечение фотопоглощения сравнивается с сечением комптоновского рассеяния. Для эффективного поглощения квантов с энергией Еф-к, характерной для материала сцинтиллятора, используемого в пластине 2, необходимо выполнение условия:In the thus defined energy range (E min , E max ), the main types of interaction of X-rays with matter are photoabsorption and Compton scattering, and the photoabsorption cross-section is characterized by a more pronounced energy dependence than the Compton scattering cross-section. Therefore, in the energy region at which radiation attenuation occurs predominantly due to photoabsorption, the spectrum can be restored more accurately than with Compton scattering. As the right boundary of this region, we can arbitrarily take the energy E fk , at which the photoabsorption cross section is compared with the Compton scattering cross section. For efficient absorption of quanta with an energy E fk characteristic of the scintillator material used in plate 2, the following conditions must be met:

Figure 00000002
Figure 00000002

где µ(Еф-к) - коэффициент линейного ослабления излучения с энергией Еф-к, при которой сравниваются сечение фотопоглощения и сечение комптоновского рассеяния в материале сцинтиллятора.where μ (E f-k ) is the coefficient of linear attenuation of radiation with an energy E f-k , at which the photoabsorption cross section and the Compton scattering cross section in the scintillator material are compared.

В переходной области (Еф-к, Ее-е) µ(E) меняется сравнительно слабо и поэтому при разбиении спектра на энергетические группы может оказаться целесообразным представлять эту область энергий одной группой.In the transition region (E f-k , E e-e ) µ (E) changes relatively weakly and therefore, when dividing the spectrum into energy groups, it may be appropriate to represent this energy region as one group.

В таблице 1 приведены определенные выше значения ЕК-край, Еф-к, а также Ее-е для полистирола, CaF2, ZnO, CsI и BGO. Из таблицы 1 видно, что значения ЕК-край для полистирола, CaF2 и ZnO находятся в области практически мало используемых энергий (Е<10 кэВ). Для CsI и BGO ЕК-край составляет соответственно 37 кэВ и 91 кэВ и попадает в область энергий, используемых в досмотровых и медицинских устройствах.Table 1 shows the above-defined values of E K-edge , E fk , as well as E e-e for polystyrene, CaF 2 , ZnO, CsI and BGO. From table 1 it is seen that the values of the E K-edge for polystyrene, CaF 2 and ZnO are in the region of practically little energy used (E <10 keV). For CsI and BGO E, the K-edge is 37 keV and 91 keV, respectively, and falls into the energy range used in examination and medical devices.

Из приведенных в таблице 1 значений ЕК-край и Ее-е следует, что диапазон рабочих энергий устройства при применении перечисленных в ней сцинтилляторов лежит в области энергий от 0,3 кэВ до 3 МэВ. Видно также, что значение Еiф-к для i-го сцинтиллятора существенно больше значения Ei+1K-край для (i+1)-го сцинтиллятора (i - номер по порядку сцинтиллятора в таблице 1).From the values of E K-edge and E e- given in table 1, the range of working energies of the device when using the scintillators listed in it lies in the energy range from 0.3 keV to 3 MeV. It is also seen that the value of E i f-k for the i-th scintillator is significantly greater than the value E i + 1 K-edge for the (i + 1) -th scintillator (i is the number in the order of the scintillator in table 1).

Коэффициент линейного ослабления излучения в сцинтилляторе возрастает при уменьшении энергии излучения, поэтому для излучения падающего на i-й сцинтиллятор выполнение соотношения (1) при энергии Ехiф-к для i-го сцинтиллятора означает безусловное его выполнение и при энергии равной Ех=Ei+1K-край, характерной для материала (i+1)-го сцинтиллятора.The coefficient of linear attenuation of radiation in the scintillator increases with decreasing radiation energy, therefore, for radiation incident on the i-th scintillator, the fulfillment of relation (1) at an energy E x = E i f-k for the i-th scintillator means its unconditional fulfillment at an energy equal to E x = E i + 1 K-edge , characteristic of the material of the (i + 1) -th scintillator.

В таблице 2 приведены длины ослабления (1/µ(E)) излучения в сцинтилляторах, перечисленных в таблице 1, при энергиях ЕК-край и Еф-к.Table 2 shows the attenuation lengths (1 / µ (E)) of the radiation in the scintillators listed in Table 1 at energies E K-edge and E f-k .

Из таблицы 2 видно, что длина ослабления в i-ом сцинтилляторе для квантов с энергией Ei+1K-край составляет соответственно 440 мкм в случае полистирола, 100 мкм для CaF2, 260 мкм для ZnO, и 1 мм для CsI. Это, например, означает, что для уменьшения числа квантов с энергией Ех=91 кэВ (ЕК-край для BGO), падающих на пластину сцинтиллятора из BGO, на 3 порядка достаточно пластины CsI протяженностью менее 1 см.Table 2 shows that the attenuation length in the ith scintillator for quanta with energy E i + 1 the K-edge is 440 μm for polystyrene, 100 μm for CaF 2 , 260 μm for ZnO, and 1 mm for CsI, respectively. This, for example, means that to reduce the number of quanta with energy E x = 91 keV (E K-edge for BGO) incident on the scintillator plate from BGO, a CsI plate less than 1 cm long is enough by 3 orders of magnitude.

Восстановление спектра излучения производится путем решения переопределенной системы линейных уравнений.The radiation spectrum is reconstructed by solving an overdetermined system of linear equations.

Figure 00000003
Figure 00000003

где:Where:

С - восстанавливаемый спектр, вектор столбец с элементами сi, равными числу фотонов в i-той энергетической группе восстанавливаемого спектра,C is the restored spectrum, a column vector with elements with i equal to the number of photons in the i-th energy group of the restored spectrum,

А - калибровочная матрица с элементами aij, равными среднему сигналу вызываемому фотоном i-ой группы в j-ом элементе (пикселе) позиционно чувствительного фотоприемного устройства, которое определяется калибровочными измерениями и (или) расчетом,A is a calibration matrix with elements a ij equal to the average signal caused by a photon of the i-th group in the j-th element (pixel) of a position-sensitive photodetector, which is determined by calibration measurements and (or) calculation,

В - сигнал в j-том элементе (вектор-строка).B is the signal in the j-th element (row vector).

Для оценки точности восстановления спектра излучения, падающего на устройство, была выбрана конструкция с поперечным сечением сборок 1, равным 0,8×0,8 мм, составленных из расположенных друг за другом пластин сцинтилляторов 2 из полистирола, CaF2, ZnO, CsI и BGO протяженностью соответственно 3 мм, 2 мм, 2 мм, 8 мм и 15 мм.To evaluate the accuracy of reconstructing the spectrum of the radiation incident on the device, we chose a design with a cross section of assemblies 1 equal to 0.8 × 0.8 mm composed of polystyrene, CaF 2 , ZnO, CsI, and BGO scintillator plates 2 arranged one after another with a length of 3 mm, 2 mm, 2 mm, 8 mm and 15 mm, respectively.

В расчетах предполагалось, что поток излучения распространяется вдоль направления 5, а пространственное разрешение двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства 4 и пластин 2 вдоль этого направления составляет 100 мкм. Оценки проводились в случае, когда на устройство падает излучение в диапазоне (10÷250) кэВ равномерного спектра. Восстановление проводилось в 5-ти энергетических группах. Максимальное стандартное отклонение для числа квантов в энергетических окнах реконструируемого спектра составило <4% при 1% статистической точности сигнала, просуммированого по всем элементам устройства 4.In the calculations, it was assumed that the radiation flux propagates along direction 5, and the spatial resolution of the two-coordinate position-sensitive photodetector 4 and plates 2 along this direction is 100 μm. The estimates were carried out in the case when radiation is incident on the device in the range (10 ÷ 250) keV of the uniform spectrum. Recovery was carried out in 5 energy groups. The maximum standard deviation for the number of quanta in the energy windows of the reconstructed spectrum was <4% at 1% of the statistical accuracy of the signal summed over all elements of the device 4.

Помимо перечисленных в таблице 1 сцинтилляторов могут использоваться и другие (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов. Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, МПК:G01T 1/20, 2008).In addition to the scintillators listed in Table 1, others can be used (N.V. Klassen, V.N. Kurlov, S.N. Rossolenko, O.A. Krivko, A.D. Orlov, S.Z. Shmurak. Scintillation fibers and nanoscintillators for improving the spatial, spectrometric and temporal resolution of radiation detectors. Izvestiya RAN. Physical Series, 2009, Volume 73, No. 10, pp. 1451-1456; RF Patent No. 2411543, IPC: G01T 1/20, 2008).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Включается питание устройства 4. Рентгеновское или гамма-излучение поступает на торцевую поверхность слоя сцинтиллятора вдоль направления 5. При взаимодействии рентгеновских или гамма-квантов с веществом одной из пластин 2 в ней образуются электроны, которые возбуждают в пластине 2 сцинтилляционную вспышку. Фотоны от сцинтилляционной вспышки частично попадают на один или несколько фоточувствительных элементов устройства 4, частично выходят в противоположную от него сторону и поглощаются (или отражаются) при распространении в других направлениях в перегородках 3 и 6 (при их наличии). Количество фотонов в сцинтилляционной вспышке и величина электрического сигнала, вызванная фотонами в фоточувствительных элементах устройства 4, пропорциональны энергии, выделенной электроном в пластине 2.The power of device 4 is turned on. X-ray or gamma radiation enters the end surface of the scintillator layer along direction 5. When x-ray or gamma-quanta interact with the substance of one of the plates 2, electrons are formed in it, which excite a scintillation flash in the plate 2. Photons from a scintillation flash partially fall on one or more photosensitive elements of device 4, partially exit in the opposite direction from it, and are absorbed (or reflected) when propagating in other directions in partitions 3 and 6 (if any). The number of photons in a scintillation flash and the magnitude of the electric signal caused by photons in the photosensitive elements of device 4 are proportional to the energy released by the electron in the plate 2.

Сигнал, возникший в фоточувствительных элементах устройства 4, расположенных перпендикулярно направлению распространения излучения 5 (вдоль направления Y на Фиг. 1), формирует однокоординатное изображение потока падающего на устройство излучения. Этот сигнал при необходимости интегрируется по ширине сборок 1 (вдоль направления Y на Фиг. 1) и вдоль направления распространения излучения 5.The signal that occurs in the photosensitive elements of the device 4, located perpendicular to the direction of propagation of radiation 5 (along the direction Y in Fig. 1), forms a single-coordinate image of the flow of radiation incident on the device. This signal, if necessary, is integrated over the width of the assemblies 1 (along the direction Y in Fig. 1) and along the direction of propagation of radiation 5.

Сигнал, возникший в фоточувствительных элементах устройства 4, расположенных вдоль направления распространения излучения 5 (вдоль направления X на Фиг. 1), при необходимости интегрируется по ширине сборок 1 (вдоль направления Y на Фиг. 1). Пространственное распределение этого сигнала вдоль направления X (Фиг. 1) используется в выражении (1)) для восстановления спектра излучения, который приписывается значениям Y, соответствующим положению осевых линий сборок 1.The signal that occurs in the photosensitive elements of the device 4 located along the direction of propagation of radiation 5 (along the X direction in Fig. 1), if necessary, is integrated over the width of the assemblies 1 (along the Y direction in Fig. 1). The spatial distribution of this signal along the X direction (Fig. 1) is used in expression (1)) to reconstruct the radiation spectrum, which is attributed to the Y values corresponding to the position of the axial lines of the assemblies 1.

Корректное восстановление спектра падающего на сборку 1 излучения с помощью выражения (1) при наличии в спектре рентгеновских или гамма-квантов с энергией вблизи К-края фотоэлектрического поглощения для сцинтилляторов в одной или нескольких пластинах 2, входящих в сборку, обеспечивается тем, что такие кванты эффективно поглощаются в предыдущих пластинах 2, изготовленных из сцинтилляторов с меньшим средним атомным номером и поэтому характеризующихся меньшей энергией К-края фотоэлектрического поглощения, выходящей за пределы регистрируемого спектра излучения. При этом применение двухкоординатного позиционно чувствительного фотоприемного устройства обеспечивает определение спектра излучения в каждой точке однокоординатного рентгеновского или гамма-изображения.The correct reconstruction of the spectrum of the radiation incident on assembly 1 using expression (1) in the presence of x-ray or gamma rays with energy near the K-edge of photoelectric absorption for scintillators in one or more plates 2 included in the assembly is ensured by the fact that such quanta effectively absorbed in previous plates 2, made of scintillators with a lower average atomic number and therefore characterized by a lower energy of the K-edge of photoelectric absorption, which goes beyond the detection limits radiation spectrum. Moreover, the use of a two-coordinate position-sensitive photodetector provides the determination of the radiation spectrum at each point of a single-coordinate x-ray or gamma image.

Claims (1)

Спектрозональный однокоординатный детектор рентгеновского и гамма-излучений, содержащий слой сцинтиллятора, непрозрачный вдоль направления распространения излучения и прозрачный в перпендикулярном направлении, отличающийся тем, что слой сцинтиллятора состоит из параллельных друг другу и оптически разделенных сборок пластин сцинтилляторов, непрозрачных вдоль направления распространения излучения и прозрачных в направлении, перпендикулярном поверхности сцинтиллятора, расположенных вплотную друг к другу в порядке возрастания среднего атомного номера сцинтилляторов в направлении распространения излучения, длина пластин сцинтилляторов l выбирается из условия:
μ(Eф-к)l>1,
где μ(Eф-к) - коэффициент линейного ослабления излучения с энергией Eф-к, при которой сравниваются сечение фотопоглощения и сечение комптоновского рассеяния в материале пластины сцинтиллятора, поверхность сцинтиллятора находится в оптическом контакте с двухкоординатным позиционно чувствительным фотоприемным устройством.
A single-axis spectrozonal x-ray and gamma-ray detector containing a scintillator layer that is opaque along the radiation propagation direction and transparent in the perpendicular direction, characterized in that the scintillator layer consists of scintillator plates parallel to each other and optically separated, opaque along the radiation propagation direction and transparent to direction perpendicular to the surface of the scintillator, located close to each other in ascending order it atomic number scintillator in the direction of propagation of radiation, the scintillator plate length l is chosen from the condition:
μ (E fc ) l> 1,
where μ (E fc ) is the linear attenuation coefficient of radiation with an energy E fc , at which the photoabsorption cross section and the Compton scattering cross section in the material of the scintillator plate are compared, the scintillator surface is in optical contact with a two-coordinate position-sensitive photodetector.
RU2014147346/28A 2014-11-25 2014-11-25 Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector RU2579157C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147346/28A RU2579157C1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147346/28A RU2579157C1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2579157C1 true RU2579157C1 (en) 2016-04-10

Family

ID=55793303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014147346/28A RU2579157C1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2579157C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU215606U1 (en) * 2022-11-18 2022-12-20 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" Galvanic Pulsed X-Ray Sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998035242A1 (en) * 1997-02-10 1998-08-13 The University Of Alberta, Simon Fraser University, The University Of Victoria, And The University Of British Columbia, Doing Business As Triumf Segmented scintillation detector for photon interaction coordinates
RU2262722C1 (en) * 2004-01-29 2005-10-20 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ Light-fiber scintillation detector
RU2308740C1 (en) * 2006-02-28 2007-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" Method of detecting source of penetrating radiation
RU2388015C1 (en) * 2009-03-02 2010-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" X-ray analyser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998035242A1 (en) * 1997-02-10 1998-08-13 The University Of Alberta, Simon Fraser University, The University Of Victoria, And The University Of British Columbia, Doing Business As Triumf Segmented scintillation detector for photon interaction coordinates
RU2262722C1 (en) * 2004-01-29 2005-10-20 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ Light-fiber scintillation detector
RU2308740C1 (en) * 2006-02-28 2007-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" Method of detecting source of penetrating radiation
RU2388015C1 (en) * 2009-03-02 2010-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" X-ray analyser

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU215606U1 (en) * 2022-11-18 2022-12-20 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" Galvanic Pulsed X-Ray Sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8188437B2 (en) Radiation detecting method utilizing energy information and positional information and equipment thereof
US20100012845A1 (en) Energy-resolving detection system and imaging system
Morishita et al. Development of a Si-PM based alpha camera for plutonium detection in nuclear fuel facilities
US9529097B1 (en) Pixelated gamma detector
ES2531640T3 (en) Matrix device and procedure for determining the location and reaction time of the gamma quanta and the use of the device to determine the location and reaction time of the gamma quanta in positron emission tomography
US9012855B2 (en) Radiation detector
WO2016015061A1 (en) Multiple spatial resolution scintillation detectors
US20090272910A1 (en) Method of detection of fast neutrons
Nillius et al. Light output measurements and computational models of microcolumnar CsI scintillators for x‐ray imaging
Yamamoto et al. Pulse shape discriminations of different types of radiation on GGAG imaging detector
US20160170042A1 (en) Radiation detection apparatus and radiation detection sheet
Lee et al. The effect of high-resolution parallel-hole collimator materials with a pixelated semiconductor SPECT system at equivalent sensitivities: Monte Carlo simulation studies
Lee et al. A compact Compton camera using scintillators for the investigation of nuclear materials
RU2579157C1 (en) Multispectral one-dimensional x-ray and gamma-radiation detector
Lee et al. Development of simultaneous multi-channel data acquisition system for large-area Compton camera (LACC)
Guss et al. Size effect on nuclear gamma-ray energy spectra acquired by different-sized CeBr3, LaBr3: Ce, and NaI: Tl gamma-ray detectors
Zarei et al. The performance study of developed cost-effective Compton Camera based on Ce: GAGG scintillator using experimental measurements and CCMod of GATE simulation module
RU2504756C1 (en) X-ray analyser
JP2006284346A (en) Radiation tomographic device
Mikerov et al. Multi-Energy X-ray Sensors Based on Pixilated Scintillators—Conceptual Study
Ryzhikov et al. The neutron detectors based on oxide scintillators for control of fissionable radioactive substances
JP4997603B2 (en) Method and apparatus for improving the sensitivity of positron images
Bae et al. Development of In Situ Selective Beta-Ray Distribution Detection Technology Based on Gamma-Ray Sensitivity Difference
Park et al. Monte Carlo simulation study of performance evaluation for sensitivity and scatter fraction in gamma camera scintigraphy with TlBr pixelated semiconductor detector with different parallel-hole collimator designs
Nkuba et al. A GATE-based Monte Carlo simulation of a dual-layer pixelized gadolinium oxyorthosilicate (GSO) detector performance and response for micro PET scanner