Сцинтилляционный спектрометр

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. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности регистрации, понижение порога обнаружения источника излучений, расширение спектрометрических возможностей за счет применения набора пластин и последующей математической обработки количества, поступивший с них сигналов, снятие требования об использовании сцинтилляционных материалов, отличающихся спектром оптического излучения, упрощение конструкции. Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном спектрометре детектор содержит пластины сцинтиллятора, выполненные с переменной толщиной, увеличивающейся по мере удаления от источника, а фотоприемные устройства расположены на боковых поверхностях на каждой пластине сцинтиллятора или за исключением первого и последнего фотоприемные устройства расположены на границах боковых поверхностей между смежными пластинами, а схема обработки сигналов выполнена двухканальной и содержит амплитудные дискриминаторы, сумматор сигналов, временной и амплитудный анализаторы, схему совпадений. 1 с.п.ф. 3 илл.

Полезная модель 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.

Известен спектрометр двойного рассеяния, содержащий два сцинтиблока, расположенных на расстоянии друг под другом в параллельных плоскостях, выход каждого сцинтиблока соединен с входами блока электронных схем, информационные выходы которого соединены с входом регистрирующего устройства, отличающийся тем, что каждый сцинтиблок состоит из одного сцинтиллятора и набора из не менее семи фотоприемников, находящихся в оптическом контакте с нижней плоскостью сцинтиллятора и расположенных так, что они покрывают всю поверхность нижней плоскости сцинтиллятора. Патент Российской Федерации 2071089, МПК: G01T 3/06, G01T 1/20, 1996 г.

Недостатком данного устройства является неточность измерения спектров ионизирующих излучений, вызванная температурной нестабильностью элементов устройства.

Известен сцинтилляционный спектрометр, регистрирующий ядерные излучения, содержащий два канала регистрации ядерных излучений, при этом гамма-канал состоит из сцинтилляционного кристалла, сопряженного с фотоэлектронным умножителем, выход которого через усилитель гамма-канала и аналого-цифровой преобразователь связан с микропроцессорной системой, в состав гамма-канала дополнительно введена система стабилизации, включающая светодиод, сопряженный с фотоэлектронным умножителем и соединенный с импульсным генератором тока, вход которого связан с выходом микропроцессорной системы, управляемый

микропроцессорной системой каскад усиления, расположенный между усилителем гамма-канала и его аналого-цифровым преобразователем, и цифровой датчик температуры, выход которого связан с микропроцессорной системой, а нейтронный канал состоит из детектора нейтронов, связанного через усилитель второго канала и дискриминаторы с микропроцессорной системой, имеющей выходы на дисплей и ЭВМ. Патент Российской Федерации 2158938, МПК: G01T 1/40, 2000 г. Прототип.

Недостатком прототипа является сложное конструктивное исполнение. Недостатками являются также низкая чувствительность обнаружения источников ионизирующих излучений из-за наличия собственных шумов фотоприемных устройств, невозможность учета вклада рассеянного в детекторе излучения, необходимость использования только прозрачных сцинтилляторов, отличающихся в необходимой степени спектром оптического излучения.

Полезная модель устраняет недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности регистрации, понижение порога обнаружения источника излучений, расширение спектрометрических возможностей за счет применения набора пластин и последующей математической обработки количества, поступивший с них сигналов, снятие требования об использовании сцинтилляционных материалов, отличающихся спектром оптического излучения, упрощение конструкции.

Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном спектрометре, содержащем детекторы, приемники оптического излучения и схему обработки сигналов, имеющей выходы на дисплей и ЭВМ, детектор содержит пластины сцинтиллятора, покрытые светоотражающим материалом и выполненные с переменной толщиной, увеличивающейся по мере удаления от источника, а фотоприемные устройства расположены на боковых поверхностях на каждой пластине сцинтиллятора или за исключением первого и последнего фотоприемные устройства расположены на границах

боковых поверхностей между смежными пластинами, а схема обработки сигналов выполнена двухканальной и содержит амплитудные дискриминаторы, сумматор сигналов, временной и амплитудный анализаторы, схему совпадений.

Существо изобретения поясняется на фиг.1, 2 и 3

На фиг.1 схематично представлен многослойный детектор, где: 1 - пластины сцинтилляторов, 2, 2¹ - фотоприемные устройства, Х - направление излучения. Поверхности пластин покрыты светоотражающим материалом, а вся конструкция помещена в светозащищенный корпус.

На Фиг.2 схематично представлен многослойный детектор где: 1 - пластины сцинтилляторов, 2, 2¹ - фотоприемные устройства, расположенные на границах боковых поверхностей между смежными пластинами, Х - направление излучения. Такое расположение фотоприемников позволяет уменьшить их количество.

На фиг.3 представлена в качестве примера реализации двухканальная схема обработки сигналов, где: 1 - пластины сцинтилляторов; 2, 2¹ - фотоприемные устройства, 3 и 3¹ - аналоговые усилители; 4 и 4¹ - аналоговые выходы; 5 и 5¹ - дискриминаторы с регулируемыми порогами дискриминации; 6 - схема совпадений.

Устройство работает следующим образом.

Излучение в виде рентгеновского или гамма кванта направляют на торец первой пластины 1 сцинтилляционного многослойного детектора.

В результате фотоэффекта или комптоновского рассеяния, или в результате рождения электрон-позитронной пары квант вызывает сцинтилляционную вспышку в одной или нескольких пластинах 1 одновременно.

Свет от сцинтилляционной вспышки через боковые поверхности пластин 1 поступает на фотоприемные устройства 2 и 2¹, в которых под его действием возникает электрический сигнал.

Сигналы с фотоприемников 2 и 2¹ (фотодиодов или кремниевых фотоумножителей) поступают на аналоговые усилители 3 и 3¹.

Затем аналоговый сигнал поступает на дискриминаторы 5 и 5 ¹ с регулируемыми порогами дискриминации (Фиг.3).

Логические сигналы с дискриминаторов 5 и 5¹ идут на схему совпадений 6.

Если на обоих входах схемы совпадений 6 появляются сигналы, схема совпадений 6 вырабатывает сигнал, который хранится в выходном регистре схемы.

Внешний контроллер (на фигурах не показан) опрашивает выходные регистры схемы совпадений бив случае наличия в них сигнала (запроса) считывает сигналы с аналоговых выходов 4 и 4¹ и передает их на амплитудно-цифровые преобразователи и сумматор, а затем в компьютер для анализа.

Собранные данные направляют в амплитудный анализатор, в котором накапливают амплитудный спектр сигнала для данной пластины 1.

События, произошедшие в одной или нескольких пластинах 1, разделяют по времени прихода запроса. Количество сигналов запроса с каждой пластины 1 и амплитудный спектр сигнала по окончании регистрации анализируют и с помощью компьютерной программы производят восстановление спектра излучения.

Все логические схемы выполнены в стандарте ЭСЛ. В качестве дискриминаторов 5 и 5¹ использованы микросхемы AD 96687BP, а в качестве схемы совпадений 6 использована микросхема HEL (MC10LD1).

В случае достаточно большого поперечного сечения пластин 1 возможно одновременное появление сцинтилляционного сигнала (множественное событие) в нескольких пластинах 1 по следующим причинам:

- в результате комптоновского рассеяния кванта в одной из пластин 1, попадания этого кванта в другую пластину 1 и повторного рассеяния или фотоэффекта в ней;

- пробега электрона, возникающего при взаимодействии рентгеновского кванта с материалом сцинтиллятора в одной пластине 1, в другие пластины 1.

Идентификация таких событий и пластин 1, в которых они произошли, проводится путем анализа времени прихода запроса со всех пластин 1.

Если сигналы поступили в интервале времени TL/c, где L - длина детектора вдоль направления излучения X, с - скорость света, то события вызваны одним квантом.

Такие события учитываются при восстановлении энергетического спектра излучения.

При достаточно малом поперечном сечении детектора количество событий, поступивших одновременно с нескольких пластин 1, пренебрежимо мало.

В этом случае для восстановления спектра излучения источника решается система интегральных уравнений:

где Q_i - количество запросов с i-го слоя (пластины) многослойного детектора; n - число слоев; S_i(E) - чувствительность i-ой слоя к потоку квантов с энергией Е; (Е) - искомая энергетическая зависимость падающего на детектор потока квантов.

Система уравнений решается с использованием итерационного метода минимизации направленного расхождения. Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ 1446. Обнинск, 1983

Сцинтилляционный спектрометр, содержащий детекторы, приемники оптического излучения и схему обработки сигналов, имеющей выходы на дисплей и ЭВМ, отличающийся тем, что детектор содержит пластины сцинтиллятора, покрытые светоотражающим материалом и выполненные с переменной толщиной, увеличивающейся по мере удаления от источника, а фотоприемные устройства расположены на боковых поверхностях на каждой пластине сцинтиллятора или за исключением первого и последнего фотоприемные устройства расположены на границах боковых поверхностей между смежными пластинами, а схема обработки сигналов выполнена двухканальной и содержит амплитудные дискриминаторы, временной и амплитудный анализаторы, схему совпадений.