Времяпозиционный детектор излучения

 

Изобретение относится к измерительной технике. Детектор включает оптически сопряженные фотокатод, блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ), анод, электрически соединенный последовательно с усилителем, блоком измерения заряда, блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала. Блок ПЧУ последовательно соединен с широкополосным усилителем и блоком измерения времени. Кроме того, в детектор введены блок предварительной обработки излучения, блок коррекции координат, время-координатный блок, блок измерения полного заряда, блок время-амплитудной коррекции, блок коррекции времени, блок анализа и блок принятия решения, при этом между блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала установлены последовательно соединенные блок коррекции координат и время-координатный блок. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей детектора и повышение его выходных характеристик: точности определения времени и координат кванта излучения, что, в свою очередь, улучшает качество детектируемого изображения. 10 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к детекторам излучений (ДИ) для построения изображения, в частности к устройствам для одновременной регистрации координат и времени поступления квантов излучений в оптическом диапазоне спектра (УФ, видимом и ИК), рентгеновского и -излучения, заряженных частиц (-лучей, -частиц, протонов и т.п.), а также нейтральных частиц (например, нейтронов и др.).

Известен детектор видимого диапазона спектра излучения (фотоприемное устройство с квадрантным анодом), позволяющий регистрировать квант излучения с определением его двумерных координат, представляющий собой установленные по ходу излучения фотокатод вакуумной трубки, блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ), выполненный в виде микроканальных пластин (МКП), анод, электрически соединенный с усилителем, соединенный с блоком измерения заряда, представляющего собой интегратор и аналого-цифровой преобразователь, блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала (Rev. Sci. Instrument., Vol. 47, 11/76. стр. 1360-1362, М. Lampton, R. F. Malina, "Quadrant anode image sensor").

В этом устройстве падающее излучение на фотокатод вакуумной трубки вследствие фотоэффекта образует фотоэлектроны, далее с помощью электрического поля между фотокатодом и микроканальной пластиной (МКП) эти электроны транспортируются на вход МКП для увеличения количества исходных фотоэлектронов. На выходе МКП создается электронная лавина, диаметр которой с помощью электрического поля увеличивается для того, чтобы электроны лавины попали, по крайней мере, на три отдельные электрически изолированные секции квадрантного анода. Электрические сигналы, снимаемые с квадрантов анода, подаются на вход зарядочувствительного усилителя, а с выхода которого - на блок измерения зарядов - на интегратор, затем на аналого-цифровой преобразователь. Далее по определенному алгоритму определяются двумерные координаты падающего на фотокатод кванта излучения. Последний блок, выполненный в виде персонального компьютера, позволяет визуализировать информацию. Устройство анода позволяет определить центр электронной лавины, при этом сохраняется однозначное соответствие между координатами падающего на вход фотокатода кванта излучения и центром электронной лавины на аноде.

Наиболее близким к заявляемому является время-позиционный детектор излучения, позволяющий регистрировать, кроме двумерных координат кванта излучения, момент его поступления (SPIE Рrос., 3732(1997)220, авторы M.R.Ainbond и др., статья "Time- and specie-correlated single photon counting system for fluorescence microspесtroscopy of biological specimen" - прототип). Устройство представляет собой установленные по ходу излучения фотокатод вакуумной трубки, блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ), выполненный в виде микроканальных пластин (МКП), квадрантный анод, электрически соединенный с усилителем, соединенный с блоком измерения заряд, представляющий собой интегратор и аналого-цифровой преобразователь, блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала, блок ПЧУ последовательно соединен с широкополосным усилителем и блоком измерения времени в виде время-амплитудного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с блоком хранения, обработки и визуализации сигнала.

Сигнал для измерения момента поступления квантов снимается с блока МКП и подается на широкополосный усилитель. Далее усиленный сигнал поступает на вход блока измерения времени, который вырабатывает цифровой сигнал, соответствующий моменту прихода кванта света.

Недостатками указанных детекторов являются низкая предельная скорость счета импульсов, низкая позиционная разрешающая способность за счет потери части измеряемого полного заряда электронной лавины, низкая точность измерения момента поступления кванта излучения, повышенные технические требования к характеристикам компонент детектора (блока усиления, анода и цифровых измерительных блоков и др.), отсутствие конвертора ионизирующих излучений - и рентгеновского излучений), заряженных частиц (-лучей, протонов), -частиц и нейтральных частиц в излучении оптического диапазона, отсутствие возможности выбора спектрального диапазона и автоматического регулирования падающего на вход детектора потока излучения.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является - повышение предельной скорости счета импульсов, - улучшение пространственного разрешения, - увеличение эффективного рабочего поля зрения детектора (например, для квадрантного анода - в четыре раза), - повышение точности измерения момента поступления квантов излучения, - снижение требований к техническим характеристикам компонент детектора, - расширение возможностей регистрации различных видов ионизирующего излучения, - реализация возможности автоматического выбора спектрального диапазона оптического излучения и регулирования интенсивности падающего на вход детектора потока излучения.

Для этого предложен время-позиционный детектор излучения, включающий оптически сопряженные фотокатод, блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ), анод, электрически соединенный с усилителем, соединенный с блоком измерения заряда, блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала, блок ПЧУ последовательно соединен с широкополосным усилителем и блоком измерения времени, при этом в него введены блок предварительной обработки излучения, блок коррекции координат, время-координатный блок, блок измерения полного заряда, блок время-амплитудной коррекции, блок коррекции времени, блок анализа и блок принятия решения, блок предварительной обработки излучения установлен перед фотокатодом, анод выполнен в виде анодного блока, состоящего из основного анода, выполненного в виде пластины и охватывающего его дополнительного анода, при этом между блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала установлены последовательно соединенные блок коррекции координат и время-координатный блок, блок измерения заряда соединен с блоком измерения полного заряда, один из выходов которого соединен с блоками определения и коррекции координат, выход блока коррекции координат соединен с блоком коррекции времени, выход которого соединен со входом время-координатного блока, блок измерения полного заряда соединен с входом блока время-амплитудной коррекции и широкополосным усилителем, выход блока определения времени соединен со входом блока время-амплитудной коррекции, выход которого соединен со входом блока коррекции времени, вход блока анализа соединен с широкополосным усилителем, а выход блока анализа соединен со входом блока принятия решений, выходы которого соединены с блоками предварительной обработки излучения, измерения зарядов, определения координат, коррекции координат, время-координатным блоком, определения времени, измерения полного заряда, время-амплитудной коррекции и коррекции времени.

При этом блок позиционно-чувствительных усилителей может быть выполнен в виде микроканальных пластин.

Блок позиционно-чувствительных усилителей может быть выполнен в виде микросфер.

Дополнительный анод может быть выполнен в виде кольца, охватывающего основной анод.

Дополнительный анод может быть выполнен в виде полого цилиндра, дальним от ПЧУ основанием которого является основной анод.

Дополнительный анод может представлять собой последнюю микроканальную пластину блока позиционно-чувствительных усилителей.

Основной анод может быть выполнен в виде квадрантного анода.

Основной анод может быть выполнен в виде сотовой конструкции.

Основной анод может быть выполнен в виде клиньев и полос.

Блок предварительной обработки излучения может быть выполнен в виде электронно-управляемого ослабителя излучения, и/или блока преобразователя излучения, и/или перестраиваемого оптического фильтра, и/или оптической системы.

В устройстве после фотокатода может быть установлена электронная линза.

На фигуре 1 дана общая схема детектора, на фигурах 2, 3, 4 - варианты выполнения анода, где 1 - поток излучения 2 - блок предварительной обработки излучения
3 - электронно-управляемый ослабитель
4 - блок преобразования излучения
5 - перестраиваемый оптический фильтр
6 - оптическая система
7 - фотокатод
8 - электронная линза
9 - блок позиционно-чувствительных усилителей
10 - микроканальная пластина
11 - электронная лавина
12 - анодный блок
13 - дополнительный анод
14 - основной анод
15 - многоканальный усилитель
16 - блок измерения зарядов
17 - блок определения координат
18 - блок коррекции координат
19 - время-координатный блок
20 - блок хранения обработки и визуализации сигнала
21 - широкополосный усилитель
22 - блок определения времени
23 - блок измерения полного заряда
24 - блок время-амплитудной коррекции
25 - блок коррекции времени
26 - блок анализа
27 - блок принятия решения
Детектор представляет собой, в общем случае, установленные по ходу излучения 1 блок предварительной обработки излучения 2, который в случае различных видов излучения может представлять собой различный набор следующих блоков: электронно-управляемый ослабитель 3, блок преобразования излучения 4, перестраиваемый оптический фильтр 5, оптическая система 6. За ним установлен фотокатод 7, за которым может быть установлена электронная линза 8. За ней установлен блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ) 9, который может быть выполнен в виде микроканальных пластин (МКП) 10 или микросфер и др. Далее по ходу излучения установлен анодный блок 12, представляющий собой основной анод 14 и дополнительный анод 13. Варианты их выполнения показаны на фиг.2, 3, 4. Основной анод 14 представляет собой пластину, окруженную дополнительным анодом 13, который может быть выполнен в виде кольца или полого цилиндра. Роль дополнительного анода может выполнять последняя МКП. Аноды соединены электрически с последовательно соединенными блоками: 15 - многоканальным усилителем, 16 - измерения зарядов, 17 - определения координат, 18 - коррекции координат, 19 - время-координатным блоком и 20 - блоком хранения, обработки и визуализации сигнала. Блок ПЧУ 9 соединен последовательно с широкополосным усилителем 21 и блоком определения времени 22, блок измерения заряда 16 соединен с блоком измерения полного заряда 23, который соединен с блоком время-амплитудной коррекции 24, соединенным с блоком коррекции времени 25, при этом широкополосный усилитель 21 соединен с измерителем полного заряда 23, выход которого соединен с блоком определения координат 17 и блоком коррекции координат 18, выход которого соединен со входом блока коррекции времени 25, выход которого соединен со входом время-координатного блока 19. Детектор также содержит блок анализа 26, соединенный с блоком принятия решений 27, выход широкополосного усилителя 21 соединен со входом блока анализа 26, а выходы блока принятия решения 27 соединены со входами блоков 2, 22, 23, 24, 25, 16, 17, 18, 19.

Канал измерения времени состоит из широкополосного усилителя 21, блока определения времени 22, блока время-амплитудной коррекции 24 и блока коррекции времени 25.

Канал измерения полного заряда состоит из анодного блока 12, многоканального усилителя 15, блока измерения зарядов 16, широкополосного усилителя 21, блока измерения полного заряда 23.

Координатный канал состоит из блоков: 15 - многоканальный усилитель, 16 - блок измерения зарядов, 17 - блок определения координат, 18 - блок коррекции координат, 19 - время-координатный блок.

Устройство работает следующим образом.

Поток входного излучения 1 ослабляется до приемлемого для нормальной работы детектора уровня с помощью электронно-управляемого ослабителя 3. Ослабленное излучение блоком преобразования излучений 4 конвертируется, если необходимо, в поток излучения в видимом диапазоне спектра. Электронно-перестраиваемый оптический фильтр 5 пропускает требуемый узкий спектральный диапазон видимого излучения, и оптическая система 6 формирует его изображение на поверхность фотокатода 7. Фотокатод 7 преобразует этот оптический сигнал в электрический сигнал, и электронная линза 8 формирует на входной поверхности блока позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ) 9 электронное изображение входного потока квантов. Усиленный блоком МКП 10 электрический сигнал представляет собой электронную лавину 11, диаметр которой увеличивается до требуемой величины с помощью электрического и/или магнитного поля между блоком МКП и анодным блоком 12. Дополнительный анод 13 предназначен для сбора потерянной части заряда электронной лавины в традиционном аноде (прототипе). Измерение полного заряда с помощью дополнительного анода существенно улучшает пространственное разрешение детектора особенно по краям его поля зрения, а следовательно, увеличивает его поля зрения.

Далее обработка электрических сигналов проводится по трем каналам: координатным каналом, каналом измерения времени и каналом измерения полного заряда.

Электрические сигналы с дополнительного анода 13 U₀ и с основного анода 14 U₁, U₂,...,U_n, вызванные попаданием зарядов электронной лавины на анод, подаются на входы многоканального усилителя 15 для последующего преобразования блоком измерения зарядов 16 в цифровые данные. Цифровые сигналы от указанного блока одновременно поступают в блок определения координат 17 и блок измерения полного заряда 23. С выхода блока 17 цифровые данные о координатах подаются на блок коррекции координат 18. На другой вход блока определения координат 17 поступает цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23. Цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 поступает на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18. После коррекции цифровые данные о координатах одновременно поступают на входы блока коррекции времени 25 и время-координатного блока 19. На другой вход время-координатного блока 19 поступает цифровой сигнал от блока коррекции времени 25. Далее цифровые данные о координатах и времени поступления квантов подаются в блок хранения, обработки и визуализации 20.

Аналоговый электрический сигнал со входа последней МКП блока ПЧУ 9 подается на вход широкополосного усилителя 21, после усиления сигналы поступают на входы блока измерения полного заряда 23 и блока измерения времени 22. В блоке измерения полного заряда 23 аналоговый электрический сигнал преобразуется в цифровой. На основании сигналов, поступивших из блоков измерения зарядов 16 или(и) усилителя 21, проводится вычисление полного заряда. Выработанный сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 подается на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18 и блока время-амплитудной коррекции 24.

В блок определения времени 22 поступает сигнал "Время" и сигнал от усилителя 21. В результате работы блока 22 вырабатывается цифровой сигнал, соответствующий временному интервалу между сигналами. Блок 22 может быть реализован в виде время-амплитудного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, тогда в нем измерение времени происходит по схеме: преобразование временного интервала между сигналами в амплитуду аналогового импульса и последующего преобразования амплитуды этого импульса в цифру. Блок 22 может представлять собой быстродействующие АЦП, позволяющие конвертировать входные аналоговые сигналы в массив цифр, величина которых соответствует амплитуде входных сигналов через малые равные интервалы времени. Регистрация времени основывается в этом случае на определении по оси времени "центра тяжести" сигналов.

Детектор излучения управляется блоком анализа 26 и блоком принятия решения 27. Блок анализа 26 запускается либо от внешнего импульса, либо от внутреннего импульса. На его вход поступают аналоговые сигналы от широкополосного усилителя 21, после чего им производится анализ характеристик входных импульсов по заданному алгоритму, и результаты анализа в виде цифрового сигнала подаются на вход блока принятия решения 27. На основе проведенного анализа блоком принимается решение о выработке сигнала управления блоком предварительной обработки излучения, в частности электронно-управляемым ослабителем 3 и/или оптическим фильтром (электронно-перестраиваемым) 5. После достижения заданных характеристик входных импульсов для нормальной работы детектора указанным блоком вырабатывается синхроимпульсы, которые подаются на входы блоков 2, 22, 23, 24, 25, 16, 17, 18, 19 детектора для начала их работы.

Измерение полного заряда позволяет значительно улучшить пространственное разрешение и точность измерения времени поступления квантов, увеличить эффективное рабочее поле зрения детектора (например, для квадрантного анода - в четыре раза).

Для улучшения точности измерения времени применена процедура время-амплитудной коррекции, и она осуществляется в цифровом блоке время-амплитудной коррекции. Для этого сначала находится калибровочная кривая зависимости времени от величины заряда. Затем данные указанной калибровочной зависимости вводятся в память блока время-амплитудной коррекции.

Для улучшения точности определения координат (вследствие неоднородности характеристик МКП) применяется процедура коррекции координат, которая аппаратно осуществляется в блоке коррекции координат на основании предварительной калибровки его с помощью тест-объекта.

Для снижения требований к техническим характеристикам компонентов детектора излучения проводятся процедуры коррекции: время-амплитудной коррекции; коррекции времени и координат.

Таким образом, введение дополнительных блоков и изменение конструкции анода позволило, не повышая требований к техническим характеристикам составных частей детектора, расширить его функциональные возможности и повысить его выходные характеристики: точность определения времени и координат кванта излучения, что, в свою очередь, улучшает качество детектируемого изображения.

Формула изобретения

1. Времяпозиционный детектор излучения, включающий оптически сопряженные фотокатод, блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ), анод, электрически соединенный с усилителем, соединенный с блоком измерения заряда, блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала, блок ПЧУ последовательно соединен с широкополосным усилителем и блоком измерения времени, отличающийся тем, что в него введены блок предварительной обработки излучения, блок коррекции координат, времякоординатный блок, блок измерения полного заряда, блок времяамплитудной коррекции, блок коррекции времени, блок анализа и блок принятия решения, блок предварительной обработки излучения установлен перед фотокатодом, анод выполнен в виде анодного блока, состоящего из основного анода, выполненного в виде пластины, и охватывающего его дополнительного анода, при этом между блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала установлены последовательно соединенные блок коррекции координат и времякоординатный блок, блок измерения заряда соединен с блоком измерения полного заряда, один из выходов которого соединен с блоками определения и коррекции координат, выход блока коррекции координат соединен с блоком коррекции времени, выход которого соединен со входом времякоординатного блока, блок измерения полного заряда соединен с входом блока времяамплитудной коррекции и широкополосным усилителем, выход блока определения времени соединен со входом блока времяамплитудной коррекции, выход которого соединен со входом блока коррекции времени, вход блока анализа соединен с широкополосным усилителем, а выход блока анализа соединен со входом блока принятия решений, выходы которого соединены с блоками предварительной обработки излучения, измерения зарядов, определения координат, коррекции координат, время координатным блоком, определения времени, измерения полного заряда, времяамплитудной коррекции и коррекции времени.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что блок позиционно-чувствительных усилителей выполнен в виде микроканальных пластин.

3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что блок позиционно-чувствительных усилителей выполнен в виде микросфер.

4. Детектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный анод выполнен в виде кольца, охватывающего основной анод.

5. Детектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный анод выполнен в виде полого цилиндра, дальним от блока позиционно-чувствительных усилителей, основанием которого является основной анод.

6. Детектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительный анод представляет собой последнюю микроканальную пластину блока позиционно-чувствительных усилителей.

7. Детектор по п.1, отличающийся тем, что основной анод может быть выполнен в виде квадрантного анода.

8. Детектор по п.1, отличающийся тем, что основной анод может быть выполнен в виде сотовой конструкции.

9. Детектор по п.1, отличающийся тем, что основной анод может быть выполнен в виде клиньев и полос.

10. Детектор по п.1, отличающийся тем, что блок предварительной обработки излучения выполнен в виде электронно-управляемого ослабителя излучения, и/или в виде блока преобразователя излучения, и/или в виде перестраиваемого оптического фильтра, и/или в виде оптической системы.

11 Детектор по п.1, отличающийся тем, что после фотокатода установлена электронная линза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4