Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор

Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к технической физике, а конкретно к сцинтилляционным позиционно-чувствительным детектирующим устройствам ядерной физики, и может быть использовано в вычислительной томографии. Целью изобретения является повышение точности определения пространственного распределения ионизирующего излучения за счет идентификации событий взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов на границе раздела при максимальной плотности сцинтилляционного вещества в чувствительном объеме сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора (СПЧД) и увеличение его быстродействия. СПЧД содержит K≥2 измерительных каналов, детектирующая часть каждого канала состоит из гребенка из N≥3 сцинтилляционных кристаллов, связанных общим светопроводом с двумя фотоумножителями

гребенки вложены одна в другую и общее число M плотноупакованных кристаллов равно M=K<SP POS="POST">.</SP>N. электрическая схема каждого канала содержит схему временных совпадений, аналоговый делитель, общую схему временных совпадений, компаратор, аналого-цифровой преобразователь. Каналы связаны между собой через общие схемы временных совпадений и компараторы, что позволяет выделить определенный канал регистрации в том случае, если регистрируемая частица перерассеивается между кристаллами разных гребенок. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 G 0l Т, 1/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flPH ГКНТ СССР (21) 4336124/24-25 (22) 03.12.87 (46) 15.12.90, Бюл, М 46 (72) В. Н.Узморский, Г.В.Иоэолев и В.С, Зенкевич (53) 621. 387.46 (088 ° 8) (56) $, Yamamoto et al, Л BGO Detector

Ьsing a, Nev Encoding Sheme for a High

Hesolution Рo",ition Emi.ssion Tomopranh. — Nucl. Instr. and Methods in

}ау-. Неэсагch, А 248 (1986}, р. 557.

R. Iiecomte et . al, Geometry H tudy

of à High Resolution ET Detect,ion

"ystem

Tr ansactions on 11цс1. Hci., Vol, Ч831, No 1, FеeЬг. 1984, р. 556. (54 ) СЦИНТИЛЛЯЦИОН1ЫЙ ПОЗИЦИОН110-ЧУВСТВИТЕЛЬ1ЫЙ ДЕТЕКТОР (57) Изобретение относится к технической физике, а конкретно к сцинтилляционным позиционно-чувствительным детектирующим устройствам ядерной физики, и может быть использовано в вычислительной томографии. Целью изобретения является повышение точности определения пространственного распределения ионизирующего излучения за счет

Изобретение относится к техничес кой физике, а конкретно к сцинтилляционным позиционно-чувствительным детектирующим устройствам ядерной физики, и может быть испольэоьано в вычислительной т эмографии °

Цель изобретения — повышение точности определения пространственного...ЯО„„я дяя . A1

2 идентификации событий взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов на границе раздела при максимальнойй плотности сцинтилл яцио нного вещества в чувствительном объеме сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора (СПЧД) и увеличение его быстродействия. СПЧД содержит

К 2 иэмерительнь1х каналов, детектирующая часть каждого канала состоит из гребенки иэ N 3 сцинтилляционных кристаллов,- связанных общим светопроводом с двумя фотоумножителями; гребенки вложены одна в другую и общее число

М плотноупакованных криста лов равно

А=К.N. Электрическая схема каждого ка-а

В нала содержит схему временных совпадений, аналоговый делитель., общую схему временных совпадений, компаратор, анало го-цифровой пре образ ов атель. Ка- % налы связаны между собой через общие схемы временных совпадений и компараторы, что поэ вол яет выделить определенный канал регистрации в том случае, если ре гистрируе ма я ч асти ца пер ер ассеив ается между крист аллами р аэ ных гребенок. 5 ил, распределения ионизирующего излучения за счет идентификации событий взаимодействия ионизирующего и лучения с веществом кристаллов на границе раздела при максимальной плотности сцинтилляционного веще "тва в чувствительном объеме сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектор а и ув еличение его быстродействия.

1 613985

На фиг. представлена схема распределения сцинтилляционных кристаллов из общего ряда, состоящего из 12 крист аллов, в котором крист . ллы по

5 четыре связаны общими светопроводниками; на фиг. 2 — блок-схема сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора (СПЧД), состоящего из К измерительных каналов; на фиг. 3— блок-схема СПЧД, состоящего из двух измерительных каналов; на фиг. 4— амплитудные распределения сигналов, ) полученных с использованием СПЧД, состоящего из двух каналов; на фиг. 5 схема распределения сцинтилляцнонных кристаллов для СПЧД, состоящего их трех измерительных каналов.

На фиг. 1 представлен общий ряд плотноупакованных, оптически иэоли- 2р рованных друг от друга обычно при помощи тонкого диффузного отражателя сцинтилляционных кристаллов, составляющих чувствительный объем СПЧД.

Для определенности общее число кристаллов М выбрано равным двенадцати, а число И вЂ” число интеграции кристаллов в одном измерительном канале, равным четырем. Кристаллы в одном измерительном канале, т.е. в одной гре- 30 бенке, обозначены позициями 1-4 ° Число К вЂ” число кратности вложений, рав- нбе числу измерительных каналов, равно трем. В общем случае N)3, К 2, М=

=K NÄ

При этом каждая группа иэ N кристаллов, выбранная из общего ряда М=

=К И кристаллов, имеет оптический контакт с одним из К общих светопроводов, кОтОрый полнОстью изолирован От дру 40 гих кристаллов и общих светопроводов, На фиг. 1 вынесена одна гребенка иэ четырех кристаллов, находящаяся в контакте с одним иэ трех светопроводов, обозначенным позицией 5.

На фиг. 2 представлена блок-схема

СПЧД, содержащая К измерительных каналов. Для конкретизации ее описания выберем i-ый измерительный канал (1»

»К) H предположим что каждый H3MB рительный канал СПЧД содержит по четыре кристалла, т,е, N=4, из общего ряда сцинтилляционных кристаллов, содержащего в этом случае M=K4 кристаллов. Кристаллы i-го канала имеют опти55 ! ческий контакт только. с i-ым общим светопроводом, Причем, эти четыре кристалла расположены на -ом общем светопроводе с постоянным шагом.

Тогда i-измерительжй 1 анал, входящий в состав СПЧД, сбстоит из четырехх крист аллов 1-4, о цти ч е скй соединенных с общим светопроводом 5, на краях. которого расположены два ФЭУ

6 и 7, имеющие с ним оптический контакт. Выходы ФЭУ 6 и 7 подключены к входам схемы временных совпадений 8 и входам аналогового делителя 9 одновременно, Выход схемы временных совпадейий 8 подключен к стробируемому входу аналогового делителя 9, к первому входу общей схемы временных совпадений 10 и к второму входу об,щей схемы временных совпадеж и 10 (i-1)-го измерительного канала одновременно. Делительный выход аналогового делителя 9 подключен к сигнальному входу анало ro-цифрового преобразователяя (АЦП) 11, а его суммирующий выход подключен к первому входу компаратора 12 и к второму входу компа-! ратора 12 (i-I )-го измерительного ка" нала одновременно. К второму входу общей схемы временных совпадений 10 подключен выход схемы временных совпадений 8 (i+1)-ro измерительного канала, Выход общей схем временных совпадений 1О подключен к стробируемому входу комларатора 12. К стробируемому входу аналого-цифрового преобразователя 11 одновременно подключены первый выход компаратора 12 и второй выход компаратора .12 (i-! )-ro измерительного канала, второй выход компаратора 12 подключен к стробируемому входу аналого-цифрового преобразователя 11 (i+1)-го измерительного канала. Выход анало го-цифрового преобразователя 11 подключен через стандартный интерфейс 13 к ЭВМ 14.

Первый вход 15 и первый выход 16 компаратора первого измерительного канала соединены соответственно с вторым входом и вторым выходом компаратора последнего измерительного канала, а первый вход 17 общей схемы временных совпадений первого измерительного канала соединен с вторым входом аналогичной схемы последнего канала..

СПЧД, представленный на фиг. 2, работает следующим образом.

При взаимодействии кванта ионизирующего излучения с веществом одного из кристаллов, или 1, или 2, или

3, илн 4, i-го измерительного канала, в последнем возникает сцинтилляция.

Свет от этой сцинтилляции распростра1613985 6 няется по этому кристаллу, по световоду 5 и одновременно попадает на входные окна обеих ФЗУ 6 и 7 ° которые видят каждый из кристаллов под опреде5 ленными телесными углами. При этом, количество света, одновременно попавшее на входные окна обеих ФЗУ, а, следовательно, и амплитуды, одновременно возникающие на их выходах, про- 10 порциональны величинам этих телесных углов. Электрические сигнапы, одновременно возникшие на выходах ФЭУ 6 и

7, одновременно поступают на входы схемы временных совпадений 8 и входы аналогового делителя 9. Величину сигналов, возникающих на выходе ФЭУ6, обозначим буквой А, а на выходе

ФЗУ 7 — буквой В, Тогда при одновременном приходе 20 сигналов А и В срабатывает схема временных совпадений 8 и выдает на стробируемый вход аналогового делителя 9 сигнал, разрешающий последнему принять сигналы А и В, и произвести их 25 ан ало гово е ° ср ан не ни е по формул е (А-В ) /

/(А+В) . После проведенного сравнения на делительном выходе аналогового делителя 9 возникает . игнал, величина которого пропорциональна величине 30 частного (A-Б,1 /(А+В), а на суммирующем выходе аналогового делителя 9 возникает сигнал, величина которого пропорциональна величине суммы амплитуд (А+В}. Длительный выход аналогового делителя подключен к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя 11, куда он и передает сигналп, величина которого пропорциональна (А-В)/(А+В) . Сигнал с суммирующе- 40

ro выхода поступает на первый вход компаратора 12, который при отсутствии стробирующего сигнала с общей схемы временных совпадений 10, выдает стробирующий сигнал на строби- 45 руемый вход аналого-цифрового преоб" разователя 11. Код, полученный н результате отцифронки величины сигнала (А-В)/(А+В), поступает на вход интерфейса 12, при помощи которого осуществляется связь измерительных канапов СПЧД с ЭВМ 14, где производится накопление.и дальнейшая обработка полученной с СПЧД информации.

В слу™ае, когда квант ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом одного из кристаллов i-го измерительного канала, перерассеивается и вэ аимодействует с веще ством смежного с ним кристалла, входящего в состав (i+1)-ro измерительного канала, вызывая таким образом одновременные сцинтилляции в обоих к ристаплах, срабатывает цепочка связи двух соседних -ro и (i+1)-го измерительных каналов, состоящая из общей схемы временных совпадений 10 и компаратора 12, призванная идентифицировать кристалл, в который следует отнести это событие.

ОбознаЧиМ величины амплитуд, одновременно возникающих на выходах ФЗУ

6 и 7 i-го измерительного канала, соотнетств""íío А, и В;, а на выходах

ФЗУ 6 и 7 (it1)-ro измерительного канапа — А, л1 и В >q соответственно.

Сигналы A B A +„Â;.„, одновременно возникшие в i-том и (i+1)-ом измерительных каналах н процессе перерассеяния кванта ио1плэирующего излучения между соседними кристаллалж, принадлежащими к указанным измерительным каналам, попадая на входы схем временных совпадений 8 i-го и (i+1)го иэмеритепьк1х каналов соответственно, вызывают срабатывание общей схемы временных совпадений 10 i-го измерительного канала. При этом, сработав шие схемы временных совпадений 8 обоих измерительных канапон разрешают аналогоным делителям 9 обоих измерительных каналов произвести аналоговое сравнение соответствующих им величин амплитуд. В результате этих сравнений на делительных выходах аналоговых делителей 9 i-ro и (»+! )-го измерительных каналов появятся сигналы, лропорциональные ныраяениям (A -В,)/(А +В;) и (А, -В,+,) /(А,,+Б;,) соответственно, а на суммирующих выходах аналоговых делителей 9 i-го и (i+1)-го измерительных каналах появятся сигналы, пропорциональные выражениям (А;+В;) и (А +Б,+,) соотнетстненно.

И1 1+1

Йа компаратор 12 i-го измерительного канала одновременно поступают. сигнапы: на перный вход сигнал (А +В ° )

1 I с аналогового делителя i-ro измерительного канала, а на второй вход сигнап (А 1+3;«) .с аналогового делителя (i+1)-го измерительного канала, и стробирующий сигнал с общей схемы временных совпадений 10 i-го измерительного канала, При условии, что величина сигнгла (А +B,) преньппает величину сигнала (А;,+Б; „,, компаратор 12 i-го измерительного кана1613985 ла стробирует аналого-цифровой преобраэователь 11 i-го измерительного канала, а при условии, что величина сигнала (А,;+В, ) меньше вели ны сигнала (А, +В, ), компаратор 12 i-ro иэмернтельного канала стробирует аналого-цифровой преобразователь 11 (i+

+1)-го измерительного канала. При этом, определение номера кристалла и иэ выбранного таким путем номера из10 меритгль ого канала i, в котором произошло взаимодействие кванта ионизирующего излучения с его веществом, производится так, еспи бы взаимодей15 ствие произошло только в этом кристалл е „в ходяще м в со с т ав выбр анно го и змерительного канала, По номеру кристалла можно определить место взаимодействия излучения с веществом.

На фиг. 3 представлена блок-схе 20 ма СПЧД, содержащая два измерительных канала (К 2), с интеграцией кристалловов, р ав ной четырем (N=4 ) . Отличие ее от общей блок-схемы СПЧД, пред-15 ставленной на фиг. 2, состоит в том, что во втором измерительном канале отсутствует общая схема временных совпадений 10 и компаратор 12, Это связано с тем, что перерассеяние 30 кванта может происходить между соседними кристаллами двух измерительных каналов, а для идентификации кристалла,.в котором произошло взаимодействие достаточно наличия этих схем в е

35 первом измерительном канале. Уже в случае кратности вложений, равной трем, необходимо в каядом измерительном канале использовать и общую схему временных совпадений 10 и компаратор 12.

Алгоритм сбора и сортировки информации, поступающей с СПЧД, состоит в считывании кода из сработавшего аналого-цифрового преобразователя по

его запросу, и инкрементирование по считанному коду в область адресов памяти ЭВИ, соответствующей сработавшему аналого-цифровому преобразователю.

На фиг. 4 представлен амплитудный спектр СПЧД, состоящего из двух измерительных каналов. Он представляет собой два амплитудных спектра, каждый из которых соответствует своему измерительному каналу, первому — спектр

18, а второму — спектр 19. Из рассмотрения амплитудного спектра одного иэ измерительных каналов 18 или !9 видно, что настоящий СПЧД обеспечивает высокую степень разделения амплитудных распределений сигналов от двух соседних кристаллов, входящих в состав одного измерительного канала. В случае использования в СПЧД К измерительных каналов амплитудный спектр

СПЧД будет состоять из К амплитудных спектров, каждый иэ которых соответствует своему измерительному каналу.

На фиг. 5 представлена компоновка чувствительного объема СПЧД, состоящего из трех измерительных каналов, Предлагаемое создание позиционночувствительного детектора позволяет добиться низкого уровня перекрытия амплитудных распределений иэ двух соседних пиков в каждом канале детектора. При этом плотность сцинтилляционного вещества в чувствительном ббъеме детектора максимальна. Такой подход к построению сцинтилляционного по зиционно-чувствительно го де тек тора позволяет наиболее рациональным образом распределить заре гистриров анные события взаимодействия иониэирующего излучения с веществом кристаллов по дискретным областям, что в конечном итоге приводит к повышению быстродействия детектора и повышению точ- ности определения пространственного распределения ионизирующего излучения. формула изобретения

Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор, содержащий измерительный канал, состоящий иэ ряда изолированных друг от друга сцинтилляционных кристаллов, оптически соединенных общим светопроводом с двумя фотоприемниками и образующих со светопроводом гребенку с постоянным шагом зубцов, схемы временных совпадений и аналогового делителя, к входам которых подключены выходы соответствующих им фотоприемников, схема временных совпадений через анало говый делитель подключена к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), интерфейса, через который аналого-цифровой преобразователь подключен к 3ВМ, о т л ичающий с я тем, что, с целью повышения точности определения пространственного распределения ионизирующего излучения эа счет идентификации событий взаимодействия ионизирующего излучения с веществом кристаллов на границе раздела при максимальной

161 3985 плотности сцинтилляционного вещества в чувствительном объеме сцинтилляционного позиционно-чувствительноro детектора и увеличения его быстро5 действия, в него введены К-! измерительных каналов, при этом в каждый измерительный канал введено К общих схем временных совпадений, K компараторов, причем гребенки К измерительных каналов вложены одна в другую так, что зубцы к аждой из гребе ноя р аэмещены между зубцами других, при этом светопровод каждой гребенки имеет оптический контакт с N кристал- 15 лами из общего ряда плотноупакованных сцинтилляционных кристаллов М=

=К.N, где К вЂ” общее число измерительных каналов, равное числу кратности вложения, КЗ 2, N — число интегра- 2О ции кристаллов в одном измерительном канале, БУЗ, а в измерительной схеме каждого i-ro измерительного канала выход схемы временных совпадений подключен к первому входу общей схе- 25 мы временных совпадений i-го измери-. тельного канала и к второму входу общей схемы временных совпадений (i-1)го измерительного канала, суммирующий выход аналогового делителя д-го измерительного канала подключен к первому входу компаратора i-го измерительного канала и второму входу компаратора (i-1)-го измерительного канала, первый выход компаратора iro и второй выход компаратора (i-1)го измерительных каналов соединены" между собой и подключены к стробирующему входу АЦП i-го измерительного канала, второй вход общей схемы временных совпадений, второй вход и второй выход компаратора х-го измерительного канала подключены соответственно к первому входу общей схемы временных совпадений, первому входу и первому выходу компаратора.(i+1)ro измерительного канала, а также первый вход общей схем временных совпадений, первый вход и первый выход компаратора первого измерительного канала соединены соответственно с вторым входом общей схемы временных совпадений, вторым входом и вторым выходом компаратора последнего измерительного канала, 1á13985! 613985

amcvem д

OHC_#_8

Qmcvem д щние

Quz. 4

1613985

Составитель М.Данилов

Техред JI. Сердюкова

Редак тор И, С о гля ник

Корр е к тор,Э. Ло нчако ва

Закаэ 3892 Тираж 358 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101