Рентгеновское обследование с использованием волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн

Рентгеновское обследование с использованием волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании заявок на временный патент США №61/598521 и 61/598576, поданных 14 февраля 2012 г., и заявки на временный патент США №61/607066, поданной 6 марта 2012 г., содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Настоящее изобретение относится к волоконным сцинтилляционным датчикам и к способам их изготовления, а также к системам и способам рентгеновского контроля, использующего волоконные сцинтилляционные датчики для эффективной регистрации рентгеновского излучения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Волоконные сцинтилляционные датчики излучения и частиц использовались в течение последних 30 лет. В некоторых случаях сцинтиллятор разбит на пиксели, содержит дискретные элементы сцинтиллятора, а в других случаях использованы другие приемы (например, ортогонально перекрещенные волокна связи), обеспечивающие пространственное разрешение. Примеры волоконных сцинтилляционных датчиков приведены в Патентах США №6078052 (DiFilippo) и 73269933 (Katagiri и др.), содержание которых полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки. Датчики, описанные и DiFilippo и Katagiri и др., используют волокна со сдвигом длин волн (WSF) таким образом, что свет, переизлучаемый материалом ядра волокна, может быть с малым затуханием пропущен к фотодатчикам, расположенным в удобном местоположении, часто в отдалении от самого сцинтиллятора. Пространственное разрешение особенно важно для некоторых приложений, например, для нейтронографии. Пространственное разрешение также весьма важно для Фермиевского большого космического телескопа (ранее имевшим название Большой космический гамма-телескоп (Gk), где сегментированный сцинтилляционный датчик высокой производительности использует считывание посредством волокон со сдвигом длин воли для регистрации высокоэнергетических космических пучков, как описано в статье Moiseev и др., Пластиковый сцинтилляционный датчик высокой производительности со считыванием посредством волокон со сдвигом длин волн для Большого телескопа GLAST, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, Vol. 583, pp. 372-81 (2007), включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

[0004] Исходя из контекста, в рамках которого волоконные сцинтилляционные датчики были использованы до настоящего времени, все известные волоконные сцинтилляционные датчики подсчитывали импульсы, произведенные в результате отдельных взаимодействий частиц (фотонов или массивных частицы) со сцинтиллятором, обеспечивая, тем самым, возможность оценки энергии, приносимой падающей частицей, на основании совокупного потока света, переизлучаемого сцинтиллятором.

[0005] Однако, требования к регистрации, выдвигаемые системами обследования, основанными на обратном рассеянии рентгеновского излучения, полностью отличны от требований, удовлетворяемых обычными волоконными сцинтилляционными датчиками. Основанные на обратном рассеянии рентгеновские системы обследования более 25 лет используют для регистрации органических веществ, скрытых в багаже, грузовых контейнерах, в транспортных средствах и на персонале. Поскольку размещенные насыпью органические материалы в основном рассеивают рентгеновское излучение (посредством комптоновского рассеяния), а не поглощают его, эти материалы видны как более яркие объекты на изображениях обратного рассеяния. Поскольку падающее рентгеновское излучение рассеяно во всех направлениях, требования к чувствительности намного превышают требования к пространственному разрешению, причем в большинстве связанных с рассеянием приложений пространственное разрешение датчика не важно вообще, поскольку разрешением управляет падающий луч, а не система регистрации.

[0006] Специализированные требования к регистрации, связанные с большой площадью и высокой чувствительностью, выдвигаемые системами рассеяния рентгеновского излучения, особенно раздражают в случае «обычных» сцинтилляционных датчиков 100 типа, показанных в боковом сечении на фиг. 1А и в переднем сечении на фиг. 1В. Пример такого датчика описан в Патенте США №5302817 (Yokota), который полностью включен в настоящую заявку посредством ссылки. Обычно непроницаемая для света коробка 102 облицована сцинтилляционными экранами 103, на которых происходит преобразование падающего рентгеновского излучения 101 в сцинтилляционный свет, обычно в ультрафиолетовой, видимой или в других частях электромагнитного спектра с большей длиной волны. Фотоэлектронные умножители 105 с большой площадью фотокатода присоединены для приема сцинтилляционного света через иллюминаторы 108. Одна проблема заключается в том, что лишь доля сцинтилляционного света, возникающего внутри экрана, передана от экрана в рабочий объем. Остальной сцинтилляционный свет потерян в веществе экрана. Сцинтилляционные экраны 103 разработаны так, чтобы максимизировать долю излучаемого света, что эквивалентно обеспечению большого значения коэффициента Т пропускания на поверхности раздела между экраном 103 и средой (обычно воздухом), заполняющей объем датчика. Однако, в обычном датчике обратного рассеяния той разновидности, что изображена на фиг. 1А и 1В, сцинтилляционные экраны 103 должны также быть выполнены в виде хороших отражателей, поскольку сцинтилляционный свет, однажды испущенный в объем коробки 102, обычно испытывает многократные отражения до попадания на фотодатчик 105. Итак, значение коэффициента R отражения от поверхности экрана также должно быть большим, однако, поскольку сумма коэффициентов Т и R равна единице, величины Т и R не могут быть максимизированы одновременно и должен быть найден компромисс. В результате коэффициент использования потока света для обычного датчика обратного рассеяния в сущности низок, причем лишь несколько процентов выработанного сцинтилляционного света попадает в фото датчики.

[0007] Для формирующего изображение датчика фотонный статистический шум вычислен с точки зрения фотонов, поглощенных датчиком и использованных для генерирования изображения. Любые фотоны, проходящие через датчик без поглощения, или даже фотоны, поглощенные без генерирования информации об изображении, потрачены без пользы и не способствуют уменьшению шума в изображении. Поскольку фотоны не могут быть разделены на части, они представляют собой фундаментальный квантовый уровень системы. Статистический шум обычно рассчитывают с точки зрения наименьшего количества квантов, используемых для представления изображения в любом месте вдоль отображающей цепи. Точку вдоль отображающей цепи, где наименьшее количество квантов использовано для представления изображения, называют «квантовым стоком». Уровень шума в квантовом стоке определяет шумовой предел отображающей системы. Без увеличения количества носителей информации (то есть, квантов) в квантовом стоке шумовой предел системы не может быть улучшен. Плохая степень сбора света может создавать второй квантовый сток, который будет уменьшать долю падающего рентгеновского излучения, приводящего к возникновению тока фотоумножителя. Кроме того, это увеличивает шум изображения. Эффективность сбора света может быть улучшена посредством увеличения размера чувствительной области фотодатчиков, однако, этот путь увеличения эффективности дорогостоящий.

[0008] Структура сцинтилляционного экрана, обычно используемого в сцинтилляционных датчиках рентгеновского излучения известного уровня техники, теперь пояснена ниже со ссылками на фиг. 2. Слой композитного сцинтиллятора 202 зажат между задней пластиной 204, обеспечивающей структурную поддержку, и тонкой прозрачной защитной пленкой 206 из, например, полиэстера. Композитный сцинтиллятор содержит неорганические кристаллы обычно микронного размера в органической матрице или смоле. Эти кристаллы представляют собой фактический сцинтилляционный материал. Фторозамещенный хлорид бария (BaFCl, или «BFC») или оксисульфид гадолиния (Gd₂O₂S, или «Gadox»), легированные редкоземельными элементами, представляют собой обычный выбор для таких кристаллов. Тормозная способность экрана определена толщиной слоя 202 композитного сцинтиллятора, который обычно определяют в миллиграммах кристалла сцинтиллятора на единицу площади. Поскольку неорганические сцинтилляторы (такие как BFC или Gadox) подвержены высокому самопоглощению, слой композитного сцинтиллятора должен быть выдержан довольно тонким, чтобы извлекать значительную долю сцинтилляционного света. Это ограничивает полезную тормозную способность экрана и делает его подходящим только для регистрации рентгеновского излучения с энергиями примерно до 100 кэВ.

[0009] Следовательно, было бы полезным иметь сцинтилляционный датчик для приложений, использующих регистрацию рассеянного рентгеновского излучения, который обеспечивает возможность более эффективного извлечения, сбора и регистрации сцинтилляционного света.

[0010] Как кратко обсуждено выше в начале описания, волокна со сдвигом длин волн долго использовались для регистрации сцинтилляции. Волокна со сдвигом длин волн содержат ядро с относительно высоким показателем преломления, окруженное одним слоем оболочки или большим количеством таких слоев с более низким показателем преломления. Ядро содержит материал со сдвигом длин волн, также называемый красителем. Сцинтилляционный свет, входящий в волокно, поглощен красителем, который, в свою очередь, излучает свет с большей длиной волны. Свет с большей длиной волны оказывается испущен изотропно в веществе волокна. Полное внутреннее отражение захватывает долю этого света и переносит его на большие расстояния со сравнительно малыми потерями. Это возможно, как описано ниже со ссылками на фиг. 3, поскольку диапазоны длин волн поглощения 304 и излучения 302 красителя по-существу не наложены друг на друга, так что не происходит повторное поглощение света со сдвинутой длиной волны. Захваченная доля определена отношением показателей преломления на поверхностях волокна. Дополнительное преимущество волокон со сдвигом длин волн состоит в том, что сдвиг длины волны способен переместить сцинтилляционный свет 306 в чувствительный диапазон длин волн фотодатчика (фотоэлектронного умножителя, кремниевого фотоэлектронного умножителя или счетчика фотонов с несколькими пикселями или иного типа фотодатчика).

[0011] Структуры сцинтиллятора были выполнены посредством использования многих производственных технологий, включая, например, литье под давлением, инжекционное формование (как описано в статье Yoshimura и др., Пластиковый сцинтиллятор, выполненный методикой инжекционного формования, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, vol. 406, pp. 435-41 (1998)) и экструзию (как описано в Патенте США №7067079 (Bross и др.)), причем оба этих источника включены в настоящую заявку посредством ссылки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] В соответствии с различными вариантами реализации настоящего изобретения предложены системы и способы, использующие волоконные сцинтилляционные датчики для решения проблем при рентгеновском обследовании, основанном на регистрации обратного рассеяния и пропускания.

[0013] Для удобства обозначений волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн может быть назван в настоящей заявке как датчик «Sc-WSF».

[0014] В первом варианте реализации настоящего изобретения предложен датчик проникающего излучения, содержащий не разбитый на пиксели объем сцинтилляционной среды для преобразования энергии падающего проникающего излучения в сцинтилляционный свет. Датчик содержит множество оптических волноводов, ориентированных по существу параллельно друг другу в области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей к не разбитому на пиксели объему сцинтилляционной среды. Эти оптические волноводы направляют свет, извлеченный из сцинтилляционного света, к фотодатчику для регистрации фотонов, направленных волноводами, и для генерирования сигнала датчика.

[0015] В других вариантах реализации настоящего изобретения датчик может также содержать интегрирующую схему для интегрирования сигнала датчика по конкретному периоду времени.

[0016] В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения предложен датчик проникающего излучения, содержащий объем сцинтилляционной среды для преобразования энергии падающего проникающего излучения в сцинтилляционный свет и множество оптических волноводов, выровненных по существу параллельно друг другу в области извлечения сцинтилляционного света, примыкающей к объему сцинтилляционной среды. Оптические волноводы направляют свет, извлеченный из сцинтилляционного света, к фотодатчику, генерирующему сигнал датчика. В итоге, интегрирующая схема интегрирует сигнала датчика по конкретному периоду времени.

[0017] В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения оптические волноводы в вышеописанных датчиках могут быть выполнены с возможностью сдвига длины волны сцинтилляционного света и, в частности, могут представлять собой оптические волокна со сдвигом длин волн. Сцинтилляционная среда может представлять собой легированный лантаном смешанный галид бария, такой как, например, фторхлорид бария. Фотодатчик может содержать фотоэлектронный умножитель.

[0018] В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения квадрат толщины любого из вышеописанных датчиков, разделенный на площадь датчика, может быть меньше, чем 0,001. По меньшей мере один волновод из множества волноводов может не содержать оболочку, а сцинтилляционная среда может быть характеризована показателем преломления, значение которого меньше значения показателя преломления, характеризующего волновод. Оптические волноводы могут быть размещены во множестве параллельных плоскостей, каждая из которых содержит подсовокупность из множества оптических волноводов.

[0019] В других вариантах реализации настоящего изобретения датчик может содержать множество слоев сцинтилляционной среды, на которые последовательно попадает падающий луч, причем эти слои могут быть охарактеризованы различными спектральными чувствительностями к падающему лучу. Чередующиеся слои сцинтиллятора могут содержать слои Li⁶F:ZnS(Аг), чередующиеся с волоконным BaFCl(Eu) и/или с волоконным BaFI(Eu). Первый слой из множества слоев сцинтилляционной среды может представлять собой волоконный датчик со сдвигом длин волн, предпочтительно чувствительный к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению, а последний слой из указанного множества слоев сцинтилляционной среды может представлять собой пластиковый сцинтиллятор.

[0020] Сегменты сцинтилляционной среды могут быть размещены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения падающего луча, и могут быть по отдельности соединены с фотодатчиком посредством оптических волокон.

[0021] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления сцинтилляционного датчика, включающий экструдирование сцинтилляционного материала вокруг оптического волновода, а в конкретном варианте реализации настоящего изобретения оптический волновод представляет собой оптическое волокно со сдвигом длин волн.

[0022] В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения способ регистрации рассеянного рентгеновского излучения, включает следующие этапы:

a. обеспечение наличия датчика, содержащего множество отдельно считываемых сегментов, и

b. суммирование сигнала из подсовокупности отдельно считываемых сегментов, которая выбрана на основе соотношения сигнал-шум.

[0023] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ регистрации рассеянного рентгеновского излучения. Этот способ включает следующие операции:

a. обеспечение наличия датчика, содержащего множество отдельно считываемых сегментов, и

b. суммирование сигнала из подсовокупности отдельно считываемых сегментов, которая выбрана на основе известного положения первоначального освещающего луча.

[0024] В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, предложена мобильная рентгеновская система обследования. Система обследования содержит источник рентгеновского излучения, размещенный на транспортном средстве, содержащем платформу и контактирующие с землей элементы, и волоконный сцинтилляционный датчик, развернутый за пределами транспортного средства во время операции обследования для регистрации рентгеновского излучения, находящегося во взаимодействии с обследуемым объектом.

[0025] Мобильная рентгеновская система обследования может также содержать волоконный сцинтилляционный навесной датчик, развернутый над обследуемым объектом во время обследования, причем этот навесной датчик может выдвигаться из крыши транспортного средства до операции обследования. Также могут быть выполнены юбочный датчик, развернутый под платформой транспортного средства, и расположенный на крыше датчик для определения пространства над транспортным средством, а также по существу горизонтальные и по существу вертикальные сегменты волоконного сцинтилляционного датчика. По существу горизонтальные и по существу вертикальные сегменты волоконного сцинтилляционного датчика могут быть выполнены в виде цельной конструкции.

[0026] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложено устройство для регистрации излучения, падающего на устройство, содержащее:

а. множество по существу параллельных активных коллимационных лопаток, содержащих волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн, чувствительные к излучению, для генерирования по меньшей мере первого сигнала регистрации,

b. задний датчик большой площади, выполненный с возможностью регистрации излучения, проходящего между по существу параллельными активными коллимационными лопатками из указанного множества активных коллимационных лопаток, и с возможностью генерирования второго сигнала регистрации, и

c. процессор, выполненный с возможностью приема и обработки первого и второго сигналов регистрации.

[0027] В соответствии с альтернативным вариантом реализации настоящего изобретения, предложена система обследования с отображением сверху вниз для обследования объекта, размещенного на нижележащей поверхности. Система обследования с отображением сверху вниз содержит источник по существу направленного вниз рентгеновского излучения и линейный массив датчиков, размещенный внутри выступа над нижележащей поверхностью. Линейный массив датчиков может содержать волоконные сцинтилляционные датчики со сдвигом длин волн.

[0028] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена рентгеновская система обследования для обследования нижней стороны транспортного средства. Рентгеновская система обследования содержит источник по существу направленного вверх рентгеновского излучения, прикрепленный к шасси, и волоконный сцинтилляционный датчик со сдвигом длин волн, размещенный на шасси для регистрации рентгеновского излучения, рассеянного транспортным средством и объектами, скрытыми под этим транспортным средством или внутри его. Шасси могут быть выполнены с возможностью их маневрирования под транспортным средством посредством устройства управления двигателем и/или устройства ручного управления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0029] Вышеуказанные особенности настоящего изобретения будут более понятны при прочтении последующего подробного описания изобретения, рассматриваемого со ссылками на сопутствующие фигуры, на которых:

[0030] На фиг. 1А и 1В показаны соответственно боковое и переднее сечения датчика сцинтилляции «коробчатого типа» в соответствии с известным уровнем техники.

[0031] На фиг. 2 схематически показан экран сцинтиллятора в соответствии с известным уровнем техники.

[0032] На фиг. 3 показаны спектральные зависимости для сцинтилляционного света и обычные спектры поглощения и излучения для волокна со сдвигом длин волн.

[0033] На фиг. 4 схематически показан перспективный вид массива волокон со сдвигом длин волн, зажатых между слоями сцинтилляционного материала, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0034] На фиг. 5 схематически показано сечение массива волокон со сдвигом длин волн, внедренных в матрицу сцинтилляционного материала, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0035] На фиг. 6А показан перспективный вид цилиндрического сцинтиллятора, выполненного экструзией вокруг волокна со сдвигом длин волн, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0036] На фиг. 6В схематически показана система, предназначенная для экструзии цилиндрического сцинтиллятора вокруг волокна со сдвигом длин волн, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0037] На фиг. 6С показано поперечное сечение экструдера для совместной экструзии цилиндрического сцинтиллятора с волокнами со сдвигом длин волн (WSF), в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0038] На фиг. 7 схематически показано поперечное сечение сцинтилляционного датчика со множеством рядов волокон со сдвигом длин волн, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0039] На фиг. 8 показан вид сверху волоконного сцинтилляционного датчика со сдвигом длин воли в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0040] На фиг. 9 показаны расположенный на крыше датчик обратного рассеяния и юбочный датчик обратного рассеивания, уложенные в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, а на фиг. 10 те же самые датчики развернуты в ходе операций обследования.

[0041] На фиг. 11 показан навеной датчик и юбочный датчик, предназначенные для использования с системой обследования, основанной на обратном рассеянии в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

[0042] На фиг. 12 схематически показан поперечный разрез стека слоев сцинтиллятора, предназначенного для использования в качестве датчика пропускания высокоэнергетического рентгеновского излучения, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0043] На фиг. 13А и 13В показан слоистый датчик пропускания, размещенный внутри искусственной неровности на проезжей части высотой 2 дюйма, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 13С показан поперечный разрез узла датчика, вставленного в структуру искусственной неровности.

[0044] На фиг. 14А показан перспективный вид сегментированного датчика пропускания рентгеновского излучения, предназначенного для измерения распределения измеренной интенсивности вдоль ширины луча рентгеновского излучения, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 14В и 14С показаны лобовое поперечное сечение датчика по фиг. 14А и обычный профиль луча для этого датчика.

[0045] На фиг. 15 показано поперечное сечение сцинтилляционного датчика с мультиэнергетическим разрешением, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0046] На фиг. 16 показан многослойный сцинтилляционный датчик для регистрации рентгеновского излучения и тепловых нейтронов, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0047] На фиг. 17 показан перспективный вид датчика с активными коллиматорами.

[0048] На фиг. 18А и 18В показаны перспективный вид и поперечное сечение датчика с волокнами со сдвигом длин волн (WSF), используемого в качестве активного коллиматора в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, а на фиг. 18С и 18D показано расположение с независимыми устройствами индикации, отделенными светонепроницаемым поглотителем рентгеновского излучения, для выделения излучения, попадающего на каждую поверхность, в соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения.

[0049] На фиг. 19А и 19В показано множество датчиков, раскладывающихся из ручного сканера, в сложенном и развернутом состояниях, соответственно, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0050] На фиг. 20А и 20В показан блок обратного рассеяния, который, при использовании волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин воли в соответствии с настоящим изобретением, способен скользить под транспортным средством для проведения обследования под шасси.

[0051] На фиг. 21А и 21В показано использование прямоугольной комбинации датчиков, основанных на технологии волоконных сцинтилляционных датчиков со сдвигом длин волн, вместе с мобильной системой обследования и в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0052] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения оптическое связывание сцинтилляционных материалов с оптическими волноводами и, в частности, с волокнами со сдвигом длин волн, эффективно содействует целям изобретения, включая относящиеся к требованиям регистрации рассеянного рентгеновского излучения.

Определения:

[0053] Термин «изображение» должен относиться к любому одномерному или многомерному представлению, выполненному в осязаемой или иначе воспринимаемой форме, или иначе, при условии, что значение некоторой характеристики (например, доли интенсивности излучения, прошедшего через колонку обследуемого объекта, облучаемого падающим лучом, в случае отображения при пропускании рентгеновского излучения) связано с каждым местоположением из множества местоположений (или векторов в Евклидовом пространстве, обычно R²), соответствующим размерным координатам объекта в физическом пространстве, хотя не обязательно при соблюдении взаимнооднозначного соответствия между ними. Изображение может представлять собой массив чисел в машинной памяти или в голографической среде. Аналогично, «отображение» относится к визуализации определенной физической характеристики в виде одного изображения или большего количества изображений.

[0054] Термины пространственных отношений, такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний» и т.п., могут быть использованы здесь для простоты описания взаимосвязи одного элемента с другим, как показано на фигурах. Совершенно понятно, что такие термины пространственных отношений предназначены для описания различных ориентации устройства при использовании или работе в дополнение к ориентации, описанной и/или изображенной на фигурах.

[0055] При описании элемента, как размещенного «на» другом элементе, «присоединенного к» другому элементу или «соединенного с» другим элементом, он может быть непосредственно размещен на другом элементе, присоединен к другому элементу или соединен с другим элементом или, в качестве альтернативы, могут иметь место один промежуточный элемент или большее количество таких элементов, если не указано иначе.

[0056] Использованная здесь терминология предназначена для описания конкретных вариантов реализации настоящего изобретения и не предназначена для ограничения. Формы единственного числа предназначены также для включения форм множественного числа. Волоконные датчики со сдвигом длин волн.

[0057] Обратимся сначала к показанному на фиг. 4 одному варианту реализации настоящего изобретения, в котором слой размещенных близко друг к другу параллельных волокон 400 со сдвигом длин волн зажат между двумя слоями 403 композитного сцинтилляционного экрана. Предпочтительный материал для сцинтиллятора представляет собой легированный европием фторхлорид бария (BaFCl:Eu), хотя другие сцинтилляторы, такие как BaFI:Eu, или другие легированные лантанидами смешанные галиды бария (включая, в качестве дальнейшего примера, BaBrI:Eu и BaCsI:Eu) могут быть использованы в рамках настоящего изобретения. Поскольку сцинтилляционные материалы, используемые для регистрации рентгеновского излучения, обычно проявляют очень сильное самопоглощение сцинтилляционных фотонов, примеры реализации в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают возможность использования необычно больших объемов сцинтиллятора 403 при все же эффективной выдаче сигнала сцинтилляции.

[0058] Одно преимущество при использовании композитного сцинтилляционного экрана в настоящей заявке состоит в том, что он обеспечивает возможность изготовления волоконного сцинтилляционного датчика путем экструдирования.

[0059] Композитный сцинтиллятор 403 структурно поддержан внешними слоями 404 из пластмассы, или другого материала, оказывающего механическую поддержку. Оптический контакт между оболочкой волокна 401 и композитным сцинтиллятором 403 установлен посредством заполнения пустот материалом 405, предназначенным для согласования показателей преломления и имеющим подходящий показателем преломления, причем этот материал прозрачен для сцинтилляционного света. Показатель преломления заполняющего материала выбран так, чтобы оптимизировать сбор первоначальных фотонов света в оптическое волокно со сдвигом длин волн (WSF) и захват фотонов со сдвинутой длиной волны в волокне. Заполняющий материал 405 может быть, например, оптической смазкой или оптической эпоксидной смолой, хотя любой материал попадает в объем настоящего изобретения.

[0060] После падения фотонов рентгеновского излучения сцинтилляционный свет, излучаемый сцинтиллятором 403, попадает через оболочку 401 в ядро 407 соответствующих волокон, претерпевает уменьшение частоты (то есть, сдвиг в красную сторону) и распространяется к одному фотодатчику 805 или к большему количеству фотодатчиков (показанных на фиг. 8, например). Происходит преобразование света от ядер 407 волокон в ток посредством фотодатчика 805 и интегрирование величины тока по интервалу времени, обычно в диапазоне от 1 до 12 мкс для получения мощности сигнала для каждого пикселя. Интегрирование сигнала датчика может быть выполнено интегрирующей схемой (не показана), например интегрирующим предусилителем.

[0061] На фиг. 5 показаны волокна 400 со сдвигом длин волн, внедренные в матрицу сцинтилляционного экрана 503. Внедрение волокон со сдвигом длин волн в сцинтилляционную среду создает лучший оптический контакт.

[0062] В еще одном варианте реализации настоящего изобретения, описанном здесь со ссылками на фиг. 6А, использован композитный сцинтилляционный материал 603 в виде покрытия или оболочки вокруг волокна со сдвигом длин волн 601 с ядром 602. Данная заявка пригодна для последовательности операций изготовления типа экструзии и обеспечивает возможность наиболее эффективного использования дорогостоящего сцинтилляционного материала 603. Сцинтилляционный материал 603 уплотнен посредством защитного слоя 604, который также действует в качестве отражателя сцинтилляционного света. В рамках объема настоящего изобретения оболочка может отсутствовать при более низком показателе преломления сцинтиллятора по сравнению с волокном и наличии необходимых гладкости и надежности связи между сцинтиллятором и волокном.

[0063] Полимерное оптическое волокно со сдвигом длин волн может быть выполнено в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, теперь описанного со ссылками на схему системы, схематически показанную на фиг. 6В. Источники полимерного расплава 606 для волокна со сдвигом длин волн, полимерного расплава 608 для оболочки с низким показателем преломления и оптически прозрачного полимерного расплава 610 с внедренным фосфором поданы (все под давлением) в матрицу совместной экструзии 612 в зоне экструзии 614 и подвержены совместной экструзии. Сухой газ 611, такой, например, как сухой воздух или азот, распылен на экструдированное волокно для его охлаждения. Полимерный расплав с отражающим свет пигментом (таким, например, как TiO₂) 616 подан под давлением в экструзионную головку 618 для создания светоотражающей рубашки над покрытым сцинтиллятором волокном 613 со сдвигом длин волн. Полученное в результате покрытое сцинтиллятором волокно 620 со вдвигом длин волн намотано для хранения на бобину 622. На фиг. 6С показано сечение системы совместной экструзии, предназначенной для использования в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения для изготовления покрытого сцинтиллятором волокна со сдвигом длин волн. Полимерный расплав 606 волокна со сдвигом длин воли введи вместе с расплавом 608 полимера для выработки оболочки с низким показателя преломления и оптически прозрачного полимерного расплава 610 с внедренным фосфором в матрицу 612 совместной экструзии. Полимерный расплав со светоотражающим пигментом 616 подан под давлением в экструзионную головку 618. Выполненное волокно содержит ядро 602 волокна со сдвигом длин волн, оболочку 601 с низким показателем преломления, оболочку 603 с введенным сцинтиллятором и отражающую оболочку 604.

[0064] Во всех вариантах реализации сцинтилляционного датчика в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно, чтобы толщина сцинтилляционного материала быть оптимизирована относительно энергии излучения, подлежащего регистрации. Конструкция должна гарантировать сбор достаточного количества света для предотвращения вторичного квантового стока. В частности, описанные здесь варианты реализации настоящего изобретения предлагают датчики экстраординарной тонкости по сравнению с их площадью.

[0065] Определения: Для целей настоящего описания и в любых прилагаемых пунктах формулы изобретения термин «толщина» в применении к сцинтилляционному датчику должен отражать среднюю протяженность датчика в направлении вдоль (или параллельно к) центроида поля зрения датчика. Термин «площадь» в применении к датчику, или, эквивалентно, термин «активная площадь» должны иметь отношение к размеру датчика, измеренного в плоскости, перпендикулярной к центроиде всех волновых векторов излучения внутри поля зрения датчика.

[0066] Варианты реализации настоящего изобретения, даже при наличии 8 слоев волокон со сдвигом длин волн, обладают значением отношения квадрата толщины датчика к активной площади датчика, не превышающим 0,001. Например, датчик с 8 слоями и площадью 48 дюймов × 12 дюймов обладает толщиной, не превышающей 0,5 дюйма, так что отношение квадрата толщины к площади датчика составляет 0,0005. Это отношение «квадрата толщины к площади» обычно того же порядка величины или, более того, меньше сопоставимого отношения для датчиков обратного рассеяния при непосредственной регистрации света сцинтиллятора фотодатчиком.

[0067] В соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения, показанным на фиг. 7, полезная тормозная способность датчика может быть увеличена посредством комбинирования множественных слоев 701, 702 из волокна со сдвигом длин волн 400 (или других оптических волноводов), что увеличивает глубину сцинтилляционного материала 403 вдоль пути распространения падающего излучения.

[0068] Вариант реализации сцинтилляционного датчика со сдвигом длины волны в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 8. Волокна 801 со сдвигом длин волн внедрены в сцинтилляционный материал 803, связывая свет и сдвигая его вниз по частоте для регистрации трубками 805 фотоэлектронных умножителей.

[0069] В соответствии с описанными выше различными вариантами реализации настоящего изобретения концы волокон со сдвигом длин волн оптически связаны с по меньшей мере одним фотодатчиком. Примеры подходящих фотодатчиков включают фотоумножители и кремниевые фотоумножители.

[0070] Преимущества датчика, описанного в настоящем изобретении, включают эффективность регистрации и низкий геометрический профиль при реализации. Это обеспечивает возможность большей свободы при проектировании системы регистрации и делает возможными совершенно новые в отношении пространственных ограничений приложения. Механическая гибкость структуры датчика обеспечивает возможность формирования поверхности датчика, соответствующей приложению, например, реализации, в которой рассматриваемый объект окружен объемом датчика. Низкий профиль также делает относительно легким ориентирование и экранировку области датчика способами, минимизирующими регистрацию нежелательного обратно рассеянного излучения (перекрестная связь) от соседней системы рентгенографии.

[0071] Извлечение сцинтилляционного света из большой области сцинтиллятора обеспечивает возможность датчикам обладать большим отношением ширины к глубине. В частности, датчики, стягивающие телесные углы в 0,1 стерадиан или больше, возможны как варианты р