ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 539.1.074.5+546.47.23:546.65
ДВУХЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТНЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ
/п8е(А1) и ЬС80(Се)
© 2013 г. В. А. Литичевский, А. Д. Ополонин, С. Н. Галкин, А. И. Лалаянц, Е. Ф. Воронкин
Институт сцинтилляционных материалов НАНУкраины Украина, 61001, Харьков, просп. Ленина, 60 Поступила в редакцию 07.11.2012 г.
После доработки 23.01.2013 г.
Приведены результаты испытаний экспериментального образца двухэнергетического сцинтилля-ционного детектора на основе композитной двухслойной системы мелкокристаллических сцинтил-ляторов /п8е(А1) и Ь08О(Се), определены его характеристики. Измерены спектры рентгеновского излучения после прохождения элементов детектора. Анализ спектров позволил определить энергетическую эффективность поглощения рентгеновского излучения каждым элементом детектора в диапазоне 30—70 кэВ. Восстановлены зависимости сигналов собственно фотодетекторов при воздействии на них рентгеновского излучения (напряжение на трубке варьировалось от 40 до 90 кВ, соответствующие спектры рентгеновского излучения также представлены). Приведены зависимости сцинтилляционных сигналов дисперсных сцинтилляторов /п$е(А1) и ЬО$О(Се) от напряжения на рентгеновской трубке (напряжение варьировалось в диапазоне 40—70 кэВ). Благодаря высокой эффективности регистрации рентгеновского излучения относительно низких энергий (до 70 кэВ) данный детектор может быть применен не только в технической интроскопии (таможенный контроль багажа, почтовых отправлений, грузовых контейнеров и транспортных средств и др.), но и в различных областях медицинских рентгенологических исследований.
Б01: 10.7868/80032816213040265
1. ВВЕДЕНИЕ
Двухэнергетические рентгенографические системы позволяют получать изображения сканируемых объектов при разных энергиях рентгеновского излучения, что обеспечивает возможность идентификации атомного номера исследуемого объекта и, следовательно, его природы (металл, керамика, органика и т.д.). Такие системы находят широкое применение в технической интроскопии (таможенный контроль багажа, почтовых отправлений, грузовых контейнеров и транспортных средств) и в различных областях медицинских рентгенологических исследований [1]. Определение атомного номера путем анализа изображений сканируемого объекта, полученных при разных энергиях рентгеновского излучения, возможно благодаря различным механизмам взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Для энергий рентгеновского излучения до 200 кэВ характерны два основных механизма взаимодействия с веществом: эффект Комптона и фотоэффект. Относительная роль этих процессов зависит от энергии квантов (фотонов) и атомного номера поглощающего вещества. Для каждого вещества вид его взаимодействия с фотоном преобладает в определенном интервале энергий. Для фотонов
малых энергий (мягких рентгеновских лучей) основную роль при поглощении играет фотоэффект. С увеличением жесткости излучения, наряду с фотоэффектом, все большее значение приобретает эффект Комптона, который с увеличением энергии квантов рентгеновского излучения начинает играть преобладающую роль. Последующий анализ изображений сканируемого объекта, полученных при двух энергиях рентгеновского излучения, позволяет восстановить эффективный атомный номер объекта. Наиболее существенным достоинством данного метода идентификации объектов является независимость результатов измерений от толщины объекта или его плотности.
В настоящее время для реализации двухэнерге-тической схемы рентгенографических исследований применяется несколько решений (методов). Один из этих методов основан на попеременном облучении объекта высоко- и низкоэнергетическим рентгеновским излучением. Недостатком такого метода является асинхронность получения изображения при разных энергиях рентгеновского излучения, что приводит к так называемым " артефактам" — дефектам изображения, связанным с движением облучаемого объекта относи-
тельно детектора в процессе сканирования. Другой метод реализован по принципу энергетически селективного детектора, который одновременно может регистрировать низко- и высокоэнергетическое рентгеновское излучение. Преимущественно такой детектор состоит из двух сцинтилляционных элементов (каждый для своего энергетического диапазона), которые оптически соединены с двумя фотодетекторами, расположенными один напротив другого. Оба сцинтилляционных элемента установлены на пути прохождения рентгеновского излучения, при этом первый элемент более чувствителен к низкоэнергетическому, а второй — к высокоэнергетическому рентгеновскому излучению.
Нами выбран второй метод реализации энергетически селективного детектора.
В качестве низкоэнергетического сцинтилля-тора мы использовали 2п8е(А1). Сцинтиллятор 2п8е(А1) относится к классу полупроводниковых материалов группы А2В6 и широко применяется в рентгеновских детекторах типа сцинтиллятор— фотодиод для современных многоканальных низкоэнергетических радиационных сканирующих средств визуализации скрытого изображения (системы неразрушающего контроля, медицинская томография, радиография) [2]. Сцинтилляцион-ные кристаллы селенида цинка имеют высокий квантовый выход (60000 фотонов/МэВ), максимум люминесценции в красной области спектра оптимален для регистрации кремниевым фотоприемником (рис. 1), время высвечивания и уровень послесвечения (<0.05% спустя 6 мкс) позволяют регистрировать теневое изображение биологических объектов в реальном режиме времени [3].
В качестве высокоэнергетического сцинтил-лятора был выбран Ь080(Се) [4]. Он относится к классу оксидных сцинтилляторов, активированных редкоземельными элементами, и применяется в медицинской диагностике и в экспериментах по физике высоких энергий. Ь080(Се) имеет световой выход до 30000 фотонов/МэВ, низкий уровень послесвечения (0.075—0.145% спустя 3 мкс), максимум люминесценции находится в синей области спектра (см. рис. 1) [5, 6]. Сравнительные характеристики сцинтилляторов представлены в табл. 1.
В данной работе использованы сцинтиллято-ры в виде композитных материалов, поскольку такие системы по сравнению с монокристаллическими материалами имеют ряд преимуществ: отсутствие ограничений линейных размеров сцин-тиллятора, более высокая равномерность сцинтилляционных параметров и т.д. (табл. 2) [7].
Цель данной работы — создание двухэнергетиче-ского сцинтилляционного детектора на основе композитной двухслойной системы мелкокристал-
1^, отн. ед.
2.0 1.5 1.0 0.5 0
Рис. 1. Спектры радиолюминесценции сцинтилляторов: 1 - гп8е(А1); 2- Ь080(Се).
лических сцинтилляторов 2п8е(А1) и Ь080(Се) и определение его характеристик.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Схема двухэнергетического сцинтилляционного детектора приведена на рис. 2. Между двумя кремниевыми фотодиодами, расположенными фоточувствительными поверхностями друг напротив друга, установлены композитные сцинтилляци-онные элементы на основе неорганических сцинтилляторов 2п8е(А1) и Ь080(Се) размером 10 х х 10 х 1 мм. Предложенная компоновка элементов детектора по сравнению с классической схемой (низкоэнергетический сцинтиллятор и фотодиод 1 установлены в обратной последовательности) позволяет увеличить позиционную чувствительность детектора и улучшить резкость восстанавливаемого двухэнергетического изображения объекта ис-
Таблица 1. Сцинтилляционные и физические характеристики сцинтилляторов Ь0Б0(Се) и 2пБе(А1)
Параметр Сцинтиллятор
Ь0Б0(Се) 2пБе(А1)
Плотность р, г/см3 ~7 5.42
Световой выход, фотоны/МэВ 25000-30000 60000
Максимум люминесценции Хтах, нм 425 610
Послесвечение, % 0.075-0.145 (спустя 3 мс) <0.05 (спустя 6 мс)
Гигроскопичность Нет Нет
Химическая стабильность Неограниченная Неограниченная
X, нм
Таблица 2. Сцинтилляционные и физические характеристики дисперсных и кристаллических сцинтилляторов на основе селенида цинка
Параметр Кристалл селенида цинка Сцинтилляционная панель на основе селенида цинка
Неравномерность люминесценции по площади образца, % до 30 до 5
Площадь рабочей поверхности образца, см2 до 25 400
Механические характеристики Хрупкий, твердый Упругий, гибкий
следования за счет более точной локализации сцинтилляционных вспышек в низко- и высокоэнергетическом сцинтилляторе. Сцинтилляционные элементы выполнены в виде слоя поликристаллических частиц сцинтилляторов неправильной геометрической формы в оптической иммерсионной среде — силиконовом каучуке. Средняя степень заполнения композитных элементов порошком сцинтиллятора составила ~80 об. %. Благодаря гомогенному распределению и плотной упаковке частиц сцинтиллятора в элементах, неоднородность их сцинтилляционных параметров не превышала 2%. В опытном образце детектора использовались Si ^-/—я-фотодиоды Hamamat-su S3590 с областью спектральной чувствительности от 320 до 1100 нм (рис. 3). В экспериментах в качестве источника рентгеновского излучения была использована установка ISOVOLT Titan E Generator 160. Спектры рентгеновского излучения были измерены с помощью спектрометра X-123 CdTe X-Ray.
Методика получения спектров рентгеновского излучения состояла в следующем. Спектрометр X-123 был установлен на расстоянии 1 м от рентгеновской трубки в области максимальной интенсивности рентгеновского излучения. При установке алюминиевого фильтра толщиной 6 мм интен-
Рентгеновское излучение
МММ
Фотодиод 1
Низкоэнергетический сцинтиллятор ZnSe(Al)
Отражатель
Высокоэнергетический сцинтиллятор LGSO(Ce)
Фотодиод 2
Рис. 2. Схема двухэнергетического детектора рентгеновского излучения на основе низкоэнергетического дисперсного сцинтиллятора 2п8е(Л1) и высокоэнергетического дисперсного сцинтиллятора Ь080(Се).
сивность низкоэнергетическои составляющей рентгеновского излучения была снижена, после чего был получен спектр исходного рентгеновского излучения. Далее были получены спектры рентгеновского излучения после прохождения каждого элемента детектора (сначала отдельно фотодиод 1, затем был добавлен сцинтиллятор 2п8е(Л1) и т.д.). Все спектры получены при напряжении на трубке 70 кВ и токе 86 мкА. Методика последовательного добавления слоев и последую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.