Содержание к диссертации
Введение
1. Детекторы рентгеновского и аннигиляционного излучения 9
1.1 Сцинтилляционный кристалл LSO 13
1.2 Конструкции детекторных модулей 17
1.3 Годоскопические фотоумножители ГФЭУ-30 23
1.4 Фотоумножители с металлическими динодами 27
2. Экспериментальные исследования свойств кристаллов LSO(:Ce) 32
2.1 Установка для проведения спектрометрических измерений 32
2.2 Энергетическое разрешение и световыход кристаллов LSO(Ce) 34
2.3 Собственное гамма излучение сцинтиллятора LSO 38
2.4 Послесвечение сцинтиллятора Lu2Si05(:Ce) 41
2.5 Временное разрешение сцинтилляционного детектора на кристаллах LSO 42
Выводы к главе 2: 48
3. Однокоординатный и двухкоординатный детектор на кристаллах LSO и ГФЭУ 50
3.1 Экспериментальные измерения для кристаллов LSO 1 * 1 * 10 мм и ГФЭУ 50
3.2 Двухкоодинатный сцинтилляционный детектор на кристалла LSO и ГФЭУ 57
4. Детектор на кристаллах LSO. И 16-канального фотоумножителя типаН6568 63
4.1 Исследование световыхода для оптически ориентированных кристаллов LSO при регистрации гамма квантов 63
4.2 Исследование световыхода для оптически ориентированных кристаллов LSO при регистрации а - частиц 65
4.3 Исследование световыхода для оптически ориентированных кристаллов LSO до места взаимодействия у - квантов в сцинтилляторе 67
4.4 Позиционно-чувствительный детектор на кристаллах LSO и фотоумножителе Н6568 70
4.5 Рентгеновский щуп на основе пленки LSO 82
Выводы к главе 4: 86
Основные выводы... 87
Заключение 88
Список основных публикации и доклады по теме диссертации 90
Литература 91
- Конструкции детекторных модулей
- Энергетическое разрешение и световыход кристаллов LSO(Ce)
- Временное разрешение сцинтилляционного детектора на кристаллах LSO
- Исследование световыхода для оптически ориентированных кристаллов LSO при регистрации а - частиц
Введение к работе
Изучение внутренней структуры промышленных и биологических объектов с использованием рентгеновских радиографов и позитронных томографов в сильной степени зависит от типа детекторов рентгеновского и аннигиляционного излучений и возможности снижения фона от рассеянного излучения. В настоящее время активно проводятся работы по разработке детекторов, реализующих возможность регистрации отдельных фотонов, с их отбором по энергии.
Детекторы должны состоять из нескольких индивидуальных детекторных элементов, позволяющих идентифицировать рентгеновский или аннигиляционный квант, прошедший через этот элемент. И для каждого зарегистрированного кванта давать временную и пространственную локализацию с использованием быстородействующей электроники. При этом эта же электроника должна позволять отбирать события по их временам регистрации в отдельных элементах детектора.
Актуальность исследования. Создание новых цифровых установок за счет использования новой элементной базы (сцинтилляторов и фотодетекторов), которые позволили бы минимизировать дозы облучения при рентгенологических и томографических исследованиях без потери информации в визуализированном изображении, а также улучшать контрастность изображения с сохранением разрешающей способности, лежит на пути изучения возможности использования новых сцинтилляционных кристаллов и новых фотоумножителей.
Получение высокого качества изображения внутренней структуры объекта связано с выполнением достаточно жестких требований, предъявляемых как к сцинтиллятору, так и фотоумножителю:
1. Эффективность регистрации детектора 85% для Еу =[100 - 600] кэВ. 2. Пространственное разрешение 5 мм на уровне FWHM, так как пространственное разрешение детектора есть основной фактор, влияющий на пространственное разрешение восстанавливаемого из измерений изображения внутри структуры объекта.
3. Мертвое время детектора 4 не, для высоких скоростей счета регистрируемых полезных событий.
4. Временное разрешение детектора 5 не.
5. Энергетическое разрешение 10% (100 кэВ) на уровне FWHM, для того, чтобы отсечь влияние событий относящихся к регистрации комптоновских у - квантов от полезных событий.
Выбор типа сцинтиллятора для детектора зависит от значения величины фотоэлектрической длины ослабления гамма или рентгеновского (радиационная длина ослабления). В стандартных детекторах используют кристаллы BGO. В настоящее время выращены новые сцинтилляторы (LSO и LYSO) с большим Z и р, большим световыходом и коротким временем высвечивания сцинтилляционной вспышки.
В настоящее время появилось множество новых фотодетекторов. Примерами таких фотодетекторов может служить годоскопический фотоумножитель, многоанодный фотоумножитель и фотоумножитель на микроканальных пластинах. Очевидно, что использование этих фотодетекторов и новых сцинтилляционных кристаллов в принципе позволяет создать малые по размеру детекторные модули рентгеновского и аннигиляционного излучения.
Цель диссертационной работы — создание новых детекторных модулей рентгеновского и аннигиляционного излучения. Исследование спектрометрических и временных характеристик сцинтилляционных детекторов с сцинтилляторами LSO, оптически сочлененными с годоскопическими и многоканальными фотоэлектронными умножителями. Научная новизна работы определяется тем, что в ней:
1. Впервые проведены исследования спектрометрических и временных характеристик сцинтилляционного монокристалла Li SiOsOCe) которые включали в себя изучение влияние концентрации Се+ на световыход. Изучена зависимость световыхода сцинтилляционнои вспышки от различных материалов упаковки кристаллов и обработки поверхности кристаллов Lu2Si05(:Ce);
2. Впервые были проведены измерения интенсивности собственного гамма излучения кристаллов Lu2Si05(:Ce), а также определена энергии этого излучения.
3. Впервые было изучено послесвечение кристаллов Lu2SiO5C.Ce), размером (1x1x1 мм3), с разной концентрацией Се.
4. Впервые был создан многоканальный детектор на основе многоанодного ФЭУ R5990 производства фирмы HAMAMATSU и сцинтилляционных кристаллов Li SiOsOCe). Детектор имел матрицу [4x4] сцинтилляторов, эффективность регистрации рентгеновского излучения 80 %, мертвое время канала тм=200 не;
5. Создан прототип рентгеновского щупа для регистрации рентгеновского излучения на основе монокристаллического слоя LSO (размер гранул 15 -5-20 мкм).
Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяется сравнением результатов измерений настоящей работы с опубликованными в литературе сопоставимыми данными других авторов и использованием для измерений современной высокоточной электроники и программного комплекса.
Практическая значимость. Полученные данные в исследованиях спектрометрических и временных характеристик сцинтилляционного монокристалла Lu2Si05(:Ce) использовались для внесения поправок и корректировок в ход технологии выращивания этих кристаллов.
Создана экспериментальная установка для проведения спектрометрических измерений. В качестве фотоприемника использовался фотоэлектронный умножитель XP2020/Q. Величина собственных электрических шумов не превосходит 80 мкВ. Изучена зависимость световыхода сцинтилляционной вспышки от различных материалов упаковки кристаллов и обработки поверхности кристаллов Lu2Si05(:Ce). Наибольшая величина выхода света сцинтилляционной вспышки (световыход) достигалась при упаковке кристалла в усеченный конус из майлара с тонкой боковой поверхностью.
Показано, что интенсивность собственного гамма излучения кристаллов Lii2Si05(:Ce), при проведении специальной термической и химической обработке исходной шихты привела к уменьшению вдвое интенсивности собственного гамма излучения с энергией Eys 460 кэВ.
Установлено, что сцинтиллятор LSO имеет моноклинную двухосную кристаллическую структуру и обладает двумя центрами свечения. Это приводит к наблюдению двух пиков полного поглощения в энергетических спектров для гамма квантов с Еу = 662 КэВ. При изменении ориентации кристалла относительно окна фотоумножителя - изменяется и относительный вес пиков.
На основе современных фотоумножителей и кристаллов LSO создан прототип детектора рентгеновского и аннигиляционного излучения матричного типа (4x4 ячеек ) с пространственным разрешением 0,8 мм.
Создан рентгеновский щуп для регистрации рентгеновского излучения с энергией Е » 10 -г 100 кэВ. Эффективность регистрации рентгеновского излучения с энергией 5.5 кэВ -95% и с энергией 60 кэВ - 37%. На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Результаты спектрометрических и временных измерений сцинтилляционного кристалла LSO;
2. Экспериментальные результаты по исследованиям спектрометрических свойств рентгеновского щупа на основе монокристаллического слоя LSO;
3. Результаты измерений регистрации света сцинтилляционной вспышки в отдельном элементе детектора с использование годоскопических фотоумножителей;
4. Результаты измерений с рентгеновским источником для исследования амплитудных и частотных (временных) характеристик сцинтилляционных сборок кристаллов LSO и многоанодных ФЭУ;
5. Результаты измерений пространственного разрешения и спектрометрических свойств многоканального ПЧД созданного на основе ФЭУ R5900 фирмы HAMAMATSU и сцинтилляционных кристаллов LSO;
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 100 страницах, включает 41 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 76 наименований.
Работа выполнялась на кафедре «Медицинская физика» МИФИ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях: «Научная сессия МИФИ - 2006» (г. Москва, 21-25 января
2006 года), Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, 2006 San Diego, California, «Научная сессия МИФИ - 2007» (г. Москва, 21-25 января
2007 года).
Публикации и доклады. Результаты диссертации опубликованы в 5 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Конструкции детекторных модулей
Важной задачей, которая трудно достижима, является получение однородности пространственного разрешения по всему полю видения детектора, которое ограничивается "артефактами", возникающими в силу неоднозначности в определении координаты по пучку излучения. Рис. 1.4 иллюстрирует природу этих "артефактов", которые обусловлены тем, что кванты попадают на индивидуальные элементы детекторного модуля под углом к осевой линии кристалла[31]. Кристаллы имеют конечные размеры по пучку излучения и кванты могут попадать в соседние элементы детектора, перед тем как они будут зарегистрированы, при этом они могут потерять энергию в нескольких индивидуальных соседних кристаллах, что приведет к неоднозначности в определении координат (т.е. к появлению событий, "хорда" которых не проходит через источник гамма-излучения). При этом пространственное разрешение ухудшается для объектов, помещенных вдали от фокусного расстояния детектора[32]. Если детекторный модуль будет иметь возможность измерять положение (в радиальном направлении) точки взаимодействия рентгеновского кванта в кристалле с достаточной точностью (FWHM= 5 мм), тогда взаимодействия могут быть приписаны к соответствующим хордам и эти артефакты могут быть уменьшены. Квант падает в один элемент детекторного модуля, комптоновски провзаимодействовав, попадает в несколько рядом стоящих индивидуальных элементов детекторного модуля, при этом будет наблюдаться сцинтилляционная вспышка в нескольких элементах. Это приводит к ошибке в определении реальной координаты положения источника излучения, причем ее величина увеличивается с увеличением расстояния от хорды "источник-детектор"[33]. В силу геометрии детекторного модуля радиографа или томографа, радиальная проекция (по отношению к хорде "источник-детектор") подвергается искажениям, в то время как тангенциальная проекция не искажается. В силу этого ее называют радиальным искажением. К настоящему времени не существует промышленных или исследовательских радиографов или томографов, которые бы обеспечивали возможность измерения радиальной координаты, где произошло взаимодействие.
Не вызывает сомнения, что уменьшение геометрических размеров кристаллов (с точки зрения уменьшения площади поперечного сечения) не представляет трудностей, однако это приведет к увеличению стоимости детектора в целом до $1200 за один квадратный дюйм поверхности детекторного модуля детектора. Применение схемы Ангера для определения координаты попадания кванта в детектор в сильной степени ограничивает возможность повышения пространственного разрешения детектора. Этой схеме измерений присущ еще один недостаток, это большое мертвое время. К настоящему времени предпринимаются попытки создания фотодетекторных модулей, представленных на рис. 1.5 и рис. 1.6. Множество новых технологий изготовления фотодетекторов позволило приступить к созданию новых детекторных модулей[34]. Очевидно, что использование фотодетекторов в принципе позволяет создать малые по размеру детекторные модули, (размер индивидуального элемента может не превышать по площади сечения величины в 3 мм). Но при этом необходимо решить проблему достижения высокого усиления. Примерами таких фотодетекторов может служить многоанодный фотоумножитель, фотоумножитель на микроканальных пластинах, лавинные фотодиоды, сегментированные вакуумные лавинные фототрубки , а также счетчики видимого света. Фотодектор, представленный на рис.1.5., содержит 64 оптически изолированных сцинтилляционных кристалла, каждый из которых имеет размеры 3 мм х 3 мм х 30 мм, обернутых светоотражающим материалом[35]. Когда кванты провзаимодействуют в каком-нибудь индивидуальном элементе детекторного модуля, свет сцинтилляционной вспышки регистрируется фотодетекторами, расположенными с двух торцевых сторон сцинтилляционной сборки. Сумма амплитуд двух сигналов используется для определения времени регистрации и определения величины энергии (она пропорциональна амплитуде суммарного сигнала), а их отношение используется для определения радиальной координаты взаимодействия кванта в индивидуальном элементе детекторного модуля. Сцинтилляционные кристаллы разделены как по свету, так и по электрическим сигналам, и координата взаимодействия кванта в детекторном модуле определяется главным образом в фотодетекторе. Радиальная координата определяется по отношению световых потоков попадающих на фотодетекторы, и точность ее определения зависит от качества материала и точности упаковки сцинтилляционной сборки детекторного модуля[36,37].
Такой тип детекторного модуля имеет желаемое улучшение пространственного разрешения в силу использования сцинтилляторов меньших размеров (в поперечном сечении), однако основное преимущество таких детекторов состоит в том, что отдельный элемент детекторного модуля изолирован по свету сцинтилляционной вспышки и в силу этого меньшая площадь детекторного модуля остается не рабочей в течении мертвого времени необходимого на обработку одного полезного события. При этом качество изображения сильно возрастает и количественно характеризуется обратным отношением площади индивидуального элемента детекторного модуля на фотодетекторах к площади всего детекторного модуля на гомогенных сцинтилляторах. Следует отметить, что фотодетекторы имеют свои недостатки, причем они зависят от их типа. Так многоанодные фотоумножители, сегментированные вакуумные лавинные фототрубки и фотоумножители на МКП имеют большую мертвую область (в силу технологии их изготовления) окружающую фоточувствительную область, что приводит к большому зазору между отдельными элементами детекторной сборки[38]. Анализ параметров существующих фотодетекторов с высоким коэффициентом усиления показывает, что наибольшую перспективность имеют фотоумножители с металлическими динодами (если удастся сократить размер нечувствительной области вокруг фотокатода), а также лавинные фотодиоды (в сильной степени благодаря их невысокой стоимости).
Энергетическое разрешение и световыход кристаллов LSO(Ce)
Схема для проведения спектрометрических измерений представлена на рисунке 2.1. В качестве фотоприемника использовался фотоэлектронный умножитель XP2020/Q, помещенный в непроницаемый для света ящик. Выходной сигнал подается на малошумящий усилитель LeCroy. По одному каналу происходит формирование ворот, другой канал спектрометрический. Задержкой в спектрометрическом тракте осуществляется сдвиг сигнала относительно ворот[44]. Рисунок 2.1: Схема для проведения спектрометрических измерений В том случае, когда плата QDC была встроена в компьютер, шум в системе спектрометрический усилитель - QDC возрастал из-за наводок на кабель, соединяющий выход усилителя и вход АЦП. Наводки, возникающие на соединительном кабеле, связаны с источниками сетевого питания, которые создают токи в контуре заземления. Эти токи могут протекать по оплетке кабеля и создавать шум. В качестве примера на рисунке 2.2 приведены результаты измерения профиля канала с генератором, размещенном в крейте КАМАК фирмы POLON. Длина соединительного кабеля составляла несколько метров, а крейт и компьютер были включены в сетевые розетки, расположенные на противоположных стенах комнаты. Исходный профиль (кривая А) расплылся на 10 каналов (кривая Б). СКО шума составило 3 мВ, что привело к уменьшению реального числа каналов QDC до 1000. компьютер с обширным контуром заземления (Б). Существенное улучшение характеристик происходит, когда крейт и компьютер включены в соседние сетевые розетки, а соединительный кабель имеет минимальную длину. Шум при этом уменьшается до приемлемого 3начения 140 мкВ. Результат получается еще лучше, если отключить заземление крейта.
Тогда величина шума падает до 80 мкВ. К сожалению, такая мера противоречит требованиям техники безопасности. Таким образом, компьютер и блок со спектрометрическим усилителем необходимо включать в соседние сетевые розетки, а соединительный кабель должен иметь минимальную длину. Калибровка каналов анализатора в энергетических единицах осуществляется путем измерения амплитудных распределений импульсов от у - источников известной энергии. В диссертационной работе в качестве калибровочных у - источников использовались радиоактивные изотопы: 55Fe, I37Cs, 241Am, 60Со, 55Fe, 238Pu, 239Pu[45].. После определения номера, каналов в которых расположены у -линии, были построены калибровочные кривые, связывающие энергии фотонов с номерами каналов. Рисунок 2.4: График зависимости световыхода от энергии гамма квантов Так как коэффициент преломления LSO довольно велик для обеспечения хорошего оптического контакта между сцинтиллятором и фотокатодом вводится тонкий слой вещества с показателем преломления 1,5. Для этой цели применяли различные минеральные или силиконовые масла. Иногда прикрепляли сцинтиллятор к фотокатоду фотоумножителя при помощи специального оптического клея[48]. Увеличение световыхода кристалла LSO (LUb. ) со смазкой по отношению к световыходу кристалла LSO (L) без смазки оказалось равным величине -3 = 1.87 В ходе выполнения работы исследовались различные типы упаковок исследуемого кристалла. Наибольшая величина выхода света сцинтилляционной вспышки (световыход) достигалась при упаковке кристалла в усеченный конус из майлара с тонкой боковой поверхностью, как показано на рисунке 2.5. Величина световыхода кристалла Lcon с упаковкой типа «конус» по отношению к величине световыхода кристалла L Исследуемые кристаллы были выращены методом Чохральского в НИИ «Полюс» [48]. Образцы вырезались различной формы от тонких длинных «спичек» до кубиков с различными геометрическими размерами. Учитывая тот факт, что эти кристаллы обладают высокой твердостью, колкостью и плохой теплопроводностью проводились измерения для кристаллов, как с полированными поверхностями, так и необработанными. Наименьшая толщина исследуемых кристаллов составляла 0.7 мм. Сложное изготовление сцинтилляторов и тщательная механическая подготовка отдельных элементов определяют высокую их стоимость. 2.3 При изготовлении кристаллов используется редкоземельный металл лютеций, который имеет радиоизотопы. Исходная шихта содержала, как стабильный, так и радиоактивный изотопы лютеция ,76Lu. 176Lu при р,у -распаде испускает гамма кванты с энергией 202 кэВ и 306 кэВ[49]. Для определения вклада собственного гамма излучения этого кристалла и энергии испускаемых квантов были проведены следующие измерения. Первоначально измерялся амплитудный спектр от кристалла Nal(Tl) (рис.2.6.1). Далее на кристалл Nal(Tl) помещался исследуемый кристалл LSO и за тоже время измерялся амплитудный спектр (рис.2.6.2). Разность спектров, получалась с использованием специальной программы MESMATH, написанной для этой цели. На разностном спектре видны амплитуды, отвечающие энергиям 202 кэВ, 306 кэВ и пик в области 662 кэВ.
Последний пик имеет менее выделенный характер. Для определения интенсивности собственного гамма излучения, а также определения его максимума были измерены спектры с использованием радиоактивных источников ,37Cs и 22Na с энергией гамма квантов 662 кэВ и 511 кэВ соответственно. Проведенная калибровка позволила определить энергию третьего пика Еу« 460 кэВ и его интенсивность (300 событий в секунду). Для более детального изучения собственного гамма излучения сцинтиллятора LSO и возможной борьбы с ним было предложено подвергнуть изучению шихту, из которой изготовляются кристаллы. Было изготовлено несколько образцов - представляющих собой нанесенный особым образом на кварцевые пластины тонкий монослой из порошка Lu2Si05(:Ce) [50]. Также часть порошка была предварительно подвергнута специальной термической и химической обработке. Для точности измерений были изготовлены два образца (1,11) с необработанным порошком и два образца (1,11) с обработанным порошком. Для оптического сочленения кварцевых тонких пластин с нанесенным на них слоем порошка LSO сцинтилляторов использовалась следующая конструкции. Оптический световод выполненный из кварца имел форму трапеции и имел «гнездо» в верхней части световода. Кварцевая пластина с сцинтиллятором приклеивалась с помощью оптического клея к световоду. Изготовленную таким образом пластину оптическую конструкцию полировали и механически прочно и герметически закрепляли с помощью герметизирующего вещества (например, эпоксидного клея) в специально изготовленный кожух. Затем в корпус устанавливалось разделяющее кольцо из фторопласта, а затем отражатель из майларовой пленки. Предложенный метод упаковки сцинтиллятора особенно выгодно использовать для упаковки тонких сцинтилляторов, когда требуется обеспечить гигроскопическую защиту. Поскольку имеется возможность при изготовлении пластин сцинтиллятора и их упаковки уменьшить степень влияния влаги атмосферы на характеристики детектора. Это достигается за счет меньшего времени пребывании обработанной поверхности сцинтиллятора в контакте с атмосферой, в которой производится упаковка. На рисунке 2.7 приведены экспериментальные спектры для кристалла LSO без предварительной обработке исходной шихты (рис.2.7.1), термической обработке ( рис.2.7.2) и химической обработке ( рис.2.7.3).
Временное разрешение сцинтилляционного детектора на кристаллах LSO
Для определения предельного временного разрешения кристаллов LSO проводились измерения по схеме из двух кристаллов 2x(LSO + ФЭУ143), размером 4x4x10 мм3 (рисунок 2.9). В ходе подготовки эксперимента оба фотоумножителя были откалиброваны. Путем подбора напряжения питания фотоумножителя - достигалось соответствие, между сигналами с первого и второго ФЭУ. В измерениях использовался радиоактивный источник Na22 -источник аннигиляционных гамма квантов с энергией Еу = 511 кэВ[53]. Для формирования временных отметок использовались дискриминаторы со следящим порогом (CFD ORTEC CF1000). Для определения временного интервала между событиями использовался время - амплитудный преобразователь ТАС - (Canberra 2145). Далее сигналы поступали на аналого-цифровой преобразователь (Tracor-Northern TN-7200 мультиканальный анализатор) и обрабатывались компьютером IBM PC. На рисунке 2.10 приведен лучший результат по временному разрешению данной схемы, который равен AR = (800 ± 5t) пс, на уровне FWHM. Для определения погрешности измерений вносимых электроникой -8t , старт стоповый режим был осуществлен с одного канала фотоумножителя , в результате чего 5t = 8 пс. Таким образом полученное временное разрешение вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к модулям радиографа и томографа. Рисунок 2.10:
Результат по временному разрешению детектора на кристаллах LSO Для повышения временной разрешающей способности амплитудного анализа выходных сигналов и исключения ошибок измерений при наложении последующих сигналов на спад предыдущих и смещении нулевой линии при высоких скоростях следования сигналов применялись различные способы преобразования формы выходных сигналов детекторов. Путем многократного дифференцирования и интегрирования в сигналы более короткой длительности, и специальные схемы быстрого восстановления нулевой линии. Хорошие результаты могли быть получены на дискретных формирующих фильтрах сигналов (ФФС). ФФС были исполнены в виде типовых цифровых фильтров дискретизируемых сигналов в стандарте NIM. В исследованиях было решено попробовать использовать систему обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени с использованием линии задержки (ЛЗ). В последнем варианте используется техника обработки сигнала в скользящем временном окне решетки дискретизации. Функциональной схема аналогового ФФС -115 приведен на рисунке 2.11. Вход Схема выполнена с шагом дискретизации оператора ФФС 200 не на минимальную частоту 2.5 МГц для снятия наиболее значимой части спектра сигналов со сцинтиллятором LSO. Вход на ФФС - токовый через согласующее сопротивление с линией задержки непосредственно с анода ФЭУ. Величина интегрирующей емкости на выходе ФЭУ подбиралась под постоянную интегрирования 13 мкс. В принципе, на вход ФФС могут подаваться сигналы и с предварительных согласующих усилителей, при этом для расчета коэффициентов ФФС (резисторов R1-R11) может использоваться задание фактической формы сигналов на входе ФФС. Расчетный выходной сигнал ФФС задавался в виде суммы двух гауссианов с шириной на половине максимума 0.8 мкс со сдвигом вершины первого на 1 мкс от начала фронта входного сигнала и сдвигом второго гауссиана на 0.65 мкс относительно первого, что формирует практически плоскую вершину сигнала порядка 0.15 мкс. Коэффициент передачи ФФС постоянной составляющей входного сигнала при этом составил 0.1, коэффициент усиления дисперсии шумов 0.65. Дискретные отсчеты сигнала снимается с ЛЗ через резисторы R1-R11. Значения резисторов обратно пропорциональны весовым коэффициентам оператора ФФС, а соответственно токи через резисторы будут пропорциональны значениям весовых коэффициентов ТФС. Суммирование токов производится на инвертирующих входах двух операционных усилителей ОУ в соответствии со знаками весовых коэффициентов. На входе ОУ1 суммируются токи с положительными весовыми коэффициентами, формирующими фронты выходных сигналов, на входе ОУ2 - с отрицательными весовыми коэффициентами, формирующими срезы выходных сигналов. Суммы этих двух групп токов (назовем их условно плюс- и минус-токами), протекающие через равные по величине резисторы R12 и R14 (сколько тока приходит на инверсный вход ОУ от ЛЗ, столько и уходит через эти резисторы обратной связи ОУ), в каждый текущий момент времени дают напряжения на выходах ОУ, пропорциональные суммам напряжений на соответствующих выводах ЛЗ, умноженным на весовые коэффициенты ФФС.
Для инверсии знака минус-тока при общем суммировании, инверсный по напряжению сигнал с выхода ОУ2 через резистор R13, значение которого должно быть равно значению резистора R14, подается на вход суммирования токов ОУ1. Тем самым напряжение на выходе ОУ1 в каждый текущий момент времени пропорционально сумме всех напряжений на выводах ЛЗ с учетом знака весовых коэффициентов ФФС. Конкретная схема подключения ОУ в схеме зависит от их типа. Для исключения влияния токоотводов на форму сигналов при их прохождении в ЛЗ значения резисторов R1-R11 должны быть существенно больше волнового сопротивления линии (минимум в 50 и более раз). Значения резисторов R12-R14 устанавливаются с учетом требуемого коэффициента усиления выходных сигналов. Для точного вывода ФФС на нулевую линию служит переменный резистор, включенный последовательно с резистором R11. При реализации схемы соответствие значения RC расчетному устанавливалось с точностью 1% подбором значения интегрирующей емкости, значения резисторов R1-R11 соответствовали расчетным с точностью не ниже 1%, равенство значений резисторов R12-R14 выдерживалось с точностью не менее 0.2%. Результаты моделирования схемы показали ее практически полное соответствие расчетным данным при временном разрешении порядка 5 мкс. Попутно заметим, что коэффициент усиления постоянной составляющей оператора ФФС можно установить практически равным нулю при задании двуполярного выходного сигнала (второй сдвинутый гауссовский импульс задать противоположной полярности первому), а также задавать в составе выходного сигнала (перед ним или после него) формирование (для последующих схем) специальных импульсов управления амплитудным преобразованием (измерением) выходного сигнала, с различием от основного информационного сигнала по полярности. Следует отметить, что данная схема позволила работать с высокой интенсивностью гамма излучения без ухудшения временного разрешения. Ее использование актуально в радиографах и позитронных томографах[54], [55].
Исследование световыхода для оптически ориентированных кристаллов LSO при регистрации а - частиц
Для подтверждения замеченного эффекта было предложено поставить эксперимент на коллимированом пучке а - частиц от источника Pu238 (Еа = 5.5 МэВ). Коллиматор представлял собой тонкую порядка ( 1 мм ) пленку из затемненного майлара. Идея эксперимента заключалась во вращении щели коллиматора относительно одной из граней кристал л а[67]. На рисунке 4.2 представлены спектры коллимированных а - частиц: - Рисунок 4.2 (1) - спектр а - частиц без коллиматора; - Рисунок 4.2 (2) - спектр коллимированных а - частиц, причем щель коллиматора расположена перпендикулярно оси Y; - Рисунок 4.2 (3) - спектр коллимированных а - частиц, щель коллиматора расположена под углом 45 градусов к оси Y; - Рисунок 4.2 (4) - спектр коллимированных а - частиц, щель коллиматора расположена под углом 90 градусов к оси X. То есть при вращении коллиматора вдоль оси Z происходит «перетекание» одного пика в другой. Такие же эксперименты были проведены для других граней кристалла. Для них наблюдалась такая же картина. При проведении исследований данной кристаллической структуры наблюдалась зависимость световыхода LSO от расстояния, от окна фотоприемника (в данном случае ФЭУ XP2020/Q) до места взаимодействия у - квантов в сцинтилляторе. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы создать триггер от аннигиляционных у - квантов (22Na, Еу=511 кэВ) разлетающихся под углом в 180 градусов и использовать его для сканирования сцинтиллятора LSO по длине[68]. Напряжение питания на фотоумножителе было U = 1800 В, этот режим давал наилучшую линейность по амплитуде сигнала отнесенного к интенсивности сцинтилляционной вспышки (данные взяты из технического паспорта к фотоумножителю). Эксперимент проводился при температуре Т = 24С. Перед тем, как начать измерения сцинтилляционный кристалл выдерживался в течение нескольких часов в черном ящике, для того чтобы убрать эффект термолюминесценции.
Исследования проводились на образце сцинтиллятора LSO размером [3x3x30] мм3. Блок-схема эксперимента показана на рисунке 4.3. Кристалл был отполирован со всех сторон. Светоотражающее покрытие не наносилось. В эксперименте использовались формирователи со следящим порогом CFD -EG&G 575 и быстрые токовые усилители LeCroy 612. Для организации триггера использовался ФЭУ-143 (U=1700 В) с установленным на него сцинтилляционным кристаллом Csl (0 = 1 мм). Этот кристалл был выбран из-за своих отличных сцинтилляционных качеств и низкого уровня шума. Фоновьтеизмерения показали, что количество случайных событий Csl на уровне Еу 400 кэВ не превышало 1 событие за 10 секунд. На расстоянии 20 см от Csl устанавливался источник аннигиляционных у - квантов Na (EY=511 кэВ). Фотоумножитель с прикрепленным к нему сцинтиллятором и радиоактивный источник были жестко закреплены на оптической штанге. Рисунок 4.3: Блок схема эксперимента по измерению неоднородности световыхода в зависимости от места поглощения у - кванта Погрешность позиционирования составляла величину 100 мкм. При помощи штатива фотоумножитель XP2020/Q с исследуемым сцинтиллятором LSO был закреплен неподвижно вдоль оптической штанги на расстоянии 22 сантиметра. Вся передвижная часть установки была смонтирована на сканирующей X-Y-Z приставке. Точность установки была порядка v 100 мкм в каждом направлении. Внутри X-Y-Z приставки фотоумножитель жестко фиксировался относительно р/а источника с помощью двух металлических траверсов. Триггер организованный таким способом нужен был для того, чтобы отсечь влияние шумовых и случайных событий в сцинтилляторе LSO. В результате проведенного эксперимента получены данные зависимости световыхода Q от расстояния L. Величина Q - положение максимума фотопика на полученных спектрах. Эта зависимость приведена на рисунке 4.4 для разных расстояний от LSO до 22Na. Измерения проводились при комнатной температуре. Полученные данные показывают, что при измерении расстояния облучения от 5 мм до 25 мм, величина световыхода падает на 30%. В результате этих исследований можно сделать вывод: при использовании сцинтиллятора LSO при разработке новых детекторов следует обратить внимание на поиск наилучшего сочетания размеров кристалла и световыхода. В этом эксперименте абсолютная величина световыхода не измерялась. Основные характеристики фотоумножителя Н6568 приведены на рисунке. При проведении этих исследований для создания позиционно -чувствительного детектора 16-канальный фотоумножитель типа Н6568 использовался впервые[42]. Это очень хороший, компактный и экономичный фотоумножитель, однако мы испытали заметные трудности при получении однородной эффективности регистрации для всех каналов. Следует отметить, что фотоумножитель имеет достаточно высокое усиление в канале и хорошую квантовую эффективность, что в свою очередь способствует точной настройке порогов дискриминации детектора. На практике это приводило к тому, что уменьшалась чувствительность лучших каналов, доведя ее до уровня средних амплитуд.
Таким образом, эффективность регистрации всего модуля ТТЧД становилась немного меньше по сравнению с отдельными каналами ФЭУ[69]. Кроме того, позиционирование концов сцинтилляторов на фотокатоде Н6568 не является простым из-за малого размера (4x4 мм2) пикселей (каналов ФЭУ) и не очень точного положения динодной системы в корпусе фотоумножителя. При создании описываемого детектора эту проблему удалось решить с помощью достаточно трудоемкой операции предварительной калибровки всех каналов фотоумножителя - на специально созданном стенде. Для этого на рентгеновском аппарате РАП-160 была сделана рентгенограмма сцинтилляционной матрицы. Управление рентгеновской трубкой осуществлялось с выносного пульта дистанционного управления[70]. Возможно также задание рабочих параметров трубки от персонального компьютера. Система сбора данных размещалась, вместе с детектором, в специально изготовленном металлическом шкафу, обшитом с внутренней стороны свинцовыми плитами для защиты внешней среды от рентгеновского излучения. Система блокировки препятствует включению рентгеновской трубки при открытой дверце шкафа. Электронный тракт для сбора информации с фотодетектора представлял собой комплекс аппаратуры, разработанный и созданный в нашей лаборатории в рамках проекта по созданию ПЧД. Он включал в себя 16-канальный интегральный усилитель (16ИУ), быстрый 16-канальный дискриминатор и 300 МГц счетчики. Основное назначение 16ИУ - усиление спектрометрического сигнала по напряжению и согласование элементов спектрометрического тракта. При помощи данного предусилителя согласуется 16-ти анодный ФЭУ HAMAMATSU с выходным сопротивлением анодной нагрузки 90 KQM и дискриминаторы с входным сопротивлением 50 QM[71]. Величина входных амплитуд предусилителя составляет 20 мВ. Предусилитель имеет плавную регулировку коэффициента усиления по напряжению в диапазоне 12 -г 50, что обеспечивает достаточную
