close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПОЗИЦИОННО ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР С ПЛАСТИЧЕСКИМ СЦИНТИЛЯТОРОМ

код для вставкиСкачать
В данном отчёте предложена схемма детектора гамма квантов с разрешением порядка 0,5 мм. по месту вхождения кванта.
ПОЗИЦИОННО ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ
ДЕТЕКТОРЫ ГАММА-КВАНТОВ
Захарянц А. Г.
Прежде, чем начать описание предлагаемой конструкции сцинтилляционного позиционно чувствительного детектора, хотелось бы описать области его возможного применения.
Позитронно-Эмиссионная Томография (ПЭТ) - метод медицинской диагностики, предназначенный для исследования физиологических и биохимических процессов in vivo. ПЭТ позволяет визуализировать физиологические процессы в органах по пространственному распределению фармацевтического препарата, меченого радионуклиидом. В качестве метки используются короткоживущие радионуклиды, испускающие позитроны. В настоящее время ПЭТ применяется в практике клинической медицинской диагностики для определения тактики лечения, оценки целесообразности оперативного вмешательства и т. д. Современное развитие ПЭТ направлено на расширение клинического применения за счет улучшения характеристик и снижения стоимости ПЭТ-сканера. Важнейшей характеристикой ПЭТ-сканера является пространственное разрешение. Основными факторами, определяющими пространственное разрешение, являются размеры используемого сцинтилляционного детектора и величина пробега позитронов в тканях до аннигиляции. В современных ПЭТ-сканерах для регистрации гамма-излучения используются сцинтилляционные детекторы на основе кристаллов BGO и матриц обыкновенных или многоанодных позиционно-чувствительных ФЭУ. Попытки улучшить пространственное разрешение сканера до величины -1.5-2 мм за счет уменьшения поперечных размеров сцинтилляционного детектора приводят к значительному снижению эффективности регистрации аннигиляционного излучения. [1]
Спектрометры угловой корреляции аннигиляционных гамма - квантов. При замене применяемых детекторов в подвижном плече прибора, на позиционно чувствительные, сильно упростится и удешевится сам спектрометр, кроме того, отпадёт необходимость в многократном повторении эксперимента, для достижения достаточной статистической точности в точках отсчёта. Следовательно, не нужно будет обеспечивать механическую точность в позиционировании подвижного детектора. Кроме того, применение позиционно чувствительных детекторов в обоих плечах спектрометра позволит сильно уменьшить время эксперимента и увеличить его точность.
Создание сцинтилляционных позиционно чувствительных детекторов сопряжено с достаточно большими трудностями. Выбор сцинтиллятора, фотоумножителей, создание электронных схем необходимых для выделения полезной информации. Таких как: время - амплитудный конвертор, усилитель - формирователь импульсов, линейные дискриминаторы и т.п.
Возникает правомерный вопрос, а почему собственно не использовать другие типы детекторов, например полупроводниковые, в дальнейшем П. д. Дальнейший шаг в развитии П. д. был сделан возвращением к Ge, обладающему большим порядковым номером Z и, следовательно, большей эффективностью для регистрации гамма-излучения. Дрейфовые германий-литиевые плоские (планарные) П. д. применяются для регистрации g-квантов с энергией в несколько сотен кэВ. Для регистрации гамма-квантов с энергией до 10 МэВ используются коаксиальные германий-литиевые детекторы с чувствительным объёмом достигающим 100 см3. Эффективность регистрации гамма-квантов с энергией < 1 МэВ достигает примерно десятков %. При энергиях >10 МэВ падает до 0,1-0,01%. Для частиц высоких энергий, пробег которых не укладывается в чувствительной области П. д., позволяют, помимо акта регистрации частицы, определить удельные потери энергии dE/dx, а в некоторых приборах координату х частицы (позиционно-чувствительные П. д.). Недостатки П. д.: малая эффективность при регистрации гамма-квантов больших энергии; ухудшение разрешающей способности при загрузках > 100 частиц/сек; конечное время жизни П. д. при высоких дозах облучения из-за накопления радиационных дефектов. Развитие П. д. связано с получением "сверхчистых" полупроводниковых монокристаллов больших размеров и с возможностью использования GaAs, SiC, CdTe. П. д. широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц, а также в химии, геологии, медицине и в промышленности, где регистрируются в основном рентгеновские кванты в несколько десятков кэВ.
Однако основным недостатком П. д. является низкая эффективность при регистрации гамма-квантов с энергией 511 кэВ и более, что препятствует их применению при регистрации аннигиляционых гамма-квантов.
Сцинтилляционные детекторы в меньшей мере страдают этими недостатками и по этому более подходящие для решения этих задач.
Основной частью детектора является сцинтилляционный блок, наиболее подходящим является пластмассовые сцинтилляторы типа стильбен либо NE 111. Длительность отсвета в этих материалах составляет порядка 5 наносекунд. Однако, возникает вопрос каким образом извлечь информацию о координатах входящего в сцинтиллятор гамма кванта. Попробуем рассмотреть возможность определения координаты.
Рассмотрим способ определения координаты места входа гамма-кванта, а точнее отклика сцинтиллятора в виде света по разности времени прихода отсвета к катоду ФЭУ приставленных к противоположным сторонам сцинтилляционного блока в взаимно перпендикулярных направлениях, а именно по оси X и Y. (рис. 1)
Рисунок 1.
Где D1-D10 скоростные фотоумножители с малым временем катодного временного сдвига.
Скорость света в пластических сцинтилляторах составляет величину ≈2,5 * 1011 мм/сек., а в качестве прибора, выделяющего эту разницу служит время-амплитудный преобразователь. Разрешение такого прибора должно составлять величину не более 5 пикосекунд, тогда предполагаемое геометрическое (позиционное) разрешение составит величину ≈1,25 м.м.
Даже если принять скорость света в стильбене примерно равной скорости света в вакууме (300 000 км./сек.), то и в этом случае геометрическое разрешение такого детектора составит примерно 1,5 мм.
Рассмотрим более подробно конструкцию такого детектора:
Детекторы D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9.D10 поделены на две группы, первая группа D1-D4 для определения X координаты, а D5-D10 - Y координаты. Первая группа детекторов, через формирователи импульсов с привязкой к переднему фронту входящего импульса каждый,расположенные по одной стороне, через сумматоры импульсов подаються на вход "СТАРТ" время амплитудного конвертора (ВАК), импульсы фотоумножителей с другой стороны, через те же устройства, подаються на вход стоп того же конвертора. По величине (амплитуде) импульса на выходе ВАК можно, с достаточно высокой точностью, определить искомую координату. Тем же преобразованиям и обработке подвергаються импульсы с фотоумножителей D5-D10 и с выхода другого ВАК получим импульсы по амплитуде которых получаем координату Y. Затем посредствам не очень сложного оборудования импульсы попадают на компьютер, после того на маниторе можно получить информацию о распределении гамма-квантов по координатам. Рассмотрим требования предъявляемые к составляющим элементам позиционно чувствительного детектора (ПД). Наиболее жёсткие условия предявляються к фотоумножителям (ФЭУ), они должны иметь минимальный временной разброс по фотокатоду т.е. иметь достаточно маленький фотокатод и быть достаточно чувствительными т.е. находиться в однофотонном режиме, однако ФЭУ выдаёт сигналы в виде спектра, что в свою очередь иммитирует временной разброс, поскольку у любого электронного прибора есть естевственный порог сробатывания (рис.2а.). Вопросу компенсаций амплитудного разброса импульсов и оптимизации временной привязки к сигналам от детекторов излучения в научной литературе уделено большое внимание [2-6]. Один из наиболее эффективных способов привязки к сигналам детекторов является общепризнанный в настоящее время метод "следящего порога". Принципиалъная схема, формрователя--дискриминатора приведена на рис 3.
Дискриминатор содержит два независимых канала, включенных на совпадения: канал временной привязки (КВП) и канал дискриминатора нижнего уровня (ДНУ). Кроме того, имеется канал управления включяющий транзистор Т2 и инвертор S3. В канале временной привязки установлен, переключатель П1, позволяющий изменять моду временной привязки. Предусмотрены три режима работы:
а) Опнопороговая мода (LE);
б) Двухпороговая мода с привязкой к переднему фронту (DL);
в) Мода следящего порога (CF) с тремя значениями F=0,1; 0,2; 0,3.
В режиме однопороговой моды КВП не работает и на вход усилителя подается смещение, превышающее максимальную амплитуду входного сигнала.
В режиме двухпороговой моды временная привязка ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ к переднему фронту сигнала, задержанного линией задержки, включенной между разъемами "ЛЗ"
Срабатывание происходит на пороге 8-10 мВ. Регулировка порога привязки осуществляется потенциометром R31. Для того, чтобы не происходило искажение временной отметки канала КВП вблизи порога срабатывания ДНУ, в канал КВП введена задержка 10 нс на входе дискриминатора. В режиме моды следящего порога потенциометр позволяет подобрать оптимальный порог привязки: ДНУ содержит аналогичный усилитель с регулировкой порога при помощи многооборотного потенциометра R-S тригера для улучшеНИЯ пороговой характеристики. Как оказалось, введение тригера существенно уменьшает зависимость порога срабатывания от длительности фронта входного сигнала. Логика сброса триггера такова, что он сбрасываеся более поздним из двух сигналов: выходным сигналом схемы И-НЕ или задним фронтом сигнала ДНУ. Это исключает неоднородности и.вторичные срабатывания триггера на пороге срабатывания ДНУ. Выходной сигнал совпадений укорачивается и подается на триггер S6 и далее на выходной каскад, собранный на транзисторах T4, T5 и S4. Предусмотрена возможность снятия импульсов обеих полярностей, а также изменение выходных импульсов с помощью многооборотного сопротивления R49. Это позволяет выбрать оптимальный режим согласования с входными устройствами время-амплитудного преобразователя, куда и поступают импульсы, вырабатываемые формирователями.
Одним из основных узлов детектора является время-амплитудный преобразователь. Он предназначен для преобразования временных интервалов наносекундного диапазона в аналоговый сигнал с амплитудой, пропорциональной измеряемому временному интервалу. Рассмотрим время-амплитудный преобразователь предложенной в работе [7] . Принципиальная схема преобразователя построенного по принципу "старт"-"стоп" приведена на рис,3.
Сигналы с формирователей,попадая на входы "старт" и "стоп", формируются с помощью схем М1 и М2. С приходом стартового импульса одновибратор М3, М6 запускается и разблокирует триггер М4,М5, удерживаемый в сброшенном состоянии потенциалом одновибра-тора. Триггер М4 переключается стартовым сигналом, а триггер М5 сигналом "стоп". Одновременно со срабатыванием одновибратора в стартовом канале закрывается схема пропускания М2, в канале "стоп" схема пропускания закрывается после переключения триггера М5. Таким образом, в течении времени преобразования и формирования выходного сигнала конвертора на входы триггеров М4, М5 исключается попадание входных импульсов. Открывание схем пропускания происходит после окончания времени выдержки одновибратора которое равно 1 мк сек. Из сигналов триггеров М4, М5 на схеме М7 формируется прямоугольный импульс, длительность которого равна временному интервалу между сигналами "старт" и "стоп". Этот сигнал через вторую половину схемы М7 подается на зарядно-разрядное устройство. Одна из емкостей С4-С6 с помощью переключателя подключена к эмиттеру Т4, на котором собран эмиттерный повторитель, и заряжена до напряжения порядка +5В, Импульс одно вибратора усиливается схемой М9 и запирает транзистор Т4 после чего начинается линейный разряд емкости посредством токового ключа М8.
После окончания линейного разряда интегрирующей емкости, потенциал на ней не меняется до окончания импульса одновибратора, после чего триггеры М4, М5 сбрасываются в исходное состояние. Интегрирующая емкость быстро заряжается до начального потенциала током эмиттерного повторителя Т4.
В выходном каскаде линейной части конвертора используется полевой транзистор, что улучшает линейность преобразования. Коэффициент преобразования задается переключателем, путем изменения разрядного тока и величины интегрирующей емкости.
В конверторе не предусмотрено подавление одиночных стартовых сигналов.
В заключении уточним некоторые требования предъявляемые к комплектующим детектора:
Рисунок 3.
а) Фотоумножители, источник основной временной ошибки, должны иметь маленький диаметр фотокатода, для уменьшения временного разброса начала импульса из-за поподания света в геометрически разные области фотокатода. Чувствительность фотоумножителя должна быть достаточно высокой, что необходимо для регистрации отклика сцинтилятора на единичные гамма-кванты.
в) Наличие формирователя-дискриминатора со следящим порогом обеспечивает уменьшение временной ошибки в процессе дальнейшей обработки импульсов с фотоумножителей. Сформированный сигнал попадая на время - амплитудный конвертор так-же не будет давать временной ошибки из - за порога сробатывания входа время - амплитудного конвертора.
с) При поступлении импульса обработанного выше описанным методом на входы "старт" и "стоп" время - амплитудного конвертора, время - амплитудный конвертор внесёт ошибку определения времени пять пикосекунд, это даёт право предположить, что разрешение по координате у такого прибора (с учётом статистической поправки) составит один - два миллиметра. Высокая эффективность детектора при регистрации гамма - квантов с энергией 511 KeV даёт возможность проводить измерения достаточно слабых потоков и уменьшать время экспозиции.
Литератиура:
[1] - Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение, М., 1967; Дирнли Дж., Нортроп Д., Полупроводниковые счетчики ядерных излучений, пер. с англ., М., 1966; Полупроводниковые детекторы ядерного излучения, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, в. 25, М., 1971 (Авт.: Рывкин С. М., Матвеев О. А., Новиков С. Р., Строкан Н. Б.).
[2] Karlsson L. On compensated leading edge timing with fast photomultipliers. NIM.1972.100.N1.p.193-199.
[3] Bengtson B., Moszynski M., Sub nanosecond timing with a planar Ge(Li) detector.NIM.1972.100.N2.p.293-300. [4] Ogata A., Tao S.J., A time-to-amplitude converter of simple constraction. Nucl.Instr.and Meth.1969. 69. N2.p.344-346.
[5] Gedcke D.A., McDonald W.J. NIM.1967.p377. [6] Sen P., Patro A.P. Time resolution measurements with XP-1021 photomultipliers. NIM.1970.v.81.N1.p.197-198.
[7] Балдин Б.Ю. Схема блокировки и время-амплитудный преобразователь на интегральных схемах. Препринт ОИЯИ 13-6954. Дубна.1976.
1
Автор
zakhariants_a
Документ
Категория
Научные отчеты
Просмотров
528
Размер файла
706 Кб
Теги
пластическим, сцинтилятором, детектор, позиционно, чувствительный
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа