Способ измерения потока фотонов низкоэнергетического рентгеновского излучения сцинтилляционным детектором

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к технике измерений потоков низкоэнергетического рентгеновского излучения, и может быть использовано в системе метрологической службы для создания эталонных средств измерения потока фотонов в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне. Целью изобетения является повышение точности измерения и расширение диапазона измерений в область низких энергий. Сущность изобретения состоит в способе учета чиспа одноэлектронных сцинтилляционных импульсов, амплитуда которых лежит в области шумов фотоумножителя (ФЭУ). При подсчете импульсов детектора одноэлектронные сцинтилляционные и шумовые импульсы не регистрируются, а дискриминируются от остальных сцинтилляционных импульсов по форме импульса. Поправка на их число делается по распределению Пуассона после измерения среднего числа электронов в сцинтилляционном импульсе. Для этого сцинтилляционный кристалл отделяют от ФЭУ и устанавливают его на расстояние от фотокатода ФЭУ, обеспечивающее регистрацию сцинтилляций в основном в виде одноэлектронных импульсов. Определяют амплитуду/ одноэлектронного импульса, соединяют кристалл с ФЭУ и определяют среднюю амплитуду сцинтилляционного импульса, отношение этих амплитуд дает среднее число эле1аронов в импульсе. 3 ил.

СО!03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУВЛ1!К

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4374696/25 (22) 08.02.88 (46) 15.12.93 Бюл. Мо 45-46 (72) Фролов ЕА.; Сэпман С.В. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ФОТОНОВ

НИЗКОЗНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМ ДЕТЕКТОРОМ (57) Изобретение относится к технической физике, в частности к технике измерений потоков низкоэнергетического рентгеновского излучения, и может быть использовано в системе метрологической службы для создания эталонных средств измерения потока фотонов в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне. Целью изобетения является повышение точности измерения и расширение диапазона измерений в область низких энергий. Сущность изобретения состоит в способе учета числа (19) SU (») 1604013 АХ (51) 5 О 01 Т 1 16 одноэлектронных сцинтилляционных импульсов, амплитуда которых лежит в области шумов фотоумножителя (ФЭУ). При подсчете импульсов детектора одноэлектронные сцинтилляционные и шумовые импульсы не регистрируются, а дискриминируются от остальных сцинтилляционных импульсов по форме импульса. Поправка на их число делается по распределению Пуассона после измерения среднего числа электронов в сцинтилляционном импульсе. Дпя этого сцинтилляционный кристалл отделяют от ФЭУ и устанавливают его на расстояние от фотокатода ФЭУ, обеспечивающее регистрацию сцинтилпяций в основном в виде одноэлектронных импульсов. Определяют амплитуду одноэлектронного импульса, соединяют кристалл с ФЭУ и определяют среднюю амплитуду сцинтилляционного импульса, отношение этих амплитуд дает среднее число электронов в импульсе. 3 ил.

1604013

Изобретение относится к технической физике, в частности к технике измерений потоков низкоэнергетического рентгеновского излучения, и может быть использовано в системе ме рологической службы для создания эталонных средств измерения потока фотонов в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне.

Целью изобретения является повышение. точности измерения потока фотонов низкоэнергетического рентгеновского диапазона и расширение диапазона измерения в область низких энергий, На фиг,1 представлена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг.2— амплитудные спектры одноэлектронных и шумовых импульсов; на фиг,3 — форма выходных импульсов спектрометрического усилителя для однозлектронных и сцинтилляционных импульсов.

Способ осуществляется следующим образом.

В сцинтилляционном детекторе отделяют сцинтилляционный кристалл от фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и устанавливают его на достаточном расстоянии от фотокатода ФЭУ, обеспечивающем регистрацию сцинтилляций в виде одноэлектронных импульсов, Затем сдвигают уровень дискриминации импульсов сцинтилляционного детектора по амплитуде в область шумовых импульсов так, чтобы над уровнем дискриминации четко выделялись одноэлектронные импульсы. Определяют амплитуду одноэлектронного импульса. Далее соединяют сцинтилляционный кристалл с фотокатодом ФЭУ, проводят дискриминацию по форме сцинтилляционных и одноэлектронных импульсов и при этом определяют среднюю амплитуду сцинтилляционных импульсов и ведут счет импульсов. Далее, используя распределение

Пуассона, определяют поправку на долю просчитанных одноэлектронных сцинтилляционных импульсов, т.е. восстанавливают истинный счет от сцинтилляционных импул ьсов.

Устройство для измерения потока фотонов (фиг.1) содержит ФЭУ 1, сцинтилляционный кристалл 2, установленный на ФЭУ 1 с возможностью его отделения от ФЭУ 1 и перемещения вдоль оси измерения. Выход

ФЭУ 1 подключен к входу спектрометрического усилителя 3, выход которого подключен к входам дискриминатора 4 формы импульса, дифференциального дискриминатора 5 и многоканального анализатора амплитуды импульсов {ААИ) 6, Выходы дискриминатора 4 формы импульса и дифференциального дискриминатора 5

Дискриминация одноэлектронных импульсон, поступающих с усилителя 3, по форме осуществляется дискриминатором 4 формы импульсов.

Дискриминация импульсов по амплитуде осуществляется дифференциальным дискриминатором 5, нижний порог дискриминации которого устанавливается таким образом, чтобы регистрировались одноэлектронные импульсы сцинтилляционного детектора. Амплитудный спектр импульсов от сцинтилляционного детектора регистрируется ААИ 6, а скорость счета фотонов— пересчетным прибором 8, В исходном состоянии сцинтилляционный кристалл Nal(TI) устанавливается в поло>кение, показанное на фиг.1 пунктиром, на расстоянии 3 — 4 см от фотокатода ФЭУ. В этом положении происходит однократная регистрация рентгеновских фотонов от источника 9 и в ААИ 6 наблюдается одноэлектронный пик (фиг.2, кривая 10) и спектр шумовых импульсов (кривая 11), подключены к входам схемы 7 совпадений, выходы которой подключены к ААИ 6 и пересчетному прибору 8. Устройство содер>кит также источник 9 ниэкоэнергетического рентгеновского излучения.

Устройство работает следующим образом, Источник 9 низкоэнергетического излучения, например, радионуклидный источник

Fe, испускает КХ-фотоны с энергией 5,9.

55 кэВ, которые детектируются сцинтилляционным детектором, содержащим ФЭУ 1 и сцинтилляционный кристалл 2, например, Nal(TI). ФЭУ 1 вырабатывает электрические импульсы, поступающие на спектрометрический усилитель 3. При регистрации фотонов с энергий 5,9 кэВ среднее число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом фотоэлектронного умножителя, на один акт

20 регистрации, как правило, - 8 и, следовательно, сушествует вероятность того, что при одном акте регистрации будет испущен один фотоэлектрон с фотокатода ФЭУ 1.

Число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом, колеблется около среднего значения в соответствии с законом Пуассона, и так как фотоэлектроны возникают во времени в соответствии с функцией высвечивания

Nal(TI) кристалла (r,=300 нс), то форма сцинтилляционного импульса меняется от импульса к импульсу в зависимости от числа фотоэлектронов и моментов их возникновения на фотокатоде ФЭУ1. Минимальную длительность имеют импульсы одноэлект3-"> ронной регистрации, такую же длительность имеют шумовые импульсы ФЭУ, 1604013

Спектры на фиг.2 измеряют с использованием серийного спектрометрического усилителя Б4С 2-97 при установке постоянных времени дифференцирования и интегрирования 3,2 мкс.

Затем ААИ 6 переключают в режим совпадений и, изменяя нижний порог дифференциального дискриминатора 5, добиваются полной регистрации одноэлектронного пика в ААИ 6, При этом схема 7 совпадений работает в режиме пропускания импульсов от дифференциального дискриминатора 5, Далее определяется амплитуда одноэлектронного пика в относительных единицах (например, в каналах).

Затем сцинтилляционный кристалл 2 устанавливается непосредственно на фотокатод ФЭУ 1 и определяется амплитуда сцинтилляционного импульса в ААИ 6. При этом схема совпадений работает в режиме совпадений импульсов по каналам дискриминатора 4 формы импульсов и дифференциального дискриминатора 5.

Причем нижний амплитудный порог дискриминации в дискриминаторе 4 формы импульсов должен быть установлен ниже нижнего порога дифференциального дискриминатора 5, а порог дискриминации по форме должен быть установлен таким образом, чтобы дискриминировались по форме только импульсы, имеющие одноэлектронную форму. На фиг.3 представлена форма импульсов напряжения на выходе специально разработанного спектрометрического усилителя, имеющего постоянную интегрирования 700 нс и с дифференцированием на короткозамкнутой линии задержки, для одноэлектронных импульсов(кривая

12) и сцинтилляционных (кривая 13). Скорость счета импульсов, вырабатываемых схемой 7 совпадений, регистрируется пересчетным прибором 8. Поправка к измеренной скорости счета фотонов на пересчет сцинтилляцион н ых импульсов, соответствующих одноэлектронной регистрации, определяется следующим образом.

По измеренным амплитудам одноэлектронного Аэ и сцинтилляционного А, импульса определяется среднее число фотоэлектронов (, пропускаемых фотокатодом ФЭУ при одном акте регистрации рентгеновского фотона сцинтилляционным детектором

Так, например, для энергии KX-фотонов от радионуклидного источника Fe 5,9 кэВ и детектора Nal(TI)+ ФЭУ 140 среднее число фотоэлектронов (составляет 8, Затем рассчитывается из распределения Пуассона вероятность P возникновения всего одного фотоэлектрона при одном акте регистрации рентгеновского фотона. Для данного примера

x=1; (=8

P(l)=8 е =2,6 10

При регистрации фотонов с более низкой энергией необходимо учитывать также и вероятность P{o); т.е. случай, когда фотоэлектроны вовсе отсутствуют, Для данного примера эта поправка в 8 раз меньше, чем

P(I), и ею можно пренебречь. Погрешность определения P(l) для данного примера, как правило, меньше 10 ф, и обусловлена погрешностью определения среднего числа фотоэлектронов, т.е. поправка к счету импульсов 0,267ь 0,03;,. Аналогичная поправка на экстраполяцию к нулевой энергии, приведенная в известном решении, составляет 3,9 и 0,6%, что на порядок хуже, чем в настоящем техническом решении, и к тому же она и ее погрешность резко возрастают с уменьшением энергии регистрируемых рентгеновских фотонов, Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить на порядок основную поправку и ее погрешность при измерении потока низкоэнергетических фотонов, а также расширить диапазон измерений в область более низких энергий от 5 до 2 кэВ. 8 этом диапазоне энергий погрешность опре40 деления эффективности кристалла будет больше, но в настоящее время методов измерений потока фотонов в этом энергетическом диапазоне, даже с большой погрешностью, нет. А этот диапазон очень

45 важен как для калибровки детекторов низкоэнергетического рентгеновского излучения, так и для аттестации серийно выпускаемых источников, например, тритий-циркониевых источников для рентгенофлуоресцентного анализа с энергией характеристического излучения 2,5 кэВ.

Испытания макета устройства подтвердили, что данный способ применим для всех типов сцинтилляционных детекторов, представляющих собой комбинацию сцинтиллятор — ФЭУ при условии, что функция высвечивания используемого сцинтиллятора имеет период высвечивания, как минимум, на порядок большую величину чем временное разрешение используемогп

1604013

Применение ФЭУ с диодной системой на основе микроканальных пластин, обладающих более высоким временным разрешением 0,1-0,2 нс, позволяет использовать и более быстрые сцинтиллято- 10 ры типа стильбен, антрацен. ния 0,2 - 0,5 мас., серы 0,2 - 0,36 мас,%

15 при следующем соотношении компонентов композиции, мас. : поли(зтилен)дизтилен гликольмалеинатфталата 65 -ный раствор в стироле или его

20 смеси с метилметакрилатом 3-13

Полиэтилен 25-30

Диэтиламиноэтилметакрилат 22,7 - 30

Метил метакрилат 20- 30

Азодиизобутиронитрил 1-3

Полые микросферы на основе фенолформальдегидной смолы

Гидроперекись изопропилбензола 0,08- 0,15

8 -ный раствор нафтената кобальта в стироле

Укаэанная смесь солей

8-10

0,02 - 0,05

1-3

ФЗУ, Это условие хорошо выполняется для сцинтилляционных кристаллов Nal(TI), Csl u

ФЭУ типа ФЭУ-35, 140, имеющих временное разрешение 1 нс.

Формула изобретения

ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ

ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОГО МАТЕРИАЛА, включающая 65 -ный раствор поли(этилен)диэтиленгликольмалеинатфталата в стироле или его смеси с метилметакрилатом, полиэтилен, диэтиламинозтилметакрилат, гидроперекись изопропилбензола, 8 -ный раствор нафтената кобальта в стироле и смесь солей, отличающаяся тем, что, с целью приближения состава тканеэквивалентного материала к биологической легочной ткани; она дополнительно содержит метилметакрилат. полые микросферы на основе фенолформальдегидной смолы и аэодиизобутиронитрил, а в качестве смеси солей - соли щелочных или щелочноземельных металлов минеральных кислот с содержанием кальция 0,2 - 0,5 мас., маг(56) I.L. СаарЬеИ and L.À, McNelles, An intercomparison of effIciency-calibratIon

techniques for semIconductor Х-ray

detectors. Nucf. Instrum. and Methods. 1975, v.125, р,205 — 223.

D. Smith and M,l. Woods. Report on the

International comparison of activity measurements of a, solution of Fe. Rapport BIPM82/2 Bureau international des Polds et

Mesures Pavillon de Breteull, F-92310

Sevres. 1982, р.1-30.

1604013

Составитель М,Данилов

1ехред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор T.Ëoøêàðåâà

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

Заказ 3352

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 и (ggnpgeeeue) Фиг. 2