Детектор излучения, система и способ детектирования рентгеновского излучения при снижении слабого фонового шума
Изобретение относится к детекторам рентгеновского излучения, основанным на ионизации газов. Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании детектора и способа измерений, обеспечивающих повышение отношения сигнал/шум за счет уменьшения влияния слабого фонового шума, имеющего сплошной спектр. Предложенный детектор содержит заключенную в замкнутой области газовую среду, наружную стенку, ограничивающую указанную область, и электроды для сбора образованных свободных зарядов. При этом указанная замкнутая область включает в себя первую детекторную область, вторую детекторную область и стенку, выполненную из сетки или отдельных проволок с возможностью иметь потенциал катода и расположенную между первой детекторной областью и второй детекторной областью таким образом, что первая детекторная область заключена внутри указанной стенки. Вторая детекторная область отделяет первую детекторную область от наружной стенки, ограничивающей указанную замкнутую область, причем детектор излучения содержит первые электроды для сбора свободных зарядов в первой детекторной области и вторые электроды для сбора свободных зарядов во второй детекторной области. Данный детектор реализует соответствующий способ измерения радиоактивного излучения. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к детекторам рентгеновского излучения, основанным на ионизации газов. Более конкретно, изобретение относится к задаче повышения отношения сигнала/шум для детекторов указанного типа путем уменьшения слабого фонового шума.
Уровень техники
Методы рентгеновской флуоресценции используются в основном при анализе содержания определенных веществ в исследуемом образце. Для осуществления анализа применяется источник, испускающий рентгеновское излучение (называемое в этом случае возбуждающим излучением), с обеспечением возможности попадания этого излучения внутрь образца, где оно возбуждает его атомы. В результате релаксации из возбужденного состояния атом образца испускает излучение флуоресценции. Возбужденное состояние соответствует количеству энергии, которое является специфичным (характерным) для атомов каждого элемента. По измерениям спектра излучения флуоресценции можно определить ингредиенты образца и содержание в нем различных элементов.
При измерении излучения флуоресценции ключевым фактором является детектор излучения, который преобразует фотоны, испытавшие соударения внутри детектора, в электрические сигналы. Данный детектор должен быть энергодисперсионным; это означает, что для каждого попавшего на него излученного фотона он должен выработать сигнал, характеризующий энергию этого фотона. К известным типам энергодисперсионных детекторов излучения относятся, например, газонаполненные ионизационные камеры и пропорциональные счетчики, а также полупроводниковые детекторы. Настоящее изобретение относится к газонаполненным детекторам. В детекторах данного типа излученный фотон, попавший внутрь детектора, генерирует в среде (газовой) некоторое количество положительных и отрицательных зарядов, которые под действием сильного постоянного электрического поля собираются на соответствующих электродах. Количество образовавшихся зарядов пропорционально энергии сгенерировавшего их фотона. Когда заряды собираются на электродах, они мгновенно изменяют потенциал этих электродов пропорционально количеству поступивших на них зарядов.
Измеряя изменение потенциала электрода, можно получить электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна количеству зарядов, созданных в среде, а следовательно, и энергии флуоресцентного фотона, подлежащей измерению. Электрические сигналы собирают в многоканальном анализаторе, который подсчитывает количества сигналов, представляющих различные значения энергии. Тем самым формируется спектр излучения, в котором положение пика на шкале энергий указывает на присутствие в образце некоего элемента, тогда как относительная высота каждого пика соответствует содержанию данного элемента в образце.
Ионизационная камера и пропорциональный счетчик соответствуют двум типам газонаполненных детекторов. Основное различие между ними заключается в том, собираются ли на электродах только заряды, создание которых обусловлено лишь прямым взаимодействием между атомами (ионизационная камера), или используется так называемое усиление в газе, т.е. размножение свободных зарядов за счет того, что испускаемые электроны ионизируют новые атомы в среде (пропорциональный счетчик). Настоящее изобретение, в первую очередь, предназначено для применения в пропорциональных счетчиках. Однако тот же самый принцип может быть реализован и применительно к ионизационным камерам.
На фиг.1 представлена схематичная иллюстрация, в сечении, известного газонаполненного пропорционального счетчика трубчатой формы. Счетчик данного типа может быть использован, например, как детектор для фотонов рентгеновской флуоресценции, когда энергии фотонов флуоресценции (называемых далее флуоресцентными фотонами) имеют порядок нескольких килоэлектронвольт. Детектор содержит цилиндрическую оболочку 101, которая с обоих концов герметично перекрыта двумя плоскими взаимно параллельными пластинами, расположенными перпендикулярно центральной оси оболочки 101. Образованный таким образом замкнутый объем содержит газ. Оболочка 101 снабжена окном 102, проницаемым для рентгеновских лучей, так что фотоны рентгеновского излучения, подлежащего измерению, проходят внутрь детектора сквозь данное окно.
В середине цилиндрической области, заданной оболочкой 101, расположен анод 103 в виде проволоки, параллельной центральной оси оболочки 101 и проходящей от одной плоской пластины, ограничивающей объем детектора, до другой пластины. Оболочка 101 и проволочный анод 103 выполнены из электропроводного материала и изолированы друг от друга. Положительный полюс высоковольтного источника 104 соединен через резистор 105 с анодом 103, а его отрицательный полюс - с оболочкой 101. От линии, соединяющей резистор 105 и проволочный анод 103, сделан отвод через конденсатор 106 к выходной клемме 107, с которой снимается измерительный сигнал. От этой клеммы сигналы могут подаваться через усилитель на многоканальный анализатор (не изображен).
Когда фотон 110 излучения флуоресценции поступает в детектор через окно 102, наиболее вероятным вариантом его взаимодействия с газом, служащим в качестве рабочей среды, является фотоэффект, т.е. выбивание так называемого фотоэлектрона из одного из атомов среды. Энергия полученного таким образом фотоэлектрона равна энергии выбившего его фотона за вычетом энергии связи, которую нужно разорвать для того, чтобы высвободить электрон из атома. Фотоэлектрон проходит в среде определенное расстояние 111, взаимодействуя при этом с другими атомами и выбивая из них при этом наружные электроны. В результате в среде образуется некоторое количество свободных зарядов. Предположим, что рассматривается флуоресцентное излучение атома серы. В этом случае энергия флуоресцентного фотона составляет около 2,3 кэВ, а расстояние, проходимое электроном (длина пробега), - около 1-3 мм. Электрическое поле между проволочным анодом 103 и оболочкой 101 направляет создаваемые свободные электроны на анод, так что величина отрицательного зарядного импульса, принимаемого анодом, пропорциональна энергии фотона, который выбивает исходный (первый) фотоэлектрон.
В реальных измерениях флуоресценции было обнаружено, что, в дополнение к истинным фотонам 110 флуоресценции, на детектор попадают когерентные фотоны, рассеянные образцом, а также фотоны, создаваемые при комптоновском рассеянии. Известно, что энергия возбуждающего излучения может быть выбрана таким образом, чтобы энергия фотонов рассеянного излучения (называемых далее также рассеянными фотонами) была бы выше энергии фотонов флуоресценции. В этом случае рассеянные фотоны не смешиваются с фотонами флуоресценции, подлежащими измерению. Однако при этом возникает проблема, называемая неполным сбором заряда. Она состоит в том, что рассеянный высокоэнергетический фотон 112 выбивает фотоэлектрон, обладающий энергией, которая позволяет ему пройти расстояние 113. Однако этот фотоэлектрон попадает на оболочку 101 до того, как он израсходует всю свою энергию путем ионизации атомов среды. Частичный проход высокоэнергетического фотоэлектрона через среду оставляет за собой множество зарядов, количество которых лишь частично зависит от начальной энергии фотона. Если количество таких зарядов окажется равным количеству зарядов, созданных фотоном флуоресценции, имеющим определенную энергию, рассеянный высокоэнергетический фотон будет ошибочно учтен как фотон флуоресценции. В любом случае значение описанного неполностью собранного заряда не привязано ни к какому определенному энергетическому уровню, типичному для некоторого атома. Как следствие, прием такого заряда приводит к появлению в результатах измерений слабого фонового шума, имеющего непрерывный энергетический спектр. В условиях низких содержаний контролируемых элементов подобный шум ограничивает чувствительность флуоресцентного анализа, поскольку в измерительных каналах, соответствующих интересующим энергиям фотонов, статистическое распределение импульсов определяется относительно распределения фонового шума.
Падение фотоэлектрона на стенку детектора в сочетании с обусловленным таким падением неполным сбором заряда называется граничным эффектом (эффектом стенки). Высокоэнергетический фотоэлектрон может быть создан также в материале окна 102 в результате взаимодействия фотона рассеянного излучения с материалом окна. В этом случае фотоэлектрон отдает, по меньшей мере, часть своей энергии при взаимодействии с атомами материала окна. Однако он также может пройти через материал окна внутрь детектора, где он расходует оставшуюся часть энергии на ионизацию атомов среды и на создание тем самым слабого фонового шума.
Слабый фоновый шум возникает также, когда попавший внутрь детектора фотон рассеивается к концевой части детектора до того, как произойдет его взаимодействие с атомом газа. В концевой части детектора электрическое поле между электродами слабее, чем вблизи центральной точки детектора. Это приводит к снижению усиления в газе, т.е. к уменьшению количества зарядов, которые собираются на электродах в результате их выбивания фотоном излучения, имеющим определенную энергию. Ослабление электрического поля в направлении концевой части детектора описывается непрерывной функцией; как следствие, снижение усиления в газе также представляет собой непрерывную функцию. Именно этим объясняется появление слабого фонового шума сплошного спектра также и вследствие ослабления электрического поля в концевых частях детектора.
В работе M-L.Järvinen, H.Sipilä: "Wall Effect and Detection Limit of the Proportional Counter Spectrometer", Advances in X-Ray Analysis, Vol.27, pp.539-546, Plenum Publishing Corporation, 1984 для устранения слабого фонового шума предлагается, в числе других мер, использовать анализ времени нарастания, т.е. воспользоваться известной особенностью измерительных импульсов, состоящей в том, что ионизация, происходящая вблизи проволочного анода, изменяет потенциал анода более резко, чем ионизация, происходящая на удалении от проволочного анода, вблизи стенки детектора. В этой же работе предлагается применить импульсное возбуждающее излучение и принимать измерительные сигналы с задержкой относительно импульса излучения, причем только в пределах определенного временного окна. Однако реальные эксперименты показали, что дискриминация между приемлемым и неприемлемым импульсом должна производиться во время такого отрезка нарастания импульса или распределения времени поступления импульса, в котором производная этого распределения является значительной (т.е. имеет место существенное изменение измеряемой величины как функции количества измерительных импульсов). По этой причине результаты, полученные предложенными методами, чувствительны к случайным колебаниям. В вышеупомянутой публикации делается вывод о том, что для снижения уровня слабого фонового шума важно правильно подобрать газ-наполнитель.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании детектора и способа измерений, обеспечивающих повышение отношения сигнал/шум за счет уменьшения влияния слабого фонового шума, имеющего сплошной спектр.
Указанная задача решена за счет формирования в детекторе двух детекторных областей, расположенных соответствующим образом одна относительно другой. При этом только первая детекторная область генерирует истинные измерительные импульсы, а те измерительные импульсы, которые возникают одновременно с импульсом совпадения, получаемым от второй детекторной области, игнорируются. Еще одним фактором, способствующим достижению задачи, решаемой изобретением, является сокращение эффективного расстояния между электродами в тех частях детектора, в которых следует ожидать естественного ослабления электрического поля.
Детектор излучения согласно изобретению характеризуется признаками, включенными в отличительную часть независимого пункта формулы изобретения, относящегося к детектору.
Изобретение относится также к системе для энергодисперсионного детектирования, которая характеризуется признаками, включенными в отличительную часть независимого пункта формулы изобретения, относящегося к данной системе.
Кроме того, изобретение относится к способу энергодисперсионного детектирования, который характеризуется признаками, включенными в отличительную часть независимого пункта формулы изобретения, относящегося к данному способу.
Как известно, неполный сбор заряда обусловлен тем обстоятельством, что фотон, испытывающий соударения внутри детектора, создает фотоэлектрон, который не ионизирует среду в детекторе с использованием всей своей энергии, но отдает неизвестное количество энергии стенке детектора или его окну. В соответствии с изобретением вырабатывается двоичное указание (типа "да/нет") в отношении того, имела ли место обнаруженная ионизация полностью в "приемлемой" области детектора или нет. Практически это осуществляется выполнением в детекторе двух отдельных детекторных областей, которые генерируют импульсы независимо одна от другой. Эти области расположены таким образом, что вторая детекторная область отделяет первую детекторную область от тех частей детектора, которые могут вызвать граничный эффект. Во вторую детекторную область попадают только такие фотоэлектроны, энергия которых не была полностью поглощена в первой детекторной области.
Импульсы, генерируемые в первой детекторной области, называются в контексте настоящего изобретения измерительными импульсами. С точки зрения дисперсии по энергиям необходимо, чтобы величина измерительного импульса, генерируемого детектором, была пропорциональна количеству энергии, которая была поглощена в первой детекторной области путем образования в ней свободных зарядов. Импульсы, генерируемые во второй детекторной области, называются импульсами совпадения. Эти импульсы не должны быть пропорциональны энергии, которая была поглощена во второй детекторной области: с точки зрения измерений достаточно, чтобы импульс совпадения мог указать, что данный фотоэлектрон вызвал ионизацию также и во второй детекторной области. В том случае, когда детектор генерирует импульс совпадения одновременно с каким-либо измерительным импульсом, данный измерительный импульс должен игнорироваться (отбрасываться) при формировании истинного спектра, подлежащего анализу. Действительно, одновременный прием также и импульса совпадения указывает, что соответствующий измерительный импульс не несет полной (т.е. истинной) информации об энергии фотона, приведшего к формированию этого измерительного импульса.
Применительно к газонаполненному детектору трубчатой формы принцип изобретения наиболее эффективно реализуется при коаксиальном построении детектора. В этом случае первая детекторная область имеет форму цилиндра и расположена в средней части детектора, тогда как вторая детекторная область имеет форму тороида и расположена вокруг первой детекторной области. Указанные детекторные области разделены стенкой в форме трубки, коаксиальной центральной оси детектора и выполненной из проволок, сетки или какой-либо иной структуры, имеющей высокую проницаемость для электромагнитного излучения. Таким образом, первая детекторная область заключена внутри указанной стенки, тогда как вторая детекторная область занимает оставшееся пространство между данной стенкой и наружной стенкой детектора.
В соответствии с известным принципом построения детектора первая детекторная область содержит, по меньшей мере, один анод. Для того чтобы обеспечить возможность генерации импульсов во второй детекторной области, она также должна быть снабжена анодом. В предпочтительном варианте анод второй детекторной области выполнен из сетки или из некоторого количества проволок, пересекающих вторую детекторную область между стенкой, разделяющей детекторные области, и наружной стенкой детектора. Для того чтобы стенка, расположенная между детекторными областями, могла функционально разделять эти области, она должна быть изготовлена из электропроводного материала и присоединена к источнику заданного потенциала, отличного от анодного потенциала. В предпочтительном варианте она имеет потенциал Земли.
В процессе работы системы детектирования, использующей как измерительные импульсы, так и импульсы совпадения, наиболее важным условием, в контексте настоящего изобретения, является обнаружение одновременности возникновения этих импульсов. Сигналы, соответствующие измерительным импульсам и импульсам совпадения, целесообразно направлять по двум отдельным цепям усиления и детектирования на анализатор, главной задачей которого является сбор сигналов, соответствующих измерительным импульсам, и их регистрация в форме спектра. При этом анализатор выполнен с возможностью обнаружения одновременного поступления сигналов, поступающих через две указанные цепи усиления и детектирования, и отбрасывания тех измерительных импульсов, которым соответствует одновременно поступивший импульс совпадения.
Слабый фоновый шум, возникающий вследствие ослабления электрического поля, может быть устранен благодаря учету того обстоятельства, что интенсивность электрического поля зависит не только от разности потенциалов электродов, но также и от расстояния между ними. Расстояние между электродами может быть уменьшено в тех частях детектора, где электрическое поле, без принятия этой меры, было бы более слабым. В детекторе трубчатой формы такое уменьшение может быть осуществлено установкой в концевых частях детектора кольцевых элементов из электропроводного материала, которые уменьшают эффективный диаметр детектора в этих концевых частях.
Перечень чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на предпочтительные варианты его выполнения и на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 представлен, на виде в поперечном сечении, известный детектор трубчатой формы;
фиг.2 иллюстрирует принцип действия детектора согласно изобретению;
фиг.3а и 3b иллюстрируют принцип снижения уровня слабого фонового шума, на основе которого построен предпочтительный вариант изобретения;
на фиг.4 представлен частичный вид предпочтительного варианта выполнения детектора;
на фиг.5 показано поперечное сечение детектора по фиг.4;
фиг.6 иллюстрирует систему детектирования, соответствующую предпочтительному варианту изобретения;
на фиг.7 представлена блок-схема способа детектирования согласно предпочтительному варианту изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Прибор, показанный на фиг.1, был уже описан при анализе уровня техники; далее при описании изобретения и предпочтительных вариантов его осуществления будут приводиться ссылки, в основном, на фиг.2-7. Для обозначения аналогичных деталей и частей на чертежах использованы аналогичные обозначения. В контексте настоящего изобретения слово "содержит" используется в качестве открытого (не исчерпывающего) термина, не исключающего возможности того, что описываемая структура может иметь в своем составе и другие элементы. Дополнительные признаки изобретения, включенные в зависимые пункты, могут свободно комбинироваться друг с другом, если противоположный вариант не оговорен специально. При этом предпочтительные варианты осуществления, приводимые в качестве примера, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения, определяемый приведенной далее формулой изобретения.
Фиг.2 иллюстрирует принцип действия детектора согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Этот принцип направлен на обнаружение (распознавание) того факта, что конкретный измерительный импульс был получен в результате неполного сбора заряда. Газонаполненный детектор 201 фотонов рентгеновской флуоресценции (рентгеновских флуоресцентных фотонов) ограничен наружными стенками 202 и 203, в первой из которых имеется окно 204 для ввода подлежащих измерению фотонов в детектор 201. Детектор 201 разделен на две детекторные области 205, 206. Вторая детекторная область 206 отделяет первую детекторную область 205 от стенок 202 и 203 детектора и от окна 204. Детекторные области 205 и 206 разделены стенкой 207, характеризующейся очень малым сечением взаимодействия с рентгеновскими фотонами. Первая детекторная область 205 содержит, по меньшей мере, один анод 208; аналогично, вторая детекторная область 206 также содержит, по меньшей мере, один анод 209. Потенциал стенки 207 существенно отличается от потенциала анодов 208 и 209. В типичном случае аноды 208 и 209 имеют заданные высокие положительные потенциалы, необязательно близкие друг другу, тогда как стенка 207 и наружные стенки 202 и 203 имеют нулевой потенциал (потенциал земли).
Принцип действия, иллюстрируемый фиг.2, основан на том обстоятельстве, что детекторная область 205 выполнена достаточно широкой, причем свойства заключенной в ней среды таковы, что полная энергия рентгеновских флуоресцентных фотонов в интересующем энергетическом интервале с высокой вероятностью поглощается в этой первой детекторной области 205. В отличие от этого размеры и свойства второй детекторной области 206 выбраны таким образом, что существует лишь малая вероятность того, что интересующий рентгеновский флуоресцентный фотон, входящий в детектор, вызовет какое-то фотоэлектрическое явление уже при прохождении через вторую детекторную область 206, расположенную непосредственно за окном 204. Таким образом, когда рентгеновский флуоресцентный фотон интересующего типа входит в окно 204, он с высокой вероятностью взаимодействует со средой, находящейся в первой детекторной области 205, создавая при этом некоторое количество свободных зарядов. Количество созданных свободных зарядов пропорционально энергии, которой обладал фотон после прохождения через окно 204. Электрическое поле между анодом 208 и стенкой 207, служащей в качестве катода, направляет свободные отрицательные заряды к аноду 208. В результате измерительный контур (не изображен), следящий за потенциалом анода, обнаруживает колебание (выброс, или короткий одиночный импульс) потенциала анода 208 и генерирует измерительный импульс на основе данного всплеска. В соответствии с известным принципом работы пропорционального счетчика значение измерительного импульса пропорционально количеству зарядов, собранных анодом 208, т.е. энергии обнаруженного фотона рентгеновской флуоресценции.
Электрическое поле направляет свободные положительные заряды в направлении катода, так что теоретически возможно сформировать измерительный импульс и путем наблюдения выбросов потенциала катода. Однако на практике структурные факторы и более высокая подвижность электронов по сравнению с положительными ионами приводят к тому, что в реально осуществимых решениях измерительные импульсы генерируются на основе изменений потенциала анода. Измерение потенциала катода применяется, в основном, в полупроводниковых детекторах, поскольку разница в подвижности электронов и дырок не столь велика.
Если рассеянный высокоэнергетический фотон попадает в детектор 201 через окно 204, он создает фотоэлектрон в первой детекторной области 205 аналогично тому, как это делают интересующие рентгеновские флуоресцентные фотоны. Энергия высокоэнергетического фотоэлектрона может быть столь высока, что он не поглотится полностью при ионизирующем взаимодействии со средой в первой детекторной области 205, а пройдет сквозь стенку 207 и достигнет второй детекторной области 206. Во второй детекторной области 206 он также взаимодействует со средой, создавая тем самым свободные заряды. Во второй детекторной области 206 на свободные заряды также действует электрическое поле; как следствие, отрицательные заряды во второй детекторной области 206 попадают на аноды 209. Наблюдение за потенциалом анодов 209 делает возможным формирование импульсов точно таким же образом, как это было описано выше, применительно к первой детекторной области. Применительно к настоящему изобретению подобные импульсы называются импульсами совпадения.
Таким образом, в результате взаимодействия между фотоэлектроном, созданным высокоэнергетическим фотоном и средой, заполняющей детектор 201, генерируются, причем практически одновременно, как измерительный импульс, так и импульс совпадения. В типичных практических вариантах размеры детектора выбираются порядка нескольких миллиметров, максимум десятки сантиметров, так что задержку в выбивании фотоэлектронов между первой и второй детекторными областями можно не учитывать. Возможные задержки, в основном, возникают при работе измерительной электроники. В связи с этим для обеспечения одновременного появления измерительного импульса и импульса совпадения, соответствующих одному высокоэнергетическому фотону, следует добиться того, чтобы в обеих ветвях измерительной электроники (не изображена), работающих с измерительными импульсами и импульсами совпадения, задержки имели одинаковую длительность (в пределах оптимальной точности).
Малое сечение взаимодействия материала стенки 207 с фотоэлектронами является важным условием правильного функционирования детектора, направленным на предотвращение поглощения высокоэнергетического фотона в стенке 207 после того, как он пройдет через первую детекторную область 205. Малое сечение взаимодействия может быть обеспечено несколькими путями, которые сами по себе известны. Поскольку назначение стенки 207, в основном, связано с созданием электрического поля, оптимальным вариантом является ее выполнение из сетки или отдельных проволок, между которыми образуется прямой проход из первой детекторной области 205 во вторую детекторную область 206.
Фиг.3а и 3b иллюстрируют структурный принцип, на основе которого построен предпочтительный вариант изобретения. Реализация этого принципа в газонаполненном детекторе рентгеновского флуоресцентного излучения обеспечивает снижение слабого фонового шума. На фиг.3а представлена часть известного газонаполненного детектора. Детектор обладает цилиндрической симметрией относительно центральной оси 301; при этом он снабжен проволочным анодом 302, расположенным на центральной оси 301. Проволочный анод 302 своим концом прикреплен с помощью зажимного элемента 303 к изолирующей пластине 304. Изолирующая пластина 304 выполнена круглой; она установлена под прямым углом к центральной оси 301. По наружной поверхности пластины 304 размещены несколько зажимных элементов 305 для проволочных катодов. Указанные зажимные элементы 305 обеспечивают фиксацию проволочных катодов 306, а также проволочного анода 302 в заданных положениях. На противоположном конце детектора имеются соответствующая изолирующая пластина и зажимные элементы для проволочных анода и катодов (не изображены). Центральная ось 301 детектора может рассматриваться и как его продольная ось.
Свободный отрицательный заряд 307 находится вблизи середины продольной оси детектора, т.е. довольно далеко от его концов. Он подвергается действию силы, которая притягивает его к проволочному аноду 302. Значение силы притяжения прямо пропорционально величине заряда 307 и напряженности электрического поля в месте нахождения заряда. Значение напряженности поля можно подсчитать. В одном из возможных методов расчета полная длина проволочных катодов 306 и анода 302 разбивается на предельно малые отрезки, после чего производится расчет вектора электрического поля, которое создает каждый такой малый отрезок в точке нахождения свободного заряда 307. Затем интегрированием по всем единичным отрезкам определяется суммарный вектор. Применительно к центральной области детектора данный расчет может быть упрощен в предположении, что концевые части детектора оказывают относительно слабое влияние на результирующее электрическое поле. В этом случае уравнение Лапласа, применяемое для расчета электрического поля, может быть записано в цилиндрических координатах, что соответствует игнорированию аксиальной компоненты поля (z компоненты).
Свободный отрицательный заряд 308 аналогичен заряду 307, однако, он расположен вблизи конца детектора. Он также подвергается воздействию силы, притягивающей его к проволочному аноду 302. Если, однако, произвести расчет электрического поля в точке, где расположен заряд 308, будет обнаружено, что указанное электрическое поле - и, следовательно, соответствующая ему сила, действующая на заряд 308, - меньше, чем для зарядов 307. Можно объяснить этот результат тем, что предельно малые отрезки анода и катодов, которые создают электрическое поле, расположены относительно точки нахождения зарядов 308, в основном, на том же уровне или ниже ее, тогда как вклад в электрическое поле в точке нахождения зарядов 307 вносят предельно малые отрезки анода и катодов, лежащие как выше, так и ниже этой точки. В процессе работы детектора меньшая напряженность электрического поля в точке нахождения зарядов 308 приводит к появлению компонента слабого фонового шума, как это уже было описано раньше при анализе уровня техники.
Одно, достаточно очевидное решение задачи снижения уровня слабого фонового шума, обусловленного рассмотренной причиной, могло бы заключаться в увеличении длины детектора. В этом случае доля фотонов, которые будут рассеяны вплоть до концевых частей детектора, уменьшится по чисто геометрическим причинам. Однако увеличение длины детектора увеличит затраты на его изготовление и сделает детектор более громоздким, т.е. неудобным в использовании. Кроме того, на детекторы, подлежащие установке, например на спутниках, часто накладываются ограничения в части их максимальных размеров.
На фиг.3b представлена часть детектора, который аналогичен известному, но в котором согласно предпочтительному варианту изобретения к изолирующей пластине 304, установленной на конце детектора, прикреплено кольцо 310, выполненное из электропроводного материала и расположенное соосно с изолирующей пластиной 304 и проволочным анодом 302. Кольцо 310 имеет тот же потенциал, что и проволочные катоды 306. Благодаря наличию проводящего кольца 310 заряд 308, находящийся вблизи конца детектора, подвергается воздействию более сильного электрического поля, т.е. большей силы, притягивающей его к аноду 302, чем аналогичный заряд в детекторе по фиг.3а. Действительно, хотя разность потенциалов между проволочными катодами и анодом остается неизменной, расстояние между проводящим кольцом 310 до анода 302 короче, чем расстояние между проволочными катодами 306 и проволочным анодом 302. Принцип, проиллюстрированный на фиг.3b, может быть обобщен следующим образом. В детекторе по изобретению расстояние между электропроводными объектами, имеющими потенциал анода и катода, в тех крайних точках детектора, в которых ограниченные размеры указанных объектов в заданном направлении привели бы к формированию более слабого электрического поля по сравнению с другими областями, удаленными от этих крайних точек, может быть сделано короче, чем в остальных областях детектора.
На фиг.4 представлен частичный вид, в разрезе, предпочтительного варианта выполнения детектора по изобретению. Детектор обладает, по существу, цилиндрической симметрией относительно своей геометрической (центральной) оси 400. Корпус (оболочка) детектора образован стенкой 401 в форме трубки, имеющей круглое поперечное сечение и расположенной коаксиально центральной оси 400. Материал и толщина стенки 401 подобраны таким образом, чтобы фотоны рентгеновского излучения не могли проникать сквозь нее. Внутри трубки, коаксиально ей, установлены две круглые изолирующие пластины 402 и 403, наружный диаметр которых равен или выбран несколько меньшим внутреннего диаметра трубки 401. Эти изолирующие пластины 402, 403 расположены под прямым углом к центральной оси 400 и закреплены в заданном положении внутри трубки 401 каким-либо известным способом. Пространство между изолирующими пластинами 402, 403 представляет собой активное пространство детектора, в котором происходит собственно детектирование (обнаружение) фотонов исследуемого излучения. На фиг.4 длина активного пространства, т.е. расстояние между изолирующими пластинами 402, 403, для большей наглядности представлена с относительным уменьшением по сравнению с реальными пропорциями. В реальных детекторах расстояние между указанными пластинами в типичном случае примерно в 4 раза превышает внутренний диаметр трубки 401.
Центральные точки изолирующих пластин 402, 403 соединены проволочным анодом 404, расположенным на центральной оси 400. Концы проволочного анода прикреплены к изолирующим пластинам 402, 403 с помощью зажимных элементов 405, 406. В дополнение к проволочному аноду 404 детектор содержит два кольца, образованных другими проволоками, расположенными параллельно проволочному аноду 404. Внутреннее кольцо содержит проволочные катоды 407, концы которых прикреплены к изолирующим пластинам 402, 403 с помощью зажимных элементов 408, 409. Внешнее кольцо содержит аноды 410 совпадений, концы которых прикреплены к изолирующим пластинам 402, 403 с помощью зажимных элементов 411, 412. К изолирующим пластинам 402, 403 прикреплены, кроме того, кольцевые элементы 413, 414, выступающие в активное пространство детектора, т.е. расположенные внутри наружной цилиндрической поверхности, образованной стенкой 401. В стенке 401, в центре активного пространства, выполнено окно, обладающее хорошей проницаемостью для рентгеновских флуоресцентных фотонов в интересующем интервале энергий.
На фиг.5 детектор по фиг.4 представлен в поперечном сечении плоскостью А-А. На фиг.5 показано, что проволочные катоды 407 и проволочные аноды 410 совпадений образуют два коаксиальных кольца вокруг проволочного анода 404. Если провести аналогию между структурой, представленной на фиг.5, и принципиальной схемой, приведенной на фиг.2, то в качестве первой детекторной области 501 можно рассматривать область с круглым поперечным сечением, которая расположена внутри кольца, образованного проволочными катодами 407. На фиг.5 эта область выделена штриховкой, идущей по диагонали слева вниз. Вторая детекторная область 502 имеет кольцевое поперечное сечение. С внутренней стороны она ограничена кольцом, образованным проволочными катодами 407, а снаружи - внутренними стенками трубки 401 и окном 415. На чертеже эта вторая детекторная область выделена штриховкой, идущей по диагонали слева вверх. Отдельные проволочные катоды 407 могут быть заменены цилиндрической катодной сеткой, расположенной в том же месте. Аналогичным образом, отдельные проволочные аноды 410 совпадений могут быть заменены цилиндрической анодной сеткой совпадений, расположенной в том же месте.
Для большей наглядности на фиг.4 и 5 относительные расстояния между внутренней поверхностью трубки 401 и кольцом, образованным проволочными анодами 410 совпадений, а также между указанным кольцом и кольцом, образованным проволочными катодами 407, изображены в увеличенном масштабе. В типичном газонаполненном детекторе в случае, когда диаметр трубки 401 составляет порядка 30-40 мм, оба названных расстояния составляют по 1-2 мм. На выбор конкретных значений этих расстояний влияет, среди прочих факторов, расстояние, которое проходит в типичном случае фотоэлектрон, выбитый рентгеновским флуоресцентным фотоном. Поперечный размер второй детекторной области, т.е. расстояние между кольцом, образованным проволочными катодами 407, и внутренней поверхностью трубки 401, не должно быть выбрано существенно превышающим типичную длину пробега фотоэлектрона, выбитого рентгеновским флуоресцентным фотоном. При выполнении этой рекомендации устраняется необходимость отбрасывать такие измерительные импульсы, которые связаны с фотоэлектроном, выбитым рентгеновским флуоресцентным фотоном вблизи кольца, образованного проволочными катодами 407, когда после формирования указанных импульсов фотоэлектрон начинает двигаться в направлении внутренней поверхности трубки 401.
Проволоки, которые в структуре, представленной на фиг.4 и 5, используются в качестве анодов и катодов, образуют механические препятствия для фотоэлектронов. Это приводит к неполному сбору заряда, если фотоэлектрон попадает на них до того, как его энергия будет полностью поглощена в среде. В связи с этим целесообразно сделать проволоки как можно более тонкими. В процессе экспериментов, выполненных при разработке настоящего изобретения, был использован детектор, у которого расстояние между изолирующими пластинами 402 и 403 составляло около 15 см, внутренний диаметр трубки был около 36 мм, а толщина поволок, образующих катоды и аноды 404, 407 и 410, соответствовала 13 мкм. При этом вторая детекторная область в типичном случае содержала 8-16 проволочных анодов 410, взаимно смещенных на одинаковое расстояние, тогда как количество проволочных катодов превышало количество проволочных анодов 410 в 1-3 раза.
Для того чтобы структура, показанная на фиг.4 и 5, функционировала в качестве детектора, трубка 401 должна быть герметизирована с обоих концов, т.е. должна быть сделана непроницаемой для газа. Кроме того, она должна быть заполнена соответствующим газом-наполнителем. В дополнение детектор должен содержать средства для подключения трубки 401 и проволочных катодов 407, а также кольцевых элементов 413, 414 к потенциалу земли (или к другому желательному катодному потенциалу), а также для подключения проволочного анода 404 и проволочных анодов 410 совпадений с желаемыми анодными потенциалами, которые должны быть более положительными, чем катодный потенциал. На практике выполнение этих требований обеспечивается применением известной технологии, причем практическое выполнение указанных средств не оказывает существенного влияния на осуществление настоящего изобретения.
Фиг.6 иллюстрирует систему детектирования, соответствующую предпочтительному варианту изобретения. Данная система детектирования содержит детектор 601, установленный с возможностью приема рентгеновских флуоресцентных фотонов. Анод или аноды, имеющиеся в детекторе 601, подключены через резистор R1 к источнику положительного потенциала +HV1, входящего, вместе с другими электрическими и электронными компонентами, в состав устройства для детектирования рентгеновских фотонов, составляющего часть системы детектирования. Анод или аноды совпадений, имеющиеся в детекторе 601, подключены через резистор R2 к источнику положительного потенциала +HV2. Корпус детектора 601 и имеющиеся в нем катод или катоды подключены к потенциалу Земли или, в более общем случае, к источнику катодного потенциала (не изображен).
От линии, соединяющей анод и резистор R1, сделан отвод через разделительный конденсатор С1 к малошумному предусилителю 602, который через линейный усилитель 603 подключен к входу 605 сигнала многоканального анализатора 604. Между анодами совпадений и резистором R2 предусмотрен отвод через разделительный конденсатор С2 к специальному малошумному предусилителю 606, который относится к каналу обработки сигнала совпадения и который через линейный усилитель 607 и логический блок 608 подключен к входу 609 совпадений многоканального анализатора 604.
Канал обработки измерительного сигнала, изображенный в нижней части устройства по фиг.6, не имеет существенных отличий от известных схем обработки сигналов, генерируемых в газонаполненных энергодисперсионных детекторах рентгеновского излучения. В состоянии покоя источник анодного потенциала +HV1 поддерживает анод детектора 601 под заданным потенциалом, который является значительно более положительным, чем потенциал катода. Когда детектор обнаруживает рентгеновский фотон, т.е. когда на анод внезапно попадает пачка отрицательных зарядов, потенциал анода резко изменяется и это изменение передается через разделительный конденсатор С1, служащий в качестве фильтра верхних частот, в виде входного сигнала напряжения на малошумный предусилитель 602. Предусилитель 602 усиливает сигнал и подает его на линейный усилитель 603. Здесь импульсный сигнал дополнительно усиливается перед его подачей на вход 605 измерительного сигнала многоканального анализатора 604. Многоканальный анализатор 604 измеряет уровень усиленного сигнального импульса и по результатам измерения принимает решение, в какой измерительный канал должен быть направлен данный импульс. На основе описанного процесса принятия решения многоканальный анализатор увеличивает количество детектированных импульсов в соответствующем измерительном канале.
Канал обработки импульса совпадения, изображенный в верхней части устройства по фиг.6, предназначен для обнаружения приема неполного импульса и для устранения слабого фонового шума согласно способу по изобретению. В состоянии покоя источник анодного потенциала +HV2 поддерживает аноды совпадений детектора 601 под заданным потенциалом, который является значительно более положительным, чем потенциал катода. Когда детектор обнаруживает рентгеновский фотон во второй детекторной области детектора 601, т.е. когда на анод совпадений внезапно попадает пачка отрицательных зарядов, потенциал анода совпадений резко изменяется и это изменение передается через разделительный конденсатор С2, служащий в качестве фильтра верхних частот, в виде входного сигнала напряжения на малошумный предусилитель 606. Предусилитель 606 усиливает сигнал и подает его на линейный усилитель 607. Здесь импульсный сигнал дополнительно усиливается; однако после этого усиленный сигнал не подается прямо на многоканальный анализатор 604, а поступает в логический блок 608. Назначение этого блока состоит в проверке, действительно ли уровень принятого импульса таков, что он указывает на сбор неполного заряда во второй детекторной области. При положительном результате логический блок генерирует импульс совпадения, уровень и длительность которого желательно сделать регулируемыми. В этом случае работа логического блока 608 может быть оптимальным образом согласована с работой многоканального анализатора 604. Импульс совпадения, генерируемый логическим блоком 608, подается на вход 609 совпадений многоканального анализатора 604. Многоканальный анализатор 604 запрограммирован таким образом, что при одновременном приеме импульсов на входе 605 измерительного сигнала и на входе 609 совпадений он игнорирует импульс на входе 605 измерительного сигнала.
К каналу (цепи) обработки сигнала совпадения (включающему в себя компоненты +HV2, R2, С2, 606, 607, 608, 609) не предъявляются такие же требования по линейности измерений, как к каналу (цепи) обработки измерительного сигнала (включающему в себя компоненты +HV1, R1, С1, 602, 603, 604, 605), поскольку, по существу, обнаружение совпадения соответствует двоичному процессу (типа "да/нет"). Важной частью канала обнаружения совпадения является логический блок 608, функция которого состоит в оценивании, какое из явлений, обнаруженных во второй детекторной области детектора 601, было обусловлено ионизацией, вызванной фотоэлектроном, а какое нет. Для того чтобы сделать эту оценку как можно более надежной, можно рекомендовать следующее общее правило: потенциал +HV2 анодов совпадений следует выбирать весьма высоким. Аналогично коэффициенты усиления усилителей 606 и 607 могут быть выбраны более высокими, чем соответствующие коэффициенты в измерительном канале, в котором выбор анодного потенциала +HV1 и коэффициенты усиления усилителей 602 и 603 определяются в основном исходя из требования линейности измерений по отношению к энергии фотонов.
На фиг.7 представлена блок-схема способа детектирования согласно предпочтительному варианту изобретения. На шаге 701 образец облучают соответствующим возбуждающим излучением. Формирование измерительных импульсов и импульсов совпадения происходит независимо. На фиг.7 это иллюстрируется наличием двух независимых ветвей измерений, которые имеют место вслед за шагом облучения (например, на протяжении воздействия возбуждающего излучения). Измерительные импульсы формируют при обнаружении коротких одиночных импульсов на шаге 702; затем на шагах 703 и 704 их подвергают фильтрации и усилению. Импульсы совпадения аналогичным образом формируют на шаге 705; затем на шагах 706 и 707 их подвергают фильтрации и усилению. На шаге 708 импульсу совпадения придают требуемую форму, что, по существу, означает генерирование импульса совпадения, имеющего требуемые уровень и длительность, в качестве отклика на решение о том, что наблюдение, сделанное на шаге 705, относится к ионизации, произведенной фотоэлектроном во второй детекторной области. Шаг 709 соответствует приему из контуров обработки как измерительного импульса, так и импульса совпадения. На шаге 710 производится проверка того, были ли названные импульсы из двух каналов получены одновременно. При отрицательном ответе импульс, принятый из канала обработки измерительного импульса, включают в регистрируемый спектр флуоресценции. Если на шаге 710 обнаруживается, что импульсы поступили одновременно, то импульс, принятый из канала обработки измерительного импульса, отбрасывается на шаге 712. Такие, в принципе возможные, импульсы, которые поступили только из контура обработки импульсов совпадения, без обнаружения одновременного измерительного импульса, не требуют принятия никаких мер.
При проведении реальных измерений было обнаружено, что система по фиг.6 и способ, иллюстрируемый фиг.7, улучшают отношение сигнал/шум в части слабого фонового шума вплоть до 15-50 раз по сравнению с системах, в которых не принимается во внимание сбор неполного заряда. Естественно, что использование согласно изобретению второй детекторной области для того, чтобы изолировать основную (первую) детекторную область от поверхностей, вызывающих граничный эффект, приводит к необязательному (в принципе) отбрасыванию части истинных измерительных импульсов в случаях, когда квант рентгеновской флуоресценции интересующего типа выбивает фотоэлектрон в непосредственной близости от стенки, разделяющей детекторные области, т.е. когда фотоэлектрон ионизирует среду в обеих детекторных областях, не попадая при этом на наружную стенку детектора. Однако подобные необязательные отбрасывания измерительных импульсов могут быть минимизированы за счет правильного выбора размеров детектора. Кроме того, детектор и измерительный контур в целом в любом случае должны быть прокалиброваны с использованием образцов с известным содержанием определяемых элементов. Как следствие, описанное необязательное отбрасывание измерительных импульсов не может исказить окончательный результат измерений.
1. Детектор излучения для энергодисперсионного детектирования рентгеновских фотонов, содержащий
заключенную в замкнутой области газовую среду для образования свободных зарядов в результате взаимодействия рентгеновского фотона с указанной средой,
наружную стенку (202, 203, 401), ограничивающую указанную область,
и
электроды (202, 203, 207, 208, 209, 302, 306, 401, 404, 407, 410) для сбора образованных свободных зарядов с формированием отклика, соответствующего обнаруженному рентгеновскому фотону,
отличающийся тем, что
указанная замкнутая область включает в себя первую детекторную область (205, 501), вторую детекторную область (206, 502) и стенку (207), выполненную из сетки или отдельных проволок (306, 407) с возможностью иметь потенциал катода и расположенную между первой детекторной областью (205, 501) и второй детекторной областью (206, 502) таким образом, что первая детекторная область заключена внутри указанной стенки (207),
вторая детекторная область (206, 502) отделяет первую детекторную область (205, 501) от наружной стенки (202, 203, 401), ограничивающей указанную замкнутую область, причем
детектор излучения содержит первые электроды (207, 208, 404, 407) для сбора свободных зарядов в первой детекторной области (205, 501) и вторые электроды (202, 203, 209, 401, 407, 410) для сбора свободных зарядов во второй детекторной области (206, 502).
2. Детектор излучения по п.1, отличающийся тем, что
указанная замкнутая область заключена между наружной цилиндрической поверхностью (401), указанными первым концом (402) и вторым концом (403), расположенными под прямым углом к продольной оси цилиндрической поверхности,
первая детекторная область (501) имеет форму цилиндра и расположена между указанными первым концом (402) и вторым концом (403) внутри наружной цилиндрической поверхности (401) и коаксиально ей,
вторая детекторная область (502) имеет, по существу, трубчатую форму и расположена между указанными первым концом (402) и вторым концом (403), а также между первой детекторной областью (501) и наружной цилиндрической поверхностью (401) коаксиально им, причем
наружная цилиндрическая поверхность (401) снабжена окном (415), которое является проницаемым для рентгеновского излучения и расположено на равном расстоянии между указанными первым концом (402) и вторым концом (403).
3. Детектор излучения по п.2, отличающийся тем, что
расположенная между первой и второй детекторными областями стенка (207), выполненная из сетки или отдельных проволок, образует, по существу, цилиндрический катод (407),
первая детекторная область (501) содержит первый анод (404),
вторая детекторная область (502) содержит второй анод (410).
4. Детектор излучения по п.3, отличающийся тем, что катод (407) образован проволоками, расположенными по образующим цилиндрической поверхности.
5. Детектор излучения по п.3, отличающийся тем, что катод (407) образован проволочной сеткой цилиндрической формы.
6. Детектор излучения по п.3, отличающийся тем, что первый анод (404) представляет собой проволоку, расположенную коаксиально первой детекторной области (501).
7. Детектор излучения по п.3, отличающийся тем, что второй анод (410) образован проволоками, расположенными по образующим цилиндрической поверхности, концентричной относительно второй детекторной области (502) и находящейся на равном расстоянии от первой детекторной области (501) и от наружной цилиндрической поверхности (401).
8. Детектор излучения по п.7, отличающийся тем, что катод (407) образован проволоками, расположенными по образующим цилиндрической поверхности, причем количество указанных проволок выбрано в 1-3 раза превышающим количество проволок (410), образующих второй анод.
9. Детектор излучения по п.3, отличающийся тем, что второй анод (410) образован проволочной сеткой цилиндрической формы, концентричной относительно второй детекторной области (502) и находящейся на равном расстоянии от первой детекторной области (501) и от наружной цилиндрической поверхности (401).
10. Детектор излучения по п.2, отличающийся тем, что на указанных первом конце (402) и втором конце (403) установлено по кольцевому элементу (413, 414), каждый из которых расположен внутри наружной цилиндрической поверхности (401), выполнен из электропроводного материала и имеет тот же потенциал, что катод (401, 407) детектора излучения.
11. Система энергодисперсионного детектирования рентгеновских фотонов, содержащая
детектор (601) излучения и
устройство для детектирования рентгеновских фотонов, испытавших соударения внутри детектора (601) излучения,
отличающаяся тем, что
детектор (601) излучения содержит первую детекторную область, вторую детекторную область, наружную стенку, ограничивающую детектор, и выполненную из сетки или отдельных проволок (306, 407) стенку (207), которая расположена между первой детекторной областью (205, 501) и второй детекторной областью (206, 502) и может иметь потенциал катода, причем первая детекторная область заключена внутри указанной стенки (207), а вторая детекторная область отделяет первую детекторную область от стенки, ограничивающей детектор,
указанное устройство содержит средства (+HV1, R1, C1, 602, 603, 604, 605) для детектирования рентгеновского фотона, испытавшего соударения в первой детекторной области, и средства (+HV2, R2, С2, 606, 607, 608, 609) для детектирования рентгеновского фотона, испытавшего соударения во второй детекторной области, причем
устройство выполнено игнорирующим отклики в первой детекторной области в случае одновременного детектирования отклика во второй детекторной области.
12. Система по п.11, отличающаяся тем, что
первая детекторная область содержит первый анод, а вторая детекторная область содержит второй анод,
первый анод соединен с источником первого анодного потенциала (+HV1), а второй анод соединен с источником второго анодного потенциала (+HV2),
средства для детектирования рентгеновского фотона, испытавшего соударения в первой детекторной области, содержат первый контур обработки сигнала (+HV1, R1, C1, 602, 603), выполненный с возможностью преобразования кратковременного изменения потенциала первого анода в сигнал в виде импульса напряжения с амплитудой, пропорциональной значению кратковременного изменения потенциала первого анода,
средства для детектирования рентгеновского фотона, испытавшего соударения во второй детекторной области, содержат второй контур обработки сигнала (+HV2, R2, С2, 606, 607, 608), выполненный с возможностью преобразования кратковременного изменения потенциала второго анода в сигнал в виде импульса напряжения, причем
устройство выполнено игнорирующим сигналы в виде импульса напряжения, генерируемые первым контуром обработки сигнала, в случае одновременного поступления сигнала в виде импульса напряжения, генерированного вторым контуром обработки сигнала.
13. Способ энергодисперсионного детектирования рентгеновских фотонов, включающий в себя операции, обеспечивающие
соударения (701) рентгеновских фотонов внутри детектора излучения и
формирование откликов (702, 703, 704, 705, 706, 707, 708), соответствующих рентгеновским фотонам, испытавшим соударения внутри указанного детектора,
отличающийся тем, что
независимо формируют отклики (702, 703, 704), соответствующие взаимодействиям, вызванным рентгеновскими фотонами, в первой детекторной области детектора излучения и отклики (705, 706, 707, 708), соответствующие взаимодействиям, вызванным рентгеновскими фотонами, во второй детекторной области детектора излучения, отделяющей первую детекторную область от наружной стенки, ограничивающей детектор (201) излучения,
игнорируют отклики (712), соответствующие взаимодействию в первой детекторной области, в случае одновременного приема отклика, соответствующего взаимодействию во второй детекторной области.
