Детектор ионизирующих излучений

Изобретение относится к области практической дозиметрии с использованием для лечения протонов и тяжелых ионов и может быть применено для лучевой терапии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей. Детектор ионизирующих излучений содержит тканеэквивалентный фантом, пятикомпонентную линзовую оптическую систему с высокой светосилой, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы и дополнительным суммированием кадров до выходного устройства матрицы ПЗС и компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением. Технический результат – упрощение оптической системы с сохранением качества оптического изображения, а также улучшение режимов работы телевизионной камеры. 2 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области практической дозиметрии с использованием для лечения протонов и тяжелых ионов и может быть применено для лучевой терапии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей.

Известен детектор - ионный монитор, предназначенный для измерений поперечного сечения пучка ускоренных протонов в широком диапазоне энергий (П. Рейнгардт-Никулин, Ю. Калинин, С. Латушкин и др. «Ионный монитор поперечного сечения протонного пучка промежуточных энергий линейного ускорителя ИЯИ РАН» // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно-физические исследования». 2008, №3, (49), с. 55-59), содержащий ионизационный датчик в вакуумном боксе, высоковольтные источники питания, электронно-оптический преобразователь с двумя микроканальными пластинами, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы, с термоэлектрическим охлаждением ПЗС матрицы и компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением, использующий режим накопления видеоинформации и обработку полученных изображений.

Недостатком этого детектора-ионного монитора является возможность повреждения телевизионной камеры и электронных узлов потоками вторичных γ-квантов и нейтронов.

Наиболее близким по технической сущности является детектор-ионизационный монитор, предназначенный для измерений поперечного сечения протонного пучка (П. Рейнгардт-Никулин, И. Васильев, С. Гаврилов и др. «Развитие ионизационного монитора поперечного сечения протонного пучка линейного ускорителя ИЯИ РАН» // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно-физические исследования». 2010, №2, (53), с. 39-43), содержащий ионизационный датчик в вакуумном боксе, высоковольтные источники питания, электронно-оптический преобразователь с люминофором, зеркально-линзовый тракт, состоящий из пяти линз и трех зеркал, позволяющий вывести излучение люминофора на расстояние, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы, с термоэлектрическим охлаждением ПЗС матрицы, оптоволоконную линию связи и компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением, использующий режим суммирования последовательности кадров и обработку полученных изображений.

Недостатком этого детектора-ионизационного монитора является использование сложных и дорогих электронно-оптических преобразователей с наличием высоковольтного напряжения, сложная зеркально-линзовая оптическая система из пяти линз и трех зеркал, а также осуществление режима суммирования последовательности кадров внешним компьютером со специализированным программным обеспечением.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение количества оптических компонентов и упрощение оптической системы с сохранением качества оптического изображения, а также улучшение режимов работы телевизионной камеры.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в детекторе ионизирующих излучений, содержащем тканеэквивалентный фантом, оптическую систему, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы и компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением, в отличие от известного оптическая система выполнена линзовой пятикомпонентной, содержащей первый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, третий компонент, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, пятый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а телевизионная камера имеет возможность осуществлять дополнительное суммирование кадров до выходного устройства матрицы ПЗС, при этом выполняются следующие соотношения:

где X - расстояние от объектива телевизионной камеры до оси радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме;

Y - длина тканеэквивалентного фантома;

n1, 2, 3, 4, 5 - показатели преломления материалов 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й линз соответственно;

A - знаменатель относительного отверстия оптики сопряжения;

EЭН - освещенность в тканеэквивалентном фантоме, создаваемая свечением области энерговыделения;

EПЗС - минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, знаменателе относительного отверстия, равном 1, при объединении nп пикселей в один и суммировании nк кадров в один.

Схема устройства детектора ионизирующих излучений показана на фиг. 1.

Детектор ионизирующих излучений содержит светозащищенный кожух 1, телевизионную камеру 2, оптическую систему 3, тканеэквивалентный фантом 4, входное окно 5, источник 6 пучка протонов 9, соединительные кабели 7, компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением 8.

Оптическая система и телевизионная камера показаны на фиг. 2.

Оптическая система содержит первый компонент 11, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второй компонент 12, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, третий компонент 13, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент 14, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, пятый компонент 15, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету. Телевизионная камера содержит матрицу ПЗС 16 и электронный узел 17.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (0,6÷1,0) мкм:

- расчетная длина волны - 0,7 мкм;

- фокусное расстояние - 4,29 мм;

- линейное поле зрения - 6,0 мм;

- относительное отверстие - 1:1

- параксиальное увеличение - -0,0162

Принцип действия детектора ионизирующих излучений заключается в следующем.

Светозащитный кожух 1 защищает тканеэквивалентный фантом 4 и телевизионную камеру 2 с оптической системой 3 от постороннего света. Оптическая система 3 позволяет разместить телевизионную камеру 2 на требуемом расстоянии X от тканеэквивалентного фантома 4, при этом выполняется следующее соотношение:

X=(0,5÷5,0)⋅Y

В варианте конструкции расстояние X составляет (250÷300) мм, величина Y составляет (280÷320) мм.

Оптическая система 3 выполнена линзовой пятикомпонентной, первый компонент 11 которой, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, развивает угловое поле зрения. Второй компонент 12, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к предмету в комбинации с третьим компонентом 13, выполненным в виде двояковыпуклой линзы, и четвертым компонентом 14, выполненным в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, формируют необходимую оптическую силу и осуществляют коррекцию монохроматических поперечных аберраций оптической системы 3. Пятый компонент 15, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, осуществляет коррекцию хроматических аберраций, астигматизма и кривизны поля зрения, при этом выполняется следующее соотношение:

n5≥n1≥n4≥n2=n3

В варианте оптической системы величины показателей преломления линз составляют: n5=2,556, n1=1,792, n4=1,651, n2=1,651, n3=1,651.

Радиотерапевтический пучок протонов 9 направляется источником 6 в тканеэквивалентный фантом 4 вдоль его оси через входное окно кожуха 5.

Слабое свечение 10, возникающее в тканеэквивалентном фантоме 4 в области энерговыделения, характеризуется длиной L с начальной координатой от входного окна тканеэквивалентного фантома 4 до пика Брэгга с резким спадом интенсивности (Институт ТиЭФ, Н.В. Марков «Дозиметрия импульсных пучков тяжелых ионов для радиобиологических исследований на ускорительном комплексе ИТЭФ-ТВН», Диссертация на соискание ученой степени к.ф.м.н. НИЦ «Курчатовский Институт». М., 2014 г.).

Оптическая система 3 формирует изображение области энерговыделения длиной L на матрице ПЗС 16 телевизионной камеры 2. Телевизионная камера 2 содержит электронный узел 17, осуществляющий формирование управляющих напряжений на матрице ПЗС 16 по алгоритму, объединяющему сигналы группы пикселей ПЗС матрицы и дополнительно суммирующему кадры телевизионной камеры до того, как сигналы попадают в выходное устройство матрицы ПЗС, т.е. до того, как к ним присоединяется шум считывания. Таким образом, сложение сигналов осуществляется без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве ПЗС один раз на каждую сумму сигналов. В результате n-кратное сложение приводит к n-кратному росту отношения сигнал/шум, а не к √n, как это осуществляется при суммировании сигналов с помощью специализированного программного обеспечения. Дополнительный прирост чувствительности телевизионной камеры 2 обеспечивает высокая светосила оптической системы 3, знаменатель относительного отверстия которой выбирается из следующего соотношения:

Требуемая светосила оптической системы определяется, исходя из следующих исходных данных:

- освещенность в тканеэквивалентном фантоме, создаваемая свечением области энерговыделения EЭН=(1,6÷2,4)⋅10-4 лк;

- минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, знаменателе относительного отверстия, равном 1, при объединении 16 пикселей (4×4) в один и суммировании 16 кадров в один, EПЗС=3⋅10-5 лк.

Подставляя значения, получаем, что светосила оптической системы 1:А должна быть в пределах от 1:0,5 до 1:2,3. Расчетная величина светосилы предлагаемого варианта исполнения составляет 1:1.

При выполнении соотношений детектор ионизирующих излучений обеспечивает требуемое качество оптического изображения и высокую светосилу оптической системы для наблюдения слабосветящихся областей, а также безопасное расстояние между электронными узлами телевизионной камеры и тканеэквивалентным фантомом.

Компьютер 8 со специализированным аппаратным и программным обеспечением располагается на удалении от кожуха 1, соединяется с телевизионной камерой 2 кабельными жгутами 7 и осуществляет измерение величины изображения 10 длины L области свечения от радиотерапевтического пучка протонов от входа в тканеэквивалентный фантом 4 до пика Брэгга, рассчитывая величину поглощенной дозы по зависимости пробег-энергия с отображением результата на мониторе оператора.

Для телевизионной камеры задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:

- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 0,7 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 0,6 мкм, 0,9 на длине волны 0,7 мкм, 0,7 на длине волны 0,8 мкм, 0,35 на длине волны 0,9 мкм и 0,1 на длине волны 1,0 мкм;

- пространственную частоту ~20 лин/мм как частоту Найквиста для ПЗС фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 6,4 мкм, при сложении 16-ти элементов (4×4 элемента) в один.

Для получения гарантированного качества изображения принимаем максимальную частоту для оценки качества равной 30 лин/мм и получаем следующие расчетные значения качественных характеристик детектора ионизирующих излучений:

- для точки на оси КПКМ=80,9%
КПКС=80,9%
- для точки поля 1,5 мм от центра
изображения КПКМ=56,7%
КПКС=77,0%
- для точки поля 2,4 мм от центра
изображения КПКМ=60,1%
КПКС=62,8%

Как видно из расчетов, детектор ионизирующих излучений обеспечивает отличное качество изображения для телевизионной камеры спектрального диапазона (0,6÷1,0) мкм с размером пикселя 6,4 мкм, использующей режим сложения 16-ти пикселей (4×4 пикселя - объединение 4-х пикселей по каждой из координат) в один.

Детектор ионизирующих излучений, содержащий тканеэквивалентный фантом, оптическую систему, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы и компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением, отличающийся тем, что оптическая система выполнена линзовой пятикомпонентной, содержащей первый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, третий компонент, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, пятый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а телевизионная камера имеет возможность осуществлять дополнительное суммирование кадров до выходного устройства матрицы ПЗС, при этом выполняются следующие соотношения:

X=(0,5÷5,0)⋅Y;

n5≥n1≥n4≥n2=n3;

где X - расстояние от объектива телевизионной камеры до оси радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме;

Y- длина тканеэквивалентного фантома;

n1,2,3,4,5 - показатели преломления материалов 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й линз соответственно;

А - знаменатель относительного отверстия оптики сопряжения;

ЕЭН - освещенность в тканеэквивалентном фантоме, создаваемая свечением области энерговыделения;

ЕПЗС - минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, знаменателе относительного отверстия, равном 1, при объединении nп пикселей в один и суммировании nк кадров в один.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам, используемым для обнаружения, измерения и радиационного контроля окружающей среды и радиоактивных излучений от элементов конструкции технологического оборудования.

Изобретение относится к сцинтилляционному составу на основе граната для применения при обнаружении ионизирующего излучения, который может быть использован для обнаружения гамма-квантов в ПЭТ-визуализации.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных материалов для томографов. Порошок для производства сцинтилляционного материала помещают в форму и сжимают одноосным или изостатическим сжатием.

Изобретение может быть использовано для обнаружении гамма-фотонов, а также в медицинских устройствах, содержащих детекторы гамма-фотонов, например в системах визуализации позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Изобретение относится к области реакторных измерений и может быть использовано в системах контроля ядерных реакторов. Для повышения точности калибровки счетного канала реактиметра и расширения функциональных возможностей способа детектор нейтронов подключают к счетному и токовому каналам реактиметра.

Группа изобретений относится к области регистрации уровня продукта в баке-сборнике или бункере. Ядерный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере использует множество сцинтилляторов, размещенных последовательным образом.

Группа изобретений относится к области измерительной техники, а именно к радиометрии фотонов, и может быть использована при обнаружении ядерных и радиоактивных материалов на контрольно-пропускных пунктах предприятий, где используются, хранятся или (и) перерабатываются радиоактивные нуклиды.

Группа изобретений относится к способу контроля коэффициента усиления и установки в ноль многопиксельного счетчика фотонов. Способ контроля коэффициента усиления многопиксельного счетчика фотонов содержит этапы, на которых сигналы, генерируемые устройством, принимают в течение заданных периодов, пока не будет достигнуто заданное суммарное время измерений, формируют гистограмму амплитуд на основе принятых сигналов, определяют позиции двух последовательных пиков, измеримых на этой гистограмме, генерируют сигнал ошибки, равный девиации между этими двумя пиками, и на основе этого сигнала ошибки регулируют напряжение, подаваемое на устройство, чтобы поддерживать девиацию, равную заданной величине.

Изобретение относится к способам контроля характеристик порошкообразных сцинтилляторов и люминофоров, полученных одним из известных способов, например, методами со-осаждения, твердофазного синтеза и др., и применяемых в качестве самостоятельного материала.

Изобретение относится к сенсорному устройству для обнаружения сигналов излучения. Для обеспечения высокой целостности сигналов и сохранения способности к четырехсторонней стыковке сенсорное устройство содержит сенсорную матрицу, содержащую множество детекторов, сенсорный элемент для преобразования принятых сигналов излучения в множество соответствующих электрических сигналов, элемент интерпозера, простирающийся поперечно между первой боковой стороной и второй боковой стороной, и элемент интегральной схемы.

Изобретение может быть использовано в детекторах ионизирующего излучения и КТ-сканерах. Сначала смешивают Y2O3, CeO2, Tb4O7, Al2O3 и Ga2O3, пропитывают один из них или несколько источником V. Затем диспергируют с получением суспензии, которую высушивают с получением смешанного порошка. Полученный порошок спекают при температуре не менее 1400 °С в течение не менее 1 ч. Сцинтиллятор содержит монокристаллический или поликристаллический смешаннооксидный материал с формулой (YwTbx)3Al5-yGayO12:Cez, где 0,01 ≤ w ≤ 0,99, 0,01 ≤ x ≤ 0,99, 0 ≤ y ≤ 3,5 и 0,001 ≤ z ≤ 0,10; w + x + 3×z = 1, причем смешаннооксидный материал легирован по меньшей мере 10 млн-1 V. Полученный материал характеризуется повышенным световым выходом и прозрачностью для видимого света, а также сниженным послесвечением. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл., 4 пр.

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционного кристаллического материала для детекторов излучения, используемых для приборов позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), рентгеновской компьютерной томографии (КТ), различных радиметров в области физики высоких энергий, ресурсодобывающих приборов. Кристаллический материал представлен общей химической формулой (RExA1-x-y-sByM's)2+α(Si1-t,M''t)2+βO7+γ, имеет структуру типа пирохлора, обладает нестехиометрическим составом и представляет собой конгруэнтно плавящийся состав. В химической формуле A содержит по меньшей мере один или более, выбранных из Gd, Y, La, Sc, Yb и Lu; B содержит по меньшей мере один или более, выбранных из La, Gd, Yb, Lu, Y и Sc; 0,1 < y < 0,4; RE содержит по меньшей мере один или более, выбранных из Ce, Pr, Nd, Eu, Tb и Yb; 0 < x < 0,1; M' и M'' содержат по меньшей мере один или более, выбранных из Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Fe, Ta и W; 0 ≤ s < 0,01 и 0 ≤ t < 0,01; и 0 < |α| < 0,3, и 0 ≤ |β| < 0,3, и 0 ≤ |γ| < 0,5. Полученный материал имеет высококачественное прозрачное объемное тело, обладает большой величиной свечения и коротким временем жизни флюоресценции. 7 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области практической дозиметрии с использованием для лечения протонов и тяжелых ионов и может быть применено для лучевой терапии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей. Детектор ионизирующих излучений содержит тканеэквивалентный фантом, пятикомпонентную линзовую оптическую систему с высокой светосилой, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы и дополнительным суммированием кадров до выходного устройства матрицы ПЗС и компьютер со специализированным аппаратным и программным обеспечением. Технический результат – упрощение оптической системы с сохранением качества оптического изображения, а также улучшение режимов работы телевизионной камеры. 2 ил., 1 табл.

Наверх