сцинтиллятор для визуализации рентгеновского излучения

Формула изобретения

Сцинтиллятор для визуализации рентгеновского излучения на базе кристаллов (Li,Na)F, содержащий приповерхностный сцинтилляционный слой с центрами окраски, отличающийся тем, что сцинтиллятор дополнительно содержит второй приповерхностный сцинтилляционный слой, причем оба этих слоя выполнены в виде дискретных сцинтилляционных ячеек размерами от 6 мкм и выше и расположены в параллельных плоскостях со смещением друг относительно друга так, чтобы сцинтилляционные ячейки одного слоя перекрывали несцинтиллирующие промежутки между ячейками другого слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучений и применяемых для их визуализации в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, а также при телемеханическом мониторинге промышленных изделий и технологий.

Известен люминофор-сцинтиллятор для визуализации рентгеновского излучения (Rossi M., Casali F., Golovkin S.V., Govorun V.N. Digital radiography using an EBCCD-based imaging device. Appl. Radiation and Isotopes. 2000, vol.53, p.699-709) на основе запоминающих фосфоров BaFBr-Eu, создающих скрытое изображение. Однако визуализация скрытого изображения на известном люминофоре-сцинтилляторе происходит только при дополнительной оптической стимуляции, например, He-Ne лазером, т.е. такой люминофор-сцинтиллятор не позволяет работать в режиме реального времени. Кроме того, он имеет недостаточно высокое пространственное разрешение на уровне нескольких сотен микрон.

Известен сцинтиллятор на основе кристаллов NaI-Tl, работающий в сочетании с фотоэлектронными умножителями (Hell Е., Kniipfer W., Mattem D. The evolution of scintillating medical detectiors. Nucl. Instr. and Meth. 2000, vol.A454, p.40-48). Однако известный сцинтиллятор не обеспечивает высокого пространственного разрешения, поскольку является сплошным, вследствие чего в нем происходит изотропное рассеяние сцинтилляций и изображение размывается. Кроме того, спектр излучения NaI-Tl (410 нм) плохо согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов (420-800 нм).

Известен сцинтилляционный экран на основе полистиреновых сцинтиллирующих волокон (D'Ambrosio С. et al. Reflection losses in Polystyrene Fibers. NIM. 1991, vol.A306, p.549), работающих в сочетании с мультианодными (многоканальными) фотоэлектронными умножителями (Группен К. Детекторы элементарных частиц. Справочное издание. Пер. с англ. - Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. с.408. Salomon M. New Measurements of Scintillating Fibers Coupled to Multianode Photomultipliers). Такой сцинтилляционный экран имеет пространственное разрешение на уровне 20-60 мкм, однако из-за низкого эффективного атомного номера (Z_эфф 6) он обладает очень низкой чувствительностью к рентгеновскому излучению и неэффективен для его визуализации. Кроме того, сцинтилляторы из органических материалов обладают очень низкой термической и радиационной стойкостью.

Известны сцинтиллирующие среды на основе гамма-облученных пленок фторидов LiF, MgF₂ , BaF₂ или CaF₂ (или их комбинаций), полученных методом термоваккумного напыления фторидов металлов после гамма-облучения этих пленок заданной дозой, обычно 7 кКл/кг (Войтович А.П., Гончарова О.В. и др. Спектрально-люминесцентные свойства гамма-облученных кристаллов и пленок на основе фторидов. Журн. прикл. спектр. 2003, т.70, №1, с.116-123). Недостатком известных сцинтилляционных сред является их недостаточно высокое пространственное разрешение, что связано с тем, что центры окраски в пленочных или кристаллических фторидах распределены равномерно по всей зоне облучения. Поскольку пленки при малой толщине обладают еще и волноводными свойствами, то при попадании пучка излучения в какую-либо точку пленки ее сплошная светящаяся поверхность создает сильный фон, ухудшающий пространственное разрешение.

Известен сцинтиллятор на основе кристаллов NaF, облученных синхротронным излучением, в результате чего в них наводятся F₂-центры окраски, которые являются центрами свечения красного диапазона. (Иванов В.Ю., Шульгин Б.В., Королева Т.С. Быстрая люминесценция кристаллов на основе NaF. Межвуз. сб. научн. тр. Проблемы спектроскопии и спектрометрии. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999, вып.2, с.100-102). Максимум полосы свечения F₂-центров окраски в NaF приходится на область 650-675 нм, что хорошо согласуется со спектральной чувствительностью не только фотоэлектронных умножителей, но и PIN-фотодиодов. Длительность сцинтилляций известного сцинтиллятора на основе NaF с центрами окраски равна 8 нс при возбуждении импульсами синхротронного излучения длительностью 430 пс. Однако известный сцинтиллятор на основе NaF является сплошным: сцинтилляционный слой занимает всю поверхность облученного кристалла и поэтому обладает невысокой пространственной разрешающей способностью, соответствующей миллиметровому диапазону.

Наиболее близким к заявляемому сцинтиллятору является тонкослойный сцинтиллятор на основе кристаллов (Li,Na)F-U,Me с центрами окраски (Черепанов А.Н., Шульгин Б.В., Иванов В.Ю., Райков Д.В., Нешов Ф.Г., Шлыгин B.C., Pedrini Ch., Королева Т.С., Кидибаев М.М. Эволюция агрегатных центров свечения кристаллов (Li,Na)F под действием радиации. Межвуз. сб. научн. тр. Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003, вып.12, с.27-38). Такой сцинтиллятор в приповерхностном слое содержит агрегатные центры окраски типа F₂, F ⁺₂, F⁺₃ и F^- ₂, являющиеся эффективными центрами свечения и обладает основным максимумом свечения, при 650 нм. Однако известный тонкослойный сцинтиллятор не может обеспечить высокого пространственного разрешения из-за того, что имеет сплошной сцинтилляционный слой.

Предлагаемый сцинтиллятор состоит из двух приповерхностных сцинтилляционных слоев, каждый из которых представляет собой сцинтиллятор на основе кристаллов (Li,Na)F в виде дискретных ячеек с размерами 6-200 мкм и выше. Дискретная структура слоя обеспечивает высокое пространственное разрешение, что связано с тем, что свечение одной из сцинтилляционных ячеек практически не возбуждает свечение соседних. Однако из-за дискретности структуры каждого слоя лишь часть его поверхности может участвовать в свечении, что понижает световыход сцинтилляций дискретного слоя в сравнении со сплошным слоем. Чтобы повысить суммарный световыход устройства слои располагаются в параллельных плоскостях таким образом, чтобы ячейки второго слоя максимально перекрывали несцинтиллирующие промежутки первого слоя при рассмотрении в направлении, перпендикулярном этим плоскостям (Фиг.1. Фрагмент сцинтиллятора: а - вид сверху; б - вид сбоку). Таким образом, достигается повышенная сплошность дискретного по сути покрытия поверхности сцинтилляционными центрами, что сравнивает световыход предлагаемого сцинтиллятора со световыходом сплошных сцинтилляторов. Пространственное разрешение предлагаемого сцинтиллятора составляет единицы-сотни микрон. Визуализация рентгеновского излучения происходит благодаря свечению агрегатных центров окраски типа F₂ , F⁺₂, F⁺₃ и F ^-₂, с основным максимумом свечения в диапазоне 650 нм, что позволяет применять для считывания изображения PIN-фотодиоды. Длительность сцинтилляций не превышает 8 нс, что обеспечивает работу сцинтиллятора в режиме реального времени.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтиллятора является возможность визуализации не только рентгеновского, но и электронного излучения.