[go: up one dir, main page]

RU2379711C1 - Method of determining coordinates of charged particles - Google Patents

Method of determining coordinates of charged particles Download PDF

Info

Publication number
RU2379711C1
RU2379711C1 RU2008147787/28A RU2008147787A RU2379711C1 RU 2379711 C1 RU2379711 C1 RU 2379711C1 RU 2008147787/28 A RU2008147787/28 A RU 2008147787/28A RU 2008147787 A RU2008147787 A RU 2008147787A RU 2379711 C1 RU2379711 C1 RU 2379711C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coordinates
recording device
matrix
charged particles
phosphors
Prior art date
Application number
RU2008147787/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Георгиевич Подласкин (RU)
Борис Георгиевич Подласкин
Елена Григорьевна Гук (RU)
Елена Григорьевна Гук
Галина Юрьевна Сотникова (RU)
Галина Юрьевна Сотникова
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority to RU2008147787/28A priority Critical patent/RU2379711C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2379711C1 publication Critical patent/RU2379711C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to methods for determining spatial position and energy of relativistic particles, streams of ionising radiation and optical radiation. The method of determining coordinates of charged particles involves placing a recording matrix made from N-N regularly arranged elements on the path of charged particles. Each element is made from three types of luminophors which are distinguished by wavelength of radiation maximum, where each ith element (where i=1, 2, 3…N) with coordinates xi, yi corresponds to a single concentration ratio a/b/c of three luminophors, corresponding to coordinates of the ith element in the matrix and recorded in the memory of the recording device. Luminescent emission arising from charged particles falling onto the matrix is directed to three photodetectors with selective coefficients of spectral response na nb, nc, matched with wavelength of radiation maximum of corresponding luminophors and recorded in the memory of the recording device. Output signals S1 S2, S3 of the photodetectors are transmitted to the recording device where they are summed up, normalised to the value of the obtained sum, and values S1norm, S2norm, S3norm are obtained, and values k1=S1norm/na k2=S2norm/nb, k3=S3norm/nc are determined in the recording device. The ratio of obtained values k1/k2/k3 is compared with concentration ratios of three luminophors ai/bi/ci recorded in the recording device. Coordinates of the charged particles x, y are determined from the coordinate of that ith element the concentration ratio ai/bi/ci of which coincides with ratio of the obtained values k1/k2/k3.
EFFECT: new method of determining coordinates of charged particles.
2 dwg

Description

Изобретение относится к способам, осуществляющим определение пространственного положения и энергии релятивистских частиц, потоков ионизирующего излучения и светового излучения. Изобретение может быть использовано для создания малоканальных позиционно-чувствительных датчиков, предназначенных для использования в физике высоких энергий, астрономии, астрофизике, спектроскопии ядерных частиц, а также в пороговых однофотонных системах обнаружения специального назначения.The invention relates to methods for determining the spatial position and energy of relativistic particles, flows of ionizing radiation and light radiation. The invention can be used to create low-channel position-sensitive sensors designed for use in high energy physics, astronomy, astrophysics, nuclear particle spectroscopy, as well as in threshold single-photon detection systems for special purposes.

Известен ряд способов определения пространственного положения и энергии релятивистских частиц и электромагнитного излучения.A number of known methods for determining the spatial position and energy of relativistic particles and electromagnetic radiation.

Известен способ определения пространственного положения источника ионизирующего излучения (см. заявка KR №20070101458, МПК G01T 7/60, опубликована 17.10.2007), в котором поле детектора последовательно поэлементно сканируют с помощью матриц с пространственной зарядовой связью (ПЗС матриц). В процессе сканирования двумерные координаты частицы представляют в виде временной последовательности импульсов, поступающих с ПЗС матрицы.There is a method of determining the spatial position of the ionizing radiation source (see application KR No. 20070101458, IPC G01T 7/60, published October 17, 2007), in which the detector field is sequentially scanned element by element using space charge-coupled arrays (CCD matrices). During the scanning process, the two-dimensional coordinates of the particles are represented as a time sequence of pulses from the CCD of the matrix.

Однако последовательное сканирование всего поля датчика неизбежно приводит к достаточно большим временам считывания (≥10-5 с) сигнала и не позволяет эффективно регистрировать быстрые процессы, т.е. работать в режиме реального времени.However, sequential scanning of the entire sensor field inevitably leads to sufficiently large read times (≥10 -5 s) of the signal and does not allow efficient registration of fast processes, i.e. work in real time.

С целью возможности работы в режиме реального времени используют различные варианты способа определения координат заряженных частиц по проекциям сигнала зарегистрированного события на ортогональные оси Х и Y. Этот способ определения пространственного положения релятивистских частиц основан на детектировании излучения с помощью двумерной пиксельной матрицы, составленной из приемных элементов, при том что электрический выход от каждого элемента подсоединен к периферийным электронным устройствам с помощью шин, параллельных соответствующим координатным осям Х и Y.In order to be able to work in real time, various versions of the method for determining the coordinates of charged particles from projections of the signal of a recorded event on the orthogonal axes X and Y are used. This method for determining the spatial position of relativistic particles is based on radiation detection using a two-dimensional pixel matrix composed of receiving elements, despite the fact that the electrical output from each element is connected to peripheral electronic devices using buses parallel to each other vuyuschim coordinate axes X and Y.

Так известен способ измерения координат гамма-квантов (см. заявка US №820050006589, МПК G01T 1/00, опубликована 13.01.2005), в соответствии с которым квант направляют на пиксельную матрицу, сформированную из полос сцинтилляционных кристаллов. При этом каждый сцинтилляционный пиксель связан с фотосенсорами, расположенными параллельно координатным осям Х и Y. В результате взаимодействия гамма-кванта с соответствующим пикселем матрицы сцинтилляторов возникает вторичное излучение, которое регистрируют соответствующими фотосенсорами и определяют, таким образом, координаты сигнала.So there is a known method for measuring the coordinates of gamma rays (see application US No. 820050006589, IPC G01T 1/00, published January 13, 2005), in accordance with which the quantum is sent to a pixel matrix formed from strips of scintillation crystals. In this case, each scintillation pixel is associated with photosensors parallel to the X and Y coordinate axes. As a result of the interaction of the gamma quantum with the corresponding pixel of the scintillator matrix, secondary radiation arises, which is detected by the corresponding photosensors and thus determines the signal coordinates.

Недостатком этого способа является формирование сцинтилляционной матрицы из монокристаллов, характерные размеры которых не могут обеспечить малых размеров единичного пикселя и, соответственно, высокого разрешения. Кроме того, связь каждого пикселя в описанном способе с фотосенсорами обуславливает неизбежную многоканальность метода.The disadvantage of this method is the formation of a scintillation matrix of single crystals, the characteristic dimensions of which cannot provide the small size of a single pixel and, accordingly, high resolution. In addition, the connection of each pixel in the described method with photosensors determines the inevitable multichannel method.

Для снижения размеров единичного пикселя регистрирующей матрицы и повышения ее разрешения предложены различные модификации способа определения координат заряженных частиц по проекциям сигнала зарегистрированного события на ортогональные оси Х и Y. Так, в настоящее время широко используется способ (см. Z. U, Novel silicon stripixel detector: concept, simulation, design, and fabrication. - Nuclear instruments and Methods in Physics Research. - A 518, 2004, p.p.738-753), в котором устанавливают на пути заряженной частицы стрипсельную матрицу, выполненную в виде сетки фотоприемников (диодов, транзисторов и т.п.). Координаты заряженной частицы определяют путем регистрации взаимодействия заряженной частицы со стрипиксельной матрицей, которую предварительно формируют в виде сетки фотоприемников (диодов, транзисторов и т.д.). При этом фотоприемники располагают на 2-х перпендикулярных полосах, которые имеют независимые контактные выводы к сигнальным шинам, параллельным соответствующим полосам, т.е. координатным осям Х и Y.To reduce the size of a single pixel of the recording matrix and increase its resolution, various modifications of the method for determining the coordinates of charged particles from the projections of the signal of the recorded event on the orthogonal axes X and Y are proposed. Thus, the method is currently widely used (see Z. U, Novel silicon stripixel detector : concept, simulation, design, and fabrication. - Nuclear instruments and Methods in Physics Research. - A 518, 2004, pp738-753), in which a stripping matrix made in the form of a network of photodetectors (diodes, transistors) is mounted on the path of a charged particle. etc.). The coordinates of the charged particle are determined by registering the interaction of the charged particle with the strip pixel, which is preliminarily formed in the form of a grid of photodetectors (diodes, transistors, etc.). In this case, the photodetectors are placed on 2 perpendicular strips that have independent contact leads to signal lines parallel to the respective strips, i.e. coordinate axes X and Y.

Однако и в этом способе сохраняется принципиальный недостаток метода определения координат события по проекциям сигнала на ортогональные оси Х и Y: сохраняется многоканальность системы вывода и обработки электрических сигналов, что обуславливает необходимость формирования контактной сетки и многоканальной системы вторичных электронных устройств с высокой плотностью интеграции, предназначенных для съема информации. В настоящее время число выходных каналов детекторов, использующих этот способ определения координат, варьируется от 32 до нескольких тысяч. Так, например, стрипиксельный детектор размером 70×53 мм2 производства фирмы Hamamtsu, используемый в международной программе "PAMELA", имеет 1024+1024 канала (см. P.Picozza, A.M.Gaiper, G.Castellini et al. - Astroparticie Physics. - 27, 2007, p.p.296-315). Большая степень многоканальности требует создания габаритных периферийных устройств и увеличивает необходимый объем регистрирующих систем, что является серьезным ограничивающим фактором в условиях космических экспериментов. Особенно серьезные ограничения эта проблема накладывает на использование позиционно-чувствительных ФЭУ в качестве бортовых устройств специального назначения. Кроме того, высокая плотность контактной сетки и большая суммарная длина контактных дорожек вызывает повышение рабочей температуры детектора, обуславливающее резкое возрастание уровня шумов. Требование к снижению уровня шумов при работе детекторов с малыми размерами пикселей приводит к необходимости их эксплуатации при пониженных температурах, что также резко снижает области их использования.However, this method also retains a fundamental drawback of the method of determining the coordinates of the event by projecting the signal onto the orthogonal X and Y axes: the multichannel system of output and processing of electrical signals is preserved, which necessitates the formation of a contact grid and a multichannel system of secondary electronic devices with a high integration density designed information retrieval. Currently, the number of output channels of detectors using this method of determining coordinates varies from 32 to several thousand. For example, a 70 × 53 mm 2 strip-type detector manufactured by Hamamtsu, used in the PAMELA international program, has 1024 + 1024 channels (see P. Picozza, AMGaiper, G. Castellini et al. - Astroparticie Physics. - 27 , 2007, pp296-315). A large degree of multichannelism requires the creation of large-sized peripheral devices and increases the necessary volume of recording systems, which is a serious limiting factor in space experiments. Especially serious limitations this problem imposes on the use of position-sensitive PMTs as on-board special-purpose devices. In addition, the high density of the contact grid and the large total length of the contact tracks causes an increase in the operating temperature of the detector, causing a sharp increase in the noise level. The requirement to reduce the noise level when operating detectors with small pixel sizes leads to the need for their operation at low temperatures, which also dramatically reduces their use.

Известен способ определения двумерных координат события на плоскости (см. патент US 7175095, МПК G06K 19/06, опубликован 13.02.2007), основанный на установлении взаимно однозначного соответствия между положением на плоскости единичного элемента регистрирующей матрицы и введенным индивидуальным признаком этого элемента. В этом способе регистрирующая плоскость разбивается на множество единичных элементов, содержащих несколько пикселей. Внутри каждого из элементов формируют пиксели, характеризующиеся различным сочетанием двух параметров, таких как расположение пикселей внутри единичного элемента и их размер, или их расположение и цвет, или их расположение и форма и др. Изображения всех единичных элементов оптически сводят на сканирующую ПЗС матрицу, сигнал с которой анализируют с помощью соответствующей программы декодирования.A known method for determining the two-dimensional coordinates of an event on a plane (see patent US 7175095, IPC G06K 19/06, published 13.02.2007), based on the establishment of a one-to-one correspondence between the position on the plane of a single element of the recording matrix and the introduced individual attribute of this element. In this method, the recording plane is divided into many individual elements containing several pixels. Inside each element, pixels are formed, characterized by a different combination of two parameters, such as the location of the pixels inside a single element and their size, or their location and color, or their location and shape, etc. Images of all individual elements are optically reduced to a scanning CCD matrix, a signal with which analyze using the appropriate decoding program.

В известном способе поле сканирования ПЗС матрицы сокращается до размеров единичного элемента, содержащего несколько пикселей. Кроме того, при реализации этого способа определение двумерных координат на плоскости не требует многоканальной системы детектирования. Однако необходимость сканирования изображения с помощью ПЗС матрицы все равно снижает быстродействие метода и не позволяет работать в реальном масштабе времени.In the known method, the scanning field of the CCD matrix is reduced to the size of a single element containing several pixels. In addition, when implementing this method, the determination of two-dimensional coordinates on the plane does not require a multi-channel detection system. However, the need to scan the image using a CCD matrix still reduces the speed of the method and does not allow working in real time.

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ определения координат частиц (см. заявка US №2008017805, МПК G01T 1/18, опубликован 24.01.2008), принятый за прототип, в котором двумерные координаты частиц на плоскости определяют в реальном масштабе времени путем введения взаимно однозначного соответствия между координатой события на плоскости мишени и заранее установленными номерами электродов локальной и глобальной сетей системы вывода информации.The closest in purpose and combination of essential features to the claimed technical solution is a method for determining the coordinates of particles (see application US No. 2008017805, IPC G01T 1/18, published January 24, 2008), adopted as a prototype in which two-dimensional coordinates of particles on a plane are determined in real time by introducing a one-to-one correspondence between the coordinate of the event on the target plane and the pre-set numbers of the electrodes of the local and global networks of the information output system.

Положение частицы на плоскости в прототипе определяется следующим образом. На пути заряженных частиц размещают регистрирующую матрицу, изготовленную из чувствительных к попаданию регистрируемой частицы единичных элементов, сформированных из позиционно-чувствительных электродов, имеющих двухуровневую организацию, где первый уровень составлен из локальных электродов для определения локального положения частиц, а второй уровень составлен из глобальных электродов для определения глобального положения частиц, причем каждому единичному элементу с координатами xi, yi соответствуют номера локального и глобального электродов, соответствующие координатам единичного элемента в матрице и записанные в памяти регистрирующего устройства; направляют возникающие от попадания заряженной частицы в матрицу электроны и ионы к локальным и к глобальным позиционно-чувствительным электродам. В результате на ближайших к этой точке локальном и глобальном электродах возникают электрические сигналы. В регистрирующем устройстве принимают выходную информацию от

Figure 00000001
каналов, где N равно числу всех локальных электродов. В регистрирующем устройстве сравнивают электрические сигналы с записанными в регистрирующем устройстве номерами локальных и глобальных электродов. В результате сопоставления комбинации номеров локального и глобального электродов определяют пространственное положение локального электрода, на котором возник сигнал, и тем самым определяются координаты события.The position of the particles on the plane in the prototype is determined as follows. On the path of the charged particles, a recording matrix is placed, made of unit cells that are sensitive to the detection of the detected particle, formed from position-sensitive electrodes having a two-level organization, where the first level is composed of local electrodes to determine the local position of the particles, and the second level is composed of global electrodes for determining the global position of the particles, and each unit element with coordinates x i , y i corresponds to the numbers of local and global th electrodes corresponding to the coordinates of a single element in the matrix and recorded in the memory of the recording device; direct electrons and ions arising from the hit of a charged particle into the matrix to local and global position-sensitive electrodes. As a result, electrical signals appear at the local and global electrodes closest to this point. In the recording device receive output from
Figure 00000001
channels, where N is equal to the number of all local electrodes. In the recording device, electrical signals are compared with the numbers of local and global electrodes recorded in the recording device. By comparing the combination of numbers of the local and global electrodes, the spatial position of the local electrode on which the signal appeared is determined, and thereby the coordinates of the event are determined.

Разделение системы съема информации на локальный и глобальный уровни позволяет устанавливать координату события в реальном времени при сокращении числа каналов вывода информации в n раз, где

Figure 00000002
, a N - число локальных электродов. Однако такое сокращение числа выходных каналов оставляет этот метод в рамках многоканальных способов съема информации. Кроме того, в этом случае на поверхности детектора остается контактная сетка, необходимая для подсоединения локальных электродов к локальным шинам и глобальным электродам, а также контактная сетка вывода информации с локальных и глобальных электродов. В результате даже при достижении описанной в патенте плотности контактов разрешающая способность (фактический размер пикселя) достигает 400 мкм.The separation of the information retrieval system at the local and global levels allows you to set the coordinate of the event in real time while reducing the number of output channels by n times, where
Figure 00000002
, a N is the number of local electrodes. However, such a reduction in the number of output channels leaves this method as part of multichannel information retrieval methods. In addition, in this case, on the surface of the detector, there remains a contact grid necessary for connecting local electrodes to local buses and global electrodes, as well as a contact grid for outputting information from local and global electrodes. As a result, even when the contact density described in the patent is achieved, the resolution (actual pixel size) reaches 400 microns.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка такого способа определения координат заряженных частиц, который бы позволил сократить количество каналов передачи информации до трех каналов вне зависимости от числа пикселей регистрирующей матрицы, а также устранить считывающие электроды на поверхности регистрирующей мишени и тем самым увеличить коэффициент заполнения площади мишени чувствительными элементами при сохранении возможности работы в режиме реального времени.The problem to which the invention is directed is the development of such a method for determining the coordinates of charged particles, which would reduce the number of communication channels to three channels, regardless of the number of pixels of the recording matrix, and also eliminate the reading electrodes on the surface of the recording target and thereby increase the coefficient filling the target area with sensitive elements while maintaining the ability to work in real time.

Поставленная задача решается тем, что способ определения координат заряженных частиц включает размещение на пути заряженных частиц регистрирующей матрицы, составленной из N·N регулярно расположенных элементов, каждый из которых выполнен из трех типов люминофоров, отличающихся длиной волны максимума излучения. Каждому элементу i (где i=1, 2, 3…N) с координатами xi, yi соответствует единственное соотношение концентраций аi/bii трех люминофоров,The problem is solved in that the method for determining the coordinates of charged particles involves placing on the path of the charged particles a recording matrix composed of N · N regularly arranged elements, each of which is made of three types of phosphors that differ in wavelength of maximum radiation. Each element i (where i = 1, 2, 3 ... N) with coordinates x i , y i corresponds to a unique concentration ratio a i / b i / с i of three phosphors,

гдеWhere

аi - концентрация первого люминофора в i-м элементе;and i is the concentration of the first phosphor in the i-th element;

bi - концентрация второго люминофора в i-м элементе;b i is the concentration of the second phosphor in the i-th element;

сi - концентрация третьего люминофора в i-м элементе;с i - concentration of the third phosphor in the i-th element;

соответствующее координатам элемента i в матрице и записанное в памяти регистрирующего устройства. Каждый из люминофоров излучает свет в своей спектральной области с интенсивностью, пропорциональной его концентрации в данной точке. Направляют возникающее от попадания заряженной частицы в матрицу люминесцентное излучение люминофоров на три фотоприемника, имеющих селективные коэффициенты спектральной чувствительности na, nb, nc, согласованные с длиной волны максимума излучения соответствующих люминофоров и записанные в памяти регистрирующего устройства. Выходные сигналы S1, S2, S3 фотоприемников подают в регистрирующее устройство, в котором эти сигналы суммируют и нормируют на значение полученной суммы и получают значения S1норм, S2норм, S3норм. Определяют в регистрирующем устройстве величины k1=S1норм/na, k2=S2норм/nb, k3=S3норм/nс. Сравнивают соотношение полученных величин k1/k2/k3 с записанными в регистрирующем устройстве соотношениями концентраций трех люминофоров ai/bi/ci, с помощью чего определяют координаты заряженной частицы x, y по координате того i-го элемента, соотношение концентраций ai/bi/ci которого совпадает с соотношением полученных величин k1/k2/k3.corresponding to the coordinates of the element i in the matrix and recorded in the memory of the recording device. Each of the phosphors emits light in its spectral region with an intensity proportional to its concentration at a given point. The luminescent radiation of phosphors arising from a charged particle entering the matrix is directed to three photodetectors having selective spectral sensitivity coefficients n a , n b , n c matched to the wavelength of the maximum radiation of the corresponding phosphors and recorded in the memory of the recording device. The output signals S 1 , S 2 , S 3 of the photodetectors are fed to a recording device, in which these signals are summed and normalized to the value of the sum obtained and the values of S 1norm , S 2norm , S 3norm are obtained . The values k 1 = S 1norm / n a , k 2 = S 2norm / n b , k 3 = S 3norm / n s are determined in a recording device. The ratio of the obtained values of k 1 / k 2 / k 3 is compared with the concentration ratios of the three phosphors a i / b i / c i recorded in the recording device, with which the coordinates of the charged particle x, y are determined by the coordinate of that i-th element, the concentration ratio a i / b i / c i which coincides with the ratio of the obtained values of k 1 / k 2 / k 3 .

Заявляемый способ основан на том, что двумерные координаты частиц на плоскости определяют путем введения взаимно однозначного соответствия между заранее установленным соотношением концентраций трех различных сцинтилляторов ai/bi/ci в каждом i-м единичном элементе и координатами этого элемента на плоскости мишени. Таким образом, исключается необходимость формирования на поверхности регистрирующей матрицы считывающих электродов. Кроме того, при любом количестве N·N регулярно расположенных элементов регистрирующей матрицы использование 3-х люминофоров является необходимым и достаточным для получения однозначной информации о координатах события инвариантно к энергии падающего излучения. В результате число выходных каналов для любого числа элементов регистрирующей матрицы равно трем. Набору выходных сигналов S1, S2, S3 соответствует единственная точка мишени xi, yi и единственная величина энергии S. При этом сохраняется возможность регистрации координат событий в режиме реального времени.The inventive method is based on the fact that the two-dimensional coordinates of particles on a plane are determined by introducing a one-to-one correspondence between the predetermined concentration ratio of the three different scintillators a i / b i / c i in each ith unit element and the coordinates of this element on the target plane. Thus, the need for forming sensing electrodes on the surface of the recording matrix is eliminated. In addition, for any number N · N of regularly arranged elements of the recording matrix, the use of 3 phosphors is necessary and sufficient to obtain unambiguous information about the coordinates of the event, it is invariant to the energy of the incident radiation. As a result, the number of output channels for any number of elements of the recording matrix is three. The set of output signals S 1 , S 2 , S 3 corresponds to a single point of the target x i , y i and a single energy value S. At the same time, it is possible to register the coordinates of events in real time.

Заявляемый способ определения координат заряженных частиц поясняется чертежом, гдеThe inventive method for determining the coordinates of charged particles is illustrated in the drawing, where

на фиг.1 показана схема устройства, реализующая заявляемый способ;figure 1 shows a diagram of a device that implements the inventive method;

на фиг.2 изображен в увеличенном масштабе участок регистрирующей матрицы.figure 2 shows on an enlarged scale a plot of the recording matrix.

Устройство включает: регистрирующую матрицу 1, составленную из N·N элементов 2, фокусирующее устройство 3, три фотоприемника 4, 5, 6 соответственно и регистрирующее устройство 7.The device includes: a recording matrix 1 composed of N · N elements 2, a focusing device 3, three photodetectors 4, 5, 6, respectively, and a recording device 7.

Способ осуществляют следующим образом (см. фиг.1, фиг.2). На пути потока частиц размещают регистрирующую матрицу 1, составленную из N·N элементов 2, которые формируют нанесением трех люминофоров с различной длиной волны в максимуме излучения, высокой эффективностью люминисценции и малым временем высвечивания всех трех люминофоров, что обеспечивает возможность работы детектора в режиме реального времени. Нанесение люминофоров можно проводить, например, последовательным вакуумным напылением через маску таким образом, что концентрация аi пропорциональна координате X, концентрация bi, пропорциональна координате Y, а концентрация ci изменяется по закону сii2i2. В результате в матрице 1 каждому i-му элементу 2 (где i=1, 2, 3…10) с координатами xi, yi соответствует единственное соотношение концентраций аi/bii трех люминофоров. Люминесцентное излучение люминофоров, возникающее от попадания заряженной частицы в матрицу 1 через фокусирующее устройство 3, направляют на три стандартных фотоприемника 4, 5, 6, имеющих селективные коэффициенты спектральной чувствительности nа, nb, nc соответственно, согласованные с длиной волны максимума излучения соответствующих люминофоров и записанные в памяти регистрирующего устройства 7. Возникающие на выходе фотоприемников 4, 5, 6 сигналы S1, S2, S3 подают в регистрирующее устройство 7, в котором эти сигналы суммируются и нормируются на значение полученной суммы. Нормировка производится для исключения зависимости величины выходного сигнала от энергии регистрируемой частицы. В результате получают значения S1норм, S2норм, S3норм и определяют в регистрирующем устройстве 7 величины k1=S1норм/na, k2=S2норм/nb, k3=S3норм/nc. Сравнивают соотношение полученных величин k1/k2/k3 с записанными в регистрирующем устройстве 7 соотношениями концентраций трех люминофоров ai/bi/ci, с помощью чего определяют координаты заряженной частицы x, y по координате того i-го элемента 2, соотношение концентраций ai/bi/ci которого совпадает с соотношением полученных величин k1/k2/k3. Таким образом, исключается необходимость формирования на поверхности регистрирующей матрицы считывающих электродов. Кроме того, при любом количестве N·N регулярно расположенных элементов 2 регистрирующей матрицы 1 использование 3-х люминофоров является необходимым и достаточным для получения однозначной информации о координатах события инвариантно к энергии падающего излучения. В результате число выходных каналов для любого числа элементов 2 регистрирующей матрицы 1 равно трем. Набору выходных сигналов S1, S2, S3 соответствует единственная точка регистрирующей матрицы 1 и единственная величина энергии. При этом сохраняется возможность регистрации координат событий в режиме реального времени.The method is as follows (see figure 1, figure 2). A recording matrix 1 composed of N · N elements 2 is placed in the path of the particle flow, which is formed by applying three phosphors with different wavelengths at the maximum radiation, high luminescence efficiency and low luminescence time of all three phosphors, which allows the detector to work in real time . The application of phosphors can be carried out, for example, by sequential vacuum deposition through a mask in such a way that the concentration a i is proportional to the X coordinate, the concentration b i is proportional to the Y coordinate, and the concentration c i changes according to the law with i = х i 2 + у i 2 . As a result, in matrix 1, each i-th element 2 (where i = 1, 2, 3 ... 10) with coordinates x i , y i corresponds to a unique concentration ratio a i / b i / с i of three phosphors. The luminescent radiation of the phosphors arising from a charged particle entering the matrix 1 through a focusing device 3 is directed to three standard photodetectors 4, 5, 6 having selective spectral sensitivity coefficients n a , n b , n c respectively, consistent with the wavelength of the maximum radiation of the corresponding phosphors and recorded in the memory of the recording device 7. The signals S 1 , S 2 , S 3 that occur at the output of the photodetectors 4, 5, 6 are supplied to the recording device 7, in which these signals are summed and normalized I am on the value of the amount received. Normalization is performed to exclude the dependence of the output signal on the energy of the detected particle. As a result, the values of S 1norm , S 2norm , S 3norm are obtained and k 1 = S 1norm / n a , k 2 = S 2norm / n b , k 3 = S 3norm / n c are determined in the recording device 7. The ratio of the obtained values of k 1 / k 2 / k 3 is compared with the concentration ratios of the three phosphors a i / b i / c i recorded in the recording device 7, by which the coordinates of the charged particle x, y are determined by the coordinate of that i-th element 2, the concentration ratio a i / b i / c i which coincides with the ratio of the obtained values k 1 / k 2 / k 3 . Thus, the need for forming sensing electrodes on the surface of the recording matrix is eliminated. In addition, for any number N · N of regularly arranged elements 2 of the recording matrix 1, the use of 3 phosphors is necessary and sufficient to obtain unambiguous information about the coordinates of the event, it is invariant to the energy of the incident radiation. As a result, the number of output channels for any number of elements 2 of the recording matrix 1 is three. The set of output signals S 1 , S 2 , S 3 corresponds to a single point of the recording matrix 1 and a single energy value. At the same time, it remains possible to register event coordinates in real time.

Пример. Способ был осуществлен при регистрации координат потока гамма-излучения с энергией 10-100 МэВ на регистрирующей матрице. На пути потока электронов размещалась регистрирующая матрица, составленная из 32·32 элементов, которая была сформирована в результате нанесения трех люминофоров: германата висмута (Вi43O12, далее BGO), вольфрамата свинца (PbWO4, далее PWO) и селенида цинка с изовалентной примесью теллура (ZnSe(Te)). Максимум излучения каждого из этих люминофоров имеет различную длину волны при достаточной высокой эффективности люминесценции: λmax BGO=320 нм (5·104 фотон/МэВ), λmax PWO=450 нм (18·104 фотон/МэВ) и λmax ZnSe(Te)=610 нм (8·104 фотон/МэВ). Малое время высвечивания всех трех люминофоров (5нс, 6нс и 3нс соответственно) обеспечивает возможность работы детектора в режиме реального времени. Нанесение люминофоров проводилось последовательным вакуумным напылением через маску таким образом, что концентрация BGO (аi) пропорциональна координате X, концентрация PWO (bi) пропорциональна координате Y, а концентрация ZnSe(Te) (сi) изменяется по закону сii2i2. В результате в матрице каждому элементу i (где i=1, 2, 3…10) с координатами xi, yi соответствует единственное соотношение концентраций аi/bii трех люминофоров. Люминесцентное излучение люминофоров, возникающее от попадания заряженной частицы в матрицу, направляли через собирающую линзу на три стандартных фотоприемника, имеющих селективные коэффициенты спектральной чувствительности nа=0.25 А/Вт, nb=0.3 А/Вт, nс=0.4 А/Вт, согласованные с длиной волны максимума излучения соответствующих люминофоров и записанные в памяти регистрирующего устройства. Эти фотоприемники представляли собой кремниевые фотодиоды фирмы Edmund Optics с нанесенными на них интерференционными фильтрами «Narrow bandpass IF» фирмы Edmund Optics. Возникающие на выходе фотоприемников сигналы S1, S2, S3 подавали в регистрирующее устройство, в котором эти сигналы суммировались и нормировались на значение полученной суммы, получая значения S1норм, S2норм, S3норм. В результате в регистрирующем устройстве происходило определение величин k1=S1норм/na, k2=S2норм/nb, k3=S3норм/nc и сравнение соотношения полученных величин k1/k2/k3 с записанными в регистрирующем устройстве соотношениями концентраций трех люминофоров ai/bi/ci с помощью чего определяют координаты заряженной частицы x, y по координате того i-го элемента, соотношение концентраций ai/bi/ci, которого совпадает с соотношением полученных величин k1/k2/k3.Example. The method was implemented when registering the coordinates of the gamma radiation flux with an energy of 10-100 MeV on the recording matrix. A recording matrix composed of 32 · 32 elements was placed on the path of the electron flow, which was formed as a result of applying three phosphors: bismuth germanate (Bi 4 Ge 3 O 12 , hereinafter BGO), lead tungstate (PbWO 4 , hereinafter PWO) and zinc selenide with an isovalent admixture of tellurium (ZnSe (Te)). The emission maximum of each of these phosphors has a different wavelength with a sufficiently high luminescence efficiency: λ max BGO = 320 nm (5 · 10 4 photons / MeV), λ max PWO = 450 nm (18 · 10 4 photons / MeV) and λ max ZnSe (Te) = 610 nm (8 · 10 4 photon / MeV). The short emission time of all three phosphors (5ns, 6ns and 3ns, respectively) provides the detector with the possibility of real-time operation. The phosphors were applied by sequential vacuum deposition through a mask in such a way that the concentration of BGO (a i ) is proportional to the X coordinate, the concentration of PWO (b i ) is proportional to the Y coordinate, and the concentration of ZnSe (Te) (c i ) changes according to the law with i = х i 2 + at i 2 . As a result, in the matrix, each element i (where i = 1, 2, 3 ... 10) with coordinates x i , y i corresponds to a unique concentration ratio a i / b i / с i of three phosphors. The luminescent radiation of phosphors arising from a charged particle entering the matrix was directed through a collecting lens to three standard photodetectors having selective spectral sensitivity coefficients n a = 0.25 A / W, n b = 0.3 A / W, n s = 0.4 A / W, matched with the wavelength of the maximum radiation of the corresponding phosphors and recorded in the memory of the recording device. These photodetectors were Edmund Optics silicon photodiodes with Edmund Optics interference filters “Narrow bandpass IF” applied to them. The signals S 1 , S 2 , S 3 arising at the output of the photodetectors were applied to a recording device, in which these signals were summed and normalized to the value of the sum obtained, obtaining the values of S 1 normal , S 2 normal , S 3 normal . As a result, in the recording device, the values k 1 = S 1norm / n a , k 2 = S 2norm / n b , k 3 = S 3norm / n c were determined and the ratio of the obtained values k 1 / k 2 / k 3 was compared with those recorded in a recording device with the concentration ratios of the three phosphors a i / b i / c i with which the coordinates of the charged particle x, y are determined by the coordinate of that i-th element, the concentration ratio a i / b i / c i , which coincides with the ratio of the obtained values of k 1 / k 2 / k 3 .

Claims (1)

Способ определения координат заряженных частиц, включающий размещение на пути заряженных частиц регистрирующей матрицы, составленной из N·N регулярно расположенных элементов, каждый из которых выполнен из трех типов люминофоров, отличающихся длиной волны максимума излучения, причем каждому i-му элементу (где i=1, 2, 3…N) с координатами xi, у соответствует единственное соотношение концентраций a/b/c трех люминофоров,
где аi - концентрация первого люминофора в i-м элементе;
bi - концентрация второго люминофора в i-м элементе;
ci - концентрация третьего люминофора в i-м элементе,
соответствующее координатам i-го элемента в матрице и записанное в памяти регистрирующего устройства; направляют возникающее от попадания заряженной частицы в матрицу люминесцентное излучение люминофоров на три фотоприемника, имеющих селективные коэффициенты спектральной чувствительности nа, nb, nс, согласованные с длиной волны максимума излучения соответствующих люминофоров и записанные в памяти регистрирующего устройства; выходные сигналы S1, S2, S3 фотоприемников подают в регистрирующее устройство, в котором эти сигналы суммируют, нормируют на значение полученной суммы и получают значения S1норм,
S2норм, S3норм; определяют в регистрирующем устройстве величины k1=S1норм/na,
k2=S2норм/nb, k3=S3норм/nс; сравнивают соотношение полученных величин k1/k2/k3 с записанными в регистрирующем устройстве соотношениями концентраций трех люминофоров ai/bi/ci, с помощью чего определяют координаты заряженной частицы x, у по координате того i-го элемента, соотношение концентраций ai/bi/ci которого совпадает с соотношением полученных величин k1/k2/k3.
A method for determining the coordinates of charged particles, including placing on a path of charged particles a recording matrix composed of N · N regularly arranged elements, each of which is made of three types of phosphors that differ in wavelength of maximum radiation, and to each i-th element (where i = 1 , 2, 3 ... N) with coordinates x i , y corresponds to a single concentration ratio a / b / c of three phosphors,
where a i is the concentration of the first phosphor in the i-th element;
b i is the concentration of the second phosphor in the i-th element;
c i is the concentration of the third phosphor in the i-th element,
corresponding to the coordinates of the i-th element in the matrix and recorded in the memory of the recording device; direct the luminescent radiation of the phosphors arising from the hit of the charged particle into the matrix to three photodetectors having selective spectral sensitivity coefficients n a , n b , n s matched with the wavelength of the maximum radiation of the respective phosphors and recorded in the memory of the recording device; the output signals S 1 , S 2 , S 3 of the photodetectors are fed to a recording device, in which these signals are added up, normalized to the value of the received sum, and S 1 normal values are obtained,
S 2norm ; S 3norm ; determine in the recording device the values of k 1 = S 1 normal / n a ,
k 2 = S 2norm / n b , k 3 = S 3norm / n s ; comparing the ratio of the obtained values of k 1 / k 2 / k 3 with the ratios of the concentrations of three phosphors a i / b i / c i recorded in the recording device, using which the coordinates of the charged particle x, y are determined from the coordinate of that i-th element, the concentration ratio a i / b i / c i which coincides with the ratio of the obtained values of k 1 / k 2 / k 3 .
RU2008147787/28A 2008-12-03 2008-12-03 Method of determining coordinates of charged particles RU2379711C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008147787/28A RU2379711C1 (en) 2008-12-03 2008-12-03 Method of determining coordinates of charged particles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008147787/28A RU2379711C1 (en) 2008-12-03 2008-12-03 Method of determining coordinates of charged particles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2379711C1 true RU2379711C1 (en) 2010-01-20

Family

ID=42120948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008147787/28A RU2379711C1 (en) 2008-12-03 2008-12-03 Method of determining coordinates of charged particles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2379711C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119738863A (en) * 2024-12-25 2025-04-01 西安交通大学 A charged particle identification method and system based on screen grid ionization chamber signal waveform

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2084927C1 (en) * 1992-02-03 1997-07-20 Институт физики высоких энергий Device measuring coordinates of charge particles
RU2150130C1 (en) * 1999-02-15 2000-05-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Method for radiation detection
WO2008133710A2 (en) * 2006-10-28 2008-11-06 Integrated Sensors, Llc Plasma panel based radiation detector

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2084927C1 (en) * 1992-02-03 1997-07-20 Институт физики высоких энергий Device measuring coordinates of charge particles
RU2150130C1 (en) * 1999-02-15 2000-05-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Method for radiation detection
WO2008133710A2 (en) * 2006-10-28 2008-11-06 Integrated Sensors, Llc Plasma panel based radiation detector

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119738863A (en) * 2024-12-25 2025-04-01 西安交通大学 A charged particle identification method and system based on screen grid ionization chamber signal waveform

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6114703A (en) High resolution scintillation detector with semiconductor readout
Shao et al. Design studies of a high resolution PET detector using APD arrays
JP5037119B2 (en) Gamma-ray detector with interaction depth encoding
US9778378B2 (en) Detector configuration with semiconductor photomultiplier strips and differential readout
US6812469B2 (en) Two-dimensional radiation and neutron image detectors
EP3014301B1 (en) Semiconductor scintillation detector
US8168953B2 (en) Method, apparatus and computer program for measuring the dose, dose rate or composition of radiation
EP0108120A1 (en) Large arrays of discrete ionizing radiation detectors multiplexed using fluorescent optical converters
US6710349B2 (en) Edge resolved dual scintillator gamma ray detection system and method
Yvon et al. Design study of a “scintronic” crystal targeting tens of picoseconds time resolution for gamma ray imaging: the ClearMind detector
RU2379711C1 (en) Method of determining coordinates of charged particles
Burr et al. Evaluation of a position sensitive avalanche photodiode for PET
Jasni et al. Two dimensional array of MPPC and CsI (Tl) for radiation monitoring prototype
Stapels et al. Solid-state photomultiplier in CMOS technology for gamma-ray detection and imaging applications
US4613756A (en) Mercuric iodide light detector and related method
JPWO2007113898A1 (en) Radiation detector
US20090242774A1 (en) Radiation detector
CN107830939A (en) A kind of colorful digital silicon photoelectric multiplier pixel cell
Vinke Time-of-flight PET with SiPM sensors on monolithic scintillation crystals
EP4273586A1 (en) Oriented triplex sensor and method of identification of the radiation source location and its dosimetry
Korevaar et al. Maximum-likelihood scintillation detection for EM-CCD based gamma cameras
de Vree et al. EMCCD-based photon-counting mini gamma camera with a spatial resolution< 100/spl mu/m
US11940577B1 (en) Wide bandgap semiconductor radiation detectors
Olschner Silicon drift photodiode array detectors
Turk et al. X-ray Detectors for Macromolecular

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111204