RU2837644C1 - Scintillation detector - Google Patents
Scintillation detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2837644C1 RU2837644C1 RU2024136523A RU2024136523A RU2837644C1 RU 2837644 C1 RU2837644 C1 RU 2837644C1 RU 2024136523 A RU2024136523 A RU 2024136523A RU 2024136523 A RU2024136523 A RU 2024136523A RU 2837644 C1 RU2837644 C1 RU 2837644C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sipm
- crystals
- detector
- matrix
- scintillation
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims abstract description 3
- KRIJWFBRWPCESA-UHFFFAOYSA-L strontium iodide Chemical compound [Sr+2].[I-].[I-] KRIJWFBRWPCESA-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 8
- 229910001643 strontium iodide Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical group [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к высокоэффективным сцинтилляционным детекторам ионизирующего излучения с ультранизким порогом регистрации энерговыделений и может быть использовано в ядерной и атомной физике, в радиометрической и спектрометрической аппаратуре. Как правило, в такой аппаратуре используются классические неорганические сцинтилляторы NaI(Tl), CsI(Tl) или их аналоги. Такие сцинтилляторы относительного большого объема с высоким световыходом обеспечивают энергетический порог регистрации излучения на уровне 20-40 кэВ, а отдельные детекторы небольших размеров могут иметь порог регистрации от 10 кэВ. Данные детекторы не могут обеспечить более низкий порог регистрации, поскольку классические сцинтилляторы имеют световой выход менее 60 000 фотонов/МэВ, а стандартные фотоэлектронные умножители имеют квантовую эффективность менее 30%. Как правило, уникально высокий светосбор можно получить только с сцинтиллятора небольшого размера с объемом порядка нескольких кубических сантиметров, что ограничивает эффективность регистрации ионизирующего излучения, особенно рентгеновского и гамма-излучения.The invention relates to highly efficient scintillation detectors of ionizing radiation with an ultra-low threshold for registering energy releases and can be used in nuclear and atomic physics, in radiometric and spectrometric equipment. As a rule, such equipment uses classical inorganic scintillators NaI(Tl), CsI(Tl) or their analogues. Such scintillators of a relatively large volume with a high light output provide an energy threshold for registering radiation at a level of 20-40 keV, and individual detectors of small sizes can have a registration threshold of 10 keV. These detectors cannot provide a lower registration threshold, since classical scintillators have a light output of less than 60,000 photons/MeV, and standard photomultipliers have a quantum efficiency of less than 30%. As a rule, a uniquely high light collection can only be obtained from a small-sized scintillator with a volume of the order of several cubic centimeters, which limits the efficiency of detecting ionizing radiation, especially X-rays and gamma radiation.
Уровень техникиState of the art
Известно техническое решение RU 2 750 130 C1 - ПОИСКОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР. В патенте описывается сцинтилляционный детектор на основе сцинтиллятора c высоким световыходом NaI(Tl) или CsI(Tl) и фотоприемника SiPM. В изобретении был получен порог регистрации событий 40 кэВ в температурном диапазоне от -65°С до 70°С.Technical solution RU 2 750 130 C1 is known - SEARCH SCINTILLATION DETECTOR OF GAMMA RADIATION FOR WORK IN A WIDE TEMPERATURE RANGE. The patent describes a scintillation detector based on a scintillator with a high light output NaI(Tl) or CsI(Tl) and a SiPM photodetector. The invention achieved an event detection threshold of 40 keV in the temperature range from -65°C to 70°C.
Известно также техническое решение RU 2 225 017 C2 - СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО РЕПЕРНОМУ ПИКУ. В патенте описывается способ снижения порога регистрации сцинтилляционного детектора на основе сцинтиллятора NaI(Tl) и ФЭУ. В патенте также описан способ анализа сигнала, который позволил снизить порог регистрации до 15 кэВ.Also known is the technical solution RU 2 225 017 C2 - METHOD OF DIFFERENTIAL STABILIZATION OF THE SPECTROMETRIC CHANNEL OF THE SCINTILLATION UNIT OF DETECTING GAMMA RADIATION BY A REFERENCE PEAK. The patent describes a method of reducing the registration threshold of a scintillation detector based on a NaI(Tl) scintillator and a photomultiplier. The patent also describes a method of signal analysis, which made it possible to reduce the registration threshold to 15 keV.
Наиболее близким к заявляемому решению является детектор гамма-излучения SC-MacroPixel-MCA, изготавливаемый компанией CapeScint (США) (https://capescint.com/wp-content/uploads/Scintillation-Probe-SC-MacroPixel-MCA-Datasheet.pdf). Этот детектор состоит из одиночного сцинтиллятора SrI2(Eu) размером 14х14х25.4 мм3 и матрицы из четырех кремниевых фотоумножителей. Заявленный энергетический порог регистрации составляет 10 кэВ. Такой относительно низкий порог регистрации обеспечен уникальным световым выходом сцинтиллятора SrI2(Eu), около 100-120 тысяч фотонов/МэВ, и небольшим размером кристалла, обеспечивающим наилучшее светособирание. Недостатком данного прибора является небольшая эффективность регистрации излучения, обусловленная малым размером сцинтиллятора, и высокие тепловые шумы фотодиодной матрицы, не позволяющие уменьшить порог регистрации ниже 10 кэВ. The closest to the claimed solution is the SC-MacroPixel-MCA gamma-ray detector manufactured by CapeScint (USA) (https://capescint.com/wp-content/uploads/Scintillation-Probe-SC-MacroPixel-MCA-Datasheet.pdf). This detector consists of a single SrI 2 (Eu) scintillator measuring 14x14x25.4 mm 3 and a matrix of four silicon photomultipliers. The declared energy threshold of registration is 10 keV. Such a relatively low threshold of registration is provided by the unique light output of the SrI2 (Eu) scintillator, about 100-120 thousand photons/MeV, and the small size of the crystal, providing the best light collection. The disadvantage of this device is the low efficiency of radiation registration, due to the small size of the scintillator, and the high thermal noise of the photodiode matrix, which does not allow the registration threshold to be reduced below 10 keV.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высокоэффективного детектора ионизирующего излучения с энергетическим порогом регистрации около 1 кэВ.The task that the claimed invention is aimed at solving is the creation of a highly efficient detector of ionizing radiation with an energy detection threshold of about 1 keV.
Технический результат заключается в увеличении эффективности регистрации излучения, подавлении тепловых шумов фотодетекторов и уменьшении энергетического порога регистрации сигналов при минимальном количестве электронных каналов считывания.The technical result consists in increasing the efficiency of radiation registration, suppressing thermal noise of photodetectors and reducing the energy threshold for signal registration with a minimum number of electronic reading channels.
Технический результат достигается тем, что детектор, предназначенный для регистрации ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор SrI2(Eu) и матрицу кремниевых фотоумножителей SiPM, отличается тем, что включает четыре индивидуальных сцинтилляционных кристалла SrI2(Eu), с формированием структуры матрицы кремниевых фотоумножителей SiPM, при которой каждый сцинтилляционный кристалл связан с четырьмя SiPM, соединенными через схемы совпадений и кодировки сигналов с SiPM соседних кристаллов, которые обеспечивают подавление темновых шумов SiPM, понижение порога регистрации и сохранение числа каналов съемов сигналов, равное количеству кристаллов в детекторе. Использование четырех кристаллов обеспечивает большой объем сцинтиллятора, необходимый для эффективной регистрации ионизирующего излучения. При этом, индивидуальный съем сигнала с каждого кристалла обеспечивает оптимальное светособирание и минимальный энергетический порог регистрации, который дополнительно уменьшается за счет схем совпадений, используемых в SiPM матрице. Совместное использование схем совпадений и кодировки обеспечивает число каналов съема сигналов, равное количеству индивидуальных кристаллов в детекторе, что позволяет использовать стандартные микросхемы аналогово-цифровых преобразователей с четырьмя аналоговыми входами. The technical result is achieved in that the detector intended for recording ionizing radiation, containing a SrI2(Eu) scintillator and a matrix of silicon photomultipliers SiPM, is distinguished by the fact that it includes four individual SrI2(Eu) scintillation crystals, with the formation of a structure of a matrix of silicon photomultipliers SiPM, in which each scintillation crystal is connected to four SiPM, connected through coincidence circuits and signal encoding with SiPM of adjacent crystals, which provide suppression of dark noise of SiPM, lowering of the registration threshold and maintaining the number of signal pickup channels equal to the number of crystals in the detector. The use of four crystals provides a large volume of the scintillator, necessary for effective recording of ionizing radiation. At the same time, individual signal pickup from each crystal provides optimal light collection and a minimum energy registration threshold, which is additionally reduced due to the coincidence circuits used in the SiPM matrix. The combined use of coincidence and coding circuits provides a number of signal acquisition channels equal to the number of individual crystals in the detector, which allows the use of standard analog-to-digital converter microcircuits with four analog inputs.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На Фиг.1 представлена структура детекторного модуля, состоящего из четырех кристаллов SrI2(Eu), и матрицы кремниевых фотоумножителей, имеющей прямой оптический контакт с сцинтилляторами. Слева представлена структура матрицы фотодетекторов из отдельных SiPM с индивидуальными номерами от 1 до 16, указанными на рисунке. Справа – вид детектора сбоку. 17- индивидуальные сцинтилляционные кристаллы, 18 - матрица SiPM.Fig. 1 shows the structure of the detector module consisting of four SrI2(Eu) crystals and a matrix of silicon photomultipliers having direct optical contact with the scintillators. On the left is the structure of the matrix of photodetectors from individual SiPMs with individual numbers from 1 to 16, indicated in the figure. On the right is a side view of the detector. 17 - individual scintillation crystals, 18 - SiPM matrix.
На Фиг. 2 представлена организация схем совпадений и кодировки сигналов с детекторного модуля для подавления темнового тока SiPM. За счет кодировки каналов съема сигналов с различных сцинтилляционных кристаллов количество считывающих электронных каналов остается минимальным и равным количеству используемых кристаллов в детекторном модуле. 1-16 – порядковые номера отдельных кремниевых фотоумножителей матрицы SiPM; 19 – компараторы; 20 – схемы совпадений; 21 схема или, вырабатывающая общий триггер на запись события.Fig. 2 shows the organization of coincidence circuits and coding of signals from the detector module for suppressing the dark current of SiPM. Due to the coding of the channels for reading signals from different scintillation crystals, the number of reading electronic channels remains minimal and equal to the number of crystals used in the detector module. 1-16 – serial numbers of individual silicon photomultipliers of the SiPM matrix; 19 – comparators; 20 – coincidence circuits; 21 – circuit or, generating a common trigger for recording an event.
На Фиг.3 представлен спектр низкоамплитудных сигналов с детектора, демонстрирующий работу детектора в режиме счета одиночных фотонов и используемый для калибровки детектора. Здесь пики в порядке нарастания амплитуды соответствуют регистрации одного, двух и трех фотонов. Fig. 3 shows the spectrum of low-amplitude signals from the detector, demonstrating the detector's operation in the single-photon counting mode and used for calibrating the detector. Here, the peaks in the order of increasing amplitude correspond to the registration of one, two, and three photons.
На Фиг. 4 показан низкоэнергетическая часть спектра энерговыделений от гамма-источника 241Am в сцинтилляционном детекторе. Числами обозначены энергии в кэВ соответствующих гамма-линий. Левый пик, соответствующий энергии 2 кэВ, демонстрирует возможность использования детектора для регистрации событий с энерговыделением от 1 кэВ. Fig. 4 shows the low-energy part of the energy release spectrum from the gamma source 241 Am in a scintillation detector. The numbers indicate the energies in keV of the corresponding gamma lines. The left peak, corresponding to an energy of 2 keV, demonstrates the possibility of using the detector to register events with an energy release of 1 keV.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Предлагаемые выше подходы апробированы на опытном детекторе, состоящем из четырех сцинтилляционных кристаллов SrI2(Eu), размером 15x15х25 мм3 каждый. Такие размеры кристаллов выбраны как оптимальные для светособирания и считывания сигнала с помощью четырех фотодиодов, размером 6х6 мм2 каждый. Длина кристалла обеспечивает малое поглощение света внутри самого сцинтиллятора. Структура детекторного модуля, состоящего из четырех кристаллов SrI2(Eu), и матрицы фотодиодов, имеющей прямой оптический контакт с сцинтилляторами представлена на фиг.1.The approaches proposed above were tested on an experimental detector consisting of four SrI2(Eu) scintillation crystals, each measuring 15x15x25 mm 3 . These crystal sizes were chosen as optimal for light collection and signal reading using four photodiodes, each measuring 6x6 mm 2 . The length of the crystal ensures low light absorption inside the scintillator itself. The structure of the detector module, consisting of four SrI2(Eu) crystals, and a photodiode matrix having direct optical contact with the scintillators is shown in Fig. 1.
С целью снижения энергетического порога регистрации реализована схема совпадений и кодировки сигналов с матрицы SiPM, показанная на фиг. 2, которая позволяет значительно снизить тепловые шумы кремниевых фотоумножителей при сохранении минимального количества каналов считывающей электроники. Как видно на фиг.2, каждые два SiPM одного кристалла объединены с двумя SiPM соседнего кристалла. Таким образом, происходит перекрестное объединение индивидуальных фотоумножителей с разных кристаллов. Регистрация события в одном кристалле приводит к срабатыванию двух групп SiPM, сигналы с которых поступают на компараторы 19, а затем на схему совпадений 20. Выработка общего триггера на запись события в амплитудно-цифровых преобразователях происходит в общей схеме ИЛИ 21. Полученный удельный светосбор представленного детектора превышает значение 30 фотоэлектронов/кэВ, что позволяет установить порог в каждом из компараторов на уровне 15 фотоэлектронов. Одновременное срабатывание двух компараторов и, соответственно, одной из схем совпадений обеспечивает порог регистрации около 1 кэВ. Этот порог подтверждается низкоэнергетической частью спектра от радиоактивного источника 241Am, приведенным на фиг.3. Самый левый пик с энергией 2 кэВ соответствует электронным переходам в оболочках атома стронция, входящего в состав сцинтиллятора.In order to reduce the energy threshold of registration, a scheme of coincidences and encoding of signals from the SiPM matrix is implemented, shown in Fig. 2, which allows to significantly reduce the thermal noise of silicon photomultipliers while maintaining the minimum number of channels of the readout electronics. As can be seen in Fig. 2, every two SiPMs of one crystal are combined with two SiPMs of the neighboring crystal. Thus, a cross-combination of individual photomultipliers from different crystals occurs. Registration of an event in one crystal leads to the operation of two SiPM groups, the signals from which are fed to comparators 19, and then to the coincidence scheme 20. The generation of a common trigger for recording an event in the amplitude-to-digital converters occurs in the common OR scheme 21. The resulting specific light collection of the presented detector exceeds the value of 30 photoelectrons/keV, which allows to set the threshold in each of the comparators at the level of 15 photoelectrons. Simultaneous operation of two comparators and, accordingly, one of the coincidence schemes provides a registration threshold of about 1 keV. This threshold is confirmed by the low-energy part of the spectrum from the radioactive source 241 Am, shown in Fig. 3. The leftmost peak with an energy of 2 keV corresponds to electron transitions in the shells of the strontium atom, which is part of the scintillator.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2837644C1 true RU2837644C1 (en) | 2025-04-03 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130009066A1 (en) * | 2011-07-06 | 2013-01-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Block Detector With Variable Microcell Size For Optimal Light Collection |
| RU2567400C2 (en) * | 2010-08-26 | 2015-11-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Pixelated sensor |
| WO2017038133A1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 株式会社島津製作所 | Radiation detector and detector module |
| RU2750130C1 (en) * | 2020-12-11 | 2021-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью «ПОЛИТЕХФОРМ-М» (ООО «ПОЛИТЕХФОРМ-М») | Search scintillation detector of gamma radiation for operation in wide temperature range |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2567400C2 (en) * | 2010-08-26 | 2015-11-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Pixelated sensor |
| US20130009066A1 (en) * | 2011-07-06 | 2013-01-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Block Detector With Variable Microcell Size For Optimal Light Collection |
| WO2017038133A1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 株式会社島津製作所 | Radiation detector and detector module |
| RU2750130C1 (en) * | 2020-12-11 | 2021-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью «ПОЛИТЕХФОРМ-М» (ООО «ПОЛИТЕХФОРМ-М») | Search scintillation detector of gamma radiation for operation in wide temperature range |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5457639B2 (en) | Photon counting CT detector using semiconductor photomultiplier and scintillator | |
| Pichler et al. | Lutetium oxyorthosilicate block detector readout by avalanche photodiode arrays for high resolution animal PET | |
| US8247780B2 (en) | High density, proportional-mode, APD arrays for individual scintillator readout in PET applications | |
| US20220137242A1 (en) | Radiation detection apparatus having a reflector | |
| US20150285921A1 (en) | Position sensitive solid-state photomultipliers, systems and methods | |
| Jeong et al. | Comparison between pixelated scintillators: CsI (Tl), LaCl 3 (Ce) and LYSO (Ce) when coupled to a silicon photomultipliers array | |
| CN101046513A (en) | Enactment method and detection for energy calibration and energy interested region and diagnose device | |
| Szczęśniak et al. | MPPC arrays in PET detectors with LSO and BGO scintillators | |
| Nakamori et al. | Development of a gamma-ray imager using a large area monolithic 4× 4 MPPC array for a future PET scanner | |
| Grodzicka-Kobylka et al. | Study of n-γ discrimination by zero-crossing method with SiPM based scintillation detectors | |
| Wang et al. | Energy calibration using scintillator background radiation for high-resolution PET detectors | |
| McClish et al. | Performance measurements of CMOS position sensitive solid-state photomultipliers | |
| Marisaldi et al. | A pulse shape discrimination gamma-ray detector based on a silicon drift chamber coupled to a CsI (Tl) scintillator: prospects for a 1 keV-1 MeV monolithic detector | |
| Holl et al. | Some studies of avalanche photodiode readout of fast scintillators | |
| Jung et al. | A diode-based symmetric charge division circuit with grounding path to reduce signal crosstalk and improve detector performance | |
| RU2837644C1 (en) | Scintillation detector | |
| Ruch et al. | Comparison between silicon photomultipliers and photomultiplier tubes for pulse shape discrimination with stilbene | |
| RU2593617C1 (en) | Method for improvement of energy resolution of scintillation gamma spectrometer | |
| Kataoka et al. | Development of an APD-based PET module and preliminary resolution performance of an experimental prototype gantry | |
| Carrier et al. | Timing performance of scintillators read out by silicon avalanche photodiodes | |
| Shimizu et al. | Assessment of ${\rm Lu} _ {1.8}{\rm Gd} _ {0.2}{\rm SiO} _ {5} $(LGSO) Scintillators With APD Readout for PET/SPECT/CT Detectors | |
| Sajedi et al. | A Generic, scalable, and cost-effective detector front-end block for PET | |
| Levin et al. | Investigation of a new readout scheme for high resolution scintillation crystal arrays using photodiodes | |
| Miura et al. | Development of a scintillation detector using a MPPC as an alternative to an APD | |
| Casey et al. | An LSO block detector for PET using an avalanche photodiode array |