RU2837644C1 - Сцинтилляционный детектор - Google Patents
Сцинтилляционный детектор 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
Изобретение относится к области детектирования ионизирующего излучения. Технический результат заключается в повышении эффективности регистрации излучения, подавлении тепловых шумов фотодетекторов и уменьшении энергетического порога регистрации сигналов при минимальном количестве электронных каналов считывания. Детектор, предназначенный для регистрации ионизирующих излучений, содержит сцинтилляторы SrI2(Eu) и матрицу кремниевых фотоумножителей SiPM, при этом включает комбинацию четырех индивидуальных сцинтилляционных кристаллов 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 число каналов съемов сигналов, равное количеству кристаллов в детекторе. 4 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
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.
Уровень техники
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.
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.
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.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высокоэффективного детектора ионизирующего излучения с энергетическим порогом регистрации около 1 кэВ.
Технический результат заключается в увеличении эффективности регистрации излучения, подавлении тепловых шумов фотодетекторов и уменьшении энергетического порога регистрации сигналов при минимальном количестве электронных каналов считывания.
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.
Краткое описание чертежей
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.
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.
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.
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.
Осуществление изобретения
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.
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.
Claims (1)
- Детектор, предназначенный для регистрации ионизирующих излучений, содержащий сцинтилляторы SrI2(Eu) и матрицу кремниевых фотоумножителей SiPM, отличающийся тем, что включает комбинацию четырех индивидуальных сцинтилляционных кристаллов 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 число каналов съемов сигналов, равное количеству кристаллов в детекторе.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2837644C1 true RU2837644C1 (ru) | 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 (ru) * | 2010-08-26 | 2015-11-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Пикселированное детекторное устройство |
| WO2017038133A1 (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 株式会社島津製作所 | 放射線検出器および検出器モジュール |
| RU2750130C1 (ru) * | 2020-12-11 | 2021-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью «ПОЛИТЕХФОРМ-М» (ООО «ПОЛИТЕХФОРМ-М») | Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения для работы в широком диапазоне температур |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2567400C2 (ru) * | 2010-08-26 | 2015-11-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Пикселированное детекторное устройство |
| US20130009066A1 (en) * | 2011-07-06 | 2013-01-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Block Detector With Variable Microcell Size For Optimal Light Collection |
| WO2017038133A1 (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 株式会社島津製作所 | 放射線検出器および検出器モジュール |
| RU2750130C1 (ru) * | 2020-12-11 | 2021-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью «ПОЛИТЕХФОРМ-М» (ООО «ПОЛИТЕХФОРМ-М») | Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения для работы в широком диапазоне температур |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5457639B2 (ja) | 半導体式の光電子増倍器及びシンチレータを用いたフォトン計数ｃｔ検出器 | |
| 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 (zh) | 能量校准和能量感兴趣区域的设定方法及检测和诊断装置 | |
| 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 (ru) | Сцинтилляционный детектор | |
| Ruch et al. | Comparison between silicon photomultipliers and photomultiplier tubes for pulse shape discrimination with stilbene | |
| RU2593617C1 (ru) | Способ улучшения энергетического разрешения сцинтилляционного гамма-спектрометра | |
| 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 |