CZ306489B6

CZ306489B6 - Zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony

Info

Publication number: CZ306489B6
Application number: CZ2014-739A
Authority: CZ
Inventors: Jan JakĹŻbek; Martin JakĹŻbek
Original assignee: Crytur, Spol.S R.O.; České vysoké učení technické v Praze, Ústav technické a experimentální fyziky
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2017-02-08
Also published as: CZ2014739A3; WO2016070858A1

Abstract

Vynález se týká zařízení (9) pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony (1), které zahrnuje alespoň dva detekční prvky (14) uspořádané v řadě za sebou pro trasování jednotlivých částic primárního záření. Detekční prvek (14) je tvořen alespoň jednou plošnou elektrodou (2) a alespoň jedním zobrazovacím detektorem (4) např. TimePix, který je tvořen citlivým povrchem (10) propojeným s elektronickým čipem (11), jehož citlivý povrch (10) je rozdělen na pole nezávislých pixelů (P.sub.1.n., P.sub.2.n., … P.sub.n.n.), kde každý pixel (P.sub.1.n., P.sub.2.n., … P.sub.n.n.) má nastavitelný detekční práh (6) energie (E) koincidenčních skupin a vlastní výstup signálu nesoucího informaci o překonání detekčního prahu (6) energiemi (E) koincidenčních skupin. Mezi plošnou elektrodou (2) a zobrazovacím detektorem (4) je vytvořen vakuový prostor s elektrickým polem (3). Před plošnou elektrodu (2) ve směru šíření primárního záření (5) lze s výhodou uspořádat scintilátor (13).

Description

Zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony

Oblast techniky

Vynález se zabývá zařízením pro zobrazování pomocí ionizujícího záření nebo radiací. K zobrazování jsou použity prostředky, které ionizující záření nebo radiaci detekují a následně převádějí na viditelný obraz, či je jinak zaznamenávají.

Dosavadní stav techniky

V současné době se využívá ionizujícího záření a radiace k zobrazování vnitřní struktury objektů, která není jinak viditelná. Mimo různé využití, se například takto v medicínském prostředí zobrazují části lidského těla, nebo v průmyslových oborech např. výrobky vyrobené odléváním, nebo se mohou takto zobrazovat vzácné historické artefakty.

Nejrozšířeněji používanou konfigurací zobrazovacího systému je tzv. transmisní uspořádání, ve kterém jsou zdroj záření, objekt a zobrazovací detektor umístěny za sebou na jedné přímce. Zdroj vyzařuje homogenní svazek záření, které dopadá na objekt. Záření může být od objektu odraženo, může být objektem pohlceno, nebo objektem projde v utlumené intensitě. Následně dopadá záření z objektu na zobrazovací detektor, který zaznamená změny způsobené objektem v původně homogenním svazku záření, přičemž tyto změny detektor umožňuje zviditelnit. Buď přímo, to jest jako citlivý film, jehož povrch se vybarvuje, nebo nepřímo, kdy je detektor elektronický a výstupní signál detektoru je vyobrazen na připojené obrazovce řídicí jednotky.

Nevýhody výše popsaného uspořádání spočívají v tom, že záření, které dopadá na detektor, způsobuje jeho radiační poškození a snižuje jeho životnost. Detektory se musejí vyměňovat, mají předepsané úrovně intenzity a typy záření, které dokáží snímat. Odlišně zvolené intenzity záření, nebo typy záření, by detektory zničily, případně by detektory nebyly zničeny, pouze by záření nedokázaly rozeznat. Z toho vyplývá omezené využití detektorů.

Výše uvedené uspořádání je zastoupeno například detektorem záření z mezinárodní přihlášky vynálezu WO 2005/065333. V mezinárodní přihlášce je popsán detektor, jehož citlivá plocha je rozdělena na jednotlivé pixely, tzn., že dopadová plocha je rozdělená na více miniaturních ploch. Každý pixel je schopen detekovat dopadající záření nezávisle na sousedních pixelech. Dopadová plocha je napojena na čtecí čip, přičemž každý pixel má vlastní kontakt se čtecím čipem. Ve čtecím čipu jsou vytvořeny vodivé kanály, které nesou přijatou informaci o dopadu záření na konkrétní pixel snímací plochy k vyhodnocení do řídicí jednotky. Pokud je dopad vyhodnocen jako proběhnuvší, je o tom informováno připojené zařízení, které sestavuje výsledný obraz z dílčích informací z každého pixelu. Pro situace, kdy na detektor dopadá velice intenzivní záření, nebo pokud na detektor dopadá jiný typ záření, než bylo zamýšleno, je v elektronické části detektoru nastaveno prahové napětí pro filtrování výsledků.

Sum v zobrazování je vážným problémem, zejména u detektorů, které jsou citlivé na dopad jednotlivých částic záření, jako jsou například jednotlivé fotony viditelného světla. Jedním ze známých řešení je detektor uvedený v přihlášce vynálezu US 2014/0166861. Detektor odstraňuje nedostatky stávajících detektorů, které při vysoké frekvenci dopadu fotonů ztráceli svoji schopnost počítání jednotlivých dopadů. Jednou z možností eliminace „přehlcení“ detektoru je omezení množiny částic na podmnožinu s přijatelnou energií, tzn. omezit prahové napětí na minimální a maximální přípustnou mez energie částice. Detektor má dopadovou plochu rozdělenou na jednotlivé pixely, každý pixel je propojen s vyhodnocovacím čipem. Vyhodnocovací čip je propojen s prostředky pro nastavení prahového napětí a jeho porovnání se signály z jednotlivých pixelů. Nevýhody detektoru spočívají v tom, že při dopadu intenzivního záření dojde ke zkreslení obrazu

-1 CZ 306489 B6 nebo dokonce až k jeho poškození, takže detektor není vhodný pro využití v aplikacích s intenzivním a vysokoenergetickým zářením.

V přihlášce vynálezu US 2012132821 je popsán detektor pro aplikace týkající se rentgenového vyšetření pacienta. Vynález odstraňuje situace, kdy šum mylně informoval vyhodnocovací jednotku a byl považován za začátek vyšetření, aniž by bylo rentgenové záření ze zdroje vyzářeno. Tím docházelo k chybnému ozáření a výsledné obrazy byly nečitelné. Snímkování se opakovalo a pacient obdržel až několik dávek ionizujícího záření, což je nepřijatelné. Detektor opět zahrnuje dopadovou plochu, propojenou se čtecím čipem. U čtecího čipu jsou prostředky pro nastavení prahového napětí. Rentgenové záření prahové napětí překoná a aktivuje se celé zařízení, šum není odeslán do vyhodnocovací jednotky, neboť se jeho signál nepřenese přes prahové napětí. Nevýhody vynálezu spočívají v tom, že není detektor vhodný pro aplikace s intenzivním ionizujícím zářením, které by omezilo podstatně jeho životnost.

Je znám polovodičový pixelový detektor Medipix nebo Timepix, který může být alternativou kvýše popsaným detektorům. Jedná se o detektor umožňující registrovat jednotlivé ionizující částice dopadající na jeho citlivou plochu rozdělenou na jednotlivé pixely. Detektor se skládá z čipu sensoru a čipu čtecí elektroniky. V čip čtecí elektroniky obsahuje pro každý pixel samostatný obvod nábojově citlivého zesilovače, tvarovače, diskriminátoru a digitálního registru. Ionizující částice dopadající do určitého pixelu na čipu sensoru zde vytvoří elektrický náboj, který je v čipu čtecí elektroniky zesílen, porovnán s jistou předem nastavenou prahovou úrovní a pokud je větší, je tato událost zaznamenána v digitálním registru.

Pro prodloužení životnosti detektorů lze využít nepřímého ozařování detektorů. Detektor neleží již v přímce dopadu záření, ale mimo ni. Záření prochází vodivou katodou, ze které svým průchodem vyráží částice, které jsou vyhodnocovány na detektoru. Částice vyražené dopadem záření jsou elektrony, které jsou urychleny vodivým polem a které dopadají na detekční plochu detektoru.

Využití koincidenčního záření je známo například v přihlášce evropského patentu EP 2482102, ve kterém je popsáno zobrazovací zařízení. Zařízení je opatřeno dvěma detektory. Detektorem směrovým a detektorem sekundárního záření. Detektor směrový využívá jevu, kdy ionizující záření postupuje po přímce, takže jeden konec přímky je nasměrován na zobrazovaný objekt a druhý konec přímky je nasměrován do směrového detektoru. Tím je určena orientace ionizujícího záření v prostoru vůči objektu. V objektu dojde ke koincidenci a je vyzářeno sekundární záření, které zaznamená detektor sekundárního záření. Následně může být početně určena poloha bodu v objektu, kde došlo ke koincidenci. Nevýhoda zařízení spočívá v tom, že odstraňuje šum pouze částečně pomocí kolimátoru na směrovém detektoru. Detektor sekundárního záření šum zaznamenává.

Úkolem vynálezu je vytvoření zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony, které by dokázalo snímat široké spektrum typů záření a intenzit, které by odstranilo šum ve výsledném obrazu, které by umožňovalo zaznamenat profd svazku záření, aniž by tento svazek významně deformovalo, či jinak ovlivňovalo, a které by dokázalo zaznamenat polohu jednotlivých procházejících částic.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen vytvořením zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony podle níže rozepsaného vynálezu.

Zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony sestává z alespoň jednoho detekčního prvku složeného z alespoň jedné plošné elektrody pro emisi sekundárních elektronů, z ales

-2CZ 306489 B6 poň jednoho zobrazovacího detektoru, který je tvořený citlivým povrchem propojeným s elektronickým čipem, z vakuovaného prostoru ležícího mezi plošnou elektrodou a citlivým povrchem zobrazovacího detektoru, a z prostředku elektronové optiky uspořádaného u vakuového prostoru. Zobrazovací detektor je pixelový polovodičový detektor, jehož citlivý povrch je rozdělen na pole nezávislých pixelů. Každý pixel má nastavitelný detekční práh pro energii koincidenčních skupin a dále má každý pixel vlastní registr signálu nesoucího informaci o překonání detekčního prahu energiemi koincidenčních skupin. Součástí zařízení je dále řídicí jednotka připojená k výstupu zobrazovacího detektoru a rovněž také připojená i k prostředku elektronové optiky.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že zahrnuje alespoň dva detekční prvky, přičemž jsou detekční prvky společně prostorově orientovány pro nepřerušovaný dopad primárního záření na plošné elektrody, a jsou uspořádány v řadě za sebou s definovanou roztečí pro trasování jednotlivých částic primárního záření.

Zařízení pracuje tak, že detekuje emisi sekundárních elektronů z plošné elektrody, na kterou dopadne částice primárního záření a iniciuje zde emisi několika sekundárních elektronů. Pokud je současně uvolněno více elektronů, hovoříme o koincidenční skupině sekundárních elektronů. Pro efektivní využití sekundární emise musejí být sekundární elektrony emitovány do vakua. Uvolněné sekundární elektrony jsou urychleny elektrickým polem a jsou nasměrovány a fokusovány na citlivý povrch zobrazovacího detektoru. V elektrickém poli obdrží sekundární elektrony energii, kterou si odnesou do detektoru. Celá koincidenční skupina tedy nese k citlivému povrchu detektoru energii odpovídající počtu elektronů ve skupině. Citlivým povrchem detektoru jsou sekundární elektrony pohlceny. Detektor vyhodnotí dopad sekundárních elektronů, zejména zaznamená přenesenou energii, a na základě toho vytvoří signál, který je z detektoru odveden k dalšímu zpracování. Celá skupina koincidenčních elektronů dopadne na detektor do jednoho místa, kde je detektorem pohlcena a její energie je porovnána s předdefinovaným detekčním prahem. Při překonání detekčního prahu detektor v daném místě zaznamená informaci. Vhodným nastavením detekčního prahu lze tedy omezit citlivost detektoru jen na koincidenční skupiny o jisté velikosti. Takto vytvořený detektor tedy pracuje na principu prostorové a časové koincidence. Zaznamenány jsou jen ty případy, kdy do jednoho pixelu dopadne současně určitý počet sekundárních elektronů. Vygenerovaný signál dopadu koincidenční skupiny je opatřen údajem o čase dopadu. Tím, že jsou detektovány pouze koincidenční skupiny, je téměř zcela potlačeno zkreslení výsledků způsobené samovolnou termoemisí jednotlivých elektronů. Tyto nežádoucí elektrony jsou sice také urychleny a nasměrovány na zobrazovací detektor, ale netvoří koincidenční skupiny a dopadají na celou plochu detektoru naprosto náhodně a nekorelované. Je-li tedy detekční práh nastaven alespoň na energii koincidenční skupiny o dvou elektronech, jsou elektrony termoemise vyloučeny z registrace.

Společné prostorové uspořádání alespoň dvou detekčních prvků s definovanou roztečí je výhodné zejména proto, že rozmístění jednotlivých detekčních prvků v řadě za sebou s určenou roztečí umožňuje trasování detekovaného primárního záření tvořeného částicemi. Je možné určit směr letící částice a podle prodlevy mezi detekcí v jednotlivých detekčních prvcích i rychlost částice tvořící primární záření.

V dalším výhodném provedení zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony podle tohoto vynálezu je plošná elektroda tvořena fotokatodou nebo kovovou fólií. Řídicí jednotka je tvořena počítačem. V zařízení je primárním zářením degradována pouze plošná elektroda a samotný detektor je ušetřen dopadu primárního záření. Pokud je plošná elektroda opotřebována, radiačně nebo mechanicky poničena, je výměna této elektrody levná a časově nenáročná, oproti servisu celého poškozeného detektoru. Počítač tvořící řídicí jednotku je schopen data z detektoru zpracovávat, ukládat a reprodukovat. Současně je schopen signály o dopadu vyobrazovat graficky na displeji.

V dalším výhodném provedení zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony podle tohoto vynálezu je plošná elektroda tvořena folií, je uspořádána skrz svazek primárního

-3 CZ 306489 B6 záření pro okopírování tvaru průřezu primárního svazku sekundárním zářením, a maximální tloušťka plošné elektrody je do 10 pm. Zařízení řeší obtížný úkol sledování tvaru průřezu svazku primárního záření, aniž by došlo k zásadní změně parametrů primárního záření. Fólie nebrání průniku primárního záření skrz, pouze odebere nepatrné množství energie a primární záření není podstatně ovlivněno. To je výhodné zejména pro aplikace v urychlovačích částic, kde je požadavek na sledování tvaru svazku primárního záření, aniž by byl svazek primárního záření narušen.

V dalším výhodném provedení zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony podle tohoto vynálezu je ve směru postupu primárního záření před plošnou elektrodou uspořádán alespoň jeden scintilátor. Scintilátor reaguje na dopad ojedinělých neutronů, či na částice gama záření tvořící primární záření, generováním světla. V scintilátoru dojde k emisi mnoha fotonů současně, které následně emitují z plošné elektrody (fotokatody) sekundární elektrony v koincidenčních skupinách. Je tedy možné zaznamenat i ojedinělý neutron, který není v zobrazovacím detektoru zkreslen elektrony temného proudu.

Zařízení podle vynálezu je možné používat k trasování částic primárního záření, a to za téměř odstraněného rušení elektrony temného proudu.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže osvětlen pomocí následujících vyobrazení, na kterých znázorňují:

obr. 1 schematické vyobrazení známé emise sekundárních elektronů z plošné elektrody způsobené primárním zářením, obr. 2 schematické vyobrazení známé detekce s ojedinělými sekundárními elektrony a se sekundárními elektrony nacházejících se v koincidenčních skupinách, obr. 3 schematické vyobrazení známých možných úprav svazku sekundárního záření, obr. 4 schematické vyobrazení známého záznamu dopadu primární částice pro výpočet jejího směru letu, obr. 5 schematické vyobrazení dvou detekčních prvků tvořených detektorem a plošnou elektrodou pro trasování primárního záření, obr. 6 schematické provedení zařízení s použitím scintilátoru, obr. 7 schematické zapojení konstrukčních částí zařízení podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že jednotlivá uskutečnění vynálezu jsou představována pro ilustraci, nikoli jako omezení vynálezu na výčet zde uvedených příkladů provedení. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování mnoho ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Na obr. 1 je vyobrazeno známé schéma funkce vynálezu. Vyobrazen je detekční prvek 14 složený z plošné elektrody 2 a ze zobrazovacího detektoru 4. Plošná elektroda 2 je tvořena zlatou folií a dopadá na ni tvrdé rentgenové záření, které tvoří primární záření 5. Primární záření 5 směřuje přes fólii mimo detektor 4, takže jej neohrožuje. Detektor 4 je tvořen technologií Medipix nebo Timepix. Při průniku primárního záření 5 plošnou elektrodou 2 dojde k uvolnění sekundárních elektronů 1. Tyto sekundární elektrony 1 jsou emitovány současně a jsou emitovány do přítomného elektrického pole 3. Elektrické pole 3 usměrní a urychlí sekundární elektrony 1 jedné koin

-4CZ 306489 B6 cidenční skupiny a sekundární elektrony 1 jsou unášeny směrem k detektoru 4, na který dopadnou.

Elektrické pole 3 unáší a urychluje všechny emitované sekundární elektrony 1, které opustí plošnou elektrodu 2 směrem do elektrického pole 3. I tyto sekundární elektrony 1, např. z termoemise, dopadají na detektor 4.

Na obr. 2 je vyobrazena známá funkce detektoru 4 pro odlišné případy dopadajících sekundárních elektronů 1. Na pixel P₂ dopadly dva elektrony 1, které byly emitovány díky termoemisi v odlišné časové době. Oba tyto elektrony do pixelu P₂ donesly dvakrát energii E, která však ani v jednom případě nestačila k překonání detekčního prahu 6. Pixel Fj tedy nevytvořil signál o dopadu sekundárních elektronů 1, protože nebyla splněna podmínka časové koincidence. Na pixel P₂dopadla koincidenční skupina zahrnující tři sekundární elektrony 1. Energie sekundárních elektronů 1 se sečetla, neboť sekundární elektrony 1 mají shodný čas emise, a detekční práh 6 byl překonán. Následkem toho byl v pixelu P? vytvořen a zaregistrován signál o dopadu částic, který je připraven k dalšímu zpracování. Na pixel P₃ dopadl ojedinělý elektron 1, který neměl dostatek energie E, aby mohl být registrován jeho dopad.

Na obr. 3 je schematicky vyobrazena známá manipulace se sekundárním zářením. Díky kontrole magnetického nebo elektrického pole 3 lze svazek sekundárního záření zmenšovat, zvětšovat, ohýbat, nebo pomocí elektronové čočky tvořící elektronovou optiku 7 fokusovat do jednoho místa na detektoru 4.

Na obr. 4 je vyobrazeno schéma známé detekce primární částice 8, která pronikla plošnou elektrodou 2 a dopadla na detektor 4. Současně s průnikem plošnou elektrodou 2 emitovala z elektrody 2 koincidenční skupinu sekundárních elektronů 1, které byly rovněž zaznamenány. Díky geometrii dopadu, lze určit směr letu primární částice 8.

Na obr. 5 je vyobrazeno schéma pro trasování primárního záření 5 tvořící vynález. Dva detekční prvky 14 tvořené plošnou elektrodou 2 a detektorem 4 se uspořádají za sebou tak, aby nedošlo k přerušení svazku primárního záření 5. Páry jsou od sebe vzdáleny v předem stanovené rozteči x, kterou pomalejší částice primárního záření 5 překonají s malou časovou prodlevou. Díky časové prodlevě lze spočítat rychlost částice a lze určit i její směr.

Na obr. 6 je vyobrazeno schéma detekčního prvku 14 využívajícího scintilátor 13. Scintilátor 13 transformuje charakter primárního záření 5. Příkladem může být přeměna gama záření na světlené fotony. Přeměněné primární záření 5 dopadá na fotokatodu tvořící plošnou elektrodu 2 a ta emituje sekundární elektrony 1 v koincidenčních skupinách, které jsou při dopadu na detektor 4 zaznamenány.

Na obr. 7 je schéma zapojení zařízení 9 pracujícího podle vynálezu. Zařízení 9 zahrnuje vodivou plošnou elektrodu 2, např. z hliníkové folie, zobrazovací detektor 4 např. založený na technologii Timepix, který je v podstatě tvořen citlivou plochou 10 a elektronickým čipem 11, dále prostředky elektronové optiky 7 pro modulaci svazku sekundárního záření. Řídicí jednotka 12 je tvořena stolním počítačem, nebo laptopem.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony podle vynálezu ve zdravotnickém sektoru, zejména u tomografických vyšetření pacientů, při ozařovacích terapiích, a podobně, dále v průmyslovém sektoru při kontrole kvality výrobků, nebo u bezpečnostních složek, např. v zařízeních pro kontrolu zavazadel na letištích.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení (9) pro koincidenční zobrazování sekundárními elektrony (1) zahrnující alespoň jeden detekční prvek (14) tvořený alespoň jednou plošnou elektrodou (2) pro emisi sekundárních elektronů (1), alespoň jedním zobrazovacím detektorem (4), který je tvořen citlivým povrchem (10) propojeným s elektronickým čipem (11), jehož citlivý povrch (10) je rozdělen na pole nezávislých pixelů (Pi,P₂,... P_n), kde každý pixel (Pi,P₂,... P_n) má nastavitelný detekční práh (6) energie (E) koincidenčních skupin, a dále má každý pixel (P_bP₂, ... P_n) vlastní výstup signálu nesoucího informaci o překonání detekčního prahu (6) energiemi (E) koincidenčních skupin, a dále je detekční prvek (14) tvořený ohraničeným vakuovaným prostorem ležícím mezi plošnou elektrodou (2) a citlivým povrchem (10) zobrazovacího detektoru (4), a alespoň jedním prostředkem elektronové optiky (7) uspořádaným u vakuovaného prostoru, a dále zařízení (9) zahrnuje řídicí jednotku (12) připojenou k výstupu zobrazovacího detektoru (4) a rovněž připojenou k prostředku elektronové optiky (7), vyznačující se tím, že zařízení (9) zahrnuje alespoň dva detekční prvky (14), přičemž jsou detekční prvky (14) společně prostorově orientovány pro nepřerušovaný dopad primárního záření (5) na plošné elektrody (2), a jsou uspořádány v řadě za sebou s definovanou roztečí (x) pro trasování jednotlivých částic primárního záření (5).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že plošná elektroda (2) je tvořena fotokatodou nebo kovovou fólií a řídicí jednotka (12) je tvořena počítačem.

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že plošná elektroda (2) je uspořádána napříč svazkem primárního záření (5) pro zaznamenání tvaru průřezu svazku primárního záření sekundárním zářením, a maximální tloušťka plošné elektrody (2) je do 10 pm.

4. Zařízení podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že ve směru postupu primárního záření (5) je před plošnou elektrodou (2) uspořádán alespoň jeden scintilátor (13).