RU2242025C1

RU2242025C1 - Visual x-ray scintillator

Info

Publication number: RU2242025C1
Application number: RU2003127638/28A
Authority: RU
Inventors: Б.В. Шульгин (RU); Б.В. Шульгин; А.Н. Черепанов (RU); А.Н. Черепанов; В.Ю. Иванов (RU); В.Ю. Иванов; В.Л. Петров (RU); В.Л. Петров; Т.С. Королева (RU); Т.С. Королева; М.М. Кидибаев (RU); М.М. Кидибаев
Original assignee: ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: tomography, microtomography, radiography, and customs supervision systems; telemechanical monitoring of industrial products.

SUBSTANCE: scintillator built around (Li,Na)F crystals has two near-surface scintillation layers with dye centers made in the form of discrete scintillation cells measuring 6 μm and higher, disposed in parallel planes and relatively offset so that scintillation cells of one layer cover gaps between cells of other layer.

EFFECT: enhanced light yield, provision for real-time operation of scintillator.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучений и применяемых для их визуализации в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, а также при телемеханическом мониторинге промышленных изделий и технологий.The invention relates to the field of ionizing radiation sensors with high spatial resolution, sensitive to x-ray and electron radiation beams and used for their visualization in tomography, microtomography, radiography, customs control systems, non-destructive testing systems for industrial products, as well as telemechanical monitoring of industrial products and technology.

Известен люминофор-сцинтиллятор для визуализации рентгеновского излучения (Rossi M., Casali F., Golovkin S.V., Govorun V.N. Digital radiography using an EBCCD-based imaging device. Appl. Radiation and Isotopes. 2000, vol.53, p.699-709) на основе запоминающих фосфоров BaFBr-Eu, создающих скрытое изображение. Однако визуализация скрытого изображения на известном люминофоре-сцинтилляторе происходит только при дополнительной оптической стимуляции, например, He-Ne лазером, т.е. такой люминофор-сцинтиллятор не позволяет работать в режиме реального времени. Кроме того, он имеет недостаточно высокое пространственное разрешение на уровне нескольких сотен микрон.Known phosphor scintillator for x-ray imaging (Rossi M., Casali F., Golovkin SV, Govorun VN Digital radiography using an EBCCD-based imaging device. Appl. Radiation and Isotopes. 2000, vol. 53, p.699-709) based on BaFBr-Eu storage phosphors creating a latent image. However, the visualization of a latent image on a known phosphor scintillator occurs only with additional optical stimulation, for example, by a He-Ne laser, i.e. such a phosphor scintillator does not allow working in real time. In addition, it has a low spatial resolution at the level of several hundred microns.

Известен сцинтиллятор на основе кристаллов NaI-Tl, работающий в сочетании с фотоэлектронными умножителями (Hell Е., Kniipfer W., Mattem D. The evolution of scintillating medical detectiors. Nucl. Instr. and Meth. 2000, vol.A454, p.40-48). Однако известный сцинтиллятор не обеспечивает высокого пространственного разрешения, поскольку является сплошным, вследствие чего в нем происходит изотропное рассеяние сцинтилляций и изображение размывается. Кроме того, спектр излучения NaI-Tl (410 нм) плохо согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов (420-800 нм).Known scintillator based on NaI-Tl crystals, working in combination with photoelectronic multipliers (Hell E., Kniipfer W., Mattem D. The evolution of scintillating medical detectiors. Nucl. Instr. And Meth. 2000, vol.A454, p.40 -48). However, the known scintillator does not provide high spatial resolution, because it is continuous, as a result of which isotropic scintillation scattering occurs in it and the image is blurred. In addition, the emission spectrum of NaI-Tl (410 nm) is not in good agreement with the spectral sensitivity of PIN photodiodes (420-800 nm).

Известен сцинтилляционный экран на основе полистиреновых сцинтиллирующих волокон (D'Ambrosio С. et al. Reflection losses in Polystyrene Fibers. NIM. 1991, vol.A306, p.549), работающих в сочетании с мультианодными (многоканальными) фотоэлектронными умножителями (Группен К. Детекторы элементарных частиц. Справочное издание. Пер. с англ. - Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. с.408. Salomon M. New Measurements of Scintillating Fibers Coupled to Multianode Photomultipliers). Такой сцинтилляционный экран имеет пространственное разрешение на уровне 20-60 мкм, однако из-за низкого эффективного атомного номера (Z_эфф ≤ 6) он обладает очень низкой чувствительностью к рентгеновскому излучению и неэффективен для его визуализации. Кроме того, сцинтилляторы из органических материалов обладают очень низкой термической и радиационной стойкостью.Known scintillation screen based on polystyrene scintillating fibers (D'Ambrosio C. et al. Reflection losses in Polystyrene Fibers. NIM. 1991, vol. A306, p.549), working in combination with multi-anode (multi-channel) photoelectronic multipliers (Gruppen K. Elementary Particle Detectors, Reference Edition, Translated from English - Novosibirsk: Siberian Chronograph, 1999. p. 408. Salomon M. New Measurements of Scintillating Fibers Coupled to Multianode Photomultipliers). Such a scintillation screen has a spatial resolution of 20-60 μm, however, due to the low effective atomic number (Z _eff ≤ 6), it has a very low sensitivity to x-ray radiation and is ineffective for its visualization. In addition, scintillators made of organic materials have very low thermal and radiation resistance.

Известны сцинтиллирующие среды на основе гамма-облученных пленок фторидов LiF, MgF₂, BaF₂ или CaF₂ (или их комбинаций), полученных методом термоваккумного напыления фторидов металлов после гамма-облучения этих пленок заданной дозой, обычно 7 кКл/кг (Войтович А.П., Гончарова О.В. и др. Спектрально-люминесцентные свойства гамма-облученных кристаллов и пленок на основе фторидов. Журн. прикл. спектр. 2003, т.70, №1, с.116-123). Недостатком известных сцинтилляционных сред является их недостаточно высокое пространственное разрешение, что связано с тем, что центры окраски в пленочных или кристаллических фторидах распределены равномерно по всей зоне облучения. Поскольку пленки при малой толщине обладают еще и волноводными свойствами, то при попадании пучка излучения в какую-либо точку пленки ее сплошная светящаяся поверхность создает сильный фон, ухудшающий пространственное разрешение.Known scintillating media based on gamma-irradiated films of LiF, MgF ₂ , BaF ₂ or CaF ₂ fluorides (or combinations thereof) obtained by thermal vacuum deposition of metal fluorides after gamma irradiation of these films with a given dose, usually 7 kC / kg (A. Voitovich P., Goncharova OV, et al. Spectral-luminescent properties of gamma-irradiated crystals and films based on fluorides. J. Prikl. Spectrum. 2003, v. 70, No. 1, pp. 116-123). A disadvantage of the known scintillation media is their insufficiently high spatial resolution, which is due to the fact that the color centers in film or crystalline fluorides are distributed uniformly throughout the irradiation zone. Since films with a small thickness also have waveguide properties, when a radiation beam enters at any point in the film, its continuous luminous surface creates a strong background that degrades the spatial resolution.

Известен сцинтиллятор на основе кристаллов NaF, облученных синхротронным излучением, в результате чего в них наводятся F₂-центры окраски, которые являются центрами свечения красного диапазона. (Иванов В.Ю., Шульгин Б.В., Королева Т.С. Быстрая люминесценция кристаллов на основе NaF. Межвуз. сб. научн. тр. Проблемы спектроскопии и спектрометрии. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999, вып.2, с.100-102). Максимум полосы свечения F₂-центров окраски в NaF приходится на область 650-675 нм, что хорошо согласуется со спектральной чувствительностью не только фотоэлектронных умножителей, но и PIN-фотодиодов. Длительность сцинтилляций известного сцинтиллятора на основе NaF с центрами окраски равна 8 нс при возбуждении импульсами синхротронного излучения длительностью 430 пс. Однако известный сцинтиллятор на основе NaF является сплошным: сцинтилляционный слой занимает всю поверхность облученного кристалла и поэтому обладает невысокой пространственной разрешающей способностью, соответствующей миллиметровому диапазону.A scintillator based on NaF crystals irradiated with synchrotron radiation is known, as a result of which F ₂ color centers are induced in them, which are the centers of the red light emission. (Ivanov V.Yu., Shulgin B.V., Koroleva T.S. Fast luminescence of crystals based on NaF. Interuniversity collection of scientific tr. Problems of spectroscopy and spectrometry. - Ekaterinburg: USTU-UPI, 1999, issue 2 , p. 100-102). The maximum emission band of F ₂ color centers in NaF is in the region of 650–675 nm, which agrees well with the spectral sensitivity of not only photoelectron multipliers, but also PIN photodiodes. The scintillation time of a known NaF-based scintillator with color centers is 8 ns upon excitation by synchrotron radiation pulses of 430 ps duration. However, the known NaF-based scintillator is continuous: the scintillation layer occupies the entire surface of the irradiated crystal and therefore has a low spatial resolution corresponding to the millimeter range.

Наиболее близким к заявляемому сцинтиллятору является тонкослойный сцинтиллятор на основе кристаллов (Li,Na)F-U,Me с центрами окраски (Черепанов А.Н., Шульгин Б.В., Иванов В.Ю., Райков Д.В., Нешов Ф.Г., Шлыгин B.C., Pedrini Ch., Королева Т.С., Кидибаев М.М. Эволюция агрегатных центров свечения кристаллов (Li,Na)F под действием радиации. Межвуз. сб. научн. тр. Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003, вып.12, с.27-38). Такой сцинтиллятор в приповерхностном слое содержит агрегатные центры окраски типа F₂, F $\binom{+}{2}$ , F $\binom{+}{3}$ и F $\binom{-}{2}$ , являющиеся эффективными центрами свечения и обладает основным максимумом свечения, при 650 нм. Однако известный тонкослойный сцинтиллятор не может обеспечить высокого пространственного разрешения из-за того, что имеет сплошной сцинтилляционный слой.Closest to the claimed scintillator is a thin-layer scintillator based on (Li, Na) FU, Me crystals with color centers (Cherepanov A.N., Shulgin B.V., Ivanov V.Yu., Raikov D.V., Neshov F. G., Shlygin BC, Pedrini Ch., Koroleva TS, Kidibaev MM The evolution of aggregate centers of luminescence of crystals (Li, Na) F under the influence of radiation. Interuniversity collection of scientific tr. Problems of spectroscopy and spectrometry. Yekaterinburg : USTU-UPI, 2003, issue 12, p. 27-38). Such a scintillator in the surface layer contains aggregate color centers of type F ₂ , F $\binom{+}{2}$ , F $\binom{+}{3}$ and F $\binom{-}{2}$ , which are effective centers of luminescence and possesses the main maximum of luminescence, at 650 nm. However, the known thin-layer scintillator cannot provide high spatial resolution due to the fact that it has a continuous scintillation layer.

Предлагаемый сцинтиллятор состоит из двух приповерхностных сцинтилляционных слоев, каждый из которых представляет собой сцинтиллятор на основе кристаллов (Li,Na)F в виде дискретных ячеек с размерами 6-200 мкм и выше. Дискретная структура слоя обеспечивает высокое пространственное разрешение, что связано с тем, что свечение одной из сцинтилляционных ячеек практически не возбуждает свечение соседних. Однако из-за дискретности структуры каждого слоя лишь часть его поверхности может участвовать в свечении, что понижает световыход сцинтилляций дискретного слоя в сравнении со сплошным слоем. Чтобы повысить суммарный световыход устройства слои располагаются в параллельных плоскостях таким образом, чтобы ячейки второго слоя максимально перекрывали несцинтиллирующие промежутки первого слоя при рассмотрении в направлении, перпендикулярном этим плоскостям (Фиг.1. Фрагмент сцинтиллятора: а - вид сверху; б - вид сбоку). Таким образом, достигается повышенная сплошность дискретного по сути покрытия поверхности сцинтилляционными центрами, что сравнивает световыход предлагаемого сцинтиллятора со световыходом сплошных сцинтилляторов. Пространственное разрешение предлагаемого сцинтиллятора составляет единицы-сотни микрон. Визуализация рентгеновского излучения происходит благодаря свечению агрегатных центров окраски типа F₂, F $\binom{+}{2}$ , F $\binom{+}{3}$ и F $\binom{-}{2}$ , с основным максимумом свечения в диапазоне 650 нм, что позволяет применять для считывания изображения PIN-фотодиоды. Длительность сцинтилляций не превышает 8 нс, что обеспечивает работу сцинтиллятора в режиме реального времени.The proposed scintillator consists of two surface scintillation layers, each of which is a scintillator based on (Li, Na) F crystals in the form of discrete cells with sizes of 6-200 μm and above. The discrete structure of the layer provides high spatial resolution, due to the fact that the luminescence of one of the scintillation cells practically does not excite the luminescence of neighboring cells. However, due to the discreteness of the structure of each layer, only a part of its surface can participate in the glow, which lowers the scintillation light output of the discrete layer in comparison with a continuous layer. To increase the total light output of the device, the layers are arranged in parallel planes so that the cells of the second layer overlap the non-scintillating gaps of the first layer as much as possible when viewed in the direction perpendicular to these planes (Fig. 1. Scintillator fragment: a - top view; b - side view). Thus, an increased continuity of the discrete essentially covering the surface with scintillation centers is achieved, which compares the light output of the proposed scintillator with the light output of solid scintillators. The spatial resolution of the proposed scintillator is a few hundred microns. X-ray visualization occurs due to the luminescence of aggregate color centers of type F ₂ , F $\binom{+}{2}$ , F $\binom{+}{3}$ and F $\binom{-}{2}$ , with the main maximum glow in the range of 650 nm, which allows the use of PIN photodiodes for image reading. The duration of scintillations does not exceed 8 ns, which ensures the scintillator in real time.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтиллятора является возможность визуализации не только рентгеновского, но и электронного излучения.An additional advantage of the proposed scintillator is the ability to visualize not only x-ray, but also electronic radiation.

Claims

A scintillator for visualizing X-ray radiation based on (Li, Na) F crystals, comprising a surface scintillation layer with color centers, characterized in that the scintillator further comprises a second surface scintillation layer, both of which are made in the form of discrete scintillation cells with sizes from 6 μm and above and are located in parallel planes with offset relative to each other so that the scintillation cells of one layer overlap the non-scintillating gaps between the cells ugogo layer.