RU2530903C1

RU2530903C1 - Multichannel gas ionisation chamber

Info

Publication number: RU2530903C1
Application number: RU2013109327/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Алякринский; Семен Ефимович Бару; Николай Сергеевич Диканский; Андрей Андреевич Кочеев; Виктор Васильевич Леонов; Вячеслав Викторович Поросев
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-10-20
Also published as: RU2013109327A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: multichannel gas ionisation chamber comprises a gas-filled housing which is transparent for X-rays at least at the input part thereof, said housing accommodating a flat condenser having, arranged in parallel to the input X-ray beam, a solid anode and a cathode which is divided into elements which are provided with a detecting electronic system, which form an array having at least two rows, the columns of the array being directed along the X-ray beams, wherein the first row of the array in the direction of X-ray beams detects primarily quanta of lower energies and each subsequent row detects quanta of higher energies.

EFFECT: enabling, while performing one capturing procedure, to simultaneously obtain multiple images of objects with different effective radiation energies, which simplifies the process of inspecting people and luggage.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации рентгеновского излучения и может быть использовано для визуализации внутренней структуры объектов в медицинской диагностике, в системах досмотра, дефектоскопии и т.д.The invention relates to the field of registration of x-ray radiation and can be used to visualize the internal structure of objects in medical diagnostics, inspection systems, flaw detection, etc.

Известен метод, позволяющий отдельно измерять разные участки спектра падающего рентгеновского излучения путем установки 2-х разных детекторов последовательно. Эти решения представлены на рынке различными фирмами, например каталоги:A known method that allows you to separately measure different parts of the spectrum of the incident x-ray radiation by installing 2 different detectors in series. These solutions are presented on the market by various companies, for example catalogs:

XDAS V3 1.6 Issue 6, 04 September 2012, Sens-Tech Limited, UK.XDAS V3 1.6 Issue 6, 04 September 2012, Sens-Tech Limited, UK.

http://www. sens-tech.com/assets/media/files/Data%20Sheets/XDAS%20V3%201_6%20Iss6.pdf Dual-Energy X-ray Line Scan Camera С10800 Series. Cat. No. SFAS0023E05. May 2012. Hamamatsu Photonics K.K. Japan. http://jp.hamamatsu.com/resources/products/sys/pdf/eng/e_c10800s.pdfhttp: // www. sens-tech.com/assets/media/files/Data%20Sheets/XDAS%20V3%201_6%20Iss6.pdf Dual-Energy X-ray Line Scan Camera C10800 Series. Cat. No. SFAS0023E05. May 2012. Hamamatsu Photonics K.K. Japan http://jp.hamamatsu.com/resources/products/sys/pdf/eng/e_c10800s.pdf

Недостатками метода являются существенные потери рентгеновских квантов в промежуточных элементах, а также в зазорах между измерительными элементами. Точное совмещение изображений с детекторов затруднительно, т.к. обычно используются разные детекторы с существенно различающимися характеристиками, а также требуется прецизионное совмещение элементов детекторов. Стоимость устройства соответствует стоимости 2-х детекторов. Использование более 2-х последовательных детекторов затруднительно за счет описанных выше сложностей.The disadvantages of the method are significant losses of x-ray quanta in the intermediate elements, as well as in the gaps between the measuring elements. The exact combination of images from the detectors is difficult, because different detectors with significantly different characteristics are usually used, and precise combination of detector elements is also required. The cost of the device corresponds to the cost of 2 detectors. Using more than 2 consecutive detectors is difficult due to the difficulties described above.

Известен метод, позволяющий отдельно измерять разные участки спектра падающего рентгеновского излучения с использованием устройства типа рентгеновского спектрометра, в частности на рынке представлены устройства, позволяющие отдельно измерять 5 участков спектра:The known method allows you to separately measure different parts of the spectrum of the incident x-ray radiation using a device such as an x-ray spectrometer, in particular, devices are available on the market that can separately measure 5 parts of the spectrum:

"Multi-Energy X-ray Imaging with Linear CZT Pixel Arrays and Integrated Electronics," 2004 IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. p.4548. - Victoria B. Cajipe, Martin Clajus, Oded Yossifor, Ramaprabhu Jayaraman, Brian Grattan, Satoshi Hayakawa, Robert F. Calderwood and Tumay O. Turner. http://www.novarad.com/nexis.html"Multi-Energy X-ray Imaging with Linear CZT Pixel Arrays and Integrated Electronics," 2004 IEEE Nucl. Sci. Symp Conf. Rec. p. 4548. - Victoria B. Cajipe, Martin Clajus, Oded Yossifor, Ramaprabhu Jayaraman, Brian Grattan, Satoshi Hayakawa, Robert F. Calderwood and Tumay O. Turner. http://www.novarad.com/nexis.html

Hamamatsu; Energy Differentiation Type 64 CH, CdTe Radiation Line Sensor; С 10413, Dated Aug. 2006, 4 pgs. http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/parts_C/C10413_TAPP1066E02.pdfHamamatsu; Energy Differentiation Type 64 CH, CdTe Radiation Line Sensor; C 10413, Dated Aug. 2006, 4 pgs. http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/parts_C/C10413_TAPP1066E02.pdf

Недостатками метода являются очень высокая стоимость устройств даже при небольшом количестве координатных каналов, а также потеря части рентгеновских квантов в зазорах между измерительными элементами.The disadvantages of the method are the very high cost of the devices even with a small number of coordinate channels, as well as the loss of part of the x-ray quanta in the gaps between the measuring elements.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является детектор рентгеновского излучения в рентгенографической установке сканирующего типа, защищенной патентом №2257639. Детектор содержит рентгенопрозрачный корпус, заполненный рабочим газом под высоким давлением, в котором размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку вводимого рентгеновского излучения сплошным анодом и катодом, разделенным на полоски, к которым подключена регистрирующая электроника, а на сплошной анод подано высокое напряжение. В работе установки использован принцип сканирования человека плоским веерообразным лучом. Коллиматор вырезает из излучения трубки плоский веерообразный пучок излучения, который после прохождения через обследуемого регистрируется однокоординатным детектором. Во время обследования трубка, коллиматор и детектор синхронно перемещаются по вертикали. Данные с детектора о распределении излучения вдоль одной "строки" изображения записываются в память. После окончания сканирования весь снимок передается в компьютер и после быстрой обработки изображение появляется на дисплее.Closest to the proposed invention is an X-ray detector in a scanning-type X-ray unit, protected by patent No. 2257639. The detector contains an X-ray transparent housing filled with high-pressure working gas, in which a flat capacitor is placed with a solid anode and cathode parallel to the input x-ray beam, divided into strips to which recording electronics is connected, and a high voltage is applied to the solid anode. The installation uses the principle of scanning a person with a flat fan-shaped beam. The collimator cuts out a flat fan-shaped beam of radiation from the tube radiation, which, after passing through the subject, is recorded by a single-coordinate detector. During the examination, the tube, the collimator and the detector synchronously move vertically. Data from the detector on the distribution of radiation along one “line” of the image is recorded in memory. After scanning, the whole image is transferred to the computer and after quick processing the image appears on the display.

К недостаткам установки можно отнести невозможность измерения отдельных участков спектра падающего рентгеновского излучения, а следовательно, оценивать элементный состав отдельных фрагментов просвечиваемых объектов, в частности оценивать состав материала предметов, содержащихся в багаже при досмотре.The disadvantages of the installation include the impossibility of measuring individual parts of the spectrum of the incident x-ray radiation, and therefore, to evaluate the elemental composition of individual fragments of illuminated objects, in particular, to evaluate the composition of the material of items contained in baggage during inspection.

Задачей изобретения является создание устройства, способного измерять энергетические характеристики падающего на него рентгеновского излучения, путем раздельного детектирования участков спектра с разными средними энергиями, и при использовании детектора в сканирующих рентгенографических устройствах получать изображения объекта при разных средних энергиях при выполнении одной процедуры съемки, тем самым решать задачи определения эффективного атомного номера вещества, определения типа просвечиваемого объекта, или повышения четкости изображения деталей объекта.The objective of the invention is to provide a device capable of measuring the energy characteristics of the x-ray incident on it, by separately detecting parts of the spectrum with different average energies, and when using the detector in scanning radiographic devices, obtain images of the object at different average energies when performing one shooting procedure, thereby solving tasks of determining the effective atomic number of a substance, determining the type of object to be transmitted, or increasing clearly sti images of the details of the object.

Технический результат: разделение спектрального диапазона детектора на несколько спектральных зон путем последовательного измерения падающего рентгеновского излучения в геометрически разделенных измерительных объемах газового детектора и соответственно энергетической фильтрации излучения на каждом участке за счет выбывания из исходного спектра зафиксированных рентгеновских квантов.Technical result: dividing the spectral range of the detector into several spectral zones by sequentially measuring the incident x-ray radiation in the geometrically separated measuring volumes of the gas detector and, accordingly, energy filtering the radiation in each section by eliminating the recorded x-ray quanta from the initial spectrum.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, содержащем заполненный рабочим газом корпус, прозрачный для рентгеновских лучей, по крайней мере, в месте их ввода, в котором размещен плоский конденсатор с расположенными параллельно пучку вводимого рентгеновского излучения сплошным анодом и катодом, разделенным на полоски, согласно изобретению полоски катода разделены на независимые элементы, каждый из которых соединен с электроникой регистрации, таким образом, образуя отдельный детектор, и эти элементы образуют, таким образом, матрицу, причем столбцы матрицы ориентированы вдоль рентгеновских лучей, при этом, за счет существенно разных длин пробегов рентгеновских квантов разных энергий, в первой по ходу рентгеновских лучей строке регистрируются преимущественно кванты более низких энергий, а в каждой последующей - кванты все более высоких энергий.The problem is solved due to the fact that in a known device containing a case filled with working gas, it is transparent to x-rays, at least at the point of their entry, in which a flat capacitor is placed with a solid anode and cathode parallel to the input x-ray beam separated into strips, according to the invention, the cathode strips are divided into independent elements, each of which is connected to the recording electronics, thus forming a separate detector, and these elements form, Thus, the matrix, and the columns of the matrix are oriented along the x-rays, at the same time, due to the significantly different path lengths of x-ray quanta of different energies, mainly lower-energy quanta are recorded in the first x-ray line, and in each subsequent quanta are higher energies.

Предлагаемая конструкция камеры позволяет при использовании ее как детектора в цифровых рентгенографических сканерах измерять сигналы от квантов разных энергетических диапазонов спектра рентгеновского излучения в каждом месте снимка и, после математической обработки, приближенно оценивать элементный состав отдельных фрагментов просвечиваемых объектов, что расширяет получаемую диагностическую информацию при применении в медицине или дает возможность использовать устройство в системах досмотра с функцией разделения объектов по типу материала, а также повышать качество снимков путем использования весовых коэффициентов для снимков каждой энергии и последующим образованием результирующего снимка.The proposed design of the camera allows using it as a detector in digital X-ray scanners to measure signals from quanta of different energy ranges of the X-ray spectrum at each location of the image and, after mathematical processing, approximately evaluate the elemental composition of individual fragments of the translucent objects, which extends the obtained diagnostic information when applied to medicine or makes it possible to use the device in inspection systems with the function of dividing objects by t material, as well as improve the quality of images by using weights for images of each energy and the subsequent formation of the resulting image.

Описание устройства поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен поперечный разрез, на Фиг.2 - вид в плане.The description of the device is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a cross section, Fig. 2 is a plan view.

На чертежах: 1 - корпус, 2 - рентгеновский луч, 3 - анод, 4 - катод, 5 - элементы катодной матрицы, 6 - электроника.In the drawings: 1 - case, 2 - x-ray, 3 - anode, 4 - cathode, 5 - elements of the cathode matrix, 6 - electronics.

Детектор содержит корпус 1, плоский металлический анод 3, плоскую катодную матрицу 4, состоящую из изолированных друг от друга элементов 5, подключенных к электронике 6. Внутренний объем детектора заполнен газом. Между катодом и анодом приложено напряжение. Столбцы катодной матрицы ориентированы на источник излучения.The detector comprises a housing 1, a flat metal anode 3, a flat cathode matrix 4, consisting of elements 5 isolated from each other and connected to the electronics 6. The internal volume of the detector is filled with gas. A voltage is applied between the cathode and the anode. The columns of the cathode matrix are focused on the radiation source.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Поток рентгеновского излучения, проходя внутрь корпуса, вызывает ионизацию газа. Средняя глубина проникновения рентгеновских квантов, а значит удаленность от входа элементов матрицы, в пределах которых произошло взаимодействие, зависит от энергии кванта. Образовавшийся заряд дрейфует под действием электрического поля и оседает на соответствующем элементе катодной матрицы. Собранный заряд периодически считывается электронной схемой детектора. Измеренные данные передаются на компьютер для последующей обработки.The flow of x-rays, passing inside the body, causes ionization of the gas. The average penetration depth of x-ray quanta, and therefore the distance from the entrance of the matrix elements within which the interaction occurred, depends on the quantum energy. The resulting charge drifts under the influence of an electric field and settles on the corresponding element of the cathode matrix. The collected charge is periodically read by the detector electronic circuit. The measured data is transferred to a computer for further processing.

В отличие от детектора рентгеновского излучения в рентгенографической установке сканирующего типа, защищенной патентом №2257639, считанные данные образуют двухкоординатную матрицу, в которой номера столбцов соответствуют поперечной координате кванта, а номер строки - энергетическому диапазону спектра, что позволяет при выполнении одной процедуры съемки получить изображения объекта при разных средних энергиях.Unlike an X-ray detector in a scanning-type x-ray machine protected by patent No. 2257639, the read data forms a two-coordinate matrix in which the column numbers correspond to the transverse coordinate of the quantum and the line number to the energy range of the spectrum, which allows one to obtain images of the object at different average energies.

Конструктивные параметры катодной матрицы выбираются исходя из применения детектора. Количество столбцов определяет геометрическую разрешающую способность детектора, а количество строк - его разрешающую способность по энергии квантов. Выбор исходного спектра рентгеновского излучателя может осуществляться из внешних условий или являться частью задачи оптимизации.The design parameters of the cathode matrix are selected based on the use of the detector. The number of columns determines the geometric resolution of the detector, and the number of rows determines its resolution in terms of quantum energy. The choice of the initial spectrum of the x-ray emitter can be carried out from external conditions or be part of the optimization problem.

Для определения оптимальных длин разбиений на строки можно использовать экспериментальный метод, т.к. типичная ионизационная камера имеет большое количество координатных каналов (512 столбцов или более). Для этого изготавливается прототип детектора, в котором каждый столбец разбивается на строки разных длин, и эти длины соответственно меняются от столбца к столбцу. Изготавливаются тест-объекты из интересующих материалов. При этом толщина объектов одинакова для каждого столбца детектора и варьируется в перпендикулярном направлении в интересующем диапазоне. Для каждой толщины проводятся измерения при фиксированной дозе облучения. Измерения повторяются для набора достаточной статистики и достижения необходимой точности амплитуд сигналов и их дисперсий. По измеренным величинам проводится анализ и выбирается столбец с оптимальными длинами строк.To determine the optimal lengths of line breaks, you can use the experimental method, because a typical ionization chamber has a large number of coordinate channels (512 columns or more). To do this, a prototype detector is made in which each column is divided into rows of different lengths, and these lengths vary accordingly from column to column. Test objects are made from materials of interest. The thickness of the objects is the same for each column of the detector and varies in the perpendicular direction in the range of interest. For each thickness, measurements are taken at a fixed dose. The measurements are repeated to obtain sufficient statistics and to achieve the necessary accuracy of the amplitudes of the signals and their dispersions. The measured values are analyzed and a column with optimal row lengths is selected.

При возможности оптимизации спектра рентгеновского источника проводятся дополнительные измерения при разных спектрах, которые получаются за счет выбора напряжения на рентгеновской трубке и выбора соответствующих рентгеновских фильтров.If it is possible to optimize the spectrum of the x-ray source, additional measurements are carried out at different spectra, which are obtained by choosing the voltage on the x-ray tube and choosing the appropriate x-ray filters.

Аналогично экспериментальному возможен расчетный путь определения оптимальных длин строк, с использованием упрощенного аналитического описания или Монте-Карло моделирования.Similarly to the experimental one, a computational way of determining the optimal line lengths is possible, using a simplified analytical description or Monte Carlo simulation.

Таким образом, по сравнению с существующими методами регистрации отдельных участков спектра падающего рентгеновского излучения предлагаемое решение обладает следующими преимуществами:Thus, in comparison with existing methods for recording individual sections of the spectrum of incident X-ray radiation, the proposed solution has the following advantages:

1. Существенно меньшая стоимость, т.к. для достижения результата требуется небольшая модификация исходного детектора (изменение в геометрии каналов, которые обычно выполняются на печатной плате, и увеличение количества измеряемых каналов, что достигается путем установки дополнительных схем мультиплексоров).1. Significantly lower cost, because To achieve the result, a slight modification of the initial detector is required (a change in the geometry of the channels, which are usually performed on a printed circuit board, and an increase in the number of measured channels, which is achieved by installing additional multiplexer circuits).

2. В предлагаемой камере естественным образом осуществляется совмещение пикселей различных энергий, что увеличивает точность измерения энергетических характеристик падающего рентгеновского излучения. Достижение такой же точности в системе из 2-х отдельных детекторов требует специального технического решения.2. The proposed camera naturally combines pixels of different energies, which increases the accuracy of measuring the energy characteristics of the incident x-ray radiation. Achieving the same accuracy in a system of 2 separate detectors requires a special technical solution.

3. В предлагаемой конструкции отсутствуют промежуточные элементы между измерительными объемами детектора, соответственно отсутствуют потери рентгеновских квантов в этих элементах, что позволяет использовать детектор в приложениях, для которых доза облучения играет существенную роль, например сканирование человека. В решении из 2-х отдельных детекторов это преимущество отсутствует.3. In the proposed design, there are no intermediate elements between the measuring volumes of the detector, respectively, there are no losses of x-ray quanta in these elements, which allows the detector to be used in applications for which the radiation dose plays a significant role, for example, human scanning. In the solution of 2 separate detectors, this advantage is absent.

Claims

A multichannel gas ionization chamber containing a gas-filled housing transparent to x-rays, at least at the point of their entry, in which a flat capacitor is placed with a continuous anode and cathode parallel to the input x-ray beam, divided into elements equipped with recording electronics, characterized the fact that the cathode elements form a matrix having at least two rows, the matrix columns are oriented along the x-rays, while in the first along the x-ray To it, the matrix row records predominantly quanta of lower energies, and in each subsequent quanta of increasingly higher energies.