Двухмерные сцинтилляционные пчд

Двухмерные СПЧД дискретного типа сходны с аналогичными одномерными детекторами и также содержат множество оптически изолированных монокристаллов NaI (Tl) относительно малого размера. Однако кристаллы в двухмерных устройствах размещены не в ряд, а образуют мозаику, перекрывающую некоторую площадь. Приборы с такими детекторами называют автофлуороскопами. Типичный дискретный двухмерный СПЧД, описанный в работе, состоит из 260 плотно упакованных кристаллов NaI (Tl) диаметром 9,6 мм и высотой 50,8 мм, образующих матрицу с 20 строками и 13 столбцами (размеры активной поверхности детектора 200Х130 мм). Координаты сцинтилляций определяют с помощью 33 ФЭУ, соединенных с кристаллами через плексигласовые световоды. Каждый из 20 ФЭУ строк соединен через световоды со всеми кристаллами данной строки, а каждый из 13 ФЭУ столбцов — со всеми кристаллами данного столбца; следовательно, к каждому кристаллу подходят два световода — столбца и строки.

На двухмерные СПЧД распространяются все ограничения по пространственному разрешению и неоднородности чувствительности, характерные для одномерных устройств. В то же время у СПЧД дискретного типа отсутствует координатная нелинейность.

СПЧД аналогового типа с линейным суммированием сигнала представляет один из двух наиболее распространенных двухмерных СПЧД. Он содержит монокристалл NaI (Tl) большой площади (диаметром D_сц и высотой h_сц), находящийся в оптическом контакте с системой фотоумножителей. Когда в точке кристалла с координатами х, у возникает сцинтилляция, ФЭУ генерирует импульсы, амплитуды которых линейно суммируются, и вырабатываются координатные сигналы U_х и U_у пропорциональные значениям х и у.

В литературе описаны как детекторы и выполненная на них аппаратура [1, 42], так и теория, направленная на оптимизацию основных характеристик СПЧД этого типа (интегральной чувствительности, позиционной нелинейности, пространственного разрешения) [26,2]. Рассмотрим работу СПЧД без математического описания происходящих процессов и условий оптимизации.

Предполагается (и это хорошо согласуется с полученными результатами), что в системе световой поток от точки сцинтилляций к границе световод — фотокатоды ФЭУ распространяется изотропно и, следовательно, амплитуда сигнала, генерируемого в выходной цепи каждого ФЭУ, пропорциональна телесному углу щ_i, под которым фотокатод «виден» из той точки, где произошла сцинтилляция. Для того чтобы получить достаточно хорошие характеристики детектора, ФЭУ должны просматривать максимальный телесный угол? щ_i, т. е. упаковка ФЭУ должна быть по возможности более плотной. Этому требованию можно удовлетворить, если выполнить из фотокатодов гексагональную мозаичную систему, для чего число ФЭУ должно принимать одно из значений в ряду N=1 + 3 n (n+1), где n = 1, 2, 3, 4 …, т. е. N может быть равным 7, 19, 37, 61 и т. д. В реальных устройствах используют обычно N=19.

Сигналы с выходов ФЭУ поступают на узлы линейного суммирования, вырабатывающие координатные сигналы.

U_y=k?f_yi q_i,.

где q_i — заряд, генерируемый i-м фотоумножителем, а, f_i — весовые коэффициенты, соответствующие координате по осям х и у центра фотокатода каждого ФЭУ, т. е. f_Xi=ax_i и f_Vi = ay_i.

Для того чтобы получить данные, инвариантные относительно общего светового потока, генерируемого при сцинтилляции, необходимо выработать также нормирующий сигнал U_z, пропорциональный сумме всех сигналов ФЭУ, т. е. ?q_i Определяя отношения U_x/U_z и U_y/U_z, можно вычислить координаты х и у независимо от энергии регистрируемых г-квантов и от статистического разброса амплитуд сигналов, вызванных одной и той же переданной энергией Ег. Неоднородность свойств ФЭУ и кристаллов, т. е. неоднородность чувствительности по площади СПЧД, может быть учтена при сложении сигналов или подбором напряжений питания ФЭУ (его усиления).

Целесообразно вводить амплитудный отбор сигналов U_z в зоне с центром, соответствующим энергии г-излучения исследуемого нуклида Ег. Это позволит устранить регистрацию квантов, предварительно претерпевших рассеяние в исследуемом объекте.

Центр системы координат можно выбрать произвольно. Если его расположить на краю системы ФЭУ и ограничиться только двумя суммирующими усилителями (по одному для U_х и U_у), то придется суммировать сигналы с выходов всех ФЭУ. Если же совместить его с центром симметрии системы, весовые коэффициенты для многих сигналов окажутся равными нулю, однако необходимы четыре усилителя (U_x⁺, U_x^-, U_y⁺, U_y^-) и последующее выделение модулей разностных сигналов (|U_x⁺— U_x^-| и | U_y⁺— U_y^-|).

Приведена структурная схема такого СПЧД, содержащего 19 ФЭУ (их условная нумерация показана там же). Сигналы с выходов ФЭУ через резисторы или конденсаторы, задающие весовые коэффициенты f_i, суммируются на входах усилителей У_х+, У_х-, У_у+ и У_у+; кроме того, сигналы с выходов всех ФЭУ суммируются на входе усилителя У_г. Дифференциальными усилителями, ДУ_x и ДУ_у выделяется разность усиленных сигналов, и выходные импульсы затем поступают для обработки непосредственно (при |U⁺|>|U^-|) или после инверсии (при |U+|<|U^-|). Выполнение того или иного условия определяют дискриминаторы Д_х и Д_у. При помощи каскадов аналогового деления амплитуд сигналов КАД_Х и КАДу осуществляется нормировка амплитуд выходных сигналов U_х и U_у, которые пропорциональны координатам сцинтилляции х и у.

Расчеты показывают, что оптимальные характеристики достигаются, когда край кристалла располагается у центров фотокатодов периферийных ФЭУ. Минимум позиционной нелинейности соответствует случаю, когда (h_сц+h_св)/d=0,45, где d — диаметр фотокатода ФЭУ, и приемлема удаленность сцинтилляций от плоскости фотокатода в пределах от 0,35d до 0,55d. Следовательно, h_сц =0,2d, a h_св =0,35d.

Позиционное разрешение рассмотренных СПЧД в значительной степени определяется флуктуациями числа первичных фотоэлектронов и относительно невелико. Особенно это сказывается при низких энергиях г-квантов (менее 0,1 МэВ). Система суммирования сигналов с весовыми коэффициентами, используемая в рассмотренных СПЧД, не оптимальна, поскольку значительный вклад в позиционный сигнал дают ФЭУ, воспринимающие малую долю световой вспышки и несущие малую информацию, т. е. вырабатывающие сигналы с амплитудой, подверженной большому статистическому разбросу. Позиционное разрешение монотонно ухудшается с увеличением значений h_сц+ h_св, при (h_сц + h_св)/d=0,45 оно близко к 0,3% в центре сцинтиллятора и доходит до 0,85% у его периферии. Сужение зоны амплитудного отбора сигнала U_z улучшает позиционное разрешение, но это приводит к снижению интегральной чувствительности детектора.

Дополнительное ухудшение позиционного разрешения может быть вызвано при многократных процессах взаимодействия г-квантов со сцинтиллятором (например, комптоновское рассеяние и затем фотопоглощение рассеянного кванта, так что в кристалле происходят две сцинтилляции на некотором расстоянии одна от другой). Чтобы снизить влияние этих эффектов, приходится ограничиваться энергиями г-квантов не превосходящими 0,4−0,5 МэВ.

Рассмотренные СПЧД используют в приборах, получивших название гамма-камер. Такую аппаратуру в последние годы выпускают многие фирмы, например «Nuclear Chicago», «Ohio Nuclear» (США), «Toshiba» (Япония) и др. В типичной гамма-камере [42], описанной в литературе, были использованы монокристалл NaI (Tl) с D = 293 мм и h_cц=12,7 мм, световод с h_cв = 38 мм и 19 ФЭУ диаметром 80 мм.

СПЧД аналогового типа с временным преобразованием сигналов содержат, как и рассмотренные выше устройства, монокристалл NaI (Tl), поверхность которого перекрыта мозаикой ФЭУ с диаметром d и расстоянием между центрами фотокатодов l_Х и l_У. Однако для формирования координатных сигналов используется суммирование сигналов ФЭУ на отводах линий задержек, специальное формирование биполярных сигналов и выделение временных интервалов между моментом действия г-кванта и моментами пересечения сигналами нулевого уровня [17, 11, 6, 10].

В таких СПЧД сигналы от ФЭУ поступают на отводы двух линий задержек ЛЗ_X и ЛЗ_У причем точки подключения ФЭУ к линиям задержек зависят от координат центров фотокатодов (ФЭУ, центры фотокатодов которых имеют одну и ту же координату, подсоединены к одному отводу). Время распространения сигнала по линии задержки между двумя отводами Дt_x или Дt_y такое, что Дt_xv = l_x и Дt_yv = ly, где v — скорость распространения сигнала. Следовательно, время распространения сигналов от точки, где возникла сцинтилляция, к краям линий, пропорционально расстояниям от этой точки до краев кристалла, а разница во времени пропорциональна координатам x и y.

Сигналы с выходов линий задержек ЛЗ_X и ЛЗ_У поступают на каскады БФ, осуществляющие биполярное формирование, а затем после усиления каскадами У_х+, У_х-, У_у+, У_у— дискриминаторы Д_х+, Д_х-_, Д_у+, Д_у— выделяют моменты t_x+, t_x-, t_y+, t_y— пересечения сигналами нулевого уровня. Кроме того, сигналы, непосредственно снимаемые со всех ФЭУ, суммируются на усилителе У_z, отбираются по амплитуде каскадом Д_г и выделяется момент t₀ регистрации г-кванта в сцинтилляторе. В работе [10] показано, что при оптимальном формировании интервал |t_x+ — t_x— | пропорционален координате |х| события, а интервал _y+—t_y— | — координате |у|. Для этого каскадами время-амплитудного преобразования ВАП_Х+, ВАП_Х-, ВАПу+, ВАП_у— интервалы (t_x+ —t₀) и другие преобразуются в пропорциональную им амплитуду сигналов, а дифференциальными усилителями ДУ_Х и ДУ_У выделяются разностные сигналы U_х и U_у, амплитуда которых пропорциональна координатам.

Каскады БФ снабжают средством регулировки (в достаточно широких пределах) параметров импульсной переходной характеристики для приближения формы сигналов к оптимальной. Это позволяет получить удовлетворительные позиционные линейность и разрешение в широком диапазоне значений h_сц и h_cв. Важно, что при выделении координатных сигналов момент пересечения нулевой линии не зависит от амплитуды импульсов; это позволяет исключить нормирование сигналов по амплитуде импульса U_z. Однако временное преобразование требует дополнительного времени (обычно несколько микросекунд) и устройство должно содержать режектор наложений импульсов для того, чтобы уменьшить искажения при высокой частоте сигналов.

На базе таких СПЧД выполнено несколько сцинтилляционных гамма-камер, отличающихся размером монокристалла, числом и способом размещения ФЭУ. Типичное такое устройство содержит кристалл NaI (Tl) с D = 387 мм и h_cц=12,7 мм и 30 ФЭУ с d=76 мм и l_x=1_У=87 мм [11]. Позиционное разрешение СПЧД с временным формированием сигнала оказывается примерно в 1,5 раза лучше, чем детекторов с линейным суммированием импульсов ФЭУ. Данный метод широко применяется в однофотонный эмиссионный гамма-томограф «ЭФАТОМ» и ПЭТ.