Пристрій для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів

Реферат: Пристрій для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів і поглинутої дози рентгенівського випромінювання містить не менше двох детекторних елементів типу сцинтилятор-фотодіод, один з яких виконаний на основі кристала селеніду цинку, активованого телуром, при цьому виходи фотодіодів підключені до операційних підсилювачів, виходи останніх підключені до аналого-цифрового перетворювача, який своїми входами і виходами з'єднаний з мікропроцесором, вихід останнього пов'язаний з індикатором. Зазначені детекторні елементи виконані у вигляді збірки двох оптоелектронних пар типу сцинтилятор-фотодіод, конструктивно пов'язаних і розташованих один за іншим, перший в напрямку випромінювання сцинтилятор оптоелектронної пари виконаний з зазначеного активованого селеніду цинку, і є енергетичним фільтром, для розташованого за ним сцинтилятора, другий оптоелектронної пари, який виконаний або з активованого селеніду цинку, або з матеріалу з великим атомним номером, при цьому товщини зазначених сцинтиляторів оптимізовані під максимальну чутливість в низькоенергетичної та високоенергетичної областях спектра, відповідно, при цьому перший із зазначених сцинтиляторів має товщину 0,3-0,5 мм. UA 100966 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ РЕНТГЕНІВСЬКИХ ВИПРОМІНЮВАЧІВ UA 100966 U UA 100966 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі дозиметрії іонізуючих випромінювань і може бути використана в медицині, медичної радіології, комп'ютерної радіографії та томографії; в технічній діагностиці при експлуатації різноманітної промислової і досмотрової інспекційної рентгенівської апаратури, а також при виробництві і технічному обслуговуванні рентгенівських випромінювачів. Відомий пошуковий дозиметр серії РМ-1401 фірми "Полимастер" [Пошукові прилади фірми "Polimaster". - Мінськ, Білорусь. http://polimaster.ru/products/], що містить детектор типу сцинтилятор-фотодіод з сцинтилятором CsI(Tl), вихід якого підключений до електронній схемі обробки сигналу. Дозиметр виявляє 25 μКі ізотопу Cs-137 на відстані 1 м і дозволяє проводити вимірювання потужності дози. Недоліком пристрою є сильна енергетична залежність детектора, високий (більше 100 кеВ) 2 поріг чутливості і малий (10 ) динамічний діапазон, тобто пристрій працює від рівня радіаційного фону до одиниць мР/г. Даний дозиметр придатний для реєстрації гамма випромінювання і не придатний для реєстрації рентгенівського випромінювання в діапазоні до 100 кеВ, який використовується у медичній та досмотровій апаратурі. Відомо кілька різних пристроїв [пат. US № № 4189645, 4400821, 5081664, 5400387, 7545915] для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів. Ці відомі рішення, як правило, містять не менше двох оптоелектронних пар сцинтилятор-фотодіод, розміщених поруч, виходи фотодіодів підключені до схеми обробки вихідного сигналу, вихід якої, в свою чергу, підключений до блоку індикації визначених параметрів. При цьому перед сцинтиляторами встановлені фільтри (як правило, мідні) з різною товщиною. У всіх цих технічних рішеннях, так чи інакше, для визначення анодної напруги використовується певна емпірична залежність між прикладеною напругою (при заданому анодному струмі) і відношенням сигналів для двох окремих детекторів з різною спектральною чутливістю. Так як спектр випромінювача не змінюється при зміні анодного струму, а його інтенсивність пропорційна струму, то відношення сигналів зазначених детекторів залежить тільки від напруги і не залежить від струму. Якою саме має бути ця залежність залежить від багатьох факторів, у тому числі від вибору випромінювача, детекторів, умов вимірювання та ін. Тому пропонувалися різні емпіричні залежності або використовувалися градуювальні криві після вимірювань еталонних рентгенівських джерел. Відомо пристрій [пат. SU № 1133699, H05G 1/26] для вимірювання ефективної енергії рентгенівського випромінювання або високої напруги на рентгенівській трубці, що містить два детекторних елемента з різною спектральною чутливістю, два інтегратора, підключені до детекторних елементам через підсилювачі, компаратор, підключений до джерела опорного напруги і до виходу одного з інтеграторів, керований ключ, підключений входом управління до виходу компаратора, індикатор, пов'язаний з іншим інтегратором. При цьому ключ робочим входом і виходом включений між підсилювачем і інтегратором, підключеним до індикатора. Перед детекторними елементами може бути встановлений фільтр постійної товщини, причому останню можна вибирати залежно від вимірюваної напруги. Даний пристрій дозволяє з достатньою точністю (3-5 %) визначати ефективну напругу на рентгенівській трубці, але не дозволяє вимірювати дозу рентгенівського випромінювання. Відомо пристрій [Рентгенівські діагностичні апарати. Під ред. Н.Н. Блінова і Б.І. Леонова. Москва. Друкарня НВО "Екран", т. 2, р. 12.05, с 166-170, 2001] для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів, що містить не менше двох детекторних елементів типу сцинтилятор - фотодіод, які розміщені поруч, в площині перпендикулярній напряму випромінювання, на основі кристала селеніду цинку, активованого телуром, перед якими розміщені фільтри з різною величиною поглинання. Виходи фотодіодів підключені до операційних підсилювачів, виходи останніх підключені до АЦП, які своїми входами і виходами з'єднані з мікроконтролером, вихід останнього пов'язаний з індикатором. Це багатофункціональний комбінований пристрій "УКРЭХ", який в залежності від вибору контрольованої величини може бути використаю для контролю анодної напруги на рентгенівській трубці, часу експозиції та потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання. Принцип роботи "УКРЭХ" в режимі контролю анодної напруги заснований на наявності однозначної відповідності між величиною анодної напруги на рентгенівській трубці і ставленням сигналів двох детекторів рентгенівського випромінювання з різною енергетичною дозовою чутливістю. Для забезпечення різної енергетичної залежності дозової чутливості, детектори з однаковими характеристиками розташовуються за мідними фільтрами різної товщини. Товщини фільтрів підібрані таким чином, щоб забезпечити найбільшу залежність і лінійність між відношенням сигналів детекторів і анодною напругою рентгенівської трубки. Для цього весь 1 UA 100966 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 діапазон виміру 50-130 кВ розбитий на три піддіапазони: 40-60 кВ, 60-90 кВ та 90-130 кВ. Пристрій вимірює діюче значення анодної напруги за проміжок часу близько 150 мс, накопичуючи (інтегруючи) значення 1000 вибірок вихідних сигналів детекторів. Для оцінки значення потужності експозиційної дози використовується записана в ПЗУ МК при калібруванні пристрою залежність відношення KD=Ufl2/D від анодної напруги Ua, де Ufl2 вихідна напруга детектора Д2, виміряна при впливі на пристрій рентгенівського випромінювання потужністю D (заміряється еталонним дозиметром) при анодній напрузі U a (встановлюється за допомогою каліброваного подільника напруги). Принцип роботи даного пристрою дозволяє проводити вимірювання параметрів рентгенівських випромінювачів: поглиненої дози і потужності дози шляхом визначення напруги на рентгенівській трубці. Діапазон вимірюваних енергій випромінювання визначається напругою на трубці, що змінюються від 40 до 130 кВ, і, таким чином, варіюється в межах від 30 до 90 кеВ. Застосування фільтрів різної товщини необхідно для вирівнювання енергетичної залежності пристрою в діапазоні напруг на трубці 40-30 кВ (енергії 30-90 кеВ). Для низькоенергетичного діапазону 30-60 кВ на трубці застосовують фільтр товщиною 0,5 мм, для середніх енергій 60-90 кВ - 3 мм, для високих енергій 90-130кВ - 5 мм. За рахунок цього, залежність вимірюваних параметрів від чутливості детектора носить кусочно-лінійний характер, а похибка досягає ± 20 %. Чутливість детектора при цьому дозволяє проводити вимірювання від 1 р/год., а 2 динамічний діапазон не перевищує 10 . Застосування повсюдно саме міді в якості фільтра обумовлено значенням її атомного номера (Z=31), найбільш відповідного для фільтрації рентгенівського випромінювання. Застосування пасивного мідного фільтра різної, для кожного енергетичного діапазону, товщини, поряд з позитивним фактором - вирівнювання енергетичної залежності - має негативний - він знижує потужність потоку рентгенівського випромінювання, що падає на детектор. Це знижує приблизно на 2 порядки чутливість детектора і обмежує поріг регенеруємо!" потужності поглиненої детектором дози від 1 р/г. Також, зважаючи на необхідність перемикання детекторів при вимірах в широкому діапазоні напруг в цьому пристрої, спостерігаються значні похибки вимірювань в діапазоні 60-80 кВ. Розміщення датчиків в одному корпусі з індикатором створює значні незручності при вимірах. Ціна "УКРЭХ" близько 3900 USD (виробник НЦП медичної радіології, м. Москва). В основу корисної моделі поставлена задача створення пристрою для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів, який забезпечив би розширення енергетичного та динамічного діапазонів, збільшення точності вимірювання і розширення області використання пристрою. Як прототип нами вибраний останній з аналогів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів, що містить не менше двох детекторних елементів типу сцинтилятор - фотодіод один з яких виконаний, на основі кристала селеніду цинку, активованого телуром, при цьому виходи фотодіодів підключені до операційних підсилювачів, виходи останніх підключені до аналого-цифрового перетворювача, який своїми входами і виходами з'єднаний з мікропроцесором, вихід останнього пов'язаний з індикатором, згідно корисної моделі, зазначені детекторні елементи виконані у вигляді збірки двох оптоелектронних пар типу сцинтилятор фотодіод, конструктивно пов'язаних і розташованих один за іншим, перший в напрямку випромінювання сцинтилятор оптоелектронної пари виконаний з зазначеного активованого селеніду цинку, і є енергетичним фільтром, для розташованого за ним, сцинтилятору другої оптоелектронної пари, який виконаний або з активованого селеніду цинку, або з матеріалу з великим атомним номером, при цьому товщини зазначених сцинтиляторів оптимізовані під максимальну чутливість в низькоенергетичної та високоенергетичної областях спектра, відповідно. Перший із зазначених сцинтиляторів має товщину 0,3-0,5 мм, а другий із зазначених сцинтиляторів має товщину 1,0-5,0 мм і може бути виконаний з вольфрамату кадмію, вольфрамату цинку, орто- або піросилікату гадолінію. При виконанні другого сцинтилятора з активованого селеніду цинку його товщина складає 3,0-5,0 мм. Оскільки ефективний атомний номер (Zеф) ZnSe становить 31, то коефіцієнт поглинання в ZnSe, використовуваного як фільтр, збігається з коефіцієнтом поглинання в міді. Водночас оскільки ZnSe одночасно є сцинтилятором, то при його товщині, рівній товщині мідного фільтра, він, практично, не послаблюючи рентгенівське випромінювання в високоенергетичної частини спектру не тільки поглинає, а й активно реєструє низькоенергетичну частину (Фіг. 3, крива А). Завдяки цьому, за рахунок вирівнювання енергетичної залежності збірки, чутливість пристрою (фіг. 3, крива В) пропорційна світловому потоку Ф(L), виникає в сцинтиляторі під дією іонізуючого випромінювання, і вимірювання дозових характеристик і параметрів випромінювача 2 UA 100966 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 проводиться не непрямим, як в прототипі - через напругу і струм рентгенівського випромінювання - а прямим методом, шляхом визначення характеристик через потужність потоку квантів рентгенівського випромінювання. Це обумовлює якісну перевагу винаходу 2 підвищення чутливості і розширення динамічного діапазону. У результаті в 10 разів 5 підвищується чутливість пристрою, а динамічний діапазон досягає 10 . У даній корисній моделі передбачається принципово нове технічне рішення, а саме, замість декількох незалежних детекторів з різною спектральною чутливістю використовується один детектор, виконаний в єдиній збірці з активним фільтром. При цьому активний фільтр і кристал з великим атомним номером оптично з'єднані кожен зі своїм фотодіодом, а останній - зі своїм операційним підсилювачем через кабель довжиною до 20 м, що дозволяє оператору знаходитися в окремому від рентгенівського випромінювача приміщенні. На відміну від традиційних рішень, в даному винаході використовується один детектор з активним фільтром, конструкційно виконаний (фіг. 1) в одному корпусі. На фіг. 1 приведено схематичне зображення детекторної частині пристрою, на фіг. 2 приведена блок-схема пристрою, на фіг. 3 приведена енергетична чутливість пристрою: крива А - енергетична чутливість активного фільтра-детектора, виконаного на основі активованого селеніду цинку, крива Б - енергетична чутливість детектора, виконаного на основі активованого селеніду цинку або з матеріалу з великим атомним номером, крива В - енергетична чутливість пристрою в цілому. Детекторна частина пристрою (фіг. 1), що заявляється, містить розміщенні в корпусі 1 активний фільтр 2, виконаний з активованого селеніду цинку, оптично з'єднаний з фотодіодом 3. За ними розташований сцинтилятор 4, виконаний з активованого селеніду цинку або з матеріалу з великим атомним номером, оптично з'єднаний зі своїм фотодіодом 5. У корпусі 1 перед активним фільтром 2 розміщений пасивний фільтр 6, виконаний з матеріалу з низьким атомним номером (алюміній), який слабо поглинає рентгенівське випромінювання, для додаткового вирівнювання енергетичної залежності. Виходи фотодіодів 3 і 5 підключені кожен до свого операційного підсилювача 7 і 8, відповідно (фіг. 2). Виходи операційних підсилювачів 7 і 8 підключені до входів АЦП 9, який своїми входами і виходами з'єднаний з мікропроцесором 10. Вихід останнього пов'язаний з індикатором 11 (фіг. 2), яким є персональний комп'ютер (ПК). Пристрій працює таким чином. В області низьких енергій, напруга 30-50 кВ на трубці, переважає сигнал від активного фільтра - оптоелектронна пара з сцинтилятором 2, в області середніх енергій амплітуди сигналів сумірні, в області високих енергій, напруга на трубці 60-140 кВ (активний фільтр 2 слабочутливий), переважає сигнал від збірки з сцинтилятором 4. Сигнали від операційних підсилювачів 7 і 8 надходять на входи АЦП 9, який їх підсумовує, оцифровує, обробляє за заданою програмою, після чого сигнал вже в оцифрованому вигляді надходить на ПК, де спеціальна програма визначає чутливість детектора для кожної ділянки енергетичного діапазону (фіг. 3). При цьому за рахунок обробки в електронному тракті різницевого сигналу від детектора 4 і активного фільтра 2 та їх співвідношення істотно підвищується чутливість пристрою і розширюється динамічний діапазон. Оскільки обидва елементи, активний фільтр 2 і детектор 4, являють собою оптоелектронну пару, то чутливість і динамічний діапазон становлять величину, характерну для такої пари, а саме вимірювання можуть проводитися від 10 мР/год. до 1000 2 5 Р/год., тобто чутливість поліпшена в 10 разів, а динамічний діапазон в 10 в порівнянні з прототипом. Похибка вимірювання ефективності детектування в цілому не перевищує ±5 %. На відміну від прототипу основна програмована обробка сигналу проводиться великим персональним комп'ютером, розташованим перед оператором в окремому, ізольованому від рентгенівського випромінювача, приміщенні. Це забезпечує як захист оператора, так і розширює функціональні можливості приладу. Пристрій, що заявляється, може розміщуватися безпосередньо перед випромінювачем у разі контролю його параметрів, що необхідно для налаштування режиму роботи випромінювача (струм, напруга). У разі медичного обстеження пристрій, що заявляється, розміщується з тильної (у напрямку до випромінювача) сторони контрольованого об'єкта. Спеціальна програма визначає дозу, поглинену об'єктом (пацієнтом). Вимірювання проводяться в реальному часі. Очікувана вартість пристрою в 2-3 рази нижче, ніж у прототипу. 3 UA 100966 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Пристрій для контролю параметрів рентгенівських випромінювачів і поглинутої дози рентгенівського випромінювання, що містить не менше двох детекторних елементів типу сцинтилятор-фотодіод, один з яких виконаний на основі кристала селеніду цинку, активованого телуром, при цьому виходи фотодіодів підключені до операційних підсилювачів, виходи останніх підключені до аналого-цифрового перетворювача, який своїми входами і виходами з'єднаний з мікропроцесором, вихід останнього пов'язаний з індикатором, який відрізняється тим, що зазначені детекторні елементи виконані у вигляді збірки двох оптоелектронних пар типу сцинтилятор-фотодіод, конструктивно пов'язаних і розташованих один за іншим, перший в напрямку випромінювання сцинтилятор оптоелектронної пари виконаний з зазначеного активованого селеніду цинку, і є енергетичним фільтром, для розташованого за ним сцинтилятора, другий оптоелектронної пари, який виконаний або з активованого селеніду цинку, або з матеріалу з великим атомним номером, при цьому товщини зазначених сцинтиляторів оптимізовані під максимальну чутливість в низькоенергетичної та високоенергетичної областях спектра, відповідно, при цьому перший із зазначених сцинтиляторів має товщину 0,3-0,5 мм. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що другий із зазначених сцинтиляторів має товщину 1,0-2,0 мм і може бути виконаний з вольфрамату кадмію, вольфрамату цинку, або орто- або піросилікату гадолінію. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що другий із зазначених сцинтиляторів має товщину 3,0-5,0 мм і виконаний з активованого селеніду цинку. 4 UA 100966 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5