Параметры и технология сцинтилляторов

1.2 Параметры и технология сцинтилляторов

Качество работы гамма-камеры зависит прежде всего от детекторной системы и ее "сердца" - сцинтиллятора. Поэтому он заслуживает отдельного рассмотрения. Как уже отмечалось выше, в качестве сцинтилляторов детекторных систем применяют NaI(Tl). Однако в некоторых случаях применяют и другие соединения, например, CsI(Na), CsI(Tl) – для счета a-частиц, LiF(W) и LiI(Eu) –для счета нейтронов. Параметры некоторых сцинтилляторов в сравнении с NaI(Tl) приведены в табл.3.

Таблица 3 Параметры сцинтилляторов.

Как видно из таблицы, самый большой световой выход имеет кристалл NaI(Tl). Однако он очень гигроскопичен и требует надежной герметизации. Кристаллы CsI и LiF(W) имеют малый световой выход, но в обоих случаях сцинтилляции вызываются a-частицами, энергия которых велика ( во втором случае при поглощении нейтрона литий распадается с выделением a-частицы). Все кристаллы существенно тяжелее стекла, а коэффициент преломления у них почти такой же.

Большинство кристаллов излучают синий свет, и только CsI дает УФ излучение. Сцинтилляция характеризуется временем основного свечения и послесвечения, которое составляет несколько процентов от основного. Этот параметр определяет максимально возможную скорость счета. Например, для кристалла NaI(Tl) она составляет около 4×10⁶ имп/с, что намного больше встречающейся на практике максимальной скорости счета.

Технология изготовления сцинтилляционных кристаллов весьма сложна, и поэтому стоят они дорого. Производство сцинтилляторов и детекторов для РН диагностики, и в частности, для гамма-камер – чрезвычайно наукоемкая отрасль. Выпуском таких детекторов уже давно занимается научно-производственное объединение НИИ монокристаллов (г. Харьков). Его продукция успешно конкурирует на мировом рынке и экспортируется во многие страны, в том числе, США, Японию и др.

Рассмотрим кратко технологию производства самых распространенных кристаллов NaI(Tl). Кристалл NaI(Tl) выращивают в специальной вакуумной печи (камере). Ее конструкция показана на рис.2.

Рисунок 2. Камера для выращивания кристаллов NaI(Tl).

Кристалл 1 вытягивают из расплава смеси 99% NaI и 1% Tl. Исходное сырье плавится в платиновом тигле 2. Применение такого дорогого материала объясняется чрезвычайной агрессивностью расплава NaI, которой не выдерживает никакой другой материал. Температура плавления 924 К, или 650^о С, указанная в табл.1, относится, вообще говоря, к NaI. Температура плавления таллия меньше. В процессе плавки он испаряется и его приходится постоянно добавлять.

Нагрев печи обеспечивается двумя нагревателями – боковыми 3 и нижним 4, вмонтированными в футеровку печи. Сырье поступает через питатель 5 в периферийную часть тигля, которая отделена от центральной части ситом 6, отсеивающим посторонние включения.

Для формирования кристалла используют затравку 7 – твердый кристалл NaI(Tl), прикрепляемый к держателю 8. Затравку приводят в соприкосновение с расплавом сырья в момент термодинамического равновесия (когда жидкая фаза не кристаллизуется, а твердая – не плавится). Кристаллодержатель и тигель вращаются в одну или в разные стороны для усреднения температурных полей. При этом кристалл медленно вытягивается из расплава.

После нахождения точки термодинамического равновесия управление передают системе автоматического регулирования. Она следит за тем, чтобы соблюдался баланс масс: масса сырья, поступившего в тигель должна быть равна приращению массы вытягиваемого кристалла, иначе говоря, уровень расплава в тигле должен оставаться постоянным. За этим следит датчик контроля уровня 9. Он представляет собой металлический электрод, нагретый до температуры расплава (чтобы при соприкосновении с расплавом не создавать температурной неоднородности). Этот электрод находится в непосредственной близости от поверхности расплава. Когда уровень расплава достигает электрода, прекращается подача сырья и наоборот – при снижении уровня подача сырья возобновляется.

Диаметр кристаллов NaI(Tl) достигает 500 мм, а вес – 550 кг. Их выращивание длится около двух недель. Готовый кристалл помещают в осушенную вакуумную камеру. Затем его распиливают на диски толщиной 9 – 10 мм. Распиловку производят натянутой синтетической нитью, смачиваемой дистиллированной водой. Диск, предназначенный для детектора гамма-камеры, шлифуют с обеих сторон и герметизируют в специальном контейнере (рис.3).

Кристалл NaI(Tl) 1 помещают в контейнер 2 из алюминия, закрывают сверху (со стороны установки ФЭУ) специальным стеклом 3, которое выполняет функции световода, и герметизируют компаундом. Внутреннюю поверхность контейнера покрывают слоем MgO 4 белого цвета, играющего роль диффузного отражателя. Внешнюю поверхность стекла, не занятую ФЭУ, также покрывают слоем MgO. Это позволяет повысить результирующую эффективность регистрации. Выполненный таким образом детектор может служить десятки лет. Кроме круглых детекторов применяют также детекторы прямоугольной формы. Для этого диск NaI(Tl) нагревают до размягчения и под давлением формуют из него прямоугольную пластину. Прямоугольные детекторы имеют большее поле зрения и обладают лучшей однородностью по краям. В заключение этого раздела рассмотрим еще один способ (оптический) уменьшения линейных искажений и улучшения однородности чувствительности детектора. Он состоит в применении отражающих масок, накладываемых на световод со стороны, прилегающей к сцинтиллятору (рис.4). Маски представляют собой отражающие покрытия, окрашенные черной краской со стороны ФЭУ. Они ограничивают количество прямых попаданий фотонов, образующихся в результате сцинтилляции, на фотокатоды ФЭУ. Большинство из них попадают на фотокатоды путем многократных отражений от масок и диффузного отражателя на внутренней поверхности контейнера сцинтиллятора. Тем самым улучшается форма амплитудно-пространственных характеристик ФЭУ, выравнивается чувствительность по площади детектора, уменьшаются линейные искажения. Узор маски зависит от места расположения ФЭУ и обычно подбирается экспериментально.

Рисунок 4. Отражающие маски.

Похожие работы

История отечественного приборостроения

76024

0

0

... и теплоизмерительных приборах и регуляторах в основном удовлетворялась, то в металлургии, химической, пищевой и других отраслях дело обстояло несколько хуже. Отставание развития отечественного приборостроения от быстро растущей потребности народного хозяйства в приборах и средствах автоматизации вызвало необходимость создания и развития отраслевого приборостроения. В химической промышленности ...

Синхротронное излучение: из рук физиков - в руки врачей

Скачать

32492

0

10

... доли (1 ppm) в биоптатах и биожидкостях. Эти первые результаты были получены сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (г.Саров) совместно с ИЯИ РАН и РНЦ КИ на пучке синхротронного излучения РНЦ КИ по методу рентгеновского флюоресцентного анализа для различных медико-биологических проб. Они показали перспективность предложенного метода. В глубь ...

Методы и значение неразрушающего контроля качества продукции

Скачать

45603

0

1

... , внедрение прогрессивного оборудования, повышение эффективности методов контроля качества металла, активное внедрение комплексной системы управления качеством продукции, постоянное повышение трудовой, производственной и исполнительской дисциплины. Неразрушающий контроль качества методами дефектоскопии Дефектоскопия–комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с ...

Диагностика нефтепромысловых трубопроводов

Скачать

53201

0

7

... и непосредственного контакта с ним. Рисунок 1 - Порядок диагностирования подземных трубопроводов Наиболее сложными для технического диагностирования являются подземные трубопроводы. Оперативную диагностику выполняют посредством обхода обслуживающим персоналом трассы газопровода. При обходе подземных участков утечки газа на трассе газопровода определяются по внешним признакам и приборами. ...