Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 12, стр. 44-49

ВВЕДЕНИЕ

В современных рентгеновских сканерах используется метод регистрации рентгеновского излучения в двух областях энергетического спектра [1–5]. Осуществляется это с помощью детектора, в конструкцию которого входят два сцинтиллятора с различной чувствительностью в низко- и высокоэнергетических областях спектра, например, Gd₂O₂S: Tb и CsI, или системы мелкокристаллических сцинтилляторов ZnSe(Al) и LGSO(Ce) [6], либо путем двукратного сканирования при разном напряжении на аноде рентгеновской трубки. В сканерах, применяемых при досмотре багажа, эта опция позволяет выделить в изображении контролируемого объекта органические и неорганические материалы по среднему атомному номеру, а также разделить материалы по группам. Предмет с атомным номером, превышающим 18, считается неорганическим и выделяется на экране монитора синим цветом. Предметы с атомным номером меньше 10 считаются органическими, и их изображение окрашивается в желтые тона, а смешанные предметы и предметы с атомным номером от 10 до 18 изображаются зеленым цветом. Предметы, атомный номер которых установить невозможно (например, в случае системы с недостаточно проникающей способностью для просвечивания предмета), отображаются более темными. Регистрация рентгеновского излучения в двух энергетических диапазонах с помощью компьютерной обработки изображения позволяет также выделить в контролируемом объекте опасные предметы. В медицине этот метод регистрации более известен как двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия и широко применяется в рентгеновских денситометрах для определения плотности костной ткани.

К недостаткам двухэнергетического метода можно отнести ошибки при идентификации материалов, особенно сложных веществ с близким коэффициентом поглощения, тонких предметов, когда поглощение в материале невелико, и другие ограничения [7]. Таким образом, технологии досмотра нуждаются в дальнейшем развитии.

РЕНТГЕНОВСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВОГО ДЕТЕКТОРА

Исследования проводились на установке, схема которой показана на рис. 1. Она включала источник рентгеновского излучения “РАПАН”, рентгеновскую трубку с вольфрамовым анодом, напряжение на аноде трубки U = 150 кэВ, ток I = = 0.16–1 мА. Для регистрации рентгеновских квантов использовали кремниевый pin-детектор [8] в геометрии, когда излучение направлено вдоль слоя. Характеристики детектора: энергетическое разрешение 1.67 кэВ на линии источника ²⁴¹Am 59.5 кэВ в режиме работы без принудительного охлаждения при комнатной температуре 22°С, что в пересчете в относительное разрешение составляет 2.8% [8]. Размер входного окна детектора составляет 0.5 × 3 мм. Конструкция линейки из кремниевых детекторов, предназначенная для использования в сканерах, показана на рис. 2. На p–i–n-переход необходимо подавать напряжение смещения порядка 80 В. При указанном на рис. 2 способе подачи напряжения смещения толщина изолятора может быть менее 0.1 мм, а шаг линейки может быть уменьшен до 0.6 мм.

Рис. 1.

Схема рентгеновской установки: 1 – “РАПАН”; 2 – коллиматор; 3 – фильтр; 4 – мишень; 5 – образец; 6 – коллиматор детектора; 7 – детектор.

Рис. 2.

Линейка из кремниевых детекторов.

Пространственное разрешение при такой геометрии, когда излучение направлено вдоль слоя, вполне достаточно для эффективной работы сканеров и может быть сравнимо с разрешением традиционных линейных детекторов с сцинтилляторами, в которых при малом шаге 0.2 мм наблюдается засветка в сцинтилляторах соседних элементов детектора. В предлагаемой линейке детекторов можно задавать индивидуальную ориентацию каждого элемента, что улучшит пространственное разрешение детектора и позволит изготавливать детекторы любой конфигурации. Энергетическое разрешение такой линейки заметно выше разрешения типовой линейки с сцинтилляторами даже в отсутствие принудительного охлаждения и достаточно для выделения энергетических диапазонов, соответствующих K_α- и K_β-линиям в спектре излучения мишени или рентгеновской трубки. Для оптимального подбора соотношений значений энергии можно сделать анод рентгеновской трубки биметаллическим и настроить детектор для регистрации наиболее подходящих характеристических линий K-серии материалов анода. Предложенный детектор технологичен, достаточно эффективен, обладает хорошей разрешающей способностью и поэтому перспективен для применения в досмотровой и медицинской технике.

Спектры, полученные в результате просвечивания излучением рентгеновской трубки образцов из алюминия, показаны на рис. 3. Для того чтобы избежать перегрузки детектора, фильтр низких энергий из стали толщиной 3 мм помещали возле коллиматора рентгеновской трубки.

Рис. 3.

Спектры просвечивания алюминиевого листа, полученные с использованием рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом: 1 – без образца; 2 – толщина листа 2 мм; 3 – толщина листа 4 мм. N – количество отсчетов в канале спектрометра.

Интегральная интенсивность рентгеновских квантов уменьшается экспоненциально с координатой x вдоль распространения рентгеновского излучения:

ДВУХЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Как и в [9], разрешающую способность метода оценивали при определении Z образцов известного состава. Для исследований были выбраны восемь образцов, состоящих из элементов Al, Si, Ti, Fe, Cu, Ge. Эксперименты проводились на рентгеновской установке, показанной на рис. 1. Эталонные образцы просвечивали квантами с энергией, соответствующей энергии характеристических линий K_α1 и K_α2K-серии элементов Sn, Er, Pb [10] (табл. 1), из которых было сделано три мишени.

Значения энергии характеристических линий K_α1 и K_α2 мишеней близки, разрешение детектора не позволяет их разделить [11], поэтому аппаратуру настраивали для их совместной регистрации, а при расчете брали средние значения энергии (табл. 1). Для подсчета импульсов использовали аналого-цифровой преобразователь АЦП-8К-В1. Определив согласно (1) μ(E_l,h) = ln(I/I₀)_l,h/x₀ для образца толщиной x₀ с атомным номером Z, по измеренному отношению (I/I₀)_l,h получаем функциональную зависимость:

Определение градуировочной зависимости для рентгеновской установки – функции R_выч(Z)

Это может быть сделано для рентгеновских установок путем расчета или экспериментально путем анализа стандартных образцов веществ с известным Z без примесей. Поскольку разрешение детектора высокое, в качестве исходной градуировочной зависимости R_выч(Z) может быть принята зависимость, рассчитанная по табличным значениям μ_z(E) – справочным данным NIST [10]. Для Z = 1–35 по справочным данным NIST для μ_z(E) определяли коэффициенты поглощения μ_z(E) при трех значениях энергии Е = = 25.16, 48.67, 73.89 кэВ и строили зависимости R_выч(Z) для двух пар значений энергии: 25.16/73.89 и 48.67/73.89 кэВ (рис. 4).

Рис. 4.

Зависимости R (1) и производной dR/dZ (2) от Z для пары значений энергии: а – 25.16/73.89; б – 48.67/73.89 кэВ. Ромбы – экспериментальная зависимость R(Z), вертикальными линиями показаны среднеквадратичные отклонения; крестики – расчет R_выч(Z) по справочным данным NIST; штриховая линия – аппроксимация R_выч(Z) полиномом пятой степени; точки – зависимости производной dR/dZ(Z) × 10, полученные с использованием данных NIST.

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПОГРЕШНОСТЬ ДВУХЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА

Из рис. 4 следует, что для каждой пары имеется область в середине диапазона, в которой зависимость R(Z) максимальна, и области по краям, в которых зависимость слабая и определение Z затруднено. Как следует из рис. 4 и табл. 2, можно однозначно определить, например, Z = 13 для пары значений энергии 25.16/73.89 кэВ. В этом случае погрешность минимальна ΔZ ≈ 0.15 и достигается разрешение метода δ = 0.3. Для других образцов с Z = 14, 22, 26, 29 погрешность оказалась больше: Δ_Z ≈ 0.9. Для образцов с Z = 14, 26 относительная погрешность больше, чем для остальных. Это связано с тем, что образец с Z = 14 тонкий, и велик вклад случайной составляющей в расчет погрешности, и с тем, что в случае Z = 26 еще сказывается малость dR/dZ. Для другой пары 48.67/73.89 кэВ разрешение оказалось хуже δ = 0.8.

Выбор пары значений энергии существенно влияет на разрешающую способность. С одной стороны, чем больше разность в значениях энергии, тем лучше разрешение (табл. 2). С другой стороны, большая разность ограничивает выбор материалов, у которых коэффициент поглощения и толщина материала должны соответствовать рабочему диапазону для двух значений энергии одновременно. Рабочий диапазон определяется из условий: (I – I₀), I₀ $ \gg $ I_ш, где I_ш – составляющая сигнала, обусловленная шумом детектора.

Приведенные в табл. 2 погрешности измерений Z обусловлены следующими факторами: погрешностью аппроксимации при определении μ_z при рабочих значениях энергии для расчета R_табл, примесями в материалах исследуемых образцов и погрешностью измерений аналого-цифрового преобразователя. Эти погрешности могут быть существенно уменьшены, если исходная градуировочная зависимость R(Z) будет получена экспериментально, с использованием эталонных образцов без примесей, и если эта градуировка будет проводиться непосредственно перед сканированием. В этом случае может быть достигнута предельная разрешающая способность метода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Продемонстрированы результаты применения кремниевых pin-детекторов для регистрации квантов излучения рентгеновской трубки с напряжением на аноде 150 кВ. Предложен способ оценки погрешности определения атомного номера двухэнергетическим методом в радиографии. По экспериментальным данным проведена оценка разрешающей способности для двух пар значений энергии. Найдены условия, при которых возможно определение атомного номера с разрешением 0.3. Способ может быть применен для рентгеновских установок, используемых как в технологиях безопасности, так и в медицине, что дает возможность проводить корректную оценку их технических характеристик. Результаты могут быть полезны при решении задач разделения материалов простых и сложных веществ.