Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 10-16

ВВЕДЕНИЕ

Определенные уровни энергии γ-излучения радиоизотопа при регистрации образуют набор резких линий, образующих в приборе фотопики. Основную информацию для построения изображений дает фотопоглощение γ-квантов, в то время как случаи рассеяния малоинформативны или даже рассматриваются как шум или помехи. Поэтому, чтобы выделить желательные первичные фотоны и исключить нежелательные рассеянные, в амплитудном спектре обычно устанавливают окно в центре фотопика.

Выходной сигнал получается при взаимодействии падающего γ-кванта с веществом детектора. В случае многократного рассеяния падающих квантов некоторые кванты могут быть пропущены, а другие ошибочно зарегистрированы в детекторе как единичное взаимодействие с неправильной амплитудой и/или длительностью импульса [1]. Такие эффекты отрицательно влияют на энергетическое разрешение. Поэтому работа детектора требует усовершенствования.

Свойства сцинтилляторов ВС-420 исследуются в настоящее время довольно подробно. Результаты калибровки сцинтиллятора BC-420 при облучении нейтронами и γ-квантами представлены в работе Pozzi et al. [2]. Работа сцинтиллятора в спектрометрическом режиме для измерения времени жизни позитрона была исследована Saro et al. [3]. Смирский и др. изучили возможность улучшения пространственного разрешения PET-сканера с пластическими сцинтилляторами [4]. Использование некоторых пластических сцинтилляторов, включая ВС-420, для различных радиационных применений представлено в кратком обзоре Mukhopadhyay and Nevada [5]. Характеристики этого сцинтиллятора при регистрации пионов исследованы Ahmad et al. [6].

Известно, что измерение длительности импульсов используется для разделения частиц различных типов. Разделение основано на определении временных характеристик импульсов, генерируемых в детекторе падающими частицами. Один из самых часто используемых и эффективных методов разделения – метод временной привязки с постоянным порогом. В этом методе регистрируемый импульс делится на два. Одна часть импульса задерживается на время длительности фронта импульса, а другая – инвертируется и уменьшается по амплитуде в определенное число раз. Сформированные таким образом импульсы суммируются и в результате получается биполярный импульс [7].

Пластические сцинтилляторы чувствительны к γ-квантам и имеют значительный световыход и малую длительность сцинтилляции. Это делает этот материал подходящим для временных измерений [8], а также для использования при сканировании тела пациента в томографии. Пластические сцинтилляторы были впервые использованы в Jagiellonian Positron Emission Tomograph (J‑PET) [9]. Органические сцинтилляторы типа ВС-420 применяли в своих в работах с J-PET авторы статьи [9], а также Gnatek [10] и Moskal et al. [11]. Хотя пластические сцинтилляторы имеют лучшие временные характеристики, у них эффективность регистрации γ-квантов меньше, чем у неорганических кристаллов. По этой причине проведена экспериментальная работа по улучшению энергетического разрешения детекторов такого типа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использован сцинтилляционный детектор с пластическим сцинтиллятором ВС-420 фирмы Saint Gobain диаметром 2 дюйма и высотой 2 дюйма с фотоумножителем R1828-01 фирмы Hamamatsu в магнитном экране. Среди самых быстрых пластических сцинтилляторов исследованный нами сцинтиллятор занимает второе место по длительности сигнала (1.5 нс) [12].

Облучение осуществлялось точечным источником ¹³⁷Cs активностью 5 мкКи фирмы Spectrum Techniques Co., нанесенным на майларовый диск диаметром 25 мм и толщиной 5 мм. Использовалось пассивное подавление фона, время измерения равно 100 с. Схема установки показана на рис. 1.

Рис. 1.

Принципиальная схема используемого спектрометра. PS – источник напряжения ORTEC 556; PA – предусилитель ORTEC 113; A – основной усилитель ORTEC 485; DA – усилитель с задержкой сигнала ORTEC 427A; TSCA – временной одноканальный анализатор ORTEC 420A; LG – линейные ворота ORTEC 426; CFD – дискриминатор с постоянным порогом ORTEC 584; D – блок задержки ORTEC 425A; TAC – времяамплитудный конвертер ORTEC 566; MCA – многоканальный анализатор ORTEC Easy MCA 2k.

В данном спектрометре γ-кванты от источника регистрируются детектором. Сигналы с детектора поступают на предусилитель PA и усиливаются основным усилителем A. Биполярный сигнал (рис. 2) с усилителя разделяется на два канала, разделенные сигналы поступают на временной одноканальный анализатор TSCA (см. рис. 1) и усилитель с задержкой сигнала DA. Так осуществляется выделение фотопика от ¹³⁷Cs.

Рис. 2.

Форма выходного сигнала усилителя.

Выходные сигналы этих устройств подаются на линейные ворота LG, а выходной сигнал линейных ворот поступает на дискриминатор с постоянным порогом CFD. Блок CFD генерирует два выходных сигнала. Один из них умножается на некоторый коэффициент f для получения импульса с желательной амплитудой. Другой сигнал, кроме того, инвертируется и задерживается на время, превышающее длительность фронта исходного сигнала. Длительность фронта принимается равной интервалу от 10 до 90% максимальной амплитуды (рис. 3). Задержанный и инвертированный сигналы затем суммируются, создавая окончательную форму импульса [13]. Для дискриминации шумовых сигналов в дискриминаторе CFD устанавливается порог, равный 10 мВ. Форма выходного сигнала дискриминатора с постоянным порогом CFD показана на рис. 4.

Рис. 3.

Схематическое представление фронта импульса [14].

Рис. 4.

Форма выходного сигнала дискриминатора с постоянным порогом CFD.

Выходные сигналы с CFD подаются на входы “Start” и “Stop” времяамплитудного преобразователя ТАС, который стробируется сигналом с линейных ворот, задающим цикл считывания. При этом генерируется временной сигнал, пропорциональный длительности интервала между импульсами start и stop. Лучший результат получен при задержке, равной 16 нс. Сигнал с выхода усилителя с задержкой DA подается на многоканальный анализатор МСА, управляемый временным сигналом с времяамплитудного преобразователя ТАС. В результате анализатор регистрирует только импульсы от детектора, которые разрешает регистрировать временной сигнал. Это краткое описание временной части системы регистрации, называемой методом временной привязки с постоянным порогом. Детальное описание метода приведено в [13]. Описанная процедура позволяет выделить сигналы, соответствующие фотопику. На рис. 5 показана форма выходного логического сигнала ТАС.

Рис. 5.

Форма выходного сигнала времяамплитудного преобразователя ТАС.

Полученные результаты работы схемы приведены ниже.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Система регистрации γ-квантов одним из самых быстрых органических сцинтилляторов (ВС-420) фирмы Saint Gobain Co. была испытана и проведены исследования, направленные на улучшение энергетического разрешения фотопика установки РЕТ. Спектр γ-квантов ¹³⁷Cs непосредственно от детектора показан на рис. 6.

Рис. 6.

Спектр γ-квантов ¹³⁷Cs от детектора со сцинтиллятором ВС-420.

Как видно из рис. 6, хотя спектр и напоминает типичный спектр ¹³⁷Cs, фотопик выделяется очень плохо. По этой причине был использован предложенный временной процесс, при котором на регистрацию проходят только сигналы, соответствующие фотопику. Полученный результат показан на рис. 7. Прошедшие нашу систему стробируемые импульсы, образующие фотопик, и исходный спектр с детектора в сравнении показаны на рис. 8.

Рис. 7.

Стробируемый фотопик (662 кэВ).

Рис. 8.

Сравнение спектров: спектр непосредственно от детектора (красный); стробируемый фотопик (черный).

Спектр, полученный после применения процесса временнóй обработки, показан на рис. 9. Изменения, полученные в результате временнóй обработки импульсов фотопика, показаны на рис. 10.

Рис. 9.

Фотопик после временнóй обработки.

Рис. 10.

Сравнение спектров: стробируемый фотопик (красный); фотопик после временной обработки (черный).

Как правило, уменьшенная ширина пика означает лучшее энергетическое разрешение. Согласно рис. 10, некоторые импульсы, соответствующие фотопику, но не попадающие в регистрируемый временной интервал, исключаются из регистрации, поэтому пик становится тоньше. Это показывает, что временной процесс весьма эффективно дискриминирует сигналы, не относящиеся к фотопику, улучшая энергетическое разрешение. Согласно рис. 7 и 9, энергетическое разрешение улучшается с 24.5 до 12.6%, т.е. почти вдвое. Это очень хороший результат.