Диссертация (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем), страница 10

Коэффициент поглощения  a быстро растет с ростомдлины волны поглощающего элемента. Коэффициент рассеяния при этом меняется не так42сильно. Поэтому для длин волн больше ангстрема и атомных номеров Z>20 рассеяниемрентгеновского излучения можно пренебречь и считать, что a   a . В других случаях прирассмотрении ослабления рентгеновского пучка в веществе процесс рассеяния следуетучитывать.Изменение интенсивности пучка рентгеновского излучения Ix на глубине x в образцеопределяется законом Бугера-Ламберта: I x  I 0 exp   x x, где  x - линейный коэффициентослабления рентгеновского излучения, размерность [μx]=см-1.

Линейный коэффициентослабления μx рентгеновского излучения зависит от плотности поглощающего вещества, чтоне всегда удобно. В связи с этим обычно используется величина μm – массовый коэффициентпоглощения [μm] = см2∙г-1, причем μx = μm∙ρ, где ρ – плотность поглощающего вещества. ЗаконБугера-Ламберта приобретает вид: I x  I 0 exp m  x . Массовый коэффициент ослаблениярентгеновского излучения не зависит от плотности вещества, то есть от его физическогосостояния. Поэтому величины этих коэффициентов могут быть протабулированы для всехэлементов и различных диапазонов длин волн.В настоящее время имеется ряд таблиц, содержащих экспериментальные и расчетныезначения массовых коэффициентов ослабления.

Обширные сведения об экспериментальных ирасчетных величинах коэффициентов ослабления, собранные за много лет НациональнымИнститутомСтандартовиТехнологийСШАпредставленынасайтеhttp://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html [112], и представляют собой самыепоследние, откорректированные в 2016 году, данные.Массовый коэффициент поглощения сложной молекулы определяется выражением:( m ) мол   Ci mi , где Ci – весовое содержание элемента i в молекуле, μmi – массовыйiкоэффициент поглощения i – того элемента в молекуле. Суммирование идет по всемэлементам в молекуле.

Для любых однородных смесей, сплавов, твердых и жидких растворовопределяется по тому же выражению m   Ci mi , где Ci – весовое содержание i - тогоiвещества в такой среде, μmi – массовый коэффициент поглощения i -того вещества в среде[113].Повсеместнодляаппроксимацииэнергетическойзависимостикоэффициентовкогерентного и некогерентного рассеяния и поглощения используют следующие выражения,предложенные Маренковым О.С. [114]: к ( E) (1   4 E ),( 0   1E   2 E 2   3 E 3 ) нк ( E )  ( E)  1E 1   2 E 2   3 E 3   4 E 4 .E2, 0   1E   2 E 2   3 E 3(1.19)43Однако, подстановка приведенных в литературе [114] значений  i приводит кзначительной погрешности по отношению к опубликованным экспериментальным данным[112], что не позволяет использовать эти аппроксимации при расчете сигналов, приходящихнаприемно-преобразующиеустройстварегистрациипроникающегорентгеновскогоизлучения в рентгено-абсорбционной технологии.

Требуется разработка другого видааппроксимации энергетической зависимости массового коэффициента ослабления.1.5.2. Детекторы рентгеновского излучения в составе радиотехнических ППУВ состав ППУ рентгено-абсорбционного сепаратора входят детектор рентгеновскогоизлучения и блок УРОИ. Рассмотрим вопросы, связанные с их функционированием.Детектор рентгеновского излучения – это чувствительный элемент, которыйпредназначен для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии,который удобен для регистрации и измерения величин, характеризующих это излучение.Основнойклассификационныйпризнакдетекторарентгеновскогоизлучения–взаимодействие с излучения с веществом.

Кроме основного признака детекторыклассифицируют по: 1) по форме представления информации (аналоговые и дискретные); 2)по энергетическому разрешению (энергоразрешающие и интегральные); 3) по разрешениюпространственного распределения излучения (нульмерные, одномерные, двумерные итрёхмерные); 4) по состоянию вещества чувствительной части объёма детектора(твердотельные и газовые).Взаимодействие с веществом рентгеновского излучения в детекторе определяет принципдействиядетектора,основанныйна:1)электрохимическихреакциях(рентгеночувствительные плёнки, полупроводниковые запоминающие пластинки), 2)ионизации газа (ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, счётчики ГeйгepaMюллepa, многонитевые камеры, микростриповые газовые детекторы, газовые электронныеумножители), 3) фотоэлектрический эффект (вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронныеумножители, канальные фотоэлектронные умножители, рентгеновские видиконы), 4)сцинтилляция (сцинтилляционные детекторы, газовые электролюминесцентные детекторы),5) образование неравновесных носителей зарядов под действием ионизирующего излучения(фотоэлементы и фотодиоды, полупроводниковые детекторы), 6) возбуждение носителейзаряда в твердом теле (микро калориметрические (криогенные) детекторы, детекторы натуннельных переходах).К характеристикам детекторов рентгеновского излучения относятся: эффективность(отношение числа фотонов, дающих вклад в выходной сигнал, к общему числу фотонов,падающих на детектор [115]); энергетическое разрешение (отношение ширины линии44амплитудного распределения импульсов от монохроматического потока фотонов на половиневысоты к энергии этих фотонов); линейность (пропорциональность выходного сигналападающему потоку рентгеновского излучения); временное разрешение (способность безискажения зарегистрировать приход двух фотонов, разделенных минимальным интерваломвремени); динамический диапазон (диапазон интенсивностей входного излучения, прикоторомдетекторсохраняетлинейность);пространственноеразрешение(размерминимальных разрешаемых элементов изображения).Среди всего множества разработанных детекторов рентгеновского излучения по целомурядухарактеристиквППУрентгено-абсорбционнойтехнологиинаиболеепредпочтительными являются сцинтилляционные детекторы.

Рассмотрим более подробно ихустройство.Сцинтилляторы – вещества, которые под действием рентгеновских квантов испускаютфотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра. В сцинтилляторе спектр испусканияизлучения должен быть сдвинут относительно полосы поглощения, то есть в веществе должнабыть высокая вероятность испускания фотонов атомами и молекулами в возбужденномсостоянии и низкая вероятность поглощения испущенных фотонов.Наибольшее практическое применение в качестве сцинтилляторов в рентгеновскихдетекторах имеют активированные ионные кристаллы.

В этих кристаллах взаимодействиеатомов приводит к расщеплению энергетических уровней и образованию энергетических зон,которые могут быть заняты электронами, разделенных запрещенными зонами: полностьюзаполненная валентная зона, запрещенная зона, экситонная зона, зона проводимости.Электроны, дырки и экситоны при движении по кристаллу захватываются на дискретныеуровни запрещенной зоны в результате радиационных и безызлучательных процессов.

Времяжизни носителей на дискретных уровнях может быть большим относительно радиационныхпереходов, в этом случае захват электрона таким уровнем рассматривают как поглощениеэнергии центром тушения, где электроны теряют свою энергию нерадиационным путем.Появление этих центров связано с нарушениями кристаллической решетки и наличием атомовпримеси. Если время жизни носителей на дискретных уровнях мало по сравнению срадиационными переходами, то переход в валентную зону сопровождается излучением. Такиеэнергетические уровни – центры люминесценции – имеют энергию меньше ширинызапрещенной зоны, то есть спектр испущенных фотонов лежит вне спектра поглощениякристалла.

Чистые не активированные кристаллы не обладают сцинтилляционнымисвойствами. Центрылюминесценциисоздаются введением небольшого количестваактиваторов (0.1%). Отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощенной всцинтилляторе, называют конверсионной эффективностью сцинтиллятора. Для разных45сцинтилляторов конверсионная эффективность не превышает 0.3. Количество фотонов света,испускаемых сцинтиллятором при попадании одного рентгеновского кванта, называютсветовыходом сцинтиллятора.

Распределение во времени количества фотонов, испускаемыхсцинтиллятором, характеризуется экспоненциальным законом. Зависимость интенсивностивысвечивания от времени может иметь более сложный характер.Одним из часто используемых на практике сцинтилляторов является Gd2O2S(Tb),обладающий высокой эффективностью регистрации, однако длительное время высвечиванияограничивает скорость счета.

Для каждого частного приложения можно оптимизировать типсцинтилляторов, размер зерна и толщину слоя, что является принципиальным преимуществомвнешних рентгеновских сцинтилляторов.Оптический сигнал сцинтиллятора достигает фотоприемное устройство ППУ, какправило, выполненное либо на фотодиодах, либо на фотоэлектронном умножителе (ФЭУ).Фотоприемное устройство управляется блоком УРОИ, которое предпочтительно выполнитьна программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).Специфика рентгено-абсорбционной технологии состоит в возможности обнаруженияминералов внутри кусков руды (например – алмазов в кусках кимберлита) методомрегистрации проникающего рентгеновского излучения через породу, помещенную виммерсионную среду.