Optymalizacja konstrukcji rodziny detektorów SMOC

KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2013”
26 - 28 sierpnia 2013 r.
Optymalizacja konstrukcji rodziny detektorów SMOC
Wojciech Dziewiecki, Michał Matusiak, Sławomir Wronka
Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Niniejszy artykuł przybliża niektóre procesy optymalizacji konstrukcji rodziny detektorów
SMOC dokonany w latach 2012 – 2013 w Narodowym Centrum Badań Jądrowych.
Wstęp
W latach 2010-2012 opracowany został w NCBJ dedykowany detektor do zastosowań
w radiografii przemysłowej w szerokim zakresie energii od 40 keV do 15 MeV.
Zastosowano w nim klasyczne rozwiązanie: scyntylator jako przetwornik
promieniowania X na światło widzialne oraz lustro przekazujące obraz poprzez układy
optyczne do kamery znajdującej się poza obszarem promieniowania. Kamera przesyła dane
do komputera PC, a użytkownik wspomagany jest odpowiednim oprogramowaniem
obrazującym. To klasyczne rozwiązanie może wydawać się przestarzałe technologicznie,
szczególnie w erze dominacji na rynku detektorów elektronicznych DR urządzeń typu „flat
panel”, np. matryc a:Si. Jednak zastosowane rozwiązania techniczne oraz metody
obliczeniowe z obszaru fizyki wysokich energii doprowadziły do uzyskania jakości obrazów
nie ustępujących detektorom o znacznie bardziej zaawansowanych technologiach, a dające
znacznie więcej możliwości aniżeli klasyczne błony RT.
Optymalizacja budowy detektora
Po uzyskaniu dobrej jakości obrazów prowadzono szereg prac związanych z
optymalizacją budowy detektora. Jednym z istotnym aspektów jest minimalizacja
promieniowania rozproszonego docierającego do przetwornika promieniowania od strony
przeciwnej do obiektu. Promieniowanie to powoduje „podświecanie” scyntylatora od tyłu,
przez co zmniejsza kontrast obrazu i stosunek sygnału do szumu S/N,a jego ilość zaś jest
ściśle związana z konstrukcją samego detektora.
Przebadano w szczególności wpływ grubości lustra na ilość promieniowania rozproszonego.
Okazało się, że przy nieumiejętnym zaprojektowaniu układu optycznego ilość
promieniowania rozproszonego docierającego do przetwornika promieniowania może być
znacząca.
Na poniższym wykresie (Rys. 1) przedstawiono ilość promieniowania rozproszonego
w funkcji grubości lustra szklanego.
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2013”
26 - 28 sierpnia 2013 r.
Uzyskane wyniki jednoznacznie wskazują na konieczność zastosowanie możliwie cienkiego
lustra.
0,45
0,4
k * Npad / N ref
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Rosnąca grubość lustra →
Rys. 1 Stosunek ilości promieniowania padającego do odbitego w funkcji grubości lustra.
Poniższy rysunek (Rys. 2) przedstawia w postaci jakościowej wynik symulacji rozkładu
promieniowania X padającego na obudowę detektora i scyntylator (w pozycji Z=0) oraz
umieszczone pod kątem lustro.
Rys. 2 Rozkład promieniowania padającego na detektor [1].
Drugim istotnym czynnikiem jest grubość i rodzaj materiału zastosowanego jako
obudowa urządzenia. Zadaniem obudowy jest stłumienie promieniowania odbitego od
powierzchni za detektorem (ściana lub stół) powracającego w stronę scyntylatora.
Jednocześnie sama obudowa nie powinna generować rozproszeń wstecznych. Zastosowanie
samego materiału wysoko-tłumiącego (np. ołów) nie wystarcza ze względu na to, że na
skutek naświetlania ołowiu promieniowaniem o energii ponad 100kV ołów staje się emiterem
promieniowania charakterystycznego (linie 75 keV, 73 keV, 85 keV [2]). W efekcie
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2013”
26 - 28 sierpnia 2013 r.
promieniowanie wsteczne zostaje osłabione, ale scyntylator doświetlany jest od tyłu
generowanym promieniowaniem charakterystycznym od osłony.
Należało, zatem zastosować obudowę o charakterze wielowarstwowym, w której zewnętrzną
warstwą jest ołów (Pb), natomiast wewnętrzna pochłaniałaby promieniowanie
charakterystyczne o energiach 70 – 80 keV.
Wykres przedstawiony na Rys. 3 przedstawia fragment widma promieniowania X
docierającego do scyntylatora dla różnych materiałów zastosowanych w obudowie
urządzenia.
Uwidocznione silne sygnatury promieniowania charakterystycznego pochodzącego od ołowiu
(pomiędzy 0,07 a 0,09 MeV) zostały stłumione dla wybranego do zastosowania w urządzeniu
zestawu, dla którego uzyskane widmo przedstawiono linią przerywaną.
3,00E+03
3,00E+02
N
3,00E+01
3,00E+00
0,03
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
3,00E-01
3,00E-02
E [MeV]
Rys. 3 Fragment widma promieniowania X docierającego do scyntylatora
dla różnych rodzajów obudowy detektora.
Podsumowanie
Opracowany w NCBJ, dostępny komercyjnie od 2013r. detektor radiograficzny
SMOC podlega ciągłemu udoskonalaniu. W artykule przybliżono wybrane aspekty
optymalizacji budowy urządzenia. Obecnie trwają testy zgodności z nową normą DIN EN
ISO 17636-2. Uzyskane wyniki stosunku sygnału do szumu S/N wynoszą ~130. Detektor
prezentowany na konferencji KKBR 2013 przedstawiony jest na Rys.4.
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2013”
26 - 28 sierpnia 2013 r.
Rys. 4 Detektor prezentowany na konferencji KKBR 2013
Bibliografia
[1] A. Wasilewski, materiały wewnętrzne NCBJ
[2] http://www.med.harvard.edu/jpnm/physics/refs/xrayemis.html, pobrano 07.2013