Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ДИФРАКЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Электронные детекторы рентгеновского излучения

Для регистрации рентгеновского излучения чаще всего применяют электронные детекторы, т.е. приборы, вырабатывающие электрический импульс при поглощении гамма-кванта в чувствительном объеме детектора. По принципу преобразования энергии поглощенного излучения в электрические сигналы рентгеновские детекторы с электронной регистрацией можно разделить на ионизационные, действие которых основано на ионизации вещества, и радиолюминесцентные, в том числе сцинтилляционные, использующие люминесценцию вещества под действием ионизирующего излучения. Ионизационные детекторы, в свою очередь, делятся на газонаполненные и твердотельные, в зависимости от детектирующей среды.

По виду выходных сигналов электронные детекторы, в свою очередь, разделяются на дискретные, на выходе которых образуется последовательность электрических сигналов (импульсов) от отдельных частиц, и аналоговые, на выходе которых сигналы от отдельных частиц не различаются, а регистрируется поток частиц, информация о котором получается по значению электрического тока в выходной цепи детектора. Надо сказать, что деление детекторов на аналоговые и дискретные условно, поскольку при уменьшении интенсивности облучения, т.е. с уменьшением загрузки детектора, аналоговый детектор переходит в дискретный режим.

Рентгеновские детекторы можно классифицировать еще и по геометрическому признаку регистрации излучения. В этом смысле детекторы делятся на точечные (нуль-мерные), позволяющие измерять интенсивность рентгеновских квантов в точке пространства, где расположено узкое приемное окно счетчика, и позиционно чувствительные детекторы (ПЧД), которые способны одновременно измерять интенсивность потока квантов и с высокой точностью определять пространственные координаты падения фотона на чувствительный элемент детектора (по данной классификации фотопленка является двухкоординатным ПЧД).

Качество детекторов характеризуется множеством технических параметров, из которых для пользователя наиболее существенными являются:

  • 1. Эффективность детектирования - вероятность регистрации частиц или фотонов при их попадании в рабочий объем детектора, которая определяется как отношение числа фотонов, достигших приемного окна детектора к числу фотонов, зарегистрированных прибором.
  • 2. Временное разрешение (время разрешения) - минимальный интервал времени между прохождением двух частиц через детектор, когда они регистрируются порознь, как отдельные события, т.е. когда сигналы детектора не накладываются друг на друга, и детектор может работать в режиме счета отдельных квантов.
  • 3. Мертвое время (время восстановления) - время, за которое детектор, зарегистрировавший одну частицу, успевает вернуться в исходное состояние и быть готовым для регистрации следующей частицы. Частицы, прошедшие через детектор за это время, не регистрируются, независимо от того, поглотились они или нет. Этот эффект связан с процессами релаксации и рекомбинации, происходящими внутри детектора после эффективного поглощения фотона. Время нечувствительности является мерой инерционности детектора. Оно ограничивает максимальную интенсивность излучения, которую может регистрировать детектор.
  • 4. Пропорциональность детектора. Этот параметр характеризует пропорциональность между полезным электрическим импульсом детектора и энергией фотона, который вызвал этот импульс.
  • 5. Токовая чувствительность или просто чувствительность детектора определяется как отношение элементарного приращения тока к соответствующему приращению плотности потока излучения в месте расположения детектора и имеет размерность [А/(фотон/см2/с)]. Токовая чувствительность характеризует минимальное число фотонов в единицу времени, которое может быть зарегистрировано и распознано по сравнению с собственным шумом детектора.
  • 6. Динамический диапазон детектора - характеристика, определяющая наименьшую и наибольшую интенсивность, которую может практически измерить данный детектор. Наименьшая измеряемая интенсивность определяется собственным фоном или шумом детектора. Собственный, не связанный с рентгеновским излучением, фон вызывается либо космическим излучением, попадающим в детектор, либо радиоактивным загрязнением, либо электрическими шумами в электрических цепях детектора. Максимальная интенсивность, при которой счетчик еще может работать, определяется его мертвым временем.
  • 7. Спектральная разрешающая способность (или энергетическое амплитудное разрешение детектора) определяет минимальную разницу в энергии двух фотонов, при которой детектор еще способен эту разницу различать.
  • 8. Пространственное разрешение (для координатных детекторов) - точность, с которой детектор способен локализовать положение частицы в пространстве. Данная характеристика показывает способность детектора различать соседние в пространстве сигналы, как независимые.
  • 9. Временная стабильность детектора часто бывает параметром определяющим точность рентгеноструктурного или рентгеноспектрального анализа. Требования к этому параметру, например, в рентгеноструктурном анализе довольно строги, поскольку интенсивности дифракционных рефлексов должны определяться с относительной погрешностью не более 1 %.
  • 10. Радиационная стойкость детектора является параметром, прямо влияющим на временную стабильность, поскольку радиационные повреждения постепенно снижают чувствительность детектора.

Рассмотрим теперь некоторые типы детекторов более подробно [4].

Ионизационные детекторы составляют самый обширный класс детекторов, применяемых для регистрации рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи и гамма-кванты не могут ионизировать молекулы и атомы непосредственно, поскольку не обладают электрическим зарядом, но они вызывают ионизацию вещества через вторичные процессы, такие как фотоэффект, комптон-эффект и образование электрон-позитрон- ных пар.

Ионизационные детекторы, в свою очередь, разделяются на газонаполненные ионизационные детекторы и полупроводниковые детекторы.

Основными типами газонаполненных детекторов являя- ются ионизационные камеры, счетчики Гейгера (счетчики Гейгера-Мюллера) и пропорциональные газоразрядные счетчики.

Полупроводниковые детекторы (ППД) по принципу преобразования ионизирующего излучения в регистрируемый электрический аналог относятся к группе твердотельных ионизационных камер.

ППД разделяются на детекторы проводящего типа, на детекторы с электронно-дырочными переходами и на детекторы на рт-диодах.

Сцинтилляционные счетчики относятся к группе радио- люминисцентных детекторов, действие которых основано на преобразовании энергии поглощенного рентгеновского кванта в световые вспышки, которые далее могут конвертироваться в электрические сигналы.

Электронные координатные (или позиционно чувствии- тельные) детекторы рентгеновских лучей представляют собой измерительные приборы, использующие теже самые принципы измерения интенсивности, что и рассмотренные выше точечные детекторы, и, в этом смысле, обладающие теми же характеристиками, но дополнительно снабженные устройствами для определения пространственных координат регистрируемых квантов. Позиционно-чувствительные детекторы можно разделить на одномерные или линейные, в которых определяется координата попадания фотона на линию приемного окна детектора (которая может быть как прямой, так и изогнутой), и двумерные детекторы, определяющие координаты регистрируемой частицы на поверхности, которая, опятьже, не обязательно должна быть плоской. Подобно рассмотренным точечным детекторам, ПЧД могут быть как счетчиками, работающими в режиме прямого счета квантов, так и интегрирующими аналоговыми детекторами, в которых электрический сигнал является функцией скорости потока регистрируемых фотонов. Достоинством электронных ПЧД, как и электронных точечных детекторов, является то, что их электрические сигналы прямо в процессе измерения могут непрерывно оцифровываться и обрабатываться компьютером. Дополнительной технической характеристикой ПЧД, по сравнению с точечными детекторами, является пространственное разрешение, т.е. точность, с которой в нем могут определяться координаты регистрируемого кванта.

В последние годы удалось получить сочетание достоинств рентгеновской пленки, как почти идеального двухкоординатного детектора, с главным преимуществом электронных детекторов: мгновенное отражение и цифровой вывод информации об интенсивности измеряемого излучения, объединив все это в одном пространственном позиционночувствительном устройстве, называемом телевизионным детектором. Этим названием детектор обязан тому, что одним из основных его рабочих элементов является фоточувстви- тельный приемник телевизионной камеры, которым может быть либо видикон, либо ПЗС-матрица (видикон - это электровакуумная передающая телевизионная трубка, в которой для преобразования оптического изображения в последовательность электрических сигналов используется внутренний фотоэффект). Поскольку телевизионные камеры прекрасно работают в видимой области света, но их чувствительность к рентгеновским лучам очень мала, то в телевизионных рентгеновских детекторах первым чувствительным элементом служит люминесцентный экран, преобразующий рентгеновские фотоны в видимый свет, который далее регистрируется фотоприемником видеокамеры.

Для названия детекторов данного типа сегодня используются два термина: телевизионный детектор и СС?>-детек- тор. Появление этих названий связано с тем, что в начале разработки двумерных рентгеновских детекторов этого типа в качестве устройства, регистрирующего изображение с люминесцентного экрана использовались электронно-оптические преобразователи (ЭОП) обычных телевизионных камер, проводящих растровое сканирование оптической картинки и выдающей ее в аналоговом виде в форме электрического сигнала. Такие детекторы стали производиться промышленно в начале 1980-х годов. В это же время появились полупроводниковые ПЗС-матрицы (ПЗС - “прибор с зарядовой связью”, англоязычный эквивалент: CCD - “coupled charge device”). Они были способны выполнять теже самые функции, что и ЭОПы. Преимущество же ПЗС-матриц по сравнению с ЭОПами состоит в существенно меньшем размере детектора и цифровой регистрации сигнала. Двумерные рентгеновские детекторы, изготавливавшиеся с ПЗС-мат- рицей вместо ЭОПа, стали называть CCD-детекторами. Разница между телевизионным детектором и CCD-детекто- ром есть в способе регистрации изображения. Детектор с ЭОПом сканирует изображение на люминесцентном экране последовательно растрами и выдает его в форме аналогового сигнала, который затем может быть оцифрован для записи на какой-либо носитель информации. CCD-детектор может считывать изображение сразу параллельно на все пиксели матрицы, и информация накапливается в виде зарядов, которые далее считываются с матрицы на носитель.

Основными недостатками телевизионных детекторов являются резкий рост цены при попытке увеличения площади активного приемного окна, ошибки регулярности упаковки волокон при изготовлении оптоволоконного световода или обрыв отдельных волокон могут создавать искажение реальной дифракционной картины (эти погрешности выявляются в процессе производственного контроля и корректируются математически). Наконец, с помощью технологии телевизионных детекторов очень трудно сделать изогнутый детектор, сфокусированный на образец. Поэтому, телевизионным детекторам свойственны все недостатки, связанные с геометрическими аберрациями и дефокусировками, возникающими при использовании плоских детекторов. Также, ПЗС-детекторы являются интегрирующими детекторами и не обладают энергетическим разрешением.

Перечисленные выше недостатки ПЗС-детекторов явились стимулом поиска альтернативного варианта двухкоординатного детектора, который не имел бы этих недостатков, но сохранял бы все достоинства ПЗС-детектора. Таким образом, вместе с разработкой рш-диодных детекторов родилась идея создания на их основе координатных детекторов. Рядом лабораторий в 1990-х годах стали проводиться исследования по созданию таких детекторов, в результате которых к началу 21-го века были созданы и испытаны первые образцы рентгеновских детекторов на матрицах из кремниевых р/и-диодов.

Большинство недостатков телевизионных детекторов устраняется в другом типе радиолюминесцентных детекторов, которые получили широкое распространение в рентгеновской дифрактометрии в последние десятилетия - детекторах на основе рентгеночувствительных пластин с оптической памятью (“imaging plates”) - /Р-детекторах. IP является рентгеночувствительной пленкой, которая после экспонирования и считывания может восстанавливаться и использоваться повторно. Изготавливается она из мелкокристаллического порошка специального люминофора, который в органической связке наносится слоем 25 - 50 мкм на гибкую полимерную подложку толщиной около 250 мкм. При засвечивании рентгеновскими лучами в слое люминофора записывается скрытое изображение рентгеновской картины, которое может быть затем прочитано путем сканирования лучом лазера, вызывающего фотостимулированную люминесценцию центров, составляющих это изображение. Возникающие при сканировании фотоны люминесценции регистрируются и усиливаются специальным фотоумножителем и полученный электронный сигнал вместе с координатами точки записывается в файл данных для последующей обработки или визуализации рентгеновской картины. После считывания пластины изображение с нее можно стереть, например, облучением ультрафиолетовым светом, и пластина становится снова пригодной к регистрации.

Основным недостатком /Р-детсктора по сравнению с большинством детекторов с электронной регистрацией является отсутствие энергетического разрешения.

Более подробно с упомянутыми типами детекторов и их способами применения можно ознакомиться в [4].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>