Оценка степени ухудшения отношения сигнал/шум монокристаллическими экранами Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

1975

Том 248

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ УХУДШЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭКРАНАМИ

А. П. ШПАГИН, Г. А. КУЧЕР

(Представлена научным семинаром НИИ электронной интроскопии)

Приводятся результаты оценки ухудшения отношения сигнал/шум монокристаллическими экранами толщиной 0,5 мм.

В работе [I] нами были рассчитаны энергетические эффективности нескольких монокристаллических экранов в диапазоне энергий 10 Кэв + 10 Мэв.

На рис. 1 приведены значения энергетической эффективности фе(£), для различных монокристаллических экранов. По рисунку видно, что лучшим по энергетической эффективности является экран из сернисто-

10'

<о

£

104

Ю'

ю"

2 "гг-т:^ 4 V

6 ш -Г

10

'2

10

101

10* Е.МэВ

Рис. I. Энергетические эффективности монокристаллических экранов толщиной 0,5 см: I—Сс15, 2 —■ ХпБ, 3 — ЫаЛ (XI), 4 — СэЛ (XI), 5 — С(Шо4, 6 — Са\Уо4

го цинка за ним следуют экраны из сернистого кадмия СёБ и

вольфрамата кадмия СсГ\\Ю4.

Далеко не всегда энергетическая эффективность является решающей при оценке качества экранов. Иногда экраны следует сравнивать по степени ухудшения отношения сигнал/шум.

Так, например, в экранах, имеющих практическое значение, при поглощении одного гамма-кванта с энергией, большей килоэлектронвольт, излучается большое число фотонов, поэтому отношение сигнал/шум на выходе интроскопа при достаточно эффективной оптике будет определяться только отношением сигнал/шум на выходе экрана. Этот же эффект может быть получен при повышении энергии излучения даже при обычной оптике. Поэтому в таких случаях выбирать экраны необходимо, исходя из того, чтобы они по возможности меньше изменяли отношение сигнал/шум.

Изменение отношения сигнал/шум в экране можно характеризовать формулой

где П (Е) —средняя энергия, поглощаемая в преобразователе при нормальном падении на его поверхность кванта излучения с энергией Е, Па (Е) —дисперсия этой энергии.

Точный расчет функций П (Е) и Пд (Е) в настоящее время не представляется возможным, но с достаточной для практического применения точностью эти функции можно вычислить приближенно, учитывая, что применяемые экраны имеют малую толщину. В данной статье функции П (Е) и ПА (Е) были рассчитаны с точностью второго столкновения с учетом вклада аннигиляционных квантов по формулам [2]:

п (Е) = П1 (£) + п2 (£) -г па (Е) Ил (Е) - П1Д (Е) + И2А (Е) + Пвд (£),

где

П, (Е) - —— (хЕ + оЕа + *Ях) {1 — ехр [— ^ (Е) х0]} =

= Т(Е){\-ехр[-\ь(Е)х0]} это функция П (Е) с точностью первого столкновения, здесь

Т (Е) — средняя энергия, передаваемая электрону при одном столкновении;

т,*, а — линейные коэффициенты ослабления за счет фотоэффекта, образования пар, комптонэффекта соответственно; |1 — суммарный линейный коэффициент;

Е х =Е—2тс2 — энергия, оставленная квантами, поглощенными в преобразователе посредством образования пар; тс2 — энергия »покоящегося электрона; х0 — толщина экрана.

- тсгт,г1 н —-

ае

} £т 6

1 1,1

2£т+ 1 2(2 Ет+ I)2 3(2£т+ I)3

Еа —энергия, передаваемая электрону отдачи, в среднем при одном комптоновском столкновении;

ое — сечение комптоновского рассеяния на одном электроне; Е

Ет =--энергия кванта в единицах тс2.

т тс1 к

Аналогично

- "Т^Г (т£3 + + {1 — ехр [—(Е) х0]} = = Гд (Е) {1 —ехр [— ¡а (Е) *0]},

где

Л =

(trie2)2 isrg

1,16(6)

2(2 + £т)

ln(2£T + 1) + 6,6 (6) +

0,5

11

1

1+2Ят (1 + 2£7)2 24(1+2£т)8 8(1+ 2£т)4 )

дисперсия энергии, передаваемой электрону отдачи при комптоновском рассеянии квантов с энергией Е.

Энергия, оставляемая квантами после второго столкновения, рассчитывалась по формуле

Е

П 2(Е)= ^Т(£){1 -ехр[-ц (£)*„]}& +

" do

1 — Т (Е) —-de (Ч<0

cos 9

X ехо

Е"

+

cos О

Г iE)

1—ехр ^т(Е)-[—

de (e)/cOS 8 — u. (E)

-exp [—{»(Я) *o]}de +

COS

dB,

где

в — энергия кванта, претерпевшего одно столкновение; Е" и Ег — энергии квантов, рассеянных соответственно на 90( и 180°:

£„ _ mc2E р _ тс2Е

тс2 + Е г тс2 + 2 Е Вклад аннигиляционных квантов учитывался по формуле

2* (Е) Т+

Па (£) =

{1-ехр [-¡Ч£) *о]}-

-х(£) тс*Т+ ! Г exp(-^x0/cose)-exp [-Kg)^J л

[¡A+/cose — |»(£)]

Г 1-ехр {xQfc(f)^+/cos8]} J J e2[ii+/cos9-n(£)]

E.

где

Т+ = Т (0,511), ^+ = ^(0,511).

Формулы, учитывающие вклад второго столкновения и аннигиляционных квантов, для Пд (Е), аналогичны ГЬ (£) и Па (Е), только вместо Т (Е) надо поставить Гд (Е) и Т+ (0,511).

На рис. 2 приведены функции <рф (£) для всех исследуемых экранов. Как видно из рис. 2, наилучшим экраном с точки зрения получения максимального отношения сигнал/шум во всем исследуемом диапазоне энергией (0,01 Мэв до 30 Мэв) является экран из вольфрамата кадмия CdW04, а вторым — вольфрамат кальция CaW04.

Экраны, лучшие по энергетической эффективности ZnS, CdS, по отношению сигнал/шум оказываются наоборот наихудшими. Третьим по отношению сигнал/шум будет CsI(Tl), a Nal(Tl) в области низких энергий совпадает с CdS, в области средних энергий иодистый натрий хуже всех по отношению сигнал/шум, при энергии выше 10 Мэв он поднимается чуть выше ZnS.

1.2

<t>> 1.0

0.8

0.6

0

аг

0

V\ i' л ---------

V 4 \

\ \ \ , \\\ ' Ч \

I i i i 1 1 _ / i

ю

Е.Пэ$

Рис. 2. Изменение отношения сигнал/шум монокристаллическими экранами толщиной 0,5 см: 1 — CdS, 2—ZnS, 3 — NaJ(Tl), 4 —CsJ(Tl), 5 — CdW04, 6 —CaW04

Так как лучшие по энергетической эффективности экраны являются худшими по отношению сигнал/шум, то можно сделать вывод о том, что в интроскопах с малыми оптическими потерями, т. е. когда число световых квантов, попадающих на фотокатод, при поглощении одного кванта излучения много больше единицы, например, при использовании в качестве источника излучения бетатрона или при использовании волоконной оптики, для повышения контрастной чувствительности необходимо применять именно экраны типа Са\\Ю4, СсРЛЮ4, что позволит заметно повысить чувствительность интроскопов.

Используемой методике присущи следующие погрешности: I) погрешность вычислений; 2) погрешность, обусловленная неточным знанием сечений взаимодействия; 3) погрешность при расчете функций П(-Е), Ш (£), обусловленная тем, что при расчете не учитывались третьи и все последующие столкновения; 4) погрешность при расчете П(£), П д (£"), обусловленная тем, что не учитывалась энергия, выносимая из экрана быстрыми электронами.

Общая погрешность для различных экранов не превышает 10%, но она сильно увеличивается при высоких энергиях за счет выноса электронами энергии, так, например, при энергии, равной 10 Мэв, суммарная ошибка достигает 50%.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. П. Ш п а г и и, Г. А. Кучер. Сравнение эффективности монокристаллических экранов. «Дефектоскопия», № 1. Ы2\, 1971.

21. А. П. Шпаги н, Г. А. Кучер, В. А. Мальцев. Оценка эффективности мо-н'окристалличеекаго экрана. «Изв. ГПИ», т. 156, 1968.