Конструкция реакторной установки БРЕСТ-1200 Химические аккумуляторы Реакторы на быстрых нейтронах Нанопористые материалы Космические материалы атомной отрасли Машиностроение для энергетики Радиологические лечебные технологии

Экологические проблемы энергетики

Разработка систем цифровой регистрации рентгенографических изображений с использованием арсенид - галлиевых полупроводниковых детекторов

В настоящее время в различных областях науки и техники, в медицине широко используются системы цифровой диагностики. При этом на смену фотопленке и другим носителям изображения приходят компьютерные цифровые системы. Успех в их создании в значительной степени определяться прогрессом в развитии твердотельных координатных детекторов, пригодных для регистрации рентгеновских лучей и гамма квантов от радиоактивных изотопов, например, используемых в медицине. Традиционно применяемые в экспериментах по физике частиц детекторы из чистого германия и кремния малопригодны для этих целей. Германий, из-за малой ширины запрещенной зоны, может быть использован только при криогенных температурах, а кремний имеет слишком малую эффективность регистрации фотонов в используемом для медицины и технике диапазоне энергий.

Среди всех полупроводниковых материалов, наиболее подходит для этих целей арсенид галлия (GaAs), как материал имеющий, с одной стороны, малую длину поглощения фотонов и большую ширину запрещенной зоны, а с другой стороны, имеющий хорошо развитую в России технологию промышленного производства. Однако длительное время на арсениде галлия не удавалось получить детекторные структуры с толщиной чувствительной области, достаточной для использования в цифровой диагностике.

Сотрудничеством трех российских институтов: Институтом физики высоких энергий (г. Протвино), Сибирским физико-техническим институтом (г. Томск) и НИИ Полупроводниковых приборов (г. Томск) - в течение нескольких лет, в том числе и в рамках Проекта МНТЦ 1107-99, был разработан новый GaAs детекторный материал на базе использования уникальной технологии легирования полуизолирующего арсенида галлия атомами хрома. Созданные на этом материале детекторные структуры имеют толщину чувствительной области около 1мм, что в значительной степени удовлетворяет требованиям диагностики. Материал не имеет мировых аналогов. Применение этого материала, например, в медицинских диагностических системах, как показали исследования российских и зарубежных ученых, позволит в десятки раз понизить дозу облучения пациентов в большинстве рентгенографических систем, получить контрастность изображения и пространственное разрешение, ранее по техническим причинам не достижимые, и тем самым повысить качество диагностики. В настоящее время в России имеется промышленная база (ОАО НИИПП, г. Томск) изготовления детекторов частиц на арсениде галлия, которые есть бескорпусные интегральные микросхемы с размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Однако для того, чтобы эти детекторы можно было применить в диагностических установках их нужно подсоединить к электронике считывания - изготовить детектирующую систему, в состав которой входят: детекторы, электроника считывания, система теплоотвода и термостабилизации. Кроме того, требуется оснастить детектирующую систему электроникой связи с компьютером, на котором производится накопление данных и их последующая обработка и разработать соответствующее программное обеспечение. В состав системы может входить до несколько десятков тысяч регистрирующих каналов. Опыт работы с такими объемами информации накоплен в ГНЦ ИФВЭ, в экспериментах по физике высоких энергий.

Изготовление детектирующей системы представляет собой сложную технологическую задачу, которая требует наличия соответствующего оборудования, помещений и подготовленного персонала. Все соединения выполняются ультразвуковой микросваркой и термокомпрессией проводниками толщиной 20-30 микрон и длиной 1-2 мм. Т.к. размеры детектирующих элементов на интегральной микросхеме детектора 50-100 микрон, то все соединения выполняются с точностью не хуже 5-10микрон. Изготовители рентгенографической аппаратуры до настоящего времени не имели соответствующей базы и опыта для выполнения такого рода работ. В настоящее время в ГНЦ ИФВЭ в рамках программы диверсификации производства создаётся производственный участок в составе Лаборатории детектирующих систем, с помещениями соответствующего класса, для работы с открытыми полупроводниковыми кристаллами, и необходимым оборудованием. Закупленный к настоящему времени набор оборудования позволил приступить к разработке цифровых диагностических систем.

Детектирующие системы с использованием полупроводниковых детекторов на арсениде галлия могут быть применены в очень широком круге диагностических систем. Приведём некоторые из них.

Одной из первых была разработана детектирующая система для цифровой рентгенографической установки на источнике тормозного излучения - бетатроне МБ-6 для Томского политехнического университета (ТПУ). Особенностью этой системы была необходимость работы в импульсном режиме. В связи с современными тенденциями развития источников рентгеновского излучения в направлении получения больших энергий и плотностей излучения, оказались востребованными малогабаритные импульсные бетатроны. Наиболее подходящими моделями являются бетатроны на энергию от 3 до 15 МэВ. Эти аппараты имеют высокую плотность потока, энергия квантов излучения зависит от конструкции установки и типа мишени, поэтому фиксирована. Одним из самых главных преимуществ бетатрона является продолжительность генерации излучения, и срок службы установки, который измеряется десятками лет. Однако пульсирующий характер и нестабильность плотности потока излучения, требуют дополнительных доработок, как самих аппаратов, так и систем регистрации и обработки данных. Эти задачи сейчас решаются на созданной в ТПУ системе.

Другим направлением является создание детектирующих систем для медицинского рентгеновского компьютерного томографа (РКТ), разработанного в РФЯЦ ВНИИТФ. Используемая сейчас в составе РКТ детектирующая система на основе газовых ионизационных камер имеет ряд недостатков, главный из которых – это высокая дозовая нагрузка на пациента. Кроме того, ионизационные камеры не позволяют далее улучшать пространственное разрешение аппарата. Разрабатываемая сейчас в ГНЦ ИФВЭ детектирующая система с GaAs детекторами лишена этих недостатков (доза облучения уменьшается в несколько раз) и имеется перспектива дальнейшего улучшения параметров РКТ.

В ГНЦ ИФВЭ разрабатываются детектирующие системы сканирующего типа для дефектоскопии сварных соединений. В этих системах цифровой рентгенографии используются детекторы прямого преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал, изготавливаемые на компенсированном хромом GaAs материале резистивного типа. Детекторы имеют высокую эффективность регистрации квантов рентгеновского излучения (близкую к 100% для используемых в дефектоскопии энергий рентгеновского излучения) из-за атомного номера и плотности материала. Кроме того, GaAs детекторы обладают более высокой радиационной стойкостью, по сравнению с газонаполненными приборами и кремниевыми фотодиодами. Характерной особенностью GaAs детекторов резистивного типа является линейная зависимость тока детектора от напряжения, подаваемого на детектор. Такая линейная зависимость позволяет корректировать характеристики детекторов в процессе эксплуатации электронным способом. В состав системы регистрации рентгеновского изображения входит линейка детекторов, которая перемещается по полю изображения объекта в рентгеновских лучах. Сканирующая линейка детекторов набирается из микрополосковых сборок. В состав каждой сборки входит микрополосковый детектор с 128 чувствительными элементами (полосками), две микросхемы по 64 канала каждая и плата сопряжения микросхем и детекторов. Микрополосковая сборка, АЦП с памятью образуют отдельный автономный модуль системы, с помощью которых можно набирать необходимый размер сканируемого кадра. Отличительными особенностями разрабатываемых систем для анализа сварных соединений являются:

низкая дозовая нагрузка на окружающую среду и персонал;

получение цифрового изображения с высоким разрешением и стабильностью в реальном времени;

возможность контроля движущихся объектов;

отсутствие расходных химических реагентов;

стоимость одного снимка и эксплуатационные расходы существенно ниже по сравнению со съемкой на рентгеновскую плёнку либо на запоминающую пластину;

аналогичные системы прямого преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал на рынке отсутствуют.

Детектирующие системы с GaAs детекторами могут быть широко использованы для создания цифровых аппаратов медицинской техники. Так, детектирующие системы могут применяться в рентгенодиагностике, например, для распознавания туберкулеза легких и раковых опухолей на ранней стадии развития этих болезней, когда еще возможно в полной мере их успешное лечение медикаментозными методами. В настоящее время изготовление такой рентгенодиагностической аппаратуры становится технически осуществимым благодаря тому, что достигается предельно возможная – квантовая чувствительность и одновременно высокое пространственное разрешение многоканального детектора рентгеновского излучения при хорошем соотношении сигнал/шум. При этом автоматически решается проблема лучевой нагрузки, неизбежно воздействующей на организм человека при рентгенодиагностике. Проблема создания радиационно-стойких детектирующих систем рентгеновского излучения, обладающих хорошим пространственным разрешением (200 микрон и менее) и обеспечивающих минимальную лучевую нагрузку на организм человека, является актуальной и до настоящего времени технически не реализованной. Минимально возможной является такая доза облучения, при которой все кванты рентгеновского излучения, прошедшие через тело человека регистрируются детектором рентгеновского излучения и используются в диагностике. В этом случае появляется возможность оптимизации первоначального потока излучения по энергии и интенсивности для получения наиболее информативного результата.

В России производится очень небольшое количество цифровых рентгеновских аппаратов сканирующего типа. В этих аппаратах используется многоканальный детектор представляющий собой либо линейку газонаполненных ионизационных камер высокого давления, либо линейку фотодиодов, которая регистрируют свет от находящегося в непосредственной близости от них слоя люминофора или сцинтиллятора. Эти аппараты обладают следующими предельными возможностями: пространственное разрешение – не выше 2,5-х пар линий на миллиметр, и суммарная эффективность регистрации излучения – несколько процентов.

Предлагаемая ГНЦ ИФВЭ к производству продукция медицинской техники является принципиально новой как для России, так и за рубежом. Основной особенностью GaAs детекторов является сравнительно небольшая длина поглощения излучения в материале за счет его значительной плотности и большего атомного номера. Например, при толщине GaAs чувствительных ячеек в два миллиметра обеспечивается детектирование практически всех квантов рентгеновского излучения с энергией до 120 кэВ. Что касается наиболее широко используемых в настоящее время люминесцентных и сцинтилляционных детектирующих систем, в том числе и сканирующего типа, то они не являются конкурентами GaAs детекторам, так как в десятки раз уступают им по эффективности регистрации квантов рентгеновского излучения, и, следовательно, во столько же раз – по величине лучевой нагрузки, воздействующей на организм человека. Кроме того, эти системы значительно уступают полупроводниковым детекторам в части пространственного разрешения из-за рассеяния света в материале конвертора квантов рентгеновского излучения. И все эти системы уступают системам на GaAs по срокам эксплуатации, из-за их радиационной стойкости.

ГНЦ ИФВЭ предлагает к производству медицинский цифровой передвижной рентгенографический аппарат для использования при проведении любых травматологических и ортопедических манипуляций как в стационарных условиях операционного отделения, манипуляционных, перевязочных, так и в полевых отделениях неотложной помощи. Отличительные черты этого аппарата:

- высокая степень мобильности - аппарат в собранном виде может легко передвигаться и размещаться в ограниченном пространстве вследствие своих небольших габаритов и небольшого веса;

- сборно-разборная конструкция позволяет легко и быстро компоновать аппарат (из) в двух малогабаритных чемоданах одному человеку без специальной подготовки (кейсовый вариант компоновки аппарата);

- более высокое качество цифровых изображений по сравнению с известными малогабаритными аппаратами, так и стационарных ЭОПов;

- среднечастотный источник рентгеновского излучения, что позволяет значительно понизить помехи от питающей сети;

- низкий уровень рассеянного излучения (на кожухе излучателя- до 10% от безопасного уровня, установленного нормами МЭК-407) позволяет окружающему персоналу на расстоянии 2 метров от включенного аппарата работать без индивидуальной защиты;

- малые габаритные размеры приемного устройства дают возможность проведения исследований без перемещения пациента на любом перевязочном столе или кровати, подводя приемное устройство под тело пациента;

- пониженный в 20-30 раз уровень дозовой нагрузки на пациента и оперирующего хирурга- оператора;

- возможность проведения стерилизации приемо-передающего устройства.

Кроме того, ГНЦ ИФВЭ планирует организовать у себя производство базового элемента цифрового флюорографического аппарата сканирующего типа – линейку арсенид-галлиевых детекторов и обеспечить ими производителей рентгеновской аппаратуры. В настоящий момент в России имеется несколько таких производителей. Следует отметить, что в случае сканирующих линеек ИФВЭ, пространственное разрешение может быть легко поднято, до 4-5 пар линий на миллиметр. Кроме того, поскольку арсенид-галлиевые детекторы обеспечивают эффективность регистрации рентгеновского излучения в рассматриваемом диапазоне энергий близкую к 100%, то доза облучения пациентов в случае использования GaAs сканирующих линеек является фактически близкой к предельной для аппаратов данного типа. Имеется еще некоторый резерв ее понижения за счет уменьшения шумов электроники, электрических наводок и уменьшения флуктуаций рентгеновского пучка. Для остальных линеек этот предел принципиально не достижим. По пороговому контрасту изображения линейки ИФВЭ превосходят остальные приборы. Дальнейшее улучшение этого параметра возможно в значительной степени за счет улучшения характеристик источника рентгеновского излучения (монохроматичности, стабильности) и реализации некоторых других схемотехнических решений (например, двух энергетических линеек). Немаловажным параметром является также радиационная стойкость детектирующих систем рентгеновских аппаратов, которая определяет их сроки эксплуатации. Проведенные измерения радиационной стойкости арсенид-галлиевых детекторов показали, что доза в 100 Мрад в гамма лучах не является для них предельной. Сцинтилляторы и флюоресцирующие экраны обладают значительно более низкой радиационной стойкостью, что отражается на характеристиках флюорографических аппаратов при длительном их использовании. Следует также отметить, что линейки ИФВЭ в настоящее время создаются на базе выпускаемой отечественной интегрирующей электроники. Однако существует принципиальная возможность создания линеек с единичным счетом квантов излучения. В этом случае появляется возможность разделить кванты рентгеновского излучения по энергии и получить новое качество медицинской диагностики. А также получить возможность улучшения характеристик детектирующей системы до физического предела, задаваемого в этом случае статистическими флуктуациями рентгеновского пучка и уровнем дискриминации входных импульсов. В остальных линейках такой подход принципиально не возможен.

В данной статье не предполагалось отразить все возможные направления использования детектирующих систем с GaAs детекторами, которые позволят получить новое качество диагностики либо приборов контроля. Мы готовы к обсуждению любых предложений в этой области с целью их практической реализации.


Обзор зарубежного опыта строительства АЭС