CN1177234C - 辐射探测器和一种用在射线照相中的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于电离辐射的探测的探测器(64)，和一种用在平面束射线照相中、包括这样一个探测器的设备。该探测器包括：一个腔室，填充有一种电离介质；第一和第二电极装置(2、1、18、19)，提供在所述腔室中，在他们之间有一个空间，所述空间包括一个转换体积(13)；用于电子雪崩放大的装置(17)，布置在所述腔室中；及至少一个读出元件装置(15)，用于探测电子雪崩。为了减小在腔室中可能火花放电的影响，第一和第二电极装置的至少一个包括由电阻层制成的基片的一个表面，该表面面对其他电极装置。

Description

辐射探测器和一种用在射线照相中的设备

本发明涉及一种用来探测电离辐射的探测器，并且涉及一种用在平面束射线照相中的设备。

上述种类的一种探测器和一种设备在共同待决PCT申请PCT/SE98/01873中描述，该申请通过参考包括在这里。上述种类的另一种探测器和设备公开在EP-A1-0 810 631中。

与固态探测器相比气体探测器的主要优点在于，他们制造便宜，并且他们能采用气体倍增强烈地(在数量级上)放大信号振幅。然而，在气体探测器中，由于在探测器中创建的强电场，火花放电能出现在探测器的气体体积中。这样的火花放电阻塞探测器一段时间，并且对于探测器和电子电路可能也是有害的。

本发明的一个主要目的在于，提供一种采用雪崩放大、用来探测电离辐射的探测器，并且限制由火花放电引起的问题。

这种和其他目的由以下一种探测器实现。

一种用于电离辐射的探测的探测器，包括：一个腔室，填充有一种电离气体，第一和第二电极装置，提供在所述腔室中，在他们之间有一个空间，所述空间包括一个转换体积，用于电子雪崩放大的装置，布置在第一与第二电极装置之间，及至少一个读出元件装置，用于探测电子雪崩，该探测器的特征在于：第一和第二电极装置的至少一个包括由电阻层制成的基片的一个表面，该表面面对其他电极装置。

本发明的一个目的还在于，提供一种包括至少一个用来探测电离辐射的探测器、采用雪崩放大、用在平面束射线照相中的设备，并且限制由火花放电引起的问题。

这种和其他目的由以下一种设备实现。

一种用在平面束射线照相中的设备，包括一个X射线源，用来形成一个基本平面X射线束的装置，定位在所述X射线与一个要成象的物体之间，该设备的特征在于，它进一步包括至少一个用于电离辐射的探测的探测器，包括：一个腔室，填充有一种电离气体，第一和第二电极装置，提供在所述腔室中，在他们之间有一个空间，所述空间包括一个转换体积，用于电子雪崩放大的装置，布置在第一与第二电极装置之间，及至少一个读出元件装置，用于探测电子雪崩，该探测器的特征在于：第一和第二电极装置的至少一个包括由电阻层制成的基片的一个表面，该表面面对其他电极装置。

图1a以整体视图示意表明一种用于平面束射线照相的设备，其中能使用根据本发明的一种探测器。

图1b以整体视图示意表明一种根据本发明一个一般实施例用于平面束射线照相的设备。

图2a是根据本发明一个第一特定实施例的一种探测器的、在图1b中的II-II处得到的示意、部分放大剖视图。

图2b是根据本发明一个第二特定实施例的一种探测器的、在图1b中的II-II处得到的示意、部分放大剖视图。

图2c是根据本发明一个第三特定实施例的一种探测器的、在图1b中的II-II处得到的示意、部分放大剖视图。

图2d示意以整体视图表明一种用于平面束射线照相的设备，包括一个根据本发明一个第四特定实施例的一种探测器。

图1a是在与一种用于平面束射线照相的设备的一个平面X射线束9的平面正交的一个平面中的剖视图，其中能使用本发明。该设备包括一个X射线源60，X射线源60与一个第一薄准直窗口61一起产生一个用于要成象的物体62的照射的平面扇形X射线束9。穿过物体62的束进入一个探测器64。可选择地，与X射线束对准的一个薄缝隙或第二准直窗口10形成用于X射线束9至探测器64的进口。在探测器64中探测入射X射线光子的主要部分，探测器64包括一个转换和漂移体积13、和用于电子雪崩放大的装置17，并且这样取向，从而X射线光子横向进入在两个电极装置1、2之间，在这两个电极装置1、2之间创建一个用于在转换和漂移体积13中的电子和离子的漂移的电场。X射线源60、第一薄准直窗口61、可选择准直窗口10及探测器64由某一装置65，例如一个机架或支撑65，彼此相对地连接和固定。用于射线照相的如此形成的设备能作为一个单元运动，以扫描要检查的物体。

在本申请中，平面X射线束是一种例如由准直器61准直的束。

探测器64包括一个是一块阴极板的第一漂移电极装置2和一个是一块阳极板的第二漂移电极装置1。他们相互平行，并且其之间的空间包括一个是转换和漂移体积13的薄气体填充间隙或区域、和一个电子雪崩放大装置17。要不然，板是不平行的。一个电压施加在阳极板与阴极板之间，并且一个或几个电压施加在电子雪崩放大装置17上。这产生一个引起间隙中的电子和离子漂移的漂移场、和在电子雪崩放大装置17中的一个电子雪崩放大场或几个电子雪崩放大场。与阳极板连接的是用于提供的电子雪崩探测的读出元件的一个装置15。最好读出元件装置15也构成阳极。要不然，读出元件装置15能形成与阴极板或电子雪崩放大装置17相连接。它也能形成在由一个介电层或基片与阳极或阴极电极分离的阳极或阴极板上。在这种情况下，阳极或阴极电极必须是半可透过的以产生脉冲，例如形成为条或垫。

如看到的那样，要探测的X射线横向入射在探测器上，并且进入在阴极板与阳极板之间的转换和漂移体积13。X射线最好在与阳极板平行的方向上进入探测器，并且可以经一个薄缝隙或准直窗口10进入探测器。以这种方式，能容易地使探测器带有一条长得足以允许入射X射线光子的主要部分相互作用和被检测的相互作用路径。在这种情况下，使用一个准直器，这最好应该这样布置，从而薄平面束进入靠近电子雪崩放大装置17和与其平行的探测器。

间隙或区域填充有一种气体，该气体能是一种例如90％氪和10％二氧化碳的混合物或一种例如90％氩和10％甲烷的混合物。该气体能处于压力下，最好在范围1-20个大气压内。因此，探测器包括一个带有一个缝隙进口窗口92的气密壳体91，穿过该窗口92X射线束9进入探测器。窗口由对于辐射可透过的材料例如Mylar或薄铝箔制成。

在操作中，入射X射线9经如果存在则靠近电子雪崩放大装置17的可选择薄缝隙或准直窗口10进入探测器，并且在与电子雪崩放大装置17平行的一个方向上穿过气体体积。每个X射线光子作为与一个气体原子相互作用的结果在气体中产生一个初级电离电子-离子对。这种产生由光电效应、康普顿效应或俄歇效应引起。产生的每个初级电子11经与新气体分子的相互作用失去其动能，引起电子-离子对(次级电离电子-离子对)的进一步产生。典型地在该过程中从一个20kev X射线光子产生在几百与几千之间的次级电离电子-离子对。次级电离电子16(与初级电离电子11一起)由于在转换和漂移体积13中的电场向电子雪崩放大装置17漂移。当电子进入强电场、或电子雪崩放大装置17的聚焦场线的区域时，他们经受雪崩放大，这在下面进一步描述。

雪崩电子和离子的运动在用于电子雪崩探测的读元件20中产生电信号。联系电子雪崩放大装置17、阴极板或阳极板、或所述位置的两个或多个的组合拾波这些信号。诸信号进一步由读出电路14放大和处理，以得到X射线光子相互作用点的准确测量、和可选择的X射线光子能量。

在上述共同待决申请(PCT/SE98/01873)中描述的探测器中，阴极板包括一个介电基片6和一个是阴极电极5的导电层。阳极包括一个介电基片3和一个是一个阳极电极4的导电层。由于联系电极板能出现的高电场强度，有火花放电出现在气体中的危险。这样的火花放电堵塞探测器一段时间，并且对于探测器和电子电路也可能是有害的。

在图1b中，表示根据本发明的一种探测器。这里阳极71包括一个由一个电阻层74携带的导电层73，并且阴极72包括一个由一个电阻层75携带的导电层76。通过这种布置，电阻层面对着漂移和转换体积或雪崩放大装置，其中强电场能出现。由此得到，在火花放电出现的情况下，减小火花放电的功率。因而能控制由此造成的影响。电阻层能形成为一个起用于导电层的载体的基片的作用，并且能由例如一氧化硅、导电玻璃或金刚石制成。火花放电大都出现在阳极71附近。因此，如果仅阳极71包括一个电阻层，并且阴极72如图1a中那样形成，就足够了。图1b中表示的探测器的其他部分与图1a的那些相同或类似。

图2a表示根据本发明一个第一特定实施例的一种探测器的、在图1b中的II-II处得到的示意、部分放大剖视图。阴极板72包括一个电阻基片75和一个导电层76，一起形成阴极电极，如描述的那样。阳极包括一个介电基片3和一个是一个阳极电极4的导电层。在间隙与阳极之间，布置一个电子雪崩放大装置17。该电子雪崩放大装置17包括一个雪崩放大阴极18和一个雪崩放大阳极19，由一个介电层24分离。这能是携带雪崩放大阴极18和雪崩放大阳极19的气体或固体基片24，如图中所示。雪崩放大阴极18和雪崩放大阳极19的两个或一个能在一个导电层的顶部提供有一个电阻层，从而电阻层的一个表面与气体接触(用虚线表示)。要不然，只有阴极72、雪崩放大阴极18或雪崩放大阳极19的一个提供有一个电阻层，最好是只有雪崩放大阳极19(或阳极71)。如看到的那样，阳极电极4和雪崩放大阳极19由相同导电元件形成。借助于用来在一个雪崩放大区域25中创建一个非常强的电场的一个直流电源7，在雪崩放大阴极18与雪崩放大阳极19之间，施加一个电压。雪崩放大区域25形成在彼此面对着的雪崩放大阴极18的边缘之间和其周围的一个区域中，其中由于施加的电压将出现一个集中电场。直流电源7也与阴极72相连接。选择施加的电压，从而在间隙上创建一个较弱的电场、漂移场。在转换和漂移体积13中通过相互作用释放的电子(初级和次级电子)，由于漂移场将向雪崩放大装置17漂移。他们将进入非常强的雪崩放大场并且被加速。加速的电子11、16将与雪崩放大区域25中的其他气体原子相互作用，引起另外的电子-离子对产生。这些产生的电子也将在场中被加速，并且与新的气体原子相互作用，引起另外的电子-离子对产生。该过程在电子在雪崩区域中向雪崩放大阳极19的行进期间继续，并且形成一种电子雪崩。在离开雪崩区域之后，电子将向雪崩放大阳极19漂移。如果电场足够强，则电子雪崩可能继续到雪崩放大阳极19。

雪崩放大区域25由在雪崩放大阴极18和如果存在的介电基片24中的一个开口或通道形成。开口或通道从上方看能是圆形的，或者在如果存在的基片24的两个边缘与雪崩放大阴极18之间连续纵向延伸。在当从上方看时开口或通道是圆形的情况下，他们并排布置，每一行开口或通道包括多个圆形开口或通道。多个纵向开口或通道或圆形通道行彼此相近地、彼此平行或与入射X射线平行地形成。要不然，能以其他图案布置圆形开口或通道。

阳极电极4、雪崩放大阳极19也以联系形成雪崩放大区域25的开口或通道提供的带条的形式形成读出元件20。对于每个开口或通道或者开口或通道行布置一个带条。诸带条沿其长度能划分成段，其中为每个圆形开口或通道或者为多个开口或通道能以垫的形式提供一段。带条和段，如果存在的话，则彼此电气绝缘。每个检测器电极元件，即带条或段，最好独立地连接到处理电子电路14上。要不然，读出元件能布置在基片的后侧上(相对阳极电极4、雪崩放大阳极19侧)。在这种情况下，阳极电极4、雪崩放大阳极19必须是半可透过的以产生脉冲，例如以带条或垫的形式。联系下面的图3和4，表示读出元件的不同可能布置15。

作为一个例子，纵向通道能具有在范围0.01-1mm内的宽度，圆形通道能具有在范围0.01-1mm内的圆直径，及介电层24(在雪崩放大阴极18与雪崩放大阳极19之间的隔离层)的厚度在范围0.01-1mm内。

图2b是根据本发明一个第二特定实施例的一种探测器的、在图1b中的II-II处得到的示意、部分放大剖视图。该实施例与根据图2a的实施例的不同之外在于：阳极电极4和雪崩放大阳极19由不同的导电元件形成，由一个能是固体或气体的介电层隔开；并且开口或通道也形成在雪崩放大阳极19中。雪崩放大阳极19连接到直流电源7上。在阳极电极4与雪崩放大阳极19之间的介电层是固体的情况下，它包括穿过介电层的开口或通道，开口或通道基本上与形成雪崩放大区域25的开口或通道相对应。一个电场创建在阳极电极4与雪崩放大阳极19之间。该场能是一个漂移场，即一个弱场，或者是一个雪崩放大场，即一个非常强的电场。阴极72、雪崩放大阴极18和阳极电极4、雪崩放大阳极19的任一个或全部能在导电层顶部上装有一个电阻层，从而电阻层的一个表面与气体接触(用虚线表示)。要不然，只有阴极72、雪崩放大阴极18或阳极电极4、雪崩放大阳极19的一个装有一个电阻层，最好是阳极电极4。

图2c是根据本发明一个第三特定实施例的一种探测器的、在图1b中的II-II处得到的示意、部分放大剖视图。该探测器包括一个阴极72、一个阳极、及一个雪崩放大装置17。一个是一个转换和漂移体积13的间隙提供在阴极72与雪崩放大装置17之间。间隙被气体填充，并且如上述那样形成阴极72。阳极提供在一个介电基片26，例如一个玻璃基片，的一个后表面上。在基片26的前表面上，交替地提供带条形式的雪崩放大阴极18和雪崩放大阳极19。雪崩放大阴极18和雪崩放大阳极19带条是导电带条，并且连接到直流电源7上，用于在一个雪崩放大阴极18带条与一个雪崩放大阳极19带条之间的每个区域中创建一个集中电场，即一个雪崩放大场。阳极和阴极72也连接到直流电源7上。选择施加的电压，从而在间隙上创建一个较弱电场、漂移场。要不然，介电基片26能由一种气体代替。然后把阳极和阴极支撑在例如其相应端部。

最好雪崩放大阳极19带条也形成读出元件20，并且然后连接到处理电子电路14上。雪崩放大阴极18带条能代之以形成读出元件，或者与雪崩放大阳极19带条一起形成。作为一种选择，阳极能由能分段的带条构成，并且彼此绝缘。这些带条然后能单独或者与阳极和/或阴极带条一起形成读出元件。起阳极/阴极和读出元件作用的带条，借助于用于隔离的适当联接连接到直流电源7和处理电子电路14上。雪崩放大阴极18带条组和雪崩放大阳级19带条组的任一个能在一个导电层的顶上装有一个电阻层，从而电阻层一个表面与气体接触。要不然，只有阴极72、雪崩放大阴极18带条组及雪崩放大阳级19带条组的一个装有一个电阻层。在带条形式的读出元件20的布置的另外一个选择例中，读出带条布置在下面，并且与雪崩放大阳极19带条平行。然后使带条形式的读出元件20稍宽于雪崩放大阳极19带条。如果他们布置在阳极下方，则阳极电极必须是半可透过的以产生脉冲，例如以带条或垫的形式。在又一个可选择例中，能省去阳极，因为借助于阴极电极5、雪崩放大阴极18和雪崩放大阳极19能创建必需的电场。

作为一个例子，玻璃基片是约0.1-0.5mm厚。而且，导电阴极带条具有一个是约20-1000μm的宽度，而导电阳极带条具有一个约10-200μm的宽度，具有一个约50-2000μm的间距。阴极和阳极沿其延伸能划分成诸段。

在操作中，X射线光子进入在图2c的探测器中基本上与雪崩放大阴极18和雪崩放大阳极19带条平行的空间。在转换和漂移体积13中，吸收入射X射线光子，并且如上述那样产生电子-离子对。是由一个X射线光子引起的相互作用结果的一团初级和次级电子，向雪崩放大装置17漂移。电子将进入在一个阳极带条与一个阴极带条之间的气体填充区域中的非常强的电场，这是一个雪崩放大区域。在强电场中，电子启动电子雪崩。结果，在阳极带条上收集的电子数量比初级和次级电子数量高几个数量级(所谓的气体倍增)。对于该实施例的一个优点在于，每次电子雪崩仅在一个阳极元件上或基本上在一个探测器电极元件上产生一个信号。在一个坐标中的位置分辨率因此由节距确定。

图2d表示根据本发明一个第四特定实施例的一种探测器的、与图1b类似的示意剖视图。一个电压施加在阴极72与阳极71之间，以便在间隙中创建一个用于雪崩放大的非常强的电场。由此间隙将形成一个转换和雪崩放大体积。阳极71和阴极72的每一个在一个导电层的顶部上装有一个电阻层，从而相应电阻层的一个表面处于与气体接触。要不然，只有阴极72、或阳极71的一个装有一个电阻层。

在操作中，X射线光子进入在图2e的探测器中基本上与阳极71平行并且靠近阴极72的间隙。在间隙中，吸收入射X射线光子，并且如上述那样产生电子-离子对。产生是由一个X射线光子引起的相互作用结果的一团初级和次级电子。在间隙中的强电场将使电子启动电子雪崩。由于光子平行于阳极行进，并且电场是均匀的，所以雪崩放大在探测器中是均匀的。读出元件分离地与阳极71或阴极相连地布置并且与其绝缘，或者包括在阳极或阴极电极中，如在其他实施例中描述的那样。

在其中能使气体体积较薄的实施例中，这引起快速除去离子，导致较低的空间电荷积累或没有这种积累。这使得高速率下的操作成为可能。

在距离能保持较小的实施例中，这导致较低的操作电压，引起可能火花的低能量，这对电子电路是有利的。

在实施例中场线的聚焦对于抑制电子流形成也是有利的。这导致降低火花危险。

一般对于本发明的所有实施例，电阻层的电阻率应该保持得低的足以接收高速度，而仍然高得足以防护电极免于火花。

作为一个另外的可选择实施例，间隙或区域可以包括一种诸如液体介质或固体介质来代替所述气体介质之类的电离介质。所述固体或液体介质可以是一个转换和漂移体积及一电子雪崩体积。

液体电离介质例如可以是TME(三甲基乙烷)或TMP(三甲基戊烷)或具有类似性质的其他液体电离介质。

固体电离介质例如可以是一种半导体材料，例如硅或锗。当电离介质是固体时，能除去绕探测器的壳体。

能使使用固体或液体电离介质的探测器较薄，并且他们相对于来自由探测器探测的辐射物体的图象的分辨率对入射X射线的方向没有类似的气体探测器敏感。

电场最好在引起雪崩放大的区域中，但本发明也能工作在较低电场范围下，即当在探测器中使用固体或液体电离介质时高得不足以引起电子雪崩。

尽管联系多个最佳实施例已经描述了本发明，但要理解，仍可以进行各种改进而不脱离本发明的精神和范围，如由附属权利要求书定义的那样。例如，尽管联系其中辐射从侧面入射的探测器已经描述了本发明，但本发明能用于其中辐射在任何方向入射的探测器。而且，电压能以除描述之外的其他方式施加，只要创建描述的电场。

Claims (11)

1.一种用于电离辐射的探测的探测器，包括：

一个腔室，填充有一种电离气体，

第一和第二电极装置，提供在所述腔室中，在他们之间有一个空间，所述空间包括一个转换体积，

用于电子雪崩放大的装置，布置在第一与第二电极装置之间，及

至少一个读出元件装置，用于探测电子雪崩，

该探测器的特征在于：

第一和第二电极装置的至少一个包括由电阻材料制成的基片的一个表面，该表面面对其所在电极装置之外的电极装置。

2.根据权利要求1所述的探测器，其中

所述基片带有一个第一和一个第二表面，所述基片的所述第一表面至少部分用一个导电层覆盖。

3.根据权利要求1所述的探测器，其中

第一和第二电极装置的至少一个构成一个漂移电极装置。

4.根据权利要求1所述的探测器，其中

第一和第二电极装置的至少一个构成一个雪崩电极装置。

5.根据权利要求1所述的探测器，其中

第一和第二电极装置的至少一个构成一个雪崩电极装置，并且

第一和第二电极装置的至少一个构成一个漂移电极装置。

6.根据权利要求1所述的探测器，其中

所述电阻材料是一种欧姆材料。

7.根据以上权利要求任一项所述的探测器，其中

所述电阻材料是金刚石，一层所述金刚石提供在一种介电材料基片上。

8.根据权利要求2所述的探测器，其中

所述基片起一种用于导电层的载体的作用。

9.根据权利要求1所述的探测器，其中所述腔室填充有一种电离液体或固体材料以代替所述电离气体。

10.一种用在平面束射线照相中的设备，包括

一个X射线源，

用来形成一个基本平面X射线束的装置，定位在所述X射线与一个要成象的物体之间，

该设备的特征在于，它进一步包括至少一个用于电离辐射的探测的探测器，包括：

一个腔室，填充有一种电离气体，

第一和第二电极装置，提供在所述腔室中，在他们之间有一个空间，所述空间包括一个转换体积，

用于电子雪崩放大的装置，布置在第一与第二电极装置之间，及

至少一个读出元件装置，用于探测电子雪崩，

第一和第二电极装置的至少一个包括由电阻材料制成的基片的一个表面，该表面面对其所在电极装置之外的电极装置。

11.根据权利要求10所述的设备，其中

多个探测器叠置以形成一个探测器单元，

对于每个探测器布置用来形成一个基本上平面的X射线束的另外的装置，所述装置定位在要成象的物体与探测器之间，

X射线源、用来形成一个基本平面的X射线束的所述另外的装置及所述探测器单元彼此相对地固定，以便形成一个能用来扫描物体的单元。

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