CN1237350C - 辐射探测器、一种用于射线照相中的装置和一种探测电离辐射的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于探测电离辐射的探测器，一种包含该探测器的用于平面束辐射照相的装置，以及一种探测电离辐射的方法。该探测器包含一个充满可电离气体的腔；第一和第二电极排列(2，1，18，19)被置于该腔内，它们之间有一个空间，该空间包含一个转换区域(13)；置于该腔内的电子雪崩放大装置(17)；至少一个读出部件的排列(15)，用于探测电子雪崩。提供一个辐射入口，使辐射进入第一和第二电极排列之间的转换区域。为了得到明确界定的雪崩，雪崩放大装置包含多个雪崩区域。这种探测器，装置和方法的有利之处在于能阻止有害火花的产生。

Description

辐射探测器、一种用于射线照相中的 装置和一种探测电离辐射的方法

技术领域：

该发明涉及一种探测电离辐射的探测器，涉及一种用于射线照相中的装置和一种探测电离辐射的方法。

背景技术

共同未决的瑞典申请SE-9901325-2描述了上面提到的这种探测器，装置和方法，在此引入作为参考。在此描述的探测器包括一个气态平行板雪崩腔。该探测器具有高的位置分辨率，高的x射线探测效率，并且能够计量每个被吸收到探测器的光子。这使得处理探测信号具有了很大的可能性，例如能量探测，即从某个能量范围内的光子或者从入射到阳极或阴极的某个距离范围的光子中区分出探测的信号。

US-5614722公开了一种基于气态介质中电荷放大的辐射探测器。该探测器包括一个衬底，衬底上固定一个腔体，阳极表面位于腔体的底部，阴极靠近腔体的开口处。在与腔体相对的衬底上并置一个漂移电极，此电极限定了一个包含气态介质的区域。该文件同时公开阴极端接在阴极侧壁上，这适宜地短接腔体开口处，同时，阴极侧壁能够在离腔体开口处更远距离的地方终止。并且，在该文件中提到，探测器中气态的介质能够用液体来替换，例如，液氩或者液氙。

常规的气态平行板雪崩腔的缺陷在于电极间的电场，即加在电极间的使设备有效运行所需的电压接近了产生火花的范围，这种火花的产生可能会损伤探测器。

发明内容

本发明的一个主要目的就是提供一种探测电离辐射的改进的探测器，这种探测器采用了雪崩放大，确保了比常规设计有更强的聚焦效果，并且能够采用简单的经济的方法制造。这种更强的聚焦效果会使射流(streamer)比现有技术设计更难形成。

一种探测电离辐射的探测器可以实现这个和其它目的，它包括一个充满可电离介质的腔，至少一个第一电极排列提供在该腔内，还包括一个电子雪崩放大单元，该单元包括至少一个雪崩阴极和至少一个雪崩阳极和至少一个用于电子雪崩探测的读出部件装置，两极之间施加一个电压，可以产生雪崩放大所需要的电场，所述至少一个雪崩阴极含有至少一个孔或开口，其中，该雪崩阴极上的至少一个孔或开口的面积要大于至少一个配对的雪崩阳极，而且，从上述可知，其中所述至少一个雪崩阳极和该雪崩阴极上至少一个孔或开口的中心相对，其特征在于至少一个聚焦电极被置于该至少一个雪崩阴极和该至少一个雪崩阳极之间，并且有一个开口或孔，该开口或孔的面积小于所述雪崩阴极上的至少一个孔或开口的面积，但是大于所述的至少一个阳极的面积。

此探测器工作在高x射线束流下也不会发生性能下降，而且其寿命长。

根据本发明的探测器也能实现任何种类辐射的有效探测，包括电磁辐射以及入射粒子，包括基本粒子。

本发明的另一个目的是提供一种辐射照相装置，它包含该用于探测电离辐射的探测器，这种探测器采用了雪崩放大，提供了明确界定的雪崩，并且能够采用简单和经济的方法制造。

这个和其它目的可以通过一种辐射照相装置来实现，此装置包括一个x射线源和一个探测电离辐射的探测器，此探测器包括一个充满可电离介质的腔，至少一个第一电极排列装备在该腔内，腔内还包括一个电子雪崩放大单元，该单元包括至少一个雪崩阴极和至少一个雪崩阳极和至少一个用于电子雪崩探测的读出部件装置，两极之间施加电压，可以产生雪崩放大所需要的电场，所述至少一个雪崩阴极含有至少一个孔或开口，其中，该雪崩阴极上的至少一个孔或开口的面积要大于至少一个配对的雪崩阳极，而且，从上述可知，其中所述至少一个雪崩阳极的中心对准该雪崩阴极上至少一个孔或开口，其特征在于至少一个聚焦电极被置于该至少一个雪崩阴极和该至少一个雪崩阳极之间，并且有一个开口或孔，该开口或孔的面积小于所述雪崩阴极上的至少一个孔或开口的面积，但是大于所述的至少一个阳极的面积。

这种辐射照相装置也可以包括一种简单的价格便宜的探测器，这种探测器具有高的x射线探测效率，对x射线有好的能量分辨能力。

这种辐射照相装置也可以包含一个探测器，此探测器工作在高x射线束流下也不会发生性能下降，而且其寿命长。

本发明的另一个目的是提供一种探测电离辐射的方法，它采用雪崩放大，提供能明确界定的雪崩，通过至少一个聚焦电极使电子聚焦，并且可以采用简单和经济的方法实现。

这个和其它目的可以通过一种探测电离辐射的方法实现，其中辐射线与一个充满可电离介质的容器里的原子相互作用，产生释放电子，该方法包括以下步骤：

至少一个区域包含至少一个雪崩阴极和至少一个雪崩阳极，在每个这样区域里形成集中电场来引起电子雪崩；用至少一个读出部件装置来探测电子雪崩；通过至少一个雪崩阳极将电子聚焦，该阳极的面积小于至少一个雪崩阴极上的对应的孔或者开口的面积，其中至少一个雪崩阳极区域的中心对准该雪崩阴极上至少一个孔或开口；将电子置于转变和漂移区的第一电场中，该第一电场迫使电子进入至少一个具有集中电场的区域，其特征在于通过至少一个聚焦电极来进一步使电子聚焦，该至少一个聚焦电极安置在至少一个雪崩阴极和至少一个雪崩阳极之间，有一个孔或开口，此孔或开口的面积要小于至少一个雪崩阴极上的孔或开口的面积。

这种方法也能用于高x射线束流。

附图说明

图1从整体上给出了用于辐射照相的探测器的一种一般实施方案的图解说明；

图2是图1中沿II-II处的横截面的部分放大示意图，取自本发明的第一具体实施方案的探测器；

图3是图1中沿II-II处的横截面的部分放大示意图，取自本发明的第二具体实施方案的探测器；

图4是一种替换实施方案中的雪崩阳极的横截面图

图5是图1中沿II-II处的横截面的部分放大示意图，取自本发明的第三具体实施方案的探测器；

图6是图1中沿II-II处的横截面的部分放大示意图，取自本发明的第四具体实施方案的探测器。

具体实施方式

图1是用于辐射照相中的探测器64的垂直于平面x射线束9的平面的平面中的剖面视图。

入射的x射线光子的主要部分在探测器64中被探测，该探测器包含一个转换和漂移区域13和一个电子雪崩放大单元17。x射线光子从侧面进入两个电极排列之间，电极之间产生一个电场，使转换和漂移区13中电子和离子漂移，或者作为选择，x射线光子从0°-180°范围的任意方向进入探测器，这里0°定义为与上面提到的侧面进入方向是一致的。

根据本发明的探测器64和其运行将在下面进一步描述。

探测器64包括一个第一漂移电极排列和一个第二漂移电极排列，它们分别是阴极平板2和阳极平板1。平板1和2可以是相互平行的，两平板间的间隙或区域含有可电离介质，如气态介质，液态介质或固态介质，这些平板包围转换和漂移区域13和电子雪崩放大单元17。可以选择的是，平板1和2可以不平行。

电压加在阳极平板1和阴极平板2之间，并且一个或几个电压加在电子雪崩放大单元17上。这将产生一个漂移场，使间隙中的电子和离子发生漂移，同时也在电子雪崩放大单元17中产生一个电子雪崩放大场。与阳极平板1相连接的是用于探测电子雪崩的读出部件装置15。优选地，读出部件装置15也构成阳极电极。作为选择，读出部件装置可以连接在阴极平板2或者电子雪崩放大单元17上形成。读出部件装置也可以在阳极或者阴极平板上形成，通过电介质层或衬底将它与阳极或者阴极隔离开。在这种情况下，阳极或者阴极对于感应脉冲应该是半透明的，例如，阳极或阴极应该做成条状或者垫片(Pad)。

假如x射线从阴极平板2和阳极平板1之间侧向入射到探测器64上，探测器64就能够容易地做成有足够长的相互作用路径，以允许入射x射线光子大部分相互作用并被探测到。准直仪可以用于这个目的，并且应该优选地排列成使得薄平光束能在靠近电子雪崩放大单元17处进入探测器64，并较佳地与其平行。

气态的可电离介质可以是如90％的氪和10％的二氧化碳的混合气或者如80％的氙20％的二氧化碳的混合气。气体可以在一定的压强下，优选范围为1-20个大气压。因此，探测器64含有一个气体密封外壳91和一个狭缝入口窗92，x射线束9通过这个窗口进入探测器64。窗92可由一种对辐射透明的材料制成，例如Mylar^，或者薄铝箔。探测气态雪崩腔64中侧面入射的粒子束是本发明的一个有益的附加效果。当x射线从一个不是侧面的方向，即不等于0°或者180°，进入探测器时，狭缝入口窗92安排在外壳91上与图1指出的不同的地方，作为选择，外壳91可由一种对x射线透明的材料制成。

液态可电离介质可以是例如TME(三甲基乙烷)或者TMP(三甲基戊烷)或者任何具有相同性质的液态可电离介质。

固态可电离介质可以是一种半导体材料，例如硅。当可电离介质是固态时，外壳91就可以取消。

工作中，入射的x射线9从上面定义的0°-180°范围内的一个方向进入探测器64，并且通过气态或液态或固态可电离介质传播。每个x射线光子在气态。液态或固态可电离介质中产生一个初次电离的电子-离子对，这是光子同介质中原子相互作用的结果。这些生成物可能是由光电效应，康普敦效应或俄歇效应产生的。产生的每一个初次电子11通过与新原子的相互作用失去动能，引起电子-离子对的进一步产生(二次电离电子-离子对)。一般地，在此过程中，从20KeV的x射线光子可以产生几百到几千个二次电离的电子-离子对。由于转换和漂移区域13内的电场作用，二次电离电子16(与初次电离电子11一起)将向电子雪崩放大单元17漂移。当电子16，11进入电子雪崩放大单元17的聚焦场力线(field lines)的区域，它们将受到雪崩放大，这将在下面进一步描述。

雪崩电子和离子的运动在探测电子雪崩的读出部件装置15中产生感应信号，与电子雪崩放大单元17，阴极平板2或者阳极平板1相联系，或者两个或更多的所述位置的组合相联系，这些信号被拾取。此信号被读出电路14进一步放大和处理，以获得x射线光子相互作用点，或者x射线光子能量的精确测量。

图2显示了图1中根据自本发明的第一具体实施方案的探测器64II-II处的横截面的部分放大示意图，可以看到，阴极平板2包含电介质衬底6和作为阴极电极5的导电层。阳极平板1包含电介质衬底3和作为雪崩阳极4的导电层。

在间隙和阳极平板1之间，配置着电子雪崩放大单元17。电子雪崩放大单元17包含一个雪崩放大阴极18和一个聚焦电极19，它们之间用电介质隔开。电介质可以是气态，液态或固态电介质衬底24，该衬底用来携载雪崩阴极18和聚焦电极19，如图2所示。

在雪崩阴极18和聚焦电极19之间，用直流电源7提供一个电压，用以在雪崩放大区域25中产生一个非常强的聚焦电场。雪崩放大区域25形成在彼此相对的雪崩阴极18的边界之间和周围的区域，这里由于施加了电压，产生一个集中的电场。直流电源7同时也连接着阴极5和雪崩阳极4。选择供电电压，使得在间隙上形成一个较弱的漂移电场。由转换和漂移区域13内的相互作用释放的电子11和16(初次和二次电子)，在漂移场的作用下，将向电子雪崩放大单元17漂移。电子11，16进入非常强的雪崩放大场并被加速。被加速的电子11，16与区域25内的原子相互作用，引起了进一步的电子-离子对的产生。那些电子-离子对同样将在场中被加速，将与新的原子互相作用，引起产生进一步的电子离子对。在电子向阴极的移动中，上述过程在区域25内继续着，电子雪崩就形成了。

雪崩区域25由雪崩阴极18内和电介质衬底24内(如果存在的话)的开口或通道形成。开口或者通道从上面看可以是任何形状，例如圆的，正方形的，三角形的，矩形的，椭圆的等等，或者可以是连续的，在电介质衬底24(如果存在的话)和雪崩阴极18的两边之间纵向延伸。如果开口或者通道从上面看来是圆的，它们可以被放置成排，每排开口或通道包含许多的开口或者通道。许多纵向的开口或者通道或圆形通道排彼此并排形成，相互平行或者平行于入射的x射线。可以选择的是，圆形开口或通道可以排列成其它模式。

作为一个实例，阴极18内的纵向通道宽度可以取在0.01-1mm的范围。聚焦电极19内的纵向开口或者孔要小于阴极18内的相关的纵向开口或者孔。以雪崩阴极18的表面法线为参考，电介质衬底24有一个倾斜的表面26，倾斜的表面26形成了雪崩放大区域的限制表面。由上述可知，雪崩阳极4的面积尺寸要小于相关的聚焦电极19的面积。

雪崩阴极18，聚焦电极19和雪崩阳极4内的孔或开口的尺寸各不相同，这确保了比它们有相同尺寸时更强的聚焦效果。如果射流出现在高增益处，它们会发生自湮灭。发生自湮灭的原因是从雪崩区域25中看的聚焦场力线(field lines)和场强的径向依赖性。

可以选择的是，用作阴电极5和雪崩阳极4的导电层可以替换成如一氧化硅，导电玻璃或金刚石的电阻载体，同时电介质衬底3，6可以用导电层代替。

在雪崩阳极电极4和聚焦电极19之间产生一个电场。此电场可以是漂移电场，即较弱的电场，或者是雪崩放大电场，即非常强的电场。

可以选择的是，转换和漂移区域13中的电场可以保持足够高，以引起电子雪崩，于是就工作在预放大(pre-amplification)模式。

阴极平板2和电子雪崩放大单元17之间的距离可以在0-10mm的范围内，但是优选的范围是100-5000μm。雪崩放大阴极18和聚焦电极19之间的距离可以在0-10mm的范围内，但是优选的范围是50-500μm。聚焦电极19和电介质衬底3之间的距离可以在0-1mm的范围内，但是优选的范围是50-500μm。

图3是图1中根据发明的第二具体实施方案的探测器64II-II处的横截面的部分放大示意图。可以看出，阴极平板2包含电介质衬底6和作为阴极电极5的导电层。阳极平板1包含电介质衬底3和作为雪崩阳极4的扩展导电层。此实施方案中，雪崩阴极18充当雪崩放大单元17，即图2中雪崩阴极18和聚焦电极19之间的距离在本实施方案中减小为0。由于扩展雪崩阳极4的形状，比起倾斜表面，进入该雪崩阳极顶部的单位面积内场力线(field lines)要更多，因此增大了探测器64的增益。由上述可知，扩展雪崩阳极4的面积，要小于雪崩阴极18上相关的孔或开口的面积。需要注意的是雪崩阳极4顶部可以是任何形状(例如，平圆或尖的)，只要这种形状能够允许进入雪崩阳极4顶部的单位面积内的场力线(field lines)要比进入倾斜表面的多就行。

图4中显示了安置在电介质衬底3上的扩展雪崩阳极4的另一种实施方案。在这个实施方案中，扩展雪崩阳极4具有光滑的形状，例如，像半椭圆。该扩展雪崩阳极的高度可以等于电介质衬底3和聚焦电极19(如果存在的话)或者雪崩阴极18(如果不存在该聚焦电极19)之间的距离。

图5是图1中根据本发明的第三具体实施方案的探测器64II-II处的横截面的部分放大示意图。阳极平板1包含电介质衬底3和用作雪崩阳极4的扩展导电层。在此实施方案中，雪崩阴极18和聚焦电极19作为雪崩放大单元17。在本实施方案中，如图5所示，包含电介质衬底6和作为阴极5的导电层的阴极平板2与雪崩阴极18之间的距离减小为0，因此消除了区域13，即漂移和转换区域13。在此实施方案中，入射的x射线将在电场非常强的雪崩区域25中直接进入探测器64。由于扩展雪崩阳极4的形状，比起倾斜表面，进入该雪崩阳极顶部的单位面积内场力线(field lines)要更多，因此增强了雪崩阳极4的位置分辨率。从上面看时，扩展雪崩阳极4的面积要小于雪崩阴极18上相关的孔或者开口的面积，也要小于聚焦探测器中的孔或口的面积。

图6是图1中根据本发明的第四具体实施方案的探测器64II-II处的横截面的部分放大示意图。阳极平板1包含电介质衬底3和用作雪崩阳极4的扩展导电层。可以看出，阴极平板2包含了电介质衬底6和作为阴极电极5的导电层。在间隙和阳极平板1之间，配置着电子雪崩放大单元17。在此实施方案中，雪崩阴极18和聚焦电极19代表雪崩放大单元17。选择施加的电压，以在间隙中产生一个较弱的漂移电场。由转换和漂移区域13内的相互作用释放的电子11和16(初次和二次电子)，在漂移场的作用下，将向电子雪崩放大单元17漂移。电子11，16进入非常强的雪崩放大场并被加速。被加速的电子11，16与雪崩放大区域25内的其它原子相互作用，引起了进一步的电子-离子对的产生。这些生成的电子-离子对也将在这个场中被加速，并可以与新的原子相互作用引起进一步的电子-离子对的产生。在雪崩区域里电子向雪崩阳极4移动中，上述过程继续着，电子雪崩就形成了。与图2相比，图6所示的实施方案中的聚焦电极和电介质衬底3之间的距离减小为0。由于扩展雪崩阳极4的形状，比起倾斜表面，进入该雪崩阳极顶部的单位面积内场力线(field lines)要更多，因此增加了本装置的增益。从上面看时，扩展雪崩阳极4的面积要小于雪崩阴极18上相关的孔或者开口的面积，也要小于聚焦探测器中的孔或者开口的面积。

如上所述，一种包括了本发明中探测器的装置，也可以包含一个x射线源，提供目标成像所需的辐射。x射线源发出的x射线穿过目标并进入本发明的探测器64。

一般来说，对于所有的实施方案，气体，液体或者固体的区域可能非常小，这将使离子快速去除，从而使空间电荷的积累很低或者没有。这使得高速运行成为可能。

一般来说，对于所有的实施方案，较小的距离导致工作电压低，这样会降低能量，减小产生火花的可能性，这对于电子是有利的。

射流就是等离子体通道的一种产生火花的形式。在此实施方案中，场力线(field lines)的聚焦对抑制射流的形成也是有益的。这也使火花产生的机会减小了。

尽管本发明是结合许多优选的实施方案加以描述的，可以理解，仍可以作各种的改进而不脱离如所附的权利要求规定的本发明的精神和范围。例如，只要所述的电场能够产生，电压可以用其它的方法施加。

Claims (6)

1.一种探测电离辐射的探测器(64)，包括：

一个充满可电离介质的腔；

至少一个第一电极装置，被置于该腔内，并且包含电子雪崩放大单元(17)，该单元包含至少一个雪崩阴极(18)和至少一个雪崩阳极(4)，它们之间施加电压来产生雪崩放大所需的电场；

至少一个由读出单元组成的装置(15)，用于探测电子雪崩，该至少一个雪崩阴极(18)具有至少一个孔或开口，其中，从上面看时，雪崩阴极(18)中所述至少一个孔或开口的面积要大于该至少一个相关的雪崩阳极(4)的面积，并且其中该至少一个雪崩阳极(4)相对于该雪崩阴极(18)中的至少一个孔或开口中心对准，其特征在于至少一个聚焦电极(19)被置于该至少一个雪崩阴极(18)和该至少一个雪崩阳极(4)之间，并且具有一个孔或开口，该孔或开口的面积要小于所述雪崩阴极(18)上至少一个孔或开口的面积，但是大于该至少一个雪崩阳极(4)的面积。

2.根据权利要求1的探测器，其中可电离介质是一种固态的介质。

3.根据权利要求1或者2的探测器，其中该至少一个雪崩阴极(18)，该至少一个聚焦电极(19)和该至少一个雪崩阳极(4)被配置成叠层，其间是电介质衬底(24)。

4.根据权利要求3的探测器，其中

该电介质衬底(24)的表面形成雪崩放大区域(25)的至少一个限制表面，该表面相对于该至少一个雪崩阴极(18)的表面是倾斜的。

5.一种辐射照相装置，包括：

一个充满可电离介质的腔；

至少一个第一电极装置，被置于该腔内，并且包含电子雪崩放大单元(17)，该单元包含至少一个雪崩阴极(18)和至少一个雪崩阳极(4)，它们之间施加电压来产生雪崩放大所需的电场；

至少一个由读出单元组成的装置(15)，用于探测电子雪崩，该至少一个雪崩阴极(18)具有至少一个孔或开口，其中，从上面看时，雪崩阴极(18)中所述的至少一个孔或开口的面积要大于该至少一个相关的雪崩阳极(4)的面积，并且其中所述至少一个雪崩阳极(4)相对于所述的雪崩阴极(18)中的至少一个孔或开口中心对准，并且其中至少一个聚焦电极(19)被置于该至少一个雪崩阴极(18)和该至少一个雪崩阳极(4)之间，并且其具有一个孔或开口，该孔或开口的面积要小于所述雪崩阴极(18)上至少一个孔或开口的面积，但是大于该至少一个雪崩阳极(4)的面积。

6.一种探测电离辐射的方法，其中辐射与一个充满可电离介质的区域中的原子相互作用，从而产生释放电子，该方法包含以下步骤：

在至少一个区域中的每个区域形成用于产生电子雪崩的集中电场，该区域包含至少一个雪崩阴极和至少一个雪崩阳极，

用由读出单元组成的一个装置来探测电子雪崩，

用至少一个阳极将电子聚焦，该阳极的面积小于至少一个雪崩阴极上相关的孔或开口的面积，其中该至少一个雪崩阳极区域相对于至少一个雪崩阴极中相关的孔或开口中心对准，电子在转换和漂移区内经受第一电场的作用，该第一电场驱使电子进入具有集中电场的该至少一个区域，其特征在于还有下述步骤：

在至少一个雪崩阴极和至少一个雪崩阳极之间放置至少一个聚焦电极，电子通过该电极聚焦，该至少一个聚焦电极具有一个孔或开口，该孔或开口的面积要小于该至少一个雪崩阴极中的孔或开口的面积。

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