DD237227A1 - Ortsempfindlicher detektor fuer gamma-strahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Messung der raeumlichen Intensitaetsverteilung von Gammastrahlung. Eine solche Aufgabe liegt zum Beispiel vor in der Nuklearmedizin bei der Messung der raeumlichen Intensitaetsverteilung von 511 keV-g-Quanten, die bei der Annihilation von Positronen in organischem Gewebe entstehen, wenn zur Diagnose Positronenaktive Radiopharmaka verwendet werden. Der Detektor kann auch in Gammakameras zur Registrierung niederenergetischer g-Strahlung mit Energien Eg100 keV durch eine optimale Auswahl des Elektrodenmaterials verwendet werden. Mit der Erfindung soll ein ortsempfindlicher Detektor fuer g-Strahlung geschaffen werden, der die positiven Eigenschaften ortsempfindlicher gasgefuellter Strahlungsdetektoren wie grosse Zaehlgeschwindigkeit, gute Ortsaufloesung und niedrige Herstellungskosten aufweist und gleichzeitig eine zu Szintillationsdetektoren vergleichbar gute g-Effektivitaet und Zeitaufloesung besitzt. Es konnte gefunden werden, dass es auf der Basis des Prinzips des Parallelplattenlawinenzaehlers (PPLZ) moeglich ist, grossflaechige ortsempfindliche Detektoren fuer g-Strahlung aufzubauen. Nach der Erfindung wird der Aufbau eines Detektors fuer g-Strahlung dadurch geloest, dass innerhalb eines mit einem bekannten Detektorgas gefuellten Gehaeuses abstandsweise zueinander eine Vielzahl von Metallfolien angeordnet sind, welche abwechselnd als Anoden und Katoden von PPLZ geschaltet sind und deren Elektrodenflaechen parallel zur Haupteinfallsrichtung der zu messenden Strahlung angeordnet sind.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Messung der räumlichen Intensitätsverteilung von Gammastrahlung. Der Detektor besitzt keine Energieauflösung.

Eine solche Aufgabe liegt zum Beispiel vor in der Nuklearmedizin bei der Messung der räumlichen Intensitätsverteilung von 411 keV-y-Quanten, die bei der Annihilation von Positronen in organischem Gewebe entstehen, wenn zur Diagnose positronenaktive Radiopharmaka verwendet werden. Der vorgestellte Detektor ist wegen seiner guten y-Effektivität und Zeitaufiösung besonders geeignet für einen Einsatz in einem Positronen Emissions Computer Tomographen (PECT). Seine Anwendung ist nicht auf diese nuklearmedizinische Aufgabe beschränkt, sondern auch möglich für die Lösung von Forschungsaufgaben in anderen Bereichen. Der Detektor kann auch in Gammakameras zur Registrierung niederenergetischer y-Strahlung mit Energien Ε_γΞ 100 keV durch eine optimale Auswahl des Elektrodenmaterials verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Computertomographie (CT) ist allgemein ein Meß- und mathematisches Rekonstruktionsverfahren, mit dessen Hilfe kontrastreiche, überlagerungsfreie zwei- und dreidimensionale Bilder von Objekten erhalten werden, deren physikalische Dichte sich über die zu untersuchende Objektebene nur relativ ändert (J. D. Wholahan, D.G.King, IEEE Trans. Nuci. Sei. NS 28 [1981] 1726).

Seine große praktische Bedeutung erlangte dieses Verfahren als Diagnoseverfahren in der Medizin. In den letzten Jahren entwickelte sich aus der sogenannten Röntgen-CT die Emissions-CT, bei der nicht mehr die Dichteverteilung des organischen Gewebes eines durchstrahlten Objektes gemessen und berechnet wird, sondern die Dichteverteilung eines radioaktiven Indikators, das als Medikament im organischen Gewebe abgelagert wurde. In der ECT werden seit etwa 1975 zunehmend radioaktive Positronenemitter verwendet (M.E. Phelps u.a., IEEE Trans. Nucl. Sei. NS 25 [1978] 164), die besonders günstige Eigenschaften haben, um Struktur und Funktion wichtiger Organe wie Gehirn, Herz und Lunge sowohl statisch als auch dynamisch zu untersuchen. Meßtechnisch wird dabei die Eigenschaft der Positronen ausgenutzt, daß sie im Annihilationsprozeß mit Elektronen der Umgebung zwei y-Quanten von 511 keV collinear, d.h. unter 180° emittieren. Zwei sich gegenüberstehende ortsempfindliche y-Detektoren, zwischen denen sich das Untersuchungsobjekt befindet, bestimmen die Positronen beider korreliertery-Quanten. Die Entscheidung, ob beide y-Quanten aus demselben Annihilationsprozeß stammen, erfolgt mit einer elektronischen Koinzidenzschaltung.

Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß die Detektoren eine große Nachweisempfindlichkeit E füry-Quanten mit einer Energie von 511 keV sowie eine gute Zeit- und Ortsauf lösung aufweisen müssen. In einer Arbeit von A. Jeavons wird gezeigt, daß die Größe E²/T mit E als y-Effektivität eines Detektors und T als Zeitauflösung der wichtigste Parameter (figure-of-merit) für die Beurteilung von Detektoren über ihre Einsatzmöglichkeit in Positronenkameras ist. Für die bisher gebräuchlichen Detektoren auf der Basis von Szintillationskristallen (NaJ[TI], BGO, C₅F) nimmt dieser Faktor für den Nachweis von 511 keVyQuanten Werte zwischen 300 und 1 500 ein, bei Effektivitäten zwischen 60 und 95% und Zeitauflösungen zwischen 3 und 24ns. Die bekannten gasgefüllten Detektoren (Vieldrahtproportionalkammem MWPC) erreichen dagegen nur Werte zwischen 0,3 und 4 bei einer Effektivität um 10% und Zeitauflösungen von 25 bis 300 ns. Dieser Vergleich macht deutlich, warum in den industriell hergestellten PECT bisher nur Szintillationsdetektoren praktische Bedeutung erlangten. Trotzdem werden gasgefüllte Detektoren heute bereits in experimentellen Positronenkameras genutzt, weil ihre bessere Ortsauflösung und wesentlich niedrigeren Herstellungskosten zugunsten dieser Detektoren sprechen.

Als solche ortsempfindliche Gasdetektoren für Positronenkameras sind zwei Typen von Vieldrahtproportionalkammem bekannt, die sich in der Art der Konvertierung der 511 keV y-Quanten in Elektronen unterscheiden. Der erste Detektortyp wurde von CB. Lim u.a. (IEEE Trans. Nucl. Sei. NS 22 [1975] 388) und Jeavons u..a (Nucl. Instr. Meth. 176 [1980] 89) entwickelt. Er besteht aus einer klassischen Vieldrahtproportionalkammer und einem speziellen Konverter für γ-Strahlung in schnelle Elektronen. Die große Driftzeit der Elektronen vom Konverter bis in die Drähtkammer ist die Ursache für eine ungenügende Koinzidenzzeitauflösung und begrenzt gleichzeitig durch die maximal mögliche Konverterdichte die Detektoreffektivität auf etwa 10%.

Der zweite Detektortyp, die Hybrid-Vieldrahtproportionalkammer von Bateman u.a. (Nucl. Instr. Meth. 156 [1978] 27-31) besteht aus einem Paket von vielen Proportionalkammern, bei denen die Katoden Metallfolien sind und gleichzeitig als Konverter der γ-Strahlung in Elektronen dienen. Bei einer optimalen Wahl des Katodenmaterials und seiner Dichte beträgt die Detektoreffektivität etwa 0,5 bis 1% für eine Sektion. Um eine Detektoreffektivität von 15% zu erhalten, sind deshalb etwa 20 bis 30 solcher Proportionalkammern zu einem Hybriddetektor zu vereinigen. Gegenüber dem ersten Detektortyp wurde mit dem Hybriddetektor die Koinzidenzzeitauflösung verbessert. Sie entspricht der Zeitauflösung von Vieldrahtproportionalkammem (T= 25ns). ,

Eine weitere Verbesserung der Zeitauflösung ist aus physikalischen Gründen nicht möglich. Die Vereinigung von etwa 30 Proportionalkammern zu einem Detektor wird als technisch realisierbare Grenze eingeschätzt. Damit ergibt sich für diesen Detektor eine maximale Detektoreffektivität von etwa 20%.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen billigen ortsempfindlichen Detektor mit großer y-Effektivität und guter Zeitauflösung für den Einsatz in einem Positronen-Emissions-Computer-Tomographen zur Verfügung zu stellen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ortsempfindlichen Detektor für y-Strahlung zu schaffen, der die positiven Eigenschaften ortsempfindlicher gasgefüllter Strahlungsdetektoren wie große Zählgeschwindigkeit, gute Ortsauflösung und niedrige Herstellungskosten aufweist und gleichzeitig eine zu Szintillationsdetektoren vergleichbar gute yEffektivität und Zeitauflösung besitzt. Es konnte gefunden werden, daß es auf der Basis des Prinzips des Parallelplattenlawinenzählers (PPLZ) möglich ist, großflächige ortsempfindliche Detektoren füry-Strahlung aufzubauen. Der PPLZ wurde in der kernphysikalischen Grundlagenforschung wegen seiner sehr guten Zeitauflösung (T<0,5ns) bisher vornehmlich zur Messung der Flugzeit stark ionisierender Kernteilchen eingesetzt, die die aus metallisierten organischen Folien bestehenden Elektroden senkrecht durchdringen (K.Kusterer u.a., Nucl. Instr. Meth.177 [80] 485).

Nach der Erfindung wird der Aufbau eines Detektors für y-Strahlung dadurch gelöst, daß innerhalb eines mit einem bekannten Detektorgas gefüllten Gehäuses abstandsweise zueinander eine Vielzahl von Metallfolien angeordnet sind, welche abwechselnd als Anoden und Katoden von PPLZ geschaltet sind und deren Elektrodenflächen parallel zur Haupteinfallsrichtung der zu messenden Strahlung angeordnet sind.

Im folgenden wird für den erfindungsgemäßen Detektor die Abkürzung MPPLZ (Multiparallelplatten-Lawinenzähler) verwendet.

Jede der Metallfolien ist gleichzeitig Anode bzw. Katode von zwei benachbarten Zählern innerhalb des MPPLZ. Durch die Anordnung der PPLZ parallel zur Strahlungsrichtung kann in natürlicher Weise eine Ortskoordinate erhalten werden, wenn die Katodensignale der einzelnen PPLZ ortsempfindlich ausgelesen werden. Der Abstand von zwei benachbarten gleichen Elektroden bestimmt gleichzeitig die maximal erreichbare Ortsauflösung für diese Koordinate. In einem zweidimensionalen ortsempfindlichen MPPLZ wird die Information über die zweite Ortskoordinate durch die Aufteilung der Anoden der PPLZ in Streifen gehalten, deren Breite der gewünschten Ortsauflösung angepaßt werden muß. Mit Hilfe eines der bekannten elektronischen Verfahren wird die X, Y-Information der registrierten y-Quanten gewonnen.

Neben ihrer Funktion als Elektroden der PPLZ haben die Metallfolien gleichzeitig die Aufgabe, Röntgen- oder y-Quanten in freie schnelle Elektronen zu konvertieren. Für den Nachweis der y-Quanten im PPLZ ist Voraussetzung, daß die gebildeten freien Elektronen die Metallfolie verlassen können und das Zählergas ionisieren. Deshalb bestimmt die mittlere Reichweite der Elektronen im Elektrodenmaterial die maximal mögliche Dicke der Metallfolien.

Wird nur gefordert, daß die Elektronen eine der beiden Oberflächen in Richtung Zählergasvolumen verlassen können, so ist die optimale Elektrodendicke etwa gleich der doppelten mittleren Elektronenreichweite.

Die Auswahl des Materials für die Folien wird durch die Forderung nach einem möglichst großen Konversionsfaktor von y-Quanten in Elektroden bestimmt. Für den Nachweis von 511 keV y-Quanten, den γ-Quanten bei der Annihilation von Positionen, ist es vorteilhaft 0,25 mm dicke Bleifolien als Elektrodenmaterial zu verwenden. Ähnlich den Multidrahtproportionalkammem mit Konvertern besitzt der MPPLZ keine Energieauflösung für y-Strahlung.

A. Jeavons (IEEE Trans. Nucl. Sei NS 23 [1976] 640) konnte experimentell nachweisen, daß die natürliche Diskrimation im Konvertermantel von γ-Quanten, die im organischen Gewebe des Untersuchungsobjektes gestreut worden sind, ausreichend ist, um kontrastreiche Bilder von Positronenverteilungen zu erhalten. Diese Diskrimination der gestreuten y-Quanten ist besser als für Positronenkameras mit NaJ (Tl)-Kristallen und etwa gleich gutwiefürBGO-Kristalle.

Der mit dem erfindungsgemäßen Detektor erreichbare „figure-of-merit"-Parameter beträgt um 400 und ist somit ca. 100 mal größer als der Wert bekannter gasgefüllter Detektoren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Schnitt durch einen MPPLZ ohne Vakuumgehäuse dargestellt. Die Katoden 1 und die Anoden 2 der PPLZ werden an beiden Seiten des Detektors durch zwei ebene Metallplatten 3 mit vier Schrauben zusammengepreßt. Die beiden Metallplatten enthalten neben den Bohrungen 4 für die Montage des Detektors zusätzlich zwei rechteckige Öffnungen zum Evakuieren des Detektorvolumens und zur Gasversorgung. Zum Betrieb des.Detektors wird das Volumen auf einen Restdruck von ρ = 10~³Torr ausgepumpt und mit einem der bekannten Detektorgase für PPLZ wie Azetoren, Isobutan, Pentan u.a. gefüllt. Die Elektroden bestehen jeweils aus einem Rahmen 1,2 mit den notwendigen elektrischen Leiterbahnen 6 und den Bleifolien 7. Die Rahmen sind aus Leiterplattenmaterial hergestellt, deren Dicke gleichzeitig den Elektrodenabstand in einem PPLZ-Element bestimmt. Sie beträgt im vorgestellten Detektor 0,5mm. Da die Gasverstärkung exponentiell vom Elektrodenabstand abhängt, muß die Dicke aller Rahmen des MPPLZ 0,5 ± 0,01 mm betragen.

Die Katoden- und Anodenrahmen haben die gleichen Innenmaße. Die Außenmaße der Katoden- und Anodenrahmen sind so gewählt, daß die elektrischen Kontakte für die Betriebsspannung und die Signalabnahme frei liegen. An die Katoden muß sowohl die Betriebsspannung negativer Polarität zugeführt werden als auch das schnelle Detektorsignal für die Zeit- und X-Koordinatenmessung abgenommen werden können.

Die Leiterbahn auf der Katode umschließt die Rahmenöffnung und ist auf beiden schmalen Rahmenseiten als elektrische Kontakte bis an den Rand geführt. Die Anodensignale werden nur zur Messung der Y-Koordinate genutzt. Deshalb ist die Anode in 2,7mm breite Streifen unterteilt, die gegeneinander durch einen 0,3mm breiten Spalt isoliert sind.

Entsprechende Streifenkontakte auf den Anodenrahmen gestatten die Signalabnahme von den einzelnen Streifen.

Zur leichten Montage und Demontage des MPPLZ sind die Elektrodenfolien nicht direkt auf ihren Rahmen montiert, sondern jeweils auf den Rückseiten des benachbarten Rahmens geklebt, d. h. die Katodenfolie auf die Rückseite des Anodenrahmens und umgekehrt. Nach der Montage des MPPLZ erfolgt der elektrische Kontakt zwischen einer Elektrodenfolie und ihrer zugehörigen Leiterbahn mechanisch beim Zusammenpressen des MPPLZ mit den beiden Abschlußplatten. Die Katodenfolien sind um 10 mm kleiner als die Rahmenbreite, um auf beiden Seiten des Detektors je einen Gaskanal durch den gesamten Detektor freizulassen.

Zur Reduzierung der elektrischen Feldstärke im kritischen Randgebiet der PPLZ ist die gesamte Breite der Streifenanode um 10mm kleiner als die der Katode, d.h. der Abstand zum Rand der Katode auf beiden Seiten des PPLZ beträgt 5 mm.

Wegen der hohen elektrischen Feldstärken in einem PPLZ von 20kV/cm existieren zwischen Katode und Anode relativ große elektrische Anziehungskräfte, die in einem isolierten PPLZ zu einer mechanischen Durchbiegung der Folien führen können und damit auch einschränkend auf die maximal mögliche Baugröße wirken. Da im MPPLZ Katoden mit Anoden abwechselnd angeordnet sind, heben sich diese Anziehungskräfte im Innern des Detektorsauf. Nurfür die äußersten Katoden des MPPLZ trifft dieses nicht zu. Deshalb werden als abschließende Anoden am Rand des Detektors anstelle einer Streifenanode aus Bleifolie Cu-kaschierte Leiterplatten verwendet, die ausreichend stabil gegenüber mechanischen Verformungen sind.

Als elektronisches Verfahren für die Messung der Ortskoordinaten X, Y wurden zwei Verzögerungsleitungen gewählt und die Katoden bzw. Anodenstreifen gleicher Y-Koordinate entsprechend ihrer Position mit der X- bzw. Y-Verzögerungsleitung verbunden. Aus zwei getrennten Zeitdifferenzmessungen der Signale der beiden Verzögerungsleitungen erhält man dann direkt für jedes registrierte y-Quant die X- und Y-Koordinate im Detektor. Das notwendige schnelle Signal für die Messung der Koinzidenzzeit liefert eine „pickup"-Elektrode, die in der Nähe einer der beiden Verzögerungsleitungen montiert ist.

Die Zeitauflösung eines einzelnen PPLZ mit einem Elektrodenabstand von 0,5mm für schnelle Elektroden mit einer kinetischen Energie von etwa 400keV ist etwa 0,4ns. Die integrale Zeitauflösung des gesamten MPPLZ ist deshalb nicht schlechter als 2 bis

In seiner Wirkungsweise ist der Parallelplatten-Lawinenzähler vergleichbar mit einem elektrischen Plattenkondensator, dessen Isolator das Detektorgas darstellt. Ist die an den Platten liegende Spannung groß gegen das lonisierungspotential der Gasmoleküle, so tritt beim Vorhandensein freier Elektronen im Gasraum durch Stoßionisation eine Vervielfachung der Ladungsträger ein. Die Gasverstärkung des PPLZ von 10⁷ ist ausreichend, um einzelne Elektroden mit konventioneller kernphysikalischer Meßtechnik nachzuweisen. Für den Nachweis von γ-Strahlung ist es notwendig, daß die -y-Quanten in schnelle freie Elektronen konvertiert werden. Das erfolgt im vorgestellten MPPLZ mit Elektroden aus Bleifolie, die für 511 keV γ-Quanten einen besonders großen Wirkungsgrad besitzt.

Die Detektoreffektivität E für 511 keV-y-Quanten beträgt für einen 30 mm dicken MPPLZ mit 0,25 mm Bleifolien bei einem Elektrodenabstand von 0,5 mm etwa 3 E = 32%. In Fig. 2 ist die Effektivität des Detektors in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ader γ dargestellt. Danach beträgt die Detektoreffektivität für alle Einfallswinkel a>4° etwa E = 32%, während sie für Einfallswinkel a>4°zu kleinen Winkeln anwächst und für α = ± 0,5° ihren Maximalwert von Es 50% erreicht.

Aus der Fig. 2 ist zu erkennen, daß der MPPLZ in der X, Z-Ebene wegen seiner Plattenstruktur eine Kollimatorwirkung besitzt, die durch eine Vergrößerung des Verhältnisses Abstand/Dicke der Elektroden noch verstärkt und beim eventuellen Einsatz des Detektors in Gammakameras genutzt werden kann.

Mit den Werten für die Zeitauflösung und γ-Effektivität E erhält man für eine Positronenkamera mit MPPLZ als Detektoren einen „figure-of-merit"-ParameterE²/T = 400, der etwa gleich ist für PECT, die mit den modernsten und sehr teuren Szinillationsdetektoren (BOG) ausgerüstet sind.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Ortsempfindlicher Detektor für y-Strahlung nach dem Prinzip des Parallelplatten-Lawinenzählers (PPLZ), insbesondere zum Nachweis von 511 keV-y-Quanten der Protonen-Annihilation in organischem Gewebe, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines mit einem bekannten Detektorgas gefüllten Gehäuses abstandsweise zueinander eine Vielzahl von Metallfolien angeordnet sind, weiche abwechselnd als Anoden bzw. Katoden geschaltet sind und deren Anodenflächen in der Strahlungseinfallsrichtung jeweils in einzelnen Streifen unterteilt sind, wobei die Elektrodenfiächen parallel zur Haupteinfallsrichtung der zu messenden Strahlung angeordnet sind.
2. 2. Detektor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus 0,25mm dicken Bleifolien bestehen.