DE10013168A1 - Radiation converter - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemäßer Strahlungswandler weist einen Strahlenabsorber (5) zum Erzeugen von Lichtphotonen in Abhängigkeit von der Strahlenintensität auftreffender Strahlung, eine dem Strahlenabsorber (5) nachgeordnete Photokathode (2), ein Elektrodensystem zum Beschleunigen der von der Photokathode (2) ausgehenden Elektronen auf einen Elektronendetektor (3) zum Erzeugen elektrischer Signale in Abhängigkeit von den auftreffenden Elektronen und ein zwischen der Photokathode (2) und dem Elektronendetektor (3) angeordneten Elektronenvervielfacher (4) auf, über den von der Photokathode (2) ausgehenden Elektronen vervielfachbar sind.A radiation converter according to the invention has a radiation absorber (5) for generating light photons as a function of the radiation intensity, a photocathode (2) arranged downstream of the radiation absorber (5), an electrode system for accelerating the electrons emanating from the photocathode (2) onto an electron detector ( 3) for generating electrical signals depending on the impinging electrons and an electron multiplier (4) arranged between the photocathode (2) and the electron detector (3), via which the electrons emanating from the photocathode (2) can be multiplied.
Description
Aus der DE 33 32 648 A1 ist ein als Bildverstärker ausgeführ ter Strahlungswandler bekannt. Solche Bildverstärker weisen ein Eingangsfenster mit einem Strahlenabsorber zum Erzeugen von Lichtphotonen in Abhängigkeit von der Strahlenintensität auftretender Strahlung auf. Dem Strahlenabsorber ist eine Photokathode nachgeordnet, die in Abhängigkeit von den von dem Strahlenabsorber ausgehenden Lichtphotonen Elektronen er zeugt. Diese Elektronen werden durch ein Elektrodensystem auf einen Elektronenempfänger beschleunigt. Beim Bildverstärker ist dieser Elektronenempfänger als Ausgangsschirm ausgeführt, der aufgrund der auftreffenden Elektronen Lichtphotonen er zeugt.DE 33 32 648 A1 describes an image intensifier ter radiation converter known. Such image intensifiers have an entrance window with a radiation absorber for generating of light photons depending on the radiation intensity occurring radiation. The radiation absorber is one Subordinate photocathode, depending on the of the photons of light emanating from the radiation absorber testifies. These electrons are picked up by an electrode system accelerates an electron receiver. With the image intensifier this electron receiver is designed as an output screen, the light photons due to the incident electrons testifies.
Da bei der medizinischen Untersuchung eines Patienten, im Unterschied zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, die Strahlenbelastung so klein zu halten ist, wie dies technisch sinnvoll ist, um die Strahlenbelastung des Patienten mög lichst gering zu halten, ist die effiziente Nutzung der den Patienten durchdringenden und auf den Strahlenempfänger auf treffenden Strahlung oberstes Gebot. Je geringer jedoch die auf den Strahlenempfänger auftreffende Strahlenintensität ist, um so geringer sind auch die vom Strahlenempfänger ab leitbaren Signale. Der Abstand der Signalpegel zu den Rausch signalen wird ebenfalls geringer, was mit einer schlechteren Diagnostizierbarkeit der aufgrund dieser Signale erzeugbaren bildlichen Darstellung einher geht. Es ist also ein Kompromiß zwischen einer geringen Strahlenbelastung des Patienten und der für eine gute Diagnostizierbarkeit von erzeugbaren Durch strahlungsbildern des Patienten notwendigen Strahlendosis zu schließen.Because in the medical examination of a patient, in Difference to non-destructive material testing, the Radiation exposure should be kept as small as it is technically is sensible to the patient's radiation exposure To keep it as low as possible is the efficient use of the Patient penetrating and on the radiation receiver striking radiation top priority. However, the lower the radiation intensity impinging on the radiation receiver is, the lower are those from the radiation receiver conductive signals. The distance of the signal level to the noise signals will also decrease, which with a worse Diagnosability of those that can be generated on the basis of these signals pictorial representation goes hand in hand. So it's a compromise between a low radiation exposure of the patient and the for a good diagnosability of producible through radiation images of the patient necessary radiation dose conclude.
Der fotografische Film ist beispielsweise nichts anderes als ein chemischer Verstärker, der die Ionisationsprozesse der Strahlung im mikroskopischen Bereich um viele Größenordnungen verstärkt und im makroskopischen Bereich sichtbar macht.For example, the photographic film is nothing more than a chemical amplifier that controls the ionization processes of the Radiation in the microscopic range by many orders of magnitude reinforced and visible in the macroscopic area.
Speicherleuchtstoffplatten speichern das Strahlenschattenbild eines Objekts latent. Durch Abtastung der Speicherleucht stoffplatte mittels eines Lichtstrahls werden aufgrund des latenten Bilds Lichtphotonen erzeugt, die von einer Auslese mit einem Photomultiplier in Elektronen gewandelt werden, die nahezu rauschfrei bis zu einem Faktor von 106 verstärkt und in elektrische Signale gewandelt werden können. Diese elek trischen Signale stehen dann für die bildliche Darstellung zur Verfügung.Storage phosphor panels latently store the radiation silhouette of an object. By scanning the storage phosphor plate by means of a light beam, light photons are generated due to the latent image, which are converted into electrons by a read-out with a photomultiplier, which can be amplified almost noise-free up to a factor of 10 6 and converted into electrical signals. These electrical signals are then available for visual display.
Bei Röntgenbildverstärkern wird die geometrische Verkleine rung, die sich aufgrund eines großen Eingangsfensters und eines kleineren Ausgangsfensters ergibt, zur Verstärkung der Leuchtdichte herangezogen, wozu unterstützend die Energieauf nahme der Elektronen vom Eingangsleuchtschirm zum Ausgangs leuchtschirm durch ein hier zwischenliegendes Beschleuni gungsfeld dient.In the case of X-ray image intensifiers, the geometric decrease due to a large entrance window and results in a smaller output window to reinforce the Luminance used, which supports the energy taking the electrons from the entrance screen to the exit fluorescent screen by an intermediate acceleration scope serves.
Bei den sogenannten Flachbilddetektoren wird eine Strahlung in Licht wandelnde Schicht, die beispielsweise CsI aufweist, in direkten Kontakt mit einer Photodiodenmatrix aus amorphem Silizium gebracht, so daß die von der Schicht aufgrund auf treffender Strahlung erzeugten Lichtphotonen über die Photo diodenmatrix in elektrische Signale gewandelt werden können, die dann für die bildliche Darstellung zur Verfügung stehen. Da keine Verstärkung der Lichtphotonen über Elektronen er folgt, sind nur relativ kleine Signale von der Photodioden matrix ableitbar, die erst in einer nachgeschalteten Einrich tung, z. B. einem Verstärker, verstärkt werden können. Da die Ladungsmengen dieser relativ geringen elektrischen Signale dann auch noch über komplizierte Taktverfahren aus den zum Teil großflächigen Flachbilddetektoren über relativ lange Leitungen bis zu den Verstärkern geleitet werden müssen, ist das mittlere Rauschen, in Elektronen gemessen, fast doppelt so groß wie das Signal, das von einzelnen Röntgenquanten er zeugt wird. Insbesondere für die Fluoroskopie, bei der nur kleine Röntgendosen appliziert werden, sind die von dem Flachbilddetektor ableitbaren Signale besonders gering und liegen nahe des Bereichs des Rauschens und erfordern somit aufwendige Artefaktkorrekturen. Bei der Fluoroskopie werden beispielsweise die Signale jeder zweiten Strahlenabtastung zu Korrekturzwecken herangezogen, so daß die üblichen Bildwie derholraten nicht annähernd erreicht werden können. Der dyna mische Bereich der von dem Flachbilddetektor ableitbaren Signale ist zudem stark eingeschränkt.With the so-called flat panel detectors, there is radiation light-converting layer, which has, for example, CsI, in direct contact with a photodiode matrix made of amorphous Brought silicon so that due to the layer on striking radiation produced light photons via the photo diode matrix can be converted into electrical signals which are then available for visual display. Since there is no amplification of light photons via electrons he follows are only relatively small signals from the photodiodes matrix can be derived, which only occurs in a downstream device tung, z. B. an amplifier can be amplified. Since the Amounts of charge of these relatively small electrical signals then also about complicated clock procedures from the to Part of large-area flat panel detectors over a relatively long time Lines must be routed to the amplifiers the mean noise, measured in electrons, is almost double as large as the signal he received from single x-ray quanta is fathered. Especially for fluoroscopy, where only small X-ray cans are applied, are those of the Signals that can be derived from flat-panel detectors are particularly low and are close to the noise range and therefore require elaborate artifact corrections. At fluoroscopy for example, the signals every other beam scan Correction purposes used so that the usual image such refresh rates cannot be achieved. The Dyna Mix area that can be derived from the flat panel detector Signals is also severely restricted.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Strahlungswandler der eingangs genannten Art so auszuführen, daß auch bei ge ringer Strahlenintensität am Ausgang des Strahlungswandlers Signale ableitbar sind, aufgrund deren in einer nachgeschal teten Signalverarbeitungseinrichtung noch gut diagnostizier bare Bildsignale an einer Anzeigevorrichtung erzeugbar sind.The object of the invention is therefore a radiation converter of the type mentioned so that even with ge low radiation intensity at the output of the radiation converter Signals can be derived, on the basis of which they are reshuffled signal processing device still well diagnosed bare image signals can be generated on a display device.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Er findung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 14.The object is achieved by the subject of Claim 1 solved. Appropriate configurations of the Er invention emerge from claims 2 to 14.
Vorteil der Erfindung ist, daß der eingangs genannte Strah lungswandler zwischen einem als Elektronenempfänger ausge führten Elektronendetektor und der Photokathode einen Elektronenvervielfacher aufweist, über den die von der Photo kathode ausgehenden Elektronen vervielfachbar sind. Es ist somit eine Vervielfachung der von der Photokathode ausgehen den Elektronen und damit eine Signalerhöhung der von dem Elektronendetektor ableitbaren Signale möglich, so daß auch bei einer relativ geringen, auf den Strahlenabsorber auftref fenden Strahlenintensität noch relativ hohe Signale am Elek tronendetektor ableitbar sind.The advantage of the invention is that the beam mentioned above tion converter between one out as an electron receiver introduced an electron detector and a photocathode Has electron multiplier over which that of the Photo cathode outgoing electrons can be multiplied. It is thus a multiplication of those emanating from the photocathode the electrons and thus an increase in the signal from that Electron detector derivable signals possible, so that too at a relatively low impact on the radiation absorber radiation intensity are still relatively high signals at the elec tron detector can be derived.
Vorteilhaft ist es, wenn dem Strahlenabsorber, dem Elektro densystem, dem Elektronenvervielfacher und dem Elektronen detektor ein gemeinsames, gasdichtes Gehäuse zugeordnet ist, wodurch sich ein kompakter Aufbau des Strahlungswandlers er gibt. Vorzugsweise weist das Gas mindestens einen der folgen den Bestandteile auf: Argon, Krypton, Xenon, Helium, Neon, CO2, N2, Kohlenwasserstoff, Di-Methyl-Ether, Methanol-/Etha nol-Dampf. Durch die Beimischung der vorerwähnten molekularen Stoffe werden Lichtphotonen absorbiert und treffen nicht mehr auf die Photokathode, wo sie durch das Erzeugen von Elektro nen nachteilig in Erscheinung treten würden.It is advantageous if the radiation absorber, the electrode system, the electron multiplier and the electron detector is assigned a common, gas-tight housing, which results in a compact construction of the radiation converter. The gas preferably has at least one of the following constituents: argon, krypton, xenon, helium, neon, CO 2 , N 2 , hydrocarbon, dimethyl ether, methanol / ethanol vapor. By admixing the above-mentioned molecular substances, light photons are absorbed and no longer hit the photocathode, where they would be detrimental to the generation of electrons.
Der Strahlenabsorber wandelt Strahlung in Lichtphotonen ins besondere dann vorteilhaft, wenn er eine nadelförmige Struk tur aufweist und aus CsI : Na besteht.The radiation absorber converts radiation into light photons especially advantageous if it has an acicular structure has and consists of CsI: Na.
Soll die Verstärkung der Elektronen weiter erhöht werden, so ist es vorteilhaft, wenn mehrere Elektronenvervielfacher vor gesehen sind, die beispielsweise als Drahtgitter ausgeführt sein können. Als Elektronenvervielfacher kann nach einer be sonders vorteilhaften Ausgestaltung auch eine beidseitig mit einer Metallisierung versehene gelochte Kunststoffolie vorge sehen sein. Die Kunststoffolie ist zweckmäßigerweise aus Polyimid und die Metallisierung aus Kupfer hergestellt. Zweckmäßig ist es weiter, wenn die Löcher zumindest zweier Elektronenvervielfacher zueinander versetzt sind, wodurch sich zum einen eine erhöhte Anzahl von Elektronen, zum ande ren ein günstiger Aufbau des Elektronenvervielfachers ergibt und als nächstes eine Rückstreuung von UV-Photonen auf die Photokathode vermieden wird.If the amplification of the electrons is to be increased further, then it is advantageous to have several electron multipliers in front are seen, which are designed for example as a wire mesh could be. As an electron multiplier after a be particularly advantageous embodiment also on both sides a metallized perforated plastic film is featured to be seen. The plastic film is advantageously made of Polyimide and the metallization made from copper. It is also expedient if the holes have at least two Electron multipliers are offset from one another, whereby on the one hand an increased number of electrons, on the other ren a favorable structure of the electron multiplier results and next a backscatter of UV photons on the Photocathode is avoided.
Ist die Photokathode aus nichtleitendem oder im wesentlichen nichtleitendem Material ausgeführt, so ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Strahlenabsorber und der Photokathode eine elektrisch leitende Zwischenschicht als Elektrode, vorzugs weise aus Gold oder aus Gold bestehend, vorgesehen ist, damit der Photokathode somit Elektroden zur Verfügung gestellt wer den können und diese sich somit während des Betriebs nicht elektrisch auflädt. Is the photocathode made of non-conductive or essentially made of non-conductive material, it is advantageous if a between the radiation absorber and the photocathode electrically conductive intermediate layer as an electrode, preferred as consisting of gold or gold, is provided so electrodes are thus made available to the photocathode that can and therefore do not change during operation charges electrically.
Besonders vorteilhaft ist der Elektronendetektor als 2D-Dünn schichtpanel ausgeführt und besteht aus a-Se, a-Si oder Poly- Si. Ein solcher Elektronendetektor ist einfach im Aufbau und kostengünstig.The electron detector is particularly advantageous as a 2D thin layer panel and consists of a-Se, a-Si or poly- Si. Such an electron detector is simple in construction and inexpensive.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Hier zeigen:Further advantages and details of the invention emerge from the following description of the exemplary embodiments based on the drawing. Show here:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Strahlungswandlers und Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a first radiation converter and
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Strahlungswandlers. Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a second radiation converter.
In den Figuren ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Gehäuse eines Strahlungswandlers nach der Erfindung gekennzeichnet, im Be reich dessen einer Stirnseite eine Photokathode 2 und im Be reich der dieser gegenüberliegenden Stirnseite ein Elektro nendetektor 3 angeordnet ist. Zwischen der Photokathode 2 und dem Elektronendetektor 3 ist zumindest ein Elektronenverviel facher 4 vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung sind wenigstens die Photokathode 2, der Elektronenvervielfacher 4 und der Elektronendetektor 3 in dem Gehäuse 1 angeordnet. Ein Strah lenabsorber 5, der Strahlung in Lichtphotonen wandelt, ist entweder als separates Teil ausgeführt und außerhalb des Ge häuses im Bereich der ersten Stirnseite angeordnet, anzuord nen oder vorzugsweise, beispielsweise aus CsI : Na ausgeführt, innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet und weist eine Nadel struktur auf, damit das bei der Strahlenabsorption entste hende Licht gerichtet zur Photokathode 2 gelenkt wird. Zwi schen dem Strahlenabsorber 5 und der Photokathode 2 kann noch eine Zwischenschicht 6 aus leitendem Material, die beispiels weise Gold oder Kohlenstoff enthalten kann, vorgesehen sein, wenn die Photokathode 2 nur eine geringe Leitfähigkeit auf weist. Einer solchen Photokathode 2 können über die Zwischen schicht 6 Elektronen zugeführt werden, um eine Aufladung zu verhindern, wenn die von der Photokathode 2 aufgrund der Strahlenabsorption erzeugten Elektronen über ein zwischen der Photokathode 2 und dem Elektronendetektor 3 angelegtes elek trisches Feld in Richtung auf den Elektronendetektor 3 be schleunigt werden. Diese Elektronen sind erfindungsgemäß über den Elektronenvervielfacher 4 vervielfachbar, so daß am Elektronendetektor 3 ein entsprechend höheres Signal ableit bar ist. Um eine Rückstreuung von UV-Photonen auf die Photo kathode 2 zu unterbinden, ist im Inneren des Gehäuses 1 ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere ein Quenchgas, beispiels weise Argon, Krypton, Xenon, CO2, N2, Kohlenwasserstoff, Di- Methyl-Ether, Methanol-/Ethanol-Dampf enthalten. Durch das Quenchgas werden die bei der durch Stoßionisation erzeugten UV-Photonen absorbiert, damit diese nicht zur Photokathode gelangen, wo sie Elektronen unerwünscht auslösen könnten. Im Rahmen der Erfindung kann der Elektronenvervielfacher 4 als Lochplatte oder Drahtgitter ausgeführt sein.In the figures, the reference numeral 1 denotes a housing of a radiation converter according to the invention, in the area of which one end face is a photocathode 2 and in the area of the opposite face side an electric detector 3 is arranged. At least one electron multiplier 4 is provided between the photocathode 2 and the electron detector 3 . In the context of the invention, at least the photocathode 2 , the electron multiplier 4 and the electron detector 3 are arranged in the housing 1 . A radiation absorber 5 , which converts radiation into light photons, is either designed as a separate part and is arranged outside the housing in the region of the first end face, to be arranged or preferably, for example made of CsI: Na, is arranged inside the housing 1 and has a needle structure so that the light that arises during radiation absorption is directed towards the photocathode 2 . Between the radiation absorber's 5 and the photocathode 2 , an intermediate layer 6 made of conductive material, which can contain gold or carbon, for example, can be provided if the photocathode 2 has only a low conductivity. Such a photocathode 2 can be supplied via the intermediate layer 6 electrons to prevent charging when the electrons generated by the photocathode 2 due to the radiation absorption via an electric field applied between the photocathode 2 and the electron detector 3 in the direction of the electron detector 3 be accelerated. According to the invention, these electrons can be multiplied via the electron multiplier 4 , so that a correspondingly higher signal can be derived from the electron detector 3 . A back-scattering of UV photons cathode on the photosensors 2 to stop is inside the housing 1, a gas or gas mixture, in particular a quench gas, example, argon, krypton, xenon, CO 2, N 2, hydrocarbon, di- methyl Contain ether, methanol / ethanol vapor. The quench gas absorbs the UV photons generated by impact ionization so that they do not reach the photocathode, where they could undesirably trigger electrons. In the context of the invention, the electron multiplier 4 can be designed as a perforated plate or wire mesh.
Von Vorteil ist es, wenn - wie in Fig. 2 gezeigt - der Elektronenvervielfacher 4 aus einer beidseitig mit einer Kup fermetallisierung 9 versehenen Polyimid-Folie 8 besteht. Die Polyimid-Folie 8 ist gelocht. Der Lochdurchmesser beträgt vorzugsweise 25 µm.It is advantageous if - as shown in FIG. 2 - the electron multiplier 4 consists of a polyimide film 8 provided on both sides with a copper fermetallization 9 . The polyimide film 8 is perforated. The hole diameter is preferably 25 microns.
Beim in Fig. 1 gezeigten Vorsehen mehrerer Elektronenverviel facher 4 ist darauf zu achten, daß die Löcher zweier Elektro nenvervielfacher 4 zueinander versetzt sind. Auch diese An ordnung dient zur Vermeidung der Rückstreuung von UV-Photonen auf die Photokathode 2. Der Elektronendetektor 3 weist vor zugsweise eine Pixelstruktur auf und wandelt die auftreffen den Elektronen in elektrische Signale, die über geeignete be kannte Maßnahmen, beispielsweise eine elektrische Leitung 7, ableitbar sind und aufgrund deren eine bildliche Darstellung an einer Anzeigevorrichtung möglich ist. Der Elektronendetek tor 3 ist hierzu vorzugsweise als 2D-Dünnschichtpanel ausge führt und kann vorzugsweise aus a-Se, a-Si oder Poly-Si be stehen.In the provision of a plurality of electron multipliers 4 shown in FIG. 1, care must be taken that the holes of two electron multipliers 4 are offset from one another. This arrangement also serves to avoid backscattering of UV photons on the photocathode 2 . The electron detector 3 preferably has a pixel structure and converts the impingement of the electrons into electrical signals which can be derived via suitable measures, for example an electrical line 7 , and on the basis of which a visual representation on a display device is possible. For this purpose, the electron detector 3 is preferably implemented as a 2D thin-film panel and can preferably be made of a-Se, a-Si or poly-Si.
Durch eine geeignete Wahl der Potentiale an der Photokathode 2 der als Elektronenvervielfacher 4 ausgeführten Lochplatte und dem Elektronendetektor 3 kann erreicht werden, daß die von der Photokathode 2 ausgehenden Elektronen ohne Verluste durch die Löcher des Elektronenvervielfachers driften und da bei in dem stark ansteigenden elektrischen Feld durch Stoß ionisation eine einstellbare Vervielfachung, z. B. um den Fak tor 100, erfahren. Eine solche Verstärkung der Signale reicht aus, um insbesondere mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Festkörper-Strahlungsdetektor auch Fluoroskopie in der Medi zintechnik mit hoher Bildfrequenz betreiben zu können. Es hat .sich noch als besonders geeignet herausgestellt, wenn die Signale des Elektronendetektors 3 zeilenweise seriell oder teilseriell ausgelesen werden.By a suitable choice of the potentials at the photocathode 2 of the perforated plate designed as an electron multiplier 4 and the electron detector 3 it can be achieved that the electrons emanating from the photocathode 2 drift through the holes of the electron multiplier without losses and because of this in the strongly increasing electric field Shock ionization an adjustable multiplication, e.g. B. around the factor 100, experienced. Such amplification of the signals is sufficient to be able to operate fluoroscopy in medical technology with a high image frequency, in particular with a solid-state radiation detector designed according to the invention. It has turned out to be particularly suitable if the signals of the electron detector 3 are read out serially or partially serially.
Claims (14)
mit einer dem Strahlenabsorber (5) nachgeordneten Photo kathode (2) zum Erzeugen von Elektronen in Abhängigkeit von den von dem Strahlenabsorber (5) ausgehenden Lichtphotonen, mit einem Elektrodensystem zum Beschleunigen der von der Pho tokathode (2) ausgehenden Elektronen auf einen Elektronen detektor (3) zum Erzeugen elektrischer Signale in Abhängig keit von den auftreffenden Elektronen und
mit einem zwischen der Photokathode (2) und dem Elektronen detektor (3) angeordneten Elektronenvervielfacher (4), wobei die von der Photokathode (2) ausgehenden Elektronen durch den Elektronenvervielfacher (4) vervielfachbar sind.1. radiation converter with a radiation absorber ( 5 ) for generating light photons depending on the radiation intensity of the incident radiation,
with a photo cathode ( 2 ) downstream of the radiation absorber ( 5 ) for generating electrons as a function of the light photons emanating from the radiation absorber ( 5 ), with an electrode system for accelerating the electrons emanating from the photocathode ( 2 ) onto an electron detector ( 3 ) to generate electrical signals depending on the incident electrons and
with a between the photocathode (2) and the electron detector (3) arranged electron multiplier (4), emanating from the photocathode (2) electrons are vervielfachbar by the electron multiplier (4).
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