DE2055824A1 - Verfahren und Einrichtung zur Sichtbarmachung von Gammastrahlenbildern - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Sichtbarmachung von GammastrahlenbildernInfo
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Description
Verfahren und Einrichtung zur Sichtbarmachung von Gammastrahlenbildern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Sichtbarmachung von Gair.mastrahlenbildern mittels einer Halbleiterplatte,
die den Ort der Absorption eines ionisierenden Teilchens zu bestimmen gestattet, indem sie beiderseits mit parallel
zueinander verlaufenden Elektrodenstreifen versehen ist, wobei die Richtung der Streifen der einen Seite mit derjenigen der
Streifen der anderen Seite einen Winkel einschließt. Eine solche Einrichtung dient z.B. in der nuclearmedlzinischeri Diagnostik zur
Sichtbarmachung der Verteilung inkorporierter radioaktiver Stoffe,
die in bestimmten Organen oder krankhaften Gewebepartien bevorzugt gespeichert werden.
Halbleitervorrichtungen, insbesondere in Form von Halbleiterplatten,
sind bekannt, die eine Lokalisation des Absorptionsortes ionisierender Strahlung ermöglichen. Diese Vorrichtungen bestehen
z.B. aus einer Halbleiterplatte, deren gegenüberliegende Haupt-Xlächen
jeweils mit parallel verlaufenden Elektrodenstreifen versehen sind, wobei die Richtung der Streifen der einen Seite mit
derjenigen der anderen Seite einen Winkel, vorzugsweise einen sol-
,0
cnei, von 90 , einschließt. Dabei bilden die Kontakte zwischen den
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Elektroden und der Halbleiterscheibe auf der einen Seite einen gleichrichtenden und auf der anderen Seite einen ohmschen Charakter.
Diese bekannten Halbleiter-Detektoren haben sich bisher nicht durchgesetzt, weil sie aufgrund der geringen maximal erzielbaren
Schichtstärken nur geringe Absorptionsviahrscheinlichkeit
und damit auch geringe Ausbeute für Gamma-Strahlung aufweisen. Außerdem lassen sie sich nicht mit ausreichend großen Pläehenabmessungen
herstellen, um direkt zur Abbildung der Verteilung radioaktiver Substanzen im Organismus verwendet werden zu können.
Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Nachteile vermieden, wenn
das Gamma-Strahlenbild in ein Elektronenstrahlenbild umgewandelt
und anschließend auf die Halbleiterplatte abgebildet wird, deren Elektrodenstreifen mit einer Vorrichtung zur Schwerpunktsbildung
verbunden sind und die zur Ortung des auf die Halbleiterplatte auftreffenden ElektronenbUndels abbildbare Ortssignale
ergibt.
Die Umwandlung in das Elektronenbild kann mit einer geeigneten Anordnung, beispielsweise einer Szintillator-Photokathodenkombination,
vorgenommen werden, wie sie etwa bei den in der Röntgentechnik und Isotopendiagnostik bekannten Bildwandlern benutzt
wird. Diese bestehen meistens aus einer Vakuumröhre, in welcher sich hinter der Eingangsfläche ein Leuchtschirm befindet, auf
den in optischem Kontakt die eigentliche Photokathodenschicht folgt. Das dort erzeugte Elektronenstrahlenbild wird anschliessend
durch ein System von Elektroden, an die verschieden hohe Spannungen angelegt sind, elektronenoptisch auf die Halbleiterplatte, gegebenenfalls verkleinert, abgebildet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil, daß Halbleiterplatten mit kleinem Durchmesser benutzbar Bind. Außerdem ist die Nachweiswahrscheinlichkeit
für Gamma-Strahlung wegen der guten Absorption von Elektronen
wesentlich besser als bei direkter Aufnahme des Gamma-Strahlenblldes
in der Halbleiterschicht.
Die Nachweiswahrscheinlichkeit läßt sich vor allem durch Benutzung
eines Szintillationskristalles, etwa thalliumaktiviertes Natriumiodid,
als primären Strahlendetektor erhöhen. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß große Schichtdicken benutzt werden können, die'
hohe Absorptionswahrscheinliehkeit ergeben. Solche Kristalle können in ausreichend großen Formaten als Einkristalle hergestellt
werden (Größe der abzubildenden Körperorgane). Anstelle eines Einkristalles entsprechenden Formates kann auch eine Matrix vieler
einzelner Einkristalle verwendet werden, die nebeneinander angeordnet sind. Das Auflösungsvermögen dieser Anordnung ist
allerdings durch die Abmessungen des Rasters der Kristallmatrix begrenzt. Es besteht auch die Möglichkeit, aufgedampfte Schichten
von szintillierendem Material zu verwenden.
Die natürliche Folge großer Schichtdicke ist, daß sich das bei einem Absorptionsvorgang im Szintillationskristall entstehende
Lieht ausbreitet, ehe es die an den Kristall angekoppelte Photokathode
erreicht. Die infolge Absopption eines einzelnen Gamma-Quants
entstehende Lichtverteilung und damit auch die Verteilung der aus der Photokathode ausgelösten Elektronen, hat somit eine
von der Geometrie der Anordnung abhängige, mehr oder weniger starke Ausdehnung. Die elektronenoptische Abbildung dieser nahezu
gaußförmigen Licht- bzw. Elektronenverteilung auf die Halbleiterplatte
führt daher zu einem Bildfleck mit entsprechender Ausdehnung und Intensitätsverteilung der auf die Halbleiterplatte
euftreffenden Elektronen.
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Der Lage des Maximums bzw. des Schwerpunktes dieser Intensitätsverteilung entspricht die Lage des Einfallsortes des ursprünglichen
Gamma-Quants. Zur Lokalisierung dieses Einfallsortes ist
daher die Bestimmung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung notwendig. Dies kann durch Bestimmung der jeweiligen Schwerpunkte
in den beiden durch die streifenförmigen Kontaktierungen vorgegebenen
Richtungen erfolgen.
Um die Schwerpunktbildung mit der erforderlichen Genauigkeit vornehmen
zu können, sollte die streifenförrnige Rasterung der HaIbleiterkontaktierung
so eng sein bzw. der Maßstab der elektronenoptischen Abbildung so gewählt werden, daß der Bildfleck der
Elektronenverteilung wenigstens eine Fläche bedeckt, auf der neun (3 x 3) Kreuzungspunkte der Elektroden liegen. Bei in elektronenoptischen
Vakuumbildwandlern verwendbaren Halbleiterplatten sind in vorgenanntem Sinne etwa 10 bis l4o Streifen ausreichend,
um die bei den z.Z. üblichen Abbildungen angestrebte Schärfe zu erhalten.
Die auf die Halbleiterplatte, die aus bekannten Halbleitern wie z.B. Silizium oder Germanium etc. bestehen kann, auftreffenden
und absorbierten Elektronen, die durch die elektrostatische Beschleunigung bei der elektronenoptischen Abbildung je nach Beschleunigungsspannung
eine Energie von 10 bis 4o keV besitzen, erzeugen in der Sperrschicht Elektronen-Lochpaare, die an den
streifenförmigen Elektroden gesammelt werden. Infolgedessen erhält man an den Elektrodenstreifen Ladungsimpulse, deren Höhe
außer von der Beschleunigungsspannung von der Anzahl der jeweils auftreffenden Elektronen abhängt. An den beteiligten Elektrodenstreifen
wird man daher eine Impulshöhenverteilung registrieren, die der Elektronenverteilung im Bildfleck entspricht. Hieraus
läßt sich der Schwerpunkt für die x- und y-Koordinaten (beide Streifenrichtungen) unschwer in bekannter Welse bestimmen, z.B.
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mittels eines Digitalrechners oder mit Hilfe analoger Netzwerke, wie sie etwa bei der Gamma-Kamera nach Anger verwendet sind.
Die Wiedergabe des Bildes ist mit bekannten Abbildungselementen,
wie etwa einem XY-Oszillographen, einem Fernsehschirm, Bildrukkern
usw., möglich.
Die Summe aller an den Elektrodenstreifen auftretenden Impulshöhen
ist proportional der insgesamt gebildeten Ladungsträger, d.h. bei gegebener Beschleunigungsspannung der Anzahl der insgesamt
auftreffenden Elektronen. Die Anzahl der Elektronen ist
der Energie des jeweils absorbierten Gamma-Quants proportional, sofern dieses durch Photoeffekt absorbiert wird. Durch Impulshöhenanalyse
des Summensignals, etwa mittels eines Einkanaldiscriminators, können daher bestimmte Ereignisse ausgesucht werden,
etwa diejenigen, die von Gamma-Quanten einer bestimmten Energie
ausgelöst werden. Damit ist es möglich, sich energetisch voneinander
unterscheidende Strahlen, etwa etörende Streu- oder Untergrundstrahlen
von den Nutzstrahlen, zu trennen. Zur Bildung des Summensignals reicht es aus, nur die Signale an den Elektrodenstreifen
auf einer der Halbleiteroberflächen zu verwenden, weil beide Seiten der Halbleiterplatte an der Sammlung der gebildeten
Ladungsträger beteiligt sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile werden nachfolgend anhand der in den Abbildungen dargestellten AusfUhrungsbeispiele der Erfindung
erläutert.
In der Pig. 1 ist ein Querschnitt dargestellt durch einen
elektronenoptischen Bildverstärker, bei dem die ausgelösten Elektronenbündel erfindungsgemäß
auf eine Halbleiterplatte als Ausgangs-. schirm abgebildet werden,
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in der Fig. 2 ist die Halbleiterplatte vergrößert herausgezeichnet
imd
in der Fig. 3 das schematische Blockschaltbild.der elektronischen
Schaltung, mit der die Schwerpunkte der Auftrefflächen der ElektronenbUndel auf
der Halbleiterplatte feststellbar sind.
In der Fig. 1 ist der Bildverstärker mit 1 bezeichnet, in dessen
gläsernem Kolben 2 sich am eingangsseitigen Ende die Photokathodenschicht
3 befindet, die bei dem dargestellten Wandler aus mit Cäsium aktiviertem Antimon besteht. Daran schließen sich die
ringförmigen, konzentrisch zur Kathode 2 liegenden Elektroden 4, 5 und 6 sowie die Anode 7 an. Die Anode ist mit der Halbleiterplatte
8 abgeschlossen, die am ausgangsseitigen Fenster 9 des Bildverstärkers 1 liegt. Vor dem Eingangsfenster 10 ist mit
dem als optische Kopplungsschicht 11 benutzten Silikonöl die Lichtleiteranordnung 12 angebracht, an deren freiem Ende mit
einer weiteren, ebenfalls aus Siliconöl bestehenden Kopplungsschicht 15, der Szintillationskristall 14 angeschlossen ist. Das
Silikonöl kann auch durch andere Kopplungsmedien, wie den bekannten optischen Kitten ersetzt sein.
Die mit Gamnia-Strahlern markierten Organe werden im vorliegenden
Beispiel mit Hilfe eines Parallellochkollimators 14! auf den
Kristall 14 abgebildet. Die die Bohrungen des Kollimators 14'
durchdringenden Gamma-Strahlen, die durch Pfeile I5 angedeutet
sind, werden im Szintillatationskristall 14 unter Aussendung von Licht absorbiert. Das entstehende Licht wird über die als
Lichtleiter wirkenden Glasstäbe 12 von 7 mm Durchmesser auf die Photokathode 3 überführt und löst dort Elektronen aus. Durch die
Elektroden 3 bis 7 werden die Elektronen in bekannter Weise elek-
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tronenoptisch auf die Halbleiterplatte 8 abgebildet. Diese ist
auf beiden Flächen mit jeweils voneinander getrennten Streifenkontaktierungen
als Elektroden versehen. Die der Kathode zugewandten Elektroden 16 bilden bei dem Halbleiter der hier verwendeten
Art Oberflächensperrschichtzähler und bestehen aus aufgedampftem Gold. Die dem Endfenster 9 zugewandten Streifen 17,
deren Richtung gegenüber dem Streifen 16 urn 90° gedreht ist, bestehen
aus aufgedampftem Aluminium. An der Halbleiterplatte, die bei obigem AusfUhrungsbeispiel aus η-Typ Silicium besteht, etwa
300 ax dick ist und einen Durchmesser von ca. 30 mm hat, löst
der jeweilige, von den Strahlen 15 ausgelöste und mittels der
Bildverstärkerelektronenoptik abgebildete Elektronenfleck nur in einzelnen Streifen, die in Fig. 2 ausschnittweise zu sehen sind,
Elektron-Lochpaare aus, die zur Lokalisierung gesammelt werden. Die von dem Elektronenfleck getroffenen Kreuzungen der Elektrodenstreifen
16 und 17 wirken hierbei als Oberflächensperrschichtdetektoren
im Sinne von Zähldioden.
Die Bestimmung des Auftreffortes des Elektronenfleckes bzw. dessen
Zentrums geschieht in an sich bekannter Weise durch analoge Schwerpunktsbildung. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit
sind in Fig. 3 nur einige der wirklich vorhandenen Elektrodenstreifen gezeichnet, die jeweils über hochohmige Widerstände
mit der zugehörigen Spannungsquelle 34 verbunden sind. Wie in
Fig. 3 erläutert, werden in den Streifen 18 bis 22 und den quer dazu liegenden Elektrodenstreifen 23 bis 27 die von dem eindringenden Elektronenbündel 45 gebildeten Elektron-Lochpaare
gesammelt und in ladungsempfindlichen Vorverstärkern I81 bis 22'
bzw. 23' bis 27' zu weiterverarbeitbaren Signalen verstärkt.
Die Signale X^ die jeweils den i-ten Streifen 18 bis 22 zugeordnet
sind, und deren Höhe dem Anteil der an der einen Seite gesammelten Ladungsträger aus dem Elektronenfleck 45 entspricht,
werden in einem Koordinaten-Metzwerk 28 entsprechend
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der Lage des zugehörigen Elektrodenstreifens bewichtet, i ist die.
Zahl der fortlaufenden Zählung der Streifen und χ bedeutet die x-Koordinate. Bei der Bewichtung wird dem Signal x. mit Hiife
eines Spannungsteilers aus den Widerständen 35 bis 44 ein Paktor a. aufgeprägt. Durch geeignete Wahl der Widerstände 35 bis
stellen die flewichtungsfaktoren a. diskrete Koordinatenwerte der
jeweiligen Streifen i in x-Richtung dar. Als geeignete Wahl sind hier Widerstände verwendet, die Spannungsteiler ergeben, deren
Verhältnis dem a. entspricht und sich zu i/i ergibt. Dabei ist . die laufende und i die größte vorhandene Zahl der Streifen.
Außerdem sind die Summen beider Widerstände jedes Spannungsteilers gleich.
Die bewichteten Signale b.x. werden in einem Summenverstärker
aufsummiert. Man erhält ein Signal Σβ,χ, aus dem dann nach Division
im Quotientenbildner 31 durch das im Sumtuenverstärker 30
erhaltene Summensignal aller unbewichteten Signale X1 ein nor-
Za χ
miertes Ortssignal X = -^*
folgt.
2_ X1
Das X-Signal und das in entsprechender Weise mit Hilfe der RUckseitenkontaktstreifen
23 bis 2^ im Koordlnatennetzwer.k 33 (identisch
28) gebildete Y-Signal werden in vorliegendem Beispiel auf das Abbildungseiement 32 ein XY-Oszllloskop gegeben und mit einem
Z-Signal hellgetastet, das durch Impulshöhendiskriminierung des unbewichteten Summensignals 2Ix1 im Einkanaldiskriminator 46 gewonnen
wird. Damit wird im XY-Diagramm der Schwerpunkt des auf die Halbleiterplatte auftreffenden Elektronenbündels und damit
der ursprüngliche Absorptionsort des Gamma-Quants einer bestimmten
Energie im Szintillationskristall dargestellt.
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Claims (6)
- - 9 Patentansprüche1»/Verfahren und Einrichtung zur Sichtbarmachung von GammastrahTenbildern mittels einer Halbleiterplatte, die beiderseits mit parallel zueinander verlaufenden Elektrodenstreifen versehen ist, wobei die Richtung der Streifen der einen Seite jnit derjenigen der Streifen der anderen Seite einen Winkel einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gamma-Quanten in Elektronenbündel umgewandelt und auf die Halbleiterplatte abgebildet werden, und daß die Elektrodenstreifen mit einer Vorrichtung (Fig. 3) zur Schwerpunktsbildung verbunden sind, die zur Ortung des auf die Halbleiterplatte auftreffenden Elektronenbündels abbildbare Ortssignale ergibt.
- 2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Gammastrahlenblldes in das Elektronenbild in einem elektronischen Vakuumbildwandler (1) erfolgt, dessen Eingangsschirm eine Szintillator (14)-Photokathodenkombination (j5) und dessen Ausgangsschirm die Halbleiterplatte (8) ist.
- j5. Gerät riach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bildverstärker (1) enthaltene Halbleiterplatte (8) die der förderlichen-Orts-Auflösung angepaßte Elektrodenstreifenzahl besitzt, derart, daß zur Ortung eines,Elektronenbündels (45), das aus der Absorption eines Gamma-Quants entstanden ist, mindestens drei Streifenpaare beitragen.
- 4. Gerät nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elektroden (16, 17) je 10 bis 140 beträgt.- 10 -209822/0763
- 5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung! d.h. Schwerpunktebildung, mittels eines Digitalrechners erfolgt.
- 6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Weg der abbildbaren Signale, etwa des Summensignals (Z), vor der Wiedergabe auf einem Abbildungselement (32) ein Impuls· höhend!scriminator (46) eingeschaltet ist.209822/0763Lee rs e ι te
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