DE2230329A1

DE2230329A1 - Bildwandler

Info

Publication number: DE2230329A1
Application number: DE2230329A
Authority: DE
Inventors: Karl Hans Dr Ing Reiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1972-06-21
Publication date: 1974-01-10
Also published as: US3930162A

Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 19. Juni 1972

Henkestraße· 127 ' -

VPA 72/5079 Kn/Kof

Bildwandler

Die Erfindung betrifft einen Bildwandler zur Sichtbarmachung von mittels Gamma- oder ähnlich durchdringende Strahlen erzeugten Bildern durch Umwandlung der im Querschnitt des das sichtbar zu machende Bild tragenden Strahlenbündels enthaltenen Verteilung der Strahlendichte in ein Entladungsbild, mittels einer Kathode und einer in Abstand davon liegenden Anode, wobei der Raum zwischen den Elektroden ein Gas enthält und die Elektroden- an einer Spannung liegen, die bei Strahleneinfall an den betreffenden Stellen in Abhängigkeit von der Strahlung die Bildung elektrischer Entladungen hervorruft und bei welcher sowohl die Kathode als auch die Anode aus einer Mehrzahl .von Teilen bestehen, deren große Fläche wenigstens, angenähert senkrecht zur Strahleneintrittsfläche des Bildwandlers liegen,-so daß das elektrische Feld parallel zu dieser Fläche verläuft. Einrichtungen der vorgenannten Art werden bekanntlich verwendet, um unsichtbare, mit ionisierenden Strahlen hergestellte Bilder in eine zur Auswertung geeignete Form bringen zu können .

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Bekannte Bildwandler der obengenannten Art wurden als Ersatz für Funkenbildwandler angegeben, bei welchen die Elektroden mit ihren großen Flächen einander gegenüberstehen, und an elektrischer Spannung liegende Platten sind. Zwischen diesen bildet sich dann eine sichtbare Funkenentladung in Abhängigkeit von der Bestrahlung aus. Das elektrische Feld verläuft dabei parallel zu den senkrecht zu den Platten einfallenden Strahlen. Die Wirksamkeit iac aber gering, weil der Weg, den die Strahlen in dem Gas der Füllung zwischen den Elektroden durchlaufen,und damit ihre Absorption klein ist. Eine Quantenumwandlung, die .in der Größenordnung von 40:1 liegt, ist daher die Regel. Eine verbesserte Anordnung dieser Art besitzt gemäß DT-OS 1 764 905 Elektroden, die aus mehreren Teilen aufgebaut sind, deren Anordnung die Wirkung von nebeneinanderliegenden achsparailelen Röhrchen ergibt, in welchen sich die Gegenelektrode im Zentrum befindet. Bei solchen Anordnungen kann der Laufweg der Strahlen erhöht werden, wenn die Endöffnungen der Röhrchen in der Fläche liegen, in welcher die abzubildenden Strahlen einfallen. Das elektrische Feld liegt dann quer dazu, so daß gegenüber der erstgenannten Funkenkammer bei unveränderter Schichtdicke hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften (Abstand Kathode-Anode) die Schichtdicke bezüglich des Strahleneinfalls, d.h. der Absorption, je nach der Länge der Röhrchen um ein Vielfaches erhöht wird.

Es ist ein Nachteil der bekannten Bildwandlereinrichtung, daß die Quantenausbeute insbesondere für die Lokalisation und Abbildung von Gammas~trahlenereignissen, wie sie in der Isotopendiagnostik auftreten, nur gering ist. Für diese Zwecke haben sich deshalb andere komplizierte Anordnungen eingeführt, wie z.B. die sog. Anger-Kamera. Bei dieser werden bekanntlich mittels einer Vielzahl von Elektronenvervielfachern von in einer Leuchtstoffschicht mittels der sichtbar zu machenden Strahlenereignisse erzeugten Szintillationen.Signale erhalten, die nach elektronischer Schwerpunktsbildung abgebildet werden.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben, die als Gammakainera wirken kann und bei mit der Anger-Kamera wenigstens vergleichbaren Strahlenumsätzen und Bildern wesentlich einfacher aufgebaut ist.

Gemäß der Erfindung ist die vorgenannte Aufgabe gelöst und ein Bildwandler zur Sichtbarmachung von mittels Gamma- oder ähnlich durchdringenden Strahlen erzeugten Bildern durch Umwandlung der im Querschnitt des das sichtbar zu machende Bild tragenden Strahlenbündels enthaltenen Verteilung der Strahlendichte in ein Entladungsbild, mittels einer Kathode, und einer in Abstand davon liegenden Anode, wobei der Raum zwischen den Elektroden ein Gas enthält und die Elektroden an einer Sparüaung liegen, die bei Strahleneinfall an den.betreffenden Stellen in Abhängigkeit von der Strahlung die Bildung elektrischer Entladungen hervorruft und bei welcher sowohl die Kathode als auch die Anode aus einer Mehrzahl von Teilen bestehen, deren große Flächen wenigstens angenähert senkrecht zur Strahleneintrittsfläche des Bildwandlers liegen, so daß das elektrische Feld parallel zu dieser Fläche verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas unter einem Druck in der Größenordnung von 10 Atmosphären steht, daß die angelegte Spannung· den Betrieb im Proportionalbereich gewährleistet und daß die Teile der Anode und diejenigen der Kathode in Reihen zusammengefaßt sind, wobei die Reihen der Elemente der Kathode und diejenigen der Anode in einem Winkel zueinander stehen und daß die Reihen elektrisch mit einer Vorrichtung zur elektronischen Schwerpunktsbildung verbunden sind, die zur Ortung des auf die Anode auftreffenden Entladungsbündels abbildbare Ortssignale ergibt.

Trotz des für den Betrieb im proportionalen Bereich wegen der Signalhöhe etwas höheren Aufwandes erreicht man dabei den Vorteil, daß bei mit der Anger-Kamera vergleichbarer Quantenausbeute und einer gewissen Diskriminierbarkeit der Impulse eine

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genauere Ortslokalisation erzielt wird. Der Aufbau ist wesentlich einfacher.-Es ist keine Szintillationsschicht, die in der Regel aus einem Einkristall besteht, erforderlich und man braucht keine Anordnung einer Vielzahl aufeinander abstimmender Elektronenvervielfacher.

Aus Messungen wurde die Erkenntnis gewonnen, daß infolge der

hohen Eigenabsorption eines unter einem Überdruck von etwa 10 Atmosphären stehenden Gases, wie z.B. Xenon, hohe Quantenausbeute zu erwarten ist. Die obere Grenze ist hauptsächlich durch die Festigkeit der Eintrittsfläche bedingt und liegt etwa bei 20 at. Rechnet man z.B. mit einer Absorptionsdicke der Gasschicht von 10 cm, so errechnen sich für Xenon, welches unter einem Druck von 10 at steht, folgende Quantenwirkungsgrade :

Xe¹⁵³ 80 keV 89 %
Tc^99m 140 keV 37 %
J¹³¹ 360 keV 13 %

Die vorgenannten Größen gelten ohne Berücksichtigung der Auslösung von Elektronen an der Metallfläche des Eintrittsfensters. Dort kann noch ein zusätzlicher Effekt von 1 bis 2 % entstehen. Als sich ähnlich verhaltende Gase sind etwa auch jodierte Kohlenwasserstoffe anwendbar. Der Druck sollte auch dabei in obengenannter Größenordnung liegen, weil die Zahl der Moleküle je Raumeinheit dem Druck proportional ist.

In einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung besteht das Gehäuse des Bildwandlers aus einem druckdichten Behälter, dessen Seitenwände und Boden aus Stahl bestehen. An der Strahleneintrittsfläche kann ein Kollimator eingesetzt sein, der auch die Wirkungen der kontrastvermindernden Streustrahlen vermindert. Er besteht bekanntlich aus einem Wabengebilde, dessen Öffnungen

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in Richtung der einfallenden Strahlen verlaufen und τοπ 2 bis 4 mm dicken Wänden begrenzt ist, die meistens aus Blei bestehen. Die Öffnungen sollten bei einer Tiefe von 60 mm einen Durchmesser von 6 mm erhalten. Das Eintrittsfenster für die Strahlen, d.h. der Abschluß der Öffnungen des Kollimators an ihrer Grenze zum druckdichten Behälter hin, besteht aus einem strahlendurchlässigen Stoff, wie etwa Titan. Der Abschluß kann in der Form einer Folie von 1 bis 2 mm Dicke auf die Strahlenaustrittsöffnungen der Kollimatorschächte aufgezogen sein. An der Innenseite bezüglich des Behälters der Kammer schließt sich dann die aus Xenon bestehende Gasschicht an. Der Deckel der Kamera kann zweckmäßig zur Erhöhung der Stabilität gewölbt sein. Auf die Erzeugung der abbildenden Signale ist diese Form ohne Einfluß, weil die Strahlen im Gas absorbiert werden.

Bei einem Aufbau der Elektroden nach einer bekannten, im Iawinenbereich betriebenen Anordnung, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 1 764 905 beschrieben ist, sind nach der Erfindung die Röhrchen und die Innenleiter, die als Elektroden wirken, jeweils zu η-Reihen und η-Spalten zusammengeschaltet und auf 2n-Durchführungen geführt. Eine zusätzliche Durchführung kann für eine kapazitiv angekoppelte Signalplatte ver-

2 wendet werden. Eine solche Anordnung liefert η -Bildpunkte.·

Für die Diskriminierung und für die Ortsdarstellung der auftretenden Impulse gibt es bei bekannten Anordnungen, etwa bei der Anger-Kamera, verschiedene lösungswege. Einer ist etwa in "Nuclear Instrum. Meth.« 92 (1971) Heft 1, Seite 141 von Kullander und Mitarbeitern beschrieben. Bei Anwendung dieser Anordnung im Rahmen der Erfindung führen die Reihen und Spalten der Röhrchenanordnung auf Laufzeitketten. Wenn dann ein Impuls auftritt, so löst er zuerst ein Startsignal auf einer Signalplatte aus. Mit diesem Startsignal werden zwei Uhren gestartet, welche die Laufzeit einer Kette für die x-_vuna die

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-G-

y-Richtung feststellen. Diese Laufzeiten sind jeweils ein Maß für die Koordinaten und können zur Darstellung auf einem Oszillograf en verwendet werden. Die Impulshöhe jedes Impulses wird unabhängig davon von einem Diskriminator geprüft. So werden nur die Impulse gezählt, auf welche der Diskriminator eingestellt ist, etwa diejenigen, deren Höhe der 'gesuchten Gamma-Energie entsprechen. Die Darstellung kann auf einem display oder in einer Kern-Speicher-Matrix nach bekannten Vorbildern erfolgen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

In der Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher eine Funkenkammer in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist und wabenförmige Kathoden aufweist,

in der Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus der Anordnung nach Fig. 1 herausgezeichnet, bei dem besonders der sechseckige Querschnitt der Röhrchen sichtbar wird, in deren Längsachsen sich die Anoden in der Form runder Stiften befinden,

, in der Fig. 3 ist eine Ausbildung der Erfindung dargestellt,

bei welcher in konstruktiv einfacher Lösung die Kathoden plattenförmig sind und die Anoden als Stäbe in die Zwischenräume dieser Platten eingeführt sind und

in der Fig. 4 das schematische Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung, mit der die Schwerpunkte der Flecken bestimmt werden, an denen Strahlen auf die erfindungsgemäße Anordnung auftreffen.

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In der Fig. 1 ist die mit den Hähnen 1a und 1b versehene druckfeste Kammer mit 1 bezeichnet, in welcher die Anoden 2 angeordnet sind, die am positiven Pol der Gleichspannungsquelle 3 liegen. Der negative Pol der Stromquelle 3 ist mit der Kathode 4 verbunden, die aus einer in Reihen zusammengefaßten Mehrzahl von Röhrchen besteht, die quer zu den Reihen gegeneinander durch die 0,2 mm-dicken Zwischenlagen 5 aus. Glimmer elektrisch isoliert sind. Die Kathodenröhrchen werden aus aneinander gelagerten 100 mm breiten Streifen 7 aus 0,30 mm starkem Messingoder Schwermetallblech (Fig. 2) erhalten, die ein Profil haben, das nebeneinander erhaben und eingedrückt jeweils die Form eines halben Sechsecks hat. Beim Aneinanderlegen der Bleche werden so bienenwabenartig angeordnete sechseckige Röhrchen von 6 mm Durchmesser erhalten. Die Anode ist in der Form der Stäbe 8 jeweils· in der Längsachse der sechseckigen Röhrchen angebracht und dort am Anfang und am Ende der Röhrchen durch ein Stück Isolierstoff 9 und 10 aus Acrylglas gehalten. In den Röhrchen der "Kathode 4 ist eine aus Xenon bestehende Gasatmosphäre enthalten, zu deren Einbringung und gegebenenfalls Nachfüllung oder Austausch, dem Raum des Kastens 1 gegenüber, in die Halterungen 9 und 10 am Anfang und am Ende der Kathodenröhrchen je eine Öffnung 9a und 10a vorgesehen ist.

Beim Anlegen einer Spannung zum Betrieb im Proportionalbereich, in vorliegendem Fall ca. 8 kV, und Auftreffen der ionisierenden Strahlen in Richtung der Pfeile 6 wird an den Stellen, an denen Strahlen in die Röhrchen einfallen, in Abhängigkeit von der Anzahl der absorbierten Quanten eine Entladung erhalten. Diese Entladungen ergeben Signale, die in der mit 10' bezeichneten Analysieranordnung, deren Einzelheiten aus Fig. 4 hervorgehen, in ein sichtbares Bild umgewandelt werden.

In der wegen ihrer einfachen Konstruktion vorteilhaften Ausbildung der Erfindung nach Fig. 3 besteht die Kathode aus den ne-

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beneinander angeordneten Platten 11, die 90 mm breit, 0,30 mm stark sind und aus einem Metall mit mittlerer Ordnungszahl, hier aus Nickel, bestehen. Sie haben einen Abstand von 3 mm, der jeweils am oberen und am unteren Rand der Platten 11 durch Abstandshalter 12, 13 aus isolierendem Kunststoff, nämlich Acrylglas, gehalten wird. In dem Kunststoff sind als Anoden mit ihren Längsachsen parallel zu den Platten 11 und zueinander Metallstäbe 14 gehaltert, die an ihrer Unterseite durch die Abstandshalter 13 hindurchgehen und an ihrer oberen Seite noch vor dem Erreichen der Oberfläche der isolierenden Abstandshalter 12 enden. Die Stäbe 14 bestehen aus rostfreiem Stahl, haben kreisförmigen Querschnitt mit einem,,Durchmesser von 1 mm und eine länge, die derjenigen der Plattenbreite bis auf etwa 0,5 mm entspricht. Die angelegte Spannung beträgt ca. ·6 kV.

Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung stimmt im wesentlichen mit derjenigen nach den vorhergehenden Figuren 1 und 2 überein. Der einzige Unterschied besteht darin, daß bei dieser Ausbildung keine getrennten Röhrchen mehr gebildet sind. Auch hier treten die Strahlen in den Zwischenraum zwischen den Kathodenplatten 11 und den Anodenstäben 14 in den Gasraum ein, der bei dieser Ausbildung mit Xenon gefüllt ist und unter einem Druck von 8 at steht.

Durch die Streifen 7 gemäß Fig. 1 und 2 oder die Platten 11 nach Fig. 3 ist eine längsausgedehnte Kathode vorhanden, die eine Reihe darstellt, über die die Abbildungsfläche verläuft. Quer dazu verlaufen die elektrischen Verbindungsleitungen bis 20 der Stäbe 8 bzw. die Verbindungsleitungen 21 bis 29 der Stäbe 14 (Fig. 3). Die Ableitungen der Kathoden sind bei der Fig. 2 mit 30 bis 33 bezeichnet und bei der Fig. 3 mit' 34 bis 36. Es ist so leicht einzusehen, daß aus einer Zusammen-Schaltung der Ableitungen 15 bis 20 mit 30 bis 33 bzw. 21 bis

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29 mit 34 bis 36 stets aus den abgeleiteten Werten durch die Zuordnung zu bestimmten Streifen 7 oder Platten 11 und einer bestimmten Reihe der Stiften 8 bzw. 14 signifikante, den Schnittpunkt der Reihen bezeichnenden x-y-Signale erhalten ·" werden können. Da diese Signale nacheinander anfallen, kann außerdem noch eine Diskriminierung der Höhe der einzelnen Signale in an sich bekannter Weise vorgenommen werden. ·

Die Bestimmung des Auftreffortes des Strahlenfleckes bzw. dessen Zentrums geschieht nach Fig. 4 in bei Gammakameras an sich bekannter Weise durch analoge Schwerpunktsbildung. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 4 nur einige im Ausführungsbeispiel der wirklich vorhandenen Elektrodenreihen entsprechend den Ableitungen 15 bis 20 und 30 bis 33 bzw. 21 bis 29 und 34 bis 36 vorhandenen Reihen gezeichnet und mit 37 bis 41 bzw. 42 bis 46 bezeichnet. Sie sind jeweils über hochohmige Widerstände 47 und 48 mit de3?£;ugehörigen Gleichspannungsquelle 49 verbunden. Wie in Fig. 4 erläutert, werden in den Reihen 37 bis 41 und den quer dazu liegenden Reihen 42 bis 46 die von dem im Fleck 50 eindringenden Strahlenbündel gebildeten Entladungen gesammelt und in ladungsempfindlichen Torverstärkern 51 bis 55 bzw. 56 bis 60 zu weiterverarbeitbaren Signalen verstärkt. Die Signale X·, die jeweils den i-ten Reihen bis* 46 zugeordnet sind, und deren Höhe dem Anteil der an der einen Seite gesammelten Ladungsträger aus dem Strahlenfleck entspricht, werden in einem Koordinaten-Netzwerk 61 entsprechend der. Lage des zugehörigen'Elektrodenstreifens bewichtet, i ist die Zahl der fortlaufenden Zählung der Reihen und χ bedeutet die x-Koordinate. Bei der Bewichtung wird dem Signal x. mit Hilfe eines Spannungsteilers aus den Widerständen 62 bis 71 ein Faktor a. aufgeprägt. Durch geeignete Wahl der Widerstände 62 bis 71 stellen die Bewichtungsfaktoren a^ diskrete Koordinatenwerte der jeweiligen Reihen i in x-Richtung dar. Als geeignete Wahl sind hier Widerstände verwendet, die Spannungs-

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teiler ergeben, deren Verhältnis dem a. entspricht und sich zu i/i ergibt. Dabei ist i die laufende und i die größte vorhandene Zahl der Streifen. Außerdem sind die Summen beider Widerstände jedes Spannungsteilers gleich.

Die bewichteten Signale a.x. werden in einem Summenverstärker aufsummiert. Man erhält ein Signal ^T a.x., aus dem dann nach Division im Quotientenbildner 73 durch das im Summenverstärker erhaltene Summensignal aller unbewichteten Signale x. ein normiertes Ortssignal

χ _ Σ ^al^xl

folgt.

Das X-Signal und das in entsprechender Weise mit Hilfe der Anodenreihen 37 bis 41 im Koordinatennetzwerk 75 (identisch 61) gebildete Y-Signal werden in vorliegendem Beispiel auf das Abbildungselement 76 ein XY-Oszilloskop gegeben und mit einem Z-Signal hellgetastet, das durch Impulshöhendiskriminierung des unbewichteten Summensignals Z- X₁ im Einkanaldiskriminator 77 gewonnen wird. Damit wird im XY-Diagramm des Elements 76 der Shwerpunkt des Flecks 50 des auf eine Anordnung nach Fig.1, 2 oder 3 auftreffenden Strahlenbündels dargestellt. Diese stimmt mit dem Lager des ursprünglichen Absorptionsortes eines Gamma-Quants der durch den Diskriminator 77 bestimmten Energie ■in der Anordnung überein, so daß die gewünschte sichtbare Darstellung erhalten wird. . -

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Claims

Patentansprüche

f 1.^Bildwandler'zur Sichtbarmachung von mittels Gamma- oder ähnlitn durchdringenden Strahlen erzeugten Bildern durch Umwandlung der im Querschnitt des das sichtbar zu machende Bild tragenden Strahlenbündels enthaltenen Verteilung der Strahlendichte in ein Entladungsbild, mittels einer Kathode und einer in Abstand davon liegenden Anode, wobei der Raum zwischen den Elektroden ein Gas enthält und die Elektroden an einer Spannung liegen, die bei Strahleneinfall an den betreffenden Stellen in Abhängigkeit von der Strahlung die Bildung elektrischer Entladungen hervorruft und bei welcher sowohl die Kathode als auch die Anode aus einer Mehrzahl von Teilen bestehen, deren große Flächen wenigstens angenähert senkrecht zur Strahleneintrittsfläche des Bildwandlers liegen, so daß das elektrische Feld parallel zu dieser Fläche verläuft, dadurch gekennzeichnet , daß das Gas unter einem Druck in der Größenordnung von 10 Atmosphären steht, daß die angelegte Spannung den Betrieb im Proportionalbereich gewährleistet und daß die Teile der Anode und diejenigen der Kathode in Reihen zusammengefaßt sind, wobei die Reihen der Elemente der Kathode und diejenigen der Anode in einem Winkel zueinander stehen und daß die Reihen elektrisch mit einer Vorrichtung zur elektronischen Scbvserpunktsbildung verbunden sind, die zur Ortung des auf die Anode auftreffenden Entladungsbündels abbildbare Ortssignale ergibt.
2. Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen senkrecht zueinander verlaufen.
3. Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. · die Verbindung zur Vorrichtung zur Schwerpunktsbildung einen Impulshöhendiskriminator enthält. .

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