DE2250033C3

DE2250033C3 - Konverter zur Umwandlung der bildmäßigen Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Bündels Röntgen- oder Gammastrahlen

Info

Publication number: DE2250033C3
Application number: DE19722250033
Authority: DE
Inventors: Karl Hans Dr.-Ing. 8520 Erlangen Reiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-10-12
Filing date: 1972-10-12
Publication date: 1979-09-06
Also published as: DE2250033B2; FR2203167A1; GB1416758A; JPS4995595A; FR2203167B1; DE2250033A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Konverter zur Umwandlung der bildmäßigen Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Bündels Röntgen- oder Gammastrahlen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Konverter sind aus der DE-OS 14 39 270 bekannt.

Daß man auch mit dem äußeren Fotoeffekt Bilder erzeugen kann, ist seit geraumer Zeit bekannt. Er findet Anwendung in der Ionografie und der Elektroradiografie. Dabei kann man die Zahl der primär ausgelösten Elektronen, die bildmäßig von Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen erzeugt werden, sehr einfach nach der Lehre obengenannter DE-OS 14 39 270 mit einer Gaslawinc verstärken. Dazu wird in einem homogenen elektrischen Feld geeignet hoher Feldstärke ein geeignetes Gas der Einwirkung der Strahlenverteilung ausgesetzt. Dies hat sich aber bei der Abbildung von Durchleuchtungs- etc. Bildern, etwa in der Röntgen- und Isotopen-Diagnostik, bisher nicht durchsetzen können. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Röntgen- und Gammaquanten in äußere Fotoelektronen ist zu gering. Der Quantenwirkungsgmd beträgt z. B. für die Umwandlung von diagnostischer Röntgenstrahlung in Fotoelektronen bei Verwendung einer Schwermetallschicht optimaler Dicke nur etwa 0,5%. Dies bedeutet aber, daß der größte Teil der Information, die in den Röntgenquanten steckt, bei der Umwandlung verloren g?ht- Zwar können mittels der Lawinenverstärkung die Verluste an Ladungsmengen bequem ausgeglichen werden, das Bild wird aber durch den Informationsverlust sehr stark durch Rauschen, und zwar statistischem Quantenrauschen, beeinträchtigt

Aus der DE-AS 14 89 739 ist eine »Funkenkammer-Anordnung zum lokalisierenden Nachweis von Kernstrahlungsteilchen, Gamma- oder Röntgenquanten« bekannt Dabei wird eine Kammer verwendet, die eine Sammel-Kathode, eine Funkenkathode und eine Funkenanode aufweist. Aus diesem Aufbau ist erkennbar, daß diese Anordnung bei hinreichender Absorption von Röntgenstrahlen, die in Gas erfolgen muß, lange Absorptionswege aufweisen muß. Solche können aber bei der üblichen Röntgendiagnostik nicht gebraucht werden, weil man dabei die notwendige Auflösung verliert. Eine Verbesserung könnte zwar durch Erhöhung des Druckes erreicht werden; dies setzt aber dann bei den in der Röntgendiagnostik erforderlichen großen Flächen und der unerläßlichen Genauigkeit ausreichende mechanische Festigkeit voraus, die schwierig zu erreichen ist.

Mehrstufige Elektronen vervielfacher-Anordnungen sind aus der GB-PS 8 20 736 bekannt; vgl. insbesondere die Figuren mit der dazugehörigen Beschreibung und die Ansprüche 1 und 2. Bei einer Übertragung der daraus bekannten Lawinenverstärkeranordnung auf den Gegenstand des obengenannten Standes der Technik würde sich infolge der stufenweisen Weiterverstärkung der Ladungsträger zwischen benachbarten Gitterelektroden eine Überbewertung der eingangsseitigen ersten Stufen ergeben. Die weiteren, durch Fotoeffekt an den folgenden Gitterelektroden ausgelösten Signale würden im Rauschen der ersten Stufe untergehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Konverter zur Umwandlung der bildmäßigen Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Bündels Röntgen- oder Gammastrahlen gemäß Oberbegriff des Anspruches I die Quantenausbeute zur Umwandlung der im Querschnitt eines Bündels durchdringender (Röntgen-, Gamma-) Strahlen enthaltenen bildmäßigen Intensitätsverteilung in bildmäßig auswertbare elektronische Information zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Für den Regelfall werden bei einem Röntgenkonverter der erfindungsgemäßen Art zur Erzeugung eines Stromes geladener Teilchen, dessen Teilchendichte mit der Verteilung der Röntgenintensität übereinstimmt, eine große Anzahl paralleler, flächenhafter. sich einander gegenüberstehender gitterartiger Elektroden angewendet, die für Ladungsträger im Gasraum wenigstens teilweise durchlässig sind, also beispielswei se Gitter, Netze oder Lochblechc genügend feiner

Teilung. Der Gasraum zwischen den einzelnen Netzen wird auf eine elektrische Feldstärke gebracht, die nach Vorzeichen und Größe ausreicht, zwischen jeweils zwei Netzen entsprechende Ladungsträger mindestens so zu vervielfachen» daß die unvermeidlichen Verluste durch Abdiffusion von Ladungsträgern an die Elektroden wenigstens gedeckt werden. Die einzelnen Netze etc. brauchen dazu pur an abgestufte Potentiale gelegt zu werden, die durch außen angebrachte Spannungsquellen erzeugt werden. Die Feldstärke zwischen den Elektroden soli so groß sein, daß eine schwache Lawinenverstärkung einsetzt, dies ist der Fall zwischen 1 und 10%, vorzugsweise 3%, unter der Durchbruchsfeldstärke des Gases im homogenen elektrischen Feld.

In einer anderen Anordnung ist die Potentialverteilung so gewählt, daß an der Einstrahlungsseite die Potentiale kleiner sind als an den Elektroden, die der Anode naheliegen. Ein größerer Sprung ist insbesondere zwischen dem letzten Gitter und dem vorletzten Gitter günstig. Dadurch erhält man mehr Freiheit bei der parallelen Ausrichtung der Bildfläche, weil Jann die Lawinenverstärkung vorzugsweise im Raum zwischen diesen beiden Gittern stattfindet, während der Raum zwischen Anode und letztem Gitter nur Sättigungsfeldstärke aufweisL

Eine Beschichtung der Netze mit Schwermetall, etwa Gold, fördert die Elektronenausbeute und erhöht die Rückstreuung schneller Elektronen. Dadurch kann auch dieser Weg zur Erzeugung guter Bildauflösung gegangen werden, weil dann die mittlere Reichweite der Elektronen zurückgeht Am letzten Netz erhält man wenigstens für jedes wirksam absorbierte Röntgenquant eine einstellbar erhöhte Anzahl von Ladungsträgern. Insgesamt kann der Quantenwirkungsgrad durch die Anordnung gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich gesteigert werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden zur weiteren Erläuterung des Prinzips näher beschrieben. Ej handelt sich dabei um eine grundlegende Studie, bei der noch keineswegs die Grenzen des Verfahrens erreicht sind:

Als Gitter wurden feinmaschige Drahtnetze aus V2A-Stahl mit einer Maschenweite von 56 μηι und einer Drahtstärke von 40 μπι (Kreuzgewebe) über eine Anzahl ineinander passender konzentrischer Ringe gespannt. Diese Ringe wurden durch dünne Beilagen aus Polycarbonatfolie voneinander elektrisch isoliert und in einem Abstand von 0,20 mm gehalten. Der nutzbare Durchmesser war derjenige des innersten Ringes, in diesem Falle 90 mm. Eine solche Anordnung aus 7 Gitterii gleicher Art wurde als Kathode in einer Ionisationskammer verwendet, die mit Argon von atmosphärischem Druck gefüllt wurde. Bei Anlegung von 450 bis 500 V zwischen den Elektroden zeigte sich, daß die lonisationswirkung an allen Gittern einen Beitrag zur Gc;j.iTiiionisation leistete. Durch Feinvariation der Spannung zwischen den einzelnen Gittern ließ sich der Gesamtionisationsstrom in der Kammer steuern. Die Quantenausbeute wurde durch Zählung der Ladungsimpulse und durch Zählung der einfallenden Röntgenquantcn bestimmt. Es zeigte sich, daß schon bei dieser einfachen Versuchsanordnung eine Quantenausbeute von etwa 5% erreicht wurde (im Gegensatz zu 0,5% bei bekannten Anordnungen mit einer optimalen Goldkathode).

Weitere Ausführungsbe/piele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.

In der Fig. I ist der schematische Querschnitt und andererseits das Blockschaltbild einet Anordnung dargestellt, bei welcher die im Konverter erzeugten geladenen Teilchen auf einer Isolierfolie aufgesammelt werden, die dann nachträglich zur Xeroentwicklung ~> herangezogen wird,

in der Fig.2 der bei Veränderung der angelegten Spannung erzielbare Steuereffekt und

in der F i g. 3 der schematische Querschnitt durch eine Röntgenaufnahme-Einrichtung mit einem Konverter.

in Die Kammer des in Fig. 1 gezeichneten Aufbaus besteht aus einem Aluminiumgehäuse 1, das mit einem Gaszufluß 2 und einem Gasabfluß 3 versehen ist. Sie ist mil einem Deckel 4 über eine Dichtung 5 geschlossen. Die einzelnen Gitter 7 sind hier nur schematisch

ι ι eingezeichnet; sie liegen alle über Spannungsteiler 9 bis 15 (je 500kß) und Schutzwiderstände 16 bis 21 (je 10 ΜΩ) an der Gleichspannungsqueüe 8. Das Meßinstrument 2? zeigt die Ionisationsströme bzw. die Impulsfolgen an,die entstehen, wenn ·'.'·,: Röntgenstrah-

Ki lung 23 eingeschaltet wird. Zur Vermeidung von Randeffekten ist der Deckel 4 mit einem als Meßelektrode wirkenden Einsatz 24 versehen, der isoliert durch einen Ring 25 aus Polytetrafluoräthylen im Deckel 4 befestigt ist. Wir geben aus dem Versuchspro-

.', gramm, das mit einer solchen Anordnung gemessen werden kann, nur einen kleinen Auszug, der das Funktionieren der Anordnung beweist.

In Fig. 2 ist der Ionisationsstrom, der an dem Instrument 22 gemessen wird, in Abhängigkeit von der

m Spannung zwischen dem sechsten und siebten Netz, d. h. zwischen den Gittern 26 und 27 (U_b-i), also der Spannung zwischen den Spannungsteilern 9 und 10 wiedergegeben. Die Füllung der Ionisationskammer wurde mit reinem Argon vorgenommen. Die Röntgen-

). strahlung beträgt 3,9 · ΙΟ"⁶ I/kg(15 mR/sec). Es handelt sich um die sog. ICRU-Strahlung, d. h. eine Röntgenstrahlung von 7 mm Al Halbwertsschicht. Man sieht in der Kurve (Fig. 2), daß oberhalb einer gewissen Spannung, hier 450 V, die Lawinenverstärkung in der

<" Gass /ecke zwischen den Gittern 26 und 27 beginnt und daß sich die dort erzeugten Ströme offenkundig durch die übrigen sechs Netze hindurch bis in den Raum zwischen dem obersten Gitter 28 und der Meßeiektrode 24 hinein auswirken.

ι. Eine zusätzliche Möglichkeit, die bildmäßige Auflösung zu testen, ist in der F i g. 1 durch die Isolierschicht 6 angedeutet. Bringt man diese Isolierschicht in die Ionisationskammer ein, so ist zwar keine kontinuierliche Strommessung mehr möglich, man kann aber auf einer

>i' solchen Isolierschient, z. B. einer Polycarbonatfolie von 200 μπι Dicke die Ladungen auffangen und mit den bekannter elektrofotografischen Verfahren (Pulver-, Staubentwicklung) sichtbar machen. In diesem Falle ist es möglich, auch die bildmäßige Verteilung von

v> Röntgenstrahlen 23 zu durchsuchen.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel dieser Erfindung ist eine großflächige Aufnahmeeinrichtung, wie sie im Prinzip in der F i g. 3 im Ausschnitt dargestellt ist. Dabei sind sehr viel feindrahtigere Gitter 29 bis 33 als Gitter

>(■ im normalen Rontgenbildformat 30 χ 40 cm² verwendet, die voneinander nicht nur am Rand, sondern über die ganze Fläche mit ebenfalls sehr feinmaschigen dünnfädigen Isoliernetzen 34 bis 38 aus Polytetrafluoräthylen auf Abstand geiialten werden. Die Metallnei/f·

.. der Gitter 29 bis 33 bestehen aus V2A und haben eine Maschenweite von 25 μηι bei einer Drahtstärke von 22 μπι (sog. 540 Mesh-Netze). Die Abstand haltenden Isoliernetze 34 bis 38 bestehen aus einem KrcuzEewebc

mit Einzelfäden von 10 μηι Dicke in einer Maschenweite von 25 μιη. Zwischen den Gittern 29 bis 33 liegen über die Anschlüsse 43 bis 49 Spannungen von 200 bis 250 V. Insgesamt werden in Ergänzung der zwischen dem Gitter 29 und dem Netz 35 unterbrochenen gezeichneten Anordnung 20 Gitter übereinander geschichtet und am Rand durch Verklebung aus Epoxydharz gehalten. Die Gasfüllung der Kammer besteht aus Argon mit einem Zusatz von 10% Methylal. Die Quantenausbeute der Gitter kann vor dem Einbau durch Vakuumbedampf:ing mil Gold verbessert werden. Eine derartige Anordnung gibt eine Auflösung von etwa 8 Per/mm für die diagnostisch verwendeten Röntgenstrahlen, die aus einem Fokusabstand von 100 cm einfallen. Der Quantenwirkiingsgrad liegt im Vergleich zu bekannten Anordnungen, bei denen er 0,5% beträgt, bei etwa 12%. Die gesamte Absorption dieser Netze für die Röntgenstrahlung beträgt 45%. Ein besserer Quantenwirkungsgrad bei vergleichbarer Auflösung wird auch in einer üblichen Kombination von Röntgenfilm und Verstärkerfolie nicht erreicht.

Weitere Kombinationen zu einer schnellen Durchleuchtungseinrichtung oder zu einer nuklearmedizinischen Gamma-Kamera unterscheiden sich von der dargestellten und beschriebenen Anordnung lediglich im Wiedergabeteil, der sich erst an dem gemäß Fi e 1 ausgebildeten Konverter der durchdringenden Strahlen in ein Ladungsbild anschließt. Dazu kann die Isolierschicht 6 z. B. zur Erzeugung von Videosignalen ersetzt werden durch das Target einer Fernsehabtaströhre. Die Dimensionen und die konstruktiven Gestaltungen können in Anpassung an gewünschte Anwendunp^n entsprechend modifiziert werden.

In Anwendung des weiter oben angegebenen Prinzips werden die Anordnungen an Spannungen von 180 bis 300 V gelegt. Diese sind durch Wahl der Spannungsteiler so angelegt, daß zwischen der Eingangselcktrode .14 und dem ersten Netz 29 eine Spannung von 180 V, zum zweiten Netz 185 V und kontinuierlich jeweils 190 V mehr bis zum vorletzten Netz 3' anliegen. Die dp.^r . verbleibenden 300 V cr/.cügi-ii uai'iit ich Raum 38 vor dem Netz 33 eine Lawinenverstärkung um den Faktor 30 bis 150. Im Raum 42 zwischen dem letzten Gitter 33 und der Anode 40 liegt ein Feld im Sättigungsbereich, so daß die bildliche Verteilung der Ladungsträger auf der Isolierschicht 41 aufgesammelt wird. Dadurch werden die i,i der Beschreibung bereits angegebenen Vorteile erzielt.

'*'.-!..u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Konverter zur Umwandlung der bildmäßigen Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Bündels Röntgen- oder Gammastrahlen in eine davon abhängige bildmäßig verteilte Strömung elektrisch geladener Teilchen mittels in einem Gasraum angeordneter, zum Teil gitterförmiger Elektroden, die an von der Kathode zur Anode hin abgestuften Potentialen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode (24 und 40) und Kathode (1 und 39) wenigstens zwei gitterförmige Elektroden (7, 29 bis 33) angeordnet sind, daß das zwischen diesen sich ausbildende elektrische Feld zwischen 1 und 10% unter der Durchbruchsfeldstärke des Gases im homogenen elektrischen Feld liegt.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich ausbildende elektrische Feld im Mittel 3% unter der Durchbruchsfeldstärke des Gases im hotnogenen elektrischen Feld liegt,

3. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einstrahlungsseite (Kathode 39) die an den Gittern (7, 29 bis 32) anliegenden Potentiale kleiner sind als an den Gittern (32,33), die der Anode (24, 40) naheliegen, und ein größerer Spannungssprung zwischen dem letzten Gitter (28, 33) und dem vorletzten Gitter (32) vor der Anode liegt und daß der Raum zwischen Anode und letztem Gitter nur Sättigungsfeldstärke aufweist.

4. Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dab die Kathode (1, 39) aus einer Aluminiumfolie besteh¹, und in Abständen von jeweils 0,25 mm auf die vCa'.hode und aufeinander Gitter (7, 29, 33) folgen und daß nach dem letzten Gitter (28, 33) in Abstand von 1 rnm die Anode (24, 40) folgt, daß auf der Anode eine elektrisch isolierende Folie (6,41) liegt und daß die Füllung aus Gas, aus Argon und Methan besteht und daß die angelegten Spannungen zwischen der Kathode und dem ersten (26, 29) und den weiteren Gittern (7, 27 bis 28) untereinander jeweils 450 bis 500 Volt betragen und diejenigen zwischen dem vorletzten Gitter (32) zu der Anode und dem letzten Gitter (28, 33) vor der Anode 650 Volt beträgt.

5. Konverter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (7, 29 bis 33) mit Schwermetall, wie Gold, beschichtet sind.

6. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (7, 29 bis 33) unter Zwischenlegung von Isoliergittern (34 bis 38) aufeinandergeschichtet sind.