DE2258364C3 - Verfahren zur Erzeugung eines elektrostatischen Bildes auf einem dielektrischen Blatt mittels Röntgenstrahlen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines elektrostatischen Bildes auf einem dielektrischen Blatt, bei dem das dielektrische Blatt in der Nähe einer Elektrode in einem gasgefüllten Spalt zwischen einer Anode- und einer Kathode gebracht wird, die an einem abzubildenden Gegenstand angeordnet sind, bei dem dann Röntgenstrahlen durch den Gegenstand und eine der Elektroden hindurch in den Spalt geschickt werden und über den Elektroden ein hohes Potential aufrechterhalten wird, um eine der Arten geladener Teilchen auf dem dielektrischen Blatt abzulagern.

Bei einer bekannten radiographisctien Anordnung (DE-PS 14 97 093) werden Primärelektronen von den Röntgenstrahlen aus einer Schwermetallschicht her ausgestoßen, um in einer gasgefüllten Ionisierungskammer eine Stoßionisation einzuleiten, wobei für die Gasfüllung Gase wie Kohlenstofftetrafluorid (CF₄), Monochlortrifluormethan (CF3CI), Monobromtrifluormethan (CFjBr) und Schwefelhexafluorid (SF₄) verwendet werden. Das Gas sollte unter einem geringen Überdruck von einigen Torr — bspw. 5 Torr — gehalten werden, um die auftretenden Leckverluste in der Wand der lonisierungskammer automatisch auszugleichen. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein relativ leichtes Gas benutzt und die Röntgenstrahlen werden in der schweren Elektrode absorbiert, die die Elektronen emittiert. Im Gasraum werden diese Elektronen dann beschleunigt.

Nach einem weiteren Verfahren (Zeitschrift für Angw. Physik, Bd. 19, S. 1 (1965) (das manchmal auch als Ionographie bezeichnet wird)) wird eine Anordnung aus einem Elektrodenpaar, zwischen dem eine Potentialdifferenz angelegt und einem dazwischenliegenden, gasgefüllten Spalt verwendet. Ein dielektrisches Blatt ist auf der Anode befestigt, und die Kathode besteht aus einem Elektronen absorbierenden Schwermetall, wie Blei, oder ist damit überzogen. Eine typische Spaltbreite zwischen den Elektroden beträgt 0,5 mm. Wenn das Gas im Spalt Atmosphärendruck hat, ergibt sich ein Spaltbreiten-Druck-Produkt in der Größenordnung von '/₂. Im Betrieb duchquert der auf die Anode

auftreffende, differentiell absorbierte Röntgenstrahl die Anode (die aus einer Röntgenstrahlen durchlassenden Substanz wie Aluminium oder Beryllium besteht), durchquert das Gas mit sehr geringer Dämpfung und trifft auf die Kathode auf, die als Photoemitter arbeitet und einen Strom in das Gas aussendet, wobei die von einer gegebenen Fläche ausgesandte Stromdichte proportional der einfallenden Röntgenphotonendichte ist. Das Gas im Spalt arbeitet als gasförmiger Verstärker, wobei der Anfjmgsstrom verstärkt wird durch Elektronen Vervielfachung und Lawineneffekt in Gegenwart einer beschleunigenden Potentialdifferenz. Auf diese Weise wird der anfangs ausgesandte photoelektrische Strom von der Kathode beträchtlich vergrößert, und zwar um etwa sechs Größenordnungen oder möglicherweise mehr.

Das Blei oder ein sonstiges Schwermetall oder der Metallüberzug der Kathode emittiert bei der Absorption von Röntgenstrahlen sowohl primäre Photoelektronen (die von den fest gebundenen K- oder L- oder M-Hüllen emittiert werden), als auch sekundäre Elektronen, die durch die Ionisierungswirkungen der Primärelektronen im Metall hervorgerufen werdan.

Die Primärelektronen haben eine hohe Energie, typischerweise einige lOkeAf, und sie erzeugen viele Sekundärelektronen in der Kathode und verlieren dabei ihre Energie. Die meisten der Primärelektronen verlieren so viel Energie b«:i der Sekundärionisation, daß sie in der Kathode gelangen werden. Nur sehr wenige Primärelektronen verlieren nur eine geringe Energiemenge und werden in den gasgefüllten Spalt zwischen der Kathode und der Anode emittert (wobei das Gas z. B. Argon mit 10% Äther oder eine 50—50 Freon-Propan-Mischung bei Atmosphärendruck ist). Die in dem Emittermaterial von den Primärelektronen erzeugten Sekundärelektroncn sind auch meist nicht in der Lage, aus der Emitteroberfläche auszutreten. Einige der Sekundärelektronen, nämlich einige von denen, die sehr dicht an der Emitteroberfläche erzeugt werden, treten in das Gas aus.

Das Verhalten der Primär- und Sekundärelektronen im Gasspalt ist ziemlich unterschiedlich. Die hochenergetischen Primärelektronen durchqueren das Gas ohne einen bedeutenden Energieverlust und erzeugen eine Spur von lonenpaaren in dem Gas Die in diesem Prozeß erzeugten Elektronen werden dann zu der sammelnden Anode abgesaugt, und die bekannte Anordnung wird mit ausreichend hoher Hochspannung über dem Spalt betrieben, ro daß eine Elektronen-Lawine erzeugt wird, wodurch das Gas als Elektronenverstärker arbeitet. Die in dem Gas durch lonenpaarbildung von den Primärelektronen erzeugten Elektronen sind für die Bilderzeugung nicht brauchbar, da sie in dem Spalt über Strecken erzeugt werden, die vergleichbar mit oder größer als die Gasspaltbreite sind (in Abhängigkeit vom Austrittswinkel der erzeugenden Primärelektronen), und sie führen deshalb zu einer Bilddiffusion. Die Primärelektronen sind deshalb die Ursache des Hintergrundes.

Die Sekundärelektfonen mit Energien unter etwa 100 eV haben eine extrem kurze mittlere frei Weglänge im Gas, und zwar viel kürzer als die Spaltbreite, und sie nehmen in wenigen Kollosionen Energien auf, die vergleichbar mit der lonisierungsenergie der Atome und Moleküle des Gases im SpalL Sie können in Abhängigkeit von ihrer Energie einige wenige lonenpaare erzeugen, und sie können am Elektronenlawinennrozeß teilnehmen, der zu dem hohen Verstärkungsver-

halten des Gasspaltes führt. Das brauchbare Bild wird durch Sammeln dieser Sekundärelektronen und der von diesen Sekundärelektronen im Lawineriprozeß geschaffenen Elektronen auf dem dielektrischen Empfänger erzeugt, und die erhaltene Bildauflösung ist begrenzt durch seitliche Diffusion dieser Elektronen, die sehr viel geringer als eine Spaltbreite ist

Bei diesem oben beschriebenen Verfahren absorbiert das Gas im Spalt einen vernachlässigbaren Bruchteil der einfallenden Röntgenstrahlen aufgrund der geringen Absorptionsfähigkeit der verwendeten Gase und dank des beinahe Atmosphärendruck erreichenden Gasdrukkes im Spalt Die Elektronenquelle bei diesem Verfahren ist damit die Kathode, und das Gas dient nur als ein Lawinen-Elektronenvervielfacher. Die ankommenden Elektronen werden auf der nichtleitenden Oberfläche des dielektrischen Blattet; an der Anode gespeichert Wenn einige der Röntgenstrahlen in einem Objekt zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Emitter absorbiert werden, z.B. in r':,em Metallgußstück oder im menschlichen Körper, dann ändert sich der Ladungsaufbau auf der Oberfläche des dielektrischen Blattes mit dem Ort und bildet ein elektrostatisches Bild des geröntgten Objektes. Dieses Bild Kann mit Pub'^rentwicklungstechniken sichtbar gemacht werden, die denen xerographischer Kopiermaschinen ähnlich sind.

Jedoch besitzt dieses bekannte Verfahren eine geringe Röntgenstrahlenempfindlichkeit aufgrund der geringen Austrittswahrscheinlichkeit der in der photoemittierenden Kathode erzeugten Elektronen und eine daraus folgende schlechte photoelektrische Quantenausbeute-, ferner sind sehr strenge Anforderungen an die Parallelität der Elektroden zu stellen, weil die Vorrichtung mit hohen Verstärkungswerten im Spalt arbeiten muß; und schließlich tritt eine schnelle Sättigung des Bildes durch den Aufbau verlangsamender elektrischer Felder in Bereichen hohei Ladmgsdichte auf dem dielektrischen Empfänger ein, was zu einer drastischen Verringerung der »Geräteverstärkung<< in diesen Bereichen und damit zu einem begrenzten Kontrast führt. Dieser Effekt ergibt sich erstens aus der Notwendigkeit, die bekannte Vorrichtung bei sehr hohen Verstärkungswerten betreiben zu müssen, worauf die elektrische Feldstärke einen erheblichen Einfluß hat, und zweitens aus der Tatsache, daß die Beschleunigungspotentiale in der Vorrichtung, die bei atmosphärischen und unteratmosphärischen Drücken betrieben wird, relativ gering sind (ungefähr 1000 V oder weniger), so daß die verlangsamenden Potentiale einen beachtlichen Bruchteil der Anfangspotentiale darstellen. Besonders ungünstig für die Brauchbare!' ii; der medizinischen Diagnos ist die geringe Empfindlichkeit, die wiederum in direkter Beziehung steht mit der se!ir schlechten photoelektrischen Quantenausbeute aller Feststoffe.

Es ist bekannt (US-PS 35 26 767), schnelle Bildsättigung durch die Vorwendung kompensierender Ladungen zu überwinden, jedoch findet sich auch dort kein Hinweis daiauf, wie die schlechte Quantenausbeute merkbar zu verbessern ist.

Die Quantenausbeute ist definiert als der Bruchteil der Röntgenphotonen, der von einem Element absorbiert wird und zu einem feststellbaren Ereignis führt, wie zu einer Elektronenlawine oder einer Gasdurchbruchsentladung. Eine geringe Quantenausbeute führt zu großen Quantenfluktuationen, unabhängig von dem Mittel, das zum Ermitteln oder Verstärken der Signale

verwendet wird, die von dem kleinen wirksamen Bruchteil absorbierter, einfallender Photonen erzeugt werden. So erzeugt z. B. jedes im Gasspalt absorbierte Röntgenphoton ein großes Signal (eine Entladung), aber die Fluktuationen in der Zahl der absorbierten Röntgenphotonen führen zu großen relativen Fluktuationen (Quantenrauschen), die die Empfindlichkeit der Geräte als Bildgeräte stark begrenzen.

Obwohl die bekannten Geräte und Verfahren in vieler Hinsicht sich unterscheiden, sind sie in einer Hinsicht alle ähnlich, nämlich, daß sie alle eine sehr geringe Quantenausbeute besitzen, insbesondere hinsichtlich Röntgenstrahlen mit Energien im Bereich von 30 bis lOOkeV, die sehr wichtig sind für die Mehrzahl der medizinischen Anwendungen der Röntgendiagnostik. Bei den meisten Geräten ist die Quantenaiisbeute sciilccht (im Bereich von 1 % oder weniger), weil das die Köntgenstrahlen ermittelnde Medium nur einen kleinen Bruchteil der einfallenden Röntgenphotonen absorbiert. Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren ist die Quantenausbeute gering, obwohl praktisch alle Röntgenph'Otonen absorbiert werden, weil der Bruchteil der absorbierten Strahlung, der zu einem feststellbaren Ereignis führt (Elektronenlawine im Spalt) ziemlich klein ist, denn die meisten erzeugten Elektronen werden von der Photokathode eingefangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zu verbessern sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, um die Verwendung von Filmen und Photoplatten und die damit verbundenen Nachteile zu umgehen sowie die Quantenausbeute, Empfindlichkeit, Auflösung, Kontrast und Kontrastbereich des Köntgenbildes zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Kennzeichen der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Als Hauptbestandteil des zwischen den Elektroden liegenden Gases mit einer Kernladungszahl von

Ferner wird ein ausreichend hoher Gasdruck im Spalt vorgesehen, um eine vollständige oder sehr erhebliche Absorption der einfallenden Röntgenstrahlen im Spalt sowie eine sehr kurze mittlere freie Weglänge der Elektronen sicherzustellen. Damit ist das Problem der geringen Wahrscheinlichkeit des Austritts von Elektronen aus; dem festen Emitter in das Gas, was zu sehr niedrigen photoelektrischen Quantenausbeuten des Emitters und dai.iit zu einer geringen Empfindlichkeit des Gerätes führte, vollständig überwunden, da die Elektronen direkt im Gas selbst erzeugt werden. Der Hauptzweck des Gasspaltes besteht deshalb darin. Röntgenstrahlen zu absorbieren, und das Hauptauswahikrilerium für das Gas isi die maximale Undurchlässigkeit für Röntgenstrahlen und nicht das Entladungsverhalten. Wegen der erhöhten Quantenausbeute und damit der größeren Zahl primärer Elektronen ist ein Betrieb im Lawinenbereich des Gases unnötig. Wenn der Gasdruck eine oder nur wenige Atmosphären überstesgt und/oder das Produkt pd von Druck P und Spaltbreite d 10 mm-Atmosphären übersteigt, werden Elektronenvervielfachung, Lawinen- und Durchbruchsverhalten des Gases ungünstigt hinsichtlich der Erzielung einer hohen Elektronenstromverstärkung. Bei niedrigen Drücken und kleinen Werten von pd kann demnach das Gerät leicht in einem Lawinenbereich betrieben werden (d. h. wo das Feld eine zusätzliche Ionisation herbeiführt, indem es Elektronen zwischen Kollosionen mit Gasmolekülen genügend Energie verleiht), und damit bei Verstärkungswerten aufgrund des Betriebes im Lawinenbereich von bis zu 10* oder sogar darüber, ohne unerwünschte, lokalisierte, spannungsinduzierte, spontane Durchbrüche zu induzieren. Im Gegensatz dazu zeigt das Gas bei höheren Drücken und /x/-Werten unannehmbar häufige lokalisierte Entladungen, die das Bild in ihrer Nähe wertlos machen. sobald man versucht, im I^awinenvcrstärkungsbereieh der angelegten Spannung zu arbeiten. Man sollte deshalb die aufgedrückte Spannung auf den sogenannten Plateau-Bereich der TownsendKurve begrenzen, wo praktisch alle anfänglichen Photoelektronen und diejenigen, die durch lonenpaarbildung von den energiereichen Primärphotoelektronen gebildet werden, gesammelt werden, aber keine zusätzlichen, durch das Feili imiiixiei icn EicktfOMcriiüficfipääic erzeugt werden. In dem Plateau-Bereich steigt der gesammelte Strom sehr wenig bei ansteigender Spannung an. und zwar im Gegensatz zu dem Lawinenbereich, wo der Strom sehr steil mit steigender Spannung ansteigt.

Ein günstiger Nebeneffekt des Betriebes im Plateau-Bereich besteht darin, daß die Bildherstellung unempfindlich ist gegen Ladungsaufbau auf dem Empfänger, da jede auf dem Empfänger aufgebaute Gegenspannung nur sei,- geringen bzw. gar keinen Einfluß auf den ankommenden Strom hat. Es wird demnach keine Unterdrückung der induzierten Spannung benötigt. Zusätzlich ist die gesamte gesammmelte Ladung je Flächeneinheit und Röntgens-irahlbelichtungseinheit beim Betrieb der Vorrichtung der Erfindung beträchtlich geringer ais bei den bekannten Verfahren, so daß die induzierte Spannung auf dem Empfänger in jedem Fall ziemlich klein isL Tatsächlich sind die Gesamtstromdichte und die gesamte Zahl von Elektronen je Flächeneinheit, die im normalen Betrieb des aus der DE-PS 14 97 093 bekannten Verfahrens gesammelt werden, größer als die entsprechende Stromdichte und die entsprechende Zahl gesammelter Elektronen bei Hpm Vprfahrpn der Erfindung. Wie iedoch schon vorher angegeben wurde, wird die Geräteempfindlichkeit nicht dadurch bestimmt, wie sehr der Primäreffekt eines absorbierten Röntgenstrahl verstärkt wird, sondern durch den Gesamtanteil absorbierter Röntgenstrahlen, der zu einem beobachtbaren Effekt führt, d. h. die tatsächliche Quantenausbeute und nicht die nachfolgende Verstärkung bestimmt die Geräteempfindlichkeit. Das Rauschen des vorderen Vor-Verstärkers bestimmt die Empfindlichkeit, und keine Größe der Verstar kung hinter dem vorderen Ende kann die Empfindlichkeit oder das durch Schrotrauschen begrenzte Signal gegenüber dem Rauschen verbessern.

Weiterhin ergibt das Gas mit hoher Kernladungszahl bei hohem Druck sehr kurze mittlere freie Weglängen der Elektronen im Gas, wodurch die Auflösung des Verfahrens verbessert wird. Über einen gewissen Druck in dem Spalt hinaus werden die Zunahmen in der Röntgenstrahlabsorption minimal, da man sich der 100%-Absorption nähert, während die Schwierigkeit, das unter hohem Druck stehende Gas im Behälter zu halten, zunehmend größer wird. Dementsprechend gibt es einen begrenzten Druckbereich, der für die Zwecke der Erfindung zu bevorzugen i:>t Aufgrund der verkürzten mittleren freien Weglänge der Elektronen kann auch die Spaltgröße zwischen den Elektroden auf die Werte vergrößert werden, die für eine gesamte oder praktisch vollständige Röntgenstrahlenabsorption er-

forderlich sind, und /.war ohne merklichen Verlust an Auflosung (der be. dem zuletzt beschriebenen Verfahren auftreten würde), da die Rlcktronendiffusion durch Krypton oder Argon bei hohem Druck scharf begrenzt wire), jenseits eines bestimmten Punktes verursachen iedoch Jie Röntgenstrahlen selbst b"im Durchqueren des Spaltes in einem Winkel zu den l.lcktrodenebenen gelegentlich einen diffusen Primärelektroncnweg, und dici begrenzt die maximale brauchbare Spaltbreite zusammen mit der Tatsache, daß jenseits einer bestimmten (iasdicke hinsichtlich der Röntgenstrahlabsorption mit zusätzlicher Dicke nur wenig zu gewinnen ist. Der für die in der medizinischen Praxis annehmbaren, relativ geringen Röntgenstrahlendosen am besten geeignete Arbeitsbereich der Vorrichtung, ausgedrückt als Produkt von Gasdruck und Spaltbreite {"'"bei die Röntgenstrahlen-Ah^nrntinn nur von diesem Produkt und nicht von jedem Faktor getrennt abhängt), liegt zwischen 10 und etwa 200 mm-Almosphären. Der besonders bevorzugte Bereich liegt etwa bei 20 bis 80 mm-Atmosphären. Zufriedenstellende Bilder werden mit Film-Röntgensystemen bei Belichtungen erreicht, die wenige Milliröntgcn an der Filmkassette erzeugen. Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung erzeugen Bilder gleicher Qualität bei diesem Belichtungspegel.

Das Gas im Spalt ist für eine hohe Absorption von Röntgenstrahlen je Atom oder Molekül, hohen Streuungs», lerschnitt für Elektronen (je Atom) und niedrige Werte des Energieverlustes je Ionisation ausgewählt. Die geeigneten Gase sind diejenigen mit einer hohen Kernladungszahl von mindestens 36, und es handelt sich vorzugsweise um Krypton und Xenon, möglicherweise mit kleinen Anteilen von bis zu 10% irgendeines Löschgases wie Methan, um unerwünschte selbsttätige Entladungen zu vermeiden, die auftreten können, sobald ein Beschleunigungspotential (das notwendig ist, um sicherzustellen, daß alle erzeugten Sekundärelektronen eingefangen werden) angelegt wird.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, in denen

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer elektroradiographischen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist.

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Elektrodenaufbaus der Vorrichtung der F i g. 1 zeigt

F i g. 3,4 und 4a Ansichten ähnlich der F i g. 2 sind, die andere mögliche Elektroden- und Empfängeranordnungen zeigen,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer Elektrodeneinheit ist, die eine andere mögliche Ausführungsform der Erfindung zeigt, und

Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht gemäß der Linie 6-6 der F i g. 5 ist.

Die elektroradiographische Vorrichtung der F i g. 1 enthält eine herkömmliche Röntgenstrahlenquelle 10. eine Hochspannungsversorgung 11 für die Quelle 10, eine Elektrodeneinheit 12, eine weitere Hochspannungsversorgung 13 für die Elektrodeneinheit und einen Steuerschalter 14 zum Betätigen der Versorgungen 11 und 13.

In einer typischen Anordnung wird das zu röntgende Objekt 15 auf einem Tisch 16 von einem Kunststoffblatt oder einem anderen Material getragen, welches eine geringe Dämpfung für die Röntgenstrahlen darstellt, und zwar direkt über der Elektrodeneinheit 12, wobei die Röntgeneinheit typischerweise in einem Abstand von etwa einem Meter von dem Objekt angeordnet ist.

Die Elektrodeneinheit 12 enthält einen geschlossenen Behälter mit einer Grundplatte 20 und einem Deckel 21. der in die Grundplatte bei 22 eingehängt und bei 23 festgeklemmt werden kann. Eine Kathode 24 wird auf der Grundplatte 20 getragen und ist elektrisch gegen diese durch ein isolierendes Blatt 25 isoliert. Eine Anode 26 wird auf dem Deckel 21 auf Böcken 27 getragen. Eine (nicht gezeigte) Dichtung ist zwischen der Grundplatte und dem Deckel vorgesehen, so daß überatmosphärischer Druck in dem Behälter der Elektrodeneinheit aufrechterhalten werden kann, und eine Druckquelle 30 ist mit dem Innenraum des Behälters über eine Lc ung 31 verbunden.

Ein Empfänger 32 für das Elektronenladungsbild, der ein dielektrisches Blatt wie biegsamer Kunststoff, typischerweise Mylar sein kann, ist entfernbar an der Anode befestigt. Im Betrieb wird der Deckel geöffnet, das Empfängerblatt wird auf der Anode angeordnet, wobei es durch gewöhnliche Klammern gehalten wird (nicht gezeigt), der Deckel wird geschlossen und die Elektrodeneinheit wird in die Stellung für die Belichtung gebracht.

Nachdem das Elektronenbild auf dem Empfänger gebildet worden ist, wie später beschrieben werden wird, wird der Deckel geöffnet, und der Empfänger wird in einen xerographischen Drucker 34 überführt, um das Pulverbild in herkömmlicher Weise herzustellen. Um die Elektronenladung auf dem dielektrischen Empfänger zu halten, muß ein Ort für die Spiegelladungen geschaffen werden, wenn der Empfänger von der Anode entfernt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Anode durch eine andere leitende Platte ersetzt wird, daß eine leitende Schicht in oder auf dem Empfänger geschaffen wird oder daß eine flüchtige Leitende Flüssigkeit wie Alkohol verwendet wird, um den Empfänger an der Anode anzukleben.

Ein Röntgenstrahlen absorbierender und Elektronen sowie positive Ionen aussendender Emitter ist in dem Spalt zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen.

Der Elektronen und/oder Ionenausgang liefert das

Ladungsbild auf UCIII Uioickll i;>l.iicn Cuip'ängCi", V»ObCi

die Anziehung zu den entsprechenden Elektroden durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden erzeugt wird. Der Absorber und Emitter in dem Spalt ist ein für Röntgenstrahlen undurchlässiges Gas mit hohem Z auf überatmosphärischem Druck. Das Gas mit hohem Z sollte eine Atomzahl von mindestens 36 haben, und bevorzugte Gase sind Xenon und Krypton. Eine kleine Menge eines Löschgases kann verwendet werden zusammen mit dem Gas mit hohem Z wie z.B. 10% Methan.

in der bevorzugten Elektrodenanordnung der F i g. 2 ist die Anode 26 ein dünnes Blatt aus einem Leichtmetall, wie Aluminium, Magnesium oder Beryllium, oder aus Kohlenstoff, wie z. B. ein Kohlenstoff-Faserblatt mit ein°r geringen Absorption von Röntgenstrahlen. Typischerweise kann die Anode V₂ mm dick sein. Die Kathode 24 ist ein Blatt oder ein Block aus irgendeinem elektrischen Leiter, typischerweise ein Material mit kleiner oder mittlerer Atomzahl wie Stahl oder Aluminium, da das Gas im Spalt selbst als Medium zum Absorbieren der Röntgenstrahlen und Aussenden der Elektronen verwendet wird. Der Spalt zwischen den Elektroden ist relativ schmal und liegt tynischerweise in der Größenordnung von V₄ bis 5 mm.

Das Gas in dem Spalt wird unter überatmosphärischem Druck gehalten, typischerweise bei mindestens 10,33 at oder darüber. Das System kann mit Überdrük-

ken bis herunler zu 5,27 al betrieben werden, aber die erforderliche Rönlgcnstrahlendosis ist normalerweise zu hoch für den medizinischen Gebrauch, und die Auflösung ist herabgesetzt. Der bevorzugte Bereich für den Überdruck im Spalt liegt etwa zwischen 10,55 und 105,5 at. Der wünschenswerte Druck ist eine Funktion der Spaltbreitt und das Produkt aus Spaltbreite und Druck liegt, wie oben ausgeführt wurde, vorzugsweise zwischen etwa 10 mm ■ technische Atmosphären (at) und etwa 200 mm · technische Atmosphären (at). Die angelegte Spannung beträgt mindestens 1000 V, und bei höheren Gasdrücken kann die Spannung über den Elektroden größer gemacht werden. Z. B. kann bei einem Gasdruck von 5,27 at die Elektrodenspannung im Bereich von 2000 bis 3000 Volt liegen, und bei 21,09 at. kann die Spannung 4000 bis 8000 V betragen. Eine Elektrodenspannung von nur 1000 V ist für einige Anwendungen geeignet, aber der gesammelte Strom is· geringer und das Bild ist schwächer, so daß eine höhere Röntgenstrahlendosis für ein verbessertes Bild erforderlich ist.

Im Betrieb läuft ein Photon von der Röntgenstrahlenquelle durch die Anode und wird von dem Gas im Spalt absorbiert, wodurch eine Photoelektronenemission von den Gasatomen in dem zwischen den Elektroden liegenden Raum bewirkt wird. Die primären Photoelektronen erzeugen sekundäre Ion-Elektronen-Paare. Die Sekundärelektronen bewegen sich in Richtung auf die Anode unter dem Einfluß des elektrischen Feldes, und die Ionen bewegen sich zur Kathode. Ein Ladungsbild kann auf dem dielektrischen Empfänger auf beiden Elektroden durch die ankommenden Elektronen oder Ionen gebildet werden. In dem vorliegenden System sind Art des Gases und der Gasdruck so, daß die Einfangwahrscheinlichkeit eines Röntgenstrahlenphotons im wichtigen Energiebereich bei medizinischen Diagnosen in der Größenordnung von eins liegt und die Quantenwirksamkeit des Systems in der Größenordnung von eins liegt (typisch 50%).

Im Betrieb treffen die von der Quelle 10 erzeugten Röntgenstrahlen nach den Durchqueren eines Objektes 15 und differentieller Dämpfung auf die Einheit 12. Die Röntgenstrahlen durchqueren die Elektrode 21 und den isolierenden Empfänger 32 mit kleiner (und in jedem Fall gleichförmiger) Dämpfung. Das Gas im Spalt emittiert einen Elektronenstrom proportional der Röntgenstrahlenintensität, und der Empfänger empfängt damit eine Ladungsdichte, die ein »Bild« des Objektes 15, wo wie es von den Röntgenstrahlen gesehen wird, ist. Demnach erzeugt ein stark absorbierender Teil des Objektes eine im Verhältnis kleinere Röntgenstrahlenintensilät an dem entsprechenden Bildpunkt im Gasspait, und dieser Strom von Elektronen erzeugt eine kleinere relative Ladungsdichte an dem entsprechenden Bildpunkt auf dem Bildempfänger 32, wogegen ein schwach absorbierender Punkt einen großen Elektronenstrom von dem Spalt und eine höhere Ladungsdichte an dem entsprechenden Punkt auf dem Empfänger hervorrufen wird. Das Fließen des Stromes zu dem isolierenden Photoempfänger wird durch die Potentialdifferenz von 1000 V bis zu mehreren Tausend Volt zwischen der Kathode und der Anode von der Versorgung umersützt

Der gasgefüllte Spalt zwischen den Elektroden dient mehreren Zwecken: (i) Wenn ein Gas mit hohem Zwie Krypton oder Xenon bei hohem Überdruck (z. B. 21,09 ε:. Z für einen typischen Spalt) und bei den Röntgenstrahlenenergien der medizinischen Diagnostik verwendet wire, wird das Gas einen merklichen Bruchteil (20% bis 100%) der Röntgenstrahlen absorbieren, um Phot&elektronen zu erzeugen. Die Wahl des Kathodenmaterials ist hinsichtlich der Beeinflußung der Empfindlichkeit des Gerätes uninteressant. Jeder Leiter, sogar ein mit einem Isolator überzogener Leiter eignet sich dann als Kathode. Auf Gasatome treffende Röntgenstrahlen bewirken das Ausstoßen von Photoelektronen in Winkeln zwischen Null und .τ (relativ zur Richtung des Röntgenstrahl) und bei Energien von typischerweise einigen 10 kV. (ii) Das Gas verstärkt den Elcktronenstrom, der von der Kathode zur Anode fließt, durch die Sekundärionisation, die in dem Gas produziert wird, um einen Faktor, der etwa gleich der Rate der Primärelektronen und der Diffusion der Sekundärelektronen und Ionen ist, so daß Elektronen, die von einem photoelektrischen Absorptionsvorgang an einem Punk; in dem Gas erzeugt werden, danach streben, den isolierenden Bildempfänger an Punkten in der unmitielbaren Nachbarschaft voneinander zu erreichen, womit die Auflösung und die Schärfe des Bildes verbessert werden, (iii) Das Gas verringert die Elektronenenergien, so daß an dem Empfänger ankommende Elektronen an der Oberfläche haften und nicht abprallen oder zu weit in die Empfängersubstanz eindringen oder eine unerwünschte Sekundäremission erzeugen.

Die Anforderungen einer erhöhten Empfindlichkeit (aufgrund der starken Röntgenstrahlenabsorpiton im Gas) und einer gasartigen Elektronenvervielfachung

JO (aufgrund der hohen Zahl dazwischenliegender Moleküle) könnte erreicht werden durch Vergrößerung der Spaltbreite, d. h. des Abstandes zwischen den Elektroden. Die Forderung nach einer hohen Auflösung (durch einen kurzen Elektronenenergieverlustbereich) kann

J5 mit dem Vergrößern der Spaltbreite nicht erfüllt werden. Damit ist die Verwendung eines dichten Gases mit hohem Z auf Überatmoshärendruck ein wesentliches Merkmal, da die Ausbreitung des F.lektronenbildes etwa linear mit dem Spalt wächst für die energetischen

<o Primärelektronen und etwa mit der Quadratwurzel der Spaltbreite für die langsamen »diffundierenden« Sekundärelektronen.

Es wurde gezeigt, daß die Verwendung eines Gases mit hohem Z und genügend hohem Druck (zehn Atmosphären oder mehr) im Gasspalt eine hohe Quantenwirksamkeit und eine zugehörige hohe Empfindlichkeit erzielen kann, die mindestens gleich der von Filmen mit verstärkenden Schirmen sind, ohne einen Verlust an Auflösung zu bedeuten, und außerdem eine ungeheuer verbesserte Empfindlichkeit und Auflösung gegenüber Spalten erzielt, die mit Gas mit relativ geringem Z bei AifnöäphSrcnüruck geiüüi sind. Etwas von der verbesserten Auflösung kann abgegeben werden für eine verbesserte Absorption, indem der Gasspait verbreitert wird, z. B. für Röntgenstrahlen sehr hoher Energie, da bei hohem Druck alle Elektronen auf niedrige Energie in einer sehr kurzen Strecke moderiert werden und danach nur diffus gestreut werden, d. h. gemäß der Quadratwurzel des Gasspaltes. (Spalte bis zu 1 cm Breite wurden verwendet, um Bilder mit angemessener Auflösung von einigen wenigen Linienpaaren je Millimeter zu erzeugen.)

In der oben beschriebenen Ausführungsform muß mindestens die Anode ziemlich dünn sein, um eine

°⁵ minimale Röntgenstrahlenabsürption zu bewirken. Auch sollten die Elektroden verhältnismäßig groß sein in der Fläche, um ein brauchbares endgült'ges Bild zu liefern, und sie können typischerweise bis zu 40 cm breit

und lang sein. Der Spalt /wischen den Elektroden ist ziemlich klein und sollte einigermaßen kostant gehalten werden. DaJurch ergibt sich ein Problem bei Überatmosphärendruck, und die in der F i g. 1 gezeigte Elek'rodeneinheit liefert dadurch eine Lösung, daß der Ί Gasdruck im Spalt und der Gasdruck oberhalb der Anode gleich sind. Bei dieser Konstruktion tragen die Grundplatte 20 und der Deckel 21 des Behälters den Druck, und es gibt keine Druckbelastung der Elektroden.

Da die Röntgenstrahlen den Deckel durchdringen müssen, sollte der Deckel eine Konstruktion mit dünner Wand sein, und die in der F i g. 1 gezeigte gekrümmte Schale ist die bevorzugte Ausführungsform um dem Druck ohne Verwerfung oder Ausbeulung zu widerstehen. Der gesamte Deckel 21 kann ein dünnes Blech aus einem Leichtmetall sein, oder es kann ein Fenster 40 in einem dickeren Deckel ausgebildet sein, das mit einem dünnen Blech 4i bedecki isi. Z. B. kann ein Elektroden paar von 40 mal 40 cm in einem Behälter mit einem dünnwandigen Berylliumdeckel von 0,4 cm Dicke und einem Krümmungsradius von 300 cm untergebracht werden bei einer Absorption von typischen Röntgenstrahlen von 30 keV Energie von weniger als 4%. Die Gesamtdicke des Behälters liegt in der Größenordnung von 2,5 cm.

Wie schon abgegeben wurde, kann das elektrostatische Ladungsbild auf dem Empfänger sowohl durch positive Ionen als auch durc^;. Elektronen gebildet v.erden. Die in der Fig. 3 gezeigt.? Ausführungsform kann die gleiche wie in den F i g. I und 2 sein, mit der Ausnahme, daß das Empfängerblatt 32 auf der Kathode 24 angeordnet ist. Die Arbeitsweise des Systems der F i g. 3 gleicht der des Systems der F i g. 1 und 2.

Eine andere mögliche Elektrodenanordnung, die verwendet werden kann, die aber derzeit nicht bevorzugt wird, wird in der Fig.4 gezeigt, wo die den Elementen der F i g. 2 entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dieser Konstruktion durchqueren die ankommenden Röntgen- -»ο strahlen die Kathode und erzeugen Elektronen in dem Spult Z'.v.^cheP

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von der Anode angezogen werden. Die Kathode 24 kann ähnlich sein der Anode 26 der F i g. 2, d. h. sie kann ein dünnes Leichtmetallblech oder Kohlenstoff mit « geringer Röntgenstrahlenabsorption sein, während die Anode der F i g. 4 ein Blech oder ein Block irgendeines elektrischen Leiters sein kann, wie Stahl oder Aluminium. Positivie Ionen können in der Elektrodenanordnung der Fig.4 mit dem Empfänger 32 auf der Kathode 24 verwendet werden, wie es die F i g. 4a zeigt, !rr·. Betrieb kann die Hochspannung kontinuierlich an die Elektroden geliefert werden, und es wird ein Bild erzeugt, wenn die Röntgenstrahlenquelle 10 von der Hochspannungsversorgung Π gespeist wird. Ein relativ hohes Potential wird zwischen den Elektroden während der Röntgensirahibeiichtung verwendet Wenn jedoch an die Eiektrödeneinheit die Spannung für einer. Zeitraum angelegt wird, dann tritt zeitweise ein Durchbruch auf, der unerwünschte Punkie auf dem fertigen Bild hervorruft. Dementsprechend wird der Steuerschalter 14 dazu verwendet, die Hochspannungsversorgung für die Elektroden gleichzeitig mit der Hochspannungsversorgung für die Röntgenstrahlen quelle einzuschalten, so daß die Elektroden nur für einen kurzen Zeitraum erregt werden, in einer anderen möglichen Anordnung können die Elektroden auf einem Potential unter dem gewünschten Betriebspotential, typischerweise 10% darunter, gehalten werden, wobei die Betriebsspannung durch die Betätigung des Schalters auf den gewünschten Wert erhöht wird. Z. B. können der Spalt zwischen den Elektroden und das Gas i"> dem Spalt sowie der Gasdruck so gewählt werden, daß das gewünschte Elektrodenpotential 5000 V beträgt, das den gewünschten Betrieb ermöglicht, ab^r auch zu unerwünschten Durchbrüchen im Spalt neigt. Die Spannungsversorgung wird dann auf eine Elektrocicn'.nanriur.s vor; "1500 V im W"""*·"'«"»"^ pinnpsipiit und wenn der Steuerschalter betätigt wird, dann wird der Ausgang der Versorgung 13 auf 5000 V während der Zeit erhöht, in der die Röntgenstrahlenquelle erregt wird.

Eine andere mögliche Form für den Behälter der Elektrodeneinheit wird in den F i g. 5 und 6 gezeigt, wobei die Elektrode gekrümmt ist und die obere Elektrode als Deckel oder Druckschale dient. Eine Grundplatte 20' besitzt einen an einem Gelenk 22' befestigten Deckel 21', der im geschlossenen Zustand durch Schrauben 45 festgeklemmt wird. Unter Druck stehendes Gas wird durch die Leitung 3Γ von der Quelle 30 über ein Steuerventil 46 geliefert. Eine Auslaßleitung 47 kann vorgesehen werden, wenn es erwünscht ist. In Fig. 5 wird die gekrümmte Elektrode mit einer positiven oder nach außen gerichteten Krümmung gezeigt. Gemäß einer anderen Möglichkeit kann auch eine negativ oder nach innen gekrümmte Schale verwendet werden, und sie hat die gleiche Festigkeit.

In beiden Fällen ist eire Mittelöffnung 48 in dem Deckel 2Γ vorgesehen, und ein dünnes Leichtmetallblech ist an der Öffnung festgeklemmt und dient als Anode 26'. Die Anode 26' kann von Schellen 49 gehalten werden, die an dem Deckel mit Schrauben befestigt sind, und eine Dichtung 50 befindet sich unter der nnode. Eine weitere Dichtung 51 kann zwischen dem Deckel und der Grundplatte vorgesehen werden. Der Empfänger 32' in der Form eines Kunststoffblattes wird durch Federklemmen 55 gehalten.

Eine Kathode 24' wird auf der Grundplatte 20' mit einem dazwischen liegenden Isolator 25' getragen. Die elektrische Stromversorgung kann an einen elektrischen Anschluß 56 angeschlossen werden, wobei die äußere oder Massehiilse des Anschlusses mit der Grundplatte, dem Deckel und der Anode verbunden ist, während der isolierte Mittelstift mit der Kathode verbunden ist. Die Konstruktion und die Arbeitsweise der Elektrodeneinheit der F i g. 5 und 6 sind ansonsten identisch denjenigen der F i g. 1

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines elektrostatischen Bildes auf einem dielektrischen Blatt, bei dem das dielektrische Blatt in der Nähe einer Elektrode in einem gasgefüllten Spalt zwischen einer Anode und einer Kathode eingebracht wird, die an einem abzubildenden Gegenstand angeordnet ist, bei dem dann Röntgenstrahlen durch den Gegenstand und eine der Elektroden hindurch in den Spalt geschickt werden und über den Elektroden ein hohes Potential aufrechterhalten wird, um eine der Arten geladener Teilchen auf dem dielektrischen Blatt abzulagern, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt zwischen den Elektroden ein röntgenstrahlen-absorbierendes Gas mit einer Kernladungszahl von mindestens 36 verwendet wird, und daß das Gas unter einem hohen Druck gehalten wird, wobei die Röntgenstrahlen vom Gas absorbiert werden und Elektronen und positive Ionen im Gas gebildet werden und wobei die Energie der Elektronen durch das Gas im Spalt moderiert und deren mittlere freie Weglänge verringert wird, um die Anzahl der im rechten Winkel zum dielektrischen Blatt zur Anode wandernden Elektronen sowie der zur Kathode wandernden positivien Ionen zu erhöhen und deren Dispersion zu verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Spaltbreite in der Zone des Rön'^enstrahleneinfalls und Gasdruck im Spalt mindestens etwa 10 mm · technische Atmosphären (at.) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus ^.paltbreite in der Zone des Röntgenstrahleneinfalls und Gasdruck im Spalt einen Wert von etwa 200 mm ■ technische Atmosphären (at.) erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpotential für einen Betrieb der Vorrichtung in dem Plateau der Townsend-Kurve von Spannung über Strom ausgewählt wird, so daß praktisch keine Elektronenlawinenbildung in dem Spalt eintritt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden eine Spannung von mindestens 1000 V beibehalten wird.

6. Radiographische Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Anode und einer Kathode, die unter Bildung eines schmalen Spaltes zueinander beabstandet angeordnet sind, mit einem im Spalt an einer Elektrode angeordneten Blatt, mit einem Gas im Spalt zwischen der Anode und der Kathode sowie mit emer elektrischen Hochspannungsversorgung für die Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Röntgenstrahlen absorbierendes Gas mit einer Kernladungszahl von mindestens 36 ist sowie Elektronen und positive Ionen emittiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Blatt an der Anode angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Blatt an der Kathode angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der das Gas in dem SDaIt auf einem Druck von mindestens ungefähr 10,55 at Überdruck haltbar ist

10. Vorrichtung nach Ansprüche, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus Leichtmetall oder Kohlenstoff besteht und leicht von den Röntgenstrahlen durchdrungen wird und auf der nahe der Röntgenstrahlenquelle liegenden Seite des Spaltes angeordnet ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7, 8 oiler 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus

in Leichtmetall oder Kohlenstoff besteht und leicht von den Röntgenstrahlen durchdrungen wird und auf der nahe der Röntgenstrahlenquelle liegenden Seite des Spaltes angeordnet ist

IZ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die Elektroden in einem Druckgefäß angeordnet sind, daß das Druckgefäß eine Einrichtung zum Befestigen bzw. Entfernen des dielektrischen Blattes an bzw. von der einen Elektrode aufweist, und daß das Druckgefäß eine gekrümmte, dünne Wand aufweist, die von den Röntgenstrahlen leicht zu durchdringen ist und auf der nahe der Röntgenstrahlenquelle liegenden Seite der Elektroden anbringbar ist.