DE2715483C3 - Röntgen- oder Gammastrahlenkonverter und Verfahren zur Herstellung seines Kathodensystems - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Konverter /ur Umwandlung der bildmäßigen Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Bündels Röntgen- oder Gammastrahlen in eine davon abhängige bildmäßig verteilt.· Strömung elektrisch geladener Teilchen mittels eine* in einem Gasraum angeordneten Kathodensystems, das aus einer Stapelanordnung mehrerer parallel zueinander angeordneter, dünner, gitterförmiger Elektroden aus einem Material hoher Ordnungszahl besteht und bei dem zwischen jeweils benachbarten Elektroden ein eine schwache Lawinenverstärkung der von den Elektroden ausgehenden Ladungsträger gewährleistendes ι !ekirisches Feld ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Kathodensystem = dieses Konverters. Ein entsprechender Konverter im aus der DE-OS 22 50 033 bekannt.

Auf dem Gebiet der medizinischen Technik ist man bestrebt, den in der Diagnostik allgemein noch verwendeten Röntgenfilm durch ein kostengünstigeres und rohstoffschonenderes Aufnahmeverfahren zu ersetzen. Ausgehend von dem in der xerographischen Kopiertechnik üblichen Verfahren, ein elektrostatisches Bild mittels eines Kontrastpuders zu entwickeln und zu fixieren, versucht man in der Elektroradiographie, wie mit einem Sammelbegriff die entsprechenden Verfahren bezeichnet werden, den Informationsgehalt eines das Aufnahmeobjekt durchdrungenen Röntgenstrahlbündels in elektrische Ladungen zu übertragen und diese dann auf Papier oder einer Kunststoffolie zu sammeln und zu fixieren. Zusätzlich zu den aus der kopiertechnik bekannten Anforderungen kommt bei der medizinischen Elektroradiographie noch die Forderung nach hoher Empfindlichkeit hinzu, da die für Diagnostikzwekke entwickelten Geräte bereits eine Empfindlichkeit haben, die der der Röntgenfilme mit Verstärkerfolien entspricht, und da ferner dem Patienten keine höhere Strahlendosis als bisher zugemutet werden sollte. Aufgrund dieser Forderung an die Empfindlichkeit des Verfahrens scheidet die aus der Xerographie entwickelte Xeroradiographie für eine allgemeine Anwendung in der medizinischen Diagnostik aus.

Ein weiteres Verfahren, die sogenannte Hochdrucklonographie, arbeitet nach dem Prinzip der Ionisationskammer. Die beim Durchgang der Röntgenstrahlung durch einen Gasraum erzeugten Ladungsträger werden auf einer Folie gesammelt. Dieses bekannte Verfahren besitzt eine gute Empfindlichkeit und Zeichenschärfe, stellt jedoch eine technisch wenig befriedigende Lösung dar. Um nämlich eine ausreichend hohe Absorption der Strahlung im Gasvolumen /u erhalten, muß ein Giis hoher Ordnungszahl, /.. B. das teure Xenon, verwendet werden, das zudem norh in der Kammer unter erhöhtem Druck von beispielsweise 5 bar stehen muß. Dies bedingt erhebliche Anforderungen an die Kammcrkonstruktion. Zudem muß die Aufnahmekammer nach jeder Bestrahlung zur Entnahme der beladenen Folie wieder geöffnet werden. Die erforderliche Technik ist deshalb verhältnismäßig aufwendig und der gesamte Aufnahmevorgang beansprucht eine längere Zeit.

Ein weiteres Verfahren ist die sogenannte Niederdruck- lonographie (Phys. Med. Biol. 18 (I973) Seiten 695 bis 703). Bei diesem Verfahren wird der äußere Röntgen-Fotoeffekt einer Festkörper-Fotokathode zur Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern ausgenutzt. Die emittierten Fotoelcktronen werden iinschlie-Ucncl im Gasraum einer entsprechenden Kammer mittels einer Townscnd-Entlacliing so stark vervielfacht, dull ein cntwickclbares elektrostatisches Bild auf einer Papier- oder Kunststoffolie entsteht. Wenn anstelle dieser Folien /um Sammeln der Ladungen ein

Elektrolumineszenz-Leuchtschirm verwendet wird, ist es mit diesem Verfahren auch möglich, Bildfolgen, d. h. bewegte Bilder darzustellen. Ein solches Verfahren wird als Elektrofluoroskopie bezeichnet. Ein bekanntes Ausführungsbeispiel hierfür ist der Röntgen-Bildverstärker.

Bei Verwendung eines geeigneten Füllgases, das in der Kammer einer solchen Fotokathode unter Atmosphärendruck stehen kann, sind Vervielfachungsfaktoren von 10⁴ ohne weiteres zu erhalten. Wegen des Mißverhältnisses der Eindringtiefe der Röntgenstrahlung zur Reichweite der emittierten Fotoelektronen, das bei etwa 100 : 1 liegt, liefern massive, ebene Fotokathoden nur eine Quantenausbeute von etwa 5 bis IO%n. Unter der Quantenausbeu'.e ist dabei die Zahl der emittierten Fotoelektronen pro einfallendes Röntgenquant zu verstehen. Mit der Quantenausbeute derartiger Fotokathoden lassen sich somit die an die Empfindlichkeit und an das Auflösungsvermögen gestellten Anforderungen der medizinischen Technik nicht erfüllen.

Diese Anforderungen lassen sich jedoch mit dem eingangs genannten, aus der DE-OS 22 50 033 hekannten Konverter erfüllen. Bei diesem Konverter ist nämlich die Kathodenfläche in eine Vielzahl von dünnen, gitterartigen Elektroden wie z. B. in Netze oder Lochbleche aufgeteilt. Mit der Zahl der Elektroden ist entsprechend die Röntgenabsorption und somit die Quanienausbeute erhöht. Die Quanienausbeute, d. h. die Zahl der von einem Röntgenquant erzeugten Elektronen, ist nämlich im wesentlichen das Produkt aus dem Fotoabsorptionskoeffizienten und der Elektronenreichweite und hängt von der Energie der Strahlung und der Ordnungszahl des Kathodenmaterials ab. Sie ist wegen der Vergrößerung der effektiven Kathodenoberflächc aufgrund der Stapelanordnung der gitterförmigen Elektroden und wegen der Wahl von Elektroden aus einem Material hoher Ordnungszahl wesentlich höher als die Quantenausbeute einer vergleichbaren massiven, ebenen Kathode. Das Elektronenemissionsvermögen einer solchen Kathode nimmt nämlich proportional mit der vergrößerten Oberfläche zu. solange eine Schwächung der Röntgenstrahlung in diesen Strukturen noch von untergeordneter Bedeutung ist.

Bei diesem bekannten Konverter wird eine große Durchlässigkeit der gitterförmigen Elektroden seines Kathodensystfims für die erzeugten Hektrischen Ladungsträger erreicht, wenn ein verhältnismäßig großer Potentialunterschied zwischen benachbarten Elektroden ausgebildet ist. Bei zu geringen Potentialunterschieden würde nämlich ein großer Anteil der Ladungsträger auf die Stege der Elektroden treffen, dort entladen werden und somit verloren gehen; d. h. die Quantenausbeute wäre dementsprechend verringert. Bei einer Ausbildung der geforderten hohen Potentialunterscliiede wird jedoch die höchstzulässige Spannung sehr schnell erreicht, so daß die Anzahl von Elektroden dementsprechend begrenzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den eingangs genannten Konverter dahingehend zu verbessern, daß seine Quantenausbeute weiter erhöht ist, ohne daß die hochstzulässige Spannung überschritten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäö dadurch gelöst, daß die Elektroden jeweils ;ils Doppelschichilochfolien mit zwei äußeren, elektrisch leitenden Schichten und dazwischen befindlicher Isolierschicht ausgebildet sind und daß zwischen den beiden äußeren Schichten cm vorbestimmtes Potentialg?fälle vorgesehen ist.

Die Vorteile dieser Ausgestaltung des Konverters bestehen insbesondere darin, daß mit einer Verwendung von Doppelschichtlochfolien zwischen der jeweiligen Folienober- und -Unterseite eine Hilfsspannung un6 damit ein Feldgradient in den Löchern eingestellt werden kann, aufgrund dessen die erzeugten Ladungsträger weitgehend vollständig durch die Löcher gezogen werden, ohne daß sie auf die Stege auftreften. Der Durchtritt der Ladungsträger durch die Doppelschichtlochfolien ist also weitgehend verlustfrei, und somit ist die Quantenausbeute entsprechend hoch.

Zur Herstellung der Doppelschichtlochfolien für den Konverter gemäß der Erfindung werden vorieilhaft jeweils zunächst die Stege einer einfachen l.ochfolie einseitig mit einer Isolationsschicht versehen und wird schließlich auf den die Stege abdeckenden Teilen der Isolationsschicht ein elektrisch leitfähiges Material abgeschieden.

Als elektrisch leitfähiges Material kann ein Metall oder ein Halbleitermaterial vorgesehen werden. Vorzugsweise svird das gleiche Material, aus dem die einfache Lochlolie besteht, auf der frei»-;. Oberfläche der verbleibenden Te'le der Isolationsschicht abgeschieden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, in d^ren F i g. I ein Röntgenstrahlungskonverter schematisch veranschaulicht ist. In den Fig. 2 und 3 sowie 4 und 5 sind zwei Verfahrersvarianten zur Herstellung von Doppclschichtlochfolien für einen solchen Konverter angedeutet.

Fig. 1 zeigt als Querschnitt den schc-matischen Aufbau eines Kathodensystems eines Konverters. Das Kathodensystem ist für ein auf der Basis der Niederdruck-ionographie arbeitendes Röntgendiagnostik-System geeignet und hat unter Ausnutzung des äußeren Röntgen-Fotoeffektes eine verhältnismäßig hohe Quantenausbeute. Das in der Figur nur teilweise wiedergegebene Kathodensyslem soll in einer in der Figur nicht ausgeführten Kammer angeordnet sein, die mit einem geeigneten Füllgas wie beispielsweise Argon unter Atmosphärendruck steht. Das Kathodensystem enthält ein Eintrittsfenster 2, durch das eine durch einzelne Pfeile 3 dargestellte Röntgenstrahlung in einen Stapel ± aus Doppelschichtlochfolien eintreten kann. Das Eintrittsfenster 2 besteht deshalb vorteilhaft aus einem für die Röntgenstrahlung gut durchlässigen Material wie beispielsweise Aluminium, Beryllium oder einem Kunststoff. Es soll zugleich als Elektrode dienen. Falls das Eintrittsfenster 2 aus einem isolierendem Material besteht, wird auf ihm eine dünne Schicht aus einem elektrisch gut leitenden Material wie beispielsweise Aluminium aufg-bracht, beispielsweise aufgesputtert. d. h. durch Kathodenzerstäubung aufgestäubt.

Die Schichtdicke dieses aufgebrachten Materials kam c.wa 1 um betragen. In der Figur sind nur drei Doppelschichtlochfolien 5 bis 7 angedeutet, obwohl eine praktische Aiisführurigsform des Stapels 4 eine wesentlich höhere Anzahl solcher Doppelschichtlochfolien, beispielsweise 20 bis 50 Stück, enthält. Die Lochfolien 5 bis 7. deren Aufbau aus den F i g. 2 bis 5 näher hervorgeht, bestehen wie die aus der DE-OS 22 50 033 bekannten gitterförmigen Elektroden wegen der geforderten großen Absorption der Röntgenstrahlung aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl wie beispielsweise Gold. Sie können auch aus Nickel oder Kupfer bestehen, das nachträglich vergoldet ist Die Doppclschichtlochfolien sind parallel zueinander und zu dem Eintrittsfenstcr 2 angeordnet und untereinander

bcabstandet Ihre Fransparen/, ti. h. der von ihren Löchern beanspruchte Oberflächenteil der (iesamtflaehe der Lochfolie, ist verhältnismäßig hoch und betrügt mindestens 50 oder WV«. Die Doppelschiehtlochfolien können beispielsweise 3 bis ΙΟμηι click und untereinander etwa 0.3 bis I nun beabstandet sein.

Durch die Verwendung eines solchen Stapels 4 a'is Doppelschichllochfolien. deren geometrische Malic der Reichweite der Cotocleklronen angcpaüt sind, läßt sich eine verhältnismäßig hohe Quantenausbeute erreichen. Dabei absorbieren die ein/einen Cohen einerseits die Röntgenstrahlung weitgehend, andererseits hissen sie ,iiiigriind ihrer ausreichenden Iransparen/ die direkt oder indirekt im I üllgas erzeugten Ladungen hindurch, so daH diese auf einem geeigneten Bildträger H gesammelt werden können und ein elektrostatisches Bild der Intetisitätsverteilung der Röntgenstrahlung liefern Hierzu ist ein genügend hoher I eldgradienl an den l.ochfolien des Stapels erforderlich. Dieser dr.i dient wird zweckmäßig durch verschieden hohes Potential an der Vorder- und Rückseite jeder ein/einen DoppelschiLlitlochfolie sowie an dem Lmirmsfenster 2 und den¹ Bildträger 8 erzeugt. Die Potentiale, the in der I igur im! I' bis I '., bezeichnet sind, addieren "-ich zu cnem < lesamtpoleritial.

! in \ erfahren zir Herstellung einer solchen Doppel ■■<_fm In-I.ochlolie ist in den Cig. 2 und ! lewcils als Uiiersihmtt angedeutet. Hierbei wird von einer cn!.ic hen. in bekannter galvanischer Technik herge sieliien (loldlochfolie 10 ausgegangen. Dabei ist unter emei einfachen l.ochfolij eine f-'olie zu verstehen, die .luv eine' einzigen I ..ige oder Schicht besieht und auf die ■ e '°e weiterer Schichten aufgebracht sind. (iemaB eu;em Aii^inhningsheiipiel ist eine solche Cioldltichfolie etw.i ium dick und hat ein Ilachengewicht von l.MiiL'iii'- Ihre locher II. die quadratisch gestaltet ■-!■κ] und eine Seitenlange von etwa Ib um haben, sind ti'ir"v h McL¹C 12 mn einer Breite νon 4 um begrenzt.

Di·".:; einfache r ..-UJ!-... hfohe 10 wird einseitig mit eine- Schicht 13 aus einem positiven fotoresist^ lack ■.ergehe'¹ Die Schicht kann einige um dick '•ein. •\nsc 'iNeHe'ii wird, wie in der f igur durch einzelne, mit i4 . -e/ c-ί ι :i et e neue .! nL'ecicwiei ist. die ι ioiciK »cnroiie 10 von ihrer freien I lachscite her einer I fV-Strahiung .itisgeset/t. Dabei zersetzt die UV Strahlung die von den Stegen 12 der (ioldlochfolie 10 nicht abgedeckten Teile 15 der Schicht 13 aus dem Co'oresistivlac k. Nach dem Herauslösen dieser l.ackschichtteile 15 verbleibt auf der l^:nterscne der (ioldlochfolie 10 eine entsprechende Isolationsschicht 16. (ieniall C i g. 3 wird anschließend auf diese Isolationsschicht 16 eine Schicht 17 aus (iolil oder einem anderen. Metall oder einem geeigneten Halbleiter in bekannter Weise aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Die so hergestellte und in I ι g. 3 dargestellte Doppelsehicht-I.ochfolie ist mit 18 bezeichnet.

line weitere Moglichkeil der Herstellung einer Isolationsschicht einer Doppelschicht-I.ochfolie ist in i\vri I ι g. 4 und ■> angedeutet. Dabei wird wie in I ig _> um einer einfachen < ioldlochfolie 10 ausgegangen Wie in I ι g. 4 durch einzelne Pfeile 19 angedeutet ist. kann .Ulf die I ohr IO eins.'!UK i-ini- Krliirhl ?" ·.·'.!<■ '.'!!V.'!!! Isolationsniiitcriid aulgeclampfl oder aufgesplittert werden, (ieeignete Sc hichlmalerialien sind beispielsweise AlO.. SiO,. oder organische Pokmere. (icmaß I ig.') wird anschließend auf die Isolationsschicht 20 entsprechend dem Verfahren nach Ctg- 3 eine Schicht 17 ,ms ( M)IiI oder einem anderen Metall oder einem geeigneten Halbleiter aufgebracht. Hierzu wird, wie in der I igur (lure Ii einzelne Pfeile 21 angedeutet ist. der aus der (ίο.¹ ''ochfolie 10 und der aufgebrachten Isolations schicht 20 bestellende Korper beispielsweise einem (iolddamplstrahl ausgesetzt. Die nach diesem Verfahren hergestellte I )o;>pelschichl -Lt »Ti folie ist in der f igur mit 22 bezeichnet.

Λ η die beiden, durch eine Isolationsschicht 16 bzw. 20 umeinander elektrisch getrennten Schichten 10 und 17 aus elektrisch leitendem Material kann nun gemäß Cig. I eine Spannung angelegt werden, so daß sich das fur eine Absaugung der aufgrund des äußeren I oiocffektes erzeugten Ladungsträger erforderliche Poicntialgefalle einstellt. Dabei wird vermieden, daß ein zu hohes (ies.imipoiential durch die .Stapelanordnung .ms den einzelnen Doppeischicht-Lochfohen ausgebildet u ird

Hierzu 1 Blatt Zeichnuncen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Konverter zur Umwandlung der bildmäOigen Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Bündels Röntgen- oder Gammastrahlen in eine davon abhängige, bildmäßig verteilte Strömung elektrisch geladener Teilchen mittels eines in einem Gasraum angeordneten Kathodensystems, das aus einer Stapelanordnung mehrerer parallel zueinander angeordneter, dünner, gitterförmiger Elektroden aus einem Material hoher Ordnungszahl besteht und bei dem zwischen jeweils benachbarten Elektroden ein eine schwache Lawinenverstärkung der von den Elektroden ausgehenden Ladungsträger gewährleistendes elektrisches Feld ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5 bis 7) jeweils als Doppelschichtlochfolien (lji; 22) mit zwei äußeren, elektrisch leitenden Sciiichten (10, 17) und dazwischen befindlicher Isolierschicht (16 oder 20) ausgebildet sind und daß zwischen den beiden äußeren Schichten (10, 17) ein vorbestimmtes Potentialgefaiii vorgesehen ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Kaihodensystems für einen Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zunächst die Stege (12) einer einfachen Lochfolie (10) einseitig mit einer Isolationsschicht (16, 20) versehen werden und schließlich auf den die Stege (12) abdeckenden Teilen der Isolationsschicht (16, 20) ein elektrisch leitfähiges Material (17) abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die gesamte Lochfolie (10) einseitig mit i'ner Isolationsschicht (13) versehen wird und anschließend die Teile M5) der Isolationsschicht (13), welche die Löcher (11) der Folie (10) abdecken, wieder entfernt weiden

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede einfache Lochfolie (10) einseitig mit einem positiven Fotoresistivlack als Isolationsschicht (13) versehen wird und anschließend die Teile (15) der Isolationsschicht (13), welche die Löcher (11) der Folie (10) abdecken, mit UV-Licht (14) von der Lochfoliensei:e her bestrahlt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede einfache Lochfolie (10) einseitig mit dem Isolationsmaterial (20) bedampft oder besputtert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Material auf der freien Oberfläche der die Stege (12) der Lochfolie (10) abdeckenden Teile der Isolationsschicht (16,20) aufgedampft wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daö als elektrisch leitfähiges Material auf der freien Oberfläche der die Stege (12) der Lochfolie (10) abdeckenden Teile der Isolationsschicht (16, 20) ein Metall oder ein Halbleitermaterial abgeschieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als abzuscheidendes, elektrisch leitfähiges Material das Material der einfachen Lochfolie QO) vorgesehen wird.