DE2715965A1 - ION CHAMBER ARRANGEMENT WITH REDUCED DEAD SPACE - Google Patents
ION CHAMBER ARRANGEMENT WITH REDUCED DEAD SPACEInfo
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Description
Ionenkammeranordnung mit reduziertem TotraumIon chamber arrangement with reduced dead space
Die Erfindung betrifft Röntgenstrahlen-Detektoren vom lonenkammertyp. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Anordnungen zur Erhöhung der Wahrscheinlichkeit der Wahrnehmung von Röntgenstrahlenphotonen, die mit einem Nachweisgas in einem Bereich zwischen Ionenkammerelektroden und einem geerdeten Eingangsfenster wechselwirken.The invention relates to ion chamber type X-ray detectors. The invention particularly relates to arrangements for increasing the likelihood of the detection of x-ray photons interacting with a detection gas in an area between ion chamber electrodes and a grounded entrance window.
In der deutschen Patentanmeldung P 26 42 7^1.8 sind Röntgenstrahlen-Detektoren vom Ionenkammertyp zur Verwendung bei der bestimmung der räumlichen Verteilung von Röntgenstrahlenphotonen in mit Rechnern versehenen Tomographiesystemen vorgeschlagen. Die Anordnung In the German patent application P 26 42 7 1.8 ^ X-ray detectors have been proposed from the ion chamber type for use in the determination of the spatial distribution of X-ray photons in computers equipped with imaging systems. The order
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5" 271 b9655 "271 b965
enthält mehrere im wesentlichen parallele und ebene Anoden, die durch parallele ebene Kathoden getrennt sind und in einem Gas eines hohen Atomgewichts bei einem Druck im Bereich von ungefähr 10 Atmosphären bis ungefähr 50 Atmosphären eingeschlossen sind. Röntgenstrahlenphotonen wechselwirken mit dem Gas und erzeugen Photoelektron/Ionenpaare. In Gegenwart eines elektrischen Feldes werden die auf diese Weise erzeugten Elektronen auf den Anoden und die Ionen auf den Kathoden gesammelt und erzeugen elektrische Ströme proportional zur Röntgenstrahl-Intensität in der Nachbarschaft dieser Elektroden.contains a plurality of substantially parallel and planar anodes separated by parallel planar cathodes and in a gas of high atomic weight at a pressure in the range of about 10 atmospheres to about 50 atmospheres. X-ray photons interact with the gas and create photoelectron / ion pairs. In the presence of an electric field the electrons generated in this way are collected on the anodes and the ions on the cathodes and generate electrical ones Currents proportional to the X-ray intensity in the vicinity of these electrodes.
Die Anoden, Kathoden und das Nachweisgas derartiger Ionenkammeranordnungen sind typischerweise von einem Metalldruckbehälter umgeben, der mindestens eine ausgedünnte Wand oder Fenster ent-Jiält, das gegenüber Röntgenstrahlphotonen relativ transparent ist. In einer bevorzugten AusfUhrungsform der lonenkammeranordnung enthält das Fenster eine dünne Aluminiumschicht, die senkrecht zu den Sammelelektroden (d.h. Kathode und Anode) und in einem Abstand von etwa 0,5 mm bis ungefähr 1,5 nun von den Sammelelektroden angeordnet ist.The anodes, cathodes and the detection gas of such ion chamber arrangements are typically surrounded by a metal pressure vessel that contains at least one thinned wall or window, that is relatively transparent to x-ray photons is. In a preferred embodiment of the ion chamber arrangement the window contains a thin layer of aluminum that is perpendicular to the collecting electrodes (i.e. cathode and anode) and in a distance of about 0.5 mm to about 1.5 now from the collecting electrodes is arranged.
Die elektrischen Felder in derartigen bekannten Ionenkammeranordnungen sind derart, dai3 die im Raum zwischen den Sammelelektroden und dem Fenster erzeugten Elektron/ Ionenpaare die Detektorplatten nicht erreichen und daher zum elektrischen Ausgangssignal keinen Beitrag leisten. Bei einer mit Xenongas mit einem Druck im Bereich von ungefähr 20 Atmosphären bis ungefähr 30 Atmosphären gefüllten Anordnung werden etwa 5 oder 10 % von 60 KeV-Röntgenstrahlen, die durch das Fenster hindurchtreten, in diesem "Totraum" absorbiert; dies ist ein Faktor, der den Quantenwahrnehmungswirkungsgrad und die Rauschäquivalenzabsorption der Strahlen bedeutend verringert. Die Röntgenstrahldo&is, die einem Patienten verabreicht werden muß, der einer Behandlung in einem diesen Detektor enthaltenden System unterzogen wird, wird daher durch das Vorhandensein des "Totraumes" wesentlich erhöht.The electric fields in such known ion chamber arrangements are such that the electron / ion pairs generated in the space between the collecting electrodes and the window do not reach the detector plates and therefore make no contribution to the electrical output signal. For an assembly filled with xenon gas at a pressure in the range of about 20 atmospheres to about 30 atmospheres, about 5 or 10 % of 60 KeV X-rays passing through the window will be absorbed in this "dead space"; this is a factor that significantly reduces the quantum cognitive efficiency and the noise equivalent absorption of the rays. The x-ray dose that must be administered to a patient undergoing treatment in a system incorporating this detector is therefore substantially increased by the presence of the "dead space".
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Z ~Z ~ 2 7 1 b 9 b b2 7 1 b 9 b b
Gemäß der Erfindung wird eine Schicht aus dielektrischem Material auf der inneren Oberfläche des Fensters einer lonenkammeranordnung angebracht. Das elektrische Feld im Bereich zwischen dem Fenster und den Sammelelektroden wird dabei so verändert, daß die Sammelwahrscheinlichkeit bezüglich der in diesem Bereich erzeugten Ionen/Elektronenpaare erhöht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine dünne leitende Schicht auf der Oberfläche des Dielektrikums gegenüber dem Fenster angeordnet und wird auf Anodenpotential gehalten.According to the invention a layer of dielectric material on the inner surface of the window of an ion chamber assembly appropriate. The electric field in the area between the window and the collecting electrodes is changed so that the probability of collecting the ions / electron pairs generated in this area is increased. In a preferred Embodiment of the invention is a thin conductive layer arranged on the surface of the dielectric opposite the window and is held at anode potential.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, im wesentlichen alle Elektronen und Ionen zu sammeln, die von denjenigen Röntgenstrahlen erzeugt werden, die in dem "Totraum" zwischen dem Fenster und den Sammelplatten absorbiert werden. Die aktive Absorptionslänge der Ionenkammeranordnung wird dadurch entsprechend verlängert.In accordance with the present invention it is possible, essentially collect all electrons and ions generated by those x-rays that are in the "dead space" between the window and absorbed by the collecting plates. The active absorption length of the ion chamber arrangement is thereby correspondingly extended.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
In den Figuren zeigen :In the figures show:
Fig. 1 eine Ionenkammer-Röntgenstrahldetektoranordnung bekannter Art;Figure 1 shows an ion chamber x-ray detector assembly known type;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ionenkammeranordnung, die eine dielektrische Schicht auf der inneren Oberfläche eines Einschlußfensters enthält;Fig. 2 an ion chamber arrangement according to the invention, the one contains a dielectric layer on the inner surface of an containment window;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Detektoranordnung nach Figur 2, bei der die Sammelelektroden in Kontakt mit der dielektrischen Schicht angeordnet sind; und3 shows a further embodiment of the detector arrangement according to FIG. 2, in which the collecting electrodes are in contact disposed with the dielectric layer; and
Fig. h eine bevorzugte Ausfühmngsform des Detektors nach Figur 2, der eine leitende Elektrode auf der inneren Oberfläche de_r dielektrischen Schicht enthält. 709842/03 84Fig. H, a preferred embodiment form of the detector of Figure 2, which includes a conductive electrode on the inner surface de_r dielectric layer. 709842/0 3 8 4
Röntgenstrahlenphotonen wechselwirken mit Atomen eines schweren Gases, um Elektron/Ionenpaare zu erzeugen. Die Röntgenstrahl photonen werden im allgemeinen von einem Gasatom absorbiert oder erfahren am Gasatom eine Comptonstreuung, wodurch das Gasatom ein Photoelektron aus einer seiner Elektronhüllen abgibt. Die Photoelektronen bewegen sich durch das Gas und wechselwirken mit bzw. ionisieren andere Gasatome und erzeugen eine Fülle von Elektronen und positiven Ionen, die von geeigneten Elektroden aufgesammelt werden und einen elektrischen Stromfluß erzeugen. Wenn diese Eelektron/Ionenpaare in einem Bereich zwischen zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität erzeugt werden, driften sie längs elektrischer Feldlinien zu den Elektroden und rufen einen tatsächlichen elektrischen Stromfluß zwischen den Elektroden hervor. Der elektrische Strorafluß zwischen den Elektroden ist daher eine Funktion der Gesamtzahl der in der Nähe dieser Elektroden wechselwirkenden Röntgenstrahlphotonen.X-ray photons interact with atoms of a heavy gas to create electron / ion pairs. The X-ray photons are generally absorbed by a gas atom or undergo Compton scattering at the gas atom, whereby the gas atom emits a photoelectron from one of its electron shells. The photoelectrons move through the gas and interact with or ionize other gas atoms and generate an abundance of electrons and positive ions generated by suitable electrodes are collected and generate an electrical current flow. If these electron / ion pairs are in a range between two Electrodes of opposite polarity are generated, they drift along electrical field lines to the electrodes and call an actual flow of electrical current between the electrodes. The electrical current flow between the electrodes is therefore a function of the total number of x-ray photons interacting near these electrodes.
Figur 1 zeigt einen Teil einer Ausführungsform eines Vielzellen-Röntgenstrahldetektors, der in der oben angegebenen deutschen Patentanmeldung P 26 *<2 7*11.8 offenbart ist, auf die hiermit Bezuß Genommen wird. Figure 1 shows part of an embodiment of a multi-cell X-ray detector, which is disclosed in the above-mentioned German patent application P 26 * <2 7 * 11.8, to which hereby Payments are made.
Eine Anordnung paralleler ebener AnodenAn array of parallel planar anodes
10 und Kathoden 12 ist in einer Atmosphäre eines unter hohem Druck stehenden Xenongases 18 innerhalb eines Aufnahmegefäßes (nicht dargestellt) vorgesehen. Die Kathoden 12 werden von einer Spannungsquelle 16 mit geerdetem positiven Anschluß auf einem negativen elektrischen Potential gehalten. Die Anoden 10 werden in der Nähe des Erdpotentials gehalten und sind über Stromwahrnehmungs- oder Meßschaltungen 14 angeschlossen, die elektrische Signale in proportionaler Abhängigkeit zum Stromfluß von den Anoden abgeben.10 and cathodes 12 is in a sub-high atmosphere Xenon gas 18 under pressure is provided within a receptacle (not shown). The cathodes 12 are of a Voltage source 16 held with a grounded positive terminal at a negative electrical potential. The anodes 10 are kept close to the earth potential and are via current sensing or measuring circuits 14 connected, the electrical Output signals in proportion to the current flow from the anodes.
Obwohl die Sammelektroden in den erläuterten Ausführungsformen der Detektoranordnungen aus Gründen der einfacheren Beschreibung als Kathoden und Anoden bezeichnet sind, läßt sich die Polung der Spannungsquelle 16 umkehren, wobei dann durch WahrnehmungAlthough the collecting electrodes in the illustrated embodiments of the detector arrangements are designated as cathodes and anodes for the sake of simplicity of description, the polarity reverse the voltage source 16, then by perception
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und Messung des Stroraflusses von den Kathodenelementen gleichartige Signale erhalten werden.and measuring the flow of current from the cathode elements of the same type Signals are obtained.
Ein Röntgenstrahl 22, dessen Intensität längs der Länge der Detektoranordnung typischerweise variiert,trifft auf das Nachweisgas 18 in einer im wesentlichen zu den Anodenplatten 10 und Kathodenplatten 12 parallelen Richtung auf. Dieser Strahl tritt in den vom Nachweisgas 18 ausgefüllten Bereich durch ein dünnes Fenster 20 ein, das bezüglich Röntgenstrahlung relativ transparent ist. Der Begriff "relativ transparent", wie er hierin verwendet wird, bedeutet, daß die Wahrscheinlichkeit der Röntgenstrahlabsorption in der Fensteranordnung wesentlich kleiner als die Wahrscheinlichkeit der Röntgenstrahl-Wechselwirkung im Nachweisgas 18 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des "erfindungsgemäßen Detektors enthält das Fenster typischerweise eine Schicht aus Aluminium mit einer Dicke im Bereich zwischen ungefähr 3 mm bis ungefähr 6 mm, die Teil eines elektrisch geerdeten Druckbehältergefäßes ist und mit diesem Gefäß elektrisch verbunden ist.An x-ray beam 22, the intensity of which typically varies along the length of the detector array, strikes the detection gas 18 in a direction substantially parallel to the anode plates 10 and cathode plates 12. This beam enters the area filled by the detection gas 18 through a thin window 20 which is relatively transparent with respect to X-rays. The term "relatively transparent", as used herein, means that the probability of the X-ray absorption in the window assembly than the probability is substantially smaller X-ray interaction in the detection gas 18th In a preferred embodiment of the "inventive detector, the window typically contains a layer of aluminum with a thickness in the range between approximately 3 mm to approximately 6 mm, which is part of an electrically grounded pressure vessel and is electrically connected to this vessel.
Die gestrichelten Linien in Figur 1 geben Äquipotentiallinien im Bereich zwischen den Anoden 10, den Kathoden 12 und dem geerdeten Fenster 20 an. Die Feldverteilung in dem Bereich zwi schen den Sammelplatten 10 und 12 und dem Fenster 20 ist allgemein auf das Fenster zu gerichtet, so daß in diesem Bereich durch Röntgenstrahl-Wechselwirkungen erzeugte Elektronen eher zum Fenster als zu den Anoden 10 streben und zu dem von den Wahrnehmungs- und Meßkreisen 14 gemessenen Strom keinen Beitrag leisten.The dashed lines in FIG. 1 indicate equipotential lines in the area between the anodes 10, the cathodes 12 and the grounded window 20. The field distribution in the area between collecting plates 10 and 12 and window 20 is generally directed towards the window so that electrons generated in this area by X-ray interactions tend to the window rather than to the anodes 10 and to that of the perceptions - and measuring circuits 14 make no contribution.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgeraäßen Detektor, der zusätzlich zu den in Figur 1 gezeigten Elementen eine dünne dielektrische Schicht 24 auf der inneren Oberfläche des Fensters 20 in der Nähe der Sammelplatt em 10 und 12 enthält. Diese dielektrische Schicht 24 kann aus irgendeinem Material bestehen, das normalerweise für diesen Zweck im Rahmen von Röntgenstrahl-Detektoren FIG. 2 shows a detector according to the invention which, in addition to the elements shown in FIG. 1, contains a thin dielectric layer 24 on the inner surface of the window 20 in the vicinity of the collecting plate em 10 and 12. This dielectric layer 24 can be any material which is normally for this purpose in the framework of X-ray detectors
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3 " 271b9653 "271b965
verwendet wird, es kann z.B. eine Mylar-Polycarbonatschicht mit einer Dicke von etwa 0,12 mm enthalten. Die in dem Bereich zwischen Fenster 20 und den Sammelplatten 10 und 12 durch Wechselwirkungen erzeugten Elektronen driften bevorzugt längs der elektrischen Feldlinien zur dielektrischen Schicht 24 auf der Oberfläche des geerdeten Fensters 20, wo sie sich sammeln und die Schicht aufladen und ein negatives elektrisches Potential erzeugen, das das elektrische Feld verändert und weitere Elektronen zurück zu den Anodenplatten 10 treibt.is used, e.g. a Mylar polycarbonate layer with a thickness of about 0.12 mm. The in the area between the window 20 and the collecting plates 10 and 12 by interactions Generated electrons drift preferentially along the electric field lines to the dielectric layer 24 on the surface the grounded window 20 where they collect and charge the layer and create a negative electrical potential, which changes the electric field and drives more electrons back to the anode plates 10.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Detektors nach Figur 2. Eine dünne dielektrische Schicht 24 befindet sich, wie in der Ausführungsform nach Figur 2, auf der inneren Oberfläche des leitenden Fensters 20. Die Anodenplatten 10 und die Kathoden- -platten 12 befinden sich in dieser Ausführungsforra in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 24, wobei der Totraum zwischen den Platten und dem Fenster eliminiert wird.FIG. 3 shows a further embodiment of the detector according to FIG. 2. A thin dielectric layer 24 is, as in the embodiment according to FIG. 2, on the inner surface of the conductive window 20. The anode plates 10 and the cathode plates 12 are located in FIG of this embodiment in contact with the dielectric layer 24, eliminating the dead space between the plates and the window.
Figur 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektors. Die Anodenplatten 10 und die Kathodenplatten 12 sind bei dieser Ausführungsform, wie schon im Zusammenhang mit der Schilderung des Standes der Technik nach Figur 1 beschrieben, in einem unter hohem Druck stehenden Nachweisgas angeordnet. Die Anoden 10 sind über Strommeßkreise 14 geerdet, während die Kathoden 12 durch einen geerdeten positiven Anschluß enthaltende Speisequelle 16 auf einer negativen Spannung gehalten werden. Röntgenstrahlen 22 treten in den Detektor durch ein dünnes leitendes Fenster 20 in einer Richtung ein, die im wesentlichen parallel zu den Anoden 10 und den Kathoden 12 verläuft. Das Fenster 20 bildet einen Teil des Druckbehäitergefäßes und ist auf Erdpotential gehalten. Eine dünne dielektrische Schicht 24, die z.B. 0,12 mm dickes Mylar^Polycarbonatkunststoffmaterial enthalten kann, befindet sich auf der inneren Oberfläche des Fensters 20. Eine dünne leitende Elektrode 26, die z.B. eine 0,05 mm dicke Schicht aus Aluminium enthalten kann, ist auf der dem Fenster 20 abgewandten Oberfläche des Dielektrikums 24FIG. 4 shows a further preferred embodiment of a detector according to the invention. In this embodiment, the anode plates 10 and the cathode plates 12, as already described in connection with the description of the prior art according to FIG. 1, are arranged in a detection gas which is under high pressure. The anodes 10 are grounded via current measuring circuits 14, while the cathodes 12 are held at a negative voltage by a supply source 16 containing a grounded positive terminal. X-rays 22 enter the detector through a thin conductive window 20 in a direction that is substantially parallel to the anodes 10 and cathodes 12. The window 20 forms part of the pressure vessel and is kept at ground potential. A thin dielectric layer 24, which may include, for example, 0.12 mm thick Mylar® polycarbonate plastic material, is on the inner surface of the window 20. A thin conductive electrode 26, which may include, for example, a 0.05 mm thick layer of aluminum on the surface of the dielectric 24 facing away from the window 20
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angeordnet. Alternativ kann die Elektrode 26 eine Aluminium schicht oder eine andere metallisierte Schicht auf der Ober fläche der dielektrischen Schicht enthalten, die durch Vakuumverdampfung oder andere bekannte Verfahren aufgebracht ist.arranged. Alternatively, the electrode 26 can be an aluminum layer or another metallized layer on the upper surface of the dielectric layer contained by vacuum evaporation or other known methods is applied.
Die Elektrode 26 ist mit dem Kathodenpotential verbunden und wird durch die Speisequelle 16 auf diesem Potential gehalten. Das auf diese Weise im "Totraum" zwischen der Fensterelektrode 26 und den Sammelelektroden 10 und 12 erzeugte elektrische Feld wird durch die in Figur 4 dargestellten Aquipotentiallinien illu striert. Das elektrische Feld in diesem Bereich ist auf die Anoden 10 gerichtet, so daß in diesem Bereich erzeugte Elektronen auf die Anoden fHessen, wo sie gesammelt und durch die Strommeßkreise 14 gemessen werden.The electrode 26 is connected to the cathode potential and is held by the supply source 16 at this potential. That in this way in the "dead space" between the window electrode 26 and the electric field generated by the collecting electrodes 10 and 12 is illustrated by the equipotential lines shown in FIG. The electric field in this area is directed to the anodes 10, so that electrons generated in this area on the anodes where they are collected and passed through Current measuring circuits 14 are measured.
Obwohl die Ausfiihrungsform nach Figur 4 notwendigerweise aufwendiger als die AusfUhrungsform nach den Figuren 2 und 3 ist, da sie eine zusätzliche Elektrode 26 und Verbindungen zur Kathodenspeisequelle enthält, so liefert diese Ausfiihrungsform eine wesentlich stabilere elektrische Feldausbildung und ist bezüglich Fehler weniger anfällig, die durch Ladungsabfluß (charge draining) von der dielektrischen Schicht 24 herrühren könneruDieser in der Ausfiihrungsform nach Figur 2 auftretende elektrische Leckstrom nach Masse kann es erfoderlich machen, die Potentiale vor jeder Messung dadurch nachzustellen oder wieder herzustellen, daß einige Röntgenstrahlimpulse dem Kollektor oder Sammler zugeführt werden. Leckströme durch die dielektrische Schicht 24 gemäß Figur 3 können ebenfalls unerwünschte Leckströme darstellen, die sich zu den von den Meßkreisen 14 gemessenen Strömen hinzuaddieren.Although the embodiment according to FIG. 4 is necessarily more complex than the embodiment according to Figures 2 and 3, since it contains an additional electrode 26 and connections to the cathode supply source, this embodiment provides a much more stable electrical field formation and is less prone to errors caused by the discharge of charge (Charge draining) can originate from the dielectric layer 24, which occurs in the embodiment according to FIG electrical leakage current to ground can make it necessary to readjust the potentials before each measurement or restore some x-ray pulses to be delivered to the collector. Leakage currents through the dielectric Layer 24 according to FIG. 3 can also represent undesired leakage currents which are related to the measuring circuits Add 14 measured currents.
Die erfindungsgemäßen Detektoren besitzen einen bedeutend erhöhten Quantenwirkungsgrad und verringerte Rauschpegel als Detektoren bekannter Art. Es wurde berechnet, daß der erhöhte aktive Detektorbereich, der sich durch die erfindungsgemäßen Strukturen ergibt, die Röntgenstrahldosis eines einer UntersuchungThe detectors according to the invention have a significantly increased Quantum efficiency and reduced noise levels as detectors of known type. It has been calculated that the increased active detector area, which results from the structures according to the invention, the x-ray dose of an examination
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unterworfenen Patienten tun 9,1 bis 13,2 % der Röntgenstrahlen im 120 kVp bis 80 kVp-Bereich reduziert.Subjected patients do 9.1 to 13.2 % of the X-rays reduced in the 120 kVp to 80 kVp range.
Die erfindungsgemaße Anordnung ermöglicht ferner den Aufbau von Detektoren mit erhöhtem Abstand zwischen den Sammelelektroden und der Fensteranordnung. Diese Zunahme im erlaubten Abstand gestattet eine Milderung bezüglich der Herstellungstoleranzen und führt zu geringeren Detektorkosten.The arrangement according to the invention also enables the construction of detectors with increased spacing between the collecting electrodes and the window arrangement. This increase in the allowable distance allows a reduction in manufacturing tolerances and results in lower detector costs.
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Claims (10)
gekennzeichnet durch eine erste Schicht (20) aus elektrisch leitendem Material, eine dünne Schicht (2A) aus dielektrischem Material, die auf einer inneren Oberfläche der ersten Schicht (20) angeordnet ist,10. Window for an X-ray detector assembly of the ionization chamber type,
characterized by a first layer (20) of electrically conductive material, a thin layer (2A) of dielectric material disposed on an inner surface of the first layer (20),
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