DE2719930C2 - Röntgenstrahlendetektor - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

— Anode (14) und Kathode (16) folienförmig ausgebildet sind,

— die Anodenfolie eine perforierte isolierende Schicht (30) auf ihrer Oberfläche aufweist und

— das Gitter (20) durch eine dünne perforierte Metallfolie (32) gebildet wird, die auf dieser isolierenden Schicht angeordnet ist, wobei die Perforationen (34) der isolierenden Schicht (30) und der Metallfolie (32) miteinander ausgerichtet sind.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (30) Aluminiumoxid, Quarz oder Bornitrid enthält

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorgas (12) Gase mit einem Atomgewicht größer oder gleich dem Atomgewicht von Argon enthält

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorgas (12) Xenon enthält.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß das Detektorgas(12) einen Druckim Bereich vonetwalObisetwalOObar hat

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Feldstärke zwischen dem Gitter (20) und der Anode (14) wesentlich größer ist als die elektrische Feldstärke zwischen dem Gitter (20) und der Kathode (16).

7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung mehrerer Detektorzellen die Anodenfolie aus mehreren leitenden Segmenten (40) besteht, die elektrisch voneinander isoliert sind zum Messen einzelner Stromflüsse von jedem Segment (F i g. 4).

8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung mehrerer Detektorzellen in einer Reihe mehrere Anoden (52) und mehrere Kathoden (50) in dem Detektorgas (12) angeordnet sind, wobei jede der Kathoden etwa im gleichen Abstand zwischen zwei der Anoden liegt und wobei benachbart zu jeder Seite der Anode das offene Gitter (54) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlendetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ionisationskammern werden üblicherweise für den Nachweis von Röntgenstrahlenphotonen und anderer ionisierender Strahlung eingesetzt Die Röntgenstrahlenphotonen treten mit den Atomen eines schweren Detektorgases in Wechselwirkung unter Erzeugung eines Elektron/Ion-Paares. Die Röntgenstrahlphotonen werden im allgemeinen durch ein Gasatom absorbiert, das ein Photoelektron von einer seiner Eletronenschalen emittiert Die Photoelektronen bewegen sich durch das Gas, treten in Wechselwirkung mit anderen Gasatomen, ionisieren diese und erzeugen so einen Schauer von Elektronen und positiven Ionen, die auf geeigneten Elektroden gesammelt werden können, um einen elektrischen Strom zu produzieren. Werden solche Elektronen/Ionen-Paare zwischen zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität erzeugt dann driften sie entlang den elektrischen Feldlinien zu den Elektroden und geben einen elektrischen Strom. Der elektrische Stromfluß zwischen den Elektroden ist eine Funktion der Gesamtzahl der Röntgenstrahlphotonen, die in der Nähe dieser Elektroden mit Gas in Wechselwirkung treten.
Die Wahrscheinlichkeit des Nachweises eines Röntgenstrahlphotons ist eine Funktion des Atomgewichtes des Gases und der Zahl der Gasatome, die sich zwischen den Elektroden befinden. Es können daher Detektoren hoher Empfindlichkeit mit Hilfe eines Gases großen Atomgewichtes bei einem relaitv hohen Druck konstruiert werden. Die Detektorempfindlichkeit kann auch dadurch erhöht werden, daß man den Abstand und damit die Zahl der Gasatome zwischen den Elektroden vergrößert Ein vergrößerter Elektrodenabstand vergrößert jedoch den Abstand über den die Elektronen/Ionen-Paare driften und führt so zu einer Zunahme der Erholungszeit des Detektors. Ein erhöhter Gradient des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden führt zu einer Zunahme der Ionendriftgeschwindigkeit und verkürzt auf diese Weise etwas die Erholungszeit des Detektors. Die Steigerung des elektrischen Gradienten ist jedoch nach oben begrenzt, da bei einem zu steilen Gradienten eine lawinenartige Verstärkung beginnt die eine Unsicherheit bezüglich der Verstärkung und eventuell einen Gasdurchbruch verursacht Auch verursacht eine zunehmende Detektorspannung eine unerwünschte Zunahme der mikrofonischen Empfindlichkeit des Detektors.

Zur Messung von Röntgenstrahlen-Intensitätsverteilungen in einer computerisierten transversal axialen Tomographie>Vorrichtung werden üblicherweise Reihen von Ionisationskammern eingesetzt In einer typischen Anwendung einer solchen Vorrichtung wird eine bewegte Röntgenstrahlquelle wiederholt hin- und herbewegt bzw. gepulst, um Röntgenstrahlenergie entlang einer Vielzahl bestimmter Röntgenstrahl-Pfade durch einen zu untersuchenden Körper zu übertragen. Die vom Körper durchgelassene Energie wird in einer Reihe von Ionisationskammern nachgewiesen und mit Hilfe eines Digitalcomputers zur Erzeugung von Röntgenbildern innerer Körperstrukturen ausgewertet.

Die Geschwindigkeit, mit der in einer Reihe von lonisationskammerdetektoren in einer computerisierten Tomographieausrüstung Daten gesammelt werden können, ist durch die Erholungszeit der einzelnen Detektorzellen begrenzt. Die Zeit zwischen den Röntgenstrahlimpulsen muß ausreichend lang genug sein, um das Sammeln im wesentlichen aller geladenen Teilchen innerhalb der Detektorzellen zu gestatten.

Die Ionisationskammern erzeugten Elektronen driften sehr rasch zu der Anode, während die positiven Ionen sich sehr viel langsamer zu der Kathode bewegen. Im allgemeinen kann jedoch der Elektronenstrom in den bekannten Ionisationskammern nicht unabhängig gemessen werden, da er durch einen Verschiebungsstrom verdeckt wird, der im Anodenstromkreis durch die von der Anode abfließenden positiven Ionen erzeugt wird.

Es gibt jedoch hinsichtlich der vorstehenden Ausführung eine Ausnahme. Eine einfache Zwei-Elektraden-Ionisatiotiikammer kann unabhängig den Elektronenanteil nachweisen, wenn der Röntgenimpuls verglichen mit der Ionendriftzeit sehr kurz ist In diesem Falle zeigt sich der Elektronenanteil als ein intensiver kurzer Impuls fiber dem sich langsam verändernden Ionenverschiebungsstrom. In den meisten computerisierten Tomographie-Röntgenausrüstungen läßt sich jedoch ein ausreichendes Röntgenflußniveau nicht erreichen, wenn der Röntgenimpuls im Vergleich zur Ionendriftzeit kurz ist, auch nicht bei dem derzeit in üblichen Röntgenröhren erzielbaren Maximalstrom. In den gegenwärtigen computerisierten Tomographiesystemen ist es stattdessen notwendig, einen Röntgenimpuls zu benutzen, welcher eine mit der Ionendriftzeit vergleichbare Länge hat (üblicherweise einige Millisekunden). In einem solchen Falle gibt es keine Möglichkeit, den Elektronenstromanteil in den bekannten Ionisationskammern getrennt zu messen.

Solche bekannten Ionisationskammern sind z. B. in dem Buch von B. B. Rossi und H. H. Staub »Ionization Chambers and Counters; Experimental Techniques« McGraw-Hill-Verlag 1949, Kapitel 5, beschrieben.

Mechanische Vibrationen, die zu den Elektroden der bekannten Ionisationskammern fibertragen werden können, verändern den Elektrodenabstand und die Kapazität und fuhren so zur Einführung mikrofonischer Fehlerströme in den Detektorstromkreis. Das durch diese mikrofonischen Ströme erzeugte elektrische Rauschen kann es notwendig machen, eine erhöhte Strahlungsdosis einzusetzen, um tomographische Bilder einer gegebenen Auflösung zu erzeugen.

Ein Röntgenstrahlendetektor der eingangs genannten Art ist in der US-PS 36 76 682 beschrieben. Bei diesem bekannten Röntgenstrahlendetektor können jedoch durch Vibrationen der Anode oder der benachbarten Elektroden Veränderungen des elektrischen Feldes verursacht werden, die zur Erzeugung störender mikrofonischer Ströme führen.

In der DE-AS 20 25 136 ist ein Detektor beschrieben, der mehrere Detektorzellen aufweist, die durch parallel zueinander angeordnete Anodendrähte und diesen zugeordnete flächenhafte Kathodenabschnitte gebildet werden, wobei sowohl die Anodendrähte als auch die Kathodenabschnitte jeweils untereinander in Reihen angeordnet sind, die sich gegenüberstehen.

Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 26 53 0585 ist eine Anordnung einer Vielzahl von Ionisationskammerzellen zur Erfassung einer Verteilung von Röntgenstrahlenintensitäten in einer Ebene mit aus im wesentlichen parallelen Metallplatten bestehenden Kathoden, die mit Hilfe isolierender Abstandsstücke äquidistant zwischen aus im wesentlichen parallelen Metallplatten bestehenden Anoden in einem Stapel angeordnet sind. Nach der Erfindung der älteren Anmeldung zugrundeliegenden Aufgabe sollen bei der vorgenannten Anordnung Anoden und Kathoden so gehaltert sein, daß keine Fehlerströme durch mikrofonische Vibration und durch Photoleitfähigkeit auftreten. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung; der älteren Patentanmeldung dadurch gelöst, daß die isolierenden Abstandsstücke in Form von dielektrischen Platten aus einer Zusammensetzung von Silikonharz und Glasfasern zwischen den Anoden und Kathoden angeordnet sind und daß die dielektrischen Platten ach entlang der gesamten Länge der Kathoden und Anoden im wesentlichen parallel zur Richtung eines auftretenden Röntgenstrahl erstrecken.

ίο Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Röntgenstrahlendetektor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß durch mechanische Vibrationen erzeugte mikrofonische Fehlerströme im Detektorstromkreis vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlendetektors finden sich in den Un- teransprfichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt F i g. 1 einen bekannten Röntgenstrahlendetektor,

Fig.2 einen verbesserten bekannten Röntgenstrahlendetektor,

F i g. 3 eine Schnittansicht einer A.usführungsform der Gitterstruktur des Röntgenstrahlendetektors nach der Erfindung,

Fig.4 ein Röntgenstrahlendetektor mit mehreren Detektorzellen als Ausführungsfonm der vorliegenden Erfindung und

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform eines Röntgenstrahlendetektors mit in einer Reihe angeordneten De- tektorzellen.

Fig. 1 zeigt eine einzelne Zelle eines Röntgenstrahlendetektors nach dem Stand der Technik. Röntgenstrahlenphotonen 10 treten mit Atomen eines schweren Gases 12 in dem Bereich zwischen einer planeren An ode 14 und einer parallelen planaren Kathode 16 in Wechselwirkung. Eine Spannungsquelle 18 ist mit der Anode 14 und der Kathode 16 verbunden, um ein elektrisches Feld in dem Bereich dazwischen zu erzeugen. Ein Röntgenstrahlphoton, das in dem Gas 12 absor biert wird, erzeugt üblicherweise ein Photoelektron, das seinerseits eine Anzahl von Elektronen/Ionen-Paaren in dem Gas erzeugt Die Elektronen driften rasch zur Anode 14 (üblicherweise in etwa einer Mikrosekunde), während die Ionen sehr viel langsamer zur Kathode 16

so driften (üblicherweise in einigen Millisekunden). Der von der Anode 14 zur Spannungsquelle 18 fließende Strom I\ muß notwendigerweise gleich dem Strom h sein, der von der Spannungsquelle zur Kathode 16 fließt und der durch den Fluß positiver Ionen zur Kathode bestimmt ist Der rasche Elektronenstrom zur Anode 14 wird überlagert durch einen etwa gleichen und entgegengesetzten Verschiebungsstrom, der induziert wird, wenn positive Ionen sich aus dem Bereich der Anode zum Bereich der Kathode bewegen. Obwohl keine Io nen zur Anode fließen, zeigt der Strom von dieser Elek trode doch ein relativ langsames Ansprechen, da er durch die langsame Bewegung der positiven Ionen bestimmt ist, d. h. nach Beendigung des Röntgenimpulses strömt der Verschiebungsstrom in der Anode weiter (üblicherweise für einige Millisekunden), bis alle Ionen die Kathode erreichen.

Die F i g. 2 zeigt einen verbesserten Röntgenstrahlendetektor. Ein schweres Detektorgas 12 nimmt den

Raum zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 16 ein. Ein offenes Gitter 20 ist in dem Gas 12 benachbart und parallel zur Anode 14 angeordnet Das Gitter 20 wird mittels der Spannungsquellen 22 und 24 auf einer Spannung zwischen der der Kathode 16 und der der Anode 14 gehalten. Röntgenstrahiphotonen treten in den Detektor ein und treten in Wechselwirkung mit dem Gas 12 unter Schaffung von Elektronen/Ionen-Paaren in dem Bereich zwischen der Kathode 16 und dem Gitter 20. Die Elektronen driften rasch in Richtung auf das Gitter, während die Ionen langsam in Richtung auf die Kathode driften. Einige der Elektronen sammeln sich auf dem Gitter. Ein Teil der Elektronen (z. B. die Hälfte) passiert jedoch das Gitter und erreicht die Anode. Die Zahl der Elektronen, welche die Anode erreicht, kann erhöht werden, indem man die Spannung V* der Spannungsquelle 22 und Vi der Spannungsquelle 24 so einstellt, daß die elektrische Feldstärke zwischen dem Gitter und der Anode größer ist als die elektrische Feldstärke zwischen dem Gitter und der Kathode.

Das Detektorgas 12 sollte vorteilhafterweise ein Gas mit einem Atomgewicht mindestens gleich dem Atomgewicht von Argon sein und es kann üblicherweise Xenon oder eine Mischung seltener Gase bei einem Druck im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 bar sein.

Der aufgrund der lonenbewegung auftretende Verschiebungsstrom zwischen der Kathode 16 und dem Gitter 20 fließt zum Gitter, da die Anode 14 jetzt elektrostatisch von der sich langsam ändernden Ionenraumladung in diesem Bereich abgeschirmt ist Der Strom /ι, der von der Anode 14 wegfließt, ist nur durch den Elektronenfluß bestimmt und hat eine Ansprechzeit in der Größenordnung von 1 Mikrosekunde, was etwa lOOOmal schneller ist, als eine durch die Ionendrift bestimmte Ansprechzeit

In F i g. 3 ist eine Gitterstruktur gezeigt, die in Röntgenstrahlendetektoren nach der vorliegenden Erfindung eingebaut wird. Eine dünne gleichmäßige Schicht 30 isolierenden Materials, z. B. aus Aluminiumoxid, Quarz oder Bornitrid wird auf die Oberfläche einer Metallanode 14 aufgebracht Eine dünne Metallfolie 32 wird auf die isolierende Schicht 30 gegenüber der Anode aufgebracht Dann bringt man Löcher 34 durch Ätzen oder Sandblasen in die dünne Metallfolie 32 und die isolierende Schicht 30 ein, um ein isoliertes Gitter zu bilden, das direkt mit der Anode verbunden ist Ähnliche Techniken zur Bildung direkt verbundener Gitter sind zur Verwendung in Elektronenröhren aus Keramik und Metall entwickelt worden. Bei dem vorliegenden Röntgenstrahlendetektor muß die isolierende Schicht zwischen der das Gitter bildenden Metallfolie 32 und der Anöde i4 einen hohen elektrischen Widerstand haben, üblicherweise 10¹² Ohm oder mehr, um den elektrischen Leckstrom vom Gitter zur Anode 14 möglichst gering zuhalten.

Das direkt verbundene Gitter der F i g. 3 wirkt weiter als Abschirmung für die Anode 14 vor irgendeinem sich ändernden elektrischen Feld, das durch die Vibration der Anode oder der benachbarten Elektroden verursacht werden könnte. Detektoren dieser Konstruktion erzeugen daher weit geringere mikrofonische Ströme als bekannte Detektoren.

In F i g. 4 ist eine Reihe von Detektoren zum Bestimmen der räumlichen Verteilung der Röntgenstrahlenintensität gezeigt Ein Gitter 20 ist parallel zu einer PIanarkathode 16 angeordnet Mehrere Anodensegmente 40 sind benachbart dem Gitter gegenüber der Kathode 16 angeordnet Ein Detektorgas 12 füllt den Bereich zwischen der Kathode 16, dem Gitter 20 und den Anoden 40. Jede der einzelnen Anoden 40 ist mit Erde durch einen Signalverarbeitungsstromkreis 42 verbunden, der Einrichtungen zum Messen des Stromflusses von jedem Anodensegment umfaßt Die Kathode 16 wird mittels einer ersten Spannungsquelle 44 mit Bezug auf Erde auf einer negativen Spannung gehalten. Das Gitter 20 hält man mittels einer zweiten Spannungsquelle 46 auf einer Spannung zwischen der der Kathode und

ίο Erde. Bei einem Abstand D vom Gitter zur Kathode von etwa 10 mm und einem Abstand d vom Gitter zur Anode von etwa 0,1 mm wird die Kathode vorteilhafterweise bei etwa 1000 Volt unterhalb des Erdpotentials gehalten und das Gitter etwa 30 Volt unter dem Erdpo tential. Die Elektronendriftgeschwindigkeit variiert je doch nur leicht mit der elektrischen Feldstärke und ein weiter Bereich anderer Spannungen ist möglich. Das elektrische Feld im Detektor sollte daher in jedem Falle unterhalb der Werte gehalten werden, die in dem De tektorgas 12 einen Lawinendurchbruch erzeugen und somit ein stark nicht-lineares Ansprechen verursachen. Die Ausführungsform des Detektors der F i g. 4 ergibt außerordentlich kurze Erholungszeiten. Die räumliche Auflösung dieses Detektors ist jedoch durch die charak-

teristische Xenonstrahlung begrenzt, die ein Übersprechen zwischen den Ausgangssignalen der benachbarten Anodensegmente 40 erzeugt.

F i g. 5 gibt eine Ausführungsform des Detektors der vorliegenden Erfindung wieder, die für das durch die

charakteristische Xenonstrahlung erzeugte Übersprechen weniger empfindlich ist als der Detektor der F i g. 4. Diese Ausführungsform umfaßt eine Vielzahl im wesentlichen paralleler Kathodenplatten 50, die durch Isolatoren 58 getrennt sind. Viele Anodenplatten 52 sind in gleichem Abstand zwischen den Kathodenplatten 50 angeordnet und gleichfalls durch Isolatoren 58 gehaltert Gee'.dete Schutzringe 60 können zwischen den Kathodenplatten 50 und den Anodenplatten 52 in die Isolatoren 58 eingeführt werden, um die Leckströme abzu- führen, die anderenfalls an den Isolatoren entlangfließen und Fehler in den Strahlungsmessungen erzeugen können. Die Kathodenplatten 50 werden mittels einer Spannungsquelle 62 auf einer negativen Spannung mit Bezug auf Erde gehalten. Die Anoden 52 sind durch die Strom meßschaltkreise 64 mit Erde verbunden. Ein Paar leiten der Gitter 54 ist benachbart den Oberflächen jeder Anodenplatte 52 angeordnet Die Gitter können auf einer dünnen Schicht, von z. B. 0,1 mm Dicke aus isolierendem Material 56 auf der Oberfläche der Anoden abgestützt

so sein, wie dies mit Bezug auf F i g. 3 beschrieben ist Die

Gitterstrukturen sind mittels einer Spannungsquelle 65

auf einer Spannung zwischen der der Kathoden und

Erde gehalten. Die Anodenplatten 50 und die Kathodenplatten 52

sollten vorteilhafterweise aus Metallen eines hohen Atomgewichts, z. B. Molybdän, Tantal oder Wolfram hergestellt seia So können in einem typischen Detektor z. B. die Anoden- und Kathodenplatten aus 0,05 mm dicken Molybdän- oder Wolframfolien konstruiert sein. Die An öden- und Kathodenfolien dienen zum Abschirmen der einzelnen Detektorzellen von der charakteristischen Xenonstrahlung. In einer typischen Zelle können die Kathoden 50 bei einer Spannung von etwa 200 Volt unterhalb Erde und die Gitter 54 bei einer Spannung von etwa 30 Voltunterhalb Erdpotentialgehaltenwerden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Röntgenstrahlendetektor mit mindestens einer eine Detektorzelle darstellenden Ionisationskammer mit

— einer flachen Anode,

— einer flachen Kathode, die parallel zur Anode angeordnet ist,

— einem Detektorgas zwischen Anode und Kathode,

— einer Einrichtung, um ein elektrisches Potential an Anode und Kathode zu legen,

— einer Einrichtung, um den Stromfluß von der Anode zur Kathode zu messen,

— einem offenen Gitter zwischen der Kathode und der Anode, wobei das Gitter nahe der Anode angeordnet ist, und

— einer Einrichtung, das Gitter auf einem elektrischen Potential zu halten, das zwischen dem der Anode und dem der Kathode liegt,