DE3003746A1

DE3003746A1 - Ionising radiation detector esp. for x=ray tomography system - has gas filled chamber contg. spaced cathode plates and anode wires giving high accuracy

Info

Publication number: DE3003746A1
Application number: DE19803003746
Authority: DE
Inventors: Esko Riihimaeki
Original assignee: HOSPITAL PHYSICS Oy
Current assignee: HOSPITAL PHYSICS Oy
Priority date: 1979-02-07
Filing date: 1980-02-01
Publication date: 1980-08-21
Also published as: FI790405A; JPS55140183A; FI63495C; FI63495B

Abstract

Ionising radiation detector in proportional chamber operation, esp. for use with x-ray tomography systems, has a compact chamber contg. a gas of high at. wt. under high pressure, with anodes and cathodes in the gas connected to positive and negative voltage sources. The cathodes (18) are metal plates, which are placed at certain intervals in the direction of the radiation, whilst the anodes (16) are metal wires (50) between the cathodes and form a voltage impulse after each absorbed x-ray quantum. There is also equipment for determining the voltage impulse at each (gp. of) anode(s). The detector is more accurate than usual and its sensitivity to interference in the signal is reduced considerably. The amt. of radiation needed can be much less than usual (1/5 to 1/10 that needed with conventional detectors).

Description

Ionisationsstrahlendetektor Ionization beam detector

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsstrahlendetektor zur Verwendung insbesondere mit Röntgenstrahl-Tomografiesystemen. Der Detektor weist eine Kompaktkammer auf, die unter Hochdruck ein Edelgas hohen Atomgewichts enthält. Innerhalb der Kammer sind Kathoden und Anoden angeordnet, die mit dem negativen bzw. positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden sind. The invention relates to an ionization beam detector for use particularly with x-ray tomography systems. The detector has a compact chamber which contains a noble gas of high atomic weight under high pressure. Inside the chamber cathodes and anodes are arranged, which are connected to the negative and positive pole of a DC voltage source are connected.

Es sind bereits solche Ionisationskammern bekannt geworden, die zum Ermitteln von Röntgenstrahlen verwendet werden. Der Zweck dieser Art von Detektoren ist der, sowohl die Intensität als auch den Ort der Röntgenstrahlen festzustellen. Ein Beispiel eines Detektors dieser Art ist das in der US-PS 4 031 396 dargestellte Gerät. Dieses Gerät weist eine Ionisationskammer mit einem Gas hohen Atomgewichts bei einem Druck von 10 bis 50 Atmosphären auf. There are already such ionization chambers are known to Detecting X-rays can be used. The purpose of this type of detector is to determine both the intensity and the location of the X-rays. An example of a detector of this type is that shown in U.S. Patent 4,031,396 Device. This device has an ionization chamber with a high atomic weight gas at a pressure of 10 to 50 atmospheres.

Innerhalb der Kammer ist eine Vielzahl paralleler ebener Anoden angeordnet, die durch ebene Kathoden getrennt sind.A large number of parallel flat anodes are arranged within the chamber, which are separated by flat cathodes.

Die ebenen Anoden und Kathoden sind senkrecht gegen die Strahlungsrichtung angeordnet. Dieses Gerät mißt die Strahlungsintensität in analoger Form unter Verwendung einer elektronischen Schaltung, d.h. es mißt die Ionisationsstromstärke. Der Nachteil eines Geräts dieser Art besteht in der verhältnismäßig langsamen Bewegung der positiven Ionen in der Kammer und in der mit der Messung solch extrem schwacher Ströme und ihrer Übertragung in die digitale Form verbundenen Ungenauigkeit.The flat anodes and cathodes are perpendicular to the direction of radiation arranged. This device measures the radiation intensity in analog form using an electronic circuit, i.e. it measures the ionization current. The disadvantage a device of this type consists in the relatively slow movement of the positive Ions in the chamber and in the one with the measurement of such extremely weak currents and their transfer to the digital form associated inaccuracy.

Zum Stand der Technik gehören auch Kristalldetektoren, bei denen die Strahlungsintensität in analoger Form unter Verwendung eines Fotoverstärkers ausgedrückt wird. The state of the art also includes crystal detectors in which the radiation intensity in analog form using a photo amplifier is expressed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung der Nachteile bekannter Ionisationsstrahlendetektoren einen Detektor verbesserter Genauigkeit zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einem Ionisationsstrahlendetektor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. The invention is based on the object of overcoming the disadvantages known ionization beam detectors have a detector of improved accuracy to accomplish. This object is achieved with an ionization beam detector according to claim 1 solved. Further developments of the invention are described in the subclaims.

Mit dem erfindungsgemäßen Ionisationsstrahlendetektor werden die oben geschilderten Nachteile vermieden, da er dazu herangezogen werden kann, jedes Strahlungsquantum getrennt zu erfassen. Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Ionisationsstrahlendetektor ist, daß die Kathoden Metallplatten sind, die in bestimmten Abständen voneinander parallel zur erfaßten Strahlung angeordnet sind, und daß die Anoden Metalleiter sind, die sich zwischen den Kathoden befinden und nach jedem Röntgenstrahlungsquantum einen Spannungsimpuls aufbauen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Plattenkathoden in gleichen Abständen voneinander angeordnet und befinden sich mittig zwischen ihnen Rahmen, an die in gleichen Abständen Anodendrähte befestigt sind. With the ionization beam detector according to the invention, the Avoided the disadvantages outlined above, since it can be used to each To record radiation quantum separately. Essential to the ionization beam detector according to the invention is that the cathodes are metal plates that are spaced apart from one another are arranged parallel to the detected radiation, and that the anodes are metal conductors located between the cathodes and after each X-ray quantum build up a voltage pulse. According to an advantageous development of the invention the plate cathodes are arranged and located at equal distances from one another In the middle between them there is a frame to which anode wires are attached at equal intervals are.

Das Gerät nach vorliegender Erfindung hat im Vergleich zu den bekannten Geräten mehrere Vorteile. Der wesentlichste Vorteil ist der, daß nunmehr jedes Röntgenstrahlungsquantum separat gemessen werden kann, wodurch die Empfindlichkeit auf Interferenz in dem Signal wesentlich vermindert ist. Ein anderer sehr wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Impulse direkt gemessen werden können und die Strahlungsbelastung wesentlich vermindert werden kann. The device according to the present invention has in comparison to the known Devices have several advantages. The most important advantage is that now every X-ray quantum can be measured separately, reducing the sensitivity to interference in the Signal is significantly reduced. There is another very significant benefit in that the impulses can be measured directly and the Radiation exposure can be significantly reduced.

In bestimmten Fällen ist es möglich, mit nur 1/5 oder 1/10 der Strahlungsmenge auszukommen, die notwendig wäre, wenn bekannte Detektoren benutzt werden würden.In certain cases it is possible to use only 1/5 or 1/10 of the amount of radiation get along, which would be necessary if known detectors were used.

Bei dem Gerät nach vorliegender Erfindung wird die Röntgenstrahlung in einem Edelgas hohen Atomgewichts ermittelt. Die Röntgenstrahlen wirken auf die Gasatome ein und erzeugen einen Ionenerguß,der aus Elektronen und positiv geladenen Edelgasatomen innerhalb eines elektrischen Feldes besteht. Die Elektronen, deren- Geschwindigkeit wesentlich höher ist als die Geschwindigkeit der positiven Ionen, bewegen sich hin zum nächsten Anodendraht und nach Eintritt in das starke elektrische Feld in der Umgebung des dünnen Drahts rufen sie eine Multiplikation hervor, was heißt, daß bei den Zusammenstössen mehr Elektronen von den Atomen getrennt werden. Eine Verstärkung wird dadurch hervorgerufen. In the apparatus of the present invention, the X-ray radiation determined in a noble gas of high atomic weight. The X-rays act on them Gas atoms and generate an ionic energy, which consists of electrons and positively charged There is noble gas atoms within an electric field. The electrons whose- Speed is much higher than the speed of the positive ions, move towards the next anode wire and after entering the strong electrical Field in the vicinity of the thin wire they cause a multiplication what means that more electrons are separated from the atoms during the collisions. This causes a gain.

Da das Feld in der Umgebung des Drahts äußerst stark ist, bewegen sich die Elektronen sehr schnell und bewirken sie an dem Draht einen schnellen, erfaßbaren Spannungsimpuls.Since the field around the wire is extremely strong, move the electrons move very quickly and cause a fast, detectable voltage pulse.

Der Detektor hat für jeden gegebenen Punkt mehrere Drähte und einen relativ niedrigen Druck und deshalb können in Aufeinanderfolge an verschiedenen Punkten gleiche Elektronenimpulse erfaßt werden, obwohl die positiven Ionen von vorherigen Ionenergüssen noch in Richtung Kathode wandern. Das Tempo des durch die positiven Ionen verursachten Spannungsimpulses ist etwa zwei Zehnergruppen langsamer als das durch die Elektronen verursachte und folglich können die Impulsermittlungsschaltkreise zwischen ihnen unterscheiden.The detector has several wires and one for any given point relatively low pressure and therefore can be used in succession at different Points equal electron pulses are detected, although the positive ions of previous ion energies still migrate towards the cathode. The pace of going through the The voltage pulse caused by positive ions is about two groups of ten slower than that caused by the electrons, and hence the pulse detection circuits distinguish between them.

Das bedeutet auch, daß es während der Messung nicht notwendig ist, die Röntgenstrahlen selbst pulsieren zu lassen, sondern es kann eine gleichbleibende Strahlung angewandt werden.This also means that during the measurement it is not necessary to the x-rays make themselves pulsate but it can be a steady one Radiation can be applied.

Es ist wichtig, daß die Strahlung so vollständig als möglich ermittelt wird, und deshalb muß der Detektor in der Strahlungsrichtung lang genug sein, damit zumindest 70 % der Röntgenstrahlungsmenge in dem Gas absorbiert werden kann, selbst wenn der Druck innerhalb der Kammer nicht besonders hoch ist. Dies führt zu zwei zusätzlichen Vorteilen: 1. findet die Strahlungsermittlung in einem weiten Bereich statt, so daß die positiven Ionen Zeit haben, zu den Kathoden in der Kammer zu wandern, und 2. ist die für die Multiplizierung der Elektronen benötigte Spannung nicht besonders hoch. It is important that the radiation is detected as completely as possible becomes, and therefore the detector must be long enough in the radiation direction so that at least 70% of the amount of X-ray radiation can be absorbed in the gas itself if the pressure inside the chamber is not particularly high. This leads to two additional advantages: 1. radiation is determined over a wide range instead, so that the positive ions have time to migrate to the cathodes in the chamber, and 2. the voltage required to multiply the electrons is not special high.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher eroläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische und teilweise aufgeschnittene Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine Ansicht einer Plattenkathode zur Verwendung in dem Detektor von Fig. 1; und Fig. 3 eine Ansicht des Aufbaus der Anode zur Verwendung in dem Detektor von Fig. 1. The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings explained. 1 shows a schematic and partially cut-away view an embodiment of the invention; Fig. 2 is a view of a plate cathode for Use in the detector of Figure 1; and Fig. 3 is a view showing the structure of the anode for use in the detector of FIG. 1.

Die Röntgenstrahlen wirken mit dem sie absorbierenden Gas zusammen und erzeugen einen Erguß von Elektronen sowie einen Erguß von positiv geladenen Gasionen. Die Wandergeschwindigkeit der Elektronen kann durch Hinzufügung eines geeigneten Molekulargases zu dem Füllgas vergrößert werden. Die Absorptionswahrscheinlichkeit der Röntgenstrahlen hängt vom Atomgewicht des verwendeten Edelgases und von der Menge der Gasmoleküle in der Strahlungsrichtung ab. Somit wird in dem Detektor eine ausreichende Ermittlungseffizienz erreicht, indem der Detektor in Strahlrichtung genügend lang ausgebildet wird. The X-rays interact with the gas that absorbs them and produce an effusion of electrons as well as an effusion of positively charged ones Gas ions. The traveling speed of the electrons can be increased by adding a suitable molecular gas to be enlarged to the filler gas. The probability of absorption the X-rays depends on the atomic weight of the noble gas used and on the Amount of gas molecules in the direction of radiation. Thus in the detector a Sufficient detection efficiency is achieved by moving the detector in the direction of the beam is formed long enough.

Die Verstärkung des Elektronenimpulses ist abhängig vom Durchmesser des Leiters, von der Potentialdifferenz zwischen den Elektronen und vom Druck des Füllgases. The amplification of the electron pulse depends on the diameter of the conductor, on the potential difference between the electrons and the pressure of the filling gas.

Das Verhältnis zwischen diesen Parametern wird so gewählt, daß eine 100-1000-fache Verstärkung an dem Leiter erzielt wird. Die Messungen, die ausgeführt worden sind, zeigen, daß es so möglich ist, Spannungsimpulse von etwa 10 Nanosekunden an dem Anodendraht zu erreichen. Eine gemäß diesem Prinzip arbeitende Kammer kann als ein Proportionalzähler bezeichnet werden, obwohl die Größe des ermittelten Spannungsimpulses von keiner Bedeutung ist.The relationship between these parameters is chosen so that one 100-1000 times the gain on the conductor is achieved. The measurements that were carried out show that it is possible to generate voltage pulses of around 10 nanoseconds on the anode wire. A chamber operating according to this principle can can be referred to as a proportional counter, although the size of the detected voltage pulse is of no importance.

Wie Fig. 1 zeigt, weist der erfindungsgemäße Detektor eine Druckkammer 10 auf. Die Druckkammer hat die Form eines Kreissegments und die punktartige Strahlungsquelle wird im Zentrum des Kreises angeordnet. Innerhalb der Druckkammer 10 befindet sich das Hochdruck-Detektorgas 12. As FIG. 1 shows, the detector according to the invention has a pressure chamber 10 on. The pressure chamber has the shape of a segment of a circle and the point-like radiation source is placed in the center of the circle. Inside the pressure chamber 10 is located the high pressure detector gas 12.

Auf der einen Seite der Druckkammer 10 befindet sich ein dünnes Fenster 14, das für Röntgenstrahlung im wesentlichen durchlässig ist. Das Detektorgas 12 füllt die Druckkammer und ist im wesentlichen undurchlässig für Röntgenstrahlung, so daß der größte Teil der Strahlung in dem Gas 12 absorbiert wird. Das Detektorgas ist ein Edelgas hohen Atomgewichts (wie z.B. Xenon) und enthält ein Molekulargas wie CO2, das die Beweglichkeit der Elektronen fördert. Der CO2-Anteil beträgt vorzugsweise 5 bis 10 %. Die Kathoden, die aus einem Metall hohen Atomgewichts bestehen, sind in der Kammer in Richtung der Strahlung und im rechten Winkel zur Längsachse des Detektors angeordnet.On one side of the pressure chamber 10 there is a thin window 14, which is substantially transparent to X-rays. The detector gas 12 fills the pressure chamber and is essentially opaque to X-rays, so that most of the radiation in the gas 12 is absorbed. The detector gas is a noble gas with a high atomic weight (such as xenon) and contains a molecular gas like CO2, which promotes the mobility of electrons. The CO2 content is preferably 5 to 10 %. The cathodes, which are made of a high atomic weight metal, are in the chamber in the direction of the radiation and at right angles to the longitudinal axis of the Detector arranged.

Die Anoden 16 befinden sich mittig zwischen den Kathoden 18 und erstrecken sich parallel zu diesen. Der Detektor weist mehrere, möglicherweise .Hunderte von Kathoden und Anoden auf. Die Kathoden 18 sind elektrisch mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 28 verbunden. Die als Anoden wirkenden Drähte sind über isolierte Durchführungen 22 mit Impulsermittlungsschaltungen 24 verbunden. The anodes 16 are located centrally between the cathodes 18 and extend parallel to these. The detector has several, possibly hundreds of Cathodes and anodes. The cathodes 18 are electrically connected to the negative pole one Voltage source 28 connected. The wires acting as anodes are insulated over Bushings 22 with Pulse detection circuits 24 connected.

Fig. 2 stellt eine Plattenkathode 18 dar, die aus einer Metallplatte hohen Atomgewichts besteht, deren Dicke üblicherweise 0,05 bis 0,1 mm beträgt und deren Länge so ist, daß sie fast von der Vorderwand der Druckkammer zur Rückwand reicht. Die Ränder der Kathode sind durch ein Isoliermaterial 40 geschützt, um Elektronenverluste zu vermeiden. Die Kathodenplatte kann z.B. aus Tantal, Wolfram, Molybdän oder Gold hergestellt sein. Fig. 2 shows a plate cathode 18 made of a metal plate high atomic weight, the thickness of which is usually 0.05 to 0.1 mm and the length of which is such that it extends almost from the front wall of the pressure chamber to the rear wall enough. The edges of the cathode are protected by an insulating material 40 to prevent electron loss to avoid. The cathode plate can be made of tantalum, tungsten, molybdenum or gold, for example be made.

Fig. 3 stellt die Plattenanode 16 dar, die etwa dieselbe Länge wie die Plattenkathode 18 hat und aus einem Rahmen 54 und den Drähten 50 besteht. Die Drähte 50 sind fest mit dem dielektrischen Rahmen 54 verbunden. Die Anzahl der Anodendrähte ist so gewählt, daß der Abstand zwischen ihnen etwa gleich dem Abstand zu den Kathoden ist. Der Rahmen ist so dünn, vorzugsweise 0,01 bis 0,05 mm, so daß er im wesentlichen keine Absorption der zu ermittelten Strahlung verursacht, er aber dennoch einen festen Halt für die Anodenleiter bietet. Der Durchmesser der Anodendrähte 50 beträgt vorzugsweise 0,02 bis 0,1 mm, und die Anodendrähte bestehen vorteilhaft aus Wolfram, Silber, Stahl, Tantal, Gold oder Molybdän. Fig. 3 shows the plate anode 16 which is about the same length as has the plate cathode 18 and consists of a frame 54 and the wires 50. the Wires 50 are fixedly connected to the dielectric frame 54. The number of anode wires is chosen so that the distance between them is approximately equal to the distance to the cathodes is. The frame is so thin, preferably 0.01 to 0.05 mm, that it is substantially does not cause any absorption of the radiation to be determined, but it does cause one provides a firm hold for the anode conductor. The diameter of the anode wires 50 is preferably 0.02 to 0.1 mm, and the anode wires are advantageously made of tungsten, Silver, steel, tantalum, gold or molybdenum.

Die Impulsermittlung von den Drähten an eine Anode kann entweder separat oder teilweise oder durch Versehen jeden Drahts mit einem einzigen Detektor ausgeführt werden. The pulse detection from the wires to an anode can be either separately or in part, or by providing each wire with a single detector are executed.

Der übliche Abstand zwischen den Elektro en ist 2 bis 10 mm.The usual distance between the electrodes is 2 to 10 mm.

Der Vorteil dieser Detektorausführungsart ist der, daß jedes Strahlungsquantum innerhalb einer ausreichend kurzen Zeit ermittelt werden kann. Computer-Tomografiesysteme zeichnen sich durch eine so hohe Zahl von Strahlungsquanten pro Zeiteinheit aus, daß jedes dieser Strahlungsquanten nicht durch Verwendung zuvor bekannter Detektoren separat ermittelt werden kann.The advantage of this type of detector is that each quantum of radiation can be determined within a sufficiently short time. Computer tomography systems are characterized by such a high number of radiation quanta per unit of time, that each of these radiation quanta cannot be achieved by using previously known detectors separately can be determined.

In einem erfindungsgemäßen Detektor kann das Detektorgas 12 beispielsweise Xenon, Argon oder Krypton sein. Zusätzlich hierzu ist es vorteilhaft, eine geringe Menge, z.B. 5 bis 10 % Kohlendioxid zu verwenden Der zweckmäßige Gasdruck liegt zwischen 2 und 10 Atmosphären In diesem Fall liegt die geeignete Spannung zwischen 2 bzw. 5 kV. In a detector according to the invention, the detector gas 12 can, for example Be xenon, argon or krypton. In addition to this, it is advantageous to have a low Amount, e.g. 5 to 10% carbon dioxide to be used The appropriate gas pressure is between 2 and 10 atmospheres In this case the appropriate voltage is between 2 or 5 kV.

Die Erfindung wurde nur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Abwandlungen der Erfindung sind vielmehr im Rahmen der beigefügten Ansprüche möglich. The invention was only based on a preferred embodiment It goes without saying, however, that the invention is not limited to that illustrated Embodiment is limited. Rather, modifications of the invention are in Possible within the scope of the attached claims.

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Claims

Patent p r ti c h e: 1. Ionization beam detector in proportional chamber mode for use in particular with X-ray tomography systems, with a compact chamber, which under high pressure a gas of high atomic weight and enclosed in the gas anodes and cathodes, and having a voltage source for applying a positive Voltage on the anodes and a negative voltage on the cathodes, thereby g e it is not noted that the cathodes (18) are metal plates facing towards of the radiation are arranged at certain distances from one another, and the anodes (16) are metal wires (50) located between the cathodes and build up a voltage pulse after each absorbed X-ray quantum, means (24) being provided for on each anode or group of anodes determined voltage pulse to express.

2. Detector according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t, that the cathodes (18) are arranged at equal distances from one another and the Anodes (16) are located centrally between two adjacent cathodes.

3. Detector according to claim 1 or 2, characterized in that g e -k e n n z e i c that is, the anodes (16) are thin metal wires (50) spaced equally apart are attached to a frame (54) or the like.

4. Detector according to one of the preceding claims, .d Through this g e k It is noted that the cathodes (18) are made of a metal of high atomic weight consist of tantalum, tungsten, molybdenum or gold.

5. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that g e k It is noted that the material of the anode wires (50) from the group tungsten, Silver, steel, tantalum, gold or molybdenum is selected.