DE3113305A1

DE3113305A1 - "roentgenstrahlendetektor"

Info

Publication number: DE3113305A1
Application number: DE19813113305
Authority: DE
Inventors: Dennis John 53186 Waukesha Wis. Cotic
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-04-04
Filing date: 1981-04-02
Publication date: 1982-01-14
Also published as: DE3113305C2; US4306155A; JPS56154685A

Description

_ 4 —

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen gasgefüllten Röntgenstrahlendetektor mit verbessertem Fenster, und zwar betrifft die Erfindung insbesondere einen mehrzelligen Detektor für ionisierende Strahlung, wie es Röntgenstrahlung ist. Der hier beschriebene verbesserte Detektor wurde primär für die Ermittlung der Photonenintensxtats- und -energieverteilung über ein breites Bündel von Röntgenstrahlen entworfen, und er ist besonders vorteilhaft anwendbar in

rechnergesteuerten axialen Röntgenstrahl-

Tomographieeinrichtungen.

In einer typischen rechnergesteuerten ■

Tomographieeinrichtung wird ein Bündel von einer Röntgenröhre zu einem dünnen divergierenden oder fächerförmigen Bündel kollimiert, das den zu untersuchenden menschlichen Körper durchdringt und auf eine Reihenanordnung von Detektorzellen fällt, derart, daß die Photonenintensität und -energieverteilung über den Strahl ermittelt und räumlich aufgelöst werden kann. Jede aktive Detektorzelle umfaßt wenigstens ein Paar von parallelen, dünnen Metallplatten, die als Elektroden dienen. Die Platten befinden sich

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in einem Gehäuse, das mit einem unter hohem Druck stehenden und in hohem Maße Röntgenstrahlen absorbierenden, stabilen Gas gefüllt ist, wie beispielsweise mit Xenon oder einem polyatomaren Gas. Die einzelnen Detektorzellen sind nebeneinander angeordnet, so daß die Röntgenstrahlenphotonen, die über den Röntgenstrahl hinweg verteilt sind, nachdem dieser aus dem Körper ausgetreten ist, gleichzeitig festgestellt werden. Analogsignale, die aufgrund der Ionisierung des Gases in den jeweiligen Zellen erzeugt werden und die der Röntgenstrahlenabsorption längs jedes Strahlenverlaufs in dem Bündel im Augenblick der Detektion entsprechen, werden von den Elektroden zu einem Datenerfassungssystem geleitet. Die Röntgenröhre und der Detektor werden gemeinsam um den in Untersuchung befindliehen Körper gedreht oder abtastend herumgeführt, und unter aufeinanderfolgenden Drehwinkeln werden Gruppen von Signalen abgenommen, und wenn die Signale abgenommen werden, bilden diese eine Röntgenansicht. Die diskreten Analogsignale, die der Abschwächung, welche entlang den Strahlwegen jeder Ansicht erfolgt, entsprechen, werden in Digitalsignale umgewandelt und in einem Rechner verarbeitet, der mittels eines geeigneten Algorithmus gesteuert wird, so daß er Bildelementsignale erzeugt, welche die Röntgenstrahlenabsorption oder -Schwächung für jedes kleine Volumenelement in dem Körper repräsentieren, durch welches das Röntgenstrahlenbündel hindurchgeht. Diese Signale werden mittels einer Sichtgerätesteuerung, die ein Fernsehüberwachungsgerät steuert, dazu benutzt, eine Axialansicht einer dünnen Schicht in dem Körper wiederzugeben, der quer abgetastet worden ist. Die Analogsignale sind allgemein im niedrigen Nanoampere-Bereich. Es muß sorgfältig beachtet werden, daß ein adäquates Signal-ζu-Rauschen-Verhältnis aufrechterhalten wird. Einer der Gründe eines unerwünscht niedrigen Verhältnisses und demgemäß einer schlechteren Kontrastauflösung in dem wiedergegebenen Bild besteht darin, daß eine Menge der Röntgenstrah-

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lenphotonen niedriger Energie im Röntgenstrahleneintrittsfenster des Detektors absorbiert werden.

Die grundsätzlichen Merkmale eines unter hohem Druck mit Gas gefüllten Röntgenstrahlendetektors, auf den die Verbesserungen in dem hier beschriebenen, für Röntgenstrahlen durchlässigen Fenster anwendbar sind, sind beispielsweise in der US-PS 4 161 655 beschrieben, die durch diese Bezugnahme mit zum Offenbarung.s inhalt der vorliegenden An-

"Io meldung gemacht wird. Der in dieser Patentschrift beschriebene Detektor umfaßt ein Gehäuse, das einen Boden, Enden sowie eine vordere und eine rückwärtige Wand hat, welche einen Kanal begrenzen, in dem die einander gegenübergestellten Elektrodenplatten vorgesehen sind, welche die einzelnen Röntgenstrahlen-Detektorzeilen bilden. Auf den Körper bzw. das Gehäuse ist zum Verschließen des Kanals eine Metallabdeckung aufgeschraubt, und es sind Abdichtungseinrichtungen, wie beispielsweise eine Dichtung, zwischen die Abdeckung und den Gehäusekörper eingefügt. Das Gehäuse ist mit einem Gas hoher Ordnungszahl, wie beispielsweise Xenon, gefüllt, und zwar vorzugsweise mit einem Druck im Bereich von etwa 10 bis 50 Bar (1o bis 5o Atmosphären), wobei jedoch ein Druck von etwa 25 Bar (25 Atmosphären) allgemein für Röntgenstrahlenphotonen angewandt wird, die eine Energie im Bereich von etwa 4o bis 12o keV haben. Die vordere Wand des Detektors hat entlang ihrer Länge eine verminderte Dicke, so daß ein Fenster für das Röntgenstrahlenbündel gebildet ist, damit dieses in das gasgefüllte Gehäuse eindringen kann und die Strahlen des Bündels unabhängige ionisierende Vorgänge in den einzelnen Zellen erzeugen können. Gewöhnlich wird Aluminium wegen seiner relativ hohen Röntgenstrahlendurchlässigkeitseigenschaften im Vergleich mit Elementen höherer Ordnungszahl, die eine größere Festigkeit haben mögen, für das Detektorgehäuse verwendet. Nach der

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bisherigen Praxis wurde der Querschnitt des Fensters gerade ausgeführt, d. h. so, daß dessen Vorderseite und Rückseite oder dessen Röntgenstrahlen-Eintritts- und -Austrittsoberflächen parallel zueinander sind. Die Fensterhöhe muß groß genug für das dünne divergierende Röntgenstrahlenbündel sein, üblicherweise etwa 1o mm dick, damit dieses das Fenster ohne Störung durch benachbarte Teile des Detektorgehäuses durchdringen kann. In mehrzelligen Röntgenstrahlendetektoren für die rechnergesteuerte Tomographie gemäß dem Stand der Technik, die aus Aluminium hergestellt sind und geradflächige Fenster haben, beträgt die Fensterhöhe typischerweise etwa 2,5 cm (1,o Zoll), damit die konische Erweiterung des 1o mm dicken Röntgenstrahlenbündels in einem bzw. dem vorgesehenen Abstand von der Röntgenröhre erfaßt wird, wobei das dünnste Fenster, welches verwendet werden kann und noch bei einem Gasdruck in der Größenordnung von etwa 25 Bar (25 Atmosphären) einen ausreichenden Sicherheitsspielraum hat, und etwa 3,4 mm (0,133 Zoll) dick war.

Es ist an sich bekannt, daß an die die Analyse durchführenden bzw. die Analysegeräte bauenden Personen die Forderung gestellt wird, daß, wenn die Fensterhöhe erhöht wird, die Fensterdicke vergrößert werden muß, damit dessen Auslenkung und der Sicherheitsfaktor innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden. Ein Grund, warum geradflächige Fenster auf Kosten von hohen Röntgen-Strahlenabsorptionsverlusten so übermäßig dick sein müssen, besteht darin, daß diese Fenster primär einer Biegebeanspruchung durch den Gasdruck ausgesetzt sind. Bei Trägerteilen, wie es zum Beispiel das Fenster ist, sind bei einer gegebenen Belastungsgröße die durch Biegen hervorgerufenen Beanspruchungen höher als die durch Zug hervorgerufenen Beanspruchungen. Das Ziel besteht darin, die Biegebelastungen auf Kosten der Zugbelastungen zu vermin-

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dern. Jedes Biegen eines Fensters erhöht natürlich die Spaltdicke zwischen den Rändern der Elektrodenplatten und dem Fenster und führt infolgedessen zu Signalanomalien und größeren Rontgenstrahlenverlusten in dem Gas, bevor die Photonen in die Zwischenräume zwischen den Elektrodenplatten eintreten.

In einer rechnergesteuerten Axialtomographieeinrichtung enthält das von der Röntgenröhre ausgesandte Röntgenstrahlenbündel ein Spektrum von Photonenenergien, die im wesentlichen im Bereich von ο bis 12o keV liegen. Das Röntgenstrahlenbündel wird gefiltert, bevor es in den Körper eintritt, damit Photonen niedriger Energie, die nur durch den Körper absorbiert werden und nicht zur Erzeugung von Signalen beitragen würden, welche der Schwächung des Röntgenstrahlenbündels durch den Körper entsprechen, ausgeschieden werden. Infolgedessen hat das primäre Röntgenstrahlenbündel nach dem Filtern, d. h. das Bündel, welches vorliegt, bevor es den Körper durchdringt, ein Photonenenergxespektrum von üblicherweise etwa 4o bis 12o keV (Kilo Elektronen-Volt), und der Spektralgehalt des auf das Detektorfenster auftreffenden Bündels ist etwa der gleiche, obwohl die Photonenintensität durch den Körper geschwächt worden ist. Wenn das Detektorfenster aus Aluminium besteht und gerade oder flach ist, wie das üblich ist, und wenn die Dickenforderung für einen adäquaten Sicherheitsfaktor erfüllt wird, dann kommt es, wie gefunden wurde, dazu, daß bis zu 3o % der Photonen mittlerer Energie bei etwa 8o keV in dem Fenster absorbiert werden, was bedeutet, daß bis zu 3o % der brauchbaren Signalinformation verloren gehen. Wegen des Verlusts der normalen Verteilung der Photonenenergien wird die Kontrastauflösung in dem rekonstruierten Bild verschlechtert und Gewebezonen in dem Körper, zwischen denen geringe Dichteunterschiede bestehen, können im wiedergegebenen Bild nicht

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wahrgenommen werden. Daher wird dem Diagnostiker weniger Information zur Verfügung gestellt.

Eine Lösung der Schwierigkeit der übermäßigen Röntgen- <3 Strahlenabsorption in dem Fenster scheint auf den ersten Blick darin zu bestehen, daß man Fensterdicke und -höhe auf die niedrigst zulässigen Abmessungen, die mit dem erforderlichen Sicherheitsfaktor in Übereinstimmung sind, vermindert. Es wurde jedoch gefunden, daß in jedem Fall, in dem die Dicke eines geraden oder planaren Fensters minimalisiert wird, eine geringe, jedoch merkliche und unvorhersagbare Auslenkung des Fensters auftritt, wenn es dem hohen Gasdruck ausgesetzt wird, der in Detektoren dieser Art angewandt werden muß. Dadurch werden andere Schwierigkeiten bewirkt. Eine hiervon resultiert aus der Tatsache, daß, wie oben kurz angedeutet, die Ränder der Elektrodenplatten notwendigerweise sehr nahe an der Innenoberfläche des Fensters sein müssen. Der Spalt zwischen dem Fenster und den Rändern der Elektrodenplatten wird von Röntgenstrahlen absorbierendem Gas ausgefüllt, was bedeutet, daß Röntgenstrahlenphotonen, die nur brauchbare Analogausgangssignale erzeugen, wenn sie zwischen den Elektrodenplatten absorbiert werden, bereits teilweise in dem Gas absorbiert werden können, bevor sie in den Raum zwischen den Elektrodenplatten eintreten. Dadurch ergibt sich die Tendenz einer Verminderung der Kontrastauflösung im Bild. Eine Auslenkung des Fensters verändert außerdem die Dicke der Gasschicht ungleichförmig und unvorhersehbar entlang der Länge des Fensters und entlang der Reihenanordnung der Zellen, so daß die Detektionsgenauigkeit verschlechtert wird. Darüber hinaus können Gasionen, die

sollten,

zwischen ein Elektrodenplattenpaar eintreten/ in den Spalt driften und zwischen ein anderes Paar gelangen, wodurch eine Erscheinung hervorgerufen wird, die als Rauschen charakterisiert werden kann, so daß das Signal-zu-Rauschen-

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Verhältnis abfällt.

Das mit der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem besteht darin, einen Rontgenstrahlendetektor zur Verfügung zu stellen, der das dünnste und am wenigsten Röntgenstrahlen absorbierende Fenster hat,das trotzdem die niedrigst möglichen inneren Beanspruchungen und den geringsten Betrag an Durchbiegung aufweist.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß Biegebeanspruchungen in dem Fenster ausgeschaltet und die Beanspruchungen auf reine Membranen- oder Zugbeanspruchungen begrenzt werden. Im einzelnen wird das mit einem Fenster erreicht, das in seiner Höhenrichtung, d. h. quer . zu seiner Länge, einen gekrümmten Querschnitt hat. Darüber hinaus werden die Ränder der Elektrodenplatten innerhalb des Detektorgehäuses konvex gekrümmt ausgebildet, so daß sie der konkaven Krümmung der inneren Oberfläche des Fensters komplementär sind, derart, daß nur ein kleiner und gleichförmiger gasgefüllter Spalt zwischen den Detektorelektrodenplatten und dem Fenster aufrechterhalten werden kann.

_w Ein Vorteil des neuen gekrümmten Fensteraufbaus besteht darin, daß er die Anwendung von eine niedrige Röntgenstrahlenschwächung aufweisenden und von relativ schwachen, jedoch leichten Metallen für das Fenster ermöglicht, wie beispielsweise von Magnesium und Beryllium, wie auch von Aluminium.

3o

Die nachstehende , in nähere Einzelheiten gehende Beschreibung einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erfolgt, zeigt, wie die obigen sowie andere speziellere Vorteile und Merkmale der Erfindung erzielt werden; es

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zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen mehrzelligen Röntgenstrahlendetektor, gesehen in der Richtung der Linie 1-1 der Fig. 2;

Fig. 2 eine teilweise Aufsicht auf den Detektor der Fig. 1, wobei ein Teil der Abdeckung das Detektorkörpers weggebrochen ist, so daß man das Innere desselben sehen kann;

Fig. 3 eine teilweise Vorderaufrißansicht des in den vorhergehenden Figuren gezeigten Detektors;

Fig. 4 einige der Elektrodenplatten innerhalb des Detektorgehäuses, gesehen in der Richtung der Linie 4-4 in Fig. 1;

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, in welcher die Zugbeanspruchung über der Fensterdicke für ein gerades Fenster und ein gekrümmtes Fenster aufgetragen ist;

Fig. 6 eine Kurvendarstellung, in welcher die Fensterdurchbiegung¹ über der Fensterdicke für ein gerades

— und ein gekrümmtes Fenster aufgetragen

ist; und

Fig. 7 eine Kurvendarstellung, in welcher die Zugbean-

2
spruchung in (kg/cm )

über der Röntgenstrahlendurch-

lässigkeit für ein gerades und ein gekrümmtes Fenster aufgetragen ist.

Es sei nun eine bevorzugte Ausfuhrungsform beschrieben:

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Der in Fig. 1 gezeigte Detektor umfaßt einen Metallkörper 1o, welcher eine rückwärtige Wand 11, eine untere Wand 12 und einen vordere Wand hat, in der ein neuartiges, gekrümmtes, für Röntgenstrahlen durchlässiges Fenster 13 ausgebildet ist. Das Fenster kann in der Weise gekennzeichnet werden, daß es auf seiner Innenseite konkav und auf seiner Außenseite konvex ist, oder in anderen Worten, daß es konkav-konvex ist. überhängend über das Fenster ist ein Flansch 14 vorgesehen, der in Verbindung mit einem unteren Flansch 15 eine Fensteröffnung begrenzt, deren Höhe L im wesentli_w chen gleich der Höhe des gekrümmten Fensters ist. Die Fensterhöhe muß etwas größer als die Dicke des einfallenden fächerförmigen Röntgenstrahlenbündels sein, weil jedes Auftreffen des Röntgenstrahlenbündels auf den Gehäusekörper oberhalb und unterhalb des Fensters dazu führt, daß

einige brauchbare Strahlung nicht detektiert wird. Der Gehäusekörper 1o hat einen inneren Kanal 16, in dem eine Reihenanordnung 17 von nebeneinander angeordneten Elektrodenplatten, von denen eine mit 18 bezeichnet ist, längs der Breite des Detektors angeordnet ist. Der Detektorkörper 1o hat End- bzw. Stirnwände, welche die Enden des Kanals verschließen und es ermöglichen, daß er mit unter hohem Druck stehendem, Röntgenstrahlen absorbierendem und ^>w ionisierendem Gas gefüllt werden kann, wie beispielsweise mit einem einatomigen Gas hoher Ordnungszahl, wie etwa Xenon, oder mit einem anderen geeigneten inerten und ionisierbaren Gas.

Der Detektor 1o hat eine Metallabdeckung 19, die an der Oberseite des Detektorkörpers 1o mittels Schrauben, beispielsweise Maschinenschrauben, wie sie mit 2o und 21 bezeichnet sind, befestigt ist. Wie man aus den Fig. 1 und 3 ersieht, sind wenigstens zwei Dichtungsanordnungen 22 und 23 zwischen die Abdeckung 19 und die obere Oberfläche des Körpers 1o eingefügt, und zwischen die Dichtungsanord-

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nungen ist eine gedruckte Schaltungsplatte eingefügt. Auf der gedruckten Schaltungsplatte finden sich nicht sichtbare Leiter in Form von dünner Folie, die zu einem Anschlußteil 25 geführt sind, mit dem ein flaches Bandkabel 26 verbunden ist. Die Leiter des Kabels 26 dienen zur Übertragung der Analogsignale, die sich aus den Ionisationsvorgängen in den einzelnen Detektorzellen ergeben und welche die Röntgenstrahlenphotonen-Intensitätsverteilung über das fächerförmige Röntgenstrahlenbündel, nachdem es aus dem zu untersuchenden Körper ausgetreten ist, repräsentieren, zu dem nicht dargestellten Datenerfassungssystem.

Wie man aus den Fig. 2 und 3 ersieht, wird der Detektorkörper durch dessen Endwände abgeschlossen, von denen eine sichtbar und mit 28 bezeichnet ist. Die Anschlußteile zum Evakuieren und Füllen des Detektorkörpers mit Hochdruckgas sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Fig. 1 und 4 zeigen, daß die nebeneinander und im Abstand voneinander angeordneten Elektrodenplatten, welche die gasgefüllten Ionisationsräume oder -zellen begrenzen und von denen eine mit 29 bezeichnet ist, innerhalb von Schlitzen in einem oberen und unteren isolierenden Streifen 3o und 31 befestigt sind. Die Anordnung der Platten und Streifen kann auf verschiedene Weise im Kanal 16 verankert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der untere isolierende Streifen an eine Fußplatte 32 gebunden bzw. geklebt, die ihrerseits am Boden des Detektorgehäuses mittels Schrauben, beispielsweise Maschinenschrauben, von denen eine mit 33 bezeichnet ist, befestigt ist. Die Fußplatte 32 hat eine Zunge 34, die sich in eine komplementär geformte Nut im Gehäuseboden hinein erstreckt. Dadurch wird sichergestellt, daß die Elektrodenplatten 17 in einer reproduzierbaren Position in jedem Detektor befestigt werden. Der obere isolierende Streifen 3o ist ge-

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nutet, so daß er die oberen Ränder der Elektrodenplatten aufnimmt, und er ist an eine Metallstange 35 gebunden bzw. geklebt, die ihrerseits an ihren Enden in dem Gehäusekörper 11 durch nicht dargestellte Mittel bzw. Befestigungsvorrichtungen verankert ist. Ein Paar von aus Darstellungsgründen eingezeichneten Leitungsdrähten von den Elektrodenplatten ist mit 36 und 37 in Fig. 1 bezeichnet, und diese Leitungsdrähte verlaufen nach der Darstellung durch ein Loch 38 in der gedruckten Schaltungsplatte 24, so daß sie mit den folienförmigen Leitern auf der Schaltungsplatte von deren Oberseite her verbunden werden können. Abwechselnde Elektrodenplatten sind gemeinsam mit einem Leiter 39 verbunden, wie man aus Fig. 4 ersieht.

Mit Ausnahme des gekrümmten Fensters 13 entsprechen die grundsätzlichen Merkmale des vorstehend beschriebenen Detektors denjenigen des Detektors, der in näheren Einzelheiten in der erwähnten US-PS 4 161 655 beschrieben ist.

In der neuartigen Ausbildung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die vorderen Ränder der Elektrodenplatten in der Reihenanordnung 17, von denen eine mit 18 bezeichnet ist, an der Stelle gekrümmt, an der sie nach der konkaven Seite des Fensters hin gerichtet sind und sie sind konzentrisch mit der Krümmung des Fensters 13. Außerdem ist ein kleiner Spalt 45 zwischen den Rändern der Elektrodenplatten und der inneren Oberfläche des Fensters 13 vorgesehen. Es ist wichtig, daß dieser Spalt so schmal und gleichförmig wie möglich gehalten wird, da das Gas innerhalb des Spalts einen gewissen Anteil der Röntgenstrahlenphotonen absorbiert, die anderenfalls zur Erzeugung der brauchbaren Analogsignale beitragen würden, welche aus der Ionisierung des Gases zwischen den Elektrodenplatten hervorgehen.

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Das Fenster 13 kann beispielsweise unter Verwendung eines konvexen, nicht gezeigten Fräswerkzeugs ausgebildet werden, das eine Krümmung hat, die dem Krümmungsradius der innenseitigen Oberfläche des Fensters 13 entspricht, und zwar in Verbindung mit einem allgemein konkaven, nicht gezeigten Werkzeug, das einen Radius hat, der dem Krümmungsradius der außenseitigen Oberfläche des Fensters entspricht. Das zum Fräsen der Außenseite des Fensters verwendete Werkzeug hat eine Höhe, die gleich der Abmessung L oder der

To Fensterhöhe ist, welche in Fig. 1 eingezeichnet ist. Das außenseitige Werkzeug bildet außerdem Ecken 46 und 47 mit Krümmungsradien an den Stellen aus, an denen sich der untere und obere Rand des gekrümmten Fensters 13 mit dem Detektorkörper vereinigt. Die Radien der Ecken 46 und 47 bewirken einen allmählichen Übergang oder ein Relief der Beanspruchungen, so daß dadurch die Kerbempfindlichkeit des für den Detektorkörper verwendeten Metalls vermindert wird.

Die Beanspruchungs- und Durchbiegungseigenschaften eines geraden Fensters nach dem Stande der Technik und des neuartigen gekrümmten Fensters lassen sich durch die folgenden approximativen Gleichungen ausdrücken, die diese Eigenschaften bzw. Kenndaten bestimmen:

Gleichungen zur Bestimmung der Fensterbeanspruchungen

Gerades Fenster Gekrümmtes Fenster

PL² PX R²

^St - ^Kb T~2 ⁺ ^Kt 2T ^St = ^Kt ⁽ _{T T}2_/2 ^{+ 1) P}

ι δ

Gleichungen zur Bestimmung der Fensterdurchbieauna Gerades Fenster Gekrümmtes Fenster

^u ~ ET ^u 2'

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Worin: P = Innendruck (kg/cm )

E = Elastizitätsmodul (Steifigkeit) T = Fensterdicke
L = Fensterhöhe

K, =■ Kerbempfindlichkeit für Biegung (1,3) für Aluminium

K. = Kerbempfindlichkeit für Spannung (1/6) für Aluminium

R = Krümmungsradius des Fensters (festgelegt für Iq jede Detektorkörperabmessung)

V = Poisson¹ sches Verhältnis (o,o3) für Aluminium X = Quertiefe des inneren Kanals 16 im Detektorkörper 11

2 S_t = Zugbeanspruchung (kg/cm ) D= Durchbiegung.

Die Gleichungen zeigen, daß bei einem geraden Fenster die Beanspruchung umgekehrt mit dem Quadrat der Fensterdicke T zunimmt, wohingegen bei einem gekrümmten Fenster die Beanspruchung umgekehrt proportional der Dicke

ist. Bei dem geraden Fenster ist die Zugbeanspruchung S in kg/cm χ 1,422 χ 1o proportional dem Quadrat der Fensterhöhe. Die Beanspruchung ist sowohl für das gerade Fenster als auch für das gekrümmte Fenster dem Innendruck im Detektorgehäuse proportional. Das ist aus den Kurven der Fig. 5 zu ersehen.

Die Fig. 5 zeigt eine Kurvendarstellung, bei welcher die

2
Zugbeanspruchung in kg/cm über der Fensterdicke für ein geradflächiges und paralles Fenster nach dem Stand der Technik und für ein gekrümmtes Fenster aufgetragen ist. Der Krümmungsradius des neuartigen gekrümmten Fensters ist derart, daß dessen innere Beanspruchungen im wesentlichen nur Zugbeanspruchungen sind, und es werden Vorteile aus der Tatsache gezogen, daß alle vor-

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geschlagenen Fenstermetalle eine größere Grenzfestigkeit bei Spannung als bei Biegung für die gleiche Größe an Belastungen haben. Da bei geraden Fenstern notwendigerweise Biegebeanspruchungen wie auch Zugbeanspruchungen in diesen Fenstern hervorgerufen werden, biegen sich diese mehr durch und haben eine niedrigere Fließfestigkeit bzw. Streckgrenze als ein gekrümmtes Fenster gleicher Höhe und Dicke.

Die horizontale gestrichelte Linie in Fig. 5 ist die Bean-

2 spruchung, die nach der Darstellung etwa 162okg/cm beträgt, welche zu einem Sicherheitsfaktor von ungefähr 2 für ein gekrümmtes und ein gerades Fenster führt, wobei der Faktor relativ zu der Streckgrenze von Aluminium bestimmt worden ist. Es ist weiter davon ausgegangen worden, daß das gerade und gekrümmte Fenster die gleiche Höhe haben. Man sieht, daß es zum Erzielen eines erforderlichen Sicherheitsfaktors von wenigstens 2 notwendig ist, daß ein gerades Fenster etwa 3,3o mm dick ist, während ein gekrümmtes Fenster nur etwa o,89 mm dick zu sein braucht. Das ist ein Faktor von etwa 4 und ein sehr wesentlicher Unterschied insoweit, als Röntgenstrahlungsverluste betroffen sind, insbesondere Verluste im unteren Energieteil des Spektrums. Bei der tatsächlichen Ausbildung jedoch wird beispielsweise eine Dicke von 1,65 mm angewandt, wie durch die punktierte Ordinate angedeutet ist, damit sogar ein größerer Sicherheitsfaktor erzielt wird.

Soweit die Durchbiegung betroffen ist, zeigen die Gleichungen, daß die Durchbiegung bei dem geraden . Fenster umgekehrt zur dritten Potenz der Dicke zunimmt, während sie für das gekrümmte Fenster um-

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gekehrt proportional zur Dicke zunimmt. Beim geraden Fenster nimmt die Durchbiegung mit der vierten Potenz der Fensterhöhe L zu, wohingegen die Durchbiegung des gekrümmten Fensters nur mit dem Quadrat des Krümmungsradius UeS₁ Fensters zunimmt. Ein graphischer Vergleich der Durchbiegungen des geraden und gekrümmten Fensters ist in Fig. 6 gezeigt.

In Fig. 6 ist die Fensterdurchbiegung in Millimetern über der Dicke für zur Veranschaulichung gewählte gekrümmte und gerade Fenster aus Aluminium der gleichen Höhe aufgetragen. Man sieht, daß die Durchbiegung des gekrümmten Fensters unmerklich ist, bis die Fensterdicke weit unter die Dicke vermindert ist, bei der sich ein gerades Fenster so stark durchbiegt, daß es nicht verwendet werden kann.

Wie die Kurven zeigen, beträgt die Beanspruchung bei der gleichen Fensterdicke im Falle des gekrümmten Fensters nur etwa 1/5 derjenigen des geraden Fensters, und die Durchbiegung geraden des gekrümmten Fensters ist etwa zwei Größenordnungen geringer als die Durchbiegung des geraden Fensters.

Die Fig. 7 zeigt eine Kurvendarstellung, bei welcher die Zugbeanspruchung im Fenster über der prozentualen Röntgenstrahlenphotonendurchlässigkeit des Fensters für ein neuartiges, gekrümmtes Fenster und für ein gerades Fenster aufgetragen ist, wobei beide Fenster aus Aluminium sind und die gleiche Höhe haben. Die gestrichelte

horizontale Linie repräsentiert die Beanspruchung in kg/ ο

cm zu Veranschaulichungszwecken, bei der sich ein Sicherheitsfaktor von 5 ergibt. Wie die Kurven zeigen, läßt ein gerades Fenster, wenn es für einen Sicherheitsfaktor von 4 ausgelegt ist, nur etwa 78 % der auf-

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treffenden Röntgenstrahlenintensitat durch, wohingegen ein gekrümmtes Fenster gemäß der Erfindung, das den gleichen Sicherheitsfaktor hat, 95 % der auftreffenden Röntgenstrahlenintensität durchläßt. In beiden Fällen ist die Durchlässigkeit auf der Basis der mittleren Röntgenstrahlenphotonenenergie berechnet, welche etwa 8o keV in einem Spektrum von ungefähr 4o bis 12o keV beträgt.

1o 15

2o

25 3o

35

Materialien, die für das Fenster verwendet werden, sollten eine hohe Röntgenstrahlendurchlässigkeit für vorherrschend bzw. vorzugsweise 6o bis Too keV Röntgenstrahlenphotonen haben, sowie eine hohe Zugfestigkeit und Grenzfestigkeit, eine hohe Steifigkeit oder einen hohen Elastizitätsmodul, eine geringe Kerbempfindlichkeit, eine geringe Gasdiffusion bei etwa 25 Bar (25 Atmosphären) Druck, keine Zersetzung infolge Belichtung mit Röntgenstrahlen, leichte Bearbeitbarkeit, und sie sollten unter atmosphärischen Bedingungen stabil sein. Wenn man alle diese Faktoren in Betracht zieht, dann sind Aluminium und Magnesium bevorzugte Materialien, aus denen das Fenster hergestellt werden sollte, und, aus praktischen Gründen, das bevorzugte Material, aus dem der Detektorkörper Io auch hergestellt werden sollte. Beryllium ist ebenfalls ein geeignetes Material insofern, als die Festigkeit und die Röntgenstrahlendurchlässigkeit betroffen sind, aber es ist brüchig, teuer und toxisch, so daß spezielle Bearbeitungseinrichtungen /~ dessen Gebrauch erforderlich sind. Eine Tabelle, welche die Eigenschaften von Beryllium, Magnesium und Aluminium umfaßt, ist folgende:

Beryllium Magnesium Aluminium

Streckspannung bzw.
-belastung
(kg/cm²)

28oo
267o
246o

Grenzspannung
bzw. -belastung (kg/an )

422o
3515
267o

Elastizitätsmodul (kg/cm )

2,95 χ 1o
4,21 χ 1o~
7,o3 χ 1o"

Relative Durchlässigkeit

119 % 114 % 1oo %

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- 2ο -

Es wurde festgestellt, daß die vorteilhaft hohe relative Durchlässigkeit von Beryllium gegenüber den anderen Metallen schnell vermindert wird, wenn das Fenster dünner wird. Beispielsweise beträgt die erhöhte Durchlässigkeit von Beryllium gegenüber Magnesium bei einem etwa 1 mm oder weniger dünnen Fenster nur ungefähr o,6 %. Ein Nachteil von Magnesium besteht darin, daß dessen Elastizitätsmodul 1/2 desjenigen von Aluminium und 1/6 desjenigen von Beryllium ist. Jedoch wird, wie man sehen kann, durch die Verwendung eines gekrümmten Fensters die Abhängigkeit der Durchbiegung vom Elastizitätsmodul minima-

lisiert. Wie die folgende Tabelle zeigt, ist die

Durchbiegung des gekrümmten Fensters für einen Bereich der Fensterdicke und eine gegebene Fensterhöhe im Bereich von etwa 1/12 bis 1/9o derjenigen eines geraden Fensters.

Die folgende Tabelle dient dazu, die verbesserte Röntgen-

strahlendurchlässigkeit und die verminderte _

Durchbiegung bei einem gekrümmten Fenster im Vergleich mit einem geraden . Fenster nach dem Stande der Technik zu zeigen. Die Daten basieren auf der Verwendung eines Aluminiumfensters (Aluminium von Typ 606IT6)

in
von etwa 2,5 an /beiden Fällen zum Zwecke der Veranschaulichung. Die Daten für ein entsprechendes Magnesiumfenster sind nicht wiedergegeben mit Ausnahme dessen, daß in der letzten Spalte der Prozentsatz der Durchlässigkeit für Rontgenstrahlenphotonen, die eine mittlere Energie von 80 keV haben, für Magnesium angegeben ist, damit ein Vergleich mit Aluminiumfenstern möglich ist, welche die in der Tabelle angegebenen Dicken haben. In dieser Tabelle sind die Sicherheitsfaktoren (S.F.) relativ zur

Zugformänderungsfestigkeit berechnet. Die

Durchbiegung ist in tausendstel Millimetern angegeben.

Die Fensterdicke (T) ist in Millimeter angegeben.

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Als weitere Annahme wurde gemacht, daß jedes Fenster bei einem Druck von etwa 25 Bar (25 Atmosphären) einen Sicherheitsfaktor von wenigstens 2 hat.

TABELLE

Dicke (T) (mm)	S.F	Gerades Fenster * Durch biegung (Mikron)	Gekrüimites Fenster S.F. Durch biegung (Mikron)	3,3o2	% Durchlässigkeit Al Mg	81 ,o
6,35	6,3	1 ,85	13,7	4,191	71,ο	85,ο
5,o8	4,3	3,57	11,3	5,334	76,ο	88,2
3,81	2,6	8,64	8,7	6,35	81,4	89,7
3,38	2,ο	13,21	7,6	6,68	83,7	9o,o
3,18	1,9	14,73	7,4	8,64	84,3	92,ο
2,54	1,3	28,96	6,ο	8,89	87,2	92,3
2,413	1,1	33,78	5,7	9,4o	87,8	92,7
2,286	1,o	39,62	5,4	12,95	88,4	94,7
1 ,651		1o6,68	4,ο	16,76	91,5	95,9
1,27		231,14	3,ο	2o,83	93,4	96,8
1,o16		452,12	2,5	27,94	94,7	97,5
o,762		1o74,42	1,9	96,ο

Die Tabelle ermöglicht einige interessierende Vergleiche. Es sei der Aufbau betrachtet, bei dem der Sicherheitsfaktor für ein gerades Fenster von etwa 2,5 cm 2,ο beträgt, was etwa das Minimum ist, welches als zulässig angesehen wird. Ein gerades Fenster muß etwa 3,4 mm dick sein, damit es diesen Sicherheitsfaktor hat. Die Durchbiegung ist größer als wünschenswert, nämlich 18,21 Mikron.

Für ein gekrümmtes gerades- Fenster der gleichen

Dicke von etwa 3,4 mm ist der Sicherheitsfaktor bei weitem größer als notwendig, nämlich 7,6, und die —.

Durchbiegung beträgt 6,35 Mikron. Die Röntgenstrahl len-

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durchlässigkeit für dieses Fenster ist 83,7 % für Aluminium und 89,7 % für Magnesium, was bedeutet, daß ein Röntgenstrahlenintensitätsverlust von etwa 16 % bzw. wenigstens 1o % in dem Fenster selbst stattfindet. Die Durch-

biegung— —des gekrümmten Fensters beträgt

nur etwa 1/2 derjenigen des geraden Fensters.

Es sei nun ein Aufbau betrachtet, bei dem der Sicherheitsfaktor für ein gekrümmtes Fenster von etwa 2,5 cm Höhe etwa

Iq beträgt, oder speziell 1,9, wie in der letzten Zeile der Tabelle. Bei dem gekrümmten Fenster läßt sich dieser Faktor mit einer Dicke von nur ο,762 mm erreichen. Die Durchbiegung ist noch tolerierbar niedrig, nämlich 27,94 Mikron, und die Röntgenstrahlendurchlässigkeit für Aluminium ist sehr hoch, nämlich 96,ο % und für Magnesium beträgt sie 97,5 %.

In einer kommerziellen Ausbildung ist es der Anmelderin möglich, das 1,651 mm dicke gekrümmte Fenster, wie es in der Tabelle angegeben ist, für ein Fenster zu verwenden,

ist
das wenig höher als etwa 2, 5 cm /und trotzdem noch einen Sicherheitsfaktor von etwa 4 für Aluminium und ein weniger für Magnesium hat. Wie die Tabelle zeigt, beträgt die Röntgenstrahlendurchlässigkeit noch 91,5 % bzw. 94,7 %. Der Dickenbereich für Detektoren, die für Fensterhöhen und Gasdrücke geeignet sind, wie sie in der rechnergesteuerten ' Tomographie verwendet werden,

beträgt etwa o,75 mm bis 2,25 mm.

Wie weiter oben unter Bezugnahem auf Fig. 1 kurz erwähnt, sind die vorderen Ränder der Elektrodenplatten gekrümmt bzw. bogenförmig ausgebildet, so daß sie konzentrisch mit der Krümmung des Fensters 13 sind, was ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist. Der Krümmungsradius R des Fensters hängt, wie man aus den Beanspruchungsgleichungen

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für ein gekrümmtes Fenster ersehen kann, von der maximalen Zugbelastung S. ab, die für Aluminium, Magnesium
oder Beryllium zulässig ist, welche Metalle für das Fenster ausgewählt worden sind. Die Länge des Fensterbogens ist nicht wesentlich, da sie von der Höhe L des Fensters abhängt, jedoch geht diese Höhe L nicht in die Berechnung von S ein, in welcher gemäß der Erfindung im wesentlichen die einzige vorhandene Belastung im Fenster eine Zugbelastung ist. Wenn R für das Fenster festgelegt ist, kann
der Radius der Elektrodenplattenrander leicht bestimmt
werden.

Die erforderliche Dicke des gasgefüllten Spalts 45 hängt von dem notwendigen Spiel zwischen den Elektrodenplatten 17 und dem Fenster 13 ab und wird durch die elektrischen und physikalischen bzw. physischen Spieltoleranzen, wie
sie in jeder speziellen Ausführungsform erforderlich sind, bestimmt.

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Claims

Patentansprüche

Röntgenstrahlendetektor mit einem Gehäuse, das von ionisierbarem Gas mit einem Druck von einigen Bar gefüllt ist und eine untere, eine rückwärtige und eine vordere Wand hat, die einen inneren Kanal begrenzen, der sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt? ein für Röntgenstrahlung durchlässiges Fenster, das in der vorderen Wand ausgebildet ist und sich in der Längsrichtung des Kanals erstreckt; eine Reihe von nebeneinander angeordneten Elektrodenelementen, die entlang dem Kanal und im Abstand voneinander vorhanden sind, so daß sie eine Mehrzahl von Ionisierungszellen begrenzen; wobei diese Elektrodenelemente quer zur Längsrichtung ausgerichtet sind und entsprechende Ränder dieser Elektrodenelemente benachbart dem Fenster für Röntgenstrahlenphotonen, welche dieses Fenster durchdringen, angeordnet sind, so daß

15 sie zwischen diesen

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Elektrodenelementen hindurchgehen; und eine Einrichtung zum Verschließen des Kanals zum Aufrechterhalten des Gasdrucks in dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet , daß das Fenster (13) eine Dicke (T), die wesentlich geringer als diejenige der Wand ist, in welcher es ausgebildet ist, und daß es einen unbeanspruchten Querschnitt hat, der auf einer Seite, die den Elektrodenelementen (18) benachbart ist konkav und auf seiner gegenüberliegenden Seite konvex ist.
2. Röntgenstrahlendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) des Fensters (13) derart ist, daß die innere Beanspruchung, die durch die Kraft des Gasdruckes in demselben erzeugt wird, im wesentlichen ausschließlich Zugbeanspruchung ist.
3. Röntgenstrahlendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Fensters (13) und der Wand, in welcher das Fenster ausgebildet ist, Aluminium oder Magnesium ist.
4. Röntgenstrahlendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Fensters (13) nicht weniger als 1,5 mm und nicht größer als 2,3 mm ist.
5. Röntgenstrahlendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (13) aus Aluminium ist und eine solche Dicke hat, daß es wenigstens 88 % der auftreffenden Röntgenstrahlenphotonen durchläßt, die eine mittlere Energie von ungefähr 80 keV haben.

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6. Röntgenstrahlendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (13) aus Aluminium ist und eine Dicke von etwa 1,6 mm hat, derart, daß es wenigstens 91 % der auftreffenden Röntgen-Strahlenphotonen durchläßt, die eine mittlere Energie von etwa 8o keV haben.
7. Röntgenstrahlendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (13) aus Magnesium ist und eine Dicke derart hat, daß es wenigstens 92 % der auftreffenden Röntgenstrahlenphotonen durchläßt, die eine mittlere Energie von etwa 8o keV haben.
8. Röntgenstrahlendetektor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (18) Platten sind und

daß die Ränder dieser Platten gekrümmt

ausgebildet sind und sich komplementär in den Hohlraum des Fensters (13) erstrecken, wobei ein kleiner Spalt (45) zwischen den Rändern und dem Fenster (13) bleibt.

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