DE3704716C2

DE3704716C2 -

Info

Publication number: DE3704716C2
Application number: DE3704716A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. 5170 Juelich De Kurz
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1987-02-14
Filing date: 1987-02-14
Publication date: 1990-09-20
Also published as: US4937455A; DE3704716A1; CH673907A5; JPS63259952A

Description

Die Erfindung betrifft ortsempfindliche Detektoren für die elektronische Bilddarstellung von Objekten, die Strahlung geringer Intensität abgeben, und zwar einerseits im sichtbaren Spektralbereich und andererseits im Bereich der Gamma- und Röntgenstrahlung.

Ein ortsempfindlicher Detektor ist in dem Artikel von D. F. Anderson u. a., Coupling of a BaF₂ Scintillator to a TMAE Photocathode and a Low-Pressure Wire Chamber, in Nuclear Instruments and Methods (Vol. 217, 1983, S. 217-233, beschrieben. Bei diesem Detektor ist einem Szintillator aus BaF₂ eine Vieldraht-Proportionalkammer nachgeordnet. Beim Einfallen hochenergetischer Teilchen- oder Quantenstrahlung in den Szintillator entstehen UV-Photonen, die in der Vieldrahtkammer zu Ionisationen führen. Dabei wird die UV-Empfindlichkeit der Vieldrahtkammer durch die Beigabe von Tetrakis(dimethylamino)äthylen, abgekürzt auch TMAE, zum Zählgas erreicht. Dieser Detektor zeichnet sich im Vergleich zu der schon seit langem bekannten, sogenannten Anger-Kamera (H. O. Anger, Scintillation Camera, in: Rev. Sci. Instr. (Vol. 29, 1958, S. 27-33) durch eine leichte, kompakte und einfache Konstruktion aus.

Allerdings ist der vorbekannte Detektor im wesentlichen nur für die Erfassung hochenergetischer Strahlung geeignet. Bei niederenergetischer Strahlung, beispielsweise weicher Röntgenstrahlung oder der Lichtstrahlung weit entfernter Objekte, werden im Szintillator zu wenige UV-Photonen gebildet, um eine genaue Ortsbestimmung sowie gute Energieauflösung zu erreichen.

In dem Artikel von W. H.-M. Ku u. a., Properties of an Imaging Gas Scintillation Proportional Counter, in: Nuclear Instruments and Methods, Vol. 196, 1982, S. 63-67, ist ein Detektor für Röntgenstrahlung offenbart, der einen vorgeschalteten Gasszintillator aufweist. In dem Gas des Gasszintillators werden die eingefangenen Röntgenstrahlen absorbiert, wobei Elektronen freigesetzt werden, die durch ein moderates elektrisches Feld beschleunigt werden. Diese Elektronen regen wiederum Gasmoleküle an, wodurch UV-Photonen emittiert werden. Die UV-Strahlung wird dann ohne weitere Umwandlung in einer Vieldrahtkammer analysiert.

Solche Gasszintillatoren können wegen ihrer geringen Absorption nur Strahlung niedriger Energie verarbeiten, sind als für die Erfassung von hochenergetischer Strahlung nicht geeignet. Diese Strahlung tritt aber in den meisten Anwendungsfällen, insbesondere in der Medizin, vornehmlich auf.

Die US-PS 41 42 101 zeigt einen Detektor zur Erfassung von Röntgen- und Gammastrahlung, bei dem diese Strahlung in einem Festkörperszintillator in Photonen umgewandelt wird und diese anschließend in einer Photokathode in Elektronen umgewandelt werden.Nach anschließender Verstärkung erfolgt dann eine Umwandlung der Elektronen in sichtbares Licht, also eine Umwandlung in eine direkt vom Betrachter erfaßbare Strahlung. Eine elektronische Bilddarstellung ist nicht vorgesehen.

Die US-PS 44 54 422 offenbart einen Detektor für Gammastrahlung, bei dem die Gammastrahlen in einem Szintillator in Photonen und diese wiederum in einer Photokathode in Elektronen umgewandelt und vervielfacht werden. Anschließend werden die Elektronen in einem speziellen Netzwerk analysiert und dargestellt. Mit einem solchen Aufbau kann keine große Empfindlichkeit und Ortsgenauigkeit erzielt werden.

In der US-PS 44 29 228 ist ein Detektor für Röntgen- und Gammastrahlung beschrieben, der mit einem Gasszintillator versehen ist. Im übrigen besteht Übereinstimmung mit dem vorstehend bei Anderson beschriebenen Detektor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor für die elektronische Bilddarstellung bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine genaue Ortsbestimmung und eine gute Energieauflösung von mit geringer Intensität strahlenden Objekten bei einfachem, leichtem und kompaktem Aufbau zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird - was den Bereich der Strahlung im sichtbaren Spektralbereich angeht - durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Was Gamma- oder Röntgenstrahlungen betrifft, so wird die Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 2 gelöst.

Der erfindungsgemäße Detektor zeichnet sich durch hohe Ortsgenauigkeit und hervorragende Energieauflösung aus. Außerdem wird eine höhere Linearität und eine bessere Langzeitstabilität erreicht. Dabei zeichnet sich der Detektor durch einfachen, leichten und kompakten Aufbau aus.

Der Detektor eignet sich ohne vorgeschalteten Festkörperszintillator für die Erfassung elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrator und harter Gamma-Strahlung. Dabei sollte vorzugsweise die Elektronenbeschleunigungsstrecke mit einem Elektronenvervielfacher kombiniert werden. Sofern optisch ein Festkörperszintillator vorgeschaltet wird, kann der Detektor auch zur Untersuchung von Wellenlängen verwendet wird, wo die Photokathode nicht oder nur ungenügend empfindlich ist, andererseits aber ein Szintillator zur Verfügung steht, der in diesem Wellenlängenbereich besonders wirksam ist und der ein Emissionsspektrum hat, das an die Photokathode angepaßt ist. Ferner eröffnet der Festkörperszintillator bei entsprechender Wahl des hierfür verwendeten Materials die Möglichkeit, Partikelstrahlung, wie Neutronen, Ionen und Elektronen, nachzuweisen.

Als Festkörperszintillator eignet sich insbesondere ein NaJ(Tl)-Kristall. Sofern thermische Neutronen erfaßt werden sollen, empfiehlt es sich, einen Festkörperszintillator mit einem Gehalt an 6-Li zu verwenden. Dies ist jedoch nur beispielhaft gemeint und schließt nicht die Verwendung anderer Kristalle aus.

Es kann auch eine sogenannte Proximity-Diode vorgesehen sein. Eine solche Diode ist ein Nahfocusbildverstärker mit einer sehr kompakten Bauweise, bei dem einfallendes Licht an der Photokathode Photoelektronen herauslöst, die dann durch eine Beschleunigungsspannung in der Größenordnung zwischen 10 bis 30 kV in Richtung eines Phosphors mit lichtdichter Abdeckung bewegt werden und dort eine Lichtemission bewirken. Dabei ist der Abstand zwischen der Photokathode und dem Phosphor sehr klein, und zwar in der Größenordnung zwischen 1 bis 3 mm, so daß das Bild auf der Photokathode praktisch ohne Verlust an Bildschärfe auf dem Phosphor abgebildet wird. Solche Proximity-Dioden werden beispielsweise unter dem Warenzeichen "Proxifier" von der Firma Proxitronic, D-6140 Bensheim, angeboten.

Bei Vorsehen eines Elektronenvervielfachers sind insbesondere sogenannte Mikrokanalplatten empfehlenswert, da sie einerseits einen großen Querschnitt und andererseits eine nur geringe Dicke haben.

Die Elektronenstrecke ist in an sich bekannter Weise durch Anlegen einer Spannung im Zwischenraum zwischen dem Photonenwandler und dem Wandler gebildet. Ferner kann zwischen Photonenwandler und Wandler zumindest eine Elektronenoptik angeordnet sein, die den Abbildungsmaßstab verändert, um die Elektronen bedarfsweise zu fokussieren oder das Bild vergrößern zu können.

Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, Elektronenbeschleuniger und/oder Elektronenvervielfacher mehrfach hintereinander, also kaskadenförmig anzuordnen, um die Lichtverstärkerleistung weiter zu erhöhen.

Als für die Umwandlung der Elektronen in Photonen geeigneter Wandler hat sich ein UV-emittierender Phosphor, insbesondere BaF₂, erwiesen. Dieses Material wurde zwar schon bei dem vorbekannten Detektor verwendet, dort jedoch in Form eines Szintillators zur Umwandlung von Photonen einer bestimmten Wellenlänge in Photonen des UV-Spektrums. Dabei kann der Wandler das Eingangsfenster der Vieldrahtkammer selbst bilden, bedarf also keiner weiteren Abstützung. Vorzugweise sollte der Wandler lichtverstärkerseitig mit einer dünnen, für Licht undurchlässigen, jedoch für die Elektronen durchlässigen Schicht, beispielsweise aus einige µm dickem Aluminium, belegt sein, um eine optische Mitkopplung zu vermeiden.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Sie zeigt einen ortsempfindlichen Detektor 1, der wie folgt aufgebaut ist.

Am Eingang ist ein Szintillator (2) aus einem NaJ(Tl)-Kristall vorgesehen. Ein solcher Szintillator (2) ist insbesondere für Gamma- und Röntgenstrahlung empfindlich und wandelt diese Strahlung in Lichtblitze um.

Der Szintillator (2) sitzt auf einem Eingangsfenster (3), auf dessen Unterseite eine als Photonenwandler wirkende Photokathode (4) angeordnet ist, deren spektrale Empfindlichkeit an das Emissionsspektrum des Szintillators (2) derart angepaßt ist, daß eine möglichst hohe Ausbeute bei der Umwandlung der Photonen in Elektronen erzielt wird. Der anschließende evakuierte Zwischenraum (5) dient als Beschleunigungsstrecke für die Photoelektronen, wobei die Beschleunigung durch Anlegen einer Beschleunigungsspannung bewirkt wird. In dem Zwischenraum (5) könnte zusätzlich auch ein Elektronenvervielfacher, vorzugsweise in Form einer Kanalplatte, angeordnet werden. Dies hätte nicht nur eine Beschleunigung der Elektronen, sondern auch deren Vervielfachung zur Folge.

An den Zwischenraum (5) schließt sich nach unten ein Phosphor (6) an, der aus BaF₂ besteht und auf einem Ausgangsfenster (8) sitzt. Dieser Phosphor (6) wandelt die von der Photokathode (4) emittierten Elektronen in UV-Photonen um. Damit eine optische Mitkopplung vermieden wird, ist der Phosphor (6) auf der Eintrittsseite mit einer sehr dünnen, lichtundurchlässigen Schicht (7) belegt, die von den Elektronen durchdrungen werden kann.

Die beschleunigten und gegebenenfalls vervielfachten Elektronen lösen aus dem Phosphor (6) erheblich mehr UV-Photonen heraus als bei dem vorbekannten Szintillator. Sie strahlen in eine unterhalb des Ausgangsfensters (8) angeordnete Vieldrahtkammer (9) ein, wo sie ein darin enthaltenes Zählgas, das einen Zusatz von Tetrakis(dimethylamino)äthylen enthält, ionisieren. Zum Auslesen des Ionisationsortes befinden sich in der Vieldrahtkammer (9) in zwei Ebenen übereinander zwei Gitter von Kathodendrähten (10, 11) und zwischen diesen ein Gitter von Anodendrähten (12). Der Schwerpunkt des Ionisationsortes kann durch Auswertung der an den Kathodendrähten (10, 11) anliegenden, elektrischen Signale in bekannter Weise bestimmt werden.

Mit dem vorbeschriebenen Detektor lassen sich auch schwache Strahlung abgebende Objekte erfassen, wobei man nicht an die Eigenschaft des das Eingangsfenster der Vieldrahtkammer (9) bildenden Phosphors (6) gebunden ist. Es kann deshalb elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge ausgelesen werden, für die der Phosphor (6) bislang nicht brauchbar gewesen wäre, und zwar mit hervorragender Ortsgenauigkeit und hoher Energieauflösung.

Claims

1. Ortsempfindlicher Detektor (1) für die elektronische Bilddarstellung von Strahlung, die Strahlung geringer Intensität im sichtbaren Spektralbereich abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor folgende, hintereinader angeordnete Komponenten enthält:

a) eine Photokathode (4), aus der die einfallende sichtbare Strahlung geringer Intensität Elektronen auslöst;
b) eine Elektronenbeschleunigungsstrecke (5) und/oder einen Elektronenvervielfacher;
c) einen Wandler (6), in dem die Elektronen, die die Elektronenbeschleunigungsstrecke (5) und/oder den Elektronenvervielfacher verlassen, UV-Strahlung erzeugen, und
d) eine für UV-Strahlung empfindliche Vieldrahtkammer (9) zum Auslesen des Ortes der auf sie treffenden UV-Strahlung.

2. Ortsempfindlicher Detektor (1) für die elektronische Bilddarstellung von Objekten, die Gamma- oder Röntgenstrahlung geringer Intensität abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor folgende, hintereinander angeordnete Komponenten enthält:

a) einen Festkörperszintillator (2), in dem die einfallende Gamma- oder Röntgenstrahlung geringer Intensität Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erzeugt;
b) eine Photokathode (4), aus der die sichtbare Strahlung Elektronen auslöst;
c) eine Elektronenbeschleunigungsstrecke (5) und/oder einen Elektronenvervielfacher;
d) einen Wandler (6), in dem die Elektronen, die die Elektronenbeschleunigungsstrecke (5) und/oder den Elektronenvervielfacher verlassen, UV-Strahlung erzeugen, und
e) eine für UV-Strahlung empfindliche Vieldrahtkammer (9) zum Auslesen des Ortes der auf sie treffenden UV-Strahlung.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperszintillator (2) aus einem NaJ(Tl)-Kristall besteht.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenvervielfacher als Mikrokanalplatte ausgebildet ist.

5. Detektor nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenvervielfacher mehrere hintereinander angeordnete Mikrokanalplatten enthält.

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Photokathode (4) und dem Wandler (6) zumindest eine Elektronenoptik angeordnet ist, die den Abbildungsmaßstab verändert.

7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) aus BaF₂ besteht.

8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) das Eingangsfenster der Vieldrahtkammer (9) bildet.

9. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) verstärkerseitig mit einer dünnen, für Licht undurchlässigen, jedoch für Elektronen durchlässigen Schicht (7) belegt ist.