DE3901837A1 - Bildgebender strahlendetektor mit pulsintegration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Durchleuchtung fester Körper (Stoffe oder Lebewesen) oder zur Untersuchung von Atom- und Molekülstrukturen wird durchdringende Strahlung verwendet in Zusammenhang mit einem Bildaufnahmesystem (Detektor), der ein Film sein kann oder ein elektronisch ausgelese­ ner ortsauflösender Detektor.

Aus allgemein praktischen Erwägungen müssen die Belichtungszeiten möglichst kurz gehalten werden; speziell bei schnell ablaufenden Vorgängen müssen in kurzer Zeitfolge mehrere Bilder aufgenommen werden, so daß angestrebt wird, mit sehr hohen Strahlintensitäten und kurzen Aufnahmezeiten zu arbeiten. Gleichzeitig wird ein mög­ lichst großer dynamischer Bereich, höchste Empfindlichkeit, hohe Genauigkeit der Intensitätsmessung und ausreichende Genauigkeit der Ortsmessung gefordert. Bisher werden für diese Aufgaben Detektoren nach dem Prinzip der Szintillationszähler (1), Halbleiterzähler (2) oder Proportionalkammern (3), verwendet, die entweder über den Zeit­ raum der Bildaufnahme das Gesamtsignal durch kontinuierliche Integration der Analogsignale gewinnen (1, 2), oder durch Zählen der Einzelsignale die Intensität in einem Bildelement bestimmen. Der Aufwand, bei einem integrierenden Detektor einen hohen dynamischen Bereich mit hoher Genauigkeit zu erreichen, ist so groß, daß bei der geforderten großen Zahl gleichzeitig auszulesender Bildelemente wesentliche Abstriche an den Leistungsfähigkeiten gemacht werden müssen, so daß Bilder nur mit ungenügender Qualität erzeugt werden können. Bei den Detektoren, die Einzelsignale von einzelnen Strahlquanten registrieren (3), ist die maximale verarbeitbare Zählrate limitiert, so daß die Strahlintensität soweit reduziert werden muß, daß eine Bildaufnahme genügender Qualität entsprechend längere Zeit in Anspruch nimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die örtliche Verteilung hoher Strahlintensitäten mit hoher Genauigkeit, großem dynamischem Bereich und hoher Empfindlichkeit in kurzen Aufnahmezeiten zu vermessen.

Diese Aufgabe wird für gepulste Strahlenquellen dadurch gelöst, daß die Signale der Einzelquanten, die zu einem Strahlimpuls gehören, in einer Proportionalkammer summiert werden (Integration) und diese so gewonnenen Einzelsignale pro Strahlungsquellen-Puls entweder be­ reits das gesuchte Intensitätssignal darstellen oder im allgemeinen Fall elektronisch pro Bildelement über eine Anzahl von Strahlungs­ quellen-Pulsen aufsummiert werden.

Um die zeitliche Abfolge der Signale der Einzelquanten, die zu einem Strahlimpuls gehören, nicht durch verschieden lange Driftwege zu verschmieren, und um gleichzeitig genügend der Strahlung zu absor­ bieren, wird die Proportionalkammer gegenüber ihrer üblichen Betriebsweise (Fig. 1a) um 90 Grad gedreht, daß die Anodenebene parallel zu dem von der Schmalseite ausgeblendeten Fächerstrahl liegt (Fig. 1b).

Die Ortsinformation wird dadurch gewonnen, daß eine oder beide Kathoden aus elektrisch leitenden Streifen hergestellt werden, von denen jede für sich oder in Gruppen über einen Verstärker ausgelesen wird (Fig. 2a). Aus dem durch weitere Summierung gewonnenen Signal wird dann die Intensitätsinformation eines Bildelementes errechnet. Die erzielbare Ortsauflösung hängt von der Breite der influenzierten Ladungsverteilung auf den Streifen ab und diese von dem Abstand Anode - Kathodenstreifen (s nach Fig. 2a). Durch Verringerung von s deutlich unterhalb von s = 2 mm wird eine wesentliche Steigerung der Ortsauflösung erreicht. Für diese kleinen Abstände muß die Lage der Anoden und Potentialdrähte sehr präzise eingehalten werden, was durch einen präzisionsgefertigtes Teil aus Isoliermaterial mit Ker­ ben für die Drähte erreicht wird.

Es ist aber auch möglich, die Ortsinformation dadurch zu gewinnen, daß die Anoden parallel zu den Strahlen angeordnet werden und die besagten Signale an den Anoden einzeln oder in Gruppen abgegriffen werden (Fig. 2b). Bei Verwendung genügend empfindlicher Verstärker kann auf die Gasverstärkung an den Anoden verzichtet werden, so daß sich die Anoden als Sammelelektroden auf einem Trägermaterial aus­ bilden lassen.

Zur Vermeidung von Parallaxe-Fehlern bei nicht parallelen Strahlen wird die geometrische Anordnung der Streifen so gewählt, daß ein einzelner Streifen jeweils parallel zur Mittelachse des von ihm detektierten Strahlenbündels liegt. Das führt bei einer Punktquelle zu einer radialen Anordnung der Streifen (Fig. 3a). Durch Segmentie­ rung in Längsrichtung der Streifen und separate Auslese werden Bil­ der in verschiedenen Tiefen des Detektors gewonnen und damit wird eine weitere Verringerung der Parallaxfehler erreicht (Fig. 4). Bei Verwendung von neutraler Strahlung (Röntgenstrahlung, Neutronen) kann durch die besagte Unterteilung zusätzlich eine Ausdehnung des dynamischen Bereichs erreicht werden.

Die Signale an einer Ausleseelektrode werden in der gleichen zeitli­ chen Sequenz wie die Pulse der gepulsten Quelle auftreten (Fig. 5) (nicht unbedingt gleichmäßige Abfolge), so daß ein vom Detektor oder der Quelle abgeleitetes Synchronisationssignal zur Verfügung steht. Sowohl die max. Amplitude der Signale von der Detektorelektrode als auch ihre Fläche sind proportional zu der aufgenommenen Strahlinten­ sität pro Strahlungsquellenimpuls, so daß dieser Wert durch synchro­ nisierte Messung der max. Amplitude U _s mit Hilfe von ADC's digita­ lisiert und mit digitalen Verfahren weiter aufsummiert werden kann. Ein einmalig gemessener Mittelwert der Grundlinie U _bo wird subtra­ hiert. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, daß ein kleiner oder mäßig großer dynamischer Bereich pro Puls, der keine großen Anforderungen an die analoge Signalkette stellt und daher preisgün­ stig ausgeführt werden kann, nach Digitalisierung und digitaler Addi­ tion einen beliebig großen dynamischen Bereich bei beliebig hoher Präzision erreichen kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die während des Detektorimpulses fließende Ladung durch synchronisierte Schalter auf einem Kondensator pro Kanal zu sammeln. Diese gesammel­ te Ladung wird nach den üblichen Verfahren ausgelesen und ist ein Maß für die besagte Fläche des Detektorimpulses.

Eine Verbesserung der Genauigkeit kann erreicht werden, wenn eine zweite Messung nach diesen Verfahren durchgeführt wird und zwar zu einem Zeitpunkt, der außerhalb des Detektorsignals liegt (U _b ). Die Differenz der beiden Messungen U = U _s - U _b ist dann im wesentlichen frei von unkontrollierten Effekten im Detektor und in der Elektro­ nik, die sich in Fluktutionen der Grundlinie wiederspiegeln. Wenn die Strahlintensität in einem Bildelement pro Puls je nach geforder­ ter Genauigkeit unter eine bestimmte Zahl von Einzelquanten absinkt, dann ist es für den durch Summation gewonnenen Mittelwert wichtig, daß ein einzelnes Signal, das nur einem Quant entspricht, nicht ver­ loren geht. Diese Signalhöhe muß dann so eingestellt werden, daß sie mindestens eine Digitalisierungsstufe erreicht.

Ein Detektor nach Fig. 2 blendet einen Fächerstrahl aus und mißt dessen Intensitätsverteilung längs einer Richtung (x-Achse). Um 2-dimensionale Bilder zu erhalten, kann der Detektor relativ zum Objekt in Z-Richtung bewegt werden, so daß analog zum Aufbau des Fernsehbildes das 2-dimensionale Bild "zeilenweise" abgetastet wird. Um die Aufnahmezeit zu verkürzen oder eine 2-dimensionale Verteilung gleichzeitig zu messen, können auch n solcher Detektoren in Z- Richtung übereinander angeordnet werden. Für die Ortsauflösung ist wichtig, daß die Detektorhöhe d der Ortsauflösung angepaßt wird. Werte unter d = 2 mm können durch hohe Präzision der Ausführung er­ reicht werden.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß höch­ ste Intensitäten wie bei integrierenden Detektoren bei gleichzeiti­ ger höchster Empfindlichkeit und Genauigkeit wie bei Einzelquanten­ zählern erreicht wird. Höchste Bildfolgefrequenzen, bestimmt durch die maximale Impulsfrequenz der Strahlenquelle, sind möglich.

Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung umfaßt den gesamten Be­ reich der Anwendung von bildgebenden Systemen mit Detektoren für durchdringende Strahlung wenn die Strahlungsquelle entsprechend gepulst werden kann. Hierzu gehören insbesondere Synchrotrons für Synchrotronstrahlung, Linear-Beschleuniger für alle Strahlenarten, Röntgenröhren für Röntgenstrahlen. Die bildgebenden Anwendungen liegen in der medizinischen Diagnostik für Momentaufnahmen schnell­ bewegter Teile (Herzkranzgefäße) ebenso wie in der industriellen Durchleuchtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit hoher Kontrastauflösung. Insbesondere erlaubt die Verwendung hoher Strahl­ intensitäten bei gleichzeitiger höchster (Einzelquanten-) Empfind­ lichkeit die Aufnahme vieler Projektionen und die tomographische 2- und 3-dimensionale Rekonstruktion des Probekörpers. Die Anwendung bei der Röntgenstreuung und Beugung erlaubt die dynamische Untersu­ chung von schnellveränderlichen Strukturen (Muskelkontraktion, Polymerisation, Reaktionskinetik von Makromolekülen).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 6-9 dargestellt. Es handelt sich dabei um zwei spiegelsymmetrisch zur Driftkathode aufgebaute Detektoren mit Kathodenstreifenauslese. Es zeigt

Fig. 6 Aufbau eines Detektors mit Kathoden,

Fig. 7 zusammengebauter Detektor mit Ausleseplatte und Verstärkern,

Fig. 8 vollständiger Detektor mit Druckgefäß,

Fig. 9 Detektor mit Versorgungseinheiten (schematisch).

Im folgenden wird das System anhand der Abbildungen im einzelnen beschrieben.

Ad Fig. 6: Auf eine Edelstahlplatte Ed, die im folgenden Driftkathode genannt wird, ist beidseitig eine U-förmige GFK-Platine (GFK = glasfaserverstärkter Kunststoff) Ep aufgeklebt. An den beiden ge­ genüberliegenden Innenseiten der Platinen wird jeweils ein Keramik- Streifen Ka fixiert, in dessen Oberseite zuvor mit Hilfe eines Laserstrahls in sehr präzise definierten Abständen Kerben eingeritzt wurden, worin die einzelnen Drähte der darberliegenden bzw. der darunterliegenden Drahtebene positioniert sind. Die mechanische Befestigung der Drähte erfolgt durch Kleben oder Anlöten auf den GFK-Platinen, deren Höhe stets kleiner ist als die Höhe der Kera­ mikstreifen, damit die Drähte sicher in den Rillen derselben liegen. Zusätzlich wird über die Platinen das elektrische Potential zuge­ führt.

Die beiden äußeren Kathoden bestehen aus einer Vielzahl einzelner Kathodenstreifen Ks auf jeweils einem GFK-Block. Die Breite der Kathodenstreifen beträgt beispielsweise 300 µm, die Zellbreite 500 µm. Die gesamte Anordnung wird mit 4 Schrauben zusammengehalten; dabei definieren die Abstandhalter Ab zwischen dem Rahmen der Draht­ ebenen und dem jeweiligen GFK-Block den Abstand einer Drahtebene zu den Kathodenstreifen. Ein typischer Abstand beträgt 500 µm, kann aber durch Wahl der Abstandhalter beliebig verkleinert (oder vergrö­ ßert) werden.

Ad Fig. 7: In dieser Zeichnung ist der zusammengesetzte Detektor mit aufgesetzter Ausleseplatine Aup und angeschlossenen Vorverstärkern V zu erkennen. Die Kathodenstreifen sind auf die Rückseite jedes GFK- Blocks herumgeführt und werden dort durch Kontaktiergummi (oder durch Anlöten von Drahtverbindungen) mit den entsprechenden Leiter­ bahnen der Ausleseplatine verbunden. Um einen guten Kontakt zu ge­ währleisten, wird die Ausleseplatine rückseitig mit einer Anpreß­ leiste Apr an die Kathodenstreifen angedrückt.

Die Leiterbahnen der Ausleseplatine Aup sind außen zu Steckverbin­ dungen von jeweils acht Kanälen zusammengefaßt. Vorverstärker V in Hybridbauweise detektieren die ankommenden Kathodenstreifensignale und geben die Signale über Koaxialkabel oder Twisted Pair zur Ausle­ seelektronik (Shaper, FADC, Rechner) verstärkt weiter.

Ad Fig. 8: Der äußere Aufbau des Detektors, bestehend aus Druckbe­ hälter Dr, Ausleseplatine Aup mit Vorverstärkern V und Gehäuse ist dargestellt. Der Druckbehälter besteht aus zwei spiegelsymmetri­ schen, quaderförmigen Aluminiumtöpfen, in welche der Detektor, wie in Fig. 7 dargestellt, integriert ist. Mit vier durchgehenden Schrauben Sr werden beide Druckbehälterhälften zusammengehalten; dabei wird die Dichtigkeit des Systems durch jeweils eine Flach­ banddichtung (oder O-Ring) zwischen der Aluminiumwand des jewei­ ligen Behälters und der Ausleseplatine gewährleistet. Auf Vorder- und Rückseite des Druckbehälters ist jeweils ein Fenster Fe eingesetzt, welches aus einer dünnen Aluminium- oder Hostaphan­ folie besteht, so daß die zu detektierende Strahlung den sensitiven Bereich, d. h. die beiden Drifträume des Detektors erreichen kann und nicht (oder nur ein geringfügiger Anteil) absorbiert wird.

Ad Fig. 9: Der gesamte Aufbau einer Meßapparatur mit dem zuvor be­ schriebenen Detektor ist hier zu erkennen. Ein Hochspannungsmodul HV versorgt den Detektor mit den elektrischen Potentialen für die Elek­ troden; typische Werte sind 1200 Volt für die Drahtebene, -700 V für die Driftkathode und Erdpotential für die einzelnen Kathodenstrei­ fen. Das Gassystem GS liefert das benötigte Driftgas in der notwen­ digen Reinheit (Reinigungssystem) und stabilisiert den Druck im Detektor. Die ionisierende Strahlung durchdringt das Objekt OBJ und wird im Detektor DET registriert. Die auf den Kathodenstreifen in­ fluenzierten Signale werden von den im Detektorgehäuse integrierten Vorverstärkern zu den Shapern, die zur Pulsformung dienen, weiterge­ leitet. Mit einem Transientenrekorder FADC je Kanal werden die Shapersignale in den Rechner eingelesen, der die beiden registrier­ ten Bildzeilen auf dem Monitor darstellt. Verfährt man das zu unter­ suchende Objekt zusätzlich in der eingezeichneten Richtung, so wird ein komplettes Bild dieses Objektes auf dem Bildschirm dargestellt, indem man sämtliche Zeilen übereinander aufbaut.

Literatur

• 1. "The Nikos Experimental Apparatus", W. Graeff et al., Proc., Conf. Synchrotron Radiation Applications to Digital Subtraction Angiography (SYRDA), Frascati, 6-8 May 1987, Italien Phys. Soc., Bologna, Italy, Vol. 10, p. 83-86.
• 2. "Implementation of Digital Subtraction Angiography with a Synchrotron X-Ray Beam", H. D. Zeman et al., Trans, Nucl. Sci., NS-29 (82) 443-446.
• 3. "Parallel Readout Multiwire Proportional Chambers for Time Resolved X-Ray Diffraction Experiments", A. R. Faruqi and C. C. Bond, Nucl. Inst. and Meth., 176 (80) 71-77.

Claims (12)

1. Bildgebender Detektor nach dem Prinzip der Proportionalkammer für ionisierende Strahlung von gepulsten (regelmäßig oder unregelmäßig) Strahlungsquellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Gas als akti­ vem Medium gefüllter Vielelektrodendetektor in der Operationsweise einer Ionisationskammer oder einer Proportionalkammer in einem Druckbehälter unter frei wählbarem Druck betrieben wird und der intensitätsabhängige quantitative Inhalt der Signale des Detektors, hervorgerufen durch einen einzelnen Puls der gepulsten Quelle, während der Aufnahmedauer jedes Bildpunktes aufsummiert wird, für die Weiterverarbeitung abgespeichert wird und das Gesamtbild aus diesen Bildpunkten zusammengesetzt wird.

2. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenebene parallel zu einem fächerartig ausgeblendetem Strah­ lenbündel liegt.

3. Bildgebender Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodenstreifen parallel zu mittlerer Strahlrichtung angeordnet, einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt, die Signale für je einen Bildpunkt erzeugen.

4. Bildgebender Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenelektroden parallel zur mittleren Strahlrichtung angeord­ net, einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt, die Signale für je einen Bildpunkt erzeugen.

5. Bildgebender Detektor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die jeweils zur Auslese verwendete Elektrode in sternförmi­ ger Geometrie angeordnet ist, wobei der Leuchtfleck der Strahlquelle den Konvergenzpunkt bildet.

6. Bildgebender Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kathodenstreifen zur Anode weniger als 2 mm beträgt, wobei dieser Abstand durch ein mit Kerben versehenes Isolationsteil definiert wird.

7. Bildgebender Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstreifen in Längsrichtung in kleinere Segmente unter­ teilt werden und separat ausgelesen werden.

8. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulshöhe der Signale mit ADC's digitalisiert und dann summiert wird.

9. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfläche in Kondensatoren als Ladung summiert wird und die dann erhaltene Spannung am Kondenator digitalisiert wird.

10. Bildgebender Detektor nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeich­ net, daß eine erste Messung, deren quantitatives Resultat hier mit U _b bezeichnet wird, vor oder nach dem Strahlimpuls durchgeführt wird und eine zweite während des Strahlimpulses (U _s ). Der weiterverarbei­ tete Meßwert wird durch die Differenz gebildet U = U _s - U _b .

11. Bildgebender Detektor nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Signal, hervorgerufen durch ein einzelnes Strahlungs­ quant, mindestens eine Digitalisierungsstufe erreicht und einzeln eindeutig nachweisbar ist.

12. Bildgebender Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dieser Detektoren flach aufeinander gelegt werden und ein ganzes Bild oder Bildausschnitt gleichzeitig aufgenommen wird.