DE69208366T2 - Strahlungsdetektoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Strahlungsdetektoren und insbesondere Detektoren für Gammastrahlung. Ein derartiger Detektor ist beispielsweise offenbart in "Nudear Instruments and Methods in Physics Research", Vol. 225, Nr. 1, August 1984, Amsterdam NL, Seiten 8-12, D.F. Anderson et al. "Recent Developments in BaF&sub2; scientillator coupled to a low-pressure wire chamber".
• Unser neuer Strahlungsdetektor verwandelt 511 keV Gammastrahlen in UV-Photonen, die dann in einem TMAE-Dampf in einer vielfach verdrahteten Zähleinrichtung detektiert werden, wobei letztere wie ein ortsempfindlicher Photovervielfacher funktioniert.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Strahlungsdetektor bereitgestellt mit einem Szientillationskristall, einer Einrichtung zum Wandeln optischer Strahlung in elektrische Ladungsträger und einer Detektoreinrichtung zum Messen der erzeugten Ladungsträger, wobei ein Spalt mit einer Einrichtung zum Verhindern des Durchganges von Ladungsträgern zwischen dem genannten Kristall und der genannten Detektoreinrichtung angeordnet ist.
• Die Erfindung soll insbesondere beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden, wobei:
• Fig.1 einen schematischen Schnitt durch eine Positronen-Kamera gemäß dem Stand der Technik zeigt;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kamera gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 einen Schnitt durch ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
• Fig. 4 und 5 Einzelheiten der Vorrichtung gemäß Figur 3 zeigen.
• Fig. 1 zeigt eine Konstruktion gemäß dem Stand der Technik. Einfallende Gammastrahlung bewirkt, daß ein BaF&sub2;-Kristall 1 szientilliert und ultraviolette Photonen erzeugt. Die UV-Photonen gelangen in einen Gasraum 3, der dem Kristall benachbart ist, und die sich so ergebende Handvoll von Elektronen werden in einem elektrischen Hochspannungsfeld verstärkt, das zwischen ein leitendes Gitter 5 an der Kristalloberfläche und die Kathode 7 eines vielfach verdrahteten Proportionalzählers (MWPC) 9 angelegt ist. Das Signal wird in diesen Abschnitt übertragen und weiter auf den Anodendrähten 7 verstärkt. In den MWPC-Abschnitt ist irgendeine Auslese-Einrichtung eingebaut.
• Wir haben gefunden, daß diese Anordnung sehr unstabil ist und daß nach etwa 20 Min bereits Durchbrüche aufgrund von Aufladungen der Kristalloberfläche durch positive Ionen, die von dem Avalanche-Prozeß in dem MWPC stammen, auftraten. Durch Einführung eines Schutzspaltes 13 (Fig. 2) mit einer Vorspannung in entgegengesetzter Richtung unmittelbar an der Kristalloberfläche läßt sich dem jedoch entgegenwirken. Dieser Spalt (vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm breit) opfert zwar etwas Signal, liefert jedoch eine erheblich verbesserte Stabilität. Wir haben gefunden, daß mit 100 V Spannung in Gegenrichtung der modifizierte Zähler einen ganzen Tag läuft, ohne daß Aufladungseffekte auftraten.
• Bei der Positronen-Kamera gemäß dem Stand der Technik werden ernste praktische Probleme dadurch verursacht, daß sehr hohe Verhältnisse von Einzelzählungen zu Koinzidenz-Zählungen (d.h. nützlichen Zählungen) auftreten (bis zu etwa 50:1). Hierdurch werden die Verstärkungselemente des MWPC überlastet und es ergeben sich ernsthafte Todzeit-Verluste im Auslesesystem. Es wurde gefunden, daß zwei weitere Modifikationen diese Situation erheblich verbessern. Zunächst wird die ursprüngliche parallele Verstärkungslücke 3, welche nun der Kristallbarrierenspalte folgt, vom MWPC durch einen breiten Spalt 19 (etwa 30 mm) getrennt. (Dies allein verbessert bereits die Stabilität des Zählers). Um die schnelle Koinzidenz zu messen, würden wir nun vorsehen, ein Trigger-Signal von der Rückseite dieses Spaltes abzugreifen. Dies würde jedoch eine zu starke Verstärkung von einem einzigen Spalt verlangen, so daß ein weiterer Spalt 21 vorgesehen wird, um von dessen Rückfläche das Trigger-Signal abzugreifen. Zum zweiten wird die schnelle Koinzidenz mit dem anderen Detektor erreicht, während die Elektronenwolke in Richtung auf einen MWPC 9 driftet, welcher einen letzten Verstärkungsschub liefert und die Auslesung ermöglicht. Etwa in der Mitte des Drift-Bereiches 15 wird ein elektronisches "Tor" 17 angeordnet, das durch einen Koinzidenz-Schaltkreis betätigt wird. Dies stellt sicher, daß nur "gute" Ereignisse den MWPC und das Auslesesystem triggern (zu einer Messung bringen). Dies verbessert gleichzeitig die Stabilität des Zählers und reduziert ganz beträchtlich die (störende) Signalaufhäufung in der Ausleseelektronik. Dieses Tor wurde sorgfältig mit Abschirmungselektroden 23, 25 aufgebaut, um mögliche Interferenzen, die in der Ausleseelektronik verursacht werden können, möglichst gering zu halten.
• Mit diesen Abwandlungen haben unsere Tests bis heute gezeigt, daß eine Quanteneffizienz von 20% und eine räumliche Auflösung von 6 mm (Halbwertsbreite) mit einer zeitlichen Auflösung von 4 ns (Halbwertsbreite) erreicht ist. Diese Effizienz ist dreimal größer als die des führenden (bekannten) Systems und die Zeitauflösung ist sogar 1/3. Dies bedeutet einen Faktor 9 in der Empfindlichkeit und einen Faktor 27 im Signal/Rausch-Verhältnis. Die berechnete maximale Datenrate wächst von 2 kHz auf 20 kHz unter vergleichbaren Bedingungen.
• Ein praktisches Ausführungsbeispiel des Detektors ist in Fig. 3 dargestellt. Dies Beispiel zeigt einen Barium-Fluorid-Kristalldetektor 31 mit 12 Platten aus BaF&sub2;, die auf einem Edelstahlrahmen 33 montiert sind. Sodann ist eine Reihe von Draht-Ebenen vorgesehen. Die erste Ebene 35 besteht aus Draht mit 50 µm Durchmesser unter Abständen von 500 µm und der Abstand zum BaF&sub2;-Kristall beträgt 0,5 mm. Die zweite Ebene 37 besteht aus Draht mit 100 µm Durchmesser und mit Abständen von 1 mm, wobei der Abstand zur ersten Ebene 3,0 mm beträgt. Eine dritte Ebene 39 besteht aus Draht mit 100 µm Durchmesser und Abständen von 1 mm, wobei der Abstand zur zweiten Ebene 9,0 mm beträgt. Ein Tor (Gatter) 41 weist Drähte mit 100 µm Durchmesser und Abständen von 1 mm auf und es ist 20 mm von der dritten Ebene entfernt angeordnet, sowie mit ersten und zweiten metallischen Netzen 43, 45 versehen, jeweils auf einer Seite angeordnet. Im Anschluß an einen weiteren Spalt von 13,2 mm ist ein rückwärtiger Detektor 47 angeordnet, der wie ein herkömmlicher, mehrfach verdrahteter Proportionalzähler mit orthogonalen Kathoden aussieht. Die Kathoden bestehen aus 50 µm-Draht unter Abständen von 2,0 mm und die Anoden/Kathoden-Ebene weist 20 µm-Anodendrähte und 100 µm Kathodendrähte mit 4,0 mm Abständen auf. Die X- und Y-Koordinaten werden mittels Verzögerungsleitungen 49, 51 erhalten. Der Detektor ist in einem abgedichteten Gehäuse montiert, das eine Honigwaben-Scheibenstruktur 53 aus Aluminium aufweist, die auf einem Rahmen 55 aus Edelstahl montiert sind. Heizbacken sind vorgesehen, um das Ganze auf einer konstanten Temperatur von 60ºC zu halten, bei der der TMAE-Dampfdruck 4,5 mB beträgt. Die Scheibe mit Honigwabenstruktur aus Aluminium ist zwar strukturell sehr stark, ist jedoch praktisch durchlässig für Gamma-Photonen.
• Im Betrieb wird ein 511 KeV Gamma-Photon durch den BaF&sub2;-Kristall eingefangen, welcher einen Blitz aus 190 nm Ultraviolettstrahlung abgibt. Die UV-Strahlung wird durch TMAE-Gas in der Kamerakammer absorbiert und durch Photoionisation werden Elektronen erzeugt.
• Eine Spannungsquelle V1 ist zwischen die ersten und zweiten Ebenen geschaltet, wodurch ein Feld von 300 V/mm erzeugt wird, welches die Erzeugung weiterer Elektronen ermöglicht. Eine Verstärkung, die durch dieses Feld in einem breiterem Spalt erzeugt würde, wäre unstabil, weshalb ein zweiter Verstärkungsspalt, der an eine weitere Spannungsquelle V2 angeschlossen ist, eine geringere Feldstärke von etwa 150 V/mm aufweist. Diese zwei Spalte liefern eine hinreichende Anzahl an Elektronen für ein meßbares Signal.
• Bei einer Positronenkamera sind zwei Detektoren vorgesehen, jeweils eine auf jeder Seite der Quelle. Eine Positronenemission ist gekennzeichnet durch die Koinzidenz der Signale in den zwei Detektoren. Ein Signal wird deshalb von der dritten Ebene abgegriffen und in einen Verstärker A1 eingegeben sowie in einen Diskriminator D. Das Signal des entsprechenden Verstärkers A2 des anderen Detektors wird ähnlich verarbeitet und auf Koinzidenz geprüft. Es werden durch beide dritten Ebenen Ereignisse innerhalb eines Zeitfensters von 5 ns ermittelt, also zwei Ereignisse, jeweils eins an einem Ende, und diese gelten als zeitkoinzident.
• Zwischen der dritten Ebene und den vielfach verdrahteten Detektoren ist eine Tor-Elektrode angeordnet, die normalerweise eine Vorspannung von ±20 V auf abwechselnden Drähten trägt. Es handelt sich um eine flache Ebene von Drähten, jedoch sind die Drähte abwechselnd an zwei sammelleitungen derart angeschlossen, daß dann, wenn ein Draht positive Spannung trägt, der nächste Draht negative Spannung aufweist. Solange diese Spannung angelegt ist, wirkt das Tor wie eine Barriere bezüglich des Durchlasses von Elektronen zwischen der dritten Ebene und den Detektoren. Tritt aber eine Koinzidenz auf, werden die Tor-Elektroden auf 0 V gebracht, wobei die eine Messung auslösenden Elektronen immer noch dabei sind, das Drift-Feld zwischen der dritten Ebene und dem Tor zu passieren. Ein Zeitfenster von etwa 200 ns ist für diesen Vorgang geeignet.
• Wenn die Vorspannung von den Tor-Drähten entfernt ist, können Elektronen durchgehen und sie werden zum Vielfach-Draht driften und einen normalen Avalanche-Prozeß um einen Anodendraht erzeugen, wodurch ein Signal auf der Kathode auftritt und eine Auslesung bezüglich X- und Y-Koordination ermöglicht ist. Die Wirkung dieses Tor-Mechanismus liegt darin, daß das rückwärtige Ende des Zählers nur bei der Koinzidenz-Rate wirkt, während das vordere Ende Elektronen mit einer sehr viel größeren Rate, näm lich entsprechend den Einzelereignisssen, erzeugt. Dies ist eine Verbesserung von mehr als 100:1, was eine entsprechende Auswirkung auf das Signal/Rausch-Verhältnis des gemessenen Signals hat. Dies verhindert auch eine Überlastung am Detekor.
• Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Tor-Elektrode liegt darin, daß sie als eine Barriere bezüglich eines Durchgangs von positiven Ionen aus dem Draht-Bereich in rückwärtiger Richtung wirkt.
• Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß die tatsächliche Erzeugung positiver Ionen reduziert ist, weil ein großes Signal nur dann erzeugt wird, wenn eine Koinzidenz das Tor geöffnet hat, also das Tor nicht kontinuierlich offen ist, wie bei einer herkömmlichen Anordnung.
• Ein Problem der schnellen Schaltung der Tor-Elektrode liegt darin, daß bei dem gegebenen Signalpegel und der Impedanz des vielfach verdrahteten Detektors Fehlersignale in den Detektor- Schaltkreis induziert werden könnten. Um dies zu verhindern, ist ein Kupfernetz auf beiden Seiten des Tors (d.h. der Tor- Elektrode), angeordnet. Die Netze (feinen Gitter) sind an Spannungsquellen angeschlossen, die so ausgelegt sind, daß das Elektronen-Driftfeld aufrecht erhalten bleibt. Eine metallische Abschirmung auf dem Rahmen schließt das Tor vollständig ein. Die Gleichförmigkeit der Wechselspannung wird durch auf der Oberfläche montierte Kondensatoren aufrecht erhalten, die die Spalte überbrücken, wodurch ein Abschirmungskäfig um die Tor- Elektrode erzeugt wird.
• Ein weiteres Problem sind die zum vorderen Ende zurückwandernden positiven Ionen, weil BaF&sub2; ein nahezu perfekter Isolator ist. Dieses Problem wird mit zwei Maßnahmen angegangen. Zunächst wird ein metallischer Draht um den Kristall gewickelt. Mit einem 25 µm-Draht und Abständen von 250 µm ist immer noch 90% Freiraum gegeben, jedoch wird eine Elektrode bereitgestellt, um die Ionen einzufangen und um auch die Länge der Entladungsspur beträchtlich zu reduzieren.
• Zum zweiten wird vor diesem Kristall ein Spalt mit 0,5 mm Breite vorgesehen, der in Umkehrrichtung vorgespannt ist, so daß die positiven Ionen nicht zum Kristall getrieben werden. Gelangen sie an die erste Ebene, 0,5 mm vor dem Kristall, so ist dies der negativste Punkt und sie wandern nicht weiter. Der Nachteil liegt darin, daß UV-Licht, das an der ersten 0,5 mm Spalte gewandelt wurde, verloren geht.
• Die Stärke des BaF&sub2;-Kristalls kann vergrößert werden, um die Empfindlichkeit zu verbessern. Dies läuft jedoch der Auflösung zuwider, so daß sich ein praktischer Bestwert bei 16 mm ergibt.

Claims (9)

1. Strahlungsdetektor mit einem Szientillationskristall, einer Einrichtung zum Wandeln optischer Strahlung in elektrische Ladungsträger und einer Detektoreinrichtung zum Messen der erzeugten Ladungsträger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spalt (90), der mit einer Einrichtung (17) zur Verhinderung des Durchganges von Ladungsträgern versehen ist, zwischen dem Kristall (1) und der Detekoreinrichtung (9) angeordnet ist.

2. Strahlungsdetekor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Verhindern des Durchgangs von Ladungsträgern ein Netz (13) aufweist, das in Umkehrrichtung vorgespannt ist und unmittelbar an dem Szientillationskristall angeordnet ist.

3. Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Netz einen Abstand von 0,5 bis 1,0 mm von dem Szientillationskristall aufweist.

4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorspannung in der Größenordnung von 100 V liegt.

5. Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Folge von ladungsverstärkenden Spalten (3, 21) aufweist, an denen unterschiedliche Felder angelegt sind.

6. Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Paar von ladungsverstärkenden Spalten aufweist, von denen der erste eine Breite in der Größenordnung von 3 mm und der zweite eine Breite in der Größenordnung von 9 mm aufweist.

7. Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Felder in der Größenordnung von 300 V/mm und 150 V/mm an die jeweiligen Spalte angelegt werden.

8. Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zum Verhindern des Durchgangs von Ladungstragern eine Tor-Elektrode (17) aufweist, die zwischen dem genannten Kristall und der genannten Detektoreinrichtung angeordnet ist.

9. Verfahren zum Nachweisen von Strahlung unter Verwendung eines Szientillationskristalls, um optische Strahlung zu erzeugen, wobei die genannte optische Strahlung verwendet wird, um elektrische Ladungen mittels eines photoionisierenden Mediums zu erzeugen und die genannten Ladungen in einem elektrischen Feld verstärkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten verstärkten Ladungen über einen Spalt zwischen felderzeugenden Elektroden wandern, daß ein Signal von den genannten Ladungsträgern abgeleitet wird, und daß dieses genannte Signal verwendet wird, um eine Tor-Elektrode zu steuern, die im Wanderweg der genannten Ladungsträger angeordnet ist.