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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Gammastrahlendetektor zum Bestimmen des Ortes von Wechselwirkungen
von Gammastrahlen mit einer Vielzahl von Detektoren, die zum Erzeugen
eines Bildes eines abgetasteten Objekts angeordnet sind. Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Detektor, der die X-, die Y- und die
Z-Koordinate jeder Wechselwirkung bestimmen und wahlweise den Winkel des
Gammastrahls ermitteln kann, der diese Wechselwirkung hervorruft.
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Gammastrahlendetektoren werden in
einer großen
Vielfalt von Geräten
verwendet, beispielsweise in Positronen-Emissions-Tomographen (PET), Einzelphotonen-Emissions-Computer-Tomographen (SPECT),
Explosivstoffdetektoren und dergleichen. Alle Geräte dieser
Art sind teilweise abhängig
von Detektoren, die den Ort von Wechselwirkungen von Gammastrahlen
mit den Detektoren bestimmen können,
damit mit einer Vielzahl dieser Ortsbestimmungen eine Abbildung
eines interessierenden Objekts angefertigt werden kann. Diese Verfahren
sind dem Fachmann bekannt und bedürfen keiner weiteren Beschreibung
an dieser Stelle.
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Die Schwierigkeit bei all diesen
Detektoren besteht darin, dass zum Durchführen einer Abtastung eine Vielzahl
dieser Detektoren benötigt
wird und der Ort von Wechselwirkungen von Gammastrahlen mit den
Detektoren so bestimmt werden muss, dass mit einer Vielzahl solcher
Ortsbestimmungen, z. B. in einer Größenordnung von Millionen, genügend Daten
erhalten werden, um ein genaues Scanbild des interessierenden Objekts
zu erhalten. Da jeder dieser Detektoren in der Lage sein muss, Positionsdaten
für eine
Gammastrahlen-Wechselwirkung
zu erzeugen, werden für
die Erfassung dieser Positionsdaten und deren Zusammenstellung,
z. B. durch einen Rechner, sehr stabile und teure Geräte benötigt. Typischerweise
werden die Daten dieser Detektoren durch ein Erzeugen von Licht
in einer Szintillationssubstanz des Detektors initiiert, wenn ein
Gammastrahl mit diesem in Wechselwirkung tritt. Durch Ermitteln
des Detektors, in dem dieses Licht ausgesendet wurde, und der Position
des ausgesendeten Lichts innerhalb des Detektors wird ein Datenpunkt
für eine
Abtastung erzeugt. Indem eine Vielzahl dieser Detektoren vorgesehen
wird, deren Anzahl je nach Anwendung Tausende betragen kann, können eine
Vielzahl von Datenpunkten erfasst und durch Zusammenstellung in
einem Rechner zu einem Bild des interessierenden Objekts aufgelöst werden.
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Typischerweise werden zum Beispiel
vier Fotodetektoren mit einer Gruppe von Szintillationsdetektoren
ausgestattet, wobei die Fotodetektoren das Aussenden von Licht in
den Szintillationsdetektoren erfassen. Zum Ermitteln der Position
des ausgesendeten Lichts kann eine Logikschaltung verwendet werden.
Wie jedoch nachvollziehbar ist, führt die Ausstattung mit Überwachungsgeräten, einschließlich Fotodetektoren,
Logikschaltungen und dazugehörige
Steuer- und Signaleinheiten (zusammen als Auslesekanal bezeichnet),
zu einer sehr komplexen Geräteausstattung,
insbesondere, wenn für
das vorgesehene Scanbild eine große Zahl von Detektoren benötigt wird.
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Ferner dient als üblicher Detektor für diese Gammastrahlen-Abtastgeräte eine
anorganische kristalline Szintillationssubstanz, z. B. mit Zer dotiertes
Lutetium-Oxyorthosilikat (LSO) oder Wismut-Germanat [germinate]
(BGO), das von sich aus teuer ist. Das kristalline Material ist
eine Szintillationssubstanz, die Licht aussendet, weshalb der Ort
der Wechselwirkung eines Gammastrahls ermittelt werden kann. Die
Auflösung
der X- und Y-Positionen beträgt bei
diesen Detektoren typischerweise 20 Quadratmillimeter und ist typischerweise
nicht für
alle Positionen einheitlich, was eine grundlegende Ungenauigkeit dahingehend
bewirkt, dass man nicht weiß,
wo genau im Detektor, d. h. bei der X- oder Y-Koordinate, die jeweilige
Wechselwirkung stattgefunden hat. Zudem wird die Tiefe der Wechselwirkung,
d. h. die Z-Koordinate,
im Allgemeinen nicht oder nur unzureichend ermittelt, was zu einem
so genannten Parallaxenfehler und zu weiterer Ungenauigkeit des
Bildes führt.
Diese Effekte führen
zu einer geringeren Genauigkeit von Scanbildern als dies für das interessierende
Objekt gewünscht
wird.
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Wie aus den obigen Ausführungen
geschlossen werden kann, wäre
es von entscheidendem Vorteil, wenn für diesen Bereich der Technik
ein Gammastrahlendetektor bereitgestellt wird, der kostengünstig gebaut
werden kann, weit weniger Überwachungsgeräte zum Erfassen
der erforderlichen Daten benötigt
und die X-, Y- und Z-Koordinaten von Gammastrahlen-Wechselwirkungen
ermitteln kann.
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Es wurde nun festgestellt, dass ein
verbesserter Gammastrahlendetektor in der Weise bereitgestellt werden
kann, dass eine große
Anzahl der Detektoren durch ein einzelnes Gerät mit einer sehr reduzierten
Anzahl von Überwachungsgeräten (zusammen
als Auslesekanäle
bezeichnet) so überwacht
werden kann, dass die Gesamtzahl und die Komplexität der für eine Gruppe
von Detektoren benötigten Überwachungsgeräte viel
geringer als die von herkömmlichen
Detektoren benötigte
ist. Zusätzlich
kann der vorliegende Detektor die X-, Yund Z-Koordinate der Wechselwirkung
eines Gammastrahls mit dem Detektor bestimmen, und diese Koordinaten ergeben
genauere Datenpunkte für
die Zusammenstellung eines Gammastrahlen-Scanbildes.
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Die Erfindung basiert auf verschiedenen
primären
und sekundären
Beobachtungen und Entdeckungen. Zuerst wurde festgestellt, dass
für den
Detektor anstelle eines kristallinen Materials, das als interaktiver
Szintillator für
die Gammastrahlen fungiert, ein inaktiver Wandler (der anders als
bei der herkömmlichen
Technik kein Licht erzeugt) verwendet werden kann, um die Gammastrahlen
abzufangen und in geladene Teilchen umzuwandeln, die ihrerseits
zum Ermitteln der X- und der Y-Position verwendet werden können.
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Als weitere primäre Beobachtung stellte sich heraus,
dass zum Bestimmen der Position der Wechselwirkung eines Gammastrahls
anstelle des szintillierenden kristallinen Materials ein herkömmlicher Zweikoordinaten-Positionsdetektor
zum Ermitteln der X- und Y-Koordinate der geladenen Teilchen verwendet
werden kann, die durch den Wandler erzeugt werden und mit diesem
Zweikoordinaten-Positionsdetektor in Wechselwirkung stehen. Dadurch
wird der Detektor als Ganzes beträchtlich vereinfacht.
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Als grundlegende Entdeckung wurde
festgestellt, dass mit den durch den Wandler erzeugten geladenen
Teilchen ein kleiner, Licht aussendender Szintillator verwendet
werden kann, um die Gammastrahl-Wechselwirkung im Wandler zu signalisieren, und
dass dieser Szintillator kein kristallines Material sein muss, sondern
ein sehr gängiges
und preisgünstiges
Material sein kann, zum Beispiel ein durchsichtiger szintillierender
Kunststoff. Ein solcher durchsichtiger szintillierender Kunststoff
und dergleichen kann in Form von Platten, Stäben und insbesondere in Form
von Fasern etc. vorliegen, die biegsam sind, wobei diese Fasern
in Bündel
zusammengefasst werden können,
so dass ein ganzes Fasernbündel von
einem einzelnen Fotodetektor überwacht
werden kann, und Fasernbündel
von mehreren Detektoren von einem einzelnen Fotodetektor überwacht
werden können.
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Als eine wichtige Entdeckung stellte
sich heraus, dass deshalb eine Signaleinheit zum Signalisieren der
Anwesenheit von ausgesendetem Licht im Szintillator verwendet werden
kann, und dass diese Signaleinheit die verschiedenen Positionsdetektoren so
aktivieren oder inaktivieren kann, dass mit einer sehr reduzierten
Zahl von Überwachungsgeräten festgestellt
werden kann, welcher Detektor durch eine Wechselwirkung mit einem
Gammastrahl aktiviert wurde, und dementsprechend die X- und die Y-Position
derselben bestimmt werden kann. Die Z-Koordinate, die sich entlang
der Richtung des Gammastrahls befindet, ergibt sich durch die Stelle der
ermittelten Position.
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Kurz gesagt, stellt die vorliegende
Erfindung dementsprechend einen Gammastrahlendetektor zum Bestimmen
der Position von Gammastrahlen-Wechselwirkungen bereit. Der Detektor
umfasst wenigstens ein Modul, und jedes Modul umfasst einen Wandler
zum Umwandeln von Gammastrahlen in geladene Teilchen. Es ist ein
Szintillator zum Aussenden von Licht in Antwort auf die vom Wandler
erzeugten geladenen Teilchen vorgesehen. Ein Fotodetektor ermittelt,
wann Licht vom Szintillator ausgesendet wird. Zum Ermitteln der
X-, Y- und Z-Koordinaten
der geladenen Teilchen, die mit dem Positionsdetektor in Wechselwirkung
stehen, ist ein Zweikoordinaten-Positionsdetektor vorgesehen. Zum
Signalisieren der Anwesenheit von ausgesendetem Licht in den Fotodetektoren
und zum Aktivieren des Positionsdetektors ist eine Steuer- und Signaleinheit
vorgesehen.
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Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Zusammenhang
mit den beigefügten,
nachfolgend aufgeführten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
idealisierte schematische Querschnittsansicht des Detektors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 den
Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung
mit zusammengebündelten
Szintillatorfasern zur Überwachung
durch einen einzelnen Fotodetektor;
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3 eine
Gruppe von Detektoren, wobei die einzelnen Detektoren in der Gruppe
eine gemeinsame Mittellinie aufweisen;
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4 eine
idealisierte Darstellung dessen, wie eine Gruppe von Detektoren
gemäß der vorliegenden
Erfindung den Winkel bestimmen kann, in dem ein Gammastrahl die
Gruppe von Detektoren durchdringt;
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5 ein
Histogramm der Positionsauflösung
für 9 MeV
Gammastrahlen;
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6 eine
diagrammatische Darstellung einer Anordnung der Gruppe von Detektoren
zum Abtasten eines Objekts mit Gammastrahlen, und
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7 eine
schematische Darstellung der in 1 gezeigten Überwachungsgeräte (Auslesekanal).
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1 zeigt
eine sehr idealisierte schematische Querschnittsansicht der Grundkomponenten des
Detektors gemäß der vorliegenden
Erfindung. Diese Grundkomponenten werden zusammen als ein Modul
bezeichnet, da eine Vielzahl von Modulen als eine Gruppe von Modulen
angeordnet werden kann, die entlang der Richtung des Gammastrahls
bzw. in Z-Richtung
geschichtet werden können.
Das Grundmodul, das allgemein mit (1) gekennzeichnet ist,
umfasst als Grundelemente einen Wandler (2) zum Umwandeln
von Gammastrahlen (3) in geladene Teilchen (4).
Ein Szintillator (5) sendet in Antwort auf die vom Wandler
(2) erzeugten geladenen Teilchen (4) Licht aus.
Ein Fotodetektor (6) ermittelt, wann Licht vom Szintillator
(5) ausgesendet wird. Ein Zweikoordinaten-Positionsdetektor,
der allgemein mit (7) gekennzeichnet ist, ermittelt die
X- und die Y-Koordinaten von geladenen Teilchen, die mit dem Positionsdetektor
(7) in Wechselwirkung stehen. Eine Steuer- und Signaleinheit
(Auslesekanal), die allgemein mit (8) gekennzeichnet ist,
signalisiert die Anwesenheit von ausgesendetem Licht im Fotodetektor.
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Neben der Steuer- und Signaleinheit
(8) bestehen die Hauptkomponenten des Moduls daher aus
dern Wandler (2), dem Szintillator (5) und dem Zweikoordinaten-Positionsdetektor
(7). Diese drei Elemente sind zusammengeschichtet, um ein
Modul zu ergeben, das allgemein mit (1) gekennzeichnet
ist. Hier ist anzumerken, dass 3 eine
Vielzahl von Modulen (1) zeigt, die zusammen in einer Gruppe
angeordnet sind, die nachfolgend ausführlicher erläutert wird.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform besteht der Szintillator
aus einer Vielzahl szintillierender, biegsamer Kunststoffplatten,
-stäbe
und insbesondere -fasern etc. (20), die an Enden (21)
gebündelt
sind, so dass alle Szintillatorfasern (20) von einem einzelnen
Fotodetektor (6) überwacht
werden können.
Im Gegensatz zur herkömmlichen
Technik werden bei der vorliegenden Erfindung diese Szintillatorfasern
(20) nicht zum Ermitteln der X- und der Y-Position der
sich aus dem mit dem Wandler (2) in Wechselwirkung befindlichen
Gammastrahl (3) ergebenden geladenen Teilchen (4)
verwendet, sondern dienen lediglich dazu, zu veranlassen, dass im
Szintillator (5) Licht ausgesendet wird, um durch den Fotodetektor
(6) erfassbares Licht zu erzeugen. Vom Fotodetektor (6)
wird ein elektrisches Signal erzeugt, und dieses Signal wird zum
Auslösen
von Funktionen der Steuer- und Signaleinheit (θ) verwendet, wie nachstehend
näher erläutert wird.
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Der Zweikoordinaten-Positionsdetektor
(7) kann aus einer Vielfalt allgemein bekannter Zweikoordinaten-Positionsdetektoren
gewählt
sein, beispielsweise ein Gasverstärkungs-Ionisationsdetektor, ein Vielleiter-Proportionaldetektor,
ein Mikrostreifendetektor, ein Mikrospaltkammerdetektor oder ein Zeit-Projektionskammer-Detektor
und dergleichen. Der bevorzugte Positionsdetektor ist jedoch ein
Gasverstärkungs-Ionisationsdriftdetektor
und in dieser Hinsicht insbesondere ein Lawinen-Verstärkungs-Proportionaldriftkammerdetektor.
Ein Driftkammerdetektor, der die bevorzugteste Ausführungsform
des Zweikoordinaten-Positionsdetektors ist,
ist in 1 dargestellt.
Die Funktionen von Detektoren der vorstehend beschriebenen Art sind
dem Fachmann allgemein bekannt (siehe beispielsweise Physical Review
D, 1. Juli 1996, herausgegeben von The American Physical Society,
Band 54, Nr. 1) und werden, mit Ausnahme der bevorzugtesten Ausführungsform
zum Zweck einer näheren
Erläuterung, hierin
daher nicht weiter beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt
ist, wird ein Gammastrahl (3) im Wandler (2) in
geladene Teilchen umgewandelt (ein Elektronen-Positronen-Paar oder Compton-Elektron).
Diese geladenen Teilchen können
in sehr einfachen Szintillatoren, wie nachstehend näher erläutert wird,
ein Aussenden von Licht bewirken, wobei das ausgesendete Licht zu
Signalisierungs- und Steuerungszwecken, wie nachstehend erläutert wird,
vom Fotodetektor (6) abgetastet wird. Die geladenen Teilchen
dringen in den Positionsdetektor (7) ein, der mit einem
ionisierbaren Gas, das allgemein mit (9) gekennzeichnet ist, in
einer Driftkammer (10) gefüllt ist. Die geladenen Teilchen
bewirken, dass aus dem ionisierbaren Gas Ionisationselektronen entstehen.
Die Zeit der Drift der Ionisationselektronen in der Driftkammer
(10) von der ursprünglichen
Ionisation, die durch den Szintillator (5) signalisiert
wird, zu einer Anode (13) wird zur Ermittlung der X-Position
der Wechselwirkung des Gammastrahls (3) mit dem Modul (1)
verwendet. Die Y-Position wird durch die induzierte Ladung einer
Kathode (14) ermittelt, und alle diese Vorgänge werden nachstehend
ausführlich
beschrieben. Die Z-Koordinate
der Wechselwirkung des Gammastrahls ergibt sich durch die Lokalisierung
derjenigen Driftkammer, die durch den Gammastrahl aktiviert wurde.
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Elektrofeldstreifen oder -elemente
(11) und (11a) erzeugen ein elektrisches Spannungsgefälle entlang
der vertikalen Richtung der Driftkammer (vertikale Richtung wird
hier lediglich als Bezeichnung verwendet und nicht als Richtung
im Raum). Das Spannungsgefälle
des elektrischen Feldes bewirkt, dass die Ionisationselektronen
in der Driftkammer (10) nach oben wandern (wiederum eine
Bezeichnung und keine Richtung). Die Ionisationselektronen treffen
auf eine Gittervorrichtung (12), die normalerweise unter
Vorspannung steht, um deren Durchgang zu blockieren, aber so geschaltet
werden kann, dass die Ionisationselektronen hindurchgelassen werden.
Die Gittervorrichtung (12) kann einfach aus einer Reihe
geladener Drähte
bestehen, um ein elektrisches Feld um diese Drähte herum zu erzeugen, das
so stark ist, dass die Ionisationselektronen nicht durch diese hindurchgelangen
können.
Gittervorrichtungen dieser Art sind dem Fachmann bekannt (siehe
Bryman et al., Nuc. Instr. Meth. A234 (1985) 42–46) und bedürfen an
dieser Stelle keiner ausführlichen
Beschreibung. Wenn jedoch Licht vom Szintillator (5) ausgesendet
wird, wird im Fotodetektor (6), der an die Steuer- und
Signaleinheit (8) angeschlossen ist, ein Signal (z. B.
Spannung) erzeugt. Die Anwesenheit von Licht im Szintillator (5)
bewirkt, dass das elektrische Feld der Gittervorrichtung (12)
so verändert
wird, dass die Ionisationselektronen durch dieses hindurchgelangen
können,
wie in der vorstehend zitierten Publikation von Bryman et al. ausführlich erläutert ist.
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Eine Anode (13), die beispielsweise
ein vergoldeter, länglicher
Anodendraht aus Wolfram mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern
sein kann, ist über
der Gittervorrichtung (12) angeordnet, und wenn der Fotodetektor
(6) ein Aussenden von Licht aus dem Szintillator (5)
abtastet, wird die Gittervorrichtung (12) zum Durchlassen
der Ionisationselektronen geöffnet,
wie wiederum in der vorstehend zitierten Publikation von Bryman
et al. ausführlich
beschrieben ist. Die Ionisationselektronen wandern auf die Anode
(13) zu und induzieren in dieser einen Strom (siehe Fulda-Quenzer
et al., Nuc. Instr. Meth. A235 (1985) 517–522, mit einer umfassenden
Erläuterung
dieser Funktion).
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Bei herkömmlichen Gasverstärkungs-Ionisationsdetektoren,
die sich beispielsweise eines Argon-Methan-Gases bedienen, bewirkt
das durch die Elektrofeldelemente (11) und (11a)
erzeugte elektrische Feld, dass in den Ionisationsgasen durch die geladenen
Teilchen (4) erzeugte Elektronen mit Geschwindigkeiten
von etwa 7 Zentimetern pro Mikrosekunde, beispielsweise bei einem
von den Elektrofeldelementen (11) und (11a) erzeugten
elektrischen Feld von 25 kV/m, nach oben wandern. Daher beträgt zum Beispiel
bei einer Driftkammer von 10 Zentimetern Höhe die maximale Zeitverzögerung für die Ionisationselektronen
zum Durchwandern der Driftkammer und zum Induzieren von Strom in
der Anode (13) etwa 1,4 Mikrosekunden, was eine recht kleine
Größe ist.
Es können
jedoch viel kürzere
Driftkammern, die beispielsweise eine Höhe von nur wenigen Zentimetern
aufweisen, verwendet werden, die sehr kurze Zeitverzögerungen
ergeben.
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Die Ionisationselektronen induzieren
solchermaßen
Strom in der Anode (13), dass es zu einer großen vervielfachten
Verstärkung
kommt (eine „Lawine"),
beispielsweise etwa im Bereich von ungefähr 5 × 104.
Daher kann das Zeitintervall zwischen dem Erfassen einer Aussendung
von Licht im Szintillator (5) durch den Fotodetektor (6)
(und die gleichzeitig stattfindende Bildung von Ionisationselektronen
in dem Gas (9)) und dem Erfassen eines Stroms in der Anode
(13) zum Berechnen des Orts einer Gammastrahlen-Wechselwirkung
im Modul (1) bezüglich
der X-Position verwendet werden (siehe 3). So kann beispielsweise angenommen
werden, dass der in 1 gezeigte
Gammastrahl (3) etwa am Mittelpunkt in das Modul (1)
eintritt, wie in 1 gezeigt
ist, und ein Zeitintervall A ergibt. Wenn dieser Gammastrahl an
einer tieferen Stelle als die in 1 gezeigte
in das Modul (1) eintritt, würde dieses Zeitintervall A
+ B betragen. Wenn der Gammastrahl hingegen an einer höheren Stelle
als die in 1 gezeigte
in das Modul eintritt, würde
das Zeitintervall A-B betragen. Somit ist das Zeitintervall zwischen
dem Erfassen von Licht durch den Fotodetektor (6) und dem
in der Anode (13) induzierten Strom proportional zur X-Position der
durch den Gammastrahl (3) erzeugten geladenen Teilchen.
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Zum Bereitstellen der Y-Position
sind im Modul (1) eine Reihe von leitenden Kathoden (14)
(z. B. Drähte,
Platten, Streifen, etc.) angeordnet. Ein wesentlicher Vorteil der
vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kathoden einer Reihe
von Modulen in einer Gruppe gemeinsam sein können, wie nachstehend erläutert ist.
Wie in 3 gezeigt ist,
sind die Kathoden (14a) entlang der einzelnen Module (1)
so beabstandet, dass sich entlang der Transversalen der Y-Richtung
des Moduls eine Gruppe von Kathcden (14a) präsentiert.
Durch das lawinenartige Auftreten von Ionisationselektronen an der
Anode (13) wird in einer der Kathoden oder in verschiedenen oder
mehreren Kathoden ein Strom induziert. Die jeweils beteiligte(n)
Kathode(n) kann bzw. können durch
das Vorhandensein einer in der/den Kathode(n) induzierten elektrischen
Ladung oder durch das in verschiedenen Kathoden induzierte Ladungsmuster
ermittelt werden, und daher kann auch die Y-Position der Wechselwirkung
des Gammastrahls mit dem Modul bestimmt werden. Kathodenstreifen oder
Kathoden-Pads von kleiner Abmessung, z. B. 5 mm, die in Abständen von
etwa 6 mm gruppiert werden, liefern sehr genaue Ergebnisse.
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Selbstverständlich müssen zum Betreiben des oben
beschriebenen Moduls Stromversorgungen, Spannungsregler, Zeitmessgeräte, Spannungs- und
Ladungsmesser sowie Logikschaltungen durch die Steuer- und Signaleinheit
(8) bereitgestellt werden, wobei es sich hier um Geräte handelt,
die dem Fachmann jeweils bekannt sind. Zusammen bilden diese Geräte einen
Teil des Auslesekanals und sind dem Fachmann bekannt, weshalb sie
hierin nicht weiter beschrieben werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung weist einen
weiteren Vorteil dahingehend auf, dass durch die Verwendung der
vorliegenden Kombination aus Wandler, Szintillator und Positionsdetektor
für diese
jeweils kostengünstige
Materialien verwendet werden können.
So kann der Wandler ein beliebiges hochdichtes Material sein, da
nur erforderlich ist, dass die Gammastrahlen in geladene Teilchen
umgewandelt werden. So könnte
der Wandler bei energiearmen Gammastrahlen beispielsweise einfach
eine dünne
Wasserkanmer sein. Bei Gammastrahlen höherer Energie wäre die erforderliche
Stärke
der Wasserkammer jedoch unzweckmäßig. Für energieärmere Gammastrahlen
könnten
Kunststoffe oder Keramik verwendet werden, wobei zweckmäßigere Wandler
jedoch Metalle, insbesondere Metalle hoher Dichte sind, da diese
die Wandlerfunktionen bei relativ geringen Dicken bereitstellen.
Wenngleich jedes Metall verwendet werden kann, werden Titan, Wolfram,
Gold, Silber, Kupfer und Blei bevorzugt, wobei angesichts der sehr
hohen Dichte und der Kostengünstigkeit
insbesondere Blei bevorzugt wird. So ist beispielsweise Blei mit
einer Dicke von 0,15 mm für
einen 9 MeV Gammastrahl als Wandler ausreichend. Für die meisten
Gamma-Energien sind Dicken von 0,01 bis 2,0 mm zweckmäßig.
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Der Szintillator gemäß der vorliegenden
Erfindung kann jedes Material sein, das geladene Teilchen und durch
Wechselwirkung mit diesen induziertes Licht erzeugt und durchlässt. Anders
als bei der herkömmlichen
Technik, bei der der Szintillator ein spezielles Kristall (z. B.
BGO) ist, damit die Gammastrahlen direkt auf den Szintillator einwirken
und Licht aussenden, muss der vorliegende Szintillator zum Erzeugen
von Licht nur mit den geladenen Teilchen in Wechselwirkung treten.
Daher kann der erfindungsgemäße Szintillator
anders als ein herkömmlicher Szintillator
aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, da es viele Materialien
gibt, die mit geladenen Teilchen in Wechselwirkung treten, um Licht
auszusenden. Bevorzugte Szintillator-Materialien sind entweder kristalline
Materialien oder ein szintillierender Kunststoff, und wenngleich
diese kristallinen Materialien bisher verwendete, herkömmliche
Kristalle (z. B. BGO) sein können,
ist es nicht notwendig, diese teuren Materialien zu verwenden, sondern
es werden weniger teure Materialien wie beispielsweise Kunststoff-Szintillatoren
bevorzugt. Licht aussendende Kunststoff-Szintillatoren sind in großer Zahl
bekannt (siehe die oben zitierte Publikation Physical Review, und
eine Auswahl dieser Materialien wird von Bicron, Newbury, Ohio,
USA, hergestellt), und müssen
an dieser Stelle nicht näher
erläutert
werden. Die bevorzugte Form des Szintillators ist ein Licht aussendender,
szintillierender Kunststoff. Diese Kunststoff-Szintillatoren weisen auch weitere Vorteile
auf. Wenn der Kunststoff-Szintillator durchsichtig ist und in einer länglichen
Fasernkonfiguration vorliegt, die zudem biegsam ist, können die
Enden dieser Fasern (20), die, wie in 2 gezeigt ist, aus dem Modul (1)
herausragen, zu einem Bündel
(21) zusammengefasst werden, wie in 2 gezeigt ist, und durch einen einzelnen
Fotodetektor (6) überwacht
werden. Auch können
eine Anzahl von Bündeln
(21) einer Anzahl von Modulen (1) zusammengefasst
und von einem einzelnen Fotodetektor (6) überwacht
werden, wie in 3 gezeigt
ist. Bevorzugte Kunststoff-Szintillatoren weisen einen Kern auf
Polystyrol-Basis auf und sind mit einer optischen Plattierung aus
Polymethylmethacrylat versehen (siehe Hauptkatalog von Bicron).
Ein weiterer Vorteil von Kunststoff-Szintillatoren gegenüber den
meisten kristallinen Materialien ist eine schnellere Reaktionszeit.
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Der Szintillator sollte im Grunde
im Wesentlichen quer zur Richtung des Gammastrahls angeordnet sein,
wie in 1 gezeigt ist.
In dieser Hinsicht meint im Wesentlichen jedoch nur, dass der Szintillator
so vorzusehen ist, dass er die geladenen Teilchen abfangen und Licht
so aussenden kann, dass dieses durch den Fotodetektor (6)
erfasst werden kann. Der Szintillator könnte in Form einer Platte,
eines Streifens oder in einer anderen Form vorgesehen werden, wobei
die bevorzugte Form jedoch die ist, bei der der Szintillator (5)
in der Form von länglichen
biegsamen Fasern vorliegt, die als eine Reihe ausgebildet sind, wie
in 1 gezeigt ist, in
der benachbarte Fasern einander berühren, oder als mehrere dieser
Reihen. Bei dieser bevorzugten Form werden daher eine Vielzahl benachbarter
Fasern-Szintillatoren
in Richtungen angeordnet, die im Wesentlichen quer zur Richtung
des Gammastrahls verlaufen, und diese länglichen Kunststofffaser-Szintillatoren
werden in Bündel zusammengefasst,
wie in 2 gezeigt ist,
um von einem einzelnen Fotodetektor (6) überwacht
zu werden, d. h. wenn wenigstens ein Fotodetektor nahe wenigstens
eines Endes einer Vielzahl von Szintillatoren angeordnet ist. Wie
ebenfalls in 2 gezeigt ist,
könnte
ein gleichartiges Bündel
(21b) aus Fasern (20D) aus dem gegenüberliegenden
Ende des Moduls (1) herausragen und genauso gebündelt sein, damit
ein Fotodetektor (6b) zu den nachstehend erläuterten
Zwecken zum Summieren und Unterscheiden von Signalen aus einer Gruppe
von Modulen verwendet werden kann.
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Da die Szintillatoren aus einem Licht
aussendendem, szintillierenden Kunststoff oder dergleichen bestehen,
kann bei sehr energiearmen Gammastrahlen Licht durch eine direkte
Wechselwirkung der Gammastrahlen mit dem Szintillator (5)
ausgesendet werden, wobei es in diesem Fall nicht erforderlich ist, einen
Wandler (2) vorzusehen. Somit fungiert der Szintillator
in den Fällen,
in denen der abgetastete Gammastrahl sehr energiearm ist und der
Szintillator aus einem dichten, szintillierenden Kunststoff besteht,
auch als Wandler. Dieser Fall ist jedoch nicht sehr üblich und
stellt keine bevorzugte Ausfiihrungsform der Erfindung dar.
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Auch kann bei der vorliegenden Erfindung der
Fotodetektor eine sehr kostengünstige
Fotovervielfacherröhre
oder eine Fotodiode sein, da die Hauptaufgabe des Fotodetektors
das Erfassen eines Aussendens von Licht in dem Szintillator (5)
und das Erzeugen eines Signals zum Betreiben der Gittervorrichtung
(12), wie oben beschrieben wurde, sowie anderer Teile des
Moduls (1) ist, wie nachstehend erläutert wird.
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Nimmt man nun wieder Bezug auf 1, so weist der spezifisch
dargestellte Driftkammer-Detektor,
wie oben erwähnt,
ein Potentialgefälle
mit Spannungen, die von nahe einer Seite (15) der Kammer (10)
zur gegenüberliegenden
Seite (16) der Kammer (10) nahe der Gittervorrichtung
(12) abnehmen, eine Kathode (14) nahe der gegenüberliegenden
Seite (16) und eine zwischen der Gittervorrichtung (12)
und der Kathode (14) angeordnete Anode (13) auf.
Die Bauweise solcher Driftkammern ist dem Fachmann bekannt (siehe
Fulda-Quenzer et al., Nuc. Instr. Meth. A235 (1985), Seite 517;
Bryman et al., Nuc. Instr. Meth. A 234 (1985), 42, und Hargrove
et al., Nuc. Instr. Meth. 219 (1984), 461).
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Hinsichtlich dieses letzteren Aspekts
und wie in 3 gezeigt
ist, ist eine bevorzugte Ausführungsform
die, bei der eine allgemein mit (30) gekennzeichnete Gruppe von
Modulen (1) zusammengefügt,
beispielsweise durch einen Klebstoff, oder so geschichtet ist, dass
die Mittellinien (31) der einzelnen Module (1) im Wesentlichen
auf einer gemeinsamen Achse liegen, d. h. dass die Achse die Mittellinie (31)
ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
einer solchen Gruppe (30) ist die Kathode (14)
der einzelnen Module (1) jeweils als Pad oder als Streifen (14a)
ausgeführt,
wobei jeder Streifen (14a) mit dem Kathodenstreifen (14a)
eines benachbarten Moduls (1) verbunden ist, um für die Gruppe
von Modulen durchgehende Kathodenstreifen zu bilden. Durch eine
Verwendung dieser Anordnung kann die Gruppe (30) von Modulen
(1) sehr kostengünstig
hergestellt und kostengünstig
instrumentiert werden, so dass der Fotodetektor (6) und
die Steuer- und Signaleinheit (8), die in 1 gezeigt sind, einer Vielzahl von Modulen
(1), wie in 3 gezeigt
ist, dienen können, die
in einer Gruppe (30) angeordnet sind.
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In letzterer Hinsicht lässt die
Gittervorrichtung (12), wie oben erwähnt wurde, den Durchgang von
Ionisationselektronen zu oder schließt diesen in Antwort auf die
Signaleinheit (8), die ihrerseits auf die Anwesenheit oder
Abwesenheit von Licht im Szintillator (5) reagiert, wie
dies jeweils durch den Fotodetektor (6) ermittelt wird.
Wie ebenfalls oben erwähnt wurde,
ist die Gittervorrichtung (12) mit einer Vorspannung versehen,
um einen Durchgang der Ionisationselektronen durch die Gittervorrichtung
zu verhindern, wenn vom Fotodetektor (6) im Szintillator
(5) kein ausgesendetes Licht erfasst wird oder wenn der Fotodetektor
(6) nicht der erste Fotodetektor in der Gruppe von Modulen
ist, die durch die geladenen Teilchen (4) zu aktivieren
sind. In diesem Fall wird die Gittervorrichtung (12) nicht
elektrisch entladen oder mit einer veränderten Ladung versehen, um
einen Durchgang der Ionisationselektronen zu ermöglichen.
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Dementsprechend wird nur der erste
Positionsdetektor in jeder Gruppe von Modulen (1), wie
in 3 gezeigt ist, aktiviert,
wenn Licht aus dem Szintillator (5) ausgesendet wird. Wenn
kein Licht aus dem Szintillator (5) ausgesendet wird, bleibt
das Modul inaktiv, und es bleibt auch inaktiv, wenn Licht aus dem
Szintillator (5) ausgesendet wird, das betreffende Modul aber
nicht das erste aktivierte Modul ist. Betrachtet man nun 3, bleibt in dem Fall, dass
der in geladene Teilchen (4) umgewandelte Gammastrahl (3)
den Szintillator in Modul A nicht aktiviert, dieses Modul inaktiv.
Ebenso bleibt beispielsweise in dem Fall, dass der in geladene Teilchen
(4) umgewandelte Gammastrahl (3) den Szintillator
in Modul B nicht aktiviert, dieses Modul ebenfalls inaktiv. Wenn jedoch
die durch den Gammastrahl (3) erzeugten geladenen Teilchen
(4) das Modul C (welches zum ersten aktivierten Niodul
wird) aktivieren, öffnet
der Fotodetektor (6) mittels der Steuer- und Signaleinheit (8)
die Gittervorrichtung (12) und wahlweise die Elektrofeldelemente
(11) und (11a), um eine Messung der X- und Y-Positionen
der vom Wandler (2) in Antwort auf den Gammastrahl (3)
im Modul C erzeugten geladenen Teilchen (4) zu veranlassen,
wie vorstehend erläutert
wurde. Somit ermittelt in dem Fall, dass das Modul C das erste aktivierte
Modul ist, dieses Modul die X- und Y-Positionen, und es muss keine Überwachung
der übrigen
Module A, B, D, E und F vorgesehen werden. Dadurch wird die Ausstattung
mit Überwachungsgeräten beträchtlich
vereinfacht, und eine Mehrfachausnutzung der Szintillatoren (5),
des Fotodetektors (6) und der Steuer- und Signaleinheit
(8) wird ermöglicht.
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Eine bevorzugte Methode des Aktivierens
eines bestimmten Moduls ist die, bei der die Anode eines ersten
aktivierten Moduls in einer Gruppe durch die Ionisationselektronen
einen Strom induziert. Alle anderen Anoden aller übrigen Module
in der Gruppe weisen keinen auf diese Weise induzierten Strom auf und
bleiben daher inaktiv. Da daher wiederum nur ein Modul aktiviert
ist, wird daher nur von diesem aktivierten Modul ein Signal erzeugt,
das zum Ermitteln der X- und Y-Positionen der durch den Gammastrahl erzeugten
geladenen Teilchen verwendet werden kann. Dies ermöglicht,
dass die Kathode (14a), wie in 3 gezeigt, ein wie oben erwähnter durchgehender
Streifen sein kann. Dadurch wird die Herstellung der Gruppe weiter
vereinfacht, und für
eine ganze Gruppe (30) aus vielen Modulen (1),
wie in 3 gezeigt ist,
können
ein einzelnes oder eine kleine Anzahl von Datenerfassungs- und Überwachungsgeräten (Auslesekanal),
d. h. Fotodetektoren (6) und Steuer- und Signaleinheiten
(8), verwendet werden.
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Mit dem Detektor der vorliegenden
Erfindung kann auch der Winkel bestimmt werden, in dem der Gammastrahl
mit einer Gruppe von Modulen in Wechselwirkung steht. Wie zum Beispiel
in 4 gezeigt ist, die
eine sehr idealisierte Darstellung von Wechselwirkungen geladener
Teilchen mit den Modulen und X- sowie Y-Ermittlungen ist, wird zum
Beispiel in dem Fall, dass in einer Gruppe (30) von Modulen
(1) vier Module nacheinander aktiviert werden und jedes
die X- und die Y-Koordinaten ermittelt, dann durch übliche Berechnung
der X- und Y-Koordinaten der Wechselwirkungen von zum Beispiel der Module
A, B, C, D und F eine Berechnung des Winkels ermöglicht, in dem die aus dem
Gammastrahl (3) stammenden geladenen Teilchen mit der Gruppe (30)
von Modulen (1) in Wechselwirkung standen. In diesem Fall
wäre für jedes
Modul ein separater Satz Kathodenstreifen und Auslesekanäle erforderlich, wie
nachstehend erläutert
ist.
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Wie oben angemerkt, bestimmt die
Kathode die Y-Koordinate der Wechselwirkung durch Induzieren einer
Ladung in der Kathode (14) und insbesondere in einem Kathodenstreifen
(14a). Der Ort der Wechselwirkung auf der Kathode zum Ermitteln
der Y-Koordinate kann durch eine Reihe unterschiedlicher bekannter
Vorrichtungen bestimmt werden. So kann beispielsweise mit einem
Analog-Digital-Wandler eine analoge Impulshöhe erhalten werden, um die Y-Position
der Wechselwirkung auf dem Kathodenstreifen (14a) durch
Ermitteln des Schwerpunkts der induzierten Ladung des Kathodenstreifens
(14a) zu bestimmen. Der Schwerpunkt der induzierten Ladung
kann beispielsweise durch Messen der Spannung oder des Stroms an
beiden Enden eines Kathodenstreifens (14a) ermittelt werden.
Alternativ können
herkömmliche
Diskriminatoren zum Bestimmen des Musters der Streifen, bei denen
eine Ladung induziert ist, verwendet werden. Eine grobe Y-Position kann
in Fällen,
in denen keine große
Genauigkeit erforderlich ist, ermittelt werden, indem für die Anode einfach
ein Widerstandsdraht verwendet und an jedem Ende die Impulshöhe gemessen
wird, um die Y-Koordinate
zu bestimmen. Alternativ können über die
gesamte Strecke ermittelte zeitbezogene Daten verwendet werden,
um zu bestimmen, an welcher Stelle entlang der Länge des Anodendrahts eine Ladung
induziert wurde, um die Y-Koordinate zu bestimmen.
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Wenn der Szintillator in der vorstehend
erläuterten
Form von Kunststofffasern unter Verwendung herkömmlicher Szintillator-Kunststoffe
(wie beispielsweise Kuraray SCSN-33) vorliegt, können diese Fasern recht klein
sein, z. B. im Bereich von Durchmessern von 1,0 Millimeter. Es können jedoch
auch flache Szintillator-Platten oder Szintillator-Streifen verwendet
werden, wobei in diesem Fall biegsame oder geformte Lichtleitstäbe, die
an den Enden der Platten angebracht sind, zum Bündeln der Lichtleiter zu den oben
beschriebenen Zwecken verwendet werden können. Alternativ können zu
diesem Zweck handelsübliche
Wellenlängenschieberfasern
oder -streifen verwendet werden.
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Wenn eine Gruppe von Modulen verwendet wird,
wie in 3 gezeigt ist,
können
mehrere Module hinter dem ersten Modul gleichzeitig von Gammastrahl-Umwandlungsprodukten
mit nachfolgender Wechselwirkung getroffen werden, wobei aber nur das
erste Modul in der oben beschriebenen Weise aktiviert werden muss,
um die X-, Y- und Z-Koordinaten der Gammastrahl-Wechselwirkung zu
ermitteln. In diesem Fall kann die Datenerfassung durch eine herkömmliche,
elektronische Logikschaltung in der Steuer- und Signaleinheit (8)
auf dieses erste aktivierte Modul begrenzt werden. Dies ermöglicht ein Zusammenfassen
der Auslesekanäle
zu gemeinsamen (mehrfach genutzten) Anordnungen für alle Module.
Das λktivieren
des Auslesekanals (Fotodetektor (6) und Steuer- und Signaleinheit
(8)) für
die Gruppe (30) kann durch einen minimalen Energiepegel,
der als Summe von allen Szintillatoren in der Gruppe erfasst wird,
oder durch das Erfassen einer Mindestzahl von Szintillatoren ausgelöst werden,
die Licht aussenden. Diese beiden letztgenannten Ansätze können Fehlauslösungen infolge
von Hintergrundstrahlung eliminieren.
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Betrachtet man nun wieder 2, können, wie oben beschrieben
ist, zu einem Bündel
(21) zusammengefasste Fasern (20) durch einen
einzelnen Fotodetektor (6) für die Signal- und Steuereinheit
(8) überwacht
werden. Gegenüberliegende
Enden von Fasern (20) können
aus dem Modul (1) als Fasern (20b) herausragen
und zu Bündeln
(21b) ausgebildet werden, die durch den Fotodetektor (6b) überwacht werden.
Der Fotodetektor (6b) (einer für jedes Modul in einer Gruppe
(30)) kann durch entsprechende Zeitsteuerung desselben
bestimmen, welches Modul in einer Gruppe (30) zuerst aktiviert
wurde (von einem Gammastrahl (3) getroffen wurde). Wenn
ein erstes zu aktivierendes Modul in einer Gruppe von Modulen die
Gittervorrichtung (12) dieses Moduls öffnet, kann es bewirken, dass
die Steuer- und Signaleinheit (8) veranlasst, dass alle
anderen Module in der Gruppe inaktiv bleiben.
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Auch können die Fasern (20b)
und Bündel (21b)
eines ersten Moduls in einer Gruppe mit einem ersten Modul in einer
zweiten Gruppe, einem ersten Modul in einer dritten Gruppe usw.
gebündelt
werden, so dass ein einzelner Fotodetektor jeweils das erste Modul
in einer Reihe von Modulgruppen überwachen kann. Ähnliche
Anordnungen können
für das
zweite und das dritte usw. Modul in einer Reihe von Gruppen vorgesehen
werden. Mit dieser Anordnung kann die Z-Koordinate durch Ermitteln
des Moduls, d. h. das erste oder das zweite oder das dritte usw.
Modul einer Gruppe, das zuerst durch einen Gammastrahl aktiviert
bzw. getroffen wurde, einfach bestimmt werden.
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Hauptsächlich aufgrund einer mehrfachen Coulomb-Streuung
hängt die
erreichbare Positionsauflösung
(Genauigkeit der ermittelten X- und Y-Positionen) von der Dicke
des Wandlers und vom Abstand des Zweikoordinaten-Positionsdetektors
von diesem ab. Bei einer Gruppe von Modulen, beispielsweise wie
bei der in 3 gezeigten,
die 9 MeV Gammastrahlen ausgesetzt werden, wobei 0,15 mm dicke Bleiwandler,
Kunststoff-Szintillatorfasern
mit einem Durchmesser von 2,0 mm und eine 5,0 mm dicke Driftkammer
verwendet werden, können
jedoch sehr genaue Bestimmungen vorgenommen werden, und in 5 ist ein Histogramm einer
simulierten ermittelten Gammaposition bezüglich der tatsächlichen Gammaposition
gezeigt. Die typische Auflösung
der Gammaposition betrug 3,5 mm (Peak-Halbwertsbreite), wenn man
sich einer inneren Positionsauflösung der
Driftkammer von 2,5 mm (Peak-Halbwertsbreite) bediente. Die Ausbeute
bei der Ermittlung von 9 MeV Gammastrahlen für 150 Module betrug 84%.
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6 zeigt
eine diagrammatische Darstellung mehrerer, allgemein mit (60)
gekennzeichneten Gruppen von Modulen (1). In diesem Fall
sind eine Vielzahl von Gruppen (60) von Modulen (1)
nebeneinander angeordnet, wobei die Mittellinien der einzelnen Gruppen,
wie in 3 gezeigt ist,
jeweils parallel verlaufen. Die zweckmäßige Anzahl von Modulen in den
einzelnen Gruppen kann durch Messen (oder Berechnen) der maximalen
Anzahl von Modulen ermittelt werden, die zur Wechselwirkung von
Gammastrahlen aus einer Gammastrahlenquelle (61) getroffen
werden, die innerhalb eines Gammastrahlenbogens (63) vorgegebener
Energie ein Objekt (62) abtastet. Die jeweils ersten getroffenen
(aktivierten) Module in jeder Gruppe können zusammengefasst und mit
einem einzelnen Fotodetektor ausgelesen werden. Es können auch
die Energiesummen horizontaler Gruppierungen von Gruppen für jede Gruppe
gebildet werden, um festzustellen, in welcher Gruppe eine Wechselwirkung
stattgefunden hat. Es kann eine herkömmliche, elektronische Logikeinheit
verwendet werden, um die Adresse (Gruppennummer, Modulnummer, etc.)
des zu aktivierenden Moduls und die zeitliche Länge der Aktivierung eindeutig
zu ermitteln, um die horizontale Gruppe zu ermitteln, die aktiviert
wurde.
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Wenngleich die oben angeführte Publikation von
Bryman et al., Nuc. Instr. Meth. A234 (1985), 42–46, eine
ausführliche
Beschreibung der Steuer- und Signaleinheit (8) enthält, ist
diese in 7 in vereinfachter
schematischer Darstellung gezeigt. In dieser Figur wird Licht (70)
aus dem Szintillator (5) in einer Fotovervielfachenöhre/Stromversorgung
(71) erfasst, und das dadurch erzeugte elektrische Signal wird
an einen Verstärker
(72) weitergeleitet. Das verstärkte Signal wird an einen Analog-Digital-Wandler (73),
einen Szintillator-Analogsummierer
(74) und einen Diskriminator (75) weitergeleitet.
Durch den Summierer (74) wird ein „Auslöse"-Signal erzeugt, das betivirkt,
dass eine Logikeinheit (76) in Betrieb geht, um zusammen
mit Angaben vom Diskrimirator (75) ein „Auf- oder „Zu"-Signal 77. 78, 79 und 80 für die Gittervorrichtungen
(12) der verschiedenen Module (1) zu erzeugen.
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Alle Komponenten des vorliegenden
Moduls und der Steuer- und Signaleinheit sind dem Fachmann bekannt,
wobei diese Komponenten jedoch nicht zu einem Detektormodul der
vorliegenden Art zusammengebaut wurden. Die Erfindung bietet den Vorteil,
dass das erste Modul in einer Gruppe, in dem der Gammastrahl in
geladene Teilchen umgewandelt wird, leicht zum alleinigen Auslesen
ausgewählt
werden kann, was einen höheren
Grad einer Gemeinsamkeit (Mehrfachausnutzung) von Auslesekanälen und
daher eine Reduzierung der Anzahl der benötigten Auslesekanäle um einen
hohen Faktor ermöglicht.
Das Auflösungsverhalten
des Detektors bezüglich
der Position ist gleichmäßig, und
die drei Ortskoordinaten der ersten Wechselwirkung eines Gammastrahls
werden genau und eindeutig ermittelt. Da die Module kostengünstig sind,
können
sie zum Abdecken sehr großer
Flächen
zu geringfügigen Kosten
hergestellt werden.
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Nachdem die Erfindung nun beschrieben
ist, ist beabsichtigt, dass die beanspruchte Erfindung sich auf
den Umfang der beiliegenden Ansprüche erstreckt.