FI63495C - Straolningsdetektor - Google Patents

Description

R35r»l M (111KUULUTUS)ULKAISU 63495

lJ 1 ' UTLÄGGNINGSSKRIFT

C /4_ Fatc-ntti ayonrot.ty 10 C6 1933 tfevM ' ^ Patent eeddclat ^ ^ (51) Kv.ik?/int.a.3 G- 01 T 1/18 SUOMI—FI N LAND (*) P>t«nttlhtk«mus — Ptt«ntaftt6kn4ng 790t05 (22) Hakwnltpllvl—AiwBkninc^ag 07.02.79 ' " (23) Alkup«l»l—GIW|h«t«di| 07.02.79 (41) Tullut (ulkkukal — Bllylt offuntMg 08. 08. 80 fatonttl- I* fkllfrihalHtuu (44) NlhtlvUulpanon |. kouL|ulk*J»un pvm. —

Patent· och rafisterstyrwlMn v 7 Anaektn uthgd odi uti^kretwi puMcund 28.02.83 (32)(33)(31) *yr4««y «tuolkuu!—««gird prlofk* (71) Hospital Physics Oy, Vuoriharjuntie 23 B, 0231+0 Espoo 3^,

Suomi-Finland(FI) (72) Esko Riihimäki, Espoo, Suomi-Finland(FI) (7*0 Ins.tsto Olli Heikinheimo Ky .(5*0 Säteilyn ilmaisin - Strälningsdetektor

Keksinnön kohteena on säteilyn ilmaisin» joka on tarkoitettu käytettäväksi esimerkiksi röntgentomografialaitteiston yhteydessä. Ilmaisin käsittää tiiviin säiliön, johon on suljettu suuren atomi-painon omaavaa jalokaasua normaalia ilmakehän painetta suurempaan paineeseen. Säiliön sisään on sijoitettu katodeita ja anodeita, jotka on vastaavasti yhdistetty tasavirtalähteen negatiiviseen ja positiiviseen jännitteeseen.

Ennestään tunnetaan kuvatunlaisia ionisaatiokammioita, joita käytetään röntgensäteiden ilmaisemiseen. Tällaisten ilmaisimien tarkoituksena on ilmaista sekä röngtensäteilyn määrä että paikka. Esimerkkinä tällaisesta ilmaisimesta voidaan mainita US-patenttijulkaisussa 4 031 396 esitetty laite. Ko. laite muodostuu ionisaatiokammiosta, jossa on suuren atomipainon omaavaa kaasua 10-50 ilmakehän paineessa. Kammion sisään on sijoitettu joukko yhdensuuntaisia levyanodeita, jotka on erotettu toisistaan levymäisillä katodeilla. Anodi- ja katodilevyt ovat sijoitetut kohtisuoraan säteilysuuntaa vastaan. Tällä laitteella mitataan säteilyn määrä elektronisen piirin avulla analogiamuodossa, ts. mitataan ionisaatiovirran määrä. Tällaisen laitteen epäkohtana on positiivisten ionien hidas liike kammiossa 2 63495 sekä epätarkkuus, joka liittyy tällaisten erittäin pienten virtojen mittaamiseen ja niiden muuttamiseen digitaalimuotoon. Ennestään tunnetaan myös kideilmaisimia, joissa valoisuus ilmaistaan analogia-muodossa valomonistinputken avulla.

Keksinnön mukaisella laitteella voidaan edellä selitetyt epäkohdat välttää, koska sillä voidaan mitata erikseen jokainen säteilykvantti. Tämä saadaan aikaan keksinnön mukaisella ionisaatiokammiolla, jolle on tunnusomaista, että katodit ovat metallilevyjä, jotka ovat sijoitetut ilmaistavan säteilyn sädekimpun suuntaisesti välin päähän toisistaan ja anodit ovat metallilankoja, jotka ovat sijoitetut katodien väleihin, ja joilla muodostuu jännitepulssi jokaisesta absorboituneesta röntgenkvantista. Keksinnön erään edullisen toteutusesimerkin mukaisesti katodilevyt sijaitsevat tasavälein ja näiden keskiväleille on sijoitettu kehyksiä. Näihin on kiinnitetty anodilankoja tasavälein.

Keksinnön mukaisella laitteella on useita etuja tunnettuihin laitteisiin verrattuna. Elikä tärkein on se, että nyt kun voidaan mitata jokainen röntgenkvantti erikseen, vähenee signaalin häiröalttius olennaisesti. Toinen ja hyvin merkittävä etu on se, että päästäessä mittaamaan suoraan pulsseja voidaan sätailyannosta pienentää huomattavasti. Tietyissä tapauksissa saatetaan tulla toimeen jopa 1/5 tai 1/10 siitä säteilymäärästä, jota tunnettujen ilmaisimien käyttö edellyttäisi.

Keksinnön mukaisessa laitteessa röntgensäteet ilmaistaan suuren atomipainon omaavassa jalokaasussa. Röntgensäteet vuorovaikuttavat kaasuatomien kanssa ja muodostavat ionisaatiopilven, joka muodostuu elektroneista ja positiivisesti varatuista jalokaasuatomeista sähkökentässä. Elektronit, joiden nopeus on erittäin paljon suurempi kuin positiivisten ionien, liikkuvat kohti lähintä anodilankaa ja saavuttuaan ohuen langan ympärillä vallitsevaan voimakkaaseen sähkökenttään aiheuttavat monistumista, jolloin lisää elektroneja irtoaa atomeista törmäyksissä. Näin on saatu aikaan vahvistus. Koska kenttä on erittäin voimakas langan läheisyydessä, elektronit liikkuvat erittäin nopeasti ja aiheuttavat nopean, havaittavan jännitepulssin lankaan. Koska ilmaisimessa on kutakin paikkaa varten useita lankoja ja paine verrattain matala, voidaan samanlaisia elektronipulsseja havaita peräkkäin eri paikoissa, vaikka edellisen ionisaatiopilven positiiviset ionit ovat vielä matkalla kohti katodia. Positiivisten ionien aiheuttama jännitepulssi on ainakin kaksi kertalukua hitaampi 3 63495 kuin elektronien, joten pulssin tunnistuspiirit pystyvät erottelemaan ne; Tämä merkitsee myös sitä, että itse röntgensäteitä ei mittausprosessin aikana tarvitse pulssittaa, vaan voidaan käyttää jatkuvaa säteilytystä.

Koska on tärkeää, että säteilyn ilmaisu tapahtuu mahdollisimman täydellisesti, on ilmaisimesta rakennettava säteilyn suunnassa riittävän pitkä, jotta ainakin 70 prosenttia röntgenkvanteista absorboituvat kaasuun, vaikka paine kammiossa ei olekaan kovin suuri. Tästä on kaksikin etua: ensinnäkin säteilyn ilmaisu tapahtuu laajalla alueella, siten, että positiiviset ionit ehtivät ajelehtia kammiossa katodeille, ja toiseksi elektronien monistamiseksi tarvittava jännite ei nouse kovin suureksi.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin. .

Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti ja osin leikattuna keksinnön erästä toteutusesimerkkiä

Kuvio 2 esittää kuvion 1 ilmaisimeen kuuluvaa katodilevyä Kuvio 3 esittää kuvion 1 ilmaisimeen kuuluvaa anodijärjestelyä.

Röntgensäteet vuorovaikuttavat ilmaisinkaasun kanssa muodostaen elektronipilven ja positiivisesti varattujen kaasuionien pilven. Lisäämällä kaasuun jotakin sopivaa molekylaarista kaasua voidaan elektronien ajelehtimisnopeutta lisätä. Röntgensäteiden absorptio-todennäköisyys riippuu käytetyn jalokaasun atomipainosta ja säteen suunnassa sijaitsevien kaasumolekyylien määrästä. Niinpä ilmaisimeen saadaan riittävä ilmaisutehokkuus tekemällä siitä kyllin pitkä säteen suunnassa.

Elektronipulssin vahvistus riippuu langan läpimitasta, elektrodien välisestä jännite-erosta ja täytekaasun paineesta. Näiden välinen suhde valitaan siten, että langalla saadaan 100 - 1000-kertainen vahvistus. Suoritetut mittaukset osoittavat, että näin päästään noin 10 nanosekunnin pituisiin jännitepulsseihin anodilangalla.

Näin toimivaa kammiota voidaan nimittää verrannollisuuslaskuriksi, vaikkakaan havaittavan jännitepulssin suuruudella ei ole merkitystä.

Kuvion ί mukaisesti kuuluu keksinnön mukaiseen ilmaisimeen paineastia 10. Paineastia on muodoltaan ympyräsegmentti, jolloin pistemäinen säteilylähde sijoitetaan ympyrän keskipisteeseen.

4 63495

Paineastian 10 sisällä on ilmaisinkaasu 12 paineistettuna. Paineastian 10 yhdellä sivulla on ohut ikkuna 14, joka on oleellisesti läpinäkyvä röntgensäteille. Ilmaisinkaasu 12 täyttää paineastian ja on oleellisesti läpinäkymätöntä röntgensäteilylle siten, että vain pieni osa säteilystä absorboituu ikkunaan 14 ja suurin osa absorboituu kaasuun 12. Ilmaisinkaasu muodostuu suuren atomipainon omaavasta jalokaasusta (kuten Xenon) ja elektronien liikkuvuutta edistävästä molekyläärisestä kaasusta kuten CC^sta. Hiilidioksidin CO2 määrä on sopivimmin 5-10 %. Katodit, jotka ovat suuren atomipainon omaavaa metallia, sijaitsevat kammiossa ilmaisimeen osuvan säteilyn suunnassa ja kohtisuorassa ilmaisimen pituusakselia vastaan.

Anodit 16 sijaitsevat katodien 18 välillä keskikohdalla ja niiden suuntaisina. Ilmaisin koostuu useista, ehkä sadoista, katodeista ja anodeista. Katodit 18 on kytketty sähköäjohtavasti jännitelähteen 28 miinusnapaan. Anodeina toimivat langat on yhdistetty pulssin-ilmaisimen piireihin eristävin läpiviennein 22,

Kuvassa 2 on esitetty katodilevy 18, joka muodostuu suuren atomi-painon omaavasta metallilevystä, jonka paksuus on tyypillisesti 0.05 - 0.1 mm, ja pituus sellainen, että se ulottuu lähes paineastian etuseinästä takaseinään. Katodin reunat on suojattu eristävällä materiaalilla 40 elektronipurkauksen estämiseksi. Katodilevy voidaan valmistaa mm. tantaalista, wolframista, molybdeenista tai kullasta.

Kuvassa 3 on esitetty anodilevy 16, joka on suunnilleen saman pituinen kuin katodilevy 18, ja koostuu kehyksestä 54 ja langoista 50. Langat 50 on kiinnitetty tukevasti kehykseen 54. Anodilankojen lukumäärä on sellainen, että niiden välimatka on suunnilleen sama kuin katodeiden välimatka. Kehyksen paksuus on niin pieni, sopivimmin 0,01-0,05 mm, ettei se oleellisesti aiheuta havaittavan säteilyn absorptiota, mutta antaa silti anodilangoille tukevan kehyksen. Anodilankojen 50 paksuus on sopivimmin 0,02-0,1 mm ja ne ovat valmistetut esimerkiksi wolframista, hopeasta, teräksestä, tantaalista, kullasta tai molybdeenistä.

Pulssien ilmaisu samalla anodilla olevilta langoilta voidaan tehdä joko erikseen tai osittain tai kaikki yhdessä ilmaisimessa. Tyypillinen elektrodien välinen matka on 2-10 mm. Tämän tyyppisen ilmaisin-toteutuksen etuna on se, että jokainen kvantti saadaan ilmaistua riittävän lyhyessä ajassa, koska tietokonetomografiakuvaukselle 5 634 9 5 on ominaista niin suuri kvanttien määrä aikayksikössä, ettei niitä ole voitu aiemmilla ilmaisimilla havaita jokaista erikseen.

Selitetyn kaltaisessa ilmaisimessa soveltuu ilmaisinkaasuna 12 mm. Xenon, Argon ja Krypton. Näiden lisänä on edullista käyttää pientä määrää, esim. 5-10 I, hiilidioksidia. Sopiva kaasun paine on noin 2-10 ilmakehää. Tällöin sopiva jännite on vastaavasti noin 2-5 kV.

Keksintöä on edellä selitetty vain yhteen sen edulliseen toteuttamis-esimerkkiin viittaamalla. On tietysti selvää, että selitetty toteutusmuoto on tarkoitettu vain esimerkiksi eikä keksintöä ole tarkoitus millään tavoin rajata vain mainittua esimerkkiä koskevaksi. Päin vastoin monet muutokset keksinnön mukaisen laitteen rakenteessa ovat mahdollisia pysyen silti vielä seuraavissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

r ( i

Claims (5)

6 63495

1. Säteilyn ilmaisin, joka on tarkoitettu esim. röntgentomografia-laitteiston yhteydessä käytettäväksi ja joka muodostuu tiiviistä säiliöstä (10), johon on suljettu suuren atomipainon omaavaa kaasua normaali-ilmakehän painetta suurempaan paineeseen sekä mainittuun kaasuun sijoitetuista anodeista (16) ja katodeista (18) sekä jännitelähteestä (28), jolla anodeille aiheutetaan positiivinen tasajännite ja katodeille negatiivinen tasajännite sekä välineistä (24), joilla ilmaistaan kussakin anodissa (16) tai anodiryhmässä havaittu jännite-pulssi, jolloin ilmaisin toimii verrannollisuuslaskuperiaatteella tunnettu siitä, että ilmaisin on suhteellisen pitkä säteilyn suunnassa ja että katodit (18) ovat metallilevyjä, jotka ovat sijoitetut ilmaistavan säteilyn sädekimpun suuntaisesti välin päähän toisistaan ja anodit ovat metallilankoja (50), jotka ovat sijoitetut katodien väleihin ja joilla muodostuu jännitepulssi jokaisesta absorboituneesta röntgenkvantista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ilmaisin tunnettu siitä, että katodit (18) ovat sijoitetut tasaisten välimatkojen päähän toisistaan ja anodit (16) kahden rinnakkaisen katodin puoliväliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ilmaisin tunnettu siitä, että anodit ovat ohuita metallilankoja (50), jotka ovat kiinnitetyt tasavälein kehykseen (54) tai vastaavaan.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen ilmaisin tunnettu siitä, että katodit (18) on valmistettu suuren atomipainon omaavasta metallista kuten tantaalista, wolframista, molybdeenistä tai kullasta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen ilmaisin tunnettu siitä, että anodilangat (50) on valmistettu wolframista, hopeasta, teräksestä, tantaalista, kullasta tai molybdeenistä.