KR100682080B1 - 방사사진술을 위한 방법 및 장치와 방사검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 방사사진술을 위한 방법 및 장치와 입사 방사를 검출하기 위한 검출기에 관한 것이다. 방법 및 장치에 있어서, X-선(9)은 X-선 소스(60)로부터 방출되고, X-선은 평면의 빔으로 형성되고, 화상 처리되는 물체(62)를 통해 투과되며, 상기 물체(62)를 통해 투과된 X-선은 검출기 챔버(64) 내에서 검출된다. 입사 방사를 검출하는 검출기 챔버(64)는, 입사 방사에 의해 해방된 1차 및 2차 이온화 전자의 전자-이온 사태를 야기할 수 있는 전기장을 야기하기 위해서 그들 사이에 전압이 인가되는 전극 배열을 포함한다. 검출기(64)가 입사 방사(9)에 대해서 배향되어, 바람직하게는 그 사이에 전기장이 형성되는 제1 및 제2의 기본적으로 평행한 판 사이에 옆으로 들어가도록 한다. 상기 전자-이온 사태에 의해 유도된 전기 신호는, 각각이 입사 방사에 기본적으로 평행한 방향을 따르고, 서로 인접하게 배열된 복수의 검출기 전극 배열을 포함하는 적어도 하나의 검출기 전극 배열 내에서 검출된다. 각 검출기 전극 소자에 대응하는 각 픽셀을 위한 값을 얻기 위해서, 각 검출기 전극 소자로부터의 펄스처리 전자장치 내에서 처리된다. 상기 X-선 광자와 상호 작용하는 검출기 챔버 내의 원자는 -30℃와 실온 사이의 온도에서의 액체나 고체 재료에 속한다.

Description

방사사진술을 위한 방법 및 장치와 방사검출기{A METHOD AND A DEVICE FOR RADIOGRAPHY AND A RADIATION DETECTOR}

본 발명은 방사사진술의 화상을 달성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 입사방사를 검출하기 위한 검출기에 관한 것이다.

X-선은 장기간 방사사진술에 의한 화상 처리에 사용되어 왔고, 큰 발전이 있어왔다. 그 가장 간단한 형태로, 화상 처리는 X-선 방사의 소스와 방사가 투과되는 화상 처리될 물체 및, 투과된 방사의 검출 및 기록을 위한 검출기를 제공함으로써 수행될 수 있다. 현재 병원에서 사용되는 X-선 검출기는, 정상적으로는 스크린-필름 조합이다. 인 스크린(예컨대, Gd₂O₂S)에 있어서, X-선 광자는 변환되고, 이에 의해 2차광을 생성하는데, 이 2차광은 사진 필름상에 등록(register)된다. 필름의 사용은 화상의 동적 범위(dynamic range)를 제한한다. 2차광은 등방으로 방출되므로, 인 스크린을 사용함으로써 달성된 증가된 성능이 해상도 손실의 대가를 치르면서 제공된다.

화상 내의 물체를 시각화하기 위해서, 신호대노이즈비가 소정 문턱값을 초과할 필요가 있다. 이상적인 시스템은 광자 통계만에 의해서만 결정되는 화상 노이 즈를 갖게 된다. 전형적으로, 이는 스크린-필름 조합과 함께 동작되는 시스템에 대한 경우는 아니다. 유용한 진단용 화상을 달성하기 위해서는, 환자에 대한 X-선 방사의 복용량을 증가시켜야 한다.

본래, X-선 광자 플럭스는 디지털적이다. 그런데, 디지털 화상을 생성하기 위한 2개의 다른 방법 사이에 구분이 있어야 한다.

- 통합 기술은 본질적으로 아날로그적인 방법이다. 각 픽셀 내의 응답은 전체 X-선 에너지 플럭스에 비례한다. 그 다음, 화상은 픽셀에 의해 디지털적으로 구성된다. 화상 처리에 대한 통합적인 접근의 예에는 CCD(전하결합장치), 저장용 인, 셀레늄 판 등이 있다. 다양한 이들 "디지털" 검출기의 동적 범위는 필름의 동적 범위와 유사하다. 필름 기술에 있어서와 같이, 광자 플럭스 에너지(광자 수가 아닌)는 통합되고, X-선 튜브가 넓은 에너지 스펙트럼을 생성하므로, 노이즈가 더해진다. 가장 중요한 노이즈 소스는 "암전류" 및 광자 에너지의 변동이다.

- 광자 카운팅은 본질적으로 디지털적인 방법으로, 각각의 광자가 검출되고, 검출신호가 카운트된다.

2차원 광자 카운팅 검출기는 다수의 판독소자 및 다수의 상호 연결을 요구하게 된다. 이는 상기 시스템에서 경험되는 전형적인 제작 및 신뢰성의 문제를 일으킨다. 고해상도 및 X-선 광자의 주요 부분과 상호 작용하는 고확률의 큰 2차원 검출기를 만드는 것은 어렵다.

2차원 검출기 판독 시스템과 관련해서, 사이즈 및 비용의 제한을 극복하기 위한 한 방법은, 기본적으로 1차원이고, 화상 처리되는 물체를 가로질러 X-선 빔 및 검출기를 스캐닝함으로써 화상에 대한 2차원을 획득하는 화상 수신기를 창안하는 것이다. 스캐닝은 단일라인 검출기 및 고도로 시준된 평면의 X-선 빔을 채용함으로써 행해질 수 있다. 부가적으로, 이러한 접근은, 산란된 방사 노이즈를 소멸시키지만, X-선 튜브에 큰 열 부하를 부가한다. 튜브에 대한 부하를 경감하고, (스캐닝 거리를 감소시킴으로써) 기계 조작을 단순화시키기 위해서, 저비용, 1차원 검출기의 다중라인 렌즈세트가 유익하다.

라인 검출기의 장점은, 화상 처리되는 물체 내에서 산란되는 방사에 의해 야기되는 화상 노이즈의 중대한 감소이다. 물체 내에서 콤프톤-산란되는 X-선 광자는 라인 검출기에 의해 검출되지 않는다.

스캐닝 기술에 기초한 광자 카운팅 X-선 화상 처리 시스템을 개발하기 위한 다수의 시도가 이루어져왔다. 이러한 시도는 수 nsec의 상승시간을 갖는 빠른 신호를 생성하기 위한 검출기를 요구한다. 몇몇 검출 매체, 예컨대 가스 또는 반도체(예컨대, 실리콘) 만이 빠른 신호를 생성할 수 있다. 반도체 검출기는 고가이고, 따라서 다중라인 구성에는 실용적이지 않다. 가스 매체 내에서, X-선 광자는 가스 원자와 상호 작용하여 1차 이온화 전자를 방출하는데, 1차 이온화 전자는 가스 사태 내에서 더욱 증식되는 전자-이온쌍을 차례로 생성한다. 가스검출기의 장점은, 낮은 비용, 가스 내의 노이즈 없는 고신호 증폭(10⁶ 까지) 및, 검출 매체의 균일화의 장점이 있다.

공개된 문헌에 기재된 다수의 화상 처리 시스템은 검출기로서 다중와이어 비례 챔버를 사용한다. 그 기본 구성에 있어서, 다중와이어 비례 챔버는, 2개의 캐소드면 사이에서 평행하게 뻗어있는 얇은 애노드 와이어의 세트로 이루어진다. 애노드 와이어와 캐소드면 사이의 전압의 적용은 챔버 내에 전기장을 야기한다. 입사 X-선 광자에 의해 야기되는 가스 원자의 이온화에 의해 가스 내에 방출된 전자는 애노드 와이어를 향해 드리프트되고, 얇은 와이어를 접근시킬 때, 이들이 가스 분자와 함께 강한 전기장 내에서 이온화 상호 작용을 경험하게 한다. 뒤이은 사태 증식은, 10⁵ 이상 큰 인자에 의한 전하 신호의 노이즈 없는 증폭을 제공한다.

광자 카운팅에 기초한 디지털 화상 처리의 예는, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol.283(1999년 11월 10일), page 431-435의, S.E. Baru 등의 "Multi wire proportional chamber for a digital radiographic installation" 문헌에 기재된다. 이 검출기는, X-선 소스의 초점을 조준하는 비평행 애노드 와이어와 함께 드리프트 챔버와 다중와이어 비례 챔버의 조합이다. 방사상의 와이어는 시차 에러 없이 두꺼운 상호 체적의 사용을 가능하게 한다. 애노드 와이어를 따른 균일한 이득은 애노드 와이어와 캐소드면 사이의 증가하는 간격에 의해 보증된다.

그런데, 개시된 장치는 다음의 단점이 있다.

와이어 탑재 및 고전압 차폐를 위한 충분한 공간을 제공하기 위한 필요성은 X-선 검출 성능의 손실로 귀결된다.

시차 문제를 해결하기 위한 방사상 와이어의 사용은 대략 1mm의 가장 작은 실질적인 애노드 와이어 피치에 의해 제한된 위치 해상도로 귀결된다. 이 문제는, 궁극적인 다중와이어 비례 챔버 해상도를 제공하는 캐소드 스트립 판독을 사용함으로써 극복될 수 있다. 실질적으로 실행할 수 있는 빠른 캐소드 스트립 판독의 하나의 가능성은, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol.367(1995년12월11일)의 pages 79-82의 V. M. Aulchenco 등의 "The OD-3 fast one-co-ordinate X-ray detector"의 문헌에 개시된다. 이 해결책에 있어서, 증가하는 애노드-캐소드 간격은 다양한 애노드 와이어 그룹에 적용되는 감소하는 고전압과 결합된다.

의학용의 화상 처리를 위한 다중와이어 비례 챔버의 사용과 관련된 공지된 문제는, 10kHz/mm² 이상의 고X-선 플럭스에서 검출기 성능을 저하시키는 공간 전하 효과이다. 공간 전하 효과를 감소시키기 위해서, 애노드 평면은, US-A-5 521 956(G.Charpak)에 개시된 종래 기술 장치에 대안적인 캐소드 와이어를 부가함으로써 변경된다.

다중와이어 비례 챔버 내의 얇은 와이어(전형적으로, 직경 100㎛ 미만)의 사용은 이들을 구성하기 어렵게 하고, 하나의 망가진 와이어가 전체 검출기의 동작을 손상시키므로, 신뢰성을 감소시킨다.

구성이 매우 단순하고 애노드 와이어를 사용하지 않는 가스 사태 검출기는 가스 평행판 사태 챔버이다. 이 검출기는 기본적으로 가스가 충전된 캐패시터로, 2개의 기본적으로 평행한 도전성판과, 고전압에 종속되는 애노드 및 캐소드를 구비 하여 구성된다. 판 사이의 강한 전기장 내에서 사태를 생성하는 간격 내의 이온화에 의해 전자가 해방되도록 고전압이 선택된다. 전형적으로, 판 사이의 거리는 1mm의 차수이고, 장의 강도는 kV/mm의 차수이며, 사용된 가스의 타입에 의존한다. 다양한 가스가 적용에 따라서 사용될 수 있다. 이러한 검출기에 있어서, X-선 광자는 검출기 평면에 평행한 평면상에 입사하거나, X-선 광자와 상호 작용할 때, 소위 광전자로 불리는 전자를 방출하는 재료로 만들어진 캐소드 상에 입사한다.

다중와이어 비례 챔버의 중요한 장점은, 가스 평행판 사태 챔버 내의 정전장이 단일의 얇은 와이어 주위에 집중되지 않지만, 전체 증폭 체적에 걸쳐서 기본적으로 일정하게 되는 것이다. 이는, 증폭 간격을 교차하는 포지티브 이온의 매우 짧은 드리프트 시간으로 귀결되므로, 공간 전하 효과를 현저하게 감소시킨다.

방사사진술의 화상 처리를 위한 가스 평행판 사태 챔버를 사용하는 예는, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol.36(1989년 2월) pages 213-217에 F. Angelini 등에 의한 "A parallel plate chamber with pixel readout for very high data rate"의 문헌에 개시된다. 개시된 2차원 판독 구성에 있어서는, 가스층의 두께를 증가시키기 위해서 평행판의 전방에 드리프트 챔버를 부가함에도 불구하고 고X-선 컨버션 성능을 달성하는 것은 어렵다.

US-A-5 308 987(Wuest et. al.)에 개시된 다른 장치는 높은 원자수 재료로 만들어진 캐소드를 사용하여, 2차원 판독 구성에 사용되는 평행판 챔버에서 컨버션 성능을 개선한다. 고원자수 재료로부터의 광전자의 낮은 산출은 X-선 검출 성능의 감소로 귀결된다.

다중와이어 비례 챔버와의 다른 중요한 차이는, 가스 증폭 인자가 1차 이온화 전자로부터 애노드로의 거리에 강하게 의존하여, 종래 사용된 가스 평행판 사태 챔버에서 불량한 에너지 해상도 및 신호 검출 성능으로 귀결되는 것이다. 이 문제에 기인해서, 종래 장치는 X-선 컨버션 체적으로서 가스 평행판 사태 챔버 내에서 가스 증폭 간격을 사용할 수 없었다.

SE 9704015-8에 있어서, 이 제한은 검출기 상에 기본적으로 옆으로 입사하는 잘 시준된 평면의 빔을 제공함으로써 극복된다.

가스 X-선 검출기와 연관된 일반적인 단점은, X-선 소스로부터 들어오는 X-선 플럭스가 발산한다는 사실과 연관된다. 두꺼운 컨버션 체적에 있어서, 이 발산은 시차 에러의 원인이 된다. 시차 에러를 최소화시키도록 제안된 대부분의 방법은 실제 수행하기 어렵다.

US 5 614 722에 있어서는, 방사 검출기 내의 가스 매체가, 예컨대 액체 아르곤 또는 액체 크세논과 같은 액체와 교체될 수 있는 것이 개시된다. 그런데, 액체 아르곤 또는 크세논을 어떻게 얻는지에 대한 가르침은 없다. 액체 아르곤은 -186℃의 끓는점을 갖고, 액체 크세논은 -107℃의 끓는점을 갖는데, 이는 검출기 내의 가스가 상기 온도 이하로 냉각되거나 가압되거나 또는 이들 모두로 되어야 하는 것을 의미한다. 검출기 내의 가스가 가압된다면, 상기 검출기의 벽 및 방사 입구의 재료의 두께는 증가되어야 한다. 그러므로, X-선 광자는 입구 재료 내에서 소정 범위 흡수되어 X-선 검출 성능의 감소로 귀결된다.

본 발명의 목적은, 상기 문제점을 극복하기 위해서, 방사사진술에 사용되는 방법과 장치 및 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라서, 이 목적은, X-선 소스로부터 X-선을 방출하고,

화상 처리되는 물체를 통해 상기 X-선을 투과하며,

챔버 내에서 상기 물체를 통해 투과된 X-선을 검출하고,

적어도 하나의 검출기 전극 배열 내에서 전기 신호를 검출하며,

입사 방사의 방향으로의 상기 챔버의 깊이가, 전기장을 야기하기 위한 전압이 그들 사이에 인가되는 전극 배열을 포함하는 검출기 내에서 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성하기 위해서, 상기 챔버 내에서 입사 X-선 광자의 중요 부분과 원자가 상호 작용하도록 하고,

상기 전기 신호가 서로 인접하게 배열된 복수의 검출기 전극 소자 중 적어도 하나 내에서 상기 전자-이온쌍에 의해 유도되는 방사사진술에서 개선된 화상을 얻기 위한 방법에 있어서,

상기 챔버 내에서, 상기 X-선 광자를 -30℃ 와 실온 사이의 온도의 액체 또는 고체 재료에 속하는 원자와 상호 작용하도록 가져오는 것을 특징으로 하는 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명에 따라서, 상기 목적은, X-선 소스와,

챔버 및,

서로 인접하게 배열되는 복수의 검출기 전극 소자를 구비하고,

입사 방사의 방향으로의 상기 챔버의 깊이가, 상기 물체를 통해 투과된 X-선 광자를 검출하기 위한 전기장을 야기하기 위한 전압이 그들 사이에 인가되는 전극 배열을 포함하는 검출기 내에서 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성하기 위해서, 상기 챔버 내에서 입사 X-선 광자의 중요 부분과 원자가 상호 작용하도록 하는 방사사진술에 사용하는 장치에 있어서,

X-선 광자와 상호 작용하는 원자가 -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 또는 고체 재료에 속하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공함으로써 달성된다.

본 발명에 따라서, 상기 목적은, 챔버와,

서로 인접하게 배열된 복수의 검출기 전극 소자를 구비하고,

입사 방사의 방향으로의 상기 챔버의 깊이가, 상기 물체를 통해 투과된 X-선 광자를 검출하기 위한 전기장을 야기하기 위한 전압이 그들 사이에 인가되는 전극 배열을 포함하는 검출기 내에서, 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성하기 위해, 상기 챔버 내에서 입사 X-선 광자의 중요 부분과 원자가 상호 작용하도록 하는 전기장을 야기하기 위해 그들 사이에 전압이 인가되는 전극 배열을 포함하는 입사 방사를 검출하기 위한 검출기에 있어서,

상기 X-선 광자와 상호 작용하는 원자가 -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 또는 고체 재료에 속하는 것을 특징으로 하는 검출기를 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 장점은, 검출기가 10nsec 미만의 펄스 폭으로, 그리고 1nsec 만큼 빠른 응답을 나타내는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은, 검출기가 유사한 가스검출기와 비교해서 보다 얇게 만들어질 수 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은, 검출기가, 검출기에 의해 검출된 방사된 물체로부터의 화상 해상도에 대해서, 유사한 가스검출기와 비교해서 입사 X-선의 방향에 덜 민감한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적 및 장점은 첨부된 청구항의 또 다른 형태에 의해 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 평면의 빔 방사사진술을 위한 장치를 전체적으로 나타낸 개략적인 도면,

도 2는 본 발명에 따른 검출기 챔버의 제1실시예의 개략적인 단면도,

도 3은 하우징 내에 포함된 본 발명에 따른 검출기 챔버의 개략적인 단면도,

도 4는 판독스트립에 의해 형성된 X-선 소스 및 전극의 제1실시예의 개략적인 평면도,

도 5는 구획된 판독 스트립에 의해 형성된 X-선 소스 및 전극의 제2실시예의 개략적인 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 검출기 챔버의 제2실시예의 개략적인 단면도,

도 7은 적층된 검출기를 갖는 본 발명에 따른 실시예의 개략적인 단면도,

도 8은 적층된 검출기를 갖는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.

도 1은 본 발명에 따른 평면의 빔 방사사진술을 위한 장치의 평면의 X-선 빔(9)의 평면에 직교하는 평면을 나타낸 도면이다. 장치는, 화상 처리되는 물체(62)의 조사를 위해서, 제1의 얇은 콜리메이터 윈도우(61)와 함께 평면의 팬-형상 X-선 빔(9)을 생성하는 X-선 소스(60)를 포함한다. 제1의 얇은 콜리메이터 윈도우(61)는 X-선 회절 거울이나 X-선 렌즈 등과 같은 기본적으로 평면의 X-선 빔을 형성하기 위한 다른 수단으로 대체될 수 있다. 물체(62)를 통해 투과한 빔은, X-선 빔과 정렬된 검출기(64)로, 선택적으로는 얇은 슬릿 또는 제2콜리메이터 윈도우(10)를 통해 들어간다. 입사 X-선 광자의 중요 부분은 검출기(64)에서 검출되는데, 이 검출기는, 이 실시예에 있어서는 X-선 광자가 2개의 기본적으로 평행한 판 사이에 옆으로 들어가도록 배향된 검출기 챔버를 포함한다. 대안적으로, X-선 광자는, 도 2의 예에 대해서 나타낸 바와 같이 캐소드 면의 수직 벡터 주위로 대칭인 반구(17)의 소정 방향으로부터 검출기 챔버로 들어갈 수 있다.

검출기 및 그 동작이 이하 더욱 상세히 기재된다. X-선 소스(60), 제1의 얇은 콜리메이터 윈도우(61), 선택적인 콜리메이터 윈도우(10) 및, 검출기 챔버(64)가 서로에 대해서, 예컨대 프레임 또는 지지체(65)에 의해 연결되고 고정된다. 이렇게 형성된 방사사진술을 위한 장치는 검사되는 물체를 스캔하기 위해서, 유닛으로서 움직일 수 있다. 단일 검출기 시스템에 있어서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 스캐닝은 선회 이동에 의해 바람직하게 행해지는데, 유닛을, 예컨대 X-선 소스(60) 또는 검출기(64)를 통한 축 주위로 회전시킨다. 축의 위치는 장치의 적용 또는 사용에 의존하고, 몇몇 적용에 있어서 축은 물체(62)를 통해 진행할 수도 있다.

본 발명에 따른 장치 및 방법은 환자의 신체의 부분을 화상 처리하는, 예컨 대 유방 뢴트겐선 조영법에 장점을 갖는다.

일반적으로, 검출기 챔버는, 챔버의 2개의 제한 벽을 구성하는 기본적으로 2개의 평행한 판으로 이루어진다. 상기 판은, 고전압을 인가함으로써 생성되는 강한 전기장에 종속된다. 상기 판 사이의 영역 또는 간격으로서 정의한 체적은, -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료 또는 고체 재료로서 충전된다.

-30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료 또는 고체 재료에 입사하는 X-선 광자는 상기 체적 내에서 원자와의 상호 작용에 기인해서 전자-이온쌍을 생성한다. 이 생성은 광자 효과나, 콤프톤-효과, 또는 오제-효과에 기인한다. 이렇게 생성된 1차 전자는 새로운 원자와의 상호 작용을 통해 그 운동에너지를 상실하고, 전형적으로는 수백 개의 또 다른 전자-이온쌍의 생성을 초래하는데, 이 전자가 2차 이온화 전자로 불린다.

그 다음, 2차 이온화 전자는 전기장의 강도에 의존하는 전자-이온 사태에 의해 증폭될 수 있다. 판 사이의 전기장이 낮을 때, 전자-이온 사태 증폭이 일어나지 않거나 조금 일어난다. 잘 정의된 전기장 강도 위에서, 전자-이온 사태 증폭이 시작될 수 있고, 100 이상까지의 증폭에 도달할 수 있다. 바람직하게는, 전기장은 사태 증폭을 야기할 수 있는 영역 내에 있지만, 본 발명은, 예컨대 전자-이온 사태를 야기하는데 충분히 높지 않은 상기 보다 낮은 전기장 범위에 대해서도 동작하게 된다.

전자 및 이온의 이동은 전극 내에 전기 신호를 유도한다. 전형적으로, 이들 신호는 양쪽 전극 또는 이들 중 하나에서 픽업되고, 판독회로에 의해 더욱 증폭되 고 처리되어 X-선 광자 상호 작용 점, 선택적으로는 X-선 광자 에너지의 정확한 측정을 달성한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 검출된 X-선은 평행판에 기본적으로 평행한 방향으로 검출기 상에 옆으로 입사하고, -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료의 경우, 상기 판 사이에서 얇은 슬릿 또는 콜리메이터 윈도우를 통해 검출기로 들어갈 수 있다. 상기 얇은 슬릿이나 콜리메이터 윈도우는 상기 판 사이의 고체 재료인 경우 생략될 수 있다. 이 방법에 있어서, 애노드 및/또는 캐소드판은 X-선 광자에 앞서지 말아야 한다. 본 발명의 대안적인 실시예에 있어서, 검출되는 X-선은 검출기 상의 판 중 하나에 대해서 반구로부터 소정의 위치로 입사한다. 이 대안적인 실시예는, 검출기 챔버 내에서 재료와 상호 작용하도록 X-선이 상기 캐소드를 통과할 수 있으므로, 캐소드판이 적어도 어느 정도로 X-선 광자에 앞서는 것을 요구할 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 검출기의 제1실시예가 보여지고, 참조부호 64로 가리켜진다. 이 검출기 챔버는 애노드판(1)과 캐소드판(2)을 포함하는데, 상기 체적으로 정의되는 얇은 간격 또는 영역(13)에 의해 서로 기본적으로 평행하게 분리된다. 상기 체적은, TMP(Trimethylpentane), TME(Trimethylethane), 카디움 징크 텔루라이드(CdZnTe), 실리콘, 게르마늄 또는 그 밖의 반도체재료인 -30℃와 실온 사이의 액체 재료 또는 고체 재료로 충전된다.

애노드판(1)은, 예컨대 유리 또는 세라믹으로 만들어지고, 바람직하게는 0.1-10mm의 두께를 갖는 기재(3)와, 바람직하게는 0.01-10㎛ 두께를 갖는, 예컨대 금속인 도전성 재료의 코팅 형태로 기재상에 배열되는 애노드전극(4)을 포함한다.

기재(3)로의 보다 양호한 접착 및 층 안정성을 위해서, 전극(4)은 각각 다른 두께 및 재료, 예컨대 바나듐, 구리 및, 니켈을 갖는 다수의 금속 층을 포함할 수 있다. 기재(3)가 유리로 만들어질 때, 바람직하게는 제1층은 유리 뿐 아니라 후속 하는 금속 층에 대해 양호한 접착 특성을 갖는 크롬이다. 전극(4)은 금속 층의 상부에 퇴적된 저항성 재료, 예컨대 실리콘 모노옥사이드의 층을 포함할 수 있다.

마찬가지로, 캐소드판(2)은, 애노드(1)에 대해 기재된 것과 유사한 코팅(5)을 갖는 기재(6)를 포함한다. 애노드전극(4)과 캐소드전극(5) 모두는 들어오는 X-선 빔에 대해 평행 및/또는 직교하는 스트립으로 구획될 수 있다.

-30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료 또는 고체 재료의 중요한 특성은, 한편으로는 X-선 광자에 의한 영향이 있을 때, 상기 재료가 이온화될 수 있고, 다른 한편으로는 상기 재료가 비교적 낮은 전자 친화력을 나타내는 것이다. 낮은 전자 친화력은, 전자가 흡수 없이 장거리를 진행하는 것을 가능하게 한다.

애노드전극(4)과 캐소드전극(5)은, 기본적으로 평행판 사이의 간격 또는 영역(13) 내에 균일한 전기장(8)의 생성을 위해서 고전압 DC파워서플라이(7)에 연결된다. 실시예에 있어서, 간격 또는 영역(13)은 10-1000㎛의 높이(D:평행판(1 및 2) 사이의 거리)를 갖고, 전극(4 및 5) 사이에 인가된 전압(V)은 1000-100000V이다. 인가된 전압은 전극(4 및 5) 사이에 E=V/D인 전기장 E를 생성한다.

동작시, X-선(9)은 상기 전극 배열 내의 캐소드(2) 또는 애노드(1)에 대해서, 반구의 소정 방향으로부터 검출기(64) 상에 입사한다. 도 2에 있어서, X-선 광자는 기본적으로 옆으로 검출기 상에 입사한다. 입사 X-선(9)은 캐소드판(2)에 인접한 선택적인 얇은 슬롯이나 콜리메이터 윈도우(10)를 통해 검출기(64)로 들어가고, 캐소드판(2)에 기본적으로 평행한 방향으로 체적을 통해 진행한다. X-선 광자는, -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료 또는 고체 재료의 원자와의 상호 작용의 결과로서, 체적 내에서 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성한다. 생성된 각각의 1차 이온화 전자(11)는 또 다른 전자-이온 쌍(2차 이온화 전자-이온 쌍)을 생성시키는 원자와의 상호 작용을 통해 그 운동에너지를 상실한다. 전형적으로, 수천의 2차 이온화 전자-이온쌍이 이 처리 내의 20keV X-선 광자로부터 생산된다. (1차 이온화 전자(11)와 함께) 2차 이온화 전자(16)는 고전기장 내에서 애노드판(1)을 향한 방향으로 가속된다. 가속된 전자(11,16)는 간격(13) 내에서 다른 원자와 상호 작용하여, 또 다른 전자-이온쌍을 생성한다. 또한, 이들 생성된 전자는 장내에서 가속되고, 새로운 원자와 상호 작용하게 되어, 또 다른 전자-이온쌍이 생성된다. 이 과정은 애노드(1)를 향한 전자의 진행 동안 계속되고, 사태(12)가 형성된다.

애노드(1)로부터 거리(H)에서 방출된 1차 이온화 전자를 위해서, 전체 전하 이득이 M=exp(αH)에 의해 얻어지는데, 여기서 α는 -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료 또는 고체 재료와 장 상태와 관련된 제1타운젠트 계수이다. 예컨대, 상기된 것들 중 하나인 재료 및 전기장의 적당한 선택 하에서, 2-100 이상의 이득이 달성될 수 있다. 강한 전기장의 영향 하에서, 사태 체적 내의 전자가 애노드를 향해 움직이게 되는 반면, 이온은 캐소드(2)를 향해 움직이게 된다. 강한 전기장이 간격에 걸쳐서 균일하고, 간격(13)의 높이가 매우 작은 사실에 기인해서, 증폭 체적을 교차하는 포지티브 이온의 매우 짧은 드리프트 시간이 달성되는데, 이에 의해 공간 전하 효과가 현저하게 감소된다.

간격(13) 내의 전하의 움직임은 애노드전극(4) 뿐 아니라 캐소드전극(5) 상의 전하를 유도한다. 유도된 전하는, 예컨대 전하 민감도 예비-증폭기에 결합된 애노드전극(4)에 의해 검출되는데, 이 예비-증폭기는 전하 펄스를 전류 또는 전압 펄스로 변환시켜서 처리 전자장치(14) 내에서 더욱 처리될 수 있게 하며, 이 처리 전자장치는 상기 예비-증폭기를 포함할 수도 있다. 가능하게는, 캐소드전극 또는 분리 검출기 전극 배열이 유사한 방법으로 검출을 위해 사용될 수 있다.

원자와 상호 작용하는 각각의 입사 X-선 광자는 사태(12)를 야기하게 되고, 이 사태는 인가된 전기장이 충분히 높으면 검출된다. X-선 광자의 중요 부분이 사태를 야기하는 곳에서 높은 검출 성능을 달성하기 위해서, 입사 X-선 광자의 방향으로의 검출기 챔버의 길이는 X-선 광자와 체적(13) 내의 재료의 원자 사이의 상호 작용에 대한 높은 확률을 주도록 선택되어야 한다. 상호 작용의 확률은, 가스 평행판 사태 챔버의 증가하는 길이에 따라 증가한다. 길이의 정의는, 판 사이의 직교하는 거리나, 상기 판과 평행하게 측정된 검출기의 길이, 상기 판과 직교 또는 평행하지 않는 거리이다.

상기된 바와 같이, 검출기 챔버(64)는 고체 재료 또는 -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료를 포함한다. 그러므로, -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 재료인 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 검출기는 X-선 빔(9)이 검출기로 들어가는 슬 릿 입구 윈도우(92)를 갖는 누출 방지 하우징(91)을 포함한다. 윈도우는 기본적으로 방사를 투과하는 재료, 예컨대 Mylar^?이나 얇은 알루미늄 호일로 만들어진다. 이는 본 발명의 특별한 장점이 되는 부가적인 효과로, 큰 영역 또는 상기 X-선에 앞선 캐소드 재료를 덮는 윈도우를 요구하는 평행판에 실질적으로 직교하거나 캐소드(2) 또는 애노드(1)에 대해서 직교하거나 반구의 소정 방향으로 입사하는 방사를 위해 설계된 검출기 챔버에 비해서, 검출기 챔버(64)에서 기본적으로 옆으로 입사하는 빔을 검출한다. 이 방법에 있어서, 윈도우(92)는 보다 얇게 만들어지므로, 윈도우(92)에 흡수되거나 캐소드 재료에 의해 흡수되는 X-선 광자의 수를 감소시킨다.

바람직하게는, 도 4에 나타낸 전극 배열은 애노드(1)이지만, 대안적으로 또는 공동으로, 캐소드(2)가 기재된 구성을 가질 수 있다. 도 3의 대안적인 실시예에 있어서, 검출기 전극 배열(15)은 도 4에 나타낸 바와 같이 형성될 수 있다. 이 경우, 애노드전극(4)은 스트립이나 공간 없이 일체의 전극으로 형성된다. 이는, 그 다른 쪽 만이 검출기 전극 배열을 구비하여 구성될 때, 캐소드전극 또는 애노드전극 각각에 유효하다.

도 5에 있어서는, 전극의 대안적인 구성을 나타낸다. 스트립은 서로 전기적으로 절연된 구획으로 나누어진다. 바람직하게, 입사 X-선에 수직하게 연장되는 작은 공간이 각 스트립의 각 구획(21) 사이에 제공된다. 각 구획은 신호 도전체(22)에 의해 처리 전자장치(14)에 연결되는데, 여기서 각 구획으로부터의 신 호가 바람직하게는 분리되어 처리된다. 도 4에서와 같이, 애노드 또는 캐소드전극은 검출기 전극을 구성하고, 신호 도전체(22) 또한 각 스트립을 고전압 DC파워서플라이(7)에 연결시킨다.

이 전극은, 통계적으로 보다 높은 에너지를 갖는 X-선 광자가 보다 낮은 에너지의 X-선 광자 보다 재료를 통한 보다 긴 경로 후 1차 이온화를 야기하므로, 각 X-선 광자의 에너지가 측정될 때, 사용될 수 있다. 이 전극에 의해서, X-선 광자 상호 작용의 위치 및 각 X-선 광자의 에너지 모두가 검출될 수 있다.

일반적으로, 모든 실시예에 있어서, 각 입사 X-선 광자는 검출기 전극 내에서 하나의 유도된 펄스를 야기한다. 펄스는, 최종적인 펄스를 형성하는 처리 전자장치 내에서 처리되고, 하나의 픽셀을 나타내는 각 스트립으로부터의 펄스를 통합하거나 카운트한다. 또한, 펄스는 처리되어 각 픽셀을 위한 에너지 측정을 제공한다.

검출기 전극이 캐소드측인 곳에서, 유도된 신호의 영역은 애노드측 보다 (X-선 광자의 입사 방향에 수직한 방향으로) 넓게 된다. 그러므로, 처리 전자장치 내에서 신호의 가중이 바람직할 수 있다.

X-선 광자와 체적(13) 내의 재료의 원자 사이의 상호 작용의 결과인 측정된 유도된 신호의 증폭이, 콜리메이터 윈도우(61,10)와 애노드전극(4)의 정렬상에 위치되는 사태의 시작 지점으로부터 애노드전극까지의 거리에 강하게 의존한다. 바람직한 상태는 애노드전극과 평행한 평면의 빔이다. 이들 엄격한 요구는, 도 6에 나타낸 구성을 갖는 검출기에 의해 쉽게 될 수 있다.

애노드와 캐소드판 사이에 기본적으로 평행하게 배열된 도전성 매쉬 또는 그리드(51)는 간격을 X-선 컨버션을 위한 드리프트 챔버(52)와 증폭을 위한 평행판 사태 챔버(53)로 나눈다. 이들 챔버는 -30℃와 실온 사이의 온도에서 동일한 액체 재료로 충전될 수 있고, 분리 매쉬는 평행판 사태 챔버(53)를 위한 캐소드로서, 그리고 드리프트 챔버(52)를 위한 애노드로 사용되다. 고체 재료가 체적(13) 내에 있으면, 매쉬는 저압력 환경에서 상기 반도전성 재료 내에 통합되거나 상기 고체 재료의 2개의 분리된 부분 사이 내에 통합된다.

약한 전기장이 파워서플라이(7)에 의해 캐소드전극(5)과 매쉬(51) 사이에 야기된다. 이 약한 장내에서, 1차 이온화 전자에 의해 생성된 2차 이온화 전자는 매쉬(51)를 향해 (함께 동일방향으로) 드리프트될 수 있다. 고전압이 매쉬(51)와 애노드전극(4) 사이에 더욱 인가되는데, 이는 강한 전기장으로 귀결된다. 이 장은 전자를 유인하여 매쉬(51)를 통과시키고, 매쉬(51)를 통과하면 상기된 바와 같이 전자-이온 사태(12)를 시작할 수 있다. 검출기의 다른 부분도 상기된 바와 같다. 증폭이 사태의 시작점, 여기서는 매쉬(51)로부터 애노드전극까지의 거리에 강하게 의존하므로, 매쉬(51)와 애노드전극 사이의 거리가 기본적으로 균일한 것은 중요하다. X-선 빔(9)의 정렬과 캐소드전극의 평행성은 중요한 사항은 아니다.

도 7은 본 발명의 복수의 검출기(64)가 서로 적층된 본 발명의 개략적인 실시예를 나타낸다. 이 실시예에 의해, 전체 스캐닝 거리 뿐 아니라 스캐닝 시간을 감소시키는 다중라인 스캔이 달성될 수 있다. 이 실시예의 장치는 X-선 소스(60)를 포함하는데, 화상 처리되는 물체(62)의 투사를 위해, 이 X-선 소스는 다수의 콜 리메이터 윈도우(61)와 함께 다수의 평면의 팬-형상 X-선 빔(9)을 생성한다. 물체(62)를 통해 투과된 빔은 X-선 빔과 정렬된 다수의 제2콜리메이터 윈도우(10)를 통해 개별 적층된 검출기(64)로 선택적으로 들어간다. 제1콜리메이터 윈도우(61)는 제1의 단단한 구조(66) 내에 배열되고, 선택적인 제2콜리메이터 윈도우(10)는 검출기(64)에 부착되거나 검출기 상에 분리되어 배열된 제2의 단단한 구조(67) 내에 배열된다.

각 검출기의 애노드판(1)과 캐소드판(2) 사이의 각도(α)를 선택함으로써, 검출기가 X-선 소스와 정렬될 때, 서로 평행하게 면하는 검출기의 표면을 가지며 검출기는 적층될 수 있다. 이는, 정렬 및 조정을 위한 특정한 단계가 필요하지 않게 하므로, 다중라인 검출기의 제작을 용이하게 한다. 다수의 부분이 감소되는 반면, 검출기의 안정성도 증가한다. 바람직하게, 적층된 검출기는 하나의 공통 하우징(91) 내에 수용된다. 2개의 인접한 검출기의 캐소드(2)가 서로 면하고, 2개의 인접한 검출기의 애노드(1)가 서로 면하면, 장점이 될 수 있다. 이 경우, 2개의 인접한 검출기의 캐소드 및/또는 애노드는 2개의 인접한 검출기를 위한 공통 소자 내에 형성될 수 있다. 이들이 분리 하우징 내에 수용되면, 각 하우징의 외부 벽은 각도(α:예컨대, 한 벽은 애노드판(1)과 평행하고 한 벽은 캐소드판(2)과 평행)를 나타낸다.

상기 각도(α)는 0<α≤90, 바람직하게는 1/160°-6°의 범위 내에 있다.

X-선 소스(60), 단단한 구조(66) 및, 콜리메이터 윈도우(61,10)를 포함하는 가능 구조(67) 및, 서로 고정된 적층 검출기(64)가, 예컨대 프레임이나 지지체(65) 에 의해 서로 연결되거나 고정된다. 이렇게 형성된 방사 사진술을 위한 장치는 검사되는 물체를 스캔하는 유닛으로 움직일 수 있다. 이 다중라인 구성에 있어서, 스캐닝은, 상기된 바와 같이 X-선 빔에 수직한 왕복 운동으로 행해질 수 있다. 방사사진술을 위한 장치가 고정되고 화상 처리되는 물체가 움직이면 장점이 될 수 있다.

큰 단일 체적 가스검출기와 비교해서 적층된 구성을 사용하는 또 다른 장점은, 물체(62) 내에서 산란된 X-선 광자에 의해 야기되는 배경 노이즈의 감소이다. 입사 X-선 빔에 평행하지 않은 방향으로 진행하는 이들 산란된 X-선 광자는, 애노드 및 캐소드판을 통과해서 이러한 챔버로 들어가면, 적층된 다른 검출기(64) 중 하나 내의 "잘못된" 신호 또는 사태를 야기할 수 있다. 이 거절은 애노드 및 캐소드판 또는 콜리메이터(67)의 재료 내에서 (산란된) X-선 광자의 중대한 흡수에 의해 달성된다.

이 배경 노이즈는 도 8에 나타낸 바와 같이 적층된 검출기(64) 사이에 얇은 흡수판(68)을 제공함으로써 더 감소될 수 있다. 적층된 검출기는, 얇은 시트의 흡수 재료가 서로 인접한 검출기(64) 사이에 위치된 차이점을 제외하고, 도 7의 검출기와 유사하다. 이들 흡수판 또는 시트는, 예컨대 텅스텐인 고원자수 재료로 만들어질 수 있다.

본 발명은 다수의 바람직한 실시예와 연관되어 기재됨에도 불구하고, 첨부된 청구항에서 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능한 것으로 이해될 수 있다.

Claims (40)

1. X-선 소스로부터 X-선을 방출하고,

   화상 처리되는 물체를 통해 상기 X-선을 투과하며,

   챔버 내에서 상기 물체를 통해 투과된 X-선을 검출하고,

   적어도 하나의 검출기 전극 배열 내에서 전기 신호를 검출하며,

   입사 방사의 방향으로의 상기 챔버의 깊이가, 전기장을 야기하기 위한 전압이 그들 사이에 인가되는 전극 배열을 포함하는 검출기 내에서 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성하기 위해서, 상기 챔버 내에서 입사 X-선 광자의 중요 부분과 원자가 상호 작용하도록 하고,

   상기 전기 신호가 서로 인접하게 배열된 복수의 검출기 전극 소자 중 적어도 하나 내에서 상기 전자-이온쌍에 의해 유도되는 방사사진술 화상을 얻기 위한 방법에 있어서,

   상기 챔버 내에서, 상기 X-선 광자를 -30℃ 와 실온 사이의 온도의 액체 또는 고체 재료에 속하는 원자와 상호 작용하도록 가져오는 것을 특징으로 하는 방법.
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9. X-선 소스와,

   챔버 및,

   서로 인접하게 배열되는 복수의 검출기 전극 소자를 구비하고,

   입사 방사의 방향으로의 상기 챔버의 깊이가, 상기 물체를 통해 투과된 X-선 광자를 검출하기 위한 전기장을 야기하기 위한 전압이 그들 사이에 인가되는 전극 배열을 포함하는 검출기 내에서 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성하기 위해서, 상기 챔버 내에서 입사 X-선 광자의 중요 부분과 원자가 상호 작용하도록 하는 방사사진술에 사용하는 장치에 있어서,

   X-선 광자와 상호 작용하는 원자가 -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 또는 고체 재료에 속하는 것을 특징으로 하는 장치.
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25. 챔버와,

    서로 인접하게 배열된 복수의 검출기 전극 소자를 구비하고,

    입사 방사의 방향으로의 상기 챔버의 깊이가, 상기 물체를 통해 투과된 X-선 광자를 검출하기 위한 전기장을 야기하기 위한 전압이 그들 사이에 인가되는 전극 배열을 포함하는 검출기 내에서, 1차 이온화 전자-이온쌍을 생성하기 위해, 상기 챔버 내에서 입사 X-선 광자의 중요 부분과 원자가 상호 작용하도록 하는 전기장을 야기하기 위해 그들 사이에 전압이 인가되는 전극 배열을 포함하는 입사 방사를 검출하기 위한 검출기에 있어서,

    상기 X-선 광자와 상호 작용하는 원자가 -30℃와 실온 사이의 온도의 액체 또는 고체에 속하는 것을 특징으로 하는 검출기.
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