KR20030022812A - 방사선 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온화 방사선 검출용 장치(1; 21) 및 상기 장치를 사용하는 것에 의한 검출용 방법에 관한 것이다. 이 장치는 입사 방사선(5; 27)을 빛으로 변환하기에 적합하게 되어 있는 신틸레이터(3; 25); 상기 빛에 따라 광전자들을 방출하기에 적합하게 되어 있는 광캐소드(7; 31); 상기 광전자들을 애벌런치 증폭하기에 적합하게 되어 있는 전자 애벌런치 증폭기(9; 35); 및 상기 애벌런치 증폭된 전자들을 검출하기에 적합하게 되어 있는 판독부(11; 36)를 포함한다. 이 애벌런치 증폭기(9; 35)는 증폭 매개물로서 가스나 가스 혼합물을 포함하는 가스 애벌런치 증폭기이며, 일정 배열의 증폭 영역들(59)로 바람직하게 배열된다. 장점적으로, 보호층(33)은 애벌런치 가스가 광캐소드와 접촉하는 것을 막기에 적합되게 구비된다.

Description

방사선 검출 장치 및 방법{RADIATION DETECTION APPARATUS AND METHOD}

신틸레이터를 기본으로한 검출 시스템은 감마 및 X 선의 고해상도 이미지를 위해 널리 이용되어 진다. 이러한 이미지 시스템은 음극선관과 같은 화면표시기를 작동시키는데 이용될 수 있는 신호를 생성시키는데 이 검출된 방사선을 이용한다.

이러한 이미지 시스템의 일예는 의학적 진단 절차에 공통적으로 사용되는 앵거 카메라이다. 그 앵거 카메라에서, 입사 방사선은 신틸레이터 층에 충돌하기 전에 시준기를 통과한다. 그 다음에, 입사 방사선과 신틸레이터 재료의 상호작용에 의해 생성된 빛은 그 빛이 일정 배열의 광전자 증배관들에 충돌할 때 까지 주 광통로를 통하여 퍼진다. 그 개개의 광전자 증배관들에 충돌하는 빛의 세기는 입사 방사선이 신틸레이터와 상호작용하여 초기 빛 버스트(burst)를 생성하였던 지점으로부터의 광전자 증배관의 거리에 종속하여 가변한다. 레지스터 네트워크(resistor network)는 그 배열에서 광전자 증배관 장치들의 각각의 전기적 출력의 크기를 근거로 하여 그 배열상의 방사선 충돌의 그 지점를 전기적으로 결정하며, 이 전기적 출력 신호들을 합산하는 것은 초기 입사 방사선의 에너지 레벨의 크기를 제공한다. 광가이드의 낮은 효율과 광전자 증배관의 비양호한 광전자방출 변환은 수집된 빛 광자의 두드러진 통계적 변동을 초래하여 저하된 공간 및 에너지 레벨 분해능을 초래한다. 부가적으로, 조기의 상호작용으로부터 생성된 빛이 약화될 때까지 전체 배열이 비응답식으로 되게 하는 것을 신틸레이터 재료와 상호작용하는 모든 입사 감마선이 초래하기 때문에 앵거 카메라들은 비교적 낮은 계수율을 가진다.

다른 통상의 종래 장치는 영상증배관(image intensifier) 감마 카메라로 알려져 있다. 이러한 장치에서, 상기 신틸레이터는 뷰 이미지 영상증배관 튜브의 넓은 시야의 투과성 창에 타이트하게 커플링되는 형상으로 되어 있으며, 그 튜브는 신틸레이터로부터 빛 신호에 응하여 광전자 에너지 패킷들을 방출한다. 상기 광전자 패킷들은 광섬유 출력판상에 놓여진 캐소드발광 인광체 상에 가속되어 촛점이 맞추어져, 부가적인 빛 광자 버스트를 발생시킨다. 다중 영상증배관 스테이지들은 함께 결합되어 신호를 더욱 증폭시킬 수 있다. 광전자들의 최종 버스트는 펄스의 중심을 재구성시키는 저항성 전하 분배기 상에 전하들을 발생시킨다. 영상증배관 카메라들은 중량, 크기 및 비용을 가지고 있어서, 많은 응용에 대해 그들의 실제적 이용을 금하고 있다.

고체 상태의 방사선 검출기는 미국 특허 제 5, 144, 141 호에 개시되어 있다. 이러한 검출기에서, 검출기 상의 방사선 입사는 시준기를 통과하여 신틸레이터에 충돌하여서, 종횡으로 배열된 복수의 신틸레이터 요소들로 나우어진다. 종횡으로 나누어진 일정 배열의 내부 이득 광검출기들은 신틸레이터 요소에 광학적으로 접속된다. 각각의 광검출기는 광검출기에 의해 발생된 펄스를 증폭하여 저장하는 각각의 검출 및 유지 회로에 전기적으로 접속되며, 이 저장된 펄스들은 다중 스위칭부를 경유하여 샘플화되어 각각의 검출 및 유지 회로로부터 이 저장된 신호가 검출된 입사 방사선의 에너지 레벨 및 그 입사방사선의 배열 상의 위치에 상응하는 디지털화된 이미지 신호를 생성하는데 처리되게 한다. 이 디지털화된 이미지 신호는 그 장치를 위한 디스플레이 메모리 및 분석장비에 공급된다.

특히, 의학적 절차에서 채용되어, 가능한 한 최소한의 이온화 방사선에 환자를 노출시키는 것이 방사선 이미저들에 대하여 바람직한 영상장치가 백그라운드 방사선에 대하여 여전히 차별화시킬 수 있는 상태에서 방사선의 낮은 레벨에도 민감한 것은 중요하다. 고체상태 검출기는 손실들에 기인하는 다소 제한된 증폭을 가지고 있어서, 어떤 응용물에서 고체상태 검출기들은 충분히 높은 신호 대 잡음비를 가지지 않는다.

개량된 공간 분해능은 입사 방사선이 흡수된 신틸레이터 세그먼트내에서만 빛 광자들을 발생시키는 신틸레이터 시스템 및 다수의 광검출기들의 사용을 필요로 한다. 큰 배열에서 또는 다수의 광검출기들과 그 장치의 분해능을 빠르게 증가시키기 위해 다수의 광검출기들의 사용은 결국 매우 복잡하고 비싼 장치를 초래한다.

게다가, 광검출기들은 입사 X 선에 의한 직접적인 조사에 민감하므로 입사 방사선이 광검출기에 도달하지 않게 하는 조치들이 취해져야 한다.

부가적으로, 고체 상태의 방사선 검출기들은 제한된 속도를 가진다. 일반적으로 그 검출기들은 신호의 대부분을 포획하여 잡음 레벨을 낮게 유지시키는데 전자공학상 긴 적분 시간 즉, 수 마이크로초를 필요로 한다. 이것은 단일 광검출에 사용되어 지는 것을 대부분의 응용물에 잇는 그 검출기들이 못하게 한다. 부가적으로 고체 상태 검출기에서의 잡음 레벨은 통상적으로 너무 높아서 단일 광자들을 검출할 수 없다.

본 발명은 전체적으로 이온화 방사선의 검출을 위한 장치 및 방법에 관한 것이지만, 특히, 전적으로 X 선에 관한 것은 아니다.

본 발명은 예를 들면 의학적 방사선학, 컴퓨터 단층촬영(CT), 현미경 검사 및 비파괴 검사를 포함하는 다양한 분야에 유용하다.

본 발명은 단지 예시의 방법으로서 주어진 것이어서 본 발명을 제한하지 않는 첨부된 도 1 내지 도 2 및 이후에 주어진 본 발명의 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 확실하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 검출기 장치의 주요 구성요소를 개략적으로 예시한다.

도 2는 본 발명에 따른 검출기 장치의 특정 실시예를 단면도로 개략적으로 예시한다.

따라서, 이온화 방사선 특히, X 선의 검출을 위한 장치 및 방법을 제공하여 효과적인 증폭 및 높은 신호 대 잡음비에 대비하는 것은 본 발명의 목적이다.

본 발명의 다른 목적은 높은 감도에 대비해서, 매우 낮은 X 선 플럭스에서 작동할 수 있는 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이온화 방사선에 의한 직접적인 방사선에 영향을 받지 않는 검출 요소들을 가지는 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단일 X 선에 의해 신틸레이터로부터 방사된 단일 빛 광자를 검출하여 분해할 수 있는 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 이것은 종래의 적분 기술에 비해 X 선 에너지의 보다 정확한 측정을 허용한다.

본 발명의 또 다른 목적은 효과적이고 빠르고 정확하고 신뢰적이고 그리고 낮은 비용의 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

특히 이러한 목적들은 본 발명에 따라 첨부된 청구항들에 청구된 바와 같은 장치 및 방법에 의해 달성된다.

가스내에서의 검출 장치의 광캐소드로부터 방출된 전자들의 애벌런치 증폭을채용함으로써, 특히 민감한 장치 및 방법은 성취되어, 극도로 낮은 방사선 양의 채용에 대비하며, 매우 낮은 잡음 레벨을 나타내는 2차원 이미지의 구조에 대하여 충분히 높은 신호 레벨을 여전히 얻는다. 게다가 대단히 뛰어난 공간 분해능은 검출의 중심점을 산출할 필요없이 달성될 수 있다.

이것은 검출기가 빠르고, 따라서 매우 높은 방사선 플럭스에서 작동할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 검출기의 다른 장점은 검출기가 자기장에 매우 민감하지 않다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 낮은 비용으로 민감한 광역 검출기의 제조 및 사용에 대비한다는 것이다.

본 발명의 다른 특징들과 장점들은 첨부된 도면에서 도시된 본 발명의 바람직한 실시예의 다음 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

이하 설명에서, 제한이 아닌 예시의 목적을 위해, 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 특정 차원 및 재료 같은 것으로 해서 설명된다. 하지만, 본 발명이 이들 상세한 설명에서 벗어난 다른 실시예에서 실행될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하게 될 것이다. 다른 예들에서, 공지된 장치 및 과정의 상세한 설명은 불필요한 상세로 본 발명의 설명을 혼동하지 않도록 생략된다.

본 발명의 검출기 장치(1)의 주요 구성요소들을 개략적으로 예시한 도 1을 참조하여, 본 발명의 전체적인 원리는 설명될 것이다.

상기 검출기 장치는 신틸레이터 장치(3)를 포함하는데, 그 신틸레이터 장치의 정면은 측정될 이온화 방사선(5)쪽으로 향하여져 있다. 그 방사선은 이하에서 보다 상세하게 설명될 다양한 물리적 상호작용들을 통하여 신틸레이터 장치(3)내에서 빛으로 변환된다. 이 신틸레이터는 고체 변환기이거나 또는 예를 들면, 액체 크세논 또는 아르곤과 같은 액체 섬광물질 또는 고체 섬광물질을 포함한단.

이 방사선은 바람직하게 X 선이지만, 본 발명은 신틸레이터 장치가 빛으로 변환시킬 수 있게 하는 어떠한 종류의 이온화 방사선도 이용가능하다.

게다가, 광캐소드(7)는 신틸레이터(3)의 배면에서 배열되는데, 그 광캐소드는 광캐소드를 치는 빛 광자에 따라 광전자들을 방출할 정도로 배열된다. 이 캐소드는 광자가 충돌하는 그 면에 마주하는 면으로부터 전자들을 방출할 수 있을 정도로 얇아야 한다.

전자 애벌런치 증폭 장치(9)는 광캐소드(7) 다음에 배열된다. 애벌런치 증폭장치(9)는 두 개의 전극들 즉, 애벌런치 캐소드 및 애벌런치 애노드(도 1에 도시되지 않음)로 바람직하게 구비되며, 그리고 광캐소드(7)로부터 방출된 광전자들을 집속하여 이 집속된 광전자들을 강하게 애벌런치 증폭하기에 적합하게 되어 있다. 전자 애벌런치 증폭 장치(9)의 기하학적 형상 및 증폭 재료 그리고 애벌런치 전극들이 유지되어 있는 전기적 전위는 적절한 증폭이 얻어질 수 있게 선택된다.

전자 애벌런치 증폭 장치(9)는 전자 애벌런치 증폭에 적절한 가스를 함유한 전극들 사이에 밀폐된 챔버를 포함한다. 그러한 적절한 증폭 가스는 예를 들면, 크세논이나 또는 크세논 및 아르곤의 혼합물을 포함한다.

게다가, 검출 장치(1)는 애벌런치 애노드의 부근에 바람직하게 위치된 판독부(11)를 포함하며, 그 판독부는 애벌런치 전자들 및/또는 이에 상응하게 생성된 이온들에 의해 유도된 펄스들을 검출하기에 적합하게 되어 있다. 판독부(11)는 집속된 신호 데이터의 필수적이고 원하여지는 사후처리를 위해 신호 처리 장치(11)에 접속된다. 신호 디스플레이 유닛(15)은 처리된 신호 데이터를 디스플레이 하는데 최종적으로 제공된다.

종래의 신틸레이터 검출기를 사용하는 것 대신에, 본 발명의 원리들을 이용함으로써, 즉, 신틸레이터로부터 빛을 전자로 변환시킴으로써 그리고 검출 이전에 적절한 가스에 있는 이들 전자들을 애벌런치 증폭시킴으로써, 빠르고 민감한 검출기는 저비용으로 얻어진다. 이 증폭은 종래의 고체 상태를 근거로한 검출기들과 비교하여 보다 효과적이다.

다음으로, 본 발명의 검출기 장치(21)를 개략적으로 그리고 단면도로서 예시하는 도 2를 참조하여, 본 발명의 특정 실시예는 보다 상세하게 설명될 것이다.

상기 장치(21)는 일정 배열(25)로 배열되어 입사 방사선(27)에 노출된 복수의 신틸레이터 요소들(23)을 포함한다. 각각의 신틸레이터 요소는 광캐소드층(31) 및 선택적인 보호층(33)을 포함하는 광캐소드부(29)에 광학적으로 연결된다. 가스 전자 애벌런치 증폭 검출기(35)는 광캐소드부(29)에 인접해 배열되며, 이 검출기는 일정 배열(36)의 판독요소들(37)을 포함하며, 이 판독요소들의 각각은 각각의 신호 도관(40)에 의해 신호처리회로(39)에 전기적으로 연결된다. 게다가, 이 신호 처리 회로(39)는 신호 디스플레이 표시기(도 2에 도시 안됨)에 접속될 수도 있다.

입사 방사선(27)은 통상적으로 X 선을 포함한다. 하지만, 본 발명의 검출기 장치의 구조는 어떤 간극 장벽에 있는 적절한 신틸레이터 재료 및 방사선 흡수 재료가 선택된다면, 다른 종류의 방사선 검출에 적합가능하다. 검출될 방사선의 종류에 종속하여 당업자에게 명백한 입자들 또는 다른 입자가 방사선을 설명하는데 유사하게 사용될 수도 있지만, 설명의 편의를 위하여, 입사 방사선은 여기에서 광선으로 언급된다. 방사선은 이미지 장치가 검출해야 하는 전자기적 에너지(예를 들면, X선)를 언급하는데 사용되며, 그리고 빛이나 광학이란 단어는 신틸레이터 재료가 입사 방사선과 상호작용할 때 신틸레이터 재료에 의해 생성되는 빛 에너지 또는 광자를 언급하는데 사용된다. 통상적인 이미지 장치에서, 입사 방사선의 에너지 레벨은 대략 10 KeV와 500 KeV 사이의 범위를 이루고 있다. 이러한 에너지 범위에서, 입사 방사선과 신틸레이터 재료 사이의 통상적인 상호작용들은 광전 흡수와 콤프턴 산란을 포함한다. 그 두 과정들은 전자들이 신틸레이터에 있는 원자들로부터 방사되어 입사 광선에 의해 충돌되는 것을 초래하며, 그리고 그러한 전자들이 신틸레이터 재료를 통하여 지나감에 따라, 그 전자들의 에너지는 가시적인 방사 빛 에너지로 변환된다.

시준기(41)는 신틸레이터 배열(25)에 인접해 선택적으로 배치되어 그 시준기가 신틸레이터 배열의 위에 놓인다. 시준기(41)는 검출기 장치(21) 상에 위치되어 그 장치 상의 방사선 입사가 반드시 시준기 통로들(43)을 통하여 지나서 신틸레이터 요소들(23)에 들어간다. 예시의 편의를 위하여, 통로(43)의 제한된 갯수만이 도 1에 도시되지만, 시준기(41)가 밑에 놓인 신틸레이터 요소들과 일치되는 만큼의 많은 수의 통로들을 통상적으로 가진다는 것은 주목되어야 한다. 이 시준기는 납이나 또는 어떤 다른 높은 원자번호의 요소로 바람직하게 구성된다.

배열(25)을 형성하는 상기 신틸레이터 요소들(23)은 통상적으로 M x N 매트릭스를 형성하지만, 특정 장치의 채용하기에 적당한 어떤 형상으로 변경적으로 될 수 있다. 상기 신틸레이터 요소들은 평행 육면체 형상을 통상적으로 가지며, 제한이 아닌 일예를 들면, 0.01 내지 0.1 mm x 0.01 내지 0.1 mm의 횡단면 크기(높은 공간 분해능을 가진 검출에 대비하기 위해)와 0.1 내지 100 mm 의 깊이를 가질 수도 있다. 이 신틸레이터 배열은 신틸레이터 재료의 하나의 블럭으로부터 그 요소들을 절단하거나 또는 주사위꼴로 자름으로써 형성될 수 있으며, 또는 변경적으로, 그 요소들은 예를 들면, 스퍼터링 또는 화학증착과 같은 다른 공지된 기술들 또는 증착에 의해, 바늘들 또는 봉들로서 개별적으로 "성장" 될 수 있다. 광역 배열에서, 의학 화상(medical imaging) 용도들에 사용되는 것과 같은 광역 배열에서, 하나의 배열은 수천개의 신틸레이터 요소들을 통상적으로 가질 수 있으며 그리고 50cm x 50cm 까지의 외부 크기를 가진다. 몇몇 응용물들에 사용되는 협역 배열은 1mm x 1mm 보다 작을 수 있다. 신틸레이터 요소들(23)은 입사 방사선을 광학적 에너지로 변환시키기 위한 비교적 높은 효율, 비교적 빠른 붕괴상수 및 뛰어난 광학적 투과성을 가지는 재료로 바람직하게 형성된다. 세슘 요오드는 높은 변환 효율, 1 마이크로초의 붕괴상수 및 1.8의 굴절률을 가지기 때문에, X 선의 검출에 있어 뛰어난 신틸레이터 재료임이 입증되었다. 예를 들면 NaI, BaF₂또는 다인자 재료와 같이 다른 공지된 신틸레이터 재료들은 변경적으로 본 발명의 장치에 사용될 수도 있다.

본 발명에 따라, 간극 장벽들(45)은 이 신틸레이터 요소들(23) 사이에 선택적으로 배치되어 인접한 요소들로부터 각각의 신틸레이터 요소들을 분리시킬 수 있다. 간극 장벽들(45)은 입사 및 이차 방사선 광선들을 효과적으로 흡수하여 빛이 신틸레이터 요소들 사이를 지나는 것을 방지하는 재료를 포함한다. 이러한 빛 흡수성 장벽은 뛰어난 공간 분해능 즉, 입사 방사선 광선이 충돌하는 배열 상의 위치의 결정을 보장하기 때문에 광역 장치에서 특히 중요하다.

광학적으로, 반사층(47)은 간극 장벽들(45)의 인접면들 및 신틸레이터 요소들(23) 사이에서 그리고 입사 방사선이 통하여 들어가는(도 2에 도시않음) 신틸레이터 배열(25)의 부분을 가능하면 가로질러서 선택적으로 배치될 수 있다. 광학적으로 반사성이 있는 층(47)은 신틸레이터 요소에 있는 입사 방사선의 흡수에 의해생성된 가시적인 빛을 하나의 신틸레이터 요소내에서 제한함으로써 신틸레이터 요소들을 서로로부터 격리시키는 작용을 한다. 반사층(47)은 광학적으로 반사성이고 방사선 전달성이 있는 즉, 입사 방사선과 상호작용하지 않는, 은, 알루미늄 또는 유사한 재료의 비교적 얇은 즉, 약 0.01 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 층들을 포함한다. 반사층들은 모든 신틸레이터 요소 면들 상에 증착될 수 있지만, 반드시 증착될 필요는 없다.

광캐소드부(29)는 예를 들면, CsI의 바람직하게 0.00001 내지 0.1 mm 두께층 또는 유기 광변환기 또는 어떤 다른 효율적인 가스, 액체 또는 고체 광변환기인 광캐소드 층(31) 및 예를 들면 CsI의 바람직하게 0.01 내지 1 ㎛의 두께층인 보호층(33)을 포함한다. 광캐소드들은 가스와의 접촉 상태에서, 어떤 가스내에 있는 작은 불순물들에, 전체적으로 민감하며, 이 불순물들은 시간을 가지고서 상기 광캐소드의 양자효과의 감소를 야기한다. 따라서, 상기 보호층(33)은 애벌런치 증폭 검출기(35)의 증폭 매개물, 즉 애벌런치 가스와의 직접적인 접촉으로부터 캐소드층(31)을 보호하지만, 광캐소드층 표면으로부터 방출된 전자들에 투과성이어야 한다. 게다가, 상기 보호층은 전자 애벌런치 증폭 검출기(35)내에서 형광성이 나타날 수 있고 이러한 형광성 빛이 상기 광캐소드층에 도달하는 것을 막게 되어서 원하지 않은 방식으로 그 검출에 영향을 미치는 더 많은 전자들과 충돌하는 것을 막기 때문에 빛에 장점적으로 불투과성이어야 한다. 만약 상기 보호층이 빛에 불투과성이 아니라면, 이 보호층은 빛에 불투과성이고 전자들에 투과성인 얇은 금속층에 의해 덮혀지게 될 수도 있다.

전자 애벌런치 증폭 검출기(35)는 광캐소드부(29) 및 판독 요소들의 배열(36)과 함께 기밀한 하우징을 구성하는 측벽(49)을 포함한다. 이러한 하우징의 내부는 선택적인 표류 및 증폭 체적(51)을 구성하고, 예를 들면 이산화탄소 또는 예를 들면 헬륨과 이소부탄의 혼합물이 될 수 있는 전자 애벌런치 증폭에 적합한 가스 또는 전자 애벌런치 증식(multiplication)에 적합한 어떤 다른 가스로 채워진다. 이 가스는 바람직하게 대기압 상태이지만, 대기압 상태보다 높은 압력상태 뿐만 아니라 낮은 압력상태일 수도 있다. 대기압에 근접한 압력은, 만약 그러한 압력에서 성취될 수 있는 적절한 애벌런치 증폭이 있다면, 높은 압력(즉, 진공)에 저항하기 위한 창 등의 상의 어떤 조건들이 경감되기 때문에 바람직하게 된다.

변경적으로, 검출기 그 자체는 애벌런치 증폭 물질로 싸여 있진 않지만, 외부 봉쇄부 내에 위치된다.

또 변경적으로, 순환 시스템은 가스가 검출기 챔버를 통하여 분출되어 선택적으로 여과되어서 검출기 챔버로 재순환될 수 있게 구비된다.

게다가, 전자 애벌런치 증폭 검출기(35)는 본 실시예에서 판독 요소들(37)의 배열과 동일한 애벌런치 애노드부 및 애벌런치 캐소드부(53)를 포함한다. 애벌런치 캐소드(53)는 바람직하게 전기적으로 전도성인 물질이고, 그리고 애벌런치 애노드부(36)는 전형적으로 절연성 기판(54)을 포함하며, 그 절연성 기판에 전기적으로 전도성인 물질인 판독 요소들(37)이 배열된다.

변경적으로, 상기 애벌런치 애노드는 판독부(36)(도 2에 도시되지 않음)로부터 별개로 되어 형성될 수 있다.

광캐소드부(29), 애벌런치 캐소드부(53) 및 애벌런치 애노드부(36)들이 유지되는 전기 전위들은 표류장으로서 약한 전기장이 광캐소드(29) 및 애벌런치 애노드(53) 사이에 만들어져서 광캐소드부(29)로부터 애벌런치 캐소드(53)을 향해 방출된 광전자들의 표류를 야기하고, 그리고 애벌런치 증폭장으로서 강한 전기장이 애벌런치 캐소드(53) 및 애벌런치 애노드(36) 사이에 만들어져서 광전자들이 판독요소들인 애벌런치 애노드를 향해 가속됨에 따라 광전자들의 애벌런치 증식을 야기하게 선택된다. 판독 요소들(37)들 중 단 하나와 광캐소드부(29) 사이의 전기장 라인들은 예시적인 목적으로 참조 부호 55에 의해 도 2에 개략적으로 나타내어 진다.

유전체(57)는 애벌런치 캐소드(53)와 애벌런치 애노드(36) 사이에 배열될 수 있다. 이것은 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드(53) 및 애노드(36)를 지지하는 가스 또는 고체 기판 일 수 있다. 따라서, 인가된 전압은 일정 배열의 애벌런치 증폭 영역(59)내에 강한 전기장을 일으킨다. 상기 애벌런치 영역(59)은 서로에 면하는 상기 애벌런치 캐소드(53)의 에지들 사이 및 주위의 그리고 상기 애벌런치 캐소드(21) 및 애벌런치 애노드(27) 사이의 영역에서 형성된다.

이 애벌런치 영역(59)은 캐소드(53)에 그리고 유전체 기판(57)에 개구부들이나 채널들이 존재한다면, 그 개구부들이나 채널들에 의해 형성된다. 이 개구부들이나 채널들은 예를 들면, 원형이나 사각형 단면을 가지는 임의의 형상으로 될 수 있다. 이 개구부나 채널은 여러 열로 배열될 수 있으며, 개구부들이나 채널들의 각각의 열은 복수의 개구부나 채널을 포함한다. 복수의 길이방향 개구부나 채널이나 채널의 열은 서로의 옆에 즉, 서로에 평행하게 또는 입사 X-선과 평행하게 형성된다.변경적으로, 개구부나 채널은 다른 패턴으로 배열될 수 있다.

바람직하게, 시준기(41)의 시준기 통로(43), 신틸레이터(25)의 신틸레이터 요소들(23) 및 애벌런치 검출기(35)의 애벌런치 영역(59)은 서로에 맞추어져 겹쳐져 있다.

게다가, 이 판독 요소들(37)은 애벌런치 영역(59)을 형성하는 개구부나 채널과 연관하여 배열된다. 바람직하게 적어도 하나의 요소(37)는 각각의 개구부나 채널에 제공된다. 이 요소들(37)은 유전 기판(54)에 의해 서로로부터 전기적으로 절연되어, 개개의 신호 도관(40)에 의해 신호 처리 회로(39)에 개별적으로 접속된다.

시준기 통로(43), 신틸레이터 요소들(23), 애벌런치 영역(59) 및 판독 요소들(37)의 이차원 배열을 구비함으로써, 검출기 장치(21)는 얻어질 수 있으며 여기에서 입사 방사선 빔(27)의 횡으로 분리된 부분에 의해 주로 이온화로부터 유도가능한 전자 애벌런치가 별개적으로 검출가능하다. 이에 의하여, 장치(21)는 이차원 이미지를 대비한다. 유사하게, 각각의 요소들의 일차원 배열을 채용함으로써, 일차원 이미지용 장치는 얻어진다.

판독 요소들(37), 애벌런치 영역들(59), 신틸레이터 요소들(23) 및 선택적으로 어떤 시준기 통로들(43)이 동일 피치를 가지며, 그리고 그것들이 서로에 맞추어지는 것은 바람직하다. 그러한 설비들에 의해서, 매우 뛰어난 공간 분해능은(판독 요소들(37), 애벌런치 영역(59) 및 신틸레이터 요소들(23)의 그 피치에 의해 실제로 제한되어)얻어질 수 있다. 바람직한 변형 실시예에서, 그 피치 즉, 두개의 인접한 영역들이나 요소들의 중심들 사이의 거리는 밀리미터 미만의 영역에서 위치 분해능에 대비하기에는 작다. 바람직하게, 그 피치는 1 mm 보다 작고, 보다 바람직하게 0.01 과 0.5 mm 사이 또는 0.01 과 0.1 mm 사이이다.

작동에 있어서, 도 1 의 검출기 장치(21)는 검출하고자 하는 상기 방사선의 경로에 위치된다. 시험중에 직접 서브젝트로부터 방사하는 입사 방사선의 광선은 시준기(41)내의 채널을 통해 지나서 신틸레이터 요소들(23)에 들어가도록 한 경로에서 이동할 것이며, 이에 반해 시험중에 서브젝트로부터 상기 검출 장치를 향하여 산란된 원하지 않는 방사선은 상기 시준기의 평면에 대해 일정 각도로 전형적으로 이동하여서 어떠한 채널들(43)도 가로지를 수 없게 될 것이다.

입사 방사선 및 신틸레이터 재료 사이의 상호작용은 광학적으로 반사성의 코팅부(47) 때문에 빛 광자들의 발생을 초래하며, 이 빛 광자들은 광 캐소드부(29)쪽으로 전체적으로 향하여지게 될 것이다. 빛 흡수성 간극 장벽들(45)은 각각의 신틸레이터 요소가 인접한 요소들로부터 절연되어지는 것을 초래하며, 그 요소들 사이의 누화를 제거한다.

광캐소드부(29)에 충돌하는 빛 광자들은 방사될 전자들, 소위 말하는 광전자들을 일으킬 것이다. 광캐소드의 재료가 상기 입사 빛의 광자 에너지보다 작아 전자들이 방출될 수 있게 하는 특성 에너지로 불리워 지는 일함수(즉 캐소드 전자들의 결합 에너지)를 가지고 있다는 것과 그리고 광캐소드가 그 뒷면 즉, 빛 광자가 충돌하지 않는 표면으로부터 전자들을 방사할 수 있게 충분히 얇다는 것은 중요하다.

이러한 방출된 전자들은 애벌런치 캐소드를 향해 표류되고 애벌런치캐소드(43) 및 애벌런치 애노드(45) 사이(화살표(53)에 의해 개략적으로 표시됨)의 강한 전기장에 기인하여 가속된다.

이 가속된 전자들은 영역(59)에서 다른 재료(예를 들면 원자, 분자 등)와 상호작용하여서 생성될 전자이온쌍들을 일으킨다. 또한 그 생성된 전자들은 그 전기장내에서 가속되어서 새로운 재료와 반복적으로 상호작용하여서, 생성될 전자이온쌍들을 더 일으킨다. 이러한 과정은 애벌런치 영역의 기저부에 위치된 애노드부(36)를 향하여 애벌런치 영역에서 전자들이 이동하는 동안 그리고 전자 애벌런치들이 형성되는 방식으로 계속될 것이다.

전자 애벌런치는 검출기(35)의 판독 요소들내에서 전기 펄스들을 유도하며, 그 펄스들은 각각의 판독 요소가 신호 처리부(39)에 대해 그 자신의 개별적인 신호 도관을 가짐에 따라 개별적으로 검출된다. 이 신호 처리 전자장치는 상기 펄스들을 처리한다. 즉 신호 처리 장치는 가능하다면 상기 펄스들을 형상화시키고, 그 후 각각의 판독 요소로부터 그 펄스들을 적분하거나 또는 계산한다.

상술한 실시예에서, 시준기부, 신틸레이터부, 캐소드부, 애노드부 및 판독부의 특정 위치들과 기하학적 형상들이 기술되었다. 하지만, 본 발명과 연관하여 균등적으로 충분히 적당한 복수의 다른 위치들과 및 기하학적 형상들이 존재한다.

각각의 입사 X 선 광자가 하나 또는 그 이상의 검출기 전극 요소들(37)에서 하나의 유도된 펄스를 일으킨다는 것은 본 발명에 있어 일반적이다.

또한 상기 내부 전극 체적들이 얇아 이온들의 신속한 제거를 초래하여 공간 전하들의 적거나 또는 전혀 없는 축적을 이끄는 것은 본 발명에 있어 일반적이다.이것은 가능한 한 높은 비율의 작동을 만든다. 또한 상기 짧은 거리들은 낮은 작동 전압을 유도하여 존재할 수 있는 스파크들에서의 낮은 에너지를 초래하여서, 전자제품에 이롭게 한다. 또한, 상기 애벌런치 수단들에서의 전기장 라인들의 집속은 또한, 스트리머 형성을 억제하여 스파크에 대한 감소된 위험을 유도하기에 이롭다.

변경예로서, 적어도 몇몇 경우에서, 이 캐소드부(53)는 불필요하게 될 수도 있어서, 광캐소드부(29) 및 애노드 배열(36) 사이의 전기장은 영역(51 및 59)에 의해 구획형성되는 전체 체적 내에서 전자 애벌런치 증폭을 야기하기에 충분할 정도로 높게 유지될 수 있다.

다른 변경예로서, 보호층(33)의 빛 불투과 기능은 필요없게 될 수도 있어서, 대신에 광캐소드부(29) 및 애벌런치 증폭 검출기(35) 사이에 빛 감쇠기(도 2에 도시 않음)가 제공될 수 있다. 이러한 빛 감쇠기는 애벌런치 증폭 검출기(35) 내에서 그리고 만약에 있을 수 있는 그 자신 내에서 생성된 어떤 빛이 광캐소드 층(31)에 도달하는 것을 방지해야 하며, 그리고 예를 들면, 신틸레이터 요소들이 모세관들과 겹쳐져 맞춰지도록 배열된 일정 배열의 유리 모세관들로 구성된다. 얇은 금속층 구조는 모세관의 기저부에서, 즉 애벌런치 증폭 검출기(35)에 근접하여 배열될 수 있고, 또한, 만약에 존재한다면 모세관의 상부에서, 즉 광캐소드부(29)에 근접하여 배열될 수 있다. 그러한 층들은 빛에 불투과성이고 전자에 투과성이다. 모세관의 길이에 걸쳐 적절한 전압을 공급함으로써, 광캐소드층(31)으로부터 방출된 광전자들은 어떠한 손실없이 빛 감쇠기를 통하여 표류될 수 있다.

또 다른 변경예가 상술된 빛 감쇠기를 이용하는데 있음에 따라 애벌런치 증폭 검출기도 이용하는데 있다. 따라서, 이 모세관들은 적절한 애벌런치 증폭 매개물로 채워지며, 그리고 판독요소들은 모세관의 기저부에서 배열되어 모세관이 판독요소들과 겹쳐져 맞추어져 있다.

게다가, 모든 전극 표면들은 측정치에 영향을 미쳐 검출기의 전기적 설비를 파괴할 수도 있는 스파크에서의 에너지를 감소시키기 위해 높은 저항성 또는 반도체성의 재료에 의해 덮여질 수 있다. 또한 그러한 저항성층들은 1999년 4월 14일에 출원되고 제목이 "방사선 검출기 및 방사선 사진법에서 이용하기 위한 장치"인 계류중인 본 출원인의 스웨덴 특허 출원 제 9901327-8호에서 설명되어 있다. 이 출원은 여기에 참조로서 언급된 것이다.

변경적으로, 이 같은 이유로, 캐소드부 및 애노드부의 전체 또는 부분들은 반도체성 재료 예를 들면, 실리콘으로 만들어질 수 있다.

광캐소드는 예시된 경우에서 신틸레이터에 직접적으로 연결된다. 하지만, 광캐소드가 신틸레이터에 직접 연결됨에도 불구하고 광캐소드가 신틸레이터로부터 일정 거리를 두고서 배열될 수 있는 것은 주의되어야 한다. 이러한 예에서, 광캐소드는 각각의 측 상의 각각의 보호층에 의해 선택적으로 덮여진다. 섬광 물질 및 전자 애벌런치 증폭 물질이 동일 물질일 수 있다는 것은 또한 주의되어야 한다. 이러한 예에서, 광캐소드는 이러한 조합된 섬광 물질 및 애벌런치 증폭 물질 내에서 배열될 수도 있다.

몇몇 경우들에서, 이 방법 및 장치는 단일 X 선에 의한 신틸레이터에서 생성된 광자를 계산하는데 까지도 사용된다. 따라서 X 선 에너지의 보다 정확한 측정을허락한다.

본 발명이 복수의 방식으로 변경될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 이러한 변경은 본 발명의 범주로부터 벗어난 것으로서 간주되지 않는다. 당업자에게 명백하게 되는 모든 수정은 첨부된 청구항의 범주 내에 포함되게 의도된다.

가스내에서의 검출 장치의 광캐소드로부터 방출된 전자들의 애벌런치 증폭을 채용함으로써, 특히 민감한 장치 및 방법은 성취되어, 극도로 낮은 방사선 양의 채용에 대비하며, 매우 낮은 잡음 레벨을 나타내는 2차원 이미지의 구조에 대하여 충분히 높은 신호 레벨을 여전히 얻는다. 게다가 대단히 뛰어난 공간 분해능은 검출의 중심점을 산출할 필요없이 달성될 수 있다.

이것은 검출기가 빠르고, 따라서 매우 높은 방사선 플럭스에서 작동할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 검출기의 다른 장점은 검출기가 자기장에 매우 민감하지 않다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 낮은 비용으로 민감한 광역 검출기의 제조 및 사용에 대비한다는 것이다.

Claims (30)

1. 입사 이온화 방사선(5; 27)을 빛으로 변환하기에 적합하게 되어 있는 신틸레이터(3; 25)를 포함하는 이온화 방사선 검출 장치(1; 21)에 있어서,

   - 상기 빛에 따라 광전자들을 방출하기에 적합하게 되어 있는 광캐소드(7; 31);

   - 전자 애벌런치 증폭에 적합한 가스나 가스 혼합물로 채워진 챔버를 포함하되, 상기 광전자들을 상기 가스나 가스 혼합물과의 상호작용에 의해 애벌런치 증폭하기에 적합하게 되어 있는 전자 애벌런치 증폭기(9; 35); 및

   - 상기 애벌런치 증폭된 전자들을 검출하기에 적합하게 되어 있는 판독부(11; 36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 챔버는 일정 배열의 애벌런치 증폭 영역들(59)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 개개의 애벌런치 증폭 영역들(59)은 유전체에 의하여 서로로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 일정 배열의 애벌런치 증폭 체적들(59)은 복수의 유전체 튜브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 애벌런치 증폭기(9; 35)는 애벌런치 캐소드(53) 및 애벌런치 애노드(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 애벌런치 캐소드(53)는 전자에 대해 투과성인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스나 가스 혼합물로 채워진 상기 챔버는 대기압이나 이에 근접한 압력 상태에 있는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스나 가스 혼합물로 채워진 상기 챔버는 순환 시스템에 접속되어 상기 가스나 가스 혼합물이 검출기 챔버를 통하여 분출되어 선택적으로 여과되어 검출기 챔버로 재순환되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판독부(11; 36)는 일정 배열의 판독 요소들(37)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일정 배열의 판독 요소들(37)에 있는 인접한 요소들 사이의 중심 거리는 1 mm 보다 작고, 바람직하게 0.01 내지 0.5 mm, 그리고 보다 바람직하게 0.01 내지 0.1 mm 인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광캐소드는 광캐소드의 정면으로서의 제 2 표면상에 충돌하는 상기 빛에 따라 배면으로서의 제 1 표면으로부터 광전자들을 방출하기에 적합하게 되며, 상기 제 1 및 제 2 표면은 서로에 마주하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 광캐소드는 0.0001 내지 0.1 mm 두께층(31)인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 광캐소드(31)는 그 배면상에 보호층(33)이 구비되며, 상기 보호층은 전자들에 투과성인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 보호층(33)은 빛에 불투과성인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
15. 제 13 또는 제 14항에 있어서, 상기 보호층(33)은 전자에 투과성이고 빛에 불투과성인 얇은 금속층으로 구비되는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광캐소드는 신틸레이터에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
17. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광캐소드는 신틸레이터로부터 일정 거리를 두고서 배열되어, 각각의 측 상의 각각의 보호층에 의해 선택적으로 덮여지게 되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 전자 애벌런치 증폭기로부터 상기 캐소드를 향하여 전파되는 빛을 억제하기에 적합하게 되어 있는 빛 감쇠기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신틸레이터는 일정 배열의 신틸레이터 요소들(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신틸레이터는 액체 섬광 물질인 액체 크세논이나 아르곤으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입사 이온화 방사선을 시준하기에 적합하게 되어 있는 시준기(41)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
22. 신틸레이터(3; 25)에 의해 입사 이온화 방사선(5; 27)을 빛으로 변환하는 단계를 포함하는 이온화 방사선 검출 방법에 있어서,

    - 상기 빛에 따라 광전자들을 광캐소드(7; 31)에 의해 방출하는 단계;

    - 가스나 가스 혼합물에서 상기 광전자들을 애벌런치 증폭하는 단계; 및

    - 판독부(11; 36)에 의해 상기 애벌런치 증폭된 전자들을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
23. 제 22항에 있어서, 상기 광전자들은 일정 배열의 증폭 영역들(59)에서 증폭되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
24. 제 22항 또는 제 23항에 있어서, 상기 광전자들은 애벌런치 캐소드(53) 및 애벌런치 애노드(36)에 전압을 인가함으로써 증폭되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
25. 제 24항에 있어서, 상기 광전자들은 애벌런치 캐소드(53)를 통하여 지나게되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
26. 제 22항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애벌런치 증폭된 전자들은 일정 배열의 판독 요소들(37)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
27. 제 22항 내지 제 26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광전자들은 광캐소드의 정면으로서의 제 2 표면상의 충돌하는 상기 빛에 따라 광캐소드의 배면으로서의 제 1 표면으로부터 방출되며, 상기 제 1 및 제 2 표면은 서로 마주하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
28. 제 27항에 있어서, 상기 광캐소드(31)는 광캐소드의 배면상에 제공된 보호층(33)에 의해 보호되며, 상기 보호층은 전자에 투과성인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
29. 제 22항 내지 제 28항 중 어느 한 항에 있어서, 전자 애벌런치 증폭기에서 생성된 어떠한 빛도 광캐소드에 도달하는 것이 방지 되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
30. 제 22항 내지 제 29항 중 어느 한 항에 있어서, 입사 이온화 방사선은 일정배열의 신틸레이터 요소들(23)에서 빛으로 변환되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.