NO172665B - Anordning for deteksjon og lokalisering av noeytrale partikler, samt anvendelse av denne anordning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en anordning for å detektere og lokalisere nøytrale partikler som Røntgen-fotoner, gamma-fotoner eller nøytroner. Anordningen omfatter minst en sensor i form av et gassfylt kammer, gjennomtrengelig for de nevnte nøytrale partikler, som inneholder minst en omformer-anordning i stand til å sende ut ioniserende partikler når den treffes av de nøytrale partikler, for å frembringe ladede partikler ved å ionisere gassen, sammen med en detektordel som er elektrisk polarisert i forhold til omformerenheten slik at den tiltrekker seg de ladede partikler med tilstrekkelig kraft til å fremkalle et lavinefenomen.

En tidligere kjent innretning av denne type er beskrevet i Britisk patentsøknad GB 2 000 632.

De enkleste utførelser av innretninger for å detektere nøytrale partikler omfatter en anodeledning og en katode som tjener som omformer, hvor anoden og katoden er anbrakt i nærheten av hverandre og hvor enheten er plassert i et gassfylt kammer.

Et eksempel på en dektektor med denne konstruksjon er beskrevet i en artikkel på side 577 i "Review of Scientific Instruments", vol. 50 nr. 5 (1979).

Uansett virkemåten for slike detektorer er omformernes funksjon å sende ut ioniserende partikler når de treffes av nøytrale partikler, og spesielt å imitere hurtige eller "primærelektroner". Bevegelsesenergien av slike primærelektroner er større enn ioniseringsenergien for atomene eller molekylene i gassen, og er enkelte ganger så høy at disse elektronene ikke kan ledes mot anoden av det elektriske felt som er etablert inne i kammeret.

I motsetning, ved å ionisere gassen, skaper disse primær-elektronene elektron/positive ionpar, og de elektroner som skapes på denne måten kalles sekundærelektroner. Sekundærelektronene migrerer mot anoden mens de positive ionene migrerer mot katoden.

En elektrisk ladning hvis størrelse avhenger av antallet sekundærelektroner blir således samlet ved anoden. En egnet krets (eller kanal) forbundet med anoden leverer et målesignal som er proporsjonalt med den elektriske ladning på anoden, og representerer dermed energien eller intensiteten i det observerte fenomen.

Den oppsamlede ladning kan på vanlig måte detekteres enten direkte eller indirekte. Ved indirekte deteksjon tillates den elektriske ladning å flyte langs en ledning, og deteksjonen består i å måle den resulterende elektriske strøm.

Bortsett fra disse fellestrekk er detektorer for nøytrale partikler meget varierende, og de blir vanligvis klassifisert i to hovedtyper avhengig av hvorvidt de gjør bruk av Townsend lavine-fenomenet".

Dette fenomen, som er vel kjent av fagfolk på området, oppstår når det elektriske felt nær anoden er tilstrekkelig intenst til å akselerere sekundærelektronene slik at den kinetiske energi som oppnås gjennom to kollisjoner blir større enn ioniseringsenergien for atomene eller molekylene i gassen.

Under disse forhold kan sekundærelektronene skape ytterligere sekundærelektroner som selv deltar i et lavine-fenomen når de beveger seg mot anoden, og lavinen stopper først når alle de frie elektronene er oppsamlet av anoden.

Denne multipliseringseffekt på de detekterte elektroner bevirker en betydelig forsterkning av målsignalet, for eksempel med så meget som IO<7>, og gir dermed en vesentlig forbedring av signal/støy-forholdet.

Under gode forhold kan man opprettholde en høy verdi av forholdet mellom sekundærelektroner og primærelektroner. Detektorer som virker under slike forhold kalles "proporsjonal-tellere".

Multiplikasjonsfaktoren i lavinefenomenet kan imidlertid styres med bare en begrenset nøyaktighetsgrad, og i noen anvendelser foretrekker man detektorer som ikke anvender lavine-fenomenet. Dette er spesielt tilfelle med detektorer av "ioniseringskammer-typen", og eksempler på disse er gitt i den nevnte artikkel i "Review of Scientific Instruments", i Britisk patant GB 1 578 325 og i Fransk patent FR 2 503 381. Disse instumentene detekterer vanligvis stråling under metrologiske forhold så lenge som akkumulert ladning på anoden er målbar, noe som betinger at strålingen av nøytrale partikler må være intens eller at målingens varighet må være lang.

Dette er grunnen til at ioniseringskammeret ikke kan brukes i avbildning eller til lokalisering av partikler, unntatt under meget spesielle strålingsforhold. De kan ikke brukes unntatt når strålingsenergien som skal detekteres er omkring 80 keV eller betydelig mindre enn denne verdi. Anvendelse av ioniseringskammeret til avbildning medfører dessuten kompliserte anordninger, da hvert kammer frembringer bare ett element (eller pixel) av bildet, som vist i Fransk patent FR 2 503 381.

Lavinedetektorer, som er vesentlig bedre enn ioniseringskammeret for slike anvendelser er vel kjent blant fagfolk på området avbildning eller lokalisering av partikler.

Et eksempel på en proporsjonal teller anvendt til to-dimensjonal avbildning er gitt i en artikkel på side 157 av "IEEE Transactions on Nuclear Science", vol. 27, nr. 1 (februar 1980).

Denne detektoren består av et to-dimensjonalt nettverk av anodeledninger forbundet med bunter av rør av

blyoksidkrystall, som virker som omformere og er anbrakt i rett vinkel med anode-nettverkenes plan. Innfallsvinkelen for stråling av nøytrale partikler på detektorene er nær 90°, og omformings-effektiviteten for detektoren, som er uavhengig av innfallsvinkelen, er mindre enn 8 %.

En annen proporsjonalteller for direkte oppnåelse av to-dimensjonale bilder er beskrevet i Britisk patent nr. 2 000 632. Denne innretningen, som den ovennevnte, hører til en klasse apparater kjent som flertråds-proporsjonalkammere, og er beregnet på å detektere bestråling som treffer detektoren i rett vinkel med dens plan. Den omfatter to katoder i form av strimler, som utgjør faste omformere sammen med en anode bestående av et plan av elektrisk sammenkoblede tråder.

Katodestrimlene er forbundet med forsinkelseslinjer som i sin tur er tilkoblet en tidsanalyse-krets.

I tillegg til det faktum at denne detektor krever en komplisert analysekrets og at dens omformingseffektivitet ikke kan bli særlig høy, fører den nødvendigvis til temmelig lang billed-oppbyggingstid, og dermed begrenses dens anvendelse til nærmest statiske bilder, for eksempel scintigrafi.

I denne sammenheng er det essensielle mål med oppfinnelsen å frembringe en anordning for deteksjon og lokalisering av nøytrale partikler, og at anordningen skal være vesentlig mer effektiv enn det kjente flerlederproporsjonalkammeret, spesielt når partiklenes energi er vesentlig mer enn 50 keV.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer en anordning for å detektere og lokalisere nøytrale partikler som Røntgen-fotoner, gamma-fotoner eller nøytroner. Anordningen omfatter minst en sensor i form av et gassfylt kammer som er gjennomtrengelig for de nevnte nøytrale partikler og som inneholder minst en omformer i stand til å avgi ioniserende partikler når den treffes av de nøytrale partikler, for dermed å skape ladede partikler ved å ionisere gassen, sammen med en detektordel som er elektrisk polarisert i forhold til omformeren slik at den trekker til seg de ladede partikler med tilstrekkelig kraft til å fremkalle et lavinefenomen. De partikler som utbres i forhold til sensoren følger en bestemt gjennomsnittlig retning. Omformeren omfatter en plate av et fast materiale i en vinkel på under 10° med partiklenes gjennomsnittlige utbredelsesretning. Anordningen kjennetegnes særskilt ved at detektordelen omfatter et nettverk av elektrisk ledende elementer som i hovedsak er parallelle med hverandre og med omformerplaten, og som er forbundet med kretser for å utforme et en-dimensjonalt bilde som tilsvarer intensitetsfordelingen av nøytrale partikler langs en retning i rett vinkel med projeksjonen av partiklenes gjennomsnittlige utbredelsesretning på omformerplatens plan.

Selv om platen som utgjør omformeren i utgangspunktet kan være plan, vindskjev, buet eller bølgeformet, er en plan form generelt gunstigst.

Et av de vesentlige nye trekk med oppfinnelsen ligger i det faktum at den frembringer en sensor som, samtidig som den er av enkel konstruksjon og passende for industriell produksjon, ikke desto mindre kombinerer proporsjona1-kamrenes kvalitet med fordelene ved en solid omformer for anvendelse til lokalisering av partikler. Fordelene med en solid omformer omfatter de som er tidligere kjent og de som er frembrakt av denne oppfinnelsen, og de angår bruken av en skrå innfallsvinkel.

Tidligere har en person som er kjent med teknikken for avbilding og lokalisering av partikler vært vant til enten å assosiere hver pixel av et bilde med en spesiell detektor i et ioniseringskammer, som vist i Fransk patent nr. FR 2 503 381 og Britisk patent nr. GB 1 578 325, eller å danne et bilde i et plan som er i hovedsak i rett vinkel med partiklenes utbredelsesretning for å bli lokalisert ved å assosiere hver anodeledning eller strimmel med en hel rekke (linje eller kolonne) av billedelementer, som vist i Britisk patent nr. GB 2 000 632 og den ovennevnte artikkel i journalen "IEEE Transactions of Nuclear Science". I motsetning til dette gjør den foreliggende oppfinnelse bruk av en lavinedetektor for å danne et bilde i et plan i en skrå vinkel i forhold til partiklenes utbredelsesretning, og å assosiere en rekke billedelementer med et helt sett langstrakte detektorelementer (tråder eller strimler).

Oppløsningen av detektoren ifølge oppfinnelsen er optimal hvis de langstrakte detektorelementer er tråder som er elektrisk isolert fra hverandre og som strekker seg stramt og parallelt med projeksjonen av partiklenes gjennomsnittlige utbredelsesretning på omformerens plan.

Hver tråd er så forbundet med en separat elektronisk ladnings-detektorkrets (eller kanal), slik at et en-dimensjonalt bilde blir dannet av et sett utgangssignaler fra de nevnte kretser.

Disse elektroniske kretsene (eller kanalene) er kjente, og kan for eksempel være den typen som blir brukt med flertråds-proporsj onalkammere.

Gode resultater kan oppnås i deteksjon av Røntgen-fotoner eller gamma-fotoner når omformeren inneholder et materiale hvis atomnummer ikke er under 25.

Det er også fordelaktig, spesielt for deteksjon av nøy-troner, at omformeren inneholder et materiale som har et effektivt vekselvirkningtverrsnitt med nøytrale partikler på ikke mindre enn en millibarn hvor en barn er lik IO-<24> cm<2>.

Av de materialer som kan brukes, skal omformeren fortrinnsvis inneholde et materiale utvalgt fra den gruppen som består av: wolfram, tantal, bly, kadmium, gadolinium, bor, samarium, europium, litium, dysprosium, rhodium, beryllium, karbon, gull, sølv, lantan, uttynnet uran, platina, thalium, niob, molybden, nikkel, kobber, kobolt, jern, iridium, kvikksølv, indium, mangan, hydrogen, deuterium, nitrogen, oksygen og klor.

Som et mer presist eksempel, kan ikke omformeren være mer enn to millimeter tykk og må ha i det minste noen punkter på overflaten som danner en vinkel på ikke mer enn 5° med de nøytrale partiklers gjennomsnittlige utbredelsesretning.

For fotoner med en energi på for eksempel 400 keV, kan omformeren være en plate av tantal, med en tykkelse på ikke mer enn 200 mikron, og med i det minste noen punkter på overflaten som danner en vinkel på ikke mer enn 2° med de nøytrale partiklers gjennomsnittlige utbredelsesretning.

Detektordelen kan bestå av enkelte strimler med passende bredde hvis anordningen skal brukes i anvendelser med lav teller-takt og brukes i PPLT (parallell-plate lavineteller) modus eller i pseudo-PPLT modus, d.v.s. hvis den ikke blir brukt i proporsjonal-modus.

Når maksimum billeddefinisjon ikke kreves, kan de

langstrakte detektorelementene være fremstilt av et elektrisk ledende materiale med ganske høy resistans, i hvilket tilfelle elementene er strukket parallelt med omformerplatens plan, og anbrakt i rett vinkel med projeksjonen av de nøytrale partiklers gjennomsnittlige utbredelsesretning på planet av den nevnte plate. I dette tilfelle er elementene elektrisk forbundet med hverandre med begge endene, og endene er selv forbundet med en elektronisk kanal for deteksjon av ladning. Med en slik enhet blir nøytrale partikler lokalisert langs detektorelementene på grunn av den måten strømmen som

genereres av de oppsamlede ladninger blir fordelt mellom de to elektronikk-kanaler.

Avstanden mellom tilstøtende par av ledninger og avstanden mellom hver ledning og omformeren kan for eksempel være under 15 millimeter.

Anordningens effektivitet blir ytterligere forbedret hvis den i tillegg er utstyrt med en plan elektrode med i hovedsak samme elektriske potensiale som omformerplaten, og anbrakt parallelt med denne, men på den andre side av tråd-nettverket, og hvis detektordelen omfatter et nettverk av ledninger og en tilleggs-elektrode på hver side av omformeren.

Denne anordningen drar enda større fordel av omformerens skrå vinkel i forhold til partiklenes utbredelsesretning. Denne anordning gjør det mulig å bruke en meget tynn omformer, noe som gjør det meget sannsynlig at primærelektroner også vil bli utsendt fra den overflate av omformeren som ikke blir direkte utsatt for bestråling av nøytrale partikler. De sekundær-elektroner som i tillegg blir skapt av slike primærelektroner blir også oppsamlet.

For å styre anordningens driftsparametere (hvilke parametere i høy grad påvirkes av beskaffenheten av det medium som skiller omformeren fra detektor-delen) er kammeret som omslutter omformeren og detektordelen i det minste delvis fylt av en inert gass.

Trykket av gassen i dette kammeret er fortrinnsvis under IO<6> pascal, og den elektriske spenningsforskjell mellom detektordelen og omformeren er fortrinnsvis under 30 kV.

Anordningen omfatter med fordel en brakett som holder omformeren og detektordelen i en vinkel med en referanseakse som tilsvarer kammerets utvendige form, slik at den nevnte vinkel er egnet for å oppnå den ønskede orientering av omformeren i forhold til de nøytrale partiklers gjennomsnittlige utbredelsesretning når selve referanseaksen peker direkte i denne retning.

Fordelene ved en anordning ifølge oppfinnelsen for å detektere og lokalisere nøytrale partikler er spesielt frem-tredende når anordningen blir brukt til avbildning, d.v.s. når den blir brukt for å oppnå et bilde eller i det minste et delvis bilde av et legeme.

Når et legeme blir bestrålt av en kilde av nøytrale partikler, blir strålene som passerer gjennom legemet dempet som en funksjon av beskaffenheten av det materiale gjennom hvilket strålene passerer samt massen av dette materialet, og gir dermed en tilsvarende rom-messig intensitetsfordeling som kan fremkalles med en sensor av den typen som er beskrevet ovenfor.

Ved slike anvendelser vil en anordning ifølge oppfinnelsen vanligvis omfatte minst en kilde for nøytrale partikler, som er plassert i en avstand fra sensoren eller sensorene, med sensoren eller sensorene slik orientert at retningen av aksen mellom sensoren eller sensorene og kilden tas som den gjennomsnittlige retning for utbredelsen av de nøytrale partikler.

Anordningen omfatter så minst en kollimator for nøytrale partikler forbundet med en tilsvarende sensor, hvor kollimatoren har et spor for å begrense strålen av partikler som mottas fra kilden til en flat stråle som er sentrert på den gjennomsnittlige utbredelsesretning, og som krysser sensor-omformerens plan i hovedsak i rett vinkel med den nevnte gjennomsnittlige utbredelsesretning.

Anordningen kan omfatte en ramme påmontert et flertall sensorer.

I dette tilfelle er sensorene med fordel anbrakt i et forskjøvet system på rammen slik at de respektive omformere tilsammen overlapper tilstrekkelig til å motta hele den flate strålen av nøytrale partikler som kommer fra kilden.

Rammen har også fortrinnsvis en omsluttende form, for eksempel L-, U- eller bueform, med kilden plassert i avstand fra rammen, men innenfor dens omsluttende form.

Anordningen kan omfatte et flertall kilder for nøytrale partikler eller en kilde som kan plasseres i flere forskjellige posisjoner. I dette tilfelle kan sensorene være roterbart montert på rammen, slik at de kan rettes mot en eller en annen kilde eller mot en eller en annen av de mulige

posisjoner for en enkelt kilde.

Sensoren kan være utstyrt med en omformer på vesentlig mer enn 500 cm<2> flate, tilknyttet to nettverk av tråder som strekker seg i to ortogonale retninger slik at det kan frembringes et to-dimensjonalt bilde av et bestrålt legeme ved å benytte den ovenfor beskrevne teknikk for elektrostatisk induksjon.

Anordningen kan også omfatte en stabel av plater, bestående vekselvis av omformere og detektordeler.

Disse platene er parallelle med hverandre, og plassert som beskrevet ovenfor i skrå vinkel med de nøytrale partiklers utbredelsesretning.

Som nevnt ovenfor kan hver detektordel omfatte en serie på N ledende strimler (eller individuelt isolerte tråder) som strekker seg parallelt med projeksjonen av partiklenes gjennomsnittlige utbredelsesretning på den tilsvarende omformers plan. Hvis anordningen omfatter M detektordeler er den egnet til å gi et to-dimensjonalt bilde av et bestrålt legeme, tilsvarende en matrise av N x M elementer.

Da geometrien av den beskrevne sensor er bedre egnet til å lage en-dimensjonale bilder, er det imidlertid en enklere

løsning for å oppnå et to-dimensjonalt bilde av et omfangsrikt legeme (for eksempel flere titalls kubikkmeter) som består i å danne et bilde av en seksjon av legemet som skal undersøkes, i å avsøke legemet ved suksessive bilder av suksessive

seksjoner, og å registrere de forskjellige bilder over en tidsperiode. Denne teknikk er konvensjonell i avbilding.

I dette tilfelle kan legemet som skal undersøkes bevege seg i forhold til sensoren eller kilden, fortrinnsvis i forhold til begge.

En anordning ifølge oppfinnelsen kan brukes til å oppnå et bilde av en tett gjenstand som presenterer en tykkelse på over en centimeter metall mot passering av nøytrale partikler, og den kan brukes med legemer av jern og stål som presenterer en tykkelse på opptil 60 centimeter.

Anordningen kan således benyttes til å lage bilder av tette omfangsrike gjenstander så som containere.

I denne type anvendelser er det beleilig å bruke Røntgen-fotoner eller gamma-fotoner. Deres energi er for eksempel ikke under 50 keV, og ligger fortrinnsvis i området 250 keV til 2 MeV og typisk fra 350 keV til 750 keV.

Det er flere fordeler med en anordning ifølge denne oppfinnelse.

Sensor-effektiviteten er meget høy, ca. 30 % ved utstråling på 400 keV, og gjør det dermed mulig å oppnå et høy-kontrastbilde av et objekt som skal undersøkes. Dessuten er det, takket være denne høye effektivitet, ikke nødvendig å bruke høyenergibestråling, selv for å danne bilder av tette og omfangsrike gjenstander som nevnt ovenfor. Følgelig trengs det bare moderate sikkerhetsforholdsregler for å beskytte mot stråling, og selve kilden, d.v.s. typiske røntgen-generatorer er rimelige både i størrelse og kostnad. Utstrålingsvinkelen for røntgenstråler fra disse generatorene er forholdsvis stor, og dette gjør det mulig å bestråle en forholdsvis stor gjenstand i et forholdsvis lite rom, d.v.s. i en forholdsvis liten installasjon eller bygning.

Utførelsen av oppfinnelsen, og mer spesielt utførelse innrettet for deteksjon av fotoner, er beskrevet nedenfor under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et diagramatisk delsnitt gjennom en sensor brukt i en anordning ifølge oppfinnelsen, for å illustrere prinsippet for sensorens virkemåte.

Fig. 2 viser et utspilt riss av en del av sensoren.

Fig. 3 viser et snitt gjennom en hel sensorenhet.

Fig. 4 viser et utsnitt i perspektiv av en industriell avbildningsinstallasjon med en anordning ifølge oppfinnelsen, og Fig. 5a og 5b viser detaljer av installasjonen på figur 4.

Oppfinnelsen angår en anordning bestående av minst en sensor 1 (vist i sin helhet på figur 3) som omfatter en omformer 2 (se figur 1) og en detektordel bygd opp av et flertall elementer 3, 3', 4, 4', som beskrevet nedenfor.

Sensoren skal detektere og lokalisere nøytrale partikler som bestråler den, så som Røntgen-fotoner, gamma-fotoner eller nøytroner. Den gjennomsnittlige utbredelsesretning for disse partikler, illustrert med en bølget linje på figur 1, antas å være i hovedsak fast i forhold til sensoren, i det minste under deteksjon. Partiklene antas å forplante seg i en flate i rett vinkel med planet for figur 1, hvor flaten skjærer figur l's plan i hovedsak langs den bølgede linje.

Omformeren 2 er av et materiale med høyt atomnummer, for eksempel tantal, plassert i en liten vinkel med de nøytrale partiklers utbredelsesretning. Vinkelen alfa mellom platen og utbredelsesretningen kan for eksempel være 1°. På figurene 1 og 3 antas omformeren å strekke seg i et plan i rett vinkel med figurenes plan.

Omformeren kan for eksempel være 3 0 centimeter lang (største dimensjon vist på figurene 1 og 3), 16 centimeter bred (dimensjon i tilnærmet rett vinkel med planet for figurene 1 og 3), og 70 mikrometer tykk.

Skjønt ikke vesentlig er det bekvemt å bruke en plan omformerplate. Hvis omformerplaten ikke er tilstrekkelig stiv kan den limes på en stiv støtteanordning, men dette vil bevirke et effektivitetstap på 20 % til 50 % på grunn av at elektronene ikke blir detektert i et av de to halvrommene.

Som vist på figur 1, jo mindre vinkelen alfa er jo lengre avstand må en innkommende partikkel bevege seg gjennom omformeren for en gitt platetykkelse.

For en vinkel alfa på 1° og en platetykkelse på 70 mikrometer blir denne avstand ca. 4000 mikrometer, d.v.s. 4 mm.

På hver side av omformeren 2 er det et nettverk av ledende tråder 3 og 3', hver med en påtrykt spenning som er forskjellig fra spenningen på omformeren 2.

Nettverkledningene 3 og 3' kan for eksempel ligge på jordpotensial, mens omformeren har en negativ spenning på 2 -

3 kV.

Omformeren reagerer på virkningen av innkommende nøytrale partikler på grunn av fotoelektrisk effekt, Comptoneffekt, eller par-dannelse, ved å frigjøre minst ett primærelektron e<-1 >som kan ionisere gassen og danne elektron/ion-par. Sekundærelektronene e~<2> som dannes på denne måten blir, på grunn av sin elektriske ladning, trukket mot ett av de to nettverkene 3 og 3' hvor de vil danne ytterligere sekundær-elektroner e~<2>.

I den aktuelle fagterminologi blir de ladede partikler, spesielt sekundærelektroder som samler seg på anoden, ofte kalt "ladninger".

Mens vinkelen alfa mellom de innkommende partikler og omformeren 2 er liten, kan emisjonsvinkelen for elektronene e~<2 >i forhold til omformeren være tilnærmet lik 90°, slik at den banen elektronene følger inne i omformerplaten før de fjernes fra denne er meget kort i forhold til den effektive tykkelse på 4 mm som omformerplaten oppviser overfor innkommende stråling.

Nettverkene av anodeledninger 3 og 3' bevirker at signalet forsterkes ved multiplikasjon av ladningene på grunn av Townsends lavine-effekt, og de tjener også til å lokalisere en ladning som blir mottatt på denne måte. Trådene er plassert på hver side av omformerplaten 2 og strekker seg i plan som er parallelle med denne, d.v.s. plan i rett vinkel med planet for figur 1.

Trådene i nettverkene 3 og 3' er også parallelle med projek-sjonen av partiklenes gjennomsnittlige utbredelsesretning på planet for platen 2. Siden denne gjennomsnitts-retning i figur 1 svarer til den bølgede linje, vil en projeksjon av denne retning på platen 2 i figur 1 falle sammen med nedre kant av det langstrakte rektangel som representerer høyre tverrsnitt av den nevnte plate, og trådene i nettverkene 3 og 3' strekker seg parallelt med den nevnte projeksjon.

Alle trådene i nettverkene 3 og 3' ligger på samme potensial, men hver tråd i hvert nettverk er elektrisk isolert fra de øvrige trådene i samme nettverk. Derimot kan hver tråd i hvert nettverk (som vist på figur 1) være forbundet med den tråd i det andre nettverk som ligger i en symmetrisk stilling i forhold til omformerens plan, slik at det dannes et par detektortråder. Hvert slikt par av detektortråder er forbundet med en separat elektronisk detektorkanal, vist som en forsterker 5. Hver kanal forsterker den elektriske strøm som svarer til ladningen e~ tatt opp fra det tilsvarende ledningpar. Settet elektroniske kanaler leverer således et sett elektriske signaler som representerer et bilde av intensitetsfordelingen av nøytrale partikler i en retning i rett vinkel med figur l<*>s plan.

Disse signalene blir brukt, som kjent blant fagfolk på området, til å frembringe et video-bilde.

Sensorens detektordel omfatter yttterligere to plane elektroder 4 og 4' som er anbrakt parallelt med omformeren 2 og nettverkene 3 og 3', og på motsatte sider av nettverkene 3 og 3' fra omformeren. Disse tilleggselektrodene er lagt på samme elektriske potensiale som omformeren, i dette tilfelle 2

- 3 kV negativ.

Skjønt det ikke er vesentlig, vil disse tilleggselektrodene gi bedre multiplisering og oppsamling av ladninger, og det vil også motvirke de elektrostatiske krefter som virker på anodeledningene i nettverkene 3 og 3', som ellers kunne bøye disse ledningene og endre sensorens funksjon. Figur 2 gir et bedre tre-dimensjonalt bilde av omformer/detektor-enhetens oppbygning. Figur 2 viser omformerplaten 2 i midten, og i denne ut-førelsen består omformeren av en tantal-plate med dimensjonene 30 cm x 16 cm x 70 mikrometer.

Denne platen er strukket mellom to rektangelformede rammer 6 og 7, 1,5 mm tykke.

Rammen 7, som er den nedre ramme på figur 2, er uten kant på den side av omformeren som mottar de nøytrale partikler, som vist med piler. Denne kanten er erstattet med et langstrakt element 7a, laget av et materiale som er mer gjennomtrengelig for nøytrale partikler enn stål. Elementet kan for eksempel fremstilles av glassfiberarmert epoxy.

På hver side av enheten 2-6-7-7a som utgjør omformeren og dens rammer, er det to plater 8 og 9 som understøtter anodetrådene, for eksempel 3a, i nettverkene 3 og 3'. For å forenkle tegningen er ikke nettverket 3 vist på figur 2.

Platene 8 og 9 er lengre enn rammene 6 og 7, og er laget av et stivt, isolerende materiale som er gjennomtrengelig for de nøytrale partikler. Glassfiberarmert epoxy av den typen som benyttes til fremstilling av trykte kretskort, passer utmerket.

Hver plate 8 og 9 er 1,5 mm tykk, og er gjennomskåret av et tilsvarende vindu 8a eller 9a av mindre størrelse enn rammene 6 og 7.

Anodeledningene, for eksempel 3'a i nettverket 3' er strukket over den øvre overflate (som vist på figur 2) av platen 8 ovenforjvinduet 8a.

Disse trådene kan være laget av for eksempel rustfritt stål eller forgylt wolfram, og er ca. 50 mikrometer i diameter. De er strukket parallelt med hverandre med en innbyrdes avstand på for eksempel 2,5 mm.

Disse trådene er festet til platen 8 på en passende måte, for eksempel punktsveising 10.

Trådene er elektrisk isolert fra hverandre ved den meget høye resistivitet i platen 8 og er koblet til separate kontakter i koblingselementet 11 som er festet til enden av platen 8.

i

De to trådene langs de respektive kanter av vinduet 8a har større diameter enn de øvrige ledninger, for eksempel 70 mikrometer, og er ikke forbundet med koblingselementet 11. Dette trekk er for enkelhets skyld ikke vist på figur 2, men det tjener til åjdanne et konstant elektrisk felt for alle anodetråder som ér forbundet med koblingselementet 11.

Trådene i nettverket 3 på platen 9 er laget på samme måte, og er plassert symmetrisk om planet for omformeren 2. Med andre ord, i i forhold til figur 2 er trådene i nettverket strukket over den skjulte overflate av platen 9.

Den eneste forskjell ligger i forbindelsene til tråd-nettverkene 3 og 3'.

Som vist på figur 2 er for eksempel platen 9 kortere enn platen 8, og tråder så som 3a og 3b i nettverket 3 er separat forbundet med ledningene 3'a, 3'b i nettverket 3' som innehar symmetriske posisjoner om planet for omformerplaten 2 i nærheten av det punkt hvor ledningene fra nettverket 3' er forbundet med koblingselementet 11. Skjønt koblingselementet 11 er montert på platen 8 tjener det således også som forbindelsespunkter for ledningene fra nettverket 3 montert på platen 9.

Tilleggselektrodene 4 og 4' er symmetrisk anbrakt på hver side av den ovenfor beskrevne enhet 2-6-7-8-9, i en avstand fra de tilsvarende nettverk 3 og 3' som er fastsatt til 3 mm ved avstandsstykkene 12a, 12b, 13a og 13b.

Tilleggselektrodene kan for eksempel være laget av rustfrie stålplater, og de er også kalt "katoder" på grunn av deres negative elektriske forspenning, en av hvis funksjoner er å returnere elektroner som er revet løs fra omformeren tilbake til anodetrådene i nettverkene 3 og 3'.

Ovenfor katoden 4' (som vist på figur 2) er det en isolerende plate 14 hvis isolerende funksjon kan lettere forstås ved henvisning til figur 3.

Endelig er et avstandsstykke 15 anbrakt mellom platene 8 og 9 for å hindre relativ bevegelse mellom disse platene.

Stabelen som er beskrevet under henvisning til figur 2 er sammenmontert på en eller annen passende måte, for eksempel ved en nylonskrue som går gjennom de stablede elementene og klemmer dem sammen.

Hele enheten er montert på en brakett 16 (se figur 3) hvor platen 14 isolerer katoden fra braketten i tilfelle braketten er laget av metall.

Braketten 16 er festet på en eller annen passende måte, for eksempel ved boltene 17 til basen 18a av et gasstett kammer 18.

Kammeret 18 består i hovedsak av en rektangulær boks 18b som er festet til basen 18a ved hjelp av passende deler så som boltene 19a, 19b og mutrene 20a, 20b med en pakning 21 som sikrer at kammeret virkelig er gasstett.

Kammeret er laget av et materiale som er gjennomtrengelig for nøytrale partikler og som er mekanisk sterkt, for eksempel aluminium.

På figur 3 betegner tallet 22 den langsgående symmetri-akse for den ytre rektangulære form av kammeret 18.

Linjene hvor aksen passerer gjennom basen 18a og forkanten av boksen 18b kan lett bestemmes ved enkle lengde-målinger.

For å orientere omformeren riktig i forhold til innkommende stråling, når omformeren ikke lenger er synlig på grunn av at den ligger inne i kammeret 18, holder braketten 16 omformeren 2 i en i spesiell orientering i forhold til referanseaksen 22 og denne orientering tilsvarer den ønskede skråningsvinkel av omformeren i forhold til de nøytrale partiklers gjennomsnittlige utbredelsesretning.

Den bærende overflate av braketten 16 for stabelen som er beskrevet under henvisning til figur 2 skulle med andre ord danne en vinkel alfa på 1° med aksen 22 slik at omformeren 2 kan bli korrekt orientert om en akse i rett vinkel med planet for figur 2 ved å bringe aksen 22 på linje med den gjennomsnittlige retning av partiklenes utbredelse.

Kammeret 18 kan så bli orientert ved å rotere det rundt aksen 22 slik at forkanten av omformeren 2 nær rammeelementet 7a er parallelt med det gjennomsnittlige plan av en flat stråle 23 av innkommende partikler. Dette gjennomsnittlige plan og forkanten av omformeren er da i rett vinkel med planet for figur 3.

Den flate strålen 23 av nøytrale partikler er definert ved et langt spor, 24 i en kollimator 25 som for eksempel kan bestå av ledningsskjerming, hvor sporet er 5 mm bredt og 16 cm langt. I figur 3 er den lange retningen av sporet 24 i rett vinkel med figurens plan, og linjen hvor det gjennomsnittlige plan av den flate strålen 23 skjærer omformeren 2 før en linje 26 som er i rett ivinkel med planet for figur 3, og befinner seg omtrent halvveis langs omformeren.

Basen 18a av kammeret 18 omfatter et flerkontakts koblingselement 24 som benytter gasstette gjennomføringer for kontaktpinnene. Hvert forbindelsespunkt på forbindelses-elementet 11 er forbundet med en av pinnene i koblingselementet 27 inne i kammeret 18, og utenfor kammeret er hver pinne forbundet med den tilsvarende elektroniske behandlingskanal;

Basen 18a omfatter også en ventil 28 for å fylle kammeret

med en passende gass til et ønsket trykk.

Man bør velge en inert gass, for eksempel argon, sammen med en liten mengde av et fleratomig molekyl så som isobutan, etan, alkoholdamp, methylal eller en blanding av alkohol og karbondioksyd.

Trykket justeres til en verdi som ligger i området 5.IO<3 >til 6.IO<6> pascal, og i den beskrevne utførelsen er trykket justert til IO<5> pascal.

For å unngå konsekvenser på grunn av aldring av gassen er det også mulig å anordne to åpninger i kammeret, begge i likhet med ventilen 28, slik at man får en kontinuerlig strøm og/eller fornyelse av gassen i kammeret.

Endelig omfatter basen 18a en forseglet gjennomføring for en elektrisk kabel 30.

Denne kabelen er utvendig isolert, og tjener til å for-binde omformeren 2 og katodene 4 og 4' med et negativt elektrisk forspenningspotensial på omkring 2 kV til omkring 3 kV i dette eksempel.

De elektriske ledningene i kabelen er forbundet for eksempel med sidekontakter (ikke vist) på omformeren og katodene.

Valget av forspenningspotensial avhenger av avstanden mellom anodeledningene i nettverkene 3 og 3' og omformeren 2, av gasstrykket inne i kammeret, av den ønskede forsterknings-faktor for Townsend-lavinen, og av anodeledningenes diameter. Den valgte spenning er med fordel omkring en volt pr. millimeter pr. torr (hvor 1 torr er tilnærmet 1,3 x 10<2 >pascal).

Figur 4 viser en installasjon som benytter en anordning ifølge oppfinnelsen.

Anordningen omfatter en ramme 31 påmontert et flertall av sensorer av den typen som er vist på figur 3, og kan for eksempel ha omkring 30 sensorer (se figur 5A).

En kilde 32 for nøytrale partikler, for eksempel en

røntgen-generator, en lineær akselerator eller en isotop-kilde (for eksempel kobolt 60) er anbrakt i en avstand fra rammen 31 for å utstråle partikler mot sensorene, eller i det minste mot

noen av dem.

Rammen 31 er av en omsluttende form, og kan for eksempel

i

være L-formet eller halvsirkel-formet, og avstanden mellom rammen og kilden kan være så meget som flere meter, slik at man tillater en forholdsvis stor gjenstand, så som en trailer eller en container 33 å bli anbrakt mellom kilden og sensorene. Gjenstanden antas å bevege seg med konstant hastighet i pilens retning.

En avbildningsinstallasjon 34 beskyttet fra kilden 32 via en vegg 35 mottar et strømsignal fra hver av kontaktpinnene 27 på hver av sensorene 1 montert på rammen 31, hvilke signaler kan efter valg bli forsterket av forsterkere, så som forsterkeren 5. Disse signalene representerer bestrålings-intensiteten av nøytrale partikler som detektert med par av anodeledninger som 3a og 3'a forbundet med tilsvarende kontaktpinne efter at bestrålingen er passert gjennom gjenstanden 33.

Hvert av disse signalene representerer således den grad med hvilken bestråling fra kilden blir absorbert av

i

gjenstanden 3 3 vinder undersøkelse langs en meget presis retning, og representerer derfor beskaffenheten og massen av det materiale gjennom hvilket strålingen har passert.

Strømsignalene blir individuelt integrert over et kort tidsintervall, for eksempel 2 0 millisekunder, og blir så omformet til digitale sampler som blir lagret i en hukom-melseskrets. De digitale sampler som angår samme integrasjons-periode tilsvarer således et bilde av den seksjon av gjenstanden 33 som blir bestrålet under den nevnte periode. Settet av lagrede digitalsampler som tilsvarer settet av integrasjonsperioder som det tar for hele gjenstanden 33 å passere gjennom installasjonen, kan således bli brukt med konvensjonell teknikk til å konstruere et to-dimensjonalt bilde av gjenstanden.

I praksis kan det være fordelaktig, som vist på figur 5A, å lage to bilder av gjenstanden 33 for å dekke alle vinkler, og også for å oppnå et stereoskopisk bilde.

Dette kan bli gjort ved å forskyve kilden 32 mellom to bilder (eller ved å bruke en første kilde og en annen kilde) og ved å rette sensorene mot den rette kilde i hvert tilfelle.

For disse formål kan sensorene 1 være roterbart montert på rammen rundt en akse i rett vinkel med planet for figuren 5A, slik at det er mulig å peke mot den ene eller den andre av to mulige kilde-posisjoner.

Figur 5A viser en detalj ved 36 som er utelatt fra figur 4 for enkelhets skyld.

Henvisningen 36 betegner en kollimator, for eksempel en blyplate med et langstrakt spor i planet for figur 5A, for å begrense utstrålingen av nøytrale partikler til en flat stråle hvis gjennomsnittlige plan tilsvarer det gjennomsnittlige plan av rammen og er parallelt med planet for figur 5A, og hvis tykkelse er tilnærmet den samme som tykkelsen av rammen 31.

Figur 5B er et riss sett langs pilene BB på figur 5A.

Denne figur viser løsningen på et problem som oppstår når man implementerer avbildningsmetoden som er illustrert på figur 5A.

Det er uunngåelig at hver sensor strekker seg lengre i en retning i rett vinkel med planet for figur 3 enn bredden av omformeren inne i sensoren. Resultatet er at det er umulig å anbringe sensoren langs en enkel rekke (fra høyre til venstre på figur 5B) og å møte hele den flate strålen som utstråles fra kilden 32 og kollimatoren 36 over hele dens utstrekning i dens gjennomsnittlige plan.

Dette problemet er løst ved å anbringe sensoren 1 i et forskjøvet arrangement på rammen, som vist på figur 5B.

Bruk av en tantal-omformer med en tykkelse på 100 mikrometer, en avstand på 2,5 millimeter fra omformer til anodetråd, en avstand på 3 meter fra kilden til sensoren, og en røntgen-generator som opererer med 4 00 keV og 10 milli-ampere vil ved bruk av 4 cm stål mellom kilden og sensoren føre til en strøm på 6.10~<6>A på anodetråden, og med 14 cm stål mellom kilden og sensor til en strøm på omkring 3.10~<9>A.

Som vil være åpenbart for fagfolk på området, er det mange anvendelser for en anordning ifølge oppfinnelsen, som ikke er begrenset til anvendelser spesielt illustrert på

figurene 4 og 5.

Nærmere bestemt, oppfinnelsen kan også anvendes i tomografi og scintigrafi ved bruk av røntgen-, gamma-, nøytron- eller positronstråling.

I alle tilfelle vil den høye effektiviteten av en sensor ifølge oppfinnelsen gjøre det mulig å oppnå et godt bilde uten bruk av store stråledoser.

Oppfinnelsen kan også bli brukt i anvendelser for hvilke avsøkning ikke er nødvendig, for eksempel til å oppnå et en-dimensjonalt diffraksj ons-røntgenbilde.

Claims (27)

1. Anordning for deteksjon og lokalisering av nøytrale partikler så som Røntgen-fotoner, gamma-fotoner og nøytroner, hvor anordningen omfatter minst en sensor i form av et gassfylt kammer som er gjennomtrengelig for de nevnte nøytrale partikler og som inneholder minst en omformer som er i stand til å utstråle ioniserende partikler når den treffes av de nevnte nøytrale partikler for å frembringe ladede partikler ved å ionisere gassen, sammen med en detektordel som er elektrisk polarisert i forhold til den nevnte omformer på en slik måte at den tiltrekker seg de nevnte ladede partikler med tilstrekkelig styrke til å frembringe et lavinefenomen, idet partiklenes utbredelse i forhold til den nevnte sensor følger en bestemt gjennomsnittlig retning og idet omformeren omfatter en plate av et fast materiale i en vinkel på mindre enn 10° med den nevnte gjennomsnittlige partikkel-utbredelsesretning, karakterisert ved at detektordelen (3) omfatter et nettverk av elektrisk ledende, langstrakte detektorelementer som er i hovedsak parallelle med hverandre og med omformerplaten, og som er forbundet med kretser (5) for å utforme et en-dimensjonalt bilde som tilsvarer intensitetsfordelingen av nøytrale partikler langs en retning i rett vinkel med projeksjonen av partiklenes gjennomsnittlige utbredelsesretning på omformerplatens plan.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at de langstrakte detektorelementene er tråder som er elektrisk isolert fra hverandre og som blir holdt stramme parallelt med projeksjonen av den nevnte gjennomsnittlige partikkel-utbredelsesretning på omformerplatens plan.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at omformeren inneholder et materiale hvis atomnummer ikke er mindre enn 25.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at omformeren inneholder et materiale som har en effektiv interaksjons-seksjon med nøytrale partikler på ikke mindre enn en millibarn.

5. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at omformeren har en tykkelse på ikke over 2 millimeter og er i en vinkel på ikke mer enn 5° med den gjennomsnittlige retning av partikkelutbredelsen.

6. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at omformeren er en plate av tantal med en tykkelse på ikke mer enn 2 00 mikrometer og i en vinkel på ikke mer enn 2° med den gjennomsnittlige retning av partikkelutbredelsen.

7. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at avstanden mellom to nærliggende tråder og avstanden mellom hver tråd og omformeren er mindre enn 15 millimeter.

8. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at detektordelen også omfatter ytterligere en plan elektrode på i det vesentlige samme elektriske spenning som omformerplaten, og som er anbrakt parallelt med denne på motsatt side av tråd-nettverket.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at detektordelen omfatter et trådnettverk og en tilleggselektrode på hver side av omformeren.

10. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at gasstrykket i kammeret er mindre enn IO<6> pascal.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved at den elektriske potensialforskjellen mellom detektordelen og omformeren er mindre enn 30 kV.

12. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en brakett som holder omformeren og detektordelen i en vinkel som, i forhold til en referanseakse beslektet med kammerets utvendige form, gjør det mulig å oppnå den ønskede orientering av omformeren i forhold til den gjennomsnittlige utbredelsesretning for nøytrale partikler ved å rette referanseaksen i den nevnte retning.

13. Anordning ifølge krav 1, innrettet for å motta nøytrale partikler fra minst en kilde som befinner seg i avstand fra sensoren eller sensorene, karakterisert ved at sensoren eller hver sensor er orientert mot retningen av aksen mellom sensorer og kilder, idet denne aksen definerer den gjennomsnittlige retning for utbredelse av nøytrale partikler mot sensoren.

14. Anordning ifølge krav 13, karakterisert ved at den omfatter minst en kollimator for nøytrale partikler forbundet med en tilsvarende sensor, hvor kollimatoren har et spor for å begrense strålen av partikler som mottas fra kilden til en flat stråle sentrert på den gjennomsnittlige utbredelsesretning, hvilken flat stråle møter planet for sensorens omformer i hovedsak i rett vinkel med den gjennomsnittlige utbredelsesretning.

15. Anordning ifølge krav 13, karakterisert ved at kilden er en kilde for X-fotoner eller gamma-fotoner med en energi på ikke mindre enn 50 keV.

16. Anordning ifølge krav 13, karakterisert ved at den omfatter en ramme på hvilken et flertall sensorer er montert.

17. Anordning ifølge krav 16, karakterisert ved at sensorene er anbrakt i en forskjøvet konfigurasjon på rammen slik at deres respektive omformere tilsammen mottar hele den flate stråle av nøytrale partikler fra kilden.

18. Anordning ifølge krav 16, karakterisert ved at rammen er av en omsluttende form, for eksempel L-form, U-form eller en bue, hvor kilden er anbrakt i en avstand fra rammen, innenfor den nevnte omsluttende form.

19. Anordning ifølge krav 16, karakterisert ved at sensorene er roterbart montert på rammen slik at de er i stand til å peke mot minst to kilder for nøytrale partikler eller minst to mulige posisjoner for en enkelt kilde.

20. Anvendelse av en anordning som angitt i krav 1 eller krav 2 for å oppnå et bilde av i det minste en del av et legeme bestrålt med de nøytrale partikler.

21. Anvendelse ifølge krav 20, hvor de nøytrale partikler bestråler et legeme som er bevegelig i forhold til strålings-kilden, i forhold til en sensor, eller til begge.

22. Anvendelse ifølge krav 21, hvor de nøytrale partikler bestråler et legeme som oppviser en tykkelse på minst to centimeter metall i passerings-retningen for de nøytrale partikler.

23. Anvendelse ifølge krav 21, hvor de nøytrale partikler bestråler et legeme med et volum på ikke mindre enn lm<3>.

24. Anvendelse ifølge krav 21, hvor de nøytrale partikler bestråler et legeme som er en container.

25. Anvendelse ifølge krav 21, hvor det som nøytrale partikler benyttes Røntgen-fotoner eller gamma-fotoner.

26. Anvendelse ifølge krav 20, hvor det benyttes nøytrale partikler med energi i området 25 keV til 2 MeV.

27. Anvendelse ifølge krav 20, hvor det benyttes nøytrale partikler med energi i området 350 keV til 750 keV.