RU2603129C2

RU2603129C2 - Детектор излучения, в частности электромагнитного излучения большой мощности

Info

Publication number: RU2603129C2
Application number: RU2014152033/07A
Authority: RU
Inventors: Ирина Михайловна Астафьева; Оливер ХАЙД; Тимоти ХЬЮЗ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2016-11-20
Also published as: RU2014152033A; JP2015525346A; JP6109304B2; CN104350576B; CN104350576A; WO2013184020A1; US9594171B2; US20150338527A1; EP2834833A1

Abstract

Изобретение относится к детектору излучения, в частности электромагнитного излучения большой мощности. Детектор содержит секцию преобразования, включающую катод (3), для преобразования излучения (Р), падающего на секцию преобразования, в электроны (Е) с помощью фотоэлектрического эффекта. Детектор дополнительно включает газовый электронный умножитель (4) для создания электронной лавины из электронов (Е), которые создаются в секции преобразования и входят в газовый электронный умножитель (4), при этом газовый электронный умножитель (4) содержит первый электрод (5), диэлектрический слой (6) и второй электрод (7), при этом первый электрод (5) расположен на первой стороне диэлектрического слоя (6) вблизи секции преобразования, и второй электрод (7) расположен на второй стороне диэлектрического слоя (6), противоположной первой стороне. Газовый электронный умножитель (4) содержит несколько отверстий (9), заполненных газом, при этом указанные отверстия (9) проходят через первый электрод (5), диэлектрический слой (6) и второй электрод (7). Кроме того, детектор включает детекторный анод (8) вблизи второго электрода (7) для обнаружения лавины электронов. Детекторный анод (8) проходит у каждого отверстия (9) газового электронного умножителя (4) от второго электрода (7) над отверстием (9) так, что отверстие на одной стороне полностью закрыто детекторным анодом (8). Положение детекторного анода (8) смещено вниз относительно плоскости второго электрода (7), причем одно или более отверстий (9) проходят через детекторный анод (8). Технический результат - повышение точности измерения. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к детектору излучения, в частности электромагнитного излучения большой мощности.

Для обнаружения излучения из уровня техники известно много различных типов детекторов. Для обнаружения электромагнитного излучения большой мощности широко используются сцинтилляционные детекторы, содержащие сцинтилляторный кристалл и фотоэлектронный умножитель, в различных областях техники, например в медицинском оборудовании с формированием изображения или для геофизических исследований в нефтяной и газовой промышленности. В сцинтилляционном детекторе излучение падает на сцинтилляторный кристалл, преобразующий излучение в свет, падающий на фотокатод. Фотокатод является частью фотоэлектронного умножителя, содержащего множество динодов в стеклянной оболочке. За счет фотоэлектрического эффекта свет, падающий на фотокатод, вызывает эмиссию первичных электронов внутри трубки фотоэлектронного умножителя. Электроны ускоряются в направлении динодов в трубке, что приводит к образованию каскадов вторичных электронов, которые обнаруживаются в качестве выходного сигнала. Сцинтилляционные детекторы являются относительно громоздкими за счет трубки фотоэлектронного умножителя, которая имеет длину несколько сантиметров. Кроме того, пространственное разрешение этих детекторов относительно низкое.

Другой тип детектора, известного из уровня техники, относится к так называемым газовым электронным умножителям, в которых электроны, создаваемые за счет фотоэлектрического эффекта, входят в соответствующие отверстия, заполненные газом. Внутри отверстий имеется сильное электрическое поле, ускоряющее входящие в отверстия электроны, что приводит к образованию вторичных электронов за счет соударения электронов с атомами/молекулами газа. Таким образом, создается лавина электронов.

Детектор излучения, включающий газовый электронный умножитель, раскрыт в патенте US 6011265. В этом детекторе анод детектора, расположенный на расстоянии от газового электронного умножителя, используется для обнаружения электронной лавины. Газовый электронный умножитель содержит изолирующий материал с соответствующими отверстиями в нем и два электрода, расположенных на изолирующем материале, которые создают электрическое поле внутри отверстий. Недостатком детектора является то, что не все электроны лавины электронов могут быть обнаружены с помощью анода детектора, поскольку некоторые электроны разряжаются на электроде газового электронного умножителя вблизи анода детектора.

Задачей изобретения является создание детектора излучения компактного размера, который обеспечивает возможность точного измерения.

Эта задача решена с помощью детектора согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Детектор согласно изобретению предназначен для обнаружения излучения и, в частности, электромагнитного излучения высокой энергии. Здесь и в последующем под электромагнитным излучением высокой энергии понимается излучение от 10 кэВ до 100 МэВ и больше, в частности к рентгеновскому излучению и гамма-излучению.

Детектор согласно изобретению содержит секцию преобразования, включающую катод. Эта секция преобразует подлежащее обнаружению излучение, падающее на секцию преобразования, в электроны с помощью фотоэлектрического эффекта. Кроме того, детектор включает газовый электронный умножитель для создания лавины электронов, которые создаются в секции преобразования и входят в газовый электронный умножитель. Газовый электронный умножитель включает первый электрод, диэлектрический слой и второй электрод. Первый электрод и второй электрод предпочтительно выполнены из меди. Кроме того, диэлектрический материал предпочтительно выполнен из каптона. Первый электрод расположен на первой стороне диэлектрического слоя вблизи секции преобразования, и второй электрод расположен на второй стороне диэлектрического слоя, которая противоположна первой стороне. Газовый электронный умножитель содержит несколько отверстий и, в частности, множество отверстий, заполненных газом (например, неоном), при этом указанные отверстия проходят через первый электрод, диэлектрический слой и второй электрод. Дополнительно к этому, детектор содержит анод детектора вблизи второго электрода для обнаружения лавины электронов.

Детектор согласно изобретению характеризуется тем, что детекторный анод проходит у каждого отверстия от второго электрода над отверстием так, что отверстие полностью закрыто на одной стороне детекторным анодом. Изобретение основывается на понимании того, что за счет закрывания отверстий газового электронного умножителя детекторным анодом не теряются электроны электронной лавины за счет разряда на втором электроде. Поэтому может быть достигнуто более точное измерение излучения с помощью детектора. Кроме того, детектор согласно изобретению имеет намного более компактный размер по сравнению со сцинтилляционными детекторами с трубками фотоэлектронного умножителя, поскольку толщина газового электронного умножителя обычно лежит в диапазоне нескольких микрон по сравнению с несколькими сантиметрами фотоэлектронного умножителя. Кроме того, пространственное разрешение газового электронного умножителя может быть значительно выше по сравнению со сцинтилляционными детекторами, включающими трубки фотоэлектронного умножителя.

В одном частном варианте выполнения детектора секция преобразования содержит фотокатод и сцинтилляционный материал, например NaI (Tl), расположенный на стороне фотокатода, обращенной к входящему в секцию преобразования излучению. Сцинтилляционный материал преобразует падающее излучение в свет. Фотоны этого света вызывают эмиссию электронов из фотокатода за счет фотоэлектрического эффекта. В результате, фотокатод может быть расположен вблизи отверстий газового электронного умножителя, что уменьшает размер детектора. Однако, в одном варианте выполнения, секция преобразования может содержать обычный катод и газовый объем, так что излучение проходит через катод и вызывает эмиссию электронов из атомов/молекул газа в газовом объеме за счет фотоэлектрического эффекта.

Фотокатод в указанном выше варианте выполнения может быть расположен, например, непосредственно на первом электроде (т.е. в контакте с ним). Однако может иметься также зазор, заполненный газом, между фотокатодом и первым электродом.

В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения детекторный анод и второй электрод образуют интегральный электрод, что упрощает конструкцию детектора.

В другом варианте выполнения изобретения детекторный анод проходит у одного или более отверстий и, в частности, у каждого отверстия в плоскости или параллельно плоскости второго электрода.

В другом варианте выполнения детекторный анод имеет одно или более отверстий и, в частности, у каждого отверстия имеет U-образное поперечное сечение вдоль плоскости, перпендикулярной второму электроду. Кроме того, детекторный анод может иметь одно или более отверстий и, в частности, у каждого отверстия полуэллиптическое поперечное сечение. За счет использования U-образного или полуэллиптического поперечного сечения увеличивается детекторная поверхность анода.

Отверстия в газовом электронном умножителе могут иметь различные формы. В одном варианте выполнения по меньшей мере одно отверстие и, в частности, каждое отверстие имеет цилиндрическую форму. В другом варианте выполнения по меньшей мере одно отверстие и, в частности, каждое отверстие имеет форму усеченного конуса от первого электрода в направлении второго электрода. Кроме того, по меньшей мере одно отверстие и, в частности, каждое отверстие могут иметь форму усеченного конуса от первого и второго электрода в направлении внутреннего пространства отверстия.

Для достижения высокого пространственного разрешения максимальный диаметр каждого отверстия составляет между 10 и 100 мкм, и/или расстояние между центрами соседних отверстий на виде сверху на первый электрод составляет между 10 и 100 мкм.

Детектор согласно изобретению можно использовать в различных областях техники. В одном предпочтительном варианте выполнения детектор является детектором для обнаружения излучения в медицинском устройстве, в частности в компьютерном томографе. Другими словами, изобретение относится также к компьютерному томографу, содержащему детектор согласно изобретению. Кроме того, детектор согласно изобретению можно использовать в каротажном устройстве, используемом для регистрации геологической формации, через которую проходит скважина. Поэтому изобретение относится также к каротажному устройству, включающему указанный выше детектор. Изобретение можно использовать также в других областях техники. Например, детектор согласно изобретению можно использовать в ядерной физике для изучения спектров радиоактивных нуклидов, для измерения времени существования атомных ядер, в геологии (анализ радиоактивности, поиск минералов, определение возраста породы), в биологии, дефектоскопии и т.п.

Ниже приводится описание вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - разрез ячейки детектора излучения высокой энергии согласно одному варианту выполнения изобретения;

фиг. 2 - разрез по линии II-II на фиг. 1 детектора, имеющего множество ячеек, показанных на фиг. 1;

фиг. 3 - разрез части ячейки детектора согласно второму варианту выполнения изобретения;

фиг. 4 - разрез части ячейки детектора согласно третьему варианту выполнения изобретения; и

фиг. 5 - разрез части ячейки детектора согласно четвертому варианту выполнения изобретения.

Ниже приводится описание изобретения применительно к сцинтилляционному детектору, включающему множество ячеек для обнаружения электромагнитного излучения высокой энергии и, в частности, рентгеновского излучения и/или гамма-излучения.

На фиг. 1 показана в разрезе ячейка детектора согласно первому варианту выполнения изобретения. Детектор включает сцинтилляционный материал 1, который преобразует подлежащее обнаружению излучение высокой энергии (обозначено стрелкой Р1) в свет (обозначен стрелкой Р2), т.е. в электромагнитное излучение с другой длиной волны, чем падающее излучение. В зависимости от сцинтилляционного материала, свет, создаваемый в материале, может лежать внутри видимого спектра или в спектре, соседнем с видимым спектром. В предпочтительном варианте выполнения используется NaI (Tl) (иодид натрия, активированный таллием) в качестве сцинтилляционного кристалла. Оптически прозрачное окно 2 (предпочтительно выполненное из соответствующего стекла) расположено у дна этого сцинтилляционного кристалла.

Создаваемый в сцинтилляционном кристалле свет достигает через оптическое окно 2 фотокатод 3, в результате чего за счет фотоэлектрического эффекта из фотокатода эмитируются электроды Е. Верхняя часть детектора, содержащая сцинтиллятор 1, оптическое окно 2 и фотокатод 3, представляют вариант выполнения секции преобразования, определенной в пункте 1 формулы изобретения. В другом варианте выполнения эта секция преобразования может иметь другую структуру, например, иметь катод и зазор, заполненный газом, так что фотоэлектрический эффект основан на взаимодействии между излучением, проходящим через катод, и электронами газа в газовом объеме.

Под секцией преобразования на фиг. 1 расположен газовый электронный умножитель 4. Этот умножитель включает первый электрод 5 (предпочтительно выполненный из меди), диэлектрический материал 6 (предпочтительно выполненный из каптона) и второй электрод 7 (предпочтительно выполненный из меди). Цилиндрическое отверстие 9 образовано через электроды 5 и 7 и диэлектрический материал 6. Отверстие заполнено газом, например неоном. Подходящее напряжение (например, 100 В) приложено между первым и вторым электродами, так что существует зона сильного электрического поля внутри отверстия 9. Поэтому электрон Е, входящий в отверстие 9, ускоряется и соударяется с атомами/молекулами газа с образованием вторичных электронов, которые, в свою очередь, соударяются с другими атомами и т.д. В результате, создается электронная лавина. Эта лавина обнаруживается с помощью детекторного анода 8, расположенного на дне отверстия 9. Подходящий электрический потенциал имеется между этим анодом и катодом 3. В противоположность уровню техники, детекторный анод 8 не расположен на расстоянии от второго электрода 7. Вместо этого электрод 7 и детекторный анод 8 образуют интегральный электрод. Это имеет то преимущество, что все электроны лавины, генерированные в отверстии 9, обнаруживаются с помощью детекторного анода 8.

В противоположность этому, в детекторе согласно уровню техники штриховые линии L, показанные на фиг. 1, образуют нижнюю часть электрода 7, где детекторный анод 8 расположен на расстоянии от электрода 7. Вследствие этого не все лавинные электроны достигают детекторного анода 8, поскольку некоторые электроны у края отверстия могут ударяться в дно электрода 7 за счет линий электрического поля, исходящих из электрода 7. Это приводит к ошибкам измерения, поскольку не вся энергия электронной лавины улавливается анодом. Эта проблема решена с помощью показанного на фиг. 1 детектора, поскольку дно отверстия 9 закрыто, так что все электроны электронной лавины обнаруживаются анодом 8. Поэтому показанная на фиг. 1 ячейка детектора обеспечивает более точное измерение энергии и интенсивности падающего излучения.

В показанном на фиг. 1 варианте выполнения фотокатод 3 расположен непосредственно на верхнем электроде 5 (т.е. в контакте с ним). Однако может также существовать небольшой зазор между фотокатодом 3 и электродом 5, так что газ проходит в детекторе между всеми отверстиями 9 газового электронного умножителя 4.

На фиг. 2 показан разрез по линии II-II на фиг. 1 детектора, включающего множество показанных на фиг. 1 ячеек. Как показано на фиг. 2, несколько отверстий 9 выполнены через верхний электрод 5 в детекторе. Для ясности лишь некоторые из соседних отверстий обозначены позицией 9. На фиг. 2 показана лишь часть поверхности обнаружения детектора. Другими словами, детектор включает намного больше отверстий, чем показано на фиг. 2, например несколько тысяч отверстий. Размер детекторной поверхности, включающей отверстия, предпочтительно лежит в диапазоне нескольких сантиметров (например, 10 см × 10 см). Для достижения высокого пространственного разрешения расстояние D между соседними отверстиями предпочтительно лежит в диапазоне нескольких микрон, например между 10 и 100 мкм. Диаметр d отверстий предпочтительно лежит в том же диапазоне, т.е. между 10 и 100 мкм. Пространственное разрешение показанного на фиг. 2 детектора намного выше, чем пространственное разрешение, которое может быть достигнуто с помощью обычных сцинтилляционных детекторов с использованием трубок фотоэлектронного умножителя. Другим преимуществом детектора по сравнению с детекторами, включающими трубки фотоэлектронного умножителя, является то, что размер детектора намного меньше. Протяженность ячейки детектора на фиг. 1 в вертикальном направлении лежит в диапазоне нескольких микрон, в то время как трубка фотоэлектронного умножителя обычно имеет длину в несколько сантиметров.

В показанном на фиг. 1 варианте выполнения анод 8 выполнен в виде плоского электрода, параллельного второму электроду 7. Кроме того, отверстие 9 имеет цилиндрическую форму. Однако возможны различные формы детекторного анода и отверстия, как показано в вариантах выполнения на фиг. 3-5. На этих фигурах показаны поперечные сечения части ячеек детектора, образующих газовый электронный умножитель. Часть ячеек наверху этого умножителя соответствуют структуре, показанной на фиг. 1. На фиг. 3-5 компоненты, соответствующие фиг. 1, обозначены теми же позициями.

На фиг. 3 показан вариант выполнения, в котором отверстие 9 конически сужается от первого электрода 5 в направлении второго электрода 7. Кроме того, детекторный анод 8 лежит в плоскости второго электрода 7, так что с помощью анода 8 и электрода 7 образуется в целом плоский электрод. Показанный на фиг. 3 вариант выполнения имеет очень компактный размер.

На фиг. 4 показан вариант выполнения, в котором отверстие 9 газового электронного умножителя конически сужается как от верхнего электрода 5, так и от нижнего электрода 7 в направлении середины отверстия, где отверстие имеет наименьший диаметр. Кроме того, положение детекторного анода 8 смещено вниз, так что образуется U-образная форма детекторного анода. Этот вариант выполнения увеличивает поверхность обнаружения анода 8, что приводит к улучшенной способности обнаружения. Кроме того, форма отверстия с поверхностями в виде усеченного конуса увеличивает электрическое поле внутри отверстия.

На фиг. 5 показан другой вариант выполнения ячейки детектора. Как и на фиг. 4, отверстие 9 имеет поверхности в виде усеченного конуса. В противоположность фиг. 4, анод 8 имеет полуэллиптическое поперечное сечение, что также приводит к большей площади детекторного анода.

Указанные выше варианты выполнения имеют многие преимущества. В частности, измерения детектора более точные, поскольку не происходит потеря электронов в электронной лавине, создаваемой с помощью газового электронного умножителя. Кроме того, размер детектора намного меньше, а пространственное разрешение намного больше по сравнению со сцинтилляционными детекторами с использованием фотоэлектронного умножителя.

Claims

1. Детектор излучения, в частности электромагнитного излучения большой мощности, содержащий:
- секцию преобразования, включающую катод (3), для преобразования излучения (Р), падающего на секцию преобразования, в электроны (Е) с помощью фотоэлектрического эффекта;
- газовый электронный умножитель (4) для создания электронной лавины из электронов (Е), которые создаются в секции преобразования и входят в газовый электронный умножитель (4), при этом газовый электронный умножитель (4) содержит первый электрод (5), диэлектрический слой (б) и второй электрод (7), при этом первый электрод (5) расположен на первой стороне диэлектрического слоя (6) вблизи секции преобразования, и второй электрод (7) расположен на второй стороне диэлектрического слоя (б), противоположной первой стороне, при этом газовый электронный умножитель (4) содержит одно или более отверстий (9), заполненных газом, при этом указанные отверстия (9) проходят через первый электрод (5), диэлектрический слой (6) и второй электрод (7);
- детекторный анод (8) вблизи второго электрода (7) для обнаружения лавины электронов; при этом детекторный анод (8) проходит у каждого отверстия (9) газового электронного умножителя (4) от второго электрода (7) над отверстием (9) так, что отверстие на одной стороне полностью закрыто детекторным анодом (8),
отличающийся тем, что положение детекторного анода (8) смещено вниз относительно плоскости второго электрода (7), причем одно или более отверстий (9) проходят через детекторный анод (8).

2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что секция преобразования содержит фотокатод (3) и сцинтилляционный материал (1), расположенный на стороне фотокатода (3), обращенной к входящему в секцию преобразования излучению (Р1).

3. Детектор по п. 2, отличающийся тем, что фотокатод (3) расположен непосредственно или с зазором, заполненным газом, на первом электроде (5).

4. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что детекторный анод (8) и второй электрод (7) образуют интегральный электрод.

5. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что детекторный анод (8) проходит у одного или более отверстий (9) и, в частности, у каждого отверстия (9) параллельно плоскости второго электрода (7).

6. Детектор по п. 5, отличающийся тем, что детекторный анод (8) и второй электрод (7) образуют интегральный электрод.

7. Детектор по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере одно отверстие (9) и, в частности, каждое отверстие (9) имеет цилиндрическую форму, или имеет форму усеченного конуса от первого электрода (5) в направлении второго электрода (7), или имеет форму усеченного конуса как от первого электрода (5), так и второго электрода (7) в направлении внутреннего пространства отверстия (9).

8. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что одно или более, в частности, каждое отверстие (9) детекторного анода (8) имеет U-образное поперечное сечение вдоль плоскости, перпендикулярной второму электроду (7).

9. Детектор по п. 7, отличающийся тем, что детекторный анод (8) и второй электрод (7) образуют интегральный электрод.

10. Детектор по п. 8, отличающийся тем, что по меньшей мере одно отверстие (9) и, в частности, каждое отверстие (9) имеет цилиндрическую форму, или имеет форму усеченного конуса от первого электрода (5) в направлении второго электрода (7), или имеет форму усеченного конуса как от первого электрода (5), так и второго электрода (7) в направлении внутреннего пространства отверстия (9).

11. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что детекторный анод (8) имеет у одного или более отверстий (9) и, в частности, у каждого отверстия полуэллиптическое поперечное сечение вдоль плоскости, перпендикулярной второму электроду (7).

12. Детектор по п. 11, отличающийся тем, что детекторный анод (8) и второй электрод (7) образуют интегральный электрод.

13. Детектор по п. 11, отличающийся тем, что по меньшей мере одно отверстие (9) и, в частности, каждое отверстие (9) имеет цилиндрическую форму, или имеет форму усеченного конуса от первого электрода (5) в направлении второго электрода (7), или имеет форму усеченного конуса как от первого электрода (5), так и второго электрода (7) в направлении внутреннего пространства отверстия (9).

14. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере одно отверстие (9) и, в частности, каждое отверстие (9) имеет цилиндрическую форму, или имеет форму усеченного конуса от первого электрода (5) в направлении второго электрода (7), или имеет форму усеченного конуса как от первого электрода (5), так и второго электрода (7) в направлении внутреннего пространства отверстия (9).

15. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что максимальный диаметр каждого отверстия (9) составляет между 10 и 100 мкм, и/или расстояние между центрами соседних отверстий (9) на виде сверху на первый электрод (5) составляет между 10 и 100 мкм.

16. Детектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что детектор является детектором для обнаружения излучения в медицинском устройстве, в частности в компьютерном томографе, или в каротажном устройстве.