SE516126C2 - Detektor för detektering av joniserande strålning, anordning för användning vid radiografi och förfarande för detektering av joniserande strålning - Google Patents

Description

25 5 15 1 25 523 få - ÃÉÉÃÉÉ - ÃÄÉÉÄÉI fokuseringseffekten gör att plasmakanaler får svårare att bildas jämfört med kända utformningar.

Detta och andra syften uppnås med en detektor enligt patentkrav 1.

Men uppfinningen àstadkommes även en detektor som kan arbeta med höga röntgenstràlflöden utan prestandaförsämringar och som har läng livslängd.

Med särdragen enligt patentkrav 1 àstadkommes även en detektor för effektiv detektering av vilken som helst typ av strålning, innefattande elektromagnetisk strålning såväl sonl infallande partiklar, vilka omfattar elementarpartiklar.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en anordning för användning vid radiografi, innefattande detektorn för detektering av joniserande strålning, vilken anordning utnyttjar lavinförstärkning, åstadkommer väldefinierade laviner' och kan tillverkas på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt.

Detta och andra syften uppnàs med en anordning enligt patentkrav 5.

Med iuppfinningen àstadkommes dessuton1 en anordning för användning vid radiografi, innefattande en enkel och billig detektor som uppvisar hög detekteringseffektivitet med avseende pà röntgenstràlar och som uppvisar god energiupplösning med avseende pà röntgenstràlar.

Med uppfinningen àstadkommes även en anordning för användning vid radiografi, innefattande en. detektor soul kan arbeta 'vid höga röntgenstràlflöden utan prestandaförsämringar och som har en làng livslängd. 2382201100; 01-02-01 lO 15 20 25 30 5.16 126 . , n a .- . :...- - ; ... - --~¿,:=- - - ¿" . a. U _ . n Med uppfinningen àstadkommes dessutom ett förfarande för detektering av joniserande strålning, medelst vilket förfarande lavinförstärkning utnyttjas, väldefinierade laviner och fokusering av elektronerna medelst minst en fokuseringselektrod ästadkommes, vilket förfarande kan implementeras pà ett enkelt och kostnadseffektivt sätt.

Detta och andra syften uppnàs med ett förfarande enligt patentkrav 6.

Med uppfinningen àstadkommes även ett förfarande, vilket kan utnyttjas vid höga röntgensträlflöden.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, pà vilken fig 1 àskàdliggör schematiskt i en en detektor för översiktlig vy radiografi, fig 2 är en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av en detektor enligt en första särskild utföringsform av uppfinningen, fig 3 är en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av andra särskild utföringsform av en detektor enligt en uppfinningen, fig 4 är en schematisk tvärsektionsvy av en andra utföringsform av en anod, fig 5 är en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av en detektor enligt en tredje särskild utföringsform av uppfinningen, och fig' 6 är en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av en detektor enligt en fjärde särskild utföringsform av uppfinningen.

Fig 1 är en sektionsvy i ett plan vinkelrätt mot planet för ett plant röntgenstràlknippe 9 till en detektor för radiografi.

En. huvuddel av de infallande röntgenfotonerna detekteras i detektorn 64 som innefattar en omvandlings- och driftvolym 13 23822C.dOC; 01-02-01 10 15 20 25 30 516 126 - samt organ 17 för elektronlavinförstärkning_ Röntgenfotonerna kan tränga in fràn sidan mellan tvà elektrodarrangemang 1, 2, mellan vilka ett elektriskt fält för förflyttning av elektroner och joner i omvandlings- och driftvolymen 13 bildas eller kan alternativt tränga in i. detektorn från vilken som helst riktning inom intervallet O-180°, där O° definieras såsom sammanfallande med den ovannämnda inträngningen fràn sidan.

Detektorn och driften av densamma enligt uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan.

Detektorn 64 innefattar ett första driftelektrodarrangemang, som utgöres av en katodplatta 2, och ett andra driftelektrodarrangemang, som utgöres av en anodplatta 1. De är inbördes parallella och ett mellanrum eller omrâde 13 dem innefattar ett medium, såsom ett emellan joniserbart gasformigt medium, ett vätskeformigt medium eller ett fast medium, som utgöres av en omvandlings- och driftvolym, och ett Alternativt kan organ 17 för elektronlavinförstärkning. plattorna vara icke-parallella.

En spänning pàläggs mellan anodplattan 1 och katodplattan 2, flera pàläggs Detta resulterar j. att och en eller spänningar elektronlavinförstärkningsorganet 17. ett driftfält, sonx orsakar drift av elektroner och joner i mellanrummet 13, och elektronlavinförstärkningsfält i elektronlavinförstärkningsorganet 17. I anslutning till anodplattan 1. finns ett arrangemang eller uppsättning 15 av utläsningselement för detektering av uppkomna elektronlaviner.

Uppsättningen av utläsningselement 15 utgör företrädesvis även Alternativt kan anodelektroden. uppsättningen av utläsningselement 15 vara utformad i anslutning till katodplattan 2 eller elektronlavinförstärkningsorganet 17. Den kan även vara utformad pà den anod- eller katodplatta, som är 23822c .doc; 01-02-01 10 15 20 25 30 516.126 . . . . . . . . . . . -__- _; _ , , . . . . - - - - '- . . 5 skild fràn anod- eller katodelektroden medelst ett dielektriskt skikt eller substrat. I detta fall är det nödvändigt att anod- eller katodelektroden är halvgenomtränglig för inducerade pulser, t ex utformad sàsom remsor eller dynor.

När det gäller röntgensträlar som infaller fràn sidan i detektorn mellan katodplattan 2 och anodplattan 1 kan detektorn pá ett enkelt sätt utformas med en tillräckligt läng växelverkande väg för att tillåta att en huvuddel av de infallande röntgenfotonerna växelverkar och kan detekteras. En kollimator kan utnyttjas. Den skall företrädesvis vara anordnad så att den tunna plana stràlen infaller i detektorn i närheten av elektronlavinförstärkningsorganet 17 och företrädesvis parallellt därmed.

Det gasformiga, joniserbara mediet kan utgöras av en blandning av t ex 90% krypton och 10% koldioxid eller en blandning av t ex 80% xenon och 20% koldioxid. Gasen kan stà under tryck, företrädesvis inonl intervallet 1-20 atm. Av denna anledning innefattar detektorn ett gastätt hus 91 med ett fönster 92 i form av en smal slits, via vilket röntgenstràlarna 9 infaller tillverkat av ett material som i detektorn. Fönstret är släpper igenom strålningen, t ex Mylar®, eller en tunn aluminiumfolie. Detta är en särskilt fördelaktig' ytterligare effekt hos uppfinningen, nämligen detektering av fràn sidan infallande stràlar i en gasfylld lavinkammare 64. Fönstret 92 i form av en smal slits är anordnad vid ett annat ställe pà huset 91 än det som visas i fig 1, dà röntgenstràlarna infaller i detektorn från en riktning som inte är från sidan, dvs # O eller 180°, alternativt kan huset 91 vara tillverkat av ett material som släpper igenom röntgenstràlarna. 23822C.dOC; 01-02-01 10 15 20 25 30 516. 126 g Det vätskeformiga, joniserbara mediet kan t ex utgöras av TME (trimetyleter) eller TMP (trimetylpentan) eller något annat vätskeformigt, joniserbart medium med liknande egenskaper.

Det fasta, joniserbara mediet kan t ex utgöras av ett halvledande material, t ex kisel. När det joniserbara mediet utgöres av ett fast medium kan huset 91 uteslutas.

Vid drift intränger de infallande röntgenstràlarna 9 i detektorn och gär genom gasen, vätskan eller det fasta, joniserbara mediet i en riktning inom intervallet 0-180°, sàsom definierats ovan. Varje röntgenfoton alstrar ett primärt joniserat elektron-jonpar inuti gasen, vätskan eller det fasta, joniserbara mediet, såsom ett resultat av växelverkan med en atom i mediet. Denna alstring orsakas av fotoeffekten, Compton-effekten eller Auger-effekten. Varje alstrad primär elektron 11 förlorar sin kinetiska energi via växelverkan med som orsakar ytterligare nya atomer, alstring av elektron- jonpar (sekundärt joniserade elektron-jonpar). Vanligtvis alstras mellan nägra fä hundra och nägra få tusen sekundärt joniserade elektron-jonpar från en 20 keV röntgenfoton under denna process. De sekundärt joniserade elektronerna 16 (tillsammans med den primärt joniserade elektronen 11) kommer att driva. mot elektronlavinförstärkningsorganet 17 tack 'vare det elektriska fältet över omvandlings- och driftvolymen 13.

När elektronerna tränger in i områden av fokuserade fältlinjer i elektronlavinförstärkningsorganet 17 kommer de att orsaka lavinförstärkning, vilken kommer att beskrivas närmare nedan.

Rörelserna hos lavinelektroderna och -jonerna inducerar elektriska signaler i arrangemanget 15 av utlösningselement för detektering av elektronlaviner. Dessa signaler tas upp i anslutning till elektronlavinförstärkningsorganet 17, katodplattan 2 eller anodplattan 1, eller en kombination av 23822c.doc; 01-02-01 10 15 20 25 30 5 16 . 12 6 ¿::= - j',ï_=_ - _',§=_ två eller flera av dessa ställen. Signalerna förstärks och bearbetas dessutom medelst utläsningkretsen 14 för erhållande ställena för röntgenfotonernas av noggranna mätningar av växelverkan och eventuellt röntgenfotonenergierna.

Fig 2 åskådliggör en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av en detektor enligt en första särskild utföringsform av uppfinningen. Såsom framgår innefattar katodplattan 2 ett dielektriskt substrat 6 och ett ledande skikt 5 vilka utgör en katodelektrod. Anoden 1 innefattar ett dielektriskt substrat 3 och ett ledande skikt 4 vilka utgör en anodelektrod. Mellan mellanrummet 13 och anoden 1 är ett elektronlavinförstärkningsorgan. 17 anordnat. Detta förstärkningsorgan 17 innefattar en lavinförstärkningskatod 18 och en fokuserande elektrod 19, vilka är åtskilda av ett dielektriskt material 24. Detta kan utgöras av en gas, vätska eller ett fast substrat 24, soul uppbär katoden 18 och den fokuserande elektroden 19, såsom visas i figuren.

Mellan katoden 18 och den fokuserande elektroden 19 pàläggs en spänning medelst ett likspänt effekttillförselorgan 7 för bildande av ett mycket kraftigt, fokuserande elektriskt fält inom ett lavinförstärkningsområde 25.

Lavinförstärkningsområdet 25 bildas inom ett område mellan och runt de kanter av lavinkatoden 18 vilka är riktade mot varandra, där ett koncentrerat elektriskt fält kommer att uppträda tack vare de pálagda spänningarna. Det likspända effekttillförselorganet 7 är även anslutet till katodelektroden 5 och anodelektroden 4 (19). De pálagda spänningarna väljs så att ett svagare elektriskt fält, driftfält, bildas över mellanrummet 13. Elektroner (primära och. sekundära elektroner) som frigjorts genonx växelverkan i omvandlings- och driftvolymen 13 kommer att strömma tack vare driftfältet mot förstärkningsorganet 17. De kommer att tränga 23822C.C1OC; 01-02-01 10 15 20 25 30 s 16 , 126 in i de mycket kraftiga lavinförstärkningsfälten och accelereras. De accelererade elektronerna ll, 16 kommer att växelverka med andra atomer inom området 25, vilket åstadkommer ytterligare alstring av elektron-jonpar. Även de så alstrade elektroderna kommer att accelereras av fältet och kommer att växelverka med nya atomer, vilket orsakar att ytterligare elektron-jonpar alstras. Denna process fortsätter under elektronernas färd i lavinområdet mot anoden 4, och en elektronlavin bildas.

Lavinomràdet 25 är bildat av en öppning eller kanal i katoden 18 och det dielektriska substratet 24 om detta förefinns. Öppningen i kanalen kan ha vilken som helst form, t ex cirkulär, kvadratisk, triangulär, rektangulär, elliptisk form etc, sett ovanifràn, eller kontinuerlig, längsgående form som sträcker sig mellan tvà kanter av substratet 24 om detta förefinns och katoden 18. I det fall öppningarna eller kanalerna har cirkulär form, sett ovanifràn, är de anordnade i rader, varvid varje rad av öppningar eller hål innefattar ett flertal cirkulära öppningar eller kanaler. Ett flertal längsgående öppningar eller kanaler eller rader av cirkulära kanaler är utformade sida vid sida parallellt med varandra eller med de infallande röntgenstràlarna. Alternativt kan de cirkulära öppningarna eller kanalerna vara anordnade i andra mönster.

I form av ett exempel kan de längsgående kanalerna i katoden 18 ha en bredd inom intervallet 0,1-1 mm. De längsgående öppningarna eller hålen. i den fokuserande elektroden 18 är mindre än de tillhörande längsgående öppningarna eller hålen i katoden 18. Det dielektriska substratet 24 uppvisar en lutande yta 26 i förhållande till en normal till en yta hos lavinkatoden 18. Den lutande ytan 26 bildar en begränsningsyta till ett område för lavinförstärkning. Storleken hos anodens 4 23822C.dOC; 01-02-01 10 15 20 25 s 1 s 12 e ==,:t= - ïlëïlšï - ïlšï yta, sett ovanifrån, är mindre än den tillhörande ytan hos den fokuserande elektroden 19.

Skillnaden i storlek hos hålen eller öppningarna i katoden 18, den fokuserande elektroden 19 och anoden 4 säkerställer kraftigare fokuseringseffekt jämfört med hål eller' öppningar av samma storlek. Om en plasmakanal uppträder vid höga förstärkningar kommer den att vara självslocknande.

Anledningen till att den självslocknar är de fokuserande fältlinjerna och det radiella beroendet hos fältstyrkan sett från lavinomràdet 25.

Alternativt kan de ledande skikten. 5, 4 vara ersatta av' en resistiv bärare av t ex kiselmonoxid, ledande glas eller diamant med de dielektriska substraten. 3, 6 ersatta av ett ledande skikt.

Ett elektriskt fält bildas mellan anodelektroderna 4 och den fokuserande elektroden 19. Detta fält kan utgöras av ett driftfält, dvs ett svagare fält, ett lavinförstärkningsfält, dvs ett mycket kraftigt elektriskt fält.

I en alternativ utföringsform kan det elektriska fältet över omvandlings- och driftmellanrummet 13 (volymen) hållas tillräckligt kraftigt för att åstadkomma elektronlaviner för att således utnyttjas i ett förförstärkningstillstånd.

Avståndet mellan katodplattan 2 och elektronlavinförstärkningsorganet 17 ligger inom intervallet O-10 mm, men företrädesvis inom intervallet 100-5000 pm.

Avståndet mellan lavinförstärkningskatoden 18 och den fokuserande elektroden 19 ligger inom intervallet O-10 mm, men företrädesvis inom Avståndet ligger intervallet 50-500 pm. mellan den fokuserande elektroden 19 och anodsubstratet 3 23822C.dC>C; 01-02-01 10 15 20 25 30 s 1 e 126 ¿::= - ilší - Ilšï 10 ligger inom intervallet 0-1 mm, företrädesvis inom intervallet 50-500 pm.

Fig 3 åskådliggör en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av en detektor enligt en andra särskild utföringsform av uppfinningen. Såsom framgår innefattar katodplattan 2 ett dielektriskt substrat 6 och ett ledande skikt 5, vilka utgör en katodelektrod. Anoden 1 innefattar ett dielektriskt substrat 3 och. ett utsträckt, ledande skikt 4, vilka utgör en anodelektrod. Lavinkatoden 18 utgör i denna utföringsform lavinförstärkningsorganet 17, dvs avståndet i fig 2 mellan lavinkatoden 18 och den fokuserande elektroden 19 är ndnskad till O i. denna utföringsform. Tack vare formen hos den utsträckta anoden 4 kommer flera fältlinjer per~ ytenhet att infalla vid. det övre partiet av varigenom detektorns anoden jämfört med den lutande ytan, förstärkning ökar. Ytan hos den utsträckta anoden 4, sedd ovanifràn, är mindre än den tillhörande ytan hos hålet eller öppningen i lavinkatoden 18.

I fig 4 àskàdliggörs en annan utföringsform av den utsträckta anoden 4, vilken är anordnad på substratet 3. I denna utföringsform har den utsträckta anoden 4 en jämn form, t ex i form av en halvellips. Höjden hos den utsträckta anoden kan vara sà hög som avståndet mellan substratet 3 och den fokuserande elektroden 19, om den förefinns, eller lavinkatoden 18, då den fokuserande elektroden 19 inte förefinns.

Fig 5 “visar en schematisk, delvis förstorad, tvärsektionsvy tagen längs linjen II-II i fig 1 av en detektor enligt en tredje särskild utföringsform av uppfinningen. Anoden 1 innefattar ett dielektriskt substrat 3 och ett utsträckt ledande skikt 4, vilka utgör en anodelektrod. Lavinkatoden 18 23822C .dOC; 01-02-01 10 15 20 25 30 516. 126 1LEi-ïIfiíLEi 11 och den fokuserande elektroden 19 utgör i denna utföringsform lavinförstärkningsorganet 17. Avståndet mellan katoden 2, som omfattar ett dielektriskt substrat 6 och ett ledande skikt 5, och lavinkatoden 18 är minskat till 0 i denna utföringsform, såsom 'visas i figi 5, varigenom 'volymen 13 elimineras, dvs drift- och omvandlingsvolymen. I denna utföringsform kommer de infallande röntgenstrålarna att tränga in i detektorn 64 direkt i lavinomràdet 26 där det elektriska fältet är mycket kraftigt. Tack vare formen hos den utsträckta anoden 4 kommer flera fältlinjer per ytenhet att infalla vid den övre delen av anoden jämfört med den lutande ytan, varigenom lägesupplösningen hos anoden ökar. Området hos den utsträckta anoden 4, sett ovanifràn, är mindre än det tillhörande området av hålet eller öppningen i lavinkatoden 18 och ytan av hålet eller öppningen i den fokuserande detektorn. En anordning som detektorn enligt omfattar en innefattar uppfinningen röntgenstrålkälla för bestràlning av ett föremål som skall avbildas. Röntgenstrålarna från röntgenstrålkällan sänds genom föremålet och infaller i detektorn 64 enligt uppfinningen.

Allmänt gäller för alla utföringsformerna att volymen av gas, vätska eller fast material är mycket liten, vilket resulterar i ett snabbt avlägsnande av joner, vilket leder till låg eller ingen ackumulering av rymdladdningar. Detta möjliggör drift vid höga flöden.

Allmänt gäller även för alla utföringsformer att de små avstànden leder till låga driftspänningar, vilket resulterar i låg energi hos eventuella gnistor, vilket är fördelaktigt med avseende på elektroniken.

Fokuseringen av fältlinjerna i utföringsformerna är även fördelaktig med avseende på undertryckande av bildandet av 2382204100; 01-02-01 s 1 e 126 J: 12 plasmakanaler. Detta leder till en minskad risk för gnistbildning. Även om uppfinningen har beskrivits i anslutning till ett antal föredragna utföringsformer, skall det förstås att olika modifieringar kan göras utan att frángá uppfinningens tanke och omfång såsom den definieras i de vidhängande patentkraven.

Spänningarna kan t ex pàläggas pà andra sätt så länge som de beskrivna elektriska fälten bildas. 23822c.doc; 01-02-01

Claims (6)

10 15 20 25 30 . . ø . oo ~ 516 126 13 P a t e n t k r a v

1. Detektor (64) för detektering av joniserande strålning, innefattande: - en kammare fylld med ett joniserbart medium, - minst ett första elektrodarrangemang, som är anordnat i kammaren och som innefattar organ för elektronlavinförstärkning (17), vilka i. sin tur innefattar en lavinkatod och en lavinanod, mellan vilka en spänning är avsedd att pàläggas för àstadkommande av ett elektriskt fält för lavinförstärkning, - minst ett arrangemang av utläsningselement för detektering av elektronlaviner, varvid lavinkatoden omfattar minst ett hål eller öppning, vilka häls eller öppningars yta i lavinkatoden är större än tillhörande anoders yta, sett ovanifràn, och att anoderna är centrerade i förhållande till de tillhörande hålen eller öppningarna i katoden, k ä n n e- t e c: k I1 a d a v' att minst en fokuseringselektrod är anordnad mellan lavinkatoden och lavinanoden och försedd med en öppning eller ett häl som har mindre yta än vart och ett av hålen i lavinkatoderna men som har större yta än anodens yta.

2. Detektor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att det joniserbara mediet är ett fast medium.

3. Detektor enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a d a v att lavinkatoden, fokuseringselektroden och lavinanoden är anordnade såsom staplade skikt med dielektriskt material dem emellan.

4. Detektor enligt patentkrav 3, Jc ä n 11 e t e c:]< n a d a v att en yta av det dielektriska materialet bildar minst en begränsningsyta till ett omrâde för lavinförstärkning, vilken yta lutar i förhållande till en yta hos lavinkatoden. 23B22C.dOC; 01-02-01 lO 15 20 25 516 126 14

5. Anordning för användning vid radiografi, innefattande en röntgenstràlkälla, k ä n n e t e c k n a d a v att den även innefattar en detektor enligt något av patentkraven l-4.

6. Förfarande för detektering av joniserande strålning med användning av en anordning enligt patentkrav 5, varvid strålningen växelverkar med atomer i. en volym fylld med ett joniserbart medium, för bildande av frigjorda elektroner, vilket förfarande innefattar: - bildande i vart och ett av minst ett omrâde, som omfattar en lavinkatod och en lavinanod, ett koncentrerat elektriskt fält för àstadkommande av elektronlaviner, - detektering av elektronlavinerna medelst utläsningselement, - fokusering av elektronerna medelst anoder som har en mindre yta än tillhörande hàls eller öppningars yta i katoden, centrerade i förhållande till de varvid anodytorna är tillhörande hålen eller öppningarna i katoden, - behandling av elektronerna med ett första elektriskt fält i en omvandlings- och driftvolym, vilket första elektriska fält tvingar elektronerna att tränga in i minst ett av områdena med ett koncentrerat elektriskt fält, k ä n n e- t e c k n a t a v fokusering av elektronerna medelst minst en fokuseringselektrod, som är anordnad mellan lavinkatoden och lavinanoden, vilken fokuseringselektroden uppvisar ett häl eller en öppning som är mindre än ett hål eller en öppning i lavinkatoden. 23B22C.d0C; 01-02-01