DE2661008C2 - Röntgenstrahlen-Detektor - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Elektroden (42) erster Art jeweils als metallische Elektroden (44) at., beiden Seiten einer dielektrisches Mate· ia! enthaltenden Platte (46) angeordnet sind,

h) jede Elektrode (38) zweiter Art plattenförmig ist und etwa äquidistant zwischen zwei Elektroden (42) erster Art ir. engem Abstand angeordnet ist.derart, daß die Elektroden (38,42) erster und zweiter Art eng beabstandet einen Stapel bilden, und daß

i) die Elektroden (38, 42) erster und zweiter Art parallel zur Richtung der nachzuweisenden Röntgenstrahlen angeordnet sind.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Fenster (14) aus Aluminium oder Kunstharz besteht

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Detektorgas Elemente mit einem Atomgewicht größer als oder gleich wie das Atomgewicht von Argon enthält

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Detektorgas Argon, Krypton oder Xenon ist

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Detektorgases zwischen etwa 10 und 50 bar liegt

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden (38, 42) erster und zweiter Art etwa 10 V/mm bis 1000 V/mm beträgt.

7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (38,42) erster und zweiter Art aus für Röntgenstrahlen im wesentlichen undurchlässigem Material bestehen.

8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Elektroden (38, 42) erster und zweiter Art aus Tantal, Wolfram oder

Molybdän hergestellt sind.

9. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß die Elektroden $?) erster Art die Anoden und die Elektroden zweiter Art die Kathoden bilden.

ίο Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahlen-Detektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Detektor ist aus der DE-AS 20 25 136 bekannt Dort sind eine Vielzahl von Anodendrähten in einer Fläche parallel zueinander angeordnet und in gleichmäßigem Abstand zur Anodendraht-Fläche ist mindestens eine Kathode vorgesehen, die in eine Vielzahl von einzelnen ebenen Abschnitten aufgeteilt ist Bei dieser Anodendraht-Plattenanordnung, bei der die Ka thodenplatten senkrecht zur einfallenden Strahlung an geordnet sind und deshalb für die Strahlung durchlässig sein müssen, wird die erforderliche Genauigkeit durch inhomogene Felder beeinträchtigt Bei einem dem vorstehend beschriebenen, bekannten Detektor ähnlichen Detektor gemäß der DE-AS 19 19 824 bestehen die Anoden und Kaihoden aus Metallstreifen, wobei das Verhältnis von Breite zu gegenseitigem Abstand der Metallstreifen für die Anoden kleiner als für die Kathoden ist Auch bei diesem be kannten Detektor sind die Metallstreifen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung angeordnet und müssen deshalb strahlungsdurchlässig sein. Bei Anfertigung einer Röntgen- oder Gamma-Aufzeichnung von einer Probe mit größenordnungsmäßig gleichen Ab messungen muß ein Kollimator vorgesehen sein, der insbesondere den Raumbedarf und die Kosten erhöht

Aus der US-PS 36 09 435 ist zwar ein Ionisationskammerdetektor bekannt bei dem eine einzelne Kathodenplatte zwischen zwei elektrisch miteinander verbun- denen Anodenplatten etwa parallel zur einfallenden Strahlung angeordnet sind. Dort bilden aber die Elektrodenplatten tatsächlich nur eine einzige Detektorzelte, in der die Elektrodenplatten in einem großen Abstand von 123 mm angeordnet sind und wie das Fenster des Detektors aus strahlungsdurchlässigem Aluminium bestehen.

Es ist Aufgaoe der Erfindung, einen Röntgenstrahlendetektor der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß seine Ortauflösung beträchtlich erhöht

so wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die zahlreichen eng beabstandeten, parallelen Elektrodenplatten, die im wesentlichen parallel zu einem auftreffenden Röntgenstrahlenbündel liegen, ein gleichförmiges elektrisches Feld ausbilden und eine prompte Beseitigung der Elektronen-Ionenpaare und die Verwendung hoher Röntgenstrahlen-Impulsfolgefrequenzen bei relativ niedrigen Elektrodenpotentialen gestattet. Weiterhin können schwere Gas- atome, die in den Ionisations-Röntgenstrahlendetektoren verwendet werden, fluoreszieren. Sie strahlen dabei Photonen bei kleinerer Energie, d. h. niedrigere Röntgenstrahlenfrequenzen aus. Diese eine relativ kleine

Energie aufweisenden Röntgenphotonen haben eine relativ große Weglänge in dem Detektorgas und verschlechtern das räumliche Auflösungsvermögen des Detektors. Die parallelen Elektrodenplatten aus strahlungsundurchlässigem Material können diese eine kleine Energie aufweisenden Sekundärphotonen an den Detektorzellengrenzen absorbieren und somit seitliche Einstreuungen aus hsnachbarten Zellen oder schräg einfallenden Strahlen verhindern, wodurch das räumliche Auflösungsvermögen des Detektors verbessert wird.

Ferner müssen hocheffiziente Röntgenstrahlendetektoren einen maximalen Nutzen aus der von jeder Röntgenbestrahlung verfügbaren Information ziehen und dadurch die gesamte Strahlendosis auf ein Minimum reduzieren. Tomographiedetektoren müssen deshalb wenigstens 50% der auftreffenden Röntgenstrahlenphotonen nachweisen. Ein Vielzellendetektor gemäß der Erfindung sorgt für einen sicheren und effizienten Betrieb, bei dem mehr als 70% des auftreffenden Röntgenstrahlenbündels nachgewiesen wird, das typis'Verweise eine Energie in dem Bereich von 30keV bis lOOkeVhat.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläuteit

F i g. 1 zeigt allgemein einen Detektor mit parallelen Kathoden- und Anodenplatten und seine Verbindung mit der Spannungsquelle und einer Signalverarbeitungsschaltung.

F i g. 2 zeigt einen Teil eines Ausführungsbeispiels des Röntgenstrahlen-Detektors gemäß der Erfindung.

Fig.3 zeigt Anodenplatten gemäß Fig.2 in einem Detektor der in F i g. 1 gezeigten Art.

Bei einem Röntgenstrahlen-Detektor treten Röntgenphotonen mit den Atomen eines schweren Detektorgases in Wechselwirkung, um Elektronen-Ionen-Paare zu erzeugen. Die Röntgenphotonen werden im allgemeinen durch ein Gasatom absorbiert, das ein Photoelektron aus einer seiner Schalen emittiert. Die Photoelektronen bewegen sich durch das Gas und treten in Wechselwirkung mit anderen Gasatomen und ionisieren diese, um einen Schauer von Elektronen und positiven Ionen zu erzeugen, die auf geeigneten Elektroden gesammelt werden können, um einen elektrischen Stromfluß zu erzeugen. Wenn beispielsweise Xenongas bei einem Druck von etwa 10 bar mit Röntgenphotonen von 60 keV bestrahlt wird, werden Photoelektronen von der 343 keV entsprechende;! K-Schale bei etwa 25,5 keV abgegeben. Die Photoelektronen von 25.5 keV. die eine/Wegläi.ge von etwa 1 mm in Xenon haben, erzeugen jeweils etwa 800 Elektronen-Ionen-Paare. Wenn diese Elektronen-Ionen-Paare zwischen zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität erzeugt werden, wandern sie entlang der elektrischen Feldlinien zu den Elektroden und ergeben einen elektrischen Stromfluß zwischen den Elektroden. Der elektrische Strom zwischen den Elektroden ist somit eine Funktion der Gesamtzahl von Rönteenühotonen. die in der Nähe dieser Elektroden mit dan Gas in Wsdiselwirlajng treten.,.

Die Wahrscheinlichkeit des Nachweises eines Röntgenphotons ist eine Funktion der Anzahl und des Atomgewichtes der zwischen den Sammelelektroden liegenden Gasatome. Somit können Detektoren hoher Empfindlichkeit aus einem Gas mit hohem Atomgewicht bei einem relativ hohen Druck aufgebaut werden. Die Detektorempfindlichkeit kann auch dadurch erhöht werden, daß der Abstand und d&shajb die Anzahl tier Gas-

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moleküle zwischen den Elektroden vergrößert wird. Ein vergrößerter Elektrodenabstand erhöht jedoch die Strecke, entlang der die Elektronen-Ionen-Paare wandern müssen, und führt somit zur Verlängerung der Erholungs- bzw. Entionisierungszeit des Detektors. Eine vergrößerte elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden führt zur Erhöhung der Elektronen-Ionen-Wanderungsgeschwindigkeit und verkürzt somit ein wenig die Entionisierungszeit; die Wanderungsgeschwindigkeit nimmt jedoch in einem relativ kleinen Verhältnis mit einer Elektrodenspannungserhöhung zu Weiterhin ist bekannt, daß eine übermäßig große elektrische Feldstärke einen Lawinen-Gasdurchschlag bewirkt und ein stark nichtlineares Ansprechen in der Nachweisempfindlichkeit hervorruft.

Die Detektoren der hier interessierenden Art arbeiten mit elektrischen Feldstärken, die für einen Lawinen-Gasdurchschlag nicht ausreichen; sie arbeiten als Ionisationskammern und nicht als proportional* Zähler. Die Erzeugung der oben beschriebenen Eleknonen-lonen-Paare ist allein dem Energieübergang von den ausgesandten Photoelektronen der K-Schale zuzuordnen und wird nicht durch Zusammenstöße von Elektronen oder Ionen bewirkt die sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes oewegen. Die Werte der elektrischen Feldstärke, die für die Ionisationskammerdetektoren geeignet sind, sind an sich bekannt. Die Detektoren gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung arbeiten mit elektrischen Feldstärken zwischen etwa 10 V/mm und etwa 1000 V/mm.

Ein Elektron der L-Schale wird im allgemeinen zurückfallen, um die Öffnung zu füllen, die durch die Emission des Photoelektrons der K-Schale von einem schweren Gasatom erzeugt worden ist. Die Energiedifferenz, die aus dem Zurückfallen des Elektrons von der L-Schale zur K-Schale resultiert, wird in der Form eines sekundären Röntgenphotons abgestrahlt. In Xenon^as erzeugt beispielsweise die Energiedifferenz von der L-Schale zur K-Schale 29 keV Röntgenphotonen. Die freie Wcjlänge dieser sekundären Photonen in dem Hochdruckgas ist im allgemeinen viel größer als die freie Weglänge der primären Photoelektronen. Beispielsweise haben in Xenon bei einem Druck von 10 bar 253 keV-Photoelektronen eine Weglänge von etwa I mm. während 29 keV-Röntgenphotonen eine Weglänge von etwa 20 mm haben.

Die sekundären Photonen, die durch die Fluoreszenz der schweren Gasatome bei Erregung durch auftreffende Röntgenphotonen erzeugt werden, werden durch andere schwere Gasmoleküie in dem Detektor absorbiert und sind nicht unterscheidbar von den auftreffenden Röntgenphotonen. Somit können Photonen, die durch Fluoreszenz im Bereich einer Elektrodenzelle erzeugt werden, durch einen Vielzellendetektor hindurch zum Bereich einer anderen Elektrodenzelle wandern, wo sie in der gleichen Weise wie auftreffende Röntgenstrahlen nachgewiesen werden. Der K-Schalen-Fluoreszenzeffekt kann also zur Verschlechterung der räumlichen Auflösung in Viplzellen-Ionisationskamm.rdetektoren beitragen.

F i g. 1 stellt einen Röntgenstrahlendeiektor mit einem Druckbehälter 10 dar. der ein Detektorgas 12 auf einem hohen Druck hält. Die eine Seite des Druckbehälters 10 bildet ein dur.tl^s Fenster 14. das gegenüber elektromagnetischer Strahlung bei Röntgenstrahlenfrequenzen im wesentlichen durchlässig ist. Das Fenster 14 kann aus einem jener Materialien aufgebaut sein, die für diesen Zweck üblicherweise verwendet werden. Bei-

spielsweise können Aluminium, Kunstharz oder eine Matrix aus Kunstharz verwendet werden, das durch Metalle mit niedrigen Atomzahlen verstärkt ist. Der Begriff »im wesentlichen durchlässig«, wie er hier verwendet ist, bedeutet, daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Röntgenstrahlung in Wechselwirkung mit dem Fenstermaterial tritt, viel kleiner ist als die Wahrscheinlichkeit, daß die Röntgenstrahlung mit dem Detektorgas 12 in Wechselwirkung tritt.

Das Detektorgas 12 füHt den Druckbehälter 10 und ist so gewählt, daß es im wesentlichen undurchlässig für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenstrahlenfrequenzen ist, d. h. daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Röntgenstrahlung mit dem Detektorgas 12 in Wechselwirkung tritt, viel größer ist als die Wahrscheinlichkeit, daß die elektromagnetische Strahlung in eine Wechselwirkung mit dem Fenster 14 tritt. Die Gasart, der Gasdruck und der Elektrodenabstand sind unter Verwendung bekannter Methoden so gewählt, daß ein großer Bruchteil (typischerweise mehr als 70%) der auftreffenden Röntgenstrahlenphotonen in dem Gas absorbiert wird. Das Detektorgas 12 kann typischerweise Qrdnungs ein Edelgas mit hoheruahl sein, beispielsweise Xenon, Krypton, Argon oder ein Molekulargas mit Atomen, die ein größeres Atomgewicht als Argon (d. h. 39,9) haben. Der Druck liegt zwischen etwa 10 und 50 bar.

In dem Druckbehälter 10 sind zahlreiche Elektroden /^e^erster Art (Kathodenplatten) und Elektroden 42 ^zweiter Art (Anodenplatten) fluchtend in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dem Fenster 14 angeordnet. Die Anodenplatten 42 sind einzeln mit zahlreichen Signalleitern 22 verbunden, die mittels dielektrischer Durchführungen 24 durch den Druckbehälter geführt sind. Jeweils eine metallische Kathodenplatte 38 ist äquidistant zwischen jeder der Anodenplatten 42 angeordnet. Die Kathodenplatten 38 sind durch einen Leiter 30 parallel geschaltet, der mittels einer isolierenden Durchführung 40 durch den Druckbehälter 10 geführt JT. ist. Die Anoden- und Kathodenplatten 38 bzw. 4^2 haben in Richtung des einfallenden Strahlenbündels 32 eine Länge von etwa 2,5 cm entsprechend der Gaslänge bei bekannten Detektoren, bei denen die Elektroden senkrecht zum einfallenden Röntgenstrahlenbündel angeordnet sind.

Die Anodenplatten 42 und die Kathodenplatten 38 sind aus Metallen hergestellt die im wesentlichen undurchlässig für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenstrahlenfrequenzen sind. Metalle mit hoher Atomzahl, wie beispielsweise Molybdän, Tantal oder Wolfram, sind für eine Verwendung als Anodenplatten 42 und Kathodenplatten 38 geeignet Beispielsweise sind in einem typischen Detektor die Anoden- und Kathodenplatten aus 0,05 mm dicken Molybdän- oder Wolframblättern hergestellt Der Kathodenleiter 30 und die Anodenleiter 22 sind elektrisch mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 26 und einer Spannungsquefle 28 in der oben beschriebenen Weise verbunden.

Photonen des Röntgenstrahlenbündels 32 treten in den Detektor durch das Fenster 14 hindurch in zu den Anodenplatten 42 und Kathodenplatten 38 im wesentlichen parallelen Richtungen ein. Die Photonen treten in Wechselwirkung mit dem Füllgas 12 in den Bereichen zwischen den Anodenplatten 42 und Kathodenplatten 38. Elektronen-Ionenpaare, die durch Wechselwirkung des Gases 12 mit den Photonen des Bündels 32 erzeugt werden, wandern entlang den elektrischen Feldlinien zwischen den Anoden und Kathoden und werden auf diesen gesammelt um elektrische Stromsignale zu erzeugen. Der aus einer bestimmten Anodenplatte 42 fließende elektrische Strom ist proportional zur Anzahl der Röntgenphotonen, die in dem Raum zwischen der Anode und dem benachbarten Kathodenpaar mit dem Gas 12 in Wechselwirkung treten.

Ein derartiger Detektor ist unempfindlich gegenüber den die Auflösung begrenzenden Effekten der Röntgenstrahlenfluoreszenz an der K-Schale. Alle Röntgenphotonen, die durch Fluoreszenz in dem Bereich zwischen

ίο einer Anodenplatte 42 und einer Kathodenplatte 38 erzeugt werden, müßten durch eine Kathodenplatte 38 treten, bevor sie in der Lage wären, Elektronen-Ionen-Paare zu erzeugen, die zu einer benachbarten Anode wandern würden. Wie bereits ausgeführt wurde, sind die

is Kathodenplatten 38 aus einem Material hergestellt das im wesentlichen undurchlässig für Röntgenstrahlenphotonen ist Das Auf treffen von Fluoreszenz-Röntgenphotonen mit ausreichender Weglänge, um in benachbarten Detektorzellen Strom zu erzeugen, ist dadurch stark vermindert. Die Anodenplatten 42 und Kathodenplatten 38 liegen parallel zur Richtung der eintretenden Photonen. Die Anoden- und Kathodenplatten 38, 42 können deshalb in einem relativ engen Abstand zueinander liegen, wodurch ein Detektor mit einer kurzen Erholungs- bzw. Entionisierungszeit gewonnen wird, während die Länge der Platten vergrößert werden kann, um einen Detektor mit hoher Empfindlichkeit zu erzeugen. Beispielsweise sind in einem typischen Detektor die Anoden- und Kathodenplatten im Mittelpunktabstand von 2 mm angeordnet Die parallelen Elektrodenplatten des Detektor dienen weiterhin zum Absorbieren auftreffender Photonen, die von äußeren Gegenständen (d. h. unter Prüfung befindliches Gewebe) gestreut werden und die in den Detektor unter einem schiefen Win- kel eintreten.

F i g. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Anodenplatten 42 dar, die in dem Detektor gernäß Fig.! verwendet werden können. In diesem Ausführungsbeispiel weist jede Anodenplatte ein dünnes dielektrisches Blatt 46 auf, das beispielsweise aus Keramik, Glimmer oder Kunstharz (Mylar) hergestellt ist Zwei Elektroden 44, die aus einem Metall hergestellt sind, das im wesentlichen undurchlässig für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenstrahlenfrequenzen ist sind auf gegenüber liegenden Seiten des dielektrischen Blattes 46 angeord net Getrennte Leiter 22 sind mit jeder Metallelektrode 44 verbunden und führen mittels getrennter dielektrischer Durchführungen 23 durch den Druckbehälter 10 hindurch. Nach gegenüberliegenden Seiten der An odenplatte 42 fließende Elektronenströme werden so mit auf den getrennten Elektroden 44 gesammelt und getrennt zu der Signalverarbeitungseinrichtung 26 (siehe Fig. 1) übertragen. Das räumliche Auflösungsvermögen des Detektors wird dadurch um einen Faktor zwei vergrößert

Ein Montageverfahren einer Einrichtung mit den Anoden- und Kathodenplatten geht aus F i g. 3 hervor. Die Anodenplatten 42 und die Kathodenplatten 38 werden abwechselnd auf zahlreiche Isolierbolzen 48 gestapelt Eine Reihe von rohrförmigen Isolatoren 50 ist zwischen den Anodenplatten 42 und den Kathodenplatten 38 auf die Bolzen 48 geschraubt und dient zum Positionieren der Platten. Die Platten können parallel fluchtend angebracht sein für den Nachweis eines kollimierten Rönt- genstrahlenbündels, oder die Dicke der Isolatoren 50 kann variiert werden, um eine gekrümmte Plattenausrichtung zu erzielen, die für die Aufnahme eines divergierenden Röntgenstrahl geeignet ist

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Die Elektroden sind in der Beschreibung der Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung der einfachen Beschrei bung halber zwar fels »Kathoden« und »Anoden« be zeichnet worden. Aber die Polarität der an diese Detek toren angelegten elektrischen Potentiale kann umge- s kehrt werden. Die Begriffe »Kathode« und »Anode«, wie sie !>=er verwendet werden, bedeuten also Elektro den erster und zweiter Art mit entgegengesetzter Pola rität. 1"	20
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen	25
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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Röntgenstrahlen-Detektor zur Erfassung der Intensitätsverteilung von Röntgenstrahlen in einem ebenen Sektor mit

   a) einem Behälter, in dem sich ein Detektorgas befindet, das die Röntgenstrahlen absorbiert

   b) einem Fenster in dem Behälter, das senkrecht auf das ebene Röntgenstrahlenbündel ausgerichtet und für dieses im wesentlichen durchlässig ist

   c) einer Vielzahl von u: dem Behälter angeordneten, als Ionisationskammern arbeitenden Detektorzellen, die auf das ebene Röntgenstrahlenbündel ausgerichtet sind, wobei

   d) jede Detektorzelle eine zwischen zwei plattenförmig«::! Elektroden erster Art angeordnete Elektrode zweiter Art aufweist wobei die Elek-

   txodsn erster Art als metallische Elektroden auf dielektrischen Platten ausgebildet sind, einer Einrichtung, um eine Gleichspannung zwischen die Elektroden erster und zweiter Art zu legen, und mit

   f) Signalleitern zum Messen und Verarbeiten des Stroms jeder Elektrode der ersten Art