DE68907993T2

DE68907993T2 - Parallaxenfreier gasgefüllter Röntgenstrahlen-Detektor.

Info

Publication number: DE68907993T2
Application number: DE89420149T
Authority: DE
Inventors: Jean Ballon; Pierre Carrechio; Vincent Comparat; Alain Pelissier
Original assignee: INEL LES ULIS SOC; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: INEL LES ULIS SOC; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1988-04-27
Filing date: 1989-04-25
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2009-04-26
Also published as: US4954710A; DE68907993D1; JPH02177243A; EP0340126B1; FR2630829A1; EP0340126A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Detektoren für ionisierende Strahlung, vor allem Röntgenstrahlung, und sie betrifft insbesondere gasgefüllte Detektoren, d.h. Detektoren, bei denen das die Strahlung absorbierende Material, um die Elektronen zu erzeugen, ein Gas ist (beispielsweise auf der Basis von Argon oder Xenon) - siehe den Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines solchen Detektors.
Dieser Detektorentyp wird beispielsweise für die Analyse von Materialproben (Metallegierungen, Proteinen, Kristallstrukturen, biologischen Makromolekülen, etc.) eingesetzt, um die Struktur zu bestimmen. Die Proben werden vor den Detektor geführt und seitlich (in der Regel) von einer Röntgenstrahlenquelle beleuchtet; sie lenken die Strahen ab und senden sie zum Detektor, dessen Aufgabe es ist, den Einfallwinkel zu bestimmen, unter dem die Röntgenstrahlen bei ihm eintreffen, d.h. also den Ablenkungswinkel durch die Probe. Die gemessenen Ablenkungswinkel liefern Angaben über die Struktur des Materials der Probe.
Die bekannten zweidimensionalen gasgefüllten Detektoren weisen eine Struktur auf, die ganz allgemein in Fig.1 dargestellt ist. Sie entsprechen beispielsweisen der Beschreibung zu Fig.1 des amerikanischen Patentes US-A-4 595 834.
Der Detektor weist eine dicht verschlossene Kammer 10 auf, in der das absorbierende Gas enthalten ist und auf der Vorderseite ein dicht verschlossenes Eintrittsfenster 12, das für Röntgenstrahlen transparent ist. Dieses Fenster weist eine transparente Elektrode 14 mit dem Potential V1 auf. Zwischen dem Fenster 12 und dem Kammerboden 10 erstreckt sich der Raum 16, der sogenannte Absorptions-und Driftraum, der mit Gas (Argon oder Xenon mit mehratomigen Zusätzen) gefüllt ist.
Auf dem Kammerboden, gegenüber dem Fenster 12, befindet sich ein Elektronendetektor 18, der aufgrund seiner Aufgabe, die darin besteht, das Vorhandensein sowie die Position eines durch die Ionisation des in der Kammer enthaltenen Gases erzeugten Elektronenpaketes zu detektieren, als "Lokalisationsdetektor" bezeichnet wird. Dieser Detektor 18 weist eine für die Elektronen transparente Eingangselektrode 19 auf , deren Potential V2 größer ist als V1 (z.B. 0 V(Volt), wenn V1 bei - 4000V(Volt) liegt und der Abstand zwischen den Elektroden 14 und 19 bei 10cm liegt).
Eine Materialprobe 20, die außerhalb der Kammer vor dem Fenster 12 und mit einer gewissen Distanz zu diesem plaziert wird, wird seitlich von einer Röntgenstrahlenquelle 22 beleuchtet.
Durch die Ablenkung wird eine Photonenstrahlung 24 von der Probe in Richtung des absorbierenden Gases mit einem wenn möglich bekannten Einfallwinkel ausgesendet.
Nach dem Eintreten in das Gas, wird ein Photon an einer Stelle der Kammer absorbiert und von dieser Stelle wird ein Elektron oder ein Elektronenpaket ausgesendet. Das elektrische Feld im Absorptions-und Driftraum wird durch die Potentialdifferenz V1- V2 erzeugt, damit die Elektronen entlang der Feldlinien in Richtung auf den Detektor 18 abgelenkt werden und ihre Auftreffposition bestimmt wird. Die Feldlinien sind auf den Elektroden 14 und 19 senkrecht stehende Geraden.
Wie aus Fig.1 ersichtlich, bestimmt der Elektronendetektor 18, je nachdem ob das eintreffende Photon an einem Punkt A oder B seines Weges absorbiert wird, eine Auftreffstelle a oder b eines Elektronenpaketes.
Das bedeutet, daß man ausgehend von der Information über die Auftreffposition des Elektronenpaketes nicht eindeutig auf den Einfallwinkel der Strahlung 24 schließen kann.
Es ist ein sogenannter Parallaxenfehler vorhanden, der darauf zurückzuführen ist, daß das elektrische Feld, welches für die Ablenkung der Elektronen sorgt, nicht in Richtung des einfallenden Strahles 24 ausgerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung hat die Realisierung eines zweidimensionalen Strahlungsdetektors ohne Parallaxenfehler zum Ziel.
Bezüglich dieses Problems wurden bereits Teillösungen vorgeschlagen.
Einige erscheinen in dem bereits erwähnten Patent US-A-4 595 834.
Eine theoretische Lösung ist einfach: sie würde darauf beruhen, eine sphärische Kammer mit einer sphärischen Eingangselektrode sowie einem zur Eingangselektrode konzentrischen, ebenfalls sphärischen Detektor zu verwirklichen, wobei die Probe im Zentrum dieser sphärischen Elemente plaziert wird. Die Elektronen werden dann in Richtung der einfallenden Strahlung bewegt. Es tritt somit kein Parallaxenfehler auf.
Es ist jedoch nicht möglich, einen sphärischen Lokalisationsdetektor von ausreichender Größe herzustellen, da diese Detektoren von der Technologie her sehr kompliziert sind (sie bestehen im allgemeinen aus sehr feinen Drähten, die man zwar in einer Ebene spannen, aber nicht krümmen kann).
Fig.2 des oben erwähnten Patentes US-A-4 595 834 sieht die Erzeugung eines radialen elektrischen Feldes (d.h. mit sphärischen Äquipotentialflächen) vor, wobei eine sphärische Eingangselektrode und eine sphärische konzentrische Hilfslelektrode verwendet werden, die den Absorptions-und Driftraum abgrenzen; darüberhinaus ist zwischen der sphärischen Hilfselektrode und dem ebenen Lokalisationsdetektor ein Übertragungsraum vorgesehen.
Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden erzeugt im Absorptions-und Driftraum ein radiales elektrisches Feld und sphärische Äquipotentiale.
Die Probe muß jedoch unbedingt im Zentrum der Sphären bleiben.
Darüberhinaus sind die sphärischen Elektroden und insbesondere die Hilfselektrode nur schwer zu realisieren, da letztere für die Elektronen sehr transparent sein muß, weil die Elektronen den Lokalisaltionsdetektor erreichen müssen; aufgrund dessen wird diese Elektrode in Form eines feinen Drahtgitters verwirklicht, dessen Herstellung sich sehr schwierig gestaltet.
Aus diesem Grund wird im Patent US-A-4 595 834 vorgeschlagen, die Hilfselektrode ganz einfach wegzulassen und den Abstand zwischen Eingangselektrode und Lokalisationsdetektor erheblich zu vermindern und den Druck des Gases zu erhöhen.
Der Parallaxenfehler wird verringert, wenn die Röntgenstrahlen gezwungen sind, in der Nähe der sphärischen Eingangselektrode absorbiert zu werden, wo das Feld nahezu radial ist. Dies kann durch die Verwendung von Xenon, welches unter hohem Druck steht, erreicht werden; weiterhin ist der Einsatz eines solchen Systems auf nicht allzu energiereiche Röntgenstrahlen beschränkt und es muß ein Fenster aus ausreichend dickem sphärischem Beryllium verwendet werden. Da der Druck aufrechterhalten werden muß, hat dieses Fenster notwendigerweise eine begrenzte Größe.
Abschließend muß noch auf eine andere Methode zur Erzeugung eines radialen elektrischen Feldes ohne sphärische Elektrode hingewiesen werden, die von G. Charpak in "Nuclear Instruments and Methods" 1982, Nº 201, 5.181-192, North-Holland Publishing Company, vorgeschlagen wird. Sie beruht darauf, sowohl die sphärische Eingangselektrode als auch die sphärische Hilfselektrode des Patentes US-A-4 595 834 durch eine Gruppe ebener Elektroden zu ersetzen, die auf voneinander unterschiedlichen Potentialen gehalten werden, wobei die Potentiale für jede Elektrode individuell so berechnet werden, daß die Äquipotentiale im sogenannten Absorptionsraum sphärisch und um die Probe zentriert sind. Diese Lösung ermöglicht es, den Krümmungsradius der Äquipotentiale und somit die Position der Probe im Vergleich zum Eintrittsfenster des Detektors zu verändern, indem die Potentiale in den verschiedenen Leitern variiert werden. Die Realisierung der Gruppe der Hilfselektroden, die genau im Zentrum der Kammer plaziert sind, ist jedoch sehr kompliziert (sie müssen für die Elektronen transparent sein) und ein Ausführungsversuch wurde vom Erfinder lediglich in Betracht gezogen, um zylindrische, aber keine sphärischen Äquipotentiale zu erhalten.
Um das Problem im Falle von sphärischen Äquipotentialen zu lösen, haben Charpak (FR-A-2 363 117) und Bolon et al. (IEEE Transactions on Nuclear Science, Band 5-26, Februar 1979, PP 146-149) vorgeschlagen, das Potential der seitlichen Elektroden zu variieren, wobei jedoch mindestens eine Zwischenelektrode beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen neuen Röntgenstrahlen- Detektor vor, der es ermöglicht, die Nachteile der gasgefüllten Detektoren gemäß dem Stand der Technik zu vermeiden und der vor allem erlaubt, die Probe in einem veränderlichen Abstand zum Eintrittsfenster zu plazieren; somit wird der Parallaxenfehler minimiert und die Herstellung einfacher.
Gemäß der Erfindung, wird ein gasgefüllter Detektor für von einer Probe abgebene Strahlung vorgeschlagen, mit einer geschlossenen Kammer, die ein die Strahlung absorbierendes Gas enthält, mit einem für die zu detektierende Strahlung transparenten Eintrittsfenster, einem Absorptions-und Driftraum hinter dem Eintrittsfenster und, am Ende dieses Raumes, mit einem ebenen zweidimensionalen Detektor zur Lokalisation von Elektronen, um die Koordinaten eines Auftreffpunktes von Elektronen zu bestimmen, die durch einen Aufprall von Photonen in dem absorbierenden Gas erzeugt wurden, wobei der Detektor noch eine Gruppe von Eingangselektroden aufweist, die hinter dem Eintrittsfenster gelegen und weitgehend transparent für die Strahlung sind; dieser Detektor enthält darüberhinaus eine Gruppe von seitlichen Elektroden, die den Absorptions-und Driftraum umgeben, wobei die einzelnen Eingangselektroden und die einzelnen seitlichen Elektroden auf voneinander unterschiedlichen und in Abhängigkeit von der Position, an der man die Probe in bezug zu dem Eintrittsfenster zu plazieren wünscht, variablen Potentialen gehalten werden, wobei die für jede der Elektroden gewählten Potentiale so sind, daß der Absorptions-und Driftraum in zwei Abteile ohne Verwendung von Elektroden, die diese Teilung materiell begrenzen, unterteilt ist, wobei die Äquipotentiale in dem ersten Abteil sphärisch oder quasi-sphärisch und um die Position der Probe zentriert sind und die Äquipotentiale in dem zweiten Abteil sich kontinuierlich ändern von einer sphärischen Form am Ort der Unterteilung bis zu einer ebenen Form in der unmittelbaren Nähe des ebenen Detektors für die Elektronen.
Auf diese Weise umgeht man das Problem, eine Gruppe von komplexen Hilselektroden herstellen und einbauen zu müssen, in welcher jede einzelne Elektrode getrennt gespeist werden und für die Elektronen sehr transparent sein muß.
Es ist vorgesehen, daß das erste Abteil des Absorptions-und Driftraumes (Abteil mit sphärischen Äquipotentialen) so groß wie möglich ist; auf diese Weise erhält man eine langgestreckte Absorptionszone, ohne die Maße des gesamten Detektors zu erhöhen; dies ist um so einfacher, als die Probe vom Eintrittsfenster weit entfernt plaziert ist, jedoch kann dann ein kleiner Bereich von Einfallwinkeln der Strahlung detektiert werden; befindet sich die Probe in der Nähe des Fensters, ist es möglich, ein erstes Abteil zu erhalten, das sich über 70 bis 90% (der in der Achse des Detektors gemessene Prozentsatz) der Distanz zwischen dem Eintrittsfenster und dem Elektronendetektor erstreckt. Wählt man einen ausreichend großen Abstand zwischen dem Eintrittsfenster und dem Detektor, z.B. 10cm, so werden nahezu alle Röntgenstrahlen im ersten Abteil absorbiert und zwar bei einem Druck, der dem Atmosphärendruck entspricht oder leicht darüberliegt.
So erhält man einen Strahlungsdetektor, dessen Herstellung wesentlich einfacher ist, der keinen Parallaxenfehler aufweist und der es ermögicht, die Probe so zu plazieren, daß man sie mit einer variablen Distanz zum Eintrittsfenster beobachten kann.
Die seitlichen Elektroden der Kammer werden vorzugsweise auf konischen Seitenwänden gebildet, die den Absorptions-und Driftraum seitlich begrenzen.
Die Eingangselektroden werden vorzugsweise durch Serigraphie auf einem isolierendem Substrat gebildet und voneinander durch eine Substanz mit hohem Widerstand getrennt, die den Abfluß elektrischer Ionisationsladungen ermöglicht, welche sich sonst zwischen den Elektroden ansammeln würden.
Weitere besondere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
Die bereits beschriebene Fig.1 zeigt die allgemeine Struktur eines bekannten gasgefüllten Detektors;
Fig.2 stellt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Detektors dar;
Fig.3 zeigt eine schematische Konfiguration von Äquipotentialen in dem erfindungsgemäßen Detektor;
In Fig.4 ist der Grundriß der Eingangselektroden dargestellt;
Fig.5 zeigt einen vergrößerten seitlichen Querschnitt der Eingangselektroden und ihrer Leiter für die Stromversorgung; und
Fig.6 zeigt eine Ausführung eines Detektors mit zentralem Rohr für die Analyse der Rückstreuung der Probe.
In Fig.2 ist die allgemeine Struktur des erfindungsgemäßen Detektors dargestellt.
Der Detektor weist eine dichte äußere Kammer 30 auf, die auf der Vorderseite durch ein für die Röntgenstrahlen (oder allgemeiner gesagt für die zu detektierende Strahlung) transparentes Eintrittsfenster 32 verschlossen ist. Das Fenster besteht z.B. aus Mylar oder Kapton (Schutzmarken für Polyesterfilme) oder aus Beryllium.
Der Boden der Kammer 30 weist gemäß dem Stand der Technik einen ebenen Elektronendetektor 34 auf, welcher ein zweidimensionaler Lokalisationsdetektor ist, wie beispielsweise ein Drahtdetektor, ein Detektor mit parallelen Platten oder ein anderer bekannter gasgefüllter Detektor.
Auf der Rückseite des Eintrittsfensters 32 ist eine Gruppe von Eingangselektroden plaziert, die in der Regel kreisförmig, konzentrisch und alle in einer Ebene angeordnet sind, welche parallel zur Ebene des Elektronendetektors liegt. Die Tatsache, daß sie alle in der gleichen Ebene angeordnet sind, erleichtert zwar die Herstellung, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Man kann sie beispielsweise auf einer sphärischen Oberfläche anordnen. Diese Eingangselektroden sind mit der Ziffer 36 bezeichnet; sie sind besser im Grundriß in Fig.4 zu sehen. Das Zentrum der kreisförmigen Eingangselektroden liegt auf der Hauptachse 38 des Systems, einer auf dem Zentrum des Elektronendetektors 34 senkrecht stehenden Achse.
Die Eingangselektroden 36 können getrennt vom Eintrittsfenster 32 durch einen für Röntgenstrahlen transparenten Träger getragen oder am Fenster befestigt werden, wobei, wenn das Fenster leitfähig ist, eine isolierende Schicht eingezogen wird.
Die Kammer 30 ist mit einem die zu detektierende Strahlung absorbierendem Gas gefüllt, z.B. mit Argon oder Xenon mit einem oder mehreren Zusätzen (Kohlenwasserstoff, CO&sub2;...), das ein reibungsloses Funktionieren des Lokalisationsdetektors 34 ermöglicht, das gute Drifteigenschaften und keine zu große elektronische Rekombination aufweist, die der Elektronensammlung schaden würde.
In der Kammer ist ein Absorptions-und Driftraum 40 zwischen den Eingangselektroden 36 und dem Elektronendetektor 34 durch eine seitliche, im allgemeinen konische Wand 42 materiell begrenzt, deren Achse die Hauptachse 38 des Detektors ist; diese Wand 42 umgibt den gesamten Absorptions-und Driftraum, in dem Elektronen durch eine einfallende Strahlung erzeugt werden können, die anschließend in Richtung des Elektronendetektors 34 gelenkt werden.
Die Wahl einer konischen Form ist für den hier verfolgten Zweck die wohl praktischste und geeignetste Wahl, sie ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Die konische Seitenwand 42 muß nicht dicht verschlossen sein, sie dient lediglich als Träger für die seitlichen Elektroden 44, die den Absorptions-und Driftraum 40 umgeben.
Die Wand 42 kann beispielsweise eine Glasfaserfolie sein, auf welcher Leiter, die die Elektroden 44 darstellen, mit Hilfe von Serigraphie oder durch Techniken der gedruckten Schaltkreise aufgebracht werden.
Die einzelnen Eingangselektroden 36 und die einzelnen seitlichen Elektroden 44 können auf voneinander unterschiedlichen Potentialen gehalten werden, wobei diese Potentiale in Abhängigkeit von der Distanz, in der die zu beobachtende Probe 20 in bezug auf die Eingangselektroden 36 plaziert wird, variieren können.
Die seitlichen Elektroden 44 sind über die ganze Länge der Wand 42, zwischen dem schmalen Ende des Konus (unmittelbar an die Ebene der Eingangselektroden angrenzend) und dem breiten Ende des Konus (unmittelbar an die Ebene des Elektronendetektors angrenzend) verteilt.
Die seitlichen Elektroden sind kreisförmig auf die Achse 38 des Detektors zentriert.
Die Anzahl der Elektroden 36 und 44 ist abhängig von der gewünschten Genauigkeit hinsichtlich des elektrischen Feldes im Inneren des Absorptions-und Driftraumes.
Die einzelnen Potentiale der seitlichen Elektroden werden durch außen an der Wand 42 befindliche Leiter 46 durch leitende Übergänge zugeführt, die in der Wand gegenüber einer jeden Elektrode angeordnet sind. Die äußeren Leiter 46 sind mit Anschlüssen verbunden, durch die die verschiedenen notwendigen Potentiale zugeführt werden können. Die Potentiale können durch nicht dargestellte resistive Teilerbrücken erzeugt werden, die außerhalb der Kammer 30 angebracht sind und in Abhängigkeit vom Bedarf für die gewünschten Distanzen bezüglich der Probe oder aber durch ein komplexeres System zur Spannungserzeugung im voraus geregelt werden, das von außen durch den Benutzer des Detektors gesteuert wird.
Das gleiche Verbindungssystem wird auch für die Eingangselektroden 36 eingesetzt, es wurde jedoch nicht dargestellt, um Fig.2 nicht zu komplizieren.
Die an den verschiedenen Eingangselektroden 36 und den verschiedenen seitlichen Elektroden 44 anzulegenden Potentiale werden auf folgende Weise berechnet: die Erklärung erfolgt in Anlehnung an Fig.3.
Es wird eine Distanz D gewählt, in der die zu beobachtende Probe 20 plaziert wird (Distanz zwischen der Probe und der Ebene der Eingangselektroden 36) und die auf der Position der Probe zentrierte Kugel mit dem Radius D wird mit SPHD bezeichnet.
Es wird eine Distanz L gewählt, die einem Radius einer virtuellen Kugel SPHL entspricht, welche auf die Position S der Probe zentriert ist, wobei diese Kugel SPHL eine immaterielle Teilungsgrenze zwischen zwei Zonen A und B des Absorptions-und Driftraumes 40 darstellt.
Man wählt die an den Elektroden 36 und 44 anzulegenden Potientiale, damit:
- die Zone A, die sich zwischen den Eingangselektroden 36 und der Grenzkugel SPHL befindet, einem radialem elektrischen, auf den Punkt S zentrierten Feld ausgesetzt ist, d.h., daß die Äquipotentiale in diesem Bereich zur Kugel SPHL konzentrische Kugeln sind; und
- die Zone B, die sich zwischen der Grenzkugel SPHL und dem ebenen Elektronendetektor 43 befindet, einem elektrischem Feld ausgesetzt ist, das seine radiale Richtung progressiv in eine zur Ebene des Elektronendetektors 34 senkrecht stehende Richtung verändert. In dieser Zone B ändern die Äquipotentiale ihre deutlich sphärische Form, die sie in unmittelbarer Nähe der Kugel SPHL aufweisen, in eine ebene Form in unmittelbarer Nähe des Detektors 34.
Man stellt fest, daß das radiale elektrische Feld nicht nur durch die im Inneren der Kugel SPHL befindlichen seitlichen Elektroden 44 erzeugt wird, sondern auch durch eine geeignete Wahl der Potentiale der seitlichen Elektroden 44, die sich außerhalb der Kugel SPHL befinden; diese Feststellung ist wichtig, da durch das Nichtvorhandensein einer materiellen, sphärischen Hilfselektrode an der Stelle der begrenzenden Hilfskugel SPHL oder das Fehlen von ebenen Hilfselektroden zwischen den Zonen A und B für die Simulation einer sphärischen Elektrode insbesondere auch die Potentiale beachtet werden müssen, die an den außerhalb der Begrenzungskugel SPHL liegenden seitlichen Elektroden 44 angelegt werden. Die sphärischen Aquipotentiale in der Nähe der Begrenzungskugel SPHL sind in der Nähe des ebenen Detektors besonders deutlich und sie werden nicht durch einen elektrostatischen Schirm isoliert, der bisher von der oder den im Grenzbereich zwischen den Zonen A und B plazierten materiellen Hilfselektroden dargestellt wurde.
Durch einfache elektrostatische Berechnungen werden die Äquipotentiale zwischen den zwei auf den Punkt S zentrierten, konzentrischen leitenden Kugeln bestimmt, wobei die eine Kugel die Ausgangskugel SPHD mit dem Radius D und die andere Kugel die Begrenzungskugel SPHL mit dem Radius L ist.
Mit einem an der Kugel SPHD angelegten Potential VD und einem an der Kugel SPHL angelegten Potential VL, erhält man in einer ersten Rechnung:
- einerseits die Potentialwerte auf allen konzentrischen Zwischenkugeln der Zone A, wobei der Potentialwert einer Zwischenkugel mit dem Radius R gleich ist:
- und andererseits den Wert des elektrischen Feldes auf der Kugel SPHL; dieses Feld ist proportional zur Potentialdifferenz VL-VD und gleich
Parallel dazu werden, gemäß einer zweiten Rechnung, mit Hilfe der Methode elektrischer Abbildung, die Äquipotentiale in der Zone B zwischen einer Kugel SPHL, die auf einem konstantem Potential VL gehalten wird, und der Ebene des auf einem konstanten Potential VF gehaltenen Detektors 34 bestimmt; das elektrische Feld auf der Kugel SPHL wird in Abhängigkeit von VL und VF berechnet.
Für gegebene Werte von VD und VF, wird nun der Wert von VL bestimmt, der es erlaubt, möglichst identische Werte zu erhalten
-einerseits für das elektrische Feld, das auf der Kugel SPHL ausgehend von den sphärischen Äquipotentialen in der Zone A berechnet wird, welche durch zwei Kugeln mit den Potentialen VD und VL begrenzt ist, und
-andererseits für das elektrische Feld, das auf der Kugel SPHL ausgehend von den Potentialen der Zone B berechnet wird, wobei diese Potentiale durch die Bedingungen an den Begrenzungen definiert werden, also durch das Potential VL auf der Kugel SPHL und das Potential VF in der Ebene des Elektronendetektors 34.
Da das durch die erste Rechnung bestimmte elektrische Feld auf der gesamten Kugel SPHL (proportional zu VL-VD) konstant ist und da das durch die zweite Rechnung bestimmte elektrische Feld nicht auf der gesamten Kugel SPHL konstant ist, ist die obengenannte Identitätsbedingung nur eingeschränkt möglich; aber der Wert von VL beispielsweise kann so gewählt werden, daß das elektrische Feld am Schnittpunkt der Kugel SPHL und der Achse 38 des Detektors in beiden Berechnungen identisch ist.
Für diesen Wert von VL wird eine gute Approximation für den Erhalt von sphärischen oder quasi-sphärischen Äquipotentialen in der gesamten Zone A erreicht.
Nach Wahl des günstigsten Wertes von VL wird die Gleichung (1) erneut verwendet, um die Potentiale in der Zone A mit Hilfe der ersten Rechnung (die durch zwei Kugeln an den Begrenzungen vorliegenden Bedingungen) und in der Zone B mittels der zweiten Rechnung (die durch eine Kugel und eine Ebene an den Begrenzungen vorliegenden Bedingungen) zu bestimmen. Man bestimmt nun die Potentiale:
- an den Schnittpunkten der sphärischen Äquipotentiale und der Ebene der Eingangselektroden 36 (Zone A: erste Rechnung)
- an den Schnittpunkten der sphärischen Äquipotentiale der gesamten Zone A und den seitlichen Wänden 42 des Absorptions- und Driftraumes (Zone A: erste Rechnung)
- an den Schnittpunkten der nicht sphärischen Äquipotentiale der Zone B und den seitlichen Wänden 42 über der Begrenzungskugel SPHL (Zone B: zweite Rechnung)
Die Schnittpunkte zwischen den sphärischen Äquipotentialen und der Ebene der Eingangselektroden sind konzentrische Kreise und die Eingangselektroden folgen dem Verlauf einiger dieser Kreise. Einer Eingangselektrode 36, die mit einer Distanz r zur Probe angeordnet ist, wird ein Potential V(r) zugeteilt, welches für diese Distanz mit Hilfe der Gleichung (1) in Abhängigkeit von den gewählten Werten VD und VL berechnet wird:
So sind auch die Schnittpunkte zwischen den sphärischen Äquipotentialen der Zone A und den seitlichen konischen Wänden 42 parallele Kreise, die auf die Achse 38 zentriert sind; die seitlichen Elektroden 44 folgen dem Verlauf einiger dieser Kreise und man teilt jeder Elektrode, die mit einer Distanz r zur Probe angeordnet ist, das mit Hilfe der Gleichung (1) errechnete Potential V(r) zu.
Die Schnittpunkte zwischen den Äquipotentialen der Zone B und den seitlichen Wänden 42 sind ebenfalls Kreise (aus Gründen der Symmetrie); die seitlichen Elektroden 44 der Zone B folgen dem Verlauf einiger dieser Kreise und werden auf Potentialen gehalten, die mittels der Methode elektrostatischer Abbildung (zweite Rechnung) in Abhängigkeit von der Position dieser Kreise berechnet werden.
in Fig.3 ist neben den sphärischen Äquipotentialen der Zone A ein zwischenliegendes Äquipotential EQB der Zone B dargestellt, das keine auf den Punkt S zentrierte Kugel ist.
Werden nun die berechneten Potentiale an jede der Eingangselektroden 36 sowie an jede seitliche Elektrode 44 innerhalb und außerhalb der Begrenzungskugel SPHL angelegt, so erhält man Äquipotentiale, die sich mit einer geeigneten Approximation den Äquipotentialen nähern, mit Hilfe derer die Potentiale berechnet wurden.
Es ist möglich, noch bessere Ergebnisse zu erzielen, wenn für die Elektroden 36 und 44 die im vorangegangenen berechneten Potentialwerte als Ausgangsbasis für eine Optimierung der Äquipotentiale mit Hilfe eines Computerrechenprogramms zur Auflösung der Laplace-Gleichung verwendet werden. Durch Iteration werden die Potentialwerte der Elektroden 36 und 44 verändert, um die Äquipotentiale so nah wie möglich den perfekten Kugeln in der Zone A anzunähern.
Was nun die seitlichen Elektroden 44 in der Zone B anbelangt, wird man feststellen, daß selbst in der Praxis zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können, wenn an diesen Elektroden Potentiale angelegt werden, die sich linear mit der Distanz zwischen der Kugel SPHL und der Elektrode 34 verändern. In diesem Fall löst man sich von der obengenannten zweiten Rechnung, es kann jedoch stets eine iterative Optimierung durchgeführt werden.
Die Distanz, in welcher die zu beobachtende Probe plaziert ist, kann verändert werden, und man erhält somit eine neue, bessere Verteilung der Potentiale, die den Eingangselektroden 36 und den seitlichen Elektroden 44 zugeteilt werden. Es ist nun möglich, die Position der Probe zu verändern und dabei die auf die Probe zentrierten sphärischen Äquipotentiale im größeren Abteil des Absorptions-und Driftraumes 40 aufrechtzuerhalten.
Befindet sich die Probe nicht zu nah am Eintrittsfenster, so erhält man praktisch sphärische Äquipotentiale in der Zone A, die sich bis über etwa 90% der Distanz zwischen den Eingangselektroden und dem Elektronendetektor erstrecken können, wobei die Distanz entlang der Achse 38 des Detektors gemessen wird.
Ist die Probe sehr nah am Eintrittsfenster plaziert, so kann die Ausdehnung der Zone A bis auf 70% dieser Distanz zurückgehen.
In Fig.4 ist die Konfiguration der Eingangselektroden 36 dargestellt. Es handelt sich hierbei um leitfähige, konzentrische, kreisförmige Bahnen. Sie werden in diesem Beispiel mit Hilfe von Serigraphie einer leitenden Kohlenstoffmasse (Kohlenstoff hat den Vorteil, für Röntgenstrahlen weitgehend transparent zu sein) auf einem isolierenden Träger verwirklicht.
Die einzelnen Elektroden werden durch Leiter gespeist, die sich auf der anderen Seite des Trägers befinden. In den Träger werden dann Löcher 50 gebohrt, die mit der leitenden Masse gefüllt sind, und die zur Stromversorgung dienenden Leiter 52 sind elektrisch mit diesen Löchern verbunden. Diese Leiter können durch Serigraphie auf der anderen Seite des isolierenden Trägers hergestellt werden. Sie müssen für die zu detektierende Strahlung so transparent wie möglich sein.
Fig.5 zeigt die Konfiguration der Eingangsleiter im Querschnitt, senkrecht zur Ebene des Eintrittfensters, durch einen der leitenden Durchgänge 50 und entlang des Stromversorgungsleiters 52, der mit diesem Loch verbunden ist. Der isolierende Träger ist mit der Zahl 54 bezeichnet.
Zwischen den die Elektroden 36 darstellenden leitenden Kreisbahnen wird vorzugsweise eine Paste 56 mit hohem Widerstand abgeschieden, welche dazu dient, die elektrischen Ladungen (Ionen), welche sich an der Grenzschicht zwischen dem isolierenden Substrat 54 und dem Gas der Kammer ansammeln würden, zu den Elektroden hin abzuleiten. Diese Ladungen entstehen durch die Ionisation des Gases und beeinträchtigen die Form der Äquipotentiale in Richtung des Detektoreinganges, wenn sie auf dem isolierenden Substrat gespeichert bleiben. Hierbei ist vorgesehen, sie durch diese resistive Ablagerung zwischen den Bahnen abzuleiten. Der Widerstand kann zwischen zwei benachbarten, durch einige Millimeter voneinander getrennt liegenden Bahnen, einige Megaohm betragen. Er darf nicht zu einem zu hohen Stromverbrauch führen und es muß darauf geachtet werden, daß die benachbarten Bahnen auf Potentialen gehalten werden können, die sich um einige zehn Volt oder mehr unterscheiden können. Die hochresistive Paste kann eine Masse mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff in einem isolierenden Harz sein.
Es ist ebenfalls möglich, die leitfähigen Elektroden 36 direkt (z.B. durch Serigraphie) auf einem resistiven (hochresistiven) und nicht auf einem isolierenden Substrat aufzutragen; hiermit könnte das gleiche Ergebnis hinsichtlich der Ableitung der störenden Ladungen erzielt werden.
Die Anordnung kann für die seitlichen Elektroden 44 genauso aussehen, wie für die Eingangselektroden, aber
1. stellt sich hier nicht das Problem der Transparenz für die Röntgenstrahlen;
2. ist das Problem der abzuleitenden elektrischen Ladung von geringerer Bedeutung; die resistive Masse 56 ist nützlich, aber nicht unbedingt notwendig.
Die seitlichen Elektroden 44 können mittels Serigraphie auf einer die seitliche Wand 42 darstellende flexible, isolierende Folie aufgetragen werden; diese flexible Folie wird anschließend zu einer Kegelstumpfform aufgerollt. Die Elektroden können auch in Form einer flexiblen gedruckten Schaltung oder aber durch Aufeinanderschichten von kreisförmigen Elektroden verwirklicht werden, die durch isolierende Räume voneinander getrennt sind. Die Verbindungen mit den Versorgungsleitern werden sich jedoch immer außerhalb des Raumes 40 befinden, um nicht das elektrische Feld auf der Innenseite der seitlichen Wand 42 zu beeinträchtigen.
Um diese Beschreibung abzuschließen, ist in Fig.6 ein leicht abweichender Aufbau des Detektors dargestellt, anhand dessen versucht wird, die Rückstreuung der Röntgenstrahlen durch eine Materialprobe zu analysieren.
Dies setzt voraus, daß die Quelle und der Detektor auf der gleichen Seite der Probe plaziert werden.
Es ist nun vorgesehen, daß der Detektor in seinem Zentrum von einem axialen Rohr 60 durchquert wird, durch welches ein Röntgenstrahlenbündel in Richtung auf die Probe gelangen kann. Die von der Probe zurückgesendeten Strahlen werden aufgefangen und vom Detektor analysiert.
Um die Erfindung in die Tat umzusetzen, muß nun in Betracht gezogen werden, daß die Wände des Rohres 60 ebenfalls Seitenwände des Absorptions-und Driftraumes 42 sind und daß auch sie einzelne seitliche Elektroden 44 aufweisen; diese Elektroden werden auf Potentialen gehalten, die auf die gleiche Weise wie auch die anderen berechnet werden, sowohl in der oberen Zone als auch in der unteren Zone der Kammer.
Die Verbindungen, die zum Anlegen der Spannungen an der verschiedenen Elektroden entlang des Rohres dienen, werden mit den gleichen Beschränkungen wie zuvor realisiert, und es wird ebenfalls empfohlen, zwischen den am Umfang des Rohres angebrachten Elektroden eine resistive Substanz vorzusehen.

Claims

1. Gasgefüllter Detektor für von einer Probe (20) abgegebene Strahlung, mit einer geschlossenen Kammer (30), die ein die Strahlung absorbierendes Gas enthält, mit einem für die zu detektierende Strahlung transparenten Eintrittsfenster (32), einem Absorptions- und Driftraum (40) hinter dem Eintrittsfenster und, am Ende dieses Raumes, mit einem ebenen zweidimensionalen Detektor (34) zur Lokalisation von Elektronen, um die Koordinaten eines Auftreffpunktes von Elektronen zu bestimmen, die durch einen Aufprall von Photonen in dem absorbierenden Gas erzeugt wurden, wobei der Detektor noch eine Gruppe von Eingangselektroden (36) aufweist, die hinter dem Eintrittsfenster gelegen und weitgehend transparent für die Strahlung sind, dadurch gekennzeichnet, daß er darüberhinaus eine Gruppe von seitlichen Elektroden (44) enthält, die den Absorptions- und Driftraum umgeben, wobei die einzelnen Eingangselektroden (36) und die einzelnen seitlichen Elektroden (44) auf voneinander unterschiedlichen und als Funktion der Position, an der man die Probe in bezug zu dern Eintrittsfenster zu plazieren wünscht, variablen Potentialen gehalten werden, wobei die für jede der Elektroden gewählten Potentiale so sind, daß der Absorptions- und Driftraum in zwei Abteile ohne Verwendung von Elektroden, die diese Teilung materiell begrenzen, unterteilt ist, wobei die Äquipotentiale in dem ersten Abteil sphärisch oder quasi-spharisch und um die Position der Probe zentriert sind und die Äquipotentiale in dem zweiten Abteil sich kontinuierlich ändern von einer sphärischen Form am Ort der Unterteilung bis zu einer ebenen Form in der unmittelbaren Nähe des ebenen Detektors für die Elektronen.

2. Gasgefüllter Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Elektroden (44) über die gesamte Distanz zwischen Eingangselektroden (36) und Detektor für die Elektronen (34) verteilt sind.

3. Detektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Abteil (A) des Absorptions- und Driftraumes sich über eine Distanz von ungefähr 70 bis 90 % der Distanz zwischen den Eingangselektroden (36) und dem Detektor für die Elektroden (34) erstreckt, wobei die Distanz in der Achse des Detektors gemessen wird.

4. Verwendung eines gasgefüllten Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialwerte der verschiedenen Eingangselektroden und der verschiedenen seitlichen Elektroden nach dem folgenden Rechenverfahren bestimmt sind:

a. Bestimmen der Äquipotentiale zwischen einer Strahlungskugel entsprechend der Distanz (L) zwischen der Probe und dem ersten der beiden Abteile des Absorptions- und Driftraumes mit dem Potential (VL) und einer konzentrischen Strahlungskugel entsprechend der Distanz (D) zwischen der Probe und dem Eintrittsfenster, die auf einem Potential (VD) gehalten wird,

b. Festlegen des Potentiales der in dem ersten Abteil gelegenen Eingangselektroden (36) und seitlichen Elektroden (44) als Funktion dieser Bestimmung und

c. Festlegen des Potentiales der in dem zweiten Abteil gelegenen Elektroden durch lineare Interpolation.

5. Verwendung eines gasgefüllten Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialwerte der verschiedenen Eingangselektroden und der verschiedenen seitlichen Elektroden nach dem folgenden Rechenverfahren bestimmt sind:

a. Bestimmen der Äquipotentiale zwischen einer Strahlungskugel entsprechend einer Distanz (L) zwischen der Probe und dem ersten der beiden Abteile des Absorptions- und Driftraumes, die auf dem Potential (VL) gehalten ist, und einer konzentrischen Strahlungskugel entsprechend der Distanz (D) zwischen der Probe und dem Eintrittsfenster, die auf einem Potential (VD) gehalten ist,

b. Bestimmen der Äquipotentiale zwischen der auf einem Potential (VL) gehaltenen Kugel und einer auf einem Potential (VF) gehaltenen Ebene und

c. Bestimmen der resultierenden Potentiale an den Orten, an denen die unterschiedlichen Elektroden plaziert sind, wobei die den verschiedenen Elektroden zugeteilten Potentiale die resultierenden Potentiale sind.

6. Verwenden eines gasgefüllten Detektors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialwerte der unterschiedlichen Elektroden diejenigen sind, die aus einer zusätzlichen Berechnung resultieren, die darin besteht, das Potential (VL) derart zu wählen, daß das elektrische Feld in einem Punkt der auf dem Potential (VL) gehaltenen Kugel den gleichen Wert wie in der im Schritt a ausgeführten Rechnung und der in dem Schritt b ausgeführten Rechnung hat.

7. Verwendung eines gasgefüllten Detektors nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiale an den Eingangselektroden und den seitlichen Elektroden durch ein iteratives, auf einem Rechner ausgeführten Rechenverfahren optimiert sind.

8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substanz (56) mit hohem Widerstand zwischen den Eingangselektroden (36) angeordnet ist, um das Einlagern von elektrischen Ladungen zwischen zwei benachbarten Elektroden zu vermeiden.

9. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Elektroden (44) auf einer konischen Wand (42) gebildet sind, die den Absorptions- und Driftraum begrenzt.

10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem axialen Rohr (60) versehen ist, das ihn in seinem Zentrum durchquert, um die Beleuchtung einer Probe und die Beobachtung der Rückstreuung zu erlauben, wobei die seitlichen Elektroden (44) einheitlich längs der Wand des Rohres in dem Absorptions- und Driftraum verteilt sind.