DE2610751A1 - Vorrichtung zur lokalisation von lichterscheinungen - Google Patents
Vorrichtung zur lokalisation von lichterscheinungenInfo
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Description
Vorrichtung zur Lokalisation von Lichterscheinungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lokalisation von Lichterscheinungen, die vorzugsweise durch
Strahlung hervorgerufen sind, und insbesondere eine Szintillationskamera, die eine Lokalisation energetischer
Strahlung wie X- bzw.J-Strahlung, schneller und thermischer Meutronen, Protonen sowie OC- und ß-Strahlen
ermöglicht.
Es handelt sich hierbei allgemein um eine Vorrichtung, die die Erzeugung eines 'Bilds' einer von einer
Quelle emittierten Strahlung erlaubt, um beispielsweise die Form einer durch einen Kollimator betrachteten emittierenden
Quelle zu rekonstruieren oder ein Beugungsdiagramm zu erzeugen. Im Falle der Szintillationskameras
wird dabei die Strahlung mit Hilfe eines Szintillator
4lO-(B56ll.3)-SEBk
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ORIGINAL
in sichtbares Licht umgewandelt, das zur Bestimmung der
Position der verschiedenen Punkte des Szintillator, an denen eine Lichtreaktion auftrat, herangezogen wird.
Ein derartiges Problem stellt sich bei zahlreichen Verfahren, beispielsweise in der Physik, der Biologie,
der Medizin oder bestimmten industriellen Untersuchungsverfahren; das Problem besteht auf diesen Gebieten darin,
von einer oder mehreren Quellen emittierte Strahlung geometrisch zu lokalisieren. In der Medizin handelt
es sich beispielsweise um die Lokalisation von Strahlung, die von einem Organ ausgeht, in das ein radioaktives
Produkt injiziert oder eingeführt wurde.
Es existieren mehrere Typen von Szintillationskameras.
Hier ist zunächst die Anger-Kamera zu erwähnen, in der die vom Szintillator erzeugten Lichtimpulse
von einer Photomultipliereinrichtung nachgewiesen und lokalisiert werden, die sich auf der Rückseite
des Szintillators befinden, wobei ein optisches Zwischenglied zwischengeschaltet sein kann. Die von
den Photovervielfachern gelieferten Signale werden elektronisch kombiniert. Die Anzahl der erforderlichen
Photovervielfacher ist der Oberfläche des verwendeten Szintillators und dem Feld der erwünschten geometrischen
Auflösung proportional. Im Fall einer f -Strahlung von l4O keV und Verwendung eines Szintillators
aus Natriumjodid von 2βΟ mm Durchmesser beträgt die
geometrische Auflösung beispielsweise 9 mm, wobei 19 Photovervielfacher erforderlich sind. Wenn die
geometrische Auflösung verbessert und der Anwendungsbereich vergrößert werden soll, erreicht die Zahl der
609 840/078Q
Photovervielfacher rasch eine Grenze; darüber hinaus erfordert dieser Kameratyp häufiges Nachstellen.
Des v/eiteren sind die Kameras mit Helligkeitsverstärkung zu nennen, in denen eine Bildverkleinerung erfolgt
(vgl. beispielsweise die PR-PS 2 056 586). Die
von einer mit dem Szintillator verbundenen Photokathode emittierten Photoelektronen werden beschleunigt und auf
einem Leuchtschirm elektronenoptisch fokussiert, wobei das von der Photokathode emittierte elektronische Bild
in verkleinertem Maßstab abgebildet wird. Das von einer zweiten Helligkeitsverstärkerstufe emittierte Licht
wird durch vier Photovervielfacher lokalisiert.
Dieser Vorrichtungstyp erfordert die Verwendung eines gebogenen Szintillator; derartige Vorrichtungen
sind sehr sperrig und müssen nach einer sehr komplizierten und aufwendigen Technologie hergestellt v/erden. Auflösung
und Stabilität sind dabei besser als bei der Anger-Kamera.
Schließlich ist noch der von A. Roberts in 'Advances in electronics and electron physics' Bd. χιι (i960) 155 .152
beschriebene Kanal-Bildverstärker zu erwähnen; in diesem Fall wird die Verstärkung mit Dynoden durch Sekundäremission
von Elektronen erzielt. Die mit einem derartigen System verbundenen Nachteile werden später· erläutert.
Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Lokalisierung von Strahlung anzugeben, mit der eine bessere geometrische Auflösung, ein erweiterter
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_ if _
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Anwendungsbereich, höhere Impulsraten, eine bessere Stabilität sowie ein geringerer Platzbedarf als bei
herkömmlichen Vorrichtungen erzielt werden, wobei zugleich eine bessere Serienfertigung möglich sein soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Lokalisation von Lichterscheinungen gelöst,
die durch folgende wesentlichen Bestandteile gekennzeichnet ist:
eine zur Umwandlung der Lichterscheinungen in Photoelektronen geeignete Photokathode,
Mittel zur Bündelung der von der Photokathode emittierten Photoelektronen in Form einer großen Anzahl getrennter
Strahlenbündel, wobei jedes Bündel den von einem gut lokalisierten Teil der Photokathode emittierten
Photoelektronen entspricht, sowie
Mittel zum Nachweis und zur Lokalisierung der Strahlenbündel von Photoelektronen in einer sie schneidenden
Fläche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt vorzugsweise gleichermaßen auch Mittel zur Beschleunigung der Photoelektronen
der entsprechenden Strahlenbündel. Bei der Anwendung zur Lokalisation von Strahlung umfaßt die erfindungsgemäße
Vorrichtung ferner vor der Photokathode einen Szintillator, der zur Umwandlung der entsprechenden ■
Strahlung in Licht' geeignet ist.
Die Mittel zur Bündelung der Photoelektronen bestehen vorzugsweise aus mehreren beabstandeten, zueinander und
zur Photokathode parallel angeordneten leitenden Gittern, die auf abgestuften elektrischen Potentialen gehalten
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sind, wobei jedes Gitter mehrere gleichartige öffnungen
aufvjeist, die Bündelungskanäle mit senkrecht zu den Gittern
verlaufenden Achsen bilden, und sich die Gitter zwischen der Photokathode und einer ersten leitenden
Platte befinden, die eine in der Achse jedes Kanals liegende öffnung aufweist, parallel zu den Gittern
angeordnet ist und auf einem in bezug auf die Photokathode positiven Potential gehalten ist.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Weiterbildung bestehen die Gitter aus dünnen leitenden Folien, die mit
öffnungen versehen sind.
Nach einer zweiten erfindungsgemäßen Weiterbildung bestehen die Gitter aus parallel zur Achse der Bündel
angeordneten planen Trennwänden, die Bündelungskanäle mit jeweils gleichem rechtwinkligem Querschnitt abgrenzen.
In diesem Fall ersetzt ein derartiger Satz von Trennwänden mindestens eine, mindestens eine Gruppe oder die
Gesamtheit der dünnen, leitenden Folien.
Die Mittel zur Beschleunigung bestehen vorzugsweise aus der ersten Platte sowie einer zweiten leitenden Platte,
die auf einem in bezug auf die erste Platte stark positiven Potential gehalten ist, wobei die zweite Platte
parallel zur ersten angeordnet ist und in gerader Richtung von jeder Öffnung der ersten Platte eine öffnung aufweist.
Die Mittel zum Nachweis bestehen ferner vorzugsweise aus mehreren Halbleiterbauteilen zum Elektronennachweis,
die sich in einer senkrecht zu den Achsen der Ka-
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näle liegenden Ebene befinden, wobei jeder Bauteil in
der Verlängerung einer der Achsen der Kanäle angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner auch ein insbesondere an den Fall angepaßtes Kopplungsmittel, daß ein Szintillator
mit einer Vorrichtung zur Verarbeitung der vom Szintillator emittierten Lichtimpulse optisch gekoppelt
werden soll, wobei diese Vorrichtung beispielsweise aus in Richtung des einfallenden Strahls gesehen nach dem
Szintillator vorgesehenen photoemittierenden Schichten besteht.
Das erfindungsgemäße optische Kopplungsmittel besteht aus mindestens einem chlorierten Diphenylprodukt.
Dieses Kopplungsmittel eignet sich insbesondere in den Fällen, in denen der Szintillator einen höheren Brechungsindex
in der Größenordnung von 1,85 (beispielsweise Natriumjodid-Szintillator)
aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden unter bezug auf mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen sowie
der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht einer ersten,
vereinfachten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung entsprechend der Ebene I-I der Fig. 2;
Fig. 2 eine waagrechte Schnittansicht derselben Vorrichtung entsprechend der Ebene H-II der
Fig. 1;
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Fig. 3 eine senkrechte Schnittansicht einer vollständigen
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 4 eine Draufsicht eines Bündelungsgitters;
Fig. 5 eine senkrechte Schnittansicht, aus der
die Befestigung der Gitter auf Stützen hervorgeht;
Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Schirmgitter;
Fig. 7a, 7b, 7c und 7d ein Beispiel für die Ausführung
der Bündelungs-Trennwände;
Fig. 8 eine Ansicht der Verbindungen zwischen den Detektordioden;
Flg. .9 eine perspektivische Ansicht einer ersten Weiterbildung der Lokalisationsvorrichtung;
Fig.10 eine zweite Weiterbildung der Lokalisationsvorrichtung;
Fig.11 eine senkrechte Schnittansicht einer Vorrichtung
mit einem Szintillator und einem gewöhnlichen Glas, die den Strahlengang der Lichtstrahlen
bei Anwendung eines Silikons als optisches Kupplungsmittel zeigt, sowie
Fig.12 dasselbe Beispiel wie in Fig. 11, jedoch für
den Fall der Verwendung eines erfindungsgemäßen Kopplungsmittels.
In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform
der Vorrichtung zur Lokalisation von Strahlung schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung umfaßt zunächst einen ebenen Szintilla-.609840/0780
tor 2, dessen Eintrittsfläche 4 die zu lokalisierende
Strahlung empfängt.
Der Szintillator besteht aus einem zur Umwandlung der Strahlung R in Licht L (durch Striche dargestellt)
geeigneten Material.
Auf der Rückfläche 6 des Szintillator befindet sich eine Glasplatte 8, die mit dem Szintillator optisch
verbunden ist.Auf der Rückseite der Glasplatte 8 befindet sich eine spezielle Schicht 10, die als Photokathode
dient. Die Photokathode besteht dabei aus einer Schicht aus Materialien, die zur Emission von Elektroden unter
Einwirkung von Lichtstrahlung befähigt sind.
Hinter der Photokathode 10 befinden sich mehrere Bündelungsgitter 12a, 12b, 12c und 12d, die Löcher aufweisen
und zueinander sowie zur Photokathode 10 parallel angeordnet sind. Diese Gitter sehr geringer Dicke weisen
eine quadratische Teilung der Länge _l auf. Die Elemente des Gitters können jedoch ebenso auch beispielsweise rechteckig
oder hexagonal sein.
In der Fig. 2 ist das Gitter 12c dargestellt. Die Gitter sind übereinander angeordnet und weisen einen Abstand
voneinander auf; sie definieren Bünde lungs kanal e 14·,
1β usw., deren Achsen zur Ebene der Photokathode senkrecht stehen.
Die Potentiale, auf denen sich die Gitter befinden, sowie die Durchmesser der Öffnungen definieren die Bedingungen,
unter denen die Bündelung der Elektroden er-
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folgt. Die Potentiale sind beispielsweise in der Größenordnung
von + 10 V bis - 10 V bezogen auf die Photokathode.
Die - Einheit zur Bündelung der von der Photokathode
emittierten Photoelektronen wird durch eine erste leitende. Platte 18 vervollständigt, die parallel zu den
Gittern 12 angeordnet ist und Öffnungen 20 aufweist,
wobei sich jede öffnung 20 in der Verlängerung der
Achsen der Bündelungskanäle, etwa 14 und 16, befindet. Die Platte wird auf einem in bezug auf die Photokathode positiven Potential gehalten, das beispielsweise in der Größenordnung von 2 kV liegt.
Gittern 12 angeordnet ist und Öffnungen 20 aufweist,
wobei sich jede öffnung 20 in der Verlängerung der
Achsen der Bündelungskanäle, etwa 14 und 16, befindet. Die Platte wird auf einem in bezug auf die Photokathode positiven Potential gehalten, das beispielsweise in der Größenordnung von 2 kV liegt.
In der Fig. 1 ist die Bündelung der Photoelektronen durch die Linien 22 schematisch angedeutet. Daraus
geht hervor, daß die aus den Gittern 12 und der Platte 18 bestehende Einheit mehrere Bündelungskanale für die
Photoelektronen vorgibt, die von dem dem betreffenden
Kanal entsprechenden Teil der Photokathode emittiert
werden.
Kanal entsprechenden Teil der Photokathode emittiert
werden.
Es ist festzustellen, daß die Gitter 12 lediglich zur Bündelung der jeweiligen Bündel von Photoelektronen
dienen, die von der Photokathode emittiert werden. Sie spielen entsprechend keinerlei Vervielfacherrolle durch
Sekundäremission von Elektronen. Auf diese V/eise ist
es möglich, die große Schwierigkeit zu vermeiden, die
mit der Beherrschung der Verstärkung der Sekundäremissionsdynoden verbunden ist: die statistischen Fluktuationen der Sekundäremissionsausbeute der ersten Dynoden würden zu bedeutenden Änderungen der Verstärkung jedes Kanals führen. Darüber hinaus ist die mittlere Verstärkung von
es möglich, die große Schwierigkeit zu vermeiden, die
mit der Beherrschung der Verstärkung der Sekundäremissionsdynoden verbunden ist: die statistischen Fluktuationen der Sekundäremissionsausbeute der ersten Dynoden würden zu bedeutenden Änderungen der Verstärkung jedes Kanals führen. Darüber hinaus ist die mittlere Verstärkung von
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einem Kanal zum anderen in diesem Fall sehr inhomogen.
Hinter der ersten Platte 18 befindet sich eine parallel dazu angeordnete zweite Platte 24, die ebenfalls
mit öffnungen 26 versehen ist.
In der Achse der Öffnungen 20 befindet sich jeweils eine öffnung pro BUndelungskanal.
Die Platten 18 und 24 dienen gleichzeitig als
Abschirmung zum Schutz der Photokathode, der Stützen und der Detektordioden vor verschiedenen störenden
Einflüssen wie beispielsweise der Einwirkung rückgestreuter Elektronen, durch Feldwirkung abgetrennter
Elektronen, einem Ionenbombardement sowie der durch Elektronen hervorgerufenen Emission elektromagnetischer
Strahlung.
Die Platte 24 befindet sich gegenüber der Platte 18 auf einem erheblich höheren positiven Potential, beispielsweise
in der Größenordnung von 36 kV. Auf diese
Weise erfolgt eine Beschleunigung der Photoelektronen
eines jeden Bündels zwischen den beiden Platten. Hinter der Platte 24 sind Detektordioden, vgl. 28, vorgesehen.
Die Abschirmungsrolle der Platte 24 kann folgendermaßen verdeutlicht werden: die auf die Detektoren wie
beispielsweise 28 auftreffenden Elektronen erzeugen rückgestreute Elektronen, die ein von Null bis zur Energie
der einfallenden Elektronen reichendes Energiespektrum aufweisen und sich in alle Raumrichtungen ausbreiten.
Bei Abwesenheit der Abschirmung 24 gelangen die von
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einem der Detektoren 28 ausgehenden Elektronen entsprechend in die benachbarten Kanäle, wo sie störende Signale
erzeugen können; dies ist von besonderer Bedeutung, da die Wirksamkeit des Lokalisationssystems dadurch beträchtlich
verringert wird. v
Wenn diese Abschirmung allerdings vorgesehen ist, deren öffnungsweite in der Nähe der Detektorgröße liegt,
wird der größte Teil der von einem Detektor rückgestreuten Elektronen von der Abschirmung 24 aufgefangen; von
den Elektronen, die durch die dem Detektor gegenüberliegende öffnung hindurchgehen, werden entsprechend nur
sehr wenige in die benachbarten Kanäle gelangen, wobei der Großteil wiederum durch die Abschirmung 24 eingefangen
wird.
Hinter jeder Öffnung 26 befindet sich eine Diode 28;
die Dioden 28 sind auf einem Träger j50 befestigt, auf· dem
die Verbindungen zwisehen den Dioden in zwei aufeinander
senkrecht stehenden Richtungen X und Y vorgesehen sind, wie später im einzelnen erläutert wird.
Die Detektordioden liefern an ihren Ausgangsanschlüssen
einen Strom, dessen Stärke der Menge der auf ihre wirksame Oberfläche auftreffenden Elektronen sowie deren
Energie proportional ist (für Elektronen von J>6 keV belt
trägt der Strom der Diode das 10 -fache des von der Photokathode emittierten Stroms).
trägt der Strom der Diode das 10 -fache des von der Photokathode emittierten Stroms).
Fig. 3 stellt einen detaillierteren senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dar. Die Vorrichtung befindet sich in einem
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ersten Isolierenden Gehäuse 32, das mit einem Metallboden
34 verschlossen ist.
Vor der Eintrittsfläche 36 des Gehäuses 32, die
selbstverständlich strahlendurchlässig ist, befindet sich ein Kollimator 38 bekannten Typs.
Die Eintrittsfläche 36 des Gehäuses 32 ist innen mit einem auf einem Potential von - 36 kV gehaltenen
Metallüberzug 40 und außen mit einem Metallüberzug versehen, der auf dem Bezugspotential liegt. Die Einheit
der Bündelungskanäle und des Beschleunigungsraums ist
in einem zweiten Gehäuse eingeschlossen, in dem hohes Vakuum herrscht; er besteht aus einer Glasglocke 42, deren
freier Rand 44 mit einer schmelzbaren Dichtung 43
wie beispielsweise einer Zinn-Indium-Dichtung fest mit dem Boden 34 verbunden ist.
Die Innenseite der Eintrittsseite 46 der Glasglocke,
die dieselbe Rolle spielt wie die Glasplatte 8 in Pig. I und entsprechend mit dem Szintillator 2 in Kontakt steht,
ist mit einer speziellen Schicht 10 versehen, die die Photokathode darstellt.
Diese lichtempfindliche Schicht befindet sich ebenfalls auf einem Potential von - J>6 kV.
Der Raum 48 zwischen dem Gehäuse 32 und der Glasglocke 42 ist mit'einer elektrisch isolierenden und
optisch koppelnden Flüssigkeit ausgefüllt.
Eine dünne Schicht dieser Flüssigkeit gewährleistet
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die optische Kopplung zwischen dem Szintillator und der Eintrittsfläche 46 der Glasglocke.
Das optische Kopplungsmittel kann, wie bereits angegeben, ein chloriertes Diphenylprodukt enthalten,
das auch mit anderen Detektortypen verwendet werden
kann, bei denen ein Szintillator mit einer Einheit zur Verarbeitung der emittierten Lichtbündel gekoppelt werden
soll.
Zu derartigen Produkten gehören beispielsweise die unter der allgemeinen Bezeichnung 'Pyralene' von der
Firma Prodelec (Societe Prodelec, rue de Miromesnil, Paris,
•Prankreich) vertriebenen Produkte. So wurden beispielsweise
Pyralene 6000, das ein Hexachlordiphenyl darstellt, sowie Pyralene 4000, das ein Tetrachlordiphenyl ist,
in reiner Form, im Gemisch miteinander sowie in Form von Gemischen mit Lösungsmitteln wie Chloroform und
Chlorbenzol mit Erfolg .eingesetzt. Die als Ausgangsmaterialien dienenden chlorierten Diphenyle besitzen
unterschiedliche Viskositäten; die Herstellung von Gemischen mit Lösungsmitteln hat das wesentliche Ziel der
Einstellung der Viskosität des Kopplungsmittels für den jeweiligen Verwendungszweck.
Das erfindungsgemäße optische Kopplungsmittel weist zahlreiche Vorteile auf:
einen erhöhten Brechungsindex von 1,65 - 1*70 bei
4201 S,
eine gute optische Durchlässigkeit bei 4200 8,
chemische Verträglichkeit mit Natriumiodid (im zweijährigen
Versuch ohne jegliche Änderung),
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hohe chemische Langzeitstabilität,
innerhalb eines weiten Bereichs (je nach Abstufung und Gemischen) variable Viskosität sowie
vollkommene eleürische Isolation.
Zum besseren Verständnis des großen Interesses am erfindungsgemäßen neuartigen optischen Kopplungsmittel
ist es von Nutzen, dessen Eigenschaften mit denen bekannter Kopplungsmittel, beispielsweise Silikonölen,
zu vergleichen, deren Brechungsindex im Vergleich zum hohen Brechungsindex von 1,85 des Natriumjcdid-Szintillators
ziemlich niedrig ist.
In der Fig. 11 ist ein Natrium-odid-Szintillator
über ein Silikon-Kopplungsmittel 2O2I- mit einem Brechungsindex
von 1,45 mit einem gewöhnlichen Glas 206 vom Brechungsindex 1,5 gekoppelt, das auf seiner dem Szintillator
gegenüberliegenden Seite eine photoemittierende Schicht 208 mit einem Brechungsindex nahe 3 aufweist. Die
Indices sind dabei für die Wellenlänge der Emission des NaJ (Tl), d.h. 4200 S, angegeben.
In der Fig. 11 ist der Verlauf eines Lichtstrahls 210 dargestellt, der von der Eintrittsfläche des Szintillators
ausgeht und unter einem Winkel von 45 ° zu dieser Eintrittsfläche verläuft. An der ersten Grenzfläche (Diopter
212) erleidet der Strahl eine teilweise Reflexion von etwa 2 % (reflektierter Strahl 214) sowie Brechung unter Vergrößerung
des Winkels in bezug auf die Normalrichtung (gebrochener Strahl 216). An der zweiten Grenze (Diopter
218) erleidet der Strahl 216 eine geringe teilweise Reflexion von etwa 0,3 % (reflektierter Strahl 220), wo-
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bei sich der gebrochene Strahl 222 der Normalrichtung leicht annähert. An der letzten Grenzfläche 224 unterliegt
der Strahl 222 einer starken teilweisen Reflexion von 17 fo (reflektierter Strahl 226), wobei sich der gebrochene
Strahl 228 der Normalrichtung stark nähert. Schließlich ist festzustellen, daß an der ersten Grenze
212 Totalreflexion für Strahlen eintritt, die ab einem Einfallswinkel von 51,6 ° einfallen (1. total reflektierter
Strahl 230); alle diejenigen Lichtstrahlen, die außerhalb des Kegels mit einem Scheitelwinkel von 51,6
liegen, gelangen entsprechend nicht auf die photoemittierende Schicht und gehen dadurch für den Strahlungsnachweis
verloren. Durch partielle Reflexion gehen daneben etwa 19,3 % verloren. Die Verbreiterung des Flecks
kann schließlich durch den Abstand el gekennzeichnet werden, in dem der unter 45 ° zur Eintrittsfläche eintretende
Teststrahl 210 zur photoemittierenden Schicht gelangt; er beträgt 72 (willkürliche Einheiten).
In Fig. 12 ist der erfindungsgemäß erzielte Vorteil bei einer derartigen Anwendung dargestellt. Die
hierbei verwendete Anordnung ist geometrisch dieselbe wie in Fig. 11, wobei auch die gleichen Bezugszahlen
gelten. Das Kopplungsmittel 204 ist allerdings nunmehr ein erfindungsgemäßes Kopplungsmittel, d.h. ein chloriertes
Diphenylprodukt mit einem Brechungsindex von 1,68.
Der unter einer Neigung von 45 ° zur Eintrittsfläche
einfallende Teststrahl 236 unterliegt zunächst einer
teilweisen Reflexion von etwa 0,4 fo an der Grenze 212
(reflektierter Strahl 238); der gebrochene Strahl 240 unterliegt an der Grenze 218 einer teilweisen Reflexion
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- ιβ -
von etwa 0,5 # (reflektierter Strahl 242); der gebrochene
Strahl 244 erleidet ferner an der Grenze 224 eine teilweise
Reflexion von etwa YJ fo (reflektierter Strahl 246).
An der ersten Grenzfläche 212 tritt Totalreflexion der Strahlen ab einem Einfallswinkel von 54,2 ° ein
('äußerster Strahl 248).
Im Hinblick auf die in Pig. Il dargestellte bekannte
Anordnung ist demgegenüber folgendes ersichtlich:
1) Es geht weniger Licht durch Totalreflexion verloren (Öffnungswinkel des" Kegels der an der Grenze 212
gebrochenen Strahlen größer)·
2) es treten geringere Verluste durch partielle Reflexion auf (17,9 %)">
5) die Fleckyergrößerung ist weniger bedeutend (d = 66).
Obgleich diese Vorteile auf den ersten Blick relativ gering erscheinen, sind sie doch umso bedeutender, je
dicker die Schicht des optischen Kopplungsmittels 4 ist; er tritt insbesondere bei Gamma-Kameras mit Bildverstärker
stark in Erscheinung, die ebene oder schwach gekrümmte Szintillatoren (wegen der sehr empfindlichen Herstellungstechnologie der Szintillatorkristalle) verwenden, die mit
Bildverstärkern mit stark gewölbter Eintrittsfläche (wegen
seinsteilung
der Vakuumfestigkeit sowie zur Neigung/der Elektronenbahnen)
verbunden sind.
Der erfindungsgemäß erzielte technische Fortschritt ist ferner in besonderem Maße auch daraus ersichtlich, daß
Gläser mit hohem Brechungsindex verwendbar sind. Dies ist etwa bei der in Fig. j5 dargestellten Vorrichtung der Fall,
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bei der Gläser mit höherem Brechungsindex in der Nähe von 1,68,"also mit etwa gleichem Brechungsindex wie das erfindungsgemäße
Kopplungsmittel, verwendet werden können.
Der unter 45° auf die Eintrittsfläche einfallende Teststrahl unterliegt zunächst einer teilweisen Reflexion
von etwa 0,4 % an der Grenze 212j der gebrochene Strahl
durchläuft ohne Reflexion oder Änderung seiner Orientierung die Grenze 218 und erleidet an der Grenze 224 eine
teilweise Reflexion von etwa 10 %.
An der ersten Grenzfläche 212 erfolgt Totalreflexion für Strahlen, die ab einem öffnungswinkel von 65,5 ° einfallen.
Gegenüber der in Fig. 11 dargestellten bekannten Anordnung ist folgendes ersichtlich:
1) Es geht erheblich weniger Licht durch Totalreflexion
verloren (ausnutzbarer Winkel 65,3 ° anstelle von 51,6 °)j
2) die Verluste durch partielle Reflexion gehen von .19,3 % auf 10,4 % zurück;
3) die Vergrößerung des Flecks wird erheblich verringert
(d = 56 anstelle von d = 72).
Ein derartiger Vergleich wurde ferner auch für einen unter 45 ° einfallenden Strahl durchgeführt; hierbei darf
nicht außeracht gelassen werden, daß die auftretenden Differenzen hinsichtlich des Lichtverlusts sowie der Fleckverbreiterung
für höhere Einfallswinkel noch wesentlich ausgeprägter sind und nur etwa 20 fo des Lichts im Kegel mit
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einem Öffnungsv/inkel von 45 ° enthalten sind.
Wie ferner aus Fig. 3 hervorgeht, ruht die Glasglocke
auf Stützen 50* deren Unterseiten auf dem Verbindungsträger
J50 aufstehen. v
Die Stützen sind aus einem isolierenden Material ausgeführt und dienen, wie später im einzelnen erläutert
wird, gleichermaßen zur Befestigung der Gitter 12 sowie der Platten 18 und 24. Die Schmelzdichtungen 4j5 bilden
keinerlei starre Verbindung zwischen dem Boden 54 und der Glasglocke 42, sondern dienen lediglich zur Abdichtung.
Der Boden 34 v/eist ferner eine öffnung 52 auf, über
die das Innere der Glocke 42 mit einer Getterpumpe 54 zur
Aufrechterhaltung eines hohen Vakuums im Glockeninneren verbunden ist.
Der Boden J54 weist außerdem eine Durchführung für die elektrischen Anschlüsse 56 auf, die zum Anlegen entsprechender
Potentiale an die verschiedenen inneren Bestandteile der Glocke sowie zur Ableitung der von den
Detektordioden gelieferten elektrischen Signale dienen.
Die Ränder 44 der Glocke 42 sind mit einer Metallschicht überzogen, die eine Benetzung durch die Indium-Zinn-
Legierung der Schmelzdichtung erlaubt; eine derartige
Benetzung ist zur Gewährleistung vollständiger Dichtheit unerläßlich.
Die Außenfläche des isolierenden Gehäuses ist ferner ebenfalls mit einer Metallschicht 58 versehen, die auf
Masse liegt.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Bündelungsgitters
wie beispielsweise des Gitters 12a dargestellt.
Das Gitter ist quadratisch und besteht aus leitenden Segmenten 60, die die Verknüpfungspunkte 62 verbinden,
die ihrerseits öffnungen 64 aufweisen, über die sie mit
den Stützen 50 befestigt werden können.
Die Maschenweite 1_ des Gitters beträgt beispielsweise
15 mm, die Dicke e_ der das Gitter aufbauenden Segmente
0,5 mm.
Es ist ersichtlich, daß die Gesamtheit der öffnungen
l4a, 14b ... usw. (vgl. Fig. 1), die den verschiedenen Gittern entsprechen und aufeinander ausgerichtet sind, einen
Bündelungskanal 14 für die Bündel der Photoelektronen bilden.
In Fig. 5 ist eine Ausfuhrungsform für die Befestigung
der Bündelungsgitter an den Stützen für ein Beispiel angegeben, bei dem sich die Gitter sämtlich auf demselben Potential
befinden.
Die Gitter sind mit ihren öffnungen 64 auf einem Zentrierelement 70 aufgereiht, das sich am oberen Ende
eines elektrisch isolierenden Rohrs 72 befindet, das die
eigentlichen Stützen darstellt.
' Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gittern sind Jeweils
leitende Distanzstücke 74 eingesetzt.
Über dem obersten Gitter 12a ist das Distanzstück 76 geschlossen, wobei sein oberes Ende 78 abgeflacht ist
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(vgl. 10), um mechanische Spannungen auszugleichen. Der
isolierende Teil 72 jeder Stütze dient ferner auch zur Befestigung der Platten J.8 und 24. - .
In anderen Fällen, in denen an die verschiedenen Gitter unterschiedliche Potentiale angelegt werden sollen,
können entsprechend isolierende Materialien zum Aufbau der Stützen verwendet werden.
In Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die Platte 24 dargestellt. Die Platte 24 weist öffnungen 80 auf, mit
denen die Platte an den Stützen befestigt werden kann, sowie die bereits beschriebenen Löcher 2β, wobei die
Anzahl der Löcher der Anzahl der Bündelungskanäle 14, l6 ... usw. entspricht.
In Fig. 7 ist eine Weiterbildung der Mittel zur Strahlbündelung dargestellt. Bei dieser Weiterbildung
sind die Gitter durch eine Einheit von Metalltrennwänden ersetzt, die genau die gleiche Dicke in zur Photokathode
senkrechter Richtung aufweisen, wie die Einheit der vier Gitter.
Die Trennwände bestehen aus Metallstreifen 100, die im Abstand 1 Schlitze 102 aufweisen, wodurch die Weite
der Bündelungskanäle vorgegeben wird.
Zum Aufbau der Trennwandeinheit werden die verschiedenen Trennwände in die entsprechenden Schlitze eingesetzt,
wie in Fig. fa. von oben dargestellt ist; man erkennt die
verschiedenen Trennwände, die die Bündelungskanäle 14', 14" in derselben Weise wie die Bündelungsgitter bilden.
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In dem Pall, in dem die tragenden Stützen aus isolierenden
Materialien 104 bestehen (Fig. 7d), ist an ihrem oberen Ende ein metallischer Verbindungszapfen ΙΟβ befestigt,
der zwei aufeinander senkrecht stehende Schlitze 108 und 110 aufweist. Aus Fig. 7d ist ersichtlich, daß
ein leitender Streifen 100 in einen Schlitz wie beispielsweise 108 eingesetzt wird, während ein leitender Streifen
100' dazu senkrecht in den Schlitz 110 eingesetzt wird.
Diese metallischen Trennwandeinheiten können wie
beim vorangehenden Beispiel die Einheit der in den Fig.4
und 5 beschriebenen/Gitter ersetzen; dabei können sie je nach den erwünschten Eigenschaften der Elektronenbündelung
aufeinanderfolgende Gruppen von feinen Gittern oder ein einziges der dünnen Gitter ersetzen.
In Fig. 8 ist eine Verbindungsweise der Dioden 2S1
dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Realisierung einer Lokalisation in zwei aufeinander senkrecht stehenden
Richtungen X und Y. Zum Aufbau dieser beiden Einheiten von Verbindungen werden auf dem Träger J50 parallel zur Richtung
Y leitende Bänder 12O1 aufgebracht, wobei die Dioden auf
den Bändern 12O1 befestigt werden, mit denen sie mit ihren ersten
Anschlüssen elektrisch verbunden sind.
Auf dem Träger 30 sind ferner Bandelemente 122j
aufgebracht, die parallel zur Richtung X ausgerichtet sind. Die zweiten Anschlüsse der Dioden sind über Leitungen 124
Und 124' mit den beiden einander benachbarten Teilen der
Bänder 122. und 122 . -. verbunden. Die diesen beiden
1,j 1+1j
Richtungen entsprechenden leitenden Bänder sind ferner
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mit der weiteren, in der Figur nicht dargestellten Schaltung verbunden.
Vorzugsweise werden durch Ionenimplantation erhaltene Siücium-Detektordioden eingesetzt, die folgende Eigenschaften
aufweisen:
Siliciumsubstrat vom Typ N, Widerstand 400X1,
ρ
Detektoroberfläche 3 mm , -
Detektoroberfläche 3 mm , -
Verstärkung bei 36 kV gleich 10 .
Die Dioden können durch Halbleitervorrichtungen mit geeigneter Verstärkung wie beispielsweise Lawinendioden
(Avalanchedioden, Zener-Dioden) oder kleine integrierte Verstarkerschaltkreise ersetzt werden.
Die Dioden können ferner auch durch eine die gesamte Oberfläche 30 bedeckende Detektoroberfläche ersetzt werden,
die aus einem amorphen oder polykristallinen Halbleiter besteht (vgl. Fig. 9). Auf einer Seite der Platte
130 werden zur Richtung X parallele leitende Bänder 1J2
aufgebracht, auf der anderen Seiten zur Richtung Y parallele leitende Bänder 134. Jede Überschneidung eines Bandes 132
mit einem Band 134 stellt dabei einen elektronenempfindlichen
Detektor eines Bündelungskanals dar. Auf diese Weise wird ein Lokalisationssystem mit zwei Richtungen erzielt.
Die Einheit ist auf einem vorzugsweise aus Glas bestehenden Substrat 136 befestigt.
Die optische Ausbeute der Vorrichtung kann ferner durch Verwendung photoemittierender Bündelungs-Trennwände
weiter verbessert werden, wobei die 40 - βθ Yo der von der
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auf dem Eintrittsfenster aufgebrachten lichtempfindlichen Schicht 10 austretenden Photonen, die nicht durch
die Photokathode 10 in Elektronen umgewandelt wurden, ausgenutzt werden.
Anstelle eines planen Eintrittsfensters wie im vorstehenden Beispiel können ferner auch konvexe oder
konkave Eintrittsfenster je nach Bedarf verwendet werden.
In diesem Fall weisen die BUndelungs- und Beschleunigungselektroden
dieselbe Form auf, ebenso die Detektoroberfläche. ■
Nach der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform kann das aus den Detektorelektroden bestehende Lokalisationssystem
durch ein System ersetzt werden, das aus einem zweiten viereckigen Szintillator l4o besteht, der
die Trägerplatte j50 und den Boden J54 ersetzt, wobei der
zweite Szintillator mit vier an den vier Kanten vorgesehenen Photovervielfachern verbunden ist und solche Eigenschaften
aufweist, daß er als Lichtleiter wirkt (gegenüber in Lokalisationskameras mit vier Photovervielfachern
verwendeten Systemen beträchtliche höhere Ausbeute).
Die Empfindlichkeit der Vorrichtung kann ferner dadurch
verbessert werden, daß zwischen der Photokathode und den Bündelungsgittern 12 oder den BUndelungstrennwänden
100 bekannte Organe vorgesehen werden, die eine Vervielfachung der von der Photokathode emittierten Elektronen
durch Elektronen-Sekundäremission erlauben, wobei das Ausgangssignal entsprechend vervielfacht wird.
Die BUndelungs- und Beschleunigungsgitter können ferner
auch durch anderweitige Strukturelemente derselben Anordnung ersetzt werden, die zur Ausbildung von Bündelungs-
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kanälen führen und die eine Vervielfachung durch Sekundäremission von Elektronen ergeben.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lokalisierung von Strahlung kann eine ausgezeichnete geometrische
Schärfe erzielt werden.
Pur eine Maschenweite der Bündelungsgitter oder der Bünde lungs trennwände von 15 mm wird mit einem NaJ (Tl)-Szintillator
und eine ^f -Strahlung von ]Λθ keV eine
Auflösung von 2 mm erzielt.
Pur eine Maschenweite von 10 mm beträgt die Auflösung
unter denselben Bedingungen 1,5 mm, für eine Maschenweite von 5* mm entsprechend 0,75
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner eine erhöhte Impulsrate erzielt werden. Die Dauer des
Ausgangssignals ist dabei gleich" der Fluoreszenzdauer des Szintillator.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht ferner die Erzielung einer hohen zeitlichen Stabilität wie auch
guter Gleichmäßigkeit zwischen den einzelnen Zellen. Beim erfindungsgemäßen System ist die Verstärkung lediglich
eine Punktion der Beschleunigungsspannung und der zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren im Silicium erforderlichen
Energie. Die verschiedenen Bündelungskanäle weisen entsprechend sehr nahe beieinanderliegende Verstärkungen
sowie hohe zeitliche Stabilität auf. -
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Claims (19)
1.) Vorrichtung zur Lokalisation von Lichterscheinungen,
gekennzeichnet durch
eine 'zur Umwandlung der Lichterscheinungen in Photoelektronen
geeignete Photokathode (10),.
Mittel (12, 18; 100, 100!) zur Bündelung der von der Photokathode
(10) emittierten Photoelektronen in Form einer großen Anzahl getrennter Strahlenbündel (22), wobei jedes
Bündel den von einem gut lokalisierten Teil der Photokathode (10) emittierten Photoelektronen entspricht,
Mittel zur Beschleunigung (18, 24) der Photoelektronen
der Strahlenbündel (22) sowie
'Mittel (24, 28; 1J2,.1^4) zum Nachweis und zur Lokalisation
der Photoelektronen in einer die Photoelektronenbündel schneidenden Fläche (Fig. 1-9).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen
vor der Photokathode (10) angebrachten Szintillator (2) zur Umwandlung der Strahlung in Licht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bündelung der Photoelektronen aus
mehreren gleichen, planen, beabstandeten und zueinander sowie zur Photokathode (10) parallel angeordneten leitenden
Gittern (12) bestehen, die auf abgestuften elektrischen Potentialen gehalten sind, wobei jedes Gitter (12) mehrere
gleichartige öffnungen aufweist, die Bündelungskanäle (l4, 16 ...) mit senkrecht zu den Gittern verlaufenden Achsen
bilden, und sich die Gitter zwischen der Photokathode (10)
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und einer ersten leitenden Platte (ΐδ) befinden, die eine
in der Achse jedes Kanals (l4, 16 ...) liegende öffnung (20) aufweist, parallel zu den Gittern (12) angeordnet
ist und auf einem in bezug auf die Photokathode (10) positiven Potential gehalten ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch J5* dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Gitter (12) aus planen, zur Achse
der Bündel (22) parallelen Trennwänden (100, 100') gebildet wird, die Bündelungskanäle (l4, 16 ...)mit jeweils
gleichbleibendem Querschnitt begrenzen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Beschleunigung der Photoelektronen aus der ersten Platte (18) und einer zweiten, auf einem
±n bezug auf die erste Platte positiven Potential gehaltenen leitenden zweiten Platte (14) bestehen, wobei die zweite Platte
(24) parallel zur ersten Platte (18) angeordnet ist und in der öffnungsrichtung der ersten Platte (18) Öffnungen
(26) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet,
daß die öffnungen (26) der zweiten Platte (24) einen etwas kleineren Querschnitt als die Bundelungskanale
(14, 16 ...) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lokalisation (-24,
28, 132, 134) aus mehreren Elektronendetektor-Halbleiterbauteilen
bestehen, die sich innerhalb der gleichen Ebene senkrecht zu den Achsen der Kanäle
(14, 16 ...) befinden, wobei sich jedes Bauteil in
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der Verlängerung einer der Achsen der Kanäle befindet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet,
daß die Bauteile (24, 28,· 132, 154) eine bestimmte aktive
Oberfläche aufweisen und die Öffnungen (26) der zweiten Platten (24)/gleichen Querschnitt
besitzen wie die Oberfläche der Halbleiterbauteile.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterbauteile nach Zeilen und Spalten einer Matrix angeordnet sind, wobei die Halbleiterbauteile
einer Zeile und die Bauteile einer Spalte jeweils elektrisch miteinander verbunden sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauteile Dioden sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lokalisation aus einer amorphen Halbleiterplatte (IJO) bestehen, die auf einer
Seite nach einer ersten Richtung und auf der anderen Seite senkrecht zu dieser ersten Richtung angeordnete
leitende Bänder (3/52, 134) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen der Photokathode (10)
und den Mitteln zur Bündelung der Photoelektronen Mittel zur Vervielfachung der Photoelektronen durch Elektronen-Sekundäremission
aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bündelung und Beschleunigung der Photoelektronen in einer Glasglocke (42) einge-
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schlossen sind, die eine Eintrittsfläche (46) aufweist,
auf deren Innenseite sich die Photokathode (10) befindet, und die durch einen ßoden (34) verschlossen ist,
auf dem die Mittel zur Lokalisation der Photoelektronen befestigt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasglocke (42) von einem Ende isolierender Stützen getragen wird, deren anderes Ende im Boden (34) befestigt
ist, wobei die Stützen sowohl zur Befestigung der Mittel zur Bündelung der Photoelektronen als auch der ersten
Platte (l8) und der zweiten Platte (24) dienen.
15. Vorrichtung nach Anspruch IJ, dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasglocke (42) mit einer schmelzbaren Dichtung (43) mit dem Boden (34) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, 12 oder I3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lokalisation der Photoelektronen aus einem zweiten Szintillator (l4o)
bestehen, der hinter der zweiten Platte (24) angeordnet ist und als Lichtleiter dient, sowie, daß vier Photovervielfacher/regelmäßig
über den Umfang des Szintillators (l40) angeordnet sind (vgl. Fig. 10).
17. Optisches Kopplungsmittel zur optischen Kopplung der
Austrittsfläche eines Szintillators und der Eintrittsfläche einer optischen Verarbeitungsvorrichtung, dadurch
[1P) gekennzeichnet, daß das Kopplungsmittel/zumindest ein
chloriertes Diphenylprodukt umfaßt.
18. Kopplungsmittel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das chlorierte Diphenylprodukt mit Chloroform
oder Chlorbenzol vermischt ist.
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19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 - 16, dadurch
gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Szintillator (2) und der Eintrittsfläche (46) ein zumindest ein
chloriertes Diphenylprodukt enthaltendes optisches Kopplungsmittel befindet.
6098 4 0/0780
Leerseite
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