DE2610751A1 - Vorrichtung zur lokalisation von lichterscheinungen - Google Patents

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

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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

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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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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.

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.

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

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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).

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 , -

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)

Patentansprüche

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 jede_s 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.

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