DE2724594C2 - Ionisationskammer-Detektoranordnung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

f) jede der Anodenanordnungen eine Anzahl von die Anoden bildenden leitenden Streifen (14) umfaßt, die isoliert voneinander auf gegenüberliegenden Oberflächen einer ebenen, dielektrischen Platte oder Folie (15) angebracht sind,

g) wobei diese Streifen praktisch parallel zu einem auftreffeiiJen Röntgenstrahl liegen, und

h) die leitenden Streifen in de" Anodenanordnungen in einer Anzahl von Meßebenen angebracht sind, welche praktisch parallel zu dem auftreffenden Röntgenstrahl und senkrecht zu den dielektrischen Platten (15) liegen.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (10) aus einem Material bestehen, welches bei geeigneter Dicke praktisch undurchlässig für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenfrequenzen isi.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der leitenden Streifen (30a, 306, 32a. 326; aus einer Anzahl von leitenden Segmenten (34, 36) besteht, die jeweils elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jedes der Segmente (34) von benachbarten Segmenten durch einen Zwischenraum (35) getrennt ist und wobei die Segmente (36) auf der einen Oberfläche der dielektrischen Platte (15) gegenüberstehend zu den Zwischenräumen (35) der Segmente (34) auf der anderen Oberfläche der dielektrischen Platte (15) angeordnet sind.

4. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßschaltungen (28) so eingerichtet sind, daß die genannten leitenden Streifen (14) praktisch auf Erdpotential liegen, indem die Potentialquelle (24) zwischen die Kathoden (10) und Erdpotential geschaltci ist.

5. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus Elementen mit einem Atomgewicht größer oder gleich dem Atomgewicht von Argon besteht und der Druck des Gases zwischen etwa 10 bar und etwa 100 bar liegt.

6. Detektoranordnung nach Anspruch 5. dadurch

gekennzeichnet, daß das Gas aus Xenon besteht.

7. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (10) aus Molybdän, Tantal oder Wolfram bestehen.

8. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß geerdete Schutzeiektroden (40) auf den Oberflächen der dielektrischen Platten (Ϊ5) aufgebracht sind urid daß Isolatoren (18) zwischen jeder Schutzelektrode und der benachbarten Kathode (10) angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine lonisationskammer-Detektoranordnung zur Messung einer räumlichen Intensitätsverteilung von Röntgenstrahlen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Detektoranordnung der vorgenannten Art ist Gegenstand einer älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 26 53 058.

In der Röntgen-Tomographie mit Rechnern muß eine räumliche Verteilung der Röntgenintensität in elektrisehe Signale umgewandelt werden, welche zur Erzielung der Bildinformation weiter verarbeilet werden. Die in solchen Systemen verwendeten Detektoren müssen die elektromagnetische Energie der Röntgenstrahlung mit gutem Wirkungsgrad und mit einer hohen räumlichen Auflösung erfassen. Die Informationsgeschwindigkeit in Tomographie-Systemen ist im allgemeinen begrenzt durch die Erholzeit der Röntgendetektoren. Es ist daher erwünscht, Röntgendetektoren mit rascher Erhohlzeit, hoher Empfindlichkeit und guter räumlicher

J5 Auflösung zu verwenden. Tomographie-Systeme verwenden Anordnungen mit Hunderten solcher Röntgendetektoren.

In der DE-AS 20 25 136 ist eine Einrichtung zum Messen der räumlichen Intensit&isvertx-üjng von Beta-, Röntgen- oder Gamma-Strahlung mit im allgemeinen im Proportionalbereich arbeitenden lonisationsdctcktor. der in einem gemeinsamen, mit einem ionisierbaren Gas gefüllten Gefäß eine Vielzahl von in einer Fläche parallel zueinander angeordneten Anodendrähten und ferner mindestens eine in gleichmäßigem Abstand zur Anodendraht-Fläche angeordnete Kathode aufweist, die in eine Vielzahl von einzelnen ebenen Abschnitten aufgeteilt ist, derart, daß die Anordnung dieser Kathoden-Abschnitte und der Anodendrähie eine Vielzahl von gesonderten, ähnlichen und iri gleichmäßigen Abständen voneinander angeordneten Entladungsräumen innerhalb des Detektors definiert, mit einer Einrichtung zur Abnahme von Impulsen von jedem der Kathoden-Abschnitte und mit einer mit den Kathodcn-Abschnitten verbundenen Matrix-Ortungsschaltung, die mittels je zweier von zwei verschiedenen Elektroden abgenommener Impulse ein Strahlungsnachwcis-Ercignis eindeutig einem bestimmten Entladungsraum zuordnet, beschrieben. Bei dieser bekannten Einrichtung, die auch

«) für Röntgen-tomographihchc Untersuchungen bestimmt ist. geht es um eine Vereinfachung der Mairix-Oriungsschaltung. Auflösung und Empfindlichkeit der Einrichtung sind jedoch begrenzt, nachdem Flcktrodenteile im Weg der Röntgenstrahlen liegen und keine

hj wirksame Trennung der Entladungsräume vorhanden ist.

Dies gilt auch für einen ähnlichen mit Ionisationskammern arbeitenden Neutronendetektor, der in der DE-

AS 19 19 824 beschrieben ist.

Eine weitere, aus der BE-PS 8 36 080 bekannte Detektoranordnung weist eine Vielzahl von sich in Röntgenstrahlrichtung erstreckenden, in einer Ebene angeordneten Drahtelektroden auf, die einzeln ausgelesen werden. Auch diese Detektoranordnung erreicht eine gute Auflösung nur mit einem Kollimator zwischen Untersuchungsobjekt und Detektor.

Bei der in der DE-OS 26 53 058 vorgeschlagenen lonisaiionskammer-Detektoranordnung ist zwar eine gute Auflösung möglich, aber die Geschwindigkeit der Erzeugung von tomographischen Bildern ist notwendigerweise begrenzt durch die Zeit, welche zur räumlichen Drehung und Verschiebung der gesamten Tomographicanlage benötigt wird. Typischerweise wird eine Sekünde oder länger benötigt, um die Daten zu sammeln, welche zur Erzeugung eines Bildes in einer einzigen Ebene notwendig sind. Daher wird die Rekonstruktion von großen Körperbereichen oft durch Bewegungen des Patienten oder seiner inneren Körperorgane während des Verlaufs eines Untersuchungsvorganges verfälscht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte lonisationskammer-Dctektoranordnung dahingehend zu verbessern, daß sie die Aufzeichnung von Röntgenintensitäten in einer Vielzahl von parallelen Ebenen und damit tomographische Untersuchungen mit hoher Geschwindigkeit und Auflösung gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In einem Tomographiesystem mit Rechner kann die Detektoranordnung gemäß der Erfindung gleichzeitig die Daten für die Röntgentransmission in einer Anzahl von parallelen Ebenen aufzeichnen. Auf diese Weise können Daten für zwei oder mehr tomographische Bilder parallel zueinander gewonnen werden. Hierdurch wird die Zeit, welche für eine tomographische Untersuchung eines gesamten Körpers benötigt wird, und ebenfalls die verfälschende Auswirkung einer Bewegung des Piilicnicn vermindert.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbrispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F-" ig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionisationskammer-Detekloranordnung,

Γ i g. 2 eine Teilschnittansichl einer Anodenanordnung. wie si«: in der Detektoranordnung nach Fig. I verwendet wird,

Fig. 3 und 4 alternative Ausführungsformen einer Anodenanordnung mit einer geringeren Kapazität zwischen den angrenzenden Anodenstreifen und

F i g. 5 eine alternative Ausführungsform einer Ionisationskammer-Detektoranordnung.

Die Fig. I zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionisationskammer-Detektoranordnung. Ein Druckgefäß (nicht gezeigt) enthält ein Detektorgas 16 unter hohem Druck. Eine Seite des Druckgefäßes bildet ein dünnes Fenster, welches praktisch durchlässig für die elektromagnetische Strahlung bei Röntgenfrcquenzen ist. Das Fenster kann aus irgendeinem der bekannten Materialien hergestellt sein, wie sie gewöhnlich für diesen Zweck bei Strahlungsdetektoren verwendet werden, beispielsweise Aluminium. Kunstharz oder eine Grundmassc aus Kunstharz, verstärkt durch Metalle mit niedriger Ordnungszahl. Der Ausdruck »praktisch durchlässig« bedeutet hier, daß die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Fenstermäterial bedeutend geringer ist als die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Detektorgas 16. In der Abbildung nach F i g. 1 tritt die Röntgenstrahlung in die Detektoranordnung in einer Richtung ein, welche praktisch senkrecht zur Zeichenebene ist.

Das Detektorgas 16 füllt das Druckgefäß völlig aus und wird so gewählt, daß es praktisch undurchlässig für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenfrequerizen ist. Dabei bedeutet hier der Ausdruck »praktisch undurchlässig«, daß die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Detektorgäs 16 bedeutend größer ist als die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung dieser elektromagnetischen Strahlung mit dem Fenster. Der Gastyp, der Gasdruck und der Elektrodenahstand werden nach an sich bekannten Verfahren so gewählt, daß ein großer -Knv:"-. (typischerweise mehr als 70%) der einfallenden Röragenphotonen in dem Gas absorbiert werden. Das Detektorgas kann typischerweise aus einem Edelgas mit hoher Ordnungszahl bestehen, beispielsweise Xenon, Krypton, Argon, oder eip?m Molekülgas, welches Atome mit einem Atomgewicht größer als Argon enthält (d. h. 39,9). Das Gas steht unter einem Druck von etwa 10 bar bis etwa !ΛΑ Unr.
1 W UUI .

Eine Anzahl von ebenen Kathoden '0 sind in dem Gas 16 im Druckgefäß angeordnet. Eine Vielzahl von in Streifen 14 unterteilten Anodenanordnungen 12 (sie werden nachstehend noch ausführlicher beschrieben) sind mit gleichem Abstand zwischen den Kathoden 10 angebracht. Die Kathoden 10 und die Anordnungen 12 werden von Schrauben 20 in einem Stapel zusammengehalten und durch Isolatoren 18 im Abstand voneinander gehalten. In die Isolatoren 18 können zwischen den Kathoden 10 und den Anodenanordnungen 12 geschliffene Schutzringe 22 eingefügt werden, um Ströme abzuleiten, welche sonst entlang der Isolatoren fließen und Meßiehler verursachen würden. Die Kathoden 10 werden mit Hufe einer Potentialquelle 24 auf einem negativen Potential gegenüber Erde gehalten.

Die Elektroden wurden zur leichteren Beschreibung als Kathoden und Anoden bezeichnet. Es ist jedoch zu beachten, daß die Polarität der an diesen Detektoren angelegten elektrischen Potentiale umgekehrt werden kann, ohne die prinzipielle Arbeitsweise zu verändern und daß die »Anoden« mit einem Potential betrieben werden können, welches negativ ist bezogen auf das Potential an den »Kathoden«. Die Ausdrücke Kathode und Anode bezeichnen daher nur Elektroden entgegengetstzicr Polarität.

Die Anodenanordnungen 12 umfassen jeweils eine Anzahl von getrennten Streifen 14a bis 14/i welche auf den Oberflächen einer dünnen dielektrischen Platte 15 in einer Richtung praktisch parallel zur Richtung des einfallenden Röntgenstrahl angebracht sind. Einzelne Streifen sind in Gruppen in Ebenen senkrecht zu den Kathodenplatten 10 und den dielektrischen Platten 15i angeordnet. Daher definieren die Streifen 14fl lind 14i> eine erste Ebene durch die Anordnung uno die Streifen 14c und 14d definieren eine zweite Ebene und die Streifen 14e und 14/" defhieren eine dritte Ebene. In einer Anordnung kann jede beliebige Zahl von Streifen eingefügt werden, um eine große Anzahl von getrennten Deteklorcbcncn zu definieren. Die Beschärnkungen infolge der Intensität der Röntgenquclle der Kosten der

elektronischen Schaltung und der Begrenzung der Auflösung durch Röntgenfluorcszenz werden jedoch im allgemeinen die Anzahl der Ebenen in einer praktischen Ausführungsform eines Detektors auf zwei oder drei Ebenen beschränken.

Die Streifen 14a, 14c und 14e nach F i g. 1 bilden die Anodenanordnung 12 für eine einzelne Detektorzelle; die Streifen 146, I4d und 14/" bilden die Anodenanordnung (12) für eins benachbarte Zelle. Die dielektrische P'atte 15 kann aus Glimmer, Silikonharz, verstärkt mit Glasfaser, oder aus irgendeinem anderen Material bestehen, welches gewöhnlich in Detektoren eingesetzt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Anodenanordnung 12. Die einzelnen Streifen 14;/ bis 14/*sind ι ■-, mit Zuleitungsdrähten 25 verbunden, welche durch die Rückwand des Druckgefäßes 26 in Isolationsbuchsen 27 geführt sind. Jeder einzelne Streifen 14a bis 14/"ist über einen Strommeßkreis 2» mit Erde verbunden. Die Strommeßkreise 28 befinden sich außerhalb des Druckgefäßes und können aus elektronischen Schaltungen bestehen, welche den Stromfluß von den Streifen in Signale umwandeln, die in einem Digitalrechner weiter verarbeitet werden.

Die Kathoden 10 bestehen aus Metallplatten, welche bei geeigneter Dicke für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenfrequenzen praktisch undurchlässig sind. Metalle mit hoher Ordnungszahl, wie Molybdän. Tantal oder Wolfram sind zur Verwendung als Kathoden geeignet. Als Beispie! ei angegeben, daß die Kathoden- jo platten aus Molybdän- oder Wolframblechen mit einer Dicke von 0,05 mm bestehen.

Photonen der Röntgenstrahlung treten in den Detektor durch das Fenster in Richtungen ein, welche praktisch parallel zu den Anodenanordnungen 12 und Kathoden 10 üegen. Die Photonen treten in Wechselwir-Küng mii UClTi VJUS 16 in ucn ucTiHChcM ZWiSChCfi dcpi Anodenanordnungen 12 und den Kathoden 10. Die Elektron-Ion-Paare, welche durch Wechselwirkung des Gases mit dem Röntgenphoton entstehen, wandern entlang der elektrischen Feldlinien zwischen den Anoden und Kathoden und werden dort gesammelt zur Erzeugung elektrischer Stromsignale. Die aus einem bestimmten Anodenstreifen 14a bis \4f fließende elektrische Stromstärke ist proportional zu der Anzahl von Röntgenphotonen, welche in dem Raum zwischen der Anode und der benachbarten Kathode in Wechselwirkung mit dem Gas 16 treten.

Die Detektoranordnungen arbeiten mit Feldgradienten, die nicht zur Erzeugung einer Elektronenvervielfachung ausreichen: d. h. sie sind tatsächlich Ionisationskammern, nicht aber Proportional-Zähler. Die angewendeten Feldgradienten liegen zwischen etwa 10 V/ mm und etwa 100 V/mm. Die Detektoranordnungen sind relativ unempfindlich gegenüber der Begrenzung der Auflösung durch Röntgenfluoreszenz im k-Band. Die Röntgenphotonen. welche durch Fluoreszenz in dem Bereich zwischen einer Anodenanordnung 12 und einer Kathode 10 erzeugt werden, müssen durch eine Kathodenplatte durchgehen, bevor sie in der Lage sind, Elektron-Ion-Paare zu erzeugen, welche dann zu einer benachbarten Anodenanordnung wandern. Wie bereits angedeutet, sind die Kathodenplatten aus einem Material hergestellt, welches praktisch undurchlässig für Röntgenphotonen ist, und das Auftreten von Röntgenfiuoreszenz-Photonen mit ausreichendem Laufbereich zur Erzeugung von Strömen in benachbarten Zellen wird dadurch stark verringert. Die Anodenanordnungen 12 und die Kathoden 10 liegen parallel zur Richtung der auftreffenden Röntgenphotonen. Die Planen der Anoden 12 und der Kathoden 10 können daher einen relativ geringen Abstand besitzen und man erhalt dadurch einen Detektor mit einer kurzen Erholzcii. Andererseits kann die Länge der Platten vergrößert werden, um einen Detektor mit hoher Empfindlichkeit zu erhalten. Als Beispiel sei ein Detektor angeführt, bei dem die Anodenanordnungen 12 und die Kathoden. 10 Miücü^h stände von 2 mm aufweisen. Die parallelen Kathodenplatten dieser Detektorausführung dienen auch noch zur Absorption auftreffender Photonen, welche an äußeren Objekten gestreut wurden (beispielsweise dem untersuchten Gewebe) und in den Detektor unter einem spitzen Winkel gegenüber der Haupieinfallsriehtung eintreten.

Die einzelnen Streifen 14a bis 14/"der Anodcnnnordnung 12 sind auf den gegenüberliegenden Seiten einer dünnen dielektrischen Flaue ouei Folie 55 angcordnc;;. Es besteht daher eine beträchtliche elektrische Kapazität zwischen gepaarten Elektrodenelementen (d. h. 14.7 und Htyaufden gegenüberliegenden Seiten der dielektrischen Platte 15. Diese zusätzliche Kapazität kann integrierende Schaltungen und Vorverstärker, wie sie typibcherweise in den Sirommeß-Schaliungcn 28 enthalten sind, belasten oder in anderer Weise stören, und es kann daher eine Verlängerung der Ansprechzeit dieser Schaltungen auftreten.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Anodenanordnung mit einer verringerten Kapazität zwischen den Elektroden. Die einzelnen Anodenstreifen 30a, 30b, 32a und 32b umfassen jeweils eine Gruppe von parallelen leitenden Segmenten 34, welche auf der Oberfläche einer dielektrischen Platte 15 aufgebracht sind, d. h. der Streifen 30£> umfaßt eine Anzahl von parallelen leitenden Segmenten 34. welche durch Zwischenräume 35 voneinander getrennt sind. Typischerweise ist dabei die Breite der Segmente 34 gleich der Breite der Abstände 35. Die Segmente 34 in jedem Streifen sind elektrisch parallel geschaltet und über eine Strommeßschaltung mit Erde verbunden. Die Streifen an einer Seite der dielektrischen Platte 15 (d. h. die Segmente 36 des Streifens 32b) liegen den Zwischenräumen zwischen den Segmenten des Streifens auf der entgegengesetzten Seite der Anordnung gegenüber (d. h. den Zwischenräumen 35 zwischen den Segmenten 34 des Streifens 30b). Die Kapazität zwischen den Streifen auf den gegenüberliegenden Seiten der dielektrischen Platte wird dadurch beträchtlich verringert. In einer typischen Anordnung hat jedes Segment eine Breite von etwa 0,25 mm. eine Längo von etwa 2,5 cm und kann durch Siebdruckverfahren oder ein Ätzverfahren hergestellt werden.

Die Schutzringe 22(Fig. 1) müssen nicht als getrennte Strukturen in der Detektoranordnung ausgebildet werden. Fig.5 zeigt eine Ausführungsform einer Detektoranordnung, bei der Schutzelektroden 40 an der Oberfläche der dielektrischen Platten 15 benachbart zu den Isolatoren 18 angebracht sind. Auf diese Weise können die Schutzelektroden 40 in der gleichen Weise auf der dielektrischen Platte 15 aufgebracht werden, wie die Anodenelemente 14a bis \4f.

Die erfindungsgemäße Detektoranordnung enthält eine relativ kleine Anzahl von einzelnen Komponenten, welche in einem einzigen Druckgefäß untergebracht werden können, um eine kompakte Struktur zu erhalten, welche leicht in einer Röntgenaniage ausgerichtet werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. lonisationskammer-Detektoranordnung zur Messung einer räumlichen Intensitätsverteilung von Röntgenstrahlen mit

a) einem Gas (16), welches praktisch undurchlässig für elektromagnetische Strahlung bei Röntgenfrequenzen ist,

b) einer Vielzahl von ebenen Kathoden (10), die in dem Gas im wesentlichen parallel zueinander in einem Stapel angeordnet sind,

c) einer Vielzahl von ebenen Anodenanordnungen (12) in dem Gas, von denen jede mit gleichem Abstand zwischen zwei der Kathoden liegt,

d) einer Potentialquelle (24) zum Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen die Kathoden und die Anodenanordnungen,

e) Strommeischaltungen (28), die zwischen die Anoden und die Foteniiaiqueiie geschaitct sind,