SE519092C2 - Detektion av joniserande strålning - Google Patents

Description

25 30 519 Û92 2 - n coq- med två katodplan. Påläggning av en spänning mellan anod- trådarna och katodplanen skapar ett elektriskt fält inuti kam- maren. Elektroner, som emitteras i gasen genom jonisation av gasatomer, vilket orsakas av de infallande strålningsfotonerna, driver mot anodtrådarna och när de närmar sig de tunna trådarna träder de in i ett starkt elektriskt fält och undergår joni- serande växelverkningar med gasen. Den resulterande lavinför- stärkningen av elektroner sörjer för en brusfri förstärkning av laddningssignalen, med en faktor så stor som 105 eller högre.

Enligt ett annat liknande tillvägagångssätt detekteras inte laddningen som induceras av lavinelektronerna, utan synligt ljus som emitteras som ett resultat av växelverkningen mellan de lavinförstärkta elektronerna och gasatomerna detekteras me- delst ett konventionellt 1jusdetekteringsarrangemang.

Ett sådant ljusmätningsförfarande beskrivs i G.D. Bogomolov, Y.V. Dubrowski och V.D. Peskov, Photoelectric polling of multi- wire gas counters, Institute of Physiscs Problems, Academy of Sciences of the USSR, Moscow, Plenum Publishing Corporation, 1978, översatt från Pribory i Tekhnika Éksperimenta, Nr. 3, si- dorna 84-86, maj-juni 1978, enligt vilket svag synlig strålning från lavinerna nära anodtrådarna registreras. Gasblandningar av He och Xe eller Ar och Nznæd små mängder tillsatsmedel såsom toluen användes, varvid syftet med tillsatsmedlen är att under- trycka sekundära processer i gasblandningarna för att därigenom sörja för positionskänsliga mätningar.

Ett annat liknande tillvägagångssätt beskrivs i G. Charpak, Light emitting projection chambers for the study of rare pro- cesses in particle physics, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A310, sidorna 47-56, 1991. Användningen av TEA (trietylamin) och TMAE (tetrakis(dimetylamin)etylen) för att erhålla höga ljusutbyten beskrivs. 10 15 20 25 519 092 3 Nackdelar med sådana ljusmätningstekniker innefattar behovet av undertryckande tillsatsmedel för att erhålla en positionskäns- lig detektering och behovet av ljusemitterande tillsatsmedel för att sörja för högt ljusutbyte. Dessa tillsatsmedel är ke- miskt aggressiva och orsakar skada på instrumentet, särkilt då de joniseras av strålning. Dessutom emitterar de ljus företrä- desvis i UV- och VUV-området, varvid utgångsfönstret måste vara gjort av kvarts eller UV-transmitterande kristaller som gör in- strumentet dyrt och komplicerat. Vidare måste ljusdetektorn vara känslig för UV-ljus.

Behovet av att åstadkomma tillräckligt utrymme för trådmonte- ringen och högspänningsisolation resulterar i förlust av rönt- gendetektionseffektivitet.

Dessutom resulterar användningen av radiella trådar för att lösa parallaxproblemet i en positionsupplösning begränsad av de minsta praktiska avståndet mellan anodtrådarna, vilket är om- kring 1 mm.

Användning av tunna trådar (typiskt mindre än 100 um i diameter) i flertrådiga proportionalkammare gör dem dessutom dyra att konstruera och minskar tillförlitligheten, eftersom en bruten tråd omöjliggör funktion för hela detektorn.

Ett särkilt problem med att använda flertrådiga proportional- kammare för medicinsk avbildning är rymdladdningseffekten som försämrar detektorprestandan vid högre röntgenflöden än 10 kHz/mmÉ nnnoGönELsE rön UPPFINNINGEN Det är följaktligen ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en anordning respektive ett förfarande för detekte- ring av joniserande strålning, särskilt röntgenstrålar, som an- 10 15 20 25 519 092 _ 4 ? “.Ää E' vänder lavinförstärkning och som undviker ovannämnda problem förknippade med den kända tekniken.

Det är i detta avseende ett särskilt syfte med uppfinningen att sörja för väldigt hög rumsupplösning utan behov av att till- sätta undertryckande tillsatsmedel till lavinförstärkningssub- StânSen.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att sörja för ljus- emission utan behov av att tillsätta kemiskt aggressiva till- satsmedel till lavinförstärkningssubstansen. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en sådan de- tekteringsanordning respektive ett sådant förfarande, som sör- jer för höga signal-till-bruskvoter och hög känslighet.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en så- dan detekteringsanordning respektive ett sådant förfarande, vari isotropiskt emitterat ljus från elektronlavinerna tvingas att belysa endast en liten yta av detektorarrangemanget för att ytterligare förbättra rumsupplösningen. Ännu ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en sådan detekteringsanordning respektive ett sådant förfarande, vilka är effektiva, snabba, tillförlitliga, noggranna och över- komliga.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en an- ordning för användning i planstråleradiografi, som innefattar ett flertal detekteringsanordningar som uppfyller ovannämnda syften.

Dessa syften, bland andra, uppnås enligt föreliggande upp- finning medelst anordningar och förfaranden i enlighet med de bifogade patentkraven. 10 15 20 25 30 519 092 5 Genom att detektera ljus emitterat från växelverkningar mellan accelererade elektroner och en scintillerande substans, som kan vara samma substans som den som används för jonisering, och valfritt använd för elektronlavinförstärkning, eller som kan vara en separat substans, i geometriskt avgränsade områden för att erhålla geometrisk diskriminering av ljus emitterat i oönskade riktningar, erhålles en förbättrad rumsupplösning.

Den scintillerande substansen är företrädesvis en ädelgas, kvävgas eller en kombination därav. Dessa gaser är inte aggres- siva mot detektorn. De emitterar ljus företrädesvis i UV-områ- det och detektorn kan därför valfritt förses med en våglängds- skiftare vid dess utgångsfönster för att konvertera UV-ljuset till synligt ljus för att förenkla konstruktionen.

De geometriskt avgränsade områdena kan vara en uppsättning se- parat belägna scintillerande element, varvid varje scintille- rande element är avskilt från de övriga medelst en ljusogenom- släpplig vägg så att ljuset emitterat i någon av nämnda scin- tillerande element förhindras från att nå några andra av de scintillerande elementen.

Alternativt har den scintillerande substansen en utsträckning i riktningen för de accelererade elektronerna som är kortare än absorptionslängden hos fotonerna i substansen, typiskt mindre än 1 mm, så att en huvudsaklig del av ljuset emitterat i den scintillerande substansen förhindras från att återabsorberas i nämnda scintillerande substans, för att därigenom orsaka en yt- terligare foton att emitteras och påverka rumsupplösningen hos nämnda positionskänsliga ljusdetekteringsarrangemang på ett oönskat sätt.

Ljusdetekteringsarrangemanget, exempelvis en lins och en CCD- kamera eller en ljuskänslig TFT, innefattar en uppsättning ljusdetekterande element, dvs. pixlar, varvid varje pixel är 10 15 20 25 30 519 092 6 . nya företrädesvis inrättad att detektera ljus emitterat från ett respektive element i uppsättningen med separat belägna scintil- lerande element.

Genom ett sådant arrangemang erhålls ett positionsutläsningssy- stem till låg kostnad och som har ett stort antal kanaler för att erhålla hög upplösning.

Genom geometrisk diskriminering för att undvika återkoppling av scintillerande ljus, kan detektorn användas vid högre förstärk- ningsnivåer än detektorerna som är beskrivna i teknikens stånd- punkt.

Vidare kan detektoranordningen åstadkommas såsom ett modulärt system, varvid alla delar utom ljusdetekteringsarrangemanget är åstadkomna i en första modul, en förstärknings- och konverte- ringsmodul, medan ljusdetekteringsarrangemanget utgör en andra modul, varvid modulerna kan avlägsningsbart fastgöras och lin- jeras före användning. En sådan lösning är väldigt flexibel och sörjer för användningen av särskilda ljusdetekteringsarrange- mang, till exempel innefattande en fiberkopplare, en försto- ringslins, en ljuskänslig TFT eller en bildförstärkare i vissa tillämpningar.

Ytterligare kännetecken hos uppfinningen och fördelar med den- samma kommer bli uppenbara från den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning given här nedan och de medföljande figurerna 1-8, vilka endast ges i illustrerande syften och skall således icke vara begränsande för uppfinningen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 illustrerar schematiskt i en tvärsektionsvy en detekte- ringsanordning enligt en första utföringsform av föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 519 092 7 Fig. 2 illustrerar schematiskt i en tvärsektionsvy ovanifrån detekteringsanordningen i Fig. 1.

Fig. 3 illustrerar schematiskt i en vy framifrån med kollima- tordelar bortskurna, detekteringsanordningen i Fig. 1, varvid detaljer i det inringade området är partiellt uppförstorade i den högra nedre hörnan av figuren.

Fig. 4 illustrerar schematiskt i en sidovy en anordning för an- vändning i planstråleradiografi innefattande ett flertal av de- tekteringsanordningen i Fig. 1, anordnade i en stackad konfigu- ration enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfin- ning.

Fig. 5 illustrerar schematiskt i en vy framifrån med kollima- tordelar bortskurna, en detekteringsanordning enligt en tredje utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 6 illustrerar schematiskt i en vy framifrån med kollimatordelar bortskurna, en detekteringsanordning enligt en fjärde utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 7 illustrerar schematiskt i en perspektivvy med sidoväggsdelar bortskurna, en detekteringsanordning enligt en femte utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 8 illustrerar schematiskt i en vy framifrån med kollima- tordelar bortskurna, en detekteringsanordning enligt en sjätte utföringsform av föreliggande uppfinning.

Identiska hänvisningsbeteckningar används genomgående i figu- rerna för att beteckna identiska eller liknande komponenter, delar, detaljer och liknande i de olika utföringsformerna. 10 15 20 25 30 519 092 8 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Med hänvisning till Fig. 1-3, vilka schematiskt i tvärsektions- vyer från sidan och ovanifrån samt i en vy framifrån med kolli- matordelar bortskurna, illustrerar en anordning 1 för detekte- ring av joniserande strålning, kommer en första utföringsform av föreliggande uppfinning att beskrivas.

Anordningen 1 innefattar en kollimator 3, som inkluderar en strålningsingång i formen av ett fönster 5, vilket är transpa- rent för joniserande strålning, såsom en plan joniserande stråle 7. En kammare 9, företrädesvis en gas- eller vätsketät kammare, är innesluten av en övre vägg 11, ett nedre fönster 13, sidoväggar 15, samt kollimatorn 3, och är fylld med en jo- niserbar substans, vilken också är lämplig för elektronlavin- förstärkning och för ljusavläsning, dvs. vilken emitterar ljus som ett resultat av växelverkan mellan elektronerna och sub- stansen, se ytterligare beskrivning nedan. Substansen är före- trädesvis en gas såsom en ädelgas, kvävgas eller en kombination därav. Den kan också vara en ädelgas i vätske- eller fast form.

Vidare innefattar anordningen 1 ett elektrodarrangemang inklu- derande en katod 17, en anod 19 och en accelerations- eller förstärkningselektrod 21 anordnad mellan katoden 17 och anoden 19. Elektroderna är huvudsakligen plana och parallella med var- andra och orienterade med avseende på strålningsingången 5 så att strålningen kan träda in i detektoranordningen mellan, och huvudsakligen parallellt med, katoden 17 och elektroden 21. I Fig. 1-3 är katoden 17 utformad som ett rektangulärt skikt el- ler platta möjligen uppburen av väggen ll, anoden 19 är utfor- mad såsom remsor eller trådar möjligen uppburna av fönstret 13 och vilka pekar mot källan för den joniserande strålen 7, samt elektroden 21 är utformad med remsor eller som ett rutnät, vil- 10 15 20 25 30 . . | - - . ø I I 00 519 092 9 ket också pekar mot källan för den joniserande strålen 7. Icke desto mindre, kan elektroderna ha andra utformningar.

Vid användning hålles elektroderna vid elektriska potentialer så att ett svagt drivfält skapas mellan katoden 17 och elektro- den 21 för drivning av elektroner frigjorda som ett resultat av jonisation av substansen i kammaren 9, och så ett starkt för- stärkningsfält skapas mellan elektroden 21 och anoden 19 för lavinförstärkning av elektronerna som drivs in i det starka fältet. Fälten indikeras schematiskt medelst elektriska fält- linjer 22 i Fig. 3.

Vidare innefattar anordningen 1 ett ljusdetekteringsarrangemang 23 intill fönstret 13 för detektering av ljus hv emitterat som ett resultat av växelverkan mellan de lavinförstärkta elektro- nerna och substansen i kammaren 13.

Enligt uppfinningen är volymen mellan elektroderna 21 och 19 anordnad såsom en uppsättning separat belägna scintillerande eller fluorescerande områden 27, varvid varje sådant scintille- rande område är avskilt från övriga områden medelst en ljusoge- nomsläpplig vägg 25 så att ljuset emitterat i något av de scin- tillerande områden 27 förhindras från att nå något annat scin- tillerande område 27.

Dessutom innefattar ljusdetekteringsarrangemanget 23 en endi- mensionell uppsättning ljusdetekteringselement (icke illustre- rat), varvid varje ljusdetekteringselement är inrättat att de- tektera ljus emitterat i ett respektive område i uppsättningen separat belägna scintillerande områden 27. Genom sådant förfa- rande erhålls endimensionell avbildning av den plana strålen 7 med hög rumsupplösning.

Enligt en alternativ utföringsform innefattar ljusdetekterings- arrangemanget 23 en tvådimensionell uppsättning ljusdetekte- 10 15 20 25 30 519 092 10 » - . - - - - ~ I H ringselement (icke illustrerat), varvid flertaliga ljusdetekte- ringselement är inrättade att detektera ljus emitterat i ett respektive område i uppsättningen separat belägna scintille- rande områden 27. Genom sådant tillvägagångssätt erhålls endi- mensionell avbildning av den plana strålen 7 med hög rumsupp- lösning tillsammans med en profil av intensiteten hos det emit- terade ljuset i en riktning parallell med det inkommande rönt- genflödet. Denna profil kan användas för att mäta energispekt- rumet hos det infallande röntgenflödet som inträder i varje scintillerande område.

Funktionen hos anordningen 1, kommer närmast beskrivas medelst en exemplifierad foton 29 som förs in i kammaren 9. En sådan foton kommer att passera genom den joniserbara substansen i kammaren 9 och kommer slutligen att absorberas däri, till exem- pel vid 31. Som ett resultat därav kommer en atom eller molekyl i substansen att joniseras och frigöra en fotoelektron e". Denna fotoelektron har en kinetisk energi och joniserar substansen vidare, varvid det totalt frigörs upptill några tusen elektro- ner. Dessa elektroner upplever det svaga drivfältet och drivs således mot elektroden 21. På grund av det starka lavinför- stärkningsfältet mellan elektroden 21 och anoden 19 kommer de drivande elektronerna att tvingas att passera genom elektroden 21 och träda in i det starka lavinförstärkningsfältet. Således accelereras elektronerna mot anoden 19 och orsakar genom växel- verkan med substansen i kammaren 9 att ett stort antal sekun- dära elektroner frigörs. Dessa sekundära elektroner kommer också att accelereras och orsaka ytterligare elektroner att frigöras så att en lavin av elektroner erhålls. Rörelsen hos fotoelektronen och efterföljningsvis frigjorda elektroner visas schematiskt medelst pil 33 i Fig. 1 och 2.

Elektronerna kommer också att orsaka emission av ljus (VUV, UV och/eller synligt ljus) och denna ljusemission kommer huvudsak- 10 15 20 25 30 519 092 ll o A nu: ligen att äga rum där antalet frigjorda elektroner är högt, dvs. i ett område 27 nära anoden 19. Sådant ljus utsänds ty- piskt isotropt, men några ljusfotoner (indikerade medelst 35 i Fig. 1) kommer att passera genom fönstret 13 och detekteras me- delst ljusdetekteringsarrangemanget 23. Om huvudsakligen UV-fo- toner emitteras kan en konverterare för att konvertera UV-ljus till synligt ljus eller en frekvensskiftare (schematiskt indi- kerat med 36 i Fig. 1) åstadkommas mellan fönstret 13 och de- tekteringsarrangemanget (såsom illustreras) eller mellan anoden 19 och fönstret 13 (icke illustrerat) för att tillåta detekte- ringsarrangemanget att vara känsligt för synligt ljus.

För att erhålla en hög rumsupplösning i den utförda mätningen skall det ljusogenomsläppliga väggarna 25 förhindra varje ljus emitterat i ett område 27 från att nå ett annat område 27 och där växelverka med atomer eller molekyler och orsaka ytterli- gare fotoner att emitteras, eftersom dessa fotoner kommer att försämra rumsupplösningen och göra de erhållna bilderna oskarpa.

Blockeringsmekanismen i de ljusogenomsläppliga väggarna 25 il- lustreras tydligt i det förstorade inringade området i Fig. 3.

Fotoner emitterade inom vinkeln ß, betecknade med 35a, lämnar området 27 genom fönstret 13 för att detekteras i ett enda de- tekteringselement (möjligen efter att ha konverterats till syn- ligt ljus i en våglängdsskiftare 36), medan fotoner, betecknade 35b, emitterade i riktningar huvudsakligen vinkelrätt mot rikt- ningen för de accelererade elektronerna blockeras av väggarna 25. Fotoner, betecknade 35c, emitterade mot katoden 17 tillåts lämna området 27 så länge som de möjligen orsakar ytterligare elektroner att frigöras i områden så att dessa elektroner acce- lereras in i precis samma område 25 och/eller orsakar ytterli- gare fotoner att emitteras, som inte påverkar detekteringen på ett särskilt oönskat sätt. 10 15 20 25 30 519 092 12 Genom att göra drivområdet 9 tunnare än en växelverkningslängd för dessa fotoner, typiskt 1 millimeter, kan denna process be- tydligt reduceras.

Det skall i detta avseende inses att områdena 27 och väggarna 25 (och elektroden 21 och anoden 19) kan utformas på andra sätt så länge som de fullgör sina tjänster. Särskilt kommer ett ar- rangemang, vari avståndet mellan intilliggande remsor hos elek- troden 21 är litet och bredden hos områdena är stor orsaka att fotoner, som ej lämnar området genom fönstret 13, att fångas (dvs. fotoner betecknade 35c i Fig. 3 kommer i stor utsträck- ning förhindras från att nå drivfältsområdena). Om intensiteten i den detekterade signalen kommer att användas för att upp- skatta energin hos den infallande strålningsfotonen är ett så- dant tillvägagångssätt fördelaktigt.

Vidare kan väggarna 25 vara gjorda av ett ljusabsorberande el- ler -reflekterande material, eller kan ytorna 25a hos väggarna 25 som är riktade mot områdena vara täckta av ett sådant mate- rial. Särskilt i en detektor där väggarna 25 är bildade för att fånga fotoner inom områdena 27 kan väggarna 25 eller ytorna därav göras av ett ljusreflekterande material för att maximera ljusintensiteten till ljusdetekteringsarrangemanget 23. Vissa fotoner kommer att undergå flertaliga reflektioner vid väggarna 25 för att slutligen träffa den valfria våglängdsskiftaren och träda ut genom fönstret 13 och detekteras.

Det skall vidare inses att väggarna kan vara utsträckta på den övre sidan av elektroden 21 ända upp till katoden 17 för att definiera separata områden där jonisation, drivning av elektro- ner och förstärkning av fotoner, och möjligen elektroner, äger rum (icke illustrerat). I en sådan utformning finns det ingen risk för överhörning mellan områdena eller ljusdetekteringsele- menten i ljusdetekteringsarrangemanget 23. 10 15 20 25 30 519 092 - OI t! t II Û 1 n. nu n 1 u o o v .I . z _ 13 un: u n o n; o q a: I ' . . v ° ' ° ' ' ' ' ° .u - - - u v - u.. v. c c | o n r u c u o cl »o c Det skall vidare inses att spänningen kan vara vald så att ingen lavinförstärkning äger rum, men så att de initialt fri- gjorda elektronerna accelereras mot anoden för att orsaka stora mängder av ljus att emitteras i den scintillerande substansen nära anoden. På ett sådant sätt erhålls en ljusförstärkning (ljus emitterat i den scintillerande substansen jämfört med ljus emitterat i jonisationsområdet), men ingen elektronför- stärkning (dvs. antalet elektroner som träder in i den scintil- lerande substansen är huvudsakligen samma som antalet elektro- ner frigjorda i jonisationsområdet). Genom sådant tillväga- gångssätt kan en ökad spektral upplösning erhållas, eftersom det emitterade ljuset kommer vara mera relaterat till spektral- innehållet hos den infallande strålningsfotonen än om elektron- laviner skulle användas (eftersom fördelningen av mängden gene- rerade elektroner skulle vara bredare med lavinförstärkning).

Med hänvisning närmast till Fig. 4 kommer en flerlinjekonfigu- ration 41, där ett antal detektorer är stackade, att beskrivas.

Flerlinjekonfigurationen 41 innefattar ett flertal av detektor- anordningen 1 i Fig. 1-3 anordnade sida vid sida i en stackad konfiguration. Medelst en sådan anordning kan flerlinjeskanning erhållas, vilket minskar det totala skanningsavståndet så väl som skanningstiden. Anordningen 41 innefattar en röntgenkälla 42, vilken tillsammans med ett antal valfria kollimatorfönster 43 skapar ett antal plana, solfjäderformade röntgenstrålar 44, för bestrålning av föremålet 45 som skall avbildas. Strålarna som transmitteras genom föremålet 45 träder in i de individu- ella, stackade detektorerna 1 genom ett antal valfria anda kol- limatorfönster 46, vilka är linjerade med röntgenstrålarna.

Röntgenkällan 42, de första kollimatorfönstren 43, de andra kollimatorfönstren 46 och detektoranordningen 1 är fixerade till varandra medelst en ram eller stöd 47. 10 15 20 25 30 519 092 14 Den så bildade anordningen 41 för radiografi kan förflytta som en enhet för att skanna ett föremål som skall undersökas. I denna flerlinjekonfiguration kan skanningen utföras i en trans- versell eller rotationsrörelse, vinkelrät mot röntgenstrâlen.

Det kan också vara fördelaktigt om anordningen för radiografi är fixerad och föremålet som skall avbildas förflyttas.

Med hänvisning härnäst till Fig. 5 kommer en ytterligare utfö- ringsform 51 av detekteringsanordningen enligt föreliggande uppfinning att kort beskrivas.

Denna utföringsform 51 skiljer sig från utföringsformen i Fig. 1-3 i det att ett fast fotokonverterande material eller fotoka- tod 52 är anordnad i ett övre område av kammaren 9 på elektro- den 21, och att strålningsingången 5 är belägen med avseende på de ljusogenomsläppliga väggarna 25 så att infallande strålning kommer att träda in i detektorn under det fotokonverterande ma- terialet 52.

Vidare är den valfria frekvenskonverteraren 36 icke illustrerad i Fig. 5, men kan icke desto mindre användas med denna såväl som varje annan beskriven utföringsform i föreliggande beskriv- ning.

Vid användning lutas detektorn med avseende på den infallande strålningen så att strålen faller in mot bottenytan 52a med en lutande vinkel. vinkeln kan vara väldigt liten, dvs. vara en strykande infallsvinkel, så att en huvudsaklig längd av ytan 52a, i riktningen för strålen, bestrålas. Det fotokonverterande materialet 52 emitterar fotoelektroner som svar på bestrålning medelst strålen och dessa fotoelektroner accelereras mot anoden 19 och multipliceras möjligen medelst det starka elektriska fältet i områdena 27. Såsom i tidigare utföringsformer växel- verkar de accelererade elektronerna med det scintillerande ma- 10 15 20 25 30 519 092 . . . . . . . . . _.

H . ... ::::: ... . .. ¿_ _ ¿ ".... ... .... __ g o A n v 0 0 I I 9 9 o I I I a unna ln I II' terialet i områdena 27 för att emittera ljus, som efterfölj- ningsvis detekteras medelst ljusdetekteringsarrangemanget 23.

Det skall inses att detektorn enligt utföringsformen i Fig. 5 kan anslutas till en elektrisk potential för att modifiera det elektriska fältet inuti kammaren 9. I sådant fall kan antingen en eller båda elektroderna 17 och 21 avvaras och det fotokon- verterande fasta materialet 52, fungerar såsom en katod, och anoden 19 kan hållas vid elektriska potentialer för att skapa ett lämpligt accelerationsfält inuti områdena 27.

Med hänvisning närmast till Fig. 6 kommer ytterligare en utfö- ringsform 61 av detekteringsanordningen enligt föreliggande uppfinning att beskrivas. Utföringsformen skiljer sig från ut- föringsformen i Fig. 1-3 i det att en fast scintillator 62 är anordnad mellan elektroden 21 och anoden 19, i stället för att de ljusogenomsläppliga väggarna 25 definierar områdena 27. Så- ledes accelereras elektroner frigjorda i kammaren 9 mot scin- tillatorn 62 och ljusfotoner emitteras i scintillatorn 62 som svar på växelverkan med de infallande elektronerna. För att er- hålla en hög rumsupplösning är scintillatorn 62 försedd med en matris av scintillerande element (icke illustrerat) som sträcker sig från en övrig yta 62a till en undre yta 62b av scintillatorn 62, varvid det scintillerande elementen är vart och ett separerat från övriga medelst ljusogenomsläppliga väg- gar.

Med hänvisning härnäst till Fig. 7 kommer ytterligare en utfö- ringsform 71 av detekteringsanordningen enligt föreliggande uppfinning att kort beskrivas.

Utföringsformen 71 är en 2D-detektor, vari infallande fotoner 29 från en företrädesvis ofokuserad stråle anordnas att träda in i detektorkammaren 9 genom katoden 17, företrädesvis huvud- sakligen vinkelrätt mot katoden 17. Katoden 17, det ljusge- 10 15 20 25 30 nu un: n nu: 519 092 nomsläppliga utgångsfönstret 13 och sidoväggarna 15 (av vilka delar är bortskurna för att schematiskt illustrera det inre av detektorn 71) definierar den gastäta kammaren 9, vilken fylls med en joniserbar och scintillerande gas eller vätska. Vid ut- gångsfönstret är anoden 19 anordnad, som i detta fall kan vara en rutnätsliknande struktur eller liknande som tillåter en stor mängd ljus att passera ut genom utgångsfönstret 13. Ovanför anoden finns en mikrokanalplatta (MCP, Micro Channel Plate) 72 eller annan typ av ljusogenomsläppliga rör eller väggar som på ett ljusogenomsläppligt sätt separerar ett antal ljusemitte- rande områden, vilka är fyllda med den joniserbara och scintil- lerande gasen eller vätskan. Vid den övre sidan av rörmatris- strukturen 72 är elektroden 21 anordnad, här i formen av en le- dande skiva eller skikt som innefattar en matris med hål eller öppningar så att varje hål eller öppning ligger över en respek- tive röröppning hos rörmatrisstrukturen 72. Vidare är ljusde- tekteringsarrangemanget 23 anordnat vid utgångsfönstret 13, här i formen av en tvådimensionell detektor.

Vid användning hâlles elektroderna 17, 19 och 21 vid elektriska potentialer så att ett svagt drivfält skapas mellan elektro- derna 17 och 21 och ett starkare accelerations- eller lavinfält skapas mellan elektroderna 21 och 19. Således orsakas infal- lande strålningsfotoner att jonisera gasen eller vätskan i den övre delen av kammaren 9. Elektroner frigjorda vid jonisation orsakar att sekundära elektroner frigörs och alla dessa elek- troner drivs mot elektroden 21. Nära elektroden accelereras elektronerna och passerar genom hålen eller öppningarna hos elektroden 21 och genom en eller flera av rören i rörarrange- manget 72 mot anoden. Under elektronernas färd i det starka elektriska fältet erhåller de en ökad kinetisk energi, och möj- ligen multipliceras de för att skapa ytterligare elektroner som accelereras mot anoden 19. Genom växelverkningar mellan elek- tronerna och gasen eller vätskan inuti röret/rören emitteras 10 15 20 25 30 519 17 092 ljus, som passerar genom utgångsfönstret 13 och detekteras ef- terföljningsvis medelst den tvådimensionella detektorn 23. På ett sådan sätt kan tvådimensionell avbildning av den infallande strålningen erhållas.

Det skall inses att rören i rörmatrisstrukturen alternativt är homogena och gjorda av ett ljusscintillerande material för att åstadkomma en liknande funktion.

Med hänvisning slutligen till Fig. 8 kommer en ytterligare ut- föringsform av detekteringsanordningen enligt föreliggande upp- finning att kort beskrivas. Denna detektor saknar de ljusoge- nomsläppliga väggarna 25 som definierar områdena 27, men i andra avseenden är detektorsammansättningen identisk med utfö- ringsformen illustrerad i Fig. 1-3.

För att erhålla god rumsupplösning erfordras geometrisk diskri- minering av scintillerande ljus, och när väggarna 25 utelämnas måste andra åtgärder vidtagas.

Enligt föreliggande uppfinning sörjer detektorutföringsformen i Fig. 8 för en god rumsupplösning genom tjockleken T hos kammar- sektionen mellan elektroderna 21 och 19. Tjockleken T skall så- ledes vara kortare än absorptionslängden för ljusfotonerna emitterade i den scintillerande substansen, typiskt mindre än 1 mm, så att en huvudsaklig del av ljuset emitterat i kammarsek- tionen mellan elektroderna 21 och 19 förhindras att återabsor- beras i den kammarsektionen och därigenom orsaka att en ytter- ligare foton emitteras, vilket skulle påverka rumsupplösningen på ett negativt sätt.

Företrädesvis har elektroden 21 små hål eller öppningar så att sannolikheten att en foton emitterad i kammarsektionen mellan elektroderna 21 och 19 når kammarsektionen mellan elektroderna 17 och 21 är låg. u - . n - a o . . , ., 10 15 20 25 30 o u u . nu oo 519 092 18 Föredragna geometrier exemplifieras här nedan. Bredden W hos remsorna eller trådarna hos elektroden 21 kan vara åtminstone 0.1 mm, och företrädesvis i intervallet 0.5-1 mm, remsorna el- ler trådarna hos elektroden 21 kan vara åtskilda, dvs. med ett centrumavstånd P av åtminstone 0.2 mm, och företrädesvis i in- tervallet 1-2 mm, och avståndet D mellan remsorna eller trå- darna hos elektroden 21 (dvs. bredden hos hålen eller öppning- arna i elektroden 21) kan vara i intervallet 0.1-1 mm.

Det skall inses att elektrodarrangemanget i detektorutförings- formerna kan utgöras av endast ett arrangemang med två paral- lella plattor, och således kan elektroden 21 avvaras, förutsatt att spänningen mellan katoden 17 och anoden 19 hålles tillräck- ligt hög för att orsaka lavinförstärkning eller åtminstone ac- celerering av elektronerna frigjorda vid jonisation. Enligt ut- föringsformen i Fig. 8 avser beskrivningen som relaterar till tjockleken T hos lavinområdena (dvs. avståndet mellan elektro- den 21 och anoden 19) i sådant fall avståndet mellan de två plattorna, dvs. katoden 17 och anoden 19.

Det skall vidare inses att vilken som helst av detektorutfö- ringsformerna i Fig. 5, 6 eller 8 kan användas i anordningen i Fig. 4 i stället för detektorutföringsformen enligt Fig. 1-3.

Det skall inses att vilken som helst av detektorutföringsfor- merna beskrivna ovan kan förses med en accelerationselektrod mellan elektroderna 17 och 21 eller mellan elektroderna 21 och 19 och under användning hållas vid en lämplig elektrisk poten- tial för att definiera ett ytterligare accelerations- eller multiplikationsområde (icke illustrerat).

Det skall inses att uppfinningen kan varieras på ett flertal sätt. Sådana variationer skall icke betraktas som en avvikelse från omfånget för föreliggande uppfinning. Alla modifieringar u... 519 092 _. 19 se - ' g - som är uppenbara för fackmannen inom området är avsedda att in- nefattas inom skyddsomfånget för de bifogade patentkraven.

Claims (31)

10 15 20 25 519 092 20 ø ø : ; . u . . , ,, n PATENTKRAV 1. Anordning för detektering av joniserande strålning innefattande. - en strålningsingång (5) transparent för joniserande strålning, - en joniserbar substans anordnad så att joniserande strål- ning införd genom nämnda strålningsingång kan jonisera nämnda joniserbara substans, - ett elektrodarrangemang (17, 19) anslutningsbart till en spänningskälla för att anbringa ett elektriskt fält i nämnda anordning så att elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans accelereras, - en scintillerande substans inrättad att utsända ljus som svar på att den träffas av elektroner, och anordnad så att elektroner accelererade medelst nämnda elektrodarrangemang kan träffa nämnda scintillerande substans och - ett positionskänsligt ljusdetekteringsarrangemang (23, 36) för rumsupplöst detektering av ljus utsänt i nämnda scin- tillerande substans, k ä n n e t e c k n a t a v att - nämnda elektrodarrangemang innefattar ett arrangemang med två parallella plattor (17, 19), - nämnda scintillerande substans är anordnad i en matris med separat belägna scintillerande element (27; 72), varvid varje scintillerande element är avskilt från de övriga scintil- lerande elementen medelst en ljusogenomsläpplig vägg (25; 72) så att ljus utsänt i något av nämnda scintillerande element 10 15 20 25 o n o n nu

1. . I . u u o a. 519 092 21 n o nu. förhindras från att nå varje annat av de scintillerande elemen- ten, och - nämnda ljusdetekteringsarrangemang innefattar en uppsätt- ning med ljusdetekteringselement, varvid varje ljusdetekte- ringselement är inrättat att detektera ljus utsänt från ett re- spektive scintillerande element i nämnda uppsättning separat belägna scintillerande element.

2. Anordning enligt krav 1, varvid en substans lämplig för elektronlavinförstärkning anordnas så att elektroner accelere- ras i nämnda substans lämplig för elektronlavinförstärkning för att lavinförstärkas.

3. Anordning enligt krav 2, varvid nämnda joniserbara sub- stans och nämnda substans lämplig för elektronlavinförstärkning är samma substans.

4. Anordning enligt krav 3, varvid nämnda samma substans är en gas innehållen i en kammare (9).

5. Anordning enligt krav 4, varvid nämnda gas är en ädelgas, kvävgas, eller en kombination därav.

6. Anordning enligt något av kraven 3-5, varvid nämnda scin- tillerande substans är samma substans som nämnda joniserbara substans och nämnda substans lämplig för elektronlavinförstärk- ning.

7. Anordning enligt krav 6, varvid varje scintillerande ele- ment i nämnda uppsättning med separat belägna scintillerande element också utgör en lavinförstärkningsvolym (27, 72), och varvid elektrodarrangemanget är anordnat att anbringa nämnda elektriska fält så att en huvudsaklig del av nämnda elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans lavin- förstärks inom nämnda lavinförstärkningsvolymer. 10 15 20 25 30 5122) 092 .......... ..

8. Anordning enligt krav 7, varvid nämnda elektrodarrange- mang innefattar en tredje elektrod (21) anordnad inom nämnda arrangemang med två plattor, varvid nämnda tredje elektrod är genomsläpplig för elektroner, och innefattar särskilt en upp- sättning med hål för elektroner att passera igenom, varvid varje hål ligger över ett respektive scintillerande element.

9. Anordning enligt något av kraven 1-5, varvid nämnda scin- tillerande substans är ett fast material (62).

10. Anordning enligt krav 9, varvid nämnda elektrodarrange- mang innefattar en tredje elektrod (21), företrädesvis innefat- tande en uppsättning med hål för elektroner att passera igenom, eller utformad såsom ett skikt tillräckligt tunt för att tillåta elektroner att passera igenom, varvid nämnda skikt är bildat på en yta av nämnda fasta scintillerande material.

11. ll. Anordning enligt krav 10, varvid ljusdetekteringsarrange- manget är vänt mot en första yta hos det fasta scintillerande materialet och varvid det fasta scintillerande materialet är orienterat så att elektronerna accelererade medelst nämnda elektrodarrangemang kan träffa en andra yta hos nämnda scintil- lerande material, där nämnda första och andra yta huvudsakligen är vända i motsatta riktningar.

12. Anordning enligt krav ll, varvid nämnda andra yta är täckt av ett ljusabsorberande eller -reflekterande skikt.

13. Anordning enligt krav ll eller 12, varvid vart och ett av nämnda scintillerande element är utsträckt från nämnda första till nämnda andra yta, och varvid vart och ett av de scintille- rande elementen är optiskt anslutet till ett respektive av nämnda ljusdetekterande element.

14. Anordning enligt krav l eller 2, varvid nämnda joniser- bara substans är ett fast fotokonverterande material (52). 10 15 20 25 30 23

15. Anordning enligt något av kraven 1-14, varvid nämnda scintillerande substans har en utsträckning i riktningen för de accelererade elektronerna, som är kortare än absorptionslängden för ljusfotonerna utsända i den scintillerande substansen, ty- piskt mindre än 1 mm.

16. Anordning enligt någon av kraven 1-15, varvid nämnda elektrodarrangemang är orienterat med avseende på nämnda strål- ningsingång så att elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans accelereras i en riktning huvudsak- ligen vinkelrätt mot riktningen, i vilken nämnda strålning in- förs genom nämnda strålningsingång.

17. Anordning enligt krav 16, varvid strålningsingången är anordnad så att en plan stråle (7) kan träda in i den joniser- bara substansen, och uppsättningen med ljusdetekterande element är anordnade sida vid sida, så att varje ljusdetekterande ele- ment separat kan detektera ljus härledningsbart från absorption av en respektive transversellt åtskild del av nämnda plana stråle, varigenom endimensionell avbildning av nämnda plana stråle möjliggörs.

18. Anordning enligt krav 16 eller 17, varvid ljusdetekteringsarrangemanget innefattar en uppsättning ljusde- tekteringselement belägna efter varandra i riktningen för den införda strålningen, så att vart och ett av detekteringselemen- ten belägna efter varandra separat kan detektera ljus härled- ningsbart från absorption av nämnda stråle vid olika positioner längs strålvägen, varigenom ett spektralt innehåll av nämnda införda strålning är upplösbart.

19. Anordning enligt något av kraven 1-15, varvid nämnda elektrodarrangemang är orienterat med avseende på nämnda strål- ningsingång så att den joniserbara strålningen kan träda in i den joniserande substansen genom att färdas genom en av nämnda 10 15 20 25 30 519 092 24 två parallella elektrodplattor, och så att elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans accelereras i en riktning huvudsakligen parallell med riktningen, i vilken nämnda strålning införs genom nämnda strålningsingång.

20. Anordning enligt krav 19, varvid strålningsingången är anordnad så att en ofokuserad stråle kan träda in i den joni- serbara substansen, och uppsättningen med ljusdetekteringsele- ment är anordnade sida vid sida i en tvådimensionell matris, så att varje ljusdetekteringselement separat kan detektera ljus härledningsbart från absorption av en respektive transversellt åtskild del av nämnda ofokuserade stråle, varigenom tvådimen- sionell avbildning av nämnda ofokuserade stråle möjliggörs.

21. Anordning enligt något av kraven 1-20, varvid nämnda ljusdetekteringselement är fotodioder, fotokänsliga TFT:er, fotokänsliga gasdetektorer, fotodiodbaserade förstärkare eller CCD-element.

22. Anordning enligt något av kraven 1-21, varvid nämnda ljusdetekteringsarrangemang innefattar en frekvenskonverterare (36) för frekvenskonvertering av nämnda scintillerande ljus före det att det detekteras.

23. Anordning för användning i planstråleradiografi, k ä n - n e t e c k n a d a v att den innefattar en röntgenkälla (42), organ (43) för att bilda en huvudsakligen plan röntgenstråle lokaliserad mellan nämnda röntgenstråle och ett föremål (45) som skall avbildas, och detektorn (1) enligt någon av kraven 16-18 lokaliserad och anordnad för detektering av den plana röntgenstrålen efter transmission genom eller reflektion från nämnda föremål.

24. Anordning enligt krav 23, innefattande en andra och en ytterligare av detektorn (1) enligt något av kraven 16-18, vilka detektorer är stackade för att bilda en detektorenhet, . - u » | o ~ n - nu 10 15 20 25 519 092 .- n -n n nu o n o. o. fn n u u u 25 ooaøon u. u q.. .. u u u u» o v . v . o o o u na..- och organ (43) för att bilda en huvudsakligen plan röntgen- stråle för varje detektor, där nämnda organ är lokaliserat mel- lan nämnda röntgenkälla och nämnda föremål, varvid varje detek- tor är lokaliserad och anordnad för detektering av en respek- tive av de plana röntgenstrålarna efter transmission genom el- ler reflektion från nämnda föremål.

25. Förfarande för detektering av joniserande strålning i en detektoranordning innefattande stegen att: - joniserbar strålning införs genom en strâlningsingång (5) transparent för joniserande strålning, - den joniserbara substansen joniseras medelst nämnda joniserande strålning, - elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans accelereras mot en scintillerande substans genom att anbringa ett elektriskt fält mellan två elektroder (17, 19), varvid scintillerande ljus skapas i nämnda scintillerande sub- stans som svar på nämnda accelererade elektroner, och - ljus skapat i nämnda scintillerande substans detekteras rumsupplöst medelst ett positionskänsligt ljusdetekterings- att arrangemang (23, 26), k ä n n e t e c k n a t a v - nämnda elektriska fält anbringas i ett arrangemang med två parallella plattor (17, 19), - nämnda scintillerande ljus skapas i ett av ett flertal separat belägna scintillerande element (27, 72) anordnade i en uppsättning, varvid varje scintillerande element är separerat från de övriga scintillerande elementen medelst en ljusogenom- släpplig vägg (25, 72) så att nämnda scintillerande ljus skapat i nämnda ena av nämnda flertal scintillerande element förhind- . | u . . n a - Q n 10 15 20 25 30 519 092 26 - | o ø v u 4 . - nu ras från att nå varje annat av nämnda flertal scintillerande element, och - nämnda ljus skapat i nämnda ena av nämnda flertal scintillerande element detekteras i en av ett flertal ljusde- tekteringselement anordnade i en uppsättning, varvid nämnda ena av nämnda flertal ljusdetekteringselement är entydigt bestämt av nämnda en av nämnda flertal scintillerande element.

26. Förfarande enligt krav 25, varvid nämnda accelererade elektroner lavinförstärks i en substans lämplig för elektronla- vinförstärkning.

27. Förfarande enligt krav 26, varvid nämnda joniserbara sub- stans, nämnda substans lämplig för elektronlavinförstärkning och nämnda scintillerande substans är samma substans, och nämnda samma substans är en gas, särskilt en ädelgas, kvävgas eller en kombination därav innehållen i en kammare.

28. Förfarande enligt krav 27, varvid varje scintillerande element i nämnda uppsättning separat belägna scintillerande element också utgör en lavinförstärkningsvolym (29, 72), och varvid nämnda elektriska fält anbringas så att en huvudsaklig del av nämnda elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda jo- niserbara substans lavinförstärks inom nämnda lavinförstärk- ningsvolymer.

29. Förfarande enligt krav 25 eller 26, varvid nämnda scintillerande substans är ett fast eller vätskeformigt mate- rial, och varvid nämnda elektrodarrangemang innefattar en tredje elektrod (21) genomsläpplig för elektroner, företrädes- vis innefattande en uppsättning hål för elektroner att passera igenom.

30. Anordning för detektering av joniserande strålning innefattande: 10 15 20 25 519 092 27 | a n n ø Q . - u nu o n . un. - en strålningsingång (5) transparent för joniserande strålning, - en joniserbar substans anordnad så att joniserbar strål- ning införd genom nämnda strålningsingâng kan jonisera nämnda joniserbara substans, - ett elektrodarrangemang (17, 19) anslutningsbart till en spänningskälla för anbringande av ett elektriskt fält i nämnda anordning så att elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans accelereras, - en scintillerande substans anpassad att utsända ljus som svar på att den träffas av elektroner, och anordnad så att elektroner accelererade medelst nämnda elektrodarrangemang kan träffa nämnda scintillerande substans, - ett positionskänsligt ljusdetekteringsarrangemang (23, 36) för rumsupplöst detektering av nämnda ljus utsänt i nämnda scintillerande substans, k ä n n e t e c k n a d a v att - nämnda elektrodarrangemang är ett arrangemang med två pa- rallella plattor (17, 19) och - nämnda scintillerande substans har en utsträckning (T) i riktningen för de accelererade elektronerna, vilken är kortare än absorptionslängden för ljusfotonerna utsända i den scintil- lerande substansen, typiskt mindre än 1 mm, så att en huvudsak- lig del av ljuset utsänt i nämnda scintillerande substans för- hindras från att återabsorberas i nämnda scintillerande sub- stans och därigenom orsaka att en ytterligare foton utsänds och påverka rumsupplösningen hos nämnda positionskänsliga ljusde- tekteringsarrangemang på ett ofördelaktigt sätt.

31. Förfarande för detektering av joniserande strålning i en detektoranordning, innefattande stegen att: 10 15 20 25 519 092 28 ~ « n . | ; | ~ . n. u u a a n nu. - joniserbar strålning införs genom en strålningsingång (5) transparent för joniserande strålning, - en joniserbar substans joniseras medelst nämnda joniser- bara strålning, - elektroner frigjorda vid jonisation av nämnda joniserbara substans accelereras mot en scintillerande substans genom att anbringa ett elektriskt fält mellan tvâ elektroder (17, 19), varvid scintillerande ljus skapas i nämnda scintillerande sub- stans som svar på nämnda accelererade elektroner, och - ljus skapat i nämnda scintillerande substans detekteras rumsupplöst medelst ett positionskänsligt ljusdetekterings- 36), k ä n n e t e c k n a d arrangemang (23, a v att - nämnda elektriska fält anbringas i ett arrangemang med två parallella plattor (17, 19), - nämnda scintillerande ljus skapas i en scintillerande substans, som har en utsträckning (T) i riktningen för de acce- lererade elektronerna, vilken är kortare än absorptionslängden för ljusfotonerna utsända i den scintillerande substansen, ty- piskt mindre än 1 mm, så att en huvudsaklig del av ljuset ut- sänt i nämnda scintillerande substans förhindras från att åter- absorberas i nämnda scintillerande substans, och därigenom or- saka att en ytterligare foton utsänds och påverka rumsupplös- ningen hos nämnda positionskänsliga ljusdetekteringsarrangemang på ett oönskat sätt.