SE528236C2 - Detektor för joniserande strålning som registrerar elektroner och ljus alstrat av strålningen - Google Patents

Description

25 30 528 236 Det scintillerande materialet kan vara en scintillerande plast, NaI, CsI, BaF, eller praktiskt taget vilket annat fast scintillerande material som helst. Företrädesvis är den fasta, mekaniska strukturen huvudsakligen transparent för det scintillerande ljuset som den emitterar.

I en utföringsform av uppfinningen är detekteringsorganet för scintillerande ljus inrättat att detektera det scintillerande ljus som fortplantar sig i planet för det plana strålknippet av joniserande strålning.

I en annan utföringsform av uppfinningen är detekterings- organet för scintillerande ljus inrättat att detektera scintillerande ljus som fortplantar sig i en riktning huvudsakligen motsatt riktningen, i vilken elektronerna accelereras i strâlningsdetektorn.

I ytterligare en annan utföringsform av uppfinningen inne- fattar detekteringsorganet för scintillerande ljus en fotokatod för att konvertera det scintillerande ljuset till elektroner, vilka detekteras tillsammans med de frigjorda elektronerna, som skapats av deltaelektronerna, av strålnings- detektorns elektrondetekteringsorgan.

I ytterligare en annan utföringsform av uppfinningen är fotokatoden ovan inte bara inrättad att konvertera det scintillerande ljuset till elektroner, utan också inrättad att konvertera synligt ljus eller UV-ljus, som emitterats som ett resultat av att de frigjorda elektronerna skapade av delta- elektronerna har interagerat med detektormediet, till elektroner. Vidare detekteras både elektroner som är härledningsbara från det scintillerande ljuset och de som är härledningsbara från deltaelektronerna av strålningsdetektorns elektrondetekteringsorgan. 10 15 20 25 30 5.28 236 I de två senare utföringsformerna särskiljs signaler, som härrör från det scintillerande ljuset, och signaler, som härrör från deltaelektronerna, i detektorn genom deras olika spatiala fördelningar. Signalerna som härrör från det scintillerande ljuset är typiskt spridda över flera detektorkanaler så att en relativt plan signalfördelning erhålls, medan signalerna som härrör från deltaelektronerna detekteras i en enda eller bara några få detektorkanaler så att en spikpulsformad signalfördelning erhålls. En fördel med de två senare utföringsformerna är att ingen dedicerad ljusdetektor behövs eftersom det scintillerande ljuset kan konverteras till elektroner, som detekteras individuellt av samma detektor som används för att detektera elektronerna skapade av deltaelektronerna.

Ytterligare särdrag hos och fördelar med uppfinningen framgår nedan av den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer av uppfinningen, vilka visas i de bifogade fig. 1-4, som endast är àskàdliggörande och således inte begränsande för uppfinningen.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Fig. 1-4 visar var och en, schematiskt, i sidovy, en stràlningsdetektor enligt en respektive utföringsform av uppfinningen. Identiska hänvisningsnummer används i alla figurer för att visa liknande komponenter och delar hos de olika utföringsformerna av stràlningsdetektorn.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer En strålningsdetektor för avbildning av ett plant strålknippe 11 av joniserande strålning, såsom röntgenstrålning, visas i fig. 1. Detektorn innefattar en elektronmultipliceringskammare 12 fylld med ett medium för elektronmultiplicering, såsom en gas, 10 15 20 25 528 256 företrädesvis med ett tryck av ungefär, eller över, 1 atm- Framsidan av kammaren 12 är försedd med en ingångsfönster- struktur 13, genom vilken det plana strålknippet 11 av joniserande strålning förs in, och en fast, mekanisk multikanalsstruktur 14 är anordnad i banan för det plana strålknippet 11 inuti kammaren 12.

Den fasta, mekaniska strukturen 14 innefattar multipla kanaler eller öppningar 15 som sträcker sig i en riktning huvudsakligen vinkelrät mot planet för det plana strålknippet 11. Kanalerna 15 har, var och en, en öppen ände l5a. Härigenom är kanalerna 15 i öppen fluidförbindelse med elektronmultipliceringsmediet i kamaren 12, så att de fylls med mediet. De multipla kanalerna kan vara av godtycklig form, t.ex. cirkulära eller kvadratiska, ovanifrån sett. De multipla kanalerna 15 är företrädesvis anordnade i en en- eller tvådimensionell gruppering. Den fasta, mekaniska strukturen 14 kan, till exempel, vara en multikanals- platta (multichannel plate, MCP).

Alternativt är kanalerna 15 longitudinella, t.ex. sträcker de sig längs hela den fasta, mekaniska strukturen 14 i riktningen för det plana strålknippet 11.

Ytterligare alternativt innefattar den fasta, mekaniska strukturen i huvudsak en tvådimensionell gruppering av nålar eller stavar, varvid kanalerna 15, vilka var och en utgörs av utrymet mellan två intilliggande nålar eller stavar, och kommunicerar med varandra i riktningar som ligger i planet för det plana strålknippet 11.

Ytterligare alternativt kan den fasta, mekaniska strukturen 14 vara utformad på annat vis, och dess kanaler 15 kan vara anordnade i andra mönster. 10 15 20 25 30 528 236 Den fasta, mekaniska multikanalsstrukturens 14 material väljs, enligt uppfinningen, så att strukturen 14 har möjlighet att både frigöra elektroner, så kallade deltaelektroner in i kanalerna och emittera scintillerande ljus som svar på att den penetreras av strålknippet 11 av joniserande strålning. Det mesta av den deponerade energin komer emellertid att konverteras till scintillerande ljus.

Elektroder l7a-b är anordnade parallellt med planet för det plana strålknippet 11 på två motsatta sidor av den fasta, mekaniska multikanalsstrukturen 14. Elektroden 17b som ligger intill de öppna kanaländarna 14a är försedd med hål eller spalter linjerade med kanalerna 15.

Strålningsdetektorn innefattar vidare en valfri elektronlavin- gallerrelektrod l7c, en kombinerad anod- och elektrondetektor- anordning 17d och en 1jusdetekteringsanordning 19, 20. De olika elektroderna hålls, under användning, vid valda elektriska potentialer för att åstadkomma ett valt elektriskt fält i kamaren 12.

När en infallande strålningsfoton absorberas i den fasta, mekaniska multikanalsstrukturen 14 skapas en elektron med tillräcklig energi för att ytterligare interagera med materialet (en deltaelektron), schematiskt visad med pil l6a. När deltaelektronen färdas genom scintillatorn interagerar den med materialet och skapar scintillerande ljus, schematiskt visat med pil 18, och möjligen ytterligare deltaelektroner. Delta- elektronen letar sig in i en av kanalerna 15 och har typiskt en energi tillräcklig för att orsaka att mltipla elektroner frigörs i elektronmultipliceringsmediet i kanalen, och sedan oftast retarderas och stoppas av den fasta, mekaniska multikanalsstrukturen 14 innan den kommer in i en annan av kanalerna 15. De multipla elektronerna accelereras i det 10 15 20 25 30 528 256 elektriska fältet i kammaren 12 och kolliderar med elektron- multipliceringsmediets atomer eller molekyler och därigenom frigör fler elektroner. I denna process skapas ett elektronmoln, som visas schematiskt vid l6c. Dessa elektroner attraheras mot den kombinerade anod- och elektrondetekteringsanordningen l7d i en riktning (vertikal i fig. 1) huvudsakligen vinkelrät mot riktningen för det infallande plana strålknippet ll av joniserande strålning. Gasbaserad elektronlavinförstärkning kan förekomma, beroende på styrkan av det påförda elektriska fältet och utformningen av strålningsdetektorn, särskilt utformningen av elektroderna l7b-c. När elektronerna närmar sig anoden detekteras de spatialt upplöst av den kombinerade anod- och elektrondetekteringsanordningen l7d, företrädesvis antingen genom fotonräkning eller genom integrering av laddningarna inducerade av elektronerna. I detta syfte innefattar den kombinerade anod- och elektrondetekteringsanordningen l7d ett flertal signalutläsningsremsor, vilka är anordnade i en en- eller tvådimensionell gruppering och är förbundna med därför avsedd utläsningselektronik. Typiskt erhålls en spatial upplösning jämförbar med bredden på kanalerna 15.

Denna typ av elektrondetektor beskrivs i t.ex. följande US- patent av T. Francke m.fl. och överlåtna på XCounter AB i Sverige, vilka patent härmed införs som referens: nr. 6,546,070, 6,522,722, 6,518,578, 6,ll8,125, 6,373,065, 6,337,482, 6,38S,282, 6,414,3l7, 6,476,397, 6,477,223, 6,556,650, 6,600,804, 6,784,436, och 6,794,656. Innehållet i det citerade dokumentet med tidigare känd teknik, US-patent nr. 5,521,956 införs likaledes som referens.

Ljusdetekteringsanordningen 19, 20 innefattar en eller flera ljusdetektorer 19, såsom fotomultiplikatorrör, fotodioder, CCD- element eller liknande för oberoende detektering av ljus som 10 15 20 25 30 528 236 emitterats i kamaren 12. Ljuskopplare 20 inrättas att koppla scintillerande ljus från den fasta, mekaniska strukturen 14 till ljusdetektornlljusdetektorerna 19. Ljusdetektornlljus- detektorerna 19 är inrättade att detektera scintillerande ljus, som emitteras från den fasta, mekaniska strukturen 14 och som fortplantar sig i planet för det plana strålknippet 11 av joniserande strålning.

Emedan ljusdetektoranordningen 19, 20 kan inrättas för spatialt upplösta mätningar och/eller avbildningsmätningar av den infallande joniserande strålningen, mäter den den infallande joniserande strålningens energi med hög noggrannhet. Givet ett tillräckligt lågt strålningsflöde har ljusdetekterings- anordningen 19, 20 möjlighet att mäta energin hos varje infallande joniserande strålningspartikel.

Möjligheten att utföra spatialt upplösta mätningar och/eller avbildningsmätningar förbättras kraftigt om den fasta, mekaniska strukturen 14 är försedd med multipla sektioner åtskilda från varandra med väggar opaka för scintillerande ljus som emitteras av den fasta, mekaniska strukturen 14. Väggarna kan reflektera eller absorbera det scintillerande ljuset. Företrädesvis inrättas de multipla sektionerna så att en respektive lateralt åtskild del av det plana strâlknippet 11 av joniserande strålning komer in i en respektive av de multipla sektionerna.

Med hänvisning härnäst till fig. 2 innefattar en strâlnings~ detektor enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen en elektrondetektor av typ enligt ovan. Här är emellertid ljusdetekteringsanordningen, betecknad med 19 och 21, inrättad ovanför den fasta, mekaniska strukturen 14. Ljusdetekterings- anordningen innefattar en eller flera ljusdetektorer 19 för oberoende detektering av ljus, som emitterats i kammaren 12 och fortplantar sig huvudsakligen vinkelrätt mot planet för 10 15 20 25 30 528 236 det plana strålknippet ll. Optiska fibrer 21 är inrättade att koppla scintillerande ljus från olika positioner av den fasta, mekaniska strukturen 14 till ljusdetektorn/ljusdetektorerna 19.

Fig. 3 och 4 visar strålningsdetektorer enligt ytterligare utföringsformer av uppfinningen, varvid det scintillerande ljuset detekteras genom att det konverteras till elektroner, och genom att detektera de konverterade elektronerna medelst sama elektrondetektor som används för detektering av elektronerna skapade av deltaelektronerna.

I detta syfte är strålningsdetektorn i fig. 3 försedd med en fotokatod 31 i anslutning till den fasta, mekaniska strukturen 14. Fotokatoden 31 kan åstadkommas längs en sida av den fasta, mekaniska strukturen 14 som är vänd mot elektronlavin- gallerelektroden l7c. Alternativt eller valfritt åstadkoms fotokatoden 31 längs delar av kanalernas 15 sidoväggar som visas i fig. 3. Fotokatoden 31, således inrättad i banan för scintillerande ljus 18 som emitteras från den fasta, mekaniska strukturen 14, är inrättad att emittera elektroner, schematiskt visade med pil 32, som svar på att den exponeras för scintillerande ljus, schematiskt visat med pil 18, som emitterats från den fasta, mekaniska strukturen 14.

Elektronerna accelereras i kamaren 12, lavinförstärks intill elektronlavingallerelektroden 17c och detekteras medelst den kombinerade anod- och elektrondetektoranordningen l7d. De lavinförstärkta elektronerna visas schematiskt vid 33.

Signalerna som härrör från det scintillerande ljuset sprids typiskt över flera detektorkanaler på grund av den isotropiska naturen hos scintilleringsprocessen så att en relativt plan signalfördelning erhålls, medan signalerna som härrör från deltaelektronerna detekteras i en enda eller endast några 10 15 20 25 30 528 236 detektorkanaler så att en spikpulsformad signalfördelning erhålls. Således kan signalerna med olika ursprung särskiljas från varandra trots det faktum att endast en elektrondetektor används.

Det skall observeras att fotokatoden 31 kan åstadkomas på en annan plats (t.ex. på en sida av den fasta, mekaniska strukturen 14 som är motsatt den sida som är vänd mot elektronlavingallerelektroden 17c) så att elektroner som emitteras därifrån kan åtskiljas, t.ex. medelst ett fönster eller genom att påföra ett lämpligt elektriskt fält, från de elektroner som skapats av deltaelektronerna. I detta fall används separata elektronförstärknings- och detekterings- anordningar för detektering av elektroner som härrör från scintillerande ljus och elektroner som härrör från delta- elektroner.

Strålningsdetektorn i fig. 4 skiljer sig från detektorn i fig. 3 på så vis att deltaelektronerna detekteras på ett annat sätt. Det är känt från t.ex. US-patent nr. 6,627,897, och referenser däri, att elektroner som förstärks eller multipliceras i ett elektronmultipliceringsmedium skapar synligt ljus eller UV-ljus. Detta ljus detekteras här.

I detta syfte innefattar strålningsdetektorn i fig. 4 ett fönster 41 och en fotokatod 42 mellan den fasta, mekaniska strukturen 14 och elektronlavingallerelektroden l7c. Fönstret 41 är transparent för scintillerande ljus som skapats i den fasta, mekaniska strukturen och för ljus som skapats av de förstärkta elektronerna (i kanalerna 15). Fotokatoden 42 är inrättad att emittera elektroner som svar på att den träffas av det scintillerande ljuset och att emittera elektroner som svar på att den träffas av ljus från de förstärkta elektronerna.

Elektronerna accelereras i kamaren 12, lavinförstärks intill 10 15 528 236 10 elektronlavingallerelektroden 17c och detekteras medelst den kombinerade anod- och elektrondetektoranordningen l7d. Ljuset som skapats av de förstärkta elektronerna visas schematiskt med pil 43, elektronerna som emitterats av fotokatoden 42 som svar på att den träffats av ljuset från de förstärkta elektronerna visas schematiskt med pil 44, och de lavin- förstärkta elektronerna (som härrör från deltaelektronerna) visas schematiskt vid 45. Signalerna med olika ursprung särskiljs som beskrivs i föregående utföringsform.

Valfritt inrättas ytterligare en elektronlavingallerelektrod mellan den fasta, mekaniska strukturen 14 och fönstret 41. En sådan gallerelektrod måste emellertid vara utformad för att tillåta scintillerande ljus att passera genom. Även denna utföringsform kan modifieras så att åtskilda fotokatoder och elektronförstärknings- och detekterings- anordningar används för detektering av elektroner som härrör från scintillerande ljus och elektroner som härrör från deltaelektronerna.

Claims (14)

10 15 20 25 528 236 ll PATENTKRAV

1. Strålningsdetektor för avbildning av ett plant strålknippe (ll) av joniserande strålning, innefattande - en ingångsfönsterstruktur (13), genom vilken nämnda plana strålknippe av joniserande strålning förs in, - en elektronmultipliceringskammare (12) fylld med ett medium för elektronmultiplicering, - en fast, mekanisk struktur (14) anordnad i banan för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning inuti nämnda elektronmnltipliceringskamare och inrättad att frigöra elektroner (l6a) som svar på att den exponeras för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning, varvid nämnda fasta, mekaniska struktur innefattar multipla kanaler (15) som sträcker sig i en riktning huvudsakligen vinkelrät mot planet för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning och är fyllda med nämnda medium för elektronmultiplicering, så att elektroner frigjorda från den fasta, mekaniska strukturen kan skapa multipla elektroner (löb) i nämnda multipla kanaler, - en elektrodanordning (l7a-d) för att driva, och valfritt lavinförstärka, nämnda multipla elektroner (16b) i nämnda riktning huvudsakligen vinkelrät mot planet för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning, och - ett första elektrondetekteringsorgan (17d) för att detektera nämnda multipla elektroner spatialt upplöst för att därigenom avbilda nämnda plana strålknippe av joniserande strålning, kännetecknad av Mä - nämnda fasta, mekaniska struktur utgörs av ett scintillerande material, så att nämnda fasta, mekaniska 10 15 20 25 528 236 12 struktur emitterar scintillerande ljus som svar på att den exponeras för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning, och - ett detekteringsorgan (19-20; 19, 21; 31, Hd; 42, 17d) är inrättat att detektera scintillerande ljus (18) som emitteras från nämnda fasta, mekaniska struktur.

2. Strålningsdetektor enligt patentkrav 1, varvid nämnda scintillerande material är en scintillerande plast, NaI, CsI eller BaF,.

3. Strålningsdetektor enligt patentkrav l eller 2, varvid nämnda fasta, mekaniska struktur är i huvudsak transparent för nämnda scintillerande ljus.

4. Strålningsdetektor enligt något av patentkraven 1-3, varvid nämnda detekteringsorgan inrättat att detektera scintillerande ljus (18) innefattar en eller flera ljusdetektorer (19) inrättad(e) att detektera scintillerande ljus som fortplantar sig i planet för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning.

5. Strålningsdetektor enligt något av patentkraven 1-3, varvid nämnda detekteringsorgan inrättat att detektera scintillerande ljus (18) innefattar en eller flera ljusdetektorer (19) inrättad(e) att detektera scintillerande ljus som fortplantar sig i en riktning huvudsakligen motsatt nämnda riktning som är vinkelrät mot planet för nämnda plana strålknippe av joniserande strålning.

6. Strålningsdetektor enligt patentkrav 4 eller 5, varvid nämnda detekteringsorgan inrättat att detektera scintillerande ljus (18) innefattar ljuskopplingsorgan (20; 21) inrättat att 10 15 20 25 528 256 13 koppla scintillerande ljus från nämnda fasta, mekaniska struktur till nämnda ena eller flera ljusdetektorer (19)

7. Strålningsdetektor enligt något av patentkraven 1-6, varvid nämnda fasta, mekaniska struktur är försedd med multipla sektioner åtskilda från varandra medelst väggar opaka för scintillerande ljus som emitteras av nämnda fasta, mekaniska struktur så att spatialt upplöst detektering av scintillerande ljus (18), som emitteras från nämnda fasta, mekaniska struktur, möjliggörs.

8. Strålningsdetektor enligt något av patentkraven l-7, varvid nämnda fasta, mekaniska struktur huvudsakligen är en multikanalsplatta (multichannel plate, MCP).

9. Strålningsdetektor enligt något av patentkraven l-7, varvid nämnda fasta, mekaniska struktur huvudsakligen innefattar en tvådimensionell gruppering av nålar av nämnda scintillerande material.

10. Strålningsdetektor enligt något av patentkraven 1-9, varvid nämnda detekteringsorgan för detektering av scintillerande ljus (18) innefattar: - ett första fotokatodorgan (3l; 42) anodnat i banan för scintillerande ljus (18) som emitteras från nämnda fasta, mekaniska struktur, varvid det första fotokatodorganet (31; 42) är inrättat att emittera elektroner (32) som svar på att det exponeras för scintillerande ljus som emitteras från nämnda fasta, mekaniska struktur, och - ett andra elektrondetekteringsorgan (l7d) inrättat att detektera elektroner som emitteras från det första foto- katodorganet (3l; 42) som svar på att det första foto- katodorganet exponeras för scintillerande ljus (18). 10 15 20 25 528 236 14

11. Strålningsdetektor enligt patentkravl0, varvid foto- katodorganet (31) åtminstone delvis är anordnat på sidoväggar hos nämnda multipla kanaler (15).

12. Strâlningsdetektor enligt patentkrav 10 eller ll, varvid nämnda första och andra elektrondetekteringsorgan utgörs av en enda elektrondetektor, i vilken signaler från nämnda multipla elektroner och signaler från elektroner som emitteras från det första fotokatodorganet (31) som svar på att nämnda fotokatod exponeras för scintillerande ljus (18) är särskiljbara genom deras olika spatiala fördelningar.

13. Strålningsdetektor enligt patentkrav 10, varvid nämnda första elektrondetekteringsorgan (l7d) innefattar: - ett andra fotokatodorgan (42) anordnat i banan för ljus (43), som emitteras i nämnda medium för elektronmultiplicering orsakat av nämnda multipla elektroner (l6b), varvid det andra fotokatodorganet (42) är inrättat att emittera elektroner (44) som svar på att det exponeras för ljus (43) som emitteras i nämnda medium för elektronmultiplicering orsakat av nämnda multipla elektroner (l6b), och - ett tredje elektrondetekteringsorgan (17d) inrättat att detektera elektroner som emitteras av det andra fotokatod- organet (42) som svar på att det andra fotokatodorganet exponeras för ljus (43) som emitteras i nämnda medium för elektronmultiplicering.

14. Strålningsdetektor enligt patentkrav 13, varvid - det första och det andra fotokatodorganet utgörs av en enda fotokatod (42), och 528 236 15 - det andra och det tredje elektrondetekteringsorganet utgörs av en enda elektrondetektor, i vilken signaler från elektroner som emitteras från fotokatoden (42) som svar på att foto- katoden exponeras för scintillerande ljus (18) och signaler från elektroner som emitteras från fotokatoden (42) som svar på att fotokatoden exponeras för ljus (43) som emitteras i nämnda medium för elektronmultiplicering är särskiljbara genom deras olika spatiala fördelningar.