专利名称：辐射检测设备和方法
技术领域：
本发明一般涉及一种检测辐射的设备和方法。
本发明可用在各种领域，包括医疗放射学，计算机层析成像术(CT)，显微术，和无损伤测试。
背景技术：
气体检测器一般在光子能量低于大约10KeV处是非常有吸引力的。气体检测器的主要优点是与固态检测器相比制造成本便宜，并且它们可以采用气体放大将信号幅度大大地放大(量值的几个量级)。然而，在超过10KeV的能量时，气体检测器就不大有吸引力了，因为气体的阻塞能力随光子能量的增加而迅速地减少。由于通常发散的辐射入射射束的转换点的视差以及作为X射线吸收的结果产生的所谓的长距离光子的延伸轨迹，导致了严重地空间分辨率降低。
通过在平面射束射线成像术中使用的气体检测器实现了对空间分辨率的改进，在其中可以在与入射的辐射基本上垂直的方向中提取通过光子和气体原子之间的交互作用所释放的光子。这样的一种检测器被描述在我们的共同未决的国际申请NO.PCT/SE98/01873中，标题是“A method and a device for planar beam radiography and aradiation detector”，提交日期是1998年10月19日。
然而，这些包含光子和气体原子之间交互作用的检测器需要相当深，并包括加压的空气。而且，这样的检测器需要使用一种无论对于与入射辐射还是与加速的电子(在电子放大期间)的交互作用都是最佳的气体。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种采用离子雪崩放大来检测离子化辐射的设备和方法，由此可获得高空间分辨率的测量结果。
本发明的另一个目的是提供一种表现出高效率和高信噪比的检测离子化辐射的设备和方法。
本发明还一个目的是提供一种灵敏的，可以采用非常低X射线通量使用的检测离子化辐射的设备和方法。
本发明又一个目的是提供一种有效，快速，准确，可靠，易用和低成本的检测离子化辐射的设备和方法。
本发明的再一个目的是提供一种检测离子化辐射的设备和方法，在其中检测期间所释放的电子可以在与入射辐射基本上垂直的方向中被提取，由此可以获得特别高的空间分辨率。
本发明的另外一个目的是提供一种检测离子化辐射的设备和方法，可以在高X射线通量下操作而没有使性能降质，并具有长的寿命。
其中，通过在所附权利要求中所述的设备和方法获得了依据本发明的这些目的。
通过采用对从检测设备的光阴极释放的电子的离子雪崩放大，实现一种特别灵敏的设备和方法，采用极其低的辐射剂量仍然获得对于构成表现出非常低噪声水平的图像足够高的信号水平。
本发明的另一个优点是本发明的检测器设备对磁场不是非常敏感。
本发明又一个优点是以低成本提供制造和使用灵敏的大面积的检测器设备。
从以下给出的本发明优选实施方案的详述和附图1-2，本发明的其它特性和优点将是明显的，这些附图只是为了说明给出的，不是对本发明的限制。
图1用横断面图简要示出依据本发明优选实施方案的一种用于平面射束射线成像术的方案。
图2是沿图1中A-A取得的优选实施方案的一种简要的，部分放大的横断面图。
优选实施方案详述具体实施方式
在以下的描述中，为了解释和并非限制的目的，叙述了详细的细节，如特定的尺寸和材料以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将清楚，本发明可以用偏离这些特定细节的其他实施方案实现。
参考图1描述本发明的一种优选实施方案，在图中用与平面的X射线射束1的面正交的平面中的截面图简要地图解说明用于平面射束射线成像术的装置。
该装置包括一个X射线源(未示出)，与平行光管窗5一起产生扇形的X射线射束1，用于照射要成像的物体。可以用形成基本上平面的X射线射束的其他装置代替平行光管窗5，例如X射线绕射镜或X射线透镜等。
发射的射束通过物体7进入检测器设备9。可选的方案是，提供一个缝隙或平行光管窗11，与X射线射束调成一直线，形成X射线射束1到设备9的入口。在检测器9中检测到入射的X射线光子的主要部分，检测器包括容器13，53，光阴极17，18，雪崩阴极21，和雪崩阳极27，29部件。
设备9被安排成这样取向，使X射线射束可以进入光阴极部件17，18和雪崩阴极部件21之间的侧道，并以相切的入射角，也就是小的掠射角α撞击在光阴极部件上，最好平面射束的厚度t，掠射角α，和设备9的深度D(也就是入射辐射方向中的长度)之间的关系被安排成这样，使得光阴极部件的主要部分受射束1的照射，注意，在图1中平面射束的厚度和掠射角α为了图解说明的目的已被夸大，典型值是平面射束厚度t大约50-500μm，掠射角α大约0.50-50mrad，优选值为小于2mrad，最好在0.1和2mrad之间，检测器设备深度D大约1-10cm。通过提供非常小的掠射角α获得高的转换效率而没有不利地影响空间分辨率。
光阴极部件17，18包括一个电介质衬底17和一个薄的光阴极层18，最好是0.00001-0.1mm厚的CsI层，或者有机的光电转换器，或任何其他的有效的气体，液体或固体的光电转换器。光阴极层的材料应该具有低的功函数，使得它能够依据入射的辐射射束1释放光电子，也就是，功函数必须低于辐射射束1的光子能量。
光阴极部件17，18可以在光阴极层表面上还包括一个保护层(图1中未明显地示出)，最好是0.01-1μm厚的，例如，CsI层。通常光阴极对与它接触的任何气体中的小杂质敏感，这些杂质使光阴极的量子效率随时间降质。因此，保护层应该使光阴极层18避免与设备9的容器13，53内的气体直接接触，但应该对于入射的辐射以及从光阴极层表面释放的电子是透明的。而且，保护层应该不透光，因为在容器13，53中可能产生荧光，必须防止这种荧光到达光阴极层，因而避免撞击出更多的电子，这些电子将以不希望的方式影响检测。如果保护层并不是对光不透明的，可以用一个薄的金属层覆盖，这种金属层对光是不透明的，而对入射的辐射和电子是透明的。
电极部件17，18和21最好基本上相互平行并隔开短的距离，例如，10μm-10mm。而且，在使用期间，第一电压被施加在光阴极18和雪崩阴极21之间，在区域13中得到一个偏移场，使电子向电极21偏移。
容器13，53最好充满气体，可以是，例如，CO2或氦和异丁烷的混合物，或任何其他适用于电子雪崩放大的气体。气体最好处于大气压，但可以欠压和过压。在这样的情况下，检测器包括一个气体密封罩31，带有一个辐射可渗透的材料的缝隙入口窗33，X射线射束1通过这个窗进入检测器。而且，应该认识到，气体混合物的组成和压力要这样选择，使气体并不吸收入射的辐射射束1，或者较少吸收入射的辐射。
设备9最好被这样安排，使得通过雪崩阴极部件21的作用，被释放的光电子将向电子雪崩放大区域偏移并进入其中，在此它们将被藉助于第二电压放大，在使用期间，被施加在雪崩阴极部件21和雪崩阳极部件27，29之间。雪崩阳极部件包括一个在电介质衬底上的导电阳极层27。
第二电压被这样选取，使得来自容器部分13的光电子通过阴极并被加速朝向阳极部件27，29，得到电子放大因而导致多倍的雪崩电子到达部件27，29。最好雪崩阳极部件也构成设备9的读出部件，用于检测由电子雪崩引起的脉冲。
另一种方案是，读出部件可以与阳极部件27，29分离地构成(图1中未示出)。
读出部件27，29被进一步连到一个信号处理设备(图1中未示出)，用于对检测到的脉冲作进一步的处理，可从被不同的X射线光子电离得到的脉冲是可以单独地检测的，由此实现单个光子的检测。
X射线源，平行光管窗5，可选的平行光管窗11和检测器9最好用一种适当的装置，例如一个支座连接并相互固定(图1中未示出)。
往下参考图2，该图示出一个沿着图1的A-A取得的简要的部分放大的横断面图，检测器将被进一步描述。然而，应该认识到本发明并不限于这样一种设计。例如，其他可能的雪崩放大装置设计被进一步详细说明在我们的共同未决的瑞典专利申请No.9901325-2中，它的标题是“Radiation detector，an apparatus for use in p1anarradiography and a method for detecting ionizing radiation” ，提交日期为1999年4月14日，该申请被引入在此供参考。应该进一步认识到，雪崩放大装置可以包括一个固态设备或包括一个液体放大区域。
这样，电介质49可被安排在雪崩阴极21和雪崩阳极27之间。这可以是一种气体或携带阴极21的固体衬底49，如图2所示，在使用期间被施加在阴极21和阳极27之间的第二电压在多个最好是充满气体的雪崩放大区域53中产生电场。在读出部件27之一和光阴极层18之间的电场线在图2中用参考数字51简要地指明。在互相面对的雪崩阴极21的边缘之间和周围的区域中形成雪崩区域53，在雪崩阴极21和雪崩阳极27之间，在使用期间由于施加的电压的作用将产生一个集中的电场。
通过阴极21和电介质衬底49，如果存在的话，中的孔或沟道形成雪崩区域53。孔或沟道可以是任何形状，例如，具有圆形或正方形横断面。孔或沟道可被排列成行，每行的孔或沟道包括多个孔或沟道。多个纵向的孔或沟道或沟道行互相不相干地，互相或与入射X射线平行地构成。另一种方案是，孔或沟道可被按其他型式排列。
导电的阳极层包括许多垫片或条带27，它们也构成读出部件，被安排成与构成雪崩区域53的孔或沟道相连。最好对于每个孔或沟道提供至少一个部件27。藉助于衬底29把各个部件27电气上相互绝缘，并被分别地连到信号处理设备(未示出)。
通过提供如图2中所示的多个读出部件27实现一种检测器9，在其中电子雪崩可被分别检测，主要可通过被平面辐射射束1的横向分离部分电离得到电子雪崩。由此，检测器9提供一维成象。最好，这些部件被延长并指向辐射源。在这些情况下，由于辐射源的扩散和到辐射源有限的距离，部件27最好放入扇形装置中。特别要指出，非常小的掠射角α并没有对这样的一维成象的空间分辨率造成不利的影响，因为是在与入射的辐射方向基本上垂直的方向中实现成像的。
本发明检测器设备的宽度最好与指定的用途相适应，典型的宽度对于医疗的X射线应用最多达50cm，但对于某些特定的应用包括一个单独的检测器部件可以小到0.1mm。
在操作中，图1的检测器设备21被定位在希望被检测的辐射的路径中。直接从检查下的受试物体发射的入射辐射的射线将在路径中行进，从而通过平行光管11并进入光阴极层18，虽然典型情况下从检查下的受试物体向检测设备扩散的不希望的辐射将与平行光管的平面成某个角度行进，然而它们将不能够通过平行光管11。
从入射的辐射击中光阴极18得到的光子将使电子，即所谓光电子被发射。重要的是，光阴极的材料具有比入射光的光子能量低的称为功函数的特征能量(也就是阴极电子的结合能)，以致电子可非常容易地被释放。而且，所用的几何形状，也就是从与入射辐射撞击相同的表面发射的光子，提供非常高的效率。入射辐射的吸收随穿透深度按指数规律减少。因此电子的主要部分是在靠近辐射入射的表面上释放，这样可以从该表面剩下光阴极层。
所释放的光电子将具有光子能量和光阴极功函数之差的动能，它们朝雪崩阴极21偏移(被保持在比光阴极层18高的电位上)。在雪崩阴极21上由于在雪崩阴极21和阳极部件27，29之间强的集中电场的作用光电子将被加速(雪崩阳极层27被保持在比雪崩阴极高得多的电位上)。
被加速的电子将与其他物质(例如，原子，分子等)在区域59中交互作用，产生电子-离子对。那些被产生的电子也将在该场中被加速，并将与新的材料重复地交互作用，进一步产生电子-离子对。在雪崩区域中的电子朝位于雪崩区域的底部的阳极部件27，29行进期间这个过程连续进行，从而以这样的方式形成电子雪崩。
电子雪崩在检测器设备9的读出部件中感生电脉冲，它们被单独地检测，因为每个读出部件具有单独的到信号处理设备的信号管道(未示出)。信号处理设备处理这些脉冲；或许将这些脉冲整形，然后将来自每个读出部件27的脉冲积分或计数。
在以上所描述的实施方案中，描述了光阴极，阳极，阴极，和读出部件的特定的位置和几何形状。然而，有多种其他的位置和几何形状，它们同样很好地适用于本发明。
通常对于本发明，每个入射的X射线光子在一个(或多个)检测器电极部件中产生一个感生脉冲。
对于本发明也是通常的，电极间的容积是很小的，这导致快速地消除离子。从而达到低的或没有空间电荷积累。这样使高速操作成为可能。小的距离也导致低的操作电压，这又导致低能量的可能的火花，对于电子设备这是有利的。在雪崩装置中电场线的聚束对于压制电子流的形成也是有利的，这导致降低火花的风险。
而且，在这些情况下将有可能用几何方式区分不希望的辐射，如发荧光的X射线，否则将导致使空间分辨率和灵敏度变坏。这样的检测被进一步详细说明在我们的共同未决的瑞典专利中请No.9901326-0中，标题是“A method for detecting ionizingradiation，a radiation detector and an apparatus for use inplanar beam radiography”filed on April 14，1999，和No.0000388-9，标题是“Detector and method for detection ofionizing radiation”，filed on February 08，2000。这些申请被引入在此供参考。
作为一种替代方案，在转换和偏移缝隙(容积)中的电场可以保持足够高以便引起电子雪崩，从而被使用在预放大模式中。
作为另一种替代方案，至少在某些情况下，可以免去电极部件21，在层18和部件27之间的电场可以保持足够高以便在由区域13和53所限定的全部容积内引起电子雪崩放大。
而且，所有的电极表面可以用一种电阻材料覆盖以便降低在可能的火花中的能量，火花将影响测量结果并可能毁坏检测器的电子设备。这样的电阻层被进一步描述在我们的共同未决的瑞典专利申请No.9901327-8中，标题是“Radiation detector and an apparatus foruse in radiography”，提交日期是1999年4月14日。这份申请被引入在此供参考。
另一种做法是，出于相同的理由，整个电极可由一种半导体材料，例如，硅制成，或者只有层18和17可以是半导体材料的。
将很明显，本发明可以变换为多种形式。例如，电压可用其他的方式施加，只要所描述的电场被产生。不能认为这些变型偏离本发明的范围。对于本领域的技术人员很明显，所有修改都应包括在所附的权利要求的范围内。
特别是，本发明可用于检测X射线以外的其他种类的辐射，只要该辐射能够与光阴极交互作用产生由此发射的光电子。因此，藉助于本发明可以检测，例如，γ和X射线辐射，粒子辐射以及光。
权利要求
1.一种检测辐射的设备(9)包括-光阴极(18)，具有第一表面并被适配成依据入射的辐射释放光电子；-辐射入口(33)，被安排成这样，使得辐射的射束(1)可以通过所述的辐射入口进入设备并可以掠射角撞击在所述的光阴极上；-电子雪崩放大器(21，27，29，53)，面对所述的光阴极的第一表面并被适配成雪崩放大从所述的光阴极释放的光电子；和-读出部件(27，29)，被适配成检测来自所述的放大器的被雪崩放大的电子，其特征在于-所述的辐射入口被安排成这样，使得辐射的射束可以进入所述的光阴极和所述的电子雪崩放大器之间的设备并可以撞击在所述的光阴极的第一表面上；和-所述的光阴极被适配成对此作出响应从它的第一表面释放光电子。
2.如权利要求1-3的任一项的设备，其中光阴极是0.00001-0.1mm厚的层。
3.如权利要求1或2的设备，其中光阴极是一种具有低于所述的辐射射束光子能量的功函数的材料。
4.如权利要求1-3的任一项的设备，其中光阴极是CsI或碱土金属制成，或者是一种有机的光电转换器。
5.如权利要求1-4的任一项的设备，其中在所述的光阴极的第一表面上提供保护层，用以防止光阴极的第一表面与杂质接触，这些杂质可以使光阴极的量子效率随时间降低，保护层以所述的辐射射束和从光阴极的第一表面发射的电子仍然是透明的。
6.如权利要求5的设备，其中保护层是不透光的。
7.如权利要求5的设备，其中保护层是一种薄的，最好是金属的层，它对光是不透明的。
8.如权利要求1-7的任一项的设备，其中辐射入口被安排成这样，使得辐射的射束可以进入该设备，并可以按掠射角α撞击在所述的光阴极上，α在0.50-50mrad的间隔内。
9.如权利要求1-7的任一项的设备，其中辐射入口被安排成这样，使得辐射的射束可以进入该设备，并可以按掠射角α撞击在所述的光阴极上，α小于2mrad，最好在0.1-2mrad的区间内。
10.如权利要求1-9的任一项的设备，其中辐射入口提供一个窗口，对于所述的辐射射束是透明的。
11.如权利要求1-10的任一项的设备，包括一个安排在所述的辐射入口前面的平行光管(11)。
12.如权利要求1-11的任一项的设备，其中电子雪崩放大器包括充满雪崩放大介质的雪崩放大区域(53)的阵列。
13.如权利要求12的设备，其中雪崩放大介质是一种气体或气体混合物。
14.如权利要求12的设备，其中雪崩放大介质是一种液体。
15.如权利要求12的设备，其中雪崩放大介质是一种固体。
16.如权利要求12-15的任一项的设备，其中各个雪崩放大区域(53)相互用电介质(49)分离。
17.如权利要求1-16的任一项的设备，其中电子雪崩放大器分别包括雪崩阴极(21)和雪崩阳极(27，29)部件。
18.如权利要求17的设备，其中雪崩阴极(21)对电子是可渗透的。
19.如权利要求17或18的设备，其中雪崩阳极和读出部件是由单一部件(27，29)组成的。
20.如权利要求1-19的任一项的设备，其中读出部件(27，29)包括读出元件(27)的阵列。
21.如权利要求20的设备，其中辐射入口被安排成这样，使得平面的辐射射束(1)可以通过所述的辐射入口进入该设备并可按掠射角撞击在所述的光阴极上；读出部件(27，29)被安排成这样，使得主要可从所述的平面辐射射束的横向分离部分的吸收得到的电子雪崩可以分开检测。
22.一种在平面射束射线成像术中使用的装置，其特征在于它包括X射线源装置(5)，用于在所述的X射线源和要成像的物体(7)之间形成基本平面的X射线射束(1)，和在以前的权利要求的任一项中申请专利保护的检测器(9)，被放置并安排用于当通过所述的物体发送或反射时检测平面的X射线的射束。
23.一种以检测检测器设备(9)检测辐射的方法，该检测设备包括辐射入口(33)，光阴极(18)，电子雪崩放大器(21，27，29，49，53)，和读出部件(27，29)，所述的方法包括步骤-将辐射的射束(1)通过所述的辐射入口引入检测器设备，使得所述的辐射射束以掠射角撞击在所述的光阴极的第一表面上，其中对所述的撞击的辐射射束作出响应，从所述的光阴极释放光电子；-藉助于所述的电子雪崩放大器对从所述的光阴极释放的光电子进行雪崩放大；和-藉助于读出部件检测被雪崩放大的电子，其特征在于-所述的辐射射束被引入到所述的光阴极和所述的电子雪崩放大器之间的设备；和-从所述的光阴极的第一表面释放光电子，它们被雪崩放大和顺序地检测。
24.如权利要求23的方法，其中所引入的辐射射束包括具有高于光阴极的功函数的光子能量的光子。
25.如权利要求23或24的方法，其中辐射的射束被这样引入，使它以掠射角α撞击在所述的光阴极上，α在0.50-50mrad的区间内。
26.如权利要求23或24的方法，其中辐射的射束被这样引入，使它以掠射角α撞击在所述的光阴极上，α小于2mrad，最好在0.1-2mrad的区间内。
27.如权利要求23-26的任一项的方法，其中光阴极是由CsI或碱土金属制成，或者是一种有机的光电转换器。
28.如权利要求23-27的任一项的方法，其中使所述的辐射射束通过一个辐射和电子可渗透的保护层发送，该保护层提供在所述的光阴极的第一表面上，用以防止光阴极的第一表面与杂质接触，这些杂质可以使光阴极的量子效率随时间降低，在其中所述的被释放的光电子是通过所述的保护层发送的。
29.如权利要求23-28的任一项的方法，其中藉助于一种不透光的层，最好是金属层，防止检测器设备中所发射的任何光的光子到达光阴极。
30.如权利要求23-29的任一项的方法，其中光电子在充满雪崩放大介质，最好是一种离子化的物质如气体或气体混合物，的雪崩放大区域(53)的阵列中被雪崩放大。
31.如权利要求23-30的任一项的方法，其中平面辐射射束(1)被通过所述的辐射入口引入设备，使得它以掠射角撞击在所述的光阴极上；藉助于所述的读出装置分别检测主要从所述的平面辐射射束的被横向分离部分的吸收得到的电子雪崩，为此目的所述的读出装置包括一个读出部件阵列(27)。
全文摘要
本发明涉及一种检测辐射的设备(9)，包括一个光阴极(18)，被适配成依据入射的辐射释放光电子；一个辐射入口(33)，被安排成使辐射射束可通过所述的辐射入口进入设备并以掠射角撞击在所述的光阴极上；一个电子雪崩放大器(21，27，29，53)，被适配成将从所述的光阴极释放的光电子雪崩放大；和一个读出部件(27，29)，被适配成检测从所述的放大器来的被雪崩放大的电子。本发明还涉及一种相应的检测离子化辐射的方法，和一种在包括检测器设备的平面射束射线成像术中使用的方案。
文档编号G01N23/04GK1433520SQ0181070
公开日2003年7月30日 申请日期2001年6月5日 优先权日2000年6月5日
发明者T·弗兰克, V·佩斯科夫 申请人:爱克斯康特公司