Детектор на основе множества плотностей и множества атомных чисел с газовым электронным умножителем для формирования изображения
Изобретение относится к технике измерения и приборостроения, а именно к рентгеновской цифровой радиографии. Технический результат - расширение функциональных возможностей на основе адаптивного конфигурирования соседних детекторов. Для достижения технического результата на мультидетектор воздействует ионизирующее излучение через объект, который включает газовый ионизационный детектор, имеющий множество перемежающихся анодов и катодов и подложку, расположенную напротив пластины высокого напряжения с полупроводниковым детектором. При этом электрические поля воздействуют на каждый из детекторов, когда падающее ионизирующее излучение проникает через объект. В результате формируются соответствующие сигналы, которые сравниваются для получения контрастного сигнала объекта. Эти сигналы используются для формирования изображения, контроля излучения и тому подобных целей. Характеристики и параметры падающего излучения и напряженность электрических полей могут быть синтезированы для конкретного объекта. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к рентгеновской цифровой радиографии, включая формирование изображения на основе двух уровней энергии, компьютерной томографии (КТ), микротомографии и рентгеновской микроскопии; медицинской радиологии, включая количественную ауторадиографию, томографию с излучением единичного фотона (ТИЕФ) (SPECT) и томографию с излучением позитрона (ТИП); любую технологию медицинского детектора, включая контроль, измерение, запись или создание ионизирующего излучения с любой энергией; биооптическое формирование изображения, включая оптическую конфокальную микроскопию и оптическую томографию; и промышленные применения, такие как аэрокосмическое получение изображения системы охранного наблюдения и неразрушающее создания изображения. Изобретение более конкретно относится к средствам детектора на основе множества плотностей и множества атомных чисел, обеспечивающим, при необходимости, кинетостатику или накопление с временной задержкой для использования прибора в вышеупомянутых областях.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эффективный захват и детектирование ионизирующего излучения без значительных потерь или искажения информации изображения является задачей первостепенной важности в медицинской диагностике. Последние достижения в технологии медицинской диагностики делают возможным создание превосходных изображений с помощью цифровой электронной техники, такой как цифровая радиография, в противоположность классической пленочно-экранной технике. Фактически, показаны новые способы получения радиографического изображения, использующие достижения в области электроники и вычислительной техники, для повышения качества диагностики и получения новых возможностей диагностики при уменьшенных дозах воздействия на пациента. Цифровая радиография имеет особенно много преимуществ перед обычной радиографией, например расширенное отображение динамического диапазона детектора, быстрое получение и отображение изображения, удобство сохранения, передачи и отображения записанных изображений без искажения, более широкие возможности для анализа данных и обработки изображения и уменьшенная доза воздействия на пациента.
Для цифровой радиографии были предложены различные технологии детектирования и геометрии лучей, такие как сцинтилляционно-фотодиодные системы, газонаполненные детекторы высокого давления, сцинтилляционно-фотоумножительные системы, кинетостатические зарядные детекторы, электронно-оптические преобразователи прямого переноса изображения/ПЗС (приборы с зарядовой связью), люминофорные системы с фотодиодным экраном и диодные матрицы.
Недостатками известных цифровых радиографических систем являются сравнительно высокая первоначальная стоимость и ограниченная разрешающая способность детектора. Эффективное детектирование рентгеновского излучения является главной проблемой в цифровой радиографии, компьютерной томографии и подобной технике. Современные достижения в технике медицинской диагностики предполагают, что высококачественные изображения могут быть получены с помощью цифровой электронной техники. В частности, последние достижения в области электроники и вычислительной техники обеспечили улучшенное качество и более широкие возможности диагностики при уменьшенных дозах падающего облучения. Хотя было предложено несколько новых приборов для цифровой радиографии и компьютерной томографии, все еще нет единой технологии выбора, которая указывала бы все критерии для получения оптимального изображения. Технология выбора зависит от нескольких критериев качества изображения, таких как высокая эффективность квантования и поглощения энергии, высокая эффективность квантования детектора (ЭКД) (DQE), высокая пространственная разрешающая способность, незначительный прием рассеянного излучения, геометрия прибора, быстрое считывание, широкий динамический диапазон, возможность коррекции и отображения изображения и, конечно, приемлемая стоимость. Одной из первостепенных проблем в цифровой радиографии является выделение рассеянного излучения, которое уменьшает контрастность изображения. Известная техника сканирования линий (элементарных лучей) неэффективно использует выход рентгеновской трубки. Это ограничение может быть преодолено путем использования более широкого рентгеновского луча плоской формы и сбора множества элементарных лучей одновременно.
Один подход для преодоления вышеупомянутых недостатков описан в патентной заявке США №60/011499. Этот подход обеспечивает микрополоски газа двух энергетических уровней, при которых получаются изображения высокой энергии и низкой энергии, и эти изображения сравниваются, чтобы получить изображение большой контрастности. Хотя такой подход эффективен, он использует только одну среду или газ, окружающий микрополоски, для получения двойного изображения. При дальнейших исследованиях были разработаны новые приборы, которые дополнительно усовершенствовали эти технологии детектирования. Эти приборы описаны в патентной заявке США №09/078991, включенной сюда в виде ссылки. Хотя это изобретение обеспечивает хорошую пространственную разрешающую способность и контрастность, качество изображения, эти параметры могут быть улучшены.
В частности, взаимодействие ионов и электронов внутри прибора создает случайное движение ионов/электронов в элементе детектора. Это движение детектируется вместе с первичным потоком ионов/электронов, создаваемым электродом. Поскольку это движение является случайным, оно не перекрывает изображение полностью, но снижает его качество путем создания паразитных изображений, замутнения или уменьшения контрастности, которые в целом называются “шумом”. Поэтому возникает потребность в детекторе, который обеспечивает улучшенное изображение путем уменьшения детектирования случайного движения ионов и электронов. Имеется дополнительная потребность в детекторе, который усиливает первичный поток ионов и электронов, улучшая сигнал изображения, повышая отношение сигнал-шум и создавая большую контрастность между изображениями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В свете вышесказанного, первой целью настоящего изобретения является разработка устройства детектора на основе множества плотностей и множества атомных чисел для различных применений, таких как создание изображений, дозиметрия и контроль радиации и их комбинации, но не ограничивающиеся ими.
Другой целью настоящего изобретения является разработка устройства или источника ионизации, способного пропускать ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, гамма-лучи, быстрые частицы, нейтроны) любого диапазона энергии для любых применений через объект, после чего эти лучи принимаются мультидетектором.
Дополнительной целью настоящего изобретения, как изложено выше, является разработка мультидетектора в конфигурации двух уровней энергии, в котором детектор двухуровневой энергии принимает спектр энергии двух режимов, анализируемый двумя различными физическими средами. В любом случае энергия может быть полихромной или монохромной. В случае полихромного спектра энергии термин “единая энергия” используется как эквивалент “средней” или “эффективной энергии” полихромного спектра.
Еще одной целью настоящего изобретения, как изложено выше, является разработка мультидетектора с детектором низкой энергии, находящимся рядом с детектором высокой энергии.
Еще одна цель настоящего изобретения, как изложено выше, состоит в том, чтобы приложить отдельные электрические поля к детекторам как низкой, так и высокой энергии, когда как падающее излучение проходит через них, где детектор низкой энергии может быть либо газовым ионизационным детектором, либо полупроводниковым ионизационным детектором, а другим детектором является детектор высокой энергии.
Дополнительной целью настоящего изобретения, как изложено выше, является генерация изображений этими двумя детекторами, которые затем принимаются микропроцессором, чтобы создать разностный сигнал изображения для отображения объекта.
Еще одной целью настоящего изобретения, как изложено выше, является вставка промежуточного фильтра высокой энергии, необходимого между этими двумя детекторами, чтобы содействовать улучшению контрастности сигнала изображения там, где из взвешенной разности этих двух изображений получается малая контрастность как, например, изображение мягкой ткани.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является разработка механизма для перемещения мультидетектора по мере того, как он принимает ионизирующее излучение, в котором прилагаемое электрическое поле регулируется, чтобы обеспечить выполнение кинетостатической технологии или техники накопления с задержкой регулировки, или той и другой.
Дополнительной целью настоящего изобретения, как изложено выше, является разработка мультидетектора, в котором газовый ионизационный детектор включает пластину высокого напряжения на подложке с множеством чередующихся анодов и катодов, и в котором полупроводниковый ионизационный детектор включает электрод смещения на одной стороне полупроводниковой подложки, противоположный множеству электродов сбора зарядов.
Еще одной целью настоящего изобретения является разработка мультидетектора в двух различных физических средах, в котором падающее излучение сначала поглощается детектором низкой энергии, низкой плотности, малого атомного числа материала, причем его приложенное электрическое поле перпендикулярно падающему излучению, и в котором детектор низкой энергии расположен рядом с детектором высокой энергии, высокой плотности, большого атомного числа материала, при этом его приложенное электрическое поле перпендикулярно падающему излучению.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является разработка мультидетектора, в котором падающее излучение сначала поглощается детектором низкой энергии, причем его приложенное электрическое поле обращено непосредственно к падающему излучению, и в котором детектор высокой энергии расположен рядом с детектором низкой энергии, при этом его приложенное электрическое поле перпендикулярно падающему излучению.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является разработка мультидетектора, в котором падающее излучение сначала поглощается детектором низкой энергии, причем его приложенное электрическое поле перпендикулярно падающему излучению, после чего падающее излучение принимается детектором высокой энергии, при этом его приложенное электрическое поле направлено в том же направлении, что и падающее излучение, или другими словами, детектор высокой энергии действует в геометрии сканирования плоского луча.
Еще одной целью настоящего изобретения является конфигурирование, создание изображений и выполнение функций связанного детектора.
Еще одной целью настоящего изобретения является конфигурирование соседних детекторов, чтобы выполнять те же или другие функции, упомянутые выше. Например, оба детектора могут выполнять функции получения изображения, или альтернативно, один из соседних детекторов может выполнять функцию получения изображения, в то время как другой соседний детектор осуществляет контроль радиации.
Еще одним дополнительным свойством настоящего изобретения является то, что ионизирующее излучение может быть представлено несколькими частицами или разными типами излучения (смешанные поля) с разными уровнями энергии, которые могут быть измерены, могут контролироваться или отображаться либо одним, либо обоими детекторами после надлежащей оптимизации геометрических параметров системы, в которой детекторы выполняют одинаковые или различные функции.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение того, чтобы, по крайней мере, один из детекторов действовал бы как сетка Фриша (Frish Grid), чтобы увеличить отношение сигнал-шум и улучшить функцию распределения элементарных лучей.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы вставить вплотную к цепи коллектора газовый электронный умножитель, осуществляющий электронное усиление без наведенного тока, улучшая отношение сигнал-шум и функцию распределения элементарных лучей.
Еще одной целью настоящего изобретения является размещение газового электронного умножителя внутри детектора, чтобы увеличить количество производимых ионов.
В целом, в настоящем изобретении предлагается мультидетектор с двумя уровнями энергии, который принимает падающее ионизирующее излучение через объект, содержащий ионизационный детектор, полупроводниковый детектор, расположенный рядом с ионизационным детектором, и газовый электронный умножитель, расположенный внутри упомянутого газового ионизационного детектора, в котором электрические поля приложены к каждому из упомянутых детекторов, чтобы генерировать соответствующие сигналы, и в котором упомянутый газовый электронный умножитель повышает активность электронов, чтобы улучшить характеристику упомянутого газового ионизационного детектора.
Настоящее изобретение также предлагает способ получения изображения объекта, подверженного воздействию падающего излучения, содержащий стадии воздействия на мультидетектор падающего излучения, прошедшего через образец, в котором мультидетектор содержит первый детектор, расположенный рядом со вторым детектором; генерации первого сигнала из первого детектора; генерации второго сигнала из второго детектора; помещения газового электронного умножителя вблизи, по крайней мере, одного из упомянутых детекторов; и сравнения первого и второго сигналов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания целей, техники и структуры изобретения следует обратиться к последующему подробному описанию и чертежам, на которых:
Фиг.1 - блок-схема детектора системы получения изображения на основе множества плотностей и множества атомных номеров;
Фиг.2 - блок-схема предпочтительного детектора, используемого в системе получения изображения;
Фиг.3 - первый альтернативный вариант детектора, используемого в системе получения изображения;
Фиг.4 - второй альтернативный вариант детектора, используемого в системе получения изображения;
Фиг.5 - блок-схема с частичным разрезом альтернативного варианта, используемого при получении изображения;
Фиг.6 - блок-схема с частичным разрезом альтернативного варианта, используемого при получении изображения;
Фиг.7 - блок-схема с частичным разрезом альтернативного варианта, используемого при получении изображения.
НАЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся теперь к чертежам, конкретно, к фигуре 1, на которой изображен детектор на основе множества плотностей и множества атомных чисел системы получения изображения обозначен позицией 10. Как станет понятно из последующего описания, в системе получения изображения 10 используется материал с большим атомным числом, или большим Z, который является средой высокой плотности, совместно с материалом с малым атомным числом, или малым Z, являющимся средой малой плотности, чтобы обеспечить систему получения изображения с большой контрастностью или двумя уровнями энергии. Система 10 может работать, как детектор со сканированием плоского луча, который может быть выполнен по технологии кинестезии или накопления с задержкой времени. С другой стороны, система получения изображения 10 может быть основана на специализированной интегральной схеме (СИС), которая используется в качестве камеры на основе прибора с зарядовой связью. Опытные специалисты поймут, что система получения изображения может быть использована в широкой области наблюдения изображения или микроизображения (микроскопии) с двумя уровнями энергии.
Система 10 включает ионизационный прибор или источник ионизации 12 для генерации и направления ионизирующего излучения 14 через объект 16. Ионизирующее излучение 14 может включать рентгеновские лучи, гамма лучи, быстрые частицы, нейтроны и т.д., но не ограничивается этим. Излучение 14 может выдаваться в форме смешанных полей или излучаться с разными уровнями энергии и наблюдаться с помощью мультидетектора, выполняющего заранее заданные функции. Понятно, что ионизационный прибор 12 может быть сформирован таким образом, что он генерирует полихроматический энергетический спектр со средней энергией Е, или формирует один луч энергии, сформированный синхротроном спектра одной частоты. С другой стороны, ионизационный прибор 12 может быть сконструирован так, что он генерирует спектр полихроматической энергии в двух режимах. Объект 16 может представлять собой пациента или быть биологическим или фармацевтическим образцом, через который проходит излучение 14, в виде лучей 18, которые принимаются мультидетектором 20 на основе множества плотностей или множества атомных чисел. Обычно мультидетектор 20 помещается в закрытый алюминиевый корпус 21, который может перемещаться в плоскости, перпендикулярной падающим лучам изображения 18 в направлении сканирования 24. Чтобы обеспечить надежное наблюдение объекта 16, причем мультидетектор 20 содержит несколько соединенных с ним компонентов. Понятно, что “наблюдение”, выполняемое мультидетектором 20, может производиться для получения изображения, контроля радиации, записи уровней доз радиации, или для выполнения любых известных функций, выполняемых известными ионизационными детекторами. Иначе говоря, каждый детектор в мультидетекторе 20 может выполнять разные функции или одни и те же функции, в зависимости от желаемых результатов и конфигурации системы.
Баллон со сжатым газом 26, который может быть аргоном, ксеноном, криптоном и их смесью, или другими инертными газами или их смесями, содержащий в концентрации примесей охлаждающие или гасящие составы, связан с корпусом 21 напорной линией 28. Измеритель давления (манометр) 30 постоянно соединен с баллоном со сжатым газом 26, так что давление внутри корпуса 21 мультидетектора 20 может регулироваться. Сигнал давления 32 генерируется измерителем давления 30.
Система управления 36 связана с различными компонентами системы 10 для контроля всех ее функций и управления ими. В частности, система управления 36 включает микропроцессор 40, который обеспечивает необходимые программы, оборудование и память для управления работой системы получения изображения 10. Процессор 40 принимает сигнал о величине давления 32, так что давление в мультидетекторе 20 может устанавливаться между низким, атмосферным и высоким давлением, в зависимости от области применения по получению изображения.
Процессор 40 соединен сигнальной линией 42 со схемой детектора 44, который, в свою очередь, соединен к мультидетектором 20 с помощью сигнальной линии 46. Аналогичным образом, сигнальная линия 48 соединяет процессор 40 со схемой детектора 50, который соединен через сигнальную линию 52 с мультидетектором 20. Процессор 40 принимает информацию от схемы детектора 44 и схемы детектора 50 и генерирует сигнал 54, которое требуется сделать контрастным, для отображения его на дисплее 56. Во всех вариантах, где используется получение изображения на основе двух уровней энергии, падающее излучение всегда сначала принимается детектором низкой энергии. Излучение, которое не было поглощено, затем принимается детектором высокой энергии. В целом, мультидетектор 20 содержит два основных компонента: заполненный газом блок детектора и твердотельный, или полупроводниковый блок подложки детектора. Падающие лучи 18 рассеивают часть своей энергии в первом блоке детектора, а затем рассеивают свою оставшуюся энергию при взаимодействии во втором блоке детектора, создавая, в обоих случаях, пары зарядов. Приложенное к обоим блокам электрическое поле придает постоянную скорость перемещения этим парам зарядов и перемещает заряды каждой полярности к их соответствующим коллекторам сигналов. Понятно, что среда различных детекторов, используемая в них, может быть твердотельным полупроводниковым материалом, газом или жидкостью, которая создает сигналы путем непосредственной или косвенной ионизации, например, с помощью сцинтилляции, в любой геометрии или комбинации геометрий.
Для мультидетектора с двумя уровнями энергии к сигналам, генерируемым каждой средой, могут быть применен логарифмический отбор, благодаря чему разность между этими двумя сигналами генерирует желаемое изображение. Дополнительные варианты получения изображения могут быть получены изменением ориентации электрических полей, наложенных на детекторы низкой и высокой энергии с тем, чтобы достичь желаемой контрастности изображения и пространственной разрешающей способности или других функциональных результатов.
Обратимся теперь к фигуре 2, на которой представлен один предпочтительный вариант мультидетектора 20. В частности, мультидетектор 20 включает газовый ионизационный детектор 60 и полупроводниковый ионизационный детектор 62 для варианта получения изображения с двумя уровнями энергии.
Газовый ионизационный детектор 60 включает высоковольтную пластину 64, расположенную против подложки 66. Подложка 66 может быть изготовлена из проводящего стекла или пластика с подходящими электропроводными свойствами. Подложка 66 может быть снабжена электропроводящим слоем на поверхности изолирующего материала посредством имплантации ионов или осаждения тонкой пленки полупроводникового материала. Множество изолированных микрополосковых анодов 68 перемежаются с подобным множеством изолированных микрополосковых катодов 70.
Соответственно, между высоковольтной пластиной 64 и подложкой 66 генерируется электрическое поле 72. Высоковольтная пластина 64, подложка 66, аноды 68 и катоды 70 соединены со схемой детектирования энергии 44 посредством сигнальной линии 46. Полупроводниковый ионизационный детектор 62 включает прямоугольный полупроводниковый материал плоской формы 56 с электродом смещения 78, расположенным на одной поверхности бруска, в то время как множество электродов сбора зарядов 80 расположено на противоположной поверхности. Таким образом, электрическое поле 82 создается между электродом смещения 78 и электродами сбора зарядов 80. Как электрод 78, так и электроды сбора зарядов 80 соединены со схемой детектирования 50 через сигнальную линию 52.
Во всех вариантах настоящего изобретения компоненты детекторов энергии, такие как аноды 68, катоды 70, электроды сбора зарядов 80 и даже схемы детектирования низкой и высокой энергии 44 и 50 могут быть объединены на интегральной схеме, заключенной в корпусе 21. Интегральная схема обеспечит все условия получения интегрированных активных и пассивных сигналов, а также связанные схемы, необходимые для выработки цифрового выходного сигнала, принимаемого процессором 40.
На фигуре 2 детектор 60 использует окружающую среду газа под высоким давлением, чтобы обеспечить высокую эффективность первичного квантованного детектирования совместно с преобразованием в носители заряда. По мере того, как давление газа возрастает, количество падающих фотонов, которые взаимодействуют с газом, возрастает, поэтому возрастает эффективность квантования. Кроме того, возрастает величина энергии фотона, выделяемой в газ при каждом взаимодействии фотона. При высоком давлении большое количество электронов и флуоресценция задерживаются в газе, и таким образом, чувствительность определяется энергией, переносимой полученными гамма фотонами. Поэтому ионизационный детектор, наполненный газом высокого давления и работающий в режиме насыщения, обеспечивает значительные преимущества.
В предпочтительном варианте выбранным газом является ксенон благодаря его высокой способности задерживать рентгеновское излучение. Однако и криптон может обеспечить определенное преимущество, поскольку в нем происходит меньше поглощения излученных флуоресценций, что позволяет частицам взаимодействовать от того места, где падающее излучение входит в корпус 21, в то же время, ограничивая диапазоны излучаемых фотоэлектронов и комптоновских электронов, повышая, таким образом, пространственную разрешающую способность.
Реакция наполненного газом высокого давления детектора 60 может быть значительно улучшена путем перемещения корпуса 21 синхронно с ионами, при котором скорость ионов регулируется изменением наложенного электрического поля так, что скорость иона равна скорости сканирования 24 мультидетектора 20 и действует в противоположном направлении. Таким образом, при регулировке в каждый момент 50-100 строк данных изображения накапливаются одновременно, в зависимости от скорости сканирования и скорости выборки. При этом требуется лишь один ряд электродов коллектора, чтобы считать полностью собранные данные изображения.
Усовершенствование мультидетектора 20 и улучшение параметров изображения достигается использованием подложки 66 с микрополосками в качестве коллектора. Таким образом, путем нанесения анодов 68 и катодов 70 с помощью технологии фотолитографии может быть достигнуто равномерное высокое усиление на больших площадях. Поэтому, по мере того, как падающее излучение направляется через мультидетектор 20, первичные электроны, полученные прямой ионизацией газовой среды гамма-лучами, направляются к анодам 68. Когда эти электроны достигают электрического поля между анодами 68 и катодами 70, электроны перемещаются к катодам 70 и подвергаются лавинному усилению при существенно высокой напряженности поля благодаря квазидипольной конфигурации анод - катод.
В настоящем варианте выбран мультидетектор 20, использующий высокое рабочее давление газа, как компромисс между высокой эффективностью квантового детектирования, уменьшенным диапазоном электронов и достаточным усилением. Преимущества подложки типа газ - микрополоски для детектора 60 заключается в высокой пространственной разрешающей способности и контрастности, которые являются результатом малого размера коллектора, высокого давления газа и высокого коэффициента усиления. Дополнительным преимуществом использования детектора низкой энергии в настоящем изобретении является то, что высокий коэффициент усиления достигается при низком приложенном напряжении благодаря сильным локальным электрическим полям, создаваемым вблизи анодов. Дополнительным преимуществом является то, что большие сигналы получаются благодаря высокому коэффициенту усиления и высокой эффективности квантования. Еще одно преимущество состоит в том, что требуется очень малое время сбора сигналов благодаря малому расстоянию анод/катод, высокой скорости перемещения, вызываемой сильными электрическими полями, и малой величине емкости микрополоски, которая таким образом устраняет эффекты пространственного заряда. Еще одно преимущество - это то, что обеспечивается высокая механическая прочность и низкая стоимость детектора.
На фигуре 2 детектор 62 принимает лучи изображения 18, которые не подверглись действию детектора 60 и попадают на полупроводниковый материал 56. Соответственно, детектор 62 оптимально используется для цифровой радиографии благодаря непосредственному преобразованию рентгеновских лучей в электрические сигналы. Например, Cdt-xZxTe является одним из потенциальных полупроводниковых материалов для медицинских и промышленных применений получения изображения, потому что он имеет высокую способность торможения благодаря своей большой плотности (5,8 г/см3) и достаточному атомному числу Z=49,6 (Cd0.9:48, Zri0.1:30, Те:52). Это дает возможность уменьшить толщину детектора и соответственно получить хорошую пространственную разрешающую способность. Другими потенциальными полупроводниковыми материалами являются a-Se, а-Si, CdTe и им подобные, которые обеспечивают большое атомное число и высокую плотность. Основные преимущества такого полупроводникового ионизационного детектора 62, воплощенного в мультидетекторе 20, очевидны, благодаря его эффективному поглощению излучения, хорошей линейности, высокой стабильности, высокой чувствительности и широкому динамическому диапазону. Значительный прогресс был достигнут в выращивании высококачественных CduxZnхTe полупроводниковых кристаллов при использовании технологии высокого давления Бриджмена. В частности, путем получения сплава CdTe с Zn объемное удельное сопротивление этого полупроводника равно примерно 10n Ом-см. Такое высокое удельное сопротивление получается благодаря большой ширине запрещенной зоны тройного полупроводника, что обеспечивает малые токи утечки и, следовательно, малые уровни шумов. Потенциальные возможности твердотельного детектора для получения изображения могут быть повышены при использовании технологии накопления с задержкой времени. В этой технологии полупроводниковый материал формируется в виде массива элементов изображения (пикселей), состоящего из N столбцов и М рядов. Скорость, с которой совокупный заряд перемещается вдоль столбцов, синхронизируется со скоростью, с которой детектор опрашивается или перемещается параллельно плоскости изображения. В результате, собранный заряд, соответствующий одной части наблюдаемого объекта, накапливается за время получения изображения, обеспечивая сигнал большей величины, чем сигнал, собранный на любом отдельном элементе изображения.
Когда лучи 18 проходят через детектор 60 и детектор 62, генерируются соответствующие сигналы 46 и 52, которые принимаются схемами детектирования 44 и 50 соответственно. Каждая из схем 44 и 50 управляет наложением соответствующих электрических полей и контролирует собранные сигналы, а если необходимо, выполняет фильтрацию сигнала и его обработку по известной технологии. Например, высоковольтная пластина 64 и подложка 66 соединены со схемой 44, чтобы управлять наложением электрического поля 72, в то время как аноды 68 и катоды 70 соединены со схемой 44, чтобы контролировать поглощение энергии низкого уровня средой ионизированного газа. Таким же образом электрод смещения 78 и электроды сбора зарядов 80 соединены со схемой 50, чтобы управлять наложением электрического поля 82 и контролировать поглощение энергии полупроводниковой подложкой 76. Схемы 44 и 50 затем передают соответствующие сигналы 42 и 48 к процессору 40, который, в свою очередь, генерирует контрастный сигнал 54.
В альтернативных вариантах, описанных ниже, положение детекторов с различными средами может быть взаимно изменено одновременно с ориентацией их соответствующих электрических полей. Так или иначе, газовый ионизационный детектор 60 всегда связан со схемой детектирования 44, а полупроводниковый ионизационный детектор 62 всегда связан со схемой детектирования 50.
Обратимся теперь к фигуре 3, на которой видно, что альтернативный мультидетектор обозначен номером 100. Мультидетектор 100, который помещен в корпус 21, содержит первый детектор, или детектор низкой энергии 102, расположенный рядом со вторым детектором, или детектором высокой энергии 104. В этом варианте лучи 18 сначала попадают на детектор 102, который использует полупроводниковую подложку 103. Детектор 102 содержит электрод смещения 106, расположенный на одной стороне подложки 103, которая направлена непосредственно в сторону лучей 18, в то время как противоположная сторона подложки 103 содержит детектор из массива элементов изображения (пикселей) 108, составленного из множества пикселей 109. Соответственно, электрическое поле 110 генерируется в подложке 103 и ориентировано в направлении, противоположном направлению лучей 18. В варианте с двумя уровнями энергии, низкая энергия лучей 18 сначала поглощается в подложке 103, а вся энергия, которая там не поглощается, направляется к детектору 104. Детектор 104 включает высоковольтную пластину 112, противоположную подложке 114. Как и в предыдущем варианте, множество микрополосковых анодов 116 перемежается с множеством микрополосковых катодов 118. Соответственно, электрическое поле 120 перпендикулярно лучам 18 и направлено противоположно направлению сканирования 24. Изображения, генерируемые детекторами 102 и 104, затем передаются к соответствующим схемам 44 и 50 для обработки процессором 40, который, в свою очередь, генерирует сигнал контрастного изображения 54. Как и в предыдущем варианте, электрические провода и компоненты, связанные с детекторами 104 и 102, присоединены к их соответствующим схемам детектирования, которые соединены с процессором 40.
В альтернативном варианте, представленном на фигуре 4, мультидетектор обозначен позицией 140. В этом варианте лучи 18 сначала попадают на газовый ионизационный детектор 142, причем его электрическое поле перпендикулярно этим лучам. Затем лучи 18 принимаются полупроводниковым ионизационным детектором 144, расположенным рядом с детектором 142. Однако в этом варианте электрод смещения 106 расположен рядом с детектором 142, причем детектор с массивом элементов изображения 108 расположен противоположно ему. В остальном, все структурные особенности этого варианта те же самые, как и у детектора предыдущего варианта. Поэтому электрическое поле 110 ориентировано в том же направлении, что и падающие лучи, и сигналы затем собираются и генерируются, как и в предыдущих вариантах.
При желании, как мультидетектор 100, так и мультидетектор 140 могут быть снабжены фильтром высокой энергии 150, расположенным между детекторами.
Обратимся теперь к фигуре 5, на которой альтернативный мультидетектор обозначен позицией 300. Мультидетектор 300 содержит первый детектор, или детектор низкой энергии 302, который является газовым ионизационным детектором, и расположен рядом со вторым детектором, или детектором высокой энергии 304 в форме полупроводникового ионизационного детектора. В этом варианте лучи 18 сначала попадают на детектор 302, который использует полупроводниковую подложку 303. Детектор 302 содержит электрод смещения 306, расположенный на одной стороне подложки 303, которая направлена непосредственно в сторону лучей 18, в то время как противоположная сторона подложки 303 содержит детектор с массивом элементов изображения 308, состоящий из множества элементов изображения 309. Соответственно, электрическое поле 310 генерируется в подложке 303 и ориентировано в направлении, противоположном направлению лучей 18. В варианте с двумя уровнями энергии низкая энергия лучей 18 сначала поглощается в подложке 303, а вся энергия, которая там не поглотилась, направляется к детектору 304. Детектор 304 включает высоковольтную пластину 312, расположенную напротив подложки 314. Как и в других вариантах, подложка 314 содержит множество микрополосковых анодов 316, перемежающихся с множеством микрополосковых катодов 318, которые образуют схему коллектора. Дополнительной особенностью этого варианта является включение газового электронного умножителя 330, расположенного рядом со схемой коллектора, анодам 316 и катодам 318. Как показано на частичном разрезе на фигуре 5, газовый электронный умножитель (ГЭУ) 330 предпочтительно помещен внутри объема детектора и расположен в нескольких миллиметрах от схемы коллектора. Газовый электронный умножитель 330 содержит тонкую сетку из композита, действующую как газовый пропорциональный усилитель в газовой среде. Предпочтительно, ГЭУ 330 изготовлен из изолирующей пленки 332 с металлическим покрытием на обеих сторонах 334 и снабжен перфорацией 336, образующими правильную матрицу. Размер отверстий, предпочтительно, находится в микронном диапазоне. Перфорированная пленка 332 препятствует движению рассеянных электронов и обеспечивает путь для потока электронов, протекающего в созданном поле.
Электрическое поле 320 перпендикулярно лучам 18 и направлено противоположно направлению сканирования 24. Электроны в электрическом поле 320 входят в соприкосновение с газовым электронным умножителем 330 и ищут проход через матрицу отверстий 336. Электроны сталкиваются с частицами газа в отверстиях 336, что вызывает повышение энергии электронов. Эта возросшая энергия проявляется как более сильное электрическое поле, создаваемое у анода 316 соседнего детектора. Электрическое поле усиливает сформированный сигнал.
В альтернативном варианте качество сигнала дополнительно повышается путем приложения разности потенциалов между двумя сторонами 334 ГЭУ, при этом происходит электронное усиление благодаря двухполюсному полю, возникающему между краями отверстий. Происходит лавинообразный процесс, и у анода 316 создается усиленное электрическое поле. В каждом варианте усиленное электрическое поле улучшает отношение сигнал-шум путем усиления сигнала. Может быть использован любой тип анодного коллектора или геометрии, например печатная плата, разбитая на элементы или сплошная.
Чтобы дополнительно улучшить отношение сигнал-шум микрополосковые аноды 316 и катоды 318 могут действовать как усилитель путем приложения потенциала, как было описано выше, или как сетка Фриша. Чтобы использовать их как сетку Фриша, электрод коллектора делается значительно меньше, чем не собирающая заряды сетка, и одна из полос поддерживается под потенциалом более положительным относительно потенциала второго электрода. На фигуре 5 показан полосковый коллектор, работающий как сетка Фриша. Как показано на чертеже, анод 316 детектора низкой энергии значительно меньше, чем полоска не собирающего заряды катода. Полоска не собирающего заряды катода служит для экранирования коллектора. На полосковом аноде коллектора 316 получается большой наведенный заряд. Понятно, что может быть использована любая геометрия анода и катода, лишь бы анод был меньше, чем катод. Такая разница в размерах минимизирует наведенный сигнал. Например, на фигуре 7 показан альтернативный вариант, содержащий ряд малых анодов 317 и больших катодов 319, размещенных на подложке 303, имеющей квадратную форму. Как и в случае полосковых анодов 316 и катодов 318, катоды большего размера 319 уменьшают наведенный сигнал заряда. Чтобы обеспечить оптимальное поверхностное удельное сопротивление, для обработки полосок используются соответствующие технологии, такие как грунтовое покрытие или наружное покрытие. Работа анода и катода в качестве сетки Фриша позволяет осуществить детектирование сигнала, полученного из движения зарядов, а не из наведенного заряда. Соответственно, функция распространения линий значительно сужается, и качество изображения повышается. Изображения, сгенерированные детектором высокой энергии 304 и детектором 302, затем передаются к их соответствующим схемам 44 и 50 на фигуре 1 для обработки процессором 40, который, в свою очередь, генерирует контрастируемый сигнал изображения 74. Как и в предыдущем варианте, электрические провода в компонентах, связанных с детекторами 304 и 302, соединяются с соответствующими схемам детектирования, которые, в свою очередь, подключаются к процессору 40.
Еще в одном варианте, как показано на фигуре 6, альтернативный мультидетектор обозначен позицией 400. Как описано выше, мультидетектор 400 содержит первый детектор 402 и второй детектор 404. В этом варианте ГЭУ 430 установлен внутри детектора. Первичные электроны, полученные рентгеновской ионизацией газа, перемещаются в направлении ГЭУ 430, как описано выше. Электронное умножение происходит в ГЭУ 430. По мере того, как оно происходит, полученные ионы перемещаются к катоду 416. Катод 416 используется как сетка Фриша. Как описано выше, электрод коллектора значительно меньше электрода, не собирающего заряды сетки, и одна из полосок поддерживается под потенциалом, несколько более положительным относительно потенциала второго электрода. При поддержании одной из полосок под более положительным потенциалом происходит усиление. Чтобы обеспечить оптимальное поверхностное удельное сопротивление, используется подходящая технология поверхностной обработки, грунтовое покрытие или поверхностное покрытие.
Предпочтительно, при изготовлении микрополоскового детектора используется технология фотолитографии, чтобы заменить провода анода - катода сверхтонкими слоями проводящих полосок. Использование этой технологии повышает точность структуры анода - катода и гарантирует высокое равномерное усиление на больших площадях в микрополосковом детекторе. При использовании этой технологии проводящие полоски расположены в структуре анода - катода на изоляционной или частично изоляционной стеклянной подложке.
Первичные электроны, производимые прямой рентгеновской ионизацией газа, перемещаются к пластине с микрополосками. Когда эти электроны достигают микрополосковой подложки, они перемещаются к положительно заряженной полоске и подвергаются лавинному усилению. Квазидипольная конфигурация анода - катода создает высокую напряженность поля, что мотивирует усиление. Ионы быстро собираются на соседнем катоде, создавая увеличение детектированного сигнала изображения. Полученное изображение затем передается к соответствующим схемам 44 и 50, фигуре 1, для обработки процессором 40, который, в свою очередь, генерирует контрастируемый сигнал изображения 74. Как и в предыдущем варианте, электрические провода в компонентах, связанных с детекторами 404 и 402, присоединены к соответствующим схемам детектирования, которые, в свою очередь, присоединены к процессору 40.
Из предшествующего описания понятно, что система 10 с мультидетекторами 20, 100, 140, 300 и 400 обеспечивает эффективность поглощения высокой энергии твердотельных ионизационных детекторов и высокую пространственную разрешающую способность благодаря малому размеру микрополоскового коллектора и высокому коэффициенту усиления, обеспечиваемых детекторами низкой энергии. В результате обеспечивается хорошая пространственная и контрастная разрешающая способность при малых дозах радиации. Кроме того, система 10 предоставляет свободу при проектировании и оптимизации систем с двумя уровнями энергии. Все описанные здесь детекторы могут работать в геометрии сканирования плоского луча или разбиения на элементы изображения. Эти детекторы могут также работать как детекторы большой площади. Использование таких вариантов геометрии более экономично, чем геометрии открытого луча, потому что детектор не должен быть слишком большим, чтобы покрыть весь объект, изображение которого должно быть получено. Кинетостатические принципы используются при генерации сигналов изображения детекторами низкой энергии, в то время как детекторы высокой энергии используют технологию накопления с задержкой, чтобы генерировать соответствующие сигналы наблюдения для геометрии сканирования плоского луча.
1. Мультидетектор, получающий падающее ионизирующее излучение через объект, содержащий газовый ионизационный детектор, полупроводниковый ионизационный детектор, расположенный рядом с газовым ионизационным детектором, и газовый электронный умножитель, расположенный в указанном газовом ионизационном детекторе, при этом электрические поля воздействуют на каждый указанный детектор, чтобы сформировать соответствующие сигналы.
2. Мультидетектор по п.1, отличающийся тем, что газовый электронный умножитель представляет собой изолирующую фольгу с металлическим слоем с обеих сторон и перфорированную путем создания равномерной матрицы отверстий.
3. Мультидетектор по п.2, дополнительно включающий: герметизированный корпус, в котором устанавливаются указанные детекторы, и систему управления, соединенную с каждым указанным детектором, и управляющую указанными электрическими полями и контролирующую указанные сигналы.
4. Мультидетектор по п.3, дополнительно включающий: газовую ионизационную схему, соединенную с указанным газовым ионизационным детектором, используемую для управления электрическим полем прибора и для формирования сигнала газового ионизационного детектора, полупроводниковую ионизационную схему, соединенную с указанным полупроводниковым ионизационным детектором для управления электрическим полем прибора и формирования сигнала полупроводникового ионизационного детектора, и процессор для получения сигналов, указанного детектора и формирования контрастного сигнала, который подается на дисплей.
5. Мультидетектор по п.4, отличающийся тем, что указанный газовый ионизационный детектор включает пластину высокого напряжения и подложку, несущую множество перемежающихся анодов и катодов, при этом указанная подложка расположена напротив указанной пластины высокого напряжения с указанным газовым электронным умножителем, расположенным между указанной подложкой и указанной пластиной высокого напряжения, в котором указанная пластина высокого напряжения вырабатывает электроны, которые сталкиваются с газовыми частицами внутри указанной матрицы с отверстиями для ускорения указанных электронов и усиления указанного сигнала газового ионизационного детектора.
6. Мультидетектор по п.5, в котором аноды больше катодов.
7. Мультидетектор по п.5, в котором катоды больше анодов.
8. Способ получения изображения объекта, подвергнутого воздействию падающего излучения, включающий следующие стадии:
экспонирование мультидетектора воздействию падающего излучения, проходящего через образец, при этом указанный мультидетектор включает первый детектор, представляющий собой газовый ионизационный детектор, расположенный рядом со вторым детектором, представляющим собой ионизационный детектор;
формирование сигнала низкой энергии от указанного первого детектора;
формирование сигнала высокой энергии от указанного второго детектора;
размещение газового электронного умножителя вблизи, по меньшей мере, одного из указанных детекторов, и сравнение указанных первого и второго сигналов.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что указанный газовый электронный умножитель располагают в пределах нескольких миллиметров, по меньшей мере, от одного из указанных детекторов.
10. Способ по п.8, дополнительно включающий следующие стадии:
установку указанного мультидетектора в газонаполненный корпус;
приложение соответствующих электрических полей на указанный первый детектор и указанный второй детектор, при этом газ ионизируется падающим излучением в одном из указанных детекторов, причем один из указанных детекторов представляет собой полупроводниковый материал, который ионизируется падающим излучением для формирования указанных первого и второго сигналов.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что газовый электронный умножитель устанавливают в газонаполненном корпусе.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что используют газовый электронный умножитель, который представляет собой изолирующую фольгу со слоем металла на обеих сторонах, перфорированную множеством отверстий.
13. Способ по п.11, дополнительно включающий следующую стадию: размещение указанного газового электронного умножителя перед указанным потоком электронов для фильтрации рассеянного движения электронов указанным газовым электронным умножителем.
14. Способ по п.10, дополнительно включающий следующую стадию:
работу, по меньшей мере, одного из указанных детекторов в режиме сетки Фриша.
15. Способ по п.10, дополнительно включающий следующую стадию:
сканирование указанного мультидетектора в плоскости ортогональной падающему излучению, при этом электрическое поле, приложенное к одному из указанных первому и второму детекторов, откорректировано таким образом, что скорость ионов, в основном, равна и направлена против скорости сканирования указанного мультидетектора.
16. Способ по п.10, дополнительно включающий следующую стадию:
сканирование указанного мультидетектора в плоскости, ортогональной падающему излучению, при этом электрическое поле, приложенное к одному из указанных детекторов, формирует общий заряд на поверхности указанного полупроводникового материала, сформированного в виде матрицы строк и столбцов, а скорость, с которой движется указанный общий заряд по одной из указанных строк, и указанных столбцов, синхронизирована со скоростью сканирования указанного детектора.
17. Способ по п.10, дополнительно включающий следующие стадии:
ориентирование указанного ионизационного газового детектора, чтобы сначала принять падающее излучение, и ориентирование электрических полей, созданных ионизационным газовым детектором и ионизационным полупроводниковым детектором, ортогонально падающему излучению.
18. Способ по п.10, дополнительно включающий следующие стадии:
ориентирование указанного полупроводникового ионизационного детектора, чтобы сначала принять падающее излучение;
ориентирование электрического поля, созданного указанным полупроводником ионизационным детектором, в направлении, противоположном направлению падающего излучения, и ориентирование электрического поля, созданного указанным ионизированным газом детектором в плоскости, ортогональной падающему излучению.
19. Способ по п.10, дополнительно включающий следующие стадии:
ориентирование указанного ионизационного газового детектора, чтобы сначала принять падающее излучение;
ориентирование электрического поля, созданного указанным ионизационным газовым детектором в плоскости, ортогональной падающему излучению, и ориентирование электрического поля, созданного указанным полупроводниковым ионизационным детектором в направлении, параллельном падающему излучению.
20. Способ по п.10, дополнительно включающий следующие стадии:
ориентирование указанного ионизационного полупроводникового детектора, чтобы сначала принять падающее излучение;
ориентирование электрических полей, созданных указанным ионизационным газовым детектором и ионизационным полупроводниковым детектором в направлении падающего излучения.
21. Способ по п.10, дополнительно включающий следующие стадии:
ориентирование указанного ионизационного газового детектора, чтобы сначала принять падающее излучение;
ориентирование электрических полей, созданных указанными ионизационным газовым и полупроводниковым детекторами в направлении падающего излучения.
22. Способ по п.10, дополнительно включающий следующую стадию:
выборочное использование указанных первого и второго сигналов для отображения, излучения, контроля и измерения излучения.
