DE3688932T2

DE3688932T2 - Vorrichtung zur Wahrnehmung und Lokalisierung von neutralen Partikeln und deren Anwendung.

Info

Publication number: DE3688932T2
Application number: DE86402624T
Authority: DE
Inventors: Irene Dorion; Alain Pierre Lilot; Mario Ruscev
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Schlumberger SA
Priority date: 1985-12-04
Filing date: 1986-11-26
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2006-11-27
Also published as: SU1521293A3; JPH0812249B2; US4785168A; UA7203A1; DK584386D0; CZ280494B6; NO172665B; DE3688932D1; CZ884586A3; ATE93651T1; CN1010529B; ES2042504T3; BR8605607A; AU6517286A; AU581109B2; JPS62194481A; NO864648D0; EP0228933A1; CA1267445A; DK584386A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung und Lokalisierung von neutralen Teilchen wie X-Photonen, Gamma- Photonen oder Neutronen, mit wenigstens einem Fühler, der die Form einer Einfassung annimmt, die mit Gas gefüllt sowie für die neutralen Teilchen durchlässig ist und in der wenigstens einerseits ein Wandler, der bei dem Auftreffen von neutralen Teilchen ionisierende Teilchen abstrahlt, die durch Ionisation des Gases geladene Teilchen erzeugt, und andererseits ein gegenüber diesem Wandler elektrisch polarisiertes Erfassungselement vorgesehen sind, um diese geladenen Teilchen mit einer Kraft anzuziehen, die das Auftreten eines Lawinenphänomens ermöglicht
Eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist in dem britischen Patent GB 2 000 632 beschrieben.
In ihrer einfachsten Ausführungsform enthalten die Vorrichtungen zur Erfassung von neutralen Teilchen eine die Wandlerfunktion übernehmende Katode und einen anodischen Draht, wobei die Katode und der anodische Draht einander benachbart angeordnet sind und die Einheit in einer mit Gas gefüllten Einfassung enthalten ist.
Ein Beispiel eines Detektors mit einer solchen Struktur ist auf Seite 577 des Artikels "Review of Scientific Instruments", Band 50, Nr. 5 (1979) angegeben.
Wie auch immer die Funktionsart dieser Detektoren sein mag, der Wandler, mit dem sie ausgestattet sind, besitzt stets die Funktion, beim Auftreffen der neutralen Teilchen die ionisierenden Teilchen, insbesondere schnelle Elektronen, die als Primärelektronen bezeichnet werden, abzustrahlen; die kinetische Energie dieser Primärelektronen ist höher als die Ionisationsenergie der Gasatome oder -moleküle, und manchmal so hoch, daß diese Elektronen nicht durch das in der Einfassung vorherrschende elektrische Feld wirksam zur Anode hingeführt werden können.
Dagegen erzeugen diese Primärelektronen durch Ionisation des Gases positive Elektronen/positive Ionen-Paare, wobei die so erzeugten, sogenannten "Sekundärelektronen" zur Anode hin wandern, während die positiven Ionen zu der Katode hin wandern.
Somit wird auf der Anode eine elektrische Ladung aufgebaut, die von der Anzahl von Sekundärelektronen abhängt; ein geeigneter Schaltkreis (oder "Kanal"), der mit der Anode verbunden ist, liefert ein Meßsignal, das proportional zu der auf dieser letzteren angesammelten elektrischen Ladung und folglich repräsentativ für die Energie oder Intensität des betrachteten Phänomens ist.
Auf herkömmliche Weise kann die Erfassung der aufgenommenen Ladungen unmittelbar oder indirekt erfolgen; in dem letzteren Fall können die elektrischen Ladungen in einem Leiter fließen, und die Erfassung besteht in einer Erfassung des so erzeugten elektrischen Stroms.
Über diese gemeinsamen Merkmale hinaus weisen die Detektoren für neutrale Teilchen große Unterschiede auf, und sie sind allgemein in zwei Hauptgruppen unterteilt, je nachdem, ob bei ihnen das sogenannte "Townsend-Lawinen"-Phänomen ausgenutzt wird oder nicht.
Dieses dem Fachmann gut bekannte Phänomen tritt dann auf, wenn das elektrische Feld in der Nähe der Anode eine ausreichende Intensität besitzt, um die Sekundärelektronen derart zu beschleunigen, daß die kinetische Energie, die sie zwischen zwei Kollisionen annehmen, größer als die Ionisationsenergie der Gasatome oder -moleküle wird.
Unter diesen Bedingungen können die Sekundärelektronen auf ihrem Weg weitere Sekundärelektronen erzeugen, die, während sie sich der Anode nähern, selbst zu dem Lawinenphänomen beitragen, das andauert, bis alle freien Elektronen von der Anode aufgesammelt sind.
Dieser Effekt einer Vervielfachung der Elektronen kann zu einer wesentlichen Verstärkung des Meßsignals führen, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis entscheidend verbessert wird.
Unter guten Bedingungen kann das Verhältnis zwischen der Anzahl von auf der Anode angesammelten Sekundärelektronen zu der Anzahl von Sekundärelektronen der ersten Generation, die in den Ionisationskammern gleich 1 ist, bei den als "Proportionalzähler" bezeichneten Detektoren, bei denen das Lawinenphänomen ausgenutzt wird, nämlich einen sehr hohen Wert von z. B. 10&sup7; erreichen.
Dennoch kann der sich aus dem Lawinenphänomen ergebende Multiplikationsfaktor nur mit eingeschränkter Genauigkeit gesteuert werden, und für bestimmte Anwendungen ist es angebracht, Detektoren zu verwirklichen, bei denen das Lawinenphänomen nicht auftritt. Dies ist insbesondere bei Detektoren der Fall, die als "Ionisationskammern" bezeichnet werden und von denen Beispiele in dem zuvor genannten Artikel "Review of Scientific Instruments", dem britischen Patent GB 1 578 325 und dem französischen Patent FR 2 503 381 angegeben sind, und die allgemein die Erfassung von Strahlungen unter metrologischen Bedingungen ermöglichen, allerdings unter dem Vorbehalt, daß die auf der Anode angesammelte Ladung meßbar ist, was voraussetzt, daß entweder eine intensive Strahlung von neutralen Teilchen oder eine große Meßdauer vorliegt.
Daher können die Ionisationskammern für die optische Abbildung oder die Lokalisierung von Teilchen nur eingesetzt werden, wenn ganz bestimmte Strahlungsbedingungen vorliegen und wenn insbesondere die zu erfassende Strahlungsenergie in der Größenordnung von 80 keV oder eher noch unter diesem Wert liegt. Überdies führt die Verwendung von Ionisationskammern zur optischen Abbildung zu komplexen Vorrichtungen, wobei eine jeweilige Kammer nur einen Punkt (oder "Pixel") des Bildes liefert, wie dies das französische Patent FR 2 503 381 zeigt.
Für diese Anwendungen wesentlich besser geeignet als die Ionisationskammern sind die Lawinendetektoren, die dem Fachmann auf dem Gebiet der optischen Abbildung und der Lokalisierung von Teilchen gut bekannt sind.
Ein Beispiel für einen Proportionalzähler, der zur Erzeugung zweidimensionaler Bilder verwendet wird, ist in dem Artikel auf Seite 157 von "IEEE Transactions on Nuclear Science", Band 27, Nr. 1 (Februar 1980) angegeben.
Dieser Detektor enthält ein zweidimensionales Netz von anodischen Drähten, dem Bleioxidkristall-Röhrenbündel zugeordnet sind, die die Funktion von Wandlern übernehmen und senkrecht zu der Ebene des anodischen Netzes angeordnet sind. Der Einfallswinkel der Strahlung von neutralen Teilchen gegenüber dem Detektor liegt im Bereich von 90º, und der Umwandlungs-Wirkungsgrad dieses Detektors, der überdies genügend unabhängig von dem Einfallswinkel ist, bleibt unterhalb 8%.
Ein anderer Proportionalzähler, der den unmittelbaren Erhalt zweidimensionaler Bilder ermöglicht, ist in dem britischen Patent GB 2 000 632 beschrieben. Diese Vorrichtung, die wie die vorhergehende der Klasse von unter der Bezeichnung proportionale Mehrfach-Kammern bekannten Einrichtungen angehört, ist dazu bestimmt, eine sie beaufschlagende Strahlung unter einem zu ihrer Ebene senkrechten Einfall zu erfassen, und sie enthält zwei aus Bändern gebildete Katoden, die Festkörperwandler bilden, sowie eine Anode, die durch eine Ebene von elektrisch miteinander verbundenen Drähten gebildet ist.
Den Katodenbändern sind Verzögerungsleitungen zugeordnet, die selbst wiederum mit einer Zeitanalyseschaltung verbunden sind.
Außer der Tatsache, daß dieser Detektor den Rückgriff auf eine komplexe Analyseschaltung erfordert und der Tatsache, daß sein Umwandlungs-Wirkungsgrad nicht hoch sein kann, führt er zwangsläufig auch zu ziemlich langen Bilderstellungszeiten, die hier die Anwendung bei der Bildung von quasistationären Bildern wie z. B. bei der Szintigraphie begrenzt.
In diesem Zusammenhang besteht das wesentliche Ziel der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Erfassung und Lokalisierung von neutralen Teilchen zu schaffen, deren Wirkungsgrad insbesondere dann wesentlich höher als der der bekannten Mehrfachdraht-Proportionalkammern ist, wenn die Energie der neutralen Teilchen über im wesentlichen 50 keV hinausgeht.
Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung und Lokalisierung von neutralen Teilchen wie X-Photonen, Gamma-Photonen oder Neutronen, die einem von einer Quelle emittierten Fluß angehören und sich um eine mittlere Richtung in einem Raumöffnungswinkel ausbreiten, die durch einen Kollimator begrenzt ist, wobei diese Vorrichtung wenigstens einen Fühler enthält, der selbst wenigstens folgendes enthält:
- einen Wandler, der in der Lage ist, während des Aufschlagens von neutralen Teilchen, die er empfängt, ionisierende Teilchen zu emittieren, wobei dieser Wandler aus einem Festmaterial gebildet ist und sich in einer Ebene erstreckt, - ein Gas, das den Wandler umgibt, und geeignet ist, elektrische Ladungen entstehen zu lassen, wenn es von ionisierenden Teilchen durchdrungen wird, - Erfassungsmittel, die längliche Leiter zum Sammeln von Ladungen enthalten, die zueinander im wesentlichen parallel und in einem im wesentlichen ebenen Netz vorgesehen sind, das parallel zu der Ebene des Wandlers ist, und die geeignet sind, die Ladungen einzusammeln, die durch stimulierte Ionisation erzeugt werden, - Polarisationsmittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Wandler und die länglichen Leiter, um eine Vervielfältigung der Ladungen durch ihre Beschleunigung in dem so erzeugten Feld zu bewirken, was zu einer stimulierten Ionisierung des Gases führt, - eine Einfassung, die für die neutralen Teilchen durchlässig ist und den Wandler, das Gas und die Erfassungsmittel einschließt, und - elektronische Schaltungen, die mit den länglichen Leitern zum Sammeln von Ladungen verbunden sind, um ein Bild zu erzeugen, das repräsentativ ist für die Verteilung der Ladungen auf den länglichen Sammelleitern, mit denen diese Schaltungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator den Strahl von Teilchen, die von der Quelle empfangen werden, auf einen flächigen Strahl begrenzt, der mittig auf die mittlere Ausbreitungsrichtung eingestellt ist, daß die Ebene des Wandlers mit dieser mittleren Ausbreitungsrichtung einen Winkel (Alpha) bildet, der kleiner als 10º ist, daß die Leiter zum Sammeln von Ladungen zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung in der Ebene des Wandlers im wesentlichen parallel ist, daß die elektronischen Schaltungen voneinander unabhängig sind, und daß jede dieser elektronischen Schaltungen mit einem betreffenden Leiter zum Sammeln von Ladungen oder einem betreffenden Paar von Leitern zum Sammeln von Ladungen verbunden ist, die beiderseits der Ebene des Wandlers und einander gegenüberliegend auf der Senkrechten bezüglich dieser Ebene angeordnet sind, und dazu dient, einen der Pixel einer Reihe von Pixeln zu bilden, die ein eindimensionales Bild bilden, das für die Verteilung der Flußstärke von neutralen Teilchen gemäß einer Richtung repräsentativ ist, die zu der Ebene des Wandlers parallel und zu der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen senkrecht ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, daß der Kollimator den Strahl von Teilchen, die von der Quelle empfangen werden, auf einen flächigen Strahl begrenzt, der mittig auf die mittlere Ausbreitungsrichtung eingestellt ist, daß die Ebene des Wandlers mit dieser mittleren Ausbreitungsrichtung einen Winkel (Alpha) bildet, der kleiner als 10º ist, daß diese Leiter zum Sammeln von Ladungen von der Art eines Widerstands sind, im wesentlichen senkrecht zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung auf die Ebene des Wandlers sind und mit ihren Enden mit zwei betreffenden elektronischen Schaltungen verbunden sind, denen sie betreffende Ströme liefern, womit diesen Schaltungen auf an sich bekannte Weise die Lokalisierung der Ladungen entlang dieser Leiter zum Sammeln der Ladungen ermöglicht wird, wobei das Bild nun durch ein eindimensionales Bild gebildet ist, das repräsentativ ist für die Aufteilung der Flußstärke von neutralen Teilchen gemäß einer Richtung, die parallel zu der Ebene des Wandlers und senkrecht zu der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen ist.
Eine der wesentlichen Besonderheiten der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß sie einen Fühler vorschlägt, der, obwohl er einen einfachen Aufbau besitzt und für eine industrielle Herstellung geeignet ist, im Hinblick auf eine Verwendung zur Lokalisierung von Teilchen die besonderen Eigenschaften der Proportionalkammern und die bekannten oder anläßlich der Erfindung offenbarten Vorteile in Verbindung mit der Verwendung eines Festkörper-Wandlers vereinigt, bei der ein Einfall anläßlich der Erfindung, und zwar ein streifender Einfall, vorliegt.
Während der Fachmann auf dem Gebiet der Lokalisierung von Teilchen und der optischen Abbildung gewöhnlich entweder jedem Bildpixel einen Detektor zuordnet, wenn dieser Detektor eine Ionisationskammer ist, wie dies in den Patenten FR 2 503 381 und GB 1 578 325 gezeigt ist, oder das Bild in einer Ebene erzeugt, die im wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der zu lokalisierenden Teilchen ist, indem jeder anodische Draht oder jedes anodische Band einer ganzen Bildpixelreihe (Zeile oder Spalte) zugeordnet wird, wie dies das Patent GB 2 000 632 und der Artikel der zuvor genannten Revue "IEEE Transactions on Nuclear Science" zeigen, schlägt die Erfindung bei einem Lawinendetektor vor, ein Bild in einer Ebene mit bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Teilchen streifendem Einfall zu erzeugen und einer Reihe von Pixeln eine ganze Einheit von länglichen Erfassungselementen (Drähte oder Bänder) zuzuordnen.
Die Auflösung des erfindungsgemäßen Detektors stellt ein Optimum dar, wenn die länglichen Erfassungselemente elektrisch gegeneinander isolierte Drähte sind und parallel zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung der Teilchen auf der Platte des Wandlers gehalten sind.
Jeder Draht ist nun mit einer elektronischen Erfassungsschaltung für eine getrennte Ladung (auch als Kanal bezeichnet) verbunden, wobei das eindimensionale Bild durch die Einheit von Ausgangssignalen dieser Schaltung gebildet wird.
Diese an sich bekannten elektronischen Schaltungen (oder "Kanäle") können z. B. von der Art jener sein, die bei den Mehrfachdraht-Proportionalkammern verwendet werden.
Gute Ergebnisse können bei der Erfassung der X-Photonen oder Gamma-Photonen erhalten werden, wenn der Wandler ein Material enthält, dessen Ordnungszahl wenigstens gleich 25 ist.
Insbesondere bei der Erfassung der Neutronen ist auch von Vorteil, daß der Wandler ein Material enthält, das einen Wirkungsquerschnitt einer Wechselwirkung mit den neutralen Teilchen von wenigstens gleich 1 Millibarn besitzt. Ein Barn entspricht 10&supmin;²&sup4; cm².
Von den möglichen Materialien enthält der Wandler vorzugsweise ein Material der Gruppe aus Wolfram, Tantal, Blei, Kadmium, Gadolinium, Bor, Samarium, Europium, Lithium, Dysprosium, Rhodium, Beryllium, Kohlenstoff, Gold, Silber, Lanthan, abgereichertem Uran, Platin, Thallium, Niobium, Molybdän, Nickel, Kupfer, Kobalt, Eisen, Iridium, Quecksilber, Indium, Mangan, Wasserstoff, Deuterium, Stickstoff, Sauerstoff und Chlor.
Bei einem spezielleren Beispiel kann der Wandler eine Dicke von höchstens gleich 2 Millimeter besitzen und zumindest an bestimmten Stellen einer seiner Seiten mit der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen einen Winkel kleiner als oder gleich 50 bilden.
Z. B. für Photonen mit einer Energie von 400 keV kann der Wandler eine Tantalplatte mit einer Dicke von höchstens gleich 200 Mikrometer sein und zumindest an bestimmten Stellen einer seiner Seiten mit der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen einen Winkel kleiner als oder gleich 20 bilden.
Das Erfassungselement kann durch einfache, mehr oder weniger breite Bänder gebildet sein, wenn die Vorrichtung z. B. bei Anwendungen mit verringerter Impulsrate in einem Modus PPAC (parallel plate avalanche counter) oder einem Pseudo-PPAC- Modus verwendet wird, d. h. einem Zählmodus mit Lawineneffekt und parallelen Platten anstelle eines Proportionalmodus.
In dem Fall, daß die größte Bildauflösung nicht erforderlich ist, können die länglichen Erfassungselemente durch ein elektrisch leitendes Material gebildet sein, das jedoch noch einen hinreichenden elektrischen Widerstand aufweist; diese Elemente werden nun parallel zu der Ebene der Platte des Wandlers gehalten und senkrecht zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen auf der Ebene dieser Platte angeordnet; diese Elemente sind in diesem Fall an ihren Enden elektrisch miteinander verbunden, wobei jedes Ende selbst wiederum mit einem entsprechenden elektronischen Kanal zur Erfassung von Ladungen verbunden ist; bei einem solchen Aufbau wird die Lokalisierung der neutralen Teilchen entlang der Erfassungselemente durch die Aufteilung des durch die gesammelten Ladungen erzeugten Stroms in den beiden elektronischen Kanälen erhalten.
Z. B. kann der Abstand zwischen zwei benachbarten Drähten und der Abstand zwischen einem jeweiligen Draht und dem Wandler kleiner als 15 Millimeter sein.
Der Wirkungsgrad der Vorrichtung wird weiter verbessert, wenn diese mit einer ebenen Zusatzelektrode ausgestattet wird, die im wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie der Wandler gehalten und parallel zu diesem sowie auf der anderen Seite des Drahtnetzes als dieser angeordnet ist, und wenn das Erfassungselement auf jeder Seite des Wandlers ein Drahtnetz und eine Zusatzelektrode enthält.
Diese Anordnung ermöglicht es, einen noch größeren Teil der Vorrichtung dem streifenden Einfall des Wandlers bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Teilchen auszusetzen. Diese Anordnung ermöglicht es nämlich, einen Wandler sehr geringer Dicke zu verwenden, was die Wahrscheinlichkeit der Ausstrahlung von Primärelektronen ausgehend von der Oberfläche des Wandlers stark erhöht, die nicht unmittelbar der Strahlung neutraler Teilchen ausgesetzt ist; folglich werden auch die durch solche Primärelektronen erzeugten Sekundärelektronen eingesammelt.
Zur Steuerung der Funktionsparameter der Vorrichtung, die stark von der Beschaffenheit des den Wandler von dem Erfassungselement trennenden Mediums beeinflußt werden, ist die Einfassung, die den Wandler und das Erfassungselement einschließt, zumindest teilweise von einem inerten Gas gefüllt.
Vorzugsweise ist der Gasdruck in dieser Einfassung kleiner als 106 Pascal und die elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Erfassungselement und dem Wandler kleiner als 30 kV.
Die Vorrichtung enthält vorteilhafterweise einen Träger, der den Wandler und die Erfassungsmittel entsprechend einer Neigung hält, die bezüglich einer Bezugsachse festgelegt ist, die mit der Außenform der Einfassung verbunden ist und es ermöglicht, die gewünschte Orientierung des Wandlers gegenüber der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen zu erhalten, indem diese Bezugsachse in diese Richtung orientiert wird.
Die erfindungsgemäße, für die Erfassung und die Lokalisierung von neutralen Teilchen geeignete Vorrichtung entfaltet alle ihre Vorteile, wenn sie zur optischen Abbildung verwendet wird, d. h. dazu, zumindest teilweise ein Bild eines Körpers zu erhalten.
Wird ein Körper nämlich durch eine Quelle von neutralen Teilchen bestrahlt, so erfährt die den Körper durchdringende Strahlung Abschwächungen in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des durchdrungenen Materials und von seiner Masse, und sie stellt eine entsprechende räumliche Intensitätsverteilung dar, die ein Fühler, wie er zuvor beschrieben wurde, zeigen kann.
Bei diesen Anwendungen enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung demnach allgemein wenigstens eine Quelle von neutralen Teilchen, die von dem oder den Fühlern entfernt ist, der bzw. die orientiert werden, indem als mittlere Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen die Richtung der Achse angenommen wird, die sie mit der Quelle verbindet.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung nun wenigstens einen Kollimator für neutrale Teilchen, dem ein entsprechender Fühler zugeordnet ist, wobei dieser Kollimator einen Schlitz aufweist, der den Strahl von empfangenen Teilchen der Quelle auf einen flächigen Strahl begrenzt, der mittig auf die mittlere Ausbreitungsrichtung eingestellt ist und dessen Spur auf der Ebene des Wandlers dieses Fühlers im wesentlichen senkrecht zu dieser mittleren Ausbreitungsrichtung ist.
Die Vorrichtung kann ein Tragelement enthalten, an dem mehrere Fühler angebracht sind.
In diesem Fall sind die Fühler vorteilhafterweise derart versetzt auf dem Tragelement angeordnet, daß ihre betreffenden Wandler, die in ihrer Einheit betrachtet werden, einen von der Quelle stammenden flächigen Strahl von neutralen Teilchen vollständig erfassen.
Überdies nimmt das Tragelement vorzugsweise eine umgreifende Form wie die eines L, eines U, oder eines Kreisbogens an, wobei die Quelle in einem Abstand von dem Tragelement im Inneren dieser umgreifenden Form angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann wenigstens zwei Quellen von neutralen Teilchen oder eine Quelle enthalten, die an wenigstens zwei unterschiedlichen Stellen angeordnet werden kann; in diesem Fall können die Fühler drehbar an dem Tragelement angebracht sein, so daß sie auf die eine oder die andere der Quellen von neutralen Teilchen oder auf mögliche Positionen der Quelle gerichtet sein können.
Der Fühler kann mit einem Wandler von einer Oberfläche im wesentlichen oberhalb 500 cm² versehen sein, dem zwei Drahtnetze zugeordnet sind, die sich in zwei orthogonalen Richtungen erstrecken, um ein zweidimensionales Bild eines gemäß der zuvor beschriebenen Influenz-Technik bestrahlten Körpers liefern zu können.
Überdies kann die Vorrichtung einen Stapel von Schichten enthalten, der abwechselnd den Wandler und das Erfassungselement enthält.
Diese Ebenen sind zueinander parallel und, wie zuvor beschrieben, bezüglich der Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen so angeordnet, daß sich ein streifender Einfall ergibt.
Jedes Erfassungselement kann, wie zuvor erwähnt, aus einer Reihe von N Leiterbändern oder einzeln isolierten Drähten bestehen, die parallel zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen auf der Ebene des entsprechenden Wandlers sind. Enthält die Vorrichtung M Erfassungselemente, so kann sie ein zweidimensionales Bild eines bestrahlten Körpers entsprechend einer Matrix von N·M Elementen liefern.
Während die Geometrie des bisher beschriebenen Fühlers mehr zur Verwirklichung von eindimensionalen Bildern geeignet ist, besteht eine sehr einfache Lösung für den Erhalt eines zweidimensionalen Bildes eines Körpers mit großen Abmessungen und/oder großem Volumen (z. B. mehrere zehn Kubikmeter) gleichwohl darin, wie dies bei der optischen Abbildung an sich bekannt ist, ein Bild eines Querschnitts des zu betrachtenden Körpers dadurch zu erzeugen, daß der zu betrachtende Körper abgetastet wird, d. h. eine Querschnittsabtastung erfolgt, und im Zeitverlauf die erhaltenen unterschiedlichen Bilder aufgezeichnet werden, und zwar entsprechend den verschiedenen betrachteten Querschnitten.
In diesem Fall wird der Körper gegenüber dem Fühler oder der Quelle oder vorzugsweise sogar gegenüber dem Fühler und der Quelle verlagert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es insbesondere, ein Bild eines dichten Gegenstandes zu erhalten, der für die ihn durchdringenden Teilchen eine Metalldicke aufweist, die mehr als einen Zentimeter und beispielsweise bis zu wenigstens etwa sechzig Zentimeter beträgt, wenn es sich um Eisen oder Stahl handelt.
Die Vorrichtung kann damit insbesondere auch dazu verwendet werden, Bilder von dichten und voluminösen Gegenständen wie Containern zu erzeugen.
Bei diesem Anwendungsfall ist es angebracht, X-Photonen oder Gamma-Photonen zu verwenden. Deren Energie ist beispielsweise zumindest gleich 50 keV, und sie liegt vorzugsweise zwischen 250 keV und 2 MeV und typischerweise in der Größenordnung von 350 keV bis 750 keV.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt zahlreiche Vorteile.
Der sehr hohe Wirkungsgrad des Fühlers, in der Größenordnung von 30% bei einer Strahlung von 400 keV, ermöglicht es, ein sehr kontrastreiches Bild der betrachteten Gegenstände zu erhalten.
Andererseits ist es aufgrund dieses hohen Wirkungsgrades nicht erforderlich, auf diese sehr energiereichen Strahlungen zurückzugreifen, selbst wenn Bilder von dichten und voluminösen Gegenständen, wie dies zuvor erwähnt wurde, erzeugt werden; daraus folgt, daß die hinsichtlich des Schutzes vor den Strahlungen zu ergreifenden Maßnahmen gering bleiben, da die zu verwendenden Quellen, d. h. typischerweise die Röntgenröhren, ein angemessenes Volumen einhalten und deren Kosten angemessen bleiben, und da der Abstrahlwinkel der von diesen Röhren abgestrahlten Röntgenstrahlen hinreichend groß bleibt, wodurch es möglich ist, einen relativ voluminösen Gegenstand in einem relativ begrenzten Raum, d. h. einer relativ kleinen Einrichtung oder einem relativ kleinen Gebäude, zu bestrahlen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer besonderen, spezielleren Ausführungsform zur Erfassung von Photonen, die lediglich beispielhaft und nicht einschränkend ist und bei der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigt
Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht des bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Fühlers, wobei diese Ansicht das Funktionsprinzip dieses Fühlers zeigt,
Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung des Fühlers,
Fig. 3 eine Schnittansicht des vollständigen Fühlers,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer industriellen optischen Abbildungseinrichtung, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, und
Fig. 5, die aus den Fig. 5A und 5B zusammengesetzt ist, Einzelheiten der Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einem Fühler 1 (vollständig sichtbar in Fig. 3), bei der ein Wandler 2 (Fig. 1) und ein Erfassungselement vorgesehen sind, das selbst aus mehreren Elementen 3, 3', 4, 4' zusammengesetzt ist, die später beschrieben werden.
Dieser Fühler ist dazu bestimmt, neutrale Teilchen (wie X- Photonen, Gamma-Photonen, Neutronen) zu erfassen und zu lokalisieren, die ihn bestrahlen. Es wird angenommen, daß die mittlere Ausbreitungsrichtung dieser Teilchen, die in der Fig. 1 durch einen wellenförmigen Verlauf symbolisiert ist, zumindest während der Erfassung bezüglich des Fühlers im wesentlichen fest ist. Es wird angenommen, daß sich diese Teilchen in einer Fläche ausbreiten, die senkrecht zu der Ebene der Fig. 1 ist, und daß deren Spur in der Ebene dieser Figur im wesentlichen dem wellenförmigen Verlauf entspricht.
Der Wandler 2 ist eine Platte aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl, z. B. Tantal, die bezüglich der Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen mit flachem Einfallswinkel angeordnet ist; so kann, als Hinweis, der Winkel zwischen dieser Platte und dieser Richtung beispielsweise gleich 10 sein. In den Fig. 1 und 3 wird angenommen, daß dieser Wandler in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu der dieser Figuren ist.
Dieser Wandler besitzt Abmessungen von z. B. 30 Zentimeter in der Länge (die längste, in den Fig. 1 bis 3 sichtbare Abmessung), 16 Zentimeter in der Breite (Abmessung senkrecht oder praktisch senkrecht zu der Ebene der betreffenden Figuren 1 bis 3) und 70 Mikrometer in der Dicke.
Obwohl dieses Merkmal nicht unentbehrlich ist, so ist es doch bequem, einen ebenen Wandler zu verwenden. Ist die diesen Wandler bildende Platte nicht steif genug, so ist es möglich, diese Platte auf einen steifen Träger auf zukleben, mit einem Verlust an Wirkungsgrad in der Größenordnung von 20% bis 50%, aufgrund der Tatsache, daß die Elektronen nur in einem Halbraum erfaßt werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist für die gleiche Dicke des Wandlers die Strecke, die das einfallende Teilchen in diesem Wandler durchlaufen muß oder sollte, um ihn zu durchdringen, umso größer, je kleiner der Winkel Alpha ist.
Für einen Winkel Alpha von 10 und eine Dicke von 70 Mikrometer des Wandlers liegt diese Strecke in der Größenordnung von 4000 Mikrometer, d. h. bei 4 Millimeter.
Dem Wandler 2 sind seitlich zwei Leiterdrahtnetze 3 und 3' zugeordnet, die auf einem elektrischen Potential gehalten sind, das von dem des Wandlers 2 verschieden ist.
Beispielsweise liegen die Drahtnetze 3 und 3' auf einem Massepotential, während der Wandler ein negatives Potential von 2 bis 3 kV aufweist.
Beim Auftreffen eines einfallenden neutralen Teilchens ist der Wandler 2 aufgrund des photoelektrischen Effekts, aufgrund des Compton-Effekts oder durch Paarbildung imstande, wenigstens ein Primärelektron e&supmin;1 hoher Energie freizusetzen, das das Gas ionisieren und Elektronen-Ionen-Paare erzeugen kann. Die so erzeugten Sekundärelektronen e&supmin;2 werden aufgrund ihrer elektrischen Ladung zu einem der beiden Drahtnetze 3, 3' gezogen, und sie erzeugen selbst weitere Sekundärelektronen e&supmin;2.
In der Fachsprache werden die geladenen Teilchen, insbesondere die auf der Anode gesammelten Sekundärelektronen, häufig als "Ladungen" bezeichnet.
Obwohl der Winkel Alpha zwischen den auftreffenden Teilchen und dem Wandler 2 gering ist, kann der Abstrahlwinkel der Elektronen e&supmin;1 bezüglich des Wandlers, praktisch gleich 90º sein, so daß der Weg, den die Elektronen im Inneren des Wandlers zurücklegen müssen, um aus diesem wieder auszutreten, gegenüber 4 Millimeter virtueller Dicke, die dieser Wandler der einfallenden Strahlung entgegensetzt, sehr klein ist.
Die anodischen Drahtnetze 3 und 3' ermöglichen eine Signalverstärkung durch eine Vervielfachung von Ladungen aufgrund des Townsend-Lawineneffekts, und sie ermöglichen auch eine Lokalisierung der so empfangenen Ladung. Diese Drähte sind beiderseits des Wandlers 2 in zu diesem parallelen Ebenen angeordnet, d. h. jeweils in einer Ebene, die zu der Ebene der Fig. 1 parallel ist.
Die Drähte der beiden Netze 3 und 3' sind überdies parallel zu der Projektion, in der Ebene der Platte 2, der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen.
Da diese mittlere Richtung in der Fig. 1 der des dargestellten wellenförmigen Verlaufs entspricht, fällt die Projektion dieser Richtung auf der Platte 2 in Fig. 1 mit dem unteren Rand des stark verlängerten Rechtecks zusammen, das den Querschnitt dieser Platte wiedergibt, und die Drähte der beiden Netze 3 und 3' sind parallel zu dieser Projektion.
Alle Drähte der beiden Netze 3 und 3' weisen dasselbe elektrische Potential auf, wobei jedoch jeder Draht dieses Netzes elektrisch gegenüber allen anderen Drähten desselben Netzes isoliert ist. Dagegen kann jeder Draht eines jeden Netzes, wie in Fig. 1 dargestellt, mit dem Draht des anderen Netzes verbunden sein, der bezüglich der Ebene des Wandlers die symmetrische Position einnimmt, um mit diesem ein Erfassungs-Drahtpaar zu bilden. Jedes Erfassungs-Drahtpaar, das die Netze 3 und 3' bilden können, ist mit einem getrennten elektronischen Erfassungskanal verbunden, der durch einen Verstärker 5 symbolisiert ist. Jeder Kanal verstärkt den elektrischen Strom, der den Ladungen e entspricht, die auf dem ihm zugeordneten Drahtpaar angesammelt sind. Somit wird durch die Einheit der elektronischen Kanäle eine Einheit von elektrischen Signalen geschaffen, die ein Bild der Intensitätsverteilung der neutralen Teilchen entsprechend einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Fig. 1 darstellt.
Diese Signale werden, wie dies dem Fachmann bekannt ist, dazu verwendet, ein Video-Endbild zu erhalten.
Das Erfassungselement des Fühlers enthält überdies zwei ebene Zusatzelektroden 4 und 4', die parallel zu dem Wandler 2 und den Netzen 3 und 3' und bezüglich des Wandlers jenseits dieser letzteren angeordnet sind. Diese Zusatzelektroden sind auf dem gleichen Potential wie der Wandler gehalten, d. h. auf einem negativen Potential von 2 bis 3 kV.
Obwohl nicht zwingend erforderlich, ermöglichen diese Zusatzelektroden eine bessere Vervielfachung und ein besseres Sammeln von Ladungen sowie eine Unterdrückung der elektrostatischen Kräfte, denen die anodischen Drähte der Netze 3 und 3' ausgesetzt sind und die sie ablenken und das Verhalten des Fühlers verändern könnten.
Fig. 2 bietet eine bessere räumliche Darstellung der Wandler-Erfassungelement-Einheit.
Fig. 2 zeigt in der Mitte den Wandler 2, der bei der gezeigten besonderen Ausführungsform eine Tantalplatte von 30 cm·16 cm·70 Mikrometer ist.
Diese Platte erstreckt sich zwischen zwei rechtwinkligen Rahmen 6, 7 aus rostfreiem Stahl, die jeweils eine Dicke von 1.5 mm aufweisen.
Der Rahmen 7, der in der Fig. 2 in dem unteren Rahmen liegt, ist auf der Seite randlos, auf der der Wandler die Strahlung von neutralen Teilchen empfängt, die durch die Pfeile symbolisiert sind. Dieser Rand ist durch ein längliches Element 7a aus einem Material ersetzt, das für die neutralen Teilchen durchlässiger als Stahl ist, wie z. B. mit Glasfaser versetztes Epoxyharz.
Beiderseits der durch den Wandler und seine Rahmen gebildeten Einheit 2-6-7-7a sind zwei Platten 8 und 9 gezeigt, die anodische Drähte wie 3a tragen, die in Netzen 3, 3' angeordnet sind. Um die Zeichnung deutlich zu halten, wurde in Fig. 2 das Netz 3 nicht dargestellt.
Diese Platten 8, 9, die länger als die Rahmen 6 und 7 sind, sind aus einem isolierenden und starren Material hergestellt, das für die neutralen Teilchen durchlässig ist. Die glasfaserversetzten Epoxyharzplatten, die allgemein als Träger von gedruckten Schaltungen verwendet werden, eignen sich sehr gut.
Diese Platten 8 und 9 besitzen jeweils eine Dicke von 1.5 mm, und sie sind von Fenstern 8a, 9a mit den Innenabmessungen der Rahmen 6 und 7 durchdrungen.
Die anodischen Drähte wie 3'a des Netzes 3' sind an der obersten Fläche (im Sinne der Fig. 2) der Platte 8 über dem Fenster 8a gehalten.
Diese Drähte, die beispielsweise aus vergoldetem Wolfram oder aus rostfreiem Stahl verwirklicht sind und jeweils einen Durchmesser von 50 Mikrometer besitzen, sind somit zueinander parallel gehalten, wobei die Entfernung zwischen zwei benachbarten Drähten z. B. bei 2.5 mm liegt.
Diese Drähte sind durch geeignete Mittel wie z. B. durch Lötstellen 10 auf der Platte 8 gehalten.
Diese aufgrund des sehr hohen Leitungswiderstandes des Rahmens 8 elektrisch gegeneinander isolierten Drähte sind getrennt an verschiedene Verzweigungsstellen eines Verbinders 11 angeschlossen, der an dem Ende der Platte 8 befestigt ist.
Die entlang eines jeden Randes des Fensters 8a gehaltenen Drähte besitzen einen Durchmesser, der größer als der der anderen Drähte und beispielsweise gleich 70 Mikrometer ist, und sie sind nicht an den Verbinder 11 angeschlossen. Dieses Merkmal, das aus Gründen der Klarheit in der Fig. 2 nicht besonders dargestellt ist, ermöglicht es, an allen anodischen, an den Verbinder 11 angeschlossenen Drähten ein gleichförmiges elektrisches Feld zu bewirken.
Das von der Platte 9 getragene Drahtnetz 3 ist auf analoge Weise bezüglich der Ebene des Wandlers 2 symmetrisch verwirklicht.
Anders ausgedrückt sind die Drähte des Netzes 3 bezüglich der Anordnung der Fig. 2 an der nicht sichtbaren Oberfläche der Platte 9 gehalten.
Allein der Anschluß der Drahnetze 3 und 3' kann verschieden sein.
Z. B. ist, wie in Fig. 2 dargestellt, die Platte 9 kürzer als die Platte 8, und die Drähte wie 3a, 3b des Netzes 3 sind getrennt an die Drähte 3'a, 3'b des Netzes 3' angeschlossen, die bezüglich der Ebene des Wandlers 2 die symmetrischen Positionen einnehmen, und zwar in der Nähe der Stelle eines Anschlusses dieser letzteren an den Verbinder 11. Somit dient der Verbinder 11, obwohl von der Platte 8 getragen, auch den Drähten des Netzes 3, die auf der Platte 9 getragen sind.
Beiderseits der bisher beschriebenen Einheit 2-6-7-8-9 sind symmetrisch mit einem Abstand von jedem der Netze 3 und 3', der durch zwischenlagen 12a, 12b, 13a, 13b auf 3 mm festgelegt ist, die ebenen Zusatzelektroden 4 und 4' angeordnet.
Diese letzteren, die aufgrund ihrer negativen elektrischen Polarisation auch als Katoden bezeichnet werden, sind beispielsweise Platten aus rostfreiem Stahl, denen unter anderem die Funktion zukommt, die bei dem Wandler herausgerissenen Elektronen in Richtung der anodischen Drähte der Netze 3 und 3' zurückzustoßen.
Über der Katode 4' (bei der in Fig. 2 wiedergegebenen Darstellung) ist eine Isolierplatte 14 vorgesehen, deren Isolierfunktion besser im Zusammenhang mit Fig. 3 zu verstehen ist.
Schließlich ist zwischen den Platten 8 und 9 ein Abstandsstück 15 angeordnet, um jegliche Relativbewegung zwischen diesen Platten zu verhindern.
Der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Stapel wird durch geeignete Mittel wie beispielsweise NYLON-Schrauben, die die gestapelten Elemente durchdringen und zusammenhalten, zusammengebaut.
Die Einheit ist an einem Träger 16 angebracht (Fig. 3), wobei die Platte 14 die Katode 14 gegenüber dem Träger in dem Fall isoliert, daß dieser letztere aus Metall besteht.
Der Träger 16 ist durch irgendwelche geeigneten Mittel wie Bolzen 17 an der Basis 18a einer gasdichten Einfassung 18 befestigt.
Diese Einfassung 18 ist im wesentlichen durch einen Behälter 18b in Form eines Parallelepipeds gebildet und an der Basis 18 mittels geeigneter Elemente wie Bolzen 19a, 19b und Muttern 20a, 20b festgemacht, wobei ein O-Ring 21 die Einfassung gasdicht abschließt.
Die Einfassung ist aus einem Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt, das für die neutralen Teilchen durchlässig ist und mechanisch widerstandsfähig ist.
In Fig. 3 ist die Symmetrie-Längsachse der Parallelepiped- Außenform der Einfassung 18 mit dem Bezugszeichen 22 versehen.
Die Verläufe dieser Achse an der Basis 18 und an dem Boden des Behälters 18b können durch einfache Längenausdehnungen bestimmt werden.
Um eine korrekte Orientierung des Wandlers gegenüber der einfallenden Strahlung zu bewirken, während dieser in der Einfassung 18 eingeschlossene Wandler unsichtbar ist, hält der Träger 16 den Wandler 2 in einer Orientierung, die bezüglich der Bezugsachse 22 festgelegt ist und der gewünschten Neigung dieses Wandlers gegenüber der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen entspricht.
Anders ausgedrückt bildet die Stützfläche, die der Träger 16 dem im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Stapel bietet, einen Winkel Alpha von 10 mit der Achse 22, so daß es ausreicht, diese Achse mit der mittleren Ausbreitungsrichtung der Teilchen auszurichten, um die korrekte Orientierung des Wandlers 2 um eine Achse zu erhalten, die senkrecht zu der Ebene der Fig. 3 ist. Die Einfassung 18 kann dann durch Drehen um die Achse 22 orientiert werden, damit der vordere Rand des Wandlers 2, der mit dem Rahmenelement 7a verbunden ist, parallel zu der mittleren Ebene einer Fläche 23 des Strahls von einfallenden Teilchen liegt.
Diese mittlere Ebene und der vordere Rand des Wandlers sind nun senkrecht zu der Ebene der Fig. 3.
Der flächige Strahl 23 von neutralen Teilchen ist durch einen langen Schlitz 24 eines Kollimators 25 gebildet, der beispielsweise aus einer Bleiabschirmung bestehen kann, wobei dieser Schlitz eine Breite von 5 mm und eine Länge von 16 cm besitzt. In Fig. 3 ist die Längsrichtung des Schlitzes 24 senkrecht zu der Ebene der Figur, und die Spur der mittleren Ebene der Fläche 23 auf dem Wandler 2 ist eine Linie 26, die senkrecht zu der Ebene der Fig. 3 ist und etwa auf halber Höhe des Wandlers angeordnet ist.
Die Basis 18a der Einfassung 18 enthält einen Kontaktverbinder 27 mit dichter Durchführung. Jede Verzweigungszelle des Verbinders 11 ist im Inneren der Einfassung 18 an einen der Kontakte des Verbinders 27 angeschlossen, und außerhalb der Einfassung ist jeder Kontakt mit einem entsprechenden elektronischen Verarbeitungskanal verbunden.
Die Basis 18a nimmt auch ein Ventil 28 auf, das es ermöglicht, die Einfassung mittels eines entsprechenden Gases unter einem beliebigen, geeigneten Druck zu setzen.
Das ausgewählte Gas besteht im wesentlichen aus einem inerten Gas wie Argon, dem Spuren eines Gases mit mehratomigen Molekülen wie Isobutan, Äthan, Alkohol in Form von Dampf, Methylal oder ein Kohlendioxid/Alkohol-Gemisch hinzugefügt wird.
Der Druck wird auf einem Wert gehalten, der zwischen 5.10³ und 10&sup6; Pascal liegt und bei der beschriebenen besonderen Ausführungsform auf 10&sup5; Pascal festgesetzt ist.
Zur Vermeidung der Folgen eines Alterns des Gases ist es auch möglich, in der Einfassung zwei Öffnungen wie solche vorzusehen, die das Ventil 28 bilden, um eine kontinuierliche Zirkulation und/oder eine Erneuerung von Gas in der Einfassung herbeizuführen.
Schließlich enthält die Basis eine weitere dichte Durchführung 29 für ein elektrisches Kabel 30.
Dieses mit einer Außenisolierung versehene Kabel dient dazu, den Wandler 2 und die Katoden 4 und 4' an ein elektrisches Potential mit negativer Polarisation anzuschließen, das bei dem beschriebenen Beispiel in der Größenordnung von 2 bis 3 kV liegt.
Die elektrischen Leiter dieses Kabels sind z. B. an seitliche Abgriffe (nicht zu sehen) des Wandlers und der Katoden angeschlossen.
Die gewählte Polarisationsspannung hängt von dem Abstand zwischen den anodischen Drähten der Netze 3 und 3' und dem Wandler, dem Gasdruck in der Einfassung, dem gewünschten Verstärkungsfaktor bei den Townsend-Lawinen und dem Durchmesser der anodischen Drähte ab. Die gewählte Spannung liegt vorteilhafterweise in der Größenordnung von einem Volt pro Millimeter und pro Torr (ein Torr entspricht etwa 1.3 10² Pascal).
Fig. 4 zeigt eine Einrichtung, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.
Die Vorrichtung enthält ein Tragelement 31, an dem mehrere, z. B. etwa dreißig (siehe Fig. 5A) Fühler wie der Fühler 1 der Fig. 3 angebracht sind.
Eine Quelle 32 von neutralen Teilchen wie eine Röntgenröhre, ein Linearbeschleuniger oder eine Isotopenquelle (z. 8. Kobalt 60), ist mit einem Abstand von dem Tragelement 31 so angeordnet, daß Teilchen in Richtung der Fühler oder zumindest bestimmter Fühler davon ausgestrahlt werden.
Das Tragelement 31 besitzt eine umgreifende Form, z. B. eine L- oder eine Halbkreisform, und der Abstand zwischen dem Tragelement und der Quelle kann mehrere Meter erreichen, so daß ein gegebenenfalls großvolumiger Gegenstand wie ein Anhänger oder ein Container 33 dazwischengesetzt werden kann, der sich in Richtung des Pfeils vorbeibewegt.
Eine optische Abbildungseinrichtung 34, die gegenüber der Quelle 32 durch eine Wand 35 abgeschirmt ist, empfängt von jedem der Kontakte der Verbinder 37 der jeweiligen Fühler 1, die an dem Tragelement 31 angebracht sind, ein eventuell durch einen Verstärker wie 5 verstärktes Stromsignal, das die Strahlungsintensität von neutralen Teilchen repräsentiert, die, nachdem sie den Gegenstand 33 durchdrungen haben, von zwei anodischen Drähten wie 3a und 3'a erfaßt wurden, die mit diesem Kontakt verbunden sind.
Jedes dieser Signale ist somit repräsentativ für die Absorption der Strahlung der Quelle durch den überprüften Gegenstand 33 entsprechend einer sehr genauen Richtung, und damit repräsentativ für die Art und die Masse des durchdrungenen Materials.
Die Stromsignale werden getrennt während eines kurzen Zeitintervalls von z. B. 20 ms integriert und dann in numerische Proben umgewandelt, die in einem Speicher gespeichert werden.
Die numerischen Proben bezüglich einer gleichen Integrationsperiode entsprechen somit einer Abbildung des Querschnitts des Gegenstandes 33, der während dieser Periode bestrahlt wurde.
Die Einheit der gespeicherten numerischen Proben entsprechend der Einheit der Integrationsperioden, die während des vollständigen Vorbeilaufens des Gegenstandes 33 verstrichen sind, können damit entsprechend bekannter Techniken dazu verwendet werden, ein zweidimensionales Bild dieses Gegenstandes zu rekonstruieren.
In der Praxis kann es von Interesse sein, wie in Fig. 5A gezeigt zwei Abbildungen des Gegenstandes 33 herzunehmen, um davon alle Kanten zu erfassen oder um davon eine räumliche Abbildung zu erhalten.
Dies kann dadurch verwirklicht werden, daß die Quelle 32 zwischen den beiden Bildaufnahmen verlagert wird (oder indem eine erste Quelle und dann eine zweite Quelle verwendet werden), und daß die Fühler für jede Bildaufnahme in Richtung der verwendeten Quelle ausgerichtet werden.
Hierzu können die Fühler um eine zu der Ebene der Fig. 5A senkrechte Achse drehbar an dem Tragelement angebracht sein, so daß sie die eine oder die andere der beiden Positionen, in denen sie auf die Quelle ausgerichtet sind, annehmen können.
Fig. 5A zeigt bei 36 ein Detail, das in Fig. 5 der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde.
Dieses Bezugszeichen 36 gibt einen Kollimator, z. B. eine Bleiplatte, an, der in der Ebene der Fig. 5 einen länglichen Schlitz besitzt, um die Abstrahlung der neutralen Teilchen auf einen flächigen Strahl zu begrenzen, dessen mittlere Ebene, die der mittleren Ebene des Tragelements entspricht, parallel zu der Ebene der Fig. 5A ist und dessen Dicke in derselben Größenordnung wie die des Tragelements 31 liegt.
Fig. 5 ist eine Ansicht gemäß den Pfeilen BB der Fig. 5A.
Diese Figur zeigt eine Lösung für ein Problem, das sich bei der Verwendung des Abbildungsverfahrens der Fig. 5A stellt.
Der Platzbedarf eines jeweiligen Fühlers in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Fig. 3 ist nämlich notwendigerweise größer als die Breite des in diesem Fühler integrierten Wandlers. Es ist daher nicht möglich, mit einer Anordnung der Fühler in einer einzigen Reihe (in Fig. 5 von rechts nach links) den von der Quelle 32 und dem Kollimator 36 abgegebenen flächigen Strahl vollständig, d. h. in seiner ganzen Erstreckung in seiner mittleren Ebene, zu erfassen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß die Fühler 1 versetzt an dem Tragelement angeordnet sind, wie dies Fig. 5B zeigt.
Mit einem Tantalwandler einer Dicke von 100 Mikrometer, einem Abstand Wandler-anodische Drähte von 2.5 mm, einem Abstand Quelle-Fühler von 3 m und einer Röntgenröhre von 400 keV bei 10 mA führt das Zwischenschalten von 4 cm Stahl zwischen die Quelle und den Fühler zu einem Strom in der Größenordnung von 6·10&supmin;&sup6;A in den anodischen Drähten, und das Zwischenschalten von 14 cm Stahl führt noch zu einem Strom in der Größenordnung von 3·10&supmin;&sup9;A.
Dem Fachmann ist klar, daß zahlreiche Anwendungen der Erfindung möglich sind und sich durch die in den Fig. 4 und 5 dargestellte besondere Anwendung keinerlei Einschränkung ergibt.
So kann die Erfindung insbesondere bei der Scintigraphie und der Tomographie durch Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen, Neutronen oder durch eine Ausstrahlung von Positronen verwendet werden.
In allen diesen Fällen ermöglicht der sehr große Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Fühlers den Erhalt eines guten Bildes selbst bei fehlender starker Strahlung.
Die Erfindung kann überdies bei Anwendungsfällen verwendet werden, bei denen keinerlei Abtastung erforderlich ist, z. B. um ein eindimensionales X-Diffraktionsbild zu erhalten.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung und Lokalisierung von neutralen Teilchen wie X-Photonen, Gamma-Photonen oder Neutronen, die einem von einer Quelle (32) emittierten Fluß angehören und sich um eine mittlere Richtung in einem Raumöffnungswinkel ausbreiten, die durch einen Kollimator begrenzt ist, wobei diese Vorrichtung wenigstens einen Fühler (1) enthält, der selbst wenigstens folgendes enthält: - einen Wandler (2), der in der Lage ist, während des Aufschlagens von neutralen Teilchen, die er empfängt, ionisierende Teilchen zu emittieren, wobei dieser Wandler aus einem Festmaterial gebildet ist und sich in einer Ebene erstreckt, - ein Gas, das den Wandler umgibt, und geeignet ist, elektrische Ladungen entstehen zu lassen, wenn es von ionisierenden Teilchen durchdrungen wird, - Erfassungsmittel (3 bis 9), die längliche Leiter zum Sammeln von Ladungen enthalten, die zueinander im wesentlichen parallel und in einem im wesentlichen ebenen Netz vorgesehen sind, das parallel zu der Ebene des Wandlers ist, und die geeignet sind, die Ladungen einzusammeln, die durch stimulierte Ionisation erzeugt werden, - Polarisationsmittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Wandler und die länglichen Leiter, um eine Vervielfältigung der Ladungen durch ihre Beschleunigung in dem so erzeugten Feld zu bewirken, was zu einer stimulierten Ionisierung des Gases führt, - eine Einfassung (18), die für die neutralen Teilchen durchlässig ist und den Wandler, das Gas und die Erfassungsmittel einschließt, und - elektronische Schaltungen, die mit den länglichen Leitern zum Sammeln von Ladungen verbunden sind, um ein Bild zu erzeugen, das repräsentativ ist für die Verteilung der Ladungen auf den länglichen Sammelleitern, mit denen diese Schaltungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator den Strahl von Teilchen, die von der Quelle empfangen werden, auf einen flächigen Strahl (23) begrenzt, der mittig auf die mittlere Ausbreitungsrichtung eingestellt ist, daß die Ebene des Wandlers mit dieser mittleren Ausbreitungsrichtung einen Winkel (Alpha) bildet, der kleiner als 10º ist, daß die Leiter zum Sammeln von Ladungen zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung in der Ebene des Wandlers im wesentlichen parallel ist, daß die elektronischen Schaltungen voneinander unabhängig sind, und daß jede dieser elektronischen Schaltungen mit einem betreffenden Leiter zum Sammeln von Ladungen oder einem betreffenden Paar von Leitern zum Sammeln von Ladungen verbunden ist, die beiderseits der Ebene des Wandlers und einander gegenüberliegend auf der Senkrechten bezüglich dieser Ebene angeordnet sind, und dazu dient, einen der Pixel einer Reihe von Pixeln zu bilden, die ein eindimensionales Bild bilden, das für die Verteilung der Flußstärke von neutralen Teilchen gemäß einer Richtung (26) repräsentativ ist, die zu der Ebene des Wandlers parallel und zu der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen senkrecht ist.

2. Vorrichtung zur Erfassung und Lokalisierung von neutralen Teilchen wie X-Photonen, Gamma-Photonen oder Neutronen, die einem Fluß angehören, der von einer Quelle (32) emittiert wird, und sich um eine mittlere Richtung in einem Raumöffnungswinkel ausbreiten, die durch einen Kollimator begrenzt ist, wobei diese Vorrichtung wenigstens einen Fühler (1) enthält, der selbst wenigstens folgendes enthält: - einen Wandler (2), der geeignet ist, während des Aufschlagens der neutralen Teilchen, die er empfängt, ionisierende Teilchen zu emittieren, wobei dieser Wandler aus einem Festmaterial gebildet ist und sich in einer Ebene erstreckt, - ein Gas, das den Wandler umgibt und geeignet ist, elektrische Ladungen entstehen zu lassen, wenn es von den ionisierenden Teilchen durchdrungen wird, - Erfassungsmittel (3 bis 9) mit länglichen Leitern zum Sammeln von Ladungen, die zueinander im wesentlichen parallel und in einem im wesentlichen ebenen Netz vorgesehen sind, das parallel zu der Ebene des Wandlers ist, und die geeignet sind, die Ladungen einzusammeln, die durch stimulierte Ionisierung erzeugt werden, - Polarisationsmittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Wandler und die länglichen Leiter, um eine Vervielfältigung der Ladungen durch ihre Beschleunigung in dem so erzeugten Feld zu bewirken, was zu einer stimulierten Ionisierung des Gases führt, - eine Einfassung (18), die für die neutralen Teilchen durchlässig ist und den Wandler, das Gas und die Erfassungsmittel einschließt, und - elektronische Schaltungen, die mit den länglichen Leitern zum Sammeln von Ladungen verbunden sind, um ein Bild zu erzeugen, das repräsentativ ist für die Verteilung der Ladungen auf den länglichen Sammelleitern, mit denen diese Schaltungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator den Strahl von Teilchen, die von der Quelle empfangen werden, auf einen flächigen Strahl (23) begrenzt, der mittig auf die mittlere Ausbreitungsrichtung eingestellt ist, daß die Ebene des Wandlers mit dieser mittleren Ausbreitungsrichtung einen Winkel (Alpha) bildet, der kleiner als 10º ist, daß diese Leiter zum sammeln von Ladungen von der Art eines Widerstands sind, im wesentlichen senkrecht zu der Projektion der mittleren Ausbreitungsrichtung auf die Ebene des Wandlers sind und mit ihren Enden mit zwei betreffenden elektronischen Schaltungen verbunden sind, denen sie betreffende Ströme liefern, womit diesen Schaltungen auf an sich bekannte Weise die Lokalisierung der Ladungen entlang dieser Leiter zum sammeln der Ladungen ermöglicht wird, wobei das Bild nun durch ein eindimensionales Bild gebildet ist, das repräsentativ ist für die Aufteilung der Flußstärke von neutralen Teilchen gemäß einer Richtung (26), die parallel zu der Ebene des Wandlers und senkrecht zu der mittleren Ausbreitungsrichtung der neutralen Teilchen ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Material enthält, dessen Ordnungszahl wenigstens gleich 25 ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Material enthält, das einen Wirkungsquerschnitt einer Wechselwirkung mit den neutralen Teilchen von wenigstens gleich 1 Millbarn besitzt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Dicke von höchstens gleich 2 Millimetern besitzt und mit der mittleren Richtung des Flusses von neutralen Teilchen einen Winkel von höchstens 50 bildet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Tantalplatte ist, deren Dicke höchstens gleich 200 Mikrometer beträgt und die mit der mittleren Richtung des Flusses einen Winkel von höchstens gleich 20 bildet.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Drähten und der Abstand zwischen einem jeweiligen Draht und dem Wandler kleiner als 15 Millimeter sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel u. a. wenigstens eine ebene Zusatzelektrode enthalten, die im wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie der Wandler gehalten und parallel zu diesem und auf der anderen Seite des Drahtnetzes als dieser angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel ein Drahtnetz und eine Zusatzelektrode auf jeder Seite des Wandlers enthalten.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck in der Einfassung kleiner als 10&sup6; Pascal ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, daß die Potentialdifferenz, die durch die elektrischen Polarisationsmittel angelegt wird, kleiner als 30 kV ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Träger enthält, der den Wandler und die Erfassungsmittel entsprechend einer Neigung hält, die bezüglich einer Bezugsachse festgelegt ist, die mit der Außenform der Einfassung verbunden ist und es ermöglicht, die gewünschte Orientierung des Wandlers gegenüber der mittleren Richtung des Flusses von neutralen Teilchen zu erhalten, indem diese Bezugsachse in diese Richtung orientiert wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator einen Schlitz aufweist, dessen Spur in der Ebene des Wandlers des Fühlers im wesentlichen senkrecht zu der mittleren Richtung des Flusses von neutralen Teilchen ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Tragelement enthält, an dem mehrere Fühler angebracht sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler derart versetzt auf dem Tragelement angeordnet sind, daß ihre betreffenden Wandler, die in ihrer Einheit betrachtet werden, einen von der Quelle stammenden flächigen Strahl von neutralen Teilchen vollständig erfassen.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement eine umgreifende Form wie die eines L, eines U oder eines Kreisbogen annimmt, wobei die Quelle in einem Abstand von dem Tragelement im Innern dieser umgreifenden Form angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der verwendeten neutralen Teilchen zwischen 250 keV und 2 MeV liegt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der verwendeten neutralen Teilchen zwischen 350 keV und 750 keV liegt.