DE2909143A1

DE2909143A1 - Szintillationskamera

Info

Publication number: DE2909143A1
Application number: DE19792909143
Authority: DE
Inventors: Charles Robbins; Shih-Ping Wang
Original assignee: Diagnostic Information
Current assignee: Diagnostic Information
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1979-03-08
Publication date: 1979-09-13
Also published as: DE2909066A1; FR2419522B1; FR2419583B1; GB2016206B; NL7901908A; CA1119316A; GB2016205B; JPS54127275A; FR2419583A1; GB2016205A; DE2909066C2; US4221967A; JPS54126582A; GB2016206A; FR2419522A1; JPS6340351B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Strahlungsdetektoren und insbesondere Szintillationskameras und Radioisotop-Bildgeräte.

Eine Szintillationskamera mit einem Kollimator, einem Szintillatorschirtn und Photomultiplierröhren (PMT), die mit dem Szintillator gekoppelt waren, ist bekannt (US-PS 3 011 057). Bei dieser sog. Anger-Kamera sind die Photomultiplierröhren mit Schaltungen verbunden, die deren Signale dazu verwenden, um die Position jeder Szintillation zu bestimmen und Lichtflecken oder Punkte auf der Fläche eines Oszilloskops an entsprechenden Positionen zu erzeugen.

Die Anger-PMT-Schaltung detektiert sowohl das Zentroid als auch die Impulshöhe eines Gammastrahlenblitzes auf dem Szintillatorschirm. Die Zentroidlage ist durch die Koordinaten x, y gegeben, und die Helligkeit oder Amplitude (oder die effektive Impulshöhe)des Blitzes ist durch die Koordinate ζ gegeben. Die Anger-Kammera ergibt also repräsentative Charakteristiken des auftreffenden Gammastrahls nach x, y und z. Das erfolgt seriell, d. h. jeder Gammastrahlenblitz, wie er durch diesen Signalimpuls am PMT-Ausgang repräsentiert wird, wird einzeln analysiert.

Die Anger-Kamera wird zwar im weiten Umfang verwendet, hat jedoch einige grundsätzliche Mängel. Diese sind:

a) Schlechte natürliche räumliche Auflösung (Ungewissheit hinsichtlich der Werte von χ und y).

b) Schlechte Impulshöhenauflösung (Unsicherheit hinsichtlich der Werte von z).

c) Schlechte Stabilität.

d) Schlechte Zähl rate

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Diese grundsätzliche Einschränkungen oder Nachteile werden im Folgenden näher besprochen:

a) Natürliche räumliche Auflösung. Die räumliche Auflösung der Anger-Kamera hat einen extern bestimmten Teil, der mit externen geometrischen Faktoren in Beziehung steht, wie Objektdistanz von der Kamera, Kollimatorkonstruktion usw. Die räumliche Auflösung der Anger-Kamera hat auch einen natürlichen oder ihr innewohnenden Teil, der auf die Art und Weise zurückzuführen ist, in der ein Gammastrahl seine Energie im Szintillator verliert und die Statistiken der Aufteilung von Lichtphotonen von jeder Szintillation auf die verschiedenen PMTs und die Statistik der Erzeugung der Photoelektronen in jeder PMT. Der natürliche Teil von niedrigeren Gammastrahlen-Energiepegeln ist fast vollständig auf die Statistiken der Aufteilung der Lichtphotonen und der Erzeugung von Photoelektronen an den Photokathoden der PMTs zurückzuführen. Das heißt, die Statistiken machen die Lage des Zentroids des Blitzes ungewiss. Diese Situation wird schlechter, wenn die Gammastrahlenenergie fällt. Daran liegt es, daß die Anger-Kamera energiearme Gammastrahlen nicht sehr gut abbilden kann. Die räumliche Auflösung verschlechtert sich gleichmäßig bei Gammastrahlen-Energiepegeln unterhalb von 500 keV. Die Verwendung von PMTs mit höherem Photokathodenwirkungsgrad verbessert die räumliche Auflösung etwas. Die Verwendung von mehr PMTs pro Kamera verbessert ebenfalls die räumliche Auflösung, das erfolgt jedoch auf Kosten der Stabilität und des Aufwandes. Die natürliche räumliche Auflösung von derzeitigen Kameras liegt bei Gammastrahlenenergien oberhalb von 200 keV bei etwa 5 bis 6 mm, gemessen durch die volle Breite bei halbem Maximum der Linienverteilungsfunktion, und das ist für viele praktische Anwendungen in der Nuklearmedizin nur noch sehr beschränkt brauchbar.

b) Impulshöhenauflösung. Die Impulshöhenauflösung der Anger-Kamera ist auch nur begrenzt insoweit als ein großer Teil der unerwünschten Ereignisse durch Compton-gestreute Gammastrahlen als echte Signale

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akzeptiert wird. Dieses Problem verschlechtert sich noch bei geringeren Gammastrahlenenergien, weil der Energieabstand zwischen dem primären Gammastrahl und Compton-gestreuteη Gammastrahlen kleiner wird. Die Verwendung von PMTs mit höherem Photokathodenwirkungsgrad verbessert die Impulshöhenauflösung etwas, jedoch nicht ausreichend.

c) Stabilität. Die Stabilität der Anger-Kamera hängt von Verstärkungsstabilität der PMTs ab. Je mehr PMTs in jeder Kamera vorhanden sind, umso mehr ist die Kontrolle das Problem. Jedes Prozent Drift in der PMT-Spannungsversorgung verursacht mehr als 10 Prozent Drift in der Verstärkung der PMT.

d) Zähl rate. Die Zählratekapazität der Anger-Kamera bei der Handhabung von großen Zahlen von Ereignissen in einer kurzen Zeitspanne hängt von der Abfall zeit des mit Thallium aktivierten Natriumiodid-Szintillatorkristalls und dem dynamischen Ansprechen des Impulsverstärkers und der Impulsformschaltungen ab.

Bei verschiedenen Versuchen, einen oder mehrere der oben genannten Nachteile der Anger-Kamera zu beseitigen, wurden Bildverstärkerröhren zwischen dem Szintillator und den Photodetektoren verwendet. Solche Szintillationskamera-Konstruktionen auf der Grundlage von Bildverstärkerröhren sind vielfach bekanntgeworden, und es ist sogar über Kämeraprototypeη berichtet worden. Einige Berichte erschienen sogar vor der Erfindung der Anger-Kamera. Mehrere Kameras wurden kommerziell verfügbar gemacht, aber bis heute hat gegen die universell akzeptierte Anger-Kamera keine auf dem Markt überlebt. Die Schwäche dieser Kameras kann auf das schlechtere Gesamt-Betriebsverhalten, verglichen mit.der Anger-Kamera zurückgeführt werden. (S.P.I.E., Band 78, S. 113-117 (1976); Proc. I.E.E.E., Band 58, S. 217-242 (1970); US-PS 36 83 185 und 35 31 651).

Es sind mehrere wichtige Mängel im Vergleich zur Anger-Kamera bei praktisch allen diesen Szintillationskameras mit Bildverstärker-

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If

röhren vorhanden. Es handelt sich um:

1. Schlechte Impulshöhenstatistik derart, daß geringe oder keine Möglichkeit besteht, Compton-gestreute Ereignisse zurückzuweisen. Das resultiert allgemein in einem verringerten Bildkontrast und schlechter Sichtbarkeit von Kaltflecken, so daß die Kamera für allgemeine Verwendung ineffektiv wird. Die Ursache dafür ist entweder auf die Unfähigkeit der Kamera-Konstruktion zurückzuführen, für eine Impulshöhenanalyse zu sorgen, oder auf schlechte Kollektor- und Ausnutz-Charakteristiken der sichtbaren Photonen von jedem Szintillationsblitz im Szintillatorschirm.

2. Meßbarer Grad an Bildverzerrung, so daß die Kamera nicht in der Lage ist, einen hohen Genauigkeitsgrad in der Konfiguration des dargebotenen Bildes zu schaffen. Dadurch wird die Kamera unerwünscht in Untersuchungen wie volurnetrisehen Untersuchungen. Die Ursache dafür ist auf die inhärente Bildverzerrung von invertierenden und verkleinernden Bildverstärkerröhren zurückzuführen und den gekrümmten Szintillatorschirm,der in der Kamera verwendet wird.

3. Störimpulse in Bildverstärkerröhren. Störquellen, die keine Szintillation als Ursprung haben, sind in Bildverstärkerröhren allgemeine Probleme. Für Abbildung von Gammastrahlen geringer Aktivität ist das besonders wichtig. Ein allgemeiner Fehler von solchen bekannten Kameras ist die große Anzahl von exponierten, externen Bereichen auf negativer Hochspannung, die potentielle Gefahrenpunkte für Koronaentladung und induzierte Störimpulse sind.

4. Raumaufwand und Implosionsgefahr sowie Hochspannungsgefahren. Der Raumaufwand ist ein allgemeines Problem. Inhärent im Raumaufwand ist der große Vakuumraum, der von Bildverstärkerröhren umschlossen wird, der eine potentielle Gefahr für Implosion und herumfliegende Glassplitter ist.

Die Hochspannung, die diesen Bildverstärkerröhren zugeführt werden muß, ist eine andere Gefahrenquelle. Ein Ende dieser Röhren muß

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auf einer hohen Spannung betrieben werden, und das andere Ende auf Erdpotential. Das Hochspannungsende muß einwandfrei isoliert sein, so daß es keine Schockgefahr bildet. Es soll auch keine Störquelle sein, wie oben erwähnt. Häufig ist die Isolation am Photokathodenende so dick, daß der Kollimator nicht nahe genug an den Szintillatorschirm gesetzt werden kann, um den externen räumlichen Auflösungsverlust für die Kamera zu minimieren, um die verbesserte innere räumliche Auflösung auszunutzen.

Dem Anmeldungsgegenstand am nächsten stehen die US-PS 36 83 185 und

35 31.651. Die Kamera nach der US-PS 36 83 185 besteht aus einem flachen Kristal 1-Szintillatorschirm außerhalb einer Bildverstärkerröhre großen Durchmessers, die elektrostatisch und invertierend ist und einen verkleinerten Ausgang aufweist, eine gekrümmte Eingangs-Photokathodenfläche, zwei zusätzliche Röhren mit elektrostatischer, invertierender Konstruktion, die alle gekrümmte Eingangsphotokathode und gekrümmten Ausgangsphosphor haben, und einem Positionsfühldetektor mit zugehöriger Schaltung. In einer der Ausführungsformen der US-PS

36 83 185 sowie bei der US-PS 35 31 651 sind auch Konstruktionen mit einem gekrümmten Szintillatorschirm innerhalb der Bildverstärkerröhre und einer gekrümmten Photokathode, die auf dem Schirm niedergeschlagen ist, beschrieben. Alle diese Kameras haben wenigstens die oben in den Abschnitten 2, 3 und 4 diskutierten Mängel.

Eine elektrostatische, invertierende Bildverstärkerröhre führt eine erhebliche räumliche Verzerrung ein, so daß eine genaue volumetrische Bestimmung mit dieser Kamera zweifelhaft wird. Die Hochspannung muß dem Eingangsende zugeführt werden, so daß die Isolierung und die Anordnung des Kollimators schwierig werden. Die Anordnung des Szintillatorschirms außerhalb der Röhre bewirkt eine ineffiziente optische Kopplung mit der Photokathode und sorgt wiederum für schlechte Impulshöhenauflösung und schlechte räumliche Auflösung. In beiden erwähnten US-PS wird nicht gezeigt, wie der interne Kristall-Szintillator einwandfrei verwendet und mit der Photokathode gekoppelt werden kann.

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Zusammenfassung der Erfindung

Diese und weitere Nachteile bekannter Bildverstärker-Gammastrahlenkameras werden erfindungsgemäß durch eine modifizierte Anger-Kamera vermieden, die aus einem Kollimator, einem mit dem Kollimator ausgefluchteten flachen Szintillatorschirm, einer ersten flachen Photokathode, die mit ihren flachen Flächen parallel und benachbart zum Szintillatorschirm angeordnet ist, einem ersten flachen Ausgangsleuchtschirm im Abstand von der Photokathode und parallel zu dieser auf der dem Szintillatorschirm abgewandten Seite, einem Ausgangsfenster, auf das der erste Ausgangsschirm montiert ist, einem metallischen Eingangsfenster, einem hohlen, metallischen Röhrenkolben mit offenen Enden, der den Szintillatorschirm und die Photokathode umgibt und der an einem Ende mit dem Ausgangsfenster und am anderen Ende mit dem Eingangsfenster abgeschlossen ist und der evakuiert ist, und Einrichtungen besteht, mit denen ein beschleunigendes elektrostatisches Potential zwischen dem Ausgangsschirm und der Photokathode angelegt wird. Der Kollimator ist bei einer Ausführungsform außerhalb des Röhrenkolbens angeordnet und in enger Nachbarschaft zum Eingangsfenster. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Kollimator innerhalb des Röhrenkolbens und vor dem Szintillatorschirm, gesehen in Richtung der auftreffenden Strahlung, montiert.

Bei der bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung haben der Szintillatorschirm, die Photokathode und der Ausgangsleuchtschirm im wesentlichen die gleichen Diagonal abmessungen. Mehrere Photodetektoren sind optisch durch das Ausgangsfenster mit dem Ausgangsleuchtschirm gekoppelt. Diese Photodetektoren, beispielsweise Photomultiplierröhren, sind mit der üblichen Anger-Kamera-Schaltung verbunden, die die von den Photomultiplierröhren ausgehenden Signale verarbeitet und ein Bild entsprechend dem Lichtbild erzeugt, das von der auftreffenden Strahlung auf den Szintillator erzeugt wird. Die Erzeugung dieses Bildes erfolgt im wesentlichen in der gleichen Weise,wie in der US-PS 30 11 057 beschrieben, wegen des höheren Umwandlungswirkungsgrades der Bildverstärkerröhre nach der Erfindung und weil dec

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Szintillatorkristall unmittelbar der Photokathodenschicht benachbart ist, werden größere Impulshöhenstatistiken und damit eine größere räumliche Auflösung erreicht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liefert jedes auftreffende Gammastrahlenphoton eine Vielzahl von Photonen am Ausgangsleuchtschirm, die mit den Photomultiplierröhren exakt trianguliert werden können. Das erlaubt der Photomultiplierröhrenschaltung auch, leicht zwischen direkter auftreffender Strahlung und Streustrahlung zu unterscheiden.

Bei einer Modifikation der bevorzugten Ausführungsform sind der Szintillatorschirm, die Photokathode und der Ausgangs leuchtschirm segmentiert und die den Photomultiplierröhren der verschiedenen Segmente zugeordneten Schaltungen arbeiten unabhängig voneinander, so daß jedes Segment als getrennte Gammastrahlenkamera arbeitet.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine zweite Verstärkungsstufe eingeführt. Bei dieser zweistufigen Version der Erfindung ist der erste Ausgangsleuchtschirm auf eine Seite einer Lichtfaserplatte statt auf das Ausgangsfenster montiert. Ein zweite Photokathode ist auf die andere Seite der Lichtfaserplatte montiert. Ein zweiter Ausgangsleuchtschirm ist auf das Ausgangsfenster montiert und ist im Abstand parallel zur zweiten Photokathode angeordnet. Zusätzliche Einrichtungen werden dazu verwendet, ein elektrostatisches Potential zwischen die zweite Photokathode und den zweiten Ausgangsleuchtschirm zu legen. Diese Anordnung gibt noch eine größere Kapazität zur Unterscheidung zwischen direkter Strahlung und Streustrahlung.

Bei allen erwähnten Ausführungsformen ist das Eingangsfenster metallisch und besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl Type 17-7PH.Es wurde festgestellt, daß dieser Stahl außerordentlich erwünschte Röntgen-Eingangs-Charakteristiken hat. Die praktisch ganzmetallische und

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robuste Konstruktion der Röhre minimiert die Implosionsgefahr. Der kleine von der Röhre eingeschlossene Vakuumraum repräsentiert eine erheblich kleinere gespeicherte potentielle Energie als konventionelle Röhren, so daß die Implosionsgefahr weiter minimiert wird. Weiter, wenn das Metall ein Loch erhält,verhält es sich anders als Glas, d.h. die Luft leckt einfach in das Innere, ohne daß Bruch- oder Implosionsgefahr besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine verbesserte Anger-Gammastrahlenkamera verfügbar zu machen, in der eine Nahbereichs-Bildverstärkerröhre verwendet wird.

Weiter soll durch die Erfindung eine verbesserte Änger-Gammastrahlenkamera verfügbar gemacht werden, die eine größere Kapazität zur Unterscheidung zwischen auftreffender Strahlung und Streustrahlung hat.

Weiter soll durch die Erfindung eine verbesserte Anger-Gammastrahlenkamera mit größerer räumlicher Auflösung verfügbar gemacht werden^

Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Gammastrahlenkamera;

Fig. 2

und 3 graphische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 4 eine zweite, zweistufige Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Ansicht des Ausgangsleuchtschirms einer weiteren modifizierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt durch einen kombinierten Kollimator-Szintillator-Schirm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

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Fig. 7 ein Schnittdetail der SzintiΠatorschirm-Anordnung der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 8 einen Schnitt durch die Bildverstärkerröhre nach der Erfindung;

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 8; und

Fig.10 schematisch eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Gammastrahlenkamera nach der Erfindung. In diesem vereinfachten Schema emittiert ein strahlenemittierender Körper 10, beispielsweise ein menschlicher Patient, der eine kleine Menge eines radioaktiven Isotops in sich trägt, Strahlungsstimuli 12 in Form von Gammastrahlenphotonen, die auf einen Parallellochkollimator auftreffen. Der Kollimator besteht aus einem Material hoher Ordnungszahl , beispielsweise Blei, Wolfram oder Tantal, das die Gammastrahlen 12 stoppt, wo kein durchgehendes Loch 16 vorgesehen ist.

Der Kollimator ist an ein Ende eines Gehäuses 18 montiert, das die Kamera 20 nach der Erfindung umgibt. Hinter dem Kollimator 14, bezogen auf die Laufrichtung der Gammastrahlen 12, ist eine Bildverstärkerröhre montiert. Die Bildverstärkerröhre besteht aus einem metallischen Vakuumröhrenkolben 28, typischerweise aus rostfreiem Stahl Type 304, und einem metallischen, einwärts konkaven Eingangsfenster 22 unmittelbar angrenzend an den Kollimator 14. Das Fenster 22 ist aus einer speziell gewählten Metallfolie oder Legierungsfolie der Familie Eisen, Chrom und Nickel und in einigen Ausführungsformen zusätzlichen Kombinationen von Eisen oder Nickel zusammen mit Kobalt oder Vanadium hergestellt. Es ist wichtig,zu erwähnen, daß diese Elemente üblicherweise in der Technik nicht als gute Gammastrahl-durchlässige Fenstermaterialien für diagnostische Geräte betrachtet werden. Wenn das Fenster dünn gemacht wird, bis herab zu 0,1 mm Dicke, ist es möglich, mit diesen Materialien eine hohe Gammastrahlen-Transmission zu erreichen und gleichzeitig die

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gewünschte Zugfestigkeit zu erhalten. Insbesondere wird in der bevorzugten Ausführungsform eine Folie verwendet, die aus rostfreiem Stahl Type 17-7 PH₉ einem Ausscheidungs-gehärteten rostfreien Chrom-Nickel-Stahl hergestellt ist. Diese Legierung ist vakuumdicht, hat eine hohe Zugfestigkeit und sehr attraktive Gammastrahlen-Transmissionseigenschaften: hohe Transmission für primäre Gammastrahlen, geringe Selbststreuung, und vernünftig absorbierend bezüglich Compton-gestreuter Gammastrahlen. Das Fenster 22 ist in die Röhre wie ein Trommelfell konkav eingesetzt.

Die Verwendung von Werkstoffen, die für hohe Gammastrahl endurchlässigkeit bekannt sind, wie Beryllium, Aluminium und Titan beispielsweise, bewirken eine unerwünschte Streuung.

Ein Zweck des Metall fensters 22 besteht darin, daß es sehr großen Durchmesser haben kann, verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem konvexe Glasfenster verwendet werden, ohne daß die Bildqualität beeinträchtigt wird. Bei einer Ausführungsform hat das Fenster eine Dicke von 0,1 mm und Außenabmessungen 25 cm χ 25 cm und kann mehr als 100 pounds per square inch (6,9 Bar} widerstehen. Das Eingangsfenster kann quadratisch, rechteckig oder kreisförmig sein, da es sich um ein Material mit hoher Zugfestigkeit handelt und unter Spannung statt unter Druck steht.

Hinter dem Eingangsfenster 22, wieder gesehen in Laufrichtung der Gammastrahlen 12, befindet sich der Szintillatorschirm 24. Dieser Szintillatorschirm ist in einen Koronaschirm und Stützring 26 montiert, der seinerseits in den metallischen Röhrenkolben 28 montiert ist. Der Kolben 28 ist am Vorderende mit dem Eingangsfenster 22 abgeschlossen und am entgegengesetzten Ende mit einem gläsernen Ausgangsfenster 30. Auf der Seite des Szintillatorschirms 24, die sich dem Eingangsfenster 22 am nächsten befindet, befindet sich eine reflektierende Auflage 32, und auf dieser eine metallisierte Tragschicht 34.

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Einzelheiten des Aufbaus des Szintillator-Photokathode-Schirms sind in Fig. 7 dargestellt. Ersichtlich ist der Schirm 24, der als Einkristallplatte dargestellt ist, mit einer metallisierten Kante 36 versehen, der in elektrischem Kontakt mit einer Feder 38 steht, die in den Koronaschirm und Stützring 26 montiert ist. Die der metallisierten Schicht 34 und der Reflexionsschicht 32 entgegengesetzte flache Seite des Kristalls 24 ist wahlweise mit einer Sperrschicht 40 aus frisch aus dem Dampf niedergeschlagenem CsI(Na), CsI, Wismutgerminat oder AIpO₃ bedeckt, die alle ähnliche Brechungsindices haben. Auf dieser Lage 40 ist die Photokathodenschicht 42 niedergeschlagen, die in elektrischem Kontakt mit der metallisierten Kante 36 steht.

Beispiele für geeignete Materialien, die bei dieser Schirmanordnung verwendet werden können, sind Aluminium, Aluminiumoxyd oder Titanoxyd für die Reflexionsschicht 32, Aluminium oder Chrom für die metallisierte Schicht 34 und CsI(Na) für den Kristall 24. Die Schichten 32 und 34 können aus dem Dampf niedergeschlagen werden. Die Schichten 32, 34 und 40 sind typischerweise dicker als 0,1 μ und dünner als 25 μ. Der Kristall 24 kann auch aus NaI(Tl) hergestellt sein. Für äquivalente Gammastrahlenbremskraft kann ein Kristall aus CsI(Na) dünner gemacht werden als NaI(Tl), für bessere Impulshöhenstatistiken wird jedoch NaI(Tl) verwendet. Der Kristall kann aus dem Dampf auf die reflektierende Schicht 32 und den metallisierten Träger 34 niedergeschlagen sein. Der Kristall kann auch ein Einkristallblock sein.

Wenn der Kristall 24 ein Einkristallblock ist, der aus einem Einkristallrohling herausgeschnitten ist, und wenn die Dicke größenordnungsmäßig 1-2 mm oder mehr beträgt, braucht es nicht notwendig zu sein, das metallisierte Substrat 34 zur mechanischen Abstützung zu verwenden. Da der Kristallblock vor der Röhrenmontage gewöhnlich in erheblichem Umfang gehandhabt wird, ist eine dünne Lage aus frisch (gerade vor der endgültigen Röhrenmontage) aus dem Dampf nieder-

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geschlagenem CsI(Na), Wismutgerminat, CsI oder AIoO₃ als Sperrschicht 40 auf dem Szintillatorschirm erwünscht. Der Zweck dieser Lage ist es, zu verhindern, daß die Photokathode durch Oberflächenverunreinigungen des Kristalls vergiftet wird. Diese Sperrschicht ist besonders im Falle eines NaI(Tl}-Kristalls 24 wichtig, wo die Sperrschicht auch dazu verwendet wird, die Verdampfung oder das Entweichen von TlI zu minimieren. Es ist jedoch wichtig, hervorzuheben, daß es auch Ziel der Erfindung ist, daß die sichtbaren Photonen von jeder Szintillation wirksam mit der Photokathode gesammelt werden. Das wird durch die Verwendung von Sperrschichtmaterialien erreicht, die passende Brechungsindices zum Szintillatorkrjstall haben.

Eine weitere transparente und leitende Schicht kann zwischen der Sperrschicht 40 und der Photokathode 42 eingefügt werden, um eine bessere elektrische Leitfähigkeit und Oberflächensauberkeit zu erreichen. Materialien wie Ti oder Ni können für diesen Zweck verwendet werden.

Die Photokathodenschicht 42 kann CsgSb sein, d.h. Industrie-Leuchtstoff typen S-9 oder S-Il. Herstellungsverfahren für diese Photokathodenschicht sind gut bekannt. Es wurden gute Erfolge mit der Antimon-Vorverdampfungsmethode erhalten, bei der eine dünne Lage Antimon auf den Szintillatorschirm 24 niedergeschlagen wird, ehe die Röhre montiert wird und der Absaug-Heizzyklus durchgeführt wird, ■ . und Cäsiumdampf wird nach dem Absaug-Ausheizzyklus und bei einer j

Prozeßtemperatur von 120-170° C eingeführt. Photokathoden höherer Effizienz, beispielsweise Mehralkali-Antimonid, können ebenfalls [

verwendet werden. (KCsUSb, allgemein als Bial kali-Photokathode j

bezeichnet, kann ebenfalls verwendet werden. Es wurde festgestellt, f daß (KCs),Sb auch mit der Antimon-Vorverdampfungsmethode nieder- ·

geschlagen werden kann — der Einführung von Kaliumdampf folgt die i Einführung von Cäsiumdampf. Der Szintillatorschirm 24 und '

die Photokathode 42 werden mit negativer hoher Spannung '<

betrieben. Die restlichen Teile der Bildverstärkerröhre, ein-

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schließlich des metallnen Kolbens 28, werden alle auf Erdpotential betrieben. Das Konzept, die Oberfläche zu minimieren, die negativ gegen den Ausgangsschirm ist, resultiert in einer reduzierten Feld- · emissionsrate innerhalb der Röhre und erlaubt es, die Röhre bei höheren Spannungen und damit höherem Helligkeitsgewinn arbeiten zu lassen. Wie bereits erwähnt, ist die Herabsetzung der Feldemission besonders in einer Gammastrahlenkamera erwünscht, weil auftreffende Stimuli mit relativ niedriger Rate auftreten. Es wird auch die Gefahr eines elektrischen Schocks für den Patienten oder Benutzer minimiert, wenn jemand irgendwie mit dem Außenkolben der Röhre in Berührung kommen sollte.

Das dicke Glassubstrat 30 mit hoher Ordnungszahl (Z), auf das der Ausgangsleuchtschirm 46 niedergeschlagen ist, und das eine Außenendwand des Vakuumröhrengefäßes 28 bildet, ist mittels eines Kragens aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung mit der Handelsbezeichnung "Carpenter Nr. 456" am Röhrengefäß 28 befestigt. Da der thermische Dehnungskoeffizient dieser Legierung der des Glases angepaßt ist, und nahezu dem des Röhrenkolbens 28, kann der Kragen 31 auf das Glassubstrat 30 gefrittet werden und an den Röhrenkolben angeschweißt. Die Dicke des Szintillatorschirms 24 liegt im Bereich von 0,5 mm bis 50 mm für einen Gammastrahlenenergiebereich von 30 keV bis 511 keV.

Der Koronaschirm und Abstützring 26 ist aus Aluminium hergestellt, mit einer Aluminiumoxydschicht (AIpO₃) und trägt den Szintillatorschirm 24. Dieser Ring steht in elektrischem Kontakt mit dem Schirm

24 und der Photokathode 42, die auf den Schirm/niedergeschlagen ist. Der Ring 26 wird vom metallnen Röhrenkolben 28 auf Isolatoren 27 (vergl. Fig. 8 und 9) abgestützt und ist mit einer Hochspannungsversorgung 44 verbunden. Die Hochspannungsversorgung 44 ist auch mit dem Röhrenkolben 28 verbunden, der elektrisch mit einem Ausgangsleuchtschirm 46 verbunden ist, der auf der inneren flachen Fläche des Ausgangsfensters 30 niedergeschlagen ist. Der Erdeanschluß der Stromversorgung 44 ist mit dem Kolben 28 verbunden, so daß für den

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Benutzer kein Schockpotential existiert.

Wie oben erwähnt, ist der Koronaschirm und Stützring 26 für den Szintillator und die Photokathode erfindungsgemäß vom Röhrenkolben zwischen dem Eingangsfenster 22 und dem Ausgangsschirm 46 mit mehreren isolierenden Pfosten 27 suspendiert. Einer oder mehrere dieser Pfosten kann im Zentrum hohl sein, damit ein isoliertes Hochspannungskabel von der Quelle 44 eingesetzt werden kann, um den Szintillator 24 mit Hochspannung zu versorgen.

Um Ladungen zu reduzieren, die sich auf den isolierenden Pfosten ansammeln können, sind diese mit einem leicht leitenden Material beschichtet, beispielsweise Chromoxyd, das akkumulierte Ladung dadurch ableitet, daß ein Kriechweg von besser als 20 kV/cm geschaffen wird.

Der Ausgangsleuchtschirm 46 kann aus bekannten Leuchtstoffen P-15 oder P-16 mit der üblichen dünnen Aluminiumfilmschicht auf der Vakuumseite hergestellt sein. Diese Leuchtstoffe werden als relativ schnell in ihrem Ansprechverhalten angesehen. Dieses schnelle Ansprechen wird benötigt, wenn jeder einzelne Gammastrahlen-Szintillationsblitz seriell einzeln sowohl hinsichtlich der Blitzhelligkeit (Impulshöhe) auf dem Ausgangsschirm 46 und hinsichtlich des Zentroids oder der gewichteten mittleren Lage des Blitzes auf dem Schirm untersucht wird.

Mit der äußeren flachen Fläche des Ausgangsfensters 30 sind mit Lichtleitern 48 mehrere Photomultiplierröhren 50 optisch gekoppelt. Diese Röhren sind ihrerseits zu einer Triangulations- und Impulshöhenanalyse-Schaltung 52 verbunden. Die Anordnung der Photomultiplierröhren 50 und die Schaltung des Positionslokalisierungs- oder Triangulations- und Impulshöhenanalyse-Netzwerks 52 sind dem Fachmann bekannt und insbesondere beispielsweise in Fig. 2 der US-PS 30 11 bzw. Fig. 5 und 6 der US-PS 36 83 185 beschrieben und brauchen deshalb hier nicht erläutert zu werden. Der Ausgang des Positions-

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netzwerks 52 wird einer geeigneten Anzeige zugeführt, beispielsweise einem Kathodenstrahl-Oszi11 oskop 54. Die Impulshöhenwahl der Anzeige sowie die x- und y-Koordinaten der Anzeige werden vom Positionsnetzwerk 52 gesteuert, wie in den erwähnten US-PS 30 11 057 und 36 83 185 beschrieben.

Im Betrieb passieren die Gammastrahlen 12 vom Körper 10 durch die Löcher 16 des Kollimators 14 und treffen auf dem Szintillatorschirm auf, wobei ein lokalisierter Lichtblitz erzeugt wird. Dieser Lichtblitz sorgt dafür, daß die Photokathode 42 ein entsprechendes Muster aus Photoelektronen erzeugt, die mittels des elektrostatischen Potentials zwischen der Photokathode 42 und dem Ausgangsschirm 46 von der Hochspannungsversorgung 44 zum Ausgangsschirm 46 beschleunigt werden. Die beschleunigten Photoelektronen, die auf den Ausgangsleuchtschirm 46 aufprallen, erzeugen entsprechende Lichtblitze auf dem Ausgangsschirm, die mit den Photomultiplierröhren 50 detektiert werden.

Der Parallelloch-Koilimator 14 kann für gewisse Anwendungsfälle auch durch andere bekannte Kollimatorentypen ersetzt werden, beispielsweise Pin-Loch, divergierendes Loch, konvergierendes Loch, etc. Die Konstruktionsüberlegungen für solche Kollimatoren sind ebenfalls bekannt, vergl. beispielsweise

1. E.L. Keller, J.Nuc.Med., Band 9, S.233-235 (1968) "Optimum Dimensions of parallel-hole multi-aperture collimators for Gamma-ray Cameras".

2. H.O. Anger, "Radioisotope Cameras" in "Instrumentation in Nuclear Medicine", hrsg» v. Gr.J. Hines (Academic Press 1967), S. 485-552.

Die Konstruktionsbetrachtungen für den Lichtleiter 48 sind ebenfalls bekannt (vergl. beispielsweise US-PS 36 83 180 und 30 11 057).

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Wie anfangs erwähnt, erhöht die Verwendung der Bildverstärkerstruktur zwischen den Photomultiplierröhren 50 und dem Szintinatorkristall erheblich die Anzahl der Photonen, die mit jedem auftreffenden Gammastrahl erzeugt werden, so daß die Fähigkeit des Triangulationsnetzwerks 52, das Zentroid des Blitzes zu lokalisieren, stark erhöht wird, und erlaubt es dem Netzwerk, besser zwischen auftreffenden und gestreuten Gammastrahlen mittels der verbesserten Impulshöhenstatistiken zu unterscheiden. Die Erhöhung der Photonenzahl wird als Impulsgewinn bezeichnet. Die Beziehung zwischen dem Impulsgewinn und der Bildverstärkungsröhrenspannung ist in Fig. 2 für eine typische Kombination einer Photokathode von der Art SIl (Gs-Sb) und Ausgangsleuchtstoff Type P15 dargestellt.

Aus dem gleichen Grunde ist die erfindungsgemäße Kamera in der Lage, befriedigend bei niedrigeren Gammastrahlenergiepegelη zu arbeiten als eine konventionelle Anger-Kamera, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die erfindungsgemäße Kamera verbessert also das Betriebsverhalten einer konventionellen Anger-Kamera erheblich, ohne daß andere Nachteile eingeführt werden, wie das bei den meisten bekannten Systemen der Fall ist. Diese Verbesserung wird durch die Auswahl eines flachen Szintillatorschirms, einer flachen Photokathodenschicht, die effektiv mit dem Szintillatorschirm gekoppelt ist, eines flachen Ausgangsschirms, und einer Bildverstärkungseinrichtung mit extrem guten Impulshöhenstatistiken erreicht.

In Fig. 5 ist eine modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kamera dargestellt. Bei der konventionellen Anger-Kamera ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 werden die Ausgänge von den Photomultiplierröhren 50 seriell verarbeitet. Das setzt eine Grenze für die Ansprechzeit der Kamera. Um die Systemzähl rate und damit ihr Ansprechverhalten zu verbessern, können der Szintillatorschirm 24, die Photokathode 42 und der Ausgangsschirm 46 in entsprechende und miteinander ausgefluchtete Segmente segmentiert werden. Die Segmen-

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tation des Ausgangsschirms ist in Fig. 5 mit 46' bezeichnet; der Szintillatorkristall 24 und die Photokathodenschicht 42 sind in ähnlicher Weise segmentiert und ausgefluchtet. Die Photomultiplierröhren 50 können in einem Muster angeordnet werden, wie es durch das Bezugszeichen 50' für jedes Segment angedeutet ist. Das Triangulationsnetzwerk 52 ist dann so angeordnet, daß die Ausgänge der Photomultiplierröhren 50' nur innerhalb eines bestimmten Segmentes seriell verarbeitet werden. Die Ausgänge von den Röhren in den übrigen Segmenten werden zur gleichen Zeit verarbeitet. Die Ausgänge vom Positionsnetzwerk 52 können für Anzeigezwecke seriell abgefragt werden, oder sie können gleichzeitig an eine Mehrspuranzeige geliefert werden. Bei dieser Modifikation der Gammastrahlenkamera nach der Erfindung werden die Segmentationen optisch unterteilt, um ein übersprechen zu verhindern.

Es ist wichtig, den Szintillatorkristall 24 so nah wie möglich am Kollimator 14 anzuordnen, so daß die hohe räumliche Auflösung der Kamera ausgenutzt werden kann. Ein erheblicher Raum zwischen dem Kollimator und dem Eingangsschirai verursacht eine Verschlechterung der räumlichen Auflösungseigenschaften des Systems. Der Eingangsschirm in der Grundkamera soll so nah wie möglich am Eingangsfenster 22 angeordnet werden, ohne Hochspannungsprobleme durch zu große Nähe zu verursachen. Eine bessere Lösung ist jedoch in Fig. 6 dargestellt, gemäß der ein modifizierter Kollimator 14^r sich innerhalb des Röhrenkolbens 28 befindet, und vom Koronaschirm und Stützring 26' auf der dem Objekt 10 zuweisenden Seite des Szintillatorkristalls 24' abgestützt ist. Es ist zu erwähnen, daß die Elemente, die den oben beschriebenen entsprechen, mit.entsprechenden, mit Strich (') versehenen Bezugszeichen bezeichnet sind.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der billige Festkörper-Photodetektoren an Stelle von Photomultiplierröhren 50 verwendet werden können. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Ausgangsleuchtschirme und zwei Photokathoden vorgesehen. Entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen, jedoch mit Doppel-

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strich (") bezeichnet worden.

Der erste Ausgangsleuchtschirm 46" ist auf eine Seite einer Faseroptikplatte 54 montiert, die mit Isolatoren 56 am Röhrenkolben 28" montiert ist. Auf die entgegengesetzte Seite der Faseroptikplatte ist eine zweite Photokathode 58 niedergeschlagen. Die beiden Photokathoden 46" und 58 können aus dem gleichen Material sein,wie oben für die Grundausführung der Erfindung beschrieben. Die Faseroptikplatte 54 ist in einer Ebene parallel zum ersten Szintillatorkristall 24" orientiert.

Ein zweiter Ausgangsleuchtschi rm 60 ist auf dem Äusgangsfenster 30" niedergeschlagen. Die Stromversorgung ist zwischen den ersten Ausgangsleuchtschirm 46" und die erste Photokathode 42" sowie die zweite Photokathode 58 und den zweiten Ausgangsleuchtschirm 60 geschaltet. Die Stromversorgung ist so vorgespannt, daß das Potential zwischen dem ersten Photokathodenschirm 42" und dem ersten Ausgangsleuchtschirm 46" etwa gleich dem Potential zwischen der zweiten Photokathode 58 und dem zweiten Ausgangsleuchtschirm 60 ist. Das Potential zwischen der ersten Photokathode und dem zweiten Ausgangsleuchtschirm 60 ist das Doppelte dieser Zwischenpotentiale. Der erste Ausgangsleuchtschirm 46" und die zweite Photokathode 58 sind zusammengeschaltet, so daß sie das gleiche Potential haben.

An Stelle der Photomultiplierröhren ist am Ausgangsleuchtschirm eine Anordnung von Festkörperdetektoren 62 vorgesehen, die zu einem Positionsnetzwerk 52" gekoppelt sind. Diese Festkörperdetektoren stellen das Ausgangslichtbild am zweiten Ausgangsleuchtschirm in der gleichen Weise fest wie die Photomultiplierröhren bei der Ausführungsform nach Fig. 1, vergl. beispielsweise US-PS 36 83 185. Der Ausgang vom Positionsnetzwerk 52" wird einer geeigneten Anzeige zugeführt, wie bei der Grundausfuhrung. Eine geeignete Lichtleiteranordnung 48" befindet sich zwischen der Detektoranordnung 52 und dem Ausgangsfenster 46". Der große Vorteil, der durch die zwei Verstärkungsstufen bei dieser Ausführungsform geboten wird, ist die Verwendung

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von einfacheren Festkörperdetektoren an Stelle der Photomultiplierröhren. Diese Festkörperdetektoren sind einfacher, stabiler und wesentlich billiger als Photomultiplierröhren.

Eine andere Ausführungsform ist eine konvergierende Anordnung von Lichtleitern 48'" gemäß Fig. 10, die die oben beschriebene zweistufige Röhre mit einer kleineren Anordnung von Festkörperdetektoren koppeln. Für eine wirksamere Lichtübertragung kann jeder Lichtleiter mit einem Material mit niedrigem Brechungsindex umkleidet sein.

Ersichtlich ist die konventionelle Anger-Kamera dadurch modifiziert worden, daß erfindungsgemäß eine Nahbereichs-Bi^verstärkerröhre zwischen den Szintillatorschirm und das Photodetektornetzwerk geschaltet worden ist, so daß die Kamera mit einer besseren räumlichen Auflösung und mit besserer Streufestigkeit in niedrigeren Gammastrahlenenergiebereichen arbeiten kann.

Es ist auch hervorzuheben, daß bisher ein allgemeines Fehlkonzept hinsichtlich des I:l-Bildgröße-Bildverstärkers geherrscht hat, wie er erfindungsgemäß verwendet wird. Es handelt sich um das Konzept des Gewinns oder der Verstärkung. Normalerweise wird der Gewinn oder die Verstärkung einer Röhre als Helligkeitsgewinn definiert, bei dem es sich um das Produkt der wahren elektronischen Verstärkung der Röhre mit dem Gewinn handelt, der durch die Verkleinerung des Ausgangsbildes erreicht wird. Da bei einer Bildverstärkerröhre 1:1 das Ausgangsbild nicht verkleinert wird, ist der Helligkeitsgewinn gleich der wahren elektronischen Verstärkung, während bei einer elektrostatischen Inverterröhre mit zehnfach verkleinertem Ausgangsbild ein Helligkeitsgewinn lOOmal höher erhalten würde als im Falle 1:1. In Anwendungsfällen, bei denen Impulszählung und -.abfühlung verwendet werden, ist jedoch nur die wahre elektronische Verstärkung von Wert. Ein durch Verkleinerung des Ausgangs erhaltener Gewinn ist ohne Wert. Die unberechtigte Furcht vor unzureichendem Gewinn bei einer 1:!-Konstruktion entmutigte deshalb frühere Schritte in dieser Richtung.

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In der vorangegangenen Beschreibung wurde angenommen, daß die auftreffende Strahlung Gammastrahlen sind, in anderen Ausführungsformen kann es sich bei der Strahlung aber auch um andere Nuklearstrahlungen handeln, beispielsweise Protonen.

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Claims

D24 P3/G3 D

Patentansprüche

// Szintillatorkamera mit einem Strahlungskollimator, einem mit dem Kollimator ausgefluchteten Szintillator zur Umwandlung von durch den Kollimator hindurchgehenden und auf den Szintillator auftreffenden Strahlen in entsprechende Lichtquellen, die ein Bild darstellen, wobei der Szintillator eine Ausgangsfläche zur Anzeige der Lichtquellen aufweist, eine Vielzahl von photoelektrischen Detektoren zur Betrachtung von im wesentlichen gleichen Teilen der Ausgangsfläche angeordnet sind, und eine elektrische Schaltung mit den photoelektrischen Detektoren verbunden ist, um von diesen abgegebene Signale aufzunehmen und solche Signale aufgrund jeder Lichtquelle in koordinierte elektrische Signale entsprechend den Positionskoordinaten jeder dieser Lichtquellen aufzulösen, gekennzeichnet durch einen flachen Szinti11atorschirm, eine erste flache Photokathode, die mit ihrer flachen Fläche parallel und benachbart zum Szintillatorschirm angeordnet ist, einen ersten flachen Ausgangsleuchtschirm, der die Lichtausgangsfläche für den Szintillator bildet, wobei die flache Fläche des Leuchtschirms parallel zu und im Abstand von den flachen Flächen der Photokathode auf der dem SzintiIlatorschirm fernen Seite angeordnet ist, ein Ausgangsfenster, auf das der Ausgangsschirm montiert ist, ein metallisches Eingangsfenster, eine Stromversorgung, mit der ein elektrostatisches Beschleunigungspotential zwischen den Ausgangsschirm und die Photokathode gelegt wird, und einen hohlen, evakuierten Kolben mit offenen Enden, der den Szint'illatorschirm und die Photokathode umgibt und der an einem Ende mit dem Ausgangsfenster und am anderen Ende mit dem Eingangsfenster abgeschlossen ist.

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2. Szintillatorkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Auflöseschaltung eine Kathodenstrahlröhre aufweist, mit der ein Lichtbild entsprechend dem Szintillatorlichtquellenmuster angezeigt wird.
3. SzintiΠatorkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillatorschirm, die Photokathode und der Ausgangsleuchtschirm im wesentlichen gleiche Diagonalabmessungen haben.
4. Szintillatorkamera nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch getrennte, konvergierende Lichtleiter, mit denen die photoelektrischen Detektoren mit dem Ausgangsfenster gekoppelt sind.
5. Szintillatorkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillatorschirm ein Szintillatorkristall ist und eine dünne Lage aus lichtemittierendem Material aufweist, die zwischen die Photokathode und den Szinti1 latorkristall geschaltet ist und deren Material einen Brechungsindex hat, der an den Brechungsindex des Szintillatorkristalls angepaßt ist.
6. SzintiΠatorkamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Lage frisch aus dem Dampf niedergeschlagenes CsI enthält.
7. Szintillatorkamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Lage frisch aus dem Dampf niedergeschlagenes CsI(Na) enthält.
8. Szinti11atorkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Faseroptikplatte, eine zweite Photokathode und einen zweiten Ausgangsleuchtschirm, wobei der erste Ausgangsleuchtschirm auf eine Seite der Faseroptikplatte und die zweite Photokathode auf die andere Seite der Faseroptikplatte montiert ist, wobei der zweite Ausgangsleuchtschirm einen Abstand von der zweiten Photokathode hat und zu dieser parallel ist, und die Stromversorgung

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ein elektrostatisches Beschleunigungspotential zwischen der zweiten PHotokathode und dem zweiten Ausgangsleuchtschirm liefert und wobei die zweite Photokathode, die Faseroptikplatte und der zweite Ausgangs! euch tschirm innerhalb des Röhrenkolbens enthalten sind.
9. Szintillatorkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillatorschirm, die erste Photokathode, der erste Ausgangsleuchtschirm und das Ausgangsfenster in optisch isolierte Segmente unterteilt sind und daß die elektrischen Auflöseschaltungen mit den Photodetektoren unterschiedlicher Segmente verbunden sind und gleichzeitig betrieben werden.
10. Szintillatorkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator innerhalb des Röhrenkolbens und angrenzend an den Szintillatorschirm montiert ist.
11. Szintillatorkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Diskriminatorschaltung innerhalb der Auflöseschaltung, so daß die Kamera hauptsächlich auf ungestreute Strahlung anspricht.

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