专利名称:阴极/转换器的制作方法
本发明，总的说来，涉及用于诸如探测高能光子(例如X射线或γ射线)等用的充气辐射探测器中的阴极/转换器联合装置，特别是(但并非专门)用于辐射医疗给病人拍摄三维X光照片用的“正电子摄影机”中的阴极/转换器联合装置。
辐射医疗中拍摄照片大多数是在体内采用标记为99Tcm的辐射性药物用γ射线摄影机进行拍摄的。在注射药物后三小时拍摄出的照片可以是平面静态性的、动态性的或断层性的。由于多数显影剂并不是某一疾病专用的，因而对异常和正常功能显示出来的对比度往往很差。电脑式单光子辐射的层析X射线摄影法(SPECT)可以改善这种对比度。这种摄影法通常是令γ射线摄影机绕着病人转动，从不同角度拍摄多面图象，用计算机图象再现技术拍摄出身体的剖面图象。然而γ射线摄影机采用一般准直仪时其灵敏度仅为0.1%，拍摄出来的图象在病人身体中心的空间分辨率约为2厘米。
能获得更高的空间分辨率和灵敏度的另一种拍摄方法是正电子辐射层析X射线摄影法(PET)，这是采用能辐射出正电子的放射性核素进行的。各正电子在组织中总的相互作用在距辐射点约1毫米的数量级处进行，并产生彼此相差180度辐射的两个光子;然后用两个配置在物体相对侧的两个探测器检测重合情况。PET探测器无需使用准直仪，因而它本质上具有所要求的良好程度的空间分辨率和灵敏度。但现行使用的探测器过于昂贵，在辐射医疗中用作例行检查的适应性不好，因此需要有一个价廉而高效的光子探测器。
这种探测器可以根据，例如，多丝比例室(MWPC)技术制造。在这种探测器中，高密度转换器受光子的冲击，从而发射出高速度的电子，用通常由一个或多个阳极和阴极组成的比例室和诸如氩/甲烷混合气体的室气即可探测出该高速电子。
迄今制造的这类探测器多数都是根据两个设计策略制造的。第一种策略是在高密度转换器后面安置一个MWPC平面，形成一般为1厘米厚流道的一部分。转换器由其上冲有许多孔的多层铅板的构件组成，或由铅玻璃管基体组成。511千电子伏特的光子在铅板中被转换成快速电子，这些电子从铅板逸出跑进孔/管中，使室气体中产生电离。由此产生的电子流在所加电场的作用下向下流到管中，由MWPC进行检测。这种系统最高的固有空间分辨率为2毫米，最佳时间分辨能力为2～40毫微秒(在氖气中)。另一种方法是制造成堆的MWPC阳极平面，该阳极平面交替夹衬有薄铅板，这些薄铅板作为阴极兼转换器用。这样做的好处是可以使时间分辨能力提高到2～10毫微秒(在异丁烷中)，空间分辨率提高到～5毫米。
所有按MWPC制造的系统其主要缺点是灵敏度较低，因而与诸如多晶体环系统的其它系统相比，成象时间长，信噪比低。
据发现，采用排成阵列的敞开式小室阴极/转换器可以显著提高探测器的效率。但用一般制造阴极/转换器用的材料(例如铅或铅合金)制造阵列小室有困难，因为这类材料往往较软，不易机械加工成所要求的小尺寸。
还发现，电火花腐蚀加工(也叫电气放电加工或EDM，这种加工工艺原先是用在硬质合金上)用以制造阴极/转换器所要求的小室结构，可获得令人惊奇的良好结果。
因此本发明提供的是适用于作为充气探测器用的阴极/转换器联合装置，并具有下列特征的一种构件该构件包括排成阵列用电火花加工转换器材料制成的小室。各小室可方便地用电火花腐蚀法加工一层适当的阴极/转换器材料制成，这些材料最好是铅或铅与锑、铋或铜的合金。
因此本发明还提供制造一种有一层铅或其它适当材料的阴极/转换器的方法，该方法采用电火花腐蚀法加工铅层，以此来制造排成阵列的小室。
排成阵列的各小室最好是穿通转换器材料正规排列的矩形槽，壁厚在40至80微米范围内。模式间距和井深最好都在0.5至1.5毫米的范围内。“蜂窝”铅可由一层下层是一层玻璃增强塑料、上层是一层铜(与电子设备印刷电路板用的那种板类似)的薄层衬底支撑。本发明阴极/转换器的使用方法完全和普通的阴极/转换器一样，即交替夹衬在阳极堆之间，该阳极可由例如金属丝网制成，金属丝网周围为氩气/甲烷混合气体之类的室气所包围。电离电子的检测方式与普通MWPC一样，过程的处理和分析可采用普通的支援硬件和软件。
根据另一方面，本发明提供根据本发明上述第一方面的构件，而且其中各小室各端部是敞开的。
根据又一个方面，本发明提供这样一种中性粒子探测器，该探测器有一个界定一个室用的装置，室中充有电离室气且至少配置有一堆阴极/转换器联合装置，有孔的阳极与该转换器交插配置。该阴极/转换器联合装置是这样的一些构件，该构件包括在转换器材料中形成的小室阵列，该小室阵列是用电火花加工法在转换器材料中形成的。
本发明还可用于采用一对或多对探测器的正电子探测器，其中各对探测器构件系彼此对向配置。
下面参照附图并通过非限制性实例进一步说明本发明的内容。附图中图1 是本发明一个实施例的阴极/转换器的部分近视图。
图2 是本发明一堆MWPC和阴极/转换器的示意图。
图3 是采用正电子摄影机进行拍摄时的示意图。
图4 是本发明的另一个实施例。
图5 是本发明阴极/转换器各个铅小室中电场的示意图。
图6 是本发明一个实施例20层MWPC的效率与小室壁厚的关系曲线图。
图7 是测试阴极/转换器效率时的布局示意图。
图1是本发明阴极/转换器(1)工作部分的一部分，该部分是排成阵列的开口矩形小室(3)，该等矩形小室则是在薄层铅合金(2)中进行电火花腐蚀形成的。各小室(3)的横截面呈方形，由四个壁(3a-3d)所界定，并完全延伸贯穿铅合金层(2)。铅合金层由上层是铜(6)下层是玻璃增强塑料(7)的薄层衬底(5)支撑。各小室壁厚约为40～80微米，合金的间距和深度在0.5至1.55毫米范围内。不言而喻，整个阴极/转换器是由成百，有时是成千如图1所示的小室组成。
许多阴极/转换器(1)装在光子探测器中，如图2所示。探测器包括成堆平行叠置的阴极/转换器(8)，其间交插有数量相当的阳极平面(9)。各阴极/转换器由两铅层组成，各铅层厚125微米，叠合在薄塑料片两侧。在此实施例中，塑料薄片厚75微米。各铅层表面复制有如图1所示的“盒”式结构(图2中未示出)。如图所示，各铅层还由条间狭缝分隔成狭条。这样做可以确定所探测过程的座标，下面即将谈到。狭缝宽度不到1毫米。阴极/转换器平面(8)上的狭条取X或Y的方向(垂直于纸面)成行排列，如图2所示。阳极由20微米的镀金钨丝组成。阳极与阴极间的间隙约2.5毫米，钨丝在阳极平面上的间距约为1-2毫米。如图所示，阳极平面平行于阴极/转换器平面。阳极和阴极形成比例室的电极，其上加有适当的偏压。
各阴极狭条在顺次各平面内正交取向，这样可以确定探测到的入射光子的X座标和Y座标，达到几毫米的精确度。入射光子在其中一个阴极/转换器平面内产生高速电子。高速电子逸出，借助于它在比例室内气体中产生的二次电子流在比例室中被检测出来。电子流是在阳极上检测出的，同时在两相邻阴极平面上诱发出脉冲。这样，通过各狭条在各顺次阴极平面上的交替取向可以确定事件的X座标和Y座标。Z座标由阳极上相应的脉冲确定。对来自探测器各信号的后面部分的处理是采用普通的电子设备来进行的。
现在谈谈用电火花腐蚀加工法制造铅或铅合金阴极/转换器的制造过程。按所要求的结构从石墨、铜或钨材料切取带镜象的阳极，于是就可以用它将型板腐蚀成平面铅板。把阳极的电位提高到高于平面铅板的电位，然后朝铅板的方向下放阳极，直到阳极与铅板之间产生电气放电为止。阳极和铅板之间的空间充有绝缘流体用以冲洗铅板上的废金属。这个过程一直持续到切割出所要求的结构为止。为提高腐蚀材料的硬度可采用铅锑合金或铅钙合金。阳极和工件之间的电气放电放出热量，因而由于铅的熔点较低是不可能指望这个过程会加工出的小型结构达到所要求的精度。但我们发现，用电火花加工得出的产品质量足以使探测器的灵敏度提高到所希望的程度。
图3是拍摄内部器官用的整个系统的示意图。这里采用了两个探测器(10)和(11)安置在病人的上下两侧，一侧一个。病人器官中的同位素(12)放射出正电子，该正电子在几毫米内湮没，产生彼此相隔180度运动着的光子。探测器(10)和(11)如上所述检测着各光子，同时采用普通数字电子设备检测各重合情况，并将“好的”事件隔离开来。这时令各探测器绕着病人转就可以拍出完全三维的图象。
在上述实施例中，转换器材料中的各小室都完全贯通转换器材料延伸。但作为另一种选择方案，各小室也可以不完全贯通铅层延伸，而具有底板30，如图4所示。图4的阴极/转换器是用电气放电加工制造的，而且按图1所示同样的方式应用于探测器中。我们发现，图4阴极/转换器的性能没有图1那一种的好，我们认为，这是由于转换器中所产生的电子其逸出可能性的减少，其作用大于对转换器材料表面面积增加效果的抵消作用所致。
通过下面的分析可以使探测器的设计达到最佳化。光电阴极的效率是三个参数的乘积。
(ⅰ)入射光子在511千电子伏特下在铅中借助于光电相互作用或康普顿相互作用产生高速电子的可能性，各相互作用的横截面大致相同。
(ⅱ)由于多次散射，一次电子分布在一定的范围内可视为是各向同性的。因此电子逸入室气中并引起电离的可能性与光电阴极的结构-特别是其表面面积/体积比有关。
在成堆排列的探测器中，薄片最佳性能介于(ⅰ)和(ⅱ)之间的折衷性能。若薄片中的衰减过分严重，光子就消失。这在探测器堆的下一个薄片中应该可以检测出来。若衰减得少，则需要在堆中设更多的转换器以获取相同的总效率。可以看出，最佳光电阴极与所采用的光电阴极的数目有关，而且不难看出，探测器的总效率与一个光电阴极的电子逃逸因子成正比。若电荷收集量不减少，则提高一个光电阴极的逃逸因子会因此等量提高转换器的效率。
(ⅲ)收集气体中产生的二次电子是为了在其中一个阳极产生可检测的信号-若收集电子用的电场太弱，电子可能会扩散返回铅表面并消失掉。(此外高速电子路径的长度不应限制到这样的程度以致它不会促成充分的电离作用)。这种效应对如图1的光阴极构件来说是比对普通光阴极构件更重要。在这种情况下，在横向扩散现象明显化之前，电场应从“井”中除去电子。
图5是立方井(即与图1阴极/转换器的类似，但有一个底板)内等电位线(14)的三维计算结果，其中各等电位线大致上平行于转换器平面(这在阴极为扁平形时是会这样的)，距该平面两个井深。我们发现，如图所示的立方井井底的电场约为井外(即在井影响范围之外)均匀区电场的5%，假设该井外均匀区电场大致与平面阴极的相同。本实施例在阳极阴极间间隙为2.5毫米情况下的平面阴极表面的电场强度经计算约为8千伏/厘米，井内最小的电场强度约为400伏/厘米，平均值则高得多。此电场大得足以从井上除去电子。还应当指出的是，该电场处处都偏离井壁，因而削弱二次电子的扩散效应。
图6是带有20个盒式转换器平面(如图1间距为1毫米的盒式结构)的探测器在511千电子伏特下的效率对转换器片厚度的关系曲线图。可以看出，最佳的薄片厚度是在40和50微米之间，相应的效率约为17%。
测定转换器的效率可采用图7的布局进行，测定过程是在单个转换器上进行的，因为在这种情况下光子的衰减程度小。鉴于511千电子伏特光子发射的光电子的实际射程为50微米，因此若二次电子已收集完毕，即若收集电子的电场足够高，且高速电子路径长度不局限到这样的程度以致它不会引起充分的电离作用，则只有大约50微米的表面层会起检测电子的作用，而且可以指望效率正比于薄片的表面面积。只有当考虑使用多个转换器，且衰减作用变得重要时，测量过程才易受薄片厚度的影响。
我们测定了三个单个10厘米×10厘米转换器薄片的效率。第一个转换器薄片由一个250微米厚的平面铅板组成。第二个转换器薄片是一个0.5毫米厚的铅板，铅板上开有750微米宽350微米深的槽，各槽间距为1毫米。第三个转换器是如图4的盒式转换器，各壁宽150微米，深650微米，间距750微米。应该指出，所有转换器各壁都比上述50微米的最大电子射程厚。各转换器(15)都装在1.6毫米玻璃增强塑料印刷电路板式底板(16)上。来自22Na源(17)的511千电子伏特正电子湮没光子的转换效率是在一个简单的MWPC中测定的，该MWPC有一个金属丝平面(18)和两个平面阴极-其中一个为转换器(16)，另一个为带铜表面(19)的玻璃增强塑料板。金属丝平面(18)由间距为2毫米的20微米金属丝组成，阳极与阴极间的间隙为4毫米，即大于实物原型2.5毫米的间隙。探测器前面的窗口(20)可用以测定因光子与室气相互作用而产生的背景情况并加以减除。所采用的气体(21)为80/20的氩气/甲烷混合气体，这种混合气体在3千伏超高压下能稳定工作。MWPC与NaI闪烁器同时工作，在转换器上形成良好的“投射区”。
我们测出了下列各效率转换器 相对表面面积 效率测定值平面 1.0 0.94+/-0.1 E-3带槽 1.8 2.06+/-0.1 E-3盒式 4.8 3.8+/-0.15 E-3上述结果表明，转换器效率并不与其表面面积成比例地增加，而壁厚在40和50微米之间的转换器其效率可能会增加5倍。由20个这种平面组成的转换器其效率为具有类似散射探测性能的原型转换器的3.5倍，而同时与该转换器一起工作的整个系统其灵敏度为原型的10倍。
由2个或4个探测器组成的整套PET系统可使用60厘米×30厘米的转换器，而且能产生大型高度清晰全三维式的图象，成象时间为几分钟。
权利要求
1.一种构件(1)，适宜作为充气辐射探测器的阴极/转换器联合装置，其特征在于，该构件包括用电火花加工由转换器材料制成的小室(3)阵列。
2.根据权利要求
1的构件，其特征在于，小室(3)阵列由铅或铅合金制成。
3.根据权利要求
1或2的构件，其特征在于，小室(3)是等边的。
4.根据以上任何一项权利要求
的构件，其特征在于，小室(3)是立方形的。
5.根据以上任何一项权利要求
的构件，其特征在于，各小室(3)之间的壁厚在25至125微米的范围，各小室的间距和深度在0.5至1.5毫米的范围。
6.根据以上任何一项权利要求
的构件，其特征在于，小室(3)阵列由薄层衬底(5)支撑，该衬底由一层玻璃纤维板(7)和一层铜(6)组成。
7.根据以上任何一项权利要求
的构件，其特征在于，各小室的底部是封闭的。
8.根据权利要求
1至7任何一项的构件，其特征在于，各小室各端都敞开着。
9.一种中性粒子探测器，该探测器包括一个充有电离室气的室，室中至少配置有一堆交插有导线格网阳极(9)的阴极/转换器联合装置(8)，该探测器的特征在于，所述阴极/转换器联合装置(8)是根据以上任一权利要求
而制造的构件。
10.一种检测样品发射出来的光子的重合度的正电子探测装置，其特征在于，该装置包括一对或多对探测器，各对探测器都是根据权利要求
9而制造的，各对探测器的两个构件配置在试样的两相对侧。
11.一种制造电离室用的阴极/转换器的方法，其特征在于，该方法包括在转换器材料(2)表面用电火花加工法加工成敞开小室(3)阵列的步骤。
12.根据权利要求
11的方法，其特征在于，所述转换器材料(2)是铅或铅合金，且小室(3)阵列是在转换器材料(2)中正规排列的立方形井，各小室之间的壁厚在25至125微米的范围，各小室的间距和深度在0.5至1.5毫米的范围内。
专利摘要
一种多金属丝比例室光子探测器电离室用的阴极/转换器联合装置，该装置的一铅层(2)上有用电火花加工制成的矩形井(3)阵列。各井壁(3a、b、c、d)和井底板(30)的厚度借助于加大阴极/转换器(1)的表面面积对体积的比值来使探测器的效率达到最大限度。
文档编号H01J47/06GK87101948SQ87101948
公开日1987年9月23日 申请日期1987年3月12日
发明者保罗·肯尼思·马斯登 申请人:保罗·肯尼思·马斯登导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan