DE60114132T2

DE60114132T2 - Kopruskularstrahlbilddetektor mit hilfe von gasverstärkung und bildelektroden

Info

Publication number: DE60114132T2
Application number: DE60114132T
Authority: DE
Inventors: Toru Kyoto-shi TANIMORI; Atsuhiko Kobe-shi OCHI
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: EP1219975A4; EP1219975B1; EP1219975A1; DE60114132D1; US6822239B2; WO2002001249A1; US20020134945A1; JP3354551B2; JP2002006047A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Die vorliegenden Erfinder haben bisher eine Art von Detektor, eine MSGC (Micro Strip Gas Chamber) entwickelt, die ein Teilchenstrahlbilddetektor vom Typ mit Gasverstärkung ist, der hohe Positionsauflösung und hohe Einfallspartikeltoleranz realisiert und streifenartige Elektroden enthält. Charakteristische Eigenschaften dieses Detektors schließen eine sehr kurze Totzeit für einen Gasverstärker und hohe Positionsauflösung ein und der Detektor hat aufgrund seiner potentiellen Verwendung als ein Detektor für Teilchenstrahlen mit hoher Helligkeit starkes Interesse geweckt. Gegenwärtig haben X-Strahlen verwendende Tests bestätigt, daß der Detektor bei einer Helligkeit von 10⁷ Impulsen/mm²·s oder mehr keine Funktionsstörungen aufweist.
1 zeigt eine explosionsartige perspektivische Ansicht einer herkömmlichen MSGC (siehe zum Beispiel: "Imaging gaseous detector based on micro-processing technology", Toru Tanimori et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A, Band 436, Nr. 1–2, 21/10/1999).
Die in 1 gezeigte MSGC-Abbildungseinrichtung weist eine wirksame Fläche von 10cm × 10cm auf. Bezugszahl 1 kennzeichnet ein aus Polyimid-Dünnnschicht hergestelltes Substrat.
Bezugszahl 2 kennzeichnet einen auf dem Substrat 1 ausgebildeten Anodenstreifen und Bezugszahl 3 kennzeichnet eine streifenförmige Kathodenelektrode. Anodenstreifen 2 und streifenförmige Kathodenelektroden 3 grenzen abwechselnd aneinander.
Bezugszahl 4 kennzeichnet ein aus Keramik hergestelltes Basissubstrat und Bezugszahl 5 kennzeichnet eine rückseitige Elektrode, die auf dem Basissubstrat 4 ausgebildet und unter dem Substrat 1 angeordnet ist.
Näherungsweise in einem Abstand D₁ über dem derart konstruierten Element ist eine Driftplatte 6 vorgesehen, um dadurch eine Kammer für einen Durchgang von Gas zu bilden, z.B. ein Argon und Ethan enthaltendes Gas (siehe zum Beispiel japanische offengelegte Patentanmeldung (kokai) Nr. 10-300856).
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein mit der oben beschriebenen MSGC verbundenes kritisches Problem, auf das während Untersuchungen zum Ingebrauchnehmen gestoßen wurde, besteht in dem Brechen von Elektroden, das sich aus Entladen zwischen den Elektroden ergibt. Im Falle der existierenden MSGC wird eine Spannung zwischen Elektroden mit einem Abstand von 50 μm oder weniger angelegt. Wenn eine Hochspannung in der Hoffnung angelegt wird, einen erhöhten Gasverstärkungsfaktor zu erzielen, fließt somit großer Strom aufgrund der Entladung zwischen den Elektroden. Als eine Folge tritt häufig ein, daß durch die Entladung erzeugte Wärme Elektrodenstreifen zerstört oder Fragmente der zerbrochenen Elektrodenstreifen auf der flächenisolierenden Schicht abgelegt werden, was zur Funktionsstörung der Einrichtung aufgrund des Durchgangs von Strom zwischen den Elektroden führt.
Da in den rückseitigen Elektroden 5 erzeugte Signale, die zweidimensional ausgelesen werden, eine Größe von ungefähr 20% von derjenigen der durch die auf der Oberflächenseite angeordneten Anoden erzeugten Signale aufweisen, muß ferner ein teurer Verstärker als eine Schaltung verwendet werden, um erfolgreiches Auslesen von genannten schwachen Signalen zu erhalten, oder alternativ ein durch Gas erhaltener Verstärkungsfaktor weiter verbessert werden.
Angesichts des obengenannten besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelektroden erzielter Gasverstärkung bereitzustellen, wobei der Detektor hohe Empfindlichkeit und Elektroden mit verbesserter Zuverlässigkeit aufweist.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe liefert die vorliegende Erfindung folgendes:

[1] einen Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelektroden erzielter Gasverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß er Anodenstreifen, die auf der Rückseite eines doppelseitigen Substrats ausgebildet sind, säulenartige Anodenelektroden, die in die Anodenstreifen gepflanzt sind derart, daß deren oberen Enden das doppelseitige Substrat durchdringen, um an einer Seite desselben freizuliegen, und streifenförmige Katodenelektroden umfaßt, die jeweils eine Öffnung aufweisen, so daß jede der entsprechenden säulenartigen Anodenelektroden dort hineinfällt.
[2] Den Teilchenstrahldetektor unter von Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung nach [1], worin jeder der Anodenstreifen eine Breite von ungefähr 200 bis 400 μm aufweist.
[3] Den Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung [1], worin die Anodenstreifen in Abständen von ungefähr 400 μm vorgesehen sind, die streifenförmigen Kathodenelektroden jeweils Öffnungen in Abständen in einer vorab festgelegten Entfernung aufweisen, wobei der Durchmesser der Öffnung ungefähr 200 bis 300 μm beträgt, und jede der säulenartigen Anodenelektroden einen Durchmesser von ungefähr 40 bis 60 μm und eine Höhe von ungefähr 50 bis 150 μm aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine explosionsartige perspektivische Ansicht einer herkömmlichen MSGC;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen wesentlichen Abschnitt eines Teilchenstrahlbilddetektors unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 zeigt eine Draufsicht, die eine Ausführungsform des Teilchenstrahlbilddetektors unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in 3 gekennzeichneten Abschnitts A;
5 stellt das Arbeitsprinzip des Teilchenstrahlbilddetektors gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und
6 zeigt Beziehungen von angelegter Spannung gegen Gasverstärkungsfaktor, die durch den Teilchenstrahlbilddetektor gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten sind.
BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Arten zur Durchführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen wesentlichen Abschnitt eines Teilchenstrahlbilddetektors unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 3 zeigt eine Draufsicht davon und 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in 3 gekennzeichneten Abschnitts A. In 2 ist zum einfacheren Verständnis der Anordnung der Anodenstreifen der untere Abschnitt des doppelseitig gedruckten Substrats so gezeigt, daß er vom oberen Abschnitt getrennt ist. Man sollte jedoch bemerken, daß die oberen und unteren Abschnitte nicht getrennt sind, sondern ein einheitliches, doppelseitiges Substrat bilden.
In diesen Fig. kennzeichnet Bezugszahl 1 einen Teilchenstrahlbilddetektor, 2 eine Pixelkammer (300 mm × 300 mm), 11 einen Anodenstreifen (obwohl Breite d₁ in der vorliegenden Ausführungsform 300 μm beträgt, kann irgendeine Breite verwendet werden, die in den Bereich von ungefähr 200 μm bis 400 μm fällt), 12 eine säulenartige Anodenelektrode, die in den Anodenstreifen 11 eingepflanzt ist (obwohl der Durchmesser d₂ 50 μm beträgt, kann jeder Durchmesser, der in den Bereich von ungefähr 40 μm bis 60 μm fällt, verwendet werden), 13 ein doppelseitiges Substrat für eine Leiterplatte mit einer Dicke d₃ von ungefähr 100 μm; 14 eine streifenförmige Kathodenelektrode, die auf einer Oberfläche des Substrats 13 ausgebildet ist, und 21 eine Driftelektrode.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält der Teilchenstrahlbilddetektor gemäß der vorliegenden Erfindung ein doppelseitiges Leiterplattensubstrat 13, streifenförmige Kathodenelektroden 14 auf einer Oberfläche des Substrats 13 und Anodenstreifen 11 auf der Rückseite des Substrats 13. Die Anodenstreifen 11 sind in einem Abstand d₅ von 400 μm vorgesehen. Die streifenförmigen Kathodenelektroden 14 weisen jeweils Öffnungen 15 auf, die in vorab festgelegten Abständen angeordnet sind. In der Mitte jeder Öffnung 15 ist ein Pixel vorgesehen, das als eine säulenartige Anodenelektrode 12 dient. Das Pixel ist mit einem auf der Rückseite vorhandenen entsprechenden Anodenstreifen 11 verbunden. Der Durchmesser d₆ der Öffnung 15 in der streifenförmigen Kathodenelektrode 14 beträgt 250 μm. Jedoch ist der Durchmesser nicht darauf beschränkt und kann irgendeinen Wert annehmen, der im Bereich von 200 μm bis 300 μm fällt.
Wie oben beschrieben ist, weisen die als Anoden 12 dienenden Pixel jeweils einen Durchmesser von 50 μm auf; die Pixel können jedoch einen Durchmesser von 40 μm bis 60 μm aufweisen. Die Anodenelektroden 12 weisen eine Säulengestalt und eine Höhe d₄ von ungefähr 100 μm, in etwa der Dicke des doppelseitigen bedruckten Substrats 13 entsprechend, auf. Die Höhe der Anodenelektroden ist nicht auf die obengenannte spezielle Höhe beschränkt und kann in einem Bereich von 50 μm bis 150 μm entsprechend der Dicke des doppelseitigen gedruckten Substrats 13 festgelegt sein.
Im tatsächlichen Gebrauch des Detektors zum Detektieren eines Teilchenstrahls ist das doppelseitige gedruckte Substrat 13 in einer Pixelkammer 2, d.h. in einer auf inertem Gas basierenden Atmosphäre angeordnet. Wie in 2 gezeigt ist, ist eine Drifteleketrode 21 an einer geeigneten Position über dem Substrat 13 (in der Praxis mehrere mm bis mehrere cm über dem Substrat 13) und parallel zum Detektor vorgesehen. Diese Anordnung gestattet eine Bildmessung von radioaktiven Strahlen, die der durch MSGC erhaltenen ähnelt.
5 stellt das Arbeitsprinzip des Teilchenstrahlbilddetektors gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Durch Ionisation des Gases durch den einfallenden Teilchenstrahl erzeugte Elektronen e^– driften unter der Kraft eines Driftfeldes in Richtung auf ein Pixel auf dem Substrat, wobei das Pixel als eine Anodenelektrode 12 dient. In der Nähe der säulenartigen Anodenelektrode 12 tritt aufgrund des Vorliegens eines starken elektrischen Feldes, das durch eine Spannung zwischen Anode und Kathode (z.B. 420 V) gebildet wird, und der spitzen Gestalt der Elektrode Gaslawinenverstärkung auf. Die auf diese Weise erzeugten +-Ionen driften schnell in Richtung auf streifenförmige Kathodenelektroden 14 um die Ionen.
Im Verlauf des obigen Prozesses werden elektrische Ladungen auf den säulenartigen Anodenelektroden 12 und auch auf den streifenförmigen Kathoden 14 erzeugt und werden diese elektrischen Ladungen auf der elektrischen Schaltung beobachtbar. Somit liefert Beobachtung zur Bestimmung des Anoden- oder Kathodenstrahls, an dem dieses Verstärkungsphänomen auftritt, Information über die Position des einfallenden Teilchenstrahls. Auslesen von Signalen, Schaltungsentwurf zum Erhalten von zweidimensionalen Bildern etc. kann durch Verwendung von dem, was für herkömmliche MSGC entwickelt wurde, durchgeführt werden.
Charakteristische Eigenschaften des vorliegenden Teilchenstrahlbilddetektors sind nachfolgend zusammengefaßt:

(1) Da Pixel als Anoden verwendet werden, können starke elektrische Felder leicht gebildet werden, was zu einer Erhöhung des Verstärkungsfaktors führt.
(2) Da jede Kathode die entsprechende Anode in einer kreisförmigen Art umgibt, ist das elektrische Feld an dem Umfangsabschnitt der Kathode viel schwächer als dasjenige, das an der Anode beobachtet wird. Als eine Folge wird Herausfliegen von Elektronen aus der Kathode unterdrückt und tritt somit Entladung nicht leicht ein.
(3) Das elektrische Feld zwischen der Anode und Kathode schwächt sich stark als Funktion der Entfernung ab. Somit kann ein Fortgang in Richtung Entladung nur in seltenen Fällen eintreten.
(4) Zwischen der Anode und Kathode ist ein Isolator als ein Substrat vorgesehen. Da die Breite des Anodenstreifens größer als der Durchmesser der Öffnung der streifenförmigen Kathodenelektrode ist und die Dicke des Substrats dem Radius der Öffnung ähnelt, ist die Richtung der Linie der elektrischen Kraft immer nach oben an der Isolatoroberfläche, wodurch das Risiko beseitigt wird, daß das unerwünschte elektrostatische Feld erzeugt wird, das durch Ansammlung von positiven Ionen verursacht wird, die durch Gasverstärkung erzeugt werden.
(5) Da der vorliegende Teilchenstrahlbilddetektor hauptsächlich Techniken zur Herstellung von Leiterplatten verwendet, können Detektoren mit großer Fläche zu geringen Kosten hergestellt werden.
(6) Im Falle von Entladung wird der Detektor nicht verheerend beschädigt. Das heißt, daß der einzige Schaden, den der Detektor erleiden würde, ein örtlicher Bruch (von einigen Pixel) sein würde.
(7) Da der Detektor bei Anwendung von Spannung an nur zwei Anschlüssen, d.h. einer Anodenelektrode und einer Driftelektrode, arbeitet, sind minimale Einrichtungen hinsichtlich Stromversorgung und Verdrahtung erforderlich.

6 zeigt Beziehungen von angewandter Spannung gegen Gasverstärkungsfaktor, die durch den Teilchenstrahlbilddetektor gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten sind. In 6 repräsentiert die x-Achse zwischen der Kathode und der Anode angelegte Spannung (V), repräsentiert die y-Achse Gasverstärkungsfaktor (logarithmischer Maßstab), repräsentiert Linie "a" eine Kennlinie gemäß der vorliegenden Erfindung und repräsentiert Linie "b" das, was mit einem herkömmlichen Detektor erhalten wird.
Wie anhand von 6 ersichtlich ist, kann ein Verstärkungsfaktor von um die herum 10.000 durch die vorliegende Erfindung erzielt werden. Wenn der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung über zwei Tage kontinuierlich mit einem Verstärkungsfaktor von ungefähr 1.000 betrieben wurde, trat ferner nicht einmal eine einzige Entladung auf. Bei höheren Verstärkungsfaktoren wurde Entladung beobachtet, aber selten, mit keinen nachfolgenden Betriebsproblemen.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche sind zahlreichen Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich.
Wie oben im Detail beschrieben wurde, liefert die vorliegende Erfindung unter anderem die folgenden Vorteile und Effekte.

(A) Der Detektor gemäß der Erfindung weist dieselben Vorteile wie diejenigen von MSGC auf. Das heißt, daß der erfinderische Detektor eine große Verstärkung erzielt und verbesserte Zuverlässigkeit der Elektroden aufweist.
(B) Da Pixel als Anoden verwendet werden, können starke elektrische Felder leicht gebildet werden, was zu einer Erhöhung des Verstärkungsfaktors führt.
(C) Da jede Kathode die entsprechende Anode in einer kreisförmigen Weise umgibt, ist das elektrische Feld an dem Umfangsabschnitt der Kathode viel schwächer als dasjenige, das an der Anode beobachtet wird. Als eine Folge wird Herausfliegen von Elektronen aus der Kathode unterdrückt und tritt somit Entladung nicht leicht auf.
(D) Das elektrische Feld zwischen der Anode und Kathode nimmt als eine Funktion der Entfernung stark ab. Somit tritt ein Fortgang in Richtung Entladung nur in seltenen Fällen auf.
(E) Zwischen der Anode und Kathode ist ein Isolator als ein Substrat vorgesehen. Da die Breite des Anodenstreifens größer als der Durchmesser der Öffnung der Kathodenelektrode ist und die Dicke des Substrats dem Radius der Öffnung ähnelt, ist die Richtung der Linie der elektrischen Kraft immer nach oben an der Isolatoroberfläche, wodurch das Risiko beseitigt wird, daß unerwünschtes, aushebendes elektrostatisches Feld erzeugt wird, das durch Ansammlung von positiven Ionen verursacht wird, die durch Gasverstärkung erzeugt werden.
(F) Da der vorliegende Teilchenstrahlbilddetektor hauptsächlich Techniken zur Herstellung von Leiterplatten verwendet, können Detektoren mit großer Fläche zu niedrigen Kosten hergestellt werden.
(G) Im Falle des Entladens wird der Detektor nicht verheerend beschädigt. Das heißt, daß der einzige Schaden, dem der Detektor ausgesetzt wäre, örtlicher Bruch (von einigen Pixeln) sein würde.
(H) Da der Detektor bei Anlegen von Spannung an nur zwei Anschlüsse, d.h. eine Anodenelektrode und eine Drislelektrode, arbeitet, sind minimale Einrichtungen hinsichtlich Stromversorgung und Verdrahtung erforderlich.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Der Teilchenstrahlbilddetektor gemäß der vorliegenden Erfindung unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung ist für technische Gebiete geeignet, die die Detektion von radioaktiven Strahlen, d.h. Überwachung von radioaktiven Strahlen, Röntgenstrahlbildanalyse, medizinische Verwendung von Röntgenstrahlabbildung und neuen Techniken der Gammastrahlenabbildung mit sich bringen.

Claims

Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung, mit: (a) Anodenstreifen (11), die auf der Rückseite eines doppelseitigen Isolatorsubstrats (13) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt: (b) säulenartige Anodenelektroden (12), die in die Anodenstreifen (11) gepflanzt sind derart, daß deren oberen Enden so angeordnet sind, daß sie das doppelseitige Isolatorsubstrat (13) durchdringen, um an einer Seite desselben freizuliegen, und (c) streifenförmige Katodenelektroden (14), die jeweils eine Öffnung (15) aufweisen, so daß jede der entsprechenden säulenartigen Anodenelektroden (12) derart angeordnet ist, daß sie dort hineinfällt, wobei der Radius der Öffnung (15) der Dicke von genanntem Isolatorsubstrat (13) ähnelt und der Durchmesser der Öffnung (15) kleiner als die Breite des genannten Anodenstreifens (11) ist, so daß die Richtung der Linie von elektrischer Kraft immer nach oben in Bezug auf die Oberfläche des Isolatorsubstrats (13) ist, wodurch irgendein Risiko des Erzeugens des unerwünschten elektrostatischen Feldes, das durch die Ansammlung von durch Gasverstärkung erzeugten positiven Ionen verursacht wird, beseitigt wird.
Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Anodenstreifen eine Breite von ungefähr 200 bis 400 μm aufweist.
Teilchenstrahlbilddetektor unter Anwendung von durch Pixelelektroden erzielter Gasverstärkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenstreifen (11) in Abständen von ungefähr 400 μm vorgesehen sind, die streifenförmigen Katodenelektroden (14) jeweils Öffnungen in Abständen in einer vorab festgelegten Entfernung aufweisen, wobei der Durchmesser der Öffnung ungefähr 200 bis 300 μm beträgt, und jede der säulenartigen Anodenelektroden einen Durchmesser von ungefähr 40 bis 60 μm und eine Höhe von ungefähr 50 bis 150 μm aufweist.