DE2747872A1 - Strahlennachweisvorrichtung - Google Patents

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, STEINDAMM 9k, 2000 HAMBURG

"Strahlennachweisvorrichtung"

Die Erfindung betrifft eine Strahlennachweisvorrichtung mit wenigstens einem Strahlendetektor, der in einer mit einem Isoliermedium gefüllten Kammer ebene, zueinander wenigstens annähernd parallele Elektroden enthält, zwischen denen eine Spannung von solcher Größe erzeugbar ist, daß der Detektor im Bereich des Townsend-Plateaus arbeitet und die im Betriebszustand auf die Strahlenquelle ausgerichtet sind. Eine derartige Strahlennachweisvorrichtung zum Nachweis von Gamma- oder Röntgenstrahlung ist aus der DT-OS 26 09 626 bekannt. Diese Strahlennachweisvorrichtung ist besonders für die sogenannte Computertomographie geeignet, wobei ein Körper durch das fächerförmig ausgeblendete Strahlenbündel der Strahlenquelle durch-

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strahlt wird und eine Strahlennachweisvorrichtung mit einer Vielzahl von Detektoren die Absorption des Körpers längs einer Vielzahl von der Strahlenquelle ausgehender Strahlenpfade gleichzeitig erfaßt. Für die Computertomographie ist von besonderer Bedeutung, daß die Strahlennachweisvorrichtung einen großen Linearitätsbereich aufweist, geringe Meßzeiten erfordert, und die Meßergebnisse mit großer Genauigkeit und ausreichender Stabilität liefert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Strahlennachweisvorrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf diese Eigenschaften zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Mittel, die einen wenigstens annähernd homogenen Verlauf des elektrischen Feldes im Bereich der im Betriebszustand der Strahlenquelle zugewandten Enden der Elektroden erzwingen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Mittel zur Erzwingung eines annähernd homogenen elektrischen Feldes gebildet durch eine ungefähr senkrecht zu den Elektroden verlaufende und diese elektrisch leitend miteinander verbindende, in der bzw. den Kammern auf der im Betrieb der Strahlenquelle zugewandten Seite der Elektroden angeordnete Widerstandsschicht, deren Abmessung senkrecht zur Strahleneinfallsrichtung und senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes ungefähr derjenigen der Elektroden entspricht. Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Widerstandsschicht durch eine homogene Schicht mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gebildet wird. Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß die Widerstandsschicht eine auf einem isolierenden Trägerkörper aufgebrachte mäanderförmige Widerstandsbahn umfaßt.

Durch die elektrisch leitend mit den Elektroden verbundene Viderstandsschicht fließt im Betriebszustand ein Gleichstrom,

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der sich dem Signalstrom an der Sammelelektrode überlagern würde, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden. Grundsätzlich könnte ein derartiger Gleichstrom zwar durch einen Kondensator beseitigt werden, doch wären damit noch nicht dessen Rauschkomponenten unterdrückt. Eine günstigere Lösung dieses Problems besteht nach einer Weiterbildung daher darin, daß die Stirnfläche jeder Sammelelektrode einen schmalen geerdeten, leitend mit der Widerstandsschicht verbundenen Elektrodenstreifen enthält, der von den eigentlichen Siganlelektrodenbelägen isoliert ist.

Eine diesbezügliche Weiterbildung sieht vor, daß der Schutzelektrodenstreifen den gesamten äußeren Rand des Trägerkörpers der Sammelelektrode umfaßt. Dadurch werden auch die Leckströme abgeleitet, die anderenfalls zwischen den Hochspannungs- und den Sammelelektroden über Gehäuseteile o.dgl. fließen würden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Feldlinienverlauf bei der bekannten Strahlennachweisvorrichtung der eingangs genannten Art,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Ladungsträgerstromes zwischen den Elektroden als Funktion der Spannung zwischen den Elektroden bei konstanter Strahlungsintensität und bei konstantem Druck eines gasförmigen Isoliermediums ,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlennachwei svorri chtung,

Fig. 4 eine Einzelheit der Sammelelektrode,

Fig. 5 eine Widerstandsschicht mit mäanderförmiger Widerstandsbahn in der Draufsicht.

Fig. 1 zeigt rein schematisch einen Schnitt durch eine Kammer der eingangs genannten Art, wobei mit 1 eine Hoch-

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Spannungselektrode bezeichnet ist, die im Betrieb ein Hochspannungspotential von einigen kV gegen Masse führt und mit 2 eine parallel dazu angeordnete Sammelelektrode, über die die Ladungsträger abfließen, die in dem Raum zwischen den beiden Elektroden durch die einfallende Strahlung, die in Richtung der Pfeile 3 verläuft, erzeugt werden.Mit 4 ist die der Strahlenquelle zugewandte Gehäusewand bezeichnet, die aus einem leitenden Material besteht bzw. mit einer leitenden Schicht versehen ist. Die Gehäusewand bzw. die Schicht ist geerdet, so daß in der Kammer erzeugte Ladungsträger, die auf die Gehäusewand auftreffen, diese nicht aufladen können. Die übrigen Teile der Kammer sind der Einfachheit halber fortgelassen.

Mit 5 sind die elektrischen Feldlinien bezeichnet, die sich im Betriebszustand ergeben. Man erkennt, daß in dem Bereich in der Mitte zwischen den Elektroden 1 und 2 - bedingt durch die parallele Elektrodenanordnung - sich ein homogenes (d.h. räumlich konstantes) elektrisches Feld aufbaut. Im Bereich des der Gehäusewand 4 zugewandten Endes der Hochspannungselektrode 1 ergibt sich ein inhomogenes Feld, wobei die Feldstärke größer ist als im homogenen Bereich. Auf der anderen Seite ist in dem Bereich zwischen dem oberen Ende der Sammelelektrode 2 und der Gehäusewand 4 ein Raum mit einem inhomogenen und sehr schwachen Feld, weil die Sammelelektrode 2 und die Gehäusewand 4 praktisch das gleiche Potential führen.

Der Erfinder hat erkannt, daß dieser für die bekannten Strahlennachweisvorrichtungen der eingangs genannten Art typische Feldverlauf die Ursache dafür ist, daß sich bei den bekannten Strahlennachweisvorrichtungen Einschränkungen hinsichtlich der Linearität, der Genauigkeit und der Stabilität sowie der Meßzeit ergeben. Dies soll in Verbindung mit Fig. 2 näher erläutert werden. Fig. 2 zeigt - etwas

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idealisiert - die Abhängigkeit des Über die Sammelelektrode fließenden Ladungsträgerstroms von der Spannung zwischen den Elektroden bzw. von der elektrischen Feldstärke in diesem Zwischenraum bei konstantem Druck des Isoliermediums und bei konstanter Strahlungsintensität. Der Ladungsträgerstrom nimmt zunächst mit steigender Feldstärke bzw. steigender Spannung zu. Das Ausmaß bzw. die Größe der Zunahme wird mit steigender Spannung oder Feldstärke geringer. Dieser Bereich der geringen Abhängigkeit des Stromes von der Feldstärke entspricht etwa dem "Townsend-Plateau" bei Niederdruck-Ionisationskammern, und er wird in dieser Anmeldung auch als solcher bezeichnet. Oberhalb des Townsend-Plateaus befindet sich wieder ein Bereich in dem - durch Lawineneffekte bedingt - der Ladungsträgerstrom mit der steigenden Spannung bzw. Feldstärke stark ansteigt.

Die Spannung zwischen den Elektroden muß nun so gewählt werden, daß die elektrische Feldstärke an der der Gehäusewand A zugewandten Stirnfläche der Hochspannungselektrode 1 noch im Bereich des Townsend-Plateaus liegt, z.B. an seinem Ende (Punkt C). Die Feldstärke im homogenen Feldstärkebereich zwischen den beiden Platten ist dann notwendigerweise niedriger. Sie liegt etwa im Punkt B. Im nahezu feldfreiem Raum zwischen dicht unter der Gehäusewand und bei der Sammelelektrode ergeben sich Feldstärken, die zum Teil noch unterhalb des Townsend-Plateaus liegen (Punkt A). Die Eigenschaften einer derartigen Ionisationskammer werden aber durch alle Volumina mitbestimmt, wobei die Bereiche in der Nähe der Gehäusewand am stärksten eingehen; dort werden nämlich am meisten Ladungsträger erzeugt, weil dort die einfallende Röntgenstrahlung noch am wenigsten durch das Isoliermedium in dem Raum zwischen den Elektroden geschwächt ist.

Wenn die auf die Strahlennachweisvorrichtung fallende Strahlung eingeschaltet wird, dann steigt - besonders in

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den Gebieten kleiner Feldstärke (Arbeitspunkt A) - die Ladungsträgerkonzentration an. Bei hoher Intensität der Röntgenstrahlen kann die entstehende Raumladung (bei unterschiedlicher BeweglichMt der positiven und negativen Ladungsträger) das durch die Elektroden erzeugte elektrostatische Feld stark verfälschen. Diese raumladungsbedingte Veränderung der elektrischen Feldkonfiguration führt zu Feldüberhöhungen vor den Elektroden, wodurch es dann zu lokal begrenzten Gasentladungen mit Ladungsträgervervielfachung kommen kann. Solche Mikroentladungen verfälschen den Meßwert.

Man kann weiterhin davon ausgehen, daß eine Ionisationskammer dann linear arbeitet, wenn sie im Bereich des Townsend-Plateaus arbeitet. Wie bereits oben ausgeführt, wird ein Teil der Kammer unterhalb des sogenannten Townsend-Plateaus betrieben (Arbeitspunkt A) und der übrige Teil im Townsend-Plateau (Arbeitspunkt B und C). Insgesamt ist dann die Ionisationskammer nichtlinear (d.h., die Amplitude des an der Sammelelektrode abgenommenen Signals ist der Intensität der einfallenden Röntgenstrahlung nicht proportional).

Durch die Erfindung wird das elektrische Feld auch in der Nähe des Eintrittsfensters homogen und die Feldstärke nimmt nicht mehr Wert an, die merklich unter oder über denen liegen, die sich im homogenen Feldstärkebereich zwischen den Elektroden ergeben. Damit entfallen die vorstehend beschriebenen Nachteile. Die Quantennachweiswahrscheinlichkeit kann bei gleicher Detektorlänge durch Verwendung höheren Gasdrucks erhöht werden. Der Linearitätsbereich des Detektors ist ausgedehnt, d.h. es können größere Strahlungsflußdichten gemessen werden, und die Integrations- bzw. Meßzeit ist verringert, die Genauigkeit und die Stabilität werden verbessert. Da sich praktisch eine homogene Feldverteilung ergibt, kann die Spannung

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zwischen den Elektroden so erhöht werden, daß die Kammer insgesamt in der Nähe des Arbeitspunktes C betrieben wird. Da die Integrationszeit mit zunehmender Betriebsspannung abnimmt, wird dadurch die Meßzeit noch weiter verringert.

In Fig. 3 ist ein Strahlendetektor einer erfindungsgemäßen Strahlennachweisvorrichtung dargestellt. Die in Richtung der Pfeile 3 einfallende Röntgen- oder Gammastrahlung tritt durch ein Strahleneintrittsfenster 5» das aus einer Platte aus strahlenabsorbierendem Material mit einer öffnung 5a besteht, und durch die Gehäusewand 4, die für die Strahlung durchlässig ist, in den durch die beiden Hochspannungselektroden 1 begrenzten Raum, in dessen Mitte sich die Sammelelektrode befindet. In dem hermetisch abgeschlossenen Kammergehäuse, dessen Rückwand mit 6 bezeichnet ist, befindet sich ein Isoliermedium, das eine möglichst hohe Ordnungszahl aufweisen sollte und - falls es sich um ein Gas handelt - unter hohem Druck stehen muß, damit ein relativ großer Anteil der einfallenden Strahlung auch absorbiert wird und zu einem Ionisationsvorgang führt, der dann als Strom über die Sammelelektrode nachgewiesen werden kann. Besonders geeignet sind beispielsweise Xenon der Krypton oder Brom enthaltende Fluorkohlenwasserstoffe oder Mischungen davon. Es kann aber auch ein flüssiges Isoliermedium verwendet werden. Bei Verwendung von Xenon sollte das Produkt aus dem Gasdruck und der Länge der Kammer in Richtung der Pfeile 3 ungefähr 30 bar.cm betragen oder noch größer sein, damit ein hoher Anteil der einfallenden Quanten absorbiert wird und nachgewiesen werden kann.

Wenn die erfindungsgemäße Strahlennachweisvorrichtung bei einem Gerät für die Computertomographie benutzt wird, befindet sich die Untersuchungsebene in der Zeichenebene. Dabei bestimmt die Breite des Strahleneintrittsfensters bzw. der Abstand der Hochspannungselektroden die größte

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noch aufzulösende Raumfrequenz. Dieser Abstand beträgt dann - anders als in der Zeichnung dargestellt - nur noch einen oder wenige Millimeter. Die Elektroden, insbesondere die Sammelelektrode, müssen dann selbstverständlich auch wesentlich dünner sein als in der Zeichnung dargestellt, z.B. 50 /um. Die Elektroden 1 und 2 sind durch die Halterung isolierend an der Gehäuserückwand 6 befestigt. Die Durchführungen, durch die die Hochspannung an die Elektroden bzw. 2 herangeführt wird, sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Wird ein derartiger Detektor als Teil einer Strahlennachweisvorrichtung für die Computertomographie verwendet, dann sind eine Vielzahl derartiger Detektoren auf einem Bogen angeordnet. Soweit bisher beschrieben,ist die in Fig. 3 dargestellte Strahlennachweisvorrichtung bekannt (z.B. DT-OS 26 09 626).

Erfindungsgemäß ist zwischen der Gehäusewand 4 und den Elektroden eine senkrecht zur Richtung der Strahlung verlaufende aus zwei Schichten 8 und 9 bestehende Doppelschicht angeordnet, wobei die Schicht 8 eine Isolierschicht ist und die den Elektroden zugewandte Schicht 9 eine geringe Leitfähigkeit besitzt. Ihre Breite entspricht etwa der Länge der Stirnfläche der Elektroden.

Die schwach leitfähige Schicht 9 kann aus einer schwach leitenden festen Kohlenstoffsuspension bestehen, wie sie z.B. in der Dickfilmtechnik verwendet wird, oder aus einem aufgedampften schwach leitenden Film (z.B. Chrom, Nickel). Sie kann auch gebildet werden durch geeignete Oberflächenbehandlung einer Folie. Beispielsweise kann die Oberfläche einer Mylar-Folie durch UV-Bestrahlung schwach leitfähig gemacht werden. Es gibt aber auch chemische Prozesse, mit denen die Oberflächenleitfähigkeit vergrößert werden kann. Der Flächenwiderstand der Schicht soll nicht zu klein sein, damit die Querströme nicht zu groß werden und die Wärmeentwicklung klein bleibt, und er

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darf nicht zu groß sein, damit das Erdpotential der Gehäusewand 4 zuverlässig abgeschirmt wird und das Oberflächenpotential der Schicht 9 nicht durch Leitungsträgerströme im benachbarten Gasraum verfälscht wird. Ein geeigneter Wert für den Flächenwiderstand liegt zwischen 10⁸ und 10¹¹ Ohm.

Die schwach leitfähige Schicht 9 wird in physischem und elektrischem Kontakt gehalten mit den der Strahlenquelle zugewandten Stirnseiten der Elektroden 1 bzw. 2. Dieser Kontakt kann z.B. hergestellt werden durch einen leitenden Kleber oder auch durch einen Kontaktdruck. Durch den elektrischen Kontakt mit den Elektroden stellt sich in der schwach leitfähigen Schicht 9 ein Querstrom ein, der in der Schicht eine Potentialverteilung hervorruft, die d?m Potentialverlauf in dem darunterliegenden Gasraum entspricht. Das elektrische Feld wird damit auch in dem der Strahlenquelle zugewandten Bereich der Elektroden homogen und von gleicher Größe wie weiter unten im Gasraum.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den mechanischen Kontakt der Elektroden mit der Schicht 9 bzw. 8 sowie der Gehäusewand 4, die Schwingungsmöglichkeit der Elektroden und damit die Mikrophonieanfälligkeit des Strahlendetektors verringert wird.

Die Schicht 8 kann aus einem guten Isolator bestehen (Plastikfolie, Printplattengewebe A^O* oder anderen keramischen Werkstoffen), dessen Durchschlagsspannung größer ist als die Betriebsspannung des Detektors. Wenn die Gehäusewand 4 bereits aus einem isolierenden Material besteht, kann die Sohicht 8 entfallen. Wie aus Fig. 4 erkennbar, kann die schwach leitfähige Schicht auch aus einzelnen schwach leitfähigen Plättchen 9a, 9b und 9c usw. bestehen, die jeweils den Abstand zwischen einer oder mehreren Elektroden überbrücken und auf die Stirnseiten der Elektrodenplatten geklebt oder mit ihnen auf andere Weise leitend verbunden

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sind. Die Leitfähigkeit der Plättchen 9a...9c kann eine Volumenleitfähigkeit sein oder auf die Oberfläche bzw. einen der Oberflächen beschränkt sein.

Der Querstrom zwischen der bzw. den Hochspannungselektroden und der Sammelelektrode kann durch eine geerdete Schutzring- oder Guard-Elektrode von der eigentlichen Sammelbzw. Signalelektrode ferngehalten werden. Zu diesem Zweck enthält die Sammelelektrode eine Isolierfolie 10, auf deren beiden Seiten leitende Beläge 11 aufgedampft sind, die die eigentliche Signal- oder Samraelelektrode bilden. Die äußeren Ränder bleiben dabei frei. Auf die der leitfähigen Schicht zugewandte Stirnseite sowie auf die äußeren Ränder der Isolierfolie 10 wird eine weitere, sehr schmale Elektrode aufgebracht, derart, daß ein isolierender Zwischenraum zwischen dieser Schutzringelektrode 12 und der Signalelektrode 11 verbleibt. Die Schutzringelektrode ist geerdet und führt den über die leitfähige Schicht fließenden Querstrom direkt ab, während der durch die Ionisation des Isoliermediums entstehende Ladungsträgerstrom im wesentlichen über die Signalelektrodengeläge 11 abgeführt wird.

Die Breite des Schutzringelektrodenstreifens 12 soll möglichst klein sein (z.B. 0,5 mm), damit nur wenige Ladungsträger, die ja dem Signal verloren gehen, auf der geerdeten Elektrode landen können. Ebenso soll die Breite des isolierenden Zwischenraums 13 zwischen der Schutzringelektrode und der Signalelektrode klein sein, z.B. 0,3 mm, damit der Feldverlauf im Gas durch die dort durch Aufladung entstehenden Oberflächenpotentiale nicht merklich gestört wird.

Der Schutzringelektrodenstreifen auf der Stirnseite kann auch durch einen in das Isoliermaterial eingelegten, gegebenenfalls federnden Draht ersetzt werden, der mit dem übrigen Teil des Schutzringelektrodenstreifens leitend verbunden ist.

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Obwohl die Zeichnung anhand eines Detektors mit zwei Hochspannungselektroden und einer beiden Hochspannungselektroden gemeinsamen Sammelelektrode erläutert wurde, ist die Erfindung in gleicher Weise anwendbar bei Detektoren, die eine Hochspannungslektrode und eine Sammelelektrode aufweisen.

In Fig. 5 ist eine Widerstandsschicht dargestellt, bei der eine mäanderförmige Widerstandsbahn 15 auf einen isolierten Trägerkörper 16 angeordnet und mit den Stirnflächen der Elektroden 1 und 2 leitend verbunden ist. Die Breite der Widerstandsbahn 15 und/oder deren Dicke sind in Richtung parallel zu den Elektroden wesentlich größer als senkrecht dazu, so daß der wesentliche Spannungsabfall im wesentlichen in Richtung senkrecht zu den Elektrodenoberflächen auftritt.

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Claims (10)

1. PHILIPS PATENn¹URWALTUNa GMBH, LTEINDAMM 94, 2000 HAMBURG

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   PATENTANSPRÜCHE;

   StrahlennachweisvoiTlchtung, mit wenigstens einem Strahlendetektor, der in einer mit einem Isoliermedium gefüllten Kammer ebene,zueinander wenigstens annähernd parallele Elektroden enthält, zwischen denen eine Spannung von solcher Größe erzeugbar ist, daß der Detektor im Bereich des Townsend-Plateaus arbeitet, und die im Betriebszustand auf die Strahlenquelle ausgerichtet sind, gekennzeichnet durch Mittel, die einen wenigstens annähernd homogenen Verlauf des elektrischen Feldes im Bereich der im Betriebszustand der Strahlenquelle zugewandten Enden der Elektroden erzwingen.
2. 2. Strahlennachweisvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ungefähr senkrecht zu den Elektroden (1, 2) verlaufende und diese elektrisch leitend miteinander verbindende, in der bzw. den Kammern auf der im Betrieb der Strahlenquelle zugewandten Seite der Elektroden angeordnete Widerstandsschicht (9), deren Abmessung senkrecht zur Strahleneinfallsrichtung und senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes ungefähr derjenigen der Elektroden entspricht.
3. 3. Strahlennachweisvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht durch eine homogene Schicht (9) mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gebildet wird.
4. 4. Strahlennachweisvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht eine auf einem isolierenden Trägerkörper (16) aufgebrachte mäanderförmige Widerstandsbahn (15) umfaßt.
5. 5. Strahlennachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche Jeder

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   Sammelelektrode einen schmalen geerdeten, leitend mit der Widerstandsschicht (9) verbundenen Elektrodenstreifen (12) enthält, der von den eigentlichen Signalelektrodenbelägen (11) isoliert ist.
6. 6. Strahlennachweisvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzelektrodenstreifen den gesamten äußeren Rand des Trägerkörpers (10) der Sammelelektrode (2) umfaßt.
7. 7. Strahlennachweisvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (9) mit den Stirnseiten der Elektroden in Berührung steht.
8. 8. Strahlennachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche bis U, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (9) mit dem Elektrodenkörper mittels eines elektrisch leitenden Klebers verbunden ist.
9. 9. Mehrere Strahlendetektoren umfassende Strahlennachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus mehreren plattenförmigen Abschnitten (9a...9c) besteht, die zwischen je zwei Elektroden (1, 2) angeordnet sind und unmittelbar aneinander angrenzen.
10. 10. Strahlennachweisvorrichtung mit einem Strahleneintrittsfenster (5) bzw. einer Gehäusewand aus leitendem Material, das bzw. die im Betriebszustand konstantes Rtential führt, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gehäusewand bzw. dem Strahleneintrittsfenster und der schwach leitfähigen Schicht eine Isolierschicht vorgesehen ist.

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