CZ304899B6

CZ304899B6 - Detektor ionizujícího záření umožňující vytvoření souvislého digitálního obrazu

Info

Publication number: CZ304899B6
Application number: CZ2013-669A
Authority: CZ
Inventors: Jan JakĹŻbek
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze Ústav technické a experimentální fyziky; WIDEPIX s.r.o.
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-01-07
Also published as: EP3039455A1; WO2015027968A1; US10168437B2; CZ2013669A3; JP6208362B2; EP3039455B1; US20160209521A1; JP2016531296A

Abstract

Detektor (1) ionizujícího záření, např. rentgenového záření, umožňuje vytvoření souvislého digitálního obrazu snímaného objektu, zejména v defektoskopii, v testování materiálu, v biologii, v medicíně aj. Detekční plocha (2) je tvořena mozaikou polovodičových pixelových hybridních detektorových segmentů (3) uspořádaných v matrici (10). Každý detektorový segment (3) sestává ze senzorové vrstvy (5) uspořádané na čtecím čipu (6) s vytvořením stupně (7) pro zapadnutí sousedního detektorového segmentu (3). Známé detektory (1) mají senzorové vrstvy (5) s neaktivními okraji, tvořícími tzv. mrtvé zóny obrazu. Podstata řešení spočívá v tom, že senzorová vrstva (5) detektorového segmentu (3) je aktivní v celé své ploše, a matrice (10) je opatřena prostředkem pro polohování detektorových segmentů (3) pro vymezení jejich vzájemné stranové vůle na hodnotu menší než je velikost jednoho pixelu senzorové vrstvy (5). Polohovací prostředek s výhodou tvoří polohovatelný a aretovatelný nosič (11) řádku (4). Vzniklá detekční plocha (2) je celoplošně aktivní a umožňuje přímé vytváření souvislého digitálního obrazu bez mrtvých zón.

Description

Detektor ionizujícího záření umožňující vytvoření souvislého digitálního obrazu

Oblast techniky

Vynález se týká detektoru ionizujícího záření pro vytvoření souvislého digitálního obrazu snímaného objektu, využitelného zejména v oblasti defektoskopie, nedestruktivního testování materiálů, kontroly kvality výrobků, a rovněž v oblasti medicíny a biotechnologií.

Dosavadní stav techniky

Detektory ionizujícího záření pro vytvoření obrazu snímaného objektu, zejména detektory rentgenového záření, gama záření, beta záření, případně jiného ionizujícího záření, se používají nejenom v medicíně, biologii a v biotechnologiích, ale široká oblast jejich využití leží i v průmyslových aplikacích, kde se používají zejména jako prostředek nedestruktivního testování jakýchkoliv objektů od zjišťování defektů a vad materiálů v oblasti kontroly kvality až po celní, bezpečnostní či policejní kontroly zásilek a přepravovaných předmětů.

Obraz snímaného objektu se přenáší na zobrazovací plochu, a to buďto přímo (tzv. projekčním zobrazením), nebo se data z detektoru počítačově zpracovávají a obraz je vytvořen počítačem pomocí vhodného hardware a software.

Zobrazovací plochy existují v mnoha podobách, nejstarším typem zobrazovací plochy je fotocitlivý film. S nástupem digitalizace se jako zobrazovací plochy využívají nejčastěji scintilační stínítka (např. Csl, Gadox, Nal(TI), BGO, LYSO) v kombinaci s fotodetektory pracujícími v oblasti viditelného světla (např. CCD nebo CMOS snímače). Tyto systémy využívají principu dvojí konverze: záření je nejprve převedeno ve scintilátorů na viditelné světlo, a to je převedeno na elektrický signál pomocí fotodetektoru. Elektrický signál je dále zpracováván pomocí vhodného hardware případně software, který vytvoří obraz na obrazovce nebo jiném médiu.

V posledních letech se jako detektorů záření pro zobrazování používají stále častěji polovodičové detektory pracující na principu jediné konverze, kdy dopadající záření vytváří elektrický signál přímo v polovodičovém elementu. Na jednom polovodičovém čipu je vytvořeno velké množství takto pracujících elementů (pixelů), čímž vznikne obrazový snímač. Signál z každého elementu je dále zpracováván ve specializovaném hardware a software, který vytvoří finální obraz. Tyto detektory záření jsou označovány jako polovodičové pixelové detektory nebo senzory a jsou vyráběny z nejrůznějších polovodičových materiálů, jako je křemík, CdTe, GaAs apod.

Hardware pro zpracování elektrických signálů z jednotlivých pixelů je často vytvořen na nezávislém čipu, který se nazývá čip čtecí elektroniky nebo zkráceně čtecí čip. Čip polovodičového pixelového senzoru bývá umístěn přímo na čtecím čipu (překrývá jej) aje k němu elektricky připojen maticí kontaktů. Takové uspořádání obou čipů tvoří nerozebíratelnou jednotku, která se označuje jako hybridní polovodičový pixelový detektor nebo zkráceně hybridní detektor. Čtecí čip je alespoň na jedné straně opatřen kontakty takzvaných periferní, sloužících k napájení a komunikaci s jednotkou hybridního detektoru. Oblast periferií čtecího senzoru obvykle nebývá překryta čipem pixelového senzoru, což umožňuje připojení externích vodičů.

Jako příklad hybridních polovodičových hybridních detektorů uveďme hybridní detektory Medipix2, Medipix3 a Timepix vyvinuté mezinárodními kolaboracemi Medipix2 a Medipix3, nebo hybridní detektory Pilatus a Eiger vyvinuté v Paul Scherrer Institutu. Tloušťka senzorové vrstvy je obvykle v rozmezí 50 až 2000 pm, přičemž pro zobrazování jsou přednostně používány senzory o tloušťce 300 pm a více. Senzory jsou převážně vyrobeny z krystalu křemíku, méně často z krystalu CdTe nebo Cd(Zn)Te. Jednotlivé pixely jsou obvykle čtvercového tvaru o straně 55 pm (Medipix2, Medipix3, Timepix), 75 pm (Eiger), 172 pm (Pilatus) apod.

-1 CZ 304899 B6

U hybridních polovodičových pixelových detektorů vzniká problém vytvoření souvislého obrazu většího snímaného objektu, neboť maximální velikost detekční plochy jednoho hybridního detektoru je omezena jeho maximální technologicky dosažitelnou velikostí. Typický technologický limit při výrobě čtecích čipů činí jednotky cm² (často tvaru čtverec o rozměrech do 20x20 mm²). Při větších plochách je již pravděpodobnost výrobní vady neúnosně vysoká a výroba se stává neefektivní. Větší detekční plocha musí být proto složena jako mozaika z několika nezávislých hybridních detektorů. Každý hybridní detektor této mozaiky se stává jedním segmentem větší detekční plochy. V dalším textu bude tedy pojem „detektorový segment“ označovat hybridní detektor, který je částí větší detekční plochy.

Při konstrukci větších detekčních ploch pro vytvoření souvislého obrazu (větší detekční plochou se rozumí plocha větší, než je plocha jednoho detektorového segmentu) se proto využívají systémy umožňující skládání detektorových segmentů do detekční plochy s upevněním jednotlivých detektorových segmentů do plošné matrice. Kontakty periferní čtecího čipu se připojují na sběrnice v plošné matrici.

Problém, který je nutno u mozaikové konstrukce detekční plochy řešit, spočívá v tom, že známá řešení detektorových segmentů využívají senzorové vrstvy, které mají neaktivní (necitlivé) okraje, a které tedy neumožňují detekci záření a konstrukci obrazu z celé plochy senzorové vrstvy. Vznikají tak tzv. okrajové mrtvé zóny, neboli rámečky po obvodu jednotlivých detektorových segmentů, které znemožňují vytvoření souvislého obrazu a rozdělují obraz na jednotlivé obrazové segmenty z jednotlivých čipů.

Řešení podle mezinárodní patentové přihlášky WO 95/33 332 k odstranění mrtvých zón neboli rámečků z neaktivních hran senzorové vrstvy detektorových segmentů sestavených do mozaiky spočívá v tom, že mozaika obsahuje vertikálně více vrstev detektorových segmentů, jejichž řádky se navzájem překrývají tak, že okraj spodního řádku přesahuje zespodu okraj horního řádku. Detekční plocha a snímaný objekt se zároveň vůči sobě navzájem relativně pohybují, a pomocí software pro skládání zobrazení zjednotlivých detektorových segmentů v jednotlivých pozicích relativního pohybu se vytvoří souvislý obraz snímaného objektu s odstraněním mrtvých zón. Nevýhoda tohoto řešení spočívá v tom, že k provozu detektoru je potřebné kalibrované zařízení pro vytváření relativního pohybu a příslušný speciální software, takže výroba i provoz takového detektoru jsou komplikované a finančně náročné. Překrývající se necitlivé okraje navíc snižují citlivost detektoru v okrajových oblastech.

Dále je známé řešení detektoru popsané v dokumentu WO 99/33 117. Detektor je modulární konstrukce a sestává z desek tištěných spojů, které tvoří jednotlivé moduly. Na každé desce je připojeno více detektorových segmentů. Jednotlivé moduly se mohou řadit dle potřeby do kazety libovolných rozměrů. Moduly se do kazety připevňují pomocí šroubů v oválných otvorech, které umožňují v hrubé toleranci nastavit vzájemnou paralelní polohu modulů. Řešení neodstraňuje problematiku vytváření mrtvých zón (rámečků) v důsledku neaktivních okrajů senzorových vrstev. K vytvoření celkového obrazu, který je nepřesný, je nutné použít pomocné softwarové prostředky.

Jiná známá řešení mozaikových detektorů, např. podle zveřejněných patentových přihlášek EP 0 421 869 (Al) a US 2001/0 012 412 (Al) využívají pro efektivnější vytvoření mozaiky a snadnější připojení výstupních vodičů z periferií jednotlivých detektorových segmentů do sběrnice ve spodní nosné matrici stupňovité uspořádání detektorových segmentů.

Detektorový segment je dle těchto dokumentů vytvořen tak, že spodní čtecí čip na jedné straně čtvercového nebo obdélníkového detektorového segmentu přesahuje horní senzorovou vrstvu. Tento přesah tvoří stupeň, ve kterém jsou jednak vyvedeny výstupní vodiče ze čtecího čipu do sběrnice, a jednak je tento stupeň ve složené mozaice překryt okrajem sousedního detektorového segmentu. Detektorové segmenty jsou v mozaice skládány po jednotlivých řádcích, kde přesahy resp. stupně jsou orientovány najedné straně řádku, takže následující řádek vždy překrývá řádek

-2CZ 304899 B6 předchozí. Stupňovité resp. schodovité uspořádání řádků v detekční ploše přitom není na závadu výslednému obrazu, neboť úhel naklonění detektorových segmentů je minimální a lze jej snadno korigovat při vytváření digitálního obrazu. I zde však díky umístění necitlivého materiálu nad vrstvu citlivou dochází v těchto oblastech ke snížení její citlivosti.

Podle dokumentu US 2011/0 012 412 (Al) je známa konstrukce detektoru, který má spodní matrici vytvořenou tak, že řádky detektorových segmentů se překrývají stupňovitě nebo rovinně, a přitom každý detektorový segment je vyměnitelný. K tomu účelu je každý detektorový segment upevněn na nosiči čipu, který je pomocí šroubu upevněn ke spodní matrici. Nosič čipu může být rovný nebo klínovitý, podle toho zda zobrazovací plocha má být stupňovitá nebo v podstatě rovinná. Mezi nosiči čipů a spodní matricí je vložena izolační vrstva s vodivými kontakty pro každý nosič čipu. Nosič čipu slouží zároveň jako sběrnice pro výstupní vodiče čtecího čipu, které jsou zavedené do nosiče čipu. Zařízení podle US 2001/0 012 412 Al částečně odstraňuje problém mrtvých zón při vytváření souvislého obrazu, ale pouze v oblasti, ve které se překrývají okraje senzorových vrstev jednotlivých detektorových segmentů, tzn. v liniích jednotlivých řádků detekční plochy. I když jsou segmenty umístěny těsně vedle sebe, jejich boční okraje resp. oblasti podél bočních hran stále vykazují neaktivní plochy, které tvoří mrtvé zóny ve výsledném obrazu snímaného objektu. Tyto mrtvé zóny se musí při vytváření souvislého obrazu digitálně rozmazávat a překrývat, což ale při použití v medicíně či defektoskopii znamená závažný problém z hlediska nepřesnosti výsledného obrazu. Neaktivní okraje detektorových segmentů použitých v řešení dle US 2001/0 12 412 Al vznikají při výrobě senzorových vrstev detektorových segmentů. Jednotlivé segmenty senzorové vrstvy se vyrábí řezáním materiálu zvětší desky, přičemž dochází k poškození materiálu v oblasti těsně u řezu, takže tato úzká oblast podél hran resp. stran čtvercového nebo obdélníkového segmentu je neaktivní a není schopna detekovat záření. Řešení podle US 2001/0 012 412 Al sice odstraňuje některé nevýhody řešení podle WO 95/33 332, ale neodstraňuje zásadní problém, kterým je existence mrtvých zón v souvislém obrazu snímaného objektu, takže souvislý a reálný obraz snímaného objektu není vytvořen ani podle tohoto řešení.

Další nevýhoda řešení podle US 2001/0 012 412 Al spočívá v tom, že nosiče jednotlivých detektorových segmentů jsou do matrice detekční plochy upevněny sice odnímatelné, ale pouze v jedné konkrétní a fixní pozici neumožňující polohování detektorových segmentů do stran pro vymezení jejich vzájemných stranových vůlí. Tím vznikají mezi detektorovými segmenty mezery, které tvoří další mrtvé zóny bránící vytvoření souvislého digitálního obrazu.

Úkolem vynálezu je proto vytvoření takového detektoru ionizujícího záření, který by odstraňoval nedostatky známých řešení a umožnil by vytvoření zcela souvislého a reálného digitálního obrazu snímaného objektu, bez nutnosti pomocných hardwarových nebo softwarových prostředků pro kompenzaci mrtvých zón.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky známých detektorů odstraňuje detektor podle předloženého vynálezu. Detektor ionizujícího záření umožňující vytvoření souvislého digitálního obrazu snímaného objektu zahrnuje matrici a detekční plochu propojitelnou pomocí hardwarových a softwarových prostředků se zobrazovací plochou. Detekční plochu tvoří mozaikovitě uspořádané polovodičové pixelové detektorové segmenty čtvercového nebo obdélníkového tvaru, uspořádané vedle sebe v řádcích. Každý detektorový segment sestává ze senzorové vrstvy uspořádané na čtecím čipu tak, že okraj čtecího čipu na jedné straně přesahuje okraj senzorové vrstvy a vytváří stupeň pro zapadnutí okraje dalšího detektorového segmentu sousedního řádku a v oblasti stupně jsou z periferie čtecího čipu vyvedeny výstupní vodiče. Každý detektorový segment je upevněn na nosiči čipu, který je rozebíratelně upevněn k nosiči řádku. Nosič řádku je k matici upevněn s možností relativního pohybu a s možností aretace ve zvolené poloze vůči matrici. V nosiči řádku jsou vedle sebe těsně a paralelně uspořádány detektorové segmenty na nosičích čipů tak, že přední okraje

-3 CZ 304899 B6 detektorových segmentů přesahují obrys nosiče řádku a zadní okraje detektorových segmentů se stupni a výstupními vodiči leží na nosiči řádku.

Podstata detektoru podle vynálezu spočívá v tom, že senzorová vrstva detektorového segmentuje aktivní v celé své ploše včetně oblastí tvořících okrajové hrany senzorové vrstvy, a matrice je opatřena alespoň jedním prostředkem polohování detektorových segmentů pro vymezení vzájemné vůle mezi senzorovými vrstvami sousedních detektorových segmentů na hodnotu menší než je 30 pm. Prostředek polohování detektorových segmentů vůči matrici je uspořádán s možností pohybu ve čtyřech směrech souřadnicové soustavy ležící v rovině matrice. Tímto uspořádáním polohovacího prostředku lze zmenšit vůle mezi senzorovými vrstvami sousedních detektorových segmentů v podélném i příčném směru. Výhoda tohoto uspřádání spočívá v tom, že okraje senzorových vrstev nevytváří žádné tzv. mrtvé zóny či neaktivní rámečky, a při minimalizaci mezer mezi sousedními detektorovými segmenty a dosažení jejich uspořádání těsně vedle sebe může detekční plocha snímat kontinuální a souvislý obraz celého snímaného objektu, aniž by bylo nutné jej hardwarově nebo softwarově upravovat.

Je výhodné, když nosič řádkuje tvořen podélným profilem majícím v řezu tvar „L“ profilu s vertikální částí a horizontální částí, nosiče čipů mají čtyřúhelníkový průřez a jsou osazeny v „L“ profilu nosiče řádku vedle sebe, přičemž jejich boční okraje jsou uspořádány zároveň s bočním okrajem „L“ profilu a jejich horní okraje jsou uspořádány zároveň nebo výše než horní okraj „L“ profilu. Detektorové segmenty vykazují oproti bočnímu okraji „L“ profilu a bočním okrajům nosičů čipů přesah pro uložení do stupňů detektorových segmentů uspořádaných v sousedním řádku. Vytvoření nosiče řádku ve tvaru „L“ je optimální pro využití prostoru matrice, a to jak horizontálně mezi jednotlivými řádky, tak i ve vertikálním směru.

Z konstrukčního hlediska je výhodné, když délka přesahu detektorových segmentů je stejná nebo větší než je součet délky stupně a šířky vertikální části profilu „L“ nosiče řádku. Je-li délka přesahu stejná, nevznikají mezi řádky žádné mezery. Je-li délka přesahu větší než je součet délky stupně a šířky vertikální části profilu „L“ nosiče řádku, vznikají mezi bočními okraji nosiče řádku a nosiče čipu v jednom řádku a okrajem sousedního nosiče řádku technologické prostupy, které je možno využít kromě prostoru pro mechanické polohování i např. jako chladicí kanály pro chlazení detektoru, pro průchod sběmic apod.

V dalším výhodném provedení detektoru podle vynálezu jsou nosiče čipů upevněny k horizontální části profilu „L“ nosiče řádku pomocí upevňovacích šroubů, s hlavou šroubu uspořádanou na spodní straně nosiče řádku. Nosiče čipů lze upevnit i jiným způsobem, ale upevňovací šrouby jsou výhodné, protože montáž nosiče čipu případně demontáž nosiče čipů při výměně vadného nebo poškozeného detektorového segmentuje snadná a rychlá.

Z konstrukčního hlediska je dále výhodné, když horní okraje nosičů čipů přesahují přes horní okraj nosiče řádku. Na horním okraji nosiče řádku tak vzniká mezera, ve které jsou uloženy sběrnice pro připojení výstupních vodičů detektorových segmentů.

Další výhodné provedení nosiče řádku z hlediska možností nastavení jeho polohy a následné aretace je takové, že nosič řádkuje opatřen alespoň dvěma oválnými stavěcími otvory, do každého otvoru zapadá stavěči excentr uložený v matrici s ovládacími prvky přístupnými z vnější strany matrice a nosič řádkuje k matrici upevnitelný pomocí alespoň jednoho upevňovacího šroubu. Při nastavování vzájemné polohy jednotlivých řádků a minimalizaci vůle mezi senzorovými plochami detektorových segmentů v sousedních řádcích se poloha nosiče řádku nastaví otáčením stavěčích excentrů v oválných stavěčích otvorech a ve výsledné optimální poloze se nosič řádku aretuje utažením upevňovacího šroubu.

Pro usnadnění manipulace a dosažení rychlého nastavení optimální polohy nosiče řádku je výhodné, když nosič řádku přesahuje podélně na obou stranách řádek detektorových segmentů a v každé přesahující oblasti je jeden oválný otvor pro pohyb nosiče řádku v podélném směru, při-4CZ 304899 B6 čemž ve středové části nosiče řádku je jeden oválný otvor pro pohyb nosiče řádku v příčném směru.

Rovněž je výhodné, když nosič řádku je uspořádán na alespoň jednom pružném prvku uloženém v matrici, aby byly odstraněny i vůle ve vertikálním směru a nedocházelo k povolování upevňovacích šroubů držících nosiče řádků v matrici.

Pružný prvek je s výhodou kovová pružná planžeta obloukového průřezu, přičemž dutina pod obloukem kovové pružné planžety může tvořit chladicí kanál pro chlazení detektoru.

Také je výhodné, když detektorový segment je k nosiči čipu upevněn lepidlem. Tím se dosáhne absolutní rozměrové stálosti sestavy detektorového segmentu a nosiče čipu. V případě výměry vadného nebo defektního detektorového segmentu se vymění celá sestava detektorového segmentu i s nosičem čipu, a s výstupem vodiče nového detektorového segmentu se znovu připojí na sběrnici.

V dalších výhodných provedeních vynálezu jsou nosiče řádků uloženy ve schodovitě uspořádaných polodrážkách v matrici, aby byly eliminovány výškové rozdíly tvořené uložením přesahu detektorového segmentu do stupňovitého vybrání sousedního detektorového segmentu. Nakonec je výhodné, když matrice nosiče čipů a nosiče řádků jsou vyrobeny z hliníkové slitiny.

Matrice je v klasickém provedení detektoru vytvořena jako ploché těleso, a také detekční plocha je vytvořena jako v podstatě rovinný útvar.

Pro některé aplikace, např. pro počítačovou tomografii nebo pro rentgenovou difrakci, ale může být výhodné, když matrice je vytvořena jako těleso ve tvaru části pláště pravidelného n-hranu, kde v každé stěně n-hranu je vytvořena polodrážka osazená nosičem řádku s detektorovými segmenty. Stěny n-hranu jakož i normály sousedních detektorových segmentů spolu svírají shodný vrcholový úhel a řádky detektorových segmentů tak tvoří vnitřní stěny n-hranu. Toto provedení umožňuje vytvoření detekční plochy s nulovými výškovými rozdíly mezi senzorovými vrstvami čipů v sousedních řádcích.

V jiném výhodném provedení detektoru ve tvaru n-hranu nejsou stěny n-hranu rovné, ale zakřivené do konvexní nebo konkávní plochy, s výhodou části válcové plochy. Stejně tak jsou zakřivené i dosedací části nosičů řádků a polodrážek.

Ve výhodném konkrétním provedení detektoru podle vynálezu je mezi senzorovými vrstvami sousedních detektorových segmentů v sousedních řádcích je v rovině detekční plochy mezera typicky menší než 30 pm, což je hodnota významně menší než velikosti pixelů. Velikost této mezery je určena pouze přesností výroby mechanických dílů. Detekční plocha je tedy s těmito minimálními mezerami celoplošně citlivá.

Ve vertikálním směru (tj. kolmo k ploše senzorové vrstvy) je výškový rozdíl mezi jednotlivými povrchy senzorů v sousedních řádcích typicky v rozsahu 100 až 200 pm což je hodnota menší než typická tloušťka senzorových vrstev používaných pro zobrazování (300 pm a více). Celou detekční plochou lze tedy vést nakloněnou rovinu o sklonu 0,4 až 0,8°. Minimální hodnota tohoto vertikálního posuvu mezi jednotlivými řádky je určena minimální tloušťkou čtecích čipů (typicky 50 až 120 pm) zvětšenou o tloušťku vodičů pro připojení periferií čtecích čipů (typicky 30 pm).

Detektor je možno mozaikovitě složit z libovolného množství řádků, každý řádek je možno osadit libovolným počtem detektorových segmentů. Maximální rozměry detekční plochy tak nejsou nikterak omezeny. Po vyjmutí jednoho řádku lze vyměnit libovolný poškozený detektorový segment, včetně příslušného nosiče čipu. Kontakt detektorových segmentů s matricí přes nosiče čipů a nosiče řádků má dobré vlastnosti z hlediska přenosu tepla a umožňuje efektivní teplotní regulaci, tj. chlazení detektoru.

-5 CZ 304899 B6

Těsné a polohovatelné uspořádání detektorových segmentů s celoplošně aktivními senzorovými vrstvami včetně oblastí jejich hran, s minimálními vůlemi, umožňuje vytvoření úplného souvislého digitálního obrazu snímaného objektu bez speciálních hardwarových nebo softwarových prostředků.

Objasnění výkresu

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresů, na nichž znázorňují:

Obr. 1 boční pohled na sestavu detektorového segmentu a nosiče čipu,

Obr. 2 půdorys sestavy detektorového segmentu a nosiče čipu,

Obr. 3 půdorys sestavy nosiče řádku osazeného čtyřmi detektorovými segmenty,

Obr. 4 řez sestavou podle obr. 3 rovinou A-A,

Obr. 5 půdorys detektoru s detekční plochou tvořenou třemi řádky, každý po čtyřech detektorových segmentech,

Obr. 6 řez detektorem podle obr. 5 rovinou A-A,

Obr. 7 řez detektorem podle obr. 5 rovinou B-B,

Obr. 8 schéma montáže sestavy detektorového segmentu a nosiče čipu do nosiče řádku,

Obr. 9 ř ez detektorem s detekční plochou tvořenou čtyřmi řádky, se schematickým znázorněním montáže nosiče řádku do matrice,

Obr. 10 detail sousedních detektorových segmentů v sousedních řádcích detekční plochy v řezu, Obr. 11 příklad provedení detektoru ve tvaru části n-hranu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení příkladů vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, kterájsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Detektor I znázorněný na obr. 1 až obr. 9 je vytvořen jako detektor rentgenového záření, ale při použití vhodných senzorových vrstev 5 může být uzpůsoben i pro detekci jiných typů záření. Základ detektoru X tvoří matrice 10 z hliníkové slitiny, která nese mozaiku detektorových segmentů 3 uspořádaných v jednotlivých řádcích 4. Každý detektorový segment 3 obsahuje čtvercovou polovodičovou pixelovou senzorovou vrstvou 5 tvořenou jedním polovodičovým čipem o rozměrech 14,253x14,253 mm. Senzorová vrstva 5 je aktivní v celé své ploše včetně oblastí těsně u okrajových hran senzorové vrstvy 5. Čtvercové čipy tvořící senzorovou vrstvu 5 se vyrábí dělením velkoplošného materiálu, přičemž se používá technologie dělení, která nedegraduje aktivní senzorovou vrstvu 5 v oblasti dělicí linie.

Senzorová vrstva 5 je pomocí matice kontaktů 30 spojena se čtecím čipem 6, který je uspořádán pod senzorovou vrstvou 5. Čtecí čip 6, např. typu Medipix2 nebo Timepix, přesahuje na jedné straně čtverce senzorovou vrstvu 5 a vytváří stupeň 7. Z okraje čtecího čipu 6 v oblasti stupně 7 vystupují tenké výstupní vodiče 8. Čtecí čip 6 je přilepen lepidlem 17 na horní plochu nosiče 9 čipu, který je vyroben z hliníkové slitiny a má tvar kvádru. Senzorová vrstva 5 i čtecí čip 6 přesahují na straně protilehlé ke stupni 7 nosič 9 čipu o přesah 16. Konec přesahu 16 zapadá do stupně 7 detektorového segmentu 3 v sousedním řádku 4.

-6CZ 304899 B6

Na obr. 1 až obr. 9 je znázorněn příklad provedení plochého detektoru 1. Matrice JO je ploché hliníkové těleso, ve kterém jsou stupňovitě vytvořeny polodrážky 29. V každé polodrážce 29 je pomocí upevňovacích šroubů 25 upevněn nosič JJ_ řádku 4, tvořený hliníkovým „L“ profilem uloženým na pružném prvku 26, což je kovová pružná planžeta obloukového průřezu. Dutina v oblouku planžety může sloužit i jako chladicí kanál 28, např. pokud by byl detektor I chlazen plynným médiem. Každý nosič 11 řádku 4 lze vůči matrici 10 polohovat a nastavit tak příslušný řádek 4 do vhodné polohy s minimálními mezerami mezi řádky 4. Nastavení se provádí pomocí oválných stavěčích otvorů 22, 23 v nosiči 11 a pomocí stavěčích excentrů 24 uložených v matrici 10 a zapadajících do stavěčích otvorů 22, 23. Stavěči excentry 24 i upevňovací šrouby 25 se ovládají z vnější strany matrice 10.

Nosiče 9 čipů s nalepenými detektorovými segmenty 3 jsou uloženy v nosiči JJ. řádku 4 těsně vedle sebe, a tvoří tak jeden řádek 4 detekční plochy 2. Upevnění nosiče 9 čipu k nosiči 11 řádku 4 je provedeno pomocí upevňovacího šroubu 18, který prochází nosičem 11 řádku 4 a zapadá do závitového otvoru 20 v nosiči 9 čipu. Po odmontování nosiče 11 řádku 4 z matrice 10 tak lze povolením upevňovacího šroubu J_8 demontovat příslušný nosič 9 čipu s vadným detektorovým segmentem 3 a vyměnit jej za nový.

Vzájemné uspořádání detektorových segmentů 3 v nosiči 11 řádku 4 je takové, že délka L přesahu 16 detektorového segmentuje větší než součet délky J stupně 7 a šířky s vertikální části profilu „L“ nosiče 11 řádku 4. Na horním okraji 15 nosiče 11 řádku 4 jsou uloženy sběrnice 21 pro připojení výstupních vodičů 8 detektorových segmentů 3. Mezi sousedními nosiči 11 řádku 4 jsou vytvořeny technologické prostupy 27 pro uložení částí elektroniky.

Na obr. 10 je znázorněn detail rovinné detekční plochy 2 v řezu, s vyznačením vzájemné polohy sousedních senzorových ploch 5 detektorových segmentů 3 v sousedních řádcích 4. Stranová vůle x mezi senzorovými vrstvami 5 detektorových segmentů 3 v sousedních řádcích 4 v rovině detekční plochy 2 je 20 pm. Výškový rozdíl y mezi senzorovými vrstvami 5 detektorových segmentů 3 v sousedních řádcích 4 v rovině kolmé k detekční ploše (2) je 200 pm. Úhel sklonu β detekční plochy 2 je 0,8°.

Na obr. 11 je znázorněn jiný příklad uskutečnění detektoru J_. Matrici 10 zde netvoří ploché těleso, ale těleso ve tvaru části pláště pravidelného 12bokého hranolu. V každé stěně hranolu je na vnitřní straně polodrážka 29, osazená nosičem 11 řádku 4 s detektorovým segmenty 3 na nosičích 9 čipů. Normály Ni až N_n sousedních stěn, polodrážek 29 a detektorových segmentů 3 spolu svírají shodný vrcholový úhel a. Nosiče 11 řádku 4 jsou vytvořené a polohovatelné stejně jako v předchozích příkladech provedení. V jiné alternativě může být těleso matrice 10 také n-hran, a to nikoli přímý, ale konvexní nebo konkávní, např. ve tvaru části válcové plochy. Pak jsou odpovídajícím způsobem tvarově upraveny i dosedací části polodrážek 29 a nosičů 11 řádku 4.

Průmyslová využitelnost

Detektor ionizujícího záření podle vynálezu lze využít k vytvoření souvislého digitálního obrazu snímaného objektu, zejména v oblasti biologie, biotechnologií, medicíny, defektoskopie, nedestruktivního testování materiálů, kontroly kvality výrobků a v dalších oblastech.

Claims

1. Detektor (1) ionizujícího záření umožňující vytvoření souvislého digitálního obrazu snímaného objektu, zahrnující matrici (10) a detekční plochu (2) propojitelnou pomocí hardwarových a softwarových prostředků se zobrazovací plochou, kde detekční plochu (2) tvoří mozaikovitě uspořádané hybridní polovodičové pixelové detektorové segmenty (3) čtvercového nebo obdélníkového tvaru, uspořádané vedle sebe v řádcích (4), detektorový segment (3) se sestává ze senzorové vrstvy (5) uspořádané na čtecím čipu (6) tak, že okraj čtecího čipu (6) na jedné straně přesahuje okraj senzorové vrstvy (5) a vytváří stupeň (7) pro zapadnutí okraje dalšího detektorového segmentu (3) sousedního řádku (4) a v oblasti stupně (7) jsou ze čtecího čipu (6) vyvedeny výstupní vodiče (8), přičemž každý detektorový segment (3) je upevněn na nosiči (9) čipu, který je rozebíratelně upevněn k nosiči (11) řádku (4), který je k matrici (10) upevněn s možností relativního pohybu a s možností aretace ve zvolené poloze vůči matrici (10), přičemž v nosiči (11) řádku (4) jsou vedle sebe těsně a paralelně uspořádány detektorové segmenty (3) na nosičích (9) čipů tak, že přední okraje detektorových segmentů (3) přesahují obrys nosiče (11) řádku (4) a zadní okraje detektorových segmentů (3) se stupni (7) a výstupními vodiči (8) leží na nosiči (11) řádku (4), vyznačující se tím, že senzorová vrstva (5) detektorového segmentu (3) je aktivní v celé své ploše včetně oblastí těsně u okrajových hran senzorové vrstvy (5), a matrice (10) je opatřena alespoň jedním prostředkem polohování detektorových segmentů (3) pro vymezení vzájemné stranové vůle mezi senzorovými vrstvami (5) sousedních detektorových segmentů (3) na hodnotu menší než je 30 pm, uspořádaným vůči matrici (10) s možností pohybu ve čtyřech směrech souřadnicové soustavy ležící v rovině matrice (10).

2. Detektor podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosič (11) řádku (4) je tvořen podélným profilem majícím v řezu tvar „L“ profilu s vertikální částí a horizontální částí, nosiče (9) čipů (3) mají čtyřúhelníkový průřez a jsou osazeny v „L“ profilu nosiče (11) řádku (4) vedle sebe, přičemž jejich boční okraje (12) jsou uspořádány zároveň s bočním okrajem (13) „L“ profilu ajejich horní okraje (14) jsou uspořádány zároveň nebo výše než horní okraj (15) „L“ profilu, a detektorové segmenty (3) vykazují oproti bočnímu okraji (12) „L“ profilu a bočním okrajům (13) nosičů (9) čipů přesah (16) pro uložení do stupňů (7) detektorových segmentů (3) uspořádaných v sousedním řádku (4).

3. Detektor podle nároku 2, vyznačující se tím, že délka (L) přesahu (16) detektorového segmentu (3) je stejná nebo větší než je součet délky (1) stupně (7) a šířky (s) vertikální části profilu „L“ nosiče (11) řádku (4).

4. Detektor podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že nosiče (9) čipů jsou upevněny k horizontální části profilu „L“ nosiče (11) řádku (4) pomocí upevňovacích šroubů (18), s hlavou (19) šroubu (18) uspořádanou na spodní straně nosiče (11) řádku (4).

5. Detektor podle alespoň jednoho z nároků 2až4, vyznačující se tím, že horní okraje (14) nosičů (9) čipů přesahují přes horní okraj (15) nosiče (11) řádku (4) a na horním okraji (15) nosiče (11) řádku (4) jsou uloženy sběrnice (21) pro připojení výstupních vodičů (8) detektorových segmentů (3).

6. Detektor podle alespoň jednoho z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že nosič (11) řádku (4) je opatřen alespoň dvěma oválnými stavěcími otvory (22, 23), do každého otvoru (22, 23) zapadá stavěči excentr (24) uložený v matrici (10) s ovládacími prvky přístupnými z vnější strany matrice (10) a nosič (11) řádku (4) je k matrici (10) upevnitelný pomocí alespoň jednoho upevňovacího šroubu (25).

7. Detektor podle nároku 6, vyznačující se tím, že nosič (11) řádku (4) přesahuje podélně na obou stranách řádek (4) detektorových segmentů (3) a v každé přesahující oblasti je

-8CZ 304899 B6 jeden oválný otvor (22) pro pohyb nosiče (11) řádku (4) v podélném směru, přičemž ve středové části nosiče (11) řádku (4) je jeden oválný otvor (23) pro pohyb nosiče (11) řádku (4) v příčném směru.

8. Detektor podle alespoň jednoho z nároků 2 až 7, vyznačující se tím, že nosič (11) řádku (4) je uspořádán na alespoň jednom pružném prvku (26) uloženém v matrici (10).

9. Detektor podle nároku 8, vyznačující se tím, že pružný prvek (26) je kovová pružná planžeta obloukového průřezu.

10. Detektor podle alespoň jednoho z nároků laž9, vyznačující se tím, že detektorový segment (3) je k nosiči (9) čipu upevněn lepidlem (17).

11. Detektor podle alespoň z nároků 3 až 10, vyznačující se tím, že délka (L) přesahu (16) detektorového segmentu (3) je větší než součet délky (1) stupně (7) a šířky (s) vertikální části profilu „L“ nosiče (11) řádku (4), přičemž mezi sousedními nosiči (11) řádku (4) je vytvořen technologický prostup (27).

12. Detektor podle alespoň jednoho z nároků 2 až 11, vyznačující se tím, že nosiče (11) řádků (4) jsou uloženy ve schodovitě uspořádaných polodrážkách (29) v matrici (10).

13. Detektor podle alespoň jednoho z nároků 2ažl2, vyznačující se tím, že matrice (10), nosiče (9) čipů a nosiče (11) řádků (4), jsou vyrobeny z hliníkové slitiny.

14. Detektor podle nároku 12 nebo 13, vyznačující se tím, že matrice (10) je ploché těleso.

15. Detektor podle nároku 12 nebo 13, vyznačující se tím, že matrice (10) je těleso ve tvaru části pláště pravidelného n-hranu, kde v každé stěně n-hranu je na vnitřní straně vytvořena polodrážka (29) osazená nosičem (11) řádku (4) s detektorovými segmenty (3) na nosičích (9) čipů, přičemž normály Ni až N_n jednotlivých sousedních stěn n-hranu, polodrážek (29) a detektorových segmentů (3) spolu svírají shodný vrcholový úhel (a).

16. Detektor podle nároku 15, vyznačující se tím, že alespoň vnitřní stěny n-hranu a vzájemné dosedací plochy polodrážek (29) a nosičů (11) řádku (4) mají tvar konvexní nebo konkávní plochy.

17. Detektor podle nároku 16, vyznačující se tím, že vnitřní stěny n-hranu a vzájemné dosedací plochy polodrážek (29) a nosičů (11) řádku (4) mají tvar části válcové plochy.

18. Detektor podle alespoň jednoho z nároků 1 až 17, vyznačující se tím, že stranová vůle (x) mezi senzorovými vrstvami (5) detektorových segmentů (3) v sousedních řádcích (4) v rovině detekční plochy (2) je nejvýše 30 pm, výškový rozdíl (y) mezi senzorovými vrstvami (5) detektorových segmentů (3) v sousedních řádcích (4) v rovině kolmé k detekční ploše (2) je v rozmezí od 100 do 200 pm, a úhel sklonu (β) detekční plochy (2) leží v rozmezí od 0,4 do 0,8°.