DE10014311C2 - Strahlungswandler - Google Patents
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Description
Aus der DE 33 32 648 A1 ist ein als Bildverstärker ausgeführ
ter Strahlungswandler bekannt. Solche Bildverstärker weisen
ein Eingangsfenster mit einem Strahlenabsorber zum Erzeugen
von Lichtphotonen in Abhängigkeit von der Strahlenintensität
auftreffender Strahlung auf. Dem Strahlenabsorber ist eine
Photokathode nachgeordnet, die in Abhängigkeit von den von
dem Strahlenabsorber ausgehenden Lichtphotonen Elektronen er
zeugt. Diese Elektronen werden durch ein Elektrodensystem auf
einen Elektronenempfänger beschleunigt. Beim Bildverstärker
ist dieser Elektronenempfänger als Ausgangsschirm ausgeführt,
der aufgrund der auftreffenden Elektronen Lichtphotonen er
zeugt.
Aus der US 5,369,268 ist ein Röntgendetektor bekannt, bei dem
auf einem Strahlenabsorber die Photokathode aufgebracht ist.
Die Photokathode ist mit einem Abstand gegenüberliegend ange
ordnet einer amorphen Selenschicht eines Ausgangsschirms.
Eine weitere Detektoreinrichtung ist aus der DE 44 29 925 C1
bekannt. Dabei ist strahleneingangsseitig eine aus Drähten
hergestellte Schattenmaske vorgesehen, welcher einer Chevron-
Platte nachgeschaltet ist. Zur Erzeugung eines Bildsignals
ist außerhalb des Detektors auf dessen Rückseite eine nieder
ohmige Anodenstruktur vorgesehen. Aus der EP 0 053 530 A1 ist
ein Photodetektor bekannt, bei dem in Strahlungsrichtung ei
ner Photokathode ein Elektronenvervielfacher und eine Detek
toranode nachgeschaltet sind.
Da bei der medizinischen Untersuchung eines Patienten, im
Unterschied zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, die
Strahlenbelastung so klein zu halten ist, wie dies technisch
sinnvoll ist, um die Strahlenbelastung des Patienten mög
lichst gering zu halten, ist die effiziente Nutzung der den
Patienten durchdringenden und auf den Strahlenempfänger auf
treffenden Strahlung oberstes Gebot. Je geringer jedoch die
auf den Strahlenempfänger auftreffende Strahlenintensität
ist, um so geringer sind auch die vom Strahlenempfänger ab
leitbaren Signale. Der Abstand der Signalpegel zu den Rausch
signalen wird ebenfalls geringer, was mit einer schlechteren
Diagnostizierbarkeit der aufgrund dieser Signale erzeugbaren
bildlichen Darstellungen einher geht. Es ist also ein Kompro
miss zwischen einer geringen Strahlenbelastung des Patienten
und der für eine gute Diagnostizierbarkeit von erzeugbaren
Durchstrahlungsbildern des Patienten notwendigen Strahlen
dosis zu schließen.
Der fotografische Film ist beispielsweise nichts anderes als
ein chemischer Verstärker, der die Ionisationsprozesse der
Strahlung im mikroskopischen Bereich um viele Größenordnungen
verstärkt und im mikroskopischen Bereich sichtbar macht.
Speicherleuchtstoffplatten speichern das Strahlenschattenbild
eines Objektes latent. Durch Abtastung der Speicherleucht
stoffplatte mittels eines Lichtstrahles werden aufgrund des
latenten Bildes Lichtphotonen erzeugt, die von einer Auslese
mit einem Photomultiplier in Elektronen gewandelt werden, die
nahezu rauschfrei bis zu einem Faktor von 106 verstärkt und
in elektrische Signale gewandelt werden können. Diese elek
trischen Signale stehen dann für die bildliche Darstellung
zur Verfügung.
Bei Röntgenbildverstärkern wird die geometrische Verkleine
rung, die sich aufgrund eines großen Eingangsfensters und ei
nes kleineren Ausgangsfensters ergibt, zur Verstärkung der
Leuchtdichte herangezogen, wozu unterstützend die Energieauf
nahme der Elektronen vom Eingangsleuchtschirm zum Ausgangs
leuchtschirm durch ein hier zwischenliegendes Beschleunigung
sfeld dient.
Bei den sogenannten Flachbilddetektoren wird eine Strahlung
in Licht wandelnde Schicht, die beispielsweise CsI aufweist,
in direkten Kontakt mit einer Photodiodenmatrix aus amorphem
Silizium gebracht, so dass die von der Schicht aufgrund auf
treffender Strahlung erzeugten Lichtphotonen über die Photo
diodenmatrix in elektrische Signale gewandelt werden können,
die dann für die bildliche Darstellung zur Verfügung stehen.
Da keine Verstärkung der Lichtphotonen über Elektronen er
folgt, sind nur relativ kleine Signale von der Photodioden
matrix ableitbar, die erst in einer nachgeschalteten Einrich
tung, z. B. einem Verstärker, verstärkt werden können. Da die
Ladungsmengen dieser relativ geringen elektrischen Signale
dann auch noch über komplizierte Taktverfahren aus den zum
Teil großflächigen Flachbilddetektoren über relativ lange
Leitungen bis zu den Verstärkern geleitet werden müssen, ist
das mittlere Rauschen, in Elektronen gemessen, fast doppelt
so groß wie das Signal, das von einzelnen Röntgenquanten er
zeugt wird. Insbesondere für die Fluoroskopie, bei der nur
kleine Röntgendosen appliziert werden, sind die von dem
Flachbilddetektor ableitbaren Signale besonders gering und
liegen nahe des Bereiches des Rauschens und erfordern somit
aufwendige Artefaktkorrekturen. Bei der Fluoroskopie werden
beispielsweise die Signale jeder zweiten Strahlenabtastung zu
Korrekturzwecken herangezogen, so dass die üblichen Bild
wiederholraten nicht annähernd erreicht werden können. Der
dynamische Bereich der von dem Flachbilddetektor ableitbaren
Signale ist zudem stark eingeschränkt.
Bei den heutigen Flachbilddetektoren werden als Elektronen
detektoren vorwiegend a-Si:H Ausleseplatten benutzt. Ein Be
trieb solcher Flachbilddetektoren in verschiedenen Betriebs
arten, wie Fluoroskopie und Radiographie, die sich um Dosis
faktoren von 100-1000 unterscheiden, erfordert einen hohen
Rechenaufwand. Beim Übergang der mit einer hohen Dosis be
triebenen Betriebsart Radiographie zur mit niedriger Dosis
betriebenen Betriebsart Fluoroskopie müssen Restbilder in der
a-Si:H Ausleseplatte durch Subtraktion rechnerisch entfernt
werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst universell ver
wendbaren Strahlungswandler anzugeben und
die Dynamik des Strahlungswandlers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2-13.
Beim erfindungsgemäßen Strahlungswandler ist zwischen dem
Strahlenabsorber und der Photokathode ein Abstand vorgesehen.
Dadurch kann die die Messung nachteilig beeinflussende Wir
kung von UV-Photonen reduziert werden. Die Dynamik des vor
geschlagenen Strahlungswandlers ist verbessert. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass die Photokathode in Folge der
hier vorgeschlagenen Anordnung nicht mehr transparent aus
geführt sein muss. Es kann dadurch eine Kostenersparnis er
zielt werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Abstand zwischen 10 und 100 µm.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Abstand von etwa 50 µm
erwiesen. Die Photokathode kann zweckmäßigerweise opak ausge
bildet sein. UV-Photonen aus dem Lawinen-Bereich können nicht
auf direktem Wege auf die Photokathode gelangen.
Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal ist die Photo
kathode aus einem metallischen Material hergestellt, das vor
zugsweise Gold, Cäsium, Kupfer oder Antimon enthält. Zweck
mäßig ist es weiter, dass die Photokathode als Schicht auf
den Elektronenvervielfacher ausgebildet ist, wobei der
Elektronenvervielfacher wiederum als Schicht auf dem Elektro
nendetektor ausgebildet sein kann. Nach einer besonders vor
teilhaften Ausführung weist der Elektronenvervielfacher eine
gelochte, vorzugsweise aus Polyimid hergestellte, Kunststoff-
Folie auf. Der Durchmesser der Löcher beträgt etwa 25 µm.
Vorteilhaft ist es, wenn dem Strahlenabsorber, dem Elektro
densystem, dem Elektronenvervielfacher und dem Elektronen
detektor ein gemeinsames, gasdichtes Gehäuse zugeordnet ist,
wodurch sich ein kompakter Aufbau des Strahlungswandlers er
gibt. Vorzugsweise ist im Gehäuse ein UV-Photonen absorbie
rendes Gas aufgenommen. Das Gas kann mindestens einen der
folgenden Bestandteile aufweisen: Argon, Krypton, Xenon,
Helium, Neon, CO2, N2, Kohlenwasserstoff, Di-Methyl-Äther,
Methanol-/Ethanol-Dampf.
Der Strahlenabsorber wandelt Strahlung in Lichtphotonen ins
besondere dann vorteilhaft, wenn er eine nadelförmige Struk
tur aufweist und aus CsI:Na besteht.
Besonders vorteilhaft ist der Elektronendetektor als 2D-Dünn
schichtpanel ausgeführt und besteht aus a-Se, a-Si:H oder
Poly-Si. Ein solcher Elektronendetektor ist einfach im Aufbau
und kostengünstig.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispie
les anhand der Zeichnungen. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Strah
lungswandlers und
Fig. 2 die Modulationstransferfunktion als Funktion der
Ortsfrequenz.
Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Strahlungswandler ist mit dem
Bezugszeichen 1 eine Gehäuse bezeichnet. Das Gehäuse weist
einen Strahlenabsorber 2 auf, der Strahlung in Lichtphotonen
wandelt. Der Strahlenabsorber 2 ist entweder als separates
Teil ausgeführt oder außerhalb des Gehäuses 1 im Bereich ei
ner ersten Stirnseite angeordnet. Er besteht vorzugsweise aus
CsI:Na in Nadelstruktur, wobei die Nadeln in Richtung einer
Photokathode 3 gerichtet sind. Die Photokathode 3 ist in ei
nem Abstand a von etwa 50 µm von Strahlenabsorber 2 entfernt
angeordnet. Sie ist als Schicht, die vorzugsweise aus Kupfer
hergestellt ist, auf einer gelochten Polyimid-Folie 4 ausge
führt. Die Polyimid-Folie wirkt als Elektronenvervielfacher.
Sie ist aufgebracht auf einen Elektronendetektor 5. Der
Elektronendetektor 5 weist vorzugsweise eine Pixelstruktur
auf und wandelt die auftreffenden Elektronen in elektrische
Signale, die über geeignete bekannte Maßnahmen, beispiels
weise eine elektrische Leitung, ableitbar sind und aufgrund
deren eine bildliche Darstellung an einer Anzeigevorrichtung
möglich ist. Der Elektronendetektor 5 ist hierzu vorzugsweise
als 2D-Dünnschichtpanel ausgeführt und kann vorzugsweise aus
a-Se, a-Si:H oder Poly-Si bestehen. Innerhalb des Gehäuses 1,
insbesondere zwischen dem Strahlenabsorber 2 und der Photo
kathode 3, ist ein Gas, insbesondere Quenchgas, beispiels
weise eine Mischung aus Argon und Kohlenwasserstoff, aufge
nommen.
Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
Röntgenstrahlen werden vom Strahlenabsorber 2 absorbiert und dabei in Photonen umgewandelt. Die Photonen setzen Photo elektronen aus der Photokathode 3 frei. Die Photoelektronen gelangen in den Bereich der gelochten Polyimid-Folie 4. Zwi schen der Photokathode 3 und dem Elektronendetektor 5 ist ein Potential angelegt. Durch das angelegte elektrische Potential wird erreicht, dass alle Photoelektronen von der Oberfläche der Photokathode 3 in die nächstliegenden Löcher gezogen wer den. In dem stark anwachsenden elektrischen Feld findet durch Stoßionisation eine Ladungsträgervervielfachung statt. Die Ladungsträgervervielfachung bzw. Verstärkung ist durch die Höhe des angelegten Potentials einstellbar. Damit kann das Signal/Rauschverhältnis verbessert werden. Die Photoelektro nen werden durch das angelegte Potential auf den Elektronen detektor beschleunigt. Die dort akkumulierten Ladungen werden mit einer vorgegebenen Taktsequenz ausgelesen.
Röntgenstrahlen werden vom Strahlenabsorber 2 absorbiert und dabei in Photonen umgewandelt. Die Photonen setzen Photo elektronen aus der Photokathode 3 frei. Die Photoelektronen gelangen in den Bereich der gelochten Polyimid-Folie 4. Zwi schen der Photokathode 3 und dem Elektronendetektor 5 ist ein Potential angelegt. Durch das angelegte elektrische Potential wird erreicht, dass alle Photoelektronen von der Oberfläche der Photokathode 3 in die nächstliegenden Löcher gezogen wer den. In dem stark anwachsenden elektrischen Feld findet durch Stoßionisation eine Ladungsträgervervielfachung statt. Die Ladungsträgervervielfachung bzw. Verstärkung ist durch die Höhe des angelegten Potentials einstellbar. Damit kann das Signal/Rauschverhältnis verbessert werden. Die Photoelektro nen werden durch das angelegte Potential auf den Elektronen detektor beschleunigt. Die dort akkumulierten Ladungen werden mit einer vorgegebenen Taktsequenz ausgelesen.
Zur Reduzierung von UV-Photonen kann der Strahlenabsorber 2
mit einer UV-photonenabsorbierenden Leitschicht versehen
sein. Durch das Quenchgas werden die bei der durch Stoßioni
sation erzeugten UV-Photonen absorbiert, damit diese nicht
zur Photokathode 3 gelangen, wo sie Photoelektronen ungewollt
auslösen könnten.
In Fig. 2 ist über der Ortsfrequenz die Modulationstransfer
funktion aufgetragen. Die Kurven MTF 1 und MTF 2 zeigen die
Modulationstransferfunktion bei einem Abstand der Photo
kathode 3 vom Strahlenabsorber 2 von 50 µm. Die Kurve MTF 2
zeigt die Punktbildfunktion einer isotropen Punktquelle, die
Kurve MTF 1 die vorgenannte Punktbildfunktion für eine Lam
bertquelle.
Die Kurve MTF 3 zeigt die Modulationstransferfunktion, wobei
hier der Strahlenabsorber 2 in direktem Kontakt mit dem
Elektronendetektor 5 ist. Die Kurve MTF 3 repräsentiert damit
die Charakteristik von herkömmlichen Flachdetektoren. Die
Werte MTF 4 geben die Modulationstransferfunktion für eine
Lambertquelle an, wobei der Strahlenabsorber 2 in einem Ab
stand von 50 µm von dem Elektronendetektor 5 angeordnet ist.
Es zeigt sich, dass die beabstandete Anordnung keine wesent
liche Änderung der Modulationstransferfunktion mit sich
bringt.
Claims (13)
1. Strahlungswandler mit einem Strahlenabsorber (2) zum Er
zeugen von Photonen in Abhängigkeit von der Intensität auf
treffender Röntgenstrahlung,
mit einer dem Strahlenabsorber (2) in Strahlungsrichtung mit einem Abstand (a) nachgeordneten Photokathode (3) zum Erzeu gen von Elektronen in Abhängigkeit von den vom Strahlenabsor ber (2) ausgehenden Photonen,
mit einer Einrichtung zum Beschleunigen der von der Photo kathode (3) ausgehenden Elektronen auf einen Elektronendetek tor (5) zum Erzeugen elektrischer Signale in Abhängigkeit von den auftreffenden Elektronen und
mit einem zwischen der Photokathode (3) und dem Elektronen detektor (5) angeordneten Elektronenvervielfacher (4), wobei die von der Photokathode (3) ausgehenden Elektronen durch den Elektronenvervielfacher (4) vervielfachbar sind.
mit einer dem Strahlenabsorber (2) in Strahlungsrichtung mit einem Abstand (a) nachgeordneten Photokathode (3) zum Erzeu gen von Elektronen in Abhängigkeit von den vom Strahlenabsor ber (2) ausgehenden Photonen,
mit einer Einrichtung zum Beschleunigen der von der Photo kathode (3) ausgehenden Elektronen auf einen Elektronendetek tor (5) zum Erzeugen elektrischer Signale in Abhängigkeit von den auftreffenden Elektronen und
mit einem zwischen der Photokathode (3) und dem Elektronen detektor (5) angeordneten Elektronenvervielfacher (4), wobei die von der Photokathode (3) ausgehenden Elektronen durch den Elektronenvervielfacher (4) vervielfachbar sind.
2. Strahlungswandler nach Anspruch 1, wobei der Abstand (a)
zwischen 10 und 100 µm ist.
3. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Photokathode (3) opak ist.
4. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Photokathode (3) aus einem metallischen Material
hergestellt ist, das vorzugsweise Gold, Cäsium, Kupfer oder
Antimon enthält.
5. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Photokathode (3) als Schicht auf dem Elektronenver
vielfacher (4) ausgebildet ist.
6. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Elektronenvervielfacher (4) als Schicht auf dem
Elektronendetektor (5) ausgebildet ist.
7. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Elektronenvervielfacher (4) eine gelochte, vorzugs
weise aus Polyimid hergestellte, Kunststoff-Folie aufweist.
8. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Strahlenabsorber (2), der Elektronenvervielfacher
(4) und der Elektronendetektor (5) in einem gemeinsamen gas
dichten Gehäuse (1) aufgenommen sind.
9. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei im Gehäuse (1) ein UV-Photonen absorbierendes Gas auf
genommen ist.
10. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, wobei das Gas mindestens einen der folgenden Bestand
teile aufweist: Argon, Krypton, Xenon, Helium, Neon, CO2, N2,
Kohlenwasserstoff, Di-Methyl-Äther, Methanol-/Ethanol-Dampf.
11. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, wobei der Strahlenabsorber (2) eine nadelförmige Struk
tur aus CsI:Na aufweist.
12. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, wobei der Elektronendetektor (5) als 2D-Dünnschichtpanel
ausgeführt ist.
13. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, wobei das 2D-Dünnschichtpanel aus a-Se, a-Si:H oder
Poly-Si gebildet ist.
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
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