DE10153978A1 - Röntgenanalysegerät mit einem ortsempfindlichen Festkörperröntgendetektor - Google Patents

Abstract

In einem ortsempfindlichen Festkörperdetektor (PSD; Position Sensitive Detector) kann jedes Detektorelement 44 eine geringe Ladungsausbeute pro Röntgenquent liefern; außerdem kann eine relativ hohe parasitäre Kapazität 104 zwischen der Abgreifelektrode 90 und dem Halbleiter 86, 88, 92, mit dem sie verbunden sind, vorliegen. Dies verursacht einen geringen Rauschabstand, der das Signal verschlechtert. Gemäß der Erfindung sind die analogen Ladungsverstärker 58 in integrierter Bipolartechnik ausgeführt und ihre Ausleseelektronik 48 in digitaler Technik, vorzugsweise in einem BICMOS-Prozess in CML-Technik (CML : Current Mode Logic). Außerdem kann die digitale Signalverarbeitungselektronik auf dem gleichen Substrat wie die Ladungsverstärker angebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Analysieren von Materialien mit Hilfe von Strahlung, mit

• - einer Strahlungsquelle zum Erzeugen der Strahlung,
• - einem Probenort zum Plazieren einer Probe des zu untersuchenden Materials,
• - einer ortsempfindlichen Detektionseinrichtung zum Detektieren der von der Probe stammenden Strahlung,
• - welche Detektionseinrichtung versehen ist mit
• - einem Array aus strahlungsempfindlichen Detektorelementen,
• - einer an das Detektorarray angeschlossenen elektronischen Auslese­ schaltung mit Ladungsverstärkern in einer eindeutigen Beziehung zu den Detektorele­ menten, wobei der Eingang dieser Ladungsverstärker jeweils an eines der Detektorelemente angeschlossen ist.

Beim Analysieren von Stoffen mit Hilfe von Strahlung, insbesondere mit Röntgenstrahlung, ist es nahezu immer notwendig, den Winkel, unter dem die Strahlung die Probe verlässt, in Bezug auf die Richtung des einfallenden Strahlenbündels zu messen. Es kann sich hierbei um einen großen Winkelbereich handeln (in der Größenordnung von 180 Grad) oder um einen kleineren Winkelbereich, wenn man die Winkelverteilung der Strahlung in einem bestimmten Winkelbereich bereits globale kennt. Letzteres kommt vor, wenn man beispielsweise die Feinstruktur einer Röntgenbeugungslinie messen möchte. In diesem Fall kann man eine ortsempfindliche Detektionseinrichtung verwenden, d. h. einen Detektor, der mit einem Array aus nebeneinander liegenden (im Allgemeinen zeilenförmigen) strahlungs­ empfindlichen Detektorelemente versehen ist, wobei der Ort eines Elementes, das durch Strahlung aktiviert wird, ein Maß für die Winkelrichtung ist, mit der die Strahlung die Probe verlässt. In diesem Fall ist daher kein hinsichtlich des Winkels verschiebbarer Detektor not­ wendig, was erhebliche Konstruktionsvorteile hat.

In der amerikanischen Patentschrift US 5.113.077 wird eine Einrichtung zum Detektieren von Strahlung in einem Gerät zum Scannen eines Objektes mit Röntgenstrahlung für Computertomographie ("Röntgenscanner") beschrieben. Der in dieser Patentschrift be­ schriebene CT-Scanner ist mit einer ortsempfindlichen Detektionseinrichtung zum Detektie­ ren der von einem zu untersuchenden Objekt kommenden Röntgenstrahlung versehen. Diese Detektionseinrichtung umfasst ein Array aus strahlungsempfindlichen Detektorelementen in Form eines Szcintillators mit Photodioden. An jedes Detektorelement ist eine elektronische Ausleseschaltung angeschlossen, die Ladungsverstärker umfasst, die in einer eindeutigen Beziehung mit den Detektorelementen verbunden sind, sodass der Eingang jeweils eines La­ dungsverstärkers an den Ausgang eines der Detektorelemente angeschlossen ist. Jeder der Ladungsverstärker ist in Form eines rückgekoppelten Operationsverstärkers (OPAMP) ausge­ führt. An den Ausgang des Operationsverstärkers ist ein gesonderter pnp-Transistor ange­ schlossen, sodass der Ausgangsstrom der Kombination OPAMP-Transistor durch den Emit­ terstrom des pnp-Transistors gebildet wird.

Beim Analysieren von Stoffen mit Hilfe von Röntgenstrahlung nutzt man häu­ fig relativ weiche Röntgenstrahlung, wie z. B. die K_α-Strahlung von Kupfer mit einer Wellen­ länge von ungefähr 0,154 nm. Bei solcher relativ weichen Röntgenstrahlung ist die Ladungs­ ausbeute eines Festkörperdetektionselementes ziemlich gering. So wird in einem Silicium­ detektor, der aus einem Körper aus n-Material besteht, der einerseits an einen pn-Übergang und anderseits an eine N⁺-Schicht grenzt, pro einfallendem Röntgenquant eine Ladungsmen­ ge angeregt werden, die 2200 Elektron-Loch-Paaren entspricht. In der Praxis ist es häufig nicht möglich, die Röntgenausbeute eines solchen ortsempfindlichen Detektors durch Ver­ größerung der röntgenempfindlichen Oberfläche zu erhöhen, weil die Abmessung dieser Oberfläche die Ortsauflösung bestimmt und somit vorzugsweise möglichst klein gehalten wird. Weiterhin wird durch die Größe der der Röntgenstrahlung ausgesetzten Oberfläche des Detektorelementes die Größe der Abgreifelektrode bestimmt. Die Kombination dieser Ab­ greifelektrode mit dem Halbleitermaterial, auf dem sie befestigt ist, bestimmt die Größe der (parasitären) Kapazität am Ausgang des Detektorelementes, somit am Eingang des daran angeschlossenen Ladungsverstärkers. Bei der Technik solcher Verstärker ist allgemein be­ kannt, dass die Kapazität am Eingang eines solchen Verstärkers den Rauschbeitrag dieses Verstärkers in der Verstärkungskette bestimmt, d. h. je größer die Eingangskapazität, desto höher der Rauschbeitrag.

Die beiden oben genannten Effekte (geringe Ladungsausbeute per Röntgen­ quant und hohe Eingangskapazität) verursachen einen relativ geringen, somit schlechten Rauschabstand in der elektronischen Ausleseschaltung der Detektionseinrichtung. Im Prinzip ist es nicht unmöglich, den Rauschabstand mit einer längeren Messdauer zu verbessern, dies ist jedoch unerwünscht, weil dadurch die relativ teuren Analysegeräte unerwünscht lange Zeit für eine Messung brauchen und somit mit geringem Wirkungsgrad genutzt werden könne.

Um dem oben genannten Problem entgegenzuwirken, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, bei der der Rauschabstand bei der weiteren Signalverarbeitung möglichst groß gehalten werden kann. Hierzu ist diese Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die La­ dungsverstärker in integrierter Bipolartechnik ausgeführt sind und dass die elektronische Ausleseschaltung an die Ausgänge der Ladungsverstärker angeschlossene Signalverarbei­ tungsschaltungen umfasst, die in digitaler Technik ausgeführt sind.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass durch die parasitäre Eingangskapa­ zität des Ladungsverstärkers ein wesentlicher Rauschbeitrag geliefert wird. Um an dieser Stelle den Rauschbeitrag auf ein Minimum zu beschränken, wird dort für die Ladungsver­ stärker integrierte Bipolartechnik eingesetzt, die relativ wenig Rauschen verursacht. Die weitere Signalverarbeitung muss dabei mit genügend hoher Geschwindigkeit erfolgen, um die Zählgeschwindigkeit und damit die Durchlaufgeschwindigkeit der zu analysierenden Proben nicht unnötig zu beschränken. Diese Geschwindigkeit kann mit Signalverarbeitungs­ schaltungen erzielt werden, die in digitaler Technik ausgeführt sind. Außerdem haben in di­ gitaler Technik ausgeführte Schaltungen den weiteren Vorteil, dass sie mit einer relativ klei­ nen Schaltungsoberfläche integriert werden können und so ausgeführt werden können, dass sie einen relativ geringen Stromverbrauch haben. Die Forderung einer nach kleinen Schal­ tungsoberfläche ist umso nachdrücklicher, weil eine ausreichend hohe Zählgeschwindigkeit des Detektorarrays gefordert wird; um dies zu realisieren, hat jedes Detektorelement seine eigene Signalverarbeitungsschaltung, was viele Verarbeitungsschaltungen, d. h. eine große Oberfläche mit integrierten Schaltungen mit sich bringt. Um diese Oberfläche doch noch genügend klein zu halten, wird der relativ geringe Raumbedarf der digitalen Technik genutzt.

Es sei bemerkt, dass aus der genannten Patentschrift US 5.113.077 bekannt ist, den Ladungsverstärker mit einem gesonderten Ausgangstransistor in Form eines pnp-Transistors (also mit einem Bipolartransistor) zu versehen. Dieser Patentschrift ist jedoch keine Information über die Technologie zu entnehmen, in der die Ladungsverstärker selbst, d. h. die Schaltungen, die direkten Kontakt mit der parasitären Eingangskapazität haben, aus­ geführt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die digitalen Si­ gnalverarbeitungsschaltungen auf demselben Substrat aufgebracht wie die Ladungsverstär­ ker. Um eine hohe Ortsauflösung und einen großen Messbereich zu erhalten, verwendet man in einem ortsempfindlichen Detektorarray vorzugsweise eine möglichst große Anzahl Detek­ torelemente. Das bedeutet, dass bei einer eindeutigen Beziehung zwischen den Ladungs­ verstärkern und den Detektorelementen eine mindestens ebenso große Anzahl Verbindungen angebracht werden muss. Wenn die Bipolarschaltungen und die in digitaler Technik ausge­ führten Schaltungen jeweils ein eigenes Substrat hätten, müssten für jede Verbindung auf jedem Substrat ebenso viele Bondpads angebracht werden; bekanntlich nehmen Bondpads auf der betreffenden integrierten Schaltung viel Raum ein. Die oben genannte Maßnahme hat jetzt den Vorteil, dass die genannten Bondpads nicht notwendig sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die digitalen Signal­ verarbeitungsschaltungen in einem BICMOS-Prozess in CML-Technik (CML: Current Mode Logic) ausgeführt. Würde man die digitalen Signalverarbeitungsschaltungen in der üblichen CMOS-Logik ausfuhren, dann würde beim Übergang von einem ersten Logikzustand in den komplementären Logikzustand ein impulsförmiger Spitzenstrom (auch Querstrom genannt) der Transistoren der umschaltenden Logikgatter zum Substrat auftreten, auf dem sie aufge­ bracht sind. Da auf demselben Substrat auch die in Bipolartechnik ausgeführten Ladungsver­ stärker aufgebracht sind, besteht die Möglichkeit, dass diese impulsförmigen Leckströme zum Rauschen der Ladungsverstärker beitragen, was deren Rauschabstand verschlechtern würde. Bei Anwendung der oben genannten Maßnahme wird dieser Effekt vermieden, indem beim BICMOS-Prozess das Substrat einen viel höheren Widerstand hat als beim üblichen CMOS-Prozess; infolgedessen sind die Substratströme viel kleiner und durchdringen das Substrat in viel geringerem Maße, wodurch die störende Wirkung weniger stark ist und sich weniger weit erstreckt. Außerdem treten beim Übergang von dem einen Logikzustand in den komplementären Logikzustand in BICMOS-CML-Schaltungen viel kleinere Spitzen­ ströme auf.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtheit aus De­ tektorarray und elektronischen Ausleseschaltungen auf einem gemeinsamen Träger ange­ bracht ist, der aus keramischem Material hergestellt ist. Um bei den bipolaren Ladungsver­ stärkern einen optimalen Rauschabstand zu erreichen, werden diese auf einen relativ hohen Ruhestrom eingestellt. Auch die Anwendung von CML-Technik erfordert einen höheren Strom als die übliche CMOS-Logik. Große Ströme gehen mit einem hohen Wärmeverlust einher. Indem nun die Schaltungen auf einem keramischen Träger, z. B. Aluminiumnitrid, platziert werden, wird eine gute Wärmeverteilung erreicht, somit eine große Wärmeabfuhr­ fläche mit den zugehörigen guten Kühleigenschaften.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Elemente andeuten. Es zeigen:

Fig. 1 eine globale Wiedergabe eines an sich bekannten Röntgenanalysege­ rätes, in dem die Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 2 eine schematische Übersicht der Plazierung des Arrays aus strah­ lungsempfindlichen Detektorelementen und zweier zur elektronischen Ausleseschaltung der ortsempfindlichen Detektionseinrichtung gehörenden Gruppen gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Übersicht der verschiedenen Funktionsblöcke der elektronischen Ausleseschaltung von Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Übersicht des Aufbaus des Arrays aus strah­ lungsempfindlichen Detektorelementen von Fig. 2;

Fig. 5a eine grafische Wiedergabe des Signalverlaufes direkt nach einem Ladungsverstärker der elektronischen Ausleseschaltung;

Fig. 5b eine grafische Wiedergabe des Signalverlaufes nach Filterung des Signals von Fig. 5a;

Fig. 6a ein in CMOS-Technik ausgeführtes Logikgatter;

Fig. 6b ein in CML-Technik ausgeführtes Logikgatter.

Die Erfindung soll anhand einer Ausführungsform beschrieben werden, in der die Einrichtung zum Analysieren von Materialien mit Hilfe von Strahlung durch ein Gerät zur Röntgenanalyse gebildet wird, insbesondere ein Röntgenbeugungsgerät. Darin hat die analysierende Strahlung die Form von Röntgenstrahlung. Er wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf alle andere Geräte zur Strahlungsanalyse, in denen ein ortsempfindli­ cher Detektor zum Detektieren der von der zu untersuchenden Probe stammenden Strahlung verwendet wird, anwendbar ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines an sich bekannten Gerätes zur Röntgenanalyse, in diesem Fall ein Gerät zur Röntgenbeugung, in dem die Erfindung angewendet werden kann. Hierin ist auf einem Gestell 2 ein Goniometer 4 angebracht. Dieses Goniometer 4 kann mit einem Winkelcodierer zum Messen der Winkeldrehung einer Rönt­ genquelle 6 und auf Wunsch der Winkeldrehung einer Detektionseinrichtung 9 versehen sein. Bei Verwendung eines ortsempfindlichen Detektors ist eine Messung der Winkeldrehung jedoch nicht notwendig, weil die Winkelposition der zu messenden Röntgenstrahlung gerade durch einen solchen Detektor selbst bestimmt wird. In diesem Fall kann anstelle eines Go­ niometers ein Einstellmechanismus verwendet werden, um den ortsempfindlichen Detektor in dem gewünschten Messgebiet zu plazieren. Das Goniometer ist außerdem mit einem Pro­ benträger 8 versehen, auf dem eine Probe 10 angebracht ist. Für die Fälle, in denen Messung der Winkeldrehung der Probe wichtig ist, kann auf dem Probenträger ein Winkelcodierer angebracht sein. Die Röntgenquelle 6 umfasst einen Halter 12 für eine in dieser Figur nicht abgebildete Röntgenröhre, die in dem Halter befestigt wird. Diese Röntgenröhre wird mit einem Hochspannungsstecker 15 versehen, mit dem die Hochspannung und der Heizstrom für die Röntgenröhre zugeführt werden. Der Röhrenhalter 12 ist weiterhin mit einer Aus­ trittsöffnung 38 für Röntgenstrahlung und einer Einheit 16 zum Parallelisieren der Röntgen­ strahlung (einem Soller-Spalt-Kollimator) versehen. Die Platten des Soller-Spalt-Kollimators 16 liegen parallel zur Zeichenebene, sodass das von der Röntgenquelle 6 erzeugte Strahlen­ bündel die Probe 10 mit einem divergenten Bündel belichtet. Die Detektionseinrichtung 9 besteht aus einem Halter 18 für einen Soller-Spalt-Kollimator und einem Detektor 20. Die Platten des Soller-Spalt-Kollimators im Halter 18 liegen ebenfalls parallel zur Zeichenebene. Es ist möglich, die Röntgenquelle fest aufzustellen, wobei in diesem Fall der Probenträger drehbar sein muss.

Das Röntgenbeugungsgerät, wie in Fig. 1 abgebildet, ist weiterhin mit einer Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der verschiedenen gemessenen Daten versehen. Diese Verarbeitungseinrichtung besteht aus einer Zentraleinheit 22 (auf Wunsch mit einer Schnittstelleneinrichtung zur Anpassung der Messdaten an die Verarbeitungseinrichtung) mit einer Speichereinheit 26 und einem Monitor 24 zur Darstellung der verschiedenen Daten und zur Wiedergabe des gemessenen und berechneten Ergebnisses. Die auf das Goniometer 4 montierte Röntgenquelle 6, die Detektionseinrichtung 9 und der Probenträger 8 können alle mit einer (nicht abgebildeten) Einheit zum Bestimmen der Winkelstellung des betreffenden Elementes in Bezug auf das Goniometer versehen sein. Ein Signal, das diese Winkelstellung wiedergibt, wird über Verbindungsleitungen 28-1, 28-2 und 28-3 zur Zentraleinheit 22 über­ tragen.

Die Probe 10 wird mit Röntgenstrahlung belichtet, die aus der Röntgenquelle 6 stammt. In dieser Röntgenquelle ist schematisch eine Anode 30 wiedergegeben, die Teil der in dieser Figur weiter nicht abgebildeten Röntgenröhre ist. In der Anode 30 wird Rönt­ genstrahlung 34 erzeugt, die durch das Röntgenfenster 38 nach außen tritt. Bei der Aufstel­ lung nach Fig. 1 wird der Punkt, von dem die Röntgenstrahlen ausgehen, nicht von einem einzelnen Punkt gebildet, sondern von einer Brennlinie 32 auf der Anode, die senkrecht zur Zeichenebene steht. In einem fokussierenden Diffraktometer wird ein Brennpunkt im Punkt 36 des die Probe verlassenden Strahlenbündels 40 am Ort des Eingangs des Detektors 20 gebildet, wo die Strahlen dieses Strahlenbündels sich vereinigen. Dadurch hat diese Aufstel­ lung nur in der Zeichenebene eine fokussierende Wirkung und hat der Querschnitt des Strahlenbündels am Ort des Vereinigungspunktes 36 die Form einer Linie senkrecht zur Zei­ chenebene. Ein ortsempfindlicher Röntgendetektor hat dann ebenfalls linienförmige Detek­ torelemente, die parallel zur Brennlinie am Ort von Punkt 36 liegen.

Fig. 2 gibt eine schematische Übersicht der Plazierung des Arrays aus strahlungsempfindlichen Detektorelementen und zweier Chips mit jeweils 64 Gruppen von elektronischen Ausleseschaltungen, die die an die Detektorelemente angeschlossenen La­ dungsverstärker umfassen. Weiterhin umfasst jede dieser elektronischen Ausleseschaltungen Bandfilter und Signalpegel-Komparatoren, wobei jeder der Chips am Ausgang auch mit ei­ nem Ausgangsmultiplexer versehen ist, um die Anzahl Ausgangsanschlussstifte des Chips zu begrenzen.

In Fig. 2 wird das Array aus strahlungsempfindlichen Detektorelementen mit dem Bezugszeichen 42 angedeutet. Das Array besteht aus einer Anzahl von 128 Detektor­ elementen 44-1 bis 44-128, im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 44 anzugeben. Der Auf­ bau des Arrays 42 soll anhand von Fig. 4 näher beschrieben werden. Jedes der Detektor­ elemente 44-i ist über einen (nicht abgebildeten) Bondpad auf dem Substrat von Array 42, einen Verbindungsdraht 46-i und einen (nicht abgebildeten) Bondpad auf Chip 48 an eine eigene elektronische Ausleseschaltung in Chip 48-1 oder 48-2 angeschlossen, wobei der Ein­ gang jeder Ausleseschaltung durch den Eingang eines Ladungsverstärkers gebildet wird. Nach elektronischer Verarbeitung der von jedem der Detektorelemente 44 empfangenen Sig­ nale werden diese verarbeiteten Signale über einen (nicht abgebildeten) Multiplexer pro Chip 48 an die Ausgänge 50-1 bis 50-6 weitergegeben, im Allgemeinen 50. Dabei bestehen die Ausgänge 50-1 und 50-4 jeweils aus zwei realen Leitern für das Übertragen eines binären Signals, das angibt, ob ein Röntgenquant detektiert worden ist oder nicht, die Ausgänge 50-2 und 50-5 jeweils aus zwei realen Leitern für das Übertragen eines binären Signals, das angibt, ob die Energie des detektierten Röntgenquants in ein vorgeschriebenes Energiefenster fällt oder nicht, und bestehen die Ausgänge 50-3 und 50-6 jeweils aus einem Bus von zwölf realen Leitern für das Übertragen eines digitalen Signals aus sechs Bits, das die Adresse des Detek­ torelementes 44-i wiedergibt, die das betreffende Röntgenquant detektiert hat. Das Substrat des Arrays 42 und die Substrate der beiden Chips 48-1 und 48-2 sind gemeinsam auf einem gemeinsamen Träger (55) aufgebracht, der aus keramischem Material hergestellt ist, z. B. aus Aluminiumnitrid. Der Inhalt einer Ausleseschaltung auf Chip 48 soll anhand von Fig. 3 ausführlicher beschrieben werden.

Beim Einfall eines Röntgenquants 54 wird das von dem Quant getroffene De­ tektorelement 44-i einen Stromimpuls an den zugehörigen Ladungsverstärker abgeben. Die Folgenummer i des getroffenen Detektorelementes ist ein Maß für den Ort, wo das Quant einfällt, sodass die ortsempfindliche Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Detektorele­ mente steht, wie in Fig. 2 durch die Richtung von Pfeil 52 wiedergegeben. Dabei wird die Ortsauflösung des Detektorarrays durch die Breite der Detektorelemente 44 bestimmt, d. h. durch die Abmessung in Richtung von Pfeil 52.

Fig. 3 zeigt eine schematische Übersicht der verschiedenen Funktionsblöcke der elektronischen Ausleseschaltung in Chip 48 von Fig. 2. Der durch ein Detektorelement 44 erzeugte Stromimpuls wird über einen (nicht in Fig. 3 abgebildeten) Bondpad auf dem Substrat des Arrays 42, einen Verbindungsdraht 46 und einen Bondpad 56 auf dem Chip 48 zum Ladungsverstärker 58 übertragen. Zu regelmäßigen Zeitpunkten wird der Ladungsver­ stärker mittels einer Rücksetzschaltung 60 wieder in einen Anfangszustand zurückgebracht.

An den Ausgang des Ladungsverstärkers 58 ist eine Pufferschaltung 66 ange­ schlossen, um dafür zu sorgen, dass der Ausgang des Ladungsverstärkers 58 nicht durch die darauf folgenden Schaltungen belastet wird. Das hinter der Pufferschaltung 66 erhaltene Sig­ nal wird für eine weitere Verarbeitung in einem Bandfilter 68 gefiltert, woraufhin das so ge­ filterte Signal in einer Komparatorschaltung 70 mit zuvor eingestellten Werten verglichen wird, um festzustellen, ob ein Röntgenquant der gewünschten Energie (also ein Ladungsim­ puls mit dem richtigen Wert) empfangen worden ist. Die Komparatorschaltung 70 besteht hierzu aus einem Rauschschwellenkomparator 70-1, um festzustellen, ob das empfangene Signal die eingestellte Rauschschwelle überschreitet, einen Niedrigpegel-Komparator 70-2, um festzustellen, ob das empfangene Signal höher ist als ein zuvor eingestellter niedrigster Signalpegel und einen Hochpegel-Komparator 70-3, um festzustellen, ob das empfangene Signal niedriger ist als ein zuvor eingestellter höchster Signalpegel. Die Komparatorpegel können mit einer Einstellschaltung 72 eingestellt werden. In Fig. 3 ist mit einer vertikalen gestrichelten Linie 71 die Grenze zwischen den Gebieten, die in analoger Technik ausgeführt sind (links von der gestrichelten Linie, mit A bezeichnet) und die in digitaler Technik ausge­ führt sind (rechts von der gestrichelten Linie, mit D bezeichnet) angegeben. Gemäß der Er­ findung befinden sich diese beiden Gebiete auf demselben Substrat 55, siehe Fig. 2.

An den Ausgang des Rauschschwellenkomparators 70-1 ist eine Quantende­ tektionsschaltung 74 angeschlossen, die mit einem binären Signal, dem Detektionssignal, an ihrem Ausgang 78 angibt, ob ein Röntgenquant detektiert worden ist oder nicht. An die Aus­ gänge des Niedrigpegel-Komparators 70-2 und des Hochpegel-Komparators 70-3 ist eine Fensterschaltung 76 angeschlossen, die, falls das detektierte Röntgenquant in das durch die Komparatoren 70-2 und 70-3 vorgeschriebene Energiefenster fällt, dieses an ihrem Ausgang 80-i mit einem binären Signal angibt (dem Fenstersignal). Der Busleiter 83 am Ausgang des Multiplexers 82 überträgt hierbei das binäre Detektionssignal, das binäre Fenstersignal und das digitale 6-Bit-Adressignal.

Pro Chip 48 sind 64 der oben beschriebenen Kanäle für die Signalverarbeitung vorhanden. Jeder Kanal i hat somit einen Binärausgang 78-i und einen Binärausgang 80-i, welche Ausgänge alle an einen Ausgangsmultiplexer 82 angeschlossen sind, von dem aus ein Ausgangsignal beispielsweise über eine geeignete Schnittstellenschaltung der Zentraleinheit 22 (siehe Fig. 1) zugeführt werden kann.

Alle anhand von Fig. 3 beschriebenen einzelnen Schaltungen sind dem Fachmann bekannt und brauchen hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise nicht näher erläu­ tert zu werden.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Übersicht des Aufbaus des Arrays 42 aus strahlungsempfindlichen Detektorelementen nach Fig. 2. Das genannte Array ist auf einem Substrat 86 gebildet, das aus einer relativ dicken Schicht aus n-Material mit einem hohen elektrischen Widerstand besteht. An einer Seite dieser Schicht sind längliche Vertiefungen 88 ausgespart, die mit p-Material gefüllt sind. Auf diesem p-Material ist eine längliche Abgreif­ elektrode 90 aus Aluminium zum Abgreifen des Signals angebracht. Die Form der Ausspa­ rung 88 und damit der Elektrode 90 ist derart, dass deren Breite erheblich kleiner ist als die Länge, wodurch die Form der Elektrode der Form einer zu detektierenden Röntgen­ brennlinie entspricht. An der anderen Seite der Schicht 86 ist eine Schicht n⁺-Material 92 zur elektrischen Kontaktierung angebracht. Im Betrieb ist die Spannung an der n⁺-Schicht 92 z. B. 80 V, an der Abgreifelektrode z. B. 2,5 V. Durch die angelegte Spannung entsteht ein elektri­ sches Feld, dessen Feldlinien 94 zwischen der Abgreifelektrode 90 und der n⁺-Schicht 92 wiedergegeben sind. Diese Spannungsdifferenz (nämlich 80-2,5 V) verarmt das Material 86 vollständig, d. h. es gibt dann keine freien Ladungsträger mehr.

Im Betrieb fällt ein Röntgenquant 54 auf der Unterseite der Schicht 86 ein. Dadurch entsteht in dieser Schicht eine Anzahl Elektron-Loch-Paare, wobei die Zahl von der Energie des Röntgenquants abhängig ist. Wenn die Energie des Röntgenquants z. B. 8 keV ist, ist die Zahl ausgelöster Elektron-Loch-Paare gleich dem Verhältnis dieser Energie zur Auslöseenergie eines einzigen Elektron-Loch-Paares von z. B. 3,6 eV, sodass in diesem Fall ungefähr 2200 Elektron-Loch-Paare ausgelöst werden. Die Elektronen 96 der ausgelösten Elektron-Loch-Paare bewegen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes in Richtung der n⁺-Schicht 92, die Löcher 100 bewegen sich in Richtung des p-Materials 88, also der Elektrode 90. Somit entsteht ein Ladungsimpuls in einer Schaltung, die zwischen der n⁺-Schicht 92 und dem p-Material 88 angeschlossen ist.

Die Form der Aussparung 88 und somit der Elektrode 90 ist so, dass deren Breite erheblich kleiner ist als die Länge, wodurch in einer Richtung senkrecht zur Längs­ richtung der Elektrode 90 eine hohe Ortsauflösung erhalten werden kann, während durch die größere Länge dieser Elektrode doch noch eine hinreichende Elektrodenoberfläche erhalten wird, sodass die detektierende Oberfläche nicht unnötig klein und der Dektionswirkungsgrad somit möglicherweise zu klein wird. Vorzugsweise muss das zu detektierende Röntgenstrah­ lenbilndel am Ort der Detektoroberfläche einen streifenförmigen Querschnitt haben. Diese Bedingung wird in vielen Röntgenanalysegeräten erfüllt, insbesondere bei Geräten für Rönt­ genbeugung.

Die Elektrode 90 endet mit einem auf demselben Substrat 86 angebrachten Bondpad 98. Von diesem Bondpad 98 aus sorgt eine Verbindungsleitung 46 für die Verbin­ dung mit einem zum Chip 48 gehörenden Bondpad 56 (siehe auch Fig. 3). So wird der über die Elektrode 90 abgegriffene Ladungsimpuls zur weiteren Signalverarbeitung an den La­ dungsverstärker 58 von Chip 48 übertragen. Die Kombination von Elektrode 90, p-Material 88, dem darunter liegenden Halbleitermaterial 86 und der Schicht n⁺-Material 92 bewirkt eine parasitäre Kapazität, die in der Figur schematisch mit dem Bezugszeichen 104 dargestellt ist; diese parasitäre Kapazität 104 wird am Ausgang des Detektorelementes, somit am Eingang des daran angeschlossenen Ladungsverstärkers wahrgenommen. Da die Kapazität am Ein­ gang eines solchen Verstärkers den Rauschbeitrag dieses Verstärkers in der Verstärkungs­ kette bestimmt, ist es sehr wichtig, den Rest der Signalverarbeitungskette möglichst rauscharm auszuführen.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine grafische Wiedergabe des Signalverlaufes direkt nach einem Ladungsverstärker der elektronischen Ausleseschaltung bzw. nach Filte­ rung dieses Signals. Wie allgemein bekannt, ist ein Ladungsverstärker mit einem Kondensa­ tor versehen, der den empfangenen Ladungsimpuls in einen Spannungsschritt umwandelt, welcher Spannungsschritt dann von einem Spannungsverstärker verstärkt wird. Durch immer vorhandenen, durch das Halbleitermaterial des Substrats 86 fließenden Leckstrom wird dieser Kondensator langsam aufgeladen, wodurch die Ausgangsspannung V_u des (invertierend aus­ geführten) Ladungsverstärkers einen linear abfallenden zeitlichen Verlauf aufweist, wie durch den linearen Abschnitt 106 in Fig. 5a dargestellt. Wenn kein Ladungsimpuls am Ein­ gang des Ladungsverstärkers angeboten wird, wird nach einiger Zeit der Verstärker rückge­ setzt, was bedeutet, dass die Ladung am Kondensator auf einen Anfangswert gebracht wird (z. B. 0 C), woraufhin der oben genannte Verlauf wieder beginnt. Wird jedoch ein La­ dungsimpuls angeboten, dann äußert sich dies als Sprung in der Ladung am Kondensator, also in der Ausgangsspannung, so wie durch den Spannungssprung 108 in Fig. 5a wieder­ gegeben, woraufhin der lineare Abschnitt sich (mit einer vertikalen Verschiebung) bei der Linie 110 fortsetzt, bis der Verstärker bei der Rücksetzung 112 wieder rückgesetzt wird.

Das so erhaltene Signal wird mit einem Bandfilter, dessen Ausgangssignal V_f in Fig. 5b mit einer ausgezogenen Linie 114 wiedergegeben ist, digital gefiltert. Die mit I angedeutete Fläche über der Zeitachse und unter der Linie 114 ist dabei nahezu ebenso groß wie die Fläche II unter der Zeitachse und über der Linie 114. Dieser Effekt wird mit einem Filter erreicht, das drei zusammenfallende reelle Pole hat. Der Vorteil des oben genannten Signalverlaufs gemäß der Linie 114 ist, dass die Zeit, die zwischen dem Anbieten eines Stromimpulses und dem Detektieren dieses Impulses (d. h. dem elektronisch Feststellen, dass ein Impuls aufgetreten ist) verstreicht, kürzer ist, und zwar wegen des genannten Signalver­ laufs, der eine viel schnellere Rückkehr auf den Wert null aufweist als ein Signalverlauf mit beispielsweise einem herkömmlichen Bandfilter, dessen Verlauf zum Vergleich in Fig. 5b mit der gestrichelten Linie 116 gezeigt wird. Diese schnelle Rückkehr auf den Wert null er­ möglicht eine hohe Zählgeschwindigkeit des Detektors.

Die Fig. 6a und 6b zeigen ein Logikgatter in CMOS-Logik bzw. ein Lo­ gikgatter in CML-Technik. Das Logikgatter von Fig. 6a besteht aus zwei mit ihrem Hauptstrompfad in Reihe geschalteten MOSFET-Transistoren 118 und 120, wobei der Ver­ bindungspunkt 122 den Ausgang für das Logiksignal bildet. Bei einem Übergang von einem Logikzustand in den komplementären Logikzustand wird ein Querstrom zum Substrat hin auftreten. Dieser Strom wird folgendermaßen verursacht. In einem ersten Logikzustand des Gatters wird ein Strom durch den Ausgang 122 geleitet, der nach innen gerichtet ist, im kom­ plementären Logikzustand wird ein Strom durch den Ausgang 122 geleitet, der nach außen gerichtet ist. Im letztgenannten Fall fließt der Strom vom Speisepunkt 124 durch den Transi­ stor 118 zum Ausgang 122 und leitet Transistor 120 nicht, wodurch also kein Strom zum Substrat fließt. Im ersten Fall fließt der Strom vom Ausgang 122 durch den Transistor 120 zum Substrat, wobei der Transistor 120 nicht leitet. In diesem Fall fließt also doch Strom zum Substrat. Beim Übergang des Logikzustandes tritt somit eine Stromdifferenz in Form eines impulsförmigen Spitzen- oder Querstrom auf. Da auf demselben Substrat auch die in Bipolartechnik ausgeführten Ladungsverstärker angebracht sind, wird dieser impulsförmige Spitzenstrom zum Rauschen der Ladungsverstärker beitragen, was deren Rauschabstand ver­ schlechtern würde.

Das beschriebene Problem wird durch Verwendung eines in CML-Logik aus­ geführten Logikgatters, wie in Fig. 6b gezeigt, gelöst. Dieses Gatter besteht aus zwei paral­ lellen Zweigen 126 und 128, die mit einer Stromquelle 138 in Reihe liegen. Jeder der beiden parallellen Zweige 126 und 128 besteht aus einem MOSFET-Transistor 130 bzw. 132 und einer Stromquelle 134 bzw. 136. Der Ausgang dieses Gatters wird durch die zwei Verbin­ dungspunkte 138 und 140 gebildet, wobei die Differenzspannung dieser zwei Punkte den Logikwert repräsentiert. Beim Umschalten zwischen zwei Logikzuständen ist die Stromab­ nahme in dem einen Transistor, z. B. Transistor 130, gleich der Stromzunahme in dem ande­ ren Transistor 132 und umgekehrt. Der Substratstrom ist die Summe aus diesen beiden Strö­ men und diese ändert sich dabei nicht. Dadurch wird der unerwünschte Spitzenstrom nicht auftreten und stellt dieser somit auch keinen Rauschbeitrag in der analogen Verarbeitungs­ kette auf dem Substrat dar.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Analysieren von Materialien mit Hilfe von Strahlung, mit
einer Strahlungsquelle (6) zum Erzeugen der Strahlung (42),
einem Probenort (8) zum Plazieren einer Probe (10) des zu untersuchenden Materials,
einer ortsempfindlichen Detektionseinrichtung (9) zum Detektieren der von der Probe stammenden Strahlung (45),
welche Detektionseinrichtung versehen ist mit
einem Array (42) aus strahlungsempfindlichen Detektorelementen (44),
einer an das Detektorarray angeschlossenen elektronischen Auslese­ schaltung; (48) mit Ladungsverstärkern (58) in einer eindeutigen Beziehung zu den De­ tektorelementen (44), wobei der Eingang dieser Ladungsverstärker jeweils an eines der De­ tektorelemente angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ladungsverstärker (58) in integrierter Bipolartechnik ausgeführt sind und dass die elektronische Ausleseschaltung (48) an die Ausgänge der Ladungsverstärker angeschlossene Signalverarbeitungsschaltungen (74-82) umfasst, die in digitaler Technik ausgeführt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, in der die digitalen Signalverarbeitungsschal- tungen auf demselben Substrat aufgebracht sind wie die Ladungsverstärker.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, in der die digitalen Signalverarbeitungsschal­ tungen in einem BICMOS-Prozess in CML-Technik (CML: Current Mode Logic) ausgeführt sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Gesamtheit aus Detektorarray (42) und elektronischer Ausleseschaltung (48) auf einem gemeinsamen Träger (55) angebracht ist, der aus keramischem Material hergestellt ist.

5. Ortsempfindliche Detektionseinrichtung zum Detektieren von Strahlung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert.