DE102006006411A1

DE102006006411A1 - Anordnungen und Verfahren zur Bestimmung von Dosismessgrößen und zur Ermittlung von Energieinformation einfallender Strahlung aus Photonen oder geladenen Teilchen mit zählenden Detektoreinheiten

Info

Publication number: DE102006006411A1
Application number: DE102006006411A
Authority: DE
Inventors: Thilo Michel; Alexander Korn; Gisela Anton; Daniel NIEDERLÖHNER; Michael BÖHNEL; Markus Firsching; Jürgen DURST
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-16
Also published as: CN101454689B; EP2657721A2; WO2007090650A1; US20110051901A1; EP1984753A1; JP5404057B2; EP2657721A3; CN101454689A; EP1984753B1; US7983397B2; JP2009526213A

Abstract

Es wurden Anordnungen von zählenden Detektoreinheiten und Verfahren zum Betrieb derselben erfunden, die es gestatten, Dosismessgrößen oder Energieinformationen wie Energiespektrum oder maximale Teilchenenergie bei Einfall von Strahlung aus Photonen oder geladenen Teilchen zu bestimmen. Eine Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten gestattet erst die Bestimmung von Dosismessgrößen in einem Messbereich hinsichtlich der Teilchenflussdichte, der weit über die Messbereiche kommerzieller Dosimeter hinausgeht. Durch diese Realisierungsform kann durch flächenhafte Ausgestaltung der Anordnung bei kleiner aktiver Fläche der einzelnen Detektoreinheiten eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher oberer Messbereichsgrenze bezüglich des Teilchenflusses erreicht werden. Die Genauigkeit der Dosisbestimmung kann durch Ermittlung von Energieinformationen gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden. Durch die kompakte Ausführungsform ist eine Verwendung in aktiven Personendosimetern möglich. Eine Platzierung von Absorbern über die Anordnung ist möglich. Es wurden auch Einstellungsstrategien zur zeitlichen oder räumlichen Variation der Diskriminatorschwellen und Verfahren zur Bestimmung von Energieinformationen oder Dosismessgrößen aus den Zählerständen erfunden.

Description

Begriffsklärung:
Mit dem Begriff Dosismessgrößen sind unter anderem Größen wie Energiedosis, Äquivalentdosis, Umgebungsäquivalentdosis, Ionendosis, Personendosis, entsprechende Leistungsgrößen oder Teilchenfluss zu verstehen.
Die Eigenschaft „zählend" bedeutet im Folgenden, dass eine Detektoreinheit in der Lage ist, einfallende Teilchen einzeln zu registrieren, Informationen der Energiedeposition für jedes registrierte Teilchen einzeln zu analysieren und nach bestimmten Kriterien die Anzahl der Teilchen, welche diese Kriterien erfüllen, zu bestimmen. Diese Analyse kann zum Beispiel aus der Bestimmung der Energiedeposition des registrierten Teilchens oder dem Vergleich mit einer Diskriminatorschwelle bestehen.
Die Eigenschaft „pixeliert" bedeutet im Folgenden, dass ein Detektor aus mehreren gleichartigen Detektoreinheiten aufgebaut ist. Jede einzelne Detektoreinheit hat den unten beschriebenen Aufbau. Die Detektoreinheiten können unter auch einen sie untereinander verbindenden, durchgängigen Sensor besitzen.
Kern der Erfindung
Kern der Erfindung ist die Verwendung einer Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten in Geräten zur Bestimmung von Dosismessgrößen oder Energieinformationen einfallender Strahlung, wobei nach bestimmten Methoden Diskriminatorschwellen zeitlich oder räumlich in der Anordnung variiert werden, sodass aus den so ermittelten Zählerständen Informationen über die einfallenden Teilchenenergien, wie zum Beispiel das Energiespektrum oder die maximale Teilchenenergie, unter Anwendung bestimmter Verfahren ermittelt werden oder daraus Dosismessgrößen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die Dosismessgrößen können auch aus den ermittelten Zählerständen ohne Bestimmung des Energiespektrums ermittelt werden. Unsere Erfindung besteht zudem aus Einstellungsstrategien von Diskiminatorschwellen in einer Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten sowie aus Verfahren zur Auswertung der Zählerstände, um Energieinformationen oder Dosismessgrößen einfallender Strahlung zu bestimmen. Die Kombination aus der Verwendung der zählenden Detektoreinheiten mit Einstellungsverfahren der Schwellen macht die Ermittlung von Energiespektren oder Dosismessgrößen in kompakten Geräten möglich. Die zusätzliche Bestimmung von Energieinformationen ermöglicht die Bestimmung der Dosismessgrößen mit hoher systemati scher Genauigkeit auch bei unbekannten einfallenden Spektren. Die von uns erfundenen Anordnungen und Verfahren gestatten eine Anpassung des Messbereichs, der durch die Diskriminatorschwellen bestimmt wird, an das Strahlungsfeld und somit eine Steigerung der Messgenauigkeit.
Kern der Erfindung ist auch, eine Vielzahl von zählenden Detektoreinheiten in Geräten zur Bestimmung von Dosismessgrößen oder Energieinformationen einfallender Strahlung zu verwenden. Erst durch die Verwendung einer Vielzahl von Detektoreinheiten ist es möglich, bei einer durch die untere Messbereichsgrenze hinsichtlich der Teilchenflussdichte und damit der Dosis vorgegebene aktive Mindestfläche der Anordnung, eine hohe obere Messbereichsgrenze hinsichtlich der Teilchenflussdichte und damit der Dosis zu erreichen und eventuell gleichzeitig Energieinformationen über jedes einfallende Teilchen zu gewinnen. Durch die zusätzliche Messung der Teilchenenergie kann der systematische Fehler der Dosisbestimmung verringert werden. Es ist hiermit der Bau eines aktiven Personendosimeters möglich, das neben Dosisinformationen zusätzlich auch Energieinformationen anzeigt. Nach [1] gibt es im Markt noch kein solches Personendosimeter.
Kern der Erfindung ist auch, dass in den Geräten zur Bestimmung von Dosismessgrößen oder Energieinformation einfallender Strahlung die Anordnung von zählenden Detektoreinheiten als pixelierter Detektor realisiert wird. Dies liegt nicht nahe, da solche pixelierte Detektoren aufgrund der Pixelierung in der Regel eine schlechte Energieauflösung zeigen und Zählanzahlen durch Effekte wie Charge-Sharing oder optischen Cross-talk verfälscht sind und in der Regel in den einzelnen Detektoreinheiten keine Vielkanalanalysatoren vorhanden sind, um die Energiedepositionsinformation zu analysieren. Aus diesem Grund ist es nur unter Anwendung spezieller von uns erfundener Strategien und Verfahren zur Einstellung von Diskriminatorschwellen und zur Auswertung der Zählerstände möglich, das Energiespektrum zu bestimmen oder Dosismessgrößen zu bestimmen.
Kern der Erfindung ist auch, ein sehr kompaktes Messgerät zur Bestimmung von Energieinformationen oder ein Dosimeter mit einer solchen Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten zu schaffen. Durch schnelles Abtasten des Energiespektrums mit den in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren ist es möglich, die zeitliche Entwicklung eines Spektrums zu ermitteln.
Stand der Technik
Unsere Erfindung kann in Geräten zur Bestimmung von Dosismessgrößen, wie zum Beispiel Personen- und Ortsdosimetern, in Geräten zur Bestimmung von Dosen im Nutzstrahl von Bestrahlungseinrichtungen, in Geräten zur Dosisbestimmung bei Flugzeugen, in Geräten zur Bestimmung des Energiespektrums einfallender Strahlung, in Geräten zur Bestimmung des Peak-Werts der Röhrenspannung bei Röntgensystemen oder in Geräten zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung von Stoffgemischen zum Einsatz kommen.

Stand der Technik in der Personendosimetrie

Zum Stand der Technik in der passiven Personendosimetrie gehören Film-, Thermolumineszenz- und Radiophotolumineszenzdosimeter. Vor allem Filmdosimeter sind in der Personendosimetrie in breiter Anwendung. Die passiven Dosimeter können die Dosis in ausreichender Genauigkeit im geforderten Energiebereich, welche durch den Gesetzgeber definiert werden, messen. Ein Vorteil der Filmdosimeter ist ihre kompakte, leichte Bauweise und die Möglichkeit, die Dosisbestimmung über die Messung des mittleren Einfallswinkels zu verfeinern. Informationen über das Energiespektrum der einfallenden Teilchen werden über das Anbringen von Absorberplättchen über dem strahlungssensitiven Film gewonnen. Die Genauigkeit der Bestimmung der mittleren Energie ist beschränkt: die Genauigkeit liegt nach [1], Seite 484, bei nur etwa 30 keV in einem Photonenenergiebereich zwischen 20 und 120 keV. Die Ungenauigkeit in der Energiebestimmung steigt mit zunehmender Teilchenenergie.

Aktive Personendosimeter sind im Gegensatz zu Filmdosimetern in der Lage, Dosisbestimmungen in Echtzeit und damit auch Dosisleistungsbestimmungen durchzuführen. In aktiven Personendosimetern kommen Halbleiterdetektoren, Szintillationsdetektoren, Geiger-Müller-Zählrohre oder Ionisationskammern zum Einsatz.

Bei Dosimetern mit Ionisationskammern handelt es sich um Anordnungen von aufgeladenen Kondensatoren, welche sich unter Einstrahlung von Strahlung entladen und diese Entladung anzeigen.

Als Halbleiterdetektoren werden in Personendosimetern häufig Silizium-, CdZnTe-, HgGe-Detektoren eingesetzt. Die Mehrzahl der aktiven Personendosimeter liefert keinerlei Information über das Energiespektrum. Es gibt aber bereits Personendosimeter, welche Energieinformationen über das einfallende Spektrum nutzen. Es existieren Geräte, welche einen oder mehrere Energiekanäle benutzen, um die Messgenauigkeit im Hinblick auf Unterschiede in der Photonenenergie zu verbessern. Als Beispiel sei das Gerät EPD Mk2 der Thermo Electron Corporation genannt, welches einen Energiekanal für weiche (20–60 keV) und einen Kanal für harte Gammastrahlung (50 keV–5 MeV) besitzt. Die angezeigten Dosismessgrößen werden nach [1], Seite 485, aus einer Kombination beider Kanäle errechnet. Nach [1], Seite 485, gibt es noch kein Personendosimeter im Markt, welches Energieinformationen anzeigt.

Die Messbereiche hinsichtlich der Energie der einfallenden Strahlung liegen bei handelsüblichen aktiven Personendosimetern zwischen 10 keV und 10 MeV. Der relative Fehler der Dosisbestimmung liegt nach [2], Seite 147, zwischen 10 und 30 Prozent. Hier findet sich auch eine Aufstellung vieler handelsüblicher aktiver Personendosimeter. Der Messbereich hinsichtlich der Bestimmung der Dosisgröße Hp liegt nach der Aufstellung in [2] zwischen 15 Nanosievert und 16 Sievert.

Als aktive Personendosimeter seien exemplarisch genannt: Thermo Electron EPD1, Thermo Electron Mk2, Dosiman, Dositec L36, MGP DMC 2000.

Alle in der aktiven Personendosimetrie derzeit verwendeten Detektoren bestehen nicht aus mehreren zählenden Detektoreinheiten. In der hier beschriebenen Erfindung ist der Einsatz einer Mehrzahl von zählenden Detektoreinheiten, zum Beispiel als pixelierter Detektor realisiert, möglich und bietet einige Vorteile. Desweiteren arbeiten die Geräte des Stands der Technik der aktiven Personendosimetrie im Unterschied zu unserer Erfindung nicht im zählenden Betrieb. Es werden auch keine Energiespektren zur Bestimmung der Dosismessgrößen ermittelt.

Stand der Technik in der Ortsdosismessung

Als Detektoren kommen hier Halbleiterdetektoren, Geiger-Müller-Zählrohre, Szintillationsdetektoren oder Ionisationskammern zum Einsatz.

Es gibt nach [1], Seite 484, einige Geräte, welche – oft im Zusammenhang mit der Möglichkeit einer Nuklidbestimmung – Informationen über das Energiespektrum liefern. In der Regel wird hierzu das Pulshöhenspektrum gemessen. Die Energieauflösung der Detektoren ist im Allgemeinen höher als bei den in Personendosimetern eingesetzten Detektoren. Nach [1], Seite 485, sind Kombinationen eines Vielkanalanalysators mit einer Kombination aus einem Szintillator wie CsI oder NaI mit Photomultipliern oder Photodioden oder Halbleiterdetektoren wie zum Beispiel CdZnTe im Einsatz.

Die Messbereiche hinsichtlich der Energie der einfallenden Strahlung liegen nach [1], Seite 486, bei handelsüblichen aktiven Ortsdosimetern, die eine Energiebestimmung einfallender Photonen durchführen und daher Dosisgrößen genauer bestimmen können, zwischen 10 keV und 3 MeV und bezüglich des Dosisratenbereichs zwischen 5 Nanosievert je Stunde und 1 Sievert je Stunde. Hier findet sich auch eine Auflistung vieler handelsüblicher Ortsdosimeter, welche ebenso wie unsere Erfindung photonenenergiesensitiv arbeiten.

Die in der Ortsdosimetrie verwendeten Detektoren bestehen nicht aus einer Mehrzahl von einzelnen Detektoreinheiten. In der hier beschriebenen Erfindung ist der Einsatz von einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten, zum Beispiel als pixelierter Detektor realisiert, möglich und bietet einige Vorteile.

Nachteile des Standes der Technik in der Personendosimetrie

Ein Nachteil der Filmdosimeter ist, dass sie als passive Dosimeter die Dosis zwar über den gesamten Messzeitraum registrieren aber erst nach Ablauf des Messzeitraums eine Auswertung gestatten. Die Arbeitsprozesse bei der Verwendung von Filmdosimetern sind aufwändig für den Arbeitgeber der zu überwachenden Personen. Die Filmplaketten werden üblicherweise im Monatsrhythmus ausgelegt, eingesammelt und an die Auswertestelle gesendet. Die Auswertestelle muss die Dosimeterhüllen öffnen und die darin enthaltenen Filme chemisch entwickeln und auswerten. Unbenutzte, neue Dosimeter werden an die Arbeitgeber für den Einsatz im kommenden Monat gesendet und dort ausgelegt oder an die zu überwachenden Personen verteilt. Die Kosten für die Bereitstellung des Filmdosimeters und die Auswertung belaufen sich je Messzeitraum auf ca. 5 Euro. Hinzu kommen nicht unerhebliche Kosten für Arbeitsprozesse der Arbeitgeber für das Einsammeln, Einsenden und Auslegen der Dosimeter sowie für die Verwaltung der Messergebnisse. Ein weiterer Nachteil der Filmdosimeter ist die geringe Messgenauigkeit bei kleinen Dosen sowie der energieabhängige Schwärzungsgrad des Films. Der Messbereich bezüglich der Dosis ist durch den Eintritt einer Sättigung der Schwärzung bei höheren Dosen begrenzt. Dem Benutzer liefern sie keine Information über die Strahlenexposition während des Bestrahlungszeitraums, sondern machen diese Information erst retrospektiv analysierbar.

Bei Kernspurdosimetern, Photolumineszenzdosimetern, Thermolumineszenzdosimetern ist wie bei Filmdosimetern als Nachteil zu nennen, dass bei diesen passiven Dosimetern die Dosismessgrößen erst nach Abschluss der Exposition ermittelt werden können. Die während des Messzeitraums deponierte Dosis ist somit nicht zeitnah erhältlich, sodass eventuell notwendige Maßnahmen zur Reduzierung der Strahlenexposition während des Messzeitraums nicht erkannt werden können.

Da bei Ionisationskammern eine vollständige elektrische Isolation nicht herzustellen ist, entladen sich die Kondensatoren auch ohne Bestrahlung. Wird die Entladung des Kondensators über einen Zeiger angezeigt, sind Ablesefehler eine weitere Fehlerquelle. Die Empfindlichkeit dieser Dosimeter ist deshalb im Bereich kleiner Dosen gering.

Die Empfindlichkeit handelsüblicher elektronischer Personendosimeter wird mit sinkender Energie bei Einstrahlung von Gammastrahlung schlechter. 1 zeigt einen Vergleich der relativen Empfindlichkeit handelsüblicher elektronischer Personendosimeter.

Deutlich zu erkennen ist die Abnahme der relativen Empfindlichkeit aller Dosimeter mit abnehmender Photonenenergie. Merklich ist dieser Energieabfall vor allem im mammographischen Energiebereich (etwa 10 bis 40 keV). Dies hat zur Folge, dass in diesem Energiebereich geringe Dosen nur mit größeren Unsicherheiten nachgewiesen werden können. Zudem kommt, dass der errechnete Dosiswert stark von der Genauigkeit der Kenntnis der Photonenenergie abhängt. Unsicherheiten in der Kenntnis der Photonenenergie oder eine große Variationsbreite der einfallenden Photonenenergien, welche insbesondere im Streustrahlungsfeld auftritt, beeinflussen die durch das Dosimeter bestimmte Dosis stark. Dosen können von handelsüblichen Geräten lediglich mit einem Fehler von 10 bis 30 Prozent bestimmt werden.

Der Messbereich hinsichtlich der Energie beginnt erst bei 10 keV. Dosisbeiträge niedrigerer Energien, wie sie zum Beispiel in Streustrahlungsfeldern auftreten, werden nicht registriert.

Als weiterer Nachteil des Stands der Technik ist zu nennen, dass durch die Verfahren und Anordnungen des Stands der Technik keine Ermittelung und Anzeige von Energieinformationen in ausreichender Genauigkeit möglich ist. Es gibt nach [1] noch kein aktives Personendosimeter, das neben Dosisinformationen zusätzlich auch Energieinformationen anzeigt.

Nachteile des Standes der Technik in der Ortsdosimetrie

Als wesentlicher Nachteil ist hier der beschränkte dynamische Bereich bei Dosimetern, die eine Energiebestimmung der Teilchen durchführen, im Hinblick auf die zu verarbeitende Dosisrate von 5 Nanosievert je Stunde bis zu 1 Sievert je Stunde zu nennen. Die Geräte mit den größten dynamischen Bereichen arbeiten zwischen 5 Nanosievert und 100 Milisievert je Stunde beziehungsweise 10 Nanosievert bis 1 Sievert je Stunde.

Geräte, welche die Energie der Photonen nicht bestimmen, haben im Allgemeinen einen größeren dynamischen Messbereich. Sie bestimmen aber die Dosismessgrößen aufgrund der fehlenden Energieinformation ungenauer.

Die kommerziell erhältlichen Ortsdosismessgeräte sind wesentlich größer und schwerer als handelsübliche Personendosimeter und daher nicht zum Einsatz als Personendosimeter geeignet.

Nachteile des Stands der Technik in der Bestimmung des Energiespektrums einfallender Strahlung

Handelsübliche Geräte zur Messung des Energiespektrums einfallender Strahlung arbeiten unter Verwendung von Vielkanalanalysatoren, was die maximal zu verarbeitende Bestrahlungsrate stark einschränkt. Diese Geräte können daher nicht im direkten Strahlungsfeld im Normalbetrieb von Bestrahlungseinrichtungen, wie zum Beispiel Röntgengeräten, eingesetzt werden.

Geräte, die mit herkömmlicher nuklearer Elektronik (z.B. NIM) arbeiten, haben einen deutlich größeres Volumen als mögliche Realisierungsformen der von uns erfundenen Anord nung. Die maximal zu verarbeitenden Bestrahlungsraten sind geringer als bei einem Aufbau mit einer Anordnung bestehend aus mehreren zählenden Detektoreinheiten gemäß unserer Erfindung.

Aufgaben der Erfindung

Aufgabe 1 besteht darin, ein kompaktes Dosimeter und ein Verfahren zum Betrieb desselben zu schaffen, mit dem Dosismessgrößen von einfallender Strahlung mit hoher Genauigkeit, mit hoher Empfindlichkeit und großem Messbereich bezüglich der Teilchenflussdichte in einem großen Energiebereich, vor allem im radiologisch diagnostischen Energiebereich, während der Exposition bestimmt werden können, wobei die Messgenauigkeit eventuell durch zusätzliche Bestimmung von Energieinformationen noch verbessert werden kann.

Aufgabe 2 besteht darin, ein Gerät und ein Verfahren zum Betrieb desselben zu schaffen, welches die Bestimmung von Energieinformationen, wie zum Beispiel dem Energiespektrum oder der maximalen Teilchenenergie, einfallender Strahlung ermöglicht, wobei die Messung bei Einstrahlung einer sehr hohen Teilchenflussdichte durchgeführt werden kann. Ein solches Gerät kann bei der Qualitätssicherung von medizinischen Bestrahlungseinrichtungen (wie zum Beispiel Röntgenanordnungen) zum Beispiel zur Bestimmung des Spitzenwertes der Röhrenspannung (kVp-Bestimmung) eingesetzt werden.

Lösung der Aufgaben:

Aufgabe 1 wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer Anordnung aus energieauflösenden Detektoreinheiten, die einzelne Teilchen mit bestimmten Energiedepositionen zählen können, den Einsatz von Verfahren zur Ermittlung des Energiedepositionsspektrums, einer geeigneten Wahl von Diskriminatorschwellen in der Anordnung, den Einsatz von Verfahren zur Berechnung des einfallenden Energiespektrums und anschließender Berechnung der Dosismessgrößen aus dem einfallenden Energiespektrum oder durch Anwendung von Verfahren zur direkten Umrechnung von Zählerständen in Dosismessgrößen gelöst. Die Anordnung kann aus mehreren zählenden Detektoreinheiten bestehen. Sie kann zum Beispiel als pixelierter Detektor realisiert sein. Es können eventuell Absorber über der Anordnung verwendet werden.

Aufgabe 2 wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer Anordnung aus energieauflösenden Detektoreinheiten, die einzelne Teilchen mit bestimmten Energiedepositionen zählen können, und den Einsatz von Verfahren zur Abtastung des Energiedepositionsspektrums, einer geeigneten Wahl von Diskriminatorschwellen in der Anordnung, Verfahren zur Berechnung des einfallenden Energiespektrums aus der Abtastung und Verfahren zur Ermittlung der maximalen eingestrahlten Teilchenenergie aus der Abtastung gelöst. Die Anordnung kann aus mehreren zählenden Detektoreinheiten bestehen. Sie kann zum Beispiel als pixelierter Detektor realisiert sein. Es können eventuell Absorber über der Anordnung verwendet werden.

Vorteile der Erfindung in der Personen- und Ortsdosimetrie

Filmdosimeter unterscheiden sich durch die Verwendung eines Films von aktiven Dosimetern. Bei ihnen fehlt die Möglichkeit zur Realisierung von Arbeitsprozesserleichterungen mittels moderner Informationstechnologie. Die in unserer Erfindung zum Einsatz kommende Anordnung ist als aktives Dosimeter dazu geeignet, während der Strahlenexposition die Dosis kontinuierlich zu messen, sodass Warnsignale bei Überschreiten bestimmer Dosiswerte gegeben werden können oder die Notwendigkeit zu Maßnahmen zur Dosisreduktion zeitnah erkannt wird. Eine Übertragung der Messwerte (Dosis oder Detektorsignale), möglicherweise drahtlos, an eine Recheneinheit mit Auswertemöglichkeit oder eine Speichereinheit oder Einheit zur Weiterverarbeitung, ist technisch möglich und gestattet die automatische Registrierung der Dosiswerte. Das Einsammeln und Auswerten der Dosimeter in bestimmten zeitlichen Abständen entfällt durch die Übertragung der Daten an die Auswerteeinheit. Eine automatisierte Buchführung der registrierten Dosiswerte ist möglich. Die Prozesskosten werden erheblich gesenkt.

Als wesentliche Vorteile der Erfindung gegenüber passiven Dosimetern des Stands der Technik sind zu nennen: Die Ermittlung von Dosisgrößen in Echtzeit, eine höhere Empfindlichkeit hinsichtlich der Teilchenflussdichte, einen größeren Messbereich hinsichtlich der Teilchenflussdichte, eine höhere Linearität und die Bestimmung von Dosismessgrößen mit einem geringeren systematischen Fehler durch Bestimmung des Energiespektrums der einfallenden Strahlung.

Mit der von uns erfundenen Anordnung und dem Verfahren zur Bestimmung der Dosis, können die erreichbaren Genauigkeiten bei der Dosisbestimmung, verglichen mit bereits vorhandenen elektronischen Personendosimetern durch eventuell zusätzliche Bestimmung des Energiespektrums speziell bei unbekannten Spektren deutlich verbessert werden.

Unsere Erfindung favorisiert die Verwendung einer Anordnung, die aus einer Vielzahl einzelner, identischer Detektoreinheiten besteht. Die Verwendung einer Vielzahl von Detektoreinheiten ermöglicht es, bei einer durch die untere Messbereichsgrenze hinsichtlich der Teilchenflussdichte vorgegebene aktive Fläche der Anordnung eine hohe obere Messbereichsgrenze hinsichtlich der Teilchenflussdichte zu erreichen und gleichzeitig Energieinformationen über jedes einfallende Teilchen zu gewinnen. Durch die zusätzliche Messung der Teilchenenergie wird der systematische Fehler der Dosisbestimmung verringert. Daher über trifft die Messgenauigkeit unserer Erfindung bei der Dosisbestimmung die Messgenauigkeit üblicher Personendosimeter.

Da in einer Anordnung bestehend aus mehreren Detektoreinheiten mehrere Areale von Detektoreinheiten gebildet werden können, die mit unterschiedlichen Energieschwellen arbeiten, ist es möglich gleichzeitig mehrere Energieintervalle abzutasten und so das Energiespektrum in verschiedenen Intervallen simultan abzutasten. Eine zeitliche Variation der Schwellen und damit ein Abtasten des Energiespektums bei verschiedenen Zeiten ist nicht zwingend erforderlich. Vor allem bei Dosimetrieanwendungen in diagnostischen Einrichtungen der Radiologie, bei denen die Strahlung in kurzen Zeitintervallen vorliegt und während der Bestrahlungszeit variiert, hat die gleichzeitige Messung verschiedener Energieintervalle Vorteile. Da sich zudem die Person, welche das Personendosimeter trägt, unter Umständen im Streustrahlungsfeld bewegt und aus diesem Grunde die Strahlungsexposition mit der Zeit variiert, kann durch die gleichzeitige Messung verschiedener Energieintervalle eine hohe systematische Messgenauigkeit erreicht werden.

Die statistischen Fehler von Orts- oder Personendosisbestimmungen werden bei Verwendung eines Sensors ausreichender Dicke aus Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium, GaAs, Cd(Zn)Te, aufgrund der hohen Nachweiswahrscheinlichkeit und des Zählverfahrens für niederenergetische Photonen verringert. Die Energieabhängigkeit der Empfindlichkeit eines Dosimeters in der von uns vorgeschlagenen Ausgestaltung unter Verwendung eines Halbleiterdetektors mit einer Sensorschicht aus 700 Mikrometer dickem Silizium und unter Anwendung der von uns erfundenen Verfahren zur Bestimmung der Dosis ist im mammografischen Energiebereich deutlich geringer als die Abhängigkeit der in der 1 angeführten Dosimeter. Die von uns erfundene Anordnung hat in einer einfachen Ausgestaltungsform unter Verwendung eines zählenden Halbleiterdetektors mit einer Sensorschicht der Dicke von ca. 700 Mikrometern aus Silizium eine praktisch 100 prozentige Nachweiswahrscheinlichkeit für niederenergetische Photonen. Bei Verwendung von Halbleitermaterialien mit höherer Kernladungszahl, wie zum Beispiel GaAs oder Cd(Zn)Te, oder dickeren Sensorschichten lässt der Energiebereich, über den die Empfindlichkeit praktisch energieunabhängig ist, noch erweitern. Da jedes Photon einzeln von der Anordnung registriert wird, beginnt der energetische Messbereich bei sehr niedrigen Photonenenergien (z.B. 4 keV), was bereits eine Erweiterung des Messbereichs des Stands der Technik darstellt und vor allem in der Mammografie oder in Streustrahlungsfeldern relevant ist. Die Empfindlichkeit des Dosimeters in der von uns erdachten Ausgestaltung ist gegenüber den handelsüblichen integrierend arbeitenden Dosimetern im radiologisch relevanten Energiebereich also deutlich erhöht, da die Nach weiswahrscheinlichkeit unserer Anordnung im radiologischen Energiebereich hoch ist und aufgrund der Anwendung eines Zählverfahrens jedes einfallende Teilchen gezählt und sein Dosisbeitrag registriert wird.

In der Ausgestaltungsform unter Verwendung einer Anordnung aus mehreren Detektoreinheiten ist als weiterer Vorteil zu nennen, dass die Empfindlichkeit eines so gebauten Dosismessgeräts hinsichtlich kleiner Dosisleistungen durch die flächenhafte Ausbildung vergrößert wird, da die Anordnung im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Detektors bei vorgegebener oberer Grenze des Messbereichs eine größere sensitive Fläche bieten kann.

Im Vergleich zu bereits vorhandenen Orts- oder Personendosimetern zeigt die von uns erfundene Anordnung durch ihre zählende Eigenschaft einen erweiterten Messbereich im Hinblick auf den maximalen Teilchenfluss, der durch entsprechenden Aufbau der Sensoren oder der zählenden Elektronik noch erweitert werden kann. Limitierend für die obere Grenze des dynamischen Messbereichs im Hinblick auf den Teilchenfluss ist die aktive Fläche der einzelnen Sensoren, die Dauer der Sammlungszeit der Ladung, bzw. des optischen Lichts, die Dauer der elektrischen Pulse am Wandler, die Pulslänge der Diskriminatorpulse, der Zählbereich der Zähler sowie die Auslesefrequenz der Zähler. Der dynamische Messbereich der Teilchenflussdichte kann durch technisch leicht zu lösende Verwendung von elektronischen Zählern mit hoher Zählertiefe oder häufigerem Auslesen und Zurücksetzen der Zähler unter Abspeichern der ausgelesenen Zählerstände erweitert werden. Die Verringerung der Fläche der Sensoren in den einzelnen Detektoreinheiten bei gleichzeitiger Verwendung einer größeren Zahl von Detektoreinheiten kann den dynamischen Messbereich hinsichtlich der Teilchenflussdichte nach oben erweitern. Die untere Grenze des Messbereichs im Hinblick auf den Teilchenfluss ist wesentlich durch die Nachweiswahrscheinlichkeit für Teilchen, den Diskriminatorschwellen und der aktiven Fläche der Anordnung bestimmt.

Die Linearität der mit unserer Anordnung bestimmten Dosiswerte in Abhängigkeit vom Fluss der einfallenden Teilchen ist durch das zählende Verfahren innerhalb des Messbereichs fast exakt gegeben. Eine rechnerische Korrektur auf zufällige Ereignisse, die zu Nichtlinearitäten in der Abhängigkeit zwischen Dosis und Fluss führen könnten, kann mit den durch die Anordnung gewonnenen Daten rechnerisch durchgeführt werden. Der Messbereich ist somit durch rechnerische Korrekturen noch erweiterbar.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von mehreren zählenden Detektoreinheiten ist es möglich, verschiedene Absorber gleichzeitig über den strahlungssensitiven Sensorschichten mehrerer Detektoreinheiten zu platzieren. Diese einfache Anordnung von Absorbern wird erst durch die flächenhafte Ausgestaltung der Anordnung, wie sie zum Beispiel bei einem pixelierten Detektor vorliegt, ermöglicht. Der Einsatz von Absorbern bietet den Vorteil, Dosisbeiträge verschiedener Teilchenarten gleichzeitig bestimmen zu können oder den mittleren Einfallswinkel zu messen, um die Genauigkeit der Dosismessung zu erhöhen.

Des Weiteren ist es durch das von uns erfundene Verfahren möglich, eine Anordnung sowohl zur Messung von Dosisgrößen als auch zur Bestimmung des Energiespektrums einzusetzen. Dies bietet für den Hersteller von Messgeräten den Vorteil, Skaleneffekte bei der Produktion ausnutzen zu können. Beim Anwender kann, wenn ein spezielles Kombinationsgerät hergestellt wird, ein solches Gerät zu einem Zeitpunkt zum Beispiel zur Qualitätssicherung bei Untersuchung der Emissionsspektren von Röntgenröhren (z.B. zur kVp-Bestimmung) und zum anderen Zeitpunkt als Personen- oder Ortsdosismessgerät eingesetzt werden. Die Analyse des gemessenen Spektrums bei Verwendung als Dosimeter kann nützliche Informationen zur weiteren Reduzierung der Dosisbelastung am Arbeitsplatz liefern. Die von uns erfundene Anordnung erlaubt eine sehr kompakte Realisierungsform, sodass Ortsdosimeter gebaut werden können, welche bei gleicher Leistungsfähigkeit im Vergleich zu handelsüblichen Ortsdosimetern eine deutlich verringerte Größe und Masse haben.

Die Anordnungen und Verfahren lassen sich prinzipiell auch bei Strahlungsfeldern aus Photonen im optisch sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Energiebereich anwenden. Es sind unter anderem Anwendungen zur Bestimmung des Energiespektrums von Lichtquellen oder der Bestimmung von Dosismessgrößen von Lichtfeldern, wie zum Beispiel der Messung von Dosen oder Energiespektren bei Geräten der Phototherapie oder Solarien, denkbar. Als Absorbermaterialien vor der Sensorschicht können für bestimmte Wellenlängen transparente Materialien eingesetzt werden.

Bei einer Anordnung gemäß dieser Erfindung liegt auf Grund des Einsatzes eines zählenden Verfahrens kein apparativer Nulleffekt vor. Bei Abwesenheit von Einstrahlung werden keine Teilchen registriert und es wird kein Dosisbetrag gemessen. Dies führt zu einer besseren Empfindlichkeit auf kleine Dosen. Die aktiven Personendosimeter des Standes der Technik zeigen aufgrund der in ihnen eingesetzten integrierenden Messverfahren einen apparativen Nulleffekt.

Des Weiteren ist es mit der von uns erfundenen Anordnung und den Verfahren zur Bestimmung von Energieinformationen möglich, zusätzlich zu Dosiswerten auch Energieinformationen zu bestimmen und anzuzeigen. Die Energieinformationen können genutzt werden, um Informationen über die Herkunft der Strahlenexposition zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Anordnung gemäß unserer Erfindung in einem tragbaren Gerät mit geringem Volumen und Gewicht eingebaut werden kann. Das Realisierungsbeispiel verdeutlicht die Möglichkeit einer sehr kompakten und leichten Realisierung.

Vorteile der Erfindung in der Bestimmung des Energiespektrums einfallender Strahlung

Als wesentliche Vorteile der Erfindung gegenüber bereits erhältlichen Geräten zur Bestimmung des Energiespektrums einfallender Strahlung des Stands der Technik sind zu nennen: ein größerer Messbereich hinsichtlich der Teilchenflussdichte, eine höhere Linearität und die Möglichkeit des Einsatzes in der bildgebenden Einheit selbst. Es ist durch den großen dynamischen Messbereich hinsichtlich der Teilchenflussdichte zum Beispiel möglich, das Energiespektrum einer Röntgenröhre in Betriebsmodi, wie sie auch bei der Untersuchung von Patienten verwendet werden, zu bestimmen, ohne dass die Strahlungsleistung für die Messung reduziert werden muss.

Beschreibung des Aufbaus
Es wird im Folgenden zwischen dem Spektrum der deponierten Energien, als Energiedepositionsspektrum oder verkürzt als Depositionsspektrum bezeichnet, und dem Spektrum der Energien der einfallenden Teilchenenergien, als Energiespektrum bezeichnet, unterschieden.
Die Anordnung besteht aus mindestens einer Detektoreinheit und weiteren Komponenten. Die Verwendung einer Vielzahl solcher Detektoreinheiten in der Anordnung bietet einige Vorteile. Die einzelnen Detektoreinheiten können auch mechanisch miteinander verbunden sein. Es kann auch ein durch alle Detektoreinheiten durchgängiger Sensor verwendet werden. Dies ist beispielsweise beim Ausführungsbeispiel der Fall.
Eine Detektoreinheit besteht aus folgenden (zum Teil optionalen) Komponenten.
(optional) Absorber
Sensor
(optional) Sammlungsanordnung
Wandler
(optional) Verstärker
Diskriminatoren und (optional) Integratoren
Zähleinheiten
Als weitere Komponenten müssen vorhanden sein:
Recheneinheit
(optional) Übertragungseinheit
(optional) Speichereinheit
(optional) Anzeigeeinheit
Steuereinheit
Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung
Gehäuse
Es muss eine Übertragungseinheit oder Speichereinheit oder Anzeigeeinheit vorhanden sein.
2 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau der gesamten Anordnung. Die Haupteinfallsrichtung der Strahlung ist die Flächennormale der Zeichnungsebene. Dabei symbolisieren die Ziffern folgende Komponenten:

1: Anordnung von Detektoreinheiten
2: Recheneinheit
3: Übertragungseinheit
4: Speichereinheit
5: Steuereinheit
6: Anzeigeeinheit
7: Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung
8: Gehäuse

Die Komponenten seien nun näher beschrieben:
Absorber: Die Verwendung von Absorbern ist optional. Zur Sicherstellung der Funktionsweise einer Detektoreinheit zwingend erforderliche Materialien, wie zum Beispiel Elektroden oder Ummantelungen werden nicht als Absorber bezeichnet. Ebenso wenig soll hier das Gehäuse als Absorber bezeichnet werden. Es können vor (in Haupteinfallsrichtung der Strahlung blickend) den Sensoren verschiedener Detektoreinheiten eventuell Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung, unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher Fläche platziert werden. Da die Absorption von Teilchen beim Durchgang durch die unterschiedlichen Absorber je nach Energie oder Teilchenart unterschiedlich stark ausgeprägt ist, dienen diese Absorber dazu, das einfallende Spektrum in material- und dickencharakteristischer Weise zu verändern. Die Signale der mit unterschiedlichen Absorbern versehenen Detektoreinheiten können dazu dienen, Dosismessgrößen für verschiedene Teilchenarten zu bestimmen oder Informationen über das einfallende Spektrum zu gewinnen. Absorber können auch dazu eingesetzt werden, den mittleren Einfallswinkel durch Analyse der Signale in den durch sie abgeschatteten Bereichen zu bestimmen und so eine Korrektur der gemessenen Spektren und Dosismessgrößen zu ermöglichen. Dabei müssen unter dem Absorberrand mehrere Detektor einheiten platziert werden. Die Absorber können die Sensoren oder Detektoreinheiten auch in mehreren Richtungen umhüllen.
Sensor: Der Sensor besteht aus einem Materialvolumen, in welchem einfallende Photonen oder geladene Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen, Positronen oder Alphateilchen, Energie in Form von Elektron/Loch-Paaren oder Anregungsenergie deponieren. Als Sensormaterialien bieten sich Halbleitermaterialien (wie z.B. Si, GaAs, Cd(Zn)Te) oder Szintillationsmaterialien an.
Wird ein Halbleitersensor verwendet, so erzeugen die einfallenden Teilchen im Halbleitermaterial Elektron/Loch-Paare, die durch ein elektrisches Feld getrennt werden. Dieses Feld wird über die äußere Beschaltung des Halbleitermaterials mit Elektroden erzeugt. Bei Verwendung eines Szintillators wird die Anregungsenergie der Atome durch Emission in Szintillationslicht umgewandelt.
Sammlungsanordnung: Bei der Verwendung von Szintillationssensoren können Lichtwellenleiter oder Wellenlängenschieber zur Sammlung und Transport des Szintillationslichts zu den Wandlern angebracht werden.
Wandler: Bei Verwendung von Halbleitersensoren wird dieser Wandler von einer am oder im Halbleitermaterial angebrachten Elektrode gebildet, welche die im elektrischen Feld zum Wandler gedrifteten Elektronen oder Löcher in einen elektrischen Puls umwandelt. Die Stärke der so am Wandler erzeugten Pulse oder der während ihrer Dauer fließenden Ladung soll von der im Sensor deponierten Energie abhängig sein.
Bei Verwendung von Szintillationssensoren ist eine Vorrichtung zur Umwandlung des transportierten Lichts in ein elektrisches Signal nötig. Dies kann durch Anordnung einer oder meherer Photodioden oder Photoavalanche-Dioden oder anderer Geräte zur Umwandlung von optischem Licht in elektrische Pulse an den Sensoren geschehen.
Verstärker: Die Signale der Wandler werden eventuell durch einen Schaltkreis elektrisch verstärkt.
Integratoren und Diskriminatoren: Die Signale der Verstärker oder Wandler werden durch einen elektrischen Schaltkreis, der hier als Integrator bezeichnet wird, integriert und danach mit mindestens einer für jede Detektoreinheit einstellbaren Schwelle verglichen, falls die Ladung, die während des Pulses fließt ein besseres Maß für die deponierte Energie darstellt als die Amplitude des Pulses. Stellt die Amplitude des Pulses das bessere Maß für die deponierte Energie dar, werden die Pulse nicht integriert und es wird die Pulshöhe mit mindestens einer für jede Detektoreinheit einstellbaren Schwelle verglichen. Es werden am Ausgang der Diskriminatorelektronik Pulse erzeugt, wenn die jeweilige Schwelle überschritten wird. Es können auch Schaltungen realisiert werden, bei denen der Diskriminator bei Unterschreiten einer Schwelle einen Puls an seinem Ausgang erzeugt. Die Einheit, die den Schwellenvergleich durchführt, wird als Diskriminator bezeichnet. Werden mehrere Schwellen verwendet, so kann sich die Erzeugung von Signalkopien auf mehreren Ausgängen der Wandler, der Verstärker oder Integratoren anbieten, um das Signal eines einfallenden Teilchens mit mehreren Schwellen annähernd gleichzeitig vergleichen zu können.
Die Diskriminatoren sind mit Zähleinheiten in einer Art elektrisch verbunden, die es gestattet, für jedes registrierte Teilchen einen oder mehrere Zähler zu inkrementieren oder in einen Zustand zu versetzen, der eine spätere Bestimmung der Anzahl der registrierten Teilchen gestattet. Im Folgenden wird vereinfacht davon ausgegangen, dass die Zähler für jedes registrierte Teilchen um Eins inkrementiet werden. Jeder Zähler zählt damit die Ereignisse, bei denen die deponierte Energie in einem durch die Schwellen definierten Intervall oder über der Schwelle liegt. Die Höhe Ei der i-ten Schwelle korrespondiert zu einer durch einfallende Teilchen deponierten Energie. Die Ermittlung der Beziehung zwischen Schwellenhöhe und korrespondierender Energiedeposition kann vorher zum Beispiel durch Simulation oder Messung bei Einstrahlung bekannter Teilchenenergien erfolgen.
Bei der Verwendung von nur einer Schwelle je Detektoreinheit ist es möglich, nur einen Zähler zu benutzen. Dieser zählt alle Ereignisse bei denen die Energiedeposition im Sensor über E₁ lag. Die Anzahl der Ereignisse, die so gezählt werden sei mit N₁ bezeichnet.
Werden zwei Schwellen E₁ < E₂ in den Diskriminatoren der Detektoreinheit verwendet, können zwei Zähler derart mit den Diskriminatoren verbunden werden, dass ein Zähler in N₁ alle Ereignisse mit Energiedeposition größer als E₁ und der zweite Zähler in N₂ alle Ereignisse mit Energiedeposition größer als E₂ zählt. Die Anzahl der Ereignisse N_1,2 mit Energiedeposition im Intervall [E₁; E₂] ergibt sich als Differenz der Zählraten N₁ und N₂:N_1,2 = N₁ – N₂.
Bei Verwendung von 3 Diskriminatorschwellen E₁ < E₂ < E₃ und drei Zählern die jeweils beim Überschreiten der zugehörigen Schwelle inkrementiert werden und so nach einer gewissen Messdauer die Zählerstände N₁, N₂, N₃ zeigen, berechnet sich die Anzahl der Ereignisse N_1,2 mit Energiedeposition im Intervall [E₁; E₂] zu N₁ – N₂, die Anzahl der Ereignisse N_2,3 mit Energiedeposition im Intervall [E₂; E₃] zu N₂ – N₃ und die Anzahl der Ereignisse mit Energiedeposition größer als E₃ zu N_3,4 := N₃.
Bei Verwendung von mehr als 3 Diskriminatorschwellen je Detektoreinheit werden die weiteren Elemente der Folge N_i,i+1 analog bestimmt.
Die Methode, bei der die Zähler inkrementiert werden, wenn eine zugehörige Schwelle überschritten wurde und dies unabhängig davon passiert, ob eine weitere Schwelle bei einem zu einem anderen Zähler gehörenden Diskriminator überschritten wurde, wird im Folgenden als Überschreitungsmethode bezeichnet. Wird nur eine Schwelle verwendet, so ist diese Art des Betriebs auch der Überschreitungsmethode zuzuordnen.
Bei Verwendung von zwei Diskriminatoren in einer Detektoreinheit mit Schwellen E₁ < E₂ kann ein Zähler, der nach einer gewissen Messdauer den Zählerstand N₁₂ aufweist, auch dergestalt verschaltet werden, dass zur Inkrementierung des Zählerstandes N₁₂ das Überschreiten von E₁ jedoch das Unterschreiten von E₂ erforderlich ist. Der Zählerstand N₁₂ gibt in diesem Fall direkt die Anzahl der Ereignisse mit Energiedeposition im Intervall [E₁; E₂] an.
Die Methode, bei der die Zähler inkrementiert werden, wenn eine zugehörige Schwelle überschritten wurde und eine höhere Schwelle unterschritten wurde, wird im Folgenden als Fenstermethode bezeichnet.
Es lassen sich auch Schaltungen realisieren, bei denen die Überschreitungs- und die Fenstermethode miteinander kombiniert werden. Kennzeichnend für alle möglichen Arten der Schaltung ist, dass es die Zählerstände nach einer gewissen Messzeit gestatten, durch Subtraktion von Zählerständen N_i,i+1 := N_i – N_i+1 oder durch die direkte Verwendung von Zählerständen N_i,i+1 bei der Fenstermethode eine Folge von Zahlen N_i,i+1 zu erhalten, die der Anzahl von Ereignissen mit Energiedeposition zwischen den durch die Diskriminatorschwellen oder die Grenzen der Energiefenster definierten Werten E_i und E_i+1 entspricht. Vorzugsweise sind die Schwellen oder Fenster so gewählt, dass die Überlappung der Energieintervalle minimal ist.
Ist nur eine Disriminatorschwelle vorhanden, kann diese Folge durch die Messung von Zählerständen bei für eine bestimmte Messzeit konstant gewählter Schwelle E_i mit darauf folgender erneuter Messung bei veränderter Schwelle E_i+1 erfolgen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei E_i < E_i+1 angenommen. Um die benötigte Folge N_i,i+1 zu erhalten sind dann Differenzen von Zählerständen bei verschiedenen Schwelleneinstellungen zu bilden. Die Methode, bei der in einer oder mehreren Detektoreinheiten die Folge N_i,i+1 durch Variation einer Diskriminatorschwelle bestimmt wird, sei im Folgenden als Scanmethode bezeichnet. Die Scanmethode lässt sich mit der Überschreitungs- und der Fenstermethode kombinieren.
Die Bestimmung der Folge N_i,i+1 ist prinzipiell auch durch Einsatz eines in einem elektrischen Schaltkreis realisierten Vielkanalanalysators möglich. Der Nachteil der Verwendung einer Vielkanalanalysatorschaltung liegt in dem erhöhten Platzbedarf und darin, dass bei allen gängigen, den Erfindern bekannten Verfahren in Vielkanalanalysatoren die Zeit zur Bestimmung des zur Energiedeposition gehörenden Intervalls so lang ist, dass die damit maxi mal zu verarbeitende Teilchenrate den dynamischen Bereich des Messsystems stark einschränkt.
Recheneinheit: Die Zähler der Detektoreinheiten sind mit einer Recheneinheit verbunden, welche unter Verwendung eines integrierten Schaltkreises arithmetische Operationen mit den an sie übertragenen Zählerständen ausführen kann. Die Recheneinheit wendet je nach Arbeitsweise der verwendeten Diskriminator- und Zählerverschaltung eines der unten beschriebenen Verfahren an, um aus den Zählerständen eines oder auch mehrerer Detektoreinheiten Informationen über das Energiespektrum des einfallenden Strahlungsfelds zu gewinnen oder Dosismessgrößen zu berechnen.
Zur Berechnnung von Dosisleistungsgrößen oder des Teilchenflusses sind Zeitinformationen notwendig. Die gesamte Anordnung kann daher eine elektrische Schaltung enthalten, welche Zeitsignale generiert oder zählt. In der gesamten Anordnung können ebenfalls Schaltungen vorgesehen sein, welche den Anteil der Zeit bestimmen, während der es den Detektoreinheiten möglich war, Teilchen zu zählen. Die Recheneinheit kann bei der Berechnung von Dosismessgrößen entsprechende Zeitkorrekturen durchführen. Bei der Bestimmung von Dosisleistungsgrößen wird als zeitliche Bezugsgröße vorzugsweise die Zeit verwendet, während der es den Zählern möglich war, Ereignisse zu registrieren.
Übertragungseinheit: Die Übertragungseinheit ist ein elektrischer Schaltkreis, der die Diskriminatorpulse, Zählerstände oder die von der Recheneinheit berechneten Größen an die Speichereinheit, an die Anzeigeeinheit oder an ein nicht zur Anordnung selbst gehörendes elektrisches Gerät zur Speicherung, Weiterverarbeitung oder Anzeige überträgt. Dies kann drahtlos oder kabelgebunden erfolgen.
Speichereinheit: In der Speichereinheit können die Signale der Diskriminatoren, die Zählerstände, die von der Recheneinheit berechneten Größen und Zeitinformationen elektrisch, optisch oder magnetisch gespeichert werden.
Anzeigeeinheit: Die von der Recheneinheit berechneten Größen oder Statusinformationen über die Anordnung können in einer Anzeigeeinheit sichtbar angezeigt werden. Dies kann dazu dienen, dass die Funktionsfähigkeit der Anordnung vom Benutzer durch Ablesen überprüft werden kann und dass der Benutzer zum Beispiel die von der Anordnung bestimmten Dosismessgrößen oder Informationen über das Energiespektrum ablesen kann. Eine mögliche Ausprägungsform der Anzeigeeinheit ist eine konventionelle LCD-Anzeige oder ein LCD-Bildschirm.
Steuereinheit: Die Steuereinheit ist ein elektrischer Schaltkreis, der die Detektoreinheiten, Recheneinheiten, Übertragungseinheiten, Speichereinheiten, Anzeigeeinheiten und Strom-/Spannungsversorgungseinheiten mit elektrischen Signalen zu deren Einstellung oder Steuerung oder Synchronisation versorgt und eventuell eine Anordnung zur Zeitmessung enthält.
Energieversorgungseinheit: Die Energieversorgungseinheit kann zum Beispiel durch eine Batterie, einen Transformator oder ein zu einer externen Strom- oder Spannungsversorgung geführtes elektrisch leitendes Kabel gebildet werden. Sie dient der Versorgung der gesamten Anordnung mit elektrischer Energie.
Gehäuse: Ein Gehäuse umhüllt die Anordnung zum Schutz vor Umwelteinflüssen und zum Schutz des Anwenders. Unter Umständen sind Aussparungen im Gehäuse notwendig, damit die einfallenden Teilchen nicht vor Eintritt in den Sensor im Gehäuse reagieren können.
Das Ziel der Ermittlung des Energiespektrums oder der Ermittlung von Dosismessgrößen kann durch verschiedene Kombinationen, charakterisiert zum Beispiel durch Art und Anzahl der Absorber, Art und Anzahl der verwendeten Detektoreinheiten, Methode der Diskriminierung und des Zählens in den Detektoreinheiten, Art des Sensormaterials oder Art der Auswertung der Detektordaten erreicht werden.
Alle in dieser Erfindung beschriebenen Anordnungen, die das Ziel haben, das Energiespektrum der einfallenden Strahlung zu messen und eventuell daraus eine Dosismessgröße zu ermitteln, bestimmen im ersten Schritt das Depositionsspektrum durch Abtastung mit unterschiedlichen Energieschwellen. Die Bestimmung von Dosismessgrößen ist allerdings auch ohne vorherige Bestimmung des Spektrums der einfallenden Teilchenenergien durch Anwendung von Schätzverfahren möglich. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Dosismessgrößen wird unten beschrieben.
Die höchste im Strahlungsfeld vorliegende Energie, die zum Beispiel bei Röntgenanordnungen dem Spitzenwert der Röhrenspannung (kVp) entspricht, bestimmt sich leicht als der Mittelwert der Energiegrenzen des höchsten Intervalls [E_j; E_j+1] in dem noch signifikant von Null verschiedene Einträge N_j,j+1 registriert wurden. Damit ist die oben erwähnte Aufgabe der Erfindung, die maximale Teilchenenergie eines Strahlungsfeldes zu ermitteln, gelöst.
Da die Energiedeposition und die Nachweiswahrscheinlichkeit in den Detektoreinheiten vom Einstrahlungswinkel der einfallenden Teilchen abhängt, sollten die im Folgenden erwähnten Simulationen oder Messungen zur Bestimmung der zur Auswertung benötigten Faktoren beziehungsweise Abhängigkeitskurven bei verschiedenen Einstrahlwinkeln oder einer Winkelverteilung, die der Winkelverteilung der einfallenden Strahlung möglichst nahe kommt, durchgeführt werden.
Im Folgenden werden einige Ausgestaltungsarten der Anordnung sowie die Verfahren zur Ermittlung der Energiespektren und Dosismessgrößen näher erläutert. Zunächst wird die Ausgestaltungsform unter Verwendung einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten beschrieben.
Anordnung und Verfahren unter Verwendung einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten
Jede Detektoreinheit ist gemäß oben beschriebenem Aufbau mit mindestens einer Diskriminatorschwelle und mindestens einem Zähler versehen. Die Detektoreinheiten können zum Beispiel nebeneinander in Matrixform in einer Ebene angeordnet sein. Die Zähler aller Detektoreinheiten können seriell oder parallel ausgelesen und die Zählerstände von der Recheneinheit verarbeitet werden. Eine Schaltung in der Steuereinheit sorgt dafür, dass die einzelnen Detektoreinheiten in wohlbestimmter zeitlicher Abfolge oder gleichzeitig zählen können beziehungsweise zu wohlbekannten Zeiten das Zählen nicht möglich ist.
Ein Vorteil der Verwendung einer Anordnung aus mehreren Detektoreinheiten ist, dass durch Wahl einer kleinen aktiven Fläche der Detektoreinheiten sehr hohe Teilchenflüsse verarbeitet werden können, was zu einer hohen oberen Grenze des Messbereichs bezüglich der Teilchenflussdichte und damit bezüglich der Dosisbestimmung führt. Durch die Verwendung mehrerer Detektoreinheiten bei gleicher Gesamtfläche der Anordnung werden Zählverluste durch zeitliche Überlappung von nacheinander in einer Detektoreinheit ausgelösten Pulsen in den Zähleinheiten bei gegebener Teilchenflussdichte deutlich verringert, da die individuelle Rate einer einzelnen Detektoreinheit kleiner ist als die auf die Gesamtfläche einfallende Teilchenrate. Durch die Fähigkeit, hohe Raten zu verarbeiten und die zusätzlich vorhandene Fähigkeit, einfallende Teilchen mit durch die Schwellen definierten Energiedepositionen zu zählen, eröffnet sich erst die Möglichkeit, diese Anordnungen zur Bestimmung der Energieinformationen im direkten Strahlungsfeld von Bestrahlungseinrichtungen, wie zum Beispiel Röntgenanordnungen im medizinischen Bereich, einzusetzen. In Zukunft werden pixelierte, zählende Halbleiterdetektoren als bildgebende Detektoren in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Es ist somit denkbar, dass in Zukunft eine Bestimmung der applizierten Dosis und eine Messung des Energiespektrums der bestrahlenden Einheit nicht mit einem speziell für diesen Zweck bestimmten Gerät durchgeführt wird, sondern dass diese Messungen mit dem zur Bildgebung dienenden Detektor selbst durchgeführt werden. Die von uns erfundenen Verfahren zur Bestimmung von Energieinformationen oder Dosismessgrößen können hierbei angewendet werden. Da die bildgebenden, pixelierten, zählenden Detektoren jedoch zur Zeit nur die Größe von einigen Quadratzentimetern erreichen und die technischen Probleme bei der Herstellung größerer Anordnungen sowie zur Übertragung und Verarbeitung der bei großflächigen Detektoren anfallenden Datenmengen ungelöst sind, ist kurz- und mittelfristig der Einsatz von pixelierten, zählenden Detektoren in speziell für diesen Zweck gebauten Geräten zur Messung des Energiespektrums oder zur Bestimmung von Dosismessgrößen zur Verbesserung der Genauigkeit und der Erweiterung des Messbereichs angebracht.
Als Sensormaterial kann auch ein Szintillatormaterial mit hoher Nachweiswahrscheinlichkeit im relevanten Energiebereich verwendet werden. Die optisch möglichst voneinander getrennten Sensorvolumina der einzelnen Detektoreinheiten werden in einer einfachen Ausgestaltungsform optisch an ein auf Halbleiterbasis realisiertes optisch sensitives Elektronik-Element, das als Wandler arbeitet, gekoppelt. Die Diskriminator- und Zählelektronik ist als integrierter Schaltkreis realisiert.
Im Hinblick auf die erreichbare Messgenauigkeit, Kompaktheit, Messbereich und Empfindlichkeit bietet die Verwendung eines pixelierten, zählenden Halbleiterdetektors einige Vorteile. Des Weiteren ergibt sich ein Vorteil hinsichtlich der notwendigen Entwicklungszeit, da bereits eine Anordnung (der Medipix1-Chip oder der Medipix2-Chip mit einer Sensorschicht aus Silizium, GaAs oder Cd(Zn)Te) vorhanden ist, die alle für die Realisierung dieser Erfindung notwendigen Voraussetzungen erfüllt und in einem Dosimeter oder einem Gerät zur Messung von Energiespektren einfallender Strahlung eingesetzt werden kann. Ein Vorteil eines solchen Halbleiterdetektors ist die erreichbare hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für einfallende Teilchen bei Verwendung entsprechend dicker Sensorschichten oder bei Verwendung von Sensormaterialien mit hoher Kernladungszahl vor allem bei niedrigen Photonenenergien. Der Einsatz im Personendosimeter ist aufgrund der geringen Größe und dem geringen Gewicht möglich. Die sich durch ihre kompakte Bauweise kennzeichnenden zählenden, pixelierten Halbleiterdetektoren zeigen bei geringer Größe der einzelnen Detektoreinheiten, was zu einer hohen maximalen Bestrahlungsrate führt, allerdings Einflüsse des Charge-Sharings auf die Zählergebisse und damit auf das zu messende Depositionsspektrum oder die Dosismessgrößen. Beim Effekt des Charge-Sharings wird die im Sensormaterial hervorgerufene Ladungsverteilung aus Elektronen oder Löchern bei ihrer Drift durch das elektrische Feld durch die sie während ihrer Laufzeit verbreiternde ungerichtete Diffusion zum Teil von mehreren Wandlern registriert. Dies führt unter Umständen zur Überschreitung der Diskriminatorschwellen in mehreren Detektoreinheiten und dazu, dass ein einfallendes Teilchen in den Zählern mehrerer Detektoreinheiten registriert und damit mehrfach gezählt wird. Die vom einfallenden Teilchen deponierte Energie wird zu unterschiedlichen Anteilen in mehreren Detektoreinheiten registriert. Die Energiedepositionsinformation ist damit verfälscht.
Aus diesen Gründen empfiehlt es sich, zur Steigerung der Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Energiespektrums der einfallenden Teilchen oder bei der Dosisbestimmung, ein Verfahren anzuwenden, welches die Auswirkung von Effekten wie dem Charge-Sharing oder optischem Cross-Talk zwischen den einzelnen Detektoreinheiten verringert. Es wurde ein Verfahren erfunden, das es gestattet, die Einflüsse des Charge-Sharing-Effekts oder des optischen Cross-Talks bei der Bestimmung des Energiespektrums oder der Bestimmung von Dosismessgrößen zu korrigieren. Grundidee des Verfahrens ist, das unter Einfluss des Charge-Sharings oder des optischen Cross-Talks gemessene Depositionsspektrum als Linearkombination der Depositionsspektren bei Einfall von monoenergetischer Strahlung zu sehen. Das gemessene Depositionsspektrum sei in seiner diskretisierten Form mit N_i,i+1 bezeichnet. N_i,i+1 ist die Anzahl der gezählten Ereignisse mit Energiedeposition im Intervall [E_i; E_i+1], wobei E_i < E_i+1 gilt.
Das durch Simulation oder Messung bei monoenergetischer Einstrahlung der Energie E_j ^mono ermittelte Depositionsspektrum wird durch eine Division durch die Anzahl der in der Simulation oder der Messung eingestrahlten Teilchen normiert und sei als Folge M_ij in i bezeichnet. Der Index i beschreibt die Position im Depositionsspektrum. Der Index j ist ein Index für die Primärenergie. M_ij entspricht der Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Teilchen der Energie E_j ^mono zum Zählen eines Ereignisses im Energieintervall [E_i; E_i+1] führt. Bei Vorliegen von i_max Messintervallen der Energiedeposition sollten mindestens ebensoviele Depositionsspektren bei monoenergetischer Einstrahlung simuliert oder gemessen sein, wobei vorzugsweise in jedem Intervall [E_i; E_i+1] mindestens eine Energie E_j ^mono liegen sollte. Es seien j_max solcher Depositionsspektren gemessen oder simuliert. Ist i_max = j_max so kann E_i ^mono = (E_i+1 + E_i)/2 für alle i gewählt werden. E_i ^mono kann auch als Schwerpunkt der erwarteten Energieverteilung der einfallenden Strahlung im Intervall [E_i; E_i+1] gewichtet mit der Ansprechwahrscheinlichkeit in diesem Intervall gewählt werden. Das gemessene Depositionsspektrum N_i,i+1 bei dem zu untersuchenden, unbekannten Strahlungsfeld lässt sich schreiben als:
Die Folge Ñ_j ist eine Näherung für das gesuchte Spektrum der einfallenden Teilchenenergien. Das heisst, Ñ_j ist die Anzahl der Teilchen, die mit einer Teilchenenergie in der Nähe von E_j ^mono auf den Sensor trafen. Die Folge Ñ_j ist das gesuchte diskretisierte Energiespektrum des einfallenden Strahlungsfeldes. Die Nachweiswahrscheinlichkeit ist durch die Normierung bei der Bestimmung von M_ij schon in M_ij enthalten und damit ist Ñ_j bereits auf eventuell unvollständige Nachweiseffizienz korrigiert. Betrachtet man die N_i,i+1 (als Folge in i) und Ñ_j (als Folge in j) als Komponenten der Vektoren N → beziehungsweise Ñ → und die M_ij als Komponenten einer Matrix M ^, so lässt sich in Matrixschreibweise formulieren: N → = M ^·Ñ, Der Vektor Ñ, das gesuchte Energiespektrum der einfallenden Strahlung in diskretisierter Form, lässt sich daraus durch Matrixinversion oder durch Ermittlung einer Schätzung mit Verfahren wie zum Beispiel der Maximum-Likelihood-Methode berechnen. Damit ist das Energiespektrum der einfallenden Strahlung näherungsweise ermittelt. Der Einfluss von Effekten wie zum Beispiel des Charge-Sharings ist durch diesen Rekonstruktionsalgorithmus in seiner Auswirkung auf das rekonstruierte Energiespektrum korrigiert und die Aufgabe der Erfindung zur Bestimmung des Energiespektrums einfallender Strahlung mit ausreichender Genauigkeit ist gelöst.
Bei einem anderen hier anwendbaren Verfahren wird zunächst von allen Depositionsbins i kleiner als dem höchsten Bin j, das Produkt aus der im höchsten Bin gezählten Anzahl und dem Wert der normierten Antwortfunktion auf eine Energie des höchsten Bins bei diesem i subtrahiert. Die Anwortfunktion auf eine Energie des Bins j trägt zum zu bestimmenden Energiespektrum gemäß der Anzahl der Zählereignisse im Bin j bei. Nach Ausführung der Subtraktion für alle i < j sind im nächst kleineren Intervall (j – 1) alle Ereignisse durch Einfall von Strahlung höherer Energie durch die Subtraktion bereits eliminiert. Die Anwortfunktion auf eine Energie des Bins (j – 1) trägt damit gemäß dem Subtraktionsergebnis zum gesuchten Energiespektrum bei. Die Subtraktionen werden sukzessive für alle i < j ausgeführt, wobei die verbleibenden Anzahlen in den Bins immer kleiner werden, und das Energiespektrum ist damit bestimmt.
Die von dem Strahlungsfeld in einem Material wie zum Beispiel Luft oder in Gewebe deponierte Dosis D lässt sich aus dem rekonstruierten Energiespektrum durch Multiplikation des ermittelten Spektrums Ñ_j der einfallenden Teilchen mit vorher durch Messung oder Simulation zu bestimmenden Faktoren K_j und anschließender Summation aller Dosisbeiträge der einzelnen Energieintervalle bestimmen:
Dosisleistungswerte lassen sich durch Division durch die ebenfalls in der Anordnung zu bestimmende Messzeit ermitteln. Damit ist die Aufgabe der Erfindung zur Bestimmung von Dosismessgrößen mit hinreichender Genauigkeit gelöst.
Es ist auch die direkte Bestimmung der Dosismessgrößen durch Addition der mit Faktoren L_j multiplizierten Anzahlen N_j,j+i des Depositionsspektrums möglich, ohne das einfal lende Energiespektrum Ñ_j zu berechnen. Die Faktoren L_j sind vorher unter Vorgabe einer angenommenen Form des Spektrums durch Simulation oder Messung zu bestimmen. Für die Dosis gilt:
Diese Art der Dosisbestimmung stellt eine Schätzung der Dosis dar. Vorzugsweise ist die Form des Spektrums, das bei der Bestimmung der Faktoren L_j verwendet wird, dem Spektrum, das vermessen werden soll, ähnlich oder gleich. Diese Form der Dosisbestimmung ist ungenauer als die Bestimmung der Dosis unter vorheriger Bestimmung des Energiespektrums. Die Informationen aus dem Depositionsspektrum, wie zum Beispiel die maximale Teilchenenergie, können dazu benutzt werden, um aus den vorher bestimmten Faktoren L_i veränderte Faktoren L ~_j zu berechnen, die dann zur Bestimmung der Dosismessgrößen verwendet werden:
Die Messgenauigkeit der Dosisbestimmung oder der Bestimmung von Energieinformationen kann gesteigert werden, indem zunächst das Energiespektrum grob in Energieintervallen abgetastet wird und anschließend die Diskriminatorschwellen so errechnet und eingestellt werden, dass das Energiespektrum der einfallenden Strahlung in feineren Energieintervallen anschließend vermessen werden kann. So erzielt man eine hohe Messgenauigkeit bei unbekannten Strahlungsfeldern.
Es ist möglich, die Anordnung ohne zwischen ihr und der Strahlungsquelle vorhandene Absorber zu betreiben. Es ist aber auch möglich, zur Erweiterung des energetischen Messbereichs, zur Erweiterung des dynamischen Bereichs hinsichtlich der Teilchenflussdichte, zur Bestimmung von Energiespektren oder Dosisbeiträgen bestimmter einfallender Teilchenarten oder zur Bestimmung des mittleren Einstrahlwinkels einen oder mehrere Absorber in bestimmten Bereichen über der Anordnung zu platzieren. Im Folgenden werden für diese beiden Arten des Aufbaus getrennt einige Verfahren zur Schwelleneinstellung und Verfahren zur Auswertung der Zählerstände der Detektoreinheiten beschrieben.
Anordnung und Verfahren ohne Verwendung von Absorbern
In einer einfachen Realisierungsform ist jede Detektoreinheit mit einem Diskriminator mit einer einstellbarer Schwelle und einem Zähler, der die Pulse beim Überschreiten der Schwelle zählt, ausgestattet.
Es sind zwei miteinander kombinierbare Einstellungsstrategien für die Diskriminatorschwellen denkbar. Zum einen können alle Detektoreinheiten mit der gleichen Diskrimina torschwellenhöhe betrieben werden. Zum anderem können verschiedene Detektoreinheiten mit unterschiedlichen Diskriminatorschwellenhöhen betrieben werden.
Einheitliche Schwelle bei allen Detektoreinheiten
Die Schwelle wird zunächst auf einen möglichst niedrigen sinnvollen Wert gesetzt. Dieser Wert kann sich unter anderem am Energiespektrum der einfallenden Strahlung orientieren. Um das Spektrum der deponierten Energie zu bestimmen, werden für eine bestimmte Zeit in allen Detektoreinheiten die Ereignisse mit Energiedepositionen oberhalb der Schwelle gezählt. Nach der Messzeit werden die Zähler aller Detektoreinheiten ausgelesen und deren Zählerstände in der Recheneinheit addiert. So erhält man N₁. Die Diskriminatorschwelle wird dann für alle Detektoreinheiten erhöht. Es wird erneut für eine bestimmte Zeit in allen Detektoreinheiten gezählt. Auslesen und Addition aller Zählerstände liefert N₂. Die Schwellen werden so schrittweise, z.B. um ΔE erhöht, bis der durch die Elektronik oder das zu untersuchende Strahlungsfeld definierte größtmögliche sinnvolle Schwellenwert erreicht ist. Nach einer Schwellenerhöhung wird jedes Mal ausgelesen und die Zählerstände werden addiert. Man erhält so durch Differenzbildung aus den summierten Zählerständen N₁ und N_i+1 zweier aufeinander folgender Messintervalle mit Schwellen E_i und E_i+1 die Anzahl N_i,i+1 der Zählereignisse, die eine Energie im Intervall [E_i; E_i+1] deponiert haben, wobei E_i < E_i+1 ohne Beschränkung der Allgemeinheit vorausgesetzt wird. Aus diesem mit Verwendung der Scanmethode gemessenen Depositionsspektrum kann das Spektrum der einfallenden Teilchenenergien rekonstruiert oder Dosimessgrößen mit den oben bereits beschriebenen Verfahren berechnet werden.
Sind die Detektoreinheiten mit Diskriminatoren mit der Möglichkeit ausgestattet, in Energiedepositionsfenstern zu zählen, so kann ein ähnliches Verfahren eingesetzt werden. Die Fenster werden zeitlich variiert, analog dem bereits beschriebenen Verfahren mit Verschieben einer einzigen Schwelle.
Die höchste im Strahlungsfeld vorliegende Energie, die zum Beispiel bei Röntgenanordnungen dem Spitzenwert der Röhrenspannung (kVp) entspricht, ergibt sich leicht annähernd als der Mittelwert der Energiegrenzen des höchsten Intervalls [E_I; E_I+1] in dem noch signifikant von Null verschiedene Einträge N_I,I+1 registriert wurden. Damit ist die oben erwähnte Aufgabe der Erfindung, die maximale Teilchenenergie eines Strahlungsfeldes zu ermitteln, gelöst.
Verwendung von unterschiedlichen Schwellen in verschiedenen Arealen Bei dieser Einstellungsstrategie werden mehrere Gruppen von Detektoreinheiten mit unterschiedlichen Diskriminatorschwellen versehen. Innerhalb einer Gruppe haben alle Detektor einheiten die gleiche Schwelleneinstellung. Die Schwellen werden zeitlich konstant gehalten. Eine Gruppe kann zum Beispiel durch ein zusammenhängendes Areal von Detektoreinheiten gebildet werden. Je nach Typ des Detektors, Art und Energie der einfallenden Strahlung, der geometrischen Anordnung der Detektoreinheiten und Auslesesystem der Zähler bietet sich eine unterschiedliche Wahl der Lage und Größe der Areale an. 6 zeigt exemplarisch eine mögliche Wahl der Areale auf der Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten bei Verwendung der Überschreitungsmethode. 7 zeigt exemplarisch eine mögliche Wahl der Areale auf der Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten bei Verwendung der Fenstermethode.
Auf diese Art kann die Anzahl der Ereignisse in allen Depositionsintervallen gleichzeitig gemessen werden. Nach der Auslese werden die von allen Detektoreinheiten eines Areals gezählten Ereignisse für jedes Areal separat von der Recheneinheit addiert. Diese Summation wird getrennt für alle Areale durchgeführt. Liegt in einem Areal die Schwelle bei E_i, so erhält man als Summe aller Zählerstände der Detektoreinheiten eines Areals die Zahl N_i der Ereignisse mit einer Energiedeposition oberhalb von E_i. Das Areal, in dem die Schwelle E_i+1 gesetzt ist, wobei E_i < E_i+1 gilt und kein anderes Areal eine Schwelle E_j mit E_i < E_j < E_i+1 hat, liefert entsprechend die Anzahl N_i+1. Die Anzahl der Ereignisse in einem bestimmten Energiedepositionsintervall ergibt sich dann als Differenz der summierten Zählanzahlen in den Arealen: N_i,i+1 = N_i – N_i+1. Durch Verteilung der Schwellenwerte über der Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten misst man so gleichzeitig das Depositionsspektrum. Aus diesem Depositionsspektrum kann das Spektrum der einfallenden Teilchenenergien rekonstruiert und Dosimessgrößen nach den oben bereits beschriebenen Verfahren berechnet werden.
Sind die Detektoreinheiten mit Diskriminatoren mit der Möglichkeit ausgestattet, in Energiedepositionsfenstern zu zählen, so kann ein ähnliches Verfahren eingesetzt werden, bei dem allen Detektoreinheiten eines Areals ein solches Fenster zugewiesen wird und die Areale untereinander verschiedene Fenster haben.
Die höchste im Strahlungsfeld vorliegende Energie, die zum Beispiel bei Röntgenanordnungen dem Spitzenwert der Röhrenspannung (kVp) entspricht, ergibt sich leicht annähernd als der Mittelwert der Energiegrenzen des höchsten Intervalls [E_I; E_I+1] in dem noch signifikant von Null verschiedene Einträge N_I,I+1 registriert wurden. Damit ist die oben erwähnte Aufgabe der Erfindung, die maximale Teilchenenergie eines Strahlungsfeldes zu ermitteln, gelöst.
Die Areale müssen nicht aus der gleichen Anzahl von Detektoreinheiten gebildet werden. Es bietet sich an, die Flächen der Areale an das Arbeitsprinzip (Überschreitungs- oder Fenstermethode) anzupassen. Es kann sich zur Verbesserung der statistischen Genauigkeit und optimaler Ausnutzung der vorhandenen maximalen Anzahl, die in den Zählern gezählt werden kann, anbieten die Fläche der Areale unterschiedlich zu wählen. Die Fläche der Areale mit höheren Schwellen kann größer gewählt werden, um den eventuell vorhandenen Abfall der Nachweiswahrscheinlichkeit mit steigender Teilchenenergie zu kompensieren. Es kann die Energieabhängigkeit der Nachweiswahrscheinlichkeit für die einfallenden Teilchen und die erwartete spektrale Verteilung des zu vermessenden Teilchenspektrums bei der Festlegung der Arealflächen berücksichtigt werden.
Zur Minimierung des Einflusses von Effekten im Sensormaterial oder der Elektronik, bei denen eine Energiedeposition in einem Detektoreinheit zu einem Ansprechen von benachbarten Detektoreinheiten führt, können die Areale zusammenhängend gewählt werden.
Anordnung und Verfahren bei Verwendung von Absorbern
Die Verwendung von Absorbern über einer Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten kann als eigenständiges Verfahren oder in Kombination mit den Verfahren, die ohne den Einsatz von Absorbern auskommen, eingesetzt werden. Werden die oben beschriebenen Verfahren mit zeitlicher oder räumlicher Variation von Diskriminatorschwellen mit der Verwendung von Absorbern kombiniert, ermöglicht dies eventuell eine Verbesserung der systematischen Messgenauigkeit, Erweiterung des Messbereichs, oder die Möglichkeit der Bestimmung von Energiespektren oder Dosisbeiträgen verschiedener Teilchenarten. Bei gegebener Gesamtfläche der Detektoranordnung führt dies unter Umständen zu einer Vergrößerung des statistischen Fehlers. Der Einsatz von Absorbern ist bei Verwendung einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten sehr leicht zu realisieren, da die Detektoranordnung flächenhaft ausgebildet werden kann.
Der niederenergetische Teil des Spektrums wird durch die Absorber im Vergleich zu höherenergetischen Teilen stärker geschwächt. Einfallende Teilchen verlieren je nach Absorber, Teilchenart, Energie und Einfallswinkel unterschiedlich hohe Energiebeträge. Das Strahlungsfeld wird dadurch charakteristisch verändert. Die Wirkung dieser Absorber auf Strahlungsfelder ist durch Simulation oder durch Messung bestimmbar. Als Simulationsprogramm kann hier das Paket ROSI [4] verwendet werden. Durch geschickte Wahl der Absorber können zum Beispiel kurzreichweitige Strahlungskomponenten (zum Beispiel β-Strahlen oder α-Strahlen) im Absorber absorbiert werden, sodass sie nicht mehr von den hinter dem Absorber liegenden Detektoreinheiten registriert werden. Auf diese Art ist es möglich, Dosisbeiträge verschiedener Teilchenarten im einfallenden Strahlungsfeld getrennt zu bestimmen und die Dosismessgrößen des gesamten Strahlungsfelds durch Addition der Dosisbeiträge der unterschiedlichen Teilchenarten zu berechnen.
In einer möglichen Ausgestaltungsform werden mehrere flächenhafte Absorberplättchen unterschiedlicher Materialien und Dicke über der Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten platziert, wobei die Detektoreinheiten hinter jedem Absorber in verschiedene Areale mit jeweils einheitlichen Schwellen eingeteilt sind. Es werden so mehrere Areale hinter jedem Absorber eingerichtet. Auf diese Art können die Depositionsspektren hinter allen Absorbern gleichzeitig gemessen werden. Das Energiespektrum hinter einem bestimmten Absorber lässt sich über die oben bereits beschriebenen Verfahren aus den in den Arealen gezählten Anzahlen von Ereignissen berechnen. Aus der so gewonnenen Kenntnis über die die Absorber passierenden Strahlungsfelder können Energiespektrum, Dosismessgrößen und Teilchenarten des auf die gesamte Anordnung fallenden Strahlungsfeldes bestimmt werden, da durch Simulation oder Messung mit Einstrahlung eines bekannten Strahlungsfeldes die Wirkung der Absorber auf das Strahlungsfeld vorher bestimmt werden und mit den gemessenen Energiespektren hinter den Absorbern verglichen werden kann.
Es ist auch möglich, mehrere flächenhafte Absorberplättchen unterschiedlicher Materialien und Dicke über der Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten zu platzieren und den Detektoreinheiten hinter jedem Absorber eine einheitliche Schwelle zuzuordnen. Durch Einsatz der Scanmethode können so die Depositionsspektren hinter den Absorbern abgetastet werden. Das Energiespektrum hinter einem bestimmten Absorber lässt sich über die oben bereits beschriebenen Verfahren aus den während den Messungen mit unterschiedlichen Schwellen gezählten Anzahlen von Ereignissen berechnen. Aus der so gewonnenen Kenntnis über die die Absorber passierenden Strahlungsfelder können Energiespektrum, Dosismessgrößen und Teilchenarten des auf die gesamte Anordnung fallenden Strahlungsfeldes bestimmt werden, da durch Simulation oder Messung mit Einstrahlung eines bekannten Strahlungsfeldes die Wirkung der Absorber auf das Strahlungsfeld vorher bestimmt werden und mit den gemessenen Energiespektren hinter den Absorbern verglichen werden kann.
Weiterhin ist ein einfaches Verfahren zur angenäherten Bestimmung von Dosismessgrößen des auf die gesamte Anordnung fallenden Strahlungsfelds einsetzbar, bei dem alle Detektoreinheiten hinter einem Absorber mit einer einheitlichen Schwelle, die zeitlich nicht variiert wird, versehen werden und in der Recheneinheit eine Summation der Zählerstände der Detektoreinheiten hinter jedem der Absorber durchgeführt wird. Die Zahl der so in allen Detektoreinheiten hinter einem Absorber oberhalb der eingestellten Energieschwelle registrierten Ereignisse sei mit N_k ^Absorber bezeichnet. Für jeden der k_max Absorber ist diese Zahl zu ermitteln. Diese Zahl der Ereignisse ist proportional zu dem den Absorber passierenden Teilchenfluss und damit bei gegebener Form des auf die gesamte Anordnung einfallenden Energiespektrums, der Teilchenarten und dem Einfallswinkel proportional zur Dosis. Dosismessgrößen D des auf die gesamte Anordnung einfallenden Spektrums lassen sich unter Kenntnis von bestimmten Faktoren K_k, die vorher durch Simulation oder Messung bei Einstrahlung eines bekannten, dem zu untersuchenden Spektrum ähnlichen Spektrums bestimmt wurden, annähernd ermitteln. Es gilt:
Es lassen sich zur Bestimmung von Teilchenart, Energiespektrum und Dosis auch Verfahren einsetzen, die den gängigen Filmdosimeter-Auswerteverfahren ähnlich sind. Zur Übertragung derselben auf die Anwendung mit Anordnungen aus mehreren zählenden Detektoreinheiten wird gedanklich die Anzahl der hinter einem Absorber gezählten Ereignisse der Schwärzung des Films hinter dem Absorber gleichgesetzt. Die zur Auswertung benötigten Abhängigkeiten der gezählten Ereignisse (Analogon zur Schwärzung) von der einfallenden Teilchenenergie, der Teilchenart und dem verwendeten Absorber sind vorher durch Simulation oder Messung bei Einstrahlung von bekannter Strahlung zu ermitteln. Der Einsatz einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten beseitigt die durch die Sättigung der Schwärzung und die auch bei Nichtbestrahlung vorliegende Grundschwärzung auftretenden Einschränkungen des dynamischen Bereichs der Filmdosimeter.
Bei Einsatz einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten ist auch die Bestimmung des mittleren Einfallswinkels durch Verwendung eines zylindrischen Absorbers möglich. Hierbei sind dann die registrierten Ereignisse in den unter dem Rand des Absorbers befindlichen Detektoreinheiten näher zu untersuchen und der mittlere Einstrahlwinkel zu ermitteln. Korrekturen hinsichtlich der Variation der Nachweiswahrscheinlichkeit oder der Energiedeposition mit dem Einstrahlwinkel können dann durchgeführt werden.
Anordnung und Verfahren mit Verwendung einer einzelnen zählenden Detektoreinheit
Wird nur eine Detektoreinheit eingesetzt, so gelten die oben für eine Anordnung aus mehreren Detektoreinheiten angestellten Überlegungen bezüglich der Anforderungen, Einstellungen und Verfahren analog. Zur Bestimmung des Depositionsspektrums muss eine einzelne Detektoreinheit mit mehreren Schwellen oder Fenstern gleichzeitig arbeiten, einen Vielkanalanalysator besitzen oder eine zeitliche Variation von einzelnen Schwellen oder Fenstern mit Auslesen der Zähler zwischen den verschiedenen Schwelleneinstellungen erlauben. Die Ver fahren zur Bestimmung des Energiespektrums oder der Dosismessgrößen der einfallenden Strahlung können wie oben beschrieben eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel
Als Realisierungsbeispiel wird eine Anordnung unter Verwendung des Medipix2-Chips, der mit einer Sensorschicht aus Silizium versehen ist, angeführt.
Medipix2-Chip und Sensorschicht haben eine quadratische Form mit einer Kantenlänge von ca. 1,4 cm. Der Medipix2-Chip besteht aus 256 mal 256 einzelnen Elektronikeinheiten, die jeweils Diskriminatoren und Zähler enthalten. Die Sensorschicht ist auf der dem Medipix2-Chip zugewandten Seite mit 256 mal 256 Elektroden (Wandler) versehen. Die dem Medipix2 abgewandte Seite der Sensorschicht ist mit einer durchgängigen Elektrode versehen. Über der Sensorschicht wird eine Spannung von mindestens ca. 50 V zur Erzeugung eines Driftfeldes angelegt. Diese Spannung wird durch Verstärkung einer elektrischen Spannung aus der Energieversorgungseinheit erzeugt. Jedes der 256 mal 256 Elemente der Sensorschicht ist elektrisch über eine Bump-Bond-Perle aus Indium mit einer Elektronik-Zelle des Medipix2-Chips verbunden. Der Abstand der Bump-Bond-Perlen beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 55 Mikrometer. 3 zeigt den schematischen Aufbau des pixelierten Detektors, der einer Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten entspricht. Die Dicke der Anordnung beträgt ca. 3 mm inklusive der Leiterplatine, welche die Anordnung trägt. 4 zeigt eine Fotografie der Medipix2-Chip-Sensoranordnung auf einer Leiterplatine. Damit ist bewiesen, dass die Verwendung der Medipix2-Sensor-Kombination als zählender, pixelierter Detektor einen sehr kompakten Aufbau eines Dosimeters gestattet.
Deponiert ein einfallendes Photon im Sensormaterial Energie durch Freisetzung von Elektron-Loch-Paaren, werden die Elektronen durch das angelegte Driftfeld zur Elektrode, die mit der Bump-Bond-Perle in elektrischer Verbindung steht, transportiert. Über die Bump-Bond-Perle gelangt so ein Strompuls in den Eingang einer der 256 mal 256 Elektronikeinheiten des Medipix2-Chips. Dort wird der Strompuls zunächst elektrisch integriert, was bedeutet, dass ein Puls erzeugt wird, dessen Höhe abhängig von der durch die Bump-Bond-Perle fließenden Ladung ist. In der Elektronik einer Detektoreinheit vergleicht eine Diskriminatorschaltung diesen Strompuls mit einer für jede der 256 mal 256 Elektronikeinheiten separat einstellbaren Schwelle V_thr,low. Liegt der Puls oberhalb dieser Schwelle, wird der in der Elektronikeinheit vorhandene Zähler, der zwischen zwei Auslesezyklen bis zu etwa 8000 Ereignisse zählen kann, um Eins inkrementiert. Der Medipix2-Chip bietet auch die Möglichkeit, jede der 256 mal 256 Elektronikeinheiten mit einer zusätzlichen, individuell wählbaren oberen Schwelle V_thr,high zu betreiben, wobei dann im Zähler der Elekronikeinheit die Ereignisse ge zählt werden, deren Energiedeposition zwischen beiden Schwellen lag. Hierfür muss V_thr,low < V_thr,high gelten, da der Diskriminator ansonsten mit der Überschreitungsmethode arbeitet. Die Genauigkeit von Energiebestimmungen liegt bei etwa 1 keV.
Eine Detektoreinheit wird somit von einer der 256 mal 256 Zellen der Medipix2-Chip-Elektronik, der mit dieser Elektronik-Zelle verbundenen Bump-Bond-Perle und dem (zwischen der Umgebung der mit der Bump-Bond-Perle verbundenen Elektrode und der Oberseite der Sensorschicht liegenden) Sensorvolumen gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Anordnung also aus 256 mal 256 einzelnen Detektoreinheiten.
2 zeigt für das Ausführungsbeispiel den prinzipiellen Aufbau der gesamten Anordnung zur Messung des Energiespektrums einfallender Strahlung, von Dosismessgrößen oder zur Bestimmung der maximalen Teilchenenergie eines einfallenden Strahlungsfelds als kompakt realisierbares Gerät. In einem Gehäuse (8), z.B. aus Kunststoff, sind angebracht und elektrisch miteinander verbunden: Eine Detektoranordnung aus einer Kombination Medipix2-Chip/Sensorschicht (1), eine Steuereinheit (2), eine Recheneinheit (3), eine Speichereinheit (4), eine Übertragungseinheit (5), eine Einheit zur elektrischen Energieversorgung (6) und einer Anzeigeeinheit (7). Die Einheiten 2 bis 5 sind zum Beispiel als integrierte Schaltkreise realisiert. Die Einheit (7) kann als LCD-Anzeige oder LCD-Bildschirm zur Anzeige von Energieinformationen über das einfallende Spektrum, Statusinformationen des Geräts oder Dosismessgrößen ausgebildet sein.
Die Beziehung zwischen den Spannungen, die an den Diskriminatoren des Medipix2-Chips angelegt werden und den Energiedepositionen, denen sie entsprechen, kann leicht durch Kalibrierung mit radioaktiven Präparaten bestimmt werden und ist ein Standardverfahren, welches beim Betrieb des Medipix2-Detektors verwendet wird. Deshalb können im Folgenden Schwellenspannungen der Diskriminatoren äquivalent als Energieen bezeichnet werden.
Als Ausführungsbeispiel werden die Detektoreinheiten der Anordnung in 8 Areale eingeteilt, wobei in einem Areal alle Detektoreinheiten mit den gleichen Einstellungen der Diskriminatoren betrieben werden. Es ist auch möglich, eine geringere Anzahl von Arealen zu wählen. Exemplarisch werden die Einstellungsverfahren für die Wahl von 8 Arealen erläutert.
Es wird nun eine Einstellungsstrategie der Schwellen der Diskriminatoren des Medixpix2-Chips beschrieben, bei der alle Diskriminatoren mit der Überschreitungsmethode arbeiten. Der Medipix2-Detektor gestattet die gleichzeitige Einstellung und Verwendung von maximal 8 verschiedenen unteren Schwellenwerten in beliebiger geometrischer Verteilung über der Detektoranordnung. Es werden 8 Areale, die jeweils aus mindestens einer Detektor einheit bestehen, definiert. Jedes Areal sei durch eine ganze Zahl i zwischen 1 und 8 eindeutig bestimmt. Der Energiebereich [E₁; E₈], in dem das Energiespektrum oder Dosismessgrößen bestimmt werden soll, muss festgelegt werden. Vorzugsweise beginnt dieser wegen des Rauschens der Elektronik in diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 4 keV und endet bei der maximalen Teilchenenergie, die von der Strahlungsquelle emittiert werden kann. Im Falle der Untersuchung der Strahlung einer Röntgenanordnung entspricht die obere Energiegrenze der angelegten Röhrenspannung multipliziert mit der Elementarladung eines Elektrons. Die Spannung V_thr,low, welche die kleinste untere Schwelle definiert, wird auf E₁ gesetzt. Die am Medipix2 einstellbare Spannung V_THS wird auf (E₈ – E₁) gesetzt. Jeder Detektoreinheit eines Areals i wird nun eine Zahl i durch Setzen von Werten in den 3 Threshold Adjust Bits der unteren Schwelle (in 5 als 3 bits low threshold bezeichnet) zugewiesen, sodass die Diskriminatorelektronik mit dem unteren Schwellenwert E_i = E₁ + (i – 1)·VTHS/7 arbeitet. Allen Detektoreinheiten eines Areals wird der gleiche Wert i zugewiesen. Jedem Areal wird ein anderer Wert für i zugewiesen. Das Areal mit der Schwelle E₈ zählt in dieser Realisierungsform dann alle Ereignisse mit Energiedeposition größer als E₈. Es sind beim Medipix2-Detektor demnach 7 Energiedepositionsintervalle mit definierten Grenzen einstellbar. 6 zeigt exemplarisch eine mögliche Verteilung der unteren Schwellen auf dem Medipix2-Chip. Die Areale müssen nicht die gleiche Anzahl von Detektoreinheiten beinhalten oder rechteckig eingerichtet sein. Es kann vorteilhaft sein, zur Verbesserung der statistischen Genauigkeit, die Areale, in deren Detektoren höhere Diskriminatorschwellen gesetzt sind, durch eine größere Anzahl von Detektoreinheiten verglichen mit den Arealen mit niedrigeren Schwellen zu bilden. Um das Depositionsspektrum zu erhalten, werden zur Bestimmung der Anzahl von registrierten Ereignissen im Energiedepositionsintervall [E_i; E_i+1] die Zählerstände aller Detektoreinheiten der Areale i beziehungsweise (i + 1) zunächst nach Arealen getrennt addiert, wobei dies für alle i zwischen 1 und 8 durchgeführt wird. Im Areal i erhält man durch diese Summation die Zahl N_i und im Areal (i + 1) die Zahl N_i+1. Die Anzahl der registrierten Ereignisse im Energiedepositionsintervall [E_i; E_i+1] berechnet sich dann zu N_i,i+1 = N_i – N_i+1, wobei diese Subtraktion bis maximal i = 7 durchgeführt wird. Führt man dies für alle Areale durch, erhält man aus den 7 Werten der N_i,i+1 das Depositionsspektrum. Die Zahl N₈ entspricht der Anzahl von Teilchen, deren Energie oberhalb von E₈ liegt.
Es wir nun eine andere Einstellungsstrategie der Diskriminatorschwellen des Medixpix2-Chips beschrieben, bei der alle Diskriminatoren des Medipix2-Chips in der Fenstermethode verwendet werden. Der Medipix2-Detektor gestattet die gleichzeitige Einstellung und Verwendung von maximal 8 verschiedenen unteren und von 8 verschiedenen oberen Schwellenwerten in beliebiger geometrischer Verteilung über der Detektoranordnung. Es werden 8 Areale, die jeweils aus mindestens einer Detektoreinheit bestehen, definiert. Jedes Areal sei durch eine ganze Zahl i zwischen 1 und 8 eindeutig bestimmt. Der Energiebereich [E₁; E₉], in dem das Energiespektrum oder Dosismessgrößen bestimmt werden soll, muss festgelegt werden. Vorzugsweise beginnt dieser bei etwa 4 keV und endet bei der maximalen Teilchenenergie, die von der Strahlungsquelle emittiert werden kann. Im Falle der Untersuchung der Strahlung einer Röntgenanordnung entspricht die obere Energiegrenze der angelegten Röhrenspannung multipliziert mit der Elementarladung eines Elektrons. Die Spannung V_thr,low, welche die kleinste untere Schwelle definiert, wird auf E₁ gesetzt. Die am Medipix2 einstellbare Spannung V_THS wird auf (E₈ – E₁) gesetzt. Jeder Detektoreinheit eines Areals i wird nun eine Zahl i in den 3 Threshold Adjust Bits der unteren Schwelle (in 5 als 3 bits low threshold bezeichnet) zugewiesen, sodass die Diskriminatorelektronik mit dem unteren Schwellenwert E_i = E₁ + (i – 1)·VTHS/7 arbeitet. i ist eine ganze Zahl zwischen 1 und 8. Allen Detektoreinheiten eines Areals wird der gleiche Wert i zugewiesen. Jedem Areal ist ein anderer Wert für i zugewiesen. Desweiteren wird die Spannung V_thr,high, welche die kleinste obere Schwelle definiert, auf V_thr,low + VTHS/7 gesetzt. Allen Detektoreinheiten eines Areals wird in den 3 Threshold Adjust Bits der oberen Schwelle (in 5 als 3 bits high threshold bezeichnet) nun die gleiche Zahl i, die auch den 3 Threshold Adjust Bits der unteren Schwelle gesetzt wurde, zugewiesen. Allen Detektoreinheiten eines Areals wird der gleiche Wert i in den Threshold Adjust Bits der oberen Schwelle zugewiesen. Jedem Areal ist ein anderer Wert für i zugewiesen. Die Diskriminatoren im Areal i arbeiten dann folglich in der Fenstermethode mit der unteren Schwelle E_i = E₁ + (i – 1)·VTHS/7 und der oberen Schwelle E_i+1 = E₁ + i·VTHS/7. Es sind somit auf dem Medipix2-Chip 8 Energiefenster vorhanden, die das gesamte Messintervall [E₁; E₉] in nicht überlappende, aneinander anschließende Intervalle [E_i; E_i+1] unterteilen. Um das Depositionsspektrum zu erhalten, werden zur Bestimmung der Anzahl von registrierten Ereignissen im Energiedepositionsintervall [E_i; E_i+1] die Zählerstände aller Detektoreinheiten des Areals i addiert. Im Areal i erhält man durch diese Summation die Zahl N_i,i+1. Führt man dies für alle Areale durch, erhält man als Folge der N_i,i+1 das Depositionsspektrum. 7 zeigt exemplarisch eine mögliche Einteilung in Areale mit verschiedenen Energiewerten für die oberen und unteren Schwellen der Diskriminatoren in den jeweiligen Arealen (gekennzeichnet durch den Wert i) auf dem Medipix2-Chip. Die Areale müssen nicht die gleiche Anzahl von Detektoreinheiten beinhalten oder rechteckig eingerichtet sein. Es kann vorteilhaft sein, zur Verbesserung der statistischen Genauigkeit, die Areale, in deren Detektoreinheiten höhere Disrkiminatorschwellen gesetzt sind, durch eine größere Anzahl von Detektoreinheiten als die Areale mit niedrigeren Schwellen zu bilden.
Der Medipix2-Chip erlaubt ebenfalls den Einsatz der Scanmethode. Dabei werden die unteren Diskriminatorschwellen sukzessive erhöht und die Zählerstände aller Detektoreinheiten zwischen zwei Schwelleneinstellungen ausgelesen. Alle Zählerstände einer Schwelleneinstellung werden addiert. 9 zeigt die auf diese Art gemessene Abhängigkeit der summierten Zählerstände von der Schwelleneinstellung bei Einstrahlung von Röntgenstrahlung. Bildet man sukzessive für die verschiedenen Schwelleneinstellungen jeweils die Differenz des so ermittelten summierten Zählerstands bei der Schwelleneinstellung zu dem entsprechenden summierten Zählerstand bei der nächst höheren Schwelleneinstellung, erhält man direkt das Depositionsspektrum. 10 zeigt das aus 9 errechnete Depositionsspektrum.
Ein Verfahren zur Schätzung der Dosis bei Bestrahlung mit einer Röntgenröhre sei nun näher in seiner konkreten Ausführungsform beschrieben. Dieses Verfahren wurde oben bereits in seiner allgemeinen Form beschrieben. Die untere Schwelle wird für alle Detektoreinheiten auf 4 keV gesetzt. Alle Detektoreinheiten werden in der Überschreitungsmethode betrieben. Es sei A die bekannte Anzahl von Detektoreinheiten. Es wird die Abhängigkeit der summierten Zählerstände N_gesamt aller Detektoreinheiten bei gleichzeitiger Messung der Dosis D_Referenz mit einem Referenzdosimeter, beides im direkten Strahlungsfeld der Röntgenröhre, bei verschiedenen Röhrenspannungen, gemessen. Es werden zur Kalibrierung Röhrenspannungen von 40 kV, 60 kV, 80 kV, 100 kV und 120 kV verwendet. Die Division D_Referenz/N_gesamt liefert den oben erwähnten Faktor L in Abhängigkeit von der Röhrenspannung und damit von der maximalen Teilchenenergie. 12 zeigt die gemessene Abhängigkeit. Durch Anpassen einer analytischen Funktion oder anderen Verfahren zur Approximation von Messwerten ist eine Formel mit gängigen mathematischen Werkzeugen bestimmbar, mit der unter Kenntnis der Röhrenspannung bei dem verwendeten Anodenmaterial und der vorhandenen Filterung eine Errechnung des Faktors L mit hoher Genauigkeit möglich ist. Eine lineare Regression der Daten in 12 ergibt L[nSv] = 3.76·10^–5·U[kV] + 5.17·10^–3[nSv]. Die Dosis kann dann mit dem pixelierten Detektor ohne weitere Verwendung des Referenzdosimeters bestimmt werden, indem N_gesamt bei der Messung mit dem Mittelwert der Faktoren L in diesem Energiebereich multipliziert wird. Unter der Voraussetzung, dass die Röhrenspannung zwischen 40 kV und 120 kV liegt, wird auf diese Art eine Schätzgenauigkeit der Dosis von ca. –15 Prozent bis +23 Prozent erreicht.
Eine Verbesserung dieser Ausführungsform besteht darin, auf dem Medipix2-Chip Areale mit unterschiedlichen Energiefenstern gemäß Zeichnung 10.6 (Überschreitungsmethode) einzurichten. Es wird zum Beispiel E₁ = 4 keV, E₂ = 24 keV, E₃ = 44 keV, E₄ = 64 keV, E₅ = 84 keV, E₆ = 104 keV, E₇ = 124 keV und E₈ = 144 keV eingestellt. Es ist A_i die Anzahl von Detektoreinheiten im Areal i. j sei die Nummer des Areals, das bei Bestrahlung mit dem Röntgenspektrum keine signifikant von Null verschiedenen Ereignisse zählt. Eine Schätzung des Röhrenspannung -Werts U_max in Volt der Röntgenröhrenspannung ergibt sich zu: (E_j–1 + E_j)/2, wobei als Einheit der Energien das Elektronenvolt verwendet werden. Aus der Kurve in 12 wird ein Faktor L als Wert von L(U) bei U_max errechnet. Dieser wird mit der Anzahl der bei der Kalibrierung verwendeten Anzahl von Detektoreinheiten A multipliziert und durch die Anzahl der Detektoreinheiten A₁ in Areal 1 dividiert. Es wird die Dosis durch Multiplikation bestimmt: D = L·A/A1·N1 wobei N₁ die Summe der Zählerstände der Detektoreinheiten in Areal 1 ist. Auf diese Weise wird die Dosis unter der Voraussetzung, dass die Röhrenspannung im Bereich von 40 bis 120 kV liegt, mit einer Genauigkeit von –3.6 Prozent bis +6.3 Prozent bestimmt.
Die 14 und 15 zeigen weitere Messwerte, die es ermöglichen, die Beziehung zwischen der vom Ausführungsbeispiel gezählten Anzahl und der applizierten Dosis zu bestimmen.
Zum Beweis der Funktionsfähigkeit des Verfahrens der Rekonstruktion des einfallenden Spektrums aus der Zerlegung des gemessenen Depositionsspektrums in eine Linearkombination aus Antwortfunktionen auf monoenergetische Einstrahlung wurde die Bestrahlung einer Anordnung aus Medipix2-Chip und einer Sensorschicht aus 700 Mikrometer dickem Silizium mit einer Röntgenröhre mit einer Wolframanode bei einer Beschleunigungsspannung von 80 keV in einer Monte-Carlo-Simulation simuliert. Aus dem simulierten Depositionsspektrum wurde durch Anwendung einer oben bereits beschriebenen numerischen Methode das einfallende Spektrum rekonstruiert. 11 zeigt das eingestrahlte und das auf diese Art rekonstruierte Spektrum. Man erkennt die gute Übereinstimmung beider Spektren. 8 zeigt exemplarisch die Antwortfunktion der Anordnung auf Einstrahlung von Photonen mit einer Energie von 40 keV.
Der Beweis, dass dieses Ausführungsbeispiel einen größeren Messbereich im Hinblick auf die zu verarbeitende Dosisleistung im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Dosimetern ermöglicht, wird nun exemplarisch für Photonen im radiologisch diagnostischen Energiebereich erbracht. Es wird von der Verwendung einer Sensorschicht aus 1000 Mikrometer dickem Silizium ausgegangen, was technisch realisierbar ist. Die obere Grenze des Messbe reichs hinsichtlich der Dosisleistung wird durch die in den Detektoreinheiten maximal zu verarbeitende Zählanzahl zwischen zwei Auslesezyklen der Zähler begrenzt. Die Zähler des Medipix2-Chips können derzeit etwa 30 mal je Sekunde ausgelesen werden. Es sind aber noch höhere Ausleseraten technisch realisierbar. Die Auslesezeit, während der keine weiteren Ereignisse registriert werden können, beträgt ca. 300 Mikrosekunden. Als reine Zählzeit steht deshalb während einer Messzeit von einer Sekunde eine Zeit von ca. 999,7 Millisekunden zur Verfügung. Die Totzeit wird daher in der folgenden Betrachtung vernachlässigt. Die einzelnen Zähler können je Zählreitraum maximal bis ca. 8000 Ereignisse zählen. Die gesamte Anordnung aus 256 mal 256 Detektoreinheiten kann damit in einer Sekunde maximal 7, 85·10⁹ Photonen registrieren, wobei als konservative Annahme angenommen wird, dass im Mittel ein Photon von zwei Detektoreinheiten registriert wird (Charge Sharing). In einer Stunde ergibt sich eine maximale Photonenzahl von 2, 83·10¹³. Bei Deposition einer Personenäquivalentdosis H_p(10) von 1 nSv würden auf die Fläche des Sensors in diesem Beispiel etwa 3101 Photonen einfallen, von denen etwa 2822 registriert würden. Damit errechnet sich eine maximale Dosisleistung von etwa H_p(10) = 10 Sv/h. Die Zählrate in einer Detektoreinheit beträgt bei einer solch intensiven Strahlung etwa 240 kHz, was keine Probleme bei der Verarbeitung der Pulse hervorruft. Die höchste obere Grenze des Dosisleistungs-Messbereichs liegt bei den in [2] aufgeführten aktiven Personendosimetern bei nur etwa 1 Sv/h. Damit ergibt sich eine erheblich erweiterte obere Grenze des Messbereichs gegenüber herkömmlichen Dosimetern.
Es erfolgt nun eine Abschätzung des Messbereichs bei der Messung einer integralen Dosis bei Verwendung als Personendosimeter. Die obere Grenze des Messbereichs der integralen Dosis ist nur durch die maximal zu verarbeitende Zahl von Ereignissen in den Zählern und in der Recheneinheit begrenzt. Aus den oben angestellten Überlegungen hinsichtlich der maximalen Dosisleistung ist klar ersichtlich, dass die Messung integraler Dosen von einigen Hundert Sievert technisch kein Problem darstellt. Die untere Grenze des Messbereichs wird nun abgeschätzt. Bei einer Photonenenergie von 15 keV fallen wie oben beschrieben bei einem Strahlungsfeld, welches eine Personenäquivalentdosis H_p(10) (in Klammern die entsprechenden Werte für H_p(0, 07) ) von 1 nSv deponieren würde, ca. 3101 (632) Photonen auf die Medipix2-Detektoranordnung. Von diesen würden etwa 2822 (576) Photonen registriert und gezählt. Der relative statistische Fehler bei der Bestimmung der Personenäquivalentdosis liegt damit bei etwa 1,9 (4,2) Prozent. Die statistische Genauigkeit einer Bestimmung einer Dosis H_p(10) (H_p(0, 07)) von 1 nSv liegt bei 100 keV Photonenenergie bei etwa 9,0 (8,7) Prozent. Der größte Messbereich liegt bei den in [2] aufgeführten aktiven Personendosimetern bei lediglich 15 Nanosievert bis 16 Sievert (realisiert im Gerät EPD Mk2) hinsichtlich der Messung von H_p(10). Damit zeigt sich, dass ein Dosimeter in der von uns erfundenen Ausprägungsform den Messbereich deutlich erweitert, zumal die aktive Fläche der Detektoranodnung noch weiter vergrößert werden kann, indem zum Beispiel mehrere Anordnungen aus Medipix-Chip und Sensorschicht in einem Personendosimeter angebracht werden.
13 zeigt exemplarisch eine Aufsicht auf eine leicht zu realisierende Anordnung von Absorbern 1–6 auf der Medipix2-Sensor-Kombination. Haupteinfallsrichtung der Strahlung ist die Flächennormale der Zeichnungsebene. Dabei können zum Beispiel folgende Materialien verwendet werden:
Nummer 1: Kunststoff, z.B. PMMA
Nummer 2: Kupfer; 0,05 mm dick
Nummer 3: Kupfer; 0,5 mm dick
Nummer 4: Kupfer; 1,2 mm dick
Nummer 5: Blei; 0,7 mm dick
Nummer 6: Kupfer; 2 mm dick
Absorber 6 dient der Bestimmung des mittleren Einfallswinkels.
Verzeichnis der Abbildungen:
Bild 1 Vergleich der Empfindlichkeit kommerzieller aktiver Personendosimeter aus [2], Seite 150.
Bild 2 Schemazeichnung des Geräts. Die vielfältigen elektrischen Verbindungsmöglichkeiten sind exemplarisch eingezeichnet.
Bild 3 Kombination aus Sensorschicht und Medipix2-Chip (CMOS pixel read-outchip) aus [3].
Bild 4 Fotografie der Medipix2chip-Sensor-Kombination.
Bild 5 Blockschaltbild einer Elektronikzelle des Medipix2-Chips.
Bild 6 Exemplarische Verteilung von 8 Energieschwellen E_i in einer Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten.
Bild 7 Exemplarische Verteilung von 8 Energiefenstern [E_i; E_i+1] in einer Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten.
Bild 8 Antwortfunktion der Detektoranordnung aus Medipix2-Chip und einer Sensorschicht aus 700 Mikrometer dickem Silizium auf Einstrahlung von Photonen mit einer Energie von 40 kV.
Bild 9 Mit der Scanmethode und dem Medipix2-Detektor gemessene Anzahl von Ereignisse oberhalb einer Folge von Energiedepositionsschwellen bei Einstrahlung von Röntgenstrahlung aus einer Röhre mit 40 kV Beschleunigungsspannung und einer Wolframanode.
Bild 10 Aus Messung mit der Scanmethode abgeleitetes Depositionsspektrum bei Einstrahlung von Röntgenstrahlung aus einer Röhre mit 40 kV Beschleunigungsspannung und einer Wolframanode.
Bild 11 Einfallendes und rekonstruiertes Spektrum aus einer Simulation eines Röntgenspektrums mit 80 kV Röhrenspannung und einer Wolframanode
Bild 12 Kalibrierung der mit dem Ausführungsbeispiel gemessenen Zählanzahl des gesamten Detektors mit einem Referenzdosimeter bei Bestrahlung mit einer Röntgenröhre (Wolframanode) bei verschiedenen Röhrenspannungen.
Bild 13 Platzierung von unterschiedlichen Absorbern über einer Anordnung aus zählenden Detektoreinheiten.
Bild 14 Messwerte eines Referenzdosimeters in Abhängigkeit von der Anzahl der gezählten Ereignisse einer Medipix2-Sensor-Kombination bei Bestrahlung mit einer Röntgenröhre mit Wolframanode bei einer Röhrenspannung von 40 kV.
Bild 15 Messwerte eines Referenzdosimeters in Abhängigkeit von der Anzahl der gezählten Ereignisse einer Medipix2-Sensor-Kombination bei Bestrahlung mit einer Röntgenröhre mit Wolframanode bei verschiedenen Röhrenspannungen.
Zitierte Nichtpatentliteratur:

[1] P. Ambrosi, Measurement of photon energy and dose rate, Radiation Protection Dosimetry (2004), Vol. 112, No. 4, pp. 483–486
[2] T. Bolognese-Milsztajn et al., Active personal dosemeters for individual monitorimng and other new developments, Radiation Protection Dosimetry (2004), Vol. 112, No. 1, pp. 141–168
[3] [Medipix 2004] Homepage der Medipix-Collaboration, http://medipix.web.cern.ch/MEDIPIX/ vom 8.1.2006
[4] J. Giersch et al., An object-oriented and parallel computing Monte-Carlo Simulation for X-ray imaging, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 509 (2003), pp. 151–156

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer Strahlungsmerkmale unter Verwendung eines Sensors, umfassend eine oder mehrere Detektoreinheiten, die in der Lage sind, die Zahl von Photonen oder geladenen Teilchen der auf den Sensor auftreffenden Strahlung in oder oberhalb eines bestimmten Energiebereichs zu zählen, umfassend die Schritte, dass – ein Kalibrationslauf durchgeführt wird, umfassend die Schritte, dass (i) ein Strahl k einer Strahlung erzeugt wird, wobei der Strahl eine bekannte Dosis D^k erzeugt, welcher Strahl entweder physikalisch erzeugt oder mit einem Modell simuliert wird; (ii) die Zählungen N^k _i des Strahlungsstrahls bestimmt werden, die in einem Energiedepositionsbereich [E_i, E'_i] enthalten sind, wobei die Bestimmung entweder durch tatsächliche Messung oder durch eine auf dem Modell basierende Berechnung erhalten wird; (iii) der Schritt (ii) für einen Satz unterschiedlicher Energiedepositionsbereiche [E_i, E'_i] von i = 1 bis i = imax wiederholt wird; (iv) die Schritte (i), (ii) und (iii) für einen Bereich unterschiedlicher Strahlen k der Strahlung wiederholt werden; (v) Faktoren L₁ bestimmt werden, indem der gekoppelte Gleichungssatz Dk = Σi=1 i=max Li·Nk i für sämtliche k gelöst wird; – der Sensor der zu messenden Strahlung ausgesetzt wird und das Depositionsspektrum bestimmt wird, indem die Zählungen N^k _i in den Energiedepositionsbereichen [E_i, E'_i] gemessen werden; – die Dosis gemäß der Gleichung D = Σi=1 i=max Li·Nk i bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer Strahlungsmerkmale unter Verwendung eines Sensors, der eine oder mehrere Detektoreinheiten umfasst, die in der Lage sind, die Zahl von Photonen oder geladenen Teilchen der Strahlung zu zählen, die auf den Sensor in oder oberhalb eines bestimmten Energiebereichs auftrifft, umfassend die Schritte, dass – ein Kalibrationslauf durchgeführt wird, der die Schritte umfasst dass (i) ein monoenergetischer Strahl der Strahlung mit Energie E_k ^mono erzeugt wird, wobei der Strahl entweder physikalisch erzeugt wird oder mit einem Modell simuliert wird; (ii) die Zählungen M_ik des Strahlungsstrahls bestimmt werden, die in einem Satz von Energiebereichen [E_i, E'_i] enthalten sind, wobei die Bestimmung entweder durch tatsächliche Messung oder durch eine Berechnung basierend auf dem Modell erhalten wird; (iii) die Zählungen M_ik normiert werden, indem sie durch die Gesamtzahl der auftreffenden Teilchen dividiert werden; (iv) die Schritte (i), (ii) und (iii) für einen Bereich unterschiedlicher monoenergetischer Strahlen der Strahlung E_k ^mono von k = 1 bis k = kmax wiederholt werden; – der Sensor der zu messenden Strahlung ausgesetzt wird und das Depositionsspektrum bestimmt wird, indem die Zählungen N_i in den Energiedepositionsbereichen [E_i, E'_i] gemessen werden; – das Energiespektrum Ñ_k bestimmt wird, indem der gekoppelte Gleichungssatz Ni = Σk=1 k=max Mik·Ñk für sämtliche i gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 bei dem das Strahlungsmerkmal eine Dosismenge ist, umfassend die Schritte, dass – vorbestimmte Umwandlungskoeffizienten C_k verwendet werden, welche die zu bestimmende Dosismenge geben, die sich aus einem Einheitsteilchenfluss ergibt, geben, wobei der Koeffizient C_k entweder die ICRU-Koeffizienten K_k für Luft-Kerma pro Einheitsteilchenfluss, für Dosis in Luft oder die Hp(0.07)-Koeffizienten, für eine Dosis bei einer Tiefe von 0,07 mm oder die Hp(10)-Koeffizienten, für eine Dosis bei einer Tiefe von 10 mm, für jede Energie E_k ^mono sind; – die entsprechende Dosis D gemäß der Gleichung D = Σk=1 k=kmax Ck·Ñk/Abestimmt wird, wobei A der Oberflächenbereich des Sensors ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Lösens des gekoppelten Gleichungssatzes durch Schätzung mittels des Verfahrens der größten Wahrscheinlichkeit oder mittels eines iterativen Verfahrens durchgeführt wird.
Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer Merkmale einer Strahlung unter Verwendung eines Sensors, der eine Detektoreinheit umfasst, die in der Lage ist, die Zahl von Photonen oder geladenen Teilchen der Strahlung zu zählen, die auf den Sensor zwischen oder oberhalb eines oder mehrerer bestimmter Energieschwellwerte auftrifft und geeignet ist, die Energieschwellwerte mit der Zeit zu modifizieren, umfassend die Schritte, dass – (a) der eine oder mehrere Schwellwerte des Detektors auf ausgewählte Werte festgesetzt wird; – (b) die Zahl der detektierten Signale mit Energien oberhalb der Schwellwerte während eines Zeitintervalls gezählt wird; – (c) die Schwellwerte modifiziert werden; – (d) die Schritte (b) und (c) wiederholt werden, bis ein Bereich von Energien abgedeckt ist und ein Spektrum erhalten wird.
Vorrichtung zur Messung eines oder mehrerer Merkmale einer Strahlung, umfassend eine oder mehrere Detektoreinheiten, wobei jede Detektoreinheit umfasst – einen Sensor, der einen elektrischen Impuls in Reaktion auf ein Photon oder ein geladenes Teilchen der auf den Sensor auftreffenden Strahlung erzeugt; – einen oder mehrere Diskriminatoren mit jeweils einem Schwellwert und mit Mitteln zum Vergleichen eines Werts des elektrischen Impulses mit dem Schwellwert und zum Erzeugen eines Signals in Reaktion auf den Wert, der den Schwellwert überschreitet; – einen Zähler, der jedem der Diskriminatoren zum Zählen der Zahl der Signale zugeordnet ist; wobei die Vorrichtung eine Recheneinheit (3), die zum Berechnen der Eigenschaften der Strahlung ausgehend von den Zähldaten geeignet ist, und eine Steuereinheit (2) umfasst, die geeignet ist, die Schwellwerte mit der Zeit und/oder für jede Detektoreinheit zu modifizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vergleichen eines Werts des elektrischen Impulses Mittel zum Vergleichen der Höhe des Impulses mit dem Schwellwert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vergleichen eines Werts des elektrischen Impulses Mittel zum Integrieren des elektrischen Impulses und Mittel zum Vergleichen des integrierten Werts mit dem Schwellwert umfassen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlungseigenschaften das Energiespek trum der Strahlung oder die maximale Strahlungsenergie oder die Dosis umfassen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei der eine Lage aus absorbierendem Material oberhalb einer Detektoreinheit angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der eine Anzahl von Lagen von absorbierendem Material, wobei jede Lage eine unterschiedliche Dicke aufweist und/oder aus unterschiedlichem Material besteht, jeweils oberhalb von einer oder mehreren Detektoreinheiten angeordnet ist.