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Die
Erfindung betrifft einen Röntgen-Detektor,
umfassend mehrere im Innenraum eines Detektorgehäuses angeordnete Detektormodule,
wobei das Detektorgehäuse
zur Zuführung
eines Kühlmediums
in den Innenraum ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Detektormodul für
einen solchen Röntgen-Detektor.
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Ein
derartiger digitaler Detektor ist beispielsweise aus der
DE 101 35 288 U1 zu
entnehmen und wird in einem Röntgen-Computertomographen
eingesetzt. Ein Röntgen-Detektor
umfasst üblicherweise mehrere
Detektormodule, die in einem Gehäuse nach
Art eines Arrays oder einer Matrix angeordnet sind. Die Detektormodule
sind aus mindestens einem Detektorelement ausgebildet. Jedes Detektorelement
weist an einem vorderen Ende ein Sensorelement auf, das die auf
das Detektorelement auftreffenden Röntgenstrahlen erfasst. Das
Sensorelement umfasst in der Regel einen Szintillator, der von den γ-Quanten
der Röntgenstrahlung
angeregt wird und Licht erzeugt sowie eine nachgeschaltete Photodiodenanordnung
zur Messung der erzeugten Lichtmenge. Vor dem Szintillator ist üblicherweise
ein Kollimator angeordnet, mit dem Streustrahlungsanteile absorbiert
werden. Weiterhin umfasst das Detektorelement eine Ausleseelektronik
mit mehreren Elektronikkomponenten. Das Sensorelement und die Elektronikkomponenten
sind beispielweise auf einer Leiterplatte des Detektorelements angeordnet.
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Die
Signale des Sensorelements werden in den Elektronikkomponenten ausgewertet
bzw. digitalisiert. Im Betrieb wird in den Detektorkomponenten eine
nicht unerhebliche Abwärme
erzeugt, die abgeführt
werden muss. Bei starker Erwärmung
bzw. bei Hitzestau oder auch bei starken Temperaturschwankungen
kann es zu einer Fehlfunktion der Elektronikkomponenten und somit
des Detektormoduls führen. Erschwerend
hierbei ist, dass so wohl die Elektronikkomponenten als auch die
Wandlerelemente des Detektors wie z.B. der Szintillator und die
Photodiodenanordnung temperaturabhängige Eigenschaften aufweisen
und möglichst
temperaturstabil gehalten werden müssen, da bestimmte Temperaturänderungen zu
Bildartefakten führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine effektive Kühlung der
Detektormodule eines Röntgen-Detektors
zu gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Röntgen-Detektor, umfassend
mehrere im Innenraum eines Detektorgehäuses angeordnete Detektormodule,
wobei das Detektorgehäuse
zur Zuführung
eines Kühlmediums
in den Innenraum ausgebildet ist und wobei die einzelnen Detektormodule je
ein Wärmeleitelement
aufweisen, welches in den im Betrieb vom Kühlmedium durchströmten Innenraum
reicht.
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Die
Erfindung basiert auf der Überlegung, dass
eine besonders effektive Kühlung
der Detektormodule des Röntgen-Detektors
ermöglicht
ist, indem die in den Elektronikkomponenten der Detektormodule erzeugte
Abwärme
aufgrund einer Temperaturdifferenz in ein gekühltes Wärmeleitelement eingeleitet
wird, das in Kontakt mit den Komponenten steht. Das Wärmeleitelement
ist einem konvektiven Kühlmedium-Strom
ausgesetzt, wobei das Kühlmedium eine
niedrigere Temperatur als die Komponenten aufweist. Die in das Wärmeleitelement
diffundierte Abwärme
der Komponenten wird hierbei kontinuierlich durch das Kühlmedium
abtransportiert. Das Wärmeleitelement
erstreckt sich in den vom Kühlmedium durchströmenden Innenraum,
so dass eine möglichst große Fläche des
Wärmeleitelements
mit dem Kühlmedium
beaufschlagt wird, was zu einer besonders wirkungsvollen Kühlung führt. Insbesondere
kann dadurch die Menge an Kühlmittel
klein gehalten werden. Durch die Anordnung und Ausrichtung der Wärmeleitelemente
wird außerdem
erreicht, dass die Elektronikkomponenten des Detektormoduls kaum oder
gar nicht mit dem Kühlmedium
beaufschlagt werden, so dass ihr Temperaturniveau im Betrieb stabil
bleibt.
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Rapide
Temperaturänderungen
in den Detektormodulen, die zu Bildartefakten führen können, werden besonders wirkungsvoll
beschränkt,
indem das Wärmeleitelement
bevorzugt ein Modulgehäuse umfasst,
in welchem die zu kühlenden
Komponenten des Detektormoduls angeordnet sind. Das Modulgehäuse verhindert,
dass die Elektronikkomponenten unmittelbar mit dem Kühlmedium
beaufschlagt werden.
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Vorzugsweise
sind die zu kühlenden
Komponenten durch das Modulgehäuse
gekapselt. Unter Kapselung wird hierbei verstanden, dass das Modulgehäuse das
Detektormodul derart ummantelt, dass es die Komponenten vor einer
direkten Konvektionskühlung
schützt.
Die Kühlung
der Komponenten findet also ausschließlich über eine Übertragung der Wärme auf
das kühlere
Wärmeleitelement
statt, ein Teil von dem auch das Modulgehäuse ist. Durch die indirekte
Kühlung
der Komponenten und den ausgleichenden Wärmepuffer des Modulgehäuses wirken sich
Temperatursprünge
des Kühlmediums
nicht unmittelbar als solche auf die empfindlichen Komponenten aus.
Darüber
hinaus kann die Kapselung auch derart ausgeführt sein, dass die Komponenten auch
gleichzeitig durch das Modulgehäuse
vor Staubablagerungen geschützt
sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung umfasst jedes der Detektormodule zumindest
ein zu einer vorderen Detektionsseite des Detektorgehäuses gerichtetes
Detektorelement und die Wärmeleitelemente
erstrecken sich in entgegengesetzter Richtung rückwärtig. Bei dieser Ausgestaltung
wird der vom Kühlmedium
durchströmte
Innenraum des Detektorgehäuses
besonders vorteilhaft ausgenutzt, um die Wärmeleitelemente möglichst
groß auszubilden und
dadurch die Wärmeübertragung
zwischen den Wärmeleitelementen
und dem Kühlmedium
zu steigern.
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Eine
besonders großflächige und
somit effektive Kühlung
liegt vor, wenn die Wärmeleitelemente
vorzugsweise je eine Platte aufweisen, die sich im Innenraum erstreckt.
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Der
Wärmeabtransport
von der Platte des Wärmeleitelements
wird weiterhin verbessert, indem die Platte bevorzugt eine profilierte
Oberfläche
aufweist. Die Oberfläche
der Platte ist beispielweise mit abwechselnden Vertiefungen und
Erehebungen versehen, deren Form, Größe und Ausrichtung derart gewählt ist,
dass sich eine besonders günstige
Wärmeübertragung
einstellt.
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Zweckdienlicherweise
ist das Wärmeleitelement
aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium ausgebildet. Metalle
weisen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit
auf, was sie für
den Einsatz als Wärmeleitelement
besonders geeignet macht.
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Nach
einer bevorzugten Variante weist das Detektorgehäuse entlang der Detektormodule Öffnungen
für das
Kühlmedium
auf. Die Öffnungen
sind insbesondere auf einer Bodenplatte und einer Deckplatte des
Detektorgehäuses
angeordnet, welche Platten an die vordere Detektionsseite angrenzen. Dadurch
wird im Detektorgehäuse
eine Kühlmediumströmung erzeugt,
welche die im Innenraum befindendlichen Wärmeleitelemente umströmt. Besonders
vorteilhaft ist hierbei, dass der Abstand zwischen der Boden- und
der Deckplatte relativ gering ist, so dass ein unerheblicher Temperaturgradient
in Strömungsrichtung
vorliegt, wodurch eine besonders gleichmäßige Kühlung aller Bereiche der Wärmeleitelemente
gewährleistet
ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Variante ist auf dem Detektorgehäuse zumindest
ein Lüfter
zur Zuführung
von Luft als Kühlmedium
vorgesehen. Damit den Wärmeleitelementen
mehr Platz im Detektorgehäuse
zur Verfügung
steht, ist der Lüfter
oder eine Anzahl von Lüftern
insbesondere auf einer Außenseite
der Boden- oder Deckplatte angeordnet. Der bzw. die Lüfter sind
in der Nähe
der Öffnungen
derart positioniert, dass durch die Öffnungen Umgebungsluft eingeblasen
oder angesaugt wird und somit die Strömung im Gehäuse erzeugt wird.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Detektormodul
für ein
Röntgen-Detektor
nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zumindest einer zu
kühlenden
Komponente, wobei die Komponente mit einem Wärmeleitelement in einem wärmeleitenden
Kontakt steht, welches Wärmeleitelement
derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb einem Kühlmedium
ausgesetzt ist. Die im Hinblick auf den Röntgen-Detektor aufgeführten Vorteile
und bevorzugten Ausführungsformen
lassen sich sinngemäß auf das
Detektormodul übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Röntgen-Detektors,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Innenraums des offenen Röntgen-Detektors
gemäß 1,
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3 einen
Schnitt in der Ebene BB gemäß 1,
und
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4 eine
perspektivische Darstellung eines Detektormoduls.
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Gleiche
Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
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In 1 ist
ein digitaler Röntgen-Detektor 2 gezeigt,
der insbesondere zur Bildgebung in einem Computertomographen eingesetzt
wird. Der Röntgen-Detektor 2 weist
ein Detektorgehäuse 4 auf,
in dem eine Vielzahl von Detektormodulen 6 (vgl. 2 bis 4)
angeordnet sind. Der Röntgen-Detektor 2 weist
eine bogenförmige
vordere Detektionsseite 8 auf, an der die Detektormodule 6 in
einer Reihe angeordnet sind (vgl. 2).
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Die
Detektionsseite 8 ist zu einer hier nicht gezeigten Röntgenstrahlenquelle
gerichtet und auf sie treffen Röntgenstrahlen
der Strahlenquelle auf. Gegenüberliegend
ist eine Rückseite 10 des
Detektorgehäuses 4 angeordnet.
An die Detektionsseite 8 und die Rückseite 10 grenzen
eine Bodenplatte 12 und eine Deckplatte 14 an.
Auf der Deckplatte 14 sind Lüfter 19 vorgesehen,
die in diesem Ausführungsbeispiel
Luft als Kühlmedium
ansaugen und dadurch eine Kühlmediumströmung im
Gehäuse 4 generieren.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, umschließt das Detektorgehäuse 4 einen
Innenraum 16, in dem sich die Detektormodule 6 nach
hinten erstrecken. Auf der Bodenplatte 12 sind Öffnungen 18 vorgesehen, durch
die die Kühlluft
ins Gehäuse 4 hineinströmt. Die Öffnungen 18 sind
entlang der gereihten Detektormodule 6 angeordnet, so dass
die Kühlluft
unmittelbar unter den Detektormodulen 6 in das Gehäuse 4 einströmt und somit
effektiv die Detektormodule 6 kühlt. Auf der Deckplatte 14 unter
den Lüftern 19 sind entsprechende Öffnungen
zum Ausströmen
der Kühlluft
aus dem Gehäuse 4 vorgesehen
(nicht gezeigt).
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Die
Detektormodule 6 sind jeweils von einem Wärmeleitelement 20 ummantelt,
das aus einem Modulgehäuse 22 und
einer Platte 24 besteht. Die Platten 24 der einzelnen
Detektormodule 6 erstrecken sich in den Innenraum 16 in
Richtung zur Rückwand 10 hin
und werden von der durchströmenden
Kühlluft konvektiv
gekühlt.
Weitere Details über
den Aufbau und Funktion der Detektormodule 6 sind aus 4 zu
entnehmen.
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In 3 ist
ein Schnitt durch die Ebene BB gemäß 1 gezeigt.
Durch die Öffnungen 18 in
der Bodenplatte 12 strömt
die Kühlluft
ins Gehäuse 4 hinein,
das durch den Pfeil 26 angedeutet ist. Die Kühlluft umströmt die Platte 24 des
Detektormoduls 6 auf dem Weg zur Deckplatte 14 und
kühlt sie
konvektiv ab. Die Luft zum Kühlen
der Detektormodule 6 wird von dem Lüfter 19 angesaugt
und dadurch außerhalb des
Gehäuses 4 gefördert. Dank
des Lüfters 19 entsteht
eine erzwungene Konvektionsströmung
im Innenraum 16, die zu einer ständigen Zuführung weiterer Luft ins Gehäuse 4 führt. Der
Lüfter 19 kann
alternativ derart ausgebildet sein, dass er die Luft durch die Öffnungen
in der Deckplatte 14 ins Gehäuse 4 einbläst und die
Luft dann durch die Öffnungen 18 in der
Bodenplatte 12 aus dem Innenraum 16 herausströmt.
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Ein
Detektormodul 6 für
den Röntgen-Detektor 2,
umfassend mehrere parallel angeordnete Detektorelemente 28 ist
in 4 gezeigt. Jedes der Detektorelemente 28 weist
einen vorgeschalteten Kollimator 30 auf. Die Kollimatoren 30 bestehen
aus einer Vielzahl von Kollimatorblechen, die in radialer Richtung
zu einem Brennpunkt der Röntgenstrahlungsquelle
orientiert sind. Die Kollimatoren 30 sind auf einem Szintillator 32 angeordnet,
der nach Art einer Szintillatorkeramik, beispielweise aus Gadoliniumoxysulfid,
oder eines Szintillatorkristalls wie Cäsium-Jodid oder Cadmium-Wolframat
ausgebildet ist. Die auf den Szintillator 32 auftreffenden
Röntgenstrahlen
erzeugen einen Lichtblitz, der von einem Photomultiplier, in diesem
Ausführungsbeispiel
einer Photodiodenanordnung 34, in ein elektrisches Signal umgewandelt
wird. Der Szintillator 32 und die Photodiodenanordnung 34 bilden
somit ein Sensorelement, das die Röntgenstrahlen erfasst.
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Die
Photodiodenanordnung 34 ist auf einer Leiterplatte befestigt,
die hier durch das Wärmeleitelement 20 verdeckt
ist. Die Leiterplatte bildet eine Art Plattform, auf der weitere
Elektronikkomponenten zum Digitalisieren und Auswerten des Signals
des Sensorelements 36 angeordnet sind. Am Ende jeder Leiterplatte
ist ein Stecker 38 vorgesehen, der zur Weiterleitung der
digitalisierten Messwerte dient.
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Die
in den Elektronikkomponenten erzeugte Abwärme muss abtransportiert werden,
um den Betrieb des Röntgen-Detektors 2 nicht
zu stören.
Da die Elektronikkomponenten temperaturempfindlich sind und bei
Temperatursprüngen
die Qualität
der mittels des Röntgen-Detektors 2 erzeugten
Bilder beeinträchtigt
wird, sind die Komponenten durch das Modulgehäuse 22 des Wärmeleitelements 10 gekapselt, damit
sie nicht direkt mit dem Kühlmedium
beaufschlagt werden. Hierbei stehen die zu kühlenden Elektronikkomponenten
in direktem Kontakt mit dem Wärmeleitelement 20,
so dass ihre Abwärme
in das Wärmeleitelement 20 diffundieren
kann.
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Das
Wärmeleitelement 20 ist
aus einem wärmeleitenden
Metall, in diesem Ausführungsbeispiel aus
Aluminium ausgebildet. Somit wird die Abwärme vom Bereich des Kontakts
mit den erhitzen Komponenten weiter in die Platte 24 geleitet
und verteilt sich gleichmäßig im Wärmeleitelement 20.
Da das Wärmeleitelement 20 der
Kühlluftströmung ausgesetzt ist,
wird diese Wärme
kontinuierlich abgeführt.
Um eine größere Menge
an abtransportierten Wärme
zu erreichen, ohne die Kühlluftrate
erhöhen
zu müssen, ist
die Platte 24 mit Kühlrippen 40 versehen,
die eine profilierte Oberfläche
bilden. Somit wird die Kontaktfläche
zwischen dem Wärmeleitelement 20 und
der Kühlluft
vergrößert, was
dazu führt,
dass mehr Wärme
pro Zeiteinheit abgeführt
wird. Dabei kühlt
das Wärmeleitelement 20 ab
und es ist in der Lage weitere Wärme
von den Komponenten aufzunehmen.
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Das
Wärmeleitelement 20 stellt
einen Wärmepuffer
dar, der die Komponenten vor der Kühlluft abschirmt. Dank dieser
indirekten Kühlung
werden Temperatursprünge
der Kühlluft
gedämpft,
so dass die Funktion der temperaturempfindlichen Komponenten nicht
beeinträchtigt
wird und die Bildqualität erhalten
bleibt.