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Die Erfindung geht aus von einem Strahlungsdetektor mit mehreren Detektorzellen mit jeweils einer Ausleseelektrode und mit zumindest einem mit den Ausleseelektroden verbundenen Auslesekanal zur ortsaufgelösten Messung von elektromagnetischer Strahlung.
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Aus der
DE 102 60 229 B3 ist ein Strahlungsdetektor mit mehreren Detektorzellen mit jeweils einer Ausleseelektrode bekannt. Die Ausleseelektroden sind jeweils mit einem Auslesekanal zur ortsaufgelösten Messung von elektromagnetischer Strahlung verbunden. Der Strahlungsdetektor ist als Silizium-Driftdiodendetektor ausgebildet, der die einfallende Strahlung durch einen an der Ausleseelektrode der am Einfallort der Strahlung angeordneten Detektorzelle auftretenden Strompuls detektiert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, einen Strahlungsdetektor mit einer verbesserten Energieauflösung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß zumindest zwei der Ausleseelektroden mit einem gemeinsamen Auslesekanal verbunden sind und bei dem ein Halbleiterträger eines ersten Leitungstyps umfasst ist, auf dem die wenigstens zwei Detektorzellen mit einem gemeinsamen Auslesekanal ausgebildet sind.
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Dadurch kann bei gleicher Gesamtfläche des Strahlungsdetektors und bei gleicher Anzahl von Auslesekanälen die Fläche der Detektorzellen verkleinert werden, was zu einer verkürzten Driftzeit und damit zu einer kürzeren Ansprechzeit des Strahlungsdetektors führt. Insbesondere im Zusammenhang mit medizinischen Anwendungen wie der Einzelphotonenemmissions-Computertomographie (SPECT) ist die Energie- und Zeitauflösung oft kritischer als die durch die Anzahl der Auslesekanäle bestimmte Ortsauflösung.
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Weiterhin kann durch den Halbleiterträger eines ersten Leitungstyps, auf dem die wenigstens zwei Detektorzellen mit einem gemeinsamen Auslesekanal ausgebildet sind, ein weitestgehend wartungs- und verschleißfreier Festkörper- Strahlungsdetektor vom erfindungsgemäßen Typ bereitgestellt werden. Als Leitungstypen kommen n- oder p-Halbleitertypen in Betracht.
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Da die Zahl der Auslesekanäle im Verhältnis zur Gesamtfläche des Strahlungsdetektors nicht verändert werden muss, führt der erfindungsgemäße Aufbau im Vergleich zu einem entsprechenden Aufbau mit jeweils einem Auslesekanal pro Ausleseelektrode zu einem geringeren Elektronikrauschen. Die kürzere Ansprechzeit führt zu einem geringeren Einfluss von Leckströmen und störende Einflüsse können sich nicht akkumulieren. Da eine Auflösung der individuellen Signale der mit einem gemeinsamen Auslesekanal verbundenen Ausleseelektroden ohnehin nicht möglich ist, kann zudem auf Begrenzungsstrukturen bzw. Begrenzungselektroden zwischen den Detektorzellen derjenigen Ausleseelektroden verzichtet werden, die dem gemeinsamen Auslesekanal zugeordnet sind. Durch den Verzicht auf die Begrenzungsstrukturen kann ein Füllfaktor des Strahlungsdetektors, d. h. ein Verhältnis der strahlungsempfindlichen Fläche zur Gesamtfläche des Strahlungsdetektors, vergrößert werden.
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In einer besonders kostengünstigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Halbleiterträger als Siliziumwafer ausgebildet.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Strahlungsdetektor eine gemeinsame Gegenelektrode der wenigstens zwei Detektorzellen mit einem gemeinsamen Auslesekanal umfasst, wobei die Gegenelektrode dazu vorgesehen ist, ein elektrisches Driftfeld zu erzeugen, das entgegengesetzte Ladungsträger in die Richtung der Ausleseelektroden bzw. der Gegenelektrode führt und insbesondere die Ladungsträger trennt. Das Vorzeichen der an der Gegenelektrode anliegenden Spannung hängt dabei von dem Leitungstyp des Halbleiterträgers ab.
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Eine vollständig als Halbleiterdetektor ausgebildeter Strahlungsdetektor kann erreicht werden, wenn die Ausleseelektroden und die Gegenelektrode aus Halbleitern zweier entgegengesetzter Leitungstypen gebildet sind.
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Ein Umlenken der durch die einfallende Strahlung freigesetzten Ladungsträger um mehr als 90° kann vermieden werden, wenn die Gegenelektrode ein Strahlungseintrittsfenster der Detektorzellen bildet. Hierbei sind die Ausleseelektroden bevorzugt auf einer ersten Oberfläche angeordnet, die einer zweiten, insbesondere parallel zur ersten Oberfläche verlaufenden zweiten Oberfläche gegenüber liegt, wobei die Gegenelektrode auf der zweiten Oberfläche aufgebracht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strahlungsdetektor eine in einer Strahlungseinfallrichtung vor der Gegenelektrode angeordnete Szintillatorschicht. In einem solchen Strahlungsdetektor fallen Photonen aus einer durch hochenergetische Strahlung, beispielsweise harte Röntgenstrahlung, erzeugten Photonenlawine in mehrere Detektorzellen ein und die Energie der hochenergetischen Strahlung wird aus der Verteilung der Photonen über die Detektorzellen berechnet. Die Auflösung solcher Strahlungsdetektoren ist oft durch das Rauschen der Elektronik beschränkt, welches durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Strahlungsdetektors reduziert werden kann.
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Eine voluminöse Entleerungszone oder Raumladungszone kann erreicht werden, wenn die Gegenelektrode dazu vorgesehen ist, in Sperrrichtung geschaltet zu sein. Dadurch kann ein besonders empfindlicher Strahlungsdetektor erreicht werden.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass der Strahlungsdetektor zumindest eine Driftelektrode zum Formen des Driftfelds umfasst, wobei die Driftelektrode eine der Ausleseelektroden zumindest im Wesentlichen umgibt. Dadurch kann das Driftfeld so optimiert werden, dass die durch die einfallende Strahlung freigesetzten Ladungsträger weitgehend vollständig die Ausleseelektrode erreichen.
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Die Ansteuerung der Driftelektroden kann vereinfacht werden, wenn zumindest zwei, jeweils unterschiedliche Ausleseelektroden umgebende Driftelektroden leitend miteinander verbunden sind.
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Zum Abbau der hohen Felder am Rand des Halbleiterträgers kann durch eine Schutzelektrode in einem wenigstens eine der Detektorzellen umgebenden Bereich ein Schutzpotential von vorzugsweise 0 V angelegt werden.
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Ein großer Füllfaktor kann erreicht werden und eine durch die Schutzelektrode erzeugte Totfläche kann gering gehalten werden, wenn die Schutzelektrode zumindest zwei Detektorzellen umgibt.
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Ein weiter vergrößerter Füllfaktor kann erreicht werden, wenn die Detektorzellen sechseckig sind. Durch den sechseckigen Aufbau der Detektorzellen wird ein wabenartiger Aufbau des Strahlungsdetektors ermöglicht, durch welchen spitze Winkel in den Begrenzungen zwischen den Detektorzellen vermieden werden können, die letztlich zu einer vergrößerten Totfläche des Strahlungsdetektors führen würden. In weiteren Ausgestaltungen können die Detektorzellen jedoch auch rechteckig sein.
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Der Füllfaktor kann weiter vergrößert werden, wenn strahlungsempfindliche Bereiche von wenigstens zwei Detektorzellen unmittelbar aneinandergrenzen. Dabei kann insbesondere auf einen Schutzelektrodenbereich zwischen den Detektorzellen verzichtet werden.
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Außerdem geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung mittels eines Strahlungsdetektors mit mehreren Detektorzellen mit jeweils einer Ausleseelektrode.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Signale von zumindest zwei Ausleseelektroden zu einem gemeinsamen Auslesekanal zusammengefasst werden. Dadurch kann bei gleicher Gesamtfläche des Strahlungsdetektors und bei gleicher Anzahl von Auslesekanälen die Fläche der Detektorzellen verkleinert werden, was zu einer verkürzten Driftzeit und damit zu einer kürzeren Ansprechzeit des Strahlungsdetektors führt. Das Detektieren ist bevorzugt orts- und/oder energieaufgelöst.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 den Aufbau einer als Silizium-Driftdiode ausgebildeten Detektorzelle,
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2 ein Diagramm der Energieauflösung einer Silizium-Driftdiode mit vorgeschaltetem Szintillator abhängig von einer Pulsdauer,
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3 den Aufbau eines Strahlungsdetektors nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung mit sieben auf einem sechseckigen Siliziumträger angeordneten Detektorzellen,
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4 eine Schnittdarstellung des Strahlungsdetektors aus 3,
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5 den Aufbau eines alternativen Strahlungsdetektors mit neunzehn auf einem sechseckigen Siliziumträger angeordneten Detektorzellen,
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6 den Aufbau eines weiteren Strahlungsdetektors mit vier auf einem quadratischen Siliziumträger angeordneten Detektorzellen und
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7 den Aufbau eines weiteren Strahlungsdetektors mit neun auf einem quadratischen Siliziumträger angeordneten Detektorzellen.
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1 zeigt den Aufbau einer als Silizium-Driftdiode ausgebildeten Detektorzelle 2 in einer schematischen Schnittdarstellung. Die Detektorzelle 2 ist ein Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterträger 4 eines ersten Leitungstyps, und zwar vom n-typ. Der Halbleiterträger 4 ist als Siliziumwafer, also als dünne Scheibe aus kristallinem Silizium, ausgebildet.
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Der Halbleiterträger 4 hat eine flache Oberseite 6 und eine zu der Oberseite 6 parallele Unterseite 8. Auf der Oberseite 6 ist im Zentrum der Detektorzelle 2 eine Ausleseelektrode 10 aus einem dotierten Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps, im vorliegenden Fall des n+-Typs, ausgebildet. Die Ausleseelektrode 10 ist von einer Vielzahl von ringförmigen, konzentrischen Driftelektroden 12 oder Feldringen umgeben, die ein weiter unten beschriebenes Driftfeld formen.
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Auf der Unterseite 8 des Halbleiterträgers 4 ist eine großflächige Gegenelektrode 14 aus einem Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps, also des p-Typs, ausgebildet. Die Gegenelektrode 14 überdeckt die gesamte der Ausleseelektrode 10 und den Driftelektroden 12 gegenüberliegende Fläche auf der Unterseite 8 des Halbleiterträgers 4.
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Die Gegenelektrode 14 bildet ein Strahlungseintrittsfenster der Detektorzellen 2, d. h. im Betrieb ist die Gegenelektrode 14 idealerweise einer Einfallsrichtung 16 der zu detektierenden Strahlung zugewandt, wobei die Unterseite 8 senkrecht zu der Einfallrichtung 16 ausgerichtet ist, um eine maximale Detektorfläche zu erreichen.
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Die Gegenelektrode 14 ist mit einer hier nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden und ist dadurch dazu ausgelegt, in Sperrrichtung geschaltet zu sein. Dadurch wird der Körper des Halbleiterträgers 4 im Wesentlichen vollständig von freien Ladungsträgern entleert. Die gesamte Dicke von beispielsweise 0,45 mm des Halbleiterträgers 4 ist damit empfindlich für die Absorption von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere für die Absorption von sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlung.
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Die Driftelektroden 12 erzeugen ein elektrisches Driftfeld mit einer starken, radial nach außen gerichteten Komponente parallel zu der Unterseite 8 und der Oberseite 6 des Halbleiterträgers 4. Dazu ist die an den Driftelektroden 12 anliegende Spannung von innen nach außen immer stärker negativ. Wenn durch einfallende Strahlung freie Ladungsträger, d. h. Elektronen, in dem entleerten Volumen erzeugt werden, so werden diese durch das Driftfeld radial nach innen in Richtung der zentralen Ausleseelektrode 10 geleitet.
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In 1 ist eine typische Driftbahn von durch die Strahlung herausgeschlagenen Ladungsträgern durch einen Pfeil dargestellt. Die Laufzeit, nach welcher die Elektronen die Ausleseelektrode 10 erreichen, ist abhängig von dem Punkt innerhalb der Detektorzelle 2, an welchem die Elektronen durch die Absorption der Strahlung freigesetzt werden.
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Wenn der in 1 dargestellten Detektorzelle 2 eine Szintillatorschicht 18 (4) vorgelagert ist, in der hochenergetische Strahlung absorbiert und eine Photonenlawine erzeugt wird, fallen typischerweise eine Vielzahl von Photonen aus der Photonenlawine im Wesentlichen gleichzeitig auf die Detektorzelle 2 und erzeugen an verteilt über die gesamte Fläche der Detektorzelle 2 freie Ladungsträger. Aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten der Ladungsträger bzw. Elektronen wird durch diesen Vorgang an der Ausleseelektrode 10 ein Strompuls mit einer bestimmten Pulsdauer erzeugt. Die Pulsdauer entspricht demnach im Wesentlichen der Differenz zwischen der minimalen Laufzeit und der maximalen Laufzeit bzw. Driftzeit der Ladungsträger.
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Die Ausleseelektrode 10 umfasst eine hier nicht explizit dargestellte Anschlussstelle zum Anschließen einer Verkabelung, die einen Auslesekanal 20 bildet und über welche die Ausleseelektrode 10 mit einem externen Verstärker verbunden ist.
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In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Driftelektroden 12 Teile einer Spirale oder einer Widerstandsschicht, die von einem Strom durchflossen wird und deren Potenzial aufgrund des Widerstands des Halbleiter- oder Leitermaterials, aus dem die Spirale oder Widerstandsschicht gebildet ist, von außen nach innen abnimmt.
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Die Ausleseelektrode 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Anode ausgebildet. Wenn der Halbleiterträger 4 ein Halbleiter vom n-Typ ist, müsste die Ausleseelektrode 10 als Kathode ausgebildet sein und die Vorzeichen aller Spannungen und Leitungstypen müssten umgekehrt werden.
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Es sind Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen in die Ausleseelektrode 10 ein Feldeffekttransistor zum Verstärken des Signals der Ausleseelektrode 10 integriert ist.
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2 zeigt ein Diagramm der Energieauflösung RE einer handelsüblichen Silizium-Driftdiode mit einer Detektorfläche von 1 cm2 mit vorgeschaltetem Szintillator in Prozent der Gesamtenergie abhängig von der Pulsdauer TP bei einer Temperatur von 10°C (obere Kurve) und bei einer Temperatur von 0°C (untere Kurve). Die in 2 dargestellte Energieauflösung basiert auf theoretischen Berechnungen, die von einem 140 keV – Gammaquant aus einer 99 mTc – Emission ausgehen, das in einer Szintillatorschicht absorbiert wird.
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Die Energieauflösung des Silizium-Driftdetektors ist durch seine Energieausbeute, ein Elektronikrauschen und die Quantenstatistik der beteiligten Umwandlungsprozesse bestimmt. Das Elektronikrauschen umfasst paralleles Rauschen, serielles Rauschen und 1/f-Rauschen. Der Einfluss, den die verschiedenen Rauschkomponenten haben, hängt von der Pulsdauer und von der Temperatur der Detektorzelle 2 ab. Das serielle Rauschen nimmt mit längeren Pulsdauern ab, da sich die Effekte ausmitteln. Der Einfluss des parallelen Rauschens nimmt dagegen mit der Pulsdauer zu, da Leckströme der Detektorzelle 2 effektiv über eine längere Zeit integriert werden. Daher ergibt sich ein Optimum bei einer Pulsdauer von 0,6 μs bei 10°C und bei einer Pulsdauer von 0,8 μs bei 0°C, wobei die Energieauflösung im Minimum 8,1% bzw. 6,7% beträgt.
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Der in 2 dargestellte vertikale Balken bei 6 μs entspricht der maximalen Driftzeit in einer 1 cm2 – Silizium-Driftdiode, die gemessen wurde (W. Metzger, J. Engdahl, W. Rossner, O. Boslau, J. Kemmer, IEE Trans. Nucl. Science 51, 1631 (2004)). Wenn, wie oben beschrieben, die gesamte Fläche der Detektorzelle 2 simultan mit den Szintillationsphotonen aus einem Gamma-Ereignis beschienen wird, entspricht daher, wie oben erläutert, die Pulsdauer im Wesentlichen der maximalen Driftzeit von 6 μs, so dass bei 0°C bestenfalls eine Energieauflösung von 11% und bei 10°C bestenfalls eine Energieauflösung von 16,5% erreicht werden kann.
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Im Gegensatz zu den herkömmlichen Strahlungsdetektoren kann der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor in der Nähe des Optimums der Energieauflösung betrieben werden, wie weiter unten beschrieben wird. Dabei basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Verkleinerung der Fläche der Detektorzelle 2 allein nicht zu dem gewünschten Effekt führt. Die Driftzeit ist proportional zum Quadrat des Radius bzw. Durchmessers einer Detektorzelle 2. Durch die Verkleinerung der Detektorzellen 2 wird aber gleichzeitig der Füllfaktor verringert, da weiter unten beschriebene Blockadeelektroden eine gewisse Mindestbreite haben müssen, um ihre Funktion zu erfüllen. Ferner steigt bei gleich bleibender Gesamtfläche des Strahlungsdetektors die Zahl der Auslesekanäle 20 für die gleiche Fläche, so dass auch das Elektronikrauschen verstärkt wird. Im Ergebnis führt dies zu einer schlechteren Energieauflösung, was in Anwendungen akzeptabel sein mag, in denen hauptsächlich eine hohe räumliche Auflösung gefordert wird.
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3 und 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor mit sieben Detektorzellen 2 mit jeweils einer zentralen Ausleseelektrode 10 und zumindest einem mit den Ausleseelektroden 10 verbundenen Auslesekanal 20 zur ortsaufgelösten Messung von elektromagnetischer Strahlung.
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Die sieben Ausleseelektroden 10 sind mit einem gemeinsamen Auslesekanal 20 verbunden, wie dies in 4 anhand dreier Ausleseelektroden 10 dargestellt ist. Dadurch unterscheidet sich die Zahl der Auslesekanäle 20 von der Zahl der Detektorzellen 2 und von der Zahl der Ausleseelektroden 10. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sieben Detektorzellen 2 auf einem Sechseck angeordnet, wobei sechs fünfeckige Detektorzellen 2 in den Ecken angeordnet sind und in der Mitte eine zentrale Detektorzelle 2 angeordnet ist.
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In 4 ist die Verdrahtung der Ausleseelektroden 10 und der Driftelektroden 12 dargestellt. Die Ausleseelektroden 10 der sieben Detektorzellen 2, sind zu einer gemeinsamen Signalleitung 22 geführt, die den Auslesekanal 20 bildet. Genauso sind die äußeren Driftelektroden 12 und die inneren Driftelektroden 12 zu einer ersten Steuerleitung 24 bzw. zu einer zweiten Steuerleitung 26 geführt, so dass die sich entsprechenden Driftelektroden 12 der sieben Detektorzellen 2 stets auf dem gleichen Potenzial liegen. Die sieben jeweils unterschiedliche Ausleseelektroden 10 umgebenden Driftelektroden 12 sind daher leitend miteinander verbunden.
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Auf der Unterseite 8 des Halbleiterträgers 4 ist eine Gegenelektrode 14 der sieben Detektorzellen 2 mit dem gemeinsamen Auslesekanal 20 ausgebildet. Die Gegenelektrode 14 ist dazu vorgesehen, ein elektrisches Driftfeld zu erzeugen, wobei das Driftfeld entgegengesetzte Ladungsträger trennt und in die Richtung der Ausleseelektroden 10 bzw. der Gegenelektroden 14 führt .
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Die gesamte Anordnung der sieben Detektorzellen 2 ist in einem alle Detektorzellen 2 ringartig umgebenden Bereich von einem Paar von Schutzelektroden 28, 30 zum Abbau der Spannungen umgeben. Die strahlungsempfindlichen Bereiche der sieben auf dem Halbleiterträger 4 benachbart angeordneten Detektorzellen 2 grenzen unmittelbar aneinander, ohne dass zwischen den benachbarten Detektorzellen 2 ein Teil der Schutzelektroden 28, 30 angeordnet ist. Die Schutzelektroden 28, 30 werden von einer separaten Steuerleitung 32 auf dem Schutzpotenzial gehalten.
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Der gesamte Strahlungsdetektor umfasst eine Vielzahl von sechseckigen Detektorelementen 34 des oben beschriebenen Typs. Jedes Detektorelement 34 umfasst sieben Detektorzellen 2 und einen Auslesekanal 20.
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In 4 ist auch eine plattenartige Szintillatorschicht 18 dargestellt, die mit der Unterseite 8 der Detektorelemente 34 über eine optische Paste 36 verbunden ist.
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5 zeigt den Aufbau eines Strahlungsdetektors nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung. Der Strahlungsdetektor ist aus sechseckigen Detektorelementen 34 und – wie in 4 gezeigt – mit jeweils einem Halbleiterträger 4 und einem Auslesekanal 20 aufgebaut. Auf jedem der Halbleiterträger 4 sind neunzehn Detektorzellen 2 angeordnet, wobei eine mittlere, sechseckige Detektorzelle 2 von einem ersten Ring aus sechs sechseckigen Detektorzellen 2 und von einem zweiten Ring aus zwölf fünfeckigen Detektorzellen 2 umgeben ist. Alle neunzehn Detektorzellen 2 umfassen jeweils eine mittig angeordnete Ausleseelektrode 10 und sind insgesamt auf der Oberseite 6 des Halbleiterträgers 4 von einer einzigen, ringartigen Schutzelektrode 28 umgeben.
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6 zeigt den Aufbau eines weiteren alternativen Strahlungsdetektors, bei dem quadratische Detektorelemente 34 jeweils vier Detektorzellen 2 tragen. Der Strahlungsdetektor umfasst mehrere gleichartige, quadratische Detektorelemente 34, die jeweils nur einen Auslesekanal 20 haben.
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7 zeigt den Aufbau eines Strahlungsdetektors nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung mit jeweils neun auf einem quadratischen Detektorelement 34 angeordneten Detektorzellen 2, deren Ausleseelektroden 10 alle mit einem einzigen Auslesekanal 20 verknüpft sind.
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Zum orts- und/oder energieaufgelösten Detektieren von elektromagnetischer Strahlung mittels eines Strahlungsdetektors mit mehreren Detektorzellen 2 mit jeweils einer Ausleseelektrode 10 wird durch die Verknüpfung mehrerer Ausleseelektroden 10 mit einem gemeinsamen Auslesekanal 20 automatisch ein Verfahren zum orts- und/oder energieaufgelösten Detektieren von elektromagnetischer Strahlung angewandt, bei dem die Signale von zumindest zwei Ausleseelektroden 10 zu einem gemeinsamen Auslesekanal 20 zusammengefasst werden.
