DE102009008702A1

DE102009008702A1 - Direct converting detector element for detector of detector module for detecting X-ray radiation for computer tomography scanner, has diode made of semiconductor material whose hardness is selected from specific periods of periodic table

Info

Publication number: DE102009008702A1
Application number: DE200910008702
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Krauß
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-26

Abstract

The element (11) has strip-type diodes aligned according to an installation situation of the element with a diode longitudinal direction along an emission direction (13). Each diode is made of semiconductor material i.e. gallium arsenide, whose hardness is more than 1 percent of a mass fraction occurring element and selected from 4 periods of the periodic table. The diode includes a PN-junction aligned across the diode longitudinal direction, where reverse voltage of the diode is designed as 50 to 500 volts. An independent claim is also included for a detector module including a power supply system.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein direktumwandelndes Detektorelement für Röntgenstrahlung, insbesondere auf ein Detektorelement eines Detektors für einen Computertomographen.The The invention relates to a direct conversion detector element for X-rays, in particular to a detector element of a detector for a computer tomograph.

Ein Computertomograph (CT) umfasst üblicherweise eine sogenannte Gantry, an welcher eine Röntgenstrahlenquelle (Röntgenröhre) und dieser radial gegenüberliegend ein (Röntgen-)Detektor angebracht sind. Bestimmungsgemäß rotiert die Gantry um ein zu durchleuchtendes Objekt, wobei die emittierte und bei der Durchleuchtung des Objektes teilweise absorbierte oder gestreute Röntgenstrahlung mit dem Detektor detektiert wird. Mit Detektor ist im Folgenden eine Baugruppe bezeichnet, die einerseits Gehäuse, Anschlüsse etc. sowie andererseits mindestens ein Detektorelement, meist aber eine Vielzahl solcher Detektorelemente umfasst. Mit Detektorelement ist hier stets eine Baueinheit bezeichnet, die – sozusagen als Kernstück des Detektors – physikalisch den Nachweis der Röntgenstrahlen ermöglicht.One Computed Tomography (CT) usually includes a so-called gantry, at which an X-ray source (X-ray tube) and this radially opposite an (X-ray) detector are attached. Rotated as intended the gantry around an object to be screened, the emitted and in the transillumination of the object partially absorbed or scattered X-rays with the detector is detected. With detector is below one Subassembly referred to, on the one hand housing, connectors, etc. and on the other hand, at least a detector element, but usually a plurality of such detector elements includes. Detector element here always denotes a unit, the - so to speak as the centerpiece of the detector - physically the detection of X-rays allows.

Meist werden indirekt nachweisende Detektorelemente eingesetzt. Ein solches indirekt nachweisendes Detektorelement umfasst üblicherweise Szintillatoren, welche die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandeln, sowie Fotodioden zur Detektion des sichtbaren Lichts.Most of time indirectly detecting detector elements are used. Such indirectly detecting detector element usually comprises scintillators, which the x-rays into visible light, as well as photodiodes for the detection of the visible light.

Alternativ hierzu werden direktumwandelnde Detektorelemente für Röntgenstrahlung eingesetzt, die die von der Röntgenröhre ausgesandten Photonen (Quanten) direkt und einzeln nachweisen. Durch ein solches Detektorelement, das bei entsprechender Auslegung zur Zählung einzelner Röntgenquanten geeignet ist, eröffnet sich im Vergleich zu einem szintillatorbasierten Detektorelement die Möglichkeit, bei gleichbleibender Bildqualität eine Dosis-Reduktion für das durchleuchtete Objekt zu erreichen. Zudem ist mit einem direktumwandelnden De tektorelement ein energieauflösender Nachweis der Röntgenquanten möglich, wodurch ein solches Detektorelement vorteilhaft für einen Detektor einer sogenannten „Dual- oder Multi-Energy-CT” eingesetzt werden kann.alternative For this purpose, direct-converting detector elements for X-radiation inserted, which emitted by the X-ray tube Detect photons (quanta) directly and individually. By such Detector element, the corresponding design for counting individual X-ray quanta is suitable opened in comparison to a scintillator-based detector element the opportunity to join consistent picture quality a dose reduction for to reach the illuminated object. Moreover, with a direct conversion De tektorelement an energy dissolving Proof of the X-ray quanta possible, whereby such a detector element advantageous for a Detector of a so-called "dual or multi-energy CT " can be.

Ein direktumwandelndes Detektorelement umfasst normalerweise mindestens eine Halbleiter-Diode, üblicherweise aber eine Vielzahl solcher Dioden, in denen bei Absorption eines Röntgenquants ein elektrischer Ladungsimpuls erzeugt wird.One direct-converting detector element normally comprises at least a semiconductor diode, usually but a variety of such diodes, in which when absorbing a X-ray quantum an electric charge pulse is generated.

In herkömmlicher Bauform eines Detektorelements sind die Dioden durch einen Halbleiterkörper in Form einer flachen Scheibe gebildet, die auf ihren entgegengesetzten Flächenseiten zur Bildung eines pn-Übergangs unterschiedlich dotiert ist. Aus fertigungstechnischen Gründen ist die Stärke einer solchen Halbleiterscheibe auf wenige Millimeter begrenzt. Stärken im Sub-Millimeterbereich werden aber in der Regel bevorzugt. Normalerweise ist die Scheibe auf der einen Flächenseite einheitlich dotiert, während auf der anderen Flächenseite zur Bildung der einzelnen Dioden ein zweidimensionales Raster von diskreten dotierten Flächenabschnitten gebildet ist. Die Scheibe wird mit ihrer Flächenausdehnung üblicherweise quer zur Emissionsrichtung der Photonen angeordnet, so dass der pn-Übergang in Emissionsrichtung ausgerichtet ist.In conventional Design of a detector element are the diodes through a semiconductor body in Form of a flat disk formed on its opposite face sides to form a pn junction is doped differently. For manufacturing reasons the strenght limited such a wafer to a few millimeters. Strengthen in the sub-millimeter range but are usually preferred. Usually is the disc on one side of the surface uniformly doped while on the other surface side to form the individual diodes a two-dimensional grid of discrete doped surface sections formed is. The disc becomes common with its surface area arranged transversely to the emission direction of the photons, so that the pn junction in Emission direction is aligned.

Diese Ausführung eines Detektorelements hat eine Reihe von Nachteilen. So legen, bedingt durch die flache Bauart der Scheibe, die auftreffenden Photonen nur eine vergleichsweise geringe Wegstrecke im Halbleitermaterial zurück. Um dennoch eine hinreichend starke Röntgen-Absorption zu erreichen, muss nach üblicher Technik ein „schweres” Halbleitermaterial, z. B. eine Cadmium- und/oder Tellur-Verbindung, mit hohem Röntgenabsorptionskoeffizienten und entsprechend kurzer Absorptionslänge gewählt werden. Nachteilig für den Einsatz in einem Röntgendetektor ist aber die vergleichsweise schlechte Qualität dieser Materialien, insbesondere die vergleichsweise hohe Fehlstellenhäufigkeit, sowie die nur vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit.These execution a detector element has a number of disadvantages. How to lay due to the flat design of the disc, the incident photons only a comparatively small distance in the semiconductor material back. Nevertheless, to achieve a sufficiently strong X-ray absorption, must be after usual Technique a "heavy" semiconductor material, z. As a cadmium and / or tellurium compound, with high X-ray absorption coefficient and be selected according to short absorption length. Disadvantageous for use in an x-ray detector but is the comparatively poor quality of these materials, especially the comparatively high defect frequency, as well as the only comparatively low charge carrier mobility.

Aufgrund der beengten Platzverhältnisse erfolgt die Kontaktierung eines solchen Detektorelements üblicherweise flächig mittels sogenanntem „Bump-bonding”. Nachteiligerweise ist diese Kontaktierungsmethode aufwändig und vergleichsweise fehleranfällig.by virtue of the cramped space the contacting of such a detector element usually takes place flat by means of so-called "bump bonding". Unfortunately, This method of contacting is complex and relatively prone to error.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein direktumwandelndes Detektorelement anzugeben, das zur Detektion von Röntgenstrahlung, insbesondere in einem für Computertomographen üblichen Energiebereich von typischerweise 30 bis 140 keV, besonders geeignet ist.Of the Invention is based on the object, a direct-converting detector element to be specified for the detection of X-radiation, in particular in a for Computed tomography usual Energy range of typically 30 to 140 keV, particularly suitable is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist ein Detektorelement vorgesehen, das im Wesentlichen aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist, dessen schwerstes mit mehr als 1% Massenanteil vorkommendes Element aus der 4. Periode (Reihe) des Periodensystems gewählt ist. Solche Materialien sind besser verfügbar und in besserer Materialqualität erhältlich als die herkömmlich eingesetzten schweren Halbleitermaterialien, insbesondere Cadmium- und/oder Tellur-Verbindungen.These The object is achieved by The features of claim 1. Thereafter, a detector element is provided, which is essentially made of a semiconductor material, its heaviest with more than 1% by mass occurring element is selected from the 4th period (row) of the periodic table. Such materials are more readily available and available in better material quality than the conventional used heavy semiconductor materials, in particular cadmium and / or Tellurium compounds.

Da der Röntgen-Absorptionskoeffizient von Halbleitermaterialien erkanntermaßen mit der Ordnungszahl der enthaltenen Elemente korreliert, bedingt die Fertigung des Detektorelements aus einem „leichteren” Halbleitermaterial eine vergleichsweise große Absorptionslänge für die auftreffenden Photonen. Dieser Tatsache wird erfindungsgemäß Rechnung getragen, indem das Detektorelement im Wesentlichen aus einer Vielzahl von jeweils streifenförmigen Dioden aufgebaut ist, die mit ihrer Diodenlängsrichtung bestimmungsgemäß im Wesentlichen parallel zu der Emissionsrichtung der auftreffenden Röntgenquanten ausgerichtet sind. Demnach ist eine Stirnseite jeder Diode der Röntgenstrahlung zugewandt. Die Fläche dieser Stirnseite bildet somit ein für Röntgenstrahlung sensitives Pixel (d. h. einen diskreten Bildpunkt) des Detektorelements.Since the X-ray absorption coefficient of semiconductor materials is known to correlate with the atomic number of the elements contained, the fabrication of the detector element requires one "Lighter" semiconductor material has a comparatively long absorption length for the incident photons. This fact is taken into account according to the invention, in that the detector element is constructed substantially from a multiplicity of strip-shaped diodes which, with their diode longitudinal direction, are aligned, as intended, substantially parallel to the emission direction of the incident x-ray quanta. Accordingly, one end face of each diode faces the X-ray radiation. The surface of this end face thus forms a x-ray-sensitive pixel (ie, a discrete pixel) of the detector element.

Die einzelnen Dioden sind jeweils im Wesentlichen parallel zueinander längsseitig aneinandergereiht, und bilden somit eine (eindimensionale) Pixelzeile. Das (insgesamt im Wesentlichen flachquaderförmige) Detektorelement hat in bestimmungsgemäßer Orientierung bevorzugt seine längste und kürzeste Ausdehnung quer zur Emissionsrichtung, und eine mittlere Ausdehnung in Emissionsrichtung. Es ist – wenn man die Ausdehnung des Detektorelements in Emissionsrichtung als Höhe bezeichnet – vereinfacht ausgedrückt also „näher als breit”.The individual diodes are each substantially parallel to each other longitudinally strung together, thus forming a (one-dimensional) pixel line. The (generally substantially flat-quadrilateral) detector element has in the intended orientation prefers his longest and shortest Extension transverse to the emission direction, and an average extension in the direction of emission. It is - if one the extent of the detector element in the emission direction as Height designated - simplified expressed so "closer than wide".

Durch die Längsausrichtung der Dioden entlang der Emissionsrichtung werden die auftreffenden Photonen vorteilhafterweise über die Länge der Diode absorbiert. Da die einzeilig gefertigten Detektorelemente quer zur Emissionsrichtung und zur Zeilenrichtung von Haus aus nur eine vergleichsweise geringe Ausdehnung haben, ist die Realisierung einer vergleichsweise großen Höhe fertigungstechnisch unproblematisch. Insbesondere lassen sich in der erfindungsgemäßen Bauform mit vertretbarem Aufwand Höhen bis zu 100 mm erreichen. Hierdurch steht auch und gerade bei Verwendung „leichter” Halbleitermaterialien für die auftreffende Röntgenstrahlung ein ausreichender Absorptionsweg im Halbleitermaterial zur Verfügung.By the longitudinal alignment the diodes along the emission direction become the incident photons advantageously over the length the diode absorbs. Because the single-line detector elements transverse to the emission direction and to the row direction from house only have a comparatively small extent, is the realization a comparatively large one Height manufacturing technically unproblematic. In particular, can be in the design of the invention with justifiable Effort heights reach up to 100 mm. This is also and especially when using "lighter" semiconductor materials for the incident X-radiation a sufficient absorption path in the semiconductor material available.

Als besonders vorteilhaftes Halbleitermaterial für die Dioden hat sich Galliumarsenid (GaAs) herausgestellt. So zeichnet sich GaAs durch eine besonders gute Verfügbarkeit, sowie durch eine hohe Materialqualität in Bezug auf Fehlstellen sowie durch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus. Letztere ist in Bezug auf einen schnellen Photonen-Nachweis von Vorteil. Durch Simulationen konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung von GaAs als Halbleitermaterial eine Diodenlänge von 10 mm ausreicht, um die Absorptionseigenschaften einer herkömmlichen „schweren” Halbleiterdiode aus Cadmiumzinktellurid oder einem vergleichbaren Material zu erreichen.When Particularly advantageous semiconductor material for the diodes is gallium arsenide (GaAs) exposed. That's how GaAs stands out good availability, as well as a high material quality with respect to defects as well as a high charge carrier mobility out. The latter is in terms of fast photon detection of Advantage. By simulations could be shown that when using of GaAs semiconductor material as a diode length of 10 mm is sufficient to the Absorption properties of a conventional "heavy" semiconductor diode made of cadmium zinc telluride or to achieve a comparable material.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der pn-Übergang jeder Diode quer zur Diodenlängsrichtung ausgerichtet. Die entstehenden Ladungsträger driften somit in der Diode quer zu deren Längsausdehnung, sodass der „Driftweg” der Ladungsträger entsprechend kurz ist. Hierdurch wird vorteilhafterweise weitestgehend unterbunden, dass die entstandenen positiven und negativen Ladungsträger rekombinieren und somit nicht detektiert werden.In a preferred embodiment the invention is the pn junction each diode across the diode longitudinal direction aligned. The resulting charge carriers thus drift in the diode transverse to their longitudinal extent, so that the "drift path" of the charge carriers accordingly is short. This is advantageously largely prevented, that the resulting positive and negative charge carriers recombine and thus not detected.

Infolge des quer zur Diodenlängsrichtung orientierten pn-Übergangs und der vergleichsweise großen Diodenlänge nehmen die Anode und Kathode der Diode weiterhin vergleichsweise große Flächen ein. Die Dioden können daher durch sogenanntes konventionelles Bonding mittels eines Drahtes kontaktiert werden. Vorteilhafterweise können hier die einzelnen Kontakte überprüft und gegebenenfalls repariert werden.As a result the transverse to the diode longitudinal direction oriented pn junction and the comparatively large one diodes length continue to take the anode and cathode of the diode comparatively size Areas. The diodes can therefore by so-called conventional bonding by means of a wire be contacted. Advantageously, the individual contacts can be checked here and optionally to be repaired.

Vorzugsweise sind die einzelnen Dioden aus einem gemeinsamen, einstückigen Halbleiterkörper gebildet, der auf einer ersten Breitseite (insbesondere über die gesamte Fläche dieser Breitseite) homogen dotiert ist, und der auf der hierzu entgegengesetzten zweiten Breitseite in zueinander beabstandeten, parallelen, streifenförmigen Bereichen eine (zur Dotierung der ersten Breitseite) entgegengesetzte Dotierung aufweist. Durch die streifenförmig dotierten Bereiche ist somit der Halbleiterkörper in die einzelnen Dioden unterteilt.Preferably the individual diodes are formed from a common, one-piece semiconductor body, on a first broadside (especially over the entire surface of this Broadside) is homogeneously doped, and on the opposite thereto second broad side in spaced apart, parallel, strip-shaped areas a (opposite to the doping of the first broad side) opposite doping having. By the strip-shaped doped regions is thus the semiconductor body in the individual diodes divided.

In bevorzugter Dimensionierung weisen dabei die Dioden bezüglich der Flächenausdehnung ihrer jeweiligen Stirnseite eine (zwischen den beiden Breitseiten gemessene) Breite von 0.2 bis 1 mm, sowie eine (in Zeilenrichtung gemessene) Breite von etwa 0.03 bis 1 mm auf. Diese Ausdehnung bestimmt die Pixelgröße des Detektorelements.In preferred dimensioning in this case have the diodes with respect to the surface area their respective front side one (between the two broad sides measured) width of 0.2 to 1 mm, and a (in the row direction measured) width of about 0.03 to 1 mm. This expansion determines the Pixel size of the detector element.

Zweckmäßigerweise ist jede Diode zur Anlage einer Sperrspannung von etwa lediglich 50 bis 500 V, insbesondere 50 bis 200 V, ausgelegt. Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Dioden ist der Wert der Sperrspannung somit gegenüber herkömmlichen Sperrspannungen vorteilhafterweise wesentlich reduziert. So werden herkömmliche Detektorelemente im Vergleich hierzu üblicherweise mit Sperrspannungen von etwa 1000 V betrieben.Conveniently, is any diode to apply a reverse voltage of about only 50 to 500 V, in particular 50 to 200 V, designed. As a result of the embodiment according to the invention the diodes is the value of the reverse voltage thus compared to conventional Locking voltages advantageously substantially reduced. So be conventional Detector elements compared to this usually with reverse voltages operated by about 1000V.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Detektorelemente als Baueinheit in einem Detektormodul zusammengefasst. Dabei sind die einzelnen Detektorelemente derart aneinander gereiht, dass die jeweiligen Dioden insgesamt in einem zweidimensionalen Feld in Reihen und Spalten angeordnet sind. Die durch die jeweiligen Stirnseiten der einzelnen Dioden gebildeten Pixel sind demnach einerseits entlang des jeweiligen Detektorelements in einer Reihe angeordnet. Andererseits sind die Pixel durch mindestens zwei nebeneinander angeordnete Detektorelemente in mindestens zwei Spalten angeordnet.In A preferred embodiment of the invention are at least two Detector elements combined as a unit in a detector module. The individual detector elements are lined up in such a way, that the respective diodes in total in a two-dimensional Field are arranged in rows and columns. The by the respective Accordingly, the front sides of the individual diodes formed pixels are on the one hand arranged along the respective detector element in a row. On the other hand, the pixels are at least two adjacent arranged detector elements arranged in at least two columns.

Vorteilhafterweise sind in einem solchen Detektormodul jeweils zwei Detektorelemente miteinander verbunden, wobei diese einander jeweils mit ihrer homogen dotierten Breitseite, nachfolgend als „Rücken” bezeichnet, zugewandt sind. Bevorzugt ist für diese Detektorelemente ein gemeinsamer Kontakt vorgesehen, der zwischen den beiden einander zugewandten Breitseiten angebracht ist, und der vorteilhafterweise die beiden Detektorelemente gegeneinander abschirmt.advantageously, in each case two detector elements are in such a detector module connected to each other, each of them with their homogeneous doped broadside, hereinafter referred to as "back", facing. Preference is for this Detector elements provided a common contact between the two facing broad sides is attached, and the advantageously the two detector elements against each other shields.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Detektormodul zusätzlich einen aus einem Stapel von Kollimatorblechen gebildeten Streustrahlen-Kollimator auf. Dabei ist jeweils zwischen zwei parallelen Kollimatorblechen ein Zwischenraum gebildet, zu welchem fluchtend mindestens ein Detektorelement angeordnet ist. Sind wie oben beschrieben zwei Detektoreinheiten Rücken-an-Rücken zusammengefasst, so ist vorzugsweise jeweils ein solches Paar von Detektoreinheiten in einem zwischen zwei benachbarten Kollimatorblechen gebildeten Zwischenraum angeordnet. Es sind also bevorzugt jeweils zwischen zwei Kollimatorblechen zwei Reihen von Pixeln gebildet, auf die die Photonen im Wesentlichen senkrecht auftreffen.In a further advantageous embodiment of the invention the detector module in addition a stray beam collimator formed from a stack of collimator laminations on. In each case between two parallel Kollimatorblechen an intermediate space is formed, to which at least one detector element is aligned is arranged. Are as described above two detector units Back-to-back combined, so preferably each such a pair of detector units in a gap formed between two adjacent collimator laminations arranged. It is therefore preferred in each case between two Kollimatorblechen two rows of pixels formed on which the photons are essentially impinge vertically.

Zweckmäßigerweise überlappen sich die Kollimatorbleche und die Detektorelemente in Emissionsrichtung. Die Kollimatorbleche ragen dabei auf einer bestimmungsgemäß der Röntgenstrahlung zugewandten Innenseite über die Detektorelemente hinaus. Im Bereich der Überlappung verhindern die Kollimatorbleche, dass Photonen von einem Detektorelement auf das andere überspringen. Sogenannter „cross-talk” durch „Escape-Photonen” wird somit weitestgehend unterdrückt.Conveniently overlap the collimator plates and the detector elements in the emission direction. The Kollimatorbleche protrude on an intended of the X-rays facing inside over the detector elements out. In the area of overlap, the collimator plates prevent that photons skip from one detector element to the other. So-called "cross-talk" by "escape photons" is thus largely suppressed.

In einer besonders kompakten Bauform umfasst das Detektormodul eine integrierte Ausleseelektronik. Diese ist bestimmungsgemäß im Wesentlichen an einer von der auftreffenden Röntgenstrahlung abgewandten Außenseite der Detektorelemente angebracht.In a particularly compact design, the detector module comprises a integrated readout electronics. This is essentially intended at one of the incident X-rays opposite outside the detector elements attached.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:following is an embodiment of Invention explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 in schematischer, perspektivischer Darstellung einen Computertomographen mit einem Röntgendetektor, der eine Vielzahl von Detektormodulen mit jeweils mehreren Detektorelementen umfasst, 1 a schematic perspective view of a computed tomography with an X-ray detector comprising a plurality of detector modules, each with a plurality of detector elements,

2 in einer perspektivischen Darstellung eines der Detektorelemente, 2 in a perspective view of one of the detector elements,

3 in einer Draufsicht eines der Detektormodule aus 1 mit einem Kollimator, sowie mit mehreren Detektorelementen gemäß 2, und 3 in a plan view of one of the detector modules 1 with a collimator, and with several detector elements according to 2 , and

4 in einer Seitenansicht das Detektormodul gemäß 3. 4 in a side view of the detector module according to 3 ,

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.

In 1 ist in grob schematisch vereinfachter Darstellung ein Computertomograph 1 dargestellt.In 1 is a roughly schematically simplified representation of a computer tomograph 1 shown.

Der Computertomograph 1 umfasst eine im Wesentlichen ringförmige Gantry 2, die um eine isozentrische Achse I des Computertomographen 1 rotierbar ist (angedeutet durch einen Doppelpfeil 3). Durch die isozentrische Achse I ist eine Axialrichtung 4 definiert. Eine Tangentialrichtung 5 zeigt in Umfangsrichtung der Gantry 2.The computer tomograph 1 includes a substantially annular gantry 2 surrounding an isocentric axis I of the computer tomograph 1 is rotatable (indicated by a double arrow 3 ). Due to the isocentric axis I is an axial direction 4 Are defined. A tangential direction 5 shows in the circumferential direction of the gantry 2 ,

An der Gantry 2 ist einerseits eine Röntgenröhre 6 und andererseits – dieser im Wesentlichen radial gegenüberliegend – ein Detektor 7 zur Detektion der von der Röntgenröhre 6 ausgehenden Röntgenstrahlung bzw. Photonen 8 angebracht.At the gantry 2 on the one hand is an x-ray tube 6 and on the other hand - this substantially radially opposite - a detector 7 for detection of the X-ray tube 6 outgoing X-rays or photons 8th appropriate.

Bestimmungsgemäß wird ein Patient im Bereich der isozentrischen Achse I zu Durchleuchtungszwecken mithilfe einer Patientenliege 9 (innerhalb der Gantry 2) positioniert.A patient in the area of the isocentric axis I is intended for the purpose of fluoroscopy with the aid of a patient couch 9 (inside the gantry 2 ).

Der Detektor 7 ist aus einer Vielzahl von im Wesentlichen quaderförmigen Detektormodulen 10 aufgebaut. Jedes Detektormodul 10 umfasst wiederum eine Vielzahl von Detektorelementen 11 (2) zur Detektion der auftreffenden Photonen 8.The detector 7 is of a plurality of substantially cuboid detector modules 10 built up. Each detector module 10 again comprises a plurality of detector elements 11 ( 2 ) for detecting the incident photons 8th ,

Im dargestellten Montagezustand sind die einzelnen Detektormodule 10 bezüglich der Gantry 2 in Tangentialrichtung 5 in einer Reihe aneinandergesetzt. Jedes Detektormodul 10 ist mit einer Innenseite 12 der Röntgenröhre 6 zugewandt. Die Photonen 8 treffen dabei bestimmungsgemäß jeweils in einer Emissionsrichtung 13 in etwa rechtwinklig auf die Innenseite 12 auf.In the illustrated mounting state, the individual detector modules 10 concerning the gantry 2 in the tangential direction 5 put together in a row. Each detector module 10 is with an inside 12 the X-ray tube 6 facing. The photons 8th In doing so, they respectively meet in one emission direction 13 approximately at right angles to the inside 12 on.

2 zeigt den Aufbau eines der Detektorelemente 11 in perspektivischer Darstellung, stark schematisch vereinfacht. Dem Fachmann bekannte mögliche Details wie „Bias-Widerstände” und „Guard-Ringe” sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. 2 shows the structure of one of the detector elements 11 in perspective, greatly simplified schematically. The skilled person known possible details such as "bias resistors" and "guard rings" are not shown for clarity.

Zur Orientierung sind die Axialrichtung 4, die Tangentialrichtung 5, sowie die Emissionsrichtung 13 entsprechend der bestimmungsgemäßen Einbausituation nach 1 dargestellt.For orientation, the axial direction 4 , the tangential direction 5 , as well as the emission direction 13 according to the intended installation situation 1 shown.

Das Detektorelement 11 besteht im Wesentlichen aus einer etwa rechteckigen Platte, die durch einen einstückigen Halbleiterkörper 20 aus GaAs gebildet ist. Andere Halbleiterverbindungen, deren schwerstes Element aus der 4. Periode des Periodensystems stammt, sind jedoch auch denkbar. Bestimmungsgemäß ist der Halbleiterkörper 20 mit seiner Längsachse 21 parallel zur Axialrichtung 4 ausgerichtet, wobei die Emissionsrichtung 13 auf eine Schmalseite 22 zeigt. Der Halbleiterkörper 20 bzw. das Detektorelement 11 weist in Emissionsrichtung 13 eine Stärke (oder Höhe H) von 10 mm sowie eine Breite D von 0,2 mm auf.The detector element 11 consists essentially of an approximately rectangular plate, which is through a one-piece semiconductor body 20 is formed of GaAs. However, other semiconductor compounds whose heaviest element originates from the 4th period of the periodic table are also conceivable. The semiconductor body is intended 20 with its longitudinal axis 21 parallel to the axial direction 4 aligned, with the emission direction 13 on a narrow side 22 shows. The semiconductor body 20 or the detector element 11 points in the direction of emission 13 a thickness (or height H) of 10 mm and a width D of 0.2 mm.

An einer ersten großflächigen Breitseite 23 (in der Darstellung rechts) ist der Halbleiterkörper 20 im Bereich 24 über seine gesamte Fläche stark n-dotiert. Außerdem ist über die gesamte Fläche der Breitseite 23 eine (hier nicht dargestellte) Aluminiumschicht als Kathodenkontakt aufgebracht.On a first large broadside 23 (in the illustration on the right) is the semiconductor body 20 in the area 24 heavily n-doped over its entire surface. In addition, over the entire surface of the broadside 23 a (not shown here) aluminum layer applied as a cathode contact.

Auf der zur Breitseite 23 entgegengesetzten Breitseite 25 ist der Halbleiterkörper 20 in einer Vielzahl von streifenförmigen Bereichen 26 stark p-dotiert. Auch auf diese Bereiche 26 ist jeweils eine als Anodenkontakt wirkende Aluminiumschicht aufgebracht. Die Bereiche 26 sind jeweils parallel zueinander, jeweils mit einem Abstand a von 0,2 mm angeordnet, wobei jeder Streifen rechtwinklig zur Längsachse 21 (und damit bestimmungsgemäß entlang der Emissionsrichtung 13) ausgerichtet ist.On the to the broadside 23 opposite broadside 25 is the semiconductor body 20 in a variety of striped areas 26 heavily p-doped. Also on these areas 26 In each case, an aluminum layer acting as an anode contact is applied. The areas 26 are each arranged parallel to each other, each with a distance a of 0.2 mm, each strip perpendicular to the longitudinal axis 21 (and thus along the direction of emission 13 ) is aligned.

Durch die abschnittsweise Dotierung der Breitseite 25 ist der Halbleiterkörper 20 entlang seiner Längsachse 21 in eine Vielzahl von länglichen Dioden 27 unterteilt, deren Diodenlängsrichtung 28 wiederum jeweils entlang der Emissionsrichtung 13 ausgerichtet ist. Die Schmalseite 22 des Detektorelements 11 ist somit in eine Reihe von photonensensitiven Pi xeln 29 (jeweils mit einer Fläche von etwa 0,2 × 0,2 mm²) unterteilt.By the partial doping of the broadside 25 is the semiconductor body 20 along its longitudinal axis 21 in a variety of elongated diodes 27 divided, whose diode longitudinal direction 28 again along the emission direction 13 is aligned. The narrow side 22 of the detector element 11 is thus in a series of photon sensitive Pi xeln 29 (each with an area of about 0.2 × 0.2 mm ² ) divided.

Zur Detektion der Photonen 8 wird an jede Diode 27 eine Sperrspannung U von etwa 100 V angelegt, wodurch jeweils im Halbleiterkörper 20 (zwischen den dotierten Bereichen) eine Sperrschicht erzeugt wird. Durch die auftreffenden Photonen 8 werden in der Sperrschicht Ladungsträger (Elektronen und „Löcher) erzeugt, die durch die angelegte Sperrspannung U in Richtung der Breitseiten 23 bzw. 25 driften und dort mittels einer ebenfalls dort angeschlossenen Ausleseelektronik 30 (4) registriert werden können.For the detection of photons 8th gets to every diode 27 a blocking voltage U of about 100 V is applied, whereby in each case in the semiconductor body 20 (between the doped regions) a barrier layer is created. Through the impinging photons 8th In the barrier layer, charge carriers (electrons and "holes") are generated by the applied blocking voltage U in the direction of the broad sides 23 respectively. 25 drift and there by means of a reading electronics also connected there 30 ( 4 ) can be registered.

Durch die Längsausrichtung der Dioden 27 entlang der Emissionsrichtung 13 steht den Photonen 8 ein zur Detektion ausreichend langer Absorptionsweg zur Verfügung, auch dann wenn das Detektorelement 11 zur Detektion von Photonen eingesetzt wird, die für die CT übliche Photonen-Energien aufweisen.Due to the longitudinal alignment of the diodes 27 along the emission direction 13 stands the photons 8th a sufficiently long for absorption detection absorption path available, even if the detector element 11 is used for the detection of photons, which have the usual photon energies for CT.

In 3 ist eines der Detektormodule 10 gemäß 1 in einer schematischen Draufsicht auf seine Innenseite 12 dargestellt.In 3 is one of the detector modules 10 according to 1 in a schematic plan view of its inside 12 shown.

Das Detektormodul 10 umfasst neben einer Vielzahl von Detektorelementen 11 gemäß 2 einen (Streustrahlen)-Kollimator 31, der im Wesentlichen aus einem Stapel von parallel zueinander angeordneten Kollimatorblechen 32 gebildet ist.The detector module 10 includes in addition to a plurality of detector elements 11 according to 2 a (stray) collimator 31 essentially consisting of a stack of parallel collimator plates 32 is formed.

In Tangentialrichtung 5 sind hierbei jeweils zwischen zwei Kollimatorblechen 32 schmale Zwischenräume 33 gebildet. In diesen Zwischenräumen 33 ist jeweils ein Detektorpaar 34 angeordnet. Jedes Detektorpaar 34 ist durch jeweils zwei Detektorelemente 11 gebildet, die jeweils an ihrer homogen dotierten Breitseite 23 miteinander verbunden sind. Die Detektorpaare 34 sind jeweils fluchtend mit den Zwischenräumen 33 angeordnet, wobei jeweils die Schmalseite 22 der Innenseite 12 zugewandt ist. Somit bilden die Schmalseiten 22 der Detektorelemente 11 auf der Innenseite 12 im Wesentlichen eine recht eckige Detektorfläche, die mit in einer Arraystruktur angeordneten Pixeln 29 bedeckt ist.In tangential direction 5 are each between two Kollimatorblechen 32 narrow spaces 33 educated. In these spaces 33 is in each case a detector pair 34 arranged. Each detector pair 34 is by two detector elements each 11 formed, each at their homogeneously doped broadside 23 connected to each other. The detector pairs 34 are each aligned with the spaces 33 arranged, in each case the narrow side 22 the inside 12 is facing. Thus, the narrow sides form 22 the detector elements 11 on the inside 12 essentially a rectangular detector surface, with pixels arranged in an array structure 29 is covered.

In 4 ist wiederum in schematisch stark vereinfachter Darstellung das Detektormodul 10 in einer Seitenansicht in Blickrichtung der Axialrichtung 4 gezeigt.In 4 again is the detector module in a schematically greatly simplified representation 10 in a side view in the direction of the axial direction 4 shown.

Hier wird ersichtlich, dass sich die Kollimatorbleche 32 und die Detektorelemente 11 in Emissionsrichtung 13 teilweise überlappen, wobei die Kollimatorbleche 32 zur Innenseite 12 versetzt sind, während die Detektorelemente 11 zur dazu entgegengesetzten Außenseite 40 des Detektormoduls 10 versetzt sind.Here you can see that the collimator plates 32 and the detector elements 11 in the direction of emission 13 partially overlap, with the collimator plates 32 to the inside 12 are offset while the detector elements 11 to the opposite outside 40 of the detector module 10 are offset.

Auf der Außenseite 40 ist die – hier nur sehr grob schematisch angedeutete – Ausleseelektronik 30 in das Detektormodul 10 integriert. Über diese erfolgt sowohl die Spannungsversorgung als auch die Auslese der Detektorelemente 11. Hierzu werden die Detektorelemente 11 über ein sogenanntes „konventionelles Bonding” mithilfe von Drähten kontaktiert. Dabei erfolgt die Spannungsversorgung (hier exemplarisch für ein Detektorpaar 34 dargestellt) einerseits jeweils über einen gemeinsamen Kontakt 42 (jeweils auf der Breitseite 23 zwischen zwei Detektorelementen 11) sowie über eine Vielzahl von Kontakten 43, die jeweils in den Bereichen 26 an der Breitseite 25 des jeweiligen Detektorelements 11 angebracht sind.On the outside 40 is the - here only very roughly schematically indicated - readout electronics 30 into the detector module 10 integrated. These are used to supply both the voltage and the readout of the detector elements 11 , For this purpose, the detector elements 11 contacted via a so-called "conventional bonding" using wires. In this case, the voltage supply (here exemplarily for a detector pair 34 shown) on the one hand in each case via a common contact 42 (each on the broadside 23 between two detector elements 11 ) as well as a large number of contacts 43 , respectively in the fields 26 on the broadside 25 of the respective detector element 11 are attached.

Claims

Direct conversion detector element ( 11 ) for X-radiation, in particular a detector ( 7 ) for a computer tomograph ( 1 ), which essentially by a one-dimensional, parallel, longitudinal side stringing of strip-shaped Diodes ( 27 ), each diode ( 27 ) in the intended installation situation of the detector element ( 11 ) with its diode longitudinal direction ( 28 ) along an emission direction ( 13 ), and - each diode ( 27 ) is essentially made of a semiconductor material whose heaviest occurring with more than 1% by weight of the element from the 4th period of the periodic table is selected.

Detector element ( 11 ) according to claim 1, wherein each diode ( 27 ) is made essentially of gallium arsenide.

Detector element ( 11 ) according to claim 1 or 2, wherein each diode ( 27 ) one transverse to the diode longitudinal direction ( 28 ) aligned pn junction.

Detector element ( 11 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the diodes ( 27 ) in one piece from a common semiconductor body ( 20 ) are formed, on the one hand on a first broadside ( 23 ) is homogeneously doped, and on the other hand on the first broadside ( 23 ) opposite second broadside ( 25 ) in mutually spaced, parallel, strip-shaped areas ( 26 ) (for doping the first broadside ( 23 ) opposite) is doped.

Detector element ( 11 ) according to one of claims 1 to 4, wherein each diode ( 27 ) is designed for a reverse voltage (U) of about 50 to 500 volts.

Detector module ( 10 ) with at least two detector elements ( 11 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the individual detector elements ( 11 ) are arranged in such a way that the individual diodes ( 27 ) are arranged overall in a two-dimensional field in rows and columns.

Detector module ( 10 ) according to claims 4 and 6, wherein in each case two detector elements ( 11 ) each at their homogeneously doped broadsides ( 23 ) are interconnected.

Detector module ( 10 ) according to claim 7, with at least one common power supply ( 42 ), each between two interconnected detector elements ( 11 ) is arranged.

Detector module ( 10 ) according to one of claims 6 to 8, with a stray beam collimator ( 31 ) from a stack of collimator plates ( 32 ), in each case between two Kollimatorblechen ( 32 ) a gap ( 33 ), and wherein in each space ( 33 ), substantially in alignment therewith, in each case at least one detector element ( 11 ), preferably in each case two detector elements ( 11 ) are arranged.

Detector module ( 10 ) according to claim 9, wherein the collimator plates ( 32 ) and the detector elements ( 11 ) in the emission direction ( 13 ) overlap.

Detector module ( 10 ) according to one of claims 6 to 10, with an integrated read-out electronics ( 30 ), which are substantially at an outside of the intended purpose of the incident X-ray radiation ( 40 ) of the detector elements ( 11 ) is attached.