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Die Erfindung betrifft eine Wandlerschicht zur direkten Wandlung einer einfallenden Strahlung in elektrische Ladungsträger. Die Erfindung betrifft ferner einen Strahlungsdetektor mit einer solchen Wandlerschicht, sowie eine Strahlungserfassungseinrichtung mit einem solchen Strahlungsdetektor.
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Direkt konvertierende Strahlungsdetektoren ermöglichen eine quantitative und energieselektive Erfassung einzelner Quanten einer Strahlung, beispielsweise einer Röntgen- oder Gammastrahlung. Bei dieser Art der Strahlungsdetektoren erzeugt ein eintreffendes Quant in einer Wandlerschicht aufgrund von zum Teil mehrstufigen physikalischen Wechselwirkungsprozessen mit einem Halbleitermaterial freie Ladungsträger in Form von Elektron-Loch-Paaren. Zur Detektion von Röngtenquanten eignen sich beispielsweise Halbleitermaterialen in Form von CdTe, CdZnTe, CdTeSe oder CdZnTeSe, da diese Materialen eine hohe Röntgenabsorption in dem Energiebereich der medizinischen Bildgebung aufweisen.
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Zum Nachweis der zu einem Quant korrespondierenden Quantenabsorptionsereignisse sind an den beiden Seiten der Wandlerschicht Elektroden angebracht, an denen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes eine Spannung angelegt wird. In dem elektrischen Feld werden die freigesetzten Ladungsträger je nach Ladungsart und Polung zu den Elektroden beschleunigt und influenzieren auf diese Weise an den Elektroden Ströme, welche als elektrisches Signal erfasst und ausgelesen werden können. Die ortsaufgelöste Erfassung der Quantenabsorptionsereignisse erfolgt dabei durch eine Pixelierung der einen Elektrode, die auch als Pixelelektrode bezeichnet wird. Die der Pixelelektrode gegenüberliegend angeordnete Elektrode wird üblicherweise als Gegenelektrode bezeichnet.
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Ein solcher Strahlungsdetektor ist beispielsweise aus der
EP 1 120 833 A2 für den Einsatz in humanmedizinischen Röntgengeräten bekannt. Zur Vermeidung eines für den Menschen gesundheitsschädlichen direkten Kontakts mit dem für die Konvertierung von Röntgenquanten in freie Ladungsträger eingesetzten anorganischen Halbleitermaterial, wird die Wandlerschicht aus einer organischen Halbleitermaterialschicht hergestellt, in welcher Partikel des anorganischen Halbleitermaterials eingebettet sind. Aus der
EP 1 758 177 A1 ist ein direkt konvertierender Strahlungsdetektor in einer weiteren Ausbildung bekannt. Die zum Aufbau des Strahlungsdetektors eingesetzte Wandlerschicht auf Basis von amorphem Selenid oder Bleiiodid weist zur Steigerung der Sensitivität gegenüber Strahlenquanten einen Überschuss an Halogen auf. Dabei werden die Herstellungsparameter und die Beimischung des Halogens so gewählt, dass Partikelbildung möglichst vermieden wird. Darüber hinaus ist aus der
JP 2004 128151 A ein Verfahren zur Herstellung einer Wandlerschicht auf Basis von Cadmiumselenid bekannt, bei welchem während des Schichtwachstums an den Korngrenzen Saustoff absorbiert wird. Hierdurch erhöht sich insbesondere die Strahlenwandlungseffizienz.
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Bei den bekannten direkt konvertierenden Strahlungsdetektoren treten jedoch entscheidende Nachteile auf:
Einige Halbleitermaterialien besitzen eine kleine Bandlückenenergie, was mit einem geringen ohmschen Widerstand verbunden ist. Ein daraus hergestellter direkt konvertierender Strahlungsdetektor würde aufgrund der zwischen den Elektroden angelegten hohen Spannung einen Dunkel- bzw. Leckstrom aufweisen, was zu einer Reduzierung der Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors bzw. zu einer Reduzierung des Signal- zu Rauschverhältnisses führt. Germanium basierte Strahlungsdetektoren müssen daher zur Minimierung des Dunkelstroms aktiv gekühlt werden. Dies schränkt jedoch die Verwendung eines solchen Detektors, insbesondere bei Verwendung in einem kommerziellen Produkt, stark ein.
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Darüber hinaus weisen sämtliche Halbleitermaterialien herstellungsbedingt einzelne Störstellen auf, wie z. B. Vakanzen oder Zwischengitteratome, aufgrund derer die freigesetzten Ladungsträger demobilisiert, d. h. verlangsamt oder eingefangen, werden. Dadurch steigt die mittlere Verweildauer der Ladungsträger im Halbleitermaterial. Das führt zu sogenannten Polarisationseffekten, durch welche das zwischen der Gegenelektrode und den Pixelelektroden ausgebildete elektrische Feld abgeschwächt wird. Polarisationseffekte vermindern die Trennungseffizienz der freigesetzten Ladungsträger und sind für eine Verbreiterung des detektierten elektrischen Signals verantwortlich. Hierdurch besteht die Gefahr, dass Signale von zeitlich dicht hintereinander eintreffenden Quanten so überlagert werden, dass eine Trennung der Ereignisse nicht mehr möglich ist. Dies führt zu Fehlinterpretationen des beobachteten Signals, so dass Zählraten und Energiezugehörigkeiten verfälscht werden.
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Die bisher bekannten direkt konvertierenden Strahlungswandlermaterialien eignen sich insbesondere aufgrund dieser Polarisationseffekte somit nur sehr eingeschränkt zur Detektion von Quantenabsorptionsereignissen bei vergleichsweise hohen Quantenflussraten, beispielsweise von mehr als 108 Röntgenquanten/(mm2·s), wie sie in der Röntgen-Computertomografie, insbesondere der humanmedizinischen Röntgen-Computertomografie üblich sind.
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Ausgehend davon soll eine Wandlerschicht zur direkten Wandlung einer eintreffenden Strahlung in elektrische Ladungsträger bereitgestellt werden, mit der einzelne Quantenabsorptionsereignisse bei hohen Quantenflussraten in verbesserter Form quantitativ und bedarfsweise energieselektiv erfasst werden können.
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Ferner sollen ein entsprechender Strahlungswandler, ein Strahlungsdetektor sowie eine Strahlungserfassungseinrichtung bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wandlerschicht gemäß den Merkmalen des Anspruch 1, sowie durch einen Strahlungswandler und eine Strahlungserfassungseinrichtung mit Merkmalen von den nebengeordneten Ansprüchen 10 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weitergestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Wandlerschicht für einen Strahlungswandler zur direkten Wandlung einer eintreffenden Strahlung in elektrische Ladungsträger ist aus einem Halbleitermaterial hergestellt, wobei in dem Halbleitermaterial Partikel eingeschlossen sind, welche so angeordnet sind, dass bezogen auf eine Flächeneinheit eine über die Dicke der Wandlerschicht projizierte Gesamtfläche der Partikel im Verhältnis zu der betrachteten Flächeneinheit größer 0,2%, vorzugsweise größer 0,3%, vorzugsweise größer 0,5% ist, wobei die Partikel metallische Eigenschaften aufweisen. Die Partikel repräsentieren in diesem Fall Metall- oder Halbmetallobjekte und zeichnen sich dadurch aus, dass sie über eine gewisse Leitfähigkeit verfügen. Die bei Strahlungseinfall und vorhandenem elektrischem Feld erzeugten lokalen Raumladungen im Bereich des Partikels und der durch ihnen verursachten durch Gitterdefekte und Störstellen sind in diesem Fall besonders stark ausgeprägt.
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Zu den verwendeten Begrifflichkeiten sei Folgendes erklärend ausgeführt:
Unter Flächeneinheit wird in diesem Zusammenhang eine Fläche einer bestimmten Größe verstanden, die einen Teil oder die Gesamtfläche der aktiven Seite der Wandlerschicht überdeckt. Die aktive Seite entspricht dabei der Seite der Wandlerschicht, über die die Strahlung in die Wandlerschicht eintritt. Die Fläche hat vorzugsweise aber nicht notwendigerweise konkret die Dimension eines Detektorelementes bzw. eines Elementes einer für die Wandlerschicht vorgesehenen Pixelelektrode. Entscheidend bei der Wahl der Dimension der Flächeneinheit ist lediglich, dass die projizierte Fläche eines einzelnen Partikels im Vergleich zur betrachteten Flächeneinheit klein ist. Das Verhältnis dieser Flächen zueinander wird auch als Flächendichte bezeichnet. In der Praxis würde man eine Obergrenze für diese Flächendichte von ungefähr 5% wählen.
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Die Projektion erfolgt über die Dicke der Wandlerschicht. Im Falle des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Wandlerschicht erfolgt die Projektion also aus Richtung der eintreffenden Strahlung.
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Die projizierte Gesamtfläche der Partikel ist die Summe der beobachteten Projektionsflächen der Partikel, die sich in dem durch eine Projektion der Flächeneinheit erfassten Volumenabschnitt der Wandlerschicht befinden.
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Unter Strahlung wird jegliche Art von Strahlung verstanden, die sich zur Freisetzung von Ladungsträgern in einem Halbleitermaterial eignen, wie beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlung.
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Elektrische Ladungsträger in Halbleitermaterialien werden üblicher Weise auch als Elektronen und Löcher bezeichnet.
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Die Erfinder haben erkannt, dass ein gezieltes Einbringen von Partikeln in das Halbleitermaterial einer Wandlerschicht über die Grenze einer herstellungsbedingten Verunreinigung hinaus überraschender Weise dazu führt, dass beim Einsatz in einem direkt konvertierenden Strahlungsdetektor die zu einem Quant korrespondierenden elektrischen Signale gegenüber den bisherigen Lösungen einen schmaleren Signalverlauf mit einer höheren Signalamplitude aufweisen.
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Die bisher bekannten Wandlerschichten wurden dahingehend optimiert, dass möglichst wenige Partikel bzw. Verunreinigungen in dem Halbleitermaterial vorhanden sind. Dieser im Vergleich zur vorliegenden Erfindung umgekehrte Optimierungsansatz wurde gewählt, um die Anzahl der durch das Einbringen der Partikel verursachten Gitterdefekte bzw. Störstellen minimal und die Polarisationseffekte möglichst gering zu halten. Es wurde jedoch im Rahmen dieser Erfindung erkannt, dass die Partikel bei gewisser Größe und gewisser Verteilung gegenüber den genannten Nachteilen einen weit aus größeren Positiven Effekt auf die Signalgebung haben.
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Durch den schmalen Signalverlauf sind die zeitlich dicht hintereinander eintreffenden Quanten besser trennbar, da die Gefahr einer Signalüberlagerung reduziert ist. Daher eignet sich ein solcher Strahlungsdetektor insbesondere für den Einsatz bei vergleichsweise hohen Quantenflussraten, bei denen eine hohe zeitliche Auflösung verschiedener Absorptionsprozesse notwendig ist. Durch die vergleichsweise höheren Signalamplituden sind darüber hinaus eine Detektion mit einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis und eine verbesserte Form der energieselektiven Erfassung der Quanten möglich, bei der die Energiezugehörigkeit üblicherweise mittels eines Schwellwertvergleichs auf das erfasste Signal ermittelt wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Wandlerschicht werden somit die Voraussetzungen zur exakteren quantitativen und energieselektiven Erfassung von Quanten einer Strahlung auch bei hohen Quantenflussraten geschaffen.
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Eine signifikante Verbesserung der Signalverläufe, d. h. eine Verkürzung der Signaldauer und eine Erhöhung der Signalamplituden im Vergleich zu bekannten Wandlerschichten ergibt sich bereits für den Fall, dass bezogen auf die Flächeneinheit eine über die Dicke der Wandlerschicht projizierte Gesamtfläche der Partikel im Verhältnis zu der betrachteten Flächeneinheit größer 0,2% ist. Darüber hinausgehende signifikante Verbesserungen werden überraschender Weise bei einem Flächenverhältnis größer 0,3%, noch bessere Signalverläufe bei einem Flächenverhältnis größer 0,5% erzielt.
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Jedes Partikel erzeugt dabei in dem Halbleitermaterial Gitterdefekte, durch welche sich bei Strahlungseinfall und vorhandenem elektrischem Feld lokale Raumladungen ausbilden können. Darüber hinaus können sich die Partikel selbst aufladen. Dies führt zu einer Feldüberhöhung an den Oberflächen und Kanten der Partikel und zu einer Erhöhung der Feldliniendichte im Bereich der Elektroden. Die freien Ladungsträger werden aus diesem Grund in diesem Bereich im Vergleich zu den bisher bekannten Wandlerschichten stärker beschleunigt und influenzieren auf den Elektroden kürzere und stärkere Ströme, was wiederum den positiven Effekt eines vergleichsweise schmalen Signals mit hoher Signalamplitude zur Folge hat.
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Das Einbringen von zusätzlichen Partikeln in das Halbleitermaterial hat neben der signalverbessernden Wirkung zusätzlich den Vorteil, dass die Festigkeit der Wandlerschicht erhöht wird. Durch diese verbesserte mechanische Eigenschaft des Halbleitermaterials ist eine einfachere und somit kostengünstigere Bearbeitung des Materials möglich.
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Die Partikel enthalten vorzugsweise zumindest ein chemisches Element aus der folgenden Gruppe: Te, Cd, Zn, Mn, S, Se. Die genannten Elemente können in Alleinstellung verwendet werden. Es kommen jedoch auch beliebige Kombinationen der vorgenannten Dotierstoffe in Betracht. Derartige chemische Elemente werden bei der Mikroelektronik (Transistoren, Speicherbausteinen, Prozessoren, usw.) und bei der Optoelektronik (LEDs, Laserdioden, usw.) eingesetzt und sind daher leicht verfügbar, sodass sich die Partikel kostengünstig bei gleichzeitig geringem Aufwand herstellen und in die Wandlerschicht integrieren lassen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist zumindest eine erste Teilmenge der Partikel eine Größenverteilung mit einem ersten Mittelwert nicht größer als 10 μm, vorzugsweise nicht größer als 5 μm, in einer noch vorteilhafteren Variante nicht größer als 2 μm auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest eine zweite Teilmenge der Partikel eine Größenverteilung mit einem zweiten Mittelwert nicht größer als 20 μm, vorzugsweise nicht größer als 15 μm, noch vorteilhafter nicht größer als 10 μm aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist zumindest eine dritte Teilmenge der Partikel eine Größenverteilung mit einem dritten Mittelwert nicht größer als 50 μm, vorzugsweise nicht größer als 25 μm, noch vorteilhafter nicht größer als 15 μm auf.
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Für derartige Partikelgrößen sind die erzielten positiven Effekte bezüglich der erfassten Signalverläufe im Vergleich zu den negativen Effekten, welche mit dem Einbringen der Partikel verbunden sind, besonders groß. Mit zunehmender Größe der Partikel steigt nämlich die Gefahr einer höheren Rekombinationsrate bzw. einer höheren Demobilisierung von freigesetzten Ladungsträgern an den Gitterdefekten oder Störstellen der Partikel, was dem aufgezeigten Vorteil eines schmalen Signalverlaufs entgegensteht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass einzelne große Partikel in dem Halbleitermaterial das erzielte Gesamtergebnis nicht negativ beeinflussen und daher toleriert werden können. Derartige Partikelgrößenverteilungen sind darüber hinaus unter Einsatz bekannter Herstellungsverfahren mit geringem Aufwand erzeugbar.
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Neben einer monomodalen Partikelgrößenverteilung kann auch vorzugsweise eine bimodale Verteilung der Partikelgrößen vorgesehen sein, wobei die Anzahl der Partikel der ersten Teilmenge im Vergleich zu der Anzahl der Partikel der dritten Teilmenge 10-fach, vorzugsweise 100-fach, vorzugsweise 1000-fach, vorzugsweise 10000-fach größer ist.
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Weiterhin ist ebenso eine trimodale Verteilung der Partikelgrößen vorteilhaft, bei der die Anzahl der Partikel der ersten Teilmenge im Vergleich zu der Anzahl der Partikel der zweiten und der dritten Teilmenge 10-fach, vorzugsweise 100-fach, vorzugsweise 1000-fach, vorzugsweise 10000-fach größer ist.
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Derartige Häufigkeitsverteilungen der Partikel in dem Halbleitermaterial sind bei den bekannten Herstellungsverfahren, z. B. im Rahmen eines Kristall-Wachtumsprozesses, auf einfache Weise erzeugbar.
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Das Halbleitermaterial ist vorzugsweise ein Material aus der folgenden Gruppe: CdZnMnTeSe, CdZnMnTeO, CdZnMnTeS. Prinzipiell eignen sich sämtliche II-VI-Gruppen Halbleiter. Wesentlich dabei ist, dass die Materialen eine hohe Kernladungszahl und somit hohe Absorptionseigenschaften gegenüber Röntgenstrahlung in dem Energiebereich der bildgebenden Medizintechnik aufweisen.
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In einem Schichtbereich an einer ersten Seite der Wandlerschicht liegt vorzugsweise eine höhere Verteilungsdichte der Partikel vor als in der übrigen Wandlerschicht, wobei die erste Seite der Wandlerschicht zum Anordnen einer pixelierten, positiv geladenen Elektrode vorgesehen ist. Aufgrund einer im Vergleich zu den Löchern höheren Mobilität der Elektronen und aufgrund der Pixelierung der positiv geladenen Elektrode tragen zur Signalentstehung im Wesentlichen nur diejenigen Elektronen bei, die in einem Bereich unmittelbar vor dieser Elektrode beschleunigt werden. Dieser Effekt ist auch unter dem Begriff ,Small-Pixel-Effekt' bekannt. Eine höhere Feldliniendichte in diesem Bereich und eine damit verbundene Signalverbesserung kann insbesondere durch Partikel erzeugt werden, die in dem zu dieser Elektrode nahen Schichtbereich angeordnet sind. Die Feldlinienerhöhung entsteht dabei dadurch, dass die Partikel in dem Schichtbereich des Halbleitermaterials bei Strahlungseinfall und an den von ihnen verursachten Gitterdefekten bzw. Störstellen eine negative lokale Raumladung ausbilden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, der eine zuvor beschriebene Wandlerschicht umfasst, wobei auf einer ersten Seite der Wandlerschicht zumindest eine Pixelelektrode und auf einer der ersten Wandlerschicht gegenüberliegenden zweiten Seite der Wandlerschicht eine Gegenelektrode angeordnet sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strahlungserfassungseinrichtung, insbesondere Computertomographiegerät, die einen solchen Strahlungsdetektor umfasst.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in zum Teil perspektivischer und zum Teil blockartiger Darstellung eine Strahlungserfassungseinrichtung in Form eines Computertomographiegerätes mit einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor,
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2 in Querschnittdarstellung einen ersten erfindungsgemäßen Strahlungswandler,
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3 einen Ausschnitt des Strahlungswandlers aus 2 im Bereich der Pixelelektroden,
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4 einen zweiten Strahlungswandler in einem Schnitt senkrecht zur ersten Seite der Wandlerschicht mit einer monomodalen Partikelgrößenverteilung im Bereich der Pixelelektroden,
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5 einen dritten Strahlungswandler in einem Schnitt senkrecht zur ersten Seite der Wandlerschicht mit einer bimodalen Partikelgrößenverteilung im Bereich der Pixelelektroden,
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6 einen vierten Strahlungswandler in einem Schnitt senkrecht zur ersten Seite der Wandlerschicht mit einer trimodalen Partikelgrößenverteilung im Bereich der Pixelelektroden,
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7 eine erste Wandlerschicht in einem Schnitt parallel zur ersten Seite der Wandlerschicht mit einer monomodalen Partikelgrößenverteilung,
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8 eine zweite Wandlerschicht in einem Schnitt parallel zur ersten Seite der Wandlerschicht mit einer bimodalen Partikelgrößenverteilung, und
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9 eine dritte Wandlerschicht in einem Schnitt parallel zur ersten Seite der Wandlerschicht mit einer trimodalen Partikelgrößenverteilung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur, wie beispielsweise bei Partikeln einer bestimmten Größe oder Pixelelektroden, ist jeweils nur ein Element aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu, wobei Maßstäbe zwischen den Figuren variieren können.
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In der 1 ist in zum Teil perspektivischer, zum Teil blockschaltartiger Sicht eine Strahlungserfassungseinrichtung 16 in Form eines Computertomographiegerätes dargestellt. Das Computertomographiegerät 16 umfasst einen Patientenlagerungstisch 17 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten. Es umfasst ferner eine nicht dargestellte Gantry mit einem um eine Systemachse 18 drehbar gelagerten Aufnahmesystem 1, 19. Das Aufnahmesystem 1, 19 weist eine Röntgenröhre 19 und einen direkt konvertierenden Strahlungsdetektor 1 auf, die zueinander so gegenüberliegend ausgerichtet sind, dass eine im Betrieb von dem Fokus 20 der Röntgenröhre 19 ausgehende Röntgenstrahlung 4 auf den Strahlungsdetektor 1 trifft. Der Strahlungsdetektor 1 weist dabei mehrere in φ-Richtung aufgereihte Strahlungswandler 2 auf, die Module bilden und zur Wandlung der in den Strahlungswandler 2 eintreffenden Röntgenstrahlung 4 in elektrische Signale in Reihen und in Spalten angeordnete Detektorelemente 21 aufweist.
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Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet werden bei Rotation des Aufnahmesystems 1, 19 um die Systemachse 18 Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst, wobei zu jeder Projektion der Strahlungsdetektor 1 aus den von den Detektorelementen 21 erfassten elektrischen Signalen einen Satz von Rohdaten liefert. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation des Aufnahmesystems 1, 19 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patientenlagerungstisches 17 in Richtung der Systemachse 18. Die Röntgenröhre 19 und der Strahlungsdetektor 1 bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn 22 um den Patienten. Die auf diese Weise generierten Rohdaten werden in einem Sequenzer serialisiert und anschließend an einen Bildrechner 23 übertragen. Der Bildrechner 23 enthält eine Rekonstruktionseinheit 24, die aus den Rohdaten Bilddaten, z. B. in Form eines Schnittbildes von dem Patienten, nach einem dem Fachmann an sich bekannten Verfahren rekonstruiert. Die so generierten Bilddaten werden in einem Speicher 25 gespeichert und können auf einer an den Bildrechner 23 angeschlossenen Anzeigeeinheit 26, z. B. einem Videomonitor, angezeigt werden.
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Bei den Strahlungswandlern 2, so wie sie beispielsweise in den 2, 4 bis 6 gezeigt werden, handelt es sich um Direktwandlermodule, bei welchen die Röntgenstrahlung 4 in einer Wandlerschicht 3 unmittelbar, d. h. ohne Umweg über eine Konvertierung in sichtbares Licht, in elektrische Ladungsträger 5 gewandelt wird. Zur Erzielung eines kurzen elektrischen Signals in Reaktion auf ein in die Wandlerschicht 3 eintreffendes Röntgenquant weist die Wandlerschicht 3 in einer nachfolgend beschriebenen Ausgestaltung ein Halbleitermaterial 6 mit eingeschlossenen Partikeln 7, 8, 9 auf.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Strahlungswandlers 2 einer bestimmten Dicke 29. Der Strahlungswandler 2 umfasst eine Wandlerschicht 3 zur unmittelbaren Wandlung der Röntgenstrahlung 4 in elektrische Ladungsträger 5. Die Wandlerschicht 3 ist aus einem Halbleitermaterial 6 basierend auf Cd, Zn, Te, Se Systemen, beispielsweise aus CdZnTe, CdZnMnTeSe, CdZnMnTeO oder CdZnMnTeS, hergestellt.
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Auf einer ersten Seite 12 der Wandlerschicht 3 sind mehrere Pixelelektroden 14 angebracht. Die jeweils für einen Strahlungsdetektor 1 optimale Anzahl der Pixelelektroden 14 hängt u. a. von der jeweils gewünschten Ortsauflösung, Trennungseffizienz für die Ladungsträger 5 und selbstverständlich von der gewünschten Größe des Strahlungswandlers 2 an sich ab. Auf einer der ersten Seite 12 gegenüber liegenden zweiten Seite 13 der Wandlerschicht 3 ist eine Gegenelektrode 15 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist die Gegenelektrode 15 als Flächenelektrode ausgebildet. Die Gegenelektrode 15 könnte jedoch auch pixeliert, streifenförmig und/oder gitterförmig ausgestaltet sein.
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Es sind auch andere Anordnungen der Flächenelektrode 15 und der Pixelelektroden 14 denkbar. Die Elektroden 14, 15 könnten beispielsweise in der Wandlerschicht 3 parallel zur Strahleneinfallsrichtung 26 bzw. in einer Ebene senkrecht zur ersten und zweiten Seite 12, 13 der Wandlerschicht 3 verlaufen.
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Ein eintreffendes Röntgenquant erzeugt zum Teil durch mehrstufige physikalische Wechselprozesse mit dem Halbleitermaterial 6 freie Ladungsträgen 5 in Form von Elektron-Loch-Paaren. Durch eine an den beiden Elektroden 14, 15 angelegte Spannung wird ein elektrisches Feld 27 erzeugt, in dem die freien Ladungsträger 5 getrennt werden. In dem vorliegenden Beispiel werden die Pixelelektroden 14 positiv und die Gegenelektrode 15 negativ geladen. Entsprechend werden die freigesetzten Elektronen 5a zur Pixelelektrode 14 hin beschleunigt und influenzieren dort Ströme, die in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Zur Signalentstehung tragen aufgrund des sogenannten Small-Pixel-Effektes insbesondere diejenigen Elektronen 5a bei, die unmittelbar in einem Schichtbereich 11 vor der Pixelelektrode 14 beschleunigt werden. In dem Halbleitermaterial 6 sind zur Verbesserung der zeitlichen Auflösung von hintereinander eintreffenden Quanten kleine Partikel 7 eingeschlossen, wobei die Anzahl der Partikel 7 größer ist als die Anzahl der Partikel, die in bekannten Halbleitermaterialen 6 herstellungsbedingt durch Verunreinigungen vorhanden sind.
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Die bisher bekannten Wandlerschichten 3 wurden, wie bereits zuvor erwähnt, dahingehend optimiert, dass möglichst wenige Partikel 7 in dem Halbleitermaterial 6 vorhanden sind. Dieser im Vergleich zur vorliegenden Erfindung umgekehrte Optimierungsansatz wurde gewählt, um die Anzahl der Störstellen in der Gitterstruktur durch die Partikel 7 minimal und die Polarisationseffekte möglichst gering zu halten. Es wurde jedoch im Rahmen dieser Erfindung erkannt, dass die Partikel 7 bei gewisser Größe und gewisser Verteilung einen Positiven Effekt auf die Signalgebung haben. In dem Bereich der Partikel 7 werden durch die mit den Partikeln 7 zusätzlich verbundenen Störstellen, so wie in der 3 gezeigt, lokale Raumladungen 27 ausgebildet, die zu einer Feldüberhöhung an den Kanten der Partikel 7 und bei den zu den Elektroden 14, 15 nah angeordneten Partikeln zu einer höheren Feldliniendichte führen. Insbesondere durch die zu den Pixelelektroden 14, 15 dicht angeordneten Partikel 7 werden die Elektronen 5a stärker beschleunigt, so dass die korrespondierenden elektrischen Signale wesentlich kürzer und höher sind als bei herkömmlichen Wandlerschichten. Es wurde also entgegen dem herrschenden Vorurteil, nach welchem die Partikel 7 und durch die mit ihnen verbundenen Störstellen zu einer Demobilisierung der freien Ladungsträger 5 führen, die Anzahl der Partikel 7 in dem Halbleitermaterial 6 für eine Signalverbesserung bewusst erhöht.
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Konkret wurden Anordnung und Anzahl der Partikel 7 in dem Halbleitermaterial 6 so gewählt, dass bezogen auf eine Flächeneinheit 10 eine über die Dicke der Wandlerschicht projizierte Gesamtfläche der Partikel 7 im Verhältnis zu der betrachteten Flächeneinheit 10 größer 0,2%, vorzugsweise größer 0,3%, vorzugsweise größer 0,5% ist. Es wird also in Richtung der in 2 gezeigten Strahleneinfallsrichtung 26 projiziert.
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Dabei können prinzipiell beliebige Geometrien der Partikel 7 zum Einsatz kommen. Es können beispielsweise kugelförmige oder zylinderförmige Partikel 7 verwendet werden, je nach dem welche Geometrie durch das verwendete Herstellungsverfahren in das Halbleitermaterial 6 leicht integrierbar ist.
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Zur Ausbildung der lokalen Raumladung 28 und zur leichten Integration der Partikel 7 in das Halbleitermaterial 6 enthalten die Partikel 7 zumindest ein Element aus der folgenden Gruppe: Te, Cd, Zn, Mn, S, Se. Die Partikel 7 können auch Metall- oder Halbmetallobjekte mit einer gewissen elektrischen Leitfähigkeit sein.
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So wie in 4 gezeigt, können die Partikel 7 eine monomodale Partikelgrößenverteilung aufweisen und in dem Halbleitermaterial 6 lediglich in einer Schicht 11 dicht zur Pixelelektrode 14 angeordnet sind, wobei die Partikelgröße einen Mittelwert nicht größer als 10 μm, besser nicht größer als 5 μm, noch besser nicht größer als 2 μm aufweist.
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In 5 ist eine weitere Variante eines Strahlungswandlers 2 im Querschnitt gezeigt, bei der die Partikel 7,8 eine bimodale Partikelgrößenverteilung mit einem ersten Mittelwert nicht größer als 10 μm, besser nicht größer als 5 μm, noch besser nicht größer als 2 μm und mit einem zweiten Mittelwert nicht größer als 50 μm, besser nicht größer als 25 μm, noch besser nicht größer als 15 μm aufweisen.
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In 6 ist eine dritte Variante eines Strahlungswandlers 3 im Querschnitt gezeigt, bei der die Partikel 7, 8, 9 eine trimodale Partikelgrößenverteilung mit einem ersten Mittelwert nicht größer als 10 μm, besser nicht größer als 5 μm, noch besser nicht größer als 2 μm, mit einem zweiten Mittelwert nicht größer als 20 μm, besser nicht größer als 15 μm, noch besser nicht größer als 10 μm und mit einem dritten Mittelwert nicht größer als 50 μm, besser nicht größer als 25 μm, noch besser nicht größer als 15 μm aufweisen, wobei die Überschneidungsbereiche der Mittelwerte, welche nicht zu einer trimodalen Verteilung führen würden, ausgeschlossen werden.
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Die kleineren Partikel 7 sollen gegenüber den größeren Partikeln 9, 10 10-fach, besser 100-fach, noch besser 1000-fach, wesentlich besser 10000-fach in dem Halbleitermaterial 6 häufiger vorkommen.
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Halbleitermaterialien 6 mit derartigen Partikelverteilungen können durch kontrollierte Zugabe der Elemente Te, Cd, Zn, Mn, S, Se bei der Herstellung nach den herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise CVD (chemical vapor deposition), MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy), MOCVD (meatal organic chemical vapor deposition), ALE (atomic layer epitaxy), MBE (molecular beam epitaxy), THM (travelling heater method), TSM (travelling solvent method), einem Bridgman-Verfahren, insbesondere HPB (high pressure Brigman) bereitgestellt werden.
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Bei den angegebenen Verfahren werden Halbleitermaterialien 6 durch Schichtabscheidung bzw. durch Bildung von Volumenkristallen hergestellt, wobei Prozesstemperaturen von weniger als 500 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 375 Grad Celsius bis 450 Grad Celsius, von Vorteil sind. Dabei wird unter der Prozesstemperatur diejenige Temperatur verstanden, unter welcher das Halbleitermaterial 6 hergestellt wird.
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Bei den vorweg angegebenen Prozesstemperaturen unterhalb von 500 Grad Celsius können Halbleitermaterialien 6 hergestellt werden, die abgesehen von den durch die Partikel 7, 8, 9 bewusst erzeugten Störstellen, besonders defektarm sind, was insbesondere für Halbleitermaterialien 6 basierend auf Cd, Zn, Te, Se Systemen gilt. Insbesondere können durch Abkühlung der Halbleitermaterialien 6 bzw. Halbleiterkristalle induzierte Defekte zumindest vermindert werden.
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Wandlerschichten mit monomodalen, bimodalen und trimodalen Partikelgrößenverteilungen sind in den 7 bis 9 zu sehen.
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Zusammenfassend kann Folgendes gesagt werden:
Die Erfindung betrifft eine Wandlerschicht 3 für einen Strahlungswandler 2 zur direkten Wandlung einer eintreffenden Strahlung 4 in elektrische Ladungsträger 5, wobei die Wandlerschicht 3 aus einem Halbleitermaterial 6 mit darin eingeschlossenen Partikeln 7, 8, 9 hergestellt ist, und wobei die Partikel 7, 8, 9 in dem Halbleitermaterial 6 so angeordnet sind, dass bezogen auf eine Flächeneinheit 10 eine über die Dicke der Wandlerschicht 3 projizierte Gesamtfläche der Partikel 7, 8, 9 im Verhältnis zu der betrachteten Flächeneinheit 10 größer 0,2%, vorzugsweise größer 0,3%, vorzugsweise größer 0,5% ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Strahlungswandler 2, einen Strahlungsdetektor 1 und eine Strahlungserfassungseinrichtung 16, die eine solche Wandlerschicht 3 aufweisen. Mit der Wandlerschicht 3 können Quanten einer Strahlung 4 mit einem schmaleren und höheren elektrischen Signal erfasst und daher zeitlich verbessert aufgelöst werden, so dass die Voraussetzungen zur verbesserten quantitativen und/oder energieselektiven Erfassung von Strahlung 4 auch bei hohen Quantenflussraten geschaffen werden.
