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Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor für eine Röntgenapparatur zur analytischen Abtastung eines zu untersuchenden Materials oder Objektes, aufweisend mindestens einen Sensor oder Sensorchip mit einer Vielzahl von einzeilig oder flächig angeordneten Sensorpixeln und einer zumindest teilweise darüber angeordneten Szintillatorschicht mit einer Schichtdicke.
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Es ist allgemein bekannt, dass bei der Röntgenfluoreszenzanalyse eine Materialprobe zum Beispiel durch polychromatische Röntgenstrahlung angeregt wird, wobei kernnahe Elektronen von inneren Schalen des Atoms herausgeschlagen werden. Dadurch können Elektronen aus höheren Energieniveaus zurückfallen. Die hierbei frei werdende Energie wird dann wieder in Form von materialspezifischer Fluoreszenzstrahlung abgegeben. Diese Fluoreszenzstrahlung kann mit einem Röntgenspektrometer analysiert werden. Das so gemessene Röntgenspektrum der Fluoreszenzstrahlung gibt Aufschluss über die elementare Zusammensetzung der Materialprobe.
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Eine weitere allgemein bekannte Methode der Röntgenanalytik ist die Röntgenabsorptionsspektroskopie. Schickt man Röntgenstrahlung durch eine Materialprobe hindurch, so zeigt die austretende Röntgenstrahlung für das Probenmaterial charakteristische Absorptionskanten im Absorptionsspektrum, die dadurch herrühren, dass der Röntgenstrahl in der Materialprobe Elektronen der Atomhüllen herausschlägt und dem Röntgenstrahl dadurch Energie entzogen wird.
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Bei einer spezifischen Variante, der wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie (WDXRF), wird ein zu analysierender Röntgenstrahl mit Hilfe eines wellenlängendispersiven Elementes, zum Beispiel einem Kristall, einem Transmissions- oder einem Reflexionsgitter, in spektrale Anteile in der Weise zerlegt, dass jede Wellenlänge unter einem bestimmten Winkel abgelenkt wird. Die jeweilige Intensität unter den verschiedenen Winkeln kann dann mit einem Detektor analysiert werden. Ein solcher hier verwendeter Detektor kann auch ein Punktdetektor sein, der auf einer Bahn hinter dem wellenlängendispersiven Element geführt wird.
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Erfordert die Anwendung die gleichzeitige Messung aller Spektralanteile, dann kann statt eines Punktdetektors auch ein Zeilendetektor verwendet werden, der die unterschiedlichen Spektralanteile hinter dem wellenlängendispersiven Element gleichzeitig erfasst.
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Interessiert zusätzlich die räumliche Verteilung der Spektren einer Materialprobe, z. B. bei der Analyse der Elementverteilung in der Probe, so kann das angestrahlte oder durchstrahlte Objekt Punkt für Punkt abgerastert werden. Auch hierbei ist es jedoch günstig, wenn die Abtastung mit einem zweidimensionalen Detektor erfolgt, da hierdurch ein erheblicher Zeitgewinn gegenüber einer Punktabtastung entsteht. Dazu kann eine Anordnung aus Röntgenoptiken, dispersivem Element und 2D Röntgenkamera verwendet werden, bei der eine Zeile des angestrahlten oder durchstrahlten Objekts so auf den Detektor abgebildet wird, dass in der einen Richtung (z. B. x-Richtung) die Ortsinformation und in der anderen Richtung (z. B. y-Richtung) die spektrale Information der Zeile auf dem Detektor, beispielsweise einem CCD-Chip, abgebildet wird. Man kann somit von einem spektralen Zeilendetektor sprechen, analog einer Zeilenkamera, mit dem Unterschied, dass für jedes Pixel einer Zeile nicht nur ein Intensitätswert, sondern ein komplettes Spektrum aufgenommen wird. Ein solches System ist z. B. für die Inspektion oder Sortierung in Fließbandprozessen im Bereich der Industrie, des Recycling oder bei Sicherheitsuntersuchungen verwendbar.
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Die Anwendung wellenlängendispersiver Elemente in der Röntgenspektroskopie bedeutet in der Regel, dass detektorseitig mit sehr geringer Intensität zu rechnen ist. Für gute Signale kann einerseits die Intensität der Röntgenquelle andererseits die Detektorintegrationszeit erhöht werden. Beide Maßnahmen sind in reellen technischen Anlagen allerdings begrenzt. So erfordern industrielle Echtzeitanwendungen zum Beispiel für die Sortierung, die Mülltrennung oder Gepäckkontrolle, kurze Integrationszeiten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Detektoraufbau zu finden, welcher eine möglichst hohe Strahlungssensitivität über einen weiten spektralen Bereich aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Für spektroskopische Anwendungen werden derzeit unter anderem ein- oder zweidimensionale Detektoren, meist auf CCD-Basis, verwendet, welche die Röntgenstrahlung entweder direkt in elektrische Signale umwandeln oder einen Szintillator verwenden, der bei auftreffenden Röntgenquanten zunächst Licht anderer Wellenlänge erzeugt, das über Photosensoren, z. B. CCD-Sensoren, in elektrische Signale umgewandelt wird.
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Die Szintillatoren können dabei entweder direkt auf einem Sensor oder Sensorchip aufgebracht werden oder als getrennte optische Komponente auf einem Substrat, beispielsweise auf einer fiberoptischen Platte (fibre optic plate, FOP), angeordnet sein. Manche Szintillatoren müssen zudem mit Beschichtungen vor Feuchtigkeit geschützt sein. Sowohl Sensorchips für die direkte Detektion mit Ausleseelektronik als auch Kombinationen aus Szintillator mit Sensorchip und Ausleselektronik werden auf dem Markt als sogenannte Röntgenkameras angeboten.
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Sensoren oder Sensorchips für die direkte Detektion haben zumeist eine hohe Effektivität (= DQE = Detective Quantum Efficiency) im Bereich zwischen einigen 100 eV und 10 keV. Durch die Verwendung von Szintillationsschichten, z. B. aus Gadolliniumoxisulfid, CsI:Na oder CsI:Tl, vor dem Sensor lässt sich die optimale DQE in Richtung kürzerer Wellenlängen, also höhere Quantenenergien, verschieben. Die Energiebereiche erstrecken sich dann je nach Art und Dicke der verwendeten Szintillationsschicht von 5–10 keV bis zu über 100 keV.
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Bei der Auslegung der Szintillationsschichten ist für eine möglichst hohe DQE der Kamera oder des Detektors zu beachten, dass einerseits möglichst viele Röntgenquanten in der Szintillationsschicht zu Sekundärquanten umgewandelt werden und andererseits die erzeugten Sekundärquanten möglichst effektiv und punktgenau zum entsprechenden Pixel des Sensors geleitet werden. Für eine bestimmte Röntgenenergie nimmt die Absorption mit der Dicke des Szintillators zu, bis die Röntgenquanten dieser Energie vollständig absorbiert werden. Andererseits kann die Dicke nicht beliebig zunehmen, da die erzeugten Sekundärquanten in möglichst hoher Anzahl das entsprechende Sensorpixel erreichen müssen. Zu jeder Röntgenenergie gibt es damit eine optimale Szintillatordicke als Kompromiss zwischen Absorption und Transport der Sekundärquanten, die vom Szintillatormaterial abhängig ist. Konventionelle Röntgenkameras oder Detektoren haben eine Szintillatorschicht mit konstanter Dicke. Die DQE-Abhängigkeit einer solchen Kamera von der Röntgenenergie zeigt daher immer ein Maximum bei einer bestimmten selektiven Energie.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es vorteilhaft ist, eine Röntgenkamera für Spektroskopieanwendungen, bestehend aus einem spezifisch beschichteten Szintillator, einem Sensor, z. B. ein CCD-Chip, und einer entsprechenden Ausleselektronik, so auszugestalten, dass der Szintillator, der entweder direkt auf dem Sensor oder einem eigenen Substrat aufgebracht ist und den Sensor oder Sensorchip entweder vollständig oder teilweise überdeckt, keine konstante Dicke hat, sondern eine ortsabhängige Dicke d(x, y) aufweist. x und y stellen dabei die Koordinaten in der Ausdehnung des Sensors dar. Im Falle einer Zeilenkamera, also eines eindimensionalen Sensors besteht die Abhängigkeit nur in Zeilenrichtung.
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Die Funktion d sollte dabei so ausgestaltet sein, dass für jeden Ort am Szintillator, also für jedes Sensorelement (Pixel) des Sensors, eine Dicke vorliegt, bei der die DQE des Kamerasystems entsprechend der dort zu detektierenden Röntgenenergie maximal ist.
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Die Funktion d hängt außerdem vom Szintillatormaterial, dem zu detektierenden Wellenlängenbereich, den Dimensionen des Sensors, den Eigenschaften des verwendeten dispersiven Elements, als auch von der verwendeten Röntgenoptik und deren Dimensionierung ab.
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Bei spektroskopischen Anwendungen wird die Dicke nur in Richtung der Wellenlängendispersion, also in der Richtung in der das dispersive Element nach Wellenlängen aufspaltet, variiert. Diese Richtung sei mit der Richtung y festgelegt. Im Fall der 2D-Kamera ist d(x, y) = d(y) in x-Richtung konstant und nur von y abhängig. Im einfachsten Fall ist d(y) eine lineare Funktion und der Szintillator damit keilförmig.
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Vorzugsweise wird zur Verbesserung der örtlichen und spektralen Auflösungen ein Szintillator verwendet, welcher Nadelstrukturen aufweist, z. B. CsI:Na oder CsI:Tl. Bei der Anwendung einer solchen an sich bekannten Nadelstruktur bildet die von den Nadeln gebildete Oberfläche die glatte Oberfläche der Szintillatorschicht. Veränderlich ist dabei also die Länge der Nadeln. Zwischenräume zwischen den einzelnen Nadeln bleiben unbeachtet.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Röntgendetektors liegen darin, dass ein solcher Röntgendetektor beziehungsweise eine solche Röntgenkamera für einen nahezu beliebig definierbaren Wellenlängenbereich eine optimierte Strahlungssensitivität und -effektivität (DQE) am jeweiligen Pixel aufweist. Für den Fall der wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie im 1d- oder 2d-Fall (Zeilen- bzw. Matrixdetektor) heißt das, dass die Szintillatordicke so an die Wellenlängenverteilung des vorgeschalteten dispersiven Elements angepasst wird, dass die DQE des Systems aus Szintillator und Sensor am Ort der jeweiligen Wellenlänge maximal ist und damit das jeweilige Detektionssignal hinsichtlich Intensität optimiert wird. Wird ein solcher Detektor als Komponente für X-Ray Spectral Imaging Anwendungen, z. B. in der Müllsortierung, Mineraliensortierung oder im Security-Bereich eingesetzt, so können damit im Vergleich zu derzeit angewendeten X-Ray-Dual-Energy-Systemen verbesserte Erkennungsraten erzielt werden.
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Entsprechend dem oben beschriebenen Erfindungsgedanken schlägt der Erfinder einen Röntgendetektor für eine Röntgenapparatur zur analytischen Abtastung eines zu untersuchenden Materials oder Objektes vor, aufweisend mindestens einen Sensor oder Sensorchip mit einer Vielzahl von einzeilig oder flächig angeordneten Sensorpixeln, die eine Sensorebene ausbilden, und einer zumindest teilweise darüber angeordneten Szintillatorschicht, welcher dahingehend verbessert ist, dass die Szintillatorschicht so ausgestaltet ist, dass sich deren Schichtdicke senkrecht zur Sensorebene in mindestens einer, in der Sensorebene liegenden Richtung stetig ändert.
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Die Änderung der Schichtdicke der Szintillatorschicht wird dabei in Abhängigkeit vom verwendeten Szintillatormaterial so gewählt, dass optimalerweise bei dem zu detektierenden Wellenlängenbereich, den bekannten Dimensionen des Sensors oder Sensorchips, den Eigenschaften des verwendeten wellenlängendispersiven Elements und der Dimensionierung der verwendeten Röntgenoptik am jeweils gemessenen Ort ein optimales DQE vorliegt. Alternativ kann auch zumindest eine der hier beschriebenen Gegebenheiten berücksichtigt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Richtung, in die sich die Schichtdicke der Szintillatorschicht ändert, parallel zur mindestens einen Zeile des Sensors verläuft.
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Weiterhin kann die Szintillatorschicht so gestaltet sein, dass diese den Sensor vollständig oder teilweise in einer Ebene überdeckt. Solche Detektoren, bei denen teilweise keine Szintillatorschicht vorliegt, sind in diesem Bereich empfindlich für weiche Röntgenstrahlung. Mit dem beschriebenen Aufbau ist der nackte Teil des Sensors dann für die weichere Röntgenstrahlung zuständig und der Teil, der mit dem Szintillator bedeckt ist, für die härtere Röntgenstrahlung.
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Bezüglich der Formgebung der vom Sensor abgewandten Oberfläche der Szintillatorschicht kann diese linear, treppenförmig, konkav oder auch konvex verlaufen. Weiterhin kann die Oberfläche der Szintillatorschicht ein vorzugsweise zentral oder randseitig gelegenes Maximum oder Minimum aufweisen.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Szintillatormaterial eine Nadelstruktur aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Röntgenquelle; 2: Röntgenstrahl; 3: Materialprobe; 4: Sekundärstrahl; 5: Eintrittsspalt; 6: Röntgengitter; 7: Röntgenstrahlen; 8: Detektor; 9: Szintillatorschicht; 10: Sensor oder Sensorchip; α: Einfallswinkel; β: Austrittswinkel.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1 einen Spektrographen mit Reflexionsgitter und erfindungsgemäßem Detektor mit ortsabhängiger Schichtdicke des Szintillatormaterials,
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2 einen Detektor mit keilförmiger Szintillatorschicht vor einem CCD-Chip,
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3 einen Detektor mit keilförmiger Szintillatorschicht vor einer Teilfläche eines CCD-Chips,
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FIG: eine konkave Szintillatorschicht,
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5 eine konvexe Szintillatorschicht,
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6 eine treppenförmige Szintillatorschicht,
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7 eine konkave Szintillatorschicht mit zentral angeordneter minimaler Schichtdick,
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8 eine konvexe Szintillatorschicht mit zentral angeordneter maximaler Schichtdicke,
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9 eine V-förmig verlaufende Szintillatorschicht und
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10 eine dachförmig verlaufende Szintillatorschicht.
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Die 1 zeigt eine Darstellung einer Untersuchung einer Materialprobe 3 mit Spektrographen mit einem Reflexionsgitter (Flat-Field-Gitter). Ausgehend von einer Röntgenquelle 1 wird ein Röntgenstrahl 2 auf die Materialprobe 3 gelenkt. In der Materialprobe 3 entsteht, angeregt durch den Röntgenstrahl 2, eine Sekundärstrahlung 4, die durch den Eintrittsspalt 5 mit einem Einfallswinkel α auf ein Röntgengitter 6 trifft, wo eine vom Austrittswinkel β winkelabhängige Aufspaltung Röntgenstrahlen 7 in unterschiedlicher Röntgenenergien entsteht. Durchgezogen ist hierbei ein beispielhafter monoenergetischer Strahl 7 mit einer bestimmten Röntgenenergie gezeigt, der auf den Detektor 8 einfällt. Gleichzeitig fallen weitere – gestrichelt angedeutete – Strahlen mit anderen Energien auf den Detektor ein. Aufgrund der variablen Dicke der Szintillatorschicht 9, die über dem Sensor 10 angeordnet ist, kann diese nun derart gewählt werden, dass an jedem Ort des Sensors und somit für jedes dort befindliche Sensorelement (Pixel) ein optimales DQE erreicht wird.
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In der vorliegenden Darstellung ist ein eindimensionaler Detektor gezeigt, bei dem der Eintrittsspalt zum Pinhole wird und die Pixelzeile des als Zeilendetektor ausgebildeten Detektors 8 in y-Richtung liegt. Dies entspricht also dem Fall eines Punktspektrographen.
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Im zweidimensionalen Fall liegen tatsächlich ein länglicher Eintrittsspalt und ein Gitter mit einer Ausdehnung in x-Richtung vor. Der Sensor der Kamera besteht dann idealerweise aus einer zweidimensionalen Pixelmatrix, die in y-Richtung und in x-Richtung (senkrecht zur Zeichenebene) verläuft. Auf dem Sensor wird dann in x-Richtung die Ortsinformation und in y-Richtung die Wellenlängeninformation der Röntgenstrahlung abgebildet, die von einer durch den Eintrittspalt definierten Zeile der Probe stammen. Für eine korrekte räumliche und spektrale Abbildung können vor und eventuell hinter dem Gitter entsprechende Röntgenoptiken und Kollimatoren integriert werden.
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Die 2 zeigt nochmals einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Detektors 8 mit einem Sensor 10 der zur örtlichen Auflösung ein Feld von lichtempfindlichen Sensorpixeln trägt, welche die in der Szintillatorschicht 9 durch die eintreffende Röntgenstrahlung auftretenden Lichtimpulse detektiert.
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Die 3 zeigt eine weitere Variante eines Detektors 8, bei dem die Szintillatorschicht 9 nur einen Teil des Sensors 10 bedeckt. Dieser von der Szintillatorschicht unbedeckte Teil des Sensors kann weiche Röntgenstrahlung, also Röntgenstrahlung mit sehr niedriger Energie, detektieren, während der Anteil des Sensors mit dem darüber liegenden Szintillator für die Detektion der härteren Röntgenstrahlung zuständig ist.
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Die 4 bis 10 zeigen einen weiteren, nicht abschließenden Formenschatz von beispielhaften Querschnitten von Szintillatorschichten 9, die in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Detektor verwendet werden können.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
