DE102011003246B4

DE102011003246B4 - Method for detecting radiation and associated sensor unit

Info

Publication number: DE102011003246B4
Application number: DE201110003246
Authority: DE
Inventors: Reiner Franz Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: WO2012100998A2; DE102011003246A1; WO2012100998A3

Abstract

Verfahren zur Detektion von Strahlung (3), insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers (2), – bei welchem ein elektrischer Injektionsstrom (IIN) in den Absorptionskörper (2) injiziert wird, – bei welchem ein Strommaß (MSUM) für den insgesamt durch den Absorptionskörper (2) fließenden Strom (ISUM) erfasst wird, – bei welchem das Strommaß (MSUM) durch Einstellung des Injektionsstroms (IIN) auf einen vorgegebenen Sollwert (M0) geregelt wird, und – bei welchem aus der Pegeländerung des Injektionsstromes (IIN) oder einer damit korrelierenden Messgröße ein Detektionsmaß (MD) für die auf den Absorptionskörper (2) fallende Strahlungsmenge bestimmt wird.Method for detecting radiation (3), in particular X-ray radiation, by means of a direct-conversion absorption body (2); in which an injection electric current (IIN) is injected into the absorption body (2); in which a current measure (MSUM) is recorded for the total current (ISUM) flowing through the absorption body (2); in which the current value (MSUM) is adjusted to a predetermined desired value (M0) by adjusting the injection current (IIN), and in which from the level change of the injection current (IIN) or a measured variable correlating therewith a detection measure (MD) for the radiation quantity falling on the absorption body (2) is determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Sensoreinheit mit einem solchen direkt-wandelnden Absorptionskörper und einer Steuereinheit zur Ansteuerung desselben.The invention relates to a method for detecting radiation, in particular X-ray radiation, by means of a direct-conversion absorption body. The invention further relates to a sensor unit with such a direct-conversion absorption body and a control unit for controlling the same.

Zur Erfassung von Röntgenstrahlung sind unter anderem sogenannte „direkt-wandelnde” Sensoren bekannt. Diese umfassen einen in der Regel aus einem Halbleitermaterial gebildeten Absorptionskörper, durch welchen die einfallende Strahlung unmittelbar in einen strahlungs-generierten elektrischen Strom gewandelt wird. Im Unterschied hierzu wandeln sogenannte „indirekt-wandelnde” Sensoren hochenergetische elektromagnetische Strahlung (insbesondere Röntgenstrahlung und Gamma-Strahlung) oder Teilchenstrahlung zunächst in niederenergetische elektromagnetische Strahlung (sichtbares Licht, IR- oder UV-Strahlung) um, wobei diese niederenergetische Strahlung dann erst in einem zweiten Schritt in einen elektrischen Strom umgewandelt wird.Among other things, so-called "direct-converting" sensors are known for detecting X-ray radiation. These comprise an absorption body, which is generally formed of a semiconductor material, by means of which the incident radiation is converted directly into a radiation-generated electrical current. In contrast to this, so-called "indirectly-converting" sensors first convert high-energy electromagnetic radiation (in particular X-ray radiation and gamma radiation) or particle radiation into low-energy electromagnetic radiation (visible light, IR or UV radiation), this low-energy radiation then only being emitted in one second step is converted into an electric current.

Der Absorptionskörper eines direkt-wandelnden Röntgensensors besteht üblicherweise aus Halbleitermaterialien wie beispielsweise amorphem Selen oder Cadmium-Tellurid. In der Praxis zeigen solche Halbleiter-Direktwandler Effekte, die für einen guten Strahlungsdetektor abträglich sind, wie etwa Schwankungen in der Empfindlichkeit oder ein langsames Signalabklingen. Die Ursache hierfür sind unerwünschte energetische Zustände innerhalb der Halbleiterbandlücke des Absorptionskörpers, die beispielsweise von Verunreinigungen und Defekten der verwendeten Halbleitermaterialien verursacht werden.The absorption body of a direct-converting X-ray sensor usually consists of semiconductor materials such as, for example, amorphous selenium or cadmium telluride. In practice, such semiconductor direct converters exhibit effects detrimental to a good radiation detector, such as variations in sensitivity or slow signal decay. The reason for this is undesired energetic states within the semiconductor band gap of the absorption body, which are caused for example by impurities and defects of the semiconductor materials used.

Die Erzeugung von Ladungsträgern durch äußere Strahlung bewirkt im Halbleitermaterial physikalisch eine Verschiebung von sogenannten Quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und „Löchern” (d. h. positiven Ladungsträgern, die durch unbesetzte elektronische Zustände gebildet werden). Bei einer Verschiebung der Quasi-Fermi-Niveaus werden die unerwünschten Zustände innerhalb der Bandlücke geladen bzw. entladen. Diese unterschiedlichen Ladungszustände beeinflussen die Empfindlichkeit des Direktwandlers, beispielsweise durch Ladungsträger-Rekombination, und/oder das zeitliche Signalverhalten, etwa durch „Zwischenspeichern” von Ladungen in den unerwünschten Zuständen und erzeugen somit die vorstehend erwähnten Nachteile.The generation of charge carriers by external radiation physically causes a shift in the semiconductor material of so-called quasi-Fermi levels of electrons and "holes" (i.e., positive charge carriers formed by vacant electronic states). As the quasi-Fermi levels shift, the unwanted states within the bandgap are charged or discharged. These different charge states affect the sensitivity of the direct converter, for example by carrier recombination, and / or the temporal signal behavior, for example by "latching" charges in the undesired states, and thus produce the aforementioned disadvantages.

Um diesen Effekten entgegenzuwirken, wird meist ein hoher Aufwand betrieben, um die für Strahlungssensoren verwendeten Halbleitermaterialien mit möglichst geringer Defektdichte und möglichst hohem Reinheitsrad herzustellen. In alternativen Herstellungsverfahren wird versucht, durch spezielle Dotierung die ungewollten Zustände zu kompensieren, so dass diese nicht mehr elektrisch aktiv sind. Beide Ansätze zur Herstellung und Produktion der Halbleitermaterialien für direktwandelnde Absorptionskörper sind oft sehr kosten- und zeitintensiv.To counteract these effects, usually a high cost is operated to produce the semiconductor materials used for radiation sensors with the lowest possible defect density and the highest possible purity wheel. In alternative production methods, an attempt is made to compensate for the unwanted states by means of special doping so that they are no longer electrically active. Both approaches to the production and production of semiconductor materials for direct-conversion absorption bodies are often very costly and time-consuming.

Die Patentschriften US 3 385 981 A , US 4 572 945 A , US 6 180 945 B1 und US 4 757 202 A offenbaren eine Sensoreinheit zur Bestimmung von Strahlung mittels eines direkt wandelnden Absorptionskörpers. Dabei wird ein elektrischer Injektionsstrom in den Absorptionskörper injiziert und ein Strommaß für den fließenden Gesamtstrom erfasst.The patents US 3,385,981 A . US 4,572,945 A . US Pat. No. 6,180,945 B1 and US 4,757,202A disclose a sensor unit for determining radiation by means of a directly changing absorption body. In this case, an electric injection current is injected into the absorption body and detects a current measure for the total current flowing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Strahlung mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers anzugeben, das mit vergleichsweise geringem Aufwand eine präzise und effektive Strahlungsdetektion ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise unaufwändig herstellbare, aber dennoch effektiv und präzise arbeitende Sensoreinheit zum Detektieren von Strahlung anzugeben. Insbesondere soll durch die Erfindung ermöglicht werden, unaufwändig herstellbare Halbleitermaterialien mit einer vergleichsweise hohen Dichte an unkompensierten Defekten für einen direktwandelnden Absorptionskörper verwenden zu können, ohne die damit üblicherweise verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.The invention has for its object to provide a method for the detection of radiation by means of a direct-changing absorption body, which allows a comparatively low cost, a precise and effective radiation detection. A further object of the invention is to provide a sensor unit which is comparatively easy to produce but nevertheless effective and precise for detecting radiation. In particular, it should be made possible by the invention to be able to use inexpensive semiconductor materials having a comparatively high density of uncompensated defects for a direct-converting absorption body, without having to accept the disadvantages usually associated therewith.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Sensoreinheit wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.With regard to the method, this object is achieved by the features of claim 1. With respect to the sensor unit, the object is achieved by the features of claim 5. Advantageous embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Verfahrensgemäß werden im Betrieb einer direktwandelnden Sensoreinheit ein elektrischer Injektionsstrom in deren Absorptionskörper injiziert und ein Strommaß für den insgesamt durch den Absorptionskörper fließenden Strom erfasst. Erkanntermaßen setzt sich der insgesamt durch den Absorptionskörper fließende Strom additiv zusammen aus dem Injektionsstrom und dem durch einfallende Strahlung im Absorptionskörper generierten Strom. Der insgesamt durch den Absorptionskörper fließende Strom ist deshalb nachfolgend auch als „Summenstrom” bezeichnet. Bei dem verfahrensgemäß erhobenen „Strommaß” (nachfolgend auch als „Summenstrommaß” bezeichnet) handelt es sich es allgemein um eine beliebig definierbare Größe, aus der die Stärke des Summenstroms bestimmbar ist. Vorzugsweise ist das (Summen-)Strommaß durch eine zu der Stärke des Summenstroms proportionale Spannung gegeben. Dieses Strommaß wird verfahrensgemäß durch Einstellung des Injektionsstroms auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt. Der Injektionsstrom wird also im Betrieb des Absorptionskörpers stets derart eingestellt, dass das Strommaß dem Sollwert bestmöglich entspricht.According to the method, during operation of a direct-converting sensor unit, an electrical injection current is injected into its absorption body and a current value for the total current flowing through the absorption body is detected. As is known, the total current flowing through the absorption body is composed additively of the injection current and the current generated by incident radiation in the absorption body. The total current flowing through the absorption body is therefore also referred to below as "total current". In accordance with the method, the "current measurement" (hereinafter also referred to as "total current measurement") is generally an arbitrarily definable variable from which the magnitude of the total current can be determined. Preferably, the (sum) current measure is proportional to the magnitude of the sum current Given tension. This current measure is regulated according to the method by setting the injection current to a predetermined desired value. The injection current is thus always set in the operation of the absorption body such that the current measure corresponds to the desired value as possible.

Aus der Pegeländerung des Injektionsstroms wird hierbei ein Detektionsmaß für die auf den Absorptionskörper fallende Strahlungsmenge bestimmt. Der Begriff „Detektionsmaß” bezeichnet dabei wiederum allgemein eine beliebig definierbare Größe, aus der die auf den Absorptionskörper fallende Strahlungsmenge bestimmbar ist. Der Begriff „Strahlungsmenge” steht hierbei generisch für die Gesamtenergie pro Zeiteinheit oder die Intensität der auf den Absorptionskörper fallenden Strahlung oder alternativ für die Anzahl der pro Zeiteinheit einfallenden Strahlungsquanten.From the change in level of the injection current, a detection measure for the amount of radiation falling on the absorption body is determined. The term "detection measure" again generally denotes an arbitrarily definable variable from which the amount of radiation falling on the absorption body can be determined. The term "radiation quantity" here stands generically for the total energy per unit time or the intensity of the radiation incident on the absorption body or alternatively for the number of radiation quanta incident per unit time.

Der mit der Erfindung erzielte Effekt besteht darin, dass durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Injektionsstroms der durch den Absorptionskörper fließende Summenstrom – der ohne den Injektionsstrom in Abhängigkeit der Bestrahlungsintensität naturgemäß fluktuieren würde – konstant gehalten wird. Hierdurch wird auch die Lage der Quasi-Fermi-Niveaus, selbst unter wechselnden Bestrahlungsverhältnissen, stets konstant gehalten. Dadurch wiederum werden ein Umladen der unerwünschten energetischen Zustände in der Bandlücke des Absorptionskörpers und die damit verbundenen, eingangs erwähnten, Nachteile vermieden.The effect achieved with the invention is that, by providing an additional injection current, the total current flowing through the absorption body-which would naturally fluctuate without the injection current as a function of the irradiation intensity-is kept constant. As a result, the position of the quasi-Fermi levels, even under changing irradiation conditions, always kept constant. In turn, a reloading of the unwanted energetic states in the band gap of the absorption body and the associated, mentioned above, disadvantages are avoided.

Da der durch den Absorptionskörper fließende Strom nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt konstant gehalten wird, kann dieser Strom – anders als bei herkömmlichen Sensoreinheiten – nicht mehr unmittelbar zur Ermittlung der auf den Absorptionskörper fallenden Strahlungsmenge herangezogen werden. Erkanntermaßen lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die einfallende Strahlungsmenge aber aus der Stärke des Injektionsstroms bestimmen, zumal dieser ja gerade derart geregelt wird, dass er den strahlungs-generierten Strom ausgleicht, und somit der Fluktuation des strahlungs-generierten Stroms gegenläufig folgt.Since the current flowing through the absorption body is kept deliberately constant by the method according to the invention, this current can - unlike conventional sensor units - are no longer used directly to determine the amount of radiation falling on the absorption body. As is known, however, in the method according to the invention, the incident radiation quantity can be determined from the strength of the injection current, since the latter is in fact regulated in such a way that it balances the radiation-generated current, and thus counteracts the fluctuation of the radiation-generated current.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird durch das Detektionsmaß die Strahlungsmenge integrierend bestimmt. Es wird also – ohne Berücksichtigung der einzelnen Quantenabsorptionen – die Gesamtenergie der pro Zeiteinheit einfallenden Strahlung oder eine hiermit korrelierende Größe bestimmt. Bei geringer Strahlungsintensität und hinreichend schneller Signalverarbeitung können im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens aber alternativ auch einzelne Strahlungsquanten gezählt werden.In a preferred embodiment of the method, the amount of radiation is determined integrating by the detection measure. Thus, without taking into account the individual quantum absorptions, the total energy of the radiation incident per unit time or a variable correlating therewith is determined. With low radiation intensity and sufficiently fast signal processing, however, individual radiation quanta can alternatively be counted in the course of the method according to the invention.

Der Injektionsstrom kann als analoge, und somit zeitlich kontinuierlich fluktuierende Größe erzeugt werden. In einer besonders zweckmäßigen digitalen Ausführungsform wird der Injektionsstrom aber diskontinuierlich als Folge von zeitlich diskreten Strompulsen erzeugt. Die effektive (d. h. zeitlich über eine Puls-Pausen-Sequenz gemittelte) Stärke des Injektionsstroms wird dabei zweckmäßigerweise über die Frequenz der Strompulse eingestellt. Das Detektionsmaß wird in diesem Fall vorzugsweise durch Zählung der (pro Zeiteinheit erzeugten) Strompulse des Injektionsstroms oder durch Zählung der Pulse eines damit korrelierenden Pulssignals bestimmt.The injection current can be generated as an analog, and thus temporally continuously fluctuating quantity. In a particularly useful digital embodiment, however, the injection current is generated discontinuously as a result of time-discrete current pulses. The effective (i.e., time averaged over a pulse pause sequence) of the injection current is expediently set via the frequency of the current pulses. The amount of detection in this case is preferably determined by counting the current pulses (generated per unit of time) of the injection current or by counting the pulses of a pulse signal correlated therewith.

In einer einfach realisierbaren, gleichzeitig aber besonders präzisen Ausführungsform werden die Strompulse derart erzeugt, dass durch jeden Strompuls im Wesentlichen die gleiche Ladungsmenge in den Absorptionskörper injiziert wird. Insbesondere werden die Strompulse dabei gleichförmig, d. h. im Rahmen der erreichbaren Präzision mit stets gleicher Amplitude und Dauer erzeugt.In an easily realizable but at the same time particularly precise embodiment, the current pulses are generated in such a way that substantially the same amount of charge is injected into the absorption body by each current pulse. In particular, the current pulses are uniform, d. H. generated within the achievable precision with always the same amplitude and duration.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst gemäß Anspruch 5 einen Absorptionskörper der vorstehend beschriebenen Art sowie eine damit gekoppelte oder koppelbare Steuereinheit zur Ansteuerung des Absorptionskörpers sowie zur Signalauswertung. Die Steuereinheit ist hierbei programm- und/oder schaltungstechnisch zur automatischen Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens in einer seiner Ausführungsformen eingerichtet.The sensor unit according to the invention comprises according to claim 5, an absorption body of the type described above and a coupled thereto or couplable control unit for controlling the absorption body and for signal evaluation. The control unit is in this case program and / or circuit technology for automatic implementation of the method described above in one of its embodiments set up.

Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen elektrischen Injektionsstrom in den Absorptionskörper zu injizieren, ein Strommaß für den insgesamt durch den Absorptionskörper fließenden (Summen-)Strom zu erfassen, das Strommaß durch Einstellung des Injektionsstroms auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln, und aus der Pegeländerung des Injektionsstroms ein Detektionsmaß für die auf den Absorptionskörper fallende Strahlungsmenge zu bestimmen.In particular, the control unit is adapted to inject an electric injection current into the absorption body, to detect a current measure for the total current flowing through the absorption body, to regulate the current measure by adjusting the injection current to a predetermined desired value, and the level change the injection current to determine a detection measure for the amount of radiation falling on the absorption body.

In einer geeigneten Weiterführung ist die Steuereinheit als Halbleiterelement ausgebildet, das unmittelbar mit dem Absorptionskörper verbunden ist. In einer kompakten und für eine Massenfertigung besonders geeigneten Ausführungsvariante sind der Absorptionskörper und die Steuereinheit in einer einstückigen Baueinheit integriert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Injektionsschicht in der Steuereinheit integriert, die an den Absorptionskörper angrenzt, und über die der Injektionsstrom in den Absorptionskörper injizierbar ist. Zur Durchführung des Verfahrens trägt die Steuereinheit zweckmäßigerweise – analoge oder digitale – elektronische Schaltkreise.In a suitable continuation, the control unit is designed as a semiconductor element which is connected directly to the absorption body. In a compact and particularly suitable for mass production variant of the absorption body and the control unit are integrated in a one-piece unit. In an advantageous embodiment, an injection layer is integrated in the control unit, which adjoins the absorption body, and via which the injection current can be injected into the absorption body. For carrying out the method, the control unit expediently carries - analog or digital - electronic circuits.

Der Absorptionskörper ist vorzugsweise der Steuereinheit – in Strahlungseinfallrichtung gesehen – vorgelagert, so dass die Steuereinheit von dem Absorptionskörper gegenüber der einfallenden Strahlung abgeschattet und somit geschützt wird. Der Absorptionskörper ist hierbei zweckmäßigerweise – je nach der Art und Eindringtiefe der zu detektierenden Strahlung – dick genug ausgebildet, dass es nicht zu einer strahlungsbedingten Beeinflussung und/oder Schädigung der Steuereinheit, beispielsweise durch Ionisationseffekte, kommt. The absorption body is preferably upstream of the control unit-seen in the direction of radiation incidence-so that the control unit is shaded by the absorption body against the incident radiation and thus protected. The absorption body is expediently formed thick enough, depending on the type and penetration depth of the radiation to be detected, that there is no radiation-related influencing and / or damage to the control unit, for example due to ionization effects.

Optional kann die Steuereinheit zusätzlich oder alternativ durch Verwendung „strahlungsharter” Materialien, z. B. Sillziumoxid anstatt der üblichen Halbleiter-Wafer geschützt sein. Zusätzlich können im Rahmen der Steuereinheit auch bipolare integrierte Schaltkreise eingesetzt werden, die sowohl Elektronen als auch Löcher im Betrieb verwenden. Solche bipolaren Schaltkreise zeigen erfahrungsgemäß eine höhere Strahlungstoleranz als gewöhnliche CMOS-Schaltungen.Optionally, the control unit additionally or alternatively by using "radiation hard" materials such. B. Sillziumoxid be protected instead of the usual semiconductor wafers. In addition, the control unit can also use bipolar integrated circuits which use both electrons and holes during operation. Such bipolar circuits have been found to exhibit higher radiation tolerance than ordinary CMOS circuits.

Die Steuereinheit umfasst in einer zweckmäßigen und einfach realisierbaren Ausführungsvariante einen Substrahierer, der eingangsseitig das (Summen-)Strommaß und der Sollwert in Form von elektrischen Spannungen zugeführt sind, und der ausgangsseitig ein Spannungssignal (nachfolgend auch Differenzsignal) ausgibt, dessen Betrag proportional zu der Abweichung des Strommaßes von dem Sollwert ist. Das Strommaß ist hierbei beispielsweise durch die Spannung gegeben, die über einem in den Summenstrompfad geschalteten Shunt-Widerstand abfällt. Der Substrahierer ist beispielsweise einen Differenzverstärker gebildet.In an expedient and easily realizable embodiment variant, the control unit comprises a subtracter which is supplied on the input side with the (sum) current measure and the desired value in the form of electrical voltages and which outputs a voltage signal (hereinafter also the difference signal) whose magnitude is proportional to the deviation of the current value of the setpoint. The current measure is in this case given, for example, by the voltage which drops across a shunt resistor connected in the summation current path. The subtractor is formed, for example, a differential amplifier.

Aus diesem Differenzsignal wird das Detektionsmaß abgeleitet. Im einfachsten Fall wird dabei das Differenzsignal unmodifiziert als Detektionsmaß herangezogen. Optional kann das Differenzsignal aber zur Bildung des Detektionsmaßes auch zeitlich gemittelt bzw. geglättet, verstärkt, invertiert und/oder auf andere Weise modifiziert werden. Das Differenzsignal wird außerdem zur Einstellung des Injektionsstroms an den Absorptionskörper bzw. die an diesen gegebenenfalls angrenzende Injektionsschicht der Steuereinheit, zurückgekoppelt.From this difference signal, the detection measure is derived. In the simplest case, the difference signal is used unmodified as a detection measure. Optionally, however, the difference signal can also be time averaged or smoothed, amplified, inverted and / or modified in another way to form the detection measure. The difference signal is also fed back to adjust the injection current to the absorption body or to this optionally adjacent injection layer of the control unit.

In einfacher Gestaltung der Erfindung kann das Detektionsmaß als analoges, d. h. kontinuierlich veränderliches Signal erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das analoge Differenzsignal des Substrahierers abweichend einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler zugeführt, der das analoge Differenzsignal in ein gepulstes Spannungssignal (nachfolgend „Pulssignal”) umwandelt. Dieses Pulssignal wird zum Einen unmittelbar oder mittelbar zur Erzeugung eines ebenso gepulsten Injektionsstroms an den Absorptionskörper bzw. die Injektionsschicht zurückgeleitet. Zum Anderen wird aus diesem Pulssignal vorzugsweise wiederum das für die einfallende Strahlungsmenge charakteristische Detektionsmaß abgeleitet.In a simple embodiment of the invention, the detection measure as analog, d. H. be generated continuously variable signal. In a preferred embodiment, the analog differential signal of the subtractor is supplied differently to a downstream analog-to-digital converter, which converts the analog differential signal into a pulsed voltage signal (hereinafter "pulse signal"). This pulse signal is, on the one hand, returned directly or indirectly to the generation of an equally pulsed injection current to the absorption body or the injection layer. On the other hand, the detection quantity characteristic of the incident radiation quantity is preferably derived from this pulse signal.

In geeigneter Ausführung ist der Analog-Digital-Wandler durch einen Spannungs-Frequenz-Konverter (engl. VCO – Voltage-Controlled Oscillator) gebildet. Dabei handelt es sich um einen elektrischen Schwingungserzeuger, dessen Frequenz durch die Größe einer angelegten Spannung verändert wird. Das von diesem Spannungs-Frequenz-Konverter ausgegebene Pulssignal hat eine in Abhängigkeit des Differenzsignals variierende Frequenz und erzeugt einen mit gleicher Frequenz gepulsten Injektionsstrom.In a suitable embodiment, the analog-to-digital converter is formed by a voltage-frequency converter (VCO - Voltage-Controlled Oscillator). It is an electric vibrator whose frequency is changed by the magnitude of an applied voltage. The pulse signal output by this voltage-to-frequency converter has a frequency which varies as a function of the difference signal and generates a injection current pulsed at the same frequency.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante der Sensoreinheit wird das Detektionsmaß vorzugsweise durch Zählung der Strompulse des Injektionsstroms oder – äquivalentermaßen – durch Zählung der Pulse des von dem Analog-Digital-Wandler ausgegebenen Pulssignals pro Zeiteinheit erfasst. Die Pulszählung erfolgt zweckmäßigerweise durch einen – vorzugsweise dem Analog-Digital-Wandler nachgeschalteten (Strom- bzw. -Spannungs-)Pulszähler.In the embodiment of the sensor unit described above, the detection amount is preferably detected by counting the current pulses of the injection current or, equivalently, by counting the pulses of the pulse signal output by the analog-to-digital converter per unit time. The pulse count is advantageously carried out by a - preferably the analog-to-digital converter downstream (current or voltage) pulse counter.

Für eine besonders präzise Regelung des Injektionsstroms ist dem Analog-Digital-Wandler eine Treiberschaltung nachgeschaltet, die das von dem Analog-Digital-Wandler ausgegebene Pulssignal vor der Rückführung an den Absorptionskörper bzw. die Injektionsschicht derart umformt, dass mit jedem Strompuls des aufgrund dieses Pulssignals erzeugten Injektionsstroms im Wesentlichen, insbesondere im Rahmen der erreichbaren Präzision möglichst exakt, die gleiche Ladungsmenge in den Absorptionskörper injiziert wird. Die effektive Stärke des Injektionsstroms wird hierdurch proportional zu der Frequenz des Pulssignals eingestellt.For a particularly precise control of the injection current, the analog-to-digital converter is followed by a driver circuit which converts the pulse signal output by the analog-to-digital converter before being returned to the absorption body or the injection layer in such a way that with each current pulse of the pulse signal generated injection current substantially, in particular within the achievable precision as accurately as possible, the same amount of charge is injected into the absorption body. The effective magnitude of the injection current is thereby set in proportion to the frequency of the pulse signal.

In einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird durch eine signaltechnische Kopplung einer Vielzahl von Sensoreinheiten der vorstehend beschriebenen Art ein ortsauflösender Strahlungsdetektor gebildet. Hierbei werden die Signale jeder einzelnen Sensoreinheit durch gemeinsame Steuer- und Auswerteelemente verarbeitet und geregelt. Die einzelnen Sensoreinheiten sind hierbei beispielsweise in einer matrixförmigen Anordnung räumlich verteilt. In einer bevorzugten Ausbildung sind die Absorptionskörper der einzelnen Sensoreinheiten einstückig miteinander ausgeführt. Die Sensoreinheiten des Strahlungsdetektors teilen sich mit anderen Worten einen gemeinsamen, einstückigen Absorptionskörper, der sich über die gesamte Detektionsfläche erstreckt.In an advantageous development of the invention, a spatially-resolving radiation detector is formed by a signal-technical coupling of a plurality of sensor units of the type described above. Here, the signals of each sensor unit are processed and controlled by common control and evaluation. The individual sensor units are spatially distributed, for example, in a matrix-like arrangement. In a preferred embodiment, the absorption bodies of the individual sensor units are formed integrally with one another. In other words, the sensor units of the radiation detector share a common, one-piece absorption body which extends over the entire detection area.

Das vorstehend beschriebene Verfahren und die zugehörige Sensoreinheit bzw. der damit ausgerüstete Strahlungsdetektor sind vorgesehen und geeignet zur Detektion von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung) sowie von Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung). Ferner können das Verfahren und die zugehörige Sensoreinheit aber auch zur Messung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Spektralbereich herangezogen werden.The method described above and the associated sensor unit or the thereof Equipped radiation detectors are provided and suitable for the detection of high-energy electromagnetic radiation (in particular X-ray or gamma radiation) and of particle radiation (corpuscular radiation). Furthermore, the method and the associated sensor unit can also be used for measuring electromagnetic radiation in the visible, infrared or ultraviolet spectral range.

Der Anwendungsbereich, d. h. die Einsetzbarkeit der Sensoreinheit für eine bestimmte Strahlungsart, wird dabei hauptsächlich durch die Materialzusammensetzung und den Aufbau des Absorptionskörpers vorgegeben und kann so entsprechend an die zu detektierende Strahlungsart angepasst werden. Für die Detektion von Röntgen- und Gammastrahlung ist der Absorptionskörper beispielsweise aus Cadmium-Tellurid, Cadmium-Zink-Tellurid oder Blei-Jodid hergestellt. Ein vorteilhaftes Halbleitermaterial für die Steuerschaltung ist insbesondere Silizium, so dass Schaltungselemente der Steuereinheit in integrierter Form, z. B. als CMOS-Schaltungen ausgeführt werden können.The scope, d. H. the usability of the sensor unit for a particular type of radiation, is mainly determined by the material composition and the structure of the absorption body and can be adapted accordingly to the type of radiation to be detected. For the detection of X-ray and gamma radiation, the absorption body is made, for example, from cadmium telluride, cadmium zinc telluride or lead iodide. An advantageous semiconductor material for the control circuit is in particular silicon, so that circuit elements of the control unit in an integrated form, for. B. can be performed as CMOS circuits.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 in schematisch vereinfachter Querschnitts-Darstellung eine Sensoreinheit zum Detektieren von Strahlung, mit einem Absorptionskörper und einer als Halbleiterelement ausgebildeten Steuereinheit, 1 in a schematically simplified cross-sectional representation of a sensor unit for detecting radiation, with an absorption body and designed as a semiconductor element control unit,

2 in einem Bändermodell-Diagramm die elektronische Zustandsbesetzung in dem Absorptionskörper im thermischen Gleichgewicht, 2 in a band model diagram the electronic state occupation in the absorption body in thermal equilibrium,

3 in einem Bändermodell-Diagramm gemäß 2A die Zustandsbesetzung in dem Absorptionskörper bei einer Störung des Gleichgewichts durch einfallende Strahlung, 3 in a band model diagram according to 2A the state occupation in the absorption body in the case of a disturbance of the equilibrium by incident radiation,

4 in zwei übereinander angeordneten synchronen Diagrammen den zeitlichen Verlauf eines strahlungsgenerierten Stroms sowie des Injektionsstroms in dem Absorptionskörper bei analoger Steuerung des Injektionsstroms, 4 in two superimposed synchronous diagrams, the time course of a radiation-generated current and the injection current in the absorption body with analog control of the injection current,

5 in einem schematischen Blockschaltbild eine für die analoge Steuerung des Injektionsstroms ausgebildete Variante der Sensoreinheit gemäß 1, 5 in a schematic block diagram of a designed for the analog control of the injection current variant of the sensor unit according to 1 .

6 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Injektionsstroms bei digitaler (d. h. gepulster) Steuerung des Injektionsstroms, 6 in a diagram, the time course of the injection current in digital (ie pulsed) control of the injection current,

7 in einem schematischen Blockschaltbild eine für die digitale Steuerung des Injektionsstroms ausgebildete Variante der Steuereinheit, und 7 in a schematic block diagram formed for the digital control of the injection current variant of the control unit, and

8 in schematischer Querschnitts-Darstellung einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor, der durch mehrere Sensoreinheiten der vorstehend beschriebenen Art gebildet wird. 8th a schematic cross-sectional view of a spatially resolving radiation detector, which is formed by a plurality of sensor units of the type described above.

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

1 zeigt stark vereinfacht den Aufbau und die Funktionsweise einer Sensoreinheit 1 mit einem direkt-wandelnden Absorptionskörper 2 zur Detektion einer Strahlung 3. Bei der zu detektierenden Strahlung 3 handelt es sich beispielsweise um Röntgenstrahlung. Der Absorptionskörper 2 besteht aus einem Halbleitermaterial, das bestimmungsgemäß die zu detektierende Strahlung 3 absorbiert. Durch die bei der Absorption eines Strahlungsquants deponierte Energie wird ein Atom des Absorptionskörpers 2 ionisiert, wobei ein energiereiches Foto-Elektron 4 und ein ionisierter Atomrumpf 5 erzeugt werden. Das Fotoelektron 4 gibt entlang seiner Bahn 6 innerhalb des Absorptionskörpers 2 Energie durch Wechselwirkungsprozesse ab und erzeugt so Elektron-Loch-Paare 7. 1 shows very simplified the structure and operation of a sensor unit 1 with a direct-converting absorption body 2 for the detection of radiation 3 , At the radiation to be detected 3 For example, it is X-ray radiation. The absorption body 2 consists of a semiconductor material, the intended purpose of the radiation to be detected 3 absorbed. The energy deposited in the absorption of a radiation quantum becomes an atom of the absorption body 2 ionized using a high-energy photo-electron 4 and an ionized atomic body 5 be generated. The photoelectron 4 gives along his path 6 within the absorption body 2 Energy through interaction processes and thus creates electron-hole pairs 7 ,

Die Sensoreinheit 1 umfasst zusätzlich zu dem Absorptionskörper 2 ein weiteres Halbleiterelement, das unmittelbar mit dem Absorptionskörper 2 verbunden und bevorzugt einstückig mit diesem ausgebildet ist. In diesem weiteren Halbleiterelement ist eine integrierte elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Absorptionskörpers 2 und zur Bestimmung der in dem Absorptionskörper 2 deponierten Strahlungsenergie ausgebildet. Das weitere Halbleiterelement ist daher nachfolgend als Steuereinheit 8 bezeichnet.The sensor unit 1 includes in addition to the absorbent body 2 another semiconductor element, directly with the absorption body 2 connected and preferably integrally formed therewith. In this further semiconductor element is an integrated electronic circuit for controlling the absorption body 2 and for determining the in the absorption body 2 deposited radiation energy formed. The further semiconductor element is therefore below as a control unit 8th designated.

Durch die Steuereinheit 8 können insbesondere zusätzliche Ladungsträger, beispielsweise Elektronen 9, in den Absorptionskörper 2 injiziert werden.Through the control unit 8th In particular, additional charge carriers, for example electrons 9 , in the absorption body 2 be injected.

In den 2 und 3 werden in einer Bändermodell-Darstellung die elektro-physikalischen Eigenschaften des Absorptionskörpers 2 näher erläutert. In beiden Figuren sind die beiden leitungstechnisch relevanten elektronischen (Energie-)Bänder des Absorptionskörpers 2, nämlich das sogenannte Valenzband 10 und das sogenannte Leitungsband 11 dargestellt.In the 2 and 3 become in a band model representation the electro-physical properties of the absorption body 2 explained in more detail. In both figures, the two line technology relevant electronic (energy) bands of the absorption body 2 namely the so-called valence band 10 and the so-called conduction band 11 shown.

Als (Energie-)Band wird hierbei – gemäß der Nomenklatur der Halbleiter-Physik – ein Kontinuum delokalisierter elektronischer (Energie-)Zustände des Halbeitermaterials des Absorptionskörpers 2 bezeichnet. In der Bändermodell-Darstellung gemäß 2 und 3 sind die Bänder konventionsgemäß nach Maßgabe einer (nicht explizit dargestellten) senkrechten Energieachse angeordnet. Das höher dargestellte Leitungsband 11 besteht somit aus Zuständen höherer Energie als das darunter abgebildete Valenzband 10.As (energy) band here - according to the nomenclature of semiconductor physics - a continuum of delocalized electronic (energy) states of the semiconductor material of the absorption body 2 designated. In the band model representation according to 2 and 3 the bands are conventionally arranged in accordance with a (not explicitly shown) vertical energy axis. The higher illustrated conduction band 11 thus consists of states of higher energy than the valence band shown below 10 ,

2 zeigt zunächst die Situation der elektronischen Zustände im thermischen Gleichgewicht des Absorptionskörpers 2. Dieser Zustand ist dann gegeben, wenn keine Strahlung 3 auf den Absorptionskörper 2 fällt und somit auch keine strahlungs-generierten Ladungsträger (insbesondere das Fotoelektron 4 und die Elektron-Loch-Paare 7) existieren, und wenn auch keine Elektronen 9 von der Steuereinheit 8 in den Absorptionskörper 2 injiziert werden. 2 first shows the situation of the electronic states in the thermal equilibrium of the absorption body 2 , This condition is given when there is no radiation 3 on the absorption body 2 and therefore no radiation-generated charge carriers (in particular the photoelectron 4 and the electron-hole pairs 7 ) exist, and though no electrons 9 from the control unit 8th in the absorption body 2 be injected.

Das Valenzband 10 und das Leitungsband 11 des Absorptionskörpers 2 sind – halbleitertypisch – durch eine energetische Bandlücke 12 getrennt. In dieser Bandlücke 12 befinden sich allerdings einzelne elektronische Zustände 13, die lokal durch Defekte der Gitterstruktur des Halbleitermaterials oder durch Verunreinigungen verursacht werden und die selbst nicht zu (Energie-)Bändern verschmelzen. Im thermischen Gleichgewicht sind die Zustände 13 – wie aus 2A ersichtlich – bis zu dem sogenannten Fermi-Niveau 14 aufgefüllt, d. h. mit Elektronen „geladen”.The valence band 10 and the conduction band 11 of the absorption body 2 are - typical for semiconductors - by an energetic band gap 12 separated. In this band gap 12 However, there are individual electronic states 13 which are locally caused by defects of the lattice structure of the semiconductor material or by impurities and which do not fuse themselves into (energy) bands. In thermal equilibrium are the states 13 - like out 2A apparent - up to the so-called Fermi level 14 filled, ie "charged" with electrons.

3 zeigt die Situation bei einer Störung des thermischen Gleichgewichts durch Strahlungseinfall. Durch die Strahlung 3 werden die Elektronen 15 der erzeugten Elektron-Loch-Paare 7 energetisch in das Leitungsband 11 gehoben, während die ionisierten Atomrümpfe als Löcher 16 im Valenzband 10 angereichert werden. Hierdurch spaltet sich das Fermi-Niveau 14 auf in ein den Elektronen 15 zugeordnetes Quasi-Fermi-Niveau 17 sowie in ein den Löchern 16 zugeordnetes Quasi-Fermi-Niveau 18. In diesem angeregten Zustand sind die Zustände 13 innerhalb der Bandlücke 12 bis zum Quasi-Fermi-Niveau 17 mit Elektronen 15 geladen. 3 shows the situation with a disturbance of the thermal equilibrium by radiation incidence. By the radiation 3 become the electrons 15 of the generated electron-hole pairs 7 energetically into the conduction band 11 lifted, while the ionized atomic hulls as holes 16 in the valence band 10 be enriched. This splits the Fermi level 14 in on the electrons 15 associated quasi-Fermi level 17 as well as in one of the holes 16 associated quasi-Fermi level 18 , In this excited state are the states 13 within the band gap 12 to the quasi-Fermi level 17 with electrons 15 loaded.

Variiert die Intensität der einfallenden Strahlung 3, so verschieben sich die Quasi-Fermi-Niveaus 17 und 18. Mit der Verschiebung der Quasi-Fermi-Niveaus 17 und 18 werden die in dem betroffenen Energiebereich liegenden Zustände 13 geladen oder entladen.Varies the intensity of the incident radiation 3 , so move the quasi-Fermi levels 17 and 18 , With the shift of quasi-Fermi levels 17 and 18 become the states in the affected energy range 13 charged or discharged.

Um die damit verbundenen Nachteile, wie etwa Einflüsse auf die Sensorempfindlichkeit oder das zeitliche Signalverhalten, zu vermeiden, werden durch die Steuereinheit 8 Elektronen 9 stets in dem Maße in den Absorptionskörper injiziert, dass die Quasi-Fermi-Niveaus 17 und 18 auf einem konstantem Wert gehalten werden.To avoid the associated disadvantages, such as influences on the sensor sensitivity or the temporal signal behavior, are by the control unit 8th electrons 9 always injected into the absorbent body to the extent that the quasi-Fermi levels 17 and 18 be kept at a constant value.

Die Steuereinheit 8 erzeugt dabei – wie in 4 und 5 beispielhaft dargestellt – durch die Injektion der Elektronen 9 einen Injektionsstrom I_IN in einer Injektionsschicht 22 der Steuereinheit 8, so dass dieser Injektionsstrom I_IN den Fluss der strahlungs-generierten Elektronen 15 und Löcher 16 (nachfolgend als strahlungs-generierter Strom I_RAD bezeichnet) gerade kompensiert. Der durch den Absorptionskörper 2 fließende Summenstrom I_SUM, der sich aus der Summe der Ströme I_RAD und I_IN ergibt, ist aufgrund dieser Einstellung des Injektionsstroms I_IN stets konstant.The control unit 8th generates - as in 4 and 5 exemplified by the injection of electrons 9 an injection current I _IN in an injection layer 22 the control unit 8th , so that this injection current I _IN the flow of radiation-generated electrons 15 and holes 16 (hereinafter referred to as radiation-generated current I _RAD ) just compensated. The through the absorption body 2 flowing sum current I _SUM , which results from the sum of the currents I _RAD and I _IN , is always constant due to this setting of the injection current I _IN .

In 5 ist erste Ausführungsvariante der Sensoreinheit 1 in größerem Detail dargestellt, bei der die Steuereinheit 8 eine analoge elektronische Schaltung 24 enthält. Als Kernbestandteil dieser Schaltung 24 enthält die Steuereinheit 8 einen Substrahierer, beispielsweise in Form eines Differenzverstärkers 25. Dem Differenzverstärker 25 sind eingangsseitig einerseits ein (Summen-)Strommaß M_SUM für die Stärke des Summenstroms I_SUM und andererseits ein Sollwert M₀ zugeführt. Als (Summen-)Strommaß M_SUM ist dem Differenzverstärker 25 eine stromproportionale Spannung zugeführt, die über einem in dem Pfad des Summenstroms I_SUM geschalteten Shunt-Widerstand (nicht explizit dargestellt) abgegriffen wird. Als Sollwert M₀ ist dem Differenzverstärker 25 eine geeignet gewählte konstante Referenzspannung zugeführt.In 5 is the first embodiment of the sensor unit 1 shown in more detail at the control unit 8th an analog electronic circuit 24 contains. As a core part of this circuit 24 contains the control unit 8th a subtractor, for example in the form of a differential amplifier 25 , The differential amplifier 25 On the input side, on the one hand, a (sum) current measure M _SUM for the magnitude of the sum current I _SUM and, on the other hand, a setpoint value M _{0 are} supplied. As (sum) current measure M _SUM is the differential amplifier 25 supplied to a current proportional voltage, which is tapped over a shunt in the path of the summation current I _SUM (not explicitly shown). As setpoint M ₀ is the differential amplifier 25 fed a suitably selected constant reference voltage.

Ausgangsseitig gibt der Differenzverstärker 25 ein Differenzsignal S_D aus, das proportional zu der Abweichung des Strommaßes M_SUM von dem Sollwert M₀ ist. Dieses Differenzsignal S_D wird als Rückkopplungssignal S_R über einen Rückkopplungszweig 28 an die Injektionsschicht 22 zurückgegeben und steuert die Stärke des Injektionsstrom I_IN. Insbesondere ist die Stärke des Injektionsstroms I_IN stets proportional zu dem Betrag des Rückkopplungssignals S_R (bzw. Differenzsignals S_D).On the output side gives the differential amplifier 25 a difference signal S _D , which is proportional to the deviation of the current measure M _SUM from the target value M ₀ . This difference signal S _D is a feedback signal S _R via a feedback branch 28 to the injection layer 22 returns and controls the strength of the injection current I _IN . In particular, the intensity of the injection current I _{IN is} always proportional to the magnitude of the feedback signal S _R (or difference signal S _D ).

Das Differenzsignal S_D wird zudem als analoges (Detektions-)Maß M_D für die Intensität der einfallenden Strahlung 3 abgegriffen. Das Detektionsmaß M_D gibt die Intensität der einfallenden Strahlung 3 dabei invers wieder. Ebenso wie der Injektionsstrom I_IN hat also auch das Detektionsmaß M_D einen mit wachsender Intensität der einfallenden Strahlung 3 abnehmenden Wert.The difference signal S _D is also used as an analog (detection) measure M _D for the intensity of the incident radiation 3 tapped. The detection measure M _D gives the intensity of the incident radiation 3 but inversely again. As well as the injection current I _IN , therefore, the detection measure M _{D also has} a with increasing intensity of the incident radiation 3 decreasing value.

Anhand der 6 und 7 wird nachfolgend eine zweite Ausführungsvariante der Sensoreinheit 1 erläutert, bei der der Injektionsstrom I_IN digital durch eine zeitliche Folge von Strompulsen 30 gleicher Form, d. h. gleicher Amplitude und Dauer (siehe 6) erzeugt wird. Die effektive Stärke des Injektionsstroms I_IN, d. h. die Stärke des Injektionsstroms I_IN im Zeitmittel, wird dabei über die Frequenz eingestellt, mit der die Strompulse 30 aufeinander folgen. 6 zeigt lediglich zur Verdeutlichung ein Fallbeispiel, bei dem die Strompulse 30 während einer ersten Zeitspanne 31 mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1:1 erzeugt werden, während die Strompulse 30 während einer folgenden Zeitspanne 32 – in Antwort auf eine Erhöhung des strahlungs-generierten Stroms I_RAD – mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1:3 erzeugt werden. Mit anderen Worten wird die Frequenz der Strompulse 30 zu Beginn der Zeitspanne 32 halbiert. Entsprechend nimmt die effektive Stärke des Injektionsstroms I_IN zu Beginn der zweiten Zeitspanne 32 auf die Hälfte ihres ursprünglichen Werts ab. Die Stärke des Summenstroms I_SUM bleibt dagegen infolge des angewachsenen strahlungs-generierten Stroms I_RAD konstant.Based on 6 and 7 Below is a second embodiment of the sensor unit 1 explained, in which the injection current I _IN digital by a temporal sequence of current pulses 30 same shape, ie equal amplitude and duration (see 6 ) is produced. The effective strength of the injection current I _IN , ie the intensity of the injection current I _IN in the time average, is set via the frequency with which the current pulses 30 follow one another. 6 shows only for clarity a case example in which the current pulses 30 during one first time span 31 with a pulse-to-space ratio of 1: 1, while the current pulses 30 during a subsequent period of time 32 - be generated in response to an increase of the radiation-generated current I _RAD - with a pulse-pause ratio of 1: 3. In other words, the frequency of the current pulses 30 at the beginning of the time span 32 halved. Accordingly, the effective magnitude of the injection current I _{IN increases} at the beginning of the second time period 32 to half their original value. _By contrast, the magnitude of the sum current I _SUM remains constant as a result of the increased radiation-generated current I _RAD .

Gemäß 7 enthält die Steuereinheit 8 zur Erzeugung des gepulsten Injektionsstroms I_IN zusätzlich zu dem Differenzverstärker 25 einen Analog-Digital-Wandler in Form eines Spannungs-Frequenz-Konverters 36, eine Treiberschaltung 37 und einen (Spannungs-)Pulszähler 38.According to 7 contains the control unit 8th for generating the pulsed injection current I _{IN in} addition to the differential amplifier 25 an analog-to-digital converter in the form of a voltage-frequency converter 36 , a driver circuit 37 and a (voltage) pulse counter 38 ,

Das analoge Differenzsignal S_D des Differenzverstärkers 25 wird hierbei zunächst dem Spannungs-Frequenz-Konverter 36 zugeführt, der ein Pulssignal S_P mit einer zum Wert des Differenzsignals S_D proportionalen Frequenz erzeugt. Dieses Pulssignal S_P wird einerseits der Treiberschaltung 37 zugeführt, die die Pulse des Pulssignals S_P hinsichtlich Amplitude, Dauer und Flankensteigung in gleicher Weise formt. Das solchermaßen normierte Pulssignal S_PN wird von der Treiberschaltung 37 wiederum als Rückkopplungssignal S_R über den Rückkopplungszweig 28 an die Injektionsschicht 22 zurückgeführt und erzeugt dort die Strompulse 30 des Injektionsstroms I_IN. Das Rückkopplungssignal S_R (beziehungsweise normierte Pulssignal S_PN) wird dabei durch die Treiberschaltung 37 insbesondere derart geformt, dass mit jedem Strompuls 30 des Injektionsstroms I_IN möglichst exakt die gleiche Ladungsmenge von der Injektionsschicht 22 in den Absorptionskörper 2 injiziert wird.The analog differential signal S _{D of} the differential amplifier 25 This is first the voltage-frequency converter 36 supplied, which generates a pulse signal S _P with a proportional to the value of the difference signal S _D frequency. This pulse signal S _P is on the one hand the driver circuit 37 supplied, which shapes the pulses of the pulse signal S _{P in} terms of amplitude, duration and slope in the same way. The thus normalized pulse signal S _PN is from the driver circuit 37 again as a feedback signal S _R via the feedback branch 28 to the injection layer 22 returned and generates there the current pulses 30 of the injection current I _IN . The feedback signal S _R (or normalized pulse signal S _PN ) is thereby by the driver circuit 37 especially shaped such that with each current pulse 30 the injection current I _IN as exactly as possible the same amount of charge from the injection layer 22 in the absorption body 2 is injected.

Das Pulssignal S_P wird andererseits an den Eingang des (Spannungs-)Pulszählers 38 angelegt. Dieser zählt die Anzahl der Pulse des Pulssignals S_P, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eintreffen. Die so bestimmte Zahl wird von dem Pulszähler 38 als digitales Detektionsmaß M_D ausgegeben.On the other hand, the pulse signal S _P is applied to the input of the (voltage) pulse counter 38 created. This counts the number of pulses of the pulse signal S _P which arrive within a predetermined time interval. The number thus determined is determined by the pulse counter 38 output as digital detection measure M _D.

8 zeigt in einem schematisch vereinfachten Querschnitt einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor 40, der durch mehrere, matrixförmig angeordnete Sensoreinheiten 1 gebildet wird. Die Sensoreinheiten 1 können hierbei nach einer beliebigen vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante gestaltet sein. 8th shows in a schematically simplified cross section a spatially resolving radiation detector 40 , by a plurality of sensor units arranged in matrix form 1 is formed. The sensor units 1 can be designed according to any embodiment variant described above.

Die Absorptionskörper 2 der einzelnen Sensoreinheiten 1 sind einstückig miteinander ausgeführt, so dass sich ein allen Sensoreinheiten 1 gemeinsamer Absorptionskörper 2 über die gesamte Detektorfläche erstreckt. Die Steuereinheiten 8 der einzelnen Sensoreinheiten 1 sind dagegen für jede Sensoreinheit 1 separat und räumlich getrennt ausgeführt. Jede Sensoreinheit 1 umfasst somit insbesondere eine separate Injektionsschicht 22 und eine separate Schaltung 24 zur Ansteuerung des Absorptionskörpers 2 sowie zur Signalverarbeitung. Die einzelnen Sensorelemente 1 sind durch gemeinsame Steuerungselemente 42 und Datenübertragungsmittel 43 signaltechnisch gekoppelt.The absorption body 2 the individual sensor units 1 are made in one piece with each other, so that is one of all sensor units 1 common absorbent body 2 extends over the entire detector surface. The control units 8th the individual sensor units 1 are against it for each sensor unit 1 separately and spatially separated. Each sensor unit 1 thus includes in particular a separate injection layer 22 and a separate circuit 24 for controlling the absorption body 2 as well as for signal processing. The individual sensor elements 1 are through common control elements 42 and data transmission means 43 signal-technically coupled.

Zusammenfassend wird ein präzises und effektives, gleichzeitig aber mit einfachen Mitteln realisierbares Verfahren zur Detektion von Strahlung 3, insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers 2 angegeben. Verfahrensgemäß werden ein elektrischer Injektionsstrom I_IN in den Absorptionskörper 2 injiziert, und ein Strommaß M_SUM für den insgesamt durch den Absorptionskörper 2 fließenden Strom I_SUM erfasst. Das Strommaß M_SUM wird dabei durch Einstellung des Injektionsstroms I_IN auf einen vorgegebenen Sollwert M₀ geregelt. Aus der Pegeländerung des Injektionsstromes I_IN oder einer damit korrelierenden Messgröße wird ein Detektionsmaß M_D für die auf den Absorptionskörper 2 fallende Strahlungsmenge bestimmt. Eine zugehörige Sensoreinheit 1 umfasst einen Absorptionskörper 2 der vorstehend beschriebenen Art sowie eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Steuereinheit 8.In summary, a precise and effective, but at the same time feasible by simple means method for the detection of radiation 3 , in particular X-ray radiation, by means of a direct-converting absorption body 2 specified. According to the method, an electric injection current I _IN in the absorption body 2 injected, and a current measure M _SUM for the total through the absorption body 2 flowing current I _SUM detected. The current measure M _SUM is regulated by setting the injection current I _IN to a predetermined desired value M ₀ . From the change in level of the injection current I _IN or a measured variable correlating therewith, a measure of detection M _D for the absorption body is obtained 2 falling radiation quantity determined. An associated sensor unit 1 comprises an absorption body 2 of the type described above and a control unit set up for carrying out the method 8th ,

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the embodiments described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, furthermore, all individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways, without departing from the subject matter of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sensoreinheitsensor unit
22: Absorptionskörperabsorbent body
33: Strahlungradiation
44: Fotoelektronphotoelectron
55: Atomrumpfatomic core
66: Bahntrain
77: Elektron-Loch-PaarElectron-hole pair
88th: Steuereinheitcontrol unit
99: Elektronelectron
1010: Valenzbandvalence
1111: Leitungsbandconduction band
1212: Bandlückebandgap
1313: ZustandStatus
1414: Fermi-NiveauFermi level
1515: Elektronelectron
1616: Lochhole
1717: Quasi-Fermi-NiveauQuasi-Fermi level
1818: Quasi-Fermi-NiveauQuasi-Fermi level
2222: Injektionsschichtinjection layer
2424: Schaltungcircuit
2525: Differenzverstärkerdifferential amplifier
2828: RückkopplungszweigFeedback path
3030: Strompulscurrent pulse
3131: ZeitspannePeriod of time
3232: ZeitspannePeriod of time
3636: Spannungs-Frequenz-KonverterVoltage-frequency converter
3737: Treiberschaltungdriver circuit
3838: (Spannungs-)Pulszähler(Voltage) pulse counter
4040: Strahlungsdetektorradiation detector
4242: Steuerungselementecontrols
4343: SignalübertragungsmittelSignal transmission means
I_IN I _IN: Injektionsstrominjection current
I_RAD I _RAD: (strahlungs-generierter) Strom(radiation-generated) electricity
I_SUM I _SUM: (Summen-)Strom(Sum) Power
M₀ M ₀: Sollwertsetpoint
M_D M _D: DetektionsmaßDetektionsmaß
M_SUM M _SUM: (Summen-)Strommaß(Sum) current measurement
S_D S _D: Differenzsignaldifference signal
S_P S _P: Pulssignalpulse signal
S_PN S _PN: (normiertes) Pulssignal(normalized) pulse signal
S_R S _R: RückkopplungssignalFeedback signal

Claims

Method for detecting radiation ( 3 ), in particular X-ray radiation, by means of a direct-conversion absorption body ( 2 ), In which an electrical injection current (I _IN ) into the absorption body ( 2 ) is injected, - in which a current measure (M _SUM ) for the total by the absorption body ( 2 ) current is detected (I _SUM ), - in which the current measure (M _SUM ) by adjusting the injection current (I _IN ) to a predetermined setpoint (M ₀ ) is controlled, and - in which from the level change of the injection current (I _IN ) or a measured variable correlating therewith, a detection measure (M _D ) for the absorption body ( 2 ) falling radiation quantity is determined.

Method according to Claim 1, in which the injection current (I _IN ) is interrupted discontinuously as a result of time-discrete current pulses (I _IN ). 30 ) is produced.

Method according to Claim 2, in which the current pulses ( 30 ) are generated such that by each current pulse ( 30 ) substantially the same amount of charge in the absorption body ( 2 ) and in which the intensity of the injection current (I _IN ) is determined by the frequency of the current pulses ( 30 ) is set.

Method according to Claim 3, in which the detection measure (M _D ) is calculated by counting the current pulses (M _D ). 30 ) or a measured variable correlating therewith.

Sensor unit ( 1 ) for detecting radiation ( 3 ), in particular X-ray radiation, with an absorption body ( 2 ) for direct conversion of incident radiation ( 3 ) in a radiation-generated electric current (I _RAD ) and one with the absorption body ( 2 ) coupled or couplable control unit ( 8th ), the control unit ( 8th ) is adapted to - an electrical injection current (I _IN ) in the absorption body ( 2 ) - a current measure (M _SUM ) for the total of the absorption body ( 2 ) to detect flowing current (I _SUM ), - to regulate the current measure (M _SUM ) by setting the injection current (I _IN ) to a predetermined desired value (M ₀ ), and - from the level change of the injection current ( 29 ) or a measured variable correlating therewith a detection measure ( 30 ) for the on the absorption body ( 2 ) to determine decreasing radiation quantity.

Sensor unit ( 1 ) according to claim 5, wherein the control unit ( 8th ) designed as a semiconductor element and directly, in particular in one piece, with the absorption body ( 2 ) connected is.

Sensor unit ( 1 ) according to claim 5 or 6, wherein the control unit ( 8th ) an injection layer ( 22 ), via which the injection flow (I _IN ) into the absorption body ( 2 ) is injectable.

Sensor unit ( 1 ) according to one of claims 5 to 7, wherein the control unit ( 8th ) a subtractor ( 25 ) which compares the current measure (M _SUM ) with the desired value (M ₀ ) and outputs a difference signal (S _D ) proportional to the deviation of the current value (M _SUM ) from the reference value (M ₀ ).

Sensor unit ( 1 ) according to claim 8, wherein the control unit ( 8th ) is adapted to form the detection measure (M _D ) as an analog signal from the difference signal (S _D ).

Sensor unit ( 1 ) according to one of claims 5 to 9, wherein the control unit ( 8th ) is arranged to interrupt the injection current (I _IN ) discontinuously as a result of time-discrete current pulses ( 30 ) to create.

Sensor unit ( 1 ) according to claims 8 and 10, wherein the control unit ( 8th ) for generating the current pulses ( 30 ) a subtractor ( 25 ) downstream analog-to-digital converter ( 36 ), the output side directly or indirectly with the absorption body ( 2 ) is interconnected.

Sensor unit ( 1 ) according to claim 10 or 11, wherein the control unit ( 8th ) for determining the detection measure (M _D ) a pulse counter ( 38 ) comprising the current pulses ( 30 ) of the injection current (I _IN ) or pulses of a pulse signal correlated therewith.

Sensor unit ( 1 ) according to claim 11 or 12, wherein the control unit ( 8th ) an analog-to-digital converter ( 36 ) downstream driver circuit ( 37 ), which is adapted to receive a signal from the analog-to-digital converter ( 36 ) output pulse signal (S _P ) in such a way that by each current pulse ( 30 ) of the driver circuit ( 37 ) Shaped pulse signal (S _PN) generated injection current (I _IN) in substantially the same amount of charge (in the absorption body 2 ) is injected.

Spatial radiation detector ( 40 ) comprising a plurality of coupled sensor units ( 1 ) according to any one of claims 5 to 13.