DE102012200549B3

DE102012200549B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Wandlung von Röntgenstrahlung mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht

Info

Publication number: DE102012200549B3
Application number: DE102012200549A
Authority: DE
Inventors: Christian Schröter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN103207404A; CN103207404B; KR101844614B1; KR20130084256A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandlung von Röntgenstrahlung (5) mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht (4), die eine Oberfläche (6) und seitliche Begrenzungsflächen (7) aufweist, die sich über die Dicke der Halbleiterschicht (4) erstrecken. Die Röntgenstrahlung (5) wird durch die Oberfläche (6) in die Halbleiterschicht (4) eingestrahlt, während die Halbleiterschicht (4) gleichzeitig parallel zur Oberfläche (6) durch wenigstens eine der seitlichen Begrenzungsflächen (7) mit Infrarotstrahlung (3) durchstrahlt wird. Bei dem Verfahren wird das Intensitätsprofil (10, 11) der Infrarotstrahlung (3) so eingestellt, dass die Intensität der Infrarotstrahlung (3) von der Oberfläche (6) ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht (4) abnimmt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird eine verbesserte Konditionierung eines Röntgendetektors mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht erreicht, die zu geringeren Bildartefakten bei der Röntgenbildgebung führt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandlung von Röntgenstrahlung mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht, die eine Oberfläche und seitliche Begrenzungsflächen aufweist, die sich über eine Dicke der Halbleiterschicht erstrecken, wobei die Röntgenstrahlung durch die Oberfläche in die Halbleiterschicht eingestrahlt wird, während die Halbleiterschicht gleichzeitig parallel zur Oberfläche durch wenigstens eine der seitlichen Begrenzungsflächen mit Infrarotstrahlung durchstrahlt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Wandlung von Röntgenstrahlung, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.
Im Bereich bildgebender Röntgensysteme werden häufig direkt wandelnde Halbleiterschichten eingesetzt. Hierfür eignen sich insbesondere Halbleiter basierend auf Elementen mit hoher Kernladungszahl aufgrund ihres hohen Absorptionsvermögens. Typischerweise werden III-V- bzw. II-IV-Halbleiter eingesetzt. Ein typischer Vertreter der zweiten Gruppe ist CdTe (Cadmiumtellurid), aber auch CZT (Cadmiumzinktellurid) und CST (Cadmiumselenidtellurid) kommen zum Einsatz. Unter starker Röntgenbestrahlung, wie sie bspw. in CT-Systemen erzeugt wird, neigen diese Halbleiter jedoch zur sog. Polarisation. Dabei werden in Kristalldefekten Ladungsträger ortsfest gebunden, welche zum Aufbau einer Raumladung im Detektor führen. Dadurch verändert sich das für den Ladungsträgertransport verantwortliche elektrische Feld, so dass sich auch die Detektorantwort auf die einfallende Röntgenstrahlung ändert. Dies führt in der Röntgenbildgebung zu inakzeptablen Bildartefakten.
Zur Vermeidung der Detektordrift aufgrund der Polarisation kann eine Konditionierung des die Halbleiterschicht umfassenden Detektors durchgeführt werden. Die Konditionierung kann durch Einschalten der Röntgenstrahlung vor der eigentlichen Messung erreicht werden. Bei der Röntgenbildgebung im medizinischen Bereich ist diese Methode jedoch nicht applikabel, da sie zu zusätzlicher Röntgenexposition des Patienten führen würde.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Konditionierung des Detektors mittels infrarotem Licht. Infrarotlicht durchdringt den Halbleiter, sofern die Quantenenergie kleiner als die Bandlückenenergie des Halbleiters ist. Es werden Ladungsträger erzeugt, welche die tiefen Störstellen befüllen. Durch eine solche Konditionierung kann die mittlere Polarisation des Detektors konstant gehalten werden, sofern die Intensität der Infrarotstrahlung passend gewählt wird. Die Wahl der geeigneten Infrarot(IR)-Intensität kann bspw. über die Konstanz des Photostroms (constant current mode) erreicht werden. Allerdings kommt es auch bei der Einstrahlung von Infrarotlicht während der Röntgenbestrahlung noch zu einer Umverteilung der Raumladung, wodurch sich die Detektorantwort ändert und wiederum Bildartefakte entstehen.
Aus der US 2010/0078559 A1 ist ein Verfahren zur Konditionierung eines Halbleiterdetektors für Röntgenstrahlung bekannt, bei dem die Konditionierung mit Infrarotlicht durchgeführt wird. Das Infrarotlicht wird hierbei mit einer Energie im Bereich zwischen 0,6 und 0,8 eV eingestrahlt, die der Ionisationsenergie der Kristalldefekte in der Mitte der Bandlücke des Halbleiterkristalls entspricht.
Auch die US 2010/0086098 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung oder Vermeidung der Polarisation in Halbleiterdetektoren für die medizinische Bildgebung. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird Infrarot-Strahlung mit einer einstellbaren Wellenlänge von der Seite oder über aufgelegte Wellenleiter mit nach unten streuenden Bereichen von oben in das Halbleitermaterial eingestrahlt. Die Wellenlänge wird dabei so gewählt, dass der negative Effekt der Raumladungen auf das Detektionssignal verringert wird.
Auch die US 6373064 B1 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Halbleiterdetektor durch Einstrahlung von Infrarotlicht geeigneter Wellenlänge konditioniert wird. Bei der US 5248885 A wird schließlich ebenfalls Infrarotstrahlung mit einer Energie zur Konditionierung eines Halbleiterdetektors eingesetzt, die kleiner als die Bandlücke des Halbleitermaterials ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Wandlung von Röntgenstrahlung mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht anzugeben, die eine durch Polarisationseffekte in der Halbleiterschicht eines Röntgendetektors hervorgerufene Detektordrift zumindest nochmals verringern.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Wandlung von Röntgenstrahlung mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht wird die Röntgenstrahlung durch die Oberfläche in die Halbleiterschicht eingestrahlt, während die Halbleiterschicht gleichzeitig parallel zur Oberfläche durch wenigstens eine der seitlichen Begrenzungsflächen der Halbleiterschicht mit Infrarotstrahlung bzw. Infrarotlicht durchstrahlt wird. Vorzugsweise beginnt die Durchstrahlung der Halbleiterschicht mit der Infrarotstrahlung dabei bereits vor Beginn der Einstrahlung der Röntgenstrahlung. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Halbleiterschicht nicht gleichförmig mit der Infrarotstrahlung durchleuchtet. Es wird vielmehr ein Intensitätsprofil der Infrarotstrahlung eingestellt, durch das die Intensität der Infrarotstrahlung, die über die seitliche Begrenzungsfläche in die Halbleiterschicht eintritt, ausgehend von der Oberfläche über die Dicke der Halbleiterschicht abnimmt. In der dazu senkrechten Richtung wird die Intensität annähernd konstant gewählt.
Mit dieser Maßnahme nähert sich der Intensitätsverlauf der eingekoppelten Infrarotstrahlung über die Dicke der Halbleiterschicht an die Intensitätsabnahme der einfallenden Röntgenstrahlung über die Dicke der Halbleiterschicht an. Damit wird die Umverteilung der Raumladung während der Röntgenbestrahlung verringert, so dass auch die Detektordrift und Bildartefakte verringert werden.
Infrarotes Licht erfährt im Halbleiter kaum eine Abschwächung, so dass das Infrarotlicht bei Einstrahlung mit konstanter Intensität über den Strahlquerschnitt in der gesamten Halbleiterschicht in gleicher Weise wirkt. Die einfallende Röntgenstrahlung wird jedoch entlang der Einstrahlungsrichtung deutlich abgeschwächt, so dass in der Nähe der Oberfläche eine deutlich höhere Röntgenintensität auftritt als am Boden der Halbleiterschicht. Diese Kombination führt dann zu der verbleibenden unerwünschten Umverteilung der Raumladung. Bei der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass dieser Effekt durch die seitliche Einstrahlung in Verbindung mit dem speziell gewählten Intensitätsprofil des eingestrahlten Infrarotlichts über die Dicke der Halbleiterschicht vermieden oder zumindest verringert werden kann.
Das Intensitätsprofil kann dabei so gewählt werden, dass die Intensität der eingekoppelten Infrarotstrahlung den gleichen Intensitätsverlauf über die Dicke der Halbleiterschicht aufweist wie die Röntgenstrahlung entlang der Röntgeneinfallsrichtung. In diesem Falle kann eine optimale Konditionierung des die Halbleiterschicht umfassenden Detektors erreicht werden. Unter dem gleichen Intensitätsverlauf ist hierbei nicht zu verstehen, dass jeweils die gleichen Intensitäten von Röntgenstrahlung und Infrarotstrahlung vorliegen, sondern dass die Abnahme der Intensitäten von Infrarotstrahlung und Röntgenstrahlung über die Dicke der Halbleiterschicht dem gleichen Verlauf folgt. Gute Ergebnisse lassen sich jedoch auch schon erzielen, wenn das Intensitätsprofil der Infrarotstrahlung so eingestellt wird, dass die Intensität der Infrarotstrahlung von der Oberfläche der Halbleiterschicht ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht linear abnimmt. Dies entspricht einem keilförmigen Intensitätsprofil. Auch andere Intensitätsprofile lassen sich wählen, bspw. eine exponentielle Abnahme der Infrarotintensität über die Dicke der Halbleiterschicht.
Für die Erzeugung des Infrarotlichts lässt sich bspw. ein zweidimensionales Array von IR-LEDs nutzen. Durch unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen LEDs dieses Arrays kann dann das Intensitätsprofil in der gewünschten Weise eingestellt werden. In einer anderen Ausgestaltung sind im Strahlengang des Infrarotlichts eines oder mehrere die Infrarotstrahlung schwächende bzw. teilweise absorbierende optische Elemente eingebracht, die das Intensitätsprofil der über die Seitenfläche der Halbleiterschicht eintretenden Infrarotstrahlung entsprechend formen. Hierbei kann es sich bspw. um keilförmig oder stufenförmig ausgebildete Elemente handeln. In einer weiteren Ausgestaltung ist eine die Infrarotstrahlung teilweise absorbierende Schicht auf die Seitenfläche der Halbleiterschicht aufgebracht. Die Schichtdicke dieser zusätzlichen Schicht variiert entsprechend dem gewünschten Intensitätsprofil über die Dicke der Halbleiterschicht.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen Röntgendetektor mit der direkt wandelnden Halbleiterschicht sowie eine Infrarot-Beleuchtungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Infrarotstrahlung mit dem entsprechenden Intensitätsprofil über mindestens eine der Seitenflächen der Halbleiterschicht parallel zur Oberfläche in die Halbleiterschicht einzukoppeln.
Selbstverständlich können zwischen der verwendeten IR-Lichtquelle bzw. den verwendeten IR-Lichtquellen und der jeweiligen Seitenfläche der Halbleiterschicht zusätzliche optische Elemente zur Strahlformung eingesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, die Infrarotstrahlung nicht nur von einer Seite über eine der Seitenflächen sondern auch von einer oder mehreren anderen Seiten über die jeweils anderen Seitenflächen der Halbleiterschicht einzukoppeln. Die Einkopplung erfolgt jeweils derart, dass die gesamte Halbleiterschicht von der Infrarotstrahlung durchstrahlt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für die Abnahme der Intensität der Röntgenstrahlung über die Dicke der Halbleiterschicht,
2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung und
3 zwei Beispiele für das Intensitätsprofil der seitlich eingekoppelten IR-Strahlung über die Dicke z der Halbleiterschicht.
Bei der Einstrahlung von Röntgenstrahlung auf eine direkt wandelnde Halbleiterschicht eines Röntgendetektors wird die Röntgenstrahlung über die Dicke z der Halbleiterschicht stark absorbiert. Die Röntgenintensität nimmt daher in der Halbleiterschicht ausgehend von der Oberfläche über die Dicke z der Schicht ab. 1 zeigt hierzu einen beispielhaften Verlauf 1 der Röntgenintensität über die Dicke z der Halbleiterschicht. Wird eine derartige Halbleiterschicht mit IR-Licht bestrahlt, so tritt über die Dicke der Schicht keine nennenswerte Schwächung auf. Dies ist mit dem Verlauf 2 der Intensität bei IR-Bestrahlung in der 1 angedeutet. Damit kann zwar die mittlere Polarisation des Detektors konstant gehalten werden. Während der Röntgenbestrahlung kommt es aufgrund der mit der Tiefe abnehmenden Röntgenintensität jedoch wiederum zu einer Umverteilung der Raumladung, die zu einer Detektordrift und damit zu Bildartefakten führt.
Beim hier vorgeschlagenen Verfahren wird das von einer IR-Lichtquelle 9 emittierte IR-Licht 3 von der Seite in die direkt wandelnde Halbleiterschicht 4 des Röntgendetektors eingekoppelt. Die auf die Oberfläche 6 der Halbleiterschicht 4 auftreffende Röntgenstrahlung 5 ist in der Figur ebenfalls angedeutet. Die seitliche Begrenzungsfläche 7 der Halbleiterschicht ist in diesem Beispiel mit einer Schicht 8 eines für das IR-Licht 3 semitransparenten Materials beschichtet, das als Absorptionskörper dient und entlang der Röntgeneinstrahlrichtung ein Dickenprofil bzw. Absorptionsprofil aufweist. Dieses Profil ist so ausgebildet, dass die Intensität des seitlich eingekoppelten IR-Lichts 3 den gleichen Intensitätsverlauf entlang der Röntgeneinfallsrichtung aufweist, wie die Röntgenstrahlung 5. Die Halbleiterschicht 4 wird dabei von der Seite vollständig mit dem IR-Licht 3 durchstrahlt, wobei die Intensitätsverteilung senkrecht zur Einfallsrichtung der Röntgenstrahlung 5 und des IR-Lichts 3 annähernd konstant gewählt wird. Durch die Anpassung der Intensität des seitlich eingestrahlten IR-Lichts 3 an die Abnahme der Röntgenintensität der über die Oberfläche 6 eingestrahlten Röntgenstrahlung 5 mit der Dicke können Effekte der Umverteilung der Raumladung durch die Röntgeneinstrahlung nahezu vermieden werden. Damit wird eine optimale Konditionierung erreicht, so dass sich die Detektorantwort durch die Einstrahlung der Röntgenstrahlung nicht mehr ändert und somit Bildartefakte vermieden werden.
Die 3 zeigt schließlich noch zwei Beispiele für unterschiedliche Intensitätsprofile der seitlich eingekoppelten IR-Strahlung über die Dicke z der Halbleiterschicht, wie sie beim vorliegenden Verfahren eingesetzt werden können. In einer Ausgestaltung wird ein keilförmiges Intensitätsprofil 10 eingestellt, um eine grobe Annäherung an den Intensitätsverlauf der Röntgenstrahlung zu erreichen. In der zweiten Ausgestaltung wird ein exponentielles Intensitätsprofil 11 gewählt, mit dem eine bessere Annäherung erreicht wird. Selbstverständlich kann das Intensitätsprofil auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise eine Stufenform, solange damit eine Abnahme der Intensität der Infrarotstrahlung über die Dicke der Halbleiterschicht sichergestellt wird.
Die geeignete Wahl der Intensität des eingestrahlten IR-Lichtes kann dabei auf experimentellem Wege erfolgen, bspw. mit dem bereits in der Beschreibungseinleitung genannten Verfahren über die Konstanz des Photostroms (constant current mode). Die Wahl eines geeigneten Intensitätsprofils kann vorab aus der bekannten Röntgenschwächung der Halbleiterschicht berechnet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Wandlung von Röntgenstrahlung mit einer direkt wandelnden Halbleiterschicht (4), die eine Oberfläche (6) und seitliche Begrenzungsflächen (7) aufweist, die sich über eine Dicke der Halbleiterschicht (4) erstrecken, bei dem – die Röntgenstrahlung (5) durch die Oberfläche (6) in die Halbleiterschicht (4) eingestrahlt wird, – während die Halbleiterschicht (4) gleichzeitig parallel zur Oberfläche (6) durch wenigstens eine der seitlichen Begrenzungsflächen (7) mit Infrarotstrahlung (3) durchstrahlt wird, – wobei ein Intensitätsprofil (10, 11) der Infrarotstrahlung (3) so eingestellt wird, dass die Intensität der Infrarotstrahlung (3) von der Oberfläche (6) ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht (4) abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätsprofil (10, 11) so eingestellt wird, dass die Intensität der Infrarotstrahlung (3) von der Oberfläche (6) ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht (4) linear abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätsprofil (10, 11) so eingestellt wird, dass die Intensität der Infrarotstrahlung (3) von der Oberfläche (6) ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht (4) exponentiell abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätsprofil (10, 11) so eingestellt wird, dass die Abnahme der Intensität der Infrarotstrahlung (3) von der Oberfläche (6) ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht (4) einem Verlauf folgt, der einem Verlauf einer Abnahme der Röntgenintensität der eingestrahlten Röntgenstrahlung (5) über die Dicke der Halbleiterschicht (4) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahlung (3) über ein zweidimensionales Array von IR-Lichtquellen (9) erzeugt wird und die Einstellung des Intensitätsprofils (10, 11) der Infrarotstrahlung (3) über eine Ansteuerung der IR-Lichtquellen (9) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Intensitätsprofils (10, 11) der Infrarotstrahlung (3) über ein oder mehrere die Infrarotstrahlung schwächende Elemente (8) erfolgt, die in den Strahlengang der Infrarotstrahlung (3) zwischen eine oder mehrere IR-Lichtquellen (9) zur Erzeugung der Infrarotstrahlung (3) und die seitliche Begrenzungsfläche (7) der Halbleiterschicht (4) eingebracht sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Intensitätsprofils (10, 11) der Infrarotstrahlung (3) über eine Infrarotstrahlung teilweise absorbierende Schicht (8) erfolgt, die mit einer über die Dicke der Halbleiterschicht (4) variierenden Dicke auf die seitliche Begrenzungsfläche (7) der Halbleiterschicht (4) aufgebracht ist.
Vorrichtung zur Wandlung von Röntgenstrahlung mit einer Röntgenstrahlung direkt wandelnden Halbleiterschicht (4), die eine Oberfläche (6) und seitliche Begrenzungsflächen (7) aufweist, die sich über eine Dicke der Halbleiterschicht (4) erstrecken, und einer Infrarot-Beleuchtungseinrichtung (8, 9), die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie die Halbleiterschicht (4) parallel zur Oberfläche (6) durch wenigstens eine der seitlichen Begrenzungsflächen (7) mit Infrarotstrahlung (3) durchstrahlen kann, die ein Intensitätsprofil aufweist, bei dem die Intensität der Infrarotstrahlung (3) bei der Durchstrahlung der Halbleiterschicht (4) von der Oberfläche (6) ausgehend über die Dicke der Halbleiterschicht (4) abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Beleuchtungseinrichtung (8, 9) ein zweidimensionales Array von IR-Lichtquellen (9) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Beleuchtungseinrichtung (8, 9) ein oder mehrere die Infrarotstrahlung schwächende Elemente (8) im Strahlengang der Infrarotstrahlung (3) aufweist, durch die das Intensitätsprofil gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Infrarotstrahlung teilweise absorbierende Schicht (8) auf die seitliche Begrenzungsfläche (7) der Halbleiterschicht (4) aufgebracht ist, wobei die Dicke der Infrarotstrahlung teilweise absorbierenden Schicht (8) ausgehend von der Oberfläche (6) der Halbleiterschicht (4) über die Dicke der Halbleiterschicht (4) zunimmt.