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Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit einer Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Detektorelementen, wobei zur Strahlungsdetektion eine Halbleiterschicht mit einer Ober- und einer Unterseite vorliegt, die Halbleiterschicht auf einer der Seiten eine über mehrere Detektorelemente übergreifend ausgeführte Elektrode aufweist und auf der anderen Seite der Halbleiterschicht in Einzelelektroden unterteilte Elektroden angeordnet sind, so dass durch Anlegen von Spannung zwischen den Elektroden der beiden Seiten ein elektrisches Feld erzeugt werden kann und jeder Einzelelektrode ein wirksames Volumen zur Sammlung von Ladung in der Halbleiterschicht zugeordnet ist. Weiterhin betriff die Erfindung auch ein CT-System mit einem solchen Strahlungsdetektor.
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Strahlungsdetektoren zur pixelweisen Messung der Dosis von Röntgenstrahlung sind allgemein bekannt und werden in der medizinischen Diagnostik, insbesondere in der CT, Angiographie, SPECT und PET, eingesetzt. Bei neueren Detektorentwicklungen werden häufig direkt konvertierende Materialien verwendet. Typische Vertreter sind etwa III-V beziehungsweise II-VI-Halbleiter, wie Cadmiumtellurid oder Cadmiumzinktellurid. Für die Detektion von Röntgenstrahlung werden die Halbleiter von Elektroden eingeschlossen und zwischen den Elektroden eine Hochspannung angelegt. Durch dieses, den Halbleiter durchdringende elektrische Feld werden röntgengenerierte Ladungsträger getrennt und können an den Elektroden als Strom gemessen werden. Um die örtliche Auflösung des Detektors zu erreichen, wird typischerweise eine der Elektroden pixeliert, d. h. in Teilflächen unterteilt.
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Es hat sich herausgestellt, dass derart aufgebaute Detektoren nicht unbedingt linear arbeiten und dadurch im Ergebnis Bildartefakte entstehen.
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Aus der Druckschrift
WO 2010/073189 A1 ist ein halbleiterbasierter Strahlungsdetektor bekannt, welcher über zur Abführung der durch einfallende ionisierende Strahlung entstandenen Ladung eine Vielzahl von aus mehreren punktförmigen Elektroden zusammengefassten pixelbildenden Elektroden aufweist. Zur Verminderung von feldfreien Zonen zwischen den punktförmigen Elektroden wird hier vorgeschlagen, zwischen den punktförmigen Elektroden eine Steuerelektrode anzubringen, die den Feldlinienverlauf günstig beeinflusst und weiter in den sonst feldfreien Bereich hineinlenkt. Trotzdem bleiben aufgrund der symmetrischen Ausgestaltung auch hierbei immer noch Bereiche bestehen, die weiterhin von den elektrischen Feldlinien nicht erfasst werden.
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Aus der Druckschrift
US 2010/0252744 A1 ist der Aufbau eines halbleiterbasierten Strahlungsdetektors mit einem Ladungsträger sammelnden Elektrodensystem bekannt, bei dem benachbart ebenfalls Ladung sammelnde und nicht-sammelnde streifenförmige Elektroden angeordnet sind. Grundsätzlich werden auch hier die ladungsammelnden und die nicht-ladungsammelnden Elektroden mit unterschiedlichen Spannungspotentialen beaufschlagt. Jedoch geht aus diesen Schriften keine Anregung hervor benachbarte und ladungsammelnde Elektroden mit unterschiedlichen Spannungspotentialen zu beaufschlagen, um die sonst bei gleicher anliegender Spannung feldfreien Zonen zwischen den Elektroden zu eliminieren.
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Aus der
US 2004/0 026 624 A1 ist ein mehrschichtiger pixelierte Detektor bekannt, welcher eine Mehrzahl von Streifenarraydetektoren umfasst, wobei jeder Streifenarraydetektor einen rechteckigen Halbleiterkristall mit einer ersten und zweiten relativ großen parallelen ebenen Stirnfläche mit Kanten sowie eine Dicke aufweist. Der Detektor umfasst ferner eine Kathodenelektrode, die im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der ersten Fläche bedeckt, und eine Anodenelektrode, die eine Vielzahl von Anoden-Streifen-Pixeln umfasst, wobei ein Anoden-Streifen-Pixel eine rechteckige Elektrode mit einer Länge und einer Breite aufweist.
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Aus der
US 6 037 595 A ist ein Querstreifen-Strahlungsdetektor zum Detektieren ionisierender Strahlung mit zwei nicht parallelen Sätzen von Signalstreifen auf einer gleichen Seite des Detektors bekannt. Der Strahlungsdetektor umfasst einen Halbleiter mit mindestens zwei Seiten. Eine Vorspannelektrode ist auf einer Seite des Halbleiters ausgebildet. Eine Signalelektrode ist auf einer Seite des Halbleiters ausgebildet und wird verwendet, um das Energieniveau der ionisierenden Strahlung zu detektieren. Eine dritte Elektrode (die Steuerelektrode) ist auf dem Halbleiter ausgebildet. Die Steuerelektrode teilt Ladungen, die durch die ionisierende Strahlung induziert werden, mit der Signalelektrode, um die Signalelektrode abzuschirmen bis die Ladungswolken in der Nähe der Signalelektrode sind. Die Steuerelektrode verändert das elektrische Feld innerhalb des Halbleiters, so dass das Feld die Ladungswolken in Richtung der Signalelektrode führt, wenn sich die Wolken eng an die Signalelektrode annähern.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zumindest einen Aspekt beim Aufbau eines Strahlungsdetektors zu finden, der zu den unerwünschten Bildartefakten führt und einen Strahlungsdetektor vorzuschlagen, der das zugrundeliegende Problem weitgehend beseitigt oder zumindest dessen Auswirkung mildert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Unterbrechung der Elektroden auf der pixeliert unterteilten Seite des Halbleiters zwangsläufig Bereiche entstehen, die keine Metallisierung besitzen und daher auch nicht mit der äußeren Spannung verbunden sind. Diese Bereiche bedingen feldfreie Volumina im Halbleiter. Ladungsträger die in diese Volumina gelangen, werden nicht mehr abgeführt und bilden daher Raumladungszonen aus. Durch diese Raumladungszonen verschieben sich die Feldlinien nahe der pixelierten Elektrode. Durch diese Änderung der effektiven Pixelgröße kommt es zu einer geänderten Antwortfunktion des betroffenen Pixels, wodurch in der Bildgebung, insbesondere im Zusammenhang mit tomographischen Rekonstruktionsverfahren, inakzeptable Artefakte entstehen.
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Grundsätzlich kann man versuchen, die nichtkontaktierte Fläche zwischen den Pixeln zu minimieren, um die feldfreien Volumina so klein wie möglich zu halten. Da ein minimaler Abstand der pixelierten Flächen aufgrund der notwendigen kapazitiven Entkopplung eingehalten werden muss, kann dadurch der Effekt minimiert, jedoch nicht vermieden werden. Außerdem muss aufgrund des photolithografischen Fertigungsprozesses ein minimaler Abstand zwischen den Pixeln von einigen Mikrometern eingehalten werden. Somit lässt sich dieser unerwünschte Effekt durch geometrische Variation nicht vollständig eliminieren.
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Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass das Anlegen unterschiedlicher elektrischer Potentiale an die benachbarten Teilflächen (Pixel) dazu führt, dass das elektrische Feld in eine Konfiguration gebracht wird, in der keine feldfreien Volumina entstehen. Dafür genügen geringe Differenzen von wenigen Volt zwischen den Teilflächen, während zwischen den Elektroden auf den beiden Seiten des Halbleiters eine Hochspannung anliegt. Wesentlich ist dabei nur, dass eine Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Teilflächen vorliegt und sich dadurch elektrische Feldlinien zwischen diesen ausbilden und kein feldlinienfreier Raum entsteht. Damit bleibt die größte Potentialdifferenz zwischen der einen, die gesamte Fläche überdeckende Elektrode auf einer Seite der Halbleiterschicht und den Teilflächen auf der anderen Seite der Halbleiterschicht bestehen. Jedoch werden die benachbarte Teilflächen auf ein geringfügig unterschiedliches Potentialniveau gesetzt, so dass sich nun im Grenzgebiet zwischen den Teilflächen Feldlinien aufbauen, die einen Abtransport dort entstehender freier Ladungen bewirken.
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Die unterschiedlichen Potentiale der einzelnen Pixel führen bei gleicher Größe der Teilflächen zu unterschiedlichen effektiven Pixelgrößen. D. h. die elektrisch wirksame Fläche unterscheidet sich von der geometrischen, da durch die unterschiedlichen Potentiale die Feldlinien nahe der Pixel nicht mehr parallel verlaufen wie im Plattenkondensator, sondern zwischen den Elektroden, sogar parallel zur Sensoroberfläche. Dies kann jedoch in entsprechenden Kalibrationstabellen berücksichtigt werden.
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Alternativ kann auch die metallisierte Fläche entsprechend des angelegten Potentials vergrößert beziehungsweise verkleinert werden, um letztendlich gleichmäßig große effektive Pixel zu erreichen. Je nach Ausführung kann ein Kompromiss zwischen Unterdrückung der feldfreien Volumina und technischem Aufwand gefunden werden.
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Durch die Vermeidung feldfreier Volumina werden freie Ladungsträger stets zu den Elektroden abgeführt. Dadurch bauen sich keine Raumladungen auf, die eine Änderung der Detektorantwort bedingen würde. Es kann somit dieser Beitrag zur Detektordrift vermieden werden. Durch das stabilere Verhalten des Detektors können Artefakte in der Bildgebung stark reduziert werden.
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Demgemäß schlagen die Erfinder einen verbesserten Strahlungsdetektor vor, welcher eine Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Detektorelementen aufweist, wobei zur Strahlungsdetektion eine Halbleiterschicht mit einer Ober- und einer Unterseite vorliegt, die Halbleiterschicht auf einer der Seiten eine über mehrere Detektorelemente übergreifend ausgeführte Elektrode aufweist, auf der anderen Seite der Halbleiterschicht in Einzelelektroden unterteilte Elektroden angeordnet sind, so dass durch Anlegen von Spannung zwischen den Elektroden der beiden Seiten ein elektrisches Feld erzeugt werden kann und jeder Einzelelektrode ein wirksames Volumen zur Sammlung von Ladung in der Halbleiterschicht zugeordnet ist, wobei die Einzelelektroden abwechselnd mit drei oder vier unterschiedlichen Spannungspotentialen verbunden sind.
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Hierdurch wird erreicht, dass sich keine feldfreien Volumina bilden und somit auch keine Raumladungszonen um dort eingelagerte Ladungsträger ausbilden.
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Wie bekannt können die Einzelelektroden reihen- oder zeilenweise mit unterschiedlichen Spannungspotentialen verbunden sein. Hierdurch wird ein Großteil sonst vorhandener feldfreier Volumina eliminiert.
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Erfindungsgemäß sind drei oder vier unterschiedliche Spannungspotentiale für die Einzelelektroden vorgesehen.
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Für eine weitere Verbesserung wird vorgeschlagen, dass die Einzelelektroden schachbrettartig angeordnet sind und derart mit den unterschiedlichen Spannungspotentialen verbunden sind, dass jeweils benachbarte Elektrodenbereiche immer unterschiedliche Spannungspotentiale aufweisen. Hierdurch werden feldfreie Volumina im Zwischenbereich der Detektorelemente verhindert.
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Vorteilhaft kann der Strahlungsdetektor auch aus Einzelelektroden mit hexagonaler Fläche ausgebildet werden, wobei diese in einer dichtest möglichen Packung angeordnet werden und derart mit den unterschiedlichen Spannungspotentialen verbunden sind, dass jeweils benachbarte Elektrodenbereiche immer unterschiedliche Spannungspotentiale aufweisen.
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Ergänzend schlagen die Erfinder auch vor, dass die Flächen der Einzelelektroden mit unterschiedlichem Spannungspotential derart unterschiedlich groß gestaltet werden, dass jedes Detektorelement unabhängig vom angelegten Spannungspotential durch seine Feldlinien das gleiche wirksame Volumen in der Halbleiterschicht erfasst.
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Alternativ können Mittel zum Ausgleich von unterschiedlich großen wirksamen Volumina der Detektorelemente vorgesehen werden, wobei dann durch eine entsprechende Kalibrierung dafür gesorgt wird, dass die gemessene Ladung an den Detektorelementen mit kleineren wirksamen Volumina höher bewertet wird, als die gemessene Ladung an den Detektorelementen mit größeren wirksamen Volumina.
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Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor als zählender Detektor ausgestaltet werden. Außerdem kann ein erfindungsgemäßer Detektor, insbesondere in einem CT-System, Verwendung finden.
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Entsprechend wird auch ein medizinisches Diagnosesystem vorgeschlagen, welches mit mindestens einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor ausgestattet ist. Insbesondere betrifft dies CT-Systeme, C-Bogen-Systeme, PET-Systeme und SPECT-Systeme.
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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: CT-System; 2: Röntgenstrahler; 3: Detektor; 4: Röntgenstrahler; 5: Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit; D: Strahlungsdetektor; E1: Elektrode; E2: Elektroden-Teilflächen; F: Feldlinien; H: Halbleiterschicht; Prg1–Prgn: Computerprogramme; U1, U2; U2.1–U2.4: Spannungspotential; V: feldlinienfreie Volumina.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1 einen Schnitt durch einen bekannten Halbleiter-Strahlungsdetektor,
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2 eine Aufsicht auf die Teilflächen eines bekannten Halbleiter-Strahlungsdetektors,
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3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Halbleiter-Strahlungsdetektor,
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4 eine Aufsicht auf die Teilflächen eines Halbleiter-Strahlungsdetektors mit zwei spaltenweise abwechselnden Spannungspotentialen,
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5 eine Aufsicht auf die Teilflächen eines Halbleiter-Strahlungsdetektors mit zwei schachbrettartig abwechselnden Spannungspotentialen,
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6 eine Aufsicht auf die Teilflächen eines Halbleiter-Strahlungsdetektors mit vier abwechselnden Spannungspotentialen,
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7 eine Aufsicht auf die Teilflächen eines Halbleiter-Strahlungsdetektors mit hexagonal geformten Teilflächen mit drei abwechselnden Spannungspotentialen, und
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8 ein CT-System mit erfindungsgemäßem Detektor.
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Die 1 und 2 zeigen schematisiert jeweils einen Teilausschnitt eines Halbleiter-Strahlungsdetektors D mit der pixelierten Unterteilung der einen Elektrodenseite. Die 1 zeigt einen Schnitt durch die Halbleiterschicht H mit einer vollflächig ausgebildeten ersten Elektrode E1, die auf dem Spannungspotential U1 liegt. Auf der anderen Seite der Halbleiterschicht H sind mehrere Einzelelektroden angeordnet, die durch Elektroden-Teilflächen E2 gebildet werden. Alle Teilflächen E2 liegen dabei auf dem gleichen elektrischen Potential U2. Entsprechend entstehen die als Pfeile dargestellten Feldlinien F innerhalb der Halbleiterschicht H. Im unteren Bereich des Halbleiters H werden die Feldlinien F jeweils zu den Elektronen-Teilflächen E2 abgelenkt, so dass sich die feldlinienfreien Volumina V bilden. Werden durch einfallende Strahlung in diese Volumina V freie Ladungen erzeugt, so bilden diese Raumladungswolken, die aufgrund des dort nicht vorliegenden elektrischen Feldes nicht abgeführt werden.
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Die 2 zeigt den Detektor D aus 1 in einer Aufsicht auf die Teilflächen E2. Die Teilflächen liegen alle auf dem gleichen Potentialniveau U2, was durch die gleiche Schraffur dargestellt ist. In den freien Bereichen zwischen den Elektroden-Teilflächen E2 bildet sich daher kein elektrisches Feld aus, so dass dort feldfreie Volumina entstehen, die zu den oben beschriebenen Problemen führen.
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Erfindungsgemäß kann der in den 1 und 2 dargestellte Detektor jedoch dahingehend abgewandelt werden, dass zumindest teilweise benachbarte Elektroden-Teilflächen auf unterschiedliche Spannungspotentiale gesetzt werden, so dass sich zwischen den Elektroden-Teilflächen E2 elektrische Feldlinien F aufbauen.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch einen Detektor D mit der Halbleiterschicht H und einer vollflächig ausgebildeten ersten Elektrode E1, die auf dem Spannungspotential U1 liegt. Auf der anderen Seite der Halbleiterschicht H sind wiederum mehrere Elektroden-Teilflächen E2 angeordnet. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Detektors D liegen jedoch die Elektroden-Teilflächen E2 auf unterschiedlichen Spannungspotentialen U2.1 und U2.2, wobei gilt U2.1 < U2.2 << U1. Entsprechend entstehen die als Pfeile dargestellten Feldlinien F innerhalb der Halbleiterschicht H derart, dass auch im unteren, nicht durch die Elektroden-Teilflächen E2 abgedeckten, Bereich sich ein elektrisches Feld aufbaut. Somit werden durch die unterschiedlichen Potentiale der Elektroden-Teilflächen feldlinienfreie Volumina vermieden.
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In der 4 ist der Detektor D aus der 3 in einer Aufsicht auf die schachbrettartig angeordneten Elektroden-Teilflächen E2 gezeigt, wobei die Elektroden-Teilflächen E2 entsprechend des angelegten Spannungspotentials U2.1 beziehungsweise U2.2 schraffiert ist. Wie zu erkennen ist, sind hierbei zeilenweise (von links nach rechts) unterschiedliche und reihenweise (von oben nach unten) jeweils gleiche Potentiale verwirklicht. Auf diese Weise werden zwischen den benachbarten Elektroden-Teilflächen jeweils einer Zeile feldfreie Volumina vermieden. Allerdings bilden sich trotzdem noch zwischen den benachbarten Elektroden-Teilflächen E2 einer Reihe feldfreie Volumina aus, so dass das Problem der sich möglicherweise bildenden und nicht abgeführten Raumladungswolken zwar verbessert, diese jedoch nicht vollständig eliminiert sind.
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Eine verbesserte Variante einer Potentialverteilung in einem Detektor D ist in der 5 gezeigt, in der ebenfalls eine Aufsicht auf die unterteilten Elektroden-Teilflächen E2 dargestellt ist. Der Unterschied zur Ausführung gemäß 4 besteht darin, dass nun die Verteilung der beiden unterschiedlichen Spannungspotentiale entsprechend der Verteilung der schwarzen und weißen Felder eines Schachbrettes entspricht. Hierdurch reduzieren sich die feldfreien Volumina V drastisch auf die angezeigten Flächen in den Bereichen, in denen sich Elektroden-Teilflächen gleichen Potentials nahekommen.
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Eine nochmalige Verbesserung wird dadurch erreicht, dass bei schachbrettartigem Aufbau der Elektroden-Teilflächen – und damit der daraus gebildeten Detektorelemente – nicht zwei sondern vier unterschiedliche Spannungspotentiale an die Elektroden-Teilflächen angelegt werden. Diese Spannungspotentiale U2.1 bis U2.4 sind in der 6 durch vier unterschiedliche gerichtete Schraffuren dargestellt. Bei der hier gezeigten Verteilung der unterschiedlichen Spannungspotentiale wird dafür gesorgt, dass an keiner Stelle Elektroden-Teilflächen E2 benachbart sind, die das gleiche Spannungspotential aufweisen.
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Eine nochmals andere Variante eines Detektors D ist in der 7 gezeigt. Dieser Detektor verfügt über eine Vielzahl von hexagonal ausgebildeten und dicht gepackten Elektroden-Teilflächen E2, wobei es bei dieser Ausgestaltung ausreicht, drei unterschiedliche Spannungspotentiale U2.1 bis U2.3 zu verwenden, um das Zusammentreffen benachbarter Elektroden-Teilflächen mit gleichem Potential und damit feldlinienfreie Volumina V auszuschließen.
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Bei allen hier dargestellten Ausführungsvarianten gilt bezüglich der verwendeten Spannungspotentiale U2.1 < U2.2 < U2.3 < U2.4 << U1 beziehungsweise U2.1 > U2.2 > U2.3 > U2.4 >> U1.
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Der oben beschriebene erfindungsgemäße Detektor kann in einem medizinischen Diagnostik-System, insbesondere einem CT, C-Bogen-System, PET oder SPECT, eingesetzt werden. Stellvertretend hierfür wird in der 8 ein beispielhaftes CT-System 1 schematisch dargestellt. Ein solches CT-System verfügt in der Regel über ein Gantrygehäuse 6, in der sich eine hier nicht näher dargestellte Gantry befindet, auf der mindestens ein Röntgenstrahler 2 mit einem gegenüberliegend angeordneten Detektor 3 befestigt sind. Während der Abtastung und zur Erzeugung von Projektionsdaten dreht sich der rotierende Teil der Gantry mit dem Strahler 2 und dem Detektor 3, während ein Patient 7 mit Hilfe einer verfahrbaren Patientenliege 8 entlang der Systemachse 9 kontinuierlich oder sequentiell durch das Messfeld im Gantrygehäuse 6 geschoben wird. Optional kann auch ein weiteres Strahler-Detektor-System 4 und 5 winkelversetzt auf der Gantry angeordnet werden, welches es dann ermöglicht, gleichzeitig weitere Projektionen zu erfassen. Erfindungsgemäß ist wenigstens einer der Detektoren so ausgeführt, dass dort benachbarte Elektroden-Teilflächen zumindest teilweise auf unterschiedlichen Spannungspotentialen gehalten beziehungsweise mit unterschiedlichen Spannungspotentialen verbunden sind.
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Gesteuert wird dieses CT-System 1 durch die Steuer- und Recheneinheit 10, die einen Speicher für entsprechende Computerprogramme Prg1–Prgn aufweist. Mit einem solchen Computer kann auch die erfindungsgemäße Kalibrierung der einzelnen Detektorelemente ausgeführt werden, wobei entsprechender Programmcode im Speicher des Computers hinterlegt wird, der im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
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Insgesamt wird mit der Erfindung also vorgeschlagen, einen Detektor derart auszugestalten, dass benachbarte Teilflächen von Elektroden, die einzelne Detektorpixel bilden, zumindest teilweise derart auf unterschiedliche Spannungspotentiale versetzt werden, dass möglichst wenig feldfreie Volumina in Zwischenbereichen zwischen den Teilflächen entstehen.
