DE102013215714B4

DE102013215714B4 - Verfahren zum Betrieb eines direktkonvertierenden Röntgen- und Gammastrahlungsdetektors

Info

Publication number: DE102013215714B4
Application number: DE102013215714.2A
Authority: DE
Inventors: Richard Matz; Wilhelm Metzger
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: DE102013215714A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines direktkonvertierenden Röntgen- und Gammastrahlungsdetektors, welcher als senkrecht bestrahlte Halbleiterscheibe dargestellt ist und metallische Elektroden auf Vorder- und Rückseite aufweist, an denen eine hohe Spannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der direktkonvertierende Röntgen- und Gammastrahlungsdetektor mit einer Spannung betrieben wird, die durch eine reine Sinuswelle dargestellt wird.

Description

Röntgen- und Gammadetektoren, die die einfallende Strahlung in Halbleitermaterial absorbieren und in Form photogenerierter, beweglicher Ladungsträger, Elektronen und Löcher, unter einer angelegten elektrischen Spannung als Photostrom unmittelbar messbar machen, bestehen zum Zweck effizienter Strahlungsabsorption vorzugsweise aus Elementen hoher Kernladungszahl, wie beispielsweise CdTe, Cadmiumtellurid. Solche Direktkonverter versprechen bessere diagnostische Resultate bei medizintechnischer Anwendung, da der konventionelle Zwischenschritt der Energieumsetzung in sichtbares Licht mit Hilfe von Szintillatoren und dessen Nachweis mit Photodioden entfällt.
Freie Ladungsträger werden jedoch in Direktkonvertern auf ihrem Driftweg zu den Elektroden teilweise von Störstellen im Kristallgitter des Halbleiters eingefangen. Durch die anliegende Gleichspannung bewegen sich dabei die Elektronen immer von der negativ gepolten Elektrode zur positiv gepolten, die Löcher in entgegengesetzter Richtung. Durch eingefangene Ladungsträger bildet sich je nach Betriebszustand des Detektors eine mehr oder weniger stark ausgeprägte, räumlich inhomogene Raumladung innerhalb des Halbleitervolumens aus, eine so genannte Polarisation. Sie führt zur Verformung des elektrischen Feldes und beeinträchtigt dadurch die Nachweis-Empfindlichkeit des Detektors.
Auf Grund der Anforderungen an Röntgenabsorption und Dunkelstrom kommt nur eine sehr begrenzte Zahl von Halbleitermaterialien für Direktkonverter in Frage. Alle bisher bekannten besitzen ein kompliziertes Spektrum an Kristalldefekten, die sich aus thermodynamischen Gründen nur begrenzt zurückdrängen lassen. Polarisation durch eingefangene Ladung kann nicht ausgeschaltet werden. Die Störung kann durch Konstruktion und Betriebsart jedoch reduziert werden.
Aus der US 2011/0012022 A1 ist ein direktkonvertierenden Röntgen- und Gammastrahlungsdetektor bekannt, der mittels einer sinusförmigen Wechselspannung betreibbar ist.
Aus der EP 1 041 400 A2 ist bekannt, eine an einen Röntgendetektor angelegte Gleichspannung mit einer Wechselspannung zu überlagern.
In der Regel haben die Detektoren die Form einer Halbleiterscheibe, die senkrecht bestrahlt wird, und deren Dicke möglichst gering gewählt ist, so dass die nachzuweisende Strahlung gerade hinreichend absorbiert wird. Metallische Elektroden auf der Vorder- und Rückseite ermöglichen das Anlegen einer hohen Gleichspannung. Die negative Elektrode liegt dabei auf der Vorderseite, die positive auf der Rückseite. Bei hinreichend hoher Spannung im Bereich von 100–1000 V/mm sind polarisationsbedingte Feldverzerrungen relativ unerheblich.
Darüber hinaus können Detektoren durch Bestrahlung vor dem eigentlichen Einsatz vor-polarisiert werden, so dass sie sich im späteren Betrieb stabiler verhalten. Häufigere Kalibrierfahrten ermöglichen es außerdem, Zustandsveränderungen zu verfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, polarisationsbedingte Feldverzerrungen zu vermeiden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmalskombination eines unabhängig formulierten Anspruchs.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Polarisationsproblem dadurch entschärft werden kann, dass der Detektor nicht mit Gleichspannung, sondern mit einer getakteten Spannung betrieben wird, die aus einer reinen Sinuswelle besteht.
Es ist vorteilhaft, die reine Sinuswelle wenigstens einer Oberwelle zu überlagern.
Im Wechselspannungsbetrieb des Detektors werden neben der Spannungsamplitude die Frequenz der Modulation und die Phase als zusätzliche Betriebsparameter eingeführt. Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile:

– Durch wechselnde Stromrichtung, sowohl beim Photostrom als auch beim Dunkelstrom, werden Polarisationseffekte unterdrückt.
– Die Frequenz und die Phasenlage der Detektorspannung können den systemgegebenen Bedingungen angepasst werden, wie beispielsweise der Umlaufgeschwindigkeit einer Maschine oder Bildwiederholrate.
– Je nach Spannungspegel in den betreffenden Halbwellen ist es möglich, den Detektor dabei periodisch aktiv bzw. inaktiv zu schalten, so dass sich auch neue Betriebsarten realisieren lassen.
– Da photogenerierte Ladungen nicht an den Elektroden sondern innerhalb des Detektors rekombinieren, sind elektrisch leitende Kontakte an Kathode und Anode nicht mehr erforderlich.
– Die metallischen Elektroden können beispielsweise durch eine auf diesen selbst oder auf einer auf dem Halbleitermaterial des Detektors aufgebrachten Kunststoffschicht isoliert sein.
– Die heutige aufwändige Kontakttechnologie zum Aufbringen und Strukturieren von Dünnschichtkontakten wird durch Kontaktstrukturen ersetzt, die sich preiswert separat und mit höherer Ausbeute herstellen lassen.

Im Folgenden werden anhand der begleitenden, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren, Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt Gammaspektren, gezählte Quanten als Funktion ihrer scheinbaren Quantenenergie,
2 zeigt das simulierte zeitliche Verhalten der Zählrate 5, aufgetragen an der rechten Ordinate, bei Betrieb des Detektors mit Wechselspannung 4, aufgetragen an der linken Ordinate, mit einer Frequenz von 50 kHz.
1 zeigt Gammaspektren, gezählte Quanten bzw. Zählimpulse 2 als Funktion ihrer scheinbaren Quantenenergie 1, einer monochromatischen Kobaltquelle, die mit einem CdTe-Detektor in konventioneller Messtechnik mit Gleichspannungen zwischen –500 V und +500 V an der Frontelektrode gegenüber der Rückseitenelektrode aufgenommen wurden. Die Spektren sind außerhalb von ±100 V kaum von der Spannung abhängig, da hier praktisch alle Absorptionsereignisse perfekt detektiert werden. Diese Spannungen sind sinnvoll für stabiles Verhalten bei hohen Dosisleistungen. Zwischen –100 V und +100 V baut sich das spektrale Maximum bei hoher Energie ab, um nach dem Nulldurchgang ohne Zählrate die spektrale Form positiver Spannung mit niederenergetischem Maximum zu erreichen.
Die berechneten integralen Zählraten für den gesamten Energiebereich oberhalb von 20% bzw. oberhalb von 50% der Primärenergie von 122 keV sind im zeitlichen Verlauf in 2 für den Fall dargestellt, dass die Spannung der Frontelektrode sinusförmig mit einer Amplitude von 500 V und einer Frequenz von 50 kHz moduliert wird.
Die niedrigere Schwelle von 20% ergibt dabei mehr Zählrate, sie liefert also den höher liegenden Zählratenverlauf 9. Die Sättigung der Zählrate oberhalb von 100 V führt zu einer nicht-linearen Detektorcharakteristik, die den sinusförmigen Spannungsverlauf in eine fast rechteckig modulierte Zählratencharakteristik umsetzt; bei den Nulldurchgängen der Spannung verschwindet das Spektrum kurzzeitig
Positive Spannungen sind konventionell nicht üblich, da hierbei das Spektrum durch schlechtere Sammeleffizienz der Ladungsträger verformt ist, wie durch 1 dargestellt. Die integrale Zählrate ist bei niedrig eingestellter Schwelle, counts/Zählimpulse > 0.2, Bezugszeichen 9; counts/Zählimpulse > 0.5, Bezugszeichen 10, jedoch gegenüber negativen Betriebsspannungen nur ca. 20% reduziert. Der vorgeschlagene Wechselspannungsbetrieb geht im zeitlichen Mittel somit kaum zu Lasten der Detektoreffizienz.
1 zeigt Gammaspektren einer Kobaltquelle nach Verarbeitung gemessener Daten. Eine relative Energie von 1 entspricht der vollen Quantenenergie von 122 keV. Der Detektor bestand aus 1,4 mm dickem, monokristallinem CdTe mit vorder- und rückseitigen, ganzflächigen Platinelektroden von 10 × 10 mm² Fläche. Spektren mit Maximum bei kleiner Energie entstehen, wenn die bestrahlte, „oberseitige”, Elektrode gegenüber der rückseitigen Masse-Elektrode auf positiver Spannung liegt. Spektren mit Maximum bei hoher Energie entstehen, wenn die bestrahlte Front-Elektrode auf negativem Potential liegt. Es sind jeweils die Spektren für 100, 200, 300, 400 und 500 V Gleichspannung aus konventioneller Messtechnik gezeigt; dabei führen höhere Absolutwerte der Spannung zu etwas mehr detektierter Zählrate bei höherer Energie. Weiterhin sind Bias positiv mit 6 und Bias negativ mit 7 gekennzeichnet.
2 zeigt das simulierte Verhalten der Zählrate 5, aufgetragen an der rechten Ordinate über die Zeit 3 in μs bei Betrieb des Detektors mit Wechselspannung 4, 8 aufgetragen an der linken Ordinate, mit einer Frequenz von 50 kHz. Es sind die spektralen Daten aus 1 zugrunde gelegt.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines direktkonvertierenden Röntgen- und Gammastrahlungsdetektors, welcher als senkrecht bestrahlte Halbleiterscheibe dargestellt ist und metallische Elektroden auf Vorder- und Rückseite aufweist, an denen eine hohe Spannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der direktkonvertierende Röntgen- und Gammastrahlungsdetektor mit einer Spannung betrieben wird, die durch eine reine Sinuswelle dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reine Sinuswelle mit wenigstens einer Oberwelle überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wechselspannungsbetrieb des Detektors zusätzlich die Frequenz der Modulation und die Phase als Betriebsparameter eingeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Spannungspegel in einer zugehörigen Halbwelle der Detektor periodisch aktiv oder inaktiv geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Kontakte an Kathode und Anode wenigstens teilweise entfallen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Elektroden auf einer Kunststoffschicht aufgebracht sind, welche auf diesen selbst oder auf dem Halbleitermaterial des Detektors aufgebracht und isoliert sind.