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Die Erfindung betrifft ein Röntgendetektormodul. Die Erfindung betrifft weiter einen eine Mehrzahl von Röntgendetektormodulen umfassenden Röntgendetektor.
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Ein Röntgendetektor, insbesondere ein quantenzählender Röntgendetektor, wird in bildgebenden Anwendungen eingesetzt. So wird ein solcher Röntgendetektor beispielsweise für Computertomographie-Aufnahmen in der medizinischen Bildgebung genutzt, um ein räumliches Bild eines Untersuchungsbereiches eines Patienten zu erzeugen.
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Ein Röntgendetektor, dessen Sensorschicht als eine direkt konvertierende Halbleiterschicht ausgebildet ist, ermöglicht hierbei eine quantitative und energieselektive Erfassung einzelner Röntgenquanten. Beim Einfall von Röntgenstrahlung werden in der Sensorschicht Elektron-Loch-Paare, also Paare aus negativen und positiven Ladungsträgern erzeugt. Durch eine an die Sensorschicht bzw. an die Oberfläche der Sensorschicht angelegte Spannung werden die Ladungsträger getrennt und bewegen sich zu den jeweils entgegengesetzt geladenen Elektroden bzw. Oberflächen der Sensorschicht. Der hierdurch verursachte Strom oder eine entsprechende Ladungsverschiebung kann von einer nachgeschalteten Sensorelektronik ausgewertet werden. Zur Detektion der Röntgenquanten eignen sich beispielsweise Halbleitermaterialen in Form von CdTe, CdZnTe, CdTeSe, CdZnTeSe oder CdMnTe, die eine hohe Röntgenabsorption aufweisen.
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Insbesondere für einen Computertomographen werden großflächige Röntgendetektoren benötigt. Eine Herstellung von durchgängigen Sensorschichten mit einer Kantenlänge von mehreren zehn Zentimetern ist jedoch technisch sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.
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Um großflächige Röntgendetektoren dennoch möglichst kostengünstig fertigen zu können, werden häufig mehrere vergleichsweise kleine Röntgendetektormodule mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau nebeneinander angeordnet. Diese Röntgendetektormodule haben typischerweise eine Sensoroberfläche zwischen 1 cm2 und 4 cm2. Um eine möglichst hohe Bildqualität (insbesondere eine hohe räumliche Auflösung) zu erzielen, sind die Röntgendetektormodule außerdem mit möglichst geringem Abstand zueinander angeordnet. Die an die Sensorschicht bzw. an die Sensoroberfläche angelegte Spannung wird hierbei den Röntgendetektormodulen eines Röntgendetektors über einzelne Netzteilkanäle der HV-Versorgung zugeführt und ist auf eine vorgegebene Betriebsspannung eingestellt.
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Bei direkt wandelnden Röntgendetektoren bzw. bei den Röntgendetektormodulen eines entsprechenden Aufbaus ändert sich der elektrische Widerstand des Sensormaterials mit dem Röntgenfluss. Damit ändert sich die HV-Stromstärke in der Sensorschicht bzw. in dem entsprechenden Sensormaterial, was zu einer Änderung der Verlustleistung führt. Damit bedingt aber eine Änderung des Röntgenflusses eine Temperaturänderung im Sensormaterial, wodurch die Energieauflösung und die Zählrate des Röntgendetektors beeinflusst werden. Ein solcher, temperaturabhängiger Zählratendrift ist eine nicht korrigierbare Fehlzählung und führt zu Bildfehlern bzw. zu Artefakten in den aus Absorptionsdaten erstellten tomographischen Aufnahmen. Da sich insbesondere bei der Computertomographie die detektierte Röntgendosis bzw. der Röntgenfluss während eines Bildaufnahme-Scans ändert, handelt es sich um einen dynamischen zeitabhängigen Effekt, den es durch Temperaturstabilisierungsmaßnahmen gilt auszugleichen.
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Aus der
JP 2008-237674 A ist ein Bildaufnahmegerät für radioaktive Strahlen bekannt, welches eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme eines Strahlungsbildes von einem Objekt aufweist. Eine Einheit zur Temperaturkontrolle kontrolliert ein Detektionselement zur Detektion von radioaktiver Strahlung derart, dass eine vorbestimmte Temperaturanforderung für das Detektionselement eingehalten wird. Eine Speichereinheit ist dazu ausgelegt, dass das Detektionselement in einer aufnahmefreien Zeit unterhalb einer vorbestimmten Temperatur bleibt.
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Der Erfindung liegt daher als eine erste Aufgabe zugrunde, einen Röntgendetektormodul anzugeben, dessen Temperatur auf einfache und kostengünstige Weise stabilisiert werden kann. Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, einen Röntgendetektor mit einer Mehrzahl von Röntgendetektormodulen anzugeben, dessen Temperatur auf einfache und kostengünstige Weise stabilisiert werden kann.
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Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Röntgendetektormodul, welches in einem Stapelaufbau eine Sensorschicht mit einer Sensoroberfläche umfasst, an die zur Detektion von Röntgenstrahlung eine Hochspannung anlegbar ist, wobei die Sensorschicht thermisch mit einem Latentwärmespeicher gekoppelt ist.
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In einem ersten Schritt geht die Erfindung dabei von der Überlegung aus, zur Temperaturstabilisierung eines Röntgendetektormoduls eine einfache Luftkühlung mit einem entsprechend am Modul vorgesehenen Kühlkörper einzusetzen. Eine solche Kühlung ist allerdings aufgrund der hohen Wärmeentwicklung im Sensormaterial direktwandelnder Module nicht ausreichend, um die Temperatur eines Röntgendetektormoduls auf einem stabilen Niveau zu halten.
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Durch den Einsatz eines temperaturregelnden aktiv kühlenden Peltierelements wäre eine Temperaturstabilisierung zwar möglich. Jedoch wird durch das Peltierelement zusätzlich Wärme in den Röntgendetektor eingebracht. Weiter erfordert der Einsatz eines Peltierelements Änderungen in der Konstruktion und in der Verbindungstechnologie des Moduls und ist mit erhöhten Kosten verbunden.
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In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass es jedoch möglich ist, die Temperatur eines Röntgendetektormoduls auf einfache und kostengünstige Weise zu stabilisieren, wenn ein Latentwärmespeicher eingesetzt wird, der in der Lage ist, die durch den Röntgenfluss bedingten Temperaturänderungen aufzunehmen und zu dämpfen. Dazu sieht die Erfindung vor, einen Latentwärmespeicher thermisch mit der Sensorschicht des Röntgenmoduls zu koppeln.
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Der Vorteil eines Latentwärmespeichers gegenüber herkömmlichen Wärmespeichern liegt in der Tatsache, dass er in der Lage ist, thermische Energie verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über einen langen Zeitraum zu speichern. Man nutzt hierzu sogenannte Phasenwechselmaterialien (phase change materials, PCM), deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität ohne die Phasenumwandlung speichern können.
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Die in einen Latentwärmespeicher eingebrachte Wärmemenge wird durch einen Phasenübergang aufgenommen, an welchem der Latentwärmespeicher eine nahezu isotherme Speicherung der thermischen Energie bietet. Obwohl dem Material Wärme zugeführt wird, steigt die Temperatur des Latentwärmespeichers nicht an.
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Mit anderen Worten bedeutete dies, dass der Latentwärmespeicher bzw. das eingesetzte wärmespeichernde Material auf einem Stabilitätsplateau verharrt, bis der Phasenübergang, also der Wechsel zwischen den Aggregatzuständen, vollständig abgeschlossen ist. Die meisten latenten Wärmespeicher basieren auf den Schmelz- und Erstarrungsvorgängen zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit. Das Entladen des Latentwärmespeichers findet dann in Form eines Erstarrens des latent wärmespeichernden Materials statt, wobei dieses die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt.
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Die latente Speicherung der Wärmemenge ist im Falle eines Phasenübergangs zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit abhängig vom Schmelzpunkt und der Schmelzenthalpie, also der Energie, die benötigt wird, um einen Feststoff bei Erreichen seines Schmelzpunkts vom festen in den flüssigen Aggregatzustand zu überführen.
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Für ein Röntgendetektormodul ermöglicht ein Latentwärmespeicher gerade im Falle einer variierenden Wärmeentwicklung durch eine Umkehr des Wechsels zwischen zwei Aggregatzuständen – beispielsweise von fest nach flüssig und von flüssig nach fest – in einer Phase der Erwärmung zugeführte Energie ohne Temperaturerhöhung aufzunehmen und erst während einer Phase der Abkühlung wieder abzugeben. Hierdurch wird der im Betrieb durch die sich ändernde detektierte Röntgendosis entstehende Temperaturhub wirkungsvoll gedämpft. Mit anderen Worten verringern sich durch den Einsatz des Latentwärmespeichers die durch den Röntgenfluss hervorgerufenen Temperaturänderungen im Sensormaterial, so dass unerwünschte Bildartefakte reduziert oder im Idealfall verhindert werden können.
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Die Röntgendetektormodule umfassen einzelne Komponenten in einem Stapelaufbau. Die Sensorschicht kann unmittelbar mit einer Ausleseeinheit, wie z. B. einem ASIC, verbunden oder auf dieser aufgebracht sein. Die Sensorschicht kann aber auch auf einem separaten Trägermaterial aufgebracht sein.
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Im Betrieb des Röntgendetektors wird an die Sensoroberfläche der Detektormodule jeweils eine Hochspannung angelegt. Durch die angelegte Hochspannung, die üblicherweise in einem Bereich zwischen 500 V und 1000 V liegt, wird in der Sensorschicht wie vorbeschrieben die Trennung der durch die Röntgenstrahlung erzeugten Ladungsträger und somit die Detektion der einfallenden Röntgenquanten ermöglicht.
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Grundsätzlich kommen als Latentwärmespeicher für ein Detektormodul solche Verbindungen oder Substanzen in Betracht, die einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt von weniger als 100°C aufweisen. Beispielsweise können geeignete Salze oder Metalllegierungen eingesetzt werden, wobei es beim Einsatz von Salzen zweckmäßig ist, geeignete Keimbildner zuzusetzen, die eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur bewirken und so eine Unterkühlung der Schmelze verhindern.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Latentwärmespeicher eine niedrigschmelzende Metalllegierung, insbesondere eine Legierung mit einer oder mehreren Komponenten aus der Gruppe, die Bismut (Bi), Blei (Pb), Zinn (Sn), Cadmium (Cd) und Indium (In) enthält, eingesetzt. Eine Legierung mit diesen Komponenten weist – je nach Mengenanteil – einen Schmelzpunkt auf, der im Bereich zwischen 39°C und 48°C liegt. Beispielsweise kann eine Legierung eingesetzt werden, die aus 44,7 Gew.-% Bismut, 22,6 Gew.-% Blei, 8,3 Gew.-% Zinn, 5,3 Gew.-% und 19,1 Gew.-% Indium besteht und einen Schmelzpunkt von 47°C hat. Durch die Zugabe weiterer Bestandteile kann der Schmelzpunkt hierbei noch weiter gesenkt werden. So kann durch Zugabe von Quecksilber eine Legierung („Cerrolow 104”) mit einer Schmelztemperatur von 40°C erreicht werden. Durch Zugabe von Thallium erhält man ein Eutektikum, welches bei 41,5°C schmilzt. Insgesamt kann so durch die Wahl der Bestandteile und der jeweiligen Mengenanteile der Schmelzpunkt der als Latentwärmespeicher eingesetzten Legierung so gewählt werden, dass diese optimal auf den Einsatz des jeweiligen Röntgendetektormoduls abgestimmt ist.
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Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichers im Bereich der Betriebstemperatur des Röntgendetektormoduls. So kann sichergestellt werden, dass das im Latentwärmespeicher eingesetzte Material in der Lage ist, einen im Sensor im Bereich seiner optimalen Betriebstemperatur entstehenden unerwünschten Temperaturhub zu Puffern. Mit anderen Worten findet der Phasenübergang des Latentwärmespeichers bzw. des eingesetzten Materials im Bereich der Betriebstemperatur des Röntgendetektormoduls statt, so dass der durch die betriebsbedingte Wärmeentwicklung im Sensormaterial entstehende Temperaturhub vom Latentwärmespeicher gedämpft wird. Die Betriebstemperatur eines Röntgendetektormoduls liegt üblicherweise bei 40° bis 50°C, so dass es zweckmäßig ist, wenn die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichers im selben Bereich liegt.
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Weiter von Vorteil ist es, dass der Latentwärmespeicher in einen Kühlköper integriert ist. Der Kühlkörper sorgt entweder passiv oder als Teil einer aktiven Kühlung für die Einhaltung der zulässigen Betriebstemperatur des Röntgendetektormoduls. Er kann beispielsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Metall wie Aluminium oder Kupfer bestehen. Durch die Integration des Latentwärmespeichers wird die Kühlwirkung des Kühlkörpers mit der Speicherkapazität des Latentwärmespeichers gekoppelt und so insgesamt eine gegenüber der Verwendung eines separaten Kühlkörpers erhöhte Kühlung des Röntgendetektormoduls bzw. des entsprechenden Sensormaterials erreicht.
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Der Latentwärmespeicher ist bevorzugt innerhalb des Kühlkörpers angeordnet. Baulich ist dies von Vorteil, da der Kühlkörper beispielsweise im Falle einer als Latentwärmespeicher eingesetzten niedrigschmelzenden Metalllegierung unmittelbar als ein „Behälter” für den Latentwärmespeicher eingesetzt werden kann. Auf diese Weise bedarf es keines zusätzlichen Bauraums für den Latentwärmespeicher.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Kühlköper eine Anzahl von Kühlrippen. Die oder jede Kühlrippe dient zur Vergrößerung der Oberfläche des Kühlkörpers und erhöht so die Wärmeübertragung des Kühlkörpers an die Umgebung und verbessert damit gleichzeitig die Kühlwirkung.
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Vorzugsweise ist im Stapelaufbau zwischen der Sensorschicht und dem Latentwärmespeicher eine Ausleseeinheit angeordnet. Die Ausleseeinheit, beispielsweise ein ASIC, kann hierbei anwendungsspezifisch für das Röntgendetektormodul ausgewählt sein.
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Bevorzugt ist die Ausleseeinheit im Stapelaufbau über eine Trägerkeramik mit dem Latentwärmespeicher gekoppelt. Die Trägerkeramik ist zweckmäßigerweise wärmeleitend, um eine Wärmeabfuhr von der Ausleseeinheit zum Latentwärmespeicher zu ermöglichen. Hierzu kann beispielsweise eine Trägerkeramik aus Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid eingesetzt werden, deren Oberfläche bei der Herstellung derart mechanisch bearbeitet ist, dass ein sehr niedriger thermischer Wärmeübergangswiderstand und eine hohe Wärmeableitung resultiert.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Sensorschicht Tellurid, insbesondere Cadmiumtellurid (CdTe) oder Cadmiumzinktellurid (CdZnTe). Derartige Halbleiter-Materialien ermöglichen die Direktumwandlung der auf sie eintreffenden Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal und sind in guter Qualität in Bezug auf Ladungstransporteigenschaften und Homogenität kommerziell erhältlich.
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Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Röntgendetektor zur Bildaufnahme eines von Röntgenstrahlung durchstrahlten Objektes, umfassend eine Mehrzahl von jeweils in einem Stapelaufbau eine Sensorschicht mit einer Sensoroberfläche umfassenden Röntgendetektormodulen, an deren Sensoroberflächen jeweils eine Hochspannung zur Detektion von Röntgenstrahlung anlegbar ist, wobei die Sensorschichten eines oder jedes Röntgendetektormoduls thermisch mit einem Latentwärmespeicher gekoppelt ist.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des Röntgendetektors können den auf den Röntgendetektor gerichteten Unteransprüchen entnommen werden. Die für das Röntgendetektormodul hierzu entsprechend genannten Vorteile können sinngemäß auf den Röntgendetektor übertragen werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Komponenten in den Figuren sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen:
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1 ein Röntgendetektormodul eines Röntgendetektors mit einem in einem Kühlkörper integrierten Latentwärmespeicher und
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2 eine Auftragung des Temperaturverlaufs in dem Röntgendetektormodul mit Latentwärmespeicher gemäß 1 im Vergleich zum Temperaturverlauf in einem Röntgendetektormodul ohne Latentwärmespeicher.
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In 1 ist ein Röntgendetektormodul 1 gezeigt, das als Teil eines Röntgendetektors 3 eingesetzt ist. Das Röntgendetektormodul 1 umfasst in einem Stapelaufbau 5 eine Sensorschicht 7 mit einer Sensoroberfläche 9. Im Betrieb des Röntgendetektors 3 wird über eine Elektrode eine Hochspannung an die Sensoroberfläche 9 angelegt, was vorliegend nicht gezeigt ist.
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Die Sensorschicht 7 ist direktwandelnd und umfasst ein CdTe-Halbleitermaterial, welches eine hohe Röntgenabsorption aufweist. Die Sensorschicht 7 ist über eine Ausleseeinheit 13 mit einer wärmeleitenden Trägerkeramik 15 verbunden. Die Trägerkeramik 15 ist thermisch mit einem Kühlkörper 17 gekoppelt, der eine Anzahl von Kühlrippen 19 aufweist. Die Kühlrippen 19 dienen der Vergrößerung der Oberfläche des Kühlkörpers 17 und erhöhen so dessen Wärmeübertragung an die Umgebung.
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Um den während einer Röntgenuntersuchung veränderlichen Röntgenfluss der einfallenden Röntgenstrahlung 20 und die hiermit verbundenen Temperaturänderungen in der Sensorschicht 7 zu dämpfen, ist in den Kühlkörper 17 ein Latentwärmespeicher 21 integriert. Als Latentwärmespeicher 21 ist eine metallische Legierung in einem entsprechenden Hohlraum 23 eingesetzt. Die Legierung umfasst als Komponenten 44,7 Gew.-% Bismut, 22,6 Gew.-% Blei, 8,3 Gew.-% Zinn, 5,3 Gew.-% und 19,1 Gew.-% Indium. Sie weist einen Schmelzpunkt bei einer Temperatur von 47°C auf. Die Schmelztemperatur TS liegt damit im Bereich der zulässigen Betriebstemperatur des Röntgendetektormoduls 1.
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Durch den Latentwärmespeicher 21 wird sichergestellt, dass der durch die betriebsbedingte Wärmeentwicklung im Sensormaterial bzw. in der Sensorschicht 7 entstehende Temperaturhub vom Latentwärmespeicher 21 verringert wird. In einem Betriebsabschnitt vermehrter Wärmezufuhr schmilzt die Legierung unter vermehrter Wärmeaufnahme auf, wobei die Temperatur des Latentwärmespeichers 21 konstant bleibt. In einem Betriebsabschnitt mit verringerter Wärmezufuhr erstarrt die Legierung unter dann für das Detektormodul 1 unkritischer oder erneut puffernder Wärmeabgabe.
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2 zeigt dazu eine Auftragung 31 des Temperaturverlaufs 33 in dem Röntgendetektormodul 1 mit einem Latentwärmespeicher 21 gemäß 1 im Vergleich zum Temperaturverlauf 35 in einem Röntgendetektormodul ohne Latentwärmespeicher.
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In der Auftragung 31 ist die Temperatur T des Röntgendetektormoduls gegen den Wärmeeintrag Q aufgetragen. Anhand des Kurvenverlaufs 35 erkennt man einen erwarteten linearen Anstieg der Temperatur T des Röntgendetektormoduls ohne einen Latentwärmespeicher in Abhängigkeit der zugeführten Wärmemenge Q.
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Wird stattdessen ein Röntgenmodul 1 mit einem Latentwärmespeicher 21 eingesetzt, wird deutlich, dass die Temperatur T des Röntgendetektormoduls 1 bei Erreichen der Schmelztemperatur TS der als Latentwärmespeicher 21 eingesetzten niedrigschmelzenden Metalllegierung auf einem Stabilitätsplateau 37 verharrt. Dieses Stabilitätsplateau 37 gibt den Bereich des Phasenübergangs 39 an, in welchem das feste Material des Latentwärmespeichers 21 flüssig wird. Im Bereich des Phasenübergangs 39 ist auch bei einem weiteren Wärmeeintrag Q in die Sensorschicht 7 bzw. in das Röntgendetektormodul 1 als solches kein weiterer Temperaturanstieg des Röntgendetektormoduls 1 beobachtbar.
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Die trotz weiterer Wärmezufuhr Q konstant bleibende Temperatur T, die der Schmelztemperatur TS der Legierung entspricht, resultiert aus den Eigenschaften des Latentwärmespeichers 21, der in der Lage ist, die eingebrachte Wärmemenge Q im Bereich des Phasenübergangs 39 nahezu isotherm zu speichern. Die Temperatur T des Latentwärmespeichers 21 steigt im Bereich des Phasenübergangs 39 nicht an, obwohl weiter Wärme Q zugeführt wird. Hierdurch wird eine durch variierenden Röntgenfluss bedingte Temperaturänderung des Röntgendetektormoduls 1 gepuffert.
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Das Entladen des Latentwärmespeichers 21 findet in Form eines Erstarrens statt, wobei der Latentwärmespeicher 21 die zuvor aufgenommene Wärmemenge Q als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt. Dies geschieht in einem Betriebsabschnitt mit verringertem Wärmeeintrag (das Detektormodul beginnt abzukühlen) und führt insofern ebenfalls zu einer Pufferung der erwarteten Temperaturänderung.
