DE102018220135A1

DE102018220135A1 - Röntgendetektor, Bildgebungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors

Info

Publication number: DE102018220135A1
Application number: DE102018220135.8A
Authority: DE
Inventors: Thorsten ERGLER; Barbara Hintz; Stefan Wirth
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28
Also published as: CN111220632A

Abstract

Es wird ein Röntgendetektor (2) angegeben, welcher einen Szintillator (6), einen Lichtwellenleiter (8), einen Photodetektor (10) und einen Modenumwandler (12) aufweist, wobei der Lichtwellenleiter (8) zur Leitung von Licht (L1) vom Szintillator (6) zum Photodetektor (10) ausgebildet ist, wobei der Lichtwellenleiter (8) ein Modenspektrum aufweist und wobei in den Lichtwellenleiter (8) lediglich solches Licht (L1) einkoppelbar ist, welches innerhalb des Modenspektrums liegt, wobei der Modenumwandler (12) ein Streumedium (M) aufweist und derart ausgebildet ist, dass mittels des Streumediums (M) solches Licht (L2), welches vom Szintillator (6) erzeugt wird und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, in das Modenspektrum überführt wird, zur Einkopplung in den Lichtwellenleiter (8). Weiter wird eine Bildgebungsvorrichtung aufweisend einen Röntgendektor (2) und ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors (2) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor, eine Bildgebungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors.
Ein Röntgendetektor findet regelmäßig Anwendung in einer Bildgebungsvorrichtung, z.B. in einem Computertomographen. Ein Röntgendetektor dient allgemein der Detektion von Röntgenstrahlung, d.h. von hochenergetischer, elektromagnetischer Strahlung. Der Röntgendetektor erzeugt abhängig von der einfallenden Röntgenstrahlung ein üblicherweise elektrisches Detektorsignal. Hierzu weist der Röntgendetektor beispielsweise einen Szintillator auf, welcher Röntgenstrahlung in Licht umwandelt, also in niederenergetische, elektromagnetische Strahlung. Das Licht wird dann beispielsweise mittels eines Photodetektors erfasst, um ein korrespondierendes elektrisches Detektorsignal zu erzeugen. Dieses wird dann beispielsweise an eine Auswerteeinheit weitergegeben.
Zur Realisierung einer möglichst hohen Bildqualität, sollte einerseits möglichst viel Licht vom Szintillator zum Photodetektor gelangen und andererseits auch der Weg für das Detektorsignal möglichst kurz sein. Für eine möglichst hohe Lichtausbeute muss der Photodetektor wenigstens so groß wie der Szintillator gewählt werden, was mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Grundsätzlich ist es denkbar, den Photodetektor und die Auswerteeinheit direkt an dem Szintillator anzubringen. Dies führt allerdings zu einer hochintegrierten Konstruktion, mit entsprechend hohen Anforderungen an Aufbau- und Verbindungstechnik, speziell auch wegen des vom Photodetektor benötigten Bauraums. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Auswerteeinheit in einer solchen Anordnung im Betrieb der Röntgenstrahlung ausgesetzt ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2016 204 457 A1 ist eine Detektorvorrichtung bekannt, welche ein Streustrahlengitter, eine Szintillatoreinheit zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in eine Lichtmenge, eine Auswerteeinheit zur Umwandlung der Lichtmenge in elektrische Signale, und eine Modulaufnahmeeinrichtung aufweist. Die Szintillatoreinheit und das Streustrahlengitter sind mittels einer ersten Verbindung mit der Modulaufnahmeeinrichtung mechanisch verbunden und die Auswerteeinheit ist mittels einer von der ersten Verbindung unabhängigen zweiten Verbindung mit der Modulaufnahmeeinrichtung mechanisch verbunden. Die Auswerteeinheit, die Szintillatoreinheit und das Streustrahlengitter sind derart zueinander ausgerichtet, dass die von Teilbereichen der Szintillatoreinheit ausgesandte Lichtmenge von Teilbereichen der Auswerteeinheit registriert wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 020 610 A1 ist ein Strahlendetektor bekannt, welcher einen Szintillator mit Septen zur Trennung von nebeneinander angeordneten Szintillatorelementen und einen Kollimator mit Stegen zur Bildung von seitlich umschlossenen Strahlungskanälen umfasst, wobei die Stege zur Vermeidung eines Übersprechens zwischen benachbarten Szintillatorelementen in die Septen eingesetzt sind.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Röntgendetektor anzugeben sowie ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors. Der Röntgendetektor soll eine möglichst hohe Bildqualität gewährleisten und hierzu speziell ein möglichst rauscharmes Detektorsignal ausgeben. Der Röntgendetektor soll weiterhin möglichst kostengünstig sein und auch konstruktiv möglichst einfach handhabbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Röntgendetektor gelten sinngemäß auch für die Bildgebungsvorrichtung und das Verfahren und umgekehrt.
Der Röntgendetektor weist einen Szintillator, einen Lichtwellenleiter, einen Photodetektor und einen Modenumwandler auf. Der Lichtwellenleiter ist zur Leitung von Licht vom Szintillator zum Photodetektor ausgebildet. Der Lichtwellenleiter weist weiterhin ein Lichtwellenleiter-Modenspektrum, kurz lediglich Modenspektrum, auf und in den Lichtwellenleiter ist lediglich solches Licht einkoppelbar, welches innerhalb des Modenspektrums liegt. Der Röntgendetektor kann beispielsweise zur Verwendung in einer Bildgebungsvorrichtung, insbesondere in einem Computertomographen, dienen.
Der Modenumwandler weist ein Streumedium auf und ist derart ausgebildet, dass mittels des Streumediums solches Licht, welches vom Szintillator erzeugt wird und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, in das Modenspektrum überführt wird, zur Einkopplung in den Lichtwellenleiter. Der Modenumwandler dient also zur Transformation von Licht, welches ursprünglich nicht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt würde, in das Modenspektrum, sodass das Licht dann einkoppelbar ist. Im Betrieb des Röntgendetektors erfolgt also mittels des Modenumwandlers eine Anpassung des vom Szintillator abgegebenen Lichts an das vom Lichtwellenleiter akzeptierte Modenspektrum, sodass besonders viel Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird und am Photodetektor zur Erzeugung eines Detektorsignals zur Verfügung steht. Das resultierende Detektorsignal ist besonders rauscharm und führt zu einer hohen Bildqualität.
Ein Kerngedanke besteht vorliegend insbesondere darin, dass aufgrund des zusätzlichen Lichtwellenleiters der Szintillator und der Photodetektor voneinander entkoppelt sind und daher räumlich voneinander getrennt angeordnet werden können und vorzugsweise auch räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine deutlich einfachere Konstruktion des Röntgendetektors und auch einer Bildgebungsvorrichtung mit einem solchen Röntgendetektor. Die Anforderungen an Aufbau- und Verbindungstechnik sind deutlich reduziert. Im Betrieb wird von dem Szintillator Szintillator-Licht erzeugt, d.h. Licht, welches vom Szintillator durch Umwandlung von Röntgenstrahlung erzeugt wird. Das Szintillator-Licht wird wenigstens teilweise in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und in diesem insbesondere mittels Totalreflektion zum Photodetektor geführt. Dort wird das Szintillator-Licht dann in ein elektrisches Detektorsignal umgewandelt. Dieses wird vorzugsweise an eine Auswerteeinheit weitergegeben, zur Auswertung und zweckmäßigerweise auch zur Erstellung eines Bildes.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht nun insbesondere darin, dass aufgrund des zusätzlichen Modenumwandlers der Lichtwellenleiter und der Photodetektor sowie ggf. eine Auswerteeinheit jeweils mit reduzierten Abmessungen ausgebildet werden können. Anstelle eines Photodetektors, welcher wenigstens dieselben Abmessungen wie der Szintillator aufweist, wird vorliegend vorteilhaft ein Photodetektor verwendet, welcher kleiner ist als der Szintillator. Mit anderen Worten: der Photodetektor weist einen Detektorquerschnitt auf und der Szintillator weist einen Emissionsquerschnitt auf, welcher größer ist als der Detektorquerschnitt. Der Photodetektor ist somit deutlich kostengünstiger und benötigt weniger Bauraum. Entsprechendes gilt für den Lichtwellenleiter, welcher zweckmäßigerweise einen Kernquerschnitt zur Lichtleitung aufweist, welcher geringer ist als der Emissionsquerschnitt des Szintillators.
Der Erfindung liegt zunächst insbesondere die Beobachtung zugrunde, dass der Szintillator im Betrieb wenigstens näherungsweise ein Lambertstrahler mit einer entsprechenden, diffusen Abstrahlcharakteristik ist, d.h. das im Betrieb vom Szintillator erzeugte Licht ist kaum gerichtet. Der Lichtwellenleiter weist jedoch ein demgegenüber eingeschränktes Modenspektrum auf, sodass zunächst nicht alles Licht vom Szintillator in den Lichtwellenleiter einkoppelbar ist. Bei einem im Vergleich zum Szintillator kleineren Lichtwellenleiter ergeben sich aufgrund des beschränkten Modenspektrums demnach mitunter hohe Einkoppelverluste. Mit rein linearer Optik, wie z.B. Linsen oder Spiegeln, ist zwar eine Anpassung des Emissionsquerschnitts an die Apertur des Lichtwellenleiters möglich, die vorgenannten Einkoppelverluste lassen sich damit jedoch prinzipbedingt nicht reduzieren. Eine Anpassung an das Modenspektrum mit rein linearer Optik ist nicht möglich. Das Szintillator-Licht zerfällt also insgesamt in genau zwei Lichtanteile, kurz Anteile, nämlich einen ersten Anteil, welcher innerhalb des Modenspektrums liegt und daher direkt derart gerichtet emittiert wird, dass dieser erste Anteil in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Demgegenüber liegt ein zweiter Anteil gerade nicht innerhalb, sondern außerhalb des Modenspektrums und wird nicht ohne Weiteres in den Lichtwellenleiter eingekoppelt.
Der Modenumwandler transformiert oder überführt nun den zweiten Anteil vollständig oder wenigstens teilweise in den ersten Anteil. Hierzu wird ausgenutzt, dass bei einer Streuung von Licht in einem Streumedium eine Modenänderung möglich ist. Insbesondere wird durch eine Kombination des Szintillators mit dem Modenumwandler effektiv die Abstrahlcharakteristik des Szintillators geändert. Unter Streuung wird vorliegend allgemein eine Wechselwirkung von Licht mit Materie verstanden. Je nach Art der Streuung werden die Richtung und oder die Wellenlänge des Lichts verändert, das Licht wird also transformiert oder umgewandelt. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Modenumwandlung realisiert. Dieser Effekt wird vorliegend genutzt, um den zunächst nicht nutzbaren zweiten Anteil zu reduzieren und im Gegenzug den ersten Anteil zu erhöhen, sodass insgesamt der Einkoppelverlust reduziert wird. Mit anderen Worten: Szintillator-Licht, welches außerhalb des Modenspektrums liegt, wird im Modenumwandler gestreut und dadurch in Licht umgewandelt, welches innerhalb des Modenspektrums liegt.
Die Modenumwandlung ist zwar einer gewissen Zufälligkeit unterworfen, d.h. es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, das Licht des zweiten Anteils auch nach einer Streuung weiterhin nicht innerhalb des Modenspektrums liegt. Dennoch ist insgesamt aufgrund des Modenumwandlers mehr Licht in den Lichtwellenleiter einkoppelbar als ohne einen solchen Modenumwandler.
Im Ergebnis ermöglicht die Verwendung des Modenumwandlers vorteilhaft eine weitere Entkopplung des Szintillators und des Photodetektors derart, dass nunmehr die Abmessung des Photodetektors nicht mehr aufgrund von Einkoppelverlusten direkt an die Abmessung des Szintillators gebunden ist, sondern wegen der verbesserten Einkopplung von Licht anders und geringer gewählt werden kann und vorzugsweise auch geringer gewählt wird. Entsprechendes gilt auch für die Abmessungen des Lichtwellenleiters. Der Szintillator weist vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm auf, besonders bevorzugt von 1 mm und der Lichtwellenleiter weist einen Durchmesser oder einen Kerndurchmesser auf, welcher um einen Faktor 2 bis 20 geringer ist als der Durchmesser des Szintillators. Der Photodetektor weist einen Durchmesser auf, welcher zweckmäßigerweise größer ist als der Durchmesser des Lichtwellenleiters und geringer als der Durchmesser des Szintillators. Der Photodetektor weist vorzugsweiweise einen Durchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 0,7 mm auf. Der Emissionsquerschnitt des Szintillators ergibt sich direkt aus dessen Durchmesser und liegt für den oben angegebenen Bereich in der Größenordnung von 1 mm². Der Emissionsquerschnitt ist beispielsweise kreisrund oder quadratisch.
Der Szintillator besteht insbesondere vollständig aus einem Szintillationsmedium, d.h. aus einem Material, welches Röntgenstrahlung in Licht umwandelt, d.h. hochenergetische, elektromagnetische Strahlung in niederenergetische, elektromagnetische Strahlung umgewandelt. Das Licht ist vorzugsweise sichtbares Licht, weist also eine Wellenlänge im Bereich zwischen 400 nm und 1000 nm auf. Ein geeignetes Szintillationsmedium ist z.B. Gadoliniumoxysulfid, kurz GOS. Dieses Material weist insbesondere zwei Emissionslinien auf, nämlich eine im roten Spektralbereich und eine im grünen Spektralbereich.
Der Photodetektor ist vorzugsweise eine Halbleiter-Photodiode. Der Photodetektor weist insbesondere ein Material auf, welches Licht absorbiert und abhängig von der Menge an absorbiertem Licht ein elektrisches Detektorsignal erzeugt.
Der Lichtwellenleiter ist insbesondere eine Faser zur Lichtleitung und weist hierzu einen Kern und einen Mantel auf. Der Kern weist einen größeren Brechungsindex als der Mantel auf, sodass Licht im Kern mittels Totalreflektion entlang des Lichtwellenleiters geführt wird. Der Lichtwellenleiter weist insbesondere einen kreisrunden Querschnitt auf. Grundsätzlich kann der Lichtwellenleiter beliebig lang sein, zweckmäßigerweise weist der Lichtwellenleiter jedoch eine Länge im Bereich von 10 cm bis 4 m auf. Eine solche Länge ist insbesondere für eine Anwendung in einer Bildgebungsvorrichtung ausreichend. Der Lichtwellenleiter ist beispielsweise eine Glasfaser oder eine polymer-optische Faser, kurz POF. Der Lichtwellenleiter, genauer gesagt dessen Kern, weist vorzugsweise einen Kerndurchmesser auf, welcher wenigstens 50 µm beträgt und höchsten 250 µm. Allgemein ist der Lichtwellenleiter zweckmäßigerweise ein sogenannter Multimode-Lichtwellenleiter und somit derart dimensioniert, dass von vornherein ein möglichst großes Modenspektrum vorliegt. Der Lichtwellenleiter ist zur Führung von Szintillator-Licht ausgebildet, d.h. vorzugsweise zur Führung von sichtbarem Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 1000 nm.
Das Modenspektrum gibt an, welche Moden in den Lichtwellenleiter einkoppelbar und in diesem führbar sind. Das Modenspektrum umfasst je wenigstens eine und üblicherweise jeweils mehrere Transversalmoden und Longitudinalmoden. Transversalmoden und Longitudinalmoden werden jeweils allgemein auch als Moden bezeichnet. Das Modenspektrum ist nun aufgrund der Ausgestaltung des Lichtwellenleiters beschränkt, weist also nur eine begrenzte Anzahl an Transversalmoden oder Longitudinalmoden oder eine begrenzte Anzahl von beiden Modenarten auf. Mit anderen Worten: lediglich eine beschränkte Anzahl an Transversalmoden und/oder Longitudinalmoden ist in den Lichtwellenleiter einkoppelbar.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Streumedium zur räumlichen Modenumwandlung derart ausgebildet, dass Licht aus einer Einfallsrichtung in eine davon abweichende Ausfallsrichtung umgelenkt wird. Der Modenumwandler ist somit ein räumlicher Modenumwandler. In dieser Ausgestaltung wird vorteilhaft ein hinsichtlich der Anzahl an Transversalmoden beschränktes Modenspektrum berücksichtigt. Das Licht vom Szintillator wird mittels des Modenumwandlers umgelenkt oder auch umgeleitet, erfährt also eine Richtungsänderung. Das Licht wird somit insbesondere in Richtung des Lichtwellenleiters umgelenkt und dadurch in diesen eingekoppelt. Allgemein wird also eine räumliche Modenumwandlung durchgeführt.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Streumedium zur spektralen Modenumwandlung derart ausgebildet, dass Licht vom Streumedium absorbiert wird und mit einer anderen Wellenlänge wieder emittiert wird. Das Streumedium ist somit zur spektralen Modenumwandlung ausgebildet, d.h. der Modenumwandler ist ein spektraler Modenumwandler. In dieser Ausgestaltung wird vorteilhaft ein hinsichtlich der Anzahl an Longitudinalmoden beschränktes Modenspektrum berücksichtigt, welches sich z.B. aufgrund der Materialwahl für den Lichtwellenleiter oder aufgrund der Länge des Lichtwellenleiters ergibt. Alternativ oder zusätzlich wird vorteilhaft auch ein eingeschränktes Absorptionsspektrum des Photodetektors berücksichtigt. Szintillator-Licht, welches an sich nicht vom Photodetektor detektierbar ist, wird also mittels des Modenumwandlers in detektierbares, also absorbierbares Licht umgewandelt. Das Licht vom Szintillator wird mittels des Modenumwandlers allgemein konvertiert oder frequenzumgesetzt, erfährt also eine Änderung der Wellenlänge.
Die spektrale und die räumliche Modenumwandlung sind in einer geeigneten Ausgestaltung miteinander kombiniert und dabei insbesondere mittels desselben Streumediums realisiert.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Streumedium ein Fluoreszenzmedium ist, welches ausgebildet ist, Licht vom Szintillator zu absorbieren und wieder zu emittieren. Bei der Fluoreszenz handelt es sich um einen Spezialfall der Streuung, bei welchem Licht von einem Fluoreszenzmedium zuerst absorbiert und dann wieder emittiert, d.h. re-emittiert wird. Dabei werden die Richtung des Lichts oder dessen Wellenlänge oder beides verändert. Die Streuung des Szintillator-Lichts erfolgt also durch Absorption und Re-Emission des Szintillator-Lichts mittels des Streumediums, welches in diesem Fall speziell ein Fluoreszenzmedium ist. Das Fluoreszenzmedium zeichnet sich vorzugsweise durch eine sphärische Abstrahlcharakteristik aus. Dadurch wird im Vergleich zur diffusen Abstrahlcharakteristik des Szintillators die Wahrscheinlichkeit einer Einkopplung von Licht in den Wellenleiter erhöht, d.h. die Einkoppeleffizienz wird verbessert und entsprechend der Einkoppelverlust verringert.
In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Röntgendetektor einen Reflektor auf, welcher derart angeordnet ist, dass Licht vom Szintillator in diesen zurückreflektiert wird. Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Reflektor gemeinsam mit dem Lichtwellenleiter auf einer Vorderseite des Szintillators angeordnet ist, sodass Licht, welches generell nach vorn emittiert wird, aber nicht im Modenspektrum liegt, vom Reflektor in den Szintillator zurückgeworfen wird. Alternativ oder zusätzlich ist der Reflektor zweckmäßigerweise seitlich des Szintillators oder auf einer Rückseite des Szintillators angeordnet oder beides. Dem liegt zunächst die Überlegung zugrunde, dass der Szintillator nicht nur über dessen Vorderseite und somit in Richtung des Lichtwellenleiters Licht emittiert, sondern grundsätzlich in allen Richtungen, insbesondere auch zur Seite und über die Rückseite nach hinten. Um dieses Licht ebenfalls zu nutzen, ist der Szintillator wenigstens rückseitig oder seitlich von einem Reflektor umgeben oder beides. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Szintillator in einen becherförmigen Reflektor insbesondere formschlüssig und vorzugsweise spaltfrei eingesetzt ist. Dadurch kann Licht den Szintillator lediglich über dessen Vorderseite und somit generell in Richtung des Lichtwellenleiters verlassen. Der Reflektor ist z.B. als separates Bauteil aus einem reflektierenden Material hergestellt oder als Beschichtung auf den Szintillator aufgebracht. Der Reflektor ist vorzugsweise einstückig hergestellt und besteht dann aus einem einzelnen Werkstoff, welcher geeignet geformt ist. Der Reflektor ist in einer geeigneten Ausgestaltung als Gussteil ausgebildet. Alternativ ist der Reflektor aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt. Der Reflektor ist zweckmäßigerweise für Röntgenstrahlung transparent, wenigstens auf derjenigen Seite des Szintillators, über welche im Betrieb Röntgenstrahlung eindringt.
Die Rückführung des Szintillator-Lichts in den Szintillator mittels eines Reflektors ermöglicht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher der Szintillator selbst als das Streumedium verwendet wird. Das vom Reflektor zurückgeworfene Licht liegt insbesondere außerhalb des Modenspektrums und wird nun durch eine Reflektion zurück in den Szintillator geführt, in diesem gestreut und dadurch potentiell in das Modenspektrum umgesetzt. Mit anderen Worten: in einer geeigneten Ausgestaltung ist der Szintillator zugleich das Streumedium und ist dadurch derart ausgebildet, dass Licht, welches durch den Reflektor in den Szintillator zurückreflektiert wird, in das Modenspektrum überführt wird. Darunter wird insbesondere verstanden, dass nicht zwingend sämtliches reflektierte Licht in das Modenspektrum transformiert wird, jedoch wird wenigsten ein Teil des reflektierten Lichts in das Modenspektrum transformiert und dadurch im Ergebnis die Einkoppeleffizienz verbessert. Insbesondere ist der Szintillator hierbei sogar ein Fluoreszenzmedium, da der Szintillator aufgrund der zuvor erfolgten Emission des Lichts automatisch auch zur Absorption, genauer gesagt Re-Absorption, ebendieses Lichts ausgebildet ist.
Aufgrund der üblicherweise zufallsverteilten Re-Emission bei einem Fluoreszenzmedium ist es grundsätzlich möglich, dass Licht, welches zunächst innerhalb des Modenspektrums liegt durch den Modenumwandler ungewollt in der falschen Richtung umgewandelt wird und dann außerhalb des Modenspektrums liegt. Um dies besonders effektiv zu vermeiden, wird in einer geeigneten Ausgestaltung die Abmessung des Szintillators an die mittlere freie Weglänge des Lichts im Szintillator angepasst. Das Licht, welches im Szintillator erzeugt wird, weist bei der Propagation durch den Szintillator eine mittlere freie Weglänge auf, welche wenigstens vorzugsweise das 4-fache einer Dicke des Szintillators beträgt. Die Dicke des Szintillators beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm. Die Dicke des Szintillators ist insbesondere senkrecht zu dessen Emissionsquerschnitt gemessen, nämlich in einer Längsrichtung von einer Rückseite zu einer Vorderseite des Szintillators, wobei auf der Vorderseite dann der Lichtwellenleiter angeordnet ist. Die Röntgenstrahlung fällt im Betrieb insbesondere von der Rückseite her in den Szintillator ein. Dadurch wird sichergestellt, dass ein genügend großer Anteil des Szintillator-Lichts nach dessen Erzeugung zunächst ungestört den Szintillator verlässt und dann entweder in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird oder wieder zurück in den Szintillator reflektiert wird, um dort eine Modenumwandlung zu erfahren und die erneute Chance einer Einkopplung in den Lichtwellenleiter. Bei einer Kombination des Szintillators als Streumedium mit einem Reflektor wird dann vorteilhaft ausgenutzt, dass durch den Reflektor für das Licht außerhalb des Modenspektrums effektiv die Dicke des Szintillators vergrößert wird und somit eine Modenumwandlung wahrscheinlicher ist. Das von vornherein innerhalb des Modenspektrums liegende Licht wird dagegen mit höchstens geringen Streuverlusten direkt in den Lichtwellenleiter eingekoppelt.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Reflektor auf einer Vorderseite des Szintillators haubenförmig, insbesondere kegelförmig, ausgebildet und weist eine Spitze auf, in welche der Lichtwellenleiter eingesetzt ist. Zweckmäßigerweise ist die Spitze an die Apertur des Lichtwellenleiters angepasst und entspricht dieser. Dadurch entsteht auf der Vorderseite des Szintillators ein Freiraum, über welchem sich der Reflektor nach Art eines Dachs erstreckt. Der Reflektor weist somit eine Haube auf, welche insbesondere ausgehend von einem Rand des Szintillators nach innen hin zur Spitze zusammenläuft. Der Lichtwellenleiter ist dann in die Spitze eingesetzt und dadurch entsprechend vom Szintillator beabstandet, d.h. zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Szintillator ist ein Abstand ausgebildet, welcher vorzugsweise deutlich geringer ist als 1 cm und besonders bevorzugt wenigstens 0,01 mm und höchstens 0,5 mm beträgt.
In einer geeigneten Ausgestaltung umschließt der Reflektor einen Hohlraum, in welchem der Szintillator angeordnet ist. Sofern vorhanden, ist der oben beschriebene Freiraum ein Teil des Hohlraums. Der Szintillator ist dabei vorzugsweise bis auf eine Öffnung für den Lichtwellenleiter vollständig von dem Reflektor umgeben, sodass besonders viel Licht zurückgeworfen wird.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist zum Umschließen des Szintillators die oben beschriebene haubenförmige Ausgestaltung des Reflektors mit der ebenfalls bereits beschriebenen becherförmigen Ausgestaltung kombiniert. Der Reflektor weist dann einen Becher auf, welcher den Szintillator rückseitig und seitlich umschließt und eine Haube, welche den Szintillator frontseitig, d.h. auf der Vorderseite, überdeckt und welche mit dem Becher verbunden ist.
In einer geeigneten Ausgestaltung umschließt der Reflektor einen Hohlraum, in welchem der Szintillator angeordnet ist, wie oben beschrieben, und zusätzlich liegt der Reflektor vollständig an dem Szintillator an. Der Lichtwellenleiter ist dabei vorzugsweise direkt an den Szintillator angesetzt oder alternativ über eine zusätzliche Abbildungsoptik direkt an den Szintillator angesetzt. In dieser Ausgestaltung ist kein Freiraum zwischen dem Reflektor und dem Szintillator ausgebildet. Auch der Lichtwellenleiter ist vorzugsweise auf Stoß und ggf. gemeinsam auf Stoß mit einer zusätzlichen Abbildungsoptik an dem Szintillator angeordnet und ist demnach direkt an den Szintillator angebunden. Diese Ausgestaltung ist besonders kompakt. Obwohl der Lichtwellenleiter insbesondere lediglich einen kleinen Teil der Orderseite des Szintillators überdeckt, ist dennoch aufgrund des vollumfänglich ausgebildeten Reflektors in Verbindung mit dem Szintillator als Streumedium eine hohe Einkoppeleffizienz gewährleistet.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung des Szintillators selbst als Streumedium, wird in einer geeigneten Ausgestaltung ein separates Streumedium verwendet. Dieses besteht in einer ersten geeigneten Variante aus dem gleichen Material wie der Szintillator und in einer zweiten geeigneten Variante aus einem anderen Material. Das Streumedium ist in einer geeigneten Ausgestaltung als Beschichtung auf den Szintillator, insbesondere dessen Vorderseite, oder auf den Reflektor aufgetragen oder beides.
Denkbar und geeignet ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Streumedium in den Reflektor integriert ist. Der Reflektor besteht dann wenigstens teilweise aus dem Streumedium, sodass Licht, welches auf den Reflektor trifft mit entsprechender Wahrscheinlichkeit gestreut wird. Eine solche Ausgestaltung ist besonders zweckmäßig bei einem haubenförmigen Reflektor, sodass dann auf der Vorderseite des Szintillators in entsprechendem Abstand das Streumedium angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Streumedium in den Lichtwellenleiter integriert ist. Insofern wird die Aufgabe insbesondere auch gelöst durch einen solchen Lichtwellenleiter für einen Röntgendetektor sowie durch die Verwendung eines solchen Lichtwellenleiters in einem Röntgendetektor. In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Lichtwellenleiter dann einen Kern auf und einen Mantel, welcher den Kern umschließt, und das Streumedium ist in den Mantel integriert. Der Mantel ist unmittelbar auf den Kern aufgebracht. Der Kern ist somit von Streumaterial umgeben. Dadurch wird die effektive Apertur des Lichtwellenleiters vorteilhaft vergrößert. Licht, welches zwar in den Lichtwellenleiter eintritt, aber nicht in den Kern eingekoppelt wird, weil der nötige Winkel zur Totalreflektion verfehlt wird, tritt in den Mantel ein und wird von dort in den Kern gestreut. Weiterhin werden Moden, welche im Mantel geführt werden und an sich nicht Teil des Modenspektrums sind, durch das Streumedium im Mantel umgewandelt und dadurch wenigstens teilweise in den Kern geführt, also in das Modenspektrum konvertiert.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Mantel zweiteilig ausgeführt und weist einen Innenmantel und einen Außenmantel auf. Der Innenmantel umgibt den Kern und ist insbesondere unmittelbar auf diesen aufgebracht. Der Außenmantel umgibt den Innenmantel und ist insbesondere unmittelbar auf diesen aufgebracht. Der Kern, der Innenmantel und der Außenmantel sind vorzugsweise konzentrisch angeordnet. Der Innenmantel weist insbesondere einen Brechungsindex auf, welcher geringer ist als der Brechungsindex des Kerns und zugleich größer ist als der Brechungsindex des Außenmantels. Der Innenmantel bildet dadurch eine Lichtleitschicht oder Lichtleitebene, welche den Kern ringförmig und vorzugsweise vollumfänglich umgibt. Aufgrund von Totalreflektion kann Licht im Innenmantel diesen nicht über den Außenmantel nach außen verlassen, ein Übersprechen in den Kern ist aber möglich und erfolgt entsprechend vorteilhaft im Betrieb. Das Streumaterial ist vorzugsweise in den Innenmantel integriert, sodass Licht, welches im Innenmantel geführt wird mit besonders hoher Wahrscheinlichkeit gestreut wird und zwar hauptsächlich in den Kern hinein und jedenfalls nicht aus dem Lichtwellenleiter heraus.
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Lichtwellenleiter von einer nach innen reflektierenden Schicht umgeben ist, sodass vor allem gestreutes Licht in den Lichtwellenleiter zurückgeworfen wird und eine Leckage nach außen vermieden wird. Licht, welches entlang des gesamten Lichtwellenleiters im Innenmantel geführt wird, wird zweckmäßigerweise ebenfalls auf den Photodetektor geführt und von diesem detektiert.
In einer geeigneten Ausgestaltung ragt der Lichtwellenleiter in den Szintillator hinein, indem der Lichtwellenleiter einen Endabschnitt aufweist, welcher vollständig in den Szintillator eingesetzt ist. In den Szintillator ist hierzu ein Loch eingebracht, in welches der Lichtwellenleiter vorzugsweise formschlüssig eingesetzt ist. Dadurch ist eine besonders große Einkoppelfläche zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Szintillator geschaffen. Der Endabschnitt weist vorzugsweise eine Länge auf, welche zwischen 10% und 90% der Dicke des Szintillators beträgt, besonders bevorzugt zwischen 30% und 50%.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Endabschnitt mantelfrei ausgebildet, sodass lediglich der Kern des Lichtwellenleiters in den Szintillator hineinragt. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass der Mantel innerhalb des Szintillators zu weiteren Grenzflächen führt, welche aufgrund von Reflektionen die Einkoppeleffizienz verringern. Durch auslassen des Mantels auf dem Endabschnitt wird also eine höhere Einkoppeleffizienz erzielt.
Alternativ ist der Mantel jedoch auch auf dem Endabschnitt ausgebildet, vorzugsweise speziell dann, wenn ein Streumedium in den Mantel integriert ist. Dies ist entsprechend vorteilhaft, da dann das Szintillator-Licht vor einem Auftreffen auf den Kern potentiell noch gestreut wird und eine Modenumwandlung erfährt, sodass das Licht in der Folge mittels Totalreflektion durch den Kern aus dem Szintillator herausgeführt wird.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist zwischen dem Szintillator und dem Lichtwellenleiter eine Abbildungsoptik, insbesondere eine Linse angeordnet, zur Einkopplung von Licht des Szintillators in den Lichtwellenleiter. Die Abbildungsoptik dient vorteilhaft der Anpassung einer Apertur des Lichtwellenleiters an den Szintillator. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung besteht die Abbildungsoptik lediglich aus einer einzelnen Linse, welche die Vorderseite des Szintillators auf den Lichtwellenleiter, speziell insbesondere auf dessen Kern abbildet.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Abbildungsoptik unmittelbar auf eine Vorderseite des Szintillators aufgebracht. Die Abbildungsoptik ist also direkt an dem Szintillator angebracht und geeigneterweise an diesem befestigt, sodass sich eine besonders kompakte Anordnung ergibt. Alternativ sind auch Ausgestaltungen geeignet, bei welchen die Abbildungsoptik von dem Szintillator beabstandet angeordnet ist und hierzu beispielsweise an dem oben beschriebenen Reflektor angebracht ist oder an dem Lichtwellenleiter.
Die Ausgestaltung mit einer Abbildungsoptik ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einem Reflektor kombiniert, welcher wie oben beschrieben teilweise aus einem Streumedium besteht oder teilweise mit einem Streumedium beschichtet ist. Dabei weist der Reflektor einen Ringabschnitt auf, welcher sich vom Szintillator bis zur Abbildungsoptik erstreckt und einen Freiraum zwischen diesen beiden Teilen umringt und welcher aus dem Streumedium besteht oder mit diesem beschichtet ist.
Die Abbildungsoptik weist insbesondere einen größeren Durchmesser auf als der Lichtwellenleiter. Vorzugsweise weist die Abbildungsoptik einen Durchmesser auf, welcher das 0,5-fache bis 1-fache des Durchmessers des Szintillators beträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors, ist dieser wie oben beschrieben ausgebildet und weist somit einen Szintillator, einen Lichtwellenleiter, einen Photodetektor und einen Modenumwandler auf. Der Lichtwellenleiter ist zur Leitung von Licht vom Szintillator zum Photodetektor ausgebildet und weist ein Modenspektrum auf, wobei in den Lichtwellenleiter lediglich solches Licht einkoppelbar ist, welches innerhalb des Modenspektrums liegt. Der Modenumwandler weist ein Streumedium auf, mittels welchem solches Licht, welches vom Szintillator erzeugt wird und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, in das Modenspektrum überführt wird, zur Einkopplung in den Lichtwellenleiter. Mit anderen Worten weist das Verfahren drei Schritte auf. Ein erster Schritt ist das Erzeugen von Licht, welches außerhalb des Modenspektrums liegt, mittels des Szintillators. Dabei wird insbesondere zusätzlich auch solches Licht erzeugt, welches innerhalb des Modenspektrums liegt. Ein zweiter Schritt ist das Überführen des Lichts, welches vom, d.h. mit dem Szintillator erzeugt wurde und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, mittels des Streumediums in das Modenspektrum. Das außerhalb des Modenspektrums liegende Licht wird also in das Modenspektrum hinein transformiert. Hierzu wird das Streumedium verwendet. Die Überführung wird auch als Transformation oder Umwandlung bezeichnet. Bei der Überführung in das Modenspektrum wird das Licht, welches zunächst außerhalb des Modenspektrums liegt, umgewandelt in Licht, welches innerhalb des Modenspektrums liegt. Ein dritter Schritt ist dann das Einkoppeln des Lichts, welches in das Modenspektrum überführt wurde in den Lichtwellenleiter. Eine solche Einkopplung war vor der Überführung insbesondere nicht möglich, da das Licht außerhalb des Modenspektrums lag. Nach der Überführung ist eine Einkopplung möglich ggf. zusätzlich zu jeglichem Licht, welches bereits von vornherein vom Szintillator innerhalb des Modenspektrums erzeugt wurde, welches insbesondere ebenfalls in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Röntgendetektor mehrere Szintillatoren auf und entsprechend viele Lichtwellenleiter, Photodetektoren, Modenumwandler und ggf. Reflektoren. Eine Anordnung aus je einem Szintillator, Lichtwellenleiter, Photodetektor, Modenumwandler und ggf. Reflektor wird auch als Pixel bezeichnet. Vorzugsweise sind mehrere Pixel in einer Reihe oder einer Matrix angeordnet, um einen entsprechenden Detektionsbereich abzudecken.
Zweckmäßigerweise weist der Röntgendetektor eine Auswerteeinheit auf, welche je nach Ausgestaltung mit einem oder mehreren der Photodetektoren verbunden ist, um die Detektorsignale zu empfangen und auszuwerten und daraus ein Bild zu erstellen. Vorzugsweise sind die Photodetektoren in die Auswerteeinheit integriert, um einen möglichst kurzen elektrischen Signalweg für die Detektorsignale zu erhalten und dadurch ein besonders rauscharmes Bild zu erhalten.
Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst durch eine Bildgebungsvorrichtung mit wenigstens einem Röntgendetektor wie vorstehend beschrieben.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bildgebungsvorrichtung aufweisend zumindest einen Röntgendetektor wie vorstehend beschrieben, wobei die Bildgebungsvorrichtung ein Computertomograph ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

1 einen Röntgendetektor,
2 eine Variante des Röntgendetektors,
3 eine weitere Variante des Röntgendetektors,
4 eine weitere Variante des Röntgendetektors,
5 einen Lichtwellenleiter für einen Röntgendetektor,
6 eine Bildgebungsvorrichtung,
7 ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors.

In den 1 bis 4 ist jeweils eine Variante eines Röntgendetektors 2 in einer Querschnittansicht dargestellt. Der Röntgendetektor 2 dient zur Verwendung in einer Bildgebungsvorrichtung 4, z.B. in einem Computertomographen wie in 6 gezeigt. Der Röntgendetektor 2 weist einen Szintillator 6, einen Lichtwellenleiter 8, einen Photodetektor 10 und einen Modenumwandler 12 auf. Der Lichtwellenleiter 8 ist zur Leitung von Licht L1 vom Szintillator 6 zum Photodetektor 10 ausgebildet. Ein spezielles Ausführungsbeispiel für den Lichtwellenleiter 8 ist in 5 in einer Querschnittansicht gezeigt. Der Lichtwellenleiter 8 weist ein Lichtwellenleiter-Modenspektrum auf, kurz lediglich Modenspektrum, und in den Lichtwellenleiter 8 ist lediglich solches Licht L1 einkoppelbar, welches innerhalb des Modenspektrums liegt. Dieses Licht L1 wird auch als ein erster Anteil an dem vom Szintillator insgesamt erzeugten Licht L1, L2 bezeichnet. Licht L2, welches dagegen außerhalb des Modenspektrums liegt, wird nachfolgend als Licht L2 bezeichnet oder alternativ als ein zweiter Anteil des vom Szintillator 6 insgesamt erzeugten Lichts L1, L2. Licht L1 ist in den Figuren als durchgezogene Linie dargestellt, Licht L2 dagegen als gestrichene Linie.
Der Modenumwandler 12 weist ein Streumedium M auf und ist derart ausgebildet, dass mittels des Streumediums M solches Licht L2, welches vom Szintillator 6 erzeugt wird und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, in das Modenspektrum überführt wird, also in Licht L1 umgewandelt wird, zur Einkopplung in den Lichtwellenleiter 8. Der Modenumwandler 12 dient somit zur Transformation von Licht L2, welches ursprünglich nicht in den Lichtwellenleiter 8 eingekoppelt würde, in das Modenspektrum, sodass das resultierende Licht L1 dann einkoppelbar ist. Im Betrieb des Röntgendetektors 2 erfolgt somit mittels des Modenumwandlers 12 eine Anpassung des vom Szintillator 6 abgegebenen Lichts L1, L2 an das vom Lichtwellenleiter 8 akzeptierte Modenspektrum.
In den 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele gezeigt, bei welchen der Szintillator 6 selbst als das Streumedium M verwendet wird. Mittels eines Reflektors 14 erfolgt eine Rückführung des Lichts L2 in den Szintillator 6. Der Reflektor 14 ist für Röntgenstrahlung transparent. Der Reflektor 14 ist derart angeordnet, dass Licht L2 vom Szintillator 6 in diesen zurückreflektiert wird. Der Reflektor 14 ist hier gemeinsam mit dem Lichtwellenleiter 8 auf einer Vorderseite V des Szintillators 6 angeordnet, sodass Licht L2, welches generell nach vorn emittiert wird, aber nicht im Modenspektrum liegt, vom Reflektor 14 in den Szintillator 6 zurückgeworfen wird. Dies ist in den 1 und 2 durch Pfeile für beispielhafte Pfade des Lichts L1, L2 dargestellt. Zunächst ist ein Pfad erkennbar auf welchem Licht L1, welches bereits innerhalb des Modenspektrums liegt, vom Szintillator 6 emittiert wird und in den Lichtwellenleiter 8 eingekoppelt wird. Ein weiterer Pfad zeigt demgegenüber Licht L2, welches nicht im Modenspektrum liegt, aber vom Reflektor 14 in den Szintillator 6 zurückgeworfene, in diesem gestreut und dadurch vorliegend in das Modenspektrum umgesetzt wird, also in Licht L1 umgewandelt wird.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Streumedium M jeweils speziell ein Fluoreszenzmedium, welches ausgebildet ist, Licht L1, L2 vom Szintillator 6 zu absorbieren und wieder zu emittieren. Bei der Fluoreszenz handelt es sich um einen Spezialfall der Streuung, bei welchem Licht L1, L2 von einem Fluoreszenzmedium zuerst absorbiert und dann wieder emittiert. Dabei werden wie in 1 und 2 beispielhaft gezeigt die Richtung des Lichts L1, L2 geändert oder wie in einer nicht gezeigten Variante alternativ oder zusätzlich die Wellenlänge des Lichts L1, L2.
Das Streumedium M ist zur räumlichen oder spektralen Modenumwandlung ausgebildet oder beides. In der Ausgestaltung zur räumlichen Modenumwandlung wird mittels des Streumediums M Licht L1, L2 aus einer Einfallsrichtung in eine davon abweichende Ausfallsrichtung umgelenkt wird, wie in den 1 und 2 gezeigt. Das Licht L1, L2 vom Szintillator 6 erfährt also eine Richtungsänderung. In der Ausgestaltung zur spektralen Modenumwandlung wird mittels des Streumediums M Licht L1, L2 absorbiert und mit einer anderen Wellenlänge wieder emittiert. Diese spektrale Modenumwandlung ist in den Figuren nicht dargestellt. Die spektrale und die räumliche Modenumwandlung lassen sich miteinander kombinieren oder auch einzeln verwenden.
Der Szintillator 6 besteht vorliegend vollständig aus Gadoliniumoxysulfid als ein Szintillationsmedium. Der Szintillator 6 weist eine Rückseite R und eine Vorderseite V auf und erstreckt sich in einer Längsrichtung L. In Längsrichtung L gemessen weist der Szintillator 6 zwischen der Rückseite R und der Vorderseite V eine Dicke D auf. Senkrecht zur Längsrichtung L weist der Szintillator 6 einen Emissionsquerschnitt auf E, welche der Fläche des Szintillators senkrecht zur Längsrichtung L entspricht. Der Emissionsquerschnitt E ist beispielsweise kreisrund.
Aufgrund der üblicherweise zufallsverteilten Re-Emission bei einem Fluoreszenzmedium ist es grundsätzlich möglich, dass Licht L1, welches zunächst innerhalb des Modenspektrums liegt durch den Modenumwandler 12 ungewollt in der falschen Richtung in Licht L2 umgewandelt wird, welches dann außerhalb des Modenspektrums liegt. Um dies zu vermeiden, ist in den gezeigten Varianten die Abmessung, d.h. die Dicke D und/oder der Emissionsquerschnitt E, des Szintillators 6 an die mittlere freie Weglänge des Lichts L1, L2 im Szintillator 6 angepasst. Hierzu beträgt vorliegend die mittlere freie Weglänge wenigstens das 4-fache der Dicke D des Szintillators 6. Die Dicke D beträgt vorliegend zwischen 0,5 mm und 2 mm. Durch den Reflektor 14 wird dann für das Licht L2 außerhalb des Modenspektrums effektiv die Dicke D des Szintillators 6 vergrößert und somit wird eine Modenumwandlung für solches Licht L2 wahrscheinlicher. Das von vornherein innerhalb des Modenspektrums liegende Licht L1 wird dagegen mit höchstens geringen Streuverlusten direkt in den Lichtwellenleiter 8 eingekoppelt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 ist der Reflektor 14 nicht lediglich auf der Vorderseite V angeordnet, sondern zusätzlich seitlich des Szintillators sowie auf dessen Rückseite R. Da der Szintillator 6 grundsätzlich in allen Richtungen Licht L1, L2 abstrahlen kann, wird durch einen solchen Reflektor 14 sämtliches Licht L1, L2 genutzt. In allen der 1 bis 4 ist zudem der Reflektor 14 als Becher ausgebildet, d.h. der Szintillator 6 ist in einen becherförmigen Reflektor 14 eingesetzt, vorliegend jeweils formschlüssig und spaltfrei. Rückseitig und seitlich weist der Reflektor 14 somit einen Becher 16 auf. Dadurch kann Licht L1, L2 den Szintillator 6 lediglich über dessen Vorderseite V und somit generell in Richtung des Lichtwellenleiters 8 verlassen.
Auf der Vorderseite V ist der Reflektor 14 in den 1 und 2 jeweils haubenförmig ausgebildet, in 1 sogar kegelförmig. Der Reflektor 14 eine Spitze 18 auf, in welche der Lichtwellenleiter 8 eingesetzt ist. Dadurch entsteht auf der Vorderseite V des Szintillators 6 ein Freiraum F. Der Reflektor 14 weist somit eine Haube 20 auf, welche vorliegend ausgehend von einem Rand des Szintillators 6 nach innen hin zur Spitze 18 zusammenläuft. Zwischen dem Lichtwellenleiter 8 und dem Szintillator 6 ist ein Abstand A ausgebildet, welcher in den 1 und 2 zwischen 0,01 mm und 0,5 mm beträgt. Die Haube 18 und der Becher 16 sind vorliegend einstückig ausgebildet und monolithisch miteinander verbunden. In einer nicht gezeigten Variante sind die Haube 18 und der Becher 16 separat gefertigt und miteinander verbunden.
Insgesamt umschließt der Reflektor 14 in allen drei Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 einen Hohlraum, in welchem der Szintillator 6 angeordnet ist. Der oben beschriebene Freiraum F ist dabei ein Teil des Hohlraums. In den 1 und 2 ist eine vollständige Umschließung des Szintillators durch die Kombination des Bechers 16 mit der Haube 20 realisiert. In den 3 und 4 ist dagegen eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher der Reflektor 14 vollständig an dem Szintillator 6 anliegt. Der Reflektor 14 weist zwar einen Becher 16 auf, jedoch keine Haube 20, auf der Vorderseite V liegt der Reflektor 14 vielmehr direkt auf dem Szintillator 6 auf.
Im Gegensatz zu den 1 und 2 ist in 3 der Lichtwellenleiter 8 direkt an den Szintillator 6 angesetzt und in 4 sogar in den Szintillator 6 eingesetzt. Eine solche Anordnung ist auch bei den Varianten der 1 und 2 grundsätzlich möglich. In den 3 und 4 ist kein Freiraum F zwischen dem Reflektor 14 und dem Szintillator 6 ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung des Szintillators 6 als Streumedium M, wird ein separates Streumedium M verwendet. In einer nicht gezeigten Variante ist das separate Streumedium M als eine Beschichtung auf den Szintillator 6 oder auf den Reflektor 14 aufgetragen oder beides. In einer ebenfalls nicht gezeigten Variante ist das Streumedium M in den Reflektor 14 integriert. Beispielsweise ist bei einem haubenförmigen Reflektor 14 wie in den 1 und 2 gezeigt auf der Vorderseite V des Szintillators 6 in entsprechendem Abstand das Streumedium M angeordnet.
Die Verwendung des Modenumwandlers 12 ermöglicht eine Entkopplung des Szintillators 6 und des Photodetektors 10 derart, dass nunmehr die Abmessung des Photodetektors 10 nicht mehr aufgrund von Einkoppelverlusten direkt an die Abmessung des Szintillators 6 gebunden ist, sondern wegen der verbesserten Einkopplung von Licht L1, L2 geringer gewählt ist. Entsprechendes gilt auch für die Abmessungen des Lichtwellenleiters 6. Vorliegend weist der Szintillator 6 einen Durchmesser D1 im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm auf und der Lichtwellenleiter 8 weist einen Durchmesser D2 auf, welcher geringer ist als der Durchmesser D1 des Szintillators 6. Der Photodetektor 10 weist einen Durchmesser D3 auf, welcher größer ist als der Durchmesser D2 des Lichtwellenleiters 8 und geringer als der Durchmesser D1 des Szintillators 6 und vorliegend im Bereich von 0,1 mm bis 0,7 mm liegt.
Der Lichtwellenleiter 8 ist vorliegend eine Faser zur Lichtleitung und weist hierzu einen Kern 22 und einen Mantel 24 auf, wie in dem Ausführungsbeispiel in 5 erkennbar ist. Der Kern 22 weist einen größeren Brechungsindex als der Mantel 24 auf, sodass Licht im Kern 22 mittels Totalreflektion entlang des Lichtwellenleiters 8 geführt wird. Der Lichtwellenleiter 8 weist in den 1 bis 5 beispielsweise eine Länge im Bereich von 10 cm bis 4 m auf. Der Lichtwellenleiter 8, genauer gesagt dessen Kern 22, weist einen Kerndurchmesser D4 auf, welcher vorliegend zwischen 50 µm und 250 µm beträgt und um einen Faktor 2 bis 20 geringer ist als der Durchmesser D1 des Szintillators 6.
In 5 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei welcher das Streumedium M in den Lichtwellenleiter 8 integriert ist. Der Lichtwellenleiter 8 aus 5 lässt sich mit den Ausführungsformen der 1 bis 4 auch kombinieren. In 5 ist das Streumedium M in den Mantel 24 integriert. Der Mantel 24 ist unmittelbar auf den Kern 22 aufgebracht. Licht L2, welches zwar in den Lichtwellenleiter 8 eintritt, aber nicht in den Kern 22 eingekoppelt wird, weil der nötige Winkel zur Totalreflektion verfehlt wird, tritt in den Mantel 24 ein und wird von dort in den Kern 22 gestreut. Weiterhin werden Moden, welche im Mantel 24 geführt werden und an sich nicht Teil des Modenspektrums sind, durch das Streumedium M im Mantel 24 umgewandelt und dadurch wenigstens teilweise in den Kern 22 geführt, also in das Modenspektrum konvertiert.
Vorliegend ist der Mantel 24 zweiteilig ausgeführt und weist einen Innenmantel 26 und einen Außenmantel 28 auf. Der Innenmantel 26 umgibt den Kern 22 und ist unmittelbar auf diesen aufgebracht. Der Außenmantel 28 umgibt den Innenmantel 26 und ist unmittelbar auf diesen aufgebracht. Der Innenmantel 26 weist einen Brechungsindex auf, welcher geringer ist als der Brechungsindex des Kerns 22 und zugleich größer ist als der Brechungsindex des Außenmantels 28. Der Innenmantel 26 bildet dadurch eine Lichtleitschicht oder Lichtleitebene, welche den Kern 22 ringförmig und vollumfänglich umgibt. Das Streumaterial M ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in den Innenmantel 26 integriert.
In dem Ausführungsbeispiel der 4 ragt der Lichtwellenleiter 8 in den Szintillator 6 hinein, indem der Lichtwellelleiter 8 einen Endabschnitt 30 aufweist, welcher vollständig in den Szintillator 6 eingesetzt ist. In den Szintillator 6 ist hierzu ein entsprechendes Loch eingebracht, in welches der Lichtwellenleiter 6 hier formschlüssig eingesetzt ist. Der Endabschnitt 30 weist eine Länge N auf, welche zwischen 10% und 90% der Dicke D des Szintillators 6 beträgt. In der Ausgestaltung in 4 ist der Endabschnitt 30 mantelfrei ausgebildet, sodass lediglich der Kern 22 des Lichtwellenleiters 8 in den Szintillator 6 hineinragt. Der Mantel 24 endet dagegen an der Vorderseite V des Szintillators 6. In einer nicht gezeigten Variante ist der Mantel 24 jedoch auch auf dem Endabschnitt 30 ausgebildet und ein Streumedium M ist in den Mantel 24 integriert, z.B. wie in 5 gezeigt.
In den 1 und 2 ist zusätzlich zwischen dem Szintillator 6 und dem Lichtwellenleiter 8 eine Abbildungsoptik 32 angeordnet, welche vorliegend lediglich eine einzelne Linse ist. Die Abbildungsoptik dient der Anpassung einer Apertur des Lichtwellenleiters 8 an den Szintillator 6. In 1 ist die Abbildungsoptik 32 unmittelbar auf eine Vorderseite V des Szintillators 6 aufgebracht. 2 zeigt eine Alternative, bei welcher die Abbildungsoptik 32 von dem Szintillator 6 beabstandet angeordnet ist und hierzu an dem Reflektor 14 angebracht ist. In einer nicht gezeigten Variante ist die Abbildungsoptik 32 an dem Lichtwellenleiter 8 angebracht oder endseitig in diesen integriert. In einer ebenfalls nicht gezeigten Variante ist in den Beispielen der 3 und 4 zwischen dem Lichtwellenleiter 8 und dem Szintillator 6 eine zusätzliche Abbildungsoptik 32 eingefügt.
Die Ausgestaltung mit einer Abbildungsoptik 32 ist in einer nicht gezeigten Ausgestaltung kombiniert mit einem Reflektor 14, welcher teilweise aus einem Streumedium M besteht oder teilweise mit einem Streumedium M beschichtet ist. Beispielsweise weist der Reflektor 14 in 2 einen Ringabschnitt 34 auf, welcher sich vom Szintillator 6 bis zur Abbildungsoptik 32 erstreckt und einen Freiraum zwischen diesen beiden Teilen umringt und welcher aus dem Streumedium M besteht oder mit diesem beschichtet ist.
In 6 ist eine Bildgebungsvorrichtung 4 gezeigt, mit einem Röntgendetektor 2 wie vorstehend beschrieben. Die Bildgebungsvorrichtung 4 ist hier ein Computertomograph, zur Untersuchung eines Objekts 38. Der Röntgendetektor 2 weist hier mehrere Szintillatoren 6 auf und entsprechend viele Lichtwellenleiter 8, Photodetektoren 10, Modenumwandler 12 und ggf. Reflektoren 14. Eine Anordnung aus je einem Szintillator 6, Lichtwellenleiter 8, Photodetektor 10, Modenumwandler 12 und ggf. Reflektor 14 wird auch als Pixel bezeichnet. Mehrere solcher Pixel sind dann in einer Reihe oder einer Matrix angeordnet, um einen entsprechenden Detektionsbereich abzudecken. In 6 weist der Röntgendetektor 2 zudem eine Auswerteeinheit 36 auf, welche je nach Ausgestaltung mit einem oder mehreren der Photodetektoren 10 verbunden ist, um von diesen entsprechende Detektorsignale zu empfangen, auszuwerten und daraus ein Bild zu erstellen. Vorliegend sind die Photodetektoren 10 in die Auswerteeinheit 36 integriert.
In 7 ist ein schematischer Ablauf eines Verfahrens zum Betrieb eines Röntgendetektors 2 gezeigt aufweisend die Schritte des Erzeugens S1, des Überführens S2 und des Einkoppelns S3. Der Röntgendetektor 2 ist wie oben beschrieben ausgebildet und weist somit einen Szintillator 6, einen Lichtwellenleiter 8, einen Photodetektor 10 und einen Modenumwandler 12 auf. Der Lichtwellenleiter 8 ist zur Leitung von Licht L1 vom Szintillator 6 zum Photodetektor 10 ausgebildet und weist ein Modenspektrum auf, wobei in den Lichtwellenleiter 8 lediglich solches Licht L1 einkoppelbar ist, welches innerhalb des Modenspektrums liegt. Der Modenumwandler 12 weist außerdem ein Streumedium M auf.
Im Schritt des Erzeugens S2 wird Licht L2, welches außerhalb des Modenspektrums liegt, mittels des Szintillators 6 erzeugt.
Im Schritt des Überführens S2 wird das Licht L2, welches vom, d.h. mit dem, Szintillator 6 erzeugt wurde und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, mittels des Streumediums M in das Modenspektrum des Lichtwellenleiters 8 überführt.
Im Schritt des Einkoppelns S3 wird das Lichts L1, welches mittels des Streumediums M in das Modenspektrum überführt wurde, in den Lichtwellenleiter 8 eingekoppelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016204457 A1 [0004]
DE 102010020610 A1 [0005]

Claims

Röntgendetektor (2), welcher einen Szintillator (6), einen Lichtwellenleiter (8), einen Photodetektor (10) und einen Modenumwandler (12) aufweist, - wobei der Lichtwellenleiter (8) zur Leitung von Licht (L1) vom Szintillator (6) zum Photodetektor (10) ausgebildet ist, - wobei der Lichtwellenleiter (8) ein Modenspektrum aufweist und wobei in den Lichtwellenleiter (8) lediglich solches Licht (L1) einkoppelbar ist, welches innerhalb des Modenspektrums liegt, - wobei der Modenumwandler (12) ein Streumedium (M) aufweist und derart ausgebildet ist, dass mittels des Streumediums (M) solches Licht (L2), welches vom Szintillator (6) erzeugt wird und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, in das Modenspektrum überführt wird, zur Einkopplung in den Lichtwellenleiter (8) .
Röntgendetektor (2) nach Anspruch 1, wobei das Streumedium (M) zur räumlichen Modenumwandlung derart ausgebildet ist, dass Licht (L1, L2) aus einer Einfallsrichtung in eine davon abweichende Ausfallsrichtung umgelenkt wird.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Streumedium (M) zur spektralen Modenumwandlung derart ausgebildet ist, dass Licht (L1, L2) vom Streumedium (M) absorbiert wird und mit einer anderen Wellenlänge wieder emittiert wird.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Streumedium (M) ein Fluoreszenzmedium ist, welches ausgebildet ist, Licht (L1, L2) vom Szintillator (6) zu absorbieren und wieder zu emittieren.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dieser einen Reflektor (14) aufweist, welcher derart angeordnet ist, dass Licht (L2) vom Szintillator (6) in diesen zurückreflektiert wird, wobei der Szintillator (6) zugleich das Streumedium (M) ist und dadurch derart ausgebildet ist, dass Licht (L2), welches durch den Reflektor (14) in den Szintillator (6) zurückreflektiert wird, in das Modenspektrum überführt wird.
Röntgendetektor (2) nach Anspruch 5, wobei der Reflektor (14) auf einer Vorderseite (V) des Szintillators (6) haubenförmig, insbesondere kegelförmig, ausgebildet ist und eine Spitze (18) aufweist, in welche der Lichtwellenleiter (8) eingesetzt ist.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Reflektor (14) einen Hohlraum umschließt, in welchem der Szintillator (6) angeordnet ist.
Röntgendetektor (2) nach Anspruch 5, wobei der Reflektor (14) einen Hohlraum umschließt, in welchem der Szintillator (6) angeordnet ist, wobei der Reflektor (14) vollständig an dem Szintillator (6) anliegt.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Lichtwellenleiter (8) einen Kern (22) aufweist und einen Mantel (24), welcher den Kern (22) umschließt, wobei das Streumedium (M) in den Mantel (24) integriert ist.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Lichtwellenleiter (8) in den Szintillator (6) hineinragt, indem der Lichtwellenleiter (8) einen Endabschnitt (30) aufweist, welcher vollständig in den Szintillator (6) eingesetzt ist.
Röntgendetektor (2) nach Anspruch 10, wobei der Endabschnitt (30) mantelfrei ausgebildet ist, sodass lediglich der Kern (22) des Lichtwellenleiters (8) in den Szintillator (6) hineinragt.
Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zwischen dem Szintillator (6) und dem Lichtwellenleiter (8) eine Abbildungsoptik (32) angeordnet ist, zur Einkopplung von Licht (L1, L2) des Szintillators (6) in den Lichtwellenleiter (8).
Röntgendetektor (2) nach Anspruch 12, wobei die Abbildungsoptik (32) unmittelbar auf eine Vorderseite (V) des Szintillators (6) aufgebracht ist.
Bildgebungsvorrichtung (4) aufweisend einen Röntgendetektor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Bildgebungsvorrichtung (4) ein Computertomograph ist.
Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors (2), welcher einen Szintillator (6), einen Lichtwellenleiter (8), einen Photodetektor (10) und einen Modenumwandler (12) aufweist, wobei der Modenumwandler (12) ein Streumedium (M) aufweist, und wobei der Lichtwellenleiter (8) zur Leitung von Licht (L1) vom Szintillator (6) zum Photodetektor (10) ausgebildet ist und ein Modenspektrum aufweist, und wobei in den Lichtwellenleiter (8) lediglich solches Licht (L1) einkoppelbar ist, welches innerhalb des Modenspektrums liegt, aufweisend die Schritte: - Erzeugen (S1) von Licht (L2), welches außerhalb des Modenspektrums liegt, mittels des Szintillators (6), - Überführen (S2) des Lichts (L2), welches vom Szintillator (6) erzeugt wurde und welches außerhalb des Modenspektrums liegt, mittels des Streumediums (M) in das Modenspektrum des Lichtwellenleiters (8), - Einkoppeln (S3) des Lichts (L1), welches in das Modenspektrum des Lichtwellenleiters (8) überführt wurde, in den Lichtwellenleiter (8).