DE19711927A1 - Energy selective detector arrangement esp. X=ray and gamma detector - Google Patents
Energy selective detector arrangement esp. X=ray and gamma detectorInfo
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Abstract
Description
Für den quantitativen Nachweis von Röntgen- und Gammastrah lung werden bei mittleren Quantenenergien von 10 bis 150 keV traditionell gasgefüllte Ionisationsröhren oder Festkörper szintillatoren im Verbund mit Photomultiplier-Röhren oder Halbleiterphotodioden eingesetzt. Während im ersten Fall die ionisierende Wirkung von Röntgenstrahlung direkt zum Nachweis der dadurch erzeugten elektrischen Ladungen genutzt wird, dienen im zweiten Fall die Leuchteigenschaften von Festkör perleuchtstoffen dazu, die Röntgenstrahlung zunächst in nie derenergetische und insbesondere sichtbare Strahlung umzuwan deln. Diese kann dann über einen lichtempfindlichen Film oder einen Strahlungsdetektor für sichtbares Licht nachgewiesen werden.For the quantitative detection of X-rays and gamma rays at average quantum energies of 10 to 150 keV traditionally gas-filled ionization tubes or solids scintillators in combination with photomultiplier tubes or Semiconductor photodiodes used. While in the first case the Ionizing effect of X-rays directly for detection the electrical charges generated in this way are used, serve in the second case the lighting properties of solid bodies fluorescent materials, the X-rays initially never their energetic and especially visible radiation deln. This can then be done via a light sensitive film or detected a radiation detector for visible light will.
In Photodioden wird die energieärmere und zum Beispiel sicht bare Strahlung in ein Stromsignal umgesetzt. Dieses ist pro portional zur absorbierten Energiedosis der energiereichen Strahlung. Es läßt sich zur Erzeugung von Strahlungskontrast bildern in Bildsystemen, beispielsweise in Röntgenbildsyste men der medizinischen Diagnostik und der zerstörungsfreien Materialprüfung verwenden. Diese Bilder geben den Mittelwert der linearen Schwächungskoeffizienten über das gesamte Ener giespektrum der durch ein Objekt transmittierten Strahlung wieder. Auf diese Weise gemessene Bildsignale stellen somit nur den Schwächungskontrast über das gesamte Spektrum dar und sind nicht energieselektiv.In photodiodes, for example, the less energy is visible bare radiation converted into a current signal. This is pro proportional to the absorbed energy dose of the energy-rich Radiation. It can be used to generate radiation contrast images in imaging systems, for example in X-ray imaging systems medical diagnostics and non-destructive Use material testing. These pictures give the mean the linear attenuation coefficient over the entire ener spectrum of the radiation transmitted by an object again. Image signals measured in this way thus represent only represents the attenuation contrast across the entire spectrum and are not energy selective.
Zusätzliche Informationen über das mit der energiereichen Strahlung bestrahlte Objekt, beispielsweise über die chemi sche Zusammensetzung oder die darin enthaltenen Elemente und die Dichte können gewonnen werden, wenn neben dem Schwä chungskontrast über das gesamte Energiespektrum als weitere Information noch die Energie der transmittierten Strahlung erhalten und das Bild somit nach einer weiteren Dimension aufgelöst werden kann.Additional information about that with the high energy Radiation irradiated object, for example via the chemi cal composition or the elements contained therein and the density can be obtained if next to the Schwä contrast across the entire energy spectrum as further Information still the energy of the transmitted radiation preserved and thus the picture after another dimension can be resolved.
Bisher sind zwei Möglichkeiten zur energieselektiven Bildge bung bei Röntgensystemen bekannt. Im sogenannten Zweispek trenscanning wird das zu untersuchende Objekt nacheinander mit zwei unterschiedlichen Röntgenspektren bestrahlt und die transmittierte Strahlung vermessen. Die unterschiedlichen Röntgenspektren werden durch Variation der Röntgenröhrenspan nung erhalten. Bei dieser Methode wird jedem dieser Teilspek tren ein Mittelwert der linearen Schwächungskoeffizienten des Teilspektrums zugeordnet und somit ein Schwächungsdifferenz bild ermöglicht. Nachteilig ist, daß zwei Röntgenaufnahmen nötig sind, die die Untersuchungszeit verlängern und die Do sis erhöhen.So far, there are two options for energy-selective imaging Exercise known in X-ray systems. In the so-called two-spec The object to be examined is trenscanned one after the other irradiated with two different X-ray spectra and the measure transmitted radiation. The different X-ray spectra are obtained by varying the X-ray tube chip received. With this method, each of these partial specs tren an average of the linear attenuation coefficients of the Assigned sub-spectrum and thus a weakening difference picture allows. The disadvantage is that two X-rays are necessary, which extend the examination time and the Thurs increase sis.
Aus der GB 2 224 328 A ist ein Multielementedetektor bekannt. Dieser besteht aus mehreren, in Strahlrichtung hintereinander angeordneten, einzelnen Leuchtstoffelementen. Diese sind op tisch gegeneinander isoliert und seitlich mit je einer Photo diode optisch gekoppelt. Dabei bestehen die Leuchtstoffele mente aus einem einheitlichen Leuchtstoff wie beispielsweise (Y/Gd)2O3 : Eu, CsI, BaGdO, CdWO4 oder Bi4Ge2O12. Der Röntgen detektor unterscheidet die gemessene Strahlung damit nach dem Ort der Absorption, mißt also die die von der Energie der Strahlung abhängige Eindringtiefe der Strahlung in den Mul tielementedetektor. Nachteilig daran ist, daß jedes dieser Detektorelemente eine aufwendige optische Isolation erfor dert, um ein Übersprechen der Leuchtstoffelemente zu verhin dern. Leuchtstoffelemente und Photodioden sind außerdem seit lich nebeneinander quer zur Strahlrichtung angeordnet. Dies erfordert einen relativ hohen Platzbedarf für den Detektor, so daß bestenfalls eine lineare Detektoranordnung möglich ist, die nur in einer Dimension eine hohe Auflösung erlaubt.A multi-element detector is known from GB 2 224 328 A. This consists of several individual phosphor elements arranged one behind the other in the beam direction. These are optically isolated from each other and optically coupled to the side with a photo diode. The phosphor elements consist of a uniform phosphor such as (Y / Gd) 2 O 3 : Eu, CsI, BaGdO, CdWO 4 or Bi 4 Ge 2 O 12 . The X-ray detector thus differentiates the measured radiation according to the location of the absorption, ie measures the penetration depth of the radiation, which is dependent on the energy of the radiation, into the multi-element detector. The disadvantage of this is that each of these detector elements requires elaborate optical isolation in order to prevent crosstalk of the phosphor elements. Fluorescent elements and photodiodes are also arranged side by side transversely to the beam direction. This requires a relatively large amount of space for the detector, so that at best a linear detector arrangement is possible which only allows high resolution in one dimension.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine energieselek tive Detektoranordnung anzugeben, die einen einfachen Aufbau besitzt und die angeführten Nachteile der bekannten energie selektiven Detektoren vermeidet.The object of the present invention is an energy selek tive detector arrangement to specify a simple structure owns and the disadvantages of the known energy selective detectors avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Detektoranord nung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zum Messen einer Energievertei lung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.According to the invention, this object is achieved by a detector arrangement solved according to claim 1. Advantageous embodiments of the Invention and a method for measuring an energy distribution further claims can be found.
Bei der Erfindung wird die zu vermessende hochenergetische Strahlung nach ihrer Eindringtiefe und damit nach ihrem Ener giegehalt unterschieden. Die Erfindung weist dazu zumindest zwei Konverterschichten auf, die in Strahlrichtung hinterein ander angeordnet und optisch miteinander gekoppelt sind. In jeder der Konverterschichten wird ein Teil der hochenergeti schen Strahlung absorbiert und in eine Sekundärstrahlung (Lumineszenz) umgewandelt, wobei sich die in unterschiedli chen Konverterschichten erzeugten Sekundärstrahlungen bezüg lich des Wellenlängenbereichs unterscheiden. In einer optisch an die Konverterschichten angekoppelten Nachweiseinrichtung wird die Sekundärstrahlung wellenlängenabhängig bzw. wellen längenbereichsabhängig nachgewiesen.In the invention, the high-energy to be measured Radiation according to its penetration depth and thus according to its energy differentiated. The invention at least points to this two converter layers, one behind the other in the beam direction arranged differently and optically coupled to each other. In each of the converter layers becomes part of the high energy radiation and absorbed into secondary radiation (Luminescence) converted, the differing in Chen converter layers generated secondary radiation differ in the wavelength range. In an optical detection device coupled to the converter layers the secondary radiation becomes wavelength-dependent or waves proven depending on length range.
Die erfindungsgemäße Detektoranordnung weist einen einfachen Aufbau auf. Alle Elemente sind optisch gekoppelt, so daß kei ne optische Isolation erforderlich ist.The detector arrangement according to the invention has a simple one Building on. All elements are optically coupled, so that no ne optical isolation is required.
Eine hochenergetische Strahlung, die Anteile mit unterschied lichem Energiegehalt aufweist, wird in der erfindungsgemäßen Detektoranordnung auf den Energiegehalt bzw. das Energiespek trum der Sekundärstrahlung abgebildet. Deren Nachweis bzw. deren Erfassung ist in einfacher Weise möglich, wofür eine Reihe unterschiedlicher Nachweiseinrichtungen bekannt sind.A high-energy radiation, the parts with different Lich energy content is in the invention Detector arrangement on the energy content or the energy spec of the secondary radiation. Evidence or their detection is possible in a simple manner, for which a A number of different detection devices are known.
Wegen der in Strahlungsrichtung hintereinander angeordneten Konverterschichten und der Nachweiseinrichtung ist für die Detektoranordnung ein Minimum an Flächenbedarf erforderlich. Es ist daher möglich, mehrere Detektorelemente, von denen je des eine erfindungsgemäße Detektoranordnung darstellt, in ei ner oder zwei Dimensionen zu integrieren. Auf diese Weise können Detektorzeilen und Detektorarrays gegebenenfalls auch in integrierter Fertigung aufgebaut werden.Because of the one behind the other in the direction of radiation Converter layers and the detection device is for that Detector arrangement requires a minimum of space. It is therefore possible to use several detector elements, each of which which represents a detector arrangement according to the invention, in ei integrate one or two dimensions. In this way can also detector lines and detector arrays if necessary be built in integrated production.
Durch Variation der Schichtdicke und/oder durch geeignete Auswahl der Konverterschichten bezüglich eines bestimmten Ab sorptionsverhaltens gelingt eine Anpassung der Detektoranord nung an die Energieverteilung der zu vermessenden Strahlung. Üblicherweise wird eine hochenergetische Strahlung vermessen, die bereits ein zu untersuchendes Objekt durchstrahlt hat. Daher werden Schichtdicke und/oder Material für die Konver terschichten so ausgewählt, daß sich für die zu beobachtenden bzw. abzubildenden Objekte eine für die Signalerfassung und Bildgebung günstige Signalhöhe für die einzelnen Wellenlän genbereiche beim Nachweis der Sekundärstrahlung ergibt.By varying the layer thickness and / or by suitable Selection of the converter layers with respect to a certain Ab sorption behavior succeeds in adapting the detector arrangement the energy distribution of the radiation to be measured. Usually a high-energy radiation is measured, that has already irradiated an object to be examined. Therefore, layer thickness and / or material for the converters layers selected in such a way that the or objects to be mapped one for signal acquisition and Imaging favorable signal level for the individual wavelengths areas in the detection of secondary radiation.
Das Material für die Konverterschichten ist beispielsweise aus Leuchtstoffen ausgewählt. Diese können amorphe, kri stalline oder auch keramische Feststoffe sein, die für die Sekundärstrahlung eine hohe Durchlässigkeit, für die hochen ergetische Strahlung jedoch eine gute Absorption und einen hohen Lumineszenzwirkungsgrad besitzen. Damit ist gewährlei stet, daß ein maximaler Anteil der hochenergetischen Strah lung als Sekundärstrahlung in der Nachweiseinrichtung erfaßt und gemessen wird. Geeignete Leuchtstoffe für die erfindungs gemäßen Konverterschichten sind beispielsweise bekannte Lumi neszenzstoffe wie Zink- und Cadmiumwolframat, Zinksilikat mit Mangan- oder Wismutdotierung, Yttrium-, Lanthan- und Gadoli niumoxisulfid, jeweils dotiert mit Seltenerdelementen, Yttri um- und Gadoliniumoxid mit Europiumdotierung, Kalziumfluor phosphat mit Antimon- und Mangandotierung sowie weitere hier nicht im einzelnen aufgeführte Leuchtstoffe.The material for the converter layers is, for example selected from phosphors. These can be amorphous, kri stalline or ceramic solids for the Secondary radiation high permeability, for the high erotic radiation, however, good absorption and one have high luminescence efficiency. This guarantees Continues that a maximum proportion of the high-energy beam tion detected as secondary radiation in the detection device and is measured. Suitable phosphors for the Invention according converter layers are, for example, known Lumi nescent substances such as zinc and cadmium tungstate, zinc silicate with Manganese or bismuth doping, yttrium, lanthanum and gadoli nium oxysulfide, each doped with rare earth elements, yttri um- and gadolinium oxide with europium doping, calcium fluorine phosphate with antimony and manganese doping and others here phosphors not listed in detail.
Die erste und die zumindest eine weitere Konverterschicht werden so ausgewählt, daß sich die Wellenlängenbereiche ihrer emittierten Sekundärstrahlung deutlich unterscheiden. Es sind Leuchtstoffe mit unterschiedlich breiten Emissionsbanden be kannt. Vorzugsweise sind die Maxima der Emissionsbanden der unterschiedlichen Konverterschichten um zumindest eine durch schnittliche Halbwertsbreite der Emissionsbanden voneinander entfernt. Vorzugsweise haben die verwendeten Konverterschich ten keine Absorptionsbande für die emittierte(n) Sekundär strahlung(en).The first and the at least one further converter layer are selected so that the wavelength ranges of their clearly distinguish emitted secondary radiation. There are Phosphors with differently wide emission bands knows. The maxima of the emission bands are preferably the different converter layers by at least one Average half-width of the emission bands from each other away. Preferably, the converter layer used no absorption band for the emitted secondary (s) radiation (s).
Werden für die Konverterschichten Leuchtstoffe mit schmalen Emissionsbanden ausgewählt, so können erfindungsgemäß mehr als zwei und bis zu fünf Konverterschichten in der Detekto ranordnung hintereinander angeordnet werden, ohne daß deren Emissionsbanden zu stark überlappen.Become phosphors with narrow for the converter layers Emission bands selected, so can more according to the invention as two and up to five converter layers in the detector arrangement can be arranged one behind the other without their Overlapping emission bands too much.
Die Nachweiseinrichtung für die Sekundärstrahlung umfaßt ent weder einen Photodetektor, der zwischen sämtlichen Wellenlän genbereichen der Sekundärstrahlung differenzieren kann, oder mehrere, in jeweils einem der Wellenlängenbereiche empfindli che Photodetektoren. Geeignete Photodetektoren sind zum Bei spiel Photomultiplier, Photoelemente oder vorzugsweise Photo dioden. Auch andere für einen der Wellenlängenbereiche der Sekundärstrahlung empfindliche Photodetektoren sind geeignet. Die Empfindlichkeit für einen der Wellenlängenbereiche kann sich aus dem normalen Absorptionsspektrum des Photodetektors ergeben. Möglich ist es jedoch auch, einen in einem weiten Bereich empfindlichen Photodetektor mit Hilfe eines Farbfil ters auf einen engeren, einem der Wellenlängenbereiche der Sekundärstrahlung entsprechenden Bereich empfindlich zu ma chen. Zum Ausblenden eines kurzwelligeren Bereiches sind bei spielsweise Kantenfilter geeignet. Diese besitzen eine hohe Absorption in einem kurzwelligeren Bereich mit scharf abfal lender Absorptionskante. Dies gewährleistet jenseits der Ab sorptionskante eine hohe Durchlässigkeit für den zu detektie renden Wellenlängenbereich.The detection device for the secondary radiation comprises ent neither a photodetector between all the wavelengths can differentiate areas of the secondary radiation, or several, each in one of the wavelength ranges sensitive che photodetectors. Suitable photodetectors are included play photomultiplier, photo elements or preferably photo diodes. Others for one of the wavelength ranges of the Secondary radiation sensitive photo detectors are suitable. The sensitivity for one of the wavelength ranges can from the normal absorption spectrum of the photodetector surrender. However, it is also possible to have one in a wide range Area sensitive photodetector using a color film ters to a narrower, one of the wavelength ranges of the Area corresponding to secondary radiation sensitive to ma chen. To hide a short-wave area are at for example, edge filter suitable. These have a high Absorption in a short-wave range with sharply declining lender absorption edge. This ensures beyond the Ab sorption edge a high permeability for the detection wavelength range.
In einer Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere für eine Detektoranordnung mit zwei Konverterschichten geeignet ist, umfaßt die Nachweiseinrichtung zwei optisch in Serie ge koppelte lichtempfindliche Elemente. Dabei zeigt die in Strahlenrichtung vordere eine Absorption für einen ersten, kurzwelligeren Wellenlängenbereich und eine Transmission für den zweiten, langwelligeren Wellenlängenbereich der Sekundär strahlung. Auf diese Weise wirkt der vordere Photodetektor als Farbfilter für die kurzwelligere Strahlung bzw. den kurz welligeren Wellenlängenbereich der Sekundärstrahlung.In one embodiment of the invention, which is particularly for a detector arrangement with two converter layers is suitable is, the detection device comprises two optically in series coupled photosensitive elements. The in Beam direction front an absorption for a first one shorter wavelength range and a transmission for the second, longer wavelength wavelength range of the secondary radiation. This is how the front photodetector works as a color filter for the short-wave radiation or the short wavier wavelength range of the secondary radiation.
Eine Möglichkeit zur Ausgestaltung einer solchen Anordnung ist durch an sich bekannte Mehrschichtdioden mit unterschied licher spektraler Empfindlichkeit ihrer Teildioden gegeben. Diese Mehrschichtdioden weisen beispielsweise unterschiedli che Halbleitermaterialien mit unterschiedlichem Bandabstand auf. Bekannt sind beispielsweise Mehrschichtdioden mit einer Photodiode aus amorphem Silizium (a-Si:H) über einer Photodi ode aus amorphem Germanium (a-Ge:H), die Bandabstände von beispielsweise 1,8 bzw. 0,9 eV aufweisen. Dies entspricht ei nem Absorptionsmaximum von 550 nm für die Siliziumdiode bzw. von 800 nm für die Germaniumdiode.One way of designing such an arrangement is distinguished by known multilayer diodes Licher spectral sensitivity given their diodes. These multilayer diodes, for example, differ che semiconductor materials with different bandgap on. Multi-layer diodes with a are known, for example Amorphous silicon (a-Si: H) photodiode over a photodi ode made of amorphous germanium (a-Ge: H), the bandgaps of for example 1.8 or 0.9 eV. This corresponds to egg absorption maximum of 550 nm for the silicon diode or of 800 nm for the germanium diode.
Die unterschiedlichen Dioden können dabei direkt übereinander mit dazwischenliegender Elektrodenschicht erzeugt werden. Al le drei Elektrodenschichten sind unabhängig ansteuerbar und beispielsweise parallel verschaltet. Somit können nach absor bierter Sekundärstrahlung voneinander unabhängige (elektrische) Meßsignale in einer oder beiden Teildioden er halten werden.The different diodes can be directly one above the other can be generated with an intermediate electrode layer. Al le three electrode layers are independently controllable and for example connected in parallel. Thus, according to absor Secondary radiation independent of each other (Electrical) measurement signals in one or both sub-diodes will hold.
Eine solche Mehrschichtdiode auf der Basis von amorphem Sili zium ist beispielsweise aus der DE A 19 512 493 bekannt. Mit tels unterschiedlicher Dotierung in den ein Teildioden und mittels unterschiedlicher angelegter elektrischer Potentiale ist damit ein Nachweis einfallenden Lichts in bis zu drei un terschiedlichen Wellenlängenbereichen gleichzeitig möglich. Such a multilayer diode based on amorphous silicon Zium is known for example from DE A 19 512 493. With different doping in the partial diodes and by means of different electrical potentials is a proof of incident light in up to three un different wavelength ranges possible at the same time.
Für die energieselektive Detektoranordnung kann eine Auswer tungseinheit vorgesehen sein, die die Intensitäten der, der gemessenen Sekundärstrahlung für die unterschiedlichen Wel lenlängenbereiche zugeordneten, Meßsignale vergleicht. Aus diesem Vergleich wird eine Energieverteilung der einfallenden hochenergetischen Strahlung ermittelt. Dies kann mit Hilfe eines Algorithmus erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, den Intensitätsvergleich mit einer Zuordnungstabelle der Energie verteilung der hochenergetischen Strahlung zuzuordnen. Die Zuordnungstabelle kann durch eine eichende Messung mit einer Strahlung bekannter Energieverteilung erstellt werden.An evaluator can be used for the energy-selective detector arrangement tion unit can be provided which the intensities of the measured secondary radiation for the different wel len length ranges assigned, measuring signals compared. Out this comparison becomes an energy distribution of the incident high-energy radiation determined. This can be done with the help an algorithm. However, it is also possible that Intensity comparison with an allocation table of energy allocate distribution of high-energy radiation. The Allocation table can be determined by a calibration with a Radiation of known energy distribution can be created.
Vorzugsweise wird die Detektoranordnung in bildgebenden Durch leuchtungsverfahren eingesetzt, beispielsweise in Röntgenge räten. Aus dem Intensitätsvergleich der Meßsignale der Nach weiseinrichtung bzw. aus der daraus ermittelten Energiever teilung der gemessenen hochenergetischen Strahlung lassen sich Informationen über das durchleuchtete Objekt gewinnen, dessen transmittierte Strahlung mit der Detektoranordnung ge messen wird.The detector arrangement is preferably imaged lighting method used, for example in Röntgenge advise. From the intensity comparison of the measurement signals of the night pointing device or from the energy ver division of the measured high-energy radiation obtain information about the illuminated object, whose transmitted radiation ge with the detector arrangement will measure.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und der dazugehörigen Fig. näher erläutert. Diese stehen exemplarisch für weitere mögliche Ausführungsformen der Erfindung und sind nicht einschränkend zu sehen.In the following, the invention is based on Ausführungsbei play and the associated figure . These are examples of other possible embodiments of the invention and are not to be seen as restrictive.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemaße Detektoranordnung im schematischen Querschnitt. Fig. 1 shows an inventive detector arrangement in schematic cross-section.
Fig. 2 zeigt zwei beispielhafte Emissionsbanden von Sekun därstrahlung. Fig. 2 shows two exemplary emission bands of secondary radiation.
Fig. 3 zeigt eine als Mehrschichtdiode ausgebildete Nachwei seinrichtung im schematischen Querschnitt. Fig. 3 shows a multi-layer diode designed as a device in schematic cross section.
Fig. 4 zeigt eine Detektoranordnung mit zwei Konverter schichten und mit einem zweigeteilten Photodetektor als Nachweiseinrichtung. Fig. 4 shows a detector arrangement with two converter layers and with a two-part photodetector as a detection device.
Fig. 1: Die dargestellte Detektoranordnung besitzt eine er ste Konverterschicht K1, in Strahlenrichtung XR dahinter eine optisch angekoppelte zweite Konverterschicht K2 und eine op tisch an die zweite Konverterschicht K2 gekoppelte Nachwei seinrichtung NE. Die optische Aneinanderkopplung der Konver terschichten und der Nachweiseinrichtung gelingt durch opti sche Vergütung der Oberflächen, welche beispielsweise beson ders plan geschliffen sind. Die Konverterschicht mit dem op tisch dichteren Material kann eine Antireflexschicht aufwei sen. Vorzugsweise sind erste und zweite Konverterschicht K1 bzw. K2 in direktem Kontakt ohne Zwischenraum oder Zwischen schicht. Auch die Nachweiseinrichtung NE kann dicht an der unteren Konverterschicht K2 anliegen. Fig. 1: The detector arrangement shown has a ste converter layer K1, behind it in the beam direction XR an optically coupled second converter layer K2 and an optically coupled to the second converter layer K2 detection device NE. The optical coupling of the converter layers and the detection device is achieved by optically coating the surfaces, which are ground particularly flat, for example. The converter layer with the optically denser material can have an anti-reflective layer. The first and second converter layers K1 and K2 are preferably in direct contact without a gap or intermediate layer. The detection device NE can also be in close contact with the lower converter layer K2.
In der Figur ist die Detektoranordnung mit zwei Konverter schichten dargestellt. In der gleichen Weise ist es jedoch auch möglich, mehr als zwei Konverterschichten hintereinander anzuordnen und optisch zu koppeln.In the figure the detector arrangement is with two converters layers shown. In the same way, however also possible more than two converter layers in a row to arrange and optically couple.
Fig. 2 zeigt beispielhaft die Lage zweier Emissionsbanden von Sekundärstrahlung aus zwei beliebigen Konverterschichten. Mit EB1 ist die Emissionsbande für die in der ersten Konver terschicht K1 erzeugte Sekundärstrahlung, und mit EB2 die in der zweiten Konverterschicht K2 erzeugte Sekundärstrahlung bezeichnet. Vorzugsweise entspricht die Emissionsbande EB1 einem langwelligeren Wellenlängenbereich gegenüber der Emis sionsbande EB2 der zweiten Konverterschicht. Möglich ist es jedoch auch, daß die erste Konverterschicht eine Sekundär strahlung mit gegenüber der Sekundärstrahlung der zweiten Konverterschicht kürzerwelligem Licht erzeugt. Fig. 2 shows the situation by way of example of two emission bands of secondary radiation of any two converter layers. EB1 denotes the emission band for the secondary radiation generated in the first converter layer K1, and EB2 denotes the secondary radiation generated in the second converter layer K2. The emission band EB1 preferably corresponds to a longer-wavelength range compared to the emission band EB2 of the second converter layer. However, it is also possible that the first converter layer generates a secondary radiation with light shorter-wave compared to the secondary radiation of the second converter layer.
Geeignete Kombinationen von Leuchtstoffen für eine erfin dungsgemäße Detektoranordnung mit zum Beispiel zwei oder mehr Konverterschichten sind so ausgewählt, daß die erste Konver terschicht einen Leuchtstoff mit Elementen umfaßt, die eine tiefer liegende K-Kante für die Röntgenabsorption besitzt als die Elemente des Leuchtstoffs der zweiten Konverterschicht. Ganz allgemein und insbesondere für mehr als zwei Konverter schichten gilt, daß die Elemente in einer tieferliegenden Konverterschicht Kn+1 eine höher liegende K-Kante für die Röntgenabsorption besitzen als die jeweils höher liegende Konverterschicht Kn.Suitable combinations of phosphors for a detector arrangement according to the invention with, for example, two or more converter layers are selected such that the first converter layer comprises a phosphor with elements which has a deeper K-edge for X-ray absorption than the elements of the phosphor of the second converter layer . In general and in particular for more than two converter layers, the elements in a lower converter layer K n + 1 have a higher K edge for X-ray absorption than the higher converter layer K n .
Fig. 3 zeigt eine Mehrschichtdiode, die als Nachweiseinrich tung für die Sekundärstrahlung von zwei Wellenlängenbereichen gut geeignet ist. Diese ist beispielsweise auf einem zum Bei spiel aus Glas bestehenden Substrat S aufgebaut und umfaßt folgende der Reihe nach übereinander erzeugte Schichten: un terste Schicht ist eine Rückelektrode RE, die aus Metall oder aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) ausgebildet sein kann. Als nächstes folgen die Halbleiterschicht für die amorphe Germaniumdiode GD, die intern zum Beispiel eine nip- Struktur aufweist. Die nächste Schicht ist die mittlere Elek trodenschicht ME, die eine TCO-Schicht ist. Darüber sind die Halbleiterschichten der amorphen Siliziumdiode SD angebracht, die intern zum Beispiel eine pin-Struktur aufweist. Abschlie ßend folgt eine Frontelektrodenschicht FE, die wiederum aus TCO ausgebildet ist. Fig. 3 shows a multilayer diode, which is a suitable device as a device for the detection of the secondary radiation of two wavelength ranges. This is built up, for example, on a substrate S made of glass, for example, and comprises the following layers, which are produced one after the other: the bottom layer is a back electrode RE, which can be made of metal or of a transparent conductive oxide (TCO). Next follows the semiconductor layer for the amorphous germanium diode GD, which has an internally nip structure, for example. The next layer is the middle electrode layer ME, which is a TCO layer. The semiconductor layers of the amorphous silicon diode SD, which has, for example, a pin structure internally, are attached above it. Finally, a front electrode layer FE follows, which in turn is formed from TCO.
In Abhängigkeit von der Schichtdicke der amorphen Siliziumdi ode SD absorbiert diese beispielsweise den bis 600 nm rei chenden Wellenlängenbereich einfallenden Lichts bzw. einfal lender Sekundärstrahlung. Langwelligere Sekundärstrahlung wird sowohl von der Siliziumdiode SD als auch der dazwischen liegenden mittleren Elektrodenschicht ME durchgelassen und in der Germaniumdiode GD absorbiert.Depending on the layer thickness of the amorphous silicon di ode SD, for example, absorbs the up to 600 nm appropriate wavelength range of incident light or incident lender secondary radiation. Long-wave secondary radiation is both of the silicon diode SD and the one in between lying middle electrode layer ME passed and in the germanium diode GD absorbed.
Durch geeignete Dotierung der Halbleiterschichten sowohl in der Siliziumdiode SD als auch in der Germaniumdiode GD ist es möglich, die Bandlücke und damit den Empfindlichkeitsbereich der Halbleiterschichten bzw. der Photodioden in den lang- oder kurzwelligeren Bereich zu verschieben. Auf diese Weise kann die dargestellte Mehrschichtdiodenanordnung der Lage der Emissionsbanden EB1 und EB2 angepaßt werden.By suitable doping of the semiconductor layers both in the silicon diode SD as well as in the germanium diode GD possible, the band gap and thus the sensitivity range the semiconductor layers or the photodiodes in the long or to shift the shorter-wave range. In this way can the multilayer diode arrangement shown the location of the Emission bands EB1 and EB2 can be adjusted.
Die Verwendung einer Mehrschichtdiodenanordnung als Nachweis einrichtung in der Detektoranordnung hat den Vorteil, daß sich eine solche Mehrschichtdiode integriert strukturieren läßt. Auf diese Weise ist es möglich, in einfacher Weise eine ortsempfindliche Nachweiseinrichtung für die Sekundärstrah lung zur Verfügung zu stellen. Eine solche strukturierte Nachweiseinrichtung kann mit entsprechend strukturierten Kon verterschichten kombiniert werden und ergibt eine Detektoran ordnung, die einfallende hochenergetische Strahlung orts- und energieaufgelöst nachweisen kann. Die Detektoranordnung kann dabei als Detektorzeile mit eindimensionaler oder als Detek torarray mit zweidimensionaler Auflösung ausgebildet sein.The use of a multilayer diode arrangement as evidence device in the detector arrangement has the advantage that such a multilayer diode structure itself in an integrated manner leaves. In this way it is possible to easily create a location-sensitive detection device for the secondary beam to make available. Such a structured one Detection facility can be structured accordingly combined layers and results in a detector order, the incident high-energy radiation local and can demonstrate energy-resolved. The detector arrangement can thereby as a detector line with one-dimensional or as a detector be designed with two-dimensional resolution.
Fig. 4 zeigt eine Detektoranordnung, die zwei unterschied lich empfindliche Photodetektoren PD1 und PD2 zum getrennten Nachweis der verschiedenen Wellenlängenbereiche der Sekundär strahlung umfaßt. Diese sind nebeneinander angeordnet und an nähernd flächengleich. Auch mit dieser Anordnung kann die hochenergetische Strahlung ortsaufgelöst nachgewiesen werden, wenn ausreichend viele Paare bzw. Sätze von Photodetektoren nebeneinander unter entsprechend strukturierten Konverter schichten angeordnet werden. Fig. 4 shows a detector arrangement which comprises two differently sensitive photodetectors PD1 and PD2 for separate detection of the different wavelength ranges of the secondary radiation. These are arranged next to each other and approximately the same area. With this arrangement, too, the high-energy radiation can be detected in a spatially resolved manner if a sufficient number of pairs or sets of photodetectors are arranged next to one another under appropriately structured converter layers.
Wird die Wellenlängensensitivität eines Photodetektors über einen Farbfilter erreicht, so kann eine zweigeteilte Photodi ode verwendet werden, die eine strukturierte und aus zwei un terschiedlichen Farbfiltern bestehende Filterschicht auf weist. Diese Strukturierung läßt sich mit an sich bekannten Phototechniken oder Lift-off-Verfahren durchführen. Die Ober flächen der Konverterschichten können von einer optischen Re flektorschicht R bedeckt sein, um die Lichtausbeute am Photo detektor PD durch reflektiertes Licht zu erhöhen. If the wavelength sensitivity of a photodetector is about reaches a color filter, a two-part photodi ode can be used, one structured and two un different color filters on existing filter layer points. This structuring can be done with known Carry out photo techniques or lift-off procedures. The waiter surfaces of the converter layers can be from an optical Re reflector layer R to be covered to the light output on the photo to increase detector PD by reflected light.
Bei einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung umfaßt die er ste Konverterschicht K1 zum Beispiel den Leuchtstoff Y2O2S : Eu, der eine Emissionsbande bei einer Wellenlänge λem1 = 615 nm besitzt. Die zweite Konverterschicht K2 umfaßt den Leuchtstoff Gd2O2S : Pr, der eine Emissionsbande bei einer Wellenlänge λem2 = 510 nm besitzt. Eine geeignete Dicke für die erste Konverterschicht K1 liegt für dieses Ausführungs beispiel bei 0,3 mm, die Dicke für die zweite Konverter schicht K2 bei 1 mm. Beide Konverterschichten können mit ei ner ca. 3 µm dicken Klebeschicht aus einem Epoxidharz verbun den sein. Als Nachweiseinrichtung NE eignet sich dann ein zweigeteilter Photodetektor PD aus c-Si mit einer Kombination zweier unterschiedlicher optischer Filter zur Nachweis des Emissionslichts in den zwei Wellenlängenbereichen. Für λem1 ist beispielsweise ein Kantenfilter OG 570 (Absorptionskante bei 570 nm) und für λem2 ein Interferenzfilter mit einem Fen ster bei 510 nm (Halbwertsbreite 100 nm). Bezüglich der übri gen Abmessungen ist ein Detektorelement von 2 mm × 1 mm aus reichend.In a detector arrangement according to the invention, the first converter layer K1 comprises, for example, the phosphor Y 2 O 2 S: Eu, which has an emission band at a wavelength λem1 = 615 nm. The second converter layer K2 comprises the phosphor Gd 2 O 2 S: Pr, which has an emission band at a wavelength λem2 = 510 nm. A suitable thickness for the first converter layer K1 is 0.3 mm for this embodiment, for example, the thickness for the second converter layer K2 is 1 mm. Both converter layers can be connected with an approx. 3 µm thick adhesive layer made of an epoxy resin. A two-part photodetector PD made of c-Si with a combination of two different optical filters for detecting the emission light in the two wavelength ranges is then suitable as the detection device NE. For λem1 there is, for example, an edge filter OG 570 (absorption edge at 570 nm) and for λem2 an interference filter with a window at 510 nm (half width 100 nm). With regard to the remaining dimensions, a detector element of 2 mm × 1 mm is sufficient.
Eine nicht vollständige Aufzahlung weiterer möglicher Leucht stoffkombinationen für erste und zweite und in einem Ausfüh rungsbeispiel auch für eine dritte Konverterschicht sind der folgenden Tabelle 1 zu entnehmen. Die Leuchtstoffe sind dort mit ihren Emissionsbanden dem (Wellenlänge der Sekundärstrah lung) angegeben.An incomplete payment of other possible lights fabric combinations for first and second and in one version Example of a third converter layer are the the following table 1. The phosphors are there with their emission bands the (wavelength of the secondary beam lung).
Tabelle 1Table 1
Andere Kombinationen können einfach über der Lage ihrer Rönt genabsorption, ihrer Emissionseffizienz, ihrer optischen Ab sorption oder anderer Parameter ausgewählt werden.Other combinations can simply be over the location of their X-ray gene absorption, their emission efficiency, their optical Ab sorption or other parameters can be selected.
Claims (10)
- - mit einer ersten Konverterschicht (K1) zur Konvertierung eines Teils der hochenergetischen Strahlung in niederener getische Sekundärstrahlung eines ersten Wellenlängenbe reichs,
- - mit zumindest einer zweiten Konverterschicht (K2) zur Kon vertierung eines Teils der hochenergetischen Strahlung in niederenergetische Sekundärstrahlung zumindest eines zwei ten, vom ersten verschiedenen Wellenlängenbereichs, und
- - mit zumindest einer zwischen den Wellenlängenbereichen dis kriminierenden Nachweiseinrichtung (NE) für die Sekundär strahlung,
- - wobei die Konverterschichten und die Nachweiseinrichtung in Strahleneinfallsrichtung (XR) hintereinander angeordnet und optisch gekoppelt sind.
- with a first converter layer (K1) for converting part of the high-energy radiation into lower getical secondary radiation of a first wavelength range,
- - With at least one second converter layer (K2) for con verting part of the high-energy radiation into low-energy secondary radiation at least a second, from the first different wavelength range, and
- with at least one detection device (NE) which discriminates between the wavelength ranges for the secondary radiation,
- - The converter layers and the detection device in the radiation incident direction (XR) are arranged one behind the other and optically coupled.
- - bei dem die hochenergetische Strahlung (XR) durch zumindest zwei hintereinander angeordnete und optisch gekoppelte Kon verterschichten (K1, K2) geleitet wird, wobei jede der Kon verterschichten in Abhängigkeit vom Energiegehalt und der absorbierten Dosis der hochenergetischen Strahlung eine Se kundärstrahlung eines eigenen Wellenlängenbereichs erzeugt
- - bei dem die Sekundärstrahlung in zumindest einer, zwischen den Wellenlängenbereichen diskriminierenden Nachweis einrichtung (NE) in elektrische Meßsignale überführt wird
- - bei dem aus der Intensitätsverteilung der Meßsignale die Energieverteilung der hochenergetischen Strahlung bestimmt wird.
- - In which the high-energy radiation (XR) is passed through at least two consecutively arranged and optically coupled converter layers (K1, K2), each of the converter layers depending on the energy content and the absorbed dose of high-energy radiation generates a secondary radiation of its own wavelength range
- - In which the secondary radiation is converted into electrical measurement signals in at least one detection device (NE) which discriminates between the wavelength ranges
- - In which the energy distribution of the high-energy radiation is determined from the intensity distribution of the measurement signals.
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|---|---|---|---|
| DE19711927A DE19711927A1 (en) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | Energy selective detector arrangement esp. X=ray and gamma detector |
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