DE2731329A1

DE2731329A1 - Festkoerper-strahlungsdetektoranordnung

Info

Publication number: DE2731329A1
Application number: DE19772731329
Authority: DE
Inventors: Jack Dean Kingsley; Henry Hugh Woodbury
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-07-12
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1978-01-26
Also published as: US4045675A; NL7707176A; JPS5322487A; FR2358665A1

Description

Die Erfindung betrifft stabilisierte Strahlungsdetektoranordnungen, sie bezieht sich insbesondere auf eine neue Festkörper-Strahlungsdetektoranordnung, bei der eine Gegenkopplung eingesetzt wird, um die Größe eines zusätzlichen optischen Flusses oder Stroms nachzuweisen, der auf ein Detektorelement auftrifft, um die durch geladene Teilchen und Fotonen induzierte elektrische Leitfähigkeit im Detektorelement auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.

Röntgenstrahl-Fluß-Meßanordnungen, die z.B. bei rechnergesteuerten transaxialen Tomographiesystemen odex dergleichen Verwendung finden, erfordern Röntgenstrahldetektoren, die vorteilhafterweise eine große Einfachheit, Robustheit und Kompaktheit besitzen. Ein wünschenswerter Strahlungsdetektor soll eine Festkörperanordnung für einen hochwirksamen Nachweis besitzen und die Zerstörungsmöglichkeit durch physika-

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lischen Schock und Bewegung verringern. Eine derart einfache Festkörper-Röntgenstrahl-Flußdetektoranordnung läßt sich aus einem Stab aus Cadmiumselenid ausbilden, das mit Natrium aktiviert ist (CdSe:Na). Der Leitwert eines Stabs aus mit Natrium dotiertem Cadmiumselenid besitzt eine sehr geringe Größe, wenn der Stab gegen einfallenden Fluß abgeschirmt ist; bei Belichtung des Stabs mit einem Röntgenstrahlfluß oder einem optischen Lichtfluß (sichtbar und im Nahen Infrarot) nimmt die Leitfähigkeit zu. Die Änderung der Leitfähigkeit der Festkörper-Detektoranordnung läßt sich messen, um eine Messung der Größe des einfallenden Röntgenstrahlflusses durchzuführen, obwohl es sich herausgestellt hat, daß die Änderung der Leitfähigkeit bezüglich der Änderungen des einfallenden Röntgenstrahlflusses stark nichtlinear ist und unerwünschte Änderungen der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur vorhanden sind, wodurch sich ein Signal relativ geringer Qualität ergibt, d.h. die aufgrund von Änderungen des einfallenden Röntgenstrahlflusses erfolgenden Leitfähigkeitsänderungen machen den einzelnen Festkörperdetektor im allgemeinen für die meisten medizinischen Röntgenstrahlsysteme unbrauchbar.

Es ist wünschenswert, eine Detektoranordnung zu schaffen, die nicht nur ionisierende Strahlung, z.B. Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, geladene Teilchen, Strahlung im nahen Infrarot etc. feststellen und nachweisen kann, sondern die auch in der Lage ist, ein Festkörper-Nachweiselement zu stabilisieren, wobei die hohe Rauschäquivalentabsorption der Festkörperanordnung (im Vergleich zu gashaltigen Absorptionsanordnungen) , die durch die relativ größere Dichte des Detektormaterials erzeugt wird, voll realisiert werden kann. Es ist ferner wünschenswert, einen einfachen Schaltungsaufbau

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zur Erleichterung der Stabilisierung des Detektors mit einer relativ kompakten körperlichen Anordnung aufzubauen, wodurch Gruppierungen von Detektorsystemen für mit Rechnern versehenen transaxialen Tomographiesystemen handhabbarer werden, so daß eine schnelle Pseudo-Realzeitabbildung von sich bewegenden Organen, wie z.B. des menschlichen Herzens oder dergleichen, erleichtert wird.

Gemäß der Erfindung umfaßt eine, die o.g. Ziele realisierende Festkörper-Strahlungsdetektoranordnung ein Detektorelement, bei dem die Größe eines elektrischen Parameters (Leitfähigkeit) in Abhängigkeit von dem gesamten einfallenden Photonen- und geladenem Teilchenstrom variiert, sie umfaßt eine Einrichtung, um die variierende Parametergröße mit einem im wesentlichen konstanten, ausgewählten Wert, zu vergleichen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das proportional zur Differenz zwischen der variierenden Größe und dem konstanten Wert ist, sie enthält Einrichtungen, z.B. eine lichtemittierende Diode oder dergleichen zur Erzeugung eines Photonenflusses mit Wellenlängen, die im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich liegen und mit einer Größe auf das Detektorelement auftreffen, die proportional zur Differenz zwischen der variierenden Größe des elektrischen Parameters und dem im wesentlichen konstanten, ausgewählten Wert ist, wobei die elektrische Leitfähigkeit des Detektorelements im wesentlichen konstant gehalten wird, die Anordnung enthält ferner eine Einrichtung zur Wahrnehmung eines Teils der Photonenemission der lichtemittierenden Diode, um ein Ausgangssignal der Detektoranordnung zu erzeugen, das im wesentlichen proportional zur Größe des Röntgenstrahlflusses ist, der auf das Detektorelement auftrifft.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung koppelt ein Lichtleiter die optische, Photonen emittierende Anordnung an diejenige Oberfläche des Detektorelements an, die den einfallenden Röntgenstrahlfluß empfängt. Ein dünnes Filterelement kann zwischen der lichtemittierenden Anordnung und dem Eingang des Lichtleiters vorgesehen werden, um lediglich diejenigen Photonen weiterzuleiten, deren Wellenlänge kleiner als die Grenzwellenlänge des Filters ist, die der Energie des Bandabstandes des Detektormaterials entspricht, wobei diejenigen Photonen, die eine größere Energie als die Bandabstandsenergie besitzen, daran gehindert werden, die Oberflächenbereiche des Detektors zu "pumpen", um davon herrührende unerwünschte AusgangsSchwankungen zu verringern.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Festkörper-Strahlungs(Röntgenstrahl)-Flußdetektoranordnung ;

Fig. 2 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Leitwert und dem gesamten einfallenden Photonenfluß eines Festkörper-Detektorelements, das ein bevorzugtes Halbleitermaterial enthält;

Fig. 3 eine Darstellung der zeitabhängigen Beziehung desselben Halbleitermaterials; und

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Pig. 4 eine teils schematische, perspektivische Seitenansicht eines Detektorkopfes und der zugeordneten Schaltung für eine bevorzugte erfindungsgemäße Detektoranordnung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zum Nachweis des Röntgenstrahlphotonenflusses, vgl. die Fig. 1, 2 und 3, enthält ein Festkörper-Photonenfluß-Detektorelement 10 einen länglichen Stab 11 eines Halbleitermaterials , bei dem ein elektrischer Parameter, z.B. die Leitfähigkeit, in Abhängigkeit von dem gesamten einfallenden Photonenfluß variiert. Ein bevorzugtes Halbleitermaterial stellt das mit Natrium dotierte Cadmiumselenid (CdSe:Na) dar, das z.B. dadurch hergestellt werden kann, daß ein 2 g schwerer Stab aus undotiertem CdSe in ein Quartzreaktionsrohr dicht eingeschlossen wird, in das 6 g mit CdSe "vorgesättigtem" Selen und 13 mg Natrium zugegeben wurden. Das Reaktionsrohr wird fUr ungefähr 64 Stunden bei 750° C geheizt und dann in einer Zentrifuge "gedreht", um das flüssige Selen während der Abkühlperioden abzuführen. Der resultierende, mit Natrium dotierte CdSe-Stab wird gereinigt und dann mit einem Quecksilber-Indiumamalgan befeuchtet, bevor er mit Indiumlot kontaktiert wird, um an zwei einander entgegengesetzten Oberflächen des Stabs je eine Elektrode 12 herzustellen.

Es sei bemerkt, daß sich die vorliegende Beschreibung auf eine bevorzugte AusfUhrungsform einer Anordnung zum Nachweis oder zur Feststellung von Röntgenstrahlung bezieht, daß jedoch andere Typen von ionisierender Strahlung (z.B. Gammastrahlung, Photonen im naheninfrarot oder dergleichen) und schnelle geladene Teilchen durch das Festkörper-Detektor-

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element 10 festgestellt oder nachgewiesen werden können, wobei das Detektorelement 10 nicht speziell aus CdSe:Na-Material hergestellt zu sein braucht.

Bevorzugt weist das nach dem oben angegebenen Verfahren hergestellte Detektorelement 10 eine sehr kleine Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 12 auf, wenn es gegen einfallenden Photonenfluß abgeschirmt ist. Eine Erhöhung des totalen Photonenflusses 0 von Photonen, deren Wellenlängen vom Röntgenstrahlbereich über den sichtbaren Bereich bis in den nahen Ultraviolettbereich reichen, erzeugt eine Zunahme der zwischen den Elektroden 12 des Stabs gemessene Leitfähigkeit G. Wie sich aus Fig. 2 ersehen läßt, in der zunehmende Werte des Logarithmus des Gesamtflusses (log 0) längs der Abszisse 14, und zunehmende Werte des Logarithmus der Leitfähigkeit (log G) längs der Ordinate 15 aufgetragen sind, besitzt die Fluß-Leitfähigkeitskurve (0-G) 16 einen stark nichtlinearen Zusammenhang, der für Kompoundphotoleiter der Spalte II-Spalte VI typisch ist. Bekanntlich existieren für den einfallenden Gesamtfluß unterhalb eines Sättigungswertes im Bereich 16a der 0-G-Kurve zwei Bereiche 16b und 16c oberhalb bzw. unterhalb eines starkjsuperlinearen Bereichs I6d, die über sehr schmalen Grenzen hinaus selbst nichtlinear sind. In dem superlinearen Bereich ändert sich der Fluß um einen Faktor 10, d.h. vom Wert 0^ (=0,1 Mikrowatt pro Quadratzentimeter in einem speziellen Detektor- elenent 10) bis zu einem Fluß 0„ (= 1 Mikrowatt pro Quadrat- zentiaeter in demselben Detektorelement), wobei diese Flußänderung eine Leitfähigkeitsänderung von entsprechenden

¹² ^b^^

Werten G₁ = 1 χ 10~¹² i/Oh^bl^z^e-tnein höheren Leitfähig-

Q bzw SiGm€?ηs

keitevert von G₂ ■ 2 χ 10~* 1/0HEr α .η. eine Änderung der

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Leitfähigkeit üb etwa einen Faktor 2000 zur Folge hat. Größere und kleinere Änderungen des einfallenden totalen Photonenflusses haben größere bzw. kleinere Änderungen dea Leitwerte zur Folge, obwohl die differentielle Änderung des Leitwerts bezüglich des Flusses stark nichtlinear ist, wie schon erwähnt wurde. Ein elektrisches Potential wird an den Elektroden 12 eingeprägt, um zu bewirken, daß ein Detektorstrom I_d gemäß der Leitfähigkeit des Halbleiterelements 11 fließt; der erzeugte Strom besitzt Jedoch die oben erwähnte nichtlineare Abhängigkeit von der Größe des einfallenden gesamten Photonenflusses. Der Strom, der überwacht werden kann, liefert jedoch kein zufriedenstellendes Ausgangssignal zur Verwendung in medizinischen Diagnoseeinrichtungen aufgrund der Schwierigkeiten, die sich bei der Normierung und der Interpretation der starkhichtlinearen Signale ergeben.

Wie sich aus Fig. 3 entnehmen läßt, bei der längs der Abszisse 17 wachsende Werte der Zeit, und längs der Ordinate 18 wachsende Werte des Logarithmus der Leitfähigkeit (log G) aufgetragen sind, zeigt die Leitwert-Zeitkurve 19 eine wünschenswerte Anfangsansprechzelt in der Größenordnung von 2 Mikrosekunden, bis ein Anfangsleitwert Gq verwirklicht ist, der vom Auftreffen des einfallenden Röntgenstrahl-Photonenflusses auf den Detektor 10 im "dunklen" (nichtbeleuchteten) Zustand zur Zeit t_Q abhängt. Selbst bei Aufrechterhaltung eines konstanten Werts der Photonenbestrahlung nimmt jedoch der Leitwert des Detektorelements nach einem kurzen Zeltintervall (t^ - t_Q) von etwa 1 bis 2 Minuten auf den Wert G* zu, der größer als der Anfangewert G₀ ist, und diese Zunahme verläuft noch schneller für größere Bestrahlungszeitintervalle. Diese zeitabhängige

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Änderung der Leitfähigkeit, die mit der starken Nichtlinearität der 0-G-Kurve verbunden ist, verhindert die wünschenswerte Robustheit und Kompaktheit des Festkörper-Detektorelements vollständig. Dies ist speziell bei mit Natrium dotierten Cadmiumselenld-Photodetektoren der Fall, die darüberhinaus noch eine Hysterese und Langzeit-Empfindlichkeitsschwankungen aufweisen.

Es hat sich herausgestellt, daß zur vorteilhaften Nutzung eines mit Natrium dotierten Cadmiumselenid-Photodetektors eine konstante Energieanregung des Detektorelements erforderlich ist, um Nichtlinearitäten, Drifts und die erwähnten Hysterese-Effekte zu vermeiden. Eine Quelle 20 für optische Photonen, die eine Wellenlänge im sichtbaren und/oder im nahen Infrarotbereicfr besitzen, liefert eine zusätzliche Anregungsenergie mit einer Größe, die so eingestellt ist, daß die gesamte, vom Detektorelement 10 empfangene Anregungsenergie sowohl von den extern erzeugten einfallenden Röntgenstrahlphotonen als auch den optischen Photonen von der Emittereinrichtung 20 auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird. Vorteilhafterweise ist die optische Emittereinrichtung 20 als eine lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet, die in Abhängigkeit von einem Strom I durch die Diode optische Photonen emittiert. Der Strom I wird am Ausgang 21a eines Differenzverstärker 21 erzeugt, der durch Anschluß an mindestens das gleiche elektrische Potential +V₁ gespeist wird, das längs dee Detektorelements 10 eingeprägt 1st, der Differenzverstärker 21 liegt bevorzugt an einem zweiten elektrischen Potential (-V₂) der entgegengesetzten Polarität und mit im allgemeinen im wesentlichen gleicher Größe wie das Potential V₁, wobei

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beide Spannungen auf das Nullpotential (Schaltkreismasse) bezogen sind. Der Differenzverstärker 21 besitzt einen invertierenden Eingang 22. der mit einer Elektrode 12b des Detektorelements 10 verbunden ist, er besitzt ferner einen nichtinvertierenden Eingang 23, der am Nullpotential liegt. Ein Vorspannwiderstand R₁ liegt zwischen dem zweiten Potential (-Vp) und dem gemeinsamen Anschluß des Verstärkereingangs und der Elektrode 12b des Detektorelements 10; die Elektrode 12a liegt am ersten Potential (+V>.). Während des Betriebs liegt zwischen den Eingängen 22 und 23 des Verstärkers eine Spannung, die im wesentlichen eine Größe von 0 V besitzt, wobei der Vorspann- oder Arbeitspunktstrom I^, der vom invertierenden Eingang 22 herrührt, nur durch die Größe des zweiten Potentials V₂ und den vorgegebenen Wert des Vorspann- oder Arbeitspunktwiderstands R^ festgelegt ist. Der Detektorstrom I^ ist proportional zum Leitwert G des Halbleiterelements 11 und zur Größe des ersten Potentials V.. Die Verwendung einer hohen Eingangsimpedanz am invertierenden Eingang 22 (z.B. eines FET-Eingangsverstärkere 21) gestattet es, den Betriebsleitwert des Detektorelements durch Wahl des Werts des Widerstands R^ (proportional zum Verhältnis der Potentiale V₁ und V₂) zu bestimmen.

Irgendeine Änderung der Leitfähigkeit des Detektorelements 10 (z.B. durch Änderung des einfallenden Röntgenstrahl-Photonenflusses) ruft eine Änderung des Potentials am invertierenden Eingang 22 hervor, wobei diese Änderung vom Verstärker 21 mit dem Verstärkungsfaktor A verstärkt wird, um das Potential am Ausgang 21a zu verändern, wodurch eine sich ändernde Amplitude des Stroms I durch die Photonenemissionseinrichtung 20 ergibt. Die Größe der optischen Photonen 25, die durch die optische Emittereinrichtung 20 emittiert werden, ist proportional zum Wert des Ausgangsstroms I des Differenz-

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Verstärkers. Der auf das Detektorelement 11 auftreffende optische Photonenfluß ist auf diese Weise proportional zur Spannung am Eingang 22, d.h. zur Differenz zwischen den Leitfähigkeiten des Detektorelements und dem Widerstand R₁, wobei eine Zunahme des Werts des einfallenden Röntgenstrahlphotonenflusses eine proportionale Abnahme im Wert des auf das Detektorelement auftreffenden Photonenflusses derart bewirkt, daß die gesamte Leitfähigkeit des Detektorelements 10 auf einem,im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.

Während ein erster Anschluß 20a der optischen Emissionseinrichtung 20 mit dem Ausgang 21a des Differenzverstärkers verbunden ist, kann der verbleibende Anschluß 20b der optischen Emissionseinrichtung an Massepotential (wie in Fig. 1 dargestellt) oder an irgend ein vorgegebenes Potential gelegt werden (das im allgemeinen maximale positive und negative Grenzwerte besitzt, die gleich den Quellenspannungen +V₁ und -Vp sind), wobei ein geeigneter Spannungsteiler (nicht dargestellt) oder dergleichen dazwischenfügbar ist, um einen Arbeitspunkt des Differenzverstärkers 21 auf einem gewünschten Wert zu erzeugen. Wenn der Fluß oder Strom der optischen Photonen mit einem von Röntgenstrahlen abgeschirmtem Detektorelement 10 erzeugt wird, stellt der resultierende Flußpegel den gesamten Fluß-Eingangsarbeit spunkt für das De'tektorelement 10 dar.

Eine Photodiode 28, die in Serie alt einem Ausgangswiderstand R₀ liegt, besitzt über dieser Serienschaltung ein elektrisches Potential, dessen Polarität und Größe ausreicht, um die Photodiode 28 in RUckwärtarichtung vorzuspannen und dessen Arbeitspunkt im linearen Bereich der Kurve zu halten, die den einfallenden Fluß in Abhängigkeit vom Photodiodenstrom angibt. Die Photodiode 28 dient dazu,

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die etwas nichtlineare Beziehung zwischen dem optischen Photonenausgangssignal der LED 20 und dem durch diese LED fließenden Strom zu linearisieren. Obwohl der größte Teil optischer Photonen also von der Emissionseinrichtung 20 für optische Photonen in einem "Strahl" 25a auf das Detektorelement 10 geleitet wird, ist die Photodiode 28 derart angeordnet, daß sie einen konstanten Anteil, d.h. die optischen Photonen 25b aller Photonen empfängt, die von der lichtemittierenden Diode emittiert werden. Die Ausgangsspannung V . der Detektoranordnung wird daher durch den Wert des Widerstands Rq und den Strom bestimmt, der durch die Photodiode 28 fließt, wobei dieser Strom im wesentlichen linear proportional zur Anzahl der optischen Photonen ist, die auf das Detektorelement 10 einfallen; die Änderung des Flusses der optischen Photonen ist im wesentlichen proportional zur Größe der Röntgenstrahlen, die in ähnlicher Weise auf das Detektorelement 10 auftreffen, wobei das Ausgangssignal der Detektoranordnung sowohl starkJLinear und stabil ist. Es sei bemerkt, daß das an den von der Photodiode 28 am entferntest liegenden Anschluß des Widerstands Rq angelegte Potential (das in der Figur als Massepotential dargestellt ist) in derselben Weise wie zuvor für das Potential an der optischen Emissionseinrichtung 20b eingestellt werden kann, um die gewünschten Ruhestromeigenschaften, dynamische Linearitäts- und dynamische Betriebsbereichseigenschaften für eine spezielle Diode zu erzielen.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Festkörper-Röntgenstrahlfluß-Detektoranordnung dargestellt, die ein Kopfstück 40 aufweist, durch das eich eine Vielzahl elektrisch leitender Anschlußstifte 42 erstreckt. Das Detektorelement 10 ist vom Kopfstück 40 beabstandet angeordnet,

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wobei eine Oberfläche 11b im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Kopfstücks von dem Röntgenstrahlfluß angestrahlt wird. Durch Löten, Schweißen und ähnliche Verfahren sind zwischen den Elektroden 11a, 11b und einem paar von Anschlußstiften 42 elektrische Leiter 44 befestigt, wobei der elektrische Anschluß des Verstärkers 21 und des Vorspannwiderstands R₁ an den Anschlußstiften 42 vornehmbar ist und dadurch erleichtert wird. Die Leitungsanschltlsse der optischen Emissionseinrichtung 20 und der optischen Detektoreinrichtung 28 sind elektrisch mit anderen Anschlußstiften 42 verbunden.

Vorteilhafterweise wird der Anteil der optischen Photonen, die von der Quelle 20 emittiert werden und auf die Detektoreinrichtung 28 auftreffen, dadurch gesteuert, daß der Emitter und der Detektor in «in Element 46 aus optisch stark durchlässigen Materialien eingekapselt wird, wobei eine stark reflektierende Schicht 47 auf der Oberfläche des Elements 46 vorgesehen ist, wodurch alle von der lichtemittierenden Diode 20 emittierten Photonen entweder auf die Detektoreinrichtung 28 auftreffen oder als "Strahl" 25a aus einem ersten Ende 46a des Elements 46 austreten und übertragen werden. Ein Lichtleiter 48, der aus einem geeignet robusten, optisch durchlässigen Material besteht, leitet die Photonen des "Strahls" 25a von der Endoberfläche 46a des Elements 46 zur Oberfläche 11b, auf die der Röntgenstrahl -Photonenfluß auftrifft. Durch geeignete Wahl der Gestalt, der Länge und des Brechungsindex¹ des Materials, aus dem der Lichtleiter 48 hergestellt ist, läßt sich an den Grenzflächen des Lichtleiters eine totale innere Reflexion erzielen, wodurch im wesentlichen alle Photonen im "Strahl" 25a auf die Oberfläche 11b auftreffen, so daß

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ein Verlust an Photonen vermieden wird.

Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung eines Filters 50, das an die Endoberfläche 46a des Elements 46 und an den Lichtleiter 48 angrenzt, sinnvoll ist, um eine äußere Oberflächenanregung des Halbleiterelements 11 zu verhindern, da diese Oberflächenanregung nicht durch eine ähnliche, durch einfallenden Röntgenstrahl-Photonenfluß hervorgerufene Anregung gedeckt ist (da der Röntgenstrahl-Photonenfluß mit dem Material des Stabs 11 in Tiefen wechselwirkt, die weit unter der Oberfläche liegen). Das Filter 50 dient dazu, die spektrale Anregungsverteilung (spectral excitation distribution) der die Photonen emittierenden Einrichtung 20 so einzustellen, daß eine bezüglich des einfallenden Röntgenstrahl-Photonenflusses ähnliche räumliche Verteilung erzielt wird; das Auftreten nichtlinearer Bereiche in der Transfercharakteristik des Detektorelements 10 wird auf diese Weise verhindert. Beispielsweise kann die Verwendung einer lichtemittierenden Diode als Photonenemissionseinrichtung 20, die genügend kurzwellige Anteile in der spektralen Ausgangsleistungsverteilung aufweist, die Energien besitzt, die größer als der Bandabstand des im Detektorelement 10 verwendeten Materials ist, die Röntgenstrahl/Ausgangsspannung-Übertragungscharakteristlk des Detektorsystems ernsthaft beeinflussen; das Filter 50 besteht aus einem Material mit kleiner Durchlässigkeit in den Bereichen kurzer Wellenlänge, deren Ausschluß erwünscht ist, wodurch der optische Photonen-"Strahl" 52, der durch den Lichtleiter 48 zum Detektorelement 10 gelangt, eine im wesentlichen gedämpfte Anzahl von Photonen unerwünschter Energie aufweist.

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Alternativ kann der einfallende Röntgenstrahl-Photonenfluß eine Oberfläche 11a bestrahlen, die der Oberfläche 11b des Halbleiterstabs 11, auf die der optische Photonenfluß 52 gerichtet ist, entgegengesetzt angeordnet ist, obwohl diese Ausführungsform nicht, wie erwünscht, eine räumliche Verteilung des Röntgenstrahl- und optischen Photonenflusses erbringt, wie das bei der Ausführungsform der Fall ist, bei der sowohl Röntgenstrahl- und optische Photonen auf eine einzige Oberfläche 11b auftreffen.

In beiden Ausführungsformen wird die Detektoranordnung bevorzugt in einen Block 54 aus relativ steifem Material eingekapselt, um die Robustheit der Detektoranordnung zu erhöhen, wobei das Kopfstück 40 eine Endoberfläche des Blocks bildet. Bei der Ausführungsform, bei der zwei einander entgegengesetzte Oberflächen bestrahlt werden, liegt eine obere Fläche 54a des Blocks 54 geringfügig unter der Ebene der oberen Oberfläche 11a des länglichen Halbleiterstabs, um eine Dämpfung des einfallenden Röntgenstrahl-Photonenflusses zu vermeiden. Es sei bemerkt, daß der Differenzverstärker 21 und die Widerstände R_Q und R₁ innerhalb des Blocks 54 angeordnet und festgehalten werden können, wobei die entsprechenden Verbindungen vor der Umkapselung zu den inneren Enden der Anschlüsse 42 erfolgt; dieser Aufbau ist insbesondere daher vorteilhaft, da eine Detektoranordnung mit einer allgemein rechteckförmigen körperlichen Gestalt verwirklicht werden kann, wobei der Anschluß der elektrischen Potentiale und der Ausgangslastschaltung dadurch erleichtert wird, daß die Anschlüsse 42 und das Kopfstück 40 in eine geeignete Aufnahmesockelanordnung einsteckbar sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung in Systemen, z.B. in einer mit Rechnern versehenen transaxialen Tomographie-

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Detektorgruppenanordnung, in denen eine große Anzahl, typischerweise einige hundert Detektoranordnungen Seite an Seite längs einer geometrischen Kurve angeordnet sind.

Es wurde eine neue Festkörper-Strahlungsflußdetektoranordnung angegeben, bei der eine negative Rückkopplung oder Gegenkopplung vorgesehen ist, um die Leitfähigkeit des Detektorelements auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten, um ein Systemausgangssignal zu erzeugen, das im Hinblick auf Änderungen des einfallenden Strahlungsflusses (d.h. Röntgenstrahlflusses) stark linear ist.

Obwohl die Erfindung anhand einer speziellen, bevorzugten AusfUhrungsform beschrieben ist, lassen sich viele Abwand lungen und Ausführungen vornehmen. Insbesondere lassen sich andere Halbleitermaterialien, die auf Photonenfluß ansprechen und bisher als zu instabil für eine Anwendung in Detektoranordnungen betrachtet wurden, anstelle des mit Natrium dotierten Cadmiumselenid-Materials einsetzen, wobei möglicherweise optische Photonen verwendbar werden, deren Wellenlängen nicht im sichtbaren und/oder nahen Infrarotbereich, sondern im nahen Ultraviolett- oder Vakuum-Ultraviolettberelch des elektromagnetischen Spektrums liegen; ferner lassen sich anstelle der lichtemittierenden Diode (die normalerweise im langwelligen sichtbaren Bereich und la nahen Infrarotbereich emittiert) andere Quellen für optische Photonen einsetzen; ferner lassen sich andere Einrichtungen zum Nachweis ionisierender Strahlungen, z.B. schneller ge ladener Teilchen oder zur Bearbeitung eines Nachweisbereiches unterschiedlicher Wellenlänge entsprechend einsetzen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche:

Anordnung zur Peststellung der Größe des Flusses einer extern erzeugten Strahlung,
gekennzeichnet durch eine Festkörper-Strahlungsdetektoreinrichtung (10) zur Veränderung der Größe eines elektrischen Parameters , der auf die Größe eines einfallenden gesamten Flusses optischer Photonen und extern erzeugter Strahlung anspricht,

eine erste Einrichtung (20) zur Erzeugung eines Flusses optischer Photonen, die auf die Detektoreinrichtung (10) auftreffen,

eine zweite Einrichtung (21, R₁), die den Photoneastro· der ersten. Einrichtung (20) in Abhängigkeit ▼on Änderungen des elektrischen Parameters verändert, üb die GrUBe des elektrischen Parameters an der Detektoreinrichtung (10) ia wesentlichen konstant zu halten,

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und ein· dritte Einrichtung (28), um ein Ausgangs signal der Anordnung zu erzeugen, dessen Größe proportional zum Fluß der extern erzeugten Strahlung ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (10) ein Element (11) aus Halbleitermaterial enthält, das einen elektrischen Parameter aufweist, der in Abhängigkeit von dem gesamten einfallenden Strahlungsfluß veränderlich ist, und daß das Halbleiterelement (11) zwei einander entgegengesetzte Oberflächen aufweist, auf denen je eine Elektrode (12a, 12b) angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche elektrische Parameter die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials (11) zwischen den Elektroden (12a, 12b) ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3»

dadurch gekennzeichnet, daß die extern erzeugte Strahlung ein Fluß von Röntgenstrahl-Photonen ist, und daß das Halbleitermaterial aus mit Natrium dotiertem Cadmiumselenid besteht.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Einrichtung (20) als eine lichtemittierende Diode (20) ausgebildet ist, die den Fluß optischer

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Photonen in Abhängigkeit von dem Stromfluß durch die Diode erzeugt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (R₁, 21) eine Einrichtung zur Lieferung einer Referenzgröße des elektrischen Parameters, und eine Einrichtung (21) zur Erzeugung eines Signals enthält, dessen Größe der Differenz zwischen Größe des variierenden elektrischen Parameters der Detektoreinrichtung (10) und der Referenzgröße zugeordnet ist, und daß das Signal der ersten Einrichtung (20) zur Veränderung der Größe des dadurch erzeugten Flusses optischer Photonen zugeführt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der variierende elektrische Parameter der Leitwert (Konduktanz) der Detektoreinrichtung (10) ist, und daß das Element (R-.) zur Erzeugung der Referenzgroße ein elektrischer Widerstand (R-.) ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7»

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung zur Erzeugung des Signals ein Differenzverstärker (21) ist, der einen Eingang und einen Ausgang aufweist, daß die Detektoreinrichtung (10) und der elektrische Widerstand (R₁) parallel an Eingang des Differenzverstärkers liegen, daß am Ausgang (21a) des Differenzverstärkers (21) ein Signal abgebbar ist, das der Differenz zwischen der Größe

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des veränderlichen Leitwerts der Detektoreinrichtung (10) und dem Leitwert des elektrischen Widerstands (R₁) entspricht.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die dritte Einrichtung (28) als Photodiode ausgebildet ist, die einen im wesentlichen konstanten Anteil der von der ersten Einrichtung (20) erzeugten optischen Photonen empfängt, um einen Strom durch die Photodiode zu erzeugen, dessen Größe im wesentlichen proportional zu einer Änderung der extern erzeugten Strahlung ist, die auf die erste Einrichtung (20) auftrifft.
10. Anordnung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß die dritte Einrichtung (28) in Serie zu der Photodiode (28) einen elektrischen Widerstand (Rq) aufweist, um den Stromfluß durch die Photodiode (28) in eine Spannung am Ausgang der Anordnung umzuwandeln.

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