DE2741865A1

DE2741865A1 - ARRANGEMENT FOR DETECTING PENETRATING RADIATION

Info

Publication number: DE2741865A1
Application number: DE19772741865
Authority: DE
Inventors: Robert Justin Froggatt
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1976-09-22
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1978-03-23
Also published as: FR2372440A1; NL7710403A; JPS5343034B2; JPS5339094A

Description

Anordnung zur Erfassung durchdringender StrahlungArrangement for the detection of penetrating radiation

Die Erfindung befaßt sich mit der Erfassung von durchdringender Strahlung und insbesondere mit der Erfassung von Röntgenstrahlung. The invention is concerned with the detection of penetrating radiation and more particularly with the detection of X-rays.

Es ist in der Radiographie üblich, die vom Körper eines Patienten ausgehende Röntgenstrahlung mittels eines für Röntgenstrahlung empfindlichen Filmes zu erfassen. In einem kürzlich entwickelten Zweig der Radiographie, der auch als "computerisierte Tomographie" bekannt ist, wird entlang zahlreicher linearer Wege aus einer Querschnittsscheibe des Körpers des Patienten austretende Röntgenstrahlung erfaßt, und anstelle eines für Röntgenstrahlen empfindlichen Filmes werden Scintillatorkristalle verwendet, die die erfaßte Röntgenstrahlung in sichtbare Strahlung umsetzen, die entweder einer Fotovervielfacherröhre oder einer Fotodiode zugeleitet wird. Die Fotovervielfacherröhre oder die Fotodiode erzeugt ein elektrisches Signal, das ein Maß für die Menge der auf den Scintillatorkristall auftreffenden Röntgenstrahlung ist. Die elektrischen Signale, von denen jedes die aus dem Körper entlang eines linearen Weges austretende Strahlungsmenge darstellt, werden einer Datenverarbeitung unterworfen, um eine Darstellung der Änderung der Absorption der Strahlung über der erwähnten Querschnittsscheibe zu erzeugen.It is common in radiography to use an X-ray system to measure the X-rays emanating from a patient's body to capture sensitive film. In a recently developed branch of radiography, also called "computerized Tomography "is known, is exiting a cross-sectional slice of the patient's body along numerous linear paths X-rays are detected, and instead of a film sensitive to X-rays, scintillator crystals are used, which convert the detected X-rays into visible radiation, either from a photomultiplier tube or from a Photodiode is fed. The photomultiplier tube or photodiode generates an electrical signal that is a measure of the Amount of X-rays impinging on the scintillator crystal is. The electrical signals, each of which represents the amount of radiation emerging from the body along a linear path, are subjected to data processing in order to to generate a representation of the change in the absorption of the radiation over the aforementioned cross-sectional slice.

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Es ist in mancher Hinsicht unbequem, die erwähnte zweistufige Detektoranordnung zu verwenden, d.h. Umsetzung der Röntgenstrahlenenergie in Licht und dann in elektrische Signale, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erfassung durchdringender Strahlung zu schaffen, mit der die Strahlungsenergie unmittelbar in elektrische Signale umgesetzt werden kann, und dabei ggfs. noch eine Verstärkung zu bewirken.It is inconvenient in some respects to use the aforementioned two-stage detector arrangement, i.e. conversion of the X-ray energy in light and then in electrical signals, and the invention is based on the object of an arrangement for detection to create penetrating radiation, with which the radiation energy can be converted directly into electrical signals can, and possibly also to bring about a reinforcement.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Anordnung ein Stück piezoelektrisches Halbleitermaterial enthält, auf das die Strahlung auftreffen kann, daß ein Wandler zum Hineinsenden von Ultraschallwellen in das Halbleitermaterial vorgesehen ist, so daß Elektronen, die in dem Halbleitermaterial als Folge der Strahlung erzeugt werden, den Ultraschallwellen Energie zuführen, und daß ein weiterer Wandler zum Empfang der Ultraschallwellen nach Fortpflanzung in dem Halbleitermaterial und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales vorgesehen ist, dessen Amplitude ein Maß für die Menge der Strahlung ist, die während des Durchlaufs der Ultraschallwellen auf das Halbleitermaterial trifft.The object set is achieved according to the invention in that the arrangement is a piece of piezoelectric semiconductor material contains, on which the radiation can impinge, that a Transducer for sending ultrasonic waves into the semiconductor material is provided, so that electrons that are in the semiconductor material generated as a result of the radiation, the ultrasonic waves supply energy, and that a further transducer for reception of the ultrasonic waves after propagation in the semiconductor material and is provided for generating an electrical output signal, the amplitude of which is a measure of the amount of radiation, which hits the semiconductor material during the passage of the ultrasonic waves.

Eine Änderung der Schwächung von durch große Einkristalle aus Kadmiumsulfid verlaufenden Ultraschallwellen als Folge der Beleuchtung des Kristalls mit weißem Licht wurde von H.N. Nine beobachtet, und in Phys. Rev. (L), 1960, 6, 359 beschrieben.Später haben in Phys. Rev. (L), 1961, 7, 237, A.R. Hutson, J. H. McFee und D.L. White gezeigt, daß bei Anlegen impulsförmiger elektrischer Gleichstromfelder an Kadmiumsulfid sich in diesem Material fortpflanzende Ultraschallwellen verstärkt werden können, wenn das Material mit weißem Licht beleuchtet wird.A change in the attenuation of ultrasonic waves traveling through large single crystals of cadmium sulfide as a result of the Illumination of the crystal with white light was done by H.N. Nine observed, and in Phys. Rev. (L), 1960, 6, 359; later have in Phys. Rev. (L), 1961, 7, 237, A.R. Hutson, J. H. McFee and D.L. White demonstrated that when pulsed electrical DC fields of cadmium sulfide are found in this material propagating ultrasonic waves can be amplified if that Material is illuminated with white light.

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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das weiße Lieht durch Röntgenstrahlung ersetzt werden kann und daß das über dem Kadmiumsulfid in der allgemeinen Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen angelegte Gleichstrom-Driftfeld bewirken kann, daß im Kadmiumsulfid als Folge des Auftreffens der Röntgenstrahlung erzeugte Elektronen durch das mit der Ultraschallwelle verbundene elektrische Feld verzögert werden können und damit . der Ultraschallwelle Energie zugeführt wird. Dies bedeutet, daß bei geeigneter Wahl der Driftfeldstärke in bezug auf die Geschwindigkeit der Schallwelle die letztere in einem Maß verstärkt werden kann, das von der Anzahl der ihre Energie an sie abgebenden Elektronen und damit von der Menge der auf das Kadmiumsulfid auftreffenden Röntgenstrahlung abhängt.The invention is based on the knowledge that the white Lieht can be replaced by X-rays and that over Can cause the cadmium sulfide applied direct current drift field in the general direction of propagation of the ultrasonic waves, that in cadmium sulfide as a result of the impact of X-rays generated electrons can be decelerated by the electric field associated with the ultrasonic wave and thus. energy is supplied to the ultrasonic wave. This means that with a suitable choice of the drift field strength in relation to the speed of the sound wave the latter can be amplified to an extent that depends on the number of their energy attached to them donating electrons and thus on the amount of X-ray radiation hitting the cadmium sulfide.

Die Amplitude der Schallwelle ist somit ein Maß für die auftreffende Röntgenstrahlenintensität, und es wurde gefunden, daß ein brauchbares Maß an Verstärkung erzielt werden kann, d.h. eine Zunahme der Strahlung um einen Faktor χ führt zu einer Zunahme der Amplitude der Schallwelle um einen Faktor nx, wobei η größer als 1 ist.The amplitude of the sound wave is thus a measure of the incident X-ray intensity, and it was found that a reasonable amount of gain can be obtained, i.e. an increase in radiation by a factor of χ leads to an increase the amplitude of the sound wave by a factor nx, where η is greater than 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. In the Drawing mean:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung undFig. 1 is a block diagram of an embodiment of the invention and

Fig. 2 eine isometrische DarstellungFig. 2 is an isometric view

eines Teils_ei_nes weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.a portion _e i _n it further embodiment of the invention.

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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schaltbild ist ein einzelner Kristall 1 aus Kadmiunisulfid einer Röntgenstrahlung ausgesetzt,die in Richtung der Pfeile 2 auf den Kristall auftrifft· Auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls 1 , die nicht von der Röntgenstrahlung durchquert werden, sind Metallfilme 3 bzw. 4 aufgebracht, und an die Filme 3 und 4 ist ein Gleichstromgenerator 5 angeschlossen, um über dem Kristall 1 ein Driftfeld in der Größenordnung von einigen zehn Volt pro Millimeter zu erzeugen.In the circuit diagram shown in FIG. 1, a single crystal 1 of cadmium sulfide is exposed to X-rays which impinges on the crystal in the direction of the arrows 2 · On two opposite surfaces of the crystal 1 that are not of The X-rays are traversed, metal films 3 and 4, respectively, are applied, and a direct current generator is attached to the films 3 and 4 5 connected in order to generate a drift field on the order of a few tens of volts per millimeter over the crystal 1.

Auf den Filmen 3 und 4 ist jeweils ein Pufferkörper 6, 7 geeigneter Form beispielsweise aus geschmolzenem Quarz befestigt, um eine elektrische Isolierung zwischen den Filmen 3, 4 und Eingangs- bzw. Ausgangswandlern 8, 9 zu erzeugen. Der Eingangswandler 8 ist an eine Schaltung 10 angeschlossen, die eine elektrische Wellenform geeigneter Frequenz erzeugt, die bei Zuführung zum Wandler 8 die Erzeugung einer sich durch den Kristall 1 fortpflanzenden Schallwelle veranlaßt.A buffer body 6, 7 is on each of the films 3 and 4 suitably shaped, for example, made of fused quartz, in order to provide electrical insulation between the films 3, 4 and input or output transducers 8, 9 to generate. The input transducer 8 is connected to a circuit 10 which has an electrical Waveform of a suitable frequency is generated which, when fed to the transducer 8, causes the generation of a propagating through the crystal 1 Sound wave caused.

Vom Wandler 9 bei Auftreffen der Schallwelle erzeugte elektrische Signale werden einem Resonanzverstärker 11 zugeführt, der etwa auf die Frequenz der Schallwelle abgestimmt ist und somit zur Zurückweisung von Störungen dient. Wenn diese Anordnung in einem Computertomographen eingesetzt wird, werden die Ausgangssignale des Verstärkers 11 einer Integrationsschaltung 12 zugeführt, die periodisch durch Taktimpulse gelesen und zurückgestellt wird, die in bekannter Weisein Abhängigkeit vom Fortschritt der Abtastung des Gerätes erzeugt werden. An den Integrator 12 ist ein Analog/Digital-Umsetzer 13 angeschlossen, auf den ein logarithmischer Umsetzer 14 folgt, und an den Umsetzer 14 ist eine Datenverarbeitungsschaltung 15 angeschlossen, die gemäß der DT-AS 1 941 433 oder der DT-OS 2 420 500 ausgebildet sein kann.Electrical signals generated by the transducer 9 when the sound wave hits are fed to a resonance amplifier 11, the is roughly matched to the frequency of the sound wave and thus serves to reject disturbances. When this arrangement is in a computer tomograph is used, the output signals of the amplifier 11 are fed to an integration circuit 12, which is periodically read and reset by clock pulses which, in a known manner, depend on the Progress of the scanning of the device can be generated. An analog / digital converter 13 is connected to the integrator 12, which is followed by a logarithmic converter 14, and a data processing circuit 15 is connected to the converter 14, which can be designed according to DT-AS 1 941 433 or DT-OS 2 420 500.

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Bei Verwendung in einem Computer-Tomographen wird die Anordnung gemeinsam für eine Anzahl von Detektoren verwendet, z.B. dreißig Detektoren, die eng nebeneinander angeordnet sind, so daß sie einen Winkel von 10° in bezug auf die Röntgenstrahlenquelle einnehmen. Um ein übersprechen zwischen benachbarten Detektoren zu vermeiden oder zu verringern, kann es von Vorteil sein, jeden zweiten Detektor mit einer Frequenz zu betreiben und die dazwischen liegenden Detektoren mit einer anderen Frequenz, wobei die Frequenzen so gewählt sind, daß sie in bezug aufeinander keine Harmonischen oder andere regelmäßige Beziehungen aufweisen. Die einzelnen Verstärker 11 müssen dann entsprechend abgestimmt sein, und es muß auf die unterschiedlichen Verstärkungseigenschaften für die beiden Detektorgruppen im Hinblick auf ihre unterschiedlichen Betriebsfrequenzen Rücksicht genommen werden.When used in a computer tomograph, the arrangement is used in common for a number of detectors, e.g. thirty detectors closely spaced so that they form an angle of 10 ° with respect to the x-ray source take in. In order to avoid or reduce cross-talk between neighboring detectors, it can be advantageous for each to operate the second detector at one frequency and the detectors in between at a different frequency, whereby the frequencies are chosen so that they have no harmonics or other regular relationships with respect to one another. the individual amplifier 11 must then be matched accordingly, and it must be adapted to the different amplification properties for the two detector groups with regard to their different operating frequencies are taken into account.

Es wurde festgestellt, daß die Größe der im Kristall 1 gewonnenen Verstärkung auf die Anzahl der Wellenlängen der in dem Kristall auftretenden Schallwelle bezogen ist. Daher wird die Frequenz der Schallwelle so groß gemacht, wie es praktisch möglich ist, d".h. größer als 10 MHz. Außerdem kann es von Vorteil sein, den übertragungsweg für die Schallwelle durch den Kristall zu vergrößern. In dieser Hinsicht ist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung von Vorteil.It has been found that the magnitude of the gain obtained in the crystal 1 depends on the number of wavelengths in the Crystal occurring sound wave is related. Therefore, the frequency of the sound wave is made as large as practical is possible, i.e. greater than 10 MHz. It can also be advantageous be to enlarge the transmission path for the sound wave through the crystal. In this regard, that is shown in FIG Arrangement advantageous.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die Filme 3 und 4 wie zuvor am Kristall 1 angebracht, jedoch sind die Pufferkörper 6 und 7 durch keilförmige Körper 60 und 70 ersetzt, die beide auf dem Film 3 angeordnet sind. Die Winkel der keilförmigen Körper 60 und 70 sind so gewählt, daß die von dem Wandler erzeugte und in den Kristall hineingesandte Schallwelle an der den Film 4 tragenden Oberfläche reflektiert und vom Ausgangswandler 9 empfangen wird. Die Oberfläche des Kristalls 1, an der die Reflexion auftritt, kann ggfs. so behandelt werden, daß ihreIn the embodiment according to FIG. 2, the films 3 are and 4 are attached to the crystal 1 as before, but the buffer bodies 6 and 7 are replaced by wedge-shaped bodies 60 and 70, the both are arranged on the film 3. The angles of the wedge-shaped bodies 60 and 70 are chosen so that that produced by the transducer and sound wave emitted into the crystal is reflected on the surface supporting the film 4 and from the output transducer 9 is received. The surface of the crystal 1 on which the reflection occurs can, if necessary, be treated so that its

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Reflexionseigenschaften für die Schallwelle verbessert werden.
Als eine alternative Anordnung zu der in Fig. 2 gezeigten Anordnung können die Filme 3 und 4 auch an den durch gestrichelte
Linien angedeuteten Orten 30 und 40 angebracht werden. In diesem Falle muß natürlich der Film 30 aus für Röntgenstrahlen durchlässigem Material bestehen.Reflection properties for the sound wave can be improved.
As an alternative arrangement to the arrangement shown in Fig. 2, the films 3 and 4 can also be attached to the dashed lines
Lines indicated locations 30 and 40 are attached. In this case, of course, the film 30 must be made of a material transparent to X-rays.

Bei allen Ausführungsbeispielen können Maßnahmen erforderlich sein, um eine Polarisierung des Materials 1 durch das zugeführte Driftfeld zu vermeiden. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß die Polarität des Driftfeldes periodisch umgekehrt wird.Measures may be required in all exemplary embodiments be in order to avoid polarization of the material 1 by the supplied drift field. This can be done by that the polarity of the drift field is reversed periodically.

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Claims

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVERPATENT LAWYERS IN HANOVER

EMI Limited 100/508

Claims

1. ) An arrangement for detecting penetrating radiation, characterized in that it contains a piece of piezoelectric semiconductor material (1) on which the radiation can impinge, that a transducer (8) is provided for sending ultrasonic waves into the semiconductor material, so that electrons , which are generated in the semiconductor material as a result of the radiation, supply the ultrasonic waves with energy, and that a further transducer

(9) for receiving the ultrasonic waves after propagating in the Semiconductor material and is provided for generating an electrical output signal, the amplitude of which is a measure of the amount is the radiation that hits the semiconductor material during the passage of the ultrasonic waves.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that means (5) for generating an electric field of constant polarity are provided in the semiconductor material in such a way that the electrons have a movement component in the direction of the propagation of the ultrasonic waves.

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3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor material consists of a cadmium sulfide single crystal.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the first transducer (8) contains means for the ultrasonic waves to propagate through a short dimension of the crystal.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that X-ray radiation is used as penetrating radiation which impinges on the semiconductor material in a direction which is approximately perpendicular to the direction of propagation of the ultrasonic waves.

6. Arrangement according to claim 3, characterized in that the first transducer (8) contains means to send the ultrasonic waves obliquely into the crystal in order to give them a movement component which runs in the direction of the impingement of the radiation on the crystal.

7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that it serves as a detector arrangement in a computer-controlled tomographic device.

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