DE2834306A1

DE2834306A1 - Detektoranordnung fuer durchdringende strahlung

Info

Publication number: DE2834306A1
Application number: DE19782834306
Authority: DE
Inventors: Stephen James Blundell; Charles William Turner
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-03
Publication date: 1979-02-08
Also published as: JPS5441186A; DE2834306C2; JPS6315557B2; US4255660A

Description

Detektoranordnung für durchdringende Strahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor für durchdringende Strahlung und bezieht sich insbesondere auf einen Detektor zur Messung von Röntgenstrahlen.

Bei konventionellen radiographischen Geräten wird die Intensität der Röntgenstrahlung nach Durchlaufen des Körpers eines Patienten durch Belichtung eines Films gemessen. Es ist jedoch auch bekannt, andere Detektoren, z.B. Durchleuchtungsschirme zu verwenden. Bei radiographischen Geräten, die als Komputer-Tomographiegeräte bekannt sind, werden Röntgenstrahlen durch den Körper eines Patienten entlang zahlreicher linearer Wege innerhalb

; eines Querschnitts geschickt. Die Röntgenstrahlen werden dann von geeigneten Detektoren empfangen und ihre Intensität gemessen. Typische Detektoren für ein solches Gerät sind Szintillator-. kristalle, die die Strahlung in sichtbares Licht umsetzen, dessen ^: Intensität dann wiederum von einem Fotovervielfacher oder einer Fotodiode gemessen wird. Der Lichtdetektor erzeugt dann ein Ausgangssignal, das die Intensität der auf den Szintillatorkristall

j auftreffenden Röntgenstrahlung darstellt, und das dann verarbeitet

j werden kann, um eine Darstellung der Änderung der Absorption der Strahlung in dem Querschnitt zu erzeugen. Die grundlegende Technik der Komputer-Tomographie und geeignete Verarbeitungsverfahren · sind in den deutschen Patentanmeldungen P 1 941 433 und P 24 20 beschrieben. _t

i Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

die oben erwähnte zweistufige Energieumsetzung zu vermeiden und

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einen Detektor zu schaffen, der die Röntgenstrahlung unmittelbar in elektrische Signale umsetzt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Detektor fotoleitendes Material zum Empfang der Strahlung, Mittel zum Zuführen von zwei elektrischen Signalen zu dem Material sowie Mittel zum Ableiten eines Ausgangssignals von dem Material enthält, wobei das Ausgangssignal von der Wechselbeziehung der beiden Signale herrührt und eine der Intensität der auftreffenden Strahlung proportionale Signalkomponente sowie eine von dieser Intentsität unabhängige Hxntergrundkomponente enthält.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten

Detektor,

Fig. 2 eine Elektrodenanordnung für diesen

Detektor,

Fig. 3 das im Detektor durch die in Fig. 2

dargestellte Elektrodenanordnung erzeugte elektrische Feld,

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung ei-'

ner Möglichkeit zur Abtrennung des | Hintergrundsignals, ^;

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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Anord

nung zur Erzeugung der Signale gemäß Fig. 4,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer anderen

Anordnung zur Abtrennung des Hintergrundsignals und

Fig. 7 eine aus mehreren Detektoren be

stehende Detektorgruppe.

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Es wurde gefunden, daß in einem fotoleitenden Material in Form eines Halbleiters oder Isolators zwei zugeführte Signale sich in einem gewissen Maß mischen, und daß das gemischte Signal dann unabhängig von den zügelührten Signalen gemessen werden kann, Die Mischung erfolgt in Anwesenheit von freien Ladungen, und das Maß der Mischung hängt von der Zahl der in dem Material vorhandenen freien Elektronen ab.

Normalerweise sind im Leitungsband von Isolatoren und Halbleitern freie Elektronen vorhanden, und die Zahl solcher thermisch erregter Elektronen hängt von der Größe des verbotenen Energiespaltes ab. Auf das Material auftreffende Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlung, erhöht die Zahl der freien Ladungen und die Verteilung der Elektronen, und dadurch wird auch die Amplitude des gemischten Signales vergrößert. Die Zunahme der Amplitude des gemischten Signales stellt dann die Intensität der auftreffenden Strahlung dar und kann gemessen werden, um das gewünschte Ausgangssignal zu erzeugen.

Die vorangehende Erläuterung ist eine angenommene Theorie für das Phänomen, auf dem die Erfindung beruht. Es können jedoch auch noch andere Prinzipien eine Rolle spielen, und unabhängig von den theoretischen Grundlagen ist festzustellen, daß der nachfolgend beschriebene Detektor arbeitet.

Fig. 1 zeigt einen Kristall 1, der die Form eines Qua- j ders aufweist. Auf eine Oberfläche 2 dieses Quaders treffen Rönt-j genstrahlen 3 auf. Das verwendete Material kann so gewählt .werden, daß; das Mischsignal bei fehlender Strahlung klein ist. Zur Erfüllung dieses Kriteriums sind Isolatoren am besten geeignet. Diese er-

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zeugen .jedoch nicht genügend freie Elektronen pro auftreffendes Photon. Die Materialwahl ist in der Praxis daher ein Kompromiß zwischen diesen beiden Faktoren, und als geeignete Materialien haben sich Germanium, Cadmiumsulfid, Galliumarsenid und Quecksilber jodid erwiesen, obwohl auch andere Halbleiter verwendet werden können.

Zwei gegenüberliegende Flächen des Kristalls sind mit Elektroden 4 und 5 versehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 4 und 5 an Oberflächen angebracht, die senkrecht zur Oberfläche 2 liegen. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Flächen 2 und 12 die Elektroden tragen. Die Elektrode 4 ist normalerweise_/aber nicht notwendigerweise geerdet, und die beiden Eingangssignale f„ und f.. werden der Elektrode 5 von Oszillatorschaltungen 6 zugeführt. Das aus f„ und f- gemischte Ausgangssignal wird ebenfalls von der Elektrode abgeleitet und Schaltungen 7 zugeführt. Der Ausgang bildet den dunklen Ausgang, der nachfolgend als Hintergrund bezeichnet wird, und der von der auftreffenden Strahlung herrührende gemischte Ausgang wird nachfolgend als Mischsignal bezeichnet. Die Schaltungen 7, deren Arbeitsweise weiter unten noch näher erläutert wird, dienen zur Entfernung der Hintergrundkomponente von dem Mischsignal· Das Mischsignal wird ggfs. in nicht dargestellten Schaltungen verstärkt und für eine gewählte Zeitdauer im Integrator 8 integriert.
ί

Bei Verwendung in radiographischen Geräten der in den

■ erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Art ist die Integrationsperiode durch die Arbeitsweise des Gerätes bestimmt, und die j Schaltung 8 wird durch von dem Gerät erzeugte Taktimpulse gesteuert. Die Signale werden ferner in Schaltungen 9 in digitale

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Form und in Schaltungen 10 in logarithmische Form umgewandelt, worauf sie in Schaltungen 11 zusammen mit Signalen von anderen Detektoren verarbeitet werden, um die gewünschte Darstellung zu erzeugen. Die Arbeitsweise dieser Schaltungen ist in Einzelheiten in den erwähnten Patentanmeldungen beschrieben.

Eine Möglichkeit für die Abtrennung der Hintergrundkomponente vom Mischsignal· besteht darin, den Hintergrund auf einen vernachlässigbaren Pegel zu verringern. Die Wahl des Materials wurde bereits zuvor erwähnt, jedoch besteht ein alternativer Weg darin, das Material zu kühlen, da die thermische Erregung natürlich bei niedrigen Temperaturen stark verringert wird.

Das Hintergrundsignal kann auch durch die kristalline Qualität und die chemische Reinheit des Detektormaterials beeinflußt werden. Elektroden mit ohmschem Kontakt reichen für Material mit sehr hoher Qualität aus. Bei anderen Materialien können Elektronen in das Material durch "trapping"-Effekte injiziert werden. Die Erhöhung des Hintergrundsignals kann durch Verwendung eines Oberflächensperrschichtkontaktes gemildert werden, indem eine dünne Schicht aus isolierendem Material zwischen dem Fotoleiter und der Elektrode angeordnet, oder indem eine pn-Verbindung anstelle eines homogenen fotoleitenden Materials verwendet wird. Eine pn-Verbindung würde umgekehrt vorgespannt und so gewählt, daß sie eine ausgedehnte Depletionsschicht hat.

Das Dunkelsignal und das Bestrahlungssignal können auch so zugeschnitten werden, daß die symmetrische Natur des Mischvorganges berücksichtigt wird. Der Typ der verwendeten Elektrode hängt von dem Detektormaterial und von den Detektoranforderungen ab, wie sich aus den folgenden beiden Beispielen ergibt.

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Beim ersten Beispiel wird versucht, den Detektor so symmetrisch wie möglich zu machen. Zwei gleiche, vorzugsweise kapazitive Kontakte werden verwendet, und man erhält dann ein minimales Dunkelsignal. Eine Elektrode befindet sich auf der Oberfläche 2 und die andere auf der gegenüberliegenden Fläche 12. Die Strahlung wird exponentiell zwischen diesen beiden Flächen absorbiert, so daß die Symmetrie der Ladungsverteilung in dem Material vermindert wird und dementsprechend ein gesteigertes Bestrahlungssignal die Folge ist.

Bei dem zweiten Beispiel wird eine asymmetrische Anordnung verwendet. Ein Kontakt ist ein kapazitiver Kontakt und der andere ein ohmscher (oder Oberflächensperrschicht-)Kontakt. Die Anordnung ergibt verhältnismäßig große Dunkelsignale, und die Steigerung des Bestrahlungssignals ist aufgrund der verringerten Symmetrie nicht so ausgeprägt wie in dem zuvor erwähnten symmetrischen Fall. Ein solcher Detektor kann jedoch verwendet werden, wenn das Dunkelsignal aufgrund von thermischen Effekten vernachlässigbar ist, wenn das Dunkelsignal als vernachlässigbar oder unbedeutend angesehen werden kann, weil es kleiner als 10% des Photonenrausches ist, das durch bekannte Statistiken beherrscht 'ist.

Eine alternative und verbesserte Elektrodenkonfiguration ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Elektroden auf den Oberflächen 4 und 5 des Kristalls ineinandergreifende Finger 13, 14, 15 und 16. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Finger auf gegenüberliegenden Flächen in Phase sind und somit auch die in Richtung parallel zu den Oberflächen 4 und 5 erzeugten elektrischen Felder, was in Fig. 3

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dargestellt ist. Die beiden Treibersignale werden einer Gruppe dor Finger 13, 14 zugeführt, und das Mischsignal wird von derselben Gruppe abgenommen. Die gegenüberliegende Gruppe der Finger 15, 16 wird normalerweise geerdet. Der optimale Abstand zwischen den P^lektroden hängt von dem Detektoritiaterial, dem spezifischen Widerstand und der Mobilität, von der verfügbaren Treiberspannung und von der Frequenz der Treibersignale ab und die Wahl erfolgt so, daß diese Faktoren berücksichtigt werden. Wie bei der Anordnung von Fig. 1 kann die Strahlung senkrecht zu den Oberflächen 4 und 5 auftreffen, die die Elektroden tragen. In diesem Falle kann eine größere Empfindlichkeit erzielt werden. Die Strahlung kann aber auch mit einer mittleren Orientierung wie bei 3" auftreffen. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß die Verwendung von Materialien mit niedriger Röntgenstrahlenabsorption zulässig ist, die sonst große mittlere Entfernungen für den zuvor beschriebenen Detektor mit hoher Symmetrie erfordern würden.

Der Abstand zwischen den Elektroden sollte vorzugsweise kleiner als 10% der Debye-Länge sein, die gegeben ist als

Dp gr go
Yo μρ

Hierin bedeuten Dp die Diffusionskonstante_/

£r £o die Dieelektrizitätskonstanten, po den spezifischen Widerstand und μρ die Mobilität.

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Für einen Detektor mit -1mm Breite beträgt die Debye-Länge 0,05 mm, so daß der Elektroden-Abstand etwa 0,5 mm sein sollte.

Wenn das Dunkelsignal· einen nennenswerten Pegel· aufweist, kann es vom Bestrahlungssignal· subtrahiert werden. Beispielsweise kann die Rontgenstrahlengue^e gemäß Fig. 4 auf getastet werden, so daß sie in jeder Integrationsperiode einen kurzen Impuis abgibt. Das Bestrahiungssignal· (Mischsignal + Hintergrundsignal) und das Hintergrundsignal werden dann vom selben Detektor in derselben Integrationsperiode erzeugt. Da das Bestrahlungssignal sehr viel größer als das Hintergrundsignal· ist, kann das letztere durch bekannte analoge oder digitale Mittel subtrahiert werden.

Beispieisweise können die beiden Signale digital umgesetzt, einem digitalen Speicher zugeführt und darin am Ende der Intergationsperiode subtrahiert werden. Statt dessen kann das gesamte Signal in den Speicher gegeben und ein Durchschnitt des Hintergrundsignals subtrahiert werden.

Ein Blockschaltbiid einer solchen Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Röntgenstrahlenquelle 17 wird gemäß Fig. 4 durch Impulse von einem Impulsgenerator 18 aufgetastet. Die Röntgenstrahlen treffen auf einen Detektor 1 auf und der Ausgang wird einem Integrator 8 und einem A/D-Umsetzer gemäß Fig. 1 zugeführt, jedoch über ein Tor 19, das durch die Impulse geöffnet wird, die die Quelle 1 so steuern, daß der Ausgang nur während des Quellenimpulses durchgelassen wird. Der Ausgang wird ferner über ein anderes Tor 19' einem Integrator 8^r und einem A/D-Umsetzer 9¹ zugeführt. Das Tor 19' wird durch Impulse vom

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Generator 18 geöffnet, und in diesem Fall durch Impulse, die das Tor zu einer Zeit 20 in Fig. 4 öffnen, wenn nur ein Hintergrundsignal vorhanden ist. Das Gesamtsignal von 9 und das Hintergrundsignal von 9' werden in einem Speicher und in einer Subtraktionsschaltung 21 gehalten, wo ihre Differenz erzeugt wird, die das Mischsignal darstellt, das am Ausgang 22 für die weitere Verarbeitung zur Verfügung steht.

Es sei bemerkt, daß eine geeignete Röntgenstrahlenzählung in jeder Integrationsperiode benötigt wird, so daß für eine gewählte Dosis die maximale Röhrenleistung die minimal erreichbare Impulsbreite bestimmt. Jedoch muß der Detektor sich erholen können, bevor der Hintergrund gemessen werden kann. Wenn sich der Hintergrund nicht übermäßig mit der Zeit verändert, kann sein Durchschnitt über mehrere, beispielsweise zehn Integrationsperioden gebildet werden, so daß das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert wird.

Statt dessen können Signalwiedergewinnungsverfahren verwendet werden, z.B. eine EinfangverStärkung. Bei diesem Verfahren wird der Röntgenstrahl mit einer Bezugsfrequenz moduliert, z.B. durch Verwendung eines Steuergitters in der Röhrenkanone. Das Mischsignal wird dann in gleicher Weise amplitudenmoduliert, nicht jedoch das Hintergrundsignal. Eine geeignete Schaltung ist in Fig. 6 in Form eines Blockschaltbildas dargestellt. Ein Rechteckwellenmodulator 23 moduliert den Ausgang der Röntgenröhre 17 mit einer ausreichend hohen Frequenz, so daß in jeder Integrationsperiode einige Impulse vorhanden sind. Die Röntgenstrahlen treffen dann wie zuvor auf den Detektor 1, der aus einem Material besteht, dessen Elektronen-Rekombinationszeit kurz genug ist, um nicht die Modulation zu überdecken. Das Signal wird dann einem Hochfrequenzfilter 24 zugeführt und in einem Verstärker 25

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verstärkt, bevor es zu einem Gleichrichter 26 gelangt. Dann wird das Signal mit dem Ausgang des Rechteckwellenmodulators 23 in phasenempfindlichen Detektorschaltungen 27 verglichen. Der Ausgang der Schaltungen 27 stellt nur jene Signale dar, die in Phase (kohärent) mit dem Bezugssignal sind, so daß das Hintergrundsignal eliminiert wird.

Normalerweise ändert sich das Hintergrundsignal nicht mit der Zeit, obwohl mit der Zeit ein gewisser Anstieg durch "trapping" bewirkt werden kann. Dieser Effekt hat jedoch eine sehr lange Zeitkonstante in der Größenordnung von mehreren Minuten .

Andere Verfahren der Trennung, wie z.B. Impu.lskodierung, können ebenfalls verwendet werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung und die Verwendung geeigneter Detektormaterialien bleiben dem Fachmann überlassen.

Insbesondere ist es nicht erforderlich, daß die Eingangssignale unterschiedliche Frequenzen aufweisen müssen. Wenn sie dieselbe Frequenz besitzen, kann eine Harmonische als Mischsignal dienen.

Die räumliche Auflösung des beschriebenen Detektors ist durch seine physikalische Größe begrenzt. Für die Messung von Strahlung über größere Bereiche, die beispielsweise für Komputertomographie-Geräte erforderlich ist, kann eine Gruppe von Detektoren gemäß Fig. 7 verwendet werden. Bei dieser Anordnung erfolgt der Zugang zur Detektorgruppe von einer akustischen Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung 28. Der Ausgang erfolgt bei über eine nicht dargestellte Multiplex-Schaltung.

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Als Alternative zu der akustischen Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung kann eine Vorrichtung mit ladungsgekoppelter Verzögerungsleitung verwendet werden.

Bs / dm

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Le fe r s e i t

Claims

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI Ltd. 100/521

Patentansprüche :

"My Detektor für durchdringende Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß dieser fotoleitendes Material zum Empfang der Strahlung, Mittel zum Zuführen von zwei elektrischen Signalen zu dem Material sowie Mittel zum Ableiten eines Ausgangssignals von d·:·"! Material enthält, wobei das Ausgangssignal von der Wechselbeziehung der beiden Signale herrührt und eine der Intensität der auftreffenden Strahlung proportionale Signalkomponente sowie eine von dieser Intensität unabhängige Hintergrundkomponente enthält.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormaterial und der Detektoraufbau so gewählt sind, daß die Hintergrundkomponente auf einen unbedeutenden Anteil der Signalkomponente vermindert wird.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Entfernung der Hinteigrundkomponente vorgesehen sind, so daß die Signalkomponente übrig bleibt.
4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung der Hintergrundkomponente und Mittel zur Subtraktion dieser Komponente vom Ausgangssignal, vorgesehen sind.

809886/1040 πριπμα,

ORlGiNAL INSPECTED
5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß Mittel zur Unterbrechung der Strahlung und Mittel zur Bestimmung der Hintergrundkomponente vorgesehen sind, während die Signalkomponente durch die Unterbrechung auf etwa Null reduziert ist.
6. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Modulation der Strahlung und damit der Signalkomponente sowie Mittel zur Trennung der modulierten Signalkomponente von der unmodulierten Hintergrundkomponente vorgesehen sind.
7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zuführung der elektrischen Signale einen oder mehrere Kontakte auf jeder von zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Materials enthält, zwischen denen beide elektrische Signale angelegt werden.
8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zuführung der elektrischen Signale gegenüberliegende Kontakte auf jeder von zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Materials enthalten, und daß | beide Signale zwischen den Kontakten auf jeder der Oberflächen angelegt werden.
9. Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß j

ι ' ' I

} die Elektroden auf jeder der Oberflächen aus zwei Gruppen von ι

-

ineinander verschachtelten Teilen bestehen, und daß die beiden ; Signale zwischen den beiden Gruppen angelegt werden.
10. Detektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet.

daß die Kontakte auf einer Oberfläche mit den Kontakten auf der

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anderen Oberfläche so in Beziehung stehen, daß die auf den gegenüberliegenden Oberflächen erzeugten elektrischen Felder in Phase sind.
11. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Kontakte von ungleichem Typ sind.
12. Detektor nach einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet , daß die gegenüberliegenden Kontakte vom gleichen Typ sind.
13. Detektor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kontakte kapazitiv ist.
14. Detektor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kontakte ohmisch ist.
15. Detektor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kontakte ein Oberflächensperrschichtkontakt ist.
16. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Germanium ist.
17. Detektor nach einem der Ansprüche 1 - 1 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Material Kadmiumsulfid ist. 18. Detektor nach einem der Ansprüche 1 - 1 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Material Galliumarsenid ist.
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19. Detektor nach einem der Ansprüche 1 - 15/ dadurch gekennzeichnet, daß das Material Quecksilberjodid ist.
20. Detektor nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormaterial eine pn-Verbindung enthält.
21. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektrischen Signale eine
unterschiedliche Frequenz besitzen.
22. Detektor nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektrischen Signale dieselbe Frequenz besitzen und das Ausgangssignal eine Harmonische davon ist.
23. Aus mehreren Detektoren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bestehende Detektorgruppe, dadurch gekennzeichnet , daß die Signale über eine akustische Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung zugeführt werden.
24. Aus mehreren Detektoren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 22 bestehende Gruppe von Detektoren, dadurch gekennzeichnet , daß die Signale über eine Vorrichtung mit ladungsge koppelter Verzögerungsleitung zugeführt werden.

-Beschreibung-

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