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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nachweis von Röntgen- oder Gamma-Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Einrichtung ist als Nuklear-Detektor aus "IEEE Transactions on Nuclear Science", Bd. NS-24, Nr. 1, 1977, Seiten 148 bis 153 bekannt. Bei dieser Einrichtung wird an die Elektroden des Detektors eine Gleichspannung angelegt und der Detektorstrom in Abhängigkeit des Stroms in der Röntgenröhre gemessen.
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Bei radiographischen Geräten, die als Computer-Tomographie- Geräte bekannt sind, werden Röntgen-Strahlen durch den Körper eines Patienten entlang zahlreicher linearer Wege innerhalb eines Körperquerschnitts geschickt. Die Röntgen-Strahlen 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 Szintillator-Kristall auftreffenden Röntgen-Strahlung darstellt, und das dann verarbeitet werden kann, um eine Darstellung der Absorptions-Verteilung der Strahlung in dem Querschnitt zu erzeugen. Ein solcher Computer- Tomograph ist beispielsweise in der DE-OS 19 41 433 beschrieben, und die DE-OS 24 20 500 beschreibt geeignete Verarbeitungs- Verfahren für die gemessenen Signale.
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Die bekannte Einrichtung wäre als Ersatz für die bisher bei Computer-Tomographen verwendeten Detektoren nicht brauchbar, weil sie nicht empfindlich genug wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff genannten Art möglichst empfindlich auszubilden.
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Ausgehend von der eingangs genannten Einrichtung wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Aus C. Rint, Handbuch für Hochfrequenz- und Elektro- Techniker, Band 2, 1958, Seite 327, ist es zwar bekannt, zwei Frequenzen an einem nicht linearen Bauteil zu mischen und das Mischprodukt selektiv abzunehmen. Jedoch konnte der Fachmann hieraus keine Anregung erhalten, dieses Verfahren auch zum Nachweis von Röntgen- oder Gammastrahlung heranzuziehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:
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Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Detektor,
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Fig. 2 eine Elektroden-Anordnung für diesen Detektor,
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Fig. 3 das im Detektor durch die in Fig. 2 dargestellte Elektroden-Anordnung erzeugte elektrische Feld,
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Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung einer Möglichkeit zur Abtrennung des Hintergrund-Signals,
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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Erzeugung der Signale gemäß Fig. 4,
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Fig. 6 ein Blockschaltbild einer anderen Anordnung zur Abtrennung des Hintergrundsignals.
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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 zugeführten 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.
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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.
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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.
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Fig. 1 zeigt einen Kristall 1, der die Form eines Quaders aufweist. Auf eine Oberfläche 2 dieses Quaders treffen Röntgenstrahlen 3 auf. Das verwendete Material kann so gewählt werden, daß das aus den zugeführten Signalen gemischte Signal bei fehlender Strahlung klein ist. Zur Erfüllung dieses Kriteriums sind Isolatoren am besten geeignet. Diese erzeugen jedoch nicht genügend freie Elektronen pro auftretendes Photon. Die Materialwahl ist in der Praxis daher ein Kompromiß zwischen diesen beiden Faktoren, und als geeignete Materialien haben sich Germanium, Cadmiumsulfid, Galliumarsenid und Quecksilberjodid erwiesen, obwohl auch andere Halbleiter verwendet werden können.
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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&sub0; und f&sub1; werden der Elektrode 5 von Oszillatorschaltungen 6 zugeführt. Das aus f&sub0; und f&sub1; gemischte Ausgangssignal wird ebenfalls von der Elektrode 5 abgeleitet und Schaltungen 7 zugeführt. Der Ausgang bildet den dunklen Ausgang, der nachfolgend als Hintergrund bezeichnet wird, und der von der auftretenden Strahlung herrührende Ausgang, der zusätzlich eine von der Bestrahlung herrührende Signalkomponente (nachfolgend Bestrahlungssignal genannt) enthält, 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. ist nicht dargestellten Schaltungen verstärkt und für eine gewählte Zeitdauer im Integrator 8 integriert.
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Bei Verwendung in radiographischen Geräten der in den erwähnten Patentanmeldungen beschriebenen Art ist die Integrationsperiode durch die Arbeitsweise des Gerätes bestimmt, und die Schaltung 8 wird durch von dem Gerät erzeugte Taktimpulse gesteuert. Die Signale werden ferner in Schaltungen 9 in digitale 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.
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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.
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Das Hintergrundsignal kann auch durch die kristalline Qualität und die chemische Reinheit des Detektormaterials beeinflußt werden. Elektroden mit ohmschen 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.
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Das Hintergrundsignal 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 Hintergrundsignal. 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.
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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 Hintergrundsignale, 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 Hintergrundsignal aufgrund von thermischen Effekten vernachlässigbar ist, wenn das Hintergrundsignal als vernachlässigbar oder unbedeutend angesehen werden kann, weil es kleiner als 10% des Photonenrausches ist, das durch bekannte Statistiken beherrscht ist.
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Eine alternative und verbesserte Elektrodenkonfiguration ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Elektroden 4 und 5 auf den Oberflächen 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 dargestellt ist. Die beiden Treibersignale werden einer Gruppe der 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 Elektroden hängt von dem Detektormaterial, 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 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.
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Die Debyelänge sollte vorzugsweise kleiner als 10% des Abstandes zwischen den Elektroden sein, wobei die Debyelänge gegeben ist als °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;@W:°KDp¤&udf57;°Ke°k&udf56;°Kr¤&udf57;°Ke°k&udf56;°Ko°k:&udf57;°Kr°k&udf56;°Ko¤&udf57;°Km°k&udf56;°Kp°k&udf54;&udf53;zl10&udf54;
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Hierin bedeuten Dp die Diffusionskonstante,
- ε r ε o die Dieelektrizitätskonstanten,
- ρ o den spezifischen Widerstand und
- μ p die Mobilität.
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Für einen Detektor mit 1 mm Breite beträgt die Debye- Länge 0,05 mm, so daß der Elektroden-Abstand etwa 0,5 mm sein sollte.
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Wenn das Hintergrundsignal einen nennenswerten Pegel aufweist, kann es vom Mischsignal subtrahiert werden. Beispielsweise kann die Röntgenstrahlenquelle gemäß Fig. 4 aufgetastet werden, so daß sie in jeder Integrationsperiode einen kurzen Impuls abgibt. Das Mischsignal (Bestrahlungssignal + 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.
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Beispielsweise können die beiden Signale digital umgesetzt, einem digitalen Speicher zugeführt und darin am Ende der Integrationsperiode subtrahiert werden. Statt dessen kann das gesamte Signal in den Speicher gegeben und ein Durchschnitt des Hintergrundsignals subtrahiert werden.
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Ein Blockschaltbild einer solchen Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Röntgenstrahlquelle 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&min; einem Integrator 8&min; und einem A/D-Umsetzer 9&min; zugeführt. Das Tor 19&min; wird durch Impulse vom 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 Mischsignal von 9 und das Hintergrundsignal von 9&min; werden in einem Speicher und in einer Subraktionsschaltung 21 gehalten, wo ihre Differenz erzeugt wird, die das Bestrahlungssignal darstellt, das am Ausgang 22 für die weitere Verarbeitung zur Verfügung steht.
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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.
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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 Bestrahlungssignal wird dann in gleicher Weise amplitudenmoduliert, nicht jedoch das Hintergrundsignal. Eine geeignete Schaltung ist in Fig. 6 in Form eines Blockschaltbildes 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 25verstärkt, 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.
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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.
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Andere Verfahren der Trennung, wie z. B. Impulskodierung, können ebenfalls verwendet werden.