DE3438984A1 - Multielement-strahlungsdetektor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor und insbesondere einen Szintillations-Strahlungsdetektor, wie er für die Röntgenstrahl-Computertomographie oder ähnliches Anwendung findet.

Bei der Röntgenstrahl-Computertomographie wird ein Multielement-Strahlungsdetektor verwendet, der aus einer Vielzahl von Strahlungs-Detektorelementen besteht, die bogenförmig angeordnet sind, um ein zu untersuchendes Material einer fächerförmigen Röntgenstrahlung auszusetzen und dadurch die Verteilung der Röntgenstrahl-Absorptionskoeffizienten zu messen. Als derartige Multielement-Strahlungsdetektoren sind bislang ein Detektor mit Ionisationskammer, der die Ionisationswirkung eines Gases ausnutzt, ein Halbleiterdetektor, der die Ionisationswirkung eines Festkörpers ausnutzt, sowie ein Szintillationsdetektor bekannt, der die auf Röntgenstrahlung beruhende Fluoreszenzwirkung ausnutzt.

Bei einem Szintillationsdetektor wird im allgemeinen ein anorganischer einkristalliner Szintillator, wie z.B. NaI, CsI, CdWO., Bi Ge_0₁₂ oder ähnliches, verwendet. Diese Szintillatoren haben wesentliche Vor- und Nachteile und sind nicht für alle Arten ^öer Computertomographie verwendbar. Um diesen Nachteil der einkristallinen Szintillatoren auszugleichen, wird ein pulverförmiger Szintillator verwendet, der mit einem geeigneten Binder, wie z.B. einem Polystyrenharz oder ähnlichem, in Form gebracht wird.

Der pulverförmige Szintillator hat einen kleineren Lichtdurchlässigkeitskoeffizienten als der einkristalline Szintillator. Deshalb ist es schwierig, die Strahlung auf

der Auslaßseite herauszuführen und unter Verwendung eines Lichtdetektors zu empfangen. Aus diesem Grund wurde der Aufbau eines Strahlungsdetektors mit pulverförmigem Szintillator so ausgelegt, daß das Licht auf der Einf ausseite des Pulverszintillators mit einem Lichtdetektor aufgenommen wird. Ein Detektor mit einem derartigen Aufbau ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 4 187 4 27 bekannt. In diesem Detektor ist der Szintillator quer bezüglich der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen/ und der Lichtdetektor an einer Position abseits des Strahlengangs der einfallenden Röntgenstrahlung parallel zur Einfallsrichtung angeordnet. Die Erfassungsempfindlichkeit für Röntgenstrahlung weist daher einen Gradienten relativ zur Dickenrichtung des einfallenden Röntgenstrahlbündels auf.

In der Röntgenstrahl-Computertomographie führt andererseits der Unterschied in der Empfindlichkeit zwischen den den Multielement-Detektor aufbauenden Einzelelementen zum Auftreten eines ringförmigen Artefakts bzw. einer ringförmigen Modifikation oder Veränderung im Bild. Deshalb wurde eine elektrische Kalibrierung durchgeführt, um die Empfindlichkeitsabweichung zwischen den Elementen im wesentlichen auszugleichen. Das Auftreten der ringförmigen Veränderung kann durch die Kalibrierung jedoch nur verhindert werden, wenn der Röntgenstrahl-Absorptionsfaktor des zu untersuchenden Materials in Richtung der Dicke des Röntgenstrahlbündels gleichbleibend ist. Bei den in der Praxis zu untersuchenden Materialien ist das jedoch nicht der Fall. Weiterhin ist es schwierig, die Kalibrierung an den praktischen Betrieb der Bilderzeugung anzupassen, wenn die Einzelelemente einen Empfindlichkeitsgradienten in Richtung der Dicke des Röntgenstrahlbündels aufweisen. Aufgrund dieses Empfindlichkeitsgradienten tritt zwischen den Einzelelementen eine Empfindlichkeitsabweichung auf. Deshalb entwickelt sich auf dem reproduzierten Bild die genannte ringförmige Veränderung.

Die generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Multielement-Strahlungsdetektor anzugeben, mit dem die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden.

Die speziellere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, einen Multielement-Strahlungsdetektor zu schaffen, in dem die einzelnen Elemente den Empfindlichkeitsgradienten in Richtung der Dicke des einfallenden Strahls, d.h. in der Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung der Elemente, reduzieren, so daß sich zwischen den Elementen keine Empfindlichkeitsabweichung entwickelt, deren Auftreten durch die Kalibrierung nicht verhindert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Danach weist jedes der Elemente des Strahlungsdetektors einen Szintillator, dessen Strahlungseinfallsebene schräg bezüglich der Einfallsrichtung der Strahlung angeordnet ist, und einen Lichtdetektor auf, dessen das Licht aufnehmende Ebene ebenfalls schräg bezüglich der Einfallsrichtung der Strahlung und so angeordnet ist, daß sie der Strahlungseinfallsebene des Szintillators gegenüberliegt.

Mit dem genannten Aufbau tritt kaum eine Asymmetrie der Blickwinkel von jedem Punkt der Strahlungseinfallsebene des Szintillators eines jeden Elementes zu dem jeweiligen Lichtdetektor sowie des Abstands zu diesem Lichtdetektor zwischen der rechten und der linken Seite des Szintillators auf. Aus diesem Grund nimmt der Empfindlichkeitsgradient in Richtung der Dicke des Röntgenstrahlbündels ab, d.h. in der Richtung, die senkrecht zur Anordnungsrichtung der Elemente verläuft. Daher kann die Empfindlichkeitsabweichung zwischen den Elementen eliminiert werden, indem die Empfindlichkeit der Elemente durch direkte Einstrahlung

des Röntgenstrahlbündels ohne Durchlaufen des zu untersuchenden Materials kalibriert wird. Damit ist es möglich, das Auftreten der ringförmigen Veränderung auf dem durch Röntgenstrahl-Computertomographie erstellten Bild zu verhindern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Röntgenstrahl-Computertomographen;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Röntgenstrahl-Multielement-Detektors nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine Schnittansicht des Detektors nach Fig. 2; und Fig. 4 eine grafische Darstellung der Kennlinien des gezeigten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 verdeutlicht den Aufbau eines Röntgenstrahl-Computertomographen, auf den die vorliegende Erfindung Anwendung findet. Auf einer Drehscheibe 5 ist eine Röntgenstrahlquelle 1, die Röntgenstrahlen 2 in Form eines Fächers erzeugt, sowie ein Röntgenstrahl-Multielement-Detektor 4 vorgesehen. Der Röntgenstrahl-Multielement-Detektor besteht aus 30 bis 2000 Elementen 3, die so angeordnet sind, daß sie einen Bogen bilden. Die Einzelelemente erfassen die Intensitätsverteilung des Röntgenstrahlbündels, das durch ein in einem Hohlraum in der Mitte der Scheibe 5 liegendes, zu untersuchendes Material hindurchtritt. Der Erfassungsvorgang wird unter Drehen der Scheibe 5 wiederholt, um die Daten für die Erstellung eines Tomogramms zu gewinnen, das die Verteilung der Röntgenstrahl-Absorptionsfaktoren des Querschnitts des untersuchten Materials wiedergibt.

Fig. 2 zeigt einen Teil des Multielement-Detektors 4. Ein Detektorgehäuse 40 ist durch Kollimatoren 41 in Einzelelemente unterteilt. Auf die Oberflächen der Kollimatoren ist Aluminium aufgedampft, um den Reflexionsfaktor für Licht zu erhöhen und damit die Empfindlichkeit zu steigern. Jedes Element besteht aus einem Pulver-Szintillator 31, der so angeordnet ist, daß seine Einfallsebene für Röntgenstrahlen bezüglich der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen geneigt ist. Gegenüber diesem Szintillator 31 ist eine Silizium-Fotodiode 32 angeordnet. Das Röntgenstrahlbündel fällt, wie in der Zeichnung durch die Pfeile 21 angedeutet, von oben ein, tritt durch eine aus einer Aluminiumplatte oder ähnlichem bestehende Vorderwand 42 und erreicht die Szintillatoren 31. Das damit erzeugte Szintillationslicht wird anschließend durch die Silizium-Fotodioden in elektrische Signale umgewandelt.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des Detektors nach Fig. entlang einer Ebene senkrecht zur Anordnungsrichtung der Elemente, wie durch den Pfeil P in Fig. 2 angedeutet. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Strahlungseinfallsebene 33 des Szintillators 31 bezüglich der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen mit dem Winkel Θ1 geneigt. Andererseits ist die Lichteinfallsebene 34 der Silizium-Fotodiode 32 mit einem Winkel Θ2 geneigt und so angeordnet, daß sie vom oberen Ende des Szintillators 31 um I nach oben verschoben ist, so daß sie der Vorderfläche des Szintillators 31 gegenüberliegt.

Fig. 4 zeigt die Verteilung der Empfindlichkeit bezogen auf die Ausdehnungsrichtung des einfallenden Röntgenstrahlbündeis nach obiger Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Gerät. Eine Kennlinie 11 zeigt einen Fall, in dem die Einfallsbreite χ des Detektors 16-mm, der durch die Strahlungseinfallsebene 33 des Szintillators 31 und die Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen festgelegte

Winkel Θ1 34,8°, der durch die Lichteinfallsebene 34 der Silizium-Fotodiode 32 und der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen festgelegte Winkel Θ2 15° und der Abstand Z 9 mm ist. Aus dem Vergleich der Kennlinien 11 und 12 wird deutlieh, daß der Gradient bezüglich der Ausdehnungsrichtung des Detektors verringert wird und sich eine annähernd einheitliche Empfindlichkeitsverteilung über den gesamten Bereich ergibt. Dabei zeigt die Kennlinie 12 die Verteilung in dem Fall, in dem der Winkel Θ2 0° beträgt, d.h. in dem die Lichteinfallsebene der Silizium-Fotodiode parallel zur Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen angeordnet ist.

Die Kennlinie 13 zeigt die Empfindlichkeitsverteilung, wenn Θ2 = 34,8°, d.h. wenn die Strahlungseinfallsebene des Szintillators 31 parallel zur Lichteinfallsebene der Silizium-Fotodiode ist, wie in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. In diesem Fall wird die Empfindlichkeitsverteilung bezüglich der rechten und der linken Seite symmetrisch, d.h. es ergibt sich eine ideale Verteilung. Da der Abstand zwischen der Silizium-Fotodiode und dem Szintillator jedoch zunimmt, nimmt die Empfindlichkeit verglichen mit dem Fall, in dem Θ2 = 15° gilt, insgesamt ab.

Bei Verwendung des Multielement-Detektors aus den oben beschriebenen Elementen mit einer einheitlichen Empfindlichkeitsverteilung für die Röntgenstrahl-Computertomographie tritt zwischen den Elementen keine Empfindlichkeit sabweichung auf, selbst wenn ein Material abgebildet werden soll, das in der Ausdehnungsrichtung des Röntgenstrahlbündels eine große Veränderung des Röntgenstrahlabsorptionsfaktors aufweist, wie es z.B. in den Spitzen- und Scheitelbereichen eines Materials der Fall ist. Aus diesem Grund entwickelt sich auch keine ringförmige Veränderung oder Modifikation auf dem Bild. Darüberhinaus können die Röntgenstrahlen auf jede Position des Detektors

auffallen, selbst wenn der Abbildevorgang unter Veränderung der Ausdehnung des Röntgenstrahlbundels durchgeführt wird,
wodurch sich ein großer praktischer Vorteil ergibt.

Obwohl nach obigem Ausführungsbeispiel als der Szintillator 31 ein Pulver-Szintillator Anwendung findet, ist es auch
möglich, stattdessen einen Einkristall-Szintillator zu verwenden .

Claims (4)

1. MuIt!element-Strahlungsdetektor

   1/ Multielement-Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß darin eine Vielzahl von Elementen (3) durch Kollimatoren (41) voneinander getrennt und regelmäßig angeordnet ist, und

   daß jedes der Elemente (3) einen Szintillator (31) und einen gegenüber diesem angeordneten Lichtdetektor (3 2) aufweist, wobei die Strahlungseinfallsebene (33) des Szintillators (31) sowie die Lichteinfallsebene (34) des Lichtdetektors (32) bezüglich der Einfallsrichtung der Strahlung (21) geneigt sind.
2. 2. Multielement-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoren (32) näher an einer Strahlungsquelle (1) angeordnet sind als die Szintillatoren (31),
3. 3. Multielement-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (Θ2) zwischen der Lichteinfallsebene (34) der Lichtdetektoren (32) und der Einfallsrichtung der Strahlung (21) kleiner als der Winkel (Θ1) zwischen der Strahlungseinfallsebene (33) der Szintillatoren (31) und der Einfallsrichtung der Strahlung (21) ist.
4. 4. Multielement-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinfallsebene (34) der Lichtdetektoren (32) und die Strahlungseinfallsebene (33) der Szintillatoren (31) zueinander parallel sind.