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Die
Erfindung betrifft einen Röntgendetektor mit
einer Anordnung von röntgenstrahlempfindlichen Sensoren,
wobei jeder Sensor ein Konversionselement, das einfallende Röntgenstrahlen
in elektrische Ladungspulse umwandelt, und eine elektrisch mit dem
Konversionselement verbundene Auswerteeinheit zur Erfassung und
Auswertung der elektrischen Ladungspulse aufweist.
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Röntgendetektoren
mit einer Anordnung von röntgenstrahlempfindlichen
Sensoren kommen insbesondere in der medizinischen Diagnostik zum
Einsatz. Bei einer herkömmlichen
Computertomographie (CT) wird der Patient innerhalb einer zu seiner Körperachse
senkrechten Ebene aus verschiedenen Richtungen mit einer rotierenden
Anordnung aus einer Röntgenröhre und
einer Zeile von Sensoren durchleuchtet. Für jede Projektion wird ein
Datensatz erhalten, wobei aus den Datensätzen sämtlicher Projektionen schließlich das
zweidimensionale Querschnittsbild errechnet wird. Ferner sind weiterentwickelte
Computertomographen mit einer sogenannten Sensormatrix bekannt,
bei der die Sensoren in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Schließlich lassen
sich derartige Röntgendetektoren
für industrielle
Anwendungen und für
Sicherheitsanwendungen, beispielsweise die Gepäckdurchleuchtung, einsetzen.
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Für die Umwandlung
der einfallenden Röntgenstrahlung
in elektrische Ladungspulse kommen direkt konvertierende Konversionselemente
oder Konversionselemente aus einem Szintillator im Verbund mit einer
Photodiode in Betracht. Die direkt konvertierenden Sensoren zeichnen
sich durch ihre einfache Bauform bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung aus.
Sie bestehen aus schweren und gut absorbierenden Halbleitermaterialien,
wie beispielsweise CdZnTe oder PbO. Bei den Szintillatoren im Verbund mit
Photodioden werden die Leuchteigenschaften des Szintillators dazu
genutzt, die Röntgenstrahlung zunächst in
niederenergetische und insbesondere sichtbare Strahlung umzuwandeln,
die dann in der Photodiode Ladungspulse erzeugt.
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Bei
derartigen Röntgendetektoren
kommen entweder sogenannte integrierende oder sogenannte zählende Sensoren
zum Einsatz. Die Auswerteeinheiten der integrierenden Sensoren integrieren
die vom Konversionselement stammenden Ladungspulse über eine
definierte Integrationszeit (Framezeit). Die aufintegrierte Ladungsmenge
zum Ende der Integrationszeit ist ein Maß für die von den Röntgenquanten
im Konversionselement deponierte Energie. Die zählenden Sensoren zählen indes
jedes in dem Konversionselement absorbierte Röntgenquant einzeln, unabhängig von
der in jedem Quant enthaltenen Energie der Röntgenstrahlung. Hierzu wird
regelmäßig jeder
im Konversionselement erzeugte Ladungspuls mittels eines signalformenden
Verstärkers
und eines Komparators in einen digitalen Impuls gewandelt, der dann
von einem elektronischen Zähler
gezählt
wird. Der Zählerstand
am Ende einer Zählperiode
(Framezeit) ist ein Maß für die Anzahl
der während
der Zählperiode
im Konversionselement absorbierten Röntgenquanten.
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Aus
der
DE 197 03 428
A1 geht beispielsweise ein Röntgendetektor mit in Zeilen
oder einer Matrix angeordneten Sensoren hervor, die einfallende
Röntgenquanten
einzeln und damit digital nachweisen können. Jeder Sensor weist ein
Konversionselement auf, das einzeln ausgelesen werden kann. Hierzu
ist das Konversionselement kapazitiv an einen Vorverstärker gekoppelt,
dessen Ausgang mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Diese umfasst
zumindest einen Integrator und einen Zähler, der die vom Ausgang des
Integrators gelieferten Ladungspulse zählt. Weiterer Bestandteil der
Auswerteeinheit ist eine digitale Speichervorrichtung, in der die
Anzahl der gezählten
Ladungspulse für
jedes Detektorelement abgespeichert wird.
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Ein
Nachteil der bekannten Röntgendetektoren
mit zählenden
Sensoren besteht darin, dass die Zählrate durch Totzeit-Effekte
des Vorverstärkers, anderer
Teile der Auswerteeinheit (z.B. Komparator) oder des Konversionselementes
begrenzt ist. Es ist daher dafür
Sorge zu tragen, dass der je Konversionselement zu erwartende Quantenfluss
der Röntgenstrahlung
kleiner ist, als die maximale Zählrate, mit
der der betreffende Sensor die Röntgenquanten noch
einzeln nachweisen kann. Hierzu muss nach der
DE 197 03 428 A1 die Fläche jedes
einzelnen Detektorelementes so klein gewählt werden, dass der Quantenfluss
kleiner als die maximale Zählrate
ist. Schließlich
kommt es bei den bekannten Röntgendetektoren
zum Übersprechen
zwischen benachbarten Konversionselementen. Dies kann dazu führen, dass ein
Röntgenquant
in mehreren Sensoren gezählt wird
und damit das Ergebnis verfälscht.
Als Vorteil von Röntgendetektoren
mit zählenden
Sensoren ist der große
dynamische Bereich bei hervorragender Linearität der Auswerteeinheit über den
gesamten dynamischen Bereich zu erwähnen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Röntgendetektor
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, der bei guter Linearität über einen großen dynamischen
Bereich eine hohe maximale Zählrate aufweist
und eine Verfälschung
des errechneten Bildes durch Mehrfachzählung von Röntgenquanten vermeidet.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, dass nicht jeder von einem
einzelnen Röntgenquant
in dem Konversionselement erzeugte Ladungspuls unabhängig von
seiner Ladungsmenge einzeln gezählt
wird, sondern die Summe der in den Ladungspulsen enthaltenen Ladungsmengen
Q in Einheiten einer festgelegten Ladungsmenge Q1 zu zählen, dass
heißt
pro festgelegte Ladungsmenge Q1 wird genau
ein Ausgangsimpuls erzeugt.
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Im
einzelnen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Auswerteeinheit
einen Strom-/Frequenzwandler sowie einen daran elektrisch angeschlossenen
elektronischen Zähler
umfasst, wobei die elektrischen Ladungspulse aus dem Konversionselement
dem Eingang des Strom-/Frequenzwandlers und dessen Ausgangsimpulse
dem elektronischen Zähler
zugeführt
werden. Die Wandlung von analogen Messgrößen in frequenzmodulierte Signale
ist aus der Signalübertragungstechnik,
insbesondere der physikalischen Messtechnik, bekannt und wird eingesetzt,
wenn eine höhere
Störfestigkeit bei
der Übertragung
des Signals gewünscht
wird. Für einen
völlig
anderen Zweck, nämlich
die Überwindung
der Nachteile der bekannten Röntgendetektoren
mit zählenden
Sensoren wird nun erstmals eine Wandlung von analogen Messgrößen, hier
den elektrischen Ladungspulsen, in ein frequenzmoduliertes Signal
ausgeführt.
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Da
in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht
mehr die einzelnen Ladungspulse gezählt werden, entfallen die bei
Einzelpuls-Auswertung üblichen
Totzeiten durch Vorverstärker
und/oder pulsformende Verstärker.
Die Erfindung erlaubt den Betrieb des Röntgendetektors bis hinauf zu
hohen Zählraten ohne
die Linearität
oder die Größe des dynamischen Bereichs
einzuschränken.
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Außerdem wird
bei einer erfindungsgemäßen Anordnung
eine Mehrfachzählung
von Röntgenquanten
vermieden. Zwar kann ein Röntgenquant nach
wie vor in benachbarten Konversionselementen einen Ladungspuls erzeugen.
Diese Ladungspulse haben jedoch keinen verfälschenden Einfluss mehr auf
den Zählerstand
am Ende einer Zählperiode,
da jede von einem Konversionselement stammende Ladungsmenge Q erst
dann einen digitalen Impuls erzeugt, wenn die Ladungsmengen Q eine
festgelegte Ladungsmenge Q1 ergeben. Teilt
sich daher der durch ein Röntgenquant
erzeugte Ladungspuls auf benachbarte Konversionselemente auf, erhalten
die Strom-/Frequenzwandler benachbarter Sensoren eine geringere
Ladungsmenge, so dass die in jedem Sensor zur Erzeugung des Zählimpulses
erforderliche Ladungsmenge Q1 erst später erreicht
wird.
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Wegen
ihrer kompakten und einfachen Bauform kommen in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung direktkonvertierende Konversionselemente, beispielsweise
aus CdTe, CdZnTe, GaAs, HgI2, PbI, PbO, TlBr, InSb, Si, Ge oder
Se, in Betracht. Einige der genannten Materialien erzeugen zeitlich
vergleichsweise langgestreckte Ladungspulse. Hierdurch kommt es
in Konversionselementen mit diesen Materialien bei starker Röntgenbestrahlung
zu einer häufigen Überlappung
aufeinanderfolgender Ladungspulse. Während diese Überlappungen
bei üblichen
zählenden
Sensoren zum Verlust von Zählereignissen
führen,
werden bei einer Anordnung gemäß der Erfindung
alle Ladungspulse mit ihren zugehörigen Ladungsmengen Q korrekt
erfasst.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen der Strom-/Frequenzwandler
und/oder der Zähler
einen Rücksetzeingang
auf. Der Rücksetzeingang
am Strom-Frequenzwandler stellt sicher, dass keine Restladung aus
der vorigen Zählperiode
die Messung in der folgenden Zählperiode
beeinflusst.
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Wenn
die Zähler
als rückgekoppelte
Schieberegister ausgestaltet sind, lässt sich aufgrund der kompakten
Bauform eine hohe Integrationsdichte erzielen, die insbesondere
bei Röntgendetektoren
mit in einer Matrix angeordneten Sensoren erforderlich ist. Zum
rückgekoppelten
Schieberegister wird auf P. Fischer et al., "A counting pixel readout chip for imaging
applications", Nucl.
Instr. and Meth. A405 (1998) S. 53–59 hingewiesen.
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Die
Konversionselemente können
diskret ausgeführt
sein, sind jedoch vorzugsweise als Bestandteil einer integrierten
Schaltung ausgebildet, die zumindest die zugehörigen Auswerteeinheiten der Sensoren
enthält.
Eine vollständige
Matrix aus Sensoren kann aus einer oder mehreren derart integrierten
Schaltungen aufgebaut sein. (Beispiele: Si-Pin-Diode integriert in einem siliziumintegrierten Schaltkreis;
GaAs-Konversionselement integriert in einen GaAs-integrierten Schaltkreis;
CdZnTe-Konversionselemente integriert in einen siliziumintegrierten
Schaltkreis).
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Um
den Dunkelstrom des Röntgendetektors zu
kompensieren, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung an
den Eingang jedes Strom-/Frequenzwandlers zusätzlich eine einstellbare Stromquelle
angeschlossen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert:
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors,
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2 zeigt
eine mögliche
Schaltungsrealisierung eines Strom-/Frequenzwandlers der Auswerteeinheit
nach 1.
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Die
Auswerteeinheit 1 umfasst einen Strom-/Frequenzwandler 2 sowie
einen Zähler 3.
Die elektrischen Ladungspulse des in 1 nicht dargestellten
Konversionselementes werden einem Eingang 4 des Strom-/Frequenzwandlers 2 zugeführt, der
einen digitalen Impuls erzeugt, nachdem über den Eingang 4 eine
definierte Ladung Qi zugeführt wurde.
Die digitale Impulsfolge des Strom-/Frequenzwandlers 2 wird über eine
elektrische Verbindung 6 von einem Ausgang 5 des
Strom-/Frequenzwandlers 2 in den Zähler 3 übertragen.
Der Inhalt des Zählers 3 kann
nachgeschalteten Schaltkreisen beispielsweise über eine serielle oder parallele digitale
Schnittstelle zugeführt
werden. Um den Strom-/Frequenzwandler 2 und den Zähler 3 zurücksetzen
zu können,
haben sie Rücksetzeingänge 7 und 8.
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In
dem Übersichtsschaltplan
eines möglichen
Strom-/Frequenzwandlers 2 in 2 werden Schaltzeichen
von Operationsverstärkern,
Widerständen,
Kapazitäten
und Schaltern verwendet, um die Funktionen zu veranschaulichen.
In der Praxis sind diese Bauelemente jedoch beispielsweise in CMOS-Technologie
integriert. Der insgesamt mit 2 bezeichnete Strom-/Frequenzwandler
besteht aus einer ersten Stufe, bestehend aus dem Operationsverstärker OA1.
Diese erste Stufe stellt einen Integrator mit einem eingebauten
Entladewiderstand RA dar.
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Die
zweite Stufe des Strom-/Frequenzwandlers besteht aus den Operationsverstärkern OA2, OA3
und OA4 mit ihrer jeweiligen Beschaltung gemäß 2, die im
Folgenden erläutert
wird. Die Integrationsrichtung des integrierenden Operationsverstärkers OA2
mit der Kapazität
CB wird von einem Schmitt-Trigger gesteuert,
der aus dem Operationsverstärker
OA3 und den Widerständen
RD und RE aufgebaut
ist. Während
die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OA3 positiv ist, ist
der Schalter S geschlossen, und es wird somit über den als Spannungsinverter
geschalteten Operationsverstärker
OA4 mit den beiden Widerständen
RC die Integrationsrichtung des OA2 gegenüber der
Integrationsrichtung für
den geöffneten
Schalter S umgekehrt. Ähnliche
Schaltanordnungen für
Spannungs-/Frequenzwandler (zweite Stufe) sind aus dem Stand der Technik
bekannt (vgl. beispielsweise P. Horowitz und W. Hill, "The an of electronics", Cambridge University Press,
2. Aufl. 1989).
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Für einen
momentanen Ladungspuls Qm zur Zeit t = 0
am Eingang 4 der Auswerteeinheit beträgt die Ausgangsspannung am
Ausgang des Operationsverstärkers
OA1
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Uaus = (Qm/CA)e–t/t mit
der charakteristischen Zeitkonstante τ = RACA.
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Allgemeiner
ausgedrückt
wird jeder elektrische Ladungspuls mit einer Ladungsmenge Q mit
beliebiger Pulsform im Operationsverstärker OA1 in einen Spannungsverlauf
umgesetzt. Das Integral über diesen
Spannungsverlauf ist proportional zur Ladungsmenge Q des elektrischen
Ladungspulses. Es ist wichtig, die durch den Widerstand RA und die Kapazität CA bestimmte
Zeitkonstante t deutlich kleiner als die Zählperiode (Framezeit) zu wählen. Andernfalls
können
Ladungspulse einer Zählperiode
das Zählergebnis
der darauffolgenden Zählperiode
verfälschen.
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Erfindungsgemäß wird ein
digitaler Impuls von dem Strom-/Frequenzwandler 2 erst dann erzeugt,
wenn die Menge der Ladungen Q der am Eingang 4 anliegenden
elektrischen Ladungspulse einen zuvor definierten Ladungswert Q1 ergeben, der genau einem digitalen Impuls
am Ausgang des Strom-/Frequenzwandler 2 entspricht.
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Diese
Ladung Q1 errechnet sich für die Schaltungsanordnung
nach 2 gemäß der nachfolgenden
Formel Q1 = 8 UT CB RB/RA,wobei
UT =
Umax RE/(RD + RE) die Umschaltschwelle
des Schmitt-Triggers bezeichnet. Für den OA3 wurden bei dieser
Rechnung symmetrische Ausgangsspannungen von +/– Umax angenommen.