DE60033509T2

DE60033509T2 - Zweidimensionaler detektor für ionisierende strahlung und zugehöriges herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60033509T2
Application number: DE60033509T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Gerstenmayer
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: FR2792418A1; WO2000063723A1; DE60033509D1; US6727503B1; EP1169654B1; EP1169654A1; FR2792418B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweidimensionalen Detektor für ionisierende Strahlungen sowie ein Herstellungsverfahren eines solchen Detektors.
Die Erfindung ist zum Beispiel anwendbar zur Detektion von Röntgenphotonen, Gammaphotonen, Protonen, Neutronen und Muyonen.
Die Erfindung betrifft insbesondere folgende Gebiete:

– Detonationsversuche,
– zerstörungsfreie Schnelluntersuchung,
– Patientenpositionierung in der Radiotherapie,
– Hochenergienphysik,
– Neutronographie, Protonographie, Radiographie, Gammagraphie,
– Radioskopie-Chirurgie, und
– Flughafensicherheit.

STAND DER TECHNIK
Man kennt schon zweidimensionale Detektoren für ionisierende Strahlungen, die gebildet werden durch Platten aus einem Schwermetall wie etwa Blei oder – allgemeiner – aus einem Material, das fähig ist, mit einer einfallenden ionisierenden Strahlung zu interagieren.
Insbesondere beschreibt US 5 117 114 A einen Strahlungsdetektor. In einem Beispiel umfasst der Detektor eine Folge von planen und parallelen Detektionsmatrizen. Jede Matrize umfasst eine Gruppe von Detektionszellen aus amorphem Silicium, ausgestattet mit Ansteuerungselektroden, und eine angrenzende Schicht aus einem metallischen Konvertierungsmaterial wie Pb oder U. Dies ermöglicht, die Initialenergie und die -position eines Röntgen- oder Gammaphotons zu bestimmen, das in der ersten metallischen Konversionsschicht eintrifft, senkrecht zu dieser Schicht.
US 4 210 805 A beschreibt einen Strahlungsdetektor. In einem Beispiel sind acht Halbleiterelemente 30 matrixförmig angeordnet. Zwei entgegengesetzte Seiten jedes Elements sind mit leitfähigen Schichten überzogen, und die beiden anderen Seiten sind mit isolierenden Schichten überzogen, die sie von benachbarten Elementen trennen.
Es ist beispielsweise bekannt, für die Detektion von Röntgen- oder Gammaphotonen ein Metall zu verwenden, dessen Ordnungszahl Z höher oder gleich 73 ist, und für die Detektion von Neutronen ein Material, dessen Ordnungszahl Z generell niedriger als 14 oder höher als 90 ist. Andere Materialien wie etwa Gadolinium (Z = 64) sind ebenfalls für die Neutronendetektion verwendbar.
Die Platten werden durch chemischen oder elektrochemischen Angriff durchlöchert und gegenseitig isoliert, wenn dies notwendig ist (wenn die Dicke der Platten einige Hundert μm oder mehr beträgt).
Die Löcher werden mit einem ionisierbaren Gas gefüllt.
Ein eintreffendes hochenergetisches Röntgen- oder Gammaphoton erzeugt dann durch Compton-Effekt oder Paarbildungseffekt wenigstens ein Photoelektron in einer der Platten des Detektors.
Dieses eintreffende Röntgen- oder Gammaphoton verleiht diesem Elektron eine schnelle Bewegung mit einer kinetischen Energie in der Größenordnung von derjenigen des eintreffenden Photons; dieses schnelle Elektron ionisiert dann einige Moleküle des in einem der Löcher enthaltenen Gases, in das das Elektron gelangt und das dieses letztere im Allgemeinen durchquert.
Die langsamen Sekundärelektronen, die aus diesen Molekülen aufgrund der Ionisierung dieser letzteren herausgerissen werden, werden längs dieser Löcher geleitet und mit Hilfe eines elektrischen Polarisationsfeldes ("bias"), auch elektrisches Driftfeld ("drift") genannt, eingesammelt und dann zum Beispiel in einer Ionisationskammer oder in einer Proportionallawinenkammer detektiert.
Solche zweidimensionale Detektoren werden zum Beispiel in den Dokumenten [1], 2], [3], [4] und [5] beschrieben, die am Ende der vorliegenden Beschreibung erwähnt werden.
Die Wahl einer Detektionsstruktur mit Löchern kommt daher, dass eine solche Struktur dafür bekannt ist, eine gute räumliche Auflösung zu liefern und leistungsstark zu sein, vorausgesetzt die Löcher sind perfekt ausgebildet und ausreichend breit bzw. groß.
Ein chemischer Angriff ("chemical etching") wird benutzt, um diese Löcher auszubilden: er wird dem Wasserstrahlschneiden bevorzugt, wo der Strahl beim Beginn der Bohrung eines Lochs einen Frontalstoß verursacht.
Der Frontalstoß blättert das Material, in dem man die Löcher ausbilden möchte, ab und zersplittert es, so dass es unverwendbar wird.
Aber das chemische Ätzen ist eine langsame und teure Technik.
Zudem ist die Sekundärelektronen-Sammelleistung und infolgedessen die Leistungsfähigkeit dieser durchlöcherten Detektoren aufgrund der Anwendung dieser Technik begrenzt: nur 10 bis 30 % der bei jeder Ionisierung des Gases erzeugten Sekundärelektronen werden eingesammelt.
Ein chemischer Angriff ermöglicht nämlich nicht, Löcher zu erhalten, deren Innenwände ausreichend zylindrisch sind, denn er erzeugt Einschnürungen in den Löchern, was die Linien des elektrischen Feldes deformiert und den Nutzdurchmesser dieser Löcher reduziert, was zu einer begrenzten Gesamtleistung der durchlöcherten Detektoren führt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile der hohen Kosten und der begrenzten Leistung zu beseitigen.
Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung einen zweidimensionalen Detektor für eine einfallende, durch erste Partikel gebildete ionisierende Strahlung zum Gegenstand, wobei dieser Detektor einen Stapel von Folien aus einem ersten Material umfasst, das fähig ist, durch Interaktion mit der einfallenden ionisierenden Strahlung zweite Partikel zu emittieren, wobei dieser Detektor dadurch gekennzeichnet ist, dass er außerdem umfasst:

– Schichten aus einem halbleitenden Material, die sich abwechseln mit den Folien aus dem ersten Material und die durch die zweiten Partikel ionisierbar sind, wobei jede der Schichten einer der Folien zugeordnet ist und der Stapel entgegengesetzte Seiten aufweist, von denen jede jeweils Ränder der Folien und der Schichten umfasst, wobei die erste Seite diejenige ist, welche die einfallende ionisierende Strahlung empfängt, und die Länge jeder Folie, gemessen von der ersten bis zur zweiten Seite, wenigstens gleich einem Zehntel des mittleren freien Wegs der ersten Partikel in dem ersten Material ist,
– Gruppen paralleler und elektrisch leitender Bahnen, die sich von der ersten zur zweiten Seite erstrecken, parallel zu den Schichten, wobei jede Gruppe einer der Schichten zugeordnet ist und mit dieser Kontakt hat, und die Bahnen dazu dienen, Ladungsträger einzusammeln, die in den Schichten durch Interaktion von diesen mit den zweiten Partikeln und eventuell mit den ersten Partikeln erzeugt werden und die bezüglich Intensität und Position für die ersten Partikel repräsentativ sind, und
– Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Felds, fähig das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.

Der Detektor der Erfindung kann sehr viel kostengünstiger hergestellt werden als die weiter oben erwähnten durchlöcherten Detektoren.
Zudem kann man davon ausgehen, dass Sammelleistung und räumliche Auflösung des erfindungsgemäßen Detektors sehr viel besser sind als bei den durchlöcherten Detektoren.
Nach einer besonderen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Detektors ist das erste Material elektrisch leitend, sind die Bahnen von den Folien elektrisch isoliert und umfassen die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Feldes Einrichtungen zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen und den Folien, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.
Vorzugsweise ist jede Gruppe von Bahnen in der Schicht enthalten, der sie zugeordnet ist.
In diesem Fall, gemäß einer anderen besonderen Realisierungsart, ist das erste Material elektrisch leitend und die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Felds umfassen Einrichtungen zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen und den Folien, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.
Nach einer weiteren besonderen Realisierungsart sind die Folien elektrisch isolierend, ist eine elektrisch leitende Schicht eingefügt zwischen jeweils einer Schicht aus halbleitendem Material und der ihr zugeordneten Folie, und die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Felds umfassen Einrichtungen zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen und elektrisch leitenden Schichten, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.
Das halbleitende Material kann vom kristallinen, keramischen, glasigen, amorphen oder polymeren Typ sein.
Es kann ausgewählt werden aus der Gruppe, die Dünnschichtdiamant, CdTe, ZnTe, CdZnTe, AsGa insbesondere des Typs AsGaAl_xP_1-x (0<x<1), InP, InSb, SiC, kristallines Silicium, amorphes Silicium, die organischen Kristalle wie zum Beispiel Anthrazen, Naphtalen und PPV, amorphes Selen und Chalkogenglas As₂S₃ umfasst.
Der erfindungsgemäße Detektor kann außerdem eine elektronische Lesevorrichtung der durch die Bahnen gelieferten elektrischen Signale umfassen, wenn diese die Ladungsträger einsammeln.
Nach einer bevorzugten Realisierungsart der Erfindung ist ein Ende jeder Bahn umgebogen, um sich auf einem Rand der entsprechenden Schicht aus halbleitendem Material zu erstrecken, wobei sich dieser Rand auf der zweiten Seite des Stapels befindet, und die Vorrichtung elektrisch leitfähige Kontaktelemente umfasst, die jeweils mit den umgebogenen Enden der Bahnen Kontakt haben.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Detektors.
Nach diesem Verfahren bildet man auf jeder Folie eine Schicht aus halbleitendem Material aus, wobei diese Schicht die ihr zugeordnete Gruppe von Bahnen enthält, und man fügt die mit Schichten aus halbleitendem Material und Bahnen versehenen Folien zusammen, um den Stapel herzustellen, in dem sich diese Halbleitermaterialschichten mit den Folien abwechseln.
Nach einer besonderen Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet man auf jeder Folie eine erste Schicht aus Halbleitermaterial aus, deren Dicke kleiner ist als die der genannten Schicht aus Halbleitermaterial, bildet man die Gruppe aus Bahnen auf dieser ersten Schicht aus und bildet auf der ersten Schicht eine zweite Schicht aus Halbleitermaterial aus, die diese Bahnen überdeckt, wobei die Gesamtdicke der ersten und zweiten Schicht gleich der Dicke der genannten Halbleitermaterialschicht ist.
Man kann auch auf zwei entgegengesetzten Seiten von zwei aufeinanderfolgenden Folien jeweils eine Teilschicht aus Halbleitermaterial abscheiden, dann auf einer der Teilschichten die Gruppe von Bahnen ausbilden und die derart überzogenen Folien zusammenfügen, um den Stapel herzustellen, in dem sich die Schichten mit den Folien abwechseln.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, nur der Erläuterung dienenden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung von Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
1, die eine schematische perspektivische Ansicht einer besonderen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Detektors ist;
2, die eine schematische Querschnittansicht des Detektors der 1 gemäß deren Ebene P ist;
3, die eine schematische Querschnittansicht eines anderen erfindungsgemäßen Detektors ist, und
4, die eine schematische perspektivische Teilansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Detektors ist.
DETIILLIERTE DARSTELLUNG BESONDERER REALISIERUNGSARTEN
Die 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Detektors für ionisierende Strahlung, und die 2 zeigt einen Querschnitt dieses Detektors gemäß einer Ebene P der 1.
In dem dargestellten Beispiel besteht die ionisierende Strahlung aus Röntgenphotonen mit einer Energie von zum Beispiel 5 MeV.
Die Detektoren der 1 und 2 umfassen einen Stapel 2 von Folien 4 aus einem elektrisch leitenden Material, das fähig ist, durch Interaktion mit den Röntgenphotonen der einfallenden ionisierenden Strahlung Elektronen zu emittieren.
Dieser Detektor umfasst auch Schichten 6 aus einem Halbleitermaterial, die sich mit den Folien 4 abwechseln und durch die Photoelektronen ionisiert werden können, die durch das Halbleitermaterial emittiert werden, wenn dieses mit den Röntgenphotonen interagiert, und eventuell – obgleich in einem geringeren Ausmaß – direkt durch die primären Röntgenphotonen.
Jede der Schichten 6 ist mit einer der Folien 4 verbunden.
Der Stapel aus den Folien 4 und den Schichten 6 hat eine erste Seite 8 und eine zweite Seite 10, die entgegengesetzt sind.
Jede der Seiten u und 10 enthält Ränder 12 der Folien 4 und Ränder 14 der Schichten 6, die sich mit den Rändern 12 der Folien 4 abwechseln.
Der Detektor der 1 und 2 ist so ausgerichtet, dass die zu detektierende ionisierende Strahlung auf der Seite 8 einfällt.
Die Länge jeder Folie 4 – von der Seite 8 bis zur Seite 10 – ist wenigstens gleich einem Zehntel des freien mittleren Wegs der Röntgenphotonen in dem leitenden Material, aus dem die Folien 4 gemacht sind.
Wie man in den 1 und 2 sieht, interagiert ein eintreffendes Röntgenphoton, dessen Bahn mit 16 bezeichnet ist, mit dem leitfähigen Material einer Folie 4, um durch Compton-Effekt, photoelektrischen Effekt oder Paarbildungseffekt ein Elektron mit großer kinetischer Energie zu erzeugen, dessen Bahn in der 2 mit 18 symbolisiert wird.
Ebenfalls in der 2 symbolisiert ein Pfeil 20 die Bahn des Photons, das aus der Interaktion des Röntgenphotons mit dem leitfähigen Material der Folie 4 resultiert und eine niedrigere Energie als dieses letztere aufweist.
Der Detektor der 1 und 2 umfasst auch Gruppen von parallelen und elektrisch leitfähigen Bahnen 22, die sich von der Seite 8 bis zur Seite 10 erstrecken, parallel zu den Schichten 6.
Jede Gruppe der Bahnen 22 ist mit einer der Schichten 6 verbunden und hat Kontakt mit dieser.
Die Bahnen 22 sind dazu bestimmt, die Ladungsträger einzusammeln, die in den Schichten 6 erzeugt werden, durch deren Interaktion mit den Elektronen, die aus der Interaktion der eintreffenden Röntgenphotonen mit dem leitfähigen Material stammen, aus dem die Folien 4 gemacht sind.
Diese Ladungsträger sind bezüglich Intensität und Position repräsentativ für die einfallenden Röntgenphotonen.
In der 2 sieht man einen Ladungsträger, dessen Bahn mit 24 bezeichnet ist und der aus der Interaktion des Elektrons mit der Bahn 18 mit einer Schicht 6 resultiert, wobei dieser Ladungsträger mit der Bahn 24 eingesammelt wird von einer dieser Schicht 6 zugeordneten Leiterbahn 22.
Der Detektor umfasst auch Einrichtungen 26 (1) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, fähig das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen 22 zu bewirken.
Nur zur Erläuterung und keinesfalls einschränkend: der Detektor der 1 und 2 ist so angeordnet, dass die Folien 4 und die Schichten 6 horizontal oder, im Gegenteil, vertikal sind, jedoch sind andere Ausrichtungen vorstellbar, je nach der für den Detektor vorgesehenen Anwendung.
Vorzugsweise sind die Folien 4 und die Schichten 6 im Wesentlichen parallel zu der Richtung der zu detektierenden ionisierenden Strahlung.
In dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel ist jede Gruppe von leitfähigen Bahnen 22 in der Schicht 6 enthalten, die dieser Gruppe zugeordnet ist.
Somit muss man für diese Bahnen keine elektrisch isolierenden Träger verwenden (zum Beispiel aus plastischem oder keramischem Material), die platzraubend sind, die räumliche Auflösung des Detektors reduzieren und außerdem zur eigentlichen Detektion keinen Beitrag leisten.
In dem Fall der 1 und 2 sind die Einrichtungen 26 zur Erzeugung des elektrischen Feldes Einrichtungen zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen 22 und der Folie 4, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen 22 zu bewirken.
Präzisiert sei, dass die Schnittebene P (2) die Leiterbahnen einer selben (in der 1 horizontalen) Reihe von Bahnen durchquert. Die Bahnen dieser Reihe gehören jeweils zu den Schichten 6 bzw. zu Schichten 6.
Bei einer nicht dargestellten besonderen Realisierungsart ist das Material der Folien 4 noch elektrisch leitfähig, aber die Bahnen 22 sind nicht mehr in den Schichten 6 des Halbleitermaterials enthalten: jede Gruppe von Bahnen befindet sich in der Grenzschicht (zwischen) der entsprechenden Halbleitermaterialschicht und der Folie aus leitfähigem Material, die einer benachbarten Schicht aus Halbleitermaterial zugeordnet ist.
In diesem Fall sieht man ein elektrisch isolierendes Material vor, um die Bahnen 22 der Folien 4 aus elektrisch leitfähigem Material elektrisch zu isolieren, aber man kann wieder dieselben Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes verwenden wie vorhergehend.
Der Detektor der 2 und 3 umfasst eine elektronische Vorrichtung 30 zum Lesen der durch die Bahnen 22 gelieferten elektrischen Signale, wenn diese die Ladungsträger einsammeln.
Man sieht in der 2, dass nur ein Ende 32 jeder Bahn 22 umgebogen ist, um sich auf einem Rand 14 der entsprechenden Schicht 6 zu erstrecken, wobei dieser Rand sich auf der Seite 10 des Stapels der Folien 4 und der Schichten 6 befindet.
Die elektronische Lesevorrichtung 30 umfasst elektrisch leitfähige Kontaktelemente 34 die jeweils mit den umgebogenen Enden der Bahnen 22 Kontakt haben durch Lotkugeln 36, zum Beispiel Indiumkugeln, oder elektrisch leitfähige Drähte, oder sogar dadurch, dass die umgebogenen Enden der Bahnen mit den Kontaktelementen der Lesevorrichtung durch geeignete Mittel verbunden werden, zum Beispiel durch Pressung oder einen elektrisch leitenden Klebstoff.
Selbstverständlich sind die Kontaktelemente 34 mit der gleichen Teilung angeordnet wie die umgebogenen Enden 32 der Bahnen 22.
Man kann ein undotiertes Halbleitermaterial verwenden, oder zum Beispiel ein N-dotiertes Halbleitermaterial, wobei dann die Elektronen die Majoritätsträger sind, oder ein P-dotiertes Halbleitermaterial, wobei dann die Löcher die Majoritätsträger sind.
Um die Ladungsträger einzusammeln, kann man an die leitfähigen Folien 4 ein negatives Potential legen und die leitfähigen Kontaktelemente 34 (und folglich die Bahnen 22) an Masse, oder die Folien an Masse legen und an die Kontaktelemente 34 (und folglich die Bahnen 22) ein positives Potential.
In beiden Fällen werden die in den Schichten 6 aus Halbleitermaterial erzeugten Löcher durch die Folien 4 aus leitfähigem Material angezogen, während die in diesen Schichten 6 erzeugten Elektronen durch die Bahnen 22 angezogen und eingesammelt werden, die folglich die durch die Vorrichtung 30 gelesenen Signale liefern.
Umgekehrt kann man an die Folien 4 ein positives Potential legen und die Kontaktelemente 34 an Masse, oder die Folien 4 an Masse legen und an die Kontaktelemente 34 ein negatives Potential. In beiden Fällen werden die Elektronen durch die Folien und die Löcher durch die Bahnen angezogen und dann durch diese letzteren eingesammelt, die wieder die elektrischen Signale liefern, die durch die Vorrichtung 30 gelesen werden.
In jedem Fall konvertieren die Bahnen 22 in digitaler oder elektrischer Form das analoge Bild, das durch die Röntgenstrahlen, die man detektiert, transportiert wird.
In dem in der 2 dargestellten Beispiel werden alle Bahnen 22 durch elektrische Kontaktelemente 34 an Masse gelegt, und man bringt alle Folien 4 dank einer Spannungsquelle 38 auf ein negatives Potential.
In diesem Fall sammeln die Bahnen 22 Elektronen ein.
Um alle Folien aus elektrisch leitfähigem Material auf ein negatives Potential (zum Beispiel gleich –500 V) zu bringen, benutzt man eine elektrisch isolierende Platte 40, auf deren einen Seite elektrisch leitfähige parallele Bahnen 42 ausgebildet sind, deren Teilung derjenigen der Folien 4 entspricht.
Alle diese Bahnen 42 sind mit einer ebenfalls auf dieser Seite der Platte 40 ausgebildeten Bahn 44 verbunden, die ihrerseits mit der negativen Spannungsquelle 38 verbunden ist.
Man bringt dann die Seite der Platte 40, die die Bahnen 42 trägt, auf einer Seite des Stapels 2 an, auf der ebenfalls die Ränder der Folien 4 vorhanden sind, wobei diese Seite sich aber von den Seiten 8 und 10 insofern unterscheidet, dass die Bahnen 42 jeweils in Kontakt mit den Rändern der Folien 4 kommen, was ermöglicht, alle diese Folien 4 auf das gewünschte negative Potential zu bringen.
Die Platte 40 ist zum Beispiel aus Keramik oder aus Polymer und die Bahnen 42 und 44 aus Gold.
Vorzugsweise, aus Gründen der Platzersparnis und der Lesegeschwindigkeit, ist die elektronische Lesevorrichtung 30 von der Art derer, die in den CCD-Sensoren verwendet werden.
Bei einem Detektor von bescheidener Größe kann man die Bahnen 22 des Stapels 2 direkt mit den Pixeln eines CCD-Sensors ohne Überzug ("coating") verbinden.
Im Falle eines größeren Detektors kann man eine zwischen den Bahnen 22 des Stapels 2 und der Lesevorrichtung, zum Beispiel des CCD-Typs, eine Zwischenverbindungsmatrix vorsehen.
Die leitfähigen Kontaktelemente 34 befinden sich dann auf einer der Seiten dieser Matrix, um jeweils mit den umgebogenen Enden 32 der Bahnen 22 verbunden zu werden, und diese Kontaktelemente sind durch elektrische Verbindungen, die diese Matrix durchqueren, mit den Pixeln einer Lesevorrichtung zum Beispiel des CCD-Typs verbunden.
Die Dicke eines erfindungskonformen Detektors, wie zum Beispiel der Detektor der 1, die von der Seite 8 bis zur Seite 10 gemessen wird, kann von derselben Größenordnung wie ein durchlöcherter Detektor von der Art derjenigen sein, die weiter oben beschrieben worden sind, wobei diese Dicke angepasst wird in Abhängigkeit von dem angestrebten Bremsvermögen.
Es sei angemerkt, dass das Material der Folien 4 chemisch inert oder ein schlechter elektrischer Leiter sein kann (unten wird ein Fall beschrieben, wo es isoliert), im Gegensatz zu dem elektrochemisch bearbeitbaren Material, das man für die durchlöcherten Detektoren verwenden muss.
Die Dicken der Folien 4 aus leitfähigem (oder, wie man weiter unten sehen wird, isolierendem) Material und der Schichten 6 aus halbleitendem Material sind festgelegt, um die räumliche Auflösung des Detektors und die Konvertierungsleistung (Konvertierung und Sammlung von Ladungen) zu optimieren. Vorzugsweise strebt man die kleinstmöglichen Dicken an, typisch in der Größenordnung von 100 μm bis einige Hundert μm.
Zum Beispiel kann man Folien 4 aus leitfähigem Material verwenden, deren Dicke ungefähr 200 μm beträgt, und Schichten 6 aus halbleitendem Material, deren Dicke ungefähr 200 μm beträgt.
Es sei angemerkt, dass bei den durchlöcherten Detektoren nach dem Stand der Technik die Dicke der Metallfolien, senkrecht zu der Richtung der einfallenden Strahlung gemessen, so festgelegt ist (ca. 200 μm), dass diese Folien chemisch geätzt werden können.
Bei der vorliegenden Erfindung gibt es diese Beschränkung nicht und die Dicke der Folien 4 aus leitendem oder isolierendem Material und der Schichten 6 aus halbleitendem Material wird nur Bedingungen der vorgesehenen Anwendung bestimmt.
Es sei ebenfalls angemerkt, dass die Struktur eines erfindungsgemäßen Detektors ermöglicht, mit einer dementsprechenden Materialdicke in der Richtung der zu detektierenden Strahlung die Leistung spektakulär zu erhöhen (um ca. 50 %) und eine räumliche Auflösung von ungefähr 100 μm zu erzielen, indem man für die Bahnen 22 eine passende Teilung wählt.
In der zu den Folien 4 senkrechten Richtung wird die räumliche Auflösung nämlich durch die Teilung zwischen den Folien 4 und zwischen den Bahnen bestimmt (die die Größenordnung 50 bis 200 μm haben kann).
Für die Röntgenstrahlendetektion verwendet man vorzugsweise ein Schwermetall wie zum Beispiel Wolfram oder Blei.
Nur zur Erläuterung und keinesfalls einschränkend: wenn man Röntgenphotonen detektieren will, deren Energie 5 MeV beträgt, benutzt man einen Detektor von 2 cm Dicke (gemessen von der Seite 8 bis zur Seite 10 des Detektors der 1), Schichten 6 aus CdTe oder aus Diamant mit 100 μm Dicke und Folien 4 aus Wolfram mit 400 μm Dicke, wobei die Bahnen 22 eine Teilung von 0,5 mm aufweisen. Diese Dimensionen können reduziert werden, wenn dies notwendig ist, wobei eine Teilung von 100 μm realisierbar ist.
Es folgt ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Detektors der 1 und 2.
Die Folien 4 aus leitendem Material können durch ein beliebiges Verfahren hergestellt werden.
Ihre Oberflächen müssen ausreichend leitfähig und unoxidiert sein.
Diese Oberfläche kann falls nötig mit einem Metall wie zum Beispiel Gold überzogen werden, das besser an die Herstellung eines ohmschen Kontakts mit dem halbleitenden Material angepasst ist.
Um auf bzw. in den Schichten 6 aus halbleitendem Material die Bahnen 22 auszubilden, die aus Gold oder einem besser an den verwendeten Halbleiter angepassten Metall sein können, kann man folgendermaßen vorgehen:

– man scheidet auf einer der Seiten von einer der leitfähigen Folien 4 eine erste Dicke (zum Beispiel 50 μm) aus halbleitendem Material ab, zum Beispiel mittels CVD, Epitaxie, Foliengießen (Tape casting), Flüssigphasenabscheidung oder Sol-Gel-Abscheidung,
– man realisiert auf dem so abgeschiedenen Material durch Aufdampfung mittels einer Maske oder durch ein Photolithographieverfahren Bahnen 22 aus Gold mit einer Breite von zum Beispiel 5 μm, und
– man scheidet auf der ersten Dicke eine zweite Dicke aus halbleitendem Material ab, um die Bahnen 22 abzudecken und die gewünschte Gesamtdicke des Halbleitermaterials zu erhalten (zum Beispiel 100 μm).

So verfährt man bei jeder leitfähigen Folie 4.
Als Variante kann man auf zwei entgegengesetzten Seiten von zwei aufeinanderfolgenden Folien eine Halbschicht des halbleitenden Materials abscheiden und dass auf einer der Halbschichten die Gruppe von Bahnen ausbilden.
Die derartig überzogenen leitfähige Folien 4 werden so gestapelt, dass man abwechselnd leitende Folien 4 und halbleitende Schichten 6 erhält, die durch einen leichten Druck so zusammengehalten werden, dass sie miteinander Kontakt haben, zum Beispiel durch eine mechanische Einrichtung oder durch einen elektrisch leitfähigen Klebstoff.
Der erfindungsgemäße Detektor, der in der Figur als perspektivische Schnittansicht dargestellt ist, unterscheidet sich von dem der 1 durch die Tatsache, dass die Folien 4 elektrisch isolierend sind und zum Beispiel im Falle der 3 aus Kunststoff sind, um zum Beispiel Neutronen zu detektieren, und durch die Tatsache, dass man zwischen jede Folie aus isolierendem Material 4 und die entsprechende Schicht aus halbleitendem Material eine dünne elektrisch leitende Schicht 46 (Dicke ungefähr 5 bis 10 μm) zum Beispiel aus Gold oder aus Kupfer einfügt, wie dargestellt in der 3.
In diesem Fall kann man wieder das auf die Bahnen 22 bezogene gewünschte Potential an alle elektrisch leitenden Schichten 46 legen, über elektrisch leitfähige Bahnen von der Art der Bahnen 42, ausgebildet auf der isolierenden Platte 40 (1).
Die 4 ist eine schematische und partielle perspektivische Ansicht einer Realisierungsvariante des Detektors der 1.
Bei dem Detektor der 4 ist jede Schicht 6 eine Lage aus nebeneinanderliegenden Fasern 6a aus Halbleitermaterial, wobei jede Faser längs ihrer Achse einen Metalldraht enthält, der die Bahn 22 bildet.
Die diese Bahnen 22 enthaltenden Fasern 6a können durch Extrudieren bzw. Pressen oder Ziehen hergestellt werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung genannten Dokumente sind die folgenden:

[1] V. Perez-Mendez, S.I. Parker, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-21 (1974) 45
[2] S.N. Kaplan, L. Kaufman, V. Perez-Mendez, K. Valentine, Nuclear Instruments and Methods 106 (1973) 397
[3] A.P. Jeavons, G. Charpak, R.J. Stubbs, NIM 124 (1975) 491-503
[4] Jean-Louis Gerstenmayer, Damien Lebrun und Claude Hennion, "Multistep parallel plate avalanche chamber as a 2D imager for MeV pulsed radiography", Proc. SPIE, Band 2859, S. 107 bis 114, Kolloquium vom 7. bis 8. August (1996), Denver, Colorado, U.S.A.
[5] J.L. Gerstenmayer, "High DQE perforrnance X- and Gamma-ray fast imagers: emergent concepts", 1998 Symposium on Radiation Detection and Measurement, Ann Arbor, Michigan, 11. bis 14. Mai 1998, Proceedings in Nuclear and Methods in Physics Research A.

Claims

Zweidimensionaler Detektor für eine einfallende, durch erste Partikel gebildete ionisierende Strahlung, wobei dieser Detektor einen Stapel (2) von Folien (4) aus einem ersten Material umfasst, das fähig ist, durch Interaktion mit der einfallenden ionisierenden Strahlung zweite Partikel zu emittieren, wobei dieser Detektor dadurch gekennzeichnet ist, dass er außerdem umfasst: – Schichten (6) aus einem Halbleitermaterial, die sich abwechseln mit den Folien aus dem ersten Material und die durch die zweiten Partikel ionisierbar sind, wobei jede der Schichten einer der Folien zugeordnet ist und der Stapel entgegengesetzte Seiten aufweist, eine erste (8) und eine zweite (10), von denen jede jeweils Ränder (12, 14) der Folien und der Schichten umfasst, wobei die erste Seite (8) diejenige ist, welche die einfallende ionisierende Strahlung empfängt, und die Länge jeder Folie, gemessen von der ersten bis zur zweiten Seite, wenigstens gleich einem Zehntel des mittleren freien Wegs der ersten Partikel in dem ersten Material ist, – Gruppen paralleler und elektrisch leitender Bahnen (22), die sich von der ersten zur zweiten Seite erstrecken, parallel zu den Schichten (6), wobei jede Gruppe einer der Schichten zugeordnet ist und mit dieser Kontakt hat, und die Bahnen dazu dienen, Ladungsträger einzusammeln, die in den Schichten durch Interaktion von diesen mit den zweiten Partikeln und eventuell mit den ersten Partikeln erzeugt werden und die bezüglich Intensität und Position für die ersten Partikel repräsentativ sind, und – Einrichtungen (26) zur Erzeugung eines elektrischen Felds, fähig das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen (22) zu bewirken.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem das erste Material elektrisch leitend ist, die Bahnen (22) von den Folien elektrisch isoliert sind und die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Feldes Einrichtungen (26) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen (22) und den Folien (4) umfassen, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem jede Gruppe von Bahnen (22) in der Schicht (6) enthalten ist, der sie zugeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 3, bei dem das erste Material elektrisch leitend ist und die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Felds Einrichtungen (26) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen (22) und den Folien (4) umfassen, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 und 3, bei dem die Folien (4) elektrisch isolierend sind, eine elektrisch leitende Schicht (46) eingefügt ist zwischen jeweils einer Schicht (6) aus Halbleitermaterial und der ihr zugeordneten Folie (4), und die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Felds Einrichtungen (26) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Bahnen (22) und elektrisch leitenden Schichten (46) umfassen, wobei diese Spannung fähig ist, das Einsammeln der Ladungsträger durch die Bahnen zu bewirken.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Halbleitermaterial aus der Gruppe gewählt wird, die Dünnschichtdiamant, CdTe, ZnTe, CdZnTe, AsGa und seine Legierungen, InP, InSb, SiC, kristallines Silicium, amorphes Silicium, die organischen Kristalle, amorphes Selen und Chalkogenglas As₂S₃ umfasst.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der außerdem eine elektronische Lesevorrichtung (30) der durch die Bahnen (22) gelieferten elektrischen Signale umfasst, wenn diese die Ladungsträger einsammeln.
Detektor nach Anspruch 7, bei dem ein Ende (32) jeder Bahn umgebogen ist, um sich über einem Rand (14) der entsprechenden Schicht (6) aus Halbleitermaterial zu erstrecken, wobei dieser Rand sich auf der zweiten Seite (10) des Stapels (2) befindet, und die Vorrichtung (30) elektrisch leitfähige Elemente (34) umfasst, die jeweils mit den umgebogenen Enden (32) der Bahnen (22) Kontakt haben.
Verfahren zur Herstellung des Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in dem man auf jeder Folie (4) eine Schicht (6) aus Halbleitermaterial ausbildet, wobei diese Schicht die ihr zugeordnete Gruppe von Bahnen (22) enthält und man die mit Schichten aus Halbleitermaterial und Bahnen versehenen Folien zusammenfügt, um den Stapel (2) herzustellen, in dem sich diese Halbleitermaterialschichten mit den Folien (4) abwechseln.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem man auf jeder Folie (4) eine erste Schicht aus Halbleitermaterial ausbildet, deren Dicke kleiner ist als die der genannten Schicht (6) aus Halbleitermaterial, man die Gruppe aus Bahnen (22) auf dieser ersten Schicht ausbildet und auf der ersten Schicht eine zweite Schicht aus Halbleitermaterial ausbildet, die diese Bahnen überdeckt, wobei die Gesamtdicke der ersten und zweiten Schicht gleich der Dicke der genannten Halbleitermaterialschicht (6) ist.
Verfahren zur Herstellung des Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem man auf zwei entgegengesetzten Seiten von zwei aufeinanderfolgenden Folien (4) jeweils eine Teilschicht aus Halbleitermaterial abscheidet, man dann auf einer der Teilschichten die Gruppe von Bahnen (22) ausbildet und man die derart überzogenen Folien zusammenfügt, um den Stapel herzustellen, in dem sich die Schichten mit den Folien abwechseln.