DE69213375T2

DE69213375T2 - Röntgendetektor mit Auslesung des Ladungsmusters

Info

Publication number: DE69213375T2
Application number: DE69213375T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schiebel; Aller Gerardus Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2012-09-22
Also published as: JPH05217530A; DE69213375D1; EP0534547B1; EP0534547A3; EP0534547A2; US5369268A

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor mit einem evakuierbaren Gehäuse, einem mit einer Lumineszenzbeschichtung versehenen Eingangsschirm und einem Ausgangsschirm mit innerhalb des Gehäuse montierten Mitteln für ortsempfindliches Auslesen. Die Erfindung betrifft auch eine Röntgenuntersuchunganlage mit einem solchen Röntgendetektor für medizinische Zwecke.
Ein Röntgendetektor dieser Art wird in EP-A-450.670 beschrieben. In dem in diesem Patent beschriebenen Detektor wird Bilddetektion durch Konversion eines bildtragenden Röntgenstrahlenbündels mittels Lumineszenz in ein bildtragendes Strahlenbündel aus Photoelektronen erhalten. Die Photoelektronen werden über einen Vakuumraum beschleunigt, und die so beschleunigten Elektronen werden entweder direkt über elektronenempfindliche Diodenelemente detektiert oder in einer Leuchtstoffbeschichtung in Licht umgewandelt, das über eine lichtempfindliche Diodenmatrix detektiert wird. In beiden Fällen wird zur Ortsabhängigkeit eine TFT-Schaltmatrix verwendet.
Beim Auslesen mit einer Photodiodenmatrix ist die gewünschte Verstärkungsänderung für medizinische Röntgenuntersuchung mit einem Detektor dieser Art schwierig zu erreichen. Weiterhin tritt hierbei das technische Problem auf, daß die Dioden im allgemeinen eine für andere Zwecke gewünschte hohe Aufheiztemperatur nicht gut vertragen können.
Im Prinzip kann die gewünschte Verstärkungsveränderung mit einer elektronenempfindlichen Diodenmatrix ausgelesen werden, aber bisher erscheint Fabriksfertigung einer solchen Diodenmatrix nicht einfach zu sein.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden, und hierzu ist ein Röntgendetektor der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangsschirm zur Konversion einfallender Elektronen in ein auslesbares elektrisches Ladungsmuster eine Konversionsbeschichtung hinzugefügt worden ist.
Die Diodenmatrix ist in einem erfindungsgemäßen Detektor überflüssig und die durch diese Matrix auferlegten Beschränkungen sind beseitigt. Da eine die Verstärkung steuernde Spannung über der Konversionsbeschichtung angelegt werden kann, ist die Beschränkung in dieser Hinsicht auch überwunden. Ein zusätzlicher Vorteil ist außerdem, daß Standard-TFT-Matrizen zur Bildlokalisierung benutzt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es einen evakuierten Raum, über dem eine einstellbare Potentialdifferenz angelegt werden kann. Bei einer gegebenen Eigenverstärkung der Konversionsbeschichtung kann hiermit eine Verstärkung erhalten werden, die für viele Anwendungen bereits genügend groß und genügend variabel ist. Um weiterhin die Größe oder Einstellung dieser Verstärkung anzupassen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform über der Konversionsbeschichtung eine einstellbare Potentialdifferenz angelegt werden. Hiermit ist eine große Verstarkungsveränderung möglich, ohne daß unpraktikable hohe Potentialdifferenzen verwendet zu werden brauchen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß Potentialdifferenzänderungen innerhalb der Konversionsbeschichtung keinen nachteiligen Effekt auf die elektronenoptische Abbildung haben, was über einem Vakuumraum leicht auftreten kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Konversionsbeschichtung einen Teil des ortsempfindlichen Ausgangsschirms dar und ist hierzu vorzugsweise direkt über Dampfabscheidung auf der TFT-Matrix aufgebracht. Eventuell kann eine Zwischenschicht, die Ladungsmuster gut überträgt und sie nicht stört, zwischen der TFT-Matrix und der Konversionsbeschichtung angebracht werden, beispielsweise um zu verhindern, daß die Beschichtungen sich gegenseitig nachteilig chemisch beeinflussen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Konversionsbeschichtung im wesentlichen aus amorphem Selen. Vorzugsweise wird die Selenbeschichtung dieser Art durch Dampfabscheidung auf die TFT-Matrix aufgebracht und hat eine Dicke von etwa 50 µm. Eine verringerte Dicke dieser Art begrenzt Dispersion von Bildinformation in der Beschichtung und ermöglicht es, eine verstärkungssteuernde Potentialdifferenz über diesen Beschichtungen anzulegen.
Es sei bemerkt, daß eine Selenbeschichtung zur Konversion von Röntgenstrahlung in ein Ladungsmuster an sich aus US 4.413.280 bekannt ist. In dieser Patentschrift wirkt die genannte Beschichtung auch als Eingangsschirm für direkte Konversion von Röntgenquanten in Elektronen, die als freie Elektronen in einem Vakuumraum beschleunigt werden das Dokument gibt nicht an, wie - und unter Verwendung einer Diodenmatrix ausgelesen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Konversionsbeschichtung im wesentlichen aus porösem KC1.
Infolge der porösen Struktur wirkt eine Beschichtung dieser Art mehr oder weniger in gleicher Weise wie eine Kanalplatte, und es ist faktisch außerdem immer noch der Fall, daß ein Ladungsmuster aufgebaut wird und nicht, daß ein Elektronenstrahlenbündel freikommt. Durch diese Wirkung erlaubt eine Beschichtung dieser Art bereits eine relativ hohe Verstärkungsveränderung mit einer relativ kleinen Potentialdifferenzänderung. Ein bedeutender Vorteil einer solchen KC1-Beschichtung über einer amorphen Selenbeschichtung ist auch, daß KC1 viel unempfindlicher gegenüber Wärmebehandlungen ist. Bei einer Selenbeschichtung kann unerwünschte Rekristallisation relativ leicht während einer solchen Behandlung auftreten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Eingangsschirm und der Ausgangsschirm in einem Vakuumgehäuse in geeignetem Abstand voneinander aufgenommen. Für ortsabhängiges Auslesen wird vorzugsweise eine TFT-Matrix aus Schaltelementen verwendet, die an sich bekannt ist, wobei diese Elemente vorzugsweise in einem orthogonalen Muster angeordnet sind und über Zeilen- und Spaltenanschlüsse zum Auslesen aktivierbar sind. Für eine ausführlichere Beschreibung von Ausleseverfahren dieser Art sei beispielsweise auf US 4.382.187 verwiesen.
Einige Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Röntgendetektor mit einem Eingangsfenster 2, das beispielsweise aus Aluminium, Titan oder glasartigem Kohlenstoff oder aus einem Leminat besteht, um für genügende Stärke und Röntgenstrahlungstransmission zu sorgen, und einem Ausgangswandabschnitt 4, der in diesem Fall als Vakuumwand und als Träger für einen Ausgangsschirm wirkt und der beispielsweise von einer Metallplatte gebildet wird. Das Eingangsfenster 2 und der Ausgangswandabschnitt 4 sind über Verbindungen 3 und 7 miteinander verbunden, über ein zylindrisches Gehäuse 6, das vorzugsweise einen rechteckigen oder insbesondere quadratischen Querschnitt hat und beispielsweise aus Edelstahl hergestellt ist. Ein auf diese Weise gebildetes evakuierbares Gehäuse 8 hat beispielsweise eine Dickenabmessung von höchstens etwa 5 cm für einen wirksamen Eingangsschirm mit einem Querschnitt von beispielsweise 40 x 40 cm² oder einem Querschnitt von beispielsweise etwa 40 x 60 cm², angepaßt an das Breiten/Höhen-Verhältnis eines herkömmlichen Fernsehmonitors.
In dem Gehäuse 8 befindet sich ein Eingangsschirm 10, der eine auf einem Träger 12 oder direkt auf das Eingangsfenster aufgebrachte Eingangslumineszenzbeschichtung 14 und eine Photokathode 16 umfaßt. Der Träger besteht beispielsweise aus Aluminium, und die Lumineszenzbeschichtung wird beispielsweise von einer strukturierten CsI-Beschichtung gebildet, wie in US 3.825.763 beschrieben.
In einem Abstand von beispielsweise 0,5 bis 1 cm von der Photokathode 16 gibt es einen Ausgangsschirm 18, der eine Konversionsbeschichtung 19 und eine integrale Schaltmatrix 20 hat, die beispielsweise als TFT-Matrix entworfen ist. Die Konversionsbeschichtung 19 ist hier direkt auf der Matrix 20 aufgebracht, eventuell unter Hinzufügung einer Trennschicht, die nicht näher angedeutet wird. Die in dem Gehäuse liegende Matrix kann über ein orthogonales System von Leitungen 21 und 22 ortsempfindlich aktiviert und ausgelesen werden. Eine Abschirmung oder eine Korrekturelektrode 24, beispielsweise in Form einer Ring- oder Gitterelektrode ist zwischen dem Eingangsschirm und dem Ausgangsschirm aufgenommen. Zwischen dem Eingangsschirm und dem Ausgangsschirm ist auch ein Kanalplattenverstärker aufgenommen, wobei der Verstärker ein verstärktes Photoelektronenstrahlenbündel, ohne es zu streuen, zum Ausgangsschirm lenkt.
Eine Kanalplatte dieser Art ermöglicht einen relativ großen Bereich an Verstärkungssteuerung mit relativ kleinen Potentialänderungen. Eine Detektormatrix 20 enthält eine Anzahl von beispielsweise 2000 x 2000 Bildelementen oder Pixels, die jeweils beispielsweise 0,2 × 0,2 mm² groß sind und vorzugsweise in einer orthogonalen Struktur angeordnet sind. Auslesen verläuft genau entsprechend, beispielsweise im wesentlichen, einem in US 4.382.187 beschriebenen Verfahren über das orthogonale Elektrodensystem 21, 22.
Die Konversionsbeschichtung 19 des Ausgangsschirms besteht beispielsweise aus amorphem Seien, aus porösem KCl oder einem anderen Material, das die Eigenschaft hat, daß ein einfallendes bildtragendes Strahlenbündel aus Photoelektronen in eine Potentialauslenkung an einer vorzugsweise gegenüberliegenden Oberfläche der Beschichtung umgewandelt wird. Hierzu ist es vorteilhaft, eine Potentialdifferenz zwischen einer Eingangsebene und einer Ausgangsebene der Konversionsbeschichtung anzulegen. Eine Potentialdifferenz dieser Art lenkt in der Beschichtung auftretende Ladungsträger, wodurch laterale Streuung begrenzt wird. Mit der veränderlichen Potentialdifferenz wird es außerdem möglich sein, Verstärkungssteuerung zu erhalten. Wenn eine amorphe Selenschicht als Konversionsbeschichtung verwendet wird, werden durch einfallende (Photo-)Elektronen Elektronen-Lech-Paare gebildet, wobei beispielsweise die Elektronen solcher Paare, die die Beschichtung relativ schnell durchlaufen, bei geeigneter Potentialdifferenz eine Potentialauslenkung an der Ausleseseite der Konversionsbeschichtung bilden.
Eine Potentialauslenkung dieser Art kann mit Hilfe der integralen Matrix direkt ausgelesen werden. Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Entwurfs ist, daß die Konversionsbeschichtung, da zuerst ein Photoelektronenstrahlenbündel gebildet wird, Röntgenquanten nicht direkt in Ladungsträger umwandeln muß, wodurch die Schicht viel dünner sein kann, beispielsweise 50 µm statt einiger Hundert µm. Außerdem kann mit Photoelektronen durch Elektronenbeschleunigung eine größere Bildverstärkung und größere Verstärkungsdynamik erhalten werden.
Obwohl der Konversionsprozeß physikalisch anders abläuft, wenn beispielsweise eine poröse KCl-Beschichtung mit einer Porosität von beispielsweise bis zu 95% verwendet wird, sind darin übertragene Ladungsträger - in diesem Fall noch mehr die Elektronen - auch imstande, Potentialauslenkung an der Ausleseseite zu berwirken. Die Verwendung einer porösen KCl-Beschichtung zum Bewirken von Potentialauslenkung durch einfallende Strahlung ist an sich aus einem Artikel von Schwada in Adv. Electr. and Electr. Physics 40A, 1972, S. 1061-1067 bekannt. In diesem Artikel wird die Beschichtung in einer Fernsehkameraröhre für lichtoptische Bilddetektion verwendet, wobei die gebildete Potentialauslenkung mit Hilfe eines Abtast-Elektronenstrahlenbündeis ausgelesen wird.

Claims

1. Röntgendetektor mit einem evakuierbaren Gehäuse (6, 2, 4, 3, 7), einem mit einer Lumineszenzbeschichtung (14) versehenen Eingangsschirm (10) und einem Ausgangsschirm (18) mit innerhalb des Gehäuse montierten Mitteln für ortsempfindliches Auslesen (20), dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschirm mit einer Konversionsbeschichtung (19) zur Konversion einfallender Elektronen in ein elektrisches Ledungsmuster versehen ist.

2. Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei der Eingangsschirm mit einer Photokathode (16) versehen ist, dadurch gekennzeichnet. daß sich zwischen der Photokathode (16) und der Konversionsbeschichtung (19) ein Vakuum befindet, über dem eine einstellbare Potentialdifferenz angelegt werden kann.

3. Röntgendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über der Konversionsbeschichtung eine einstellbare Potentialdifferenz angelegt werden kann.

4. Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konversionsbeschichtung im wesentlichen aus amorphem Selen besteht.

5. Röntgendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Selen beschichtung durch Dampfabscheidung aufgebracht wird und eine Dicke von etwa 50 µm hat.

6. Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konversionsbeschichtung im wesentlichen aus porösem KCl besteht.

7. Röntgendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet. daß die KCl- Beschichtung eine Porosität mit einem Füllfaktor bis zu höchstens etwa 10% aufweist.

8. Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel für ortsempfindliches Auslesen eine Schaltmatrix ist.

9. Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel für ortsempfindliches Auslesen eine Dünnfilmtransistor- Schaltmatrix ist.

10. Röntgenuntersuchunganlage für medizinische Zwecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage mit einem Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.