EP2612168A2 - Detection module for detecting radiation - Google Patents

Detection module for detecting radiation

Info

Publication number
EP2612168A2
EP2612168A2 EP11767159.4A EP11767159A EP2612168A2 EP 2612168 A2 EP2612168 A2 EP 2612168A2 EP 11767159 A EP11767159 A EP 11767159A EP 2612168 A2 EP2612168 A2 EP 2612168A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
detector
radiation detector
housing
separate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11767159.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerhard Lutz
Heike Soltau
Adrian Niculae
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pndetector GmbH
PNSensor GmbH
Original Assignee
Pndetector GmbH
PNSensor GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pndetector GmbH, PNSensor GmbH filed Critical Pndetector GmbH
Publication of EP2612168A2 publication Critical patent/EP2612168A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2928—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using solid state detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/2441—Semiconductor detectors, e.g. diodes
    • H01J2237/24415—X-ray
    • H01J2237/2442—Energy-dispersive (Si-Li type) spectrometer

Definitions

  • the invention relates to a detector module for radiation detection, in particular with a semiconductor drift detector.
  • detector modules which serve for radiation measurement and can be used, for example, in X-ray spectroscopy or in X-ray fluorescence analysis.
  • the conventional detector modules contain a semiconductor drift detector, which is arranged hermetically encapsulated in a housing, so that the detector module can also be operated in a protective gas atmosphere or under vacuum conditions.
  • the radiation to be detected enters the housing of the detector module through a radiation entrance window, where it strikes the semiconductor drift detector arranged inside the housing.
  • the semiconductor drift detector is the only electronic component which is arranged within the housing of the detector module, wherein the semiconductor drift detector can also have, for example, a read-out transistor which is either integrated into the sensor or adhesively connected thereto and / or or bonding is connected.
  • the semiconductor drift detector can also have, for example, a read-out transistor which is either integrated into the sensor or adhesively connected thereto and / or or bonding is connected.
  • other electronic components such as preamplifiers, sensors, and the like are disposed outside the housing of the detector module and are connected to the radiation detector via leads, which is associated with various disadvantages.
  • the relatively long lines between the radiation detector and the electronic components arranged outside the housing also lead to a speed loss during reading.
  • the relatively long lines between the radiation detector disposed in the housing and the electronic components located outside the housing can also lead to undesirable microphony.
  • Another problem of sealed detector modules is a possible deterioration of the detector properties, for example by technical defects (eg leakage of the housing, which leads to changes in the gas pressure or the gas composition within the inert gas atmosphere) or else by improper use (eg irradiation above the specified dose) , There is therefore a need to diagnose causes of possible changes in the detector properties without mechanical intervention (opening of the module housing).
  • technical defects eg leakage of the housing, which leads to changes in the gas pressure or the gas composition within the inert gas atmosphere
  • improper use eg irradiation above the specified dose
  • a heat sensor in which in the housing of the heat sensor additionally a JFET (JFET: Junction Field Effect Transistor) is arranged.
  • JFET Junction Field Effect Transistor
  • the heat sensor is not a generic radiation detector.
  • JP 2009-047467 AA a detector module is known, in which a semiconductor detector together with a Tem- temperature or humidity sensor is arranged in a common housing.
  • the semiconductor detector is not a drift detector according to the invention.
  • the invention is therefore based on the object of correspondingly improving the conventional detector modules described above.
  • the invention comprises the general technical teaching of arranging at least one further separate electronic component in the housing in addition to the radiation detector, wherein the spatial proximity between the radiation detector and the additionally arranged within the housing complex electronic component then leads to a correspondingly low capacity of the electrical connection ,
  • a separate electronic component used in the context of the invention is preferably based on the fact that the electronic component additionally arranged within the housing is separated from the semiconductor drift detector and designed as a separate component. To distinguish from this, for example, individual read-out transistors, which can be structurally integrated into the semiconductor detector.
  • a separate electronic component used in the context of the invention preferably refers to complex components (eg integrated circuits). which contain several components. To distinguish from this, for example, individual read-out transistors, which are connected to the semiconductor detector.
  • a separate electronic component is thus preferably on complex components, which are structurally separated from the radiation detector.
  • the housing of the detector module is gas-tight in order to enable operation of the detector module in a vacuum or in a protective gas atmosphere.
  • the separate electronic component integrated in the housing is a sensor which preferably measures a state variable prevailing inside the housing, the measured state variable preferably having an influence on the operating behavior of the radiation detector.
  • the sensor thus makes it possible to monitor the operating environment of the radiation detector in order to detect when the operating environment of the radiation detector within the housing changes in a manner which prevents proper operation of the radiation detector or at least requires countermeasures.
  • the senor may be a pressure sensor which measures a gas pressure prevailing inside the housing.
  • the sensor is a humidity sensor which measures a humidity prevailing inside the housing.
  • different ne types of sensors are arranged to measure different state variables within the housing.
  • the device integrated into the housing is a dosimeter, i. a radiation meter that measures a radiation dose (e.g., absorbed dose or equivalent dose).
  • a radiation dose e.g., absorbed dose or equivalent dose.
  • the dosimeter can be arranged here as a separate component within the housing.
  • a new independent idea of the invention is the integration of the dosimeter in the radiation detector by the possibility of measuring the radiation-induced oxide charge.
  • two types of structures are suitable, namely a MOS capacitance structure or a MOSFET structure whose operation is explained below.
  • MOS capacitance structure Metal Oxide Semiconductor
  • the capacitance is measured as a function of the bias voltage and the oxide charge is determined therefrom in a known manner, the change of which in the course of operation is in turn a measure of the integrated radiation dose.
  • MOS capacitance structures may be used, such as simple MOS capacitances with or without guard rings or gated diodes.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • the dosimeter may be arranged on the beam entry side and / or on the back side of the semiconductor detector. At the beam entrance side, it measures the radiation load caused by all the photon energies, while on the backside it only measures the damage from photons with energies above about 6 keV, since low energy photons are absorbed in the semiconductor substrate, the detector al so a "sift shielding" Has effect.
  • the semiconductor drift detector contains the most radiation-sensitive elements on the back. Therefore, the "self-shielding" effect is of particular advantage here.
  • dosimeters both at the beam entry side and at the rear. It should be noted, of course, that a collimator also located in the housing does not cover the dosimeter. This can be achieved by a corresponding shape of the Kol limators. If the dosimeter is arranged in the edge region of the radiation detector (sensor), the radiation detector must have a corresponding recess or a separate opening for the dosimeter. The dosimeter can also be formed in the sensitive area of the radiation detector as part of the radiation detector, so that no adaptation of the collimator is required.
  • the separate electronic component integrated in the housing is not a sensor, but rather an amplifier, a signal conditioner, an analog memory, an analog / digital converter or in general an integrated circuit, wherein the above-mentioned components process the output signal of the radiation detector.
  • Radiation detector is integrated.
  • the feedback capacitor is structurally separated from the radiation detector and integrated into the separate amplifier.
  • the amplifier usually has an input transistor, wherein also in terms of the arrangement of the input transistor within the scope of the invention again exist various possibilities.
  • the input transistor is integrated into the radiation detector, as may be the case, for example, with conventional semiconductor drift detectors.
  • the input transistor of the amplifier is disconnected from the radiation detector and integrated into the separate amplifier.
  • the integration of the amplifier in the housing offers the advantage that the electrical connection between the radiation detector and the amplifier is much shorter, resulting in a correspondingly low electrical capacity of the compound leads.
  • capacities of less than 1 pF, 500 fF, 300 fF, 200 fF or even less than 100 fF can be realized within the scope of the invention so that a charge-sensitive preamplifier can be connected to the radiation detector.
  • sensors e.g., humidity sensor, pressure sensor
  • amplifiers e.g., amplifiers
  • a temperature control element e.g., temperature sensor and peltier element
  • the separate electronic component for example, sensor, amplifier
  • the separate electronic component can be arranged inside the housing on the side of the radiation detector facing away from the radiation inlet window in order to avoid optical shading of the radiation detector by the additional electronic component.
  • the additional separate electronic component on the
  • Radiation inlet window facing side of the radiation detector is arranged, wherein the device is then arranged in the so-called “dead area", ie outside the Radiation path between the radiation entrance window and the radiation detector to avoid optical shading of the radiation detector by the additional integrated device.
  • the spatial arrangement of the separate component provides that the component is arranged laterally next to the radiation detector, in particular in a common plane with the radiation detector.
  • the radiation detector is mechanically connected to the separate electronic component (eg sensor, amplifier) and to a tempering element, in particular by means of an adhesive bond or a solder joint ("bump bonding"), which at the same time accomplished electrical contact.
  • a solder joint solder joint
  • an adhesive bond is used, which is electrically insulating, but thermally conductive, which is particularly useful if it is a connection with the Temper michselement.
  • the radiation detector may be electrically connected to the separate electronic component, in particular by wire-bonding or flip-chip bonding.
  • the detector module comprises a mechanical support element on which the separate electronic component (e.g., sensor, amplifier) is located.
  • the mechanical carrier element is preferably a ceramic carrier element.
  • the carrier element is substantially annular and has a center ne opening, wherein the radiation detector rests on the ringför shaped support member and the central opening of the Trä gerelements covers, so that the radiation detector can be contacted by di opening in the annular support member through electrical.
  • the term used in the invention of an annular support member does not assume that the support member is annular, but also includes polygonal support elements.
  • it may be a read-out electronics than ⁇ application specific integrated circuit (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) in the inte ⁇ th circuit is designed.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • a sensor may be mounted on the carrier element, in particular on the upper side of the carrier element, where the radiation detector is also mounted.
  • an additional heat conducting element may be provided, wherein the heat conducting element thermally connects the tempering element through the opening in the annular support member to the radiation detector.
  • the housing of the detector module according to the invention is preferably compact, wherein the compactness of the housing is not impaired by the integration of the additional component (eg sensor, dosimeter).
  • the housing is preferably optimized in its dimensions and its shape to the respective application, which is particularly advantageous for applications in electron microscopy and X-ray fluorescence zenzanalyse. Therefore, the housing preferably has an outer diameter which is only slightly larger than the sensitive surface of the radiation detector.
  • the outer diameter of the housing may be at most 15 mm with a sensitive area of the radiation detector of 10 mm 2 .
  • the outer diameter of the housing is at most 16mm at a sensitive area of the radiation detector of 30mm 2 .
  • another embodiment provides a sensitive area of 100 mm 2 with an outer diameter of at most 23 mm.
  • the term of a radiation detector used in the context of the invention is preferably based on semiconductor drift detectors, as are known per se from the prior art.
  • the radiation detector is preferably a silicon detector.
  • the radiation detector it is also possible for the radiation detector to be a CCD detector (CCD: charge-coupled device).
  • CCD charge-coupled device
  • Figure 1 is a cross-sectional view of an inventive
  • Detector module with a semiconductor drift detector 9 shows a modification of the embodiment of FIG. 1, a detector arrangement with an amplifier, the amplifier having a feedback capacitor integrated in the amplifier,
  • FIG. 4 shows a modification of FIG. 3, wherein the feedback capacitor is integrated into the radiation detector, a perspective view of a semiconductor drift detector according to the invention with an integrated read-out transistor, as well as a view of a combination of a temperature sensor and a dosimeter, which are integrated in the detector module.
  • 1 shows a detector module 1 according to the invention, which can be used, for example, in an X-ray spectrometer for X-ray fluorescence spectroscopy, which is known per se from the prior art and therefore does not need to be described in detail.
  • the detector module 1 For detecting the radiation, the detector module 1 has a semiconductor drift detector 2 which is arranged on a ceramic substrate 3, wherein the ceramic substrate 3 and thus also the semiconductor drift detector 2 can be cooled by a Peltier element 4 in order to achieve a constant operating temperature of the semiconductor drift detector during operation 2 to reach.
  • a collimator 5 At the top of the semiconductor drift detector 2 is a collimator 5, which is only schematically represented here as a welder.
  • the incident radiation shown in FIGS. 1 and 2 generates a radiation beam which impinges on the semiconductor drift detector 2.
  • the aforementioned components of the detector module 1 are hermetically encapsulated within a gas-tight housing 6, wherein the housing 6 consists essentially of a bottom plate 7 and a dome-shaped housing element 8, which is placed on the bottom plate 7.
  • the gas-tight encapsulation of the detector module 1 in the housing 6 makes it possible to operate the detector module 1 in a vacuum or under a protective gas atmosphere.
  • the housing 6 is thus partially evacuated, for example, with an internal pressure of less than 100 mbar.
  • the dome-shaped housing element 8 On its upper side, has a housing opening 9, wherein the housing opening 9 is closed gas-tight by a radiation entrance window 10.
  • the radiation entrance window 10 is permeable to the X-ray radiation to be detected, whereas the radiation entrance window 10 is impermeable to optical radiation, in particular in a wavelength range which is visible to humans.
  • the radiation entrance window 10 is in this case formed in a conventional manner and is in the assembled state on the peripheral edge of the housing opening 9, wherein the radiation entrance window 10 is connected by an adhesive connection 11 with the edge of the dome-shaped housing member 8.
  • a pressure sensor 12 is arranged within the housing 6, wherein the pressure sensor 12 measures the pressure prevailing inside the housing 6 pressure. In this way it is possible to continuously check the pressure tightness of the housing 6 during operation.
  • the pressure sensor 12 is in this case laterally next to the semiconductor drift detector 2 in a common plane with the semiconductor drift detector 2 is arranged. This offers the advantage that the incident radiation is not shaded by the pressure sensor 12. It should also be mentioned that the pressure sensor 12 is arranged on the upper side of the ceramic substrate 3 and is mechanically connected to the ceramic substrate 3.
  • an integrated circuit 13 which includes, inter alia, a read-out electronics for reading the radiation detector 2.
  • the integrated circuit 13 is embodied in this embodiment as an application-specific integrated circuit (ASIC: Application Specific Integrated Circuit).
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the assembly of the integrated circuit 13 takes place in this embodiment on the underside of the semiconductor drift detector 2, i. in the immediate vicinity of the semiconductor drift detector 2.
  • This offers the advantage that the electrical connection between the semiconductor drift detector 2 and the integrated circuit 13 is very short, so that this electrical connection has a very low electrical capacitance, which is associated with various advantages (eg improvement of the read speed, avoidance of microphony, enabling a charge-sensitive preamplifier).
  • the ceramic substrate 3 in this embodiment is annular and has an opening in the center, the semiconductor drift detector 2 rests on top of the ceramic substrate 3 and covers the opening in the ceramic substrate 3.
  • the opening in the annular ceramic substrate 3 offers the possibility that the integrated
  • Circuit 13 can be arranged directly on the underside of the semiconductor drift detector 2 within the opening in the annular ceramic substrate 3.
  • the embodiment of the invention described here is thus characterized in that in addition to the semiconductors drift detector 2 further electronic components and a cooling element within the housing 6 are arranged, namely the pressure sensor 12, the integrated circuit 13 and the Peltier element 4, the Temperature of the semiconductor drift detector 2 controls.
  • FIG. 2 shows a modification of the embodiment according to FIG. 1, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numbers being used for corresponding details.
  • a special feature of this exemplary embodiment initially consists in that a heat-conducting element 14, which thermally connects the semiconductor drift detector 2 to the Peltier element 4, is arranged within the opening of the annular ceramic substrate 3.
  • the heat-conducting element 14 thus improves the thermal contact between the semiconductor drift detector 2 on the one hand and the Peltier element 4 on the other hand, since the heat from the semiconductor drift detector 2 can flow not only via the ceramic substrate 3 to the Peltier element 4, but also via the heat-conducting element 14th
  • Another special feature of this embodiment is that the integrated circuit 13 is not mounted directly on the underside of the semiconductor drift detector 2.
  • FIG. 3 shows a greatly simplified illustration of the external wiring of the detector module 1 with an amplifier 18, wherein the detector module 1 is shown in simplified form only as a parallel circuit comprising a capacitor C and a diode D poled in reverse direction. Also, the external amplifier 18 is shown here only schematically in the form of a switch S, a feedback capacitor C RK and an actual amplifier V. In this exemplary embodiment, the feedback capacitor C RK is arranged in the amplifier 18, ie, separated from the detector module 1 outside the housing 6 of the detector module 1.
  • FIG. 4 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the feedback capacitor C RK is integrated in the detector module 1 and in particular in the semiconductor drift detector 2.
  • FIG. 5 shows a perspective view of an embodiment of the semiconductor drift detector 2 in ring form. It is essential here that the semiconductor drift detector 2 in this exemplary embodiment has an integrated output transistor T with a source S, a gate G and a drain D.
  • a collecting anode A and a back contact R are designated.
  • a dosimeter is integrated in the radiation detector 2 in order to measure the radiation dose of the incident radiation.
  • a Dosimeter can be attributed, for example, a possible increase in the dark current or / and a deterioration in the dielectric strength of the detector.
  • the dosimeter can optionally be arranged on the side of the semiconductor drift detector 2 facing the radiation entrance window 10 (ie outside) or on the side of the semiconductor drift detector 2 facing away from the radiation entrance window 10 (ie inside). If the dosimeter is located on the outside, the dosimeter measures all photon energies.
  • the dosimeter only detects photon energy above a minimum energy of, for example, 6 keV since low-energy photons are absorbed in the semiconductor substrate, so that the detector has a soap shielding effect.
  • the dosimeter is preferably arranged on both sides of the semiconductor drift detector 2 in order to be able to deduce the type (photon energy) of the radiation load.
  • the dosimeter has a MOS capacitance structure, which is known per se from the prior art.
  • the capacitance is measured as a function of the bias voltage in order to determine the oxide charge in a manner known per se.
  • the temporal change of the oxide charge then forms a measure of the integrated radiation dose.
  • the dosimeter has a MOSFET structure, it being possible to deduce the radiation dose directly from the temporal change of the threshold voltage.
  • the MOSFET structure has the advantage of a significantly smaller size than the MOS capacitance structure. space requirements and can be easily placed without enlarging the module housing.
  • FIG. 6 shows the example of a combination of a temperature measuring diode and a dosimeter based on a MOSFET.
  • the temperature is determined by the current of the forward biased diode (inner n + contact and inner p + contact).
  • the outer p + contact can be used as a guard ring.
  • the MOS gate between the two p + rings, which are connected as source and drain, is in this example designed as a poly gate, but could also be an aluminum gate.
  • the threshold voltage change from the initial state of the transistor is a measure of the accumulated radiation dose.

Abstract

The invention relates to a detection module (1) having a radiation detector (2), in particular a semiconductor drift detector, for detecting radiation, and having a housing (6) having a radiation entry window (10), wherein the radiation detector (2) is arranged in the housing (6) and the radiation to be detected passes from the outside through the radiation entry window (10) and is incident on the radiation detector (2). According to the invention, at least one separate electronic component (12, 13, 15) is also arranged in the housing (6).

Description

BESCHREIBUNG Detektormodul zur Strahlungsdetektion  DESCRIPTION Detector module for radiation detection
Die Erfindung betrifft ein Detektormodul zur Strahlungsdetektion, insbesondere mit einem Halbleiterdriftdetektor. Aus dem Stand der Technik sind Detektormodule bekannt, die zur Strahlungsmessung dienen und beispielsweise bei der Rönt- genspektroskopie oder bei der Röntgenfluoreszenzanalyse eingesetzt werden können. Die herkömmlichen Detektormodule ent¬ halten einen Halbleiterdriftdetektor, der in einem Gehäuse hermetisch gekapselt angeordnet ist, so dass das Detektormo¬ dul auch in einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuumbedingungen betrieben werden kann. Die zu detektierende Strahlung tritt hierbei durch ein Strahlungseintrittsfenster in das Gehäuse des Detektormoduls ein und trifft dort auf den inner- halb des Gehäuses angeordneten Halbleiterdriftdetektor. Bei den herkömmlichen Detektormodulen der vorstehend beschriebenen Art ist der Halbleiterdriftdetektor das einzige elektronische Bauteil, das innerhalb des Gehäuses des Detektormoduls angeordnet ist, wobei der Halbleiterdriftdetektor beispiels- weise auch einen Auslesetransistor aufweisen kann, der entweder in den Sensor integriert oder mit diesem durch Klebung und/oder Bonding verbunden ist. Andere elektronische Bauelemente, wie beispielsweise Vorverstärker, Sensoren und Ähnliches sind dagegen außerhalb des Gehäuses des Detektormoduls angeordnet und über Leitungen mit dem Strahlungsdetektor verbunden, was mit verschiedenen Nachteilen verbunden ist. The invention relates to a detector module for radiation detection, in particular with a semiconductor drift detector. From the state of the art, detector modules are known which serve for radiation measurement and can be used, for example, in X-ray spectroscopy or in X-ray fluorescence analysis. The conventional detector modules contain a semiconductor drift detector, which is arranged hermetically encapsulated in a housing, so that the detector module can also be operated in a protective gas atmosphere or under vacuum conditions. In this case, the radiation to be detected enters the housing of the detector module through a radiation entrance window, where it strikes the semiconductor drift detector arranged inside the housing. In the conventional detector modules of the type described above, the semiconductor drift detector is the only electronic component which is arranged within the housing of the detector module, wherein the semiconductor drift detector can also have, for example, a read-out transistor which is either integrated into the sensor or adhesively connected thereto and / or or bonding is connected. On the other hand, other electronic components, such as preamplifiers, sensors, and the like are disposed outside the housing of the detector module and are connected to the radiation detector via leads, which is associated with various disadvantages.
Zum einen weist die elektrische Verbindung zwischen dem For one thing, the electrical connection between the
Strahlungsdetektor und der außerhalb des Gehäuses liegenden Ausleseelektronik; aufgrund ihrer relativ großen Leitungslänge eine entsprechend große Kapazität auf, was den Anschluss eines ladungsempfindlichen Vorverstärkers erschwert oder gar unmöglich macht. Radiation detector and the outside of the housing lying Readout electronics; due to their relatively large line length on a correspondingly large capacity, which makes the connection of a charge-sensitive preamplifier difficult or even impossible.
Zum anderen führen die relativ langen Leitungen zwischen dem Strahlungsdetektor und den außerhalb des Gehäuses angeordneten elektronischen Bauelementen auch zu einem Geschwindigkeitsverlust beim Auslesen. On the other hand, the relatively long lines between the radiation detector and the electronic components arranged outside the housing also lead to a speed loss during reading.
Schließlich können die relativ langen Leitungen zwischen den in dem Gehäuse angeordneten Strahlungsdetektor und den außerhalb des Gehäuses befindlichen elektronischen Bauelementen auch zu einer unerwünschten Mikrophonie führen. Finally, the relatively long lines between the radiation detector disposed in the housing and the electronic components located outside the housing can also lead to undesirable microphony.
Ein weiteres Problem von verschlossenen Detektormodulen ist eine mögliche Verschlechterung der Detektoreigenschaften, beispielsweise durch technische Defekte (z.B. Undichtigkeit des Gehäuses, was zu Veränderungen des Gasdruckes oder der Gaszusammensetzung innerhalb der Schutzgasatmosphäre führt) oder aber auch durch unsachgemäße Verwendung (z.B. Bestrahlung über der spezifizierten Dosis) . Es besteht daher das Bedürfnis, Ursachen möglicher Änderungen der Detektoreigenschaften ohne mechanische Eingriffe (Öffnung des Modulgehäu- ses) zu diagnostizieren. Another problem of sealed detector modules is a possible deterioration of the detector properties, for example by technical defects (eg leakage of the housing, which leads to changes in the gas pressure or the gas composition within the inert gas atmosphere) or else by improper use (eg irradiation above the specified dose) , There is therefore a need to diagnose causes of possible changes in the detector properties without mechanical intervention (opening of the module housing).
Aus DE 94 19 603 Ul ist ein Wärmesensor bekannt, bei dem in dem Gehäuse des Wärmesensors zusätzlich ein JFET (JFET: Junc- tion Field Effect Transistor) angeordnet ist. Bei dem Wärme- sensor handelt es sich jedoch nicht um einen gattungsgemäßen Strahlungsdetektor . From DE 94 19 603 Ul a heat sensor is known, in which in the housing of the heat sensor additionally a JFET (JFET: Junction Field Effect Transistor) is arranged. However, the heat sensor is not a generic radiation detector.
Weiterhin ist aus JP 2009-047467 AA ein Detektormodul bekannt, bei dem ein Halbleiterdetektor zusammen mit einem Tem- peratur- oder Feuchtigkeitssensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Hierbei handelt es sich bei dem Halbeiterdetektor jedoch nicht um einen erfindungsgemäßen Driftdetektor . Furthermore, from JP 2009-047467 AA a detector module is known, in which a semiconductor detector together with a Tem- temperature or humidity sensor is arranged in a common housing. However, the semiconductor detector is not a drift detector according to the invention.
Ferner ist zum Stand der Technik hinzuweisen auf DE 198 46 254 C2, DE 196 16 549 AI und EP 0 473 125 A2. Furthermore, reference is made to DE 198 46 254 C2, DE 196 16 549 A1 and EP 0 473 125 A2 to the state of the art.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die ein- gangs beschriebenen herkömmlichen Detektormodule entsprechend zu verbessern. The invention is therefore based on the object of correspondingly improving the conventional detector modules described above.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Detektormodul gemäß dem Hauptanspruch gelöst. This object is achieved by an inventive detector module according to the main claim.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, zusätzlich zu dem Strahlungsdetektor mindestens ein weiteres separates elektronisches Bauelement in dem Gehäuse anzuordnen, wobei die räumliche Nähe zwischen dem Strahlungsdetektor und dem zusätzlich innerhalb des Gehäuses angeordneten komplexen elektronischen Bauelement dann zu einer entsprechend geringen Kapazität der elektrischen Verbindung führt. The invention comprises the general technical teaching of arranging at least one further separate electronic component in the housing in addition to the radiation detector, wherein the spatial proximity between the radiation detector and the additionally arranged within the housing complex electronic component then leads to a correspondingly low capacity of the electrical connection ,
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines separa- ten elektronischen Bauelements stellt vorzugsweise darauf ab, dass das innerhalb des Gehäuses zusätzlich angeordnete elektronische Bauelement von dem Halbleiterdriftdetektor getrennt und als eigenes Bauelement ausgebildet ist. Davon zu unterscheiden sind beispielsweise einzelne Auslesetransistoren, die in den Halbleiterdetektor baulich integriert sein können. The term of a separate electronic component used in the context of the invention is preferably based on the fact that the electronic component additionally arranged within the housing is separated from the semiconductor drift detector and designed as a separate component. To distinguish from this, for example, individual read-out transistors, which can be structurally integrated into the semiconductor detector.
Darüber hinaus stellt der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines separaten elektronischen Bauelements vorzugsweise auf komplexe Bauelemente (z.B. integrierte Schaltungen) ab, die mehrere Komponenten enthalten. Davon zu unterscheiden sind beispielsweise einzelne Auslesetransistoren, die mit dem Halbleiterdetektor verbunden sind. Moreover, the term of a separate electronic component used in the context of the invention preferably refers to complex components (eg integrated circuits). which contain several components. To distinguish from this, for example, individual read-out transistors, which are connected to the semiconductor detector.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines separaten elektronischen Bauelements stellt also vorzugsweise auf komplexe Bauelemente ab, die von dem Strahlungsdetektor baulich getrennt sind. The term used in the context of the invention of a separate electronic component is thus preferably on complex components, which are structurally separated from the radiation detector.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuse des Detektormoduls gasdicht, um einen Betrieb des Detektormoduls in einem Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre zu ermöglichen. In a preferred embodiment of the invention, the housing of the detector module is gas-tight in order to enable operation of the detector module in a vacuum or in a protective gas atmosphere.
In einer Variante der Erfindung handelt es sich bei dem in das Gehäuse integrierten separaten elektronischen Bauelement um einen Sensor, der vorzugsweise eine innerhalb des Gehäuses herrschende Zustandsgröße misst, wobei die gemessene Zu- standsgröße vorzugsweise einen Einfluss auf das Betriebsverhalten des Strahlungsdetektors hat. Der Sensor ermöglicht es also, die Betriebsumgebung des Strahlungsdetektors zu überwachen, um erkennen zu können, wenn sich die Betriebsumgebung des Strahlungsdetektors innerhalb des Gehäuses in einer Weise ändert, die einen ordnungsgemäßen Betrieb des Strahlungsdetektors verhindert oder zumindest Gegenmaßnahmen erforderlich macht . In a variant of the invention, the separate electronic component integrated in the housing is a sensor which preferably measures a state variable prevailing inside the housing, the measured state variable preferably having an influence on the operating behavior of the radiation detector. The sensor thus makes it possible to monitor the operating environment of the radiation detector in order to detect when the operating environment of the radiation detector within the housing changes in a manner which prevents proper operation of the radiation detector or at least requires countermeasures.
Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor handeln, der einen innerhalb des Gehäuses herrschenden Gasdruck misst. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass der Sensor ein Feuchtigkeitssensor ist, der eine innerhalb des Gehäuses herrschende Feuchtigkeit misst. Darüber hinaus können innerhalb des Gehäuses auch verschiede- ne Typen von Sensoren angeordnet werden, um unterschiedliche Zustandsgrößen innerhalb des Gehäuses zu messen. By way of example, the sensor may be a pressure sensor which measures a gas pressure prevailing inside the housing. Alternatively, however, there is also the possibility that the sensor is a humidity sensor which measures a humidity prevailing inside the housing. In addition, different ne types of sensors are arranged to measure different state variables within the housing.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass es sich bei dem in das Gehäuse integrierten Bauelement um ein Dosimeter handelt, d.h. um ein Strahlungsmessgerät, das eine Strahlendosis (z.B. Energiedosis oder Äquivalentdosis) misst. Mit einem derartigen Dosimeter kann beispielsweise eine mögliche Erhöhung des Dunkelstroms oder/und eine Verschlechterung der Spannungsfestigkeit des Detektors auf zu hohe Strahlungsbelastung zurückgeführt werden. Das Dosimeter kann hierbei als separates Bauelement innerhalb des Gehäuses angeordnet werden. Furthermore, within the scope of the invention, there is the possibility that the device integrated into the housing is a dosimeter, i. a radiation meter that measures a radiation dose (e.g., absorbed dose or equivalent dose). With such a dosimeter, for example, a possible increase in the dark current or / and a deterioration in the dielectric strength of the detector can be attributed to excessive radiation exposure. The dosimeter can be arranged here as a separate component within the housing.
Ein neuer eigenständiger Erfindungsgedanke ist die Integration des Dosimeters in den Strahlungsdetektor durch die Möglichkeit der Messung der strahlungsinduzierten Oxidladung. Dafür sind unter anderen zweierlei Strukturen geeignet, nämlich eine MOS-Kapazitätsstruktur oder eine MOSFET-Struktur deren Funktionsweise im Folgenden erklärt wird. A new independent idea of the invention is the integration of the dosimeter in the radiation detector by the possibility of measuring the radiation-induced oxide charge. For this purpose, two types of structures are suitable, namely a MOS capacitance structure or a MOSFET structure whose operation is explained below.
Bei der MOS-Kapazitätsstruktur (MOS: Metal Oxide Semiconduc- tor) wird die Kapazität als Funktion der Vorspannung gemessen und daraus nach bekannter Weise die Oxidladung bestimmt, deren Veränderung im Laufe des Betriebes ihrerseits ein Maß für die integrierte Strahlungsdosis ist. Hierbei können verschiedene Variationen von MOS-Kapazitätsstrukturen verwendet werden, wie beispielsweise einfache MOS-Kapazitäten mit oder ohne Schutzringen oder "gated diodes". In the case of the MOS capacitance structure (MOS: Metal Oxide Semiconductor), the capacitance is measured as a function of the bias voltage and the oxide charge is determined therefrom in a known manner, the change of which in the course of operation is in turn a measure of the integrated radiation dose. Various variations of MOS capacitance structures may be used, such as simple MOS capacitances with or without guard rings or gated diodes.
Bei der MOSFET-Struktur (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) kann man aus der Schwellenspannungsänderung direkt auf die integrierte Strahlungsdosis schließen. Der MOSFET hat gegenüber der MOS-Kapazität den Vorteil wesentlich kleineren Platzbedarfes und kann so leicht, ohne Vergrößerung des Modulgehäuses platziert werden. Hierbei kön nen verschiedene MOSFET-Typen verwendet werden, wie beispielsweise n-Kanal-MOSFETs oder p-Kanal-MOSFETs , "enhance- ment"-MOSFETs oder "depletion"-MOSFETs und MOSFETs mit offener (linearer) oder geschlossener (zirkularer) Geometrie. In the case of the MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) structure, it is possible to directly deduce the integrated radiation dose from the threshold voltage change. The MOSFET has the advantage over the MOS capacitance much smaller footprint and can be easily placed without enlargement of the module housing. Various types of MOSFETs may be used, such as n-channel MOSFETs or p-channel MOSFETs, enhancement MOSFETs or depletion MOSFETs, and open (linear) or closed (circular) geometry MOSFETs ,
Das Dosimeter kann auf der Strahleintrittsseite und/oder auf der Rückseite des Halbleiterdetektors angeordnet sein. Auf der Strahleintrittsseite misst es die Strahlungsbelastung hervorgerufen durch alle Photonenenergien, während es auf de Rückseite nur die Schäden durch Photonen mit Energien über typischerweise etwa 6 keV misst, da niederenergetische Photo nen im Halbleitersubstrat absorbiert werden, der Detektor al so einen "Seif shielding"-Effekt hat. Beim Halbleiter- Driftdetektor befinden sich die strahlungssensitivsten Elemente auf der Rückseite. Daher ist hier der "Self-shielding" Effekt von besonderem Vorteil. The dosimeter may be arranged on the beam entry side and / or on the back side of the semiconductor detector. At the beam entrance side, it measures the radiation load caused by all the photon energies, while on the backside it only measures the damage from photons with energies above about 6 keV, since low energy photons are absorbed in the semiconductor substrate, the detector al so a "sift shielding" Has effect. The semiconductor drift detector contains the most radiation-sensitive elements on the back. Therefore, the "self-shielding" effect is of particular advantage here.
Um eine mögliche unsachgemäße Verwendung des Detektors zu di agnostizieren, ist es empfehlenswert, sowohl an der Strahleintrittsseite als auch an der Rückseite Dosimeter zu integrieren. Zu beachten ist dabei natürlich, dass ein ebenfalls im Gehäuse befindlicher Kollimator die Dosimeter nicht abdeckt. Dies kann durch eine entsprechende Formgebung des Kol limators erreicht werden. Ist das Dosimeter im Randbereich des Strahlungsdetektors (Sensors) angeordnet, so muss der Strahlungsdetektor eine entsprechende Aussparung oder eine separate Öffnung für das Dosimeter aufweisen. Das Dosimeter kann aber auch im sensitiven Bereich des Strahlungsdetektors als Teil des Strahlungsdetektors ausgebildet sein, so dass keine Anpassung des Kollimators erforderlich ist. In einer anderen Variante der Erfindung handelt es sich bei dem in das Gehäuse integrierten separaten elektronischen Bauelement dagegen nicht um einen Sensor, sondern um einen Verstärker, einen Signalformer, einen Analogspeicher, einen Ana- log/Digital-Wandler oder allgemein um eine integrierte Schaltung, wobei die vorstehend genannten Bauelemente das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors verarbeiten. In order to diagnose a possible improper use of the detector, it is advisable to integrate dosimeters both at the beam entry side and at the rear. It should be noted, of course, that a collimator also located in the housing does not cover the dosimeter. This can be achieved by a corresponding shape of the Kol limators. If the dosimeter is arranged in the edge region of the radiation detector (sensor), the radiation detector must have a corresponding recess or a separate opening for the dosimeter. The dosimeter can also be formed in the sensitive area of the radiation detector as part of the radiation detector, so that no adaptation of the collimator is required. In another variant of the invention, however, the separate electronic component integrated in the housing is not a sensor, but rather an amplifier, a signal conditioner, an analog memory, an analog / digital converter or in general an integrated circuit, wherein the above-mentioned components process the output signal of the radiation detector.
Bei der baulichen Integration eines separaten Verstärkers in das Gehäuse des Detektormoduls weist der Verstärker in derIn the structural integration of a separate amplifier in the housing of the detector module, the amplifier in the
Regel einen Rückkopplungskondensator auf, wobei hinsichtlich der Anordnung des Rückkopplungskondensators im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten bestehen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Rückkopplungskondensator in den Usually a feedback capacitor, wherein in terms of the arrangement of the feedback capacitor in the context of the invention, there are various possibilities. One possibility is that the feedback capacitor in the
Strahlungsdetektor integriert ist. Eine andere Möglichkeit besteht dagegen darin, dass der Rückkopplungskondensator baulich von dem Strahlungsdetektor getrennt und in den separaten Verstärker integriert ist. Darüber hinaus weist der Verstärker in der Regel einen Eingangstransistor auf, wobei auch hinsichtlich der Anordnung des Eingangstransistors im Rahmen der Erfindung wieder verschiedene Möglichkeiten bestehen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Eingangstransistor in den Strahlungsdetektor integriert ist, wie es beispielsweise auch bei herkömmlichen Halbleiterdriftdetektoren der Fall sein kann. Eine andere Möglichkeit besteht dagegen darin, dass der Eingangstransistor des Verstärkers von dem Strahlungsdetektor getrennt und in den separaten Verstärker integriert ist. Radiation detector is integrated. On the other hand, another possibility is that the feedback capacitor is structurally separated from the radiation detector and integrated into the separate amplifier. In addition, the amplifier usually has an input transistor, wherein also in terms of the arrangement of the input transistor within the scope of the invention again exist various possibilities. One possibility is that the input transistor is integrated into the radiation detector, as may be the case, for example, with conventional semiconductor drift detectors. On the other hand, another possibility is that the input transistor of the amplifier is disconnected from the radiation detector and integrated into the separate amplifier.
Es wurde bereits vorstehend darauf hingewiesen, dass die Integration des Verstärkers in das Gehäuse den Vorteil bietet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Strahlungsdetektor und dem Verstärker wesentlich kürzer ist, was zu einer entsprechend geringen elektrischen Kapazität der Verbindung führt. So lassen sich im Rahmen der Erfindung beispielsweise Kapazitäten von weniger als 1 pF, 500 fF, 300 fF, 200 fF oder sogar weniger als lOOfF realisieren, so dass ein ladungsemp- findlicher Vorverstärker an den Strahlungsdetektor angeschlossen werden kann. It has already been pointed out above that the integration of the amplifier in the housing offers the advantage that the electrical connection between the radiation detector and the amplifier is much shorter, resulting in a correspondingly low electrical capacity of the compound leads. Thus, for example, capacities of less than 1 pF, 500 fF, 300 fF, 200 fF or even less than 100 fF can be realized within the scope of the invention so that a charge-sensitive preamplifier can be connected to the radiation detector.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die vorstehend beschriebenen Varianten der Erfindung mit den verschiedenen Typen von in das Gehäuse integrierten separaten elektronischen Bauelementen auch miteinander kombiniert werden können. So ist es beispielsweise im Rahmen der Erfindung möglich, Sensoren (z.B. Feuchtigkeitssensor, Drucksensor), Verstärker und ein Temperierungselement (z.B. Temperatursensor und Pel- tier-Element ) gemeinsam innerhalb des Gehäuses des Detektormoduls anzuordnen. In this connection, it should be mentioned that the variants of the invention described above can also be combined with the different types of separate electronic components integrated in the housing. For example, within the scope of the invention, it is possible to arrange sensors (e.g., humidity sensor, pressure sensor), amplifiers, and a temperature control element (e.g., temperature sensor and peltier element) together within the housing of the detector module.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass hinsichtlich der räumlichen Anordnung des separaten elektronischen Bauelements innerhalb des Gehäuses verschiedene Möglichkeiten bestehen, die im Folgenden kurz beschrieben werden. It should also be mentioned that, with regard to the spatial arrangement of the separate electronic component, there are various possibilities within the housing, which are briefly described below.
So kann das separate elektronische Bauelement (z.B. Sensor, Verstärker) innerhalb des Gehäuses auf der dem Strahlungsein- trittsfenster abgewandten Seite des Strahlungsdetektors angeordnet werden, um eine optische Abschattung des Strahlungsdetektors durch das zusätzliche elektronische Bauelement zu vermeiden . Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass das zusätzliche separate elektronische Bauelement auf der dem Thus, the separate electronic component (for example, sensor, amplifier) can be arranged inside the housing on the side of the radiation detector facing away from the radiation inlet window in order to avoid optical shading of the radiation detector by the additional electronic component. Alternatively, however, there is also the possibility that the additional separate electronic component on the
Strahlungseintrittsfenster zugewandten Seite des Strahlungsdetektors angeordnet ist, wobei das Bauelement dann in dem sogenannten "toten Gebiet" angeordnet ist, d.h. außerhalb des Strahlungswegs zwischen dem Strahlungseintrittsfenster und dem Strahlungsdetektor, um eine optische Abschattung des Strahlungsdetektors durch das zusätzlich integrierte Bauelement zu vermeiden. Radiation inlet window facing side of the radiation detector is arranged, wherein the device is then arranged in the so-called "dead area", ie outside the Radiation path between the radiation entrance window and the radiation detector to avoid optical shading of the radiation detector by the additional integrated device.
Eine weitere Möglichkeit zur räumlichen Anordnung des separaten Bauelements sieht dagegen vor, dass das Bauelement seitlich neben dem Strahlungsdetektor angeordnet ist, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene mit dem Strahlungsdetektor. On the other hand, a further possibility for the spatial arrangement of the separate component provides that the component is arranged laterally next to the radiation detector, in particular in a common plane with the radiation detector.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass der Strahlungsdetektor mechanisch mit dem separaten e- lektronischen Bauelement (z.B. Sensor, Verstärker) sowie einem Temperierungselement verbunden ist, insbesondere durch eine Klebeverbindung oder eine Lötverbindung ("bump- bonding"), die gleichzeitig die elektrische Kontaktierung bewerkstelligt. Vorzugsweise wird hierbei eine Klebeverbindung eingesetzt, die elektrisch isolierend, aber thermisch leitfähig ist, was insbesondere dann sinnvoll ist, wenn es sich um eine Verbindung mit dem Temperierungselement handelt. Furthermore, within the scope of the invention, it is possible for the radiation detector to be mechanically connected to the separate electronic component (eg sensor, amplifier) and to a tempering element, in particular by means of an adhesive bond or a solder joint ("bump bonding"), which at the same time accomplished electrical contact. Preferably, in this case an adhesive bond is used, which is electrically insulating, but thermally conductive, which is particularly useful if it is a connection with the Temperierungselement.
Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass der Strahlungsdetektor elektrisch mit dem separaten elektronischen Bauelement verbunden ist, insbesondere durch Wire-Bonding oder Flip-Chip-Bonding. Moreover, within the scope of the invention it is also possible for the radiation detector to be electrically connected to the separate electronic component, in particular by wire-bonding or flip-chip bonding.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Detektormodul ein mechanisches Trägerelement auf, auf dem das separate elektronische Bauelement (z.B. Sensor, Verstärker) angeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mechanischen Trägerelement um ein keramisches Trägerelement. In a preferred embodiment of the invention, the detector module comprises a mechanical support element on which the separate electronic component (e.g., sensor, amplifier) is located. The mechanical carrier element is preferably a ceramic carrier element.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Trägerelement im Wesentlichen ringförmig und weist mittig ei- ne Öffnung auf, wobei der Strahlungsdetektor auf dem ringför migen Trägerelement aufliegt und die mittige Öffnung des Trä gerelements abdeckt, so dass der Strahlungsdetektor durch di Öffnung in dem ringförmigen Trägerelement hindurch elektrisc kontaktiert werden kann. Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines ringförmigen Trägerelements setzt hierbei nicht voraus, dass das Trägerelement kreisringförmig ist, sondern umfasst auch polygonförmige Trägerelemente. In the preferred embodiment of the invention, the carrier element is substantially annular and has a center ne opening, wherein the radiation detector rests on the ringför shaped support member and the central opening of the Trä gerelements covers, so that the radiation detector can be contacted by di opening in the annular support member through electrical. The term used in the invention of an annular support member does not assume that the support member is annular, but also includes polygonal support elements.
Bei einem solchen ringförmigen Trägerelement besteht die Möglichkeit, dass beispielsweise eine integrierte Schaltung in¬ nerhalb der Öffnung des ringförmigen Trägerelements angeord¬ net und mechanisch und elektrisch mit dem Strahlungsdetektor verbunden ist. Beispielsweise kann es sich bei der integrier¬ ten Schaltung um eine Ausleseelektronik handeln, die als an¬ wendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) ausgebildet ist. In such an annular support member, it is possible that, for example, an integrated circuit in ¬ within the opening of the annular support member angeord ¬ net and is mechanically and electrically connected to the radiation detector. For example, it may be a read-out electronics than ¬ application specific integrated circuit (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) in the inte ¬ th circuit is designed.
Darüber hinaus kann ein Sensor an dem Trägerelement angebracht sein, insbesondere an der Oberseite des Trägerelements, wo auch der Strahlungsdetektor angebracht ist. In addition, a sensor may be mounted on the carrier element, in particular on the upper side of the carrier element, where the radiation detector is also mounted.
Innerhalb der Öffnung des ringförmigen Trägerelements kann ein zusätzliches Wärmeleitelement vorgesehen werden, wobei das Wärmeleitelement das Temperierungselement durch die Öffnung in dem ringförmigen Trägerelement hindurch thermisch mi dem Strahlungsdetektor verbindet. Within the opening of the annular support member, an additional heat conducting element may be provided, wherein the heat conducting element thermally connects the tempering element through the opening in the annular support member to the radiation detector.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass das Gehäuse des erfindungsgemäßen Detektormoduls vorzugsweise kompakt ist, wobei die Kompaktheit des Gehäuses durch die Integration des zusätzlichen Bauelements (z.B. Sensor, Dosimeter) nicht beeinträchtigt wird. Hierbei ist das Gehäuse vorzugsweise in seinen Ausmaßen und seiner Form auf die jeweilige Anwendung hin optimiert, was insbesondere für Anwendungen in der Elektronenmikroskopie und der Röntgenfluores zenzanalyse vorteilhaft ist. Das Gehäuse weist deshalb vorzugsweise einen Außendurchmesser auf, der nur wenig größer ist als die sensitive Fläche des Strahlungsdetektors. Beispielsweise kann der Außendurchmesser des Gehäuses höchstens 15mm betragen bei einer sensitiven Fläche des Strahlungsdetektors von 10mm2. In einem anderen Ausführungsbeispiel beträgt der Außendurchmesser des Gehäuses höchstens 16mm bei einer sensitiven Fläche des Strahlungsdetektors von 30mm2. Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht dagegen eine sensitive Fläche von 100mm2 bei einem Außendurchmesser von höchstens 23mm vor. It should also be mentioned that the housing of the detector module according to the invention is preferably compact, wherein the compactness of the housing is not impaired by the integration of the additional component (eg sensor, dosimeter). In this case, the housing is preferably optimized in its dimensions and its shape to the respective application, which is particularly advantageous for applications in electron microscopy and X-ray fluorescence zenzanalyse. Therefore, the housing preferably has an outer diameter which is only slightly larger than the sensitive surface of the radiation detector. For example, the outer diameter of the housing may be at most 15 mm with a sensitive area of the radiation detector of 10 mm 2 . In another embodiment, the outer diameter of the housing is at most 16mm at a sensitive area of the radiation detector of 30mm 2 . In contrast, another embodiment provides a sensitive area of 100 mm 2 with an outer diameter of at most 23 mm.
Schließlich ist zu erwähnen, dass der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Strahlungsdetektors vorzugsweise auf Halbleiterdriftdetektor abstellt, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Allgemein lässt sich sagen, dass der Strahlungsdetektor vorzugsweise ein Siliziumdetektor ist. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass es sich bei dem Strahlungsdetektor um einen CCD-Detektor (CCD: Charge-coupled device) handelt. Ferner ist zu erwähnen, dass der Strahlungsdetektor in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Detektion von Röntgenstrahlung und/oder Teilchenstrahlung ermöglicht. Finally, it should be mentioned that the term of a radiation detector used in the context of the invention is preferably based on semiconductor drift detectors, as are known per se from the prior art. In general, it can be said that the radiation detector is preferably a silicon detector. However, within the scope of the invention it is also possible for the radiation detector to be a CCD detector (CCD: charge-coupled device). It should also be mentioned that the radiation detector in the preferred embodiment enables a detection of X-radiation and / or particle radiation.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are explained in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Show it:
Figur 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Figure 1 is a cross-sectional view of an inventive
Detektormoduls mit einem Halbleiterdriftdetektor, 9 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1, eine Detektoranordnung mit einem Verstärker, wobei der Verstärker einen Rückkopplungskondensator aufweist, der in den Verstärker integriert ist, Detector module with a semiconductor drift detector, 9 shows a modification of the embodiment of FIG. 1, a detector arrangement with an amplifier, the amplifier having a feedback capacitor integrated in the amplifier,
Figur 4 eine Abwandlung von Figur 3, wobei der Rückkopplungskondensator in den Strahlungsdetektor integ- riert ist, eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterdriftdetektors mit einem integrierten Auslesetransistor, sowie eine Aufsicht auf eine Kombination eines Tempera tursensors und eines Dosimeter, die in das Detek tormodul integriert sind. Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Detektormodul 1, das beispielsweise in einem Röntgenspektrometer zur Röntgenfluo- reszenzspektroskopie eingesetzt werden kann, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss. FIG. 4 shows a modification of FIG. 3, wherein the feedback capacitor is integrated into the radiation detector, a perspective view of a semiconductor drift detector according to the invention with an integrated read-out transistor, as well as a view of a combination of a temperature sensor and a dosimeter, which are integrated in the detector module. 1 shows a detector module 1 according to the invention, which can be used, for example, in an X-ray spectrometer for X-ray fluorescence spectroscopy, which is known per se from the prior art and therefore does not need to be described in detail.
Das Detektormodul 1 weist zur Strahlungsdetektion einen Halbleiterdriftdetektor 2 auf, der auf einem Keramiksubstrat 3 angeordnet ist, wobei das Keramiksubstrat 3 und damit auch der Halbleiterdriftdetektor 2 von einem Peltier-Element 4 ge- kühlt werden kann, um im Betrieb eine möglichst konstante Betriebstemperatur des Halbleiterdriftdetektors 2 zu erreichen. For detecting the radiation, the detector module 1 has a semiconductor drift detector 2 which is arranged on a ceramic substrate 3, wherein the ceramic substrate 3 and thus also the semiconductor drift detector 2 can be cooled by a Peltier element 4 in order to achieve a constant operating temperature of the semiconductor drift detector during operation 2 to reach.
An der Oberseite des Halbleiterdriftdetektors 2 befindet sich ein Kollimator 5, der aus der hier nur schematisch als Wel- EP2011/004439 lenlinien gezeigten einfallenden Strahlung ein Strahlenbündel erzeugt, das auf den Halbleiterdriftdetektor 2 auftrifft. At the top of the semiconductor drift detector 2 is a collimator 5, which is only schematically represented here as a welder. The incident radiation shown in FIGS. 1 and 2 generates a radiation beam which impinges on the semiconductor drift detector 2.
Die vorstehend genannten Bauelemente des Detektormoduls 1 sind innerhalb eines gasdichten Gehäuses 6 hermetisch abgekapselt angeordnet, wobei das Gehäuse 6 im Wesentlichen aus einer Bodenplatte 7 und einem kuppeiförmigen Gehäuseelement 8 besteht, das auf die Bodenplatte 7 aufgesetzt ist. Die gasdichte Kapselung des Detektormoduls 1 in dem Gehäuse 6 ermög- licht einen Betrieb des Detektormoduls 1 in einem Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre. Vorzugsweise ist das Gehäuse 6 also teilweise evakuiert, beispielsweise mit einem Innendruck von weniger als 100 mbar. An seiner Oberseite weist das kuppeiförmige Gehäuseelement 8 eine Gehäuseöffnung 9 auf, wobei die Gehäuseöffnung 9 von einem Strahlungseintrittsfenster 10 gasdicht verschlossen wird. Das Strahlungseintrittsfenster 10 ist für die zu detektieren- de Röntgenstrahlung durchlässig, wohingegen das Strahlungs- eintrittsfenster 10 für optische Strahlung, insbesondere in einem für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich, undurchlässig ist. Das Strahlungseintrittsfenster 10 ist hierbei in herkömmlicher Weise ausgebildet und liegt im montierten Zustand auf dem umlaufenden Rand der Gehäuseöffnung 9 auf, wobei das Strahlungseintrittsfenster 10 durch eine Klebeverbindung 11 mit dem Rand des kuppeiförmigen Gehäuseelements 8 verbunden ist. The aforementioned components of the detector module 1 are hermetically encapsulated within a gas-tight housing 6, wherein the housing 6 consists essentially of a bottom plate 7 and a dome-shaped housing element 8, which is placed on the bottom plate 7. The gas-tight encapsulation of the detector module 1 in the housing 6 makes it possible to operate the detector module 1 in a vacuum or under a protective gas atmosphere. Preferably, the housing 6 is thus partially evacuated, for example, with an internal pressure of less than 100 mbar. On its upper side, the dome-shaped housing element 8 has a housing opening 9, wherein the housing opening 9 is closed gas-tight by a radiation entrance window 10. The radiation entrance window 10 is permeable to the X-ray radiation to be detected, whereas the radiation entrance window 10 is impermeable to optical radiation, in particular in a wavelength range which is visible to humans. The radiation entrance window 10 is in this case formed in a conventional manner and is in the assembled state on the peripheral edge of the housing opening 9, wherein the radiation entrance window 10 is connected by an adhesive connection 11 with the edge of the dome-shaped housing member 8.
Darüber hinaus ist innerhalb des Gehäuses 6 ein Drucksensor 12 angeordnet, wobei der Drucksensor 12 den innerhalb des Gehäuses 6 herrschenden Druck misst. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Druckdichtigkeit des Gehäuses 6 während des Betriebs laufend zu überprüfen. Der Drucksensor 12 ist hierbei seitlich neben dem Halbleiterdriftdetektor 2 in einer gemeinsamen Ebene mit dem Halbleiterdriftdetektor 2 angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass die einfallende Strahlung durch den Drucksensor 12 nicht abgeschattet wird. Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Drucksensor 12 an der Oberseite des Keramiksubstrats 3 angeordnet und mechanisch mit dem Keramiksubstrat 3 verbunden ist. In addition, a pressure sensor 12 is arranged within the housing 6, wherein the pressure sensor 12 measures the pressure prevailing inside the housing 6 pressure. In this way it is possible to continuously check the pressure tightness of the housing 6 during operation. The pressure sensor 12 is in this case laterally next to the semiconductor drift detector 2 in a common plane with the semiconductor drift detector 2 is arranged. This offers the advantage that the incident radiation is not shaded by the pressure sensor 12. It should also be mentioned that the pressure sensor 12 is arranged on the upper side of the ceramic substrate 3 and is mechanically connected to the ceramic substrate 3.
Weiterhin befindet sich innerhalb des Gehäuses 6 noch eine integrierte Schaltung 13, die unter anderem eine Auslese- elektronik zum Auslesen des Strahlungsdetektors 2 enthält. Die integrierte Schaltung 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) ausgeführt. Die Montage der integrierten Schaltung 13 erfolgt in diesem Ausfüh- rungsbeispiel an der Unterseite des Halbleiterdriftdetektors 2, d.h. in unmittelbarer Nähe zu dem Halbleiterdriftdetektor 2. Dies bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterdriftdetektor 2 und der integrierten Schaltung 13 sehr kurz ist, so dass diese elektrische Verbin- dung eine sehr geringe elektrische Kapazität aufweist, was mit verschiedenen Vorteilen verbunden ist (z.B. Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit, Vermeidung von Mikrophonie , Ermöglichung eines ladungsempfindlichen Vorverstärkers) . Weiterhin ist zu erwähnen, dass das Keramiksubstrat 3 in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ist und mittig eine Öffnung aufweist, wobei der Halbleiterdriftdetektor 2 oben auf dem Keramiksubstrat 3 aufliegt und die Öffnung in dem Keramiksubstrat 3 abdeckt. Die Öffnung in dem ringförmigen Kera- miksubstrat 3 bietet die Möglichkeit, dass die integrierteFurthermore, within the housing 6 is still an integrated circuit 13, which includes, inter alia, a read-out electronics for reading the radiation detector 2. The integrated circuit 13 is embodied in this embodiment as an application-specific integrated circuit (ASIC: Application Specific Integrated Circuit). The assembly of the integrated circuit 13 takes place in this embodiment on the underside of the semiconductor drift detector 2, i. in the immediate vicinity of the semiconductor drift detector 2. This offers the advantage that the electrical connection between the semiconductor drift detector 2 and the integrated circuit 13 is very short, so that this electrical connection has a very low electrical capacitance, which is associated with various advantages (eg improvement of the read speed, avoidance of microphony, enabling a charge-sensitive preamplifier). Furthermore, it should be noted that the ceramic substrate 3 in this embodiment is annular and has an opening in the center, the semiconductor drift detector 2 rests on top of the ceramic substrate 3 and covers the opening in the ceramic substrate 3. The opening in the annular ceramic substrate 3 offers the possibility that the integrated
Schaltung 13 direkt an der Unterseite des Halbleiterdriftdetektors 2 innerhalb der Öffnung in dem ringförmigen Keramiksubstrat 3 angeordnet werden kann. Das hier beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel zeichnet sich also dadurch aus, dass zusätzlich zu dem Halb- leiterdriftdetektor 2 weitere elektronische Bauelemente und ein Kühlelement innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet sind, nämlich der Drucksensor 12, die integrierte Schaltung 13 und das Peltier-Element 4, das die Temperatur des Halbleiter- driftdetektors 2 regelt. Circuit 13 can be arranged directly on the underside of the semiconductor drift detector 2 within the opening in the annular ceramic substrate 3. The embodiment of the invention described here is thus characterized in that in addition to the semiconductors drift detector 2 further electronic components and a cooling element within the housing 6 are arranged, namely the pressure sensor 12, the integrated circuit 13 and the Peltier element 4, the Temperature of the semiconductor drift detector 2 controls.
Figur 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. FIG. 2 shows a modification of the embodiment according to FIG. 1, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numbers being used for corresponding details.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht zu- nächst darin, dass innerhalb der Öffnung des ringförmigen Keramiksubstrats 3 ein Wärmeleitelement 14 angeordnet ist, das den Halbleiterdriftdetektor 2 thermisch mit dem Peltier- Element 4 verbindet. Das Wärmeleitelement 14 verbessert also den thermischen Kontakt zwischen dem Halbleiterdriftdetektor 2 einerseits und dem Peltier-Element 4 andererseits, da die Wärme von dem Halbleiterdriftdetektor 2 nicht nur über das Keramiksubstrat 3 zu dem Peltier-Element 4 fließen kann, sondern auch über das Wärmeleitelement 14. Eine weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die integrierte Schaltung 13 nicht direkt an der Unterseite des Halbleiterdriftdetektors 2 montiert ist. A special feature of this exemplary embodiment initially consists in that a heat-conducting element 14, which thermally connects the semiconductor drift detector 2 to the Peltier element 4, is arranged within the opening of the annular ceramic substrate 3. The heat-conducting element 14 thus improves the thermal contact between the semiconductor drift detector 2 on the one hand and the Peltier element 4 on the other hand, since the heat from the semiconductor drift detector 2 can flow not only via the ceramic substrate 3 to the Peltier element 4, but also via the heat-conducting element 14th Another special feature of this embodiment is that the integrated circuit 13 is not mounted directly on the underside of the semiconductor drift detector 2.
Stattdessen weist das Keramiksubstrat 3 an seiner Oberseite einen nach innen hervorspringenden Materialsteg auf, an des- sen Unterseite die integrierte Schaltung 13 angebracht ist. Zwischen der integrierten Schaltung 13 und dem Halbleiter- driftdetektor 2 befindet sich hierbei also ein Teil des Keramiksubstrats 3. Figur 3 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung der äußeren Beschaltung des Detektormoduls 1 mit einem Verstärker 18, wobei das Detektormodul 1 nur vereinfacht als Parallelschaltung aus einem Kondensator C und einer in Sperrrichtung gepolten Diode D dargestellt ist. Auch der äußere Verstärker 18 ist hier nur schematisch in Form eines Schalters S, eines Rückkopplungskondensators CRK und eines eigentlichen Verstärkers V dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rückkopplungskondensator CRK in dem Verstärker 18 angeordnet, d.h. getrennt von dem Detektormodul 1 außerhalb des Gehäuses 6 des Detektormoduls 1. Instead, the ceramic substrate 3 has on its upper side an inwardly projecting material web, on the underside of which the integrated circuit 13 is attached. Between the integrated circuit 13 and the semiconductor drift detector 2 there is thus a part of the ceramic substrate 3. FIG. 3 shows a greatly simplified illustration of the external wiring of the detector module 1 with an amplifier 18, wherein the detector module 1 is shown in simplified form only as a parallel circuit comprising a capacitor C and a diode D poled in reverse direction. Also, the external amplifier 18 is shown here only schematically in the form of a switch S, a feedback capacitor C RK and an actual amplifier V. In this exemplary embodiment, the feedback capacitor C RK is arranged in the amplifier 18, ie, separated from the detector module 1 outside the housing 6 of the detector module 1.
Figur 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. FIG. 4 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 3, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Rückkopplungskondensator CRK in das Detektormodul 1 und speziell in den Halbleiterdriftdetektor 2 integriert ist. A special feature of this exemplary embodiment is that the feedback capacitor C RK is integrated in the detector module 1 and in particular in the semiconductor drift detector 2.
Figur 5 zeigt eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterdriftdetektors 2 in Ringform. Wesentlich ist hierbei, dass der Halbleiterdriftdetektor 2 in diesem Ausführungsbeispiel einen integrierten Ausgangstransistor T mit einer Source S, einem Gate G und einem Drain D aufweist. FIG. 5 shows a perspective view of an embodiment of the semiconductor drift detector 2 in ring form. It is essential here that the semiconductor drift detector 2 in this exemplary embodiment has an integrated output transistor T with a source S, a gate G and a drain D.
Darüber hinaus sind in dieser Darstellung noch eine Sammelanode A und ein Rückkontakt R bezeichnet. In addition, in this illustration, a collecting anode A and a back contact R are designated.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist auch eine Abwandlung möglich, bei der in den Strahlungsdetektor 2 ein Dosimeter integriert ist, um die Strahlungsdosis der einfallenden Strahlung zu messen. Mit einem derartigen Dosimeter kann beispielsweise eine mögliche Erhöhung des Dunkelstroms oder/und eine Verschlechterung der Spannungsfestigkeit des Detektors zurückgeführt werden. Das Dosimeter kann hierbei wahlweise an der dem Strahlungseintrittsfenster 10 zugewandten Seite des Halbleiterdriftdetektors 2 (d.h. außen) oder an der dem Strahlungseintrittsfenster 10 abgewandten Seite des Halbleiterdriftdetektors 2 (d.h. innen) angeordnet sein. Bei einer Anordnung des Dosime- ters an der Außenseite misst das Dosimeter alle Photonenenergien. Bei einer Anordnung des Dosimeters an der Innenseite erfasst das Dosimeter dagegen nur Photonenenergie oberhalb einer Mindestenergie von beispielsweise 6 keV, da niederenergetische Photonen im Halbleitersubstrat absorbiert werden, so dass der Detektor also einen "Seif shielding"-Effekt hat. In the embodiments described above, a modification is also possible in which a dosimeter is integrated in the radiation detector 2 in order to measure the radiation dose of the incident radiation. With such a Dosimeter can be attributed, for example, a possible increase in the dark current or / and a deterioration in the dielectric strength of the detector. In this case, the dosimeter can optionally be arranged on the side of the semiconductor drift detector 2 facing the radiation entrance window 10 (ie outside) or on the side of the semiconductor drift detector 2 facing away from the radiation entrance window 10 (ie inside). If the dosimeter is located on the outside, the dosimeter measures all photon energies. On the other hand, if the dosimeter is arranged on the inside, the dosimeter only detects photon energy above a minimum energy of, for example, 6 keV since low-energy photons are absorbed in the semiconductor substrate, so that the detector has a soap shielding effect.
Vorzugsweise ist das Dosimeter jedoch auf beiden Seiten des Halbleiterdriftdetektors 2 angeordnet, um auf die Art (Photonenenergie) der Strahlungsbelastung zurückschließen zu kön- nen. However, the dosimeter is preferably arranged on both sides of the semiconductor drift detector 2 in order to be able to deduce the type (photon energy) of the radiation load.
In einer Variante dieser Abwandlung weist das Dosimeter eine MOS-Kapazitätsstruktur auf, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierbei wird die Kapazität als Funktion der Vorspannung gemessen, um daraus in an sich bekannter Weise die Oxidladung zu bestimmen. Die zeitliche Veränderung der Oxidladung bildet dann ein Maß für die integrierte Strahlungsdosis . In einer anderen Variante dieser Abwandlung weist das Dosimeter dagegen eine MOSFET-Struktur auf, wobei man aus der zeitlichen Änderung der Schwellenspannung direkt auf die Strahlungsdosis schließen kann. Die MOSFET-Struktur hat gegenüber der MOS-Kapazitätsstruktur den Vorteil eines wesentlich klei- neren Platzbedarfes und kann so leicht, ohne Vergrößerung des Modulgehäuses platziert werden. In a variant of this modification, the dosimeter has a MOS capacitance structure, which is known per se from the prior art. In this case, the capacitance is measured as a function of the bias voltage in order to determine the oxide charge in a manner known per se. The temporal change of the oxide charge then forms a measure of the integrated radiation dose. In another variant of this modification, however, the dosimeter has a MOSFET structure, it being possible to deduce the radiation dose directly from the temporal change of the threshold voltage. The MOSFET structure has the advantage of a significantly smaller size than the MOS capacitance structure. space requirements and can be easily placed without enlarging the module housing.
Schließlich zeigt Figur 6 das Beispiel einer Kombination ei- ner Temperaturmessdiode und eines Dosimeter basierend auf einem MOSFET. Die Temperatur wird durch den Strom der leicht in Durchlassrichtung vorgespannten Diode (innerer n+-Kontakt und innerer p+-Kontakt) bestimmt. Der äußere p+-Kontakt kann dabei als Schutzring genutzt werden. Das MOS-Gate zwischen den zwei p+-Ringen, die als Source und Drain geschaltet sind, ist in diesem Beispiel als Poly-Gate ausgebildet, könnte aber e- benso ein Aluminium-Gate sein. Die Schwellenspannungsänderung vom Anfangszustand des Transistors ist ein Maß für die akkumulierte Strahlungsdosis. Finally, FIG. 6 shows the example of a combination of a temperature measuring diode and a dosimeter based on a MOSFET. The temperature is determined by the current of the forward biased diode (inner n + contact and inner p + contact). The outer p + contact can be used as a guard ring. The MOS gate between the two p + rings, which are connected as source and drain, is in this example designed as a poly gate, but could also be an aluminum gate. The threshold voltage change from the initial state of the transistor is a measure of the accumulated radiation dose.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht dieThe invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a variety of variants and modifications is possible, which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope. In addition, the claimed
Erfindung auch Schutz für die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den Merkmalen der in Bezug genommenen Ansprüche. Invention also protection for the features of the dependent claims regardless of the features of the claims.
Bezugs zeichenliste : Reference sign list:
1 Detektormodul 1 detector module
2 Halbleiterdriftdetektor  2 semiconductor drift detector
3 Keramiksubstrat  3 ceramic substrate
4 Peltier-Element  4 Peltier element
5 Kollimator  5 collimator
6 Gehäuse  6 housing
7 Bodenplatte  7 base plate
8 Kuppeiförmiges Gehäuseelement 8 Dome-shaped housing element
9 Gehäuseöffnung 9 housing opening
10 Strahlungseintrittsfenster 10 radiation entrance window
11 KlebeVerbindung 11 adhesive bond
12 Drucksensor  12 pressure sensor
13 Integrierte Schaltung  13 integrated circuit
14 Wärmeleitelement  14 heat-conducting element
15 Temperatursensor  15 temperature sensor
16 Regler  16 controllers
17 Subtrahierer  17 subtractors
18 Verstärker  18 amplifiers
A Sammelanode  A collecting anode
C Kondensator  C capacitor
CRK Rückkopplungs kondensator CRK feedback capacitor
D Diode D diode
R Rückkontakt  R back contact
S Schalter  S switch
T Auslesetransistor  T readout transistor
V Verstärker  V amplifier

Claims

ANSPRUCHE
1. Detektormodul (1) mit 1. detector module (1) with
a) einem Strahlungsdetektor (2) , insbesondere einem Halb- leiterdriftdetektor , zur Detektion von Strahlung, insbesondere zur Detektion von Teilchenstrahlung und/oder Röntgenstrahlung, und a) a radiation detector (2), in particular a semiconductor drift detector, for the detection of radiation, in particular for the detection of particle radiation and / or X-radiation, and
b) einem Gehäuse (6) mit einem Strahlungseintrittsfenster b) a housing (6) with a radiation entrance window
(10), wobei der Strahlungsdetektor (2) in dem Gehäuse (6) angeordnet ist und die zu detektierende Strahlung von außen durch das Strahlungseintrittsfenster (10) hindurch auf den Strahlungsdetektor (2) trifft,  (10), wherein the radiation detector (2) is arranged in the housing (6) and strikes the radiation to be detected from outside through the radiation entrance window (10) onto the radiation detector (2),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
c) dass mindestens ein separates elektronisches Bauelement c) that at least one separate electronic component
(12, 13, 15) ebenfalls in dem Gehäuse (6) angeordnet ist.  (12, 13, 15) is also arranged in the housing (6).
2. Detektormodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) gasdicht ist, um einen Betrieb des Detektormoduls (1) in einem Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre zu ermöglichen. 2. detector module (1) according to claim 1, characterized in that the housing (6) is gas-tight, to allow operation of the detector module (1) in a vacuum or in a protective gas atmosphere.
3. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 3. detector module (1) according to any one of the preceding claims, characterized
a) dass das in das Gehäuse (6) integrierte separate elektronische Bauelement (12, 15) ein Sensor ist, und/oder b) dass der Sensor (12, 15) eine innerhalb des Gehäuses a) that in the housing (6) integrated separate electronic component (12, 15) is a sensor, and / or b) that the sensor (12, 15) one inside the housing
(6) herrschende Zustandsgröße misst, und/oder  (6) measures the prevailing state variable, and / or
c) dass die von dem Sensor (12, 15) gemessene Zustandsgröße einen Einfluss auf das Betriebsverhalten des Strahlungsdetektors (2) hat. c) that the state quantity measured by the sensor (12, 15) has an influence on the operating behavior of the radiation detector (2).
4. Detektormodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12, 15) einer der folgender Sensortypen ist : 4. detector module (1) according to claim 3, characterized in that the sensor (12, 15) is one of the following sensor types:
a) ein Drucksensor (12), der einen innerhalb des Gehäuses a) a pressure sensor (12), one within the housing
(6) herrschenden Gasdruck misst,  (6) measures prevailing gas pressure,
b) ein Feuchtigkeitssensor, der eine innerhalb des Gehäuses (6) herrschende Feuchtigkeit misst. b) a humidity sensor that measures a humidity prevailing inside the housing (6).
5. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das in das Gehäuse (6) integrierte separate elektronische Bauelement (13) mindestens eines der folgenden Bauelemente umfasst: 5. detector module (1) according to any one of the preceding Ansprü surface, characterized in that in the housing (6) integrated separate electronic component (13) comprises at least one of the following components:
a) ein Verstärker, der ein Ausgangssignal des Strahlungsdetektors (2) ausliest und verstärkt, a) an amplifier which reads out and amplifies an output signal of the radiation detector (2),
b) ein Signalformer, der ein Ausgangssignal des Strahlungsdetektors (2) formt, b) a signal shaper which forms an output signal of the radiation detector (2),
c) ein Analogspeicher, der ein Ausgangssignal des Strahlungsdetektors (2) zwischenspeichert, c) an analog memory which latches an output signal of the radiation detector (2),
d) ein Analog/Digital-Wandler, der ein analoges Ausgangssignal des Strahlungsdetektors (2) in ein digitales Ausgangssignal umwandelt, d) an analog-to-digital converter which converts an analog output signal of the radiation detector (2) into a digital output signal,
e) eine integrierte Schaltung (13) , insbesondere eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung. e) an integrated circuit (13), in particular an application-specific integrated circuit.
6. Detektormodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass der separate Verstärker (18) über einen Rückkopplungskondensator (CRK) mit dem Strahlungsdetektor (2) verbunden ist, wobei der Rückkopplungskondensator (CRK) 6. detector module (1) according to claim 5, characterized in that the separate amplifier (18) via a feedback capacitor (C RK ) to the radiation detector (2) is connected, wherein the feedback capacitor (C RK )
a) in den Strahlungsdetektor (2) integriert ist oder b) von dem Strahlungsdetektor (2) getrennt und in den separaten Verstärker (18) integriert ist. a) is integrated in the radiation detector (2) or b) separated from the radiation detector (2) and integrated into the separate amplifier (18).
7. Detektormodul (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen Eingangstransistor (T) aufweist, wobei der Eingangstransistor (T) 7. detector module (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the amplifier has an input transistor (T), wherein the input transistor (T)
a) in den Strahlungsdetektor (2) integriert ist oder b) von dem Strahlungsdetektor (2) getrennt und in den separaten Verstärker integriert ist. a) is integrated in the radiation detector (2) or b) separated from the radiation detector (2) and integrated into the separate amplifier.
8. Detektormodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor (2) durc eine elektrische Verbindung mit dem in das Gehäuse (6) integ rierten Verstärker verbunden ist, wobei die elektrische Verbindung eine Kapazität von weniger als 1 pF, 500 fF, 300 fF, 200 fF oder 100 fF aufweist. 8. detector module (1) according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the radiation detector (2) by an electrical connection with the in the housing (6) integrat ed amplifier is connected, wherein the electrical connection has a capacity of less than 1 pF, 500 fF, 300 fF, 200 fF or 100 fF.
9. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, 9. detector module (1) according to any one of the preceding Ansprü surface, characterized
a) dass das in das Gehäuse (6) integrierte separate elekt ronische Bauelement (12, 13, 15) auf der dem Strahlungseintrittsfenster (10) abgewandten Seite des Strah lungsdetektors (2) angeordnet ist, um eine optische Ab schattung des Strahlungsdetektors (2) durch das separa te elektronische Bauelement zu vermeiden, oder a) that in the housing (6) integrated separate elec tronic component (12, 13, 15) on the radiation entrance window (10) facing away from the radiation detector (2) is arranged to an optical shadow from the radiation detector (2) to avoid by the separa te electronic component, or
b) dass das in das Gehäuse (6) integrierte separate elekt ronische Bauelement (12, 13, 15) auf der dem Strahlungseintrittsfenster (10) zugewandten Seite des Strah lungsdetektors (2) angeordnet ist und zwar außerhalb des Strahlungswegs zwischen dem Strahlungseintrittsfenster (10) und dem Strahlungsdetektor (2), um eine optische Abschattung des Strahlungsdetektors (2) durch das Bauelement (12, 13, 15) zu vermeiden, oder b) that in the housing (6) integrated separate elec tronic component (12, 13, 15) on the the radiation entrance window (10) facing side of the ent radiation detector (2) is arranged and that outside of the radiation path between the radiation entrance window (10) and the radiation detector (2) to prevent optical shadowing of the radiation detector (2) by the device (12, 13, 15), or
c) dass das in das Gehäuse (6) integrierte separate elekt ronische Bauelement (12, 13, 15) seitlich neben dem Strahlungsdetektor (2) angeordnet ist, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene mit dem Strahlungsdetektor (2) c) that in the housing (6) integrated separate elec tronic component (12, 13, 15) is arranged laterally next to the radiation detector (2), in particular in a common plane with the radiation detector (2)
10. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 10. Detector module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
a) dass der Strahlungsdetektor (2) mechanisch mit dem separaten elektronischen Bauelement (4, 12, 13, 15) verbunden ist, insbesondere durch eine Klebeverbindunga) that the radiation detector (2) is mechanically connected to the separate electronic component (4, 12, 13, 15), in particular by an adhesive connection
( 11 ) , und/oder (11), and / or
b) dass die Klebeverbindung (11) elektrisch isolierend b) that the adhesive connection (11) electrically insulating
ist, und/oder  is, and / or
c) dass die Klebeverbindung (11) thermisch leitfähig ist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,lw/m.K, 0,2 /m.K, 0,5 /m.K, l m-K, 2w/m.K oderc) that the adhesive bond (11) is thermally conductive, in particular with a thermal conductivity of more than 0, l w / m . K , 0.2 / m . K , 0.5 / m . K , l mK, 2 w / m . K or
d) dass der Strahlungsdetektor (2) elektrisch mit dem separaten elektronischen Bauelement (12, 13, 15) verbunden ist, insbesondere durch Wire-Bonding oder Flip- Chip-Bonding . d) that the radiation detector (2) is electrically connected to the separate electronic component (12, 13, 15), in particular by wire-bonding or flip-chip bonding.
11. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 11. detector module (1) according to any one of the preceding claims, characterized
a) dass ein mechanisches Trägerelement (3) vorgesehen ist, insbesondere ein keramisches Trägerelement (3) , auf dem das separate elektronische Bauelement (12, 13, 15) angeordnet ist, insbesondere der Sensor (12, 15) und/oder der Verstärker (13), und/oder a) that a mechanical support element (3) is provided, in particular a ceramic support element (3) on which the separate electronic component (12, 13, 15) is arranged, in particular the sensor (12, 15) and / or the amplifier ( 13), and / or
b) dass das Trägerelement (3) elektrisch isolierend ist, und/oder b) that the carrier element (3) is electrically insulating, and / or
c) dass das Trägerelement (3) thermisch leitfähig ist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,lw/m-Ki 0,2w/m.Kf 0,5w/m.K? lw/m-Kf 2w/m.R oder 5w/m.Kj und/oder c) that the carrier element (3) is thermally conductive, in particular with a thermal conductivity of more than 0, l w / m-Ki 0.2 w / m . K f 0.5 w / m. K? l w / m Kf 2 w / m .R or 5 w / m .Kj and / or
d) dass das Trägerelement (3) im Wesentlichen plattenför- mig ist. d) that the carrier element (3) is substantially plate-shaped.
12. Detektormodul (1) nach Anspruch 11, 12. detector module (1) according to claim 11,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
a) dass das Trägerelement (3) im Wesentlichen ringförmig ist und mittig eine Öffnung aufweist, wobei der Strah- lungsdetektor (2) auf dem ringförmigen Trägerelementa) that the carrier element (3) is substantially annular and has an opening in the middle, wherein the radiation detector (2) on the annular support element
(3) aufliegt, so dass der Strahlungsdetektor (2) durch die Öffnung in dem ringförmigen Trägerelement (3) hindurch elektrisch kontaktiert werden kann, und/oder b) dass ein separates erstes Bauelement (13), insbesondere eine integrierte Schaltung (13), innerhalb der Öffnung des ringförmigen Trägerelements (3) angeordnet und mechanisch an dem Strahlungsdetektor (2) angebracht ist, und/oder (3) so that the radiation detector (2) can be electrically contacted through the opening in the annular carrier element (3), and / or b) that a separate first component (13), in particular an integrated circuit (13), disposed within the opening of the annular support member (3) and mechanically attached to the radiation detector (2), and / or
c) dass ein separates zweites Bauelement, insbesondere ein c) that a separate second component, in particular a
Sensor (12, 15), an dem Trägerelement (3) angebracht ist, insbesondere an derselben Seite wie der Strahlungsdetektor (2), und/oder  Sensor (12, 15) is mounted on the support element (3), in particular on the same side as the radiation detector (2), and / or
d) dass das separate erste Bauelement und/oder das separate zweite Bauelement mechanisch und/oder elektrisch mit dem Strahlungsdetektor (2) verbunden ist, d) that the separate first component and / or the separate second component is mechanically and / or electrically connected to the radiation detector (2),
e) dass in der Öffnung des ringförmigen Trägerelements (3) ein Wärmeleitelement (14) angeordnet ist, wobei das Wärmeleitelement (14) das Temperierungselement (4) thermisch mit dem Strahlungsdetektor (2) verbindet. e) that in the opening of the annular support member (3), a heat-conducting element (14) is arranged, wherein the heat-conducting element (14) thermally connects the Temperierungselement (4) with the radiation detector (2).
13. Detektormodul (1) nach Anspruch 11 oder 12, 13. detector module (1) according to claim 11 or 12,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
a) dass das elektronische Bauelement (13), insbesondere die integrierte Schaltung (13), gemeinsam mit dem Sen- sor (12, 15) auf dem Trägerelement (3) angeordnet ist, oder a) that the electronic component (13), in particular the integrated circuit (13), together with the sensor (12, 15) on the carrier element (3) is arranged, or
b) dass der Sensor (12, 15) auf dem Trägerelement (3) angeordnet ist, während das elektronische Bauelement (13), insbesondere die integrierte Schaltung (13), direkt mit dem Strahlungsdetektor (2) verbunden ist. b) that the sensor (12, 15) is arranged on the carrier element (3), while the electronic component (13), in particular the integrated circuit (13), is connected directly to the radiation detector (2).
14. Detektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in das Gehäuse (6) ein Dosimeter integriert ist, das eine Strahlendosis der einfallenden Strahlung misst. 14. Detector module according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing (6) a dosimeter is integrated, which measures a radiation dose of the incident radiation.
15. Detektormodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Dosimeter auf der dem Strahlungseintrittsfenster (10) zugewandten Seite des Strahlungsdetektors (2) angeordnet ist, so dass das Dosimeter alle Photonenenergien erfasst, oder 15. A detector module according to claim 14, characterized in that a) that the dosimeter on the radiation entrance window (10) facing side of the radiation detector (2) is arranged so that the dosimeter detects all photon energies, or
b) dass das Dosimeter auf der dem Strahlungseintrittsfenster (10) abgewandten Seite des Strahlungsdetektors (2) angeordnet ist, so dass das Dosimeter nur Photonenenergien oberhalb einer Minimalenergie von insbesondere 6 keV erfasst, oder b) that the dosimeter is arranged on the side facing away from the radiation entrance window (10) of the radiation detector (2), so that the dosimeter detects only photon energies above a minimum energy of in particular 6 keV, or
c) dass sowohl auf der dem Strahlungseintrittsfenster (10) zugewandten Seite des Strahlungsdetektors (2) als auch auf der dem Strahlungseintrittsfenster (10) abgewandten Seite des Strahlungsdetektors (2) jeweils mindestens ein Dosimeter angeordnet ist. c) that both on the radiation entrance window (10) facing side of the radiation detector (2) and on the radiation entrance window (10) facing away from the radiation detector (2) in each case at least one dosimeter is arranged.
16. Detektormodul nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, 16. Detector module according to one of claims 14 or 15, characterized
a) dass das Dosimeter ein separates Bauelement zusätzlich zu dem Strahlungsdetektor (2) ist, oder a) that the dosimeter is a separate component in addition to the radiation detector (2), or
b) dass das Dosimeter in den Strahlungsdetektor (2) integriert ist. b) that the dosimeter is integrated in the radiation detector (2).
17. Detektormodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Dosimeter eine MOS-Kapazitätsstruktur aufweist, um eine Kapazität als Funktion einer Vorspannung zu messen und daraus eine Oxidladung zu bestimmen, wobei die zeitliche Veränderung der Oxidladung ein Maß für die integrierte Strahlungsdosis ist, oder 17. A detector module according to claim 16, characterized in that a) that the dosimeter has a MOS capacitance structure to a capacitance as a function of a bias voltage and to determine therefrom an oxide charge, wherein the time change of the oxide charge is a measure of the integrated radiation dose, or
b) dass das Dosimeter eine MOSFET-Struktur aufweist, wobei aus einer zeitlichen Änderung einer Schwellenspannung die Strahlendosis ableitbar ist. b) that the dosimeter has a MOSFET structure, wherein from a temporal change of a threshold voltage, the radiation dose is derivable.
18. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 18. Detector module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
a) dass der Strahlungsdetektor eine sensitive Fläche von a) that the radiation detector is a sensitive area of
10mm2 aufweist, während das Gehäuse einen Außendurchmesser von höchstens 15mm aufweist, oder 10mm 2 , while the housing has an outer diameter of at most 15mm, or
b) dass der Strahlungsdetektor eine sensitive Fläche von b) that the radiation detector is a sensitive area of
30mm2 aufweist, während das Gehäuse einen Außendurch- messer von höchstens 16mm aufweist, oder 30mm 2 , while the housing has an outer diameter of at most 16mm, or
c) dass der Strahlungsdetektor eine sensitive Fläche von c) that the radiation detector is a sensitive area of
100mm2 aufweist, während das Gehäuse einen Außendurchmesser von höchstens 23mm aufweist, und/oder 100mm 2 , while the housing has an outer diameter of at most 23mm, and / or
d) dass das Gehäuse eine äußere Querschnittsfläche auf- weist, die um einen Faktor von weniger 5, 4, 3, 2 oderd) that the housing has an external cross-sectional area which is less than 5, 4, 3, 2 or
1,5 größer ist als die sensitive Fläche des Strahlungsdetektors . 1.5 is greater than the sensitive area of the radiation detector.
19. Detektormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, 19. Detector module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
a) dass das Gehäuse (6) äußerst kompakt ist und in seinen Ausmaßen und seiner Form auf die jeweilige Anwendung hin optimiert wurde, insbesondere für Anwendungen in der Elektronenmikroskopie und der Röntgenfluoreszenz- analyse, und/oder a) that the housing (6) is extremely compact and has been optimized in its dimensions and shape to the respective application, in particular for applications in electron microscopy and X-ray fluorescence analysis, and / or
b) dass das Gehäuse (6) durch die Integration des separaten elektronischen Bauelements nicht verändert, insbesondere nicht erweitert wird, b) that the housing (6) is not changed by the integration of the separate electronic component, in particular is not extended,
20. Spektrometer , insbesondere zur Röntgenspektroskopie o- der zur Röntgenfluoreszenzanalyse, mit mindestens einem De¬ tektormodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19. 20. Spectrometer, in particular for X-ray spectroscopy or X-ray fluorescence analysis, with at least one De ¬ tektormodul (1) according to one of claims 1 to 19.
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