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Dokumentenidentifikation DE10126388A1 02.01.2003
Titel Festkörperstrahlungsdetektor
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Sklebitz, Hartmut, Dipl.-Ing. (FH), 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 23.05.2001
DE-Aktenzeichen 10126388
Offenlegungstag 02.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.01.2003
IPC-Hauptklasse G01T 1/202
IPC-Nebenklasse G01T 1/29   
Zusammenfassung Festkörperstrahlungsdetektor, umfassend einen Träger, eine trägernah angeordnete Pixelmatrix und einen matrixnah angeordneten Szintillator zum Konvertieren der einfallenden Strahlung in eine von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, wobei ein absorptionsarmer Träger (3) vorgesehen ist, der an der Strahleneintrittsseite des Festkörperstrahlungsdetektors (1) angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Festkörperstrahlungsdetektor umfassend einen Träger, eine trägernah angeordnete Pixelmatrix und einen matrixnah angeordneten Szintillator zum Konvertieren der einfallenden Strahlung in eine von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung.

Festkörperstrahlungsdetektoren sind bekannt und basieren auf aktiven Pixelmatrixen (panels), z. B. aus amorphem Silizium (a-Si). Die Bildinformation, welche beispielsweise von einer auf den Festkörperstrahlungsdetektor treffenden Röntgenstrahlung, die zuvor ein zu durchleuchtendes Objekt, beispielsweise einen Patienten durchstrahlt hat, geliefert wird, wird in einem Strahlungskonverter in Form einer Szintillatorschicht z. B. aus Cäsiumjodid (CsI), Gadoliniumoxisulfid (Gd2O2S) oder Selen (Se) in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung gewandelt. In den aktiven Pixeln der Matrix werden hierdurch elektrische Ladungen generiert und gespeichert und anschließend mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen und nachverarbeitet.

Bei bekannten Detektoren wird als Träger, auf dem die Pixelmatrix aufgebracht ist, ein mehrere Millimeter dickes Glas- Substrat eingesetzt. Das Glas absorbiert beachtlich viele Quanten der einfallenden Strahlung, also z. B. der Röntgenstrahlung, weshalb bei bekannten Detektoren der Träger an der der einfallenden Strahlung abgewandten Seite angeordnet ist. Die einfallende Strahlung trifft bei bekannten Detektoren zuerst auf den Szintillator, wo die Strahlung in die von dem Szintillator nachgeschalteten Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung gewandelt wird. Der Szintillator, der auch als Leuchtschirm bezeichnet werden kann, ist an der Strahleneintrittsseite heller als auf der gegenüberliegenden, der Pixelmatrix zugewandten Seite, was darin begründet, ist, dass die Röntgenabsorption an der Strahleneintrittsseite der Szintillatorschicht höher ist aufgrund der Schwächung der einfallenden Röntgenstrahlung durch den Szintillator selbst und die zusätzliche Strahlaufhärtung durch die Szintillatorschicht. Der von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlungsanteil ist also an der der Matrix zugewandten Seite der Szintillatorschicht geringer, was sich nachteilig auf das Signal-Rausch- Verhältnis auswirkt. Ein weiterer Nachteil ist, dass das optische Bild an der der Pixelmatrix zugewandten Szintillatorschichtseite unschärfer ist als an der Strahlungseintrittsseite, was durch die Lichtstreuung in der Szintillatorschicht verursacht ist. Dies führt zu einer schlechteren Modulationsübertragungsfunktion MTF.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Festkörperstrahlungsdetektor anzugeben, bei dem die eingangs genannten Nachteile beseitigt sind.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Festkörperstrahlungsdetektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein absorptionsarmer Träger vorgesehen ist, der an der Strahleneintrittsseite des Festkörperstrahlungsdetektors angeordnet ist.

Die Erfindung schlägt ein völlig anderes Einstrahlkonzept vor. Anstelle der Bestrahlung des Detektors von der Szintillatorseite her erfolgt beim erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor die Einstrahlung von der anderen Seite durch den erfindungsgemäß absorptionsarmen Träger hindurch. Es hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung eines absorptionsarmen Trägers sehr wenige Quanten in ihm absorbiert werden. Die nachgeschaltete Pixelmatrix ist ebenfalls sehr dünn und kann problemlos durchstrahlt werden. Die Strahlung trifft dann auf die unmittelbar an der Pixelmatrix anliegende Szintillatorschicht, wo sie konvertiert wird. Das heißt, beim erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor liegt die Strahleneintrittsseite der Szintillatorschicht unmittelbar an der Pixelmatrix. Da die Szintillatorschicht auf der Strahleneintrittsseite deutlich heller ist, und da diese unmittelbar an der Pixelmatrix anliegt, erhält man eine deutlich höhere Signalamplitude, was zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis führt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das optische Bild an der Strahleneintrittsseite der Szintillatorschicht deutlich schärfer ist, weshalb der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor eine bessere MTF zeigt. Die beiden beschriebenen vorteilhaften Effekte des erfindungsgemäßen Detektors führen weiterhin zu einer Verbesserung des DQE-Wertes (Detective Quantum Efficiency).

Der Träger selbst sollte aus einem möglichst gering absorbierendem Material bestehen oder aber derart ausgelegt sein, dass seine Absorptionseigenschaften weitgehend minimiert sind. Die Dicke des Trägers sollte ≤ 1 mm, insbesondere ≤ 500 µm sein, bevorzugt werden Dicken ≤ 100 µm, insbesondere ≤ 50 µm.

Derartige Dicken können beispielsweise mit einem Träger in Form einer Folie erreicht werden. Der Träger selbst kann z. B. aus Glas oder Kunststoff sein. Derartige Materialien können ohne Schwierigkeit in der gewünschten Dicke hergestellt werden. So sind z. B. Glasfolien mit Dicken ≤ 50 µm herstellbar. Insbesondere bei Verwendung sehr dünner Träger hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Träger zumindest in einem Teilbereich des Spektrums der von der Pixelmatrix verarbeitbaren Strahlung absorbierend ist, vorzugsweise über das gesamte Spektrum, insbesondere soweit es die vom Szintillator konvertierter Strahlung betrifft. Dies ist vorteilhaft, um die Lichtkopplung im Träger zu verringern oder zu minimieren und zu vermeiden, dass der Träger als Strahlungs- oder Lichtleiter wirkt, was sich nachteilig auf die Ladungsgeneration in der Pixelmatrix auswirken könnte. Um diese absorbierenden Eigenschaften bei einem aus Kunststoff bestehenden Träger erreichen zu können, kann dieser strahlungsabsorbierende Partikel, z. B. in Form von Kohlenstoffpartikeln enthalten. Bei einem aus Glas bestehenden Träger sollte dieser zu Absorptionszwecken vorteilhaft Farbzentren aufweisen, die im Glas durch energiereiche Strahlenexposition z. B. mit Gammastrahlung erzeugt werden können.

Als Szintillator kann z. B. eine CsI-Schicht vorgesehen sein. Diese Schicht wächst nadelartig auf der Pixelmatrix aus. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors liegt bei CsI-Szintillatoren weiterhin auch darin, dass viele CsI-Körner, die am Anfang der Aufdampfung des Szintillators auf der Pixelmatrix entstehen, und die im Endzustand des Szintillators jedoch nicht mit den länglichen, im Wesentlichen vertikal zur Ebene der Pixelmatrix stehenden CsI-Nadeln verbunden sind, und die keine oder nur eine ungünstige lichtleitfähige Verbindung zu den CsI-Nadeln haben, aufgrund ihrer Lage unmittelbar an der Strahleneintrittsseite des Szintillators deutlich besser an die lichtempfindliche Pixeldetektormatrix angekoppelt sind.

Alternativ kann der Szintillator auch in Form einer GdOS- Schicht (Gadoliniumoxisulfid (Gd2O2S))sein. Bei diesem Material handelt es sich um einen pulverförmigen Szintillator, bei dem sich die Umkehrung der Einstrahlrichtung aufgrund der in dieser Schicht strukturbedingt gegebenen multiplen Streu- und Absorptionsvorgänge noch vorteilhafter im Hinblick auf eine erhöhte Signalamplitude und damit ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis auswirkt. Als weitere Alternative kann auch ein Selen-Szintillator vorgesehen sein.

Bei bekannten Festkörper-Strahlungsdetektoren kommt dem dicken Glas-Träger zumeist auch eine den Detektor stabilisierende Funktion zu. Insbesondere bei Verwendung eines sehr dünnen Trägers ist es zweckmäßig, wenn der Detektor ein verstärktes Gehäuse aufweist, um den verminderten Beitrag des dünnen Trägers zur Stabilität des Detektors ausgleichen zu können. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn das Gehäuse aus Kohlefaserplatten besteht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in Form einer Prinzipskizze einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor 1, wobei hier nur die für die Erfindung zentralen Teile dargestellt sind. Der ein Gehäuse 2 vorzugsweise aus Kohlefaserplatten zeigende Festkörperstrahlungsdetektor 1 umfasst einen Träger 3. Der Träger 3 ist sehr dünn, vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Folie mit einer Dicke ≤ 50 µm. Zweckmäßigerweise wird als Träger 3 eine Glasfolie verwendet, wobei derartige Glasfolien bereits mit einer Dicke von ca. 25 µm erhältlich sind. Anstelle einer Glasfolie kann z. B. auch ein Träger aus Kunststoff verwendet werden. Auch dieser sollte zweckmäßigerweise möglichst dünn, vorzugsweise in Folienform ausgeführt sein.

Auf dem Träger 3 ist eine Pixelmatrix 4 aufgebracht, also die eigentliche Detektormatrix. Diese bevorzugt aus amorphem Silizium bestehende Matrix umfasst einen ersten Abschnitt 4a, der die Fotodiodenschicht bildet, wobei in den Fotodioden die in ihrer Anzahl von der einfallenden Strahlungsmenge abhängigen Ladungen generiert werden. Die Pixelmatrix 4 umfasst ferner eine Schaltmatrix 4b zum dedizierten Auslesen der Fotodioden. Der Aufbau einer derartigen a-Si-Pixelmatrix ist hinlänglich bekannt und braucht nicht näher erläutert werden.

Unmittelbar auf die Pixelmatrix 4 ist ein Szintillator 5 aufgebracht. Bei diesem Szintillator handelt es sich z. B. um im Wesentlichen nadelförmiges CsI, gleichermaßen kann aber auch ein Szintillator aus GOS oder aus Se aufgebracht werden.

Die Verwendung des sehr dünnen absorptionsarmen Trägers 3 ermöglicht es nun, den Festkörperstrahlungsdetektor von der anderen Seite als im Stand der Technik üblich zu bestrahlen.

Wie mit dem Pfeil S dargestellt erfolgt die Bestrahlung des Detektors von der Seite, an der der Träger 3 angeordnet ist. Die Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung durchdringt den Träger 3, der aufgrund seiner sehr geringen Dicke oder der entsprechenden Materialwahl nur sehr gering absorbierend wirkt, das heißt, es werden nur sehr wenige Röntgenquanten im Träger absorbiert. Die Strahlung tritt ferner weitestgehend unbeeinflusst durch die Pixelmatrix 4 durch und trifft auf den Szintillator 5, und zwar auf die Seite 5a, die unmittelbar an der Pixelmatrix 4 anliegt. Die Röntgenstrahlung wird beim Auftreffen auf den Szintillator in eine Strahlung gewandelt, die von der Pixelmatrix 4 verarbeitbar ist. Die Strahlungskonversion findet also unmittelbar benachbart zur Pixelmatrix statt. Da die Röntgenstrahlung beim Auftreffen auf die Szintillatorschicht kaum geschwächt ist erfolgt eine sehr effiziente Strahlungskonversion unter Ausnutzung des Vorteils, dass die Szintillatorschicht an der Strahlungseintrittsseite deutlich heller ist als an der Strahlungsaustrittsseite. Da hier die Strahlungseintrittsseite 5a unmittelbar an der Pixelmatrix 4 anliegt erhält man deutlich höhere Signalamplituden sowie ein wesentlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis beim Auslesen der einzelnen Fotodioden. Auch ist das an der Strahleneintrittsseite 5a erzeugte konversionsbedingte optische Bild deutlich schärfer, was zu einer besseren MTF führt.

Um lichtleitende Eigenschaften des Trägers 3, die sich gegebenenfalls nachteilig auf die Ladungsträgergeneration oder das Ausleseverhalten der Pixelmatrix 4 auswirken, zu vermeiden, sollte der Träger 3 für die von dem Szintillator gelieferte konvertierte Strahlung zumindest teilweise absorbierend sein. Hierzu sind bei Verwendung eines aus Kunststoff oder Glas gebildeten Trägers 3 Absorptionszentren 6 eingebracht oder ausgebildet. Bei diesen Absorptionszentren 6 kann es sich im Falle eines Kunststoffträgers z. B. nur um eingebrachte Kohlenstoffpartikel handeln. Im Falle eines Glasträges können Farbzentren zum Absorbieren erzeugt sein.

Wie ausgeführt kann es sich bei dem Szintillator um nadelförmiges CsI oder um ein Pulver-Phosphor z. B. in Form von GOS handeln. Die Erfassung des auf die Pixelmatrix einwirkenden Lichtbildes direkt an der Grenzfläche Szintillator-Pixelmatrix bietet weiterhin den Vorteil, bei GdOS-Szintillatoren, die deutlich günstiger und weniger aufwendig hergestellt werden können als die anspruchsvollen, teuren und mit großem Aufwand herzustellenden CsI-Szintillatoren, die darüber hinaus noch zusätzlich in der Regel eine Diffusionssperre benötigen und die eine permanente potenzielle Gefahrenquelle für die Langelebigkeit des Pendels darstellen, ähnlich gute oder sogar bessere DQE-Ergebnisse zu erzielen.


Anspruch[de]
  1. 1. Festkörperstrahlungsdetektor, umfassend einen Träger, eine trägernah angeordnete Pixelmatrix und einen matrixnah angeordneten Szintillator zum Konvertieren der einfallenden Strahlung in eine von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass ein absorptionsarmer Träger (3) vorgesehen ist, der an der Strahleneintrittsseite des Festkörperstrahlungsdetektors (1) angeordnet ist.
  2. 2. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus einem gering absorbierenden Material besteht.
  3. 3. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) eine Dicke ≤ 1 mm, insbesondere ≤ 500 µm aufweist.
  4. 4. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) eine Dicke ≤ 100 µm, insbesondere ≤ 50 µm aufweist.
  5. 5. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) eine Folie ist.
  6. 6. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus Glas oder Kunststoff ist.
  7. 7. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) zumindest in einem Teilbereich des Spektrums der von der Pixelmatrix (4) verarbeitbaren Strahlung absorbierend ist.
  8. 8. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Kunststoff bestehender Träger (3) strahlungsabsorbierende Partikel (6) enthält.
  9. 9. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) Kohlenstoffpartikel enthält.
  10. 10. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Glas bestehender Träger (3) Farbzentren aufweist.
  11. 11. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelmatrix (4) aus amorphem Silizium ist.
  12. 12. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Szintillator (5) eine CsI-Schicht vorgesehen ist.
  13. 13. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Szintillator (5) eine Gd2O2S-Schicht vorgesehen ist.
  14. 14. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Szintillator (5) eine Se-Schicht vorgesehen ist.
  15. 15. Festkörperstrahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein verstärktes Gehäuse (2) aufweist.
  16. 16. Festkörperstrahlungsdetektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus Kohlefaserplatten besteht.






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