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Die Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung zumindest aufweisend ein zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial, mindestens einen Kollimator, und mindestens eine Strahlungsquelle, welche das Halbleitermaterial mit einer zusätzlichen Strahlung bestrahlt, und ein CT-System mit einem Röntgenstrahlungsdetektor. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einfallender Röntgenstrahlung mittels eines direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektors.
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Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung, insbesondere in CT-, Dual-Energy-CT-, SPECT- und PET-Systemen, werden unter anderem direktkonvertierende Detektoren, basierend auf halbleitenden Materialien, wie CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTe-Se, CdMnTe, InP, TIBr2, HgI2, verwendet. Bei diesen Materialien tritt jedoch insbesondere bei einer für CT-Geräte notwendigen hohen Strahlungsflussdichte der Effekt der Polarisation auf.
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Polarisation bezeichnet die Reduktion der detektierten Zählrate bei hohen Photonen- beziehungsweise Strahlungsflüssen. Verursacht wird diese Polarisation durch die sehr geringe Mobilität der Ladungsträger, vor allem der Elektronenfehlstellen beziehungsweise Löcher, und durch die Konzentration intrinsischer Störstellen im Halbleiter. Die Polarisation entsteht also durch die Reduktion des elektrischen Feldes aufgrund von an Störstellen gebundenen, ortsfesten Ladungen, die als Einfang- und Rekombinationszentren für die durch die Röntgenstrahlung erzeugten Ladungsträger wirken. Hieraus resultiert eine Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer und -beweglichkeit, welche wiederum zu einer Reduktion der detektierten Zählrate bei der hohen Strahlungsflussdichte führt.
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Die Polarisation des Halbleitermaterials ändert sich während eines Messvorgangs. Diese Änderung des elektrischen Feldes hat wiederum eine Veränderung der gemessenen Pulshöhen zur Folge und wirkt sich damit auch auf die Zählrate des Halbleiterdetektors aus, auch als Drift bezeichnet. Somit wird durch die Polarisation der maximal detektierbare Strahlungsfluss eines Direktkonverters begrenzt. Insbesondere bei einer für CT-Geräte notwendigen hohen Strahlungsflussdichte tritt der Effekt der Polarisation verstärkt auf. Aus diesem Grund ist es bislang nicht möglich, hohe Strahlungsdichten, wie sie vor allem in der Computertomographie Anwendung finden, direkt in elektrische Pulse umzuwandeln. Das Detektorsignal kann nicht mehr direkt mit der Schwächung des zu messenden Objekts in Zusammenhang gebracht werden.
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Dieses Problem wurde bisher nicht vollständig gelöst. Ein Lösungsansatz besteht darin, die Polarisation des Halbleitermaterials durch Bestrahlung des Detektors mit zusätzlicher Röntgenstrahlung zum Großteil vorwegzunehmen, indem diese zusätzliche Bestrahlung unmittelbar vor einem Messvorgang durchgeführt wird. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für den Patientenbetrieb, da der Patient einer zusätzlichen Dosis ausgesetzt werden würde. Durch die zusätzliche Röntgenbestrahlung vor dem Messvorgang wird ein vorbelasteter Zustand des Detektors eingestellt, das Halbleitermaterial wird also bewusst polarisiert, sodass sowohl Kalibrierungsmessungen als auch tatsächliche Messvorgänge durchgeführt werden können.
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Ein anderer Lösungsansatz liegt darin, Messvorgänge mit einem konstanten Bestromungswert des Detektors durchzuführen. Hierdurch können die Quasi-Ferminiveaus konstant gehalten werden. Dies erfolgt beispielsweise durch die Generierung zusätzlicher Ladungsträger in dem Halbleitermaterial bereits vor dem Einfall der zu detektierenden Röntgenstrahlung. Setzt die eigentliche Röntgenbestrahlung ein, sind die Störstellen bereits mit Ladungsträgern besetzt, wie es dem Gleichgewichtszustand unter Röntgenbestrahlung entspricht. Die Polarisation des Halbleitermaterials wird ausgeglichen. Das elektrische Feld bleibt somit während des Messvorgangs konstant und es kann ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einer Schwächung durch das untersuchte Objekt und der Zählrate des Detektors hergestellt werden.
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In einem weiteren Lösungsansatz wird das Halbleitermaterial mit Infrarot-Strahlung bestrahlt. Diese Bestrahlung führt zu einer ähnlichen Konditionierung des Detektors wie die BeStrahlung mit Röntgenstrahlung, wobei die IR-Strahlung einfach zu handhaben und unschädlich für den Patienten ist. Bisher ist es bekannt, das Halbleitermaterial durch die flächige Kathode zu bestrahlen. Eine direkte Bestrahlung des Halbleitermaterials ist jedoch schwierig, da der direkte Strahlenweg auf das Halbleitermaterial durch das Streustrahlenraster eingeschränkt ist. Für die gleichmäßige Bestrahlung bleibt folglich nur ein schmaler Spalt zwischen Streustrahlrasterunterseite und Halbleiteroberseite. Eine Lösung dieses Problems ist bisher nicht bekannt.
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Aus der Druckschrift
US 7,652,258 B2 ist ein direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung mit einem zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendeten Halbleitermaterial und einer Strahlungsquelle, zur Bestrahlung des Halbleitermaterials mit einer zusätzlichen Strahlung, bekannt, wobei das Halbleitermaterial mittels einer hierauf angeordneten, reflektierenden Schicht mit der zusätzlichen Strahlung bestrahlt wird.
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Weiter ist aus der Druckschrift
DE 10 2010 015 422 A1 ein direktkonvertierender Röntgenstrahlungsdetektor bekannt, bei dem ein Halbleitermaterial mit einer zusätzlichen Strahlung bestrahlt wird, wobei die zusätzlichen Strahlungsquellen in einen Kollimator integriert sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor zu schaffen, bei dem eine gleichmäßige Bestrahlung des zur Detektion verwendeten Halbleitermaterials möglich ist und so die Polarisation des Halbleitermaterials beziehungsweise die Drift des Detektors verhindert wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Röntgenstrahlungsdetektors.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass eine gleichmäßige Bestrahlung des Halbleitermaterials in einem Röntgenstrahlungsdetektor realisiert werden kann, indem dieser indirekt bestrahlt wird. Hierfür wird in einem Spalt zwischen dem Kollimator und dem Halbleitermaterial an der dem Halbleitermaterial gegenüberliegenden Seite des Kollimators eine Beschichtung aufgebracht, welche die zusätzliche Strahlung gleichmäßig auf den Halbleiter reflektiert. Das Halbleitermaterial wird folglich indirekt bestrahlt. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlung nicht lediglich durch einen kleinen Spalt zwischen Halbleitermaterial und Kollimator auf den Halbleiter eingestrahlt werden kann, sondern mittels der Reflexion an der Beschichtung gleichmäßig und großflächig bestrahlt wird. Entsprechend kann diese Reflexionsschicht folglich von einer außerhalb des Spaltes zwischen Halbleitermaterial und Kollimator angeordneten Lichtquelle bestrahlt werden, wobei die Reflexionsschicht die Strahlung auf das Halbleitermaterial reflektiert.
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Die Strahlung dringt durch eine auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte, zumindest teilweise transparente Elektrode und erzeugt in dem Halbleitermaterial nahe der Oberfläche zusätzliche Ladungsträger. Hierbei ist auch eine Mehrfachreflexion zwischen der Elektrode auf dem Halbleitermaterial und der Reflexionsschicht möglich. Durch die Reflexion der zusätzlichen Strahlung wird der Halbleiter über seine gesamte Oberfläche gleichmäßig bestrahlt. Entsprechend erfolgt eine gleichmäßige Ladungsträgererzeugung, wobei die zusätzlichen Ladungsträger die Störstellen des Halbleiterkristalls besetzen, also ortsfeste Ladungen bilden, die der röntgenstrahlungsbedingten Polarisation des Halbleiters entgegenwirken. Die Polarisation wird folglich verhindert.
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Als Lichtquellen, also als Strahlungsquelle für die zusätzliche Strahlung, eignen sich zum Beispiel Leuchtdioden. Die Energie der Strahlung liegt beispielsweise im infraroten Bereich, kurz IR-Strahlung. Die Reflexionsschicht und der Kollimator werden derart ausgeführt, dass eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung und somit gleichmäßig Ladungsträgergeneration auf der gesamten Oberfläche des Halbleitermaterials unterstützt wird. Zum einen weist die Reflexionsschicht hierfür einen möglichst hohen Reflexionsgrad auf und zum anderen ist die Reflexionsschicht möglichst transparent für die zu detektierende Röntgenstrahlung. Als reflektierende Materialien eignen sich beispielsweise Reflektorlacke, die eine hohe Reflektivität und Unempfindlichkeit gegenüber der Röntgenbestrahlung aufweisen. Weiterhin eigenen sich Materialien wie Metalle, insbesondere Leichtmetalle, in Form von metallischen Filmen oder metallbedampften Flächen, Kunststoffe, insbesondere beschichtete Kunststoffe, Verbindungen wie Metalllegierungen oder Halbleiter. Die Beschichtung des Kollimators mit der Reflexionsschicht kann mittels gängiger Abscheidemethoden wie Verdampfen, Sputtern, chemischer oder physikalischer Abscheidung erfolgen.
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Es sind unterschiedliche Ausführungen der Reflexionsschicht möglich, wobei unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform eine gleichmäßige, indirekte Bestrahlung des Halbleitermaterials mittels der Reflexion, auch Mehrfachreflexion, der seitlich in den Spalt einfallenden IR-Strahlung zwischen Halbleitermaterial und Kollimator erreicht wird. Entsprechend kann die Reflexionsschicht auf dem Kollimator zum Beispiel eben, also mit einheitlicher Dicke, gewölbt und/oder strukturiert sein. Weiterhin reicht die Reflexionsschicht zum gleichmäßigen Bestrahlen des Halbleiters über die gesamte Seite des Kollimators.
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Eine gewölbte Reflexionsschicht weist eine konkave Wölbung auf. Das heißt, eine Seite der Reflexionsschicht ist gegenüber einer anderen Seite der Reflexionsschicht in Richtung des Halbleitermaterials erhöht beziehungsweise verdickt oder verstärkt ausgebildet. Hierbei ist entweder die dem Halbleiter zugewandte Seite des Kollimators gewölbt, auf welcher dann eine gleichmäßig dicke Reflexionsschicht aufgebracht ist, und/oder die Reflexionsschicht selbst ist gewölbt, wobei der Kollimator eben oder zumindest weniger gewölbt ausgebildet ist. Die Höhe der Wölbung wird hierbei durch die Breite des Spaltes, also den Abstand zwischen Kollimator und Halbleiter, begrenzt.
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Die Wölbung der Reflexionsschicht und/oder des Kollimators wird dabei so ausgebildet, dass eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung des Halbleiters erreicht wird. Hierzu kann die Wölbung vor allem an die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle, sowie den Abstand der Lichtquelle zur Reflexionsschicht und zum Halbleitermaterial, also den gesamten Lichtweg, und bei Mehrfachreflexion auf den Strahlungsverlust pro Reflexion an dem Kollimator abgestimmt werden.
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Bei einer Bestrahlung der Reflexionsschicht von mehreren Seiten kann die Form der Wölbung eine geeignete Symmetrie aufweisen. Wird beispielsweise das Halbleitermaterial von zwei gegenüberliegenden Seiten beleuchtet, kann die Reflexionsschicht derart ausgeführt sein, dass die Wölbung aus zwei möglichst spiegelsymmetrischen Seiten besteht, deren Radien jeweils auf eine einzelne Lichtquelle ausgelegt sind. Wird die Reflexionsschicht beispielsweise von vier Lichtquellen nahe den Ecken einer rechteckigen Halbleiterfläche bestrahlt, kann die Wölbung der Reflexionsschicht aus vier symmetrisch, gewölbten Quadranten bestehen. Des Weiteren kann die Wölbung der Reflexionsschicht auch auf mehrere unterschiedliche Lichtquellen und deren Abstrahlungscharakteristik abgestimmt werden.
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Im Falle einer ebenen Reflexionsschicht kann diese, um eine gleichmäßige Bestrahlung des Halbleitermaterials mit der reflektierten Strahlung zu unterstützen, strukturiert ausgebildet sein. Hierzu weist die Reflexionsschicht unterschiedliche Reflexionseigenschaften auf, wobei die Reflektivität der Reflexionsschicht zur Strahlungsquelle hin reduziert wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem entweder die Reflexionsschicht Lücken aufweist oder partiell eine zusätzliche nicht-reflektierende Maskierung auf der Reflexionsschicht aufgebracht ist oder indem das Material der Reflexionsschicht einen unterschiedlichen intrinsischen Reflexionsgrad aufweist, beispielsweise durch eine andere chemische Zusammensetzung. Dabei kann die Dichte beziehungsweise die Ausdehnung der modifizierten Stellen, wenn die Strahlungsquelle aus einer z-Richtung auf die Reflexionsschicht strahlt, in diese z-Richtung, also zu großen z-Werten hin, kleiner werden. Hierbei wird mit zunehmendem Abstand zur Lichtquelle der Reflexionsgrad der Reflexionsschicht größer und umgekehrt. Die Reflexion der Strahlung wird dadurch bei kleinen z-Werten, bei denen sie stärker ausgeprägt ist, reduziert, sodass die indirekte Bestrahlung des Halbleitermaterials homogener wird. Die z-Richtung entspricht bei einem Röntgenstrahlungsdetektor eines CT-Systems der Systemachse des CT-Systems.
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Als weitere Ausführung bei einer ebenen Reflexionsschicht kann die Durchlässigkeit der auf dem Halbleitermaterial, gegenüberliegend zu der Reflexionsschicht, angeordneten Elektrode nahe der Strahlungsquelle reduziert werden. Hierzu kann die Elektrode teilweise unterbrochen, also mit Lücken, ausgebildet werden. Eine Unterbrechung beziehungsweise Lücke in der Elektrode bedeutet bei einer nur teilweise transparenten Elektrode eine höhere Transmission der Strahlung in das Halbleitermaterial und somit weniger Reflexion zurück zur Reflexionsschicht. Die Dichte beziehungsweise die Ausdehnung der Lücken können zu großen z-Werten, also weg von der Strahlungsquelle, größer werden. Dadurch wird bei großen z-Werten ein höherer Anteil der Strahlung transmittiert, bei kleinen z-Werten wird mehr Licht reflektiert und steht damit durch Mehrfachreflektion für höhere z-Werte zur Verfügung. Mit zunehmendem Abstand zur Lichtquelle wird also der Transmissionsgrad der Elektrode größer und umgekehrt.
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Bei diesen Ausführungsformen der Reflexionsschicht zur indirekten Bestrahlung des Halbleitermaterials wird erreicht, dass ein auftretender Gradient der Bestrahlung in Ausbreitungsrichtung der zusätzlichen Strahlung beziehungsweise in z-Richtung aufgrund der Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquellen, des Strahlungsverlaufes und der teilweisen Reflexion ausgeglichen wird. Dadurch kann keine gleichmäßige Konditionierung des Detektors durch eine gleichmäßige Erzeugung zusätzlicher Ladungsträger erfolgen. Eine ungleichmäßige Detektorantwort und daraus resultierende Bildartefakte werden vermieden. Zudem gewinnt die Reflexionsschicht auf dem Kollimator durch die Wölbung an Steifigkeit gegenüber den bei der Rotation in einem CT-System auftretenden Beschleunigungskräften.
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Weiterhin sind bei der indirekten Bestrahlung des Halbleitermaterials keinerlei aktive Bauteile im direkten Strahlengang der Röntgenstrahlung angeordnet, welche Strahlenschäden erleiden oder die Dosiseffizienz des Gesamtsystems verschlechtern könnten. Eine zusätzliche Dosis eines Patienten wird ebenfalls vermieden. Weiterhin sind die hier verwendeten Bauteile, wie röntgenbeständige Reflexionsmaterialien und Leuchtdioden, bereits etabliert und somit einfach und kostengünstig verfügbar.
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Mittels der Bestrahlung des Halbleitermaterials kann die Drift der Detektorantwort durch die im Halbleiter auftretende Polarisation vermieden werden. Zudem werden durch die gleichmäßige Bestrahlung vor und/oder während eines Messvorgangs auch andere driftempfindliche Bauteile konditioniert. Dies betrifft insbesondere Bauteile, welche sich ohne Vorbeleuchtung während eines Messvorgangs erwärmen würden.
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Demgemäß schlagen die Erfinder vor, einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, insbesondere zur Verwendung in einem CT-System, zumindest aufweisend ein zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial, mindestens einen Kollimator, und mindestens eine Strahlungsquelle, welche das Halbleitermaterial mit einer zusätzlichen Strahlung bestrahlt, dahingehend zu verbessern, dass der mindestens eine Kollimator auf einer dem Halbleitermaterial zugewandten Seite mindestens eine Reflexionsschicht aufweist, an welcher die zusätzliche Strahlung auf das Halbleitermaterial reflektiert wird. Bei einem derartigen direktkonvertierenden Halbleiterdetektor wird das Halbleitermaterial indirekt bestrahlt, wobei die Bestrahlung gleichmäßig über dessen Oberfläche verteilt erfolgt. Durch diese zusätzliche Bestrahlung werden Ladungsträger generiert, mittels derer die Polarisation des Halbleitermaterials verhindert wird, sodass die jeweilige Schwächung der Röntgenstrahlung eindeutig einer Zählrate des Detektors zugeordnet werden kann. Ein derartiger Detektor ist vorteilhafterweise zur Detektion der in CT-Systemen vorkommenden hohen Strahlungsflussdichten geeignet.
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Der Detektor umfasst ein Halbleitermaterial, welches zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendet wird. Als Halbleitermaterial eignet sich beispielsweise CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TIBr2 oder HgI2. Weiterhin umfasst der Detektor mindestens einen Kollimator zur Abschirmung von Streustrahlung, welcher im Strahlenverlauf der Röntgenstrahlung vor dem Halbleitermaterial angeordnet ist. Bevorzugt ist der Kollimator auf derselben Seite eines Untersuchungsobjektes angeordnet wie das Halbleitermaterial. Zwischen dem Kollimator und dem Halbleitermaterial ist ein Zwischenraum in Form eines Spaltes ausgebildet. In dem Spalt ist auf dem Halbleitermaterial in einer Ausführungsform eine Elektrode angeordnet. Die Elektrode ist bevorzugt zumindest teilweise transparent ausgebildet.
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Zudem umfasst der Detektor noch mindestens eine Strahlungsquelle zur Bestrahlung des Halbleitermaterials mit einer zusätzlichen Strahlung. In einer Ausführungsform ist genau eine Strahlungsquelle ausgebildet, andere Ausführungsformen sehen mehr als eine Strahlungsquelle, beispielsweise zwei, drei oder vier Strahlungsquellen, vor. Beispielsweise ist die Strahlungsquelle als Leuchtdiode ausgebildet, welche vorzugsweise IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von mindestens 780 nm erzeugt. In einer anderen Ausführungsform wird Strahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich verwendet. Die Strahlungsquelle ist bevorzugt seitlich des Halbleitermaterials angeordnet. Weiter bevorzugt ist die Strahlungsquelle außerhalb des Spaltes zwischen dem Kollimator und dem Halbleitermaterial angeordnet. Hierbei erfolgt eine Abstrahlung der Strahlungsquelle vorteilhafterweise in Richtung des Spaltes, sodass die Strahlung in den Spalt eingestrahlt wird. In einer Ausführungsform ist die Strahlungsquelle in positiver z-Richtung vor dem Halbleitermaterial angeordnet, in einer anderen Ausführungsform ist die Strahlungsquelle in positiver z-Richtung hinter dem Halbleitermaterial angeordnet. Entsprechend strahlt die Strahlungsquelle bevorzugt in und/oder entgegen der positiven z-Richtung. Der Kollimator weist eine, einer Seite des Halbleitermaterials zugewandte Unterseite auf. Die der Unterseite gegenüberliegende Seite des Halbleiters wird im Folgenden mit Oberseite bezeichnet. Der Spalt zwischen Halbleitermaterial und Kollimator wird also von der Oberseite des Halbleitermaterials und der Unterseite des Kollimators gebildet.
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Erfindungsgemäß weist der Kollimator an seiner Unterseite, also an der dem Halbleitermaterial zugewandten Seite, mindestens eine Reflexionsschicht auf. Die mindestens eine Reflexionsschicht reflektiert die von der Strahlungsquelle in den Spalt eingestrahlte Strahlung auf die Elektrode beziehungsweise die Oberseite des Halbleitermaterials. Somit wird das Halbleitermaterial indirekt bestrahlt. An der Elektrode kann die Strahlung teilweise zurückreflektiert werden, sodass in dem Spalt eine Mehrfachreflexion möglich ist. Vorteilhafterweise wird durch die Reflexion der Strahlung an der mindestens einen Reflexionsschicht eine gleichmäßige Bestrahlung und somit eine gleichmäßige Ladungsträgererzeugung an der gesamten Seite des Halbleitermaterials erreicht.
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In einer Ausführungsform ist genau eine Reflexionsschicht ausgebildet. Andere Ausführungsformen sehen mehr als eine Reflexionsschicht, beispielsweise zwei, drei oder vier Reflexionsschichten, vor. Vorteilhafterweise bedeckt die Reflexionsschicht mindestens 50%, bevorzugt mindestens 75% und weiter bevorzugt mindestens 90%, der Unterseite des Kollimators. Am meisten bevorzugt bedeckt die Reflexionsschicht die gesamte Unterseite des Kollimators. Mehrere Reflexionsschichten sind beispielsweise nebeneinander und/oder übereinander ausgebildet. Die Reflexionsschichten können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Um eine möglichst vollständige Reflexion der Strahlung zu gewährleisten, ist der Reflexionsgrad der Reflexionsschicht beziehungsweise des Materials der Reflexionsschicht möglichst groß. In einer Ausführungsform beträgt der Reflexionsgrad mindestens 50%, bevorzugt mindestens 90% und am meisten bevorzugt mindestens 99%, der einfallenden Strahlung.
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Weiterhin kann die Reflexionsschicht unterschiedlich geformt beziehungsweise strukturiert sein. In einer Ausführungsform ist die Reflexionsschicht parallel zu der Oberseite des Halbleiters ausgebildet. Entsprechend bevorzugt ist die Reflexionsschicht eben ausgebildet. Entsprechend weist die Reflexionsschicht vorteilhafterweise eine einheitliche Dicke auf. Die Dicke der Reflexionsschicht liegt bevorzugt zwischen 1 μm und 1 mm. Die vorteilhafterweise verwendete IR-Strahlung dringt vorteilhafterweise nahezu nicht in das Material der Reflexionsschicht ein, sodass die Dicke der Reflexionsschicht einen vernachlässigbaren Parameter darstellt. Hierbei verläuft die Oberfläche der Reflexionsschicht vorzugsweise parallel zu der Unterseite des Kollimators.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Reflexionsschicht nicht-parallel zur Oberseite des Halbleiters ausgebildet. Bevorzugt ist die Reflexionsschicht gewölbt ausgebildet, weist also mindestens eine Wölbung auf. Dabei ist die Reflexionsschicht zum Halbleitermaterial konkav gewölbt, beispielsweise mit einer Vertiefung und mindestens einer erhöhten Seite. Die Wölbung entsteht entweder durch eine einheitlich dicke Reflexionsschicht auf einer gewölbten Unterseite des Kollimators oder durch eine unterschiedlich dicke Reflexionsschicht, welche somit entsprechend gewölbt ist.
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Eine Ausführungsform der Reflexionsschicht sieht genau eine Wölbung vor. Die eine Wölbung ist bevorzugt in z-Richtung erhöht. Das heißt die Reflexionsschicht ist bei großen z-Werten höher beziehungsweise dicker als bei kleinen z-Werten. In einer Ausführungsform ist die Wölbung mit zunehmendem Abstand zur Strahlungsquelle gewölbt beziehungsweise erhöht. Eine andere Ausführungsform sieht mehrere Wölbungen der Reflexionsschicht vor. Mehrere Wölbungen sind bevorzugt symmetrisch ausgebildet. Weiterhin können mehrere Wölbungen den gleichen Radius oder unterschiedliche Radien aufweisen. Zum Beispiel sind zwei Wölbungen gegenüberliegend angeordnet, sodass die eine Reflexionsschicht halbbogenförmig ausgebildet ist. Bevorzugt sind die erhöhten Bereiche der Reflexionsschicht jeweils bei kleinen z-Werten, also strahlungsquellennah, beziehungsweise bei großen z-Werten, also strahlungsquellenfern, angeordnet.
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Die Reflexionsschicht weist in einer weiteren Ausführungsform vier Wölbungen auf. Diese Ausführungsform eignet sich beispielsweise bei einer rechteckigen Ausführung des Halbleitermaterials mit mehreren, vorzugsweise vier, jeweils an den Ecken des Halbleitermaterials angeordneten, Strahlungsquellen. Die vier Wölbungen sind vorteilhafterweise als symmetrische Quadranten ausgebildet, welche eine insgesamt halbkugelförmige Reflexionsschicht ausbilden.
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Mittels einer gewölbten Reflexionsschicht wird eine gleichmäßige Bestrahlung des Halbleitermaterials durch eine gezielte Umlenkung der reflektierten Strahlung gewährleistet. Dabei sind die Form der Reflexionsschicht beziehungsweise die Anzahl der Wölbungen vorteilhafterweise an die Anzahl und Einstrahlrichtung der Strahlungsquellen angepasst. Bei zwei gegenüberliegenden Wölbungen strahlen vorteilhafterweise zwei gegenüberliegende Lichtquellen jeweils auf die gegenüberliegende Wölbung der Reflexionsfläche. Weiterhin wird die Form der Wölbungen vorteilhafterweise an eine Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquelle, einen Abstand der Strahlungsquelle zur Reflexionsschicht und zum Halbleitermaterial sowie bei einer Mehrfachreflexion an die auftretenden Strahlungsverluste angepasst. Eine Höhe der Wölbung ist hierbei durch die Breite des Spaltes limitiert.
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Die Reflexionsschicht kann in Ausbreitungsrichtung der zusätzlichen Strahlung, insbesondere in z-Richtung, unterschiedlich oder gleich ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Reflexionsschicht entlang der z-Richtung derart ausgebildet, dass bei einer Bestrahlung des Halbleitermaterials in z-Richtung über die gesamte z-Richtung eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung und Ladungsträgererzeugung gewährleistet ist. In einer Ausführungsform weist die Reflexionsschicht mit sich änderndem Abstand von der Strahlungsquelle sich ändernde Materialeigenschaften auf. Mit anderen Worten weist die Reflexionsschicht bei einer in z-Richtung strahlenden Strahlungsquelle mit sich in z-Richtung beziehungsweise in Ausbreitungsrichtung der zusätzlichen Strahlung verändernden, das heißt unterschiedlichen, Materialeigenschaften ausgebildet. Diese Materialeigenschaften sind beispielsweise die Dicke, die Dichte, der Reflexionsgrad und/oder eine Materialzusammensetzung. Beispielsweise ändert sich der Reflexionsgrad in z-Richtung. Vorteilhafterweise nimmt der Reflexionsgrad in z-Richtung zu, sodass bei kleinen z-Werten, also strahlungsquellennah, eine geringere Reflexion erfolgt. Dies kann durch eine Änderung der Dichte, einen unterschiedlichen intrinsischen Reflexionsgrad, Lücken in der Reflexionsschicht und/oder eine zusätzliche nichtreflektierende Maskierung der Reflexionsschicht erreicht werden. Wird die Änderung des Reflexionsgrades mittels Lücken in der Reflexionsschicht erreicht, nimmt eine Größe der Lücken vorteilhafterweise in z-Richtung ab.
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In einer anderen Ausführungsform hierzu kann die Durchlässigkeit einer auf dem Halbleitermaterial in dem Spalt aufgebrachten Elektrode in z-Richtung beziehungsweise in Ausbreitungsrichtung der zusätzlichen Strahlung unterschiedlich ausgebildet sein. Die Elektrode ist bevorzugt auf der Oberseite des Halbleitermaterials, welche der Unterseite des Kollimators mit der Reflexionsschicht gegenüberliegt, angeordnet. Beispielsweise weist die Elektrode mindestens eine Lücke auf. Entsprechend ist die Durchlässigkeit für die zusätzliche Strahlung, also der Transmissionsgrad, der Elektrode in Lücken erhöht. Vorteilhafterweise wird eine Anzahl und/oder eine Größe der Lücken in z-Richtung größer, sodass eine strahlungsquellenferne Lücke größer ist als eine strahlungsquellennahe Lücke.
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Eine weitere Ausführungsform sieht eine mehrschichtige Reflexionsschicht vor. Vorteilhafterweise weisen die einzelnen Schichten unterschiedlich hohe Reflexionsgrade auf, wobei eine äußerste Schicht bevorzugt einen kleineren Reflexionsgrad aufweist als eine innere Schicht. Äußere Schichten können beispielsweise Lücken aufweisen, sodass die Reflexionsschicht mittels dieser Lücken insgesamt ein unterschiedliches Reflexionsverhalten aufweist. Beispielsweise kann mittels einer äußersten, strukturierten Schicht mit einem sehr geringen Reflexionsgrad eine nahezu nichtreflektierende Maskierung auf der Reflexionsschicht ausgebildet werden.
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Für die Reflexionsschicht eignen sich Materialien, welche einerseits möglichst transparent für die zu detektierende Strahlung sind und andererseits die Strahlung der Strahlungsquelle möglichst gut reflektieren. Dies sind beispielsweise Reflextorlacke, Metalle, insbesondere Leichtmetall wie zum Beispiel Aluminium oder Magnesium, Kunststoffe zum Beispiel Polyethylen, insbesondere Polyethylen mit einer aus Aluminium aufgedampften Beschichtung, sowie Verbindungen, insbesondere Metalllegierungen und/oder Halbleiter. Derartige Materialien können einfach mittels bekannter Abscheideverfahren wie Verdampfen, Sputtern, chemischer oder physikalischer Abscheidung auf die Unterseite des Kollimators aufgebracht werden.
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Zum Rahmen der Erfindung zählt auch ein CT-System, umfassend einen Röntgenstrahlungsdetektor, mit dem tomographische Aufnahmen eines Untersuchungsobjektes erstellt werden können. Bei einem CT-System mit einem erfindungsgemäßen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor ist vorteilhafterweise eine driftfreie Messung der Strahlungsabsorption gewährleistet, sodass die erstellten Aufnahmen vorteilhafterweise bildartefaktfrei sind. Die Systemachse des CT-Systems entspricht hierbei der z-Richtung, wobei die z-Richtung senkrecht zu einer Einfallsrichtung der zu detektierenden Röntgenstrahlung ausgerichtet ist.
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Weiterhin zählt zum Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Detektion einfallender Röntgenstrahlung mittels eines direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektors, insbesondere zur Verwendung in einem CT-System, wobei ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial zur Generation zusätzlicher Ladungsträger mit einer zusätzlichen Strahlung mittels mindestens einer Reflexionsschicht, welche auf einer dem Halbleitermaterial zugewandten Seite mindestens eines Kollimators angeordnet wird, indirekt bestrahlt wird. Die Bestrahlung des Halbleitermaterials erfolgt bevorzugt von einer oder mehrerer zusätzlicher Strahlungsquellen, welche die gegenüber dem Halbleitermaterial an einem Kollimator ausgebildete Reflexionsschicht bestrahlen, wobei die Reflexionsschicht die zusätzliche Strahlung auf das Halbleitermaterial reflektiert. Weiterhin wird die Strahlung an der Reflexionsschicht und/oder einer Elektrode auf dem Halbleitermaterial entweder einfach und/oder mehrfach reflektiert. Mittels der Bestrahlung des Halbleitermaterials werden vorteilhafterweise zusätzliche Ladungsträger generiert, welche der im Halbleitermaterial bei der Detektion der Röntgenstrahlung auftretenden Polarisation entgegenwirken. Bei der zusätzlichen Strahlung handelt es sich bevorzugt um IR-Strahlung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung der Reflexionsschicht entlang der z-Richtung. Hierbei nimmt eine Anzahl an zusätzlich generierten Ladungsträgern in beziehungsweise entgegen der z-Richtung ab. Um dies zu verhindern und um entlang der z-Richtung gleichmäßig viele Ladungsträger zu erzeugen, nimmt in einer Ausführungsform der Reflexionsgrad der mindestens einen Reflexionsschicht in z-Richtung zu. Es wird folglich vorteilhafterweise eine Reflexionsschicht mit einem in Ausbreitungsrichtung der zusätzlichen Strahlung und/oder in z-Richtung eines in einem CT-System eingebauten Röntgenstrahlungsdetektors unterschiedlichen Reflexionsgrad verwendet.
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In einer anderen Ausführungsform nimmt der Transmissionsgrad einer auf dem Halbleitermaterial, gegenüber der mindestens einen Reflexionsschicht aufgebrachten Elektrode in z-Richtung zu. Es wird also vorteilhafterweise eine Elektrode mit einem in Ausbreitungsrichtung der zusätzlichen Strahlung und/oder in z-Richtung eines in einem CT-System eingebauten Röntgenstrahlungsdetektors unterschiedlichen Transmissionsgrad verwendet. Durch die in z-Richtung verstärkte Reflexion und/oder durch die in z-Richtung größere Durchlässigkeit beziehungsweise den höheren Transmissionsgrad der Elektrode werden strahlungsquellenfern vermehrt Ladungsträger erzeugt, sodass insgesamt in z-Richtung die Ladungsträger gleichmäßig erzeugt werden.
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Weiterhin erfolgt die zusätzliche indirekte Bestrahlung des Halbleitermaterials bevorzugt vor und/oder während des Einfalls der zu detektierenden Röntgenstrahlung. Vorteilhafterweise setzt die zusätzliche Bestrahlung mindestens 5 s, bevorzugt mindestens 10 s und weiter bevorzugt mindestens 15 s vor dem Beginn eines Messvorgangs mit der Röntgenstrahlung ein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Halbleiter; 2: Kollimator; 3: Reflexionsschicht; 4: Elektrode; 5: Spalt; 6: Leuchtdiode; 7: Verlauf des Reflexionsgrades; 8: Verlauf des Transmissionsgrades; C1: CT-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: zweite Röntgenröhre (optional); C5: zweiter Detektor (optional); C6: Gantrygehäuse; C7: Patient; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Rechen- und Steuereinheit; d: Drift; Prg! bis Prgn: Computerprogramme; t: Zeit.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung eines CT-Systems mit Recheneinheit,
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2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Röntgenstrahlungsdetektors in einer ersten Ausführungsform,
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3 ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Drift eines Röntgenstrahlungsdetektors in Abhängigkeit der Intensität der zusätzlichen Strahlung,
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4 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung des Röntgenstrahlungsdetektors in einer weiteren Ausführungsform,
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5 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung des Röntgenstrahlungsdetektors in einer weiteren Ausführungsform und
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6 jeweils eine schematische Darstellung einer sich in z-Richtung verändernden Reflexionsschicht und einer Elektrode des Röntgenstrahlungsdetektors gemäß der 5.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes CT-System C1. Das CT-System C1 umfasst ein Gantrygehäuse C6, in dem sich eine hier nicht näher dargestellte Gantry befindet, an der eine erste Röntgenröhre C2 mit einem gegenüberliegenden ersten Detektor C3 befestigt ist. Optional ist ein zweite Röntgenröhre C4 mit einem zweiten gegenüberliegenden Detektor C5 vorgesehen. Ein Patient C7 befindet sich auf einer in Richtung der Systemachse C9 verschiebbaren Patientenliege C8, mit der er während der Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse C9 beziehungsweise in z-Richtung durch ein Messfeld zwischen den Röntgenröhren C2 und C4 und den jeweils zugeordneten Detektoren C3 und C5 geschoben werden kann. Dieser Vorgang wird durch eine Rechen- und Steuereinheit C10 mit Hilfe von Computerprogrammen Prg! bis Prgn gesteuert.
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Die Detektoren C3 und C5 sind in der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform des CT-Systems C1 als direktkonvertierende Röntgenstrahlungsdetektoren ausgebildet, welche zumindest ein zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial, einen Kollimator, und eine seitlich angeordnete Strahlungsquelle, welche das Halbleitermaterial mit einer zusätzlichen Strahlung bestrahlt, aufweisen (siehe 2, 4 und 5). Das CT-System C1 wird entsprechend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben.
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In den 2, 4 und 5 ist jeweils eine schematische Darstellung eines zur Detektion von Röntgenstrahlung in einem CT-System (siehe 1) verwendeten Halbleitermaterials 1 eines Detektorelements gezeigt. Das Halbleitermaterial 1 ist beispielsweise CdTe. Weiterhin ist ein Kollimator 2 dargestellt, welcher beabstandet und parallel zu dem Halbleitermaterial 1 angeordnet ist. Zwischen dem Halbleiter 1 und dem Kollimator 2 ist ein Spalt 5 ausgebildet. Der Halbleiter 1 weist an seiner dem Kollimator 2 gegenüberliegenden Seite eine Elektrode 4 auf, welche einen bestimmten Transmissionsgrad aufweist. Die Elektrode 4 ist mit einer Elektronik des CT-Systems verbunden, welche jedoch der Übersicht halber nicht dargestellt ist. Auf einer in z-Richtung betrachtet vorderen Seite des Halbleiters 1 ist außerhalb des Spaltes 5 eine Strahlungsquelle in Form einer Leuchtdiode 6 angeordnet. Die Leuchtdiode 6 strahlt in z-Richtung in den Spalt 5. Bei der Strahlung handelt es sich um Infrarot-Strahlung.
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Erfindungsgemäß ist auf der dem Halbleiter 1 gegenüberliegenden Seite, also der Unterseite, des Kollimators 2 eine Reflexionsschicht 3 ausgebildet. Die in den 2, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen des Röntgenstrahlungsdetektors unterscheiden sich jeweils in der Ausführung der Reflexionsschicht 3. In der 2 ist die Reflexionsschicht 3 eben, mit einer einheitlichen Dicke ausgeführt, sodass die Oberflächen der Reflexionsschicht 3, des Kollimators 2 und des Halbleiters 1 beziehungsweise der Elektrode 4 parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Reflexionsgrad der Reflexionsschicht 3 ist ebenfalls einheitlich, sodass die Reflexion der IR-Strahlung an der Reflexionsschicht 3 in z-Richtung einheitlich ist.
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Grundsätzlich reflektiert die Reflexionsschicht 3 die in den Spalt 5 einfallende Strahlung auf das Halbleitermaterial 1 beziehungsweise auf die auf dem Halbleitermaterial 1 angeordnete Elektrode 4. Die Strahlung wird von der Elektrode 4 teilweise mehrfach zu der Reflexionsschicht 3 zurück reflektiert und ansonsten in das Halbleitermaterial 1 transmittiert. Ein Anteil an in das Halbleitermaterial 1 transmittierter Strahlung ist abhängig von dem Transmissionsgrad der Elektrode 4. In dem Halbleitermaterial 1 werden durch die Strahlung zusätzliche Ladungsträger generiert, mit denen die im Halbleiter 1 aufgrund der im Betrieb einfallenden Röntgenstrahlung auftretende Polarisation des Halbleitermaterials 1 beziehungsweise die Drift des Röntgenstrahlungsdetektors ausgeglichen wird.
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In der 3 ist die zeitliche Veränderung der Drift eines Röntgenstrahlungsdetektors in Abhängigkeit der Intensität der IR-Strahlung gezeigt. Auf der Ordinate ist der Wert der Drift d in Prozent und auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Ein niedrigster Verlauf zeigt das Driftverhalten eines herkömmlichen Röntgenstrahlungsdetektors ohne Bestrahlung mit der zusätzlichen Strahlung. Die Drift des Röntgenstrahlungsdetektors steigt an, bis ein nahezu konstanter Wert erreicht ist. Die weiteren Verläufe zeigen das jeweilige Driftverhalten bei gleichzeitiger Bestrahlung durch die Leuchtdiode mit stärker werdender Intensität. Durch die IR-Bestrahlung ist eine deutliche Driftreduktion bis hin zu einer nahezu vollständigen Vermeidung der Drift im Röntgenstrahlungsdetektor gegeben. Hierbei ist der Endwert der Drift wesentlich schneller erreicht als ohne IR-Bestrahlung.
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In der 4 ist der Röntgenstrahlungsdetektors mit einer weiteren Ausführungsform der Reflexionsschicht 3 gezeigt. Die Reflexionsschicht 3 ist hier gewölbt ausgebildet, wobei die konkave Wölbung auf die Leuchtdiode 6 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist die Reflexionsschicht 3 bei großen z-Werten dicker ausgebildet als bei kleinen z-Werten. Die Dicke der gewölbten Reflexionsschicht 3 nimmt also in Ausbreitungsrichtung der IR-Strahlung zu. Bei der Ausbildung der Wölbung wird die Abstrahlcharakteristik der Leuchtdiode 6 und der Abstand der Leuchtdiode 6 zur Reflexionsschicht 3 berücksichtigt. Die Höhe der Wölbung entspricht nahezu der Breite des Spaltes 5. Durch die Wölbung wird eine gleichmäßigere Reflexion der IR-Strahlung auf den Halbleiter 1 erreicht, sodass die Ladungsträgergeneration im Halbleiter 1 einheitlich ist.
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In der 5 ist eine weitere Ausführungsform des Röntgenstrahlungsdetektors gezeigt. Hier weist zum einen die Reflexionsschicht 3 in z-Richtung beziehungsweise mit zunehmendem Abstand von der Leuchtdiode 6 einen sich verändernden Reflexionsgrad auf und zum anderen weist die Elektrode 4 einen sich in z-Richtung beziehungsweise mit zunehmendem Abstand von der Leuchtdiode 6 verändernden Transmissionsgrad auf. Dies ist schematisch in der 6 dargestellt. Zur Veränderung des Reflexionsgrades beziehungsweise des Transmissionsgrades sind in der Reflexionsschicht 3 beziehungsweise in der Elektrode 4 mehrere, unterschiedlich beabstandete Lücken ausgebildet.
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Die Reflexionsschicht 3 weist in dieser Ausführungsform vier Lücken auf, deren Abstand in z-Richtung zunimmt (siehe Verlauf 7). An den Lücken findet keine Reflexion der IR-Strahlung statt, der Reflexionsgrad ist also nahezu Null. Dahingegen weist die Elektrode 4 vier Lücken auf, deren Abstand in z-Richtung kleiner wird (siehe Verlauf 8). Die IR-Strahlung wird durch die Lücken vollständig in das Halbleitermaterial 1 transmittiert. Es wird also zum einen in z-Richtung vermehrt IR-Strahlung reflektiert und zum anderen mehr IR-Strahlung in den Halbleiter 1 transmittiert. Durch diese Veränderungen werden in z-Richtung, also strahlungsquellenfern, vermehrt Ladungsträger erzeugt. Somit kann eine möglicherweise in z-Richtung ungleichmäßige Bestrahlung der Reflexionsschicht 3 ausgeglichen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
