DE102012213411B4 - Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Detektion einfallender Röntgenstrahlung mittels eines direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektors (C3, C5), insbesondere zur Verwendung in einem CT-System, wobei
1.1. ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial (HL) zur Generation zusätzlicher Ladungsträger mit einer zusätzlichen Strahlung mit unterschiedlichen Energien von mindestens 1,6 eV bestrahlt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
1.2. während des Bestrahlens die Energie der zusätzlichen Strahlung verändert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einfallender Röntgenstrahlung mittels eines direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektors, wobei das Halbleitermaterial mit einer zusätzlichen Strahlung bestrahlt wird.
  • Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung, insbesondere in CT-, SPECT- und PET-Systemen, werden unter anderem direktkonvertierende Detektoren, basierend auf halbleitenden Materialien, wie CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TIBr2, HgI2, verwendet beziehungsweise deren Benutzung angestrebt. Bei diesen Materialien tritt jedoch insbesondere bei einer für CT-Geräte notwendigen hohen Strahlungsflussdichte der Effekt der Polarisation auf.
  • 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 Strahlung erzeugten Ladungsträger wirken. Hieraus resultiert eine Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer und -beweglichkeit, welche wiederum zu einer Reduktion der detektierten Zählrate bei den hohen Photonenflüssen führt.
  • Ein Strahlendetektor muss jedoch eine hohe Ladungsträgerlebensdauer und -beweglichkeit aufweisen, damit die während der Bestrahlung entstandenen Elektronen und Löcher getrennt werden können. Durch die Polarisation wird sonst der maximal detektierbare Strahlungsfluss eines Direktkonverters begrenzt. Aus diesem Grund ist es bislang nicht möglich, hohe Strahlungsdichten, wie sie vor allem in der Computertomographie Anwendung finden, vollständig und direkt in elektrische Pulse umzuwandeln.
  • Die Druckschrift US 2008/0164418 A1 beschreibt ein Verfahren, um die Polarisation in einem Halbleiterdetektor zu reduzieren, bei dem elektrische Pulse als Antwort auf die Absorption einer ionisierenden Strahlung in dem Halbleiter erzeugt werden, wobei im Halbleiter eine Raumladung entsteht, und in Abhängigkeit der erzeugten Raumladung der Halbleiter mit einer IR-Strahlung mit einer oder mehrerer Wellenlängen bestrahlt wird, sodass die Polarisation in dem Halbleiter und somit deren Einfluss auf die elektrischen Pulse zumindest teilweise reduziert wird. Die verwendete IR-Strahlung weist eine Energie von maximal 1,57 eV mit einer Wellenlänge von mindestens 790 nm auf.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung in einem direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor zu schaffen, bei dem die Polarisation in einem zur Detektion verwendeten Halbleitermaterial nahezu vollständig verhindert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass die Polarisation in dem zur Detektion verwendeten Halbleitermaterial verhindert werden kann, indem eine zusätzliche Raumladung beziehungsweise zusätzliche Ladungsträger in dem Halbleitermaterial erzeugt wird. Diese zusätzlich erzeugten Ladungsträger können die intrinsischen Störstellen des Halbleiterkristalls, insbesondere die tiefen Störstellen, besetzen und somit passivieren. Es entstehen also ortsfeste Ladungen, die die Bildung einer Raumladung und somit die Polarisation des Halbleiters verhindern.
  • Die Ladungsträger können durch energiereiche Strahlung in das Halbleitermaterial appliziert werden. Die verwendete Strahlung weist mindestens eine Energie von 1,6 eV auf. Hierfür kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht oder Ultraviolettstrahlung, oder Elektronenstrahlung verwendet werden. Zum Vergleich weist die in der vorstehend zitierten Druckschrift US 2008/0164418 A1 verwendete IR-Strahlung bei einer Wellenlänge von mindestens 790 nm lediglich eine Energie von höchstens 1,57 eV auf. Das Halbleitermaterial wird dann gepulst oder dauerhaft, während und/oder in einem definierten zeitlichen Abstand vor der Röntgenstrahlung und/oder mit unterschiedlichen oder gleichen Energien, bestrahlt.
  • Die Ladungsträger werden durch die Bestrahlung nahe der Oberfläche des Halbleitermaterials erzeugt und diffundieren beziehungsweise driften von dort in das Innere des Halbleitermaterials. Für die Richtung der Bestrahlung gibt es verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel kathoden- und/oder anodenseitig beispielsweise über semitransparente Kontakte auf einer Oberfläche des Halbleiters oder über Lücken in einer Elektrodenmaske des Detektors oder von der Seite. Bei der Verwendung in einem CT-System kann die Strahlungsquelle an der z-Seite an dem Halbleiter angebracht werden, sodass dieser aus z-Richtung bestrahlt wird.
  • Die Wahl der Energie beziehungsweise Wellenlänge bei einer Strahlung im sichtbaren Bereich erfolgt in Abhängigkeit der Bandlücke des jeweiligen verwendeten Halbleitermaterials. Ist die Energie der Lichtstrahlung größer als die Energiedifferenz der Bandlücke, so werden die Ladungsträger von Band zu Band angeregt. Es sind also Band-Band-Übergänge der Ladungsträger möglich. Beispielsweise besitzt CdTe eine Bandlücke von 1,4 eV bei Raumtemperatur. Dies entspricht einer Wellenlänge von etwa 850 nm, also naher IR-Strahlung. Um Band-Band-Übergänge in CdTe zu ermöglichen, wird entsprechend Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge und somit größeren Energie, das heißt mit mehr als 1,6 eV, verwendet. Mit zunehmender Energie beziehungsweise abnehmender Wellenlänge der Lichtstrahlung sinkt jedoch die Eindringtiefe der Lichtstrahlung in das Halbleitermaterial, sodass die Absorption der Lichtstrahlung zunehmend in einer möglicherweise gestörten Oberflächenschicht des Halbleiters stattfindet. Dabei kann die Ladungsträgergeneration ineffizient werden. Folglich ist es bei der Verwendung von sichtbarer Lichtstrahlung sinnvoll, dass die Strahlungsenergie auf die Energie der Bandlücke abgestimmt ist und beispielsweise nicht mehr als 25% von der Energie der Bandlücke abweicht.
  • Eine weitere Möglichkeit, zusätzliche Ladungsträger in dem Halbleiter zu applizieren, besteht darin, die sichtbare Strahlung auf einer Auswerteelektronik des CT-Systems, dem ASIC (=Application Specific Integrated Circuit), zu erzeugen und über ein lichtdurchlässiges Kontaktmaterial in den Halbleiter einzukoppeln. Dazu kann eine Strahlungsquelle direkt auf dem ASIC aufgewachsen, abgeschieden und/oder mechanisch verbunden werden. Als Strahlungsquelle werden beispielsweise Leuchtdioden, kurz LEDs, verwendet. Diese Strahlungsquellen können unterhalb jedes Pixelzwischenraumes oder am Rand des ASICs angeordnet werden. Eine derartige Ausführung der Strahlungsquelle ermöglicht auch eine anoden- oder kathodenseitige Bestrahlung des Halbleiters.
  • Grundsätzlich werden durch Bestrahlen der Kathode die Ladungsträger, also negative Elektronen und positive Löcher, wenige Mikrometer unterhalb der Kathode in dem Halbleiter gebildet. Die Löcher rekombinieren unmittelbar an der Kathode, während die Elektronen das Halbleitermaterial durchqueren und somit auch im Inneren des Halbleiters Störstellen besetzen. Es entsteht eine positive Raumladung. Bei anodenseitiger Bestrahlung ist dies genau umgekehrt. Die Löcher durchqueren das Halbleitermaterial und besetzen auch im Inneren des Halbleiters Störstellen, sodass eine negative Raumladung entsteht. Durch eine kathodenseitige und/oder anodenseitige Bestrahlung des Halbleiters kann die Ausbildung der Raumladung im Halbleitermaterial und damit der Polarisationszustand beeinflusst beziehungsweise kontrolliert werden. Die Anteile an anoden- beziehungsweise kathodenseitiger Bestrahlung werden so gewählt, dass die resultierende Raumladung der unter Röntgenbestrahlung entstehenden, umgekehrten Raumladung entspricht. Beispielsweise wird eine negative Raumladung aufgrund der Röntgenstrahlung durch eine positive Raumladung aufgrund der zusätzlichen generierten Ladungsträger ausgeglichen. Die Raumladung bleibt somit auch bei einfallender Röntgenstrahlung im Halbleitermaterial konstant. Die Detektorantwort ist folglich stabilisiert.
  • Insbesondere können bei einer gleichzeitigen und/oder sequentiellen Bestrahlung von Anoden- und/oder Kathodenseite eine Kombination unterschiedlicher Wellenlängen- beziehungsweise Energiebereiche und unterschiedlicher Intensitäten ausgewählt werden. Zum Beispiel wird ein Energiebereich und die Intensität der Bestrahlung in Abhängigkeit von kV- und mAs-Einstellungen eines geplanten Röntgenscans in einem CT-System variiert, um die Raumladung optimal an das Profil der Energiedeposition innerhalb des Röntgenstrahlungsdetektors anzupassen.
  • Grundsätzlich werden also die bisher relevanten Störstellen des Halbleiters, an denen sich die Raumladung ausbildet und die zur Polarisation führen, passiviert beziehungsweise ausgeglichen, sodass das Halbleitermaterial als direktkonvertierender Röntgenstrahlungsdetektor für den im Hochflussbetrieb, zum Beispiel in CT- oder Dual Energy-CT-Systemen, geeignet ist.
  • Demgemäß schlagen die Erfinder vor, 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 mit unterschiedlichen Energien von mindestens 1,6 eV bestrahlt wird, dahingehend zu verbessern, dass während des Bestrahlens die Energie der Strahlung verändert wird. Bei einem derartigen Verfahren wird die Polarisation im Halbleiter verhindert, indem der Halbleiter zusätzlich zu der zu detektierenden Röntgenstrahlung mit einer energiereichen Strahlung bestrahlt wird. Diese zusätzliche Strahlung wird jedoch nicht detektiert und für die Bildgebung verwendet. Sie dient lediglich zur Erzeugung zusätzlicher Ladungsträger. Erfindungsgemäß wird hierzu Strahlung mit einer Energie von mindestens 1,6 eV verwendet. Dies entspricht einer maximalen Wellenlänge von 770 nm. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Strahlung mit einer noch höheren Energie, das heißt bevorzugt größer als 2,1 eV, weiter bevorzugt zwischen 2,1 eV und 3,2eV, verwendet.
  • Mittels der energiereichen Strahlung werden im Halbleiter zusätzliche Ladungsträger, also Elektronen und Löcher, erzeugt. Die so erzeugten Ladungsträger besetzen die Störstellen, insbesondere die tiefen Störstellen, des Halbleitermaterials, wodurch diese neutralisiert werden und ortsfeste Ladungen entstehen. Hierdurch wird die Ausbildung einer Raumladung an den Störstellen und somit die Polarisation verhindern. Vorteilhafterweise bleibt damit eine hohe Ladungsträgerlebensdauer und -beweglichkeit erhalten, sodass weiterhin auch bei hohen Photonenflüssen die detektierte Zählrate nicht reduziert wird. Folglich wird der maximal detektierbare Strahlungsfluss des direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektors nicht durch die Polarisation begrenzt. Erfindungsgemäß können also auch hohe Strahlungsdichten, vorzugsweise in CT-Systemen, direkt in elektrische Pulse umgewandelt werden.
  • Zur Bestrahlung des Halbleiters wird unterschiedliche Strahlung, erfindungsgemäß unterschiedlich energiereiche Strahlung, verwendet, die aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig/oder zeitlich versetzt auf das Halbleitermaterial eingestrahlt werden kann. In einer Ausführungsform wird elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise sichtbares Licht und/oder Ultraviolettstrahlung, verwendet. Die Energie der sichtbaren Strahlung reicht von ca. 1,6 eV bei einer Wellenlänge von ca. 770 nm bis zu einer Energie von ca. 3,1 eV bei einer Wellenlänge von ca. 400 nm. Der Energiebereich von Ultraviolettstrahlung liegt zwischen ca. 3,3 eV und ca. 12 eV mit einer Wellenlänge von ca. 380 nm bis 1 nm. Bevorzugte Energiebereich der Strahlung richten sich nach der verwendeten Strahlungsquelle und den beabsichtigten Eindringtiefen der Strahlung in das Halbleitermaterial, zum Beispiel beträgt die Energie der Strahlung bei einer verwendeten AlGaN-LED ca. 3,5 eV. Bei der Verwendung von sichtbarer Lichtstrahlung ist die jeweils vorteilhafte Energie der Strahlung abhängig von der Energie der Bandlücke des Halbleitermaterials des Röntgenstrahlungsdetektors. Vorteilhafterweise ist die Energie der Strahlung höchstens 25 % größer als die Energiedifferenz der Bandlücke, da sonst die Eindringtiefe der Lichtstrahlung in das Halbleitermaterial zu gering ist und zu wenig Ladungsträger erzeugt werden.
  • In einer anderen Ausführungsform wird das Halbleitermaterial mit Elektronenstrahlung bestrahlt. Die Energie der verwendeten Elektronenstrahlung liegt zwischen ca. 1eV und 10keV. Wird Elektronenstrahlung zur Ladungsträgererzeugung eingesetzt, wächst die Eindringtiefe mit der Energie der Strahlung, sodass bei energiereicherer Röntgenstrahlung die Ladungsträger vermehrt im Inneren des Halbleitermaterials erzeugt werden.
  • Die verwendete Strahlungsart und deren Energie beziehungsweise Dosis richtet sich nach der beabsichtigten Eindringtiefe dieser Strahlung in das Halbleitermaterial und nach der Lage der Defekte im Halbleitermaterial, welche durch die zusätzlich generierten Ladungsträger passiviert werden sollen. Befinden sich die Defekte nahe der Oberfläche, kann Strahlung mit geringerer Eindringtiefe verwendet werden.
  • Das Halbleitermaterial wird je nach Ausführungsform anodenseitig und/oder kathodenseitig bestrahlt. In einer Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung anodenseitig mit einer auf der Seite der Anode angeordneten Strahlungsquelle. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung kathodenseitig mit einer auf der Seite der Kathode angeordneten Strahlungsquelle. In dieser Ausführungsform kann weiterhin zwischen der anodenseitigen und der kathodenseitigen Bestrahlung hin und her gewechselt werden, zum Beispiel sequentiell, sodass die Bestrahlung abwechselnd anodenseitig oder kathodenseitig erfolgt. Eine andere Ausführungsform sieht eine gleichzeitige anodenseitige und kathodenseitige Bestrahlung vor. Hierbei können zudem unterschiedliche Wellenlängenbereiche beziehungsweise Energiebereiche der Strahlung miteinander kombiniert werden, zum Beispiel kann höherenergetische Strahlung auf der Kathodenseite zur Erzeugung von Ladungsträgern nahe dem Kontakt eingesetzt werden, so dass die Löcher trotz ihrer geringeren Mobilität von der Kathode abgesaugt werden können und die Elektronen den gesamten Halbleiterkristall durchwandern. Gleichzeitig kann im Inneren des Halbleiterkristalls ein konstantes Defektniveau und damit ein konstantes internes elektrisches Feld durch die Bestrahlung von der Anodenseite mit energieärmerer Strahlung erfolgen, welche tiefer in den Halbleiterkristall eindringt. Die Strahlungsquelle ist dabei entweder zwischen der Anode beziehungsweise Kathode und dem Halbleitermaterial oder auf einer Außenseite der Anode beziehungsweise Kathode angeordnet. Hierbei ist die Anode beziehungsweise Kathode bevorzugt zumindest teilweise lichtdurchlässig, beispielsweise als Gitterstruktur oder aufgrund des gewählten Materials der Anode beziehungsweise Kathode.
  • Zum Beispiel kann eine anoden- oder kathodenseitige Bestrahlung auch durch Lücken in einer Elektrodenmaske des Röntgenstrahlungsdetektors und/oder durch eine Auswerteelektronik durchgeführt werden. In einer Ausführungsform werden hierzu die Elektroden so dünn abgeschieden, dass zum einen die Eindringtiefe der Strahlung größer ist als die Schichtdicke der Elektrode und/oder die Elektrode keine komplett durchgängige Schicht beziehungsweise eine Schicht mit Dickenvariationen darstellt. Beispielsweise durchdringt sichtbare Lichtstrahlung eine 10 bis 50 nm dicke Gold- oder Platin-Elektrode, sodass Ladungsträgerpaare im Halbleiter erzeugt werden.
  • Bei der anoden- oder kathodenseitigen Bestrahlung mit sichtbarem Licht entstehen die Ladungsträger jeweils unmittelbar an der Anode beziehungsweise Kathode im Halbleiter. Wird die Kathode bestrahlt, rekombinieren die erzeugten Löcher unmittelbar, ohne weiter in das Halbleitermaterial einzudringen, während die Elektronen in das Innere des Halbleiters diffundieren und dort die Störstellen besetzen. Wird jedoch die Anode bestrahlt, diffundieren dahingegen die Löcher in das Halbleitermaterial und besetzen die Störstellen, während die Elektronen unmittelbar mit der Anode rekombinieren. Die ausgebildete Raumladung unterscheidet sich somit durch die Richtung der Bestrahlung. Je nach Art der Raumladung wird der Polarisationszustand im Halbleiter beeinflusst. Vorteilhafterweise ist der Polarisationszustand im Halbleiter aufgrund der Röntgenstrahlung umgekehrt als der durch die zusätzlich erzeugten Ladungsträger ausgebildete Polarisationszustand, sodass beide Polarisationszustände sich aufheben. Erfindungsgemäß wird ein positiver Polarisationszustand aufgrund der Röntgenstrahlung durch einen negativen Polarisationszustand durch die zusätzliche Bestrahlung ausgeglichen und umgekehrt.
  • Eine anoden- beziehungsweise kathodenseitige Bestrahlung erfolgt in anderen Ausführungsformen durch Lücken in einer Elektrodenmaske des Röntgenstrahlungsdetektors und/oder durch eine Auswerteelektronik. In einer Ausführungsform wird sichtbare Strahlung über die Auswerteelektronik des CT-Systems in den Halbleiter eingekoppelt. Dies geschieht vorteilhafterweise über ein lichtdurchlässiges Kontaktmaterial. Als Strahlungsquelle eignet sich bevorzugt eine oder mehrere LEDs. Die LEDs können direkt auf der Auswerteelektronik aufgewachsen, abgeschieden und/oder mechanisch mit dieser verbunden werden. Vorteilhafterweise werden die LEDs unterhalb jedes Pixelzwischenraumes und/oder am Rand der Auswerteelektronik angeordnet. Hierdurch ist sowohl eine kathodenseitige als auch eine anodenseitige Bestrahlung des Halbleiters möglich. Weiterhin ist diese Ausführungsform vorteilhafterweise platzsparend, da keine zusätzlichen und separaten Strahlungsquellen verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung sowohl anoden- und kathodenseitig. Vorteilhafterweise wird hierbei durch die zusätzlichen Ladungsträger eine Signalübertragung mittels Elektronen und Löchern unterstützt.
  • Alternativ und/oder zusätzlich zu der anoden- beziehungsweise kathodenseitigen Bestrahlung wird der Halbleiter von der Seite und/oder durch semitransparente Kontakte bestrahlt. Dabei ist die Strahlungsquelle entweder unmittelbar oder mit Abstand zu dem Halbleitermaterial angeordnet. Bei der Verwendung von Elektronenstrahlung ist eine kathodenseitige Bestrahlung vorteilhaft, wenn eine Signalübertragung mittels Elektronen erfolgt. Da die erzeugten Ladungsträger auf alle Fälle das gesamte Bauelement zur Anode hin durchqueren müssen, wird selbst bei intensitätsbezogen ungleichmäßiger bzw. einer Beleuchtung mit geringer Eindringtiefe der gewünschte Effekt erzielt. Dahingegen ist eine anodenseitige Bestrahlung mit Röntgenstrahlung vorteilhaft, wenn eine Signalübertragung mittels der positiven Löcher erfolgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform, insbesondere bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem CT-System, wird das Halbleitermaterial bevorzugt aus einer z-Richtung und/oder einer Umfangsrichtung des CT-Systems bestrahlt.
  • Zudem kann neben der Art der Strahlung, deren Einfallsrichtung und/oder der Strahlungsenergie noch eine Bestrahlungsdauer und/oder Bestrahlungszeit variiert werden. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial gepulst und/oder dauerhaft bestrahlt werden. Die Dauer der Bestrahlung beziehungsweise der einzelnen Pulse richtet sich nach der Anzahl der Defekte, welche passiviert werden müssen. Bei einer großen Anzahl ist eine längere Bestrahlung vorteilhaft. Weiterhin wird vorteilhafterweise durch eine gepulste Bestrahlung ein quasistationärer Zustand im Halbleitermaterial erreicht. Die Dauer und der Abstand der Pulse richten sich weiterhin nach der Lebensdauer der Defektkomplexe nach Bestrahlung.
  • Die Bestrahlung kann vor und/oder während des Einfalls der zu detektierenden Röntgenstrahlung erfolgen. Ein zeitlicher Abstand der zusätzlichen Bestrahlung zur Röntgenstrahlung richtet sich ebenfalls vor allem nach der Lebensdauer der Defektkomplexe nach der Bestrahlung. Ist diese sehr hoch, zum Beispiel mehrere Minuten, kann die Bestrahlung mit einem größeren Abstand, zum Beispiel ebenfalls mehrere Minuten, erfolgen. Der zeitliche Abstand zur Röntgenstrahlung ist jedoch vorteilhafterweise kleiner als die Lebensdauer der oben genannten Defekte.
  • Erfindungsgemäß wird die Strahlungsenergie während des Bestrahlens verändert, beispielsweise kontinuierlich oder schrittweise. Hierbei wird die Strahlungsenergie in einer Ausführungsform verringert, also zu kleineren Energiewerten hin geändert. In einer anderen Ausführungsform wird die Strahlungsenergie vergrößert, also zu größeren Energiewerten hin geändert. Durch eine Veränderung der Strahlungsenergie kann vorteilhafterweise das Ausgleichen des Polarisationszustandes im Halbleiters an die Energieverläufe eines Röntgenscans angepasst werden.
  • Durch die Bestrahlung des Halbleiters werden, insbesondere bei der Verwendung von sichtbarer Lichtstrahlung, Band-Band-Übergänge im Halbleitermaterial angeregt. Die Energie der Strahlung ist dazu bevorzugt größer als die Energie einer Bandlücke des jeweiligen Halbleitermaterials, um die Ladungsträger ausreichend anzuregen. Jedoch nimmt bei sichtbarer Lichtstrahlung die Eindringtiefe der Strahlung in das Material ab, sodass die Ladungsträgergeneration nahezu vollständig in einer Oberflächenschicht des Halbleitermaterials stattfindet. Hier befinden sich jedoch möglicherweise Defekte, wodurch die Ladungsträgergeneration ineffizient wird. Um diesem Problem zu entgehen, wird die Strahlungsenergie vorteilhafterweise auf eine Energiedifferenz eines Band-Band-Übergangs im Halbleitermaterial abgestimmt. Vorzugsweise weicht die Strahlungsenergie höchstens 25%, bevorzugt höchstens 20%, weiter bevorzugt höchstens 15%, von der Energiedifferenz der Bandlücke ab.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung, insbesondere zur Verwendung in einem CT-System, wird ein direktkonvertierender Röntgenstrahlungsdetektor verwendet,zumindest aufweisend ein zur Detektion von Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial und mindestens eine Strahlungsquelle, welche das Halbleitermaterial mit einer zusätzlichen Strahlung mit unterschiedlichen Energien bestrahlt, wobei die Strahlung eine Energie von mindestens 1,6 eV aufweist, welche während des Bestrahlens verändert wird. Zur Detektion eignen sich Halbleitermaterialien, wie CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TIBr2, HgI2. Bei der verwendeten Strahlung handelt sich vorteilhafterweise um elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich und/oder UV-Bereich oder um Elektronenstrahlung. Entsprechend wird als Strahlungsquelle beispielsweise mindestens eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere eine Leuchtdiode, und/oder mindestens eine Elektronenstrahlungsquelle verwendet. In einer Ausführungsform ist genau eine Strahlungsquelle ausgebildet, welche das Halbleitermaterial bestrahlt. In anderen Ausführungsformen sind mehrere Strahlungsquellen vorgesehen, welche das Halbleitermaterial bestrahlen, beispielsweise auch aus unterschiedlichen Richtungen und/oder erfindungsgemäß mit unterschiedlichen Energien, um eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung und somit gleichmäßige Erzeugung von Ladungsträgern in dem Halbleitermaterial zu gewährleisten. Die Strahlungsquelle erzeugt erfindungsgemäß energiereiche Strahlung mit mindestens 1,6 eV, bevorzugt mehr als 2,1 eV.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem CT-System verwendet werden, umfassend einen Röntgenstrahlungsdetektor mit einer zusätzlichen Strahlungsquelle, mit dem tomographische Aufnahmen eines Untersuchungsobjektes gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren erstellt werden können.
  • Insgesamt bietet die Erfindung die folgenden Vorteile: Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Polarisationszustand des Detektors kontrolliert beziehungsweise beeinflusst werden, sodass die Polarisation beziehungsweise die Drift des Detektors unter Röntgenbestrahlung vermieden werden kann. Insbesondere kann der Polarisationszustand an die jeweilige Gebrauchssituation im Gerät angepasst werden. Hierdurch werden wiederum Bildartefakte bei bildgebenden Verfahren, wie der Computertomographie, der Angiographie, der Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie, der Positronen-Emissions-Tomographie etc., vermieden. Der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Röntgenstrahlungsdetektor bietet einen einfachen und vor allem platzsparenden Aufbau durch kompakte und kleine Bauteile, beispielsweise die LEDs. Die verwendeten Halbleitermaterialien sind einfach und kostengünstig verfügbar, da es sich um industriell hergestellte Materialien handelt. Weiterhin sind die Eigenschaften der LEDs weitestgehend erforscht und können so einfach auf den gewünschten Energiebereich abgestimmt werden. Derartige Lichtquellen sind zudem kostengünstig beschaffbar. Weiterhin kann die Homogenität der einzelnen Kanäle beziehungsweise Pixel des Detektors verbessert werden.
  • 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: A: Anode; 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; HL: Halbleiter; K: Kathode; Prg1 bis Prgn: Computerprogramme; Q: Strahlungsquelle; S: Schicht. Es zeigen im Einzelnen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines CT-Systems mit Recheneinheit,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Halbleiters mit einer kathodenseitigen Strahlungsquelle in einer ersten Ausführungsform,
    • 3 eine schematische Darstellung des Halbleiters mit der kathodenseitigen Strahlungsquelle in einer weiteren Ausführungsform und
    • 4 eine schematische Darstellung eines Halbleiters mit einer seitlich angeordneten Strahlungsquelle.
  • 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 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 Prg1 bis Prgn gesteuert.
  • Erfindungsgemäß sind die Detektoren C3 und C5 als direktkonvertierende Röntgenstrahlungsdetektoren ausgebildet, welche ein zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial sowie eine zusätzliche Strahlungsquelle zur Generierung zusätzlicher Ladungsträger in dem Halbleiter (siehe 2 bis 4) aufweisen. Das CT-System C1 wird entsprechend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
  • In den 2 bis 4 ist jeweils eine schematische Darstellung eines zur Detektion von Röntgenstrahlung verwendeten Halbleitermaterials HL eines Detektorelements gezeigt. Das Halbleitermaterial HL ist beispielsweise CdTe. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Halbleiters HL sind eine Anode A und eine Kathode K an dem Halbleiter HL angeordnet. Die Anode A und die Kathode K sind herkömmlicherweise mit einer Elektronik des CT-Systems verbunden, welche jedoch der Übersicht halber nicht dargestellt ist. Erfindungsgemäß ist in den 2 bis 4 jeweils mindestens eine Strahlungsquelle Q gezeigt. Die Strahlungsquellen Q sind beispielsweise als LEDs zur Erzeugung sichtbarer Lichtstrahlung mit einem Energiebereich von 1,6 eV bis 3,2 eV ausgebildet. Hiermit erfolgt erfindungsgemäß eine zusätzliche Bestrahlung des Halbleiters HL, um zusätzliche Ladungsträger zu erzeugen und so eine Polarisation in dem Halbleiter HL aufgrund der einfallenden Röntgenstrahlung auszugleichen. Die Ausführungsformen der 2 bis 4 unterscheiden sich jeweils in der Anordnung und Ausführungsform der Strahlungsquellen Q.
  • In der 2 ist eine kathodenseitige Strahlungsquelle Q gezeigt. Die Strahlungsquelle Q ist flächig beziehungsweise schichtartig ausgebildet und unmittelbar auf der dem Halbleiter HL gegenüberliegenden Seite der Kathode K angeordnet. Hierzu ist die Kathode K lichtdurchlässig ausgebildet. Die von der Strahlungsquelle Q ausgehende Lichtstrahlung verläuft durch die Kathode K und dringt in das Halbleitermaterial HL ein, wo sie zusätzliche Ladungsträger erzeugt. Zur gezielteren Abstrahlung der Lichtstrahlung aus der Strahlungsquelle Q in das Halbleitermaterial HL ist auf der Außenseite der Kathode K eine verspiegelte Schicht S aufgebracht, welche die Strahlung zu dem Halbleiter HL reflektiert. Durch die flächige Ausbildung der Strahlungsquelle Q wird eine gleichmäßige Bestrahlung des Halbleiters HL und somit eine gleichmäßige Ladungsträgergeneration erreicht. Bei der kathodenseitigen Anordnung der Strahlungsquelle Q rekombinieren die erzeugten Löcher unmittelbar an der Kathode K. Die erzeugten Elektronen diffundieren in das Innere des Halbleiters HL und besetzen dort die Störstellen. Erfindungsgemäß kann die so ausgebildete positive Raumladung durch die zu detektierende Röntgenstrahlung durch eine negative Raumladung der zusätzlichen Ladungsträger ausglichen werden. Die Polarisation des Halbleiters HL wird letztendlich vermieden.
  • In der 3 ist eine weitere Ausführungsform von kathodenseitig angeordneten Strahlungsquellen Q gezeigt. Hier sind fünf einzelne Strahlungsquellen Q in Zwischenräumen in der Kathode K, also zwischen Kathode K und Halbleiter HL, eingebracht. In dieser Ausführungsform wird die Strahlung direkt in den Halbleiter HL eingestrahlt. Durch die gleichmäßige Verteilung der Strahlungsquellen Q an dem Halbleiter HL wird auch hier eine gleichmäßige Bestrahlung und Erzeugung der Ladungsträger erreicht.
  • Die in den 2 und 3 gezeigte kathodenseitige Anordnung der Strahlungsquellen Q und deren Funktionsweisen entsprechen analog einer anodenseitigen Anordnung der Strahlungsquelle Q.
  • In der 4 ist eine seitlich an dem Halbleiter HL angeordnete Strahlungsquelle Q gezeigt. Die Strahlungsquelle Q ist direkt auf dem Halbleiter HL angeordnet und flächig ausgebildet, um eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung zu gewährleisten.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Detektion einfallender Röntgenstrahlung mittels eines direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektors (C3, C5), insbesondere zur Verwendung in einem CT-System, wobei 1.1. ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial (HL) zur Generation zusätzlicher Ladungsträger mit einer zusätzlichen Strahlung mit unterschiedlichen Energien von mindestens 1,6 eV bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 1.2. während des Bestrahlens die Energie der zusätzlichen Strahlung verändert wird.
  2. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) mit einer Energie größer als 2,1 eV bestrahlt wird.
  3. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere sichtbares Licht und/oder Ultraviolettstrahlung, bestrahlt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) mit Elektronenstrahlung bestrahlt wird.
  5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) anodenseitig und/oder kathodenseitig bestrahlt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) von der Seite, durch semitransparente Kontakte, Lücken in einer Elektrodenmaske und/oder durch eine Auswerteelektronik bestrahlt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) aus einer z-Richtung und/oder einer Umfangsrichtung bestrahlt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) gepulst und/oder dauerhaft bestrahlt wird.
  9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (HL) vor und/oder während des Einfalls der zu detektierenden Röntgenstrahlung bestrahlt wird.
  10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bestrahlung Band-Band-Übergänge im Halbleitermaterial (HL) angeregt werden.
  11. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Strahlung höchstens 25%, bevorzugt höchstens 20%, weiter bevorzugt höchstens 15%, größer ist als eine Energiedifferenz des Band-Band-Übergangs.
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