DE19618465C1 - Radiation detector array for X=ray or gamma radiation - Google Patents
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Abstract
Description
Für den quantitativen Nachweis von Röntgen- und Gammastrah lung werden bei mittleren Quantenenergien von 10 bis 150 keV traditionell gasgefüllte Ionisationsröhren oder Festkörper szintillatoren im Verbund mit Photomultiplier-Röhren oder Halbleiterphotodioden eingesetzt. Während im ersten Fall die ionisierende Wirkung von Röntgenstrahlung direkt zum Nachweis der dadurch erzeugten elektrischen Ladungen genutzt wird, dienen im zweiten Fall die Leuchteigenschaften von Festkör perleuchtstoffen dazu, die Röntgenstrahlung zunächst in nie derenergetische und insbesondere sichtbare Strahlung umzuwan deln. Diese kann dann über einen lichtempfindlichen Film oder einen Strahlungsdetektor für sichtbares Licht nachgewiesen werden.For the quantitative detection of X-rays and gamma rays at average quantum energies of 10 to 150 keV traditionally gas-filled ionization tubes or solids scintillators in combination with photomultiplier tubes or Semiconductor photodiodes used. While in the first case the Ionizing effect of X-rays directly for detection the electrical charges generated in this way are used, serve in the second case the lighting properties of solid bodies fluorescent materials, the X-rays initially never their energetic and especially visible radiation deln. This can then be done via a light sensitive film or detected a radiation detector for visible light will.
Wegen ihrer kompakten und einfachen Bauform bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung und Nachweisempfindlichkeit werden zuneh mend auch direkt konvertierende Detektoren zum Nachweis von Röntgen- und Gammastrahlung eingesetzt. Diese bestehen aus schweren und gut absorbierenden Halbleitermaterialien wie beispielsweise CdTe, HgI₂, PbI₂ und einigen anderen Verbin dungshalbleitern. In diesen Detektoren, die als Photoleiter, Photodiode oder nach dem photovoltaischen Prinzip betrieben werden können, wird die Röntgenenergie durch interne Photoan regung unmittelbar in einen elektrischen Signalstrom umge setzt.Because of their compact and simple design at the same time high spatial resolution and detection sensitivity are increasing mend also directly converting detectors for the detection of X-ray and gamma radiation used. These consist of heavy and well absorbing semiconductor materials like for example CdTe, HgI₂, PbI₂ and some other verbin semiconductor devices. In these detectors, which are called photoconductors, Photodiode or operated according to the photovoltaic principle the x-ray energy is generated by internal photoan excitation immediately converted into an electrical signal current puts.
Der einfachste Aufbau eines direkt konvertierenden Detektors ist ein Photoleiter aus einem durchgehend hochohmigen Halb leiter (mehr als 10⁹Ω cm) zur Reduzierung des Dunkelstroms. Der auch ohne Bestrahlung zwischen den beiden an gegenüber liegenden Seiten des Halbleiterkörpers aufgebrachten Elektro den meßbare Dunkelstrom kann weiter durch eine höhere Band lücke des Halbleiters und außerdem durch Auswahl solcher Elektrodenmaterialien reduziert werden, die eine hinreichend hohe Schottky-Barriere zum Halbleiter aufbauen.The simplest construction of a direct converting detector is a photoconductor made of a continuously high-resistance half conductor (more than 10⁹Ω cm) to reduce the dark current. The one opposite without radiation between the two lying sides of the semiconductor body applied electro the measurable dark current can be further increased by a higher band gap of the semiconductor and also by selecting such Electrode materials are reduced, which is sufficient Build high Schottky barrier to the semiconductor.
Eine weitere Reduktion des Dunkelstroms wird durch eine pin-Diodenstruktur oder durch eine p- bzw. n-Dotierung des Halb leiters unterhalb der Kontakte erzielt.A further reduction in the dark current is achieved by a pin diode structure or by p or n doping of the half conductor below the contacts.
Eine vollständige Absorption von Röntgenstrahlung erfordert eine ausreichende Halbleiterschichtdicke, beispielsweise 1 bis 2 mm beim Cadmiumtellurid. Ein Detektor mit einer solchen dicken Halbleiterschicht weist jedoch elektronische Nachteile auf, da eine Vielzahl der durch die Strahlung generierten La dungsträger vor dem Erreichen der Elektroden durch Rekombina tion und vor allem durch Einfang an Haftstellen (trapping) verlorengehen. Dies reduziert den meßbaren Signalstrom. Au ßerdem können so Ladungsträger, und zwar überwiegend die un beweglicheren Löcher, im Halbleiter zurückbleiben und dort eine positive Raumladung aufbauen. Dies führt zumindest zu einer Verformung bis hin zur vollständigen Abschirmung des außen angelegten elektrischen Feldes und in der Folge zu ei ner entsprechenden Verminderung des gemessenen Signalstroms.Complete absorption of X-rays is required a sufficient semiconductor layer thickness, for example 1 up to 2 mm for cadmium telluride. A detector with one thick semiconductor layer, however, has electronic disadvantages because a large number of the La manure carrier before reaching the electrodes by recombina tion and especially by trapping get lost. This reduces the measurable signal current. Au In addition, charge carriers can be used, mainly the un more mobile holes, remain in the semiconductor and there build a positive space charge. At least this leads to a deformation up to the complete shielding of the externally applied electrical field and subsequently to egg ner corresponding reduction in the measured signal current.
Aus der DE 92 13 184 U1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Gammastrahlung bekannt. Diese weist aus einem Halbleiter material bestehende Detektorelemente mit jeweils zwei gegen überliegenden Elektroden auf, wobei die Elektroden parallel zur Längsachse des Detektorelements und parallel zur Strah leneinfallsrichtung der Gammastrahlung angeordnet sind.DE 92 13 184 U1 describes a device for detection known from gamma radiation. This has a semiconductor existing detector elements with two against each overlying electrodes, the electrodes being parallel to the longitudinal axis of the detector element and parallel to the beam len incidence direction of the gamma radiation are arranged.
Aus der DE 40 25 427 A1 ist eine für Röntgenstrahlen empfind liche Detektoranordnung bekannt, die aus streifenförmigen und parallel zueinander angeordneten Detektorelementen besteht. Die Elemente sind in einer einzigen Siliziumscheibe erzeugt und durch in die Siliziumscheibe geätzte Spalte voneinander getrennt. Die Einfallsrichtung der Röntgenstrahlung ist par allel zu den Streifen. From DE 40 25 427 A1 one is sensitive to X-rays Liche detector assembly known from strip-shaped and there are parallel detector elements. The elements are produced in a single silicon wafer and from each other by gaps etched into the silicon wafer Cut. The direction of incidence of the X-rays is par allel to the stripes.
Darüber hinaus können die in einem hochohmigen Halbleiter festgehaltenen Ladungen nur langsam wieder abgegeben werden (detrapping), so daß das Meßsignal auch nach Abschalten der einfallenden Strahlung nur langsam abklingt. Damit wird die Ansprechzeit des Detektors auf Intensitätsänderungen der ein fallenden Strahlung für manche Anwendungen unzulässig verlän gert. Bei einem Betrieb des Detektors mit gepulster Strahlung wird die maximal mögliche Pulsfrequenz verringert.They can also be used in a high-resistance semiconductor held charges are released slowly (detrapping), so that the measurement signal even after switching off the incident radiation decays only slowly. With that the Response time of the detector to changes in intensity of the extending radiation for some applications inadmissible device. When operating the detector with pulsed radiation the maximum possible pulse rate is reduced.
Aufgrund dieses Nachteils konnten bisher direkt konvertieren de Strahlungsdetektoren entweder nur bei relativ kleinen Röntgen- oder Gammaflüssen als Einzelquantenzähler eingesetzt oder bei Anwendungen verwendet werden, die träge und damit langsame Trapping- und Detrapping-Vorgänge zuließen. Due to this disadvantage, converting was possible directly de Radiation detectors either only for relatively small ones X-ray or gamma flows used as single quantum counters or used in applications that are sluggish and therefore Allow slow trapping and detrapping.
Für manche Anwendungen ist es jedoch erforderlich, daß der Detektor bei hoher Datenrate auf bis zu 10⁴ fach höhere Quan tenflüsse linear anspricht. Dabei wird eine Aufladung von bis zu 1 µA/mm² erreicht, die zwei Dekaden über dem Dunkelstrom liegt und nicht mehr in ausreichender Zeit ausgeglichen wer den kann.However, for some applications it is necessary that the Detector with high data rate up to 10⁴ times higher quan flows respond linearly. A charge of up to reached 1 µA / mm², the two decades above the dark current who is no longer balanced in sufficient time that can.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen direkt konvertierenden Strahlungsdetektor insbesondere für hochener getische Strahlung anzugeben, der bei einer gegebenen Halb leiterschichtdicke ein gutes Abklingverhalten des Meßsignals und eine verbesserte Empfindlichkeit zeigt.The object of the present invention is therefore one directly converting radiation detector especially for high to indicate toxic radiation, given a half conductor layer thickness a good decay behavior of the measurement signal and shows improved sensitivity.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung von Detektoren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by an arrangement of Detectors according to claim 1 solved. Preferred configurations the invention can be found in the subclaims.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, den Weg l der einfal lenden Strahlung im Halbleiterkörper des Detektors zu verlän gern, ohne den Elektrodenabstand bzw. die Schichtdicke des Halbleiterkörpers zu erhöhen. Dies wird in einfacher Weise durch eine Detektoranordnung erreicht, bei der zumindest zwei Detektoren auf einer annähernd senkrecht zum Strahlungsein fall ausgerichteten Fläche angeordnet sind und bei der die flachen plättchenförmigen Detektoren in einem Winkel α gegen diese Fläche angestellt sind, der deutlich größer als Null ist und maximal 90° beträgt. Bei gegebener Dicke d des Halb leiterkörpers, die dem Elektrodenabstand entspricht, wird so in einfacher geometrischer Weise der Absorptionsweg l der Strahlung innerhalb des Halbleiterkörpers verlängert, der zur Absorption genutzt werden kann. Es gilt: l = d/cos α, wobei l als Grenzwert bei senkrecht stehendem Halbleiterkörper zur Breite b des Halbleiterkörpers wird. Bei gegebener Absorpti onslänge kann so die Dicke d des Halbleiterkörpers verringert werden, bzw. bei gleicher Dicke des Halbleiterkörpers wird mit der Erfindung die Absorptionsweg l vergrößert. Dies führt zu einer höheren Absorption und damit zu einem höheren Meßsi gnal. Mit einem dünneren Halbleiterkörper werden kürzere Transferwege der erzeugten Ladungsträger vom Ort der Erzeu gung hin zu den Elektroden erreicht, die weitere Vorteile zur Folge haben. Es sinkt die Wahrscheinlichkeit, daß Ladungsträ gerpaare rekombinieren oder daß einzelne Ladungsträger durch Trapping an Fehlstellen im Halbleiterkörper festgehalten wer den. Dadurch wird ein geringeres Nachleuchten bzw. ein schnelleres Abklingen des Meßsignals erzielt. Dies erlaubt bei gepulster Bestrahlung eine höhere Meßfrequenz oder allge mein einen schnelleren Meßvorgang, da die Ladungsträger schneller an den Elektroden gesammelt werden und dort zu ei nem Signalstrom führen können.The basic idea of the invention is to think of the path 1 lending radiation in the semiconductor body of the detector gladly, without the electrode spacing or the layer thickness of the Increase semiconductor body. This is done in a simple way achieved by a detector arrangement in which at least two Detectors on an approximately perpendicular to the radiation case-oriented surface are arranged and in which the flat plate-shaped detectors at an angle α against this area are employed, which is significantly larger than zero and is a maximum of 90 °. Given the thickness d of the half conductor body, which corresponds to the electrode spacing, is so in a simple geometric manner the absorption path l Radiation within the semiconductor body extended to Absorption can be used. The following applies: l = d / cos α, where l as a limit for a vertical semiconductor body Width b of the semiconductor body is. Given absorpti onslänge can reduce the thickness d of the semiconductor body be, or with the same thickness of the semiconductor body with the invention increases the absorption path l. this leads to to a higher absorption and thus to a higher Meßsi gnal. With a thinner semiconductor body, shorter ones become Transfer paths of the generated load carriers from the place of production achieved towards the electrodes, which have further advantages Have consequence. The likelihood that charge carriers recombine pairs or that individual charge carriers by Trapping at defects in the semiconductor body the. This will result in less afterglow or on faster decay of the measurement signal achieved. This allows with pulsed radiation a higher measuring frequency or general mean a faster measuring process because the charge carriers can be collected more quickly at the electrodes and egg there can lead to a signal current.
Obwohl der Absorptionsweg l bei einem Anstellwinkel α von 90° ein Maximum erreicht, muß dies nicht der vorteilhaftesten Ausführungsform der Erfindung entsprechen, da noch andere Kriterien zu berücksichtigen sind. Die erfindungsgemäße An ordnung besteht aus mindestens zwei, vorzugsweise jedoch aus mehreren Detektoren, die zeilenförmig nebeneinander oder zweidimensional über eine Fläche verteilt angeordnet sind. Sinn dieser Anordnung ist es, ein ortsaufgelöstes Meßsignal zu erhalten. Die Qualität der Ortsauflösung ist aber nicht nur vom erreichbaren Absorptionsweg der Strahlung innerhalb des Halbleiterkörpers sondern auch von dem über die gesamte Anordnung aufaddierten zur Absorption zur Verfügung stehenden Volumen der Detektoranordnung abhängig. Zu diesem Wert tragen die Abstände der Detektoren voneinander sowie die Elektroden nichts bei, da dort keine verwertbare Absorption der Strah lung stattfindet. Bei einem senkrecht angestellten Halblei terkörper (α = 90°) ergibt sich bereits aus einfachen Überle gungen heraus ein durch das Totvolumen der Elektroden beding ter maximaler "Wirkungsgrad" η = d/(d + 2e), wobei e die Dic ke einer Elektrode ist. Dieses Totvolumen wird bei einem schräggestellten Halbleiterkörper, bei dem α beispielsweise zwischen 30 und 45° gewählt wird, deutlich reduziert. Ande rerseits wird bei einem Anstellwinkel unterhalb von 30° kaum noch eine nennenswerte Verbesserung erzielt. Bevorzugte An stellwinkel α liegen daher zwischen 30° und 90° und ohne wei tere Maßnahmen insbesondere zwischen 45° und 80°.Although the absorption path l at an angle of attack α of 90 ° reached a maximum, this need not be the most advantageous Embodiment of the invention correspond to others Criteria have to be considered. The invention order consists of at least two, but preferably consists of several detectors, which are juxtaposed or are arranged two-dimensionally distributed over a surface. The purpose of this arrangement is a spatially resolved measurement signal to obtain. The quality of the spatial resolution is not only of the achievable absorption path of the radiation within of the semiconductor body but also of that over the entire Arrangement added up available for absorption Volume of the detector arrangement depends. Contribute to this value the distances between the detectors and the electrodes nothing because there is no usable absorption of the beam lung takes place. In the case of a vertically positioned half lead body (α = 90 °) results from simple overlays due to the dead volume of the electrodes ter maximum "efficiency" η = d / (d + 2e), where e is the Dic ke is an electrode. This dead volume is at one inclined semiconductor body, in which α, for example between 30 and 45 ° is significantly reduced. Ande on the other hand, with an angle of incidence below 30 °, hardly any achieved a noteworthy improvement. Preferred type Setting angle α are therefore between 30 ° and 90 ° and without white tter measures in particular between 45 ° and 80 °.
Bei der Erfindung wird die eigentlich als unerwünschte Neben reaktion erzeugte Comptonstrahlung (= Streustrahlung) zur Verstärkung des Meßsignals ausgenutzt, wobei sie durch eine geeignete Anordnung in den Detektor gestreut wird. Dies ge lingt, indem man in der Nachbarschaft eines jeden Detektors einen Körper anordnet, der eine Comptonstreuung zeigt, die im Empfindlichkeitsbereich des Detektors liegt. Dabei wird die Anordnung des Halbleiterkörpers und des streuenden Körpers so gewählt, daß die Comptonstrahlung zumindest teilweise in den Detektor gestreut wird.In the invention, the actually as an undesirable addition reaction generated Compton radiation (= scattered radiation) for Amplification of the measurement signal is used, being by a suitable arrangement is scattered into the detector. This ge succeeds by being in the neighborhood of each detector arranges a body that shows Compton scattering that occurs in the Sensitivity range of the detector is. The Arrangement of the semiconductor body and the scattering body like this chosen that the Compton radiation at least partially in the Scattered detector.
Die einfachste Ausführung dieses Gedankens gelingt mit einer Anordnung, bei der jeder Detektor aus zwei plättchenförmigen Halbleiterkörpern besteht, die V-förmig so zueinander ange ordnet sind, daß sich das V zur Strahlungseinfallsseite hin öffnet. Bei dieser Anordnung dient jeder der beiden V-förmig angeordneten Halbleiterkörper zur Erzeugung der Comptonstrah lung, die durch die V-förmige Anordnung zu einem großen Teil in den jeweils anderen Halbleiterkörper gestreut werden kann, wo sie absorbiert wird.The simplest execution of this idea succeeds with one Arrangement in which each detector consists of two platelet-shaped Semiconductor bodies exist that are V-shaped to each other orders are that the V to the radiation incidence side opens. In this arrangement, each of the two is V-shaped arranged semiconductor body for generating the Compton beam lung, thanks to the V-shaped arrangement to a large extent can be scattered into the other semiconductor body, where it is absorbed.
Eine Anordnung aus mehreren, nebeneinander angeordneten, V-förmigen Detektoren ist gleichzeitig gegen ein Übersprechen durch Streustrahlung (Comptonstrahlung) gesichert, da diese aufgrund der geometrischen Voraussetzungen nicht in den be nachbarten V-förmigen Detektor gelangen kann.An arrangement of several, arranged side by side, V-shaped detectors are also against crosstalk secured by scattered radiation (Compton radiation) as this due to the geometric requirements not in the be neighboring V-shaped detector can reach.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein An stellwinkel von ca. 90° gewählt und das bei dieser Anordnung bereits erwähnt hohe Totvolumen durch Anordnung von compton streuenden Körpern reduziert. Dazu werden beiderseits eines jeden vertikal auf der (Grund-)Fläche stehenden Detektors comptonstreuende Körper parallel zu den Hauptoberflächen der Halbleiterkörper angeordnet. Ein maximales Meßsignal wird dann erhalten, wenn die entsprechenden Schichtdickenverhält nisse von Halbleiterkörper, Elektroden und comptonstreuenden Körpern entsprechend austariert sind. Dieses Maximum liegt deutlich über dem einer Anordnung ohne comptonstrahlende Kör per bei ansonsten gleichen Bedingungen. Die Körper sind vor zugsweise von der gleichen Grundfläche wie die Halbleiterkör per der Detektoren, bündig zu den Elektroden angeordnet und von diesen nur durch eine dazwischenliegende Isolatorschicht getrennt. Die Isolatorschicht ist erforderlich, da die Körper vorzugsweise Schwermetalle mit hoher Kernladungszahl sind. Ein bevorzugtes Material für einen comptonstreuenden Körper ist beispielsweise Molybdän.In a further embodiment of the invention, an An selected angle of approx. 90 ° and this arrangement already mentioned high dead volume due to the arrangement of compton scattering bodies reduced. To this end, one will be used on both sides each detector standing vertically on the (base) surface Compton scattering bodies parallel to the main surfaces of the Semiconductor body arranged. A maximum measurement signal is then obtained when the corresponding layer thickness ratios nisse of semiconductor body, electrodes and Compton scattering Bodies are balanced accordingly. This maximum is clearly above that of an arrangement without compton-radiating bodies per under otherwise identical conditions. The bodies are in front preferably from the same area as the semiconductor body by the detectors, arranged flush to the electrodes and of these only through an intermediate insulator layer Cut. The insulator layer is necessary because of the body are preferably heavy metals with a high atomic number. A preferred material for a Compton scattering body is, for example, molybdenum.
Zur Verhinderung des Übersprechens zwischen zwei benachbarten Detektoren können zwischen den Detektoren Trennsepten ange ordnet sein. Diese bestehen vorzugsweise aus einem hochener getische Strahlung absorbierenden, selbst aber nicht strahlenden Material. Ein bevorzugtes Material zur Herstel lung eines Trennseptums ist beispielsweise Tantal.To prevent crosstalk between two neighboring ones Detectors can be separating septa between the detectors to be in order. These preferably consist of a high one absorbing radiation, but not itself radiant material. A preferred material for manufacture A separation septum is, for example, tantalum.
Die Erfindung läßt sich mit jedem Detektor verwirklichen, der die hochenergetische Strahlung direkt konvertiert, das heißt absorbiert und zur Erzeugung von Ladungsträgerpaaren nutzt. Ein einfacher Detektor besteht aus einem hochohmigen Halblei termaterial, das beiderseits mit Elektroden zum Anlegen einer Spannung versehen ist. Besser ist jedoch ein Halbleiterkörper mit Diodenstruktur, der einen sperrenden pn-Übergang oder ei ne pin-Struktur aufweist. Die Auswahl eines geeigneten Elek trodenmaterials, welches eine Schottky-Barriere aufbaut, kann die Diodenstruktur unterstützen.The invention can be implemented with any detector that which directly converts high-energy radiation, that is absorbed and used to generate pairs of carriers. A simple detector consists of a high-resistance half lead termaterial, the two sides with electrodes for applying a Voltage is provided. However, a semiconductor body is better with a diode structure, a blocking pn junction or egg ne has a pin structure. The selection of a suitable elec material that builds a Schottky barrier support the diode structure.
Geeignete direkt konvertierende Halbleitermaterialien sind beispielsweise CdTe, HgI₂, PbI₂, GaAs oder ternäre Halbleiter aus der Klasse der Chalkopyrite wie beispielsweise Kupferin diumdiselenid oder andere Chalkopyrite, bei denen beispiels weise Kupfer durch Silber, Indium durch Gallium oder Selen durch Schwefel ersetzt ist, wobei die einzelnen Komponenten auch teilweise ersetzt sein können, wobei Mischhalbleiter entstehen.Suitable directly converting semiconductor materials are for example CdTe, HgI₂, PbI₂, GaAs or ternary semiconductors from the class of chalcopyrites such as copper dium diselenide or other chalcopyrites, for example wise copper through silver, indium through gallium or selenium is replaced by sulfur, the individual components can also be partially replaced, with mixed semiconductors arise.
Bevorzugt ist ein störstellenfreies Halbleitermaterial, ins besondere monokristallines versetzungsfreies Material.A semiconductor material free of defects is preferred, ins special monocrystalline dislocation-free material.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungs beispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.In the following the invention is based on three execution examples and the associated figures explained in more detail.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Detektoran ordnung mit schräg angestellten Halbleiterkörpern, Fig. 1 shows a schematic representation of a Detektoran order with obliquely semiconductor bodies,
Fig. 2 zeigt Detektoren aus paarweise V-förmig angeordneten Halbleiterkörpern und Fig. 2 shows detectors in pairs V-shaped arrangement of semiconductor bodies, and
Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit vertikal angestellten Halb leiterkörpern und zusätzlichen comptonstreuenden Kör pern im schematischen Querschnitt. Fig. 3 shows an arrangement with vertically positioned semi-conductor bodies and additional compton scattering bodies in a schematic cross section.
Fig. 1: In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Detektoren nebeneinander in Reihe angeordnet. Die Detektoren bestehen aus plättchenförmigen Halbleiterkör pern 1, die parallel zueinander in einem Anstellwinkel α auf einer hier horizontal dargestellten Fläche 2 angeordnet sind. Zwischen den Detektoren 1 sind Trennsepten 3 aus strahlungs absorbierendem Material angeordnet, beispielsweise aus 200 µm dicker Tantalfolie. Der Winkel α wird so gewählt, daß die auf die Fläche 2 projizierte Breite b des Detektors 1 plus die Breite s des Trennseptums 3 die Rastergröße r ergibt, in der die einfallende Strahlung eindimensional ortsaufgelöst werden soll. Für die Rastergröße r gilt: r = (d + 2e) · sin α + s + b·cos α. Die vertikal zur Fläche 2 auftreffende hochenerge tische Strahlung 4 trifft auf den Detektor 1, dessen Halblei terkörper eine Schichtdicke von d besitzt, und erfährt darin einen Absorptionsweg l, die dem (1/cos α)-fachen der Schicht dicke d entspricht, jedoch maximal b werden kann (für α = 90°). Wird α beispielsweise gleich 75° gewählt, beträgt der Absorptionsweg l ungefähr das 2,6-fache der Schichtdicke d. Fig. 1: In the simplest embodiment of the invention, several detectors are arranged side by side in a row. The detectors consist of platelet-shaped semiconductor bodies 1 which are arranged parallel to one another at an angle of attack α on a surface 2 shown horizontally here. Separating septa 3 made of radiation-absorbing material, for example made of 200 μm thick tantalum foil, are arranged between the detectors 1 . The angle α is chosen such that the width b of the detector 1 projected onto the surface 2 plus the width s of the separation septum 3 results in the raster size r in which the incident radiation is to be spatially resolved in one dimension. For raster size r: r = (d + 2e) · sin α + s + b · cos α. The perpendicular to the surface 2 hochenerge radiation 4 strikes the detector 1 , the semiconductor body has a layer thickness of d, and experiences an absorption path l therein, which corresponds to (1 / cos α) times the layer thickness d, but at a maximum b can be (for α = 90 °). If α is selected equal to 75 °, for example, the absorption path l is approximately 2.6 times the layer thickness d.
Nicht dargestellt sind in der Fig. 1 die Elektroden und die zugehörige Verschaltung. Die Meßschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, mit deren Hilfe eine Betriebsspannung an die Elektroden angelegt werden kann und pro Detektor aus einem Strommeßgerät zum Messen des "Photostroms", der durch das Ab leiten der an den Elektroden gesammelten, im Halbleiterkörper durch Absorption erzeugten Ladungsträgerpaare erhalten wird.The electrodes and the associated circuitry are not shown in FIG. 1. The measuring circuit consists of a voltage source with the aid of which an operating voltage can be applied to the electrodes and per detector from a current measuring device for measuring the "photocurrent" which is obtained by deriving the charge carrier pairs generated on the electrodes and generated in the semiconductor body by absorption .
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der wiederum eine Vielzahl von Detektoren nebeneinander in Reihe auf einer Fläche 2 angeordnet ist. Je zwei Detektoren sind dabei V-förmig zueinander angeordnet, elektrisch paral lel verschaltet und bilden zusammen ein Detektorelement. Der Zusammenhang zwischen dem Anstellwinkel α und der Rastergröße r wird in analoger Weise wie beim Beispiel 1 berechnet und ergibt sich hier zu r = 2b·cos α + (2d + 4e)·sin α. FIG. 2 shows a further embodiment of the invention, in which in turn a plurality of detectors are arranged side by side in a row on a surface 2 . Two detectors are arranged in a V-shape, electrically connected in parallel and together form a detector element. The relationship between the angle of attack α and the raster size r is calculated in an analogous manner to that of Example 1 and results here as r = 2b · cos α + (2d + 4e) · sin α.
Die Signalverstärkung mit Hilfe zusätzlich absorbierter Comptonstrahlung ist anhand der Pfeile 4, 5 und 5′, verdeut licht. Ein einfallendes Strahlungsquant 4 erzeugt eine Comptonstrahlung 5 und/oder 5′, die eine einem Abstrahlkegel entsprechende Vorzugsrichtung - gemessen vom Auftreffpunkt auf dem Detektor 1 - besitzen. Während ein Comptonstrahlungs- Quant 5 nach innen auf den zweiten Detektor 1′ des gleichen Detektorelements trifft, dort absorbiert und zum Meßsignal beitragen kann, erreicht die auf der anderen Seite des Detek tors 1 austretende Comptonstrahlung 5′ aufgrund ihrer Vor zugsrichtung weder das eigene Detektorelement noch einen De tektor eines benachbarten Detektorelements. Ein durch Comptonstrahlung induziertes Übersprechen ist bei dieser An ordnung nicht möglich.The signal amplification with the help of additionally absorbed Compton radiation is illustrated by the arrows 4 , 5 and 5 ', light. An incident radiation quantum 4 generates Compton radiation 5 and / or 5 ', which have a preferred direction corresponding to a radiation cone - measured from the point of impact on the detector 1 . While a Compton radiation quant 5 hits the inside of the second detector 1 'of the same detector element, absorbed there and can contribute to the measurement signal, the Compton radiation 5 emerging on the other side of the detector 1 ' due to its preferred direction neither reaches its own detector element nor a detector of an adjacent detector element. Crosstalk induced by Compton radiation is not possible with this arrangement.
Fig. 3: Von der Detektoranordnung gemäß dem dritten Ausfüh rungsbeispiel ist in der Fig. 3 stellvertretend nur ein De tektor im schematischen Querschnitt dargestellt. Der Detektor 1 steht annähernd vertikal auf einer Grundfläche 2. Beider seits ist er von je einem Körper 7 benachbart, der bei Ein fall von hochenergetischer Strahlung eine Comptonstreuung zeigt. Die zum Beispiel aus Schwermetall bestehenden Körper 7 sind von dem Detektor durch je eine Isolatorschicht 6 ge trennt. Ein Übersprechen zum (nicht dargestellten) benachbar ten Detektor wird durch Trennsepten 3 verhindert. Fig. 3: From the detector arrangement according to the third exemplary embodiment, only one detector is shown in FIG. 3 in a schematic cross section. The detector 1 stands approximately vertically on a base area 2 . On both sides he is adjacent to a body 7 , which shows Compton scattering in the case of high-energy radiation. The body 7 , for example made of heavy metal, is separated from the detector by an insulator layer 6 . Crosstalk to the adjacent detector (not shown) is prevented by separating septa 3 .
In einem spezifischen, der Fig. 3 entsprechenden Ausfüh rungsbeispiel besteht der Detektor 1 aus einem 200 µm dicken Cadmiumtellurid-Halbleiterkörper mit pin-Diodenstruktur. Auf einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen ist der Halblei terkörper mit einer zum Beispiel 10 µm dicken Goldelektrode bzw. einer 10 µm Indiumelektrode (nicht dargestellt) be schichtet. Als Isolatorschicht 6 wird eine Kunststoffolie verwendet, beispielsweise eine 20 µm dicke Kaptonfolie®. Als comptonstrahlende Körper 7 dienen 400 µm dicke Molybdän schichten. Die Trennsepten 3 sind aus 100 µm dicken Tantalfo lien dargestellt. Die längs der Einfallsrichtung der hochen ergetischen Strahlung 4 bestimmte Höhe h des Detektors be trägt ca. 3 bis 5 mm. Die gesamte Breite des Detektors, die sich aus der Aufsummierung der Schichtdicken der einzelnen Schichten einschließlich beider Trennsepten 3 errechnet, er gibt das Rastermaß r und beträg hier 1,26 mm.In a specific embodiment corresponding to FIG. 3, the detector 1 consists of a 200 μm thick cadmium telluride semiconductor body with a pin diode structure. On opposite main surfaces, the semiconductor body is coated with, for example, a 10 μm gold electrode or a 10 μm indium electrode (not shown). A plastic film is used as the insulator layer 6 , for example a 20 μm thick Kapton film®. 400 µm thick molybdenum layers serve as Compton radiating body 7 . The separating septa 3 are shown from 100 µm thick tantalum foils. The height h of the detector determined along the direction of incidence of the high ergetic radiation 4 is approximately 3 to 5 mm. The total width of the detector, which is calculated from the summation of the layer thicknesses of the individual layers including both separating septa 3 , gives the grid dimension r and is 1.26 mm here.
Eine direkt in den Detektor 1 einfallende hochenergetische Strahlung 4 kann dort aufgrund der ausreichenden maximalen Eindringtiefe vollständig absorbiert werden, erzeugt Ladungs trägerpaare und damit ein an den Elektroden abgreifbares Meß signal. Strahlungsquanten 4′, die auf die Körper 7 treffen, erzeugen dort eine Comptonstrahlung, die zum Teil in den De tektor 1 gestreut und dort absorbiert wird. Dort trägt sie zur Erhöhung des Meßsignals bei. Der Anteil der aktiven De tektorfläche relativ zur Strahlungseinfallsfläche, der dem Verhältnis der Schichtdicke d des Cadmiumtelluridhalbleiter körpers relativ zur gesamten Breite r des Detektors ent spricht, beträgt nur ca. 16 Prozent. Dennoch ergibt sich bei dieser Anordnung ein relativ hoher Wirkungsgrad bei verbes sertem Abklingverhalten. Die relativ zur Breite des Detekto relements auf 1/6 reduzierte Schichtdicke des Halbleiterkör pers besitzt dementsprechend auch nur etwa 1/6 der Haftstel len im Halbleiterkörper, da die Anzahl der Haftstellen pro portional zum Halbleiterkörpervolumen ist. Da außerdem die Anzahl der Haftstellen für das verzögerte Abklingen des Meß signals verantwortlich ist, wird das Abklingverhalten indi rekt proportional dazu verbessert. 63 Prozent des gesamten Detektors werden von dem aus Molybdän bestehenden, compton streuenden Körper eingenommen. Da ein Teil dieser Strahlung in den Detektor gestreut und dort nachgewiesen werden kann, trägt auch dieses Volumen zum Einfangquerschnitt des Detek tors bei.A directly into the detector 1 high-energy radiation 4 can be completely absorbed there due to the sufficient maximum penetration depth, generates charge carrier pairs and thus a measurement signal tapped at the electrodes. Radiation quanta 4 'that hit the body 7 generate a Compton radiation there, which is partly scattered into the detector 1 and absorbed there. There it contributes to increasing the measurement signal. The proportion of the active detector area relative to the radiation incident area, which corresponds to the ratio of the layer thickness d of the cadmium telluride semiconductor body relative to the entire width r of the detector, is only approximately 16 percent. Nevertheless, this arrangement results in a relatively high efficiency with improved decay behavior. The layer thickness of the semiconductor body, which is reduced to 1/6 relative to the width of the detector element, accordingly has only about 1/6 of the adhesion points in the semiconductor body, since the number of adhesion points is proportional to the volume of the semiconductor body. Since the number of traps is also responsible for the delayed decay of the measurement signal, the decay behavior is improved indirectly in proportion to it. 63 percent of the entire detector is taken up by the compton-scattering body made of molybdenum. Since part of this radiation can be scattered into the detector and detected there, this volume also contributes to the capture cross-section of the detector.
Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform der Erfin dung ist eine Detektoranordnung, bei der der einzelne Detek tor nur aus einem beidseits von einer Isolationsschicht 6 um gebenen Detektor 1 besteht (siehe die zentralen Schichten in Fig. 3). Eine solche Anordnung kann aus mehreren parallel zueinander angeordneten Detektorelementen bestehen, die wie derum vertikal oder in einem geeigneten schrägen Anstellwin kel α relativ zur Grundfläche 2 angeordnet sein können.Another embodiment of the invention, not shown, is a detector arrangement in which the individual detector consists only of a detector 1 provided on both sides by an insulation layer 6 (see the central layers in FIG. 3). Such an arrangement can consist of several detector elements arranged parallel to one another, which in turn can be arranged vertically or in a suitable oblique angle α relative to the base area 2 .
Eine vorteilhafte Verwendung erfindungsgemäßer Detektoranord nungen ergibt sich in der medizinischen Diagnostik und insbe sondere in der Computertomographie. Dort erlaubt das verbes serte Abklingverhalten des Meßsignals eine hohe Pulsfolge und damit einen schnellen Meßvorgang. Mit der Erfindung ist au ßerdem ein relativ kleines Raster von beispielsweise 260 µm im letzten beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, das ei ne hohe Ortsauflösung der einfallenden Strahlung erlaubt. Bisherige in der Computertomographie verwendete Detektorele mente besitzen ein Rastermaß von ca. 2 mm. Die hohe Nachweis genauigkeit bzw. der hohe Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Strahlung reduziert die Strahlungsbelastung des Patienten beim Einsatz der Erfindung in einer medizinischen Durchleuch tungsvorrichtung.An advantageous use of the detector arrangement according to the invention This results in medical diagnostics and in particular especially in computer tomography. That allows verbes serte decay behavior of the measurement signal a high pulse train and thus a quick measuring process. With the invention is au also a relatively small grid of 260 µm, for example possible in the last described embodiment, the egg ne high spatial resolution of the incident radiation allowed. Previous detector elements used in computer tomography elements have a grid dimension of approx. 2 mm. The high proof accuracy or high efficiency in converting the Radiation reduces the patient's radiation exposure when using the invention in a medical fluoroscopy device.
Claims (11)
- - bei der jeder Detektor (1) einen plättchenförmigen Halbleiterkörper aus einem direktkonvertierenden Halbleitermaterial und je eine Elektrodenschicht auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers aufweist
- - bei der zumindest zwei Detektoren nebeneinander auf einer annähernd vertikal zum Strahlungseinfall ausgerichteten Fläche (2) angeordnet sind
- - bei der die Hauptoberflächen der Detektoren in einem Winkel α gegen die genannte Fläche angestellt sind, der deutlich größer als Null ist und maximal 90° beträgt
- - bei der in Nachbarschaft eines jeden Detektors (1) ein comptonstreuender Körper (7) so angeordnet ist, daß im Körper (7) durch Strahlungsabsorption erzeugte Compton strahlung (5) zumindest teilweise in den Detektor gestreut wird, wobei der Körper so ausgewählt ist, daß der Wirkungsquerschnitt für Comptonstrahlung die Empfindlichkeit des Detektors erhöht.
- - In which each detector ( 1 ) has a platelet-shaped semiconductor body made of a directly converting semiconductor material and one electrode layer each on two opposite main surfaces of the semiconductor body
- - In which at least two detectors are arranged side by side on a surface ( 2 ) oriented approximately vertically to the incidence of radiation
- - In which the main surfaces of the detectors are placed at an angle α with respect to the surface mentioned, which is significantly greater than zero and a maximum of 90 °
- - In the vicinity of each detector ( 1 ) a Compton scattering body ( 7 ) is arranged so that Compton radiation ( 5 ) generated by radiation absorption is at least partially scattered into the detector in the body ( 7 ), the body being selected so that the cross section for Compton radiation increases the sensitivity of the detector.
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