DE2741865A1

DE2741865A1 - Anordnung zur erfassung durchdringender strahlung

Info

Publication number: DE2741865A1
Application number: DE19772741865
Authority: DE
Inventors: Robert Justin Froggatt
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1976-09-22
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1978-03-23
Also published as: JPS5339094A; FR2372440A1; NL7710403A; JPS5343034B2

Description

Anordnung zur Erfassung durchdringender Strahlung

Die Erfindung befaßt sich mit der Erfassung von durchdringender Strahlung und insbesondere mit der Erfassung von Röntgenstrahlung.

Es ist in der Radiographie üblich, die vom Körper eines Patienten ausgehende Röntgenstrahlung mittels eines für Röntgenstrahlung empfindlichen Filmes zu erfassen. In einem kürzlich entwickelten Zweig der Radiographie, der auch als "computerisierte Tomographie" bekannt ist, wird entlang zahlreicher linearer Wege aus einer Querschnittsscheibe des Körpers des Patienten austretende Röntgenstrahlung erfaßt, und anstelle eines für Röntgenstrahlen empfindlichen Filmes werden Scintillatorkristalle verwendet, die die erfaßte Röntgenstrahlung in sichtbare Strahlung umsetzen, die entweder einer Fotovervielfacherröhre oder einer Fotodiode zugeleitet wird. Die Fotovervielfacherröhre oder die Fotodiode erzeugt ein elektrisches Signal, das ein Maß für die Menge der auf den Scintillatorkristall auftreffenden Röntgenstrahlung ist. Die elektrischen Signale, von denen jedes die aus dem Körper entlang eines linearen Weges austretende Strahlungsmenge darstellt, werden einer Datenverarbeitung unterworfen, um eine Darstellung der Änderung der Absorption der Strahlung über der erwähnten Querschnittsscheibe zu erzeugen.

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Es ist in mancher Hinsicht unbequem, die erwähnte zweistufige Detektoranordnung zu verwenden, d.h. Umsetzung der Röntgenstrahlenenergie in Licht und dann in elektrische Signale, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erfassung durchdringender Strahlung zu schaffen, mit der die Strahlungsenergie unmittelbar in elektrische Signale umgesetzt werden kann, und dabei ggfs. noch eine Verstärkung zu bewirken.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Anordnung ein Stück piezoelektrisches Halbleitermaterial enthält, auf das die Strahlung auftreffen kann, daß ein Wandler zum Hineinsenden von Ultraschallwellen in das Halbleitermaterial vorgesehen ist, so daß Elektronen, die in dem Halbleitermaterial als Folge der Strahlung erzeugt werden, den Ultraschallwellen Energie zuführen, und daß ein weiterer Wandler zum Empfang der Ultraschallwellen nach Fortpflanzung in dem Halbleitermaterial und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales vorgesehen ist, dessen Amplitude ein Maß für die Menge der Strahlung ist, die während des Durchlaufs der Ultraschallwellen auf das Halbleitermaterial trifft.

Eine Änderung der Schwächung von durch große Einkristalle aus Kadmiumsulfid verlaufenden Ultraschallwellen als Folge der Beleuchtung des Kristalls mit weißem Licht wurde von H.N. Nine beobachtet, und in Phys. Rev. (L), 1960, 6, 359 beschrieben.Später haben in Phys. Rev. (L), 1961, 7, 237, A.R. Hutson, J. H. McFee und D.L. White gezeigt, daß bei Anlegen impulsförmiger elektrischer Gleichstromfelder an Kadmiumsulfid sich in diesem Material fortpflanzende Ultraschallwellen verstärkt werden können, wenn das Material mit weißem Licht beleuchtet wird.

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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das weiße Lieht durch Röntgenstrahlung ersetzt werden kann und daß das über dem Kadmiumsulfid in der allgemeinen Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen angelegte Gleichstrom-Driftfeld bewirken kann, daß im Kadmiumsulfid als Folge des Auftreffens der Röntgenstrahlung erzeugte Elektronen durch das mit der Ultraschallwelle verbundene elektrische Feld verzögert werden können und damit . der Ultraschallwelle Energie zugeführt wird. Dies bedeutet, daß bei geeigneter Wahl der Driftfeldstärke in bezug auf die Geschwindigkeit der Schallwelle die letztere in einem Maß verstärkt werden kann, das von der Anzahl der ihre Energie an sie abgebenden Elektronen und damit von der Menge der auf das Kadmiumsulfid auftreffenden Röntgenstrahlung abhängt.

Die Amplitude der Schallwelle ist somit ein Maß für die auftreffende Röntgenstrahlenintensität, und es wurde gefunden, daß ein brauchbares Maß an Verstärkung erzielt werden kann, d.h. eine Zunahme der Strahlung um einen Faktor χ führt zu einer Zunahme der Amplitude der Schallwelle um einen Faktor nx, wobei η größer als 1 ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 2 eine isometrische Darstellung

eines Teils_ei_nes weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schaltbild ist ein einzelner Kristall 1 aus Kadmiunisulfid einer Röntgenstrahlung ausgesetzt,die in Richtung der Pfeile 2 auf den Kristall auftrifft· Auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls 1 , die nicht von der Röntgenstrahlung durchquert werden, sind Metallfilme 3 bzw. 4 aufgebracht, und an die Filme 3 und 4 ist ein Gleichstromgenerator 5 angeschlossen, um über dem Kristall 1 ein Driftfeld in der Größenordnung von einigen zehn Volt pro Millimeter zu erzeugen.

Auf den Filmen 3 und 4 ist jeweils ein Pufferkörper 6, 7 geeigneter Form beispielsweise aus geschmolzenem Quarz befestigt, um eine elektrische Isolierung zwischen den Filmen 3, 4 und Eingangs- bzw. Ausgangswandlern 8, 9 zu erzeugen. Der Eingangswandler 8 ist an eine Schaltung 10 angeschlossen, die eine elektrische Wellenform geeigneter Frequenz erzeugt, die bei Zuführung zum Wandler 8 die Erzeugung einer sich durch den Kristall 1 fortpflanzenden Schallwelle veranlaßt.

Vom Wandler 9 bei Auftreffen der Schallwelle erzeugte elektrische Signale werden einem Resonanzverstärker 11 zugeführt, der etwa auf die Frequenz der Schallwelle abgestimmt ist und somit zur Zurückweisung von Störungen dient. Wenn diese Anordnung in einem Computertomographen eingesetzt wird, werden die Ausgangssignale des Verstärkers 11 einer Integrationsschaltung 12 zugeführt, die periodisch durch Taktimpulse gelesen und zurückgestellt wird, die in bekannter Weisein Abhängigkeit vom Fortschritt der Abtastung des Gerätes erzeugt werden. An den Integrator 12 ist ein Analog/Digital-Umsetzer 13 angeschlossen, auf den ein logarithmischer Umsetzer 14 folgt, und an den Umsetzer 14 ist eine Datenverarbeitungsschaltung 15 angeschlossen, die gemäß der DT-AS 1 941 433 oder der DT-OS 2 420 500 ausgebildet sein kann.

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Bei Verwendung in einem Computer-Tomographen wird die Anordnung gemeinsam für eine Anzahl von Detektoren verwendet, z.B. dreißig Detektoren, die eng nebeneinander angeordnet sind, so daß sie einen Winkel von 10° in bezug auf die Röntgenstrahlenquelle einnehmen. Um ein übersprechen zwischen benachbarten Detektoren zu vermeiden oder zu verringern, kann es von Vorteil sein, jeden zweiten Detektor mit einer Frequenz zu betreiben und die dazwischen liegenden Detektoren mit einer anderen Frequenz, wobei die Frequenzen so gewählt sind, daß sie in bezug aufeinander keine Harmonischen oder andere regelmäßige Beziehungen aufweisen. Die einzelnen Verstärker 11 müssen dann entsprechend abgestimmt sein, und es muß auf die unterschiedlichen Verstärkungseigenschaften für die beiden Detektorgruppen im Hinblick auf ihre unterschiedlichen Betriebsfrequenzen Rücksicht genommen werden.

Es wurde festgestellt, daß die Größe der im Kristall 1 gewonnenen Verstärkung auf die Anzahl der Wellenlängen der in dem Kristall auftretenden Schallwelle bezogen ist. Daher wird die Frequenz der Schallwelle so groß gemacht, wie es praktisch möglich ist, d".h. größer als 10 MHz. Außerdem kann es von Vorteil sein, den übertragungsweg für die Schallwelle durch den Kristall zu vergrößern. In dieser Hinsicht ist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung von Vorteil.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die Filme 3 und 4 wie zuvor am Kristall 1 angebracht, jedoch sind die Pufferkörper 6 und 7 durch keilförmige Körper 60 und 70 ersetzt, die beide auf dem Film 3 angeordnet sind. Die Winkel der keilförmigen Körper 60 und 70 sind so gewählt, daß die von dem Wandler erzeugte und in den Kristall hineingesandte Schallwelle an der den Film 4 tragenden Oberfläche reflektiert und vom Ausgangswandler 9 empfangen wird. Die Oberfläche des Kristalls 1, an der die Reflexion auftritt, kann ggfs. so behandelt werden, daß ihre

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Reflexionseigenschaften für die Schallwelle verbessert werden.
Als eine alternative Anordnung zu der in Fig. 2 gezeigten Anordnung können die Filme 3 und 4 auch an den durch gestrichelte
Linien angedeuteten Orten 30 und 40 angebracht werden. In diesem Falle muß natürlich der Film 30 aus für Röntgenstrahlen durchlässigem Material bestehen.

Bei allen Ausführungsbeispielen können Maßnahmen erforderlich sein, um eine Polarisierung des Materials 1 durch das zugeführte Driftfeld zu vermeiden. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß die Polarität des Driftfeldes periodisch umgekehrt wird.

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Claims

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI Limited 100/508

Patentansprüche

1 .) Anordnung zur Erfassung durchdringender Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Stück piezoelektrisches Halbleitermaterial (1) enthält, auf das die Strahlung auftreffen kann, daß ein Wandler (8) zum Hineinsenden von Ultraschallwellen in das Halbleitermaterial vorgesehen ist, so daß Elektronen, die in dem Haltleitermaterial als Folge der Strahlung erzeugt werden, den Ultraschallwellen Energie zuführen, und daß ein weiterer Wandler

(9) zum Empfang der Ultraschallwellen nach Fortpflanzung in dem Haltleitermaterial und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals vorgesehen ist, dessen Amplitude ein Maß für die Menge der Strahlung ist, die während des Durchlaufs der Ultraschallwellen auf das Halbleitermaterial trifft.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (5) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes konstanter Polarität in dem Halbleitermaterial derart vorgesehen sind, daß die Elektronen eine Bewegungskomponente in Richtung der Fortpflanzung der Ultraschallwellen aufweisen.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus einem Kadmiumsulfid-Einkristall besteht.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wandler (8) Mittel enthält, damit die Ultraschallwellen sich durch eine kurze Dimension des Kristalls fortpflanzen.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als durchdringende Strahlung Röntgenstrahlung dient, die auf das Halbleitermaterial in einer Richtung auftrifft, die etwa senkrecht zu der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen verläuft.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wandler (8) Mittel enthält, um die Ultraschallwellen schräg in den Kristall hineinzuschicken, um ihnen eine Bewegungskomponente zu erteilen, die in Richtung des Auftreffens der Strahlung auf den Kristall verläuft.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Detektoranordnung in einem durch einen Rechner gesteuerten tomographischen Gerät dient.

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