DE2811382A1

DE2811382A1 - Roentgendetektor

Info

Publication number: DE2811382A1
Application number: DE19782811382
Authority: DE
Inventors: Antonius Johannes Jozef M Bolt; Bart Van Der Eijk; Arthur Marie Eugen Hoeberechts; Walter Heinrich Kuehl; Johannes Antonie Joseph Leunen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1978-10-05
Also published as: NL176106B; NL7703294A; BE865388A; IT1093721B; FR2386053B1; FR2386053A1; FI780900A; ES468223A1; IT7821629A0; US4418452A; NL176106C; JPS53120583A; GB1603271A; CA1112376A; AU3446578A; JPS5823596B2

Description

PHN 8719

sche/deen/tb 9-9-1977

"Ront gende t ekt or*

Die Erfindung betrifft einen Strahlendetektor mit einem Szintillationselement mit einer verstärkenden Lichtdetektxonsanordnung zum Detektieren des im Szintillationselement erzeugten Szintillationslichts. Ein derartigen Strahlendetektor ist aus der US-PS 3 866 047 bekannt. Ein dort beschriebener Röntgendetektor enthält eine Folge von Szintillationskristallen, die mit je einem Photovervielfacher gekoppelt ist. Um Platz für die Photovervielfacher zu bilden, sind sie abwechselnd gegenüber drei verschiedenen Grenzflächen der Szintillationskristalle angeordnet. So kann ein

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Strahlendetektor mit einem Mittelabstand zwischen aufeinanderfolgenden Kanälen, beispielsweise von 8 mm verwirklicht werden. Beim Detektieren einfallender Röntgenstrahlung kann leicht ein Unterschied zwischen den Kanälen auftreten, insbesondere zwischen seitwärts zu lesenden und geradeaus zu lesenden Kanälen. Die Stabilität der benutzten Photoverstärkerröhre ist, besonders über längere Zeit gemessen, nicht für alle Anwendungen ausreichend. Eine Korrektur ist dabei, wenn nicht ausgeschlossen, so doch sehr umständlich.

Auch sind die Abmessungen der dort benutzten Photovervielfacherröhren derart, dass sogar mit der abwechselden Montage das Auflösungsvermögen in der Zeilenrichtung der Detektoren für bestimmte Anwendungen nicht ausreicht.

Weiterhin hat die Verwendung von Photovervielfacherröhren eine für viele Anwendungen zu starke Beschränkung im dynamischen Bereich des Detektors zur Folge.

Der Erfindung hat die Aufgabe einen derartigen Strahlendetektor zu verbessern und Beschränkungen im dynamischen Bereich zu vermeiden, gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Detektionsanordnung für das Szintillationslicht eine Photokathode, ein elektronenoptisches System und einen Halbleiter-Elektronendetektor mit Innenverstärkung enthält.

Die Photovervielfacherröhren als Detektoren für das Szintillationslicht sind durch ein System

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ersetzt, in dem vom Szintillationslicht erzeugte Photοelektronen beschleunigt und anschliessend von einem Halbleiter-Elektronendetektor mit Innenverstärkung detektiert werden. Hierdurch hat sich sowohl die Stabilität als auch die Empfindlichkeit sowie der dynamische Bereich des Strahlendetektors bedeutend verbessert. Aus den Detektoren kann durch Zusammenbau, beispielsweise in Form von Moduln mit mehreren Detektionskanälen in einem gemeinsamen Gehäuse, eine mehrfache Detektoranordnung mit einem verhältnismässig geringen Mitt'elabstand zwischen den Kanälen gebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind die Detektormodulen möglicherweise zusammen mit den zugeordneten Szintillationselementen ausnehmbar montiert, wodurch beim Ausfall eines der Kanäle nur der betreffende Module ausgetauscht zu werden braucht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Detektormodul aus einem Gehäuse mit mehreren Fenstern für das Szintillationslicht in einer Seite, von welchen Fenstern eine Innenfläche, eine Photokathode trägt, während ein in das Gehäuse aufgenommenes Elektrodensystem die aus der Photokathode heraustretenden Photoelektronen auf einen aktiven Flächenteil eines Halbleiter-Elektronendetektors projiziert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Halbleiterdetektor einen Siliziumblock mit

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einem verhältnismässig dicht unter der Oberfläche liegenden pn-übergang und ist der Halbleiterdetektor gegen Alkali-elemente aus der Photokathode beispielsweise mit Hilfe einer Polyimidschicht oder mittels einer Nitridbehandlung abgeschirmt, wodurch eine sehr gut abdichtende Abschirmschicht aus Siliziumnitrid entsteht. . ·

Der Deutlichkeit halber wird für die Szintillationsstrahlung, die durch die zu detektierende Strahlung, die zumindest Röntgenstrahlung und Gammastrahlung enthält, im Szintillationselement erzeugt wird, der Begriff Lumineszenzlicht oder bloss Licht benutzt, was jedoch keine Beschränkung auf den sichbaren Wellenlängbereich bedeutet, sondern auch ausserhalb dieses Bereichs liegende Strahlung, insbesondere Ultraviolettstrahlung, umfassen kann.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der

Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 - eine skizzierte Darstellung eines Teiles eines Detektors im Schnitt,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform lichtleitender Szintillationselemente, mit denen eine einfache · Szintillationselementfolge in eine mehrfache Folge von Lesekanälen umgesetzt ist,

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Fig. 3 und h Detektormoduln mir jewexxs^i6

Lichtdetektorkanälen in Ansicht.

Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform eines modularen Aufbaus eines Detektors in der Pex'spektive und

Fig. 6 einen abtastenden Röntgenuntersuchungsapparat mit einem erfindungsgemässen Detektor.

Fig. 7 bis 9 schematisch einen Querschnitt durch einen Halbleiter-Elektronendetektor mit Nitrid-Schutzschicht nach der Erfindung in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten, und

Fig. 10 und 11 einen Querschnitt durch eine Abwandlung des Elektronendetektors nach Fig. 7 bis 9 in zwei aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten. Eine Detektoranordnung nach Fig. 1 enthält eine Szintillationselementfolge 1, die zwischen Trägern 3 und 5 montiert sind. Die Szintxllationselemente können beispielsweise aus Kristallen von NaJ, CsJ, BirGe 0_1? oder aus einem der gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereichten niederländischen Patentanmeldung PHN 8720 erwähnten Ferkstoffen bestehen. Auch können Szintxllationselemente verwendet werden, in denen ein Szintillationswerkstoff in Pulverform in einen dazu geeigneten Träger, z.B. aus Glas oder aus einem das Szintillationslicht nur geringfügig absorbierenden Kunststoff eingebettet ist. Pulverförmiges Szintillationsmaterial kann auch als Pulver-Flüssigkeitsmischung in einem Halter, als eine Abdeckschicht auf einem durchsichtigen

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• Träger, der dabei als Lichtleiter dienen kann, oder in zusammengesinterter Form benutzt werden, wodurch häufig eine ausreichende Transparenz auftritt.

Die Szintillationselemente werden hier seit— wärts, d.h. über Stirnflächen 7» angestrahlt. Alle nicht anzustrahlenden oder zu lesenden Seitenflächen können zum Reduzieren gegenseitigen Übersprechens mit einer für die zu messende Strahlung absorbierenden Schicht und für das Szintillationslicht undurchlässiger, vorzugsweise dazu innen reflektierender Schicht abgeschirmt sein. Für die der zu detektierenden Strahlung zugewandten Frontflächen 8 ist die Abdeckschicht strahlendurchlässig. An den angestrahlten Flächen fehlt vorzugsweise jegliche abdeckende Schicht, da diese Flächenebene dazu geeignet sein soll, möglichst viel Lumineszenzlicht durchzulassen. Zwischen den Szintillationselementen kann strahlenabsorbierendes Material angebracht werden, das die Szintillationselemente vor indirekter Anstrahlung, wie Streustrahlung und Sekundärstrahlung, schützt. So können die Szintillationselemente in ein Gehäuse aufgenommen sein, z.B. in ein Aluminiumgehäuse, bei dem entsprechende Stirnflächen selbstverständlich freibleiben, aber dass immerhin die Strahlungseintrittsflächen umfassen darf. Um einen möglichst grossen Teil des Szintillationslichts wirksam einzufangen, kann es vorteilhaft sein, die Szintillationselemente als Lichtleiter auszuführen.

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zu welchem Zweck Szintillationsmaterial beispielsweise in einen glasartigen Träger mit einer für eine optimale Lichtleitung angepassten Form eingebettet oder stellenweise diesem Träger zugesetzt ist. Für die Deutlichkeit der Zeichnung ist in Fig. 1 nur eine einfache Szintillationselementfolge dargestellt, aber für praktische Detektionsanordnungen kann es vorteilhaft sein, mehrere vorzugsweise zueinander versetzt angeordnete Szintillationselementfolgen zu verwenden. So ist in Fig.

ein Schnitt parallel zu einer Einfallsebene der detektierenden Strahlung einer Ausführungsform in zwei Szin— filiationselementen dargestellt. Dem Querschnitt der Szintillationselemente kann aus Gründen optimaler Strahlungsabsorption, Lichtausbeute oder des Preises jede gewünschte Form gegeben werden, beispielsweise viereckig, rechteckig, rund, dreieckig, ellipsförmig usw.

Neben dem Beschränken des gegenseitigen Ubersprechens zwischen den Szintillationselementen können zur Beschränkung des unvorteilhaften Einflusses von Streustrahlung Zwischenwände angeordnet werden, die parallel mit der Richtung der einfallenden Strahlung angeordnet sind und so für verstreute Strahlung als Kollimator arbeiten. Diese Zwischenwände können Teile der Hüllen der Szintillations elemente und in Richtung auf den Strahler bis ausserhalb der Szintillationselemente als Kollimator für die einfallende Strahlung durchgezogen sein. Daneben kann auch ein zusätzlicher

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■ freier Kollimator zugeordnet sein, dessen Durchlassöffnungen der Geometrie der Szintillationselemente angepasst sind.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Trägerplatten 3 und 5 mit Bohrungen h versehen, durch die Enden der Szintillationselemente z.B. bis nahe den Aussenflachen der Tragflächen hindurchragen Hierdurch ist eine robuste Montage der Szintillationselemente gewährleistet. Ein jedes der Szintillationselemente wird hier nur an einer Seite angestrahlt und zwar je Elementgruppe abwechselnd an der zeichnungsgemässen "Unterseite und Oberseite. Für nicht anzustrahlende Stirnflächen der Elemente ist es vorteilhaft, dass die Bohrungen 9 in den Trägerplatten nicht die ganze Trägerplatte durchsetzen.

Die Detektorflächen 7 der Szintillationselemente können direkt, gegebenenfalls unter Zwischenfügung einer angepassten Eintauchflüssigkeit, mit einem Messelement zur Messung des Szintillationslichtes verbunden sein. Es kann jedoch vorteilhaft sein, einen optischen Leiter zwxschenzufügen, wodurch das Licht z.B. kollimiert oder gerade gestreut werden kann, während beispielsweise mit Hilfe eines faseroptischen Lichtleiters eine Querverschiebung bewirkt werden kann, wodurch eine gegebenenfalls vorteilhaftere Geometrie für die Detektion des Szintillationslichts frei gewählt werden kann. Statt eines faseroptischen Lichtleiters kann z.B. auch ein

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ellipsenförmiger Lichtleiter verwendet werden, bei dem eine Anstrahlungsfläche des Szintillationselements vorzugsweise so gut wie möglich um einen ersten Brennpunkt des Ellipsoids fixiert und das Strahluiigsmesselement eine Eintrittsfläche nahe dem zweiten Brennpunkt aufweist. Auch kann das Szintillationselement selbst ellipsoidförmig ausgebildet sein, wobei beispielsweise um einen ersten Brennpunkt eine Konzentration von Szintillationswerkstoff zusammengebracht worden ist und das Eintrittsfenster für die Lichtmessung um den zweiten Brennpunkt des Ellipsoids mon-•tiert ist. Dabei können bereits erwähnte Szintillationselemente benutzt werden, bei denen das Szintillationsmaterial in einen nicht absorbierenden Träger eingebettet ist. Durch die Verwendung lichtleitender Elemente zwischen dem Szintillationselement und der Messanordnung für das Szintillationslicht kann beispielsweise eine einfache Szintillationselementfolge in mehrere nebeneinander liegende Messfensterfolgen umgewandelt werden, wodurch für die weitere Lichtdetektion mehr Platz verfügbar ist, und das übersprechen weiter reduziert werden kann. In Pig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der eine einzige Szintillationselementfolge 31, welche Elemente in Lichtleiter 33 aufgenommen sind, in vier Lichtdetektionselementfolgen 35 aufgeteilt ist. Von diesen vier Lichtkanalfolgen liegen also zwei nebeneinander und zwei

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gegenübereinander. Indem mehrere dieser Vierer in einer Richtung quer zur Zeichenebene hintereinander angeordnet sind, kann ein Mehrkanaldetektor aufgebaut werden. Das Szintillationsmaterial 31 ist auch hier in jedem Lichtleiter um einen der Brennpunkte konzentriert. Es kann vorteilhaft sein, die Lichtleiter aus einem der Fluoreszenzwerkstoffe zu bilden, wie in der Anmeldung PHN 8720 beschrieben, weil dadurch die Strahlenausbeute vergrössert werden kann, ohne dass störendes Nachleuchten auftritt. In Fig. 2 befinden sich die vier Lichtleiter an der Stelle des Szintillationsmaterials 31 alle in . einer einfachen Folge hintereinander und die Mess— richtungen 35 können sowohl alle in einer Ebene als auch in bezug aufeinander versetzt sein.

In der dargestellten Ausführungsform werden die Szintillationselemente gruppenweise reihum an beiden Seiten angestrahlt. Es ist jedoch, nötigenfalls durch Verschiebung der Eintrittsfenster in bezug auf die Szintillationselemente durch Lichtleiter, auch möglich alle Szintillationselemente an einer Seite anzustrahlen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Szintillationselemente an beiden Seiten angestrahlt. Hierbei können beispielsweise nach Bedarf beide Signale aus einem Szintillationselement zusammengefügt werden.

aber es sind diese Signale auch gesondert verwendbar, wodurch die Möglichkeit geschaffen ist, zwei Scheiben aus einem zu untersuchenden Objekt gleichzeitig zu

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messen. Nach Bedarf kann das Szintillationselement dabei mit Hilfe einer Trennwand, die vorzugsweise auf der Hälfte der Länge angeordnet ist, geteilt werden. Die Messanordnungen zum Messen des in den Szintillationselementen erzeugten Lichts sind in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform in Moduln 11 gruppenweise zusammengesetzt. Ein derartiger Modul enthält beispielsweise neun Kanäle in der Rangordnung gemäss Fig. 3> hier also direkt ein Eintrittsfenster für jedes Szintillationselement 1. An der Innenseite sind die Eintrittsfenster 13 mit einer für das zu detektierende Szintillationslicht empfindliche Kathode 15 versehen. Eine Eingangsplatte 17 der Moduln kann sowohl aus Metall als auch aus Glas hergestellt sein, wobei Glas, wenigstens ein elektrischer Isolator, der nach Bedarf innenwandig und gegebenenfalls auch aussenwandig metallisiert sein kann, bevorzugt wird. In dieser Eingangsplatte sind die Fenster 13 angeordnet, d.h. bei einer Eingangsmetallplatte als gesonderte durchlässige Fenster, bei einer Glasplatte möglicherweise eine Einheit mit der Platte bildende Einstülpungen. Es ist vorteilhaft die Fenster an der Innenseite, also an der Seite der Photokathode, konkav auszuführen. Um Übersprechen beim Strahlungsübergang von den Szintillationselementen zu den Photokathoden möglichst zu reduzieren, ist es bei der Verwendung einer Glasträgerplatte erwünscht, sie

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zwischen den Fenstern für das betreffende Szintillationslicht absorbierend auszuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fenster und die Trägerplatte aus Glas mit einem verhältnismässig hohen Brechungsindex gebildet. Die Fenster können als gesonderte Platten in die Trägerplatte eingeschmolzen sein, wobei zwischen die Fenster und die Trägerplatte eine optische Sperre eingebaut sein kann. Die Photokathoden können je Modul gemeinsam im Gehäuse angeordnet werden. Eine Innenseite 20 der Eingangsplatte ist dabei nötigenfalls mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen, die wenigstens in den Bereichen zwischen den Fenstern für Licht undurchlässig ist.

Fig. k zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Detektormoduls 11, in den sechzehn Messkanäle 13 derart aufgenommen sind, dass, wenn jedem der Messkanäle direkt ein Szintillationselement zugeordnet ist, sie alle von der zu detektierenden Röntgenstrahlung anstrahlbar sind. Die Fenster aufeinanderfolgender Moduln sind dabei nicht nahtlos angeschlossen, d.h. ohne Unterbrechung der gegenseitig gleichen Abstände zwischen den Fenstern. So beträgt im hier skizzierten 16-fachen 4-zeiligen Modul der gegenseitige wirksame Abstand zwischen den Fenstern zweier schräg gegenübereinander liegender Moduln manchmal das Dreifache und manchmal das Fünffache des minimal auftretenden Fenster-

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abstands in der Zeilenrichtung. Aus der Figur ist bereits ersichtlich, dass durch diesen Aufbau eine wirksame Verwendung des Raumes im Modulgehäuse gemacht wird. Venn vier Szintillationselementfolgen Nachteile haben, kann diese Pensterorientierung dennoch aufrechterhalten werden, indem ausgehend von ein oder zwei Szintillationselementfolgen mit Hilfe von Lichtleitern auf diese Fensterkonfiguration übergegangen wird. Gegenüber einer jeden der Photokathoden befindet sich ein Elektronendetektor 19> der durch eine Blendenplatte 21 bis auf einem empfindlichen Oberflächenteil 23 abgeschirmt ist. Die Blendenplatte 21 kann ebenfalls als Hochspannungselektrode zum Beschleunigen aus der Photokathode befreiter Photoelektronen dienen.

Schematisch ist nahe den Elektronendetektoren eine Signalaufzeichnungsanordnung 22 angegeben, die die aus dem Elektronendetektor ankommenden Signale aufnimmt, die für weitere Verarbeitung, vorzugsweise nach der Umsetzung von simultan ankommend nach sequentiell ableitend, auffolgenden, nicht weiter dargestellten, elektronischen Schaltungen weitergeleitet werden können.

Durch eine angepasste Formgebung der Photokathode und ihres Randes kann bei einem gegebenen Abstand zwischen den Photokathoden und der Blendenplatte für die Elektronendetektoren und eine zuzuführende Beschleunigungsspannung ohne weitere elektronenoptische Elemente pro

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Kanal eine gute Fokussierung der Photokathode auf dem Elektronendetektor erreicht werden. Eine Büchse 27 bildet zusammen mit der Eingangsplatte eine vakuumdichte Schachtel, in der ein für Bildverstärkerröhren üblicher Druck herrscht. Jede dieser Schachteln oder ein jeder der Moduln ist abnehmbar an den Trägerplatten 3 und 5 befestigt, wobei die Fenster I3 gegenüber den entsprechenden Stirmflächen 7 der Szintillationselement liegen. Bei dieser Montage ist keine besonders hohe Genauigkeit erforderlich, so genügt eine Justierung innerhalb beispielsweise ungefähr 0,5 nun in bezug auf die Trägerplatte, beispielsweise durch darauf angebrachte Rillen 29 verwirklichbar. Zwischen den Eintrittsfenstern und den Szintillationselementen kann bei der Zusammenfügung ein Emulsionsöl, Polyimidhaut, eine Silikonhaut, eine duktile durchsichtige Gummischicht oder ein derartiges Material für eine Erhöhung des Strahlungsübertrags angeordnet sein. Der Brechungsindex (Ν,) des Kontaktmaterials ist vorzugsweise grosser als der (N )

des Szintillationselements und kleiner als der (N ) des Fensters. Daraus ist ersichtlich, dass für das Fenster vorzugsweise Material mit einem möglichst hohen Brechungsindex vorteilhaft ist. Auch ist es vorteilhaft, das Fenster möglichst dünn auszuführen, um so mehr weil zusätzliche Strahlungsverluste durch ein dickes Fenster Übersprechen auslösen kann. Ein vorteilhaftes Material

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für die Eintrittsplatte, sowohl hinsichtlich, der Formgebungsmöglichkeiten als auch hinsichtlich der Stärke ist der sogenannte glasartige Kohlenstoff. Die vorzugsweise runden Fenster der Photokathoden haben einen Durchmesser von beispielsweise 5 bis 10 mm und einen gegenseitigen Abstand von minimal 1 bis 5 mm. Der abstand zwischen den Photokathoden und den Elektronendetektoren ist beispielsweise 5 bis 10 mm und die öffnung beträgt für jeden der Elektronendetektoren ungefähr 1,5 mm rund.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform bilden die Szintillationselemente eine Einheit mit den Lichtdetektoren und sind die Photokathoden beispielsweise direkt auf Leseflächen der Szintillationselemente angeordnet. Die Form der Szintillationselemente und ihrer Austrittsfenster kann dabei an die gewünschte Form für die Photokathoden angepasst werden. Die Elektronendetektoren sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine verhältnismässig dünne Diffusionsschicht für den detektierenden Übergang auftritt, denn dadurch tritt ein minimaler Energieverlust für die zu detektierenden Photoelektronen auf. Für eine ausführliche Beschreibung dieser Art von Elektronendetektoren wird auf den Artikel ''Electron Bombarded Semiconductor Devices" proc. IEEE, Vol. 62, ' No. 8, 196k, S. II9-II58, verwiesen. Weiterhin muss der Elektronendetektor insbesondere gegen Alkalielemente wie Sc, Na, K u.dgl. gut abgeschirmt sein, die insbesondere

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beim Ausbilden der Photokathoden freikommen können. Neben dem Abschirmen des Detektors mit einer für die vergiftenden Stoffen undurchdringbare Abdeckschicht, wie durch das erwähnte Nitrifizieren, wird auch eine gute Lösung gegen Vergiftung des Detektors gefunden, indem er derart angeordnet wird, dass sich der darin gebildete pn-übergang an einer der Eintrittsseite abgewandten Seite befindet. Die vergiftenden Stoffen können dabei den pn-übergang schwieriger erreichen. Die vom Elektronenstrahl zu treffende Oberfläche kann dabei immer noch abgeschirmt werden.

In Moduln gemäss der Verwendung in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen nach der Erfindung werden die Photokathoden erst dann gebildet, nachdem der Modul weiter vollständig aufgebaut ist und also auch die Elektronendetektoren montiert sind. Die Menge freikommender Alkalielemente ist bei der Bildung viel grosser als nachher im Betrieb, wodurch die Bildung unter Verwendung von Transfertechniken, insbesondere an den Stellen, an denen mit weniger gut abgeschirmten Halbleiterdioden gearbeitet wird, Vorteile bietet. Auch bei an sich gut abgeschirmten Halbleiterdetektoren, beispielsweise mit Hilfe der erwähnten Nitrifizierung, kann es zur weiteren Verringerung der Möglichkeit auf Vergiftung vorteilhaft sein, die Dioden beispielsweise durch Tranfertechniken bei der Bildung der Photokathode ausserhalb der dabei auftretenden Atmosphäre zu halten. Bei

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einem bevorzugten Verfahren zum Aufbauen von Detektormoduln nach der Erfindung werden zur Vermeidung der verhältnismässig weiterschleifig und teueren Tranfertechnik die Elektronendetektoren während der Bildung der Photokathoden durch wegnehmbare Abschirmungen abgedeckt. Die Blendenplatte mit verhältnismässig kleinen Öffnungen für einen jeden der Elektronendetektoren erlaubt eine derartige Abschirmung verhältnismässig leicht, beispielsweise indem diese Blendenplatte doppelt ausgeführt wird, wobei durch gegenseitiges Verschieben die Blenden geöffnet und geschlossen werden können. Auch kann eine dünne Folie auf die Blendenplatte gelegt sein, welche Folie entweder nach der Bildung der Photokathoden entfernt werden kann oder für die zu detektierenden Elektronen gut durchlässig ist. In einem verhältnismässig vorteilhaften Verfahren werden Kugeln verwendet, die die Blendenöffnungen bei der Bildung abschliessen und die danach über einen Pumpstengel entfernt werden.

Fig. 5 zeigt einen modularen Aufbau, bei dem Szintillationselemente 1 Teile eines Moduls sind. Ein Schlitten 51 ist mit einem Block 55 mit Stiftlöchern zum Justieren des Moduls starr verbunden. Eine Ausnehmung 61 eines Blocks 63, der ebenfalls einen Schlitten für Szintillationselemente trägt, erlaubt mit einer entsprechenden Ausnehmung 65 des Blocks 55 ein ungestörtes

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Zusammenschalten der Blöcke, gegebenenfalls in einem Kreisbogen. In einer Ausnehmung 69 des Blocks 55 und in einer Ausnehmung 71 des Blocks 63 sind aufeinanderfolgend an beiden Seiten weitere Schlitten mit Szintillationselementen anschliessbar. Der Aufbau der Schlitten mit Szintillationselementen ist hier so, dass für die zwei Szintillationselementfolgen ein nahtloser Übergang zwischen den Schlitten verwirklicht ist. Ein Modul entsprechend dem Modul 11 gemäss Fig. 3 kann jetzt vorzugsweise mit Hilfe von Anlaufflächen in jedem der Blöcke passend angebracht werden.

Die Detektionskanäle in einem jeden der Moduln schliessen sich dabei an die Szintillationselemente an, die in einem Schlitten angeordnet sind. Durch diesen Aufbau ist auf vorteilhafte Weise ein modularer Aufbau einer Detektoranordnung verwirklicht, bei der auch die Szintillationselemente modular geordnet sind. Ein Vorteil dabei ist neben einer genauen Passung zwischen Szintillationselementen und Photokathodenfenstern besteht darin, dass bei Verlorengehen eines Szintillationselements, beispielsweise während der Montage, nicht die vollständige Szintillationselementfolge verloren ist oder erneut montiert werden muss. Je Modul können auch hier beispielsweise 9 oder 16 Kanäle angeordnet sein. Aber es ist auch möglich, dafür eine andere Anzahl sowohl eine kleinere als eine grössere Anzahl

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Anzahl zu wählen, wenn auch die Möglichkeiten beschränkt sind, wenn die Bedingungen sowohl nahtlosen Anschlusses als auch gegenseitig gleicher Moduln für Detektoren mit nach zwei Seiten hin anzustrahlenden Szintillationselementen und gegenübereinander liegenden Modulfolgen.

Der Detektor ist insbesondere dazu geeignet, in einer abtastenden Röntgenuntersuchungsanordnung für medizinische Diagnostik angewandt zu werden. Eine derartige Anordnung mit einem solchen Detektor ist sehr schematisch in Fig. 6 dargestellt. Eine derartige Anordnung enthält einen Röntgenstrahier 70 zum Erzeugen beispielsweise eines flachen fächerförmigen Röntgenstrahls 71· Der Offnungswinke1 des Strahles 71 ist häufig so gross, dass dieser Kinkel einen auf einer Trägerplatte 72 liegenden, zu untersuchenden Körperteil 73 vollständig einschliesst. Nach dem Durchsetzen des zu untersuchenden Körpers wird die Strahlungsintensität durch einen Detektor Jh stellenweise gemessen. Der Detektor enthält hier beispielsweise 300 Messkanäle, d.h.

unterschiedliche Photokathoden mit zugeordneten Elektronendetektoren. Das Lesen der Detektoren kann weiterhin entsprechend bekannten Anordnungen dieser Art ausgeführt werden, wobei hier durch die grössere Innenverstärkung der Detektoren mit sehr einfachen und dadurch zuverlässigerer und preisgünstigeren elektronischen Schaltungen gearbeitet werden kann. Zum Aufbauen eines Detektors mit Detektions-

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zellen, deren Anzahl noch erweitert werden kann, bis sich beispielsweise ein kreisförmiger Detektor gebildet hat, müssen noch verhältnismässig viel Moduln zusammengefügt werden. Hierbei kann ein Bausystem nach obiger Beschreibung verwendet werden, aber es kann auch ein System benutzt werden, bei dem zwei geringfügig voneinander verschiedene, beispielsweise spiegelsymmetrische Halter für die Szintillationselemente verwendet werden. Diesen Haltern können dann gleiche oder auch zwei verschiedene, vorzugsweise spiegelsymmetrische Moduln zugeordnet werden. Zum Abtasten des zu untersuchenden Körpers ist der Röntgenstrahier rotierbar um den zu untersuchenden Körper angeordnet. In bekannten Anordnungen dieser Art wird bei dieser Rotation der Detektor häufig synchron mitbewegt. Zum Verwirklichen der Bewegung ist der Röntgenstrahier mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung 75 in einem Träger 76 rotierbar angeordnet.

Schliesslich wird an Hand der Fig. 7 bis 11 die Herstellung des nitrierten Halbleiter-Elektronendetektors nach der Erfindung beschrieben. Es wird von einer n-Kanal-Siliziumplatte 80 mit einem spezifischen Widerstand beispielsweise von 7 Ohm/cm ausgegangen (siehe Fig. 7)· Auf dieser Platte wird in einem Thermooxydationsverfahren ein Oxydschicht 81 mit einer ungefähren Dicke von 0,5 Mikrometer gebildet. In dieser

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Oxydschicht wird ein ringförmiger Spalt 82 beispielsweise mit einer Breite von 30 Mikrometer und mit einem Aussendurchmesser von 2,5 mm durch Ätzving angebracht. Dieser ringförmige Spalt kann jedoch nach Bedarf eine andere geschlossene Form als eine Kreisform aufweisen und beispielsweise viereckig sein.

Anschliessend wird eine Schicht 83 aus polykristallinem Silizium beispielsweise aus einer SiH^- und Np-haltigen Atmosphäre bei 0,5 Torr und 65O C zu einer ungefähren Dicke von 0,5 Mikrometer abgelagert, welche Schicht 83 danach beispielsweise durch Diffusion oder durch Ionenimplantation mit Bor dotiert, wonach bei einem weiteren Diffusionsschritt zur Bildung der ringförmigen p-Kanalzone 84 das Bor aus dem dotierten polykristallinen Silizium in das Siliziumsubstrat 80 hineindiffundiert. Hiermit hat sich die Struktur nach Fig. 7 ausgebildet. Die Zone 84 besitzt eine Tiefe von 1,5 ··· 2 Mikrometer und einen Schichtwiederstand von etwa 200 0hm pro Quadrat.

Anschliessend wird das polykristalline

Silizium 83.auf übliche Weise durch einen Ätzvorgang in die endgültige Form gebracht, wonach der innerhalb der Zone 84 liegende Teil der Oxydschicht 81 abgeätzt wird. Danach wird (vgl. Fig. 8) durch Therrnooxydation eine 0,0*1 Mikrometer· dicke Oxydschicht 85 ausgebildet, auf der sich durch Ablagerung aus einer SiH^-, NH-
und H_o-haltigen Atmosphäre iinter normalem Druck bei

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etwa IO5O °C eine ungefähr 0,05 Mikrometer dicke Schicht 86 aus Siliziumnitrid absetzt. Schliesslich lagert sich darauf auf pyrolithischem Wege eine 0,2 Mikrometer dicke Siliziumoxydschicht 87 ab, womit die Struktur nach Fig. 8 erhalten ist.

Nach der Entfernung bei den vorangehenden Bearbeitungen an der Unterseite der Siliziumplatte 80 gebildeter Schichten wird durch Erhitzung in einer POCl -haltigen Atmosphäre bei 1000 C ein von einer Erhitzung in Stickstoff bei I050 °C für 1 Stunde gefolgter Gettervorgang durchgeführt. Hierbei entsteht eine hochdotierte n-Kanal-Schicht 88, siehe Fig. 9· Danach werden in der Oxydschicht 87 Kontaktfenster definiert, wonach innerhalb dieser Fenster die Nitrid schicht 86 abgeätzt wird. Anschliessend wird in einem weiteren Atzvorgang die Oxydschicht 85 im Fenster gleichzeitig mit der Oxydschicht 87 abgeätzt.

Durch Borionenimplantation über die Schich ten 85 und 86 in der ringförmigen Zone 8k bildet sich eine dünne p-Kanal-Schicht 89, siehe Fig. 9. Die

1 *ί lonendosis beträgt beispielsweise 4.10 Ionen pro

cm und die Implantationsenergie 35 keV. Nach dem Anbringen von Metallkontakten 90 und 9I, zum Beispiel aus Aluminium, auf der η -Kanal-Schicht 88 und über die Kontaktfenster in den Schichten 85 und 86 auf der polykristallinen Siliziumschicht 83 ist der

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Elektronendetektor montagefertig.

Als Abwandlung der beschriebenen Struktur kann an der Stelle des Spalts 82 in der Oxydschicht 81 in das Siliziumsubstrat 80 eine Rille eingeätzt werden, wie in Fig. 10 angegeben. Nach der Durchführung der an Hand der Fig. 7 bis 9 veranschaulichten Bearbeitungen hat sich die Struktur der Fig. 11 gebildet, in der den Fig. 7 bis 9 entsprechende Teile gleich Bezugsziffern erhalten haben. Diese Struktur bietet den Vorteil der Absorption von durch Elektronen nahe dem pn—Übergang zwischen der Schicht 89 und dem Substrat 80 erzeugter Röntgenstrahlung durch die in der Rille befindlichen Metallschichten 90, so dass diese Strahlung bis zur Oxydschicht 81 vordringen und hier störende Oxydladung einführen kann.

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Claims

PHN 8719 -9-9-1977

PATENTANSPRÜCHE:

. 1 .) Strahlendetektor mit einem Szintillationselement und einer verstärkenden Lichtdetektionsanordnung zum Detektieren von im Szintillationselement erzeugten Szintillationslicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtdetektionsanordnung eine Photokathode, ein elektronenoptisches System und einen Halbleiter-Elektronendetektor mit Innenverstärkung enthält.
2. Strahlendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenoptische System zum Beschleunigen aus der Photokathode austretender Elektronen bis mindestens etwa 10 KeV eingerichtet ist.
3« Strahlendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter-Elektronendetektor einen Block aus Halbleitermaterial mit einem Bandabstand von mindestens etwa 0,6 eV enthält.
4. Strahlendetektor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial durch Nitrifikation mit einer schützenden Abdeckschicht versehen ist.
5- Strahlendetektor nach Anspruch 1, 2, 3 oder k-, dadui^ch gekennzeichnet, dass der Elektronendetektor an einer der Elektroneneintrittsseite zugewandten Seite mit einem pn-Ubergang versehen ist.

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6. Strahl ende tekt ox' nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Photokathoden tind zugeordnete Elektronendetektoren mit einem teilweise für alle Photokathoden gemeinsam arbeitenden elektronenoptischen System in ein Gehäuse aufgenommen sind.
7· Strahlendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine ¥and besitzt, in die mehrere Fenster für Photokathoden aufgenommen sind.
8. Strahlendetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Photokathoden und den Elektronendetektoren ein Blendensystem mit einer verhältnismässig kleinen Öffnung für jeden Elektronendetektor befindet.
9. Strahlendetektor nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand, auf der die Photokathoden angeordnet sind, aus Glas mit einem verhältnismässig hohen Brechungsindex zusammengesetzt ist.
10. Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Szintillationselemente zwischen zwei Trägerplatt sn aufgenommen sind, an die mehrere Moduln mit je mehreren Lichtdetektionskanälen anschliessbar sind.

11. Strahlendetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillationselemente in

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einer einfachen Folge und die Szintillationsdetektoren in einer mehrfachen Folge angeordnet
sind.

12. Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillations elemente durch Lichtleiter mit Photokathodenfenstern verbunden sind.
13· Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillationselemente in gesonderte montierbare Gruppen aufgeteilt sind.

14. Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger für eine Photokathode durch eine Anstrahlfläche eines Szintillationselement gebildet wird.

15· Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillationselemente ellipsoidförmig sind, in denen sich nahe einem ersten Brennpunkt Szintillationsmaterlal und nahe einem zweiten Brennpunkt ein Lichtdetektoreintrittsfenster befindet. 10. Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Szintillationselement Szintillationsmaterial der Gruppe von mit Ce aktivierten Yttriumphosphoren enthäJ.t,

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17« Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mehreren einfach miteinander verbindbaren Einheiten zusammengesetzt ist, die je einem Modul mit Lichtdetektionskanäle und zugeordneten Szintillationselementen enthalten.

18. Strahlendetektor nach Anspruch 17> dadurch gekennzeichnet, dass er zwei gegenseitig spiegelsymmetrische einfach verbindbare Einheiten enthält, denen gleiche oder zueinander spiegelsymmetrische Moduln zugeordnet sind.

19·· Strahlendetektor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verbindung der Detektoreinheiten ein nahtloser Übergang der Detektionskanäle gebildet wird.

20. Röntgenuntersuchungsgerät mit einem Strahlen— detektor mit einem Röntgenstrahier zum Erzeugen eines ein zu untersuchendes Objekt abtastenden Röntgenstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgeführt ist.

21. Verfahren zum Herstellen eines Strahlendetektors nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung des Photokathodenmaterials die Elektronendetektoren mit einer abnehmbaren Abschirmung gegen Beeinflussung durch Alkalielemente ausgerüstet sind.

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22v Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen jedem Elektronendetektor und zugeordneten Photokathoden eine Blende befindet,
und die abnehmbare Abschirmung durch die Blendenöffnung abschliessende Kugeln gebildet wird.

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