DE3247204A1

DE3247204A1 - Szintillationsdetektor fuer einen roentgenabtaster

Info

Publication number: DE3247204A1
Application number: DE19823247204
Authority: DE
Inventors: Frank Anthony Di 27514 Chapel Hill N.C. Bianca; Thomas Eben 53129 Greendale Wis. Peterson; Dennis Harry 53151 New Berlin Wis. Pritzkow
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-12-21
Publication date: 1983-07-21
Also published as: US4429227A; JPS58146879A; JPH033915B2

Description

9035-15CT-2O4O

Szintillationsdetektor für einen RÖntgenabtaster

Die Erfindung bezieht sich auf Röntgendetektoren (Vorrichtungen zum Umwandeln von einfallenden Röntgenphotonen in ein meßbares elektrisches Signal) und betrifft insbesondere die Klasse von Röntgendetektoren, die als Festkörperdetektoren bezeichnet werden.

Detektoren dieser Art haben einen wichtigen Verwendungszweck in Computertomographieabtastern (sogenannten Scannern). Im Gegensatz zu den älteren, einfachen Abtastern, bei denen nur ein Detektor oder eine sehr geringe Anzahl von Detektoren verwendet worden ist, enthalten moderne Abtaster hunderte von Detektorzellen, wobei versucht wird, diese so eng wie praktisch möglich anzuordnen, um die räumliche Auflösung zu vergrößern, und sie so wirksam wie praktisch möglich zu machen, um die Kontrastauflösung zu steigern.

BAD ORIGINAL

Ein erfolgreicher Röntgendetektor ist in den folgenden US-PSen beschrieben: 4 031 396, 4 119 853 und 4 161 655. Bei dieser Art von Detektor wird ein unter hohem Druck stehendes Xenongas benutzt, und der Detektor arbeitet nach dem Prinzip der Erfassung von Röntgenstrahlen durch deren proportionale Ionisation des Xenongases. Die Ionisationsladung in dem Xenongas wird in einem elektrischen Feld gesammelt, das durch in gegenseitigem Abstand angeordnete, parallele Wolframplatten aufgebaut wird, und die gesammelte Ladung ist zu der Anzahl von in dem Gas absorbierten Röntgenstrahlen proportional.

Hochdruckxenondetektoren dieses Typs sind zwar bereits mit beträchtlichem Erfolg eingesetzt worden, gewisse Verbesserungen würden aber die Röntgentechnik noch weiter voran bringen. Eine Verbesserung im Quantenerfassungsgrad, der typisch etwa 50% beträgt, würde eine Auflösung mit größerem Kontrast oder eine geringere Dosis oder beides gestatten. Wegen der elektrischen Hochspannungsfelder innerhalb des Xenondetektors können Klingerscheinungen (induzierte Plattenbewegungseffekte) zu einem Problem werden, das eine starre Konstruktion und eine Schwingungsisolierung erfordert-Die Linearität, d.h. das Angleichen des Ansprechens von Zelle zu Zelle, erfordert sehr sorgfältige Vorauswahlverfahren für die Komponenten. Aufgrund der Tatsache, daß das System erst dann als Röntgendetektor arbeiten wird, wenn es mit Gas gefüllt ist, läßt sich die Gleichmäßigkeit erst endgültig bestimmen, wenn die Zelle vollständig zusammengebaut ist. Wenn die Zelle dann neben der Spezifikation liegt, muß sie vollständig zerlegt und nachgearbeitet werden«

Während die vorgenannten Probleme beim Herstellen eines praktischen Xenondetektors nicht unüberwindbar sind, kann die Anwendung der Festkörpertechnik viele der Konsequenzen vermeiden helfen.

BAD ORIGINAL,

Zu den Festkörperdetektoren, die bereits vorgeschlagen worden sind, gehört die in der US-PS 4 187 427 beschriebene Reflexionshohlraumzelle. Das Innere jeder Zelle ist hochreflektierend gemacht, um optische Verluste bei der Übertragung von Licht von dem Szintillationskristall zu den Photodetektordioden, die an den Enden der Zelle angeordnet sind? zu minimieren. Diese US-Patentschrift schlägt vor, die Abfühldioden außerhalb der Zelle zu befestigen (um sie vor einfallender Strahlung zu schützen), wodurch aber die MÖ9-lichkeit der Leckage von Licht zwischen den Zellen geschaffen wird, die Nebensprechen verursacht. Darüber hinaus müssen die Dioden sorgfältig auf ihre zugeordneten Zellen während des Zusammenbauvorganges ausgerichtet werden, was einen hohen Grad an Sorgfalt auf Seiten des Zusammenbaupersonals erfordert. Schließlich werden die Abfühldiode und ihr Szintillationskristall während des Zusammenbauvorganges zum erstenmal einander zugeordnet und können getrennt werden, indem eines dieser Elemente, aber nicht alle, ersetzt oder versetzt werden.

In vielen Computertomographie-Systemen wird eine eng gepackte Anordnung von Szintillationselementen zum Empfangen der Röntgenstrahlung und zum Umwandeln derselben in ein meßbares elektrisches Signal benutzt, üblicherweise wird ein Kollimator, d.h. eine Vorrichtung zum Begrenzen des Winkels, über dem die Röntgenstrahlung in den Szintillator eindringen kann,vorgesehen. In Szintillationselementdetektoren des Typs, der einen Szintillatorstab in Form eines rechtwinkeligen Parallelepipeds hat, hängt das Ansprechen des Detektors auf die einfallende Röntgenenergie von der Abweichung des Szintillators von einem vollkommenen rechtwinkeligen Parallelepiped ab und erfordert typisch Abweichungen von weniger als einem Promille. Das Ansprechen des Detektors hängt außerdem bis zu einem gewissen Grad von der Streuung von einfallenden Röntgenstrahlen an irgendeiner Kollimiervorrichtung auf das Szintillatorelement ab. Es ist ein Röntgendetektor erwünscht„

in welchem die Kollimatorstreuung reduziert ist und die Abhängigkeit von der Abweichung von der Form eines vollkommenen rechtwinkeligen Parallelepipeds des Szintillatorelements geringer ist.

Eine Lösung, um das zu erreichen, ist in der US-PS 4 180 737 gezeigt. Diese US-Patentschrift schlägt vor, das Ende jeder Kollimatorplatte an dem Zelleneingang oder -fenster zu verdicken, um genau die Kanten (die Längskanten) des Szintillatorelements abzuschirmen. Die Notwendigkeit einer solchen Abschirmung kann folgendermaßen beschrieben werden. Wenn der Szintillator etwas schräg ist oder wenn er kein vollkommenes rechtwinkeliges Parallelepiped ist, dann werden die Seiten nicht vollkommen rechtwinkelig zu der Szintillatorstirnflache sein. Infolgedessen wird die Tiefe des Kristalls an den Kanten wahrscheinlich kleiner sein als die mittlere Kristalltiefe, weshalb eine geringere RöntgenbremsIeistung vorliegen wird. Die Kanten könnten zwar in der Lage sein, Röntgenstrahlung relativ niedriger Energie zu bremsen (und somit umzuwandeln) , Strahlung höherer Energie wird aber durchgehen und nicht umgewandelt werden. Infolgedessen wird sich der Umwandlungswirkungsgrad der Zelle mit dem Energiewert ändern und von Zelle zu Zelle verschieden sein, wodurch spektrale Nichtlinearitäten erzeugt werden.

Die Abschirmung, die in der US-PS 4 180 737 vorgeschlagen ist, führt zwar zur Verringerung dieser spektralen Nichtlir.earität, das erfolgt jedoch auf Kosten des Umwandlungswirkungsgrads. Insbesondere wird die Zellenöffnung durch die Verdickungsteile effektiv verringert, wodurch Strahlung, die durch den Patienten hindurchgeht und auf die Verdickungsteile fällt, daran gehindert wird, zu dem Nutzsignal beizutragen.

Ec ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Röntgendetektor zu schaffen, der die spektrale Linearität

• · e

• · ο.

verbessert, aber außerdem einen hohen Umwandlungswirkvmgsgrad hat.

Die Erfindung schafft einen Röntgendetektor, in welchem die Szintillator- und Kollimatorplatten so angeordnet sind, daß sie die Detektorelemente abschirmen, die durch einfallenden Röntgenfluß verschlechtert werden könnten.

Weiter schafft die Erfindung einen Röntgendetektor, in welchem die optische übertragung von Licht zur Rückseite des Szintillators verbessert ist.

Schließlich schafft die Erfindung einen Detektor, in welchem das Szintillatorteil und die lichtempfindlichen Einrichtungen genau in Deckung sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer

Detektoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Schnittdarstel

lung nach der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer

einzelnen Kollimatorplatte mit zugeordneten Elementen,

Fig. 4 eine Schnittansicht nach der Linis

4-4 in FIg₄ 1,und

Fig. 5 eine Ansicht nach der Linie 5-5 ia

Fig. 4, die mehrere Detektorzellen in einer Detektoranordnung zeigt.

BAD ORIGINAL

32472U4

Die Erfindung ist zwar im folgenden in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, es ist aber nicht beabsichtigt, sie auf diese Ausführungsform zu beschränken. Im Gegenteil, die Erfindung soll sämtliche Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente, die im Rahmen der Erfindung liegen, umfassen.

Fig. 1 zeigt eine Detektoranordnung des Typs, der für die Verwendung in einem Dreh/Dreh-Computertomographie-Abtaster besonders geeignet ist. Der Detektor hat ein Gehäuse 20 von gekrümmter Form, das zwei Endteile 21 und 22, eine hintere Wand 23 und ein vorderes Fenster 24 aufweist, die einen Raum einschließen, der mehrere Detektorzellen enthält. In einem Computertomographie-Abtaster ist das Detektorgehäuse 20 gegenüber einer Röntgenquelle (nicht dargestellt) befestigt, wobei der Brennfleck der Quelle in dem geometrischen Mittelpunkt des Detektorbogens liegt. Die Röntgenquelle und der Detektor können in bezug aufeinander fest angeordnet sein, so daß ein fächerförmiges Strahlungsbündel, das durch die Quelle erzeugt wird, auf das Detektorfenster 24 fällt und das Erzeugen von mehreren elektrischen Signalen, eines aus jeder Detektorzelle innerhalb der Detektoranordnung, bewirkt. Die Quelle-Detektor-Baugruppe wird um eine Patientenöffnung gedreht, um eine große Anzahl von Röntgenwerten zu erzeugen, die zu dem Rekonstruktionscomputer gesendet werden, der das Computertomographie-Bild berechnet.

Gemäß Fig. 2 sind die Endteile 21, 22 des Gehäuses 20 jeveils eine Verbundbaugruppe, die mehrere Schlitze 26 hat, velche die im folgenden beschriebene Detektorzellenanordnung aufnehmen. Die Schlitze sind auf die Röntgenquelle ausgerichtet, so daß, wenn die Detektorelemente eingesetzt sind, mehrere Detektorzellen vorhanden sind, die die einfallende Strahlung in kleinen Schritten über dem Detektorbogen messen. Der Einfachheit halber und wegen der erwiesenen Zuverlässigkeit beim genauen Haltern von Wolframplatten in einem

BAD

• ■ ·

■■■■<£

Computertomographie-Detektor wird ein maschinell bearbeitete s,abmessungs stabiles Präzisionskeramiksubstrat, das in einer handelsüblichen Ausführungsform des oben erwähnten (und in der US-PS 4 119 853 beschriebenen) XenondetektoiBbenutzt wird, bevorzugt für den Zweck verwendet, die einander gegenüberliegenden Einheitszellenhalteschlitze zu schaffen. Zu diesem Zweck weisen bogenförmige, maschinell bearbeitbare Glaskeramikabschnitte 30, 31, vorzugsweise aus Macor (Warenzeichen der Corning Glass Works für maschinell bearbeitbare Glaskeramik), mehrere maschinell hergestellte Präzisionsschlitze 26 auf, die die Zellenposition und den Zellenabstand für jede der Zellen in der Detektoranordnung festlegen. Zweckmäßig können die Macor-Abschnitte als Bausteine in Längen von 152,4 oder 177,8 mm (.6 oder 7 inches) hergestellt werden, die Ende an Ende zusammengebaut werden. Die Abschnitte werden mit Befestigungsubstraten 32, 33 verklebt, vorzugsweise aus Titan oder rostfreiem Stahl des Typs 430, deren Wärmeausdehnungskoeffizient dem vom Macor eng angeglichen ist. Andere kompatible Materialien können bei Bedarf benutzt werden. Die so miteinander verbundenen Unterbaugruppen werden dann in dem Detektorkörper angeordnet, der gekrümmte Teile 34, 35, vorzugsweise aus Aluminium, aufweist, die in einem vorbestimmten Abstand durch Endteile 36, 37 (Fig. 1) miteinander verbunden sind. Die Baugruppe wird weiter versteift, indem der hintere Deckel 23 an ihr befestigt wird. Weil die Aluminiumteile einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der von dem der Unterbaugruppen aus Macor und rostfreiem Stahl wesentlich verschieden ist, werden die Verbundendteile 21, 22 mittels Vorrichtungen zusammengebracht, die eine Relativbewegung zwischen diesen Teilen erlauben. Kopfschrauben 40, 41 _r die über Tellerfedern 42, 43 wirken und in Gewindelöcher 44, 45 in den Substraten aus rostfreiem Stahl eingeschraubt sind, sind bestrebt, die Substrate mit den mit diesen verbundenen Macor-Platten gegen die Aluminiumprofilteile zu ziehen. Gemäß Fig. 4 ist ausreichend Spiel zwischen dem Schaft der Kopfschrauben 40, 41 und den Aluminiumkörpern 34, 35 vorhanden, um eine kleine

BAD ORIGINAL

Relativbewegung zuzulassen, die durch eine Temperatüränderung verursacht werden könnte.

Der oben beschriebenen Befestigungsvorrichtung sind mehrere Detektoreinheiten 50 zugeordnet, die Szintillatorkörper mit zugeordneten Photomeßfühlern zum Umwandeln von einfallendem Röntgenfluß in ein meßbares elektrisches Signal haben. Vorzugsweise sind die Detektoreinheiten so ausgebildet, daß sie diese Elemente für zwei benachbarte Zellen tragen. Gemäß Fig. 3 weist die Detektoreinheit 50 eine Platte 51 aus Wolfram oder anderem hochdichten Material zum Haltern von zwei Szintillatorstäben 55 auf, denen zwei Photomeßfühler 61, 62 einer Photomeßfühlerbaugruppe 60 zugeordnet sind. Gemäß Fig» 2 werden die Detektoreinheiten 50 in die Macor-Schlitze geschoben, wobei sie sich in der Position mit Platten 51a abwechseln, die den gleichen Aufbau wie die Platten 51 haben, aber keine Szintillatoren oder Photodioden tragen. Es werden so mehrere Detektorzellen zum Messen des darin empfangenen einfallenden Röntgenflusses gebildet, und zwar in Schritten, die durch den Abstand zwischen den Platten 51, 51a festgelegt sind.

Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung sind die Platten 51, 51a mit Taschen 54 versehen (vgl. Fig. 3), die so bemessen sind, daß sie den Szintillatorkörper aufnehmen und genau die Kante desselben vor einfallender Röntgenstrahlung abschirmen. Die Tasche 54 hat zwei Wände 54a, die einen gegenseitigen Abstand haben, der etwas größer ist als die Länge des Szintillatorkörpers,und eine Schutzwand 54b zum Abschirmen der Längskante 55a des Szintillatorkörpers vor einfallender Röntgenstrahlung. Wenn der Szintillatorkörper schräg ist oder kein vollkommen rechtwinkeliges Parallelepiped ist und seine Kante somit eine kleinere Abmessung als die mittlere Szintillatortiefe hat, schirmt die Schutzwand 54b diese Kante vor einfallender Röntgenstrahlung ab und verhindert einen energieabhängigen Durchschlag. Ebenso wird

§AD ORIGINAL

-73

die Kante 55b durch die Tasche in der Platte 51a geschützt, der sie zugeordnet ist, wenn sie in die Detektoranordrmng eingeführt ist. (Vorderhand sei angemerkt, daß die Sziniillatoren mit den Platten innerhalb der Taschen verklebt werden) .

Es sei angemerkt/ daß die Tiefe der Taschen unkritisch ist, solange die gewünschte Abschirmung des Szintillatorkörpers erreicht wird. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Grundplatte eine Dicke von etwa 0,20 mm (8 milli-inches},_ und jede der Taschen auf jeder Seite der Platte hat eine Tiefe von etwa 0/06 mm (2.5 milli-inches). Die Szintillator ren werden vorzugsweise innerhalb der Taschen der Platten 51 durch einen geeigneten Klebstoff befestigt. Der beschriebene Aufbau bewirkt, daß die Szintillatorkanten abgeschirmt werden und dabei die beträchtliche Verringerung des Quantenerfassungsgrades, die bei der Lösung auftritt, welche in der eingangs erwähnten US-PS 4 180 737 beschrieben ist, vermieden wird. -

Zum Maximieren des Lichtsammelwirkungsgrades innerhalb der Zelle werden die Taschen 54 der Wolframplatten 51, 51a, nachdem sie chemisch geätzt worden sind, an der Oberfläche ihrer beiden Stirnseiten 52, 53 mit einem hochreflektierenden Material überzogen. Gegenwärtig wird bevorzugt, eine dünne Schicht Silber oder Aluminium durch Aufdampfen oder Aufspritzen aufzutragen, woran anschließend ein geeigneter. Schutzüberzug aufgebracht wird, der beispielsweise aus Magnesiumfluorid, Siliciummonoxid, Siliciumchlorid od.dgl. besteht.

Es ist erwünscht, die lichtempfindliche Vorrichtung direkt hinter dem Szintillationskörper anzuordnen, weil der Lichtweg zu dem Szintillationskörper kurzer ist als in dem FaIl₄, in welchem die lichtempfindliche Vorrichtung woanders angeordnet ist, beispielsweise an den Längskanten des Szintillators/ wie in der eingangs erwähnten US-PS 4 187 427. Um

das zu erreichen, ist es notwendig, die lichtempfindliche Vorrichtung vor Röntgenstrahlung zu schützen. Die Taschenbefestigungsanordnung ist für den Schutz der Photodiode wichtig, weil sie jeden geradlinigen Weg für den Röntgenfluß bei dessen Bewegung von dem Detektorfenster durch den Szintillator zu der Diode beseitigt. Zweitens minimiert das Abschirmen der Szintillatorkante die,Gefahr eines Durchschlags, der eine weitere Quelle für die Dioden erreichenden Fluß ist. Schließlich werden Szintillatoren benutzt, die eine hohe Röntgenbremsleistung und eine ausreichende Dicke zum Bremsen von über 99% der Röntgenstrahlung haben. Geeignete Szintillatoren für diesen Zweck sind auf dem Computertomographie-Gebiet bekannt, und ein gegenwärtig benutztes Beispiel ist Cadmiumwolframat. Weiter sind zum Steigern des Lichtsammeiwirkungsgrades innerhalb der Zelle sämtliche Szintillatoroberflachen, mit Ausnahme der hinteren Oberfläche, die in die Richtung der lichtempfindlichen Vorrichtungen weist, so behandelt, daß sie nach innen reflektieren. In der bevorzugten Ausführungsform ist ein Spiegelreflektor, der einen Luftspalt aufweist, welcher größer ist als eine Lichtwellenlänge, gefolgt von einer hochreflektierenden metallischen Oberfläche, beispielsweise aus Silber oder Aluminium, das mit Magnesiumfluorid oder Siliciumoxid überzogen ist, an den Endteilen des Szintillators (die den Keramikabschnitten 30, 31 zugewandt sind) und auf den Seitenflächen des Szintillators (die den Kollimatorplatten zugewandt sind) angeordnet. In der Tat dienen die Keramikabschnitte (die mit der gewünschten metallischen Oberfläche bedeckt sind) und die Kollimatorplatten als die reflektierenden Oberflächen dieser Reflektoren. Die Stirnfläche des Szintillators, d.h. die Oberfläche, die dem Detektorfenster zugewandt ist, ist hochpoliert und kann einen reflektierenden Überzug tragen, der ein Spiegelreflektor sein kann, wie beispielsweise Silber, Aluminium, Gold, oder ein diffuser Reflektor, wie beispielsweise Magnesiumoxid, Titanoxid, Bariumoxid od.dgl. Der Reflektor kann entweder direkt aufgebracht werden oder auf feinem dünnen, röntgenstrahlungsdurchlässigen Teil befestigt

ve »·

32Λ72.04

werden, so daß ein Luftspalt vorhanden sein kann. Durch den Szintillator auf Röntgenstrahlung hin emittiertes Licht >'ird daher weitgehend zu den lichtempfindlichen Vorrichtungen geleitet.

Bei der praktischen Ausführung eines Aspekts der Erfindung sind die lichtempfindlichen Vorrichtungen denSzintillatoren 55 so zugeordnet, daß sich ein Baustein ergibt, der ein Paar Szintillatoren genau ausgerichtet auf ein zugeordnetes Paar Photomeßfühler hat. Gemäß Fig. 3 weist eine PIN-Photodiodenbaugruppe 60 zwei getrennte Dioden 61, 62 zum Umwandeln von durch den Szintillator emittiertem Licht in ein meßbares elektrisches Signal auf. Die aktiven Diodenabfühlflachen 67 bedecken im wesentlichen das gesamte Ende des zugeordneten Szintillators und haben einen gegenseitigen Abstand, der etwa gleich der Dicke der Kollimatorplatte ist. Das aktive Diodenelement ist mittels elektrisch leitenden Epoxidharzes iait einem Substrat 68 verbunden, das vorzugsweise ein KeramiJunaterial ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem der zugeordneten Wolframplatte 51 sehr nahe kommt. Die Diodenbaugruppe wird auf der Platte 51 mittels Schlitzen 63, 64 positioniert, die in dem Substrat 68 gebildet sind und Schenkel 65, 66 aufnehmen, welche in der Platte 51 gebildet sind, so daß eine Diode der Diodenbaugruppe genau in Deckung mit dem Szintillator 55 auf einer Seite der Platte 51 und gleichzeitig die zweite Diode der Diodenbaugruppe genau in Deckung mit dem Szintillator 55 auf der anderen Seite der Platte 51 ist. Aufgrund dieser Anordnung wandelt somit jede Diode nur das Licht, das durch ihren zugeordneten Szintillator auf den Empfang von Röntgenfluß hin erzeugt wird, in ein meßbares elektrisches Signal um.

Zum Steigern der übertragung von Licht von dem Szintillator zu der Diode ist die Oberfläche des Szintillators, die der Diode zugewandt ist, aufgerauht, beispielsweise durch Ätzen? und die Diode und ihr zugeordneter Szintillator können für

BAD ORIGINAL

eine optimale Lichtabgabe durch ein geeignetes Medium, wie beispielsweise ein optisches Fett, ein geeignetes flexibles Epoxidharz od.dgl., optisch gekoppelt sein,,

Vorzugsweise werden die Dioden photovoltaisch betrieben und der dadurch erzeugte Strom wird als ein Maß für den einfallenden Röntgenfluß abgefühlt..Zwei Anschlußdrähte 69 verbinden das aktive Diodenelement mit dem Leiter 69b einer gedruckten Schaltung/ der in das Substrat 68 zur Befestigung von Drähten eingebettet ist, um die Zelle mit der übrigen Computertomographie-Elektronik zu verbinden.

Es ist wichtig festzuhalten, daß es vorteilhaft ist, die Detektorzelle zu bilden, in der die Diodenbaugruppe auf der Kollimatorplatte genau angeordnet ist, wie oben beschrieben, und zwar aus mehreren Gründen. Erstens wird das Nebensprechen, das sonst zwischen Zellen auftreten könnte, insbesondere in Detektoren, bei denen die Dioden oberhalb der Kollimatorplatten und außerhalb der Zellen angeordnet sind, beträchtlich reduziert oder eliminiert werden. Weiter bildet jeder Detektor einen vollständigen Baustein, der unabhängig von anderen Einheiten getestet werden kann. Außerdem gibt es weniger Toleranzsummierung, da jeder Detektor von den anderen Detektoren, die in der Detektoranordnung benutzt werden, unabhängig ist. Noch ein weiterer Vorteil ist die genaue Zellenpositionierung, die erzielt wird, indem die Platte mit der oben erwähnten Präzisionsschlitzanordnung kompatibel gemacht wird.

Es ist bemerkenswert, daß jede Detektoreinheit in einer Vorrichtung vorauswählbar ist, um ihre Kenndaten nach der Herstellung und vor dem Einbau in eine Detektoranordnung zu bestimmen. Es ist demgemäß möglich, die Zellen nach guten und schlechten gemäß tatsächlich gemessenen Kenndaten zu klassifizieren und Zellen mit gleichen Kenndaten zum späteren be-

BAD ORIGINAL

nachbarten Einbau zusammenzufassen.

Die Möglichkeit, entweder die Zellen vorzusieben, um Kenndaten anzugleichen,oder die Zellen in einer Anordnung in Abhängigkeit von der Leistung der Anordnung auszutauschen, ist besonders wichtig, wenn bedacht wird, daß es erwünscht ist, daß jede Zelle wie ihre Nachbarn anspricht, daß aber einige Zellen für das rekonstruierte Bild wichtiger als andere sind. Die wichtigsten Zellen in der Gesamtanordnung sind diejenigen in der Mitte, da sie die Strahlen abfühlen, die durch den Mittelpunkt des Objektes hindurchgehen, und da die zentralen Bildelemente in dem rekonstruierten Bild wiederholte Beiträge in jeder Ansicht aus ihren zentralen Detektoren empfangen. Die am wenigsten wichtigen sind diejenigen an den Rändern der Anordnung, die Strahlen abfühlen, welche nur durch die Randteile des Körpers hindurchgehen. Es ist festgestellt worden, daß das Optimieren etwa der 50 mittleren Zellen in bezug auf die Linearität und die Leistungsfähigkeit am wichtigsten ist und daß die außerhalb davon gelegenen übrigen Zellen zwar auch wichtig sind, aber nicht dieselbe Aufmerksamkeit erfordern wie die mittleren 50 Zellen. Da die hier beschriebene und beanspruchte Einheitszelle es möglich macht, die Zellen nach genau angeglichenen Kenndaten vorzusieben (oder eine Anordnung aufzubauen, diese zu testen und dann die Zellen gegeneinander auszutauschen) ,- können somit die mittleren 50 Zellen im größt möglichen Ausmaß einander angeglichen werden, so daß sich noch genauere Bildrekonstruktionen ergeben.

Die Detektoreinheiten 50 und die zugeordneten Kollimatorplatten 51a können zwar auf verschiedenerlei Meise in der Detektoranordnung befestigt werden, beispielsweise durch eine Verklebung mittels Epoxidharz, wie es bei dem eingangs erwähnten Xenondetektor gemacht wird, oder durch verschiedene andere mechanische Mittel, es wird jedoch bevorzugt, die elastische Befestigungstechnik anzuwenden, die in einer wai-

BAD ORIGINAL

teren Patentanmeldung P 31 05 747 der Anmelderin beschrieben ist. Diese Anmeldung beschreibt einen Detektor, der die Funktion erfüllt, absorbierte Strahlung in dem vorderen Fenster zu minimieren und Nebensprechen an der Hinterkante der Platte zwischen den Zellen zu verhindern. Einen solchen vorderen Fenster sind elastische Vorrichtungen zugeordnet, die mehrere Platten gegen einen vorderen Anschlag drücken, um die Platten in ihrer Position fest, aber elastisch festzulegen.

Bevor die Einzelheiten der Befestigungsanordnung beschrieben werden, sei zuerst angemerkt, daß die Detektoreinheiten 50 und die Kollimatorplatten 51a von der Rückseite der Detektoranordnung her in ihre zugeordneten Macor-Schlitze geschoben werden. Die Kollimatorplatten 51a (d.h. diejenigen, die keine Szintillatoren oder Photodioden tragen) werden zuerst in abwechselnden Positionen in die Anordnung geschoben. Die Detektoreinheiten 50 werden dann in die dazwischen liegenden Schlitze eingeführt. Aufgrund der Tatsache, daß die Taschen 54 keine hinteren Wände haben, können die Detektoren unbehindert in Stellung gebracht werden, während gewährleistet ist, daß die Szintillatorkante 55b durch die Tasche der benachbarten Kollimatorplatte 51a abgedeckt wird..

Die Fig. 2 und 4 zeigen zwei vordere Anschlagteile 70, 71, die dem geschlitzten Teil der Endteile 21, 22 zugeordnet sind. Die Anschlagteile haben eine gekrümmte Form und können, um eine thermische Anpassung an den geschlitzten Träger zu erreichen, aus Titan oder rostfreiem Stahl des Typs 430 besrehen, wie die Grundplatten 32, 33. Vorzugsweise werden die Teile 70, 71 mit den Macor-Elementen 30, 31 verklebt, um eine gekrümmte Plattenbezugsposition für jede Platte in der Anordnung festzulegen.

Zum Abdichten der Anordnung gegen das Eindringen von äußerem Licht unter gleichzeitiger Minimierung der Absorption von

BAD ORIGINAL

Röntgenfluß ist das vordere Fenster 24 mittels eines Graphifefenstereleraents 73 verschlossen. Vorzugsweise besteht das Fenster aus einer nichtmetallischen Unterlage, die aus drei oder mehr als drei Schichten von Graphitfasern besteht, v?o~ bei die Schichten jeweils in ein Tuch eingewebt und durch Epoxidharz miteinander verbunden sind. Die Epoxidharzzusam-= mensetzung wird optimiert, um eine gute thermische Angleichung an die Wolfram- und die Macor-Elemente in der Zelle su erreichen. Vorzugsweise sind Dichtungsstreifen 74, 75 zwischen Rippen 76, 77 der Aluminiumendteile und dem Graphitfenster angeordnet. Die Rippen 76, 77 haben geeignete Oberflächen zum Befestigen von Bleiabschirmungen 78, 79, die das Fenster 24 begrenzen.

Gemäß der Beschreibung in der oben erwähnten weiteren Patentanmeldung wirken mit den oben beschriebenen Fensterelementen elastische Vorrichtungen zusammen, um mehrere Einheitszellen in das vordere Fenster zu drücken und sowohl eine genaue Position jeder Zelle zu erreichen als auch die gewünschte Lichtabdichtuig herzustellen. Zu diesem Zweck sind zwei elastische Verriegelungsteile 90, 91 vorgesehen, vorzugsweise aus Neoprenkautschuk mit einer Härte von etwa 50. Die Kautschukelemente haben vorzugsweise eine Länge in der Größenordnung von 25 oder 50 mm (1 oder 2 inches), so daß sie einer begrenzten Anzahl von Zellen zugeordnet sind. Jedes Element hat einen Hauptschenkel 92, der sich gegen die geschlitzten Macor-Elemete 30, 31 legt, und einen kleinen Schenkel 93, der sich gleichzeitig gegen eine Ecke der Platte 50 legt. Ein unelastisches Teil in Form einer Platte 95 mit derselben Länge wie die elastischen Halterungen 90, 91 ist an der hinteren inneren Oberfläche des Aluminiumgehäuses mittels Schrauben 96 befestigt, wodurch der Hauptschenkel 92 an der Macor-ünterlage anliegt und sich der kleine Schenkel 93 durch Berührung mit der Kante der Platte etwas verformt, so daß die Platte formschlüssig in die Plattenbezugsposition gedrückt und darin gehalten wird, wobei ihr vorderer Rand an den Anschlägen 70, 71 anliegt.

Bei der Herstellung (oder beim Austausch im Feld, falls erforderlich) gibt es keine kritischen Toleranzen, die vom Arbeiter beachtet werden müssen, wenn er Zellen einfügt oder gegeneinander austauscht. Insbesondere werden die kritischen Toleranzen durch eine Spannvorrichtung in der Fabrik erzielt, wenn die Diode, der Szintillator und weitere Elemente zusammengebaut werden. Wenn eine Platte einzuführen ist, braucht sie nur in ihren Schlitz geschoben und 4ⁿ ihrer Stellung arretiert zu werden. Wenn die bevorzugte elastische Befestigung benutzt wird, drückt diese die bewußte Platte und deren Nachbarn in die Bezugsposition und erzeugt gleichzeitig eine Lichtabdichtung. Wenn eine Zelle im Feld ausgewechselt werden soll, braucht der Servicetechniker nur die Platten 95 für die bewußte Zelle zu entfernen, die elastischen Befestigungen 90, 91 für die bewußte Zelle herauszunehmen, die beiden Drähte von der Anschlußplatte 69a für die bewußte Zelle abzulöten und dann die Zelle aus ihrer Halterung herauszuziehen. Eine neue Zelle wird eingesetzt, indem einfach der Vorgang umgekehrt wird, wobei der Servicetechniker auf keine kritischen Toleranzen zu achten braucht, da 3iese automatisch erzielt werden, wenn die Zelle in ihrer stellung wieder arretiert wird.

Die Vorteile, die mit der Erfindung erzielt werden, werden an Hand von Fig. 5 noch besser verständlich. Darin ist klar zu erkennen, daß zwei Arten von Kollimatorplatten 51, 51a abwechselnde Positionen in der Detektoranordnung einnehmen. Mit der Platte 51 sind zwei Szintillatoren 55 verklebt (das Klebematerial ist mit 100 bezeichnet). DiePlatten 51a, die Schlitze auf jeder Seite der Platte 51 einnehmen, dienen zum Festlegen der Zelle für die bewußten Szintillatoren sowie für die nächsten benachbarten Zellen (die mit unterbrochenen Linien teilweise dargestellt sind).

Die lichtempfindliche Baugruppe 60 (die in bezug auf die Detektoreinheit 51 durch Schlitze, welche die Schenkel der Kollimatorplatte erfassen, genau gehaltert ist) ist hinter

BAD

*«α λ * β a > C-

A ft 4· A · «t^Sr /»«Ο.»»·»« CUCft»«

den beiden Szintillatoren 55 angeordnet,so daß die aktiven Flächen 67 der Photodioden 61, 62 den Bereich des Szintillators überdecken und in dessen Nähe angeordnet sind, um aus ihm Licht zu empfangen. Das optische Fett oder ein anderes optisches Kopplungsmedium ist mit 101 bezeichnet.

Fig. 5 zeigt, daß die Schutzwände 54b Taschen 54 zum men genau der Kanten (oder Längskanten) des Szintillator? vor einfallendem Fluß dienen. Infolgedessen werden, wenn die Szintillatoren keine vollkommen rechtwinkeligen Parallelepipeds sind,Röntgenstrahlen daran gehindert, durch die Vorderkanten hindurchzugehen, wodurch die Erscheinung eines energieabhängigen Durchschlags verhindert wird, die sonst spektrale Nichtlinearitäten verursachen würde. Es ist wichtig anzumerken, daß das erreicht wird, ohne daß der Quantenerfassungswirkungsgrad der Zelle wesentlich verringert wird.

Insbesondere ist der Quantenerfassungswirkungsgrad proportional zu dem Verhältnis zwischen der Breite w der aktiven Zellen und dem Zellenabstand W. Wenn angenommen wird, daß W für alle Zellen gleich ist, die in der vorliegenden Anmeldung, in der weiteren Patentanmeldung und in der eingangs erwähnten US-PS 4 180 737 beschrieben sind, so werden folgende Ergebnisse erzielt. Bei Verwendung des Aufbaus nach der Erfindung steht die volle Zellenbreite w für den Empfang von Röntgenstrahlung zur Verfügung, wodurch der Quantenerfassungswirkungsgrad proportional zu w/W gemacht wird. Wenn der in der weiteren Patentanmeldung gezeigte Aufbau verwendet wird und wenn angenommen wird, daß der Zellenabstand W dergleiche wie in der vorliegenden Anmeldung bleibt, so ist die Zellenbreite etwas kleiner als w, und zwar wegen des mechanischen Spiels, das zwischen dem auf einer Platte gehalterten Szintillator und der benachbarten Platte für den Zusammenbau erforderlich ist. Demgemäß ist der Quantenerfassungs-* wirkungsgrad bei diesem Aufbau kleiner als bei dem hier beschriebenen Aufbau; darüber hinaus sind keine Maßnahmen ge-

BAD ORIGINAL

• *

troffen, um einen energieabhängigen Durchschlag zu verhindern.

Durch den in der vorerwähnten US-PS 4 180 737 beschriebenen Aufbau wird zwar ein energieabhängiger Durchschlag verhindert, das wird jedoch auf Kostendes Quantenerfassungswirkungsgrads erreicht. Wenn angenommen wird, daß der Zellenabstand W der gleiche wie in der vorliegenden Anmeldung bleibt, ist die Detektorbreite wesentlich kleiner als w, und zwar wegen der Verdickungsteile am Eingang jeder Zelle. Gemäß dieser US-Patentschrift wird zwar ein energieabhängiger Durchschlag verhindert, der Quantenerfassungswirkungsgrad ist jedoch viel kleiner als im Falle der vorliegenden Anmeldung.

Weitere Vorteile werden durch den hier beschrieben Aufbau erzielt. In Fig. 5 ist zu erkennen, daß es keinen Weg in direkter Linie für einen Fluß von dem Detektorfenster zu der Diode gibt, und zwar wegen der Abschirmung der Szintillatorkanten 55a, 55b durch die zugeordneten Taschenschutzwände 54b. Fluß, der die Diodenkenndaten oder das durch die Zelle erzeugte Signal verschlechtern könnte, wird somit daran gehindert, direkt auf die Photodioden zu fallen. Es ist außerdem zu erkennen, daß das Klebematerial 100 vor direktem Fluß abgeschirmt ist, der sonst bewirken könnte, daß es schwach und spröde wird.

Vorstehend ist also eine verbesserte Festkörperdetektorzelle beschrieben worden, mit der das Ziel erreicht wird, einen energieabhängigen Durchschlag zu verhindern und gleichzeitig einen guten Quantenerfassungswirkungsgrad aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Detektorelemente vor Röntgenfluß abzuschirmen, die sonst durch diesen verschlechtert werden könnten.

BAD ORIGINAL

Claims

• · β ·
β ft · β » « » Dr. Horst Schüler • « Λ 9 O ο 3247204 6000 Frankfurt/Main 1 (0611) 235555 « * · Q
«ο α PATENTANWALT Kaiserstrasse 41 04-16759 maps* ο • · » EUROPEAN PATENTATTORNEY » 4 * α Tetefon mainpatent frankturt Telex (0611) 251615 Telegramm (CClTT Gruppe 2 urd 3) Telekopierer 225/0389 Deutsche Bank AG 282420-602 Frankfurt/M, Bankkonto Postscheckkonto

Ihr Zeichen/Your ref. :

Unser Zeichen/Our ref.: 9035-1 5CT-2040

Datum/Date : 20. Dezember 1982

Me/Vo/Vl

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Ansprüche :

M Γ) Szintillationsdetektor für einen Röntgenabtaster, gekennzeichnet durch einen Szintillator (55) , durch eine Kolliaiatorplatte (51), in der in wenigstens einer Fläche eine schmale Tasche (54) gebildet ist, die so bemessen ist, daß sie den Szintillator (55) aufnimmt, und die eine Schutzwand (54b) hat, die die Längskante (55a) des Szintillators abschirmt, um Röntgenstrahlung am Auftreffen auf diese Längs kante oder am Umgehen des Szintillators zu hindern.

2. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzwand (54b) die Längskante (55a) in ausreichendem Maß zum Minimieren eines energieabhängigen Durchschlags an der Längskante abschirmt und dadurch die spektrale Linearität des Detektors verbessert.
3. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch lichtempfindliche Vorrichtungen (61, 62), die zwei einander gegenüberliegende Schlitze (63, 64) haben, während die Kollimatorplatte (51) zwei einander gegenüber-

BAD ORIGINAL

· · t, t

liegende Schenkel ( 65, 66) hat, die von ihr vorstehen und so bemessen sind, daß sie in den Schlitzen aufnehmbar sind, um die lichtempfindlichen Vorrichtungen (61, 62) in Deckung mit dem Szintillator (55) zu halten.
4. Szintillationsdetektor für einen Röntgenabtaster, gekennzeichnet durch eine Kollimatorplatte (51), die einen Szintillator (55) auf jeder Seite trägt, durch einen Photo— meßfühler (60), der ein Substrat (68) und eine erste und eine zweite aktive Fläche (67) hat, die auf dem Substrat angebracht sind und einen gegenseitigen Abstand haben, der etwa gleich der Dicke der Kollimatorplatte (51) ist, und eine rechteckige Form, die etwa gleich der der Szintillatorstirnflache ist, wobei die Kollimatorplatte zwei einander gegenüberliegende Schenkel (65, 66) und das Substrat zwei einander gegenüberliegende Schlitze (63, 64) hat, die so bemessen sind, daß sie die Schenkel aufnehmen können, um die aktiven Flächen (67) genau in Deckung mit dem zugeordneten Szintillator (55) zu halten.
5. Szintillationsdetektor für einen Computertomographie-Abtaster, gekennzeichnet durch zwei Szintillatoren (55) , durch eine Kollimatorplatte (51), in der in jeder Fläche eine Tasche (54) gebildet ist, welche so bemessen sind, daß sie einen Szintillator aufnehmen können,und welche eine Schutzwand (54b) zum Abschirmen der Längskante (55a, 55b) des Szintillators haben, wobei einer der Szintillatoren in jeder Tasche so befestigt ist, daß dessen Längskante abgeschirmt ist, um Röntgenstrahlung daran zu hindern, auf die Längskanten aufzutreffen oder den Szintillator zu umgehen, durch einen Photomeßfühler (60), der ein Substrat (68) und eine erste und eine zweite aktive Diodenfläche (67) hat, die auf dem Substrat angebracht sind und einen gegenseitigen Abstand haben, der etwa gleich der Dicke der Kolliroatorplatte (51) ist, und eine rechteckige Form, die etwa gleich der der Szintillatorstirnflache ist, wobei die Kollimatorplatte zwei einander gegenüberliegende Schenkel (65, 66) und das

Substrat (68) zwei einander gegenüberliegende Schlitze (63, 64) hat, die so bemessen sind, daß sie die gegenseitigen Abstand aufweisenden Schenkel aufnehmen können, um die aktiven Flächen (67) jeweils genau in Deckung mit ihrem zugeordneten Szintillator (55) zu halten.
6. Szintillationsdetektoranordnung für einen Computer toipographie-Abtaster, gekennzeichnet durch zwei entgegengesetzte Detektorendteile (21, 22), die mehrere Schlitze (26) habsn, welche so ausgerichtet sind, daß sie einen Strahlungsfächer auffangen, durch mehrere Szintillatoren (55) , durch mehrere erste und zweite Kollimatorplatten (51, 51a), in denen Taschen (54) in jeder Seite gebildet sind, die so bemessen sind, daß sie einen Szintillator (55) aufnehmen können, und die eine Schutzwand (54b) zum Abschirmen der Längskante (-55a, 55b) eines aufgenommenen Szintillators haben, durch eine ELnrichtung (100) zum Befestigen der Szintillatoren in den Taschen der ersten Kollimatorplatten, so daß die Schutzwände die zugeordneten Szintillatorlängskanten abschirmen, wobei die ersten und die zweiten Kollimatorplatten (51 , 51a) in einander gegenüberliegende Schlitze in den Endteilen (21, 22) in abwechselnder Anordnung eingepaßt sind, um mehrere Zellen zu bilden, in denen eine Kante jedes Szintillators durch die Schutzwand (54b) einer ersten zugeordneten Kollimatorplatte und die andere Längskante jedes Szintillators durch die Schutzwand der zweiten zugeordneten Kollimatorplatte, die der ersten Kollimatorplatte benachbart ist, abgeschirmt ist.
7. Szintillationsdetektoranordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mehrere Photomeßfühler (61, 62), die jeweils ein Substrat (68) sowie eine erste und eine zweite aktive Fläche (67) haben, die auf dem Substrat angeordnet sind, um zwei benachbarten Szintillatoren (55) zugeordnet zu werden, die in den Taschen (54) der ersten Kollimatorplatten befestigt sind, wobei die ersten Kollimatorplatten zwei einander gegenüberliegende Schenkel (65", 66) zum Abstützen eines Photo-

BAD ORIGiNAL

meßfühlers haben und wobei das Substrat Paßvorrichtungen (63/ 64) hat/ die mit den einander gegenüberliegenden Schenkeln der ersten Kollimatorplatte zusammenpassen/ so daß jede aktive Fläche (67) der Photomeßfühlerbaugruppe (60) genau in Deckung mit ihrem zugeordneten Szintillator (55) gehalten wird.
8. Szintillationsdetektoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßvorrichtungen aus zwei Schlitzen (63/ 64) an dem einen bzw. anderen Ende des Substrats (68) bestehen, die so bemessen sind, daß sie die Schenkel (65, 66) an einer Kollimatorplatte (51) aufnehmen können, um jede aktive Fläche der Photomeßfühler (61, 62) genau in Deckung mit ihrem zugeordneten Szintillator (55) zu halten.