DE102012207996B4 - X-ray detector and method for the detection of X-rays - Google Patents
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Abstract
Röntgendetektor (2) umfassend eine erste Detektorschicht (10) und eine zweite Detektorschicht (16),- wobei die erste Detektorschicht (10) als Multi-Pixel-Detektorschicht (10) und nach Art einer Lochmaske ausgebildet ist, bei der in regelmäßiger Abfolge Sensor-Pixel (18,S) sowie röntgenstrahlungsdurchlässige Transparent-Pixel (20) angeordnet sind,- wobei die zweite Detektorschicht (16), welche in Schichtabfolgerichtung (12) mit einem Abstand a zur ersten Detektorschicht (10) angeordnet ist, als Multi-Pixel-Detektorschicht (16) aus Sensor-Pixeln (18,U,G) ausgebildet ist,- wobei die Sensor-Pixel (18,S) der ersten Detektorschicht (10) und die Transparent-Pixel (20) dieselbe Pixelbreite p aufweisen und- wobei jedes Sensor-Pixel (18,S) der ersten Detektorschicht (10) in Schichtabfolgerichtung (12) gesehen deckungsgleich mit einem Sensor-Pixel G (18) der zweiten Detektorschicht (16) angeordnet ist.X-ray detector (2) comprising a first detector layer (10) and a second detector layer (16), - wherein the first detector layer (10) is designed as a multi-pixel detector layer (10) and in the manner of a shadow mask, with the sensor in regular succession -Pixels (18, S) and X-ray-permeable transparent pixels (20) are arranged, - the second detector layer (16), which is arranged in the layer sequence direction (12) at a distance a from the first detector layer (10), as a multi-pixel - the detector layer (16) is formed from sensor pixels (18, U, G), - the sensor pixels (18, S) of the first detector layer (10) and the transparent pixels (20) having the same pixel width p and wherein each sensor pixel (18, S) of the first detector layer (10), viewed in the layer sequence direction (12), is arranged congruently with a sensor pixel G (18) of the second detector layer (16).
Description
Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor mit einer ersten Detektorschicht und einer zweiten Detektorschicht und sie betrifft ein Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung.The invention relates to an X-ray detector with a first detector layer and a second detector layer and it relates to a method for detecting X-rays.
Bei bildgebenden Verfahren mittels Röntgenstrahlung wird in der Regel der Umstand ausgenutzt, dass die Intensität von Röntgenstrahlung beim Durchdringen eines Untersuchungsobjektes einerseits in Abhängigkeit des materiellen Aufbaus des Untersuchungsobjektes und andererseits in Abhängigkeit der Länge der Wegstrecke durch das Untersuchungsobjekt aufgrund von Absorption abnimmt. Diese Absorption und insbesondere die Ortsabhängigkeit der Absorption wird typischerweise mittels eines Multi-Pixel-Röntgendetektors messtechnisch erfasst.In imaging methods using X-rays, the fact that the intensity of X-rays when penetrating an examination object decreases on the one hand depending on the material structure of the examination object and on the other hand depending on the length of the path through the examination object due to absorption is used. This absorption and, in particular, the location dependency of the absorption is typically detected by measurement using a multi-pixel X-ray detector.
Zur Anpassung an verschiedene Anwendungsszenarien sind dabei diverse Gestaltungsvarianten für Multi-Pixel-Röntgendetektoren beispielsweise aus der
Die bei der Wechselwirkung mit Materie ebenfalls auftretende Streuung von Röntgenstrahlung bedingt bei bildgebenden Verfahren typischerweise eine signifikante Reduzierung der Qualität der generierbaren Bilder. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Einfluss der gestreuten Röntgenstrahlung auf ein solches bildgebendes Verfahren zu verringern.The scattering of X-rays, which also occurs when interacting with matter, typically causes a significant reduction in the quality of the images that can be generated in imaging methods. For this reason, it is desirable to reduce the influence of the scattered X-ray radiation on such an imaging method.
Bekannt ist der Einsatz sogenannter Kollimatoren oder Streustrahlraster, mit deren Hilfe ein Großteil der gestreuten Strahlung nach dem Durchdringen des Untersuchungsobjektes und vor einer möglichen messtechnischen Erfassung absorbiert und somit aus dem Strahlungsfeld herausgefiltert wird. Nachteilig hierbei ist einerseits, dass solche Kollimatoren oder Streustrahlraster einen mitunter großen Raumbedarf aufweisen, und andererseits dass auch ein Anteil der ungestreuten Röntgenstrahlung absorbiert wird und somit für eine messtechnische Erfassung nicht mehr zur Verfügung steht.The use of so-called collimators or anti-scatter grids is known, with the help of which a large part of the scattered radiation is absorbed after penetrating the examination object and before a possible metrological detection and thus filtered out of the radiation field. The disadvantage here is, on the one hand, that such collimators or anti-scatter grids sometimes require a large amount of space, and on the other hand, that a portion of the unscattered X-ray radiation is also absorbed and is therefore no longer available for metrological detection.
Ein anderer Lösungsansatz sieht vor, die messtechnische Erfassung der Röntgenstrahlung mittels Detektor in so großer Entfernung zum Untersuchungsobjekt vorzunehmen („air gap“), dass ein Hauptanteil der gestreuten Röntgenstrahlung aufgrund der gegenüber der ungestreuten Röntgenstrahlung abweichenden gerichteten Ausbreitung am Detektor vorbei geht. In vielen Fällen lässt sich der Abstand zwischen dem Detektor und dem Untersuchungsobjekt jedoch nicht ohne weiteres beliebig wählen.Another approach provides for the measurement of the X-ray radiation by means of a detector at such a great distance from the examination object ("air gap") that a major part of the scattered X-ray radiation passes the detector due to the directional propagation that differs from the unscattered X-ray radiation. In many cases, however, the distance between the detector and the object to be examined cannot simply be chosen arbitrarily.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Röntgendetektor und ein verbessertes Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung anzugeben.Based on this, the invention is based on the object of specifying an improved X-ray detector and an improved method for detecting X-rays.
Die Aufgabe bezüglich des Röntgendetektors wird erfindungsgemäß durch einen Röntgendetektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.The object with regard to the X-ray detector is achieved according to the invention by an X-ray detector with the features of claim 1. The claims referring back contain partly advantageous and partly inventive developments of this invention.
Der Röntgendetektor umfasst zumindest eine erste Detektorschicht und eine zweite Detektorschicht, wobei die erste Detektorschicht als Multi-Pixel-Detektorschicht und nach Art einer Lochmaske ausgebildet ist, bei der in regelmäßiger Abfolge Sensor-Pixel sowie röntgenstrahlungsdurchlässige Transparent-Pixel angeordnet sind, und wobei die zweite Detektorschicht, welche in Schichtabfolgerichtung mit einem Abstand a zur ersten Detektorschicht angeordnet ist, als Multi-Pixel-Detektorschicht aus Sensor-Pixeln ausgebildet ist. In Folge dessen lässt sich der Röntgendetektor für ein bildgebendes Verfahren der eingangs genannten Art nutzen, wobei der negative und dementsprechend unerwünschte Einfluss der gestreuten Röntgenstrahlung auf die Qualität der generierbaren Bilder deutlich reduziert ist.The X-ray detector comprises at least a first detector layer and a second detector layer, the first detector layer being designed as a multi-pixel detector layer and in the manner of a perforated mask in which sensor pixels and X-ray-permeable transparent pixels are arranged in a regular sequence, and the second Detector layer, which is arranged in the layer sequence direction at a distance a from the first detector layer, is designed as a multi-pixel detector layer from sensor pixels. As a result, the X-ray detector can be used for an imaging method of the type mentioned at the beginning, the negative and accordingly undesirable influence of the scattered X-ray radiation on the quality of the images that can be generated being significantly reduced.
Für eine einfachere Darlegung der Grundidee der Erfindung, des Funktionsprinzips des Röntgendetektors und der Vorteile einzelner Ausgestaltungsvarianten wird der nachfolgenden weiteren Beschreibung eine vereinfachte Betrachtungsweise zugrunde gelegt, bei der die Ausbreitung der Röntgenstrahlung durch geometrische Optik beschrieben wird und bei der davon ausgegangen wird, dass Röntgenstrahlung aufgrund einer vorgesehenen und vorgegebenen Anordnung einer Röntgenstrahlungsquelle und des Röntgendetektors relativ zueinander im Lot und damit parallel zur Schichtabfolgerichtung auf den Röntgendetektor auftrifft, sofern diese beim Durchqueren eines zu untersuchenden Testobjektes nicht gestreut wird, und bei der gestreute Röntgenstrahlung unter einem von 90° abweichenden Winkel α mit auf den Röntgendetektor
Der Röntgendetektor ist also insbesondere für einen Messaufbau oder eine Untersuchungsvorrichtung, wie zum Beispiel einen Computertomographen, vorgesehen, mit deren Hilfe Objekte untersucht werden können. Dazu ist der Röntgendetektor derart relativ zu einer Röntgenstrahlungsquelle angeordnet, dass die von der Röntgenstrahlungsquelle emittierte Röntgenstrahlung, zumindest sofern sich zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Röntgendetektor keinerlei Hindernis befindet, im Lot auf die erste Detektorschicht des Röntgendetektors auftrifft. Für eine Untersuchung mittels bildgebendem Verfahren wird dann das zu untersuchende Objekt zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Röntgendetektor positioniert, wobei die durch das Objekt transmittierte Röntgenstrahlung einen gestreuten und einen ungestreuten Anteil aufweist.The X-ray detector is therefore provided in particular for a measurement setup or an examination device, such as a computer tomograph, with the aid of which objects can be examined. For this purpose, the X-ray detector is arranged relative to an X-ray source in such a way that the X-rays emitted by the X-ray source, at least if there is no obstacle between the X-ray source and the X-ray detector, strikes the first detector layer of the X-ray detector perpendicularly. For an examination using an imaging method, the object to be examined is then positioned between the x-ray source and the x-ray detector, the x-ray radiation transmitted through the object having a scattered and an unscattered component.
Der ungestreute Anteil der Röntgenstrahlung fällt dabei im Lot auf die erste Detektorschicht des Röntgendetektors, während die gestreute Röntgenstrahlung unter dem Winkel α auf die erste Detektorschicht auftrifft. Aufgrund der Anordnung von Sensor-Pixeln
Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Röntgendetektor in der zweiten Detektorschicht eine regelmäßig Anordnung oder Matrix von Sensor-Pixeln
Da überdies die erste Detektorschicht aus Sensor-Pixeln
Welche Messsignale welcher Sensor-Pixeln im Rahmen einer Auswertung tatsächlich genutzt werden, hängt dann vom jeweiligen Anwendungsfall ab, wobei bevorzugt dem Nutzer des Röntgendetektors die Entscheidung überlassen wird, welche Messsignale für eine Auswertung herangezogen werden und dementsprechend weist der Röntgendetektor bevorzugt eine geeignet eingerichtete Auslese- und Verarbeitungseinheit auf, bei der der Nutzer entweder vor einem Messvorgang oder nach Abschluss des Messvorgangs wählen kann, welche Messsignale welcher Sensor-Pixel zum Beispiel mittels eines Softwareprogramms ausgewertet werden.Which measurement signals of which sensor pixels are actually used in the context of an evaluation then depends on the respective application, whereby the user of the X-ray detector is preferably left to decide which measurement signals are used for an evaluation and accordingly the X-ray detector preferably has a suitably configured readout and processing unit, in which the user can choose either before a measurement process or after completion of the measurement process which measurement signals of which sensor pixels are to be evaluated, for example by means of a software program.
Desweiteren weisen die Sensor-Pixel
Zweckmäßig ist zudem eine Ausgestaltung des Röntgendetektors, bei der die Sensor-Pixel der ersten und der zweiten Detektorschicht (
Außerdem ist der Röntgendetektor derart ausgestaltet, dass jedes Sensor-Pixel
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, das Verhältnis von Pixelbreite p und Abstand a zwischen den Detektorschichten derart zu wählen, dass ein Hauptanteil der gestreuten Röntgenstrahlung, der die erste Detektorschicht passiert, auf Sensor-Pixel
Von Vorteil ist außerdem eine Ausgestaltung des Röntgendetektors, bei der eine gemeinsame Halbleiterträgerschicht für die beiden Detektorschichten den Abstand a zwischen den Detektorschichten vorgibt und bei der zumindest eine Funktionseinheit eines jeden Sensor-Pixels sowohl der ersten als auch der zweiten Detektorschicht in diese Halbleiterträgerschicht eingearbeitet ist. Sind die Sensor-Pixel also beispielsweise jeweils aus einem Szintillator, einer nachgeschalteten Fotodiode und einer sich daran anschließenden Ausleseelektronik aufgebaut, so sind die Fotodioden sowie die Ausleseelektronik in die Halbleiterschicht integriert und das dazugehörige Szintillatorvolumen liegt an der Halbleiterträgerschicht an. Die erste Detektorschicht ist dann beispielsweise auf der Oberseite der Halbleiterträgerschicht positioniert und die zweite Detektorschicht ist quasi mit spiegelverkehrtem Aufbau an der Unterseite der Halbleiterträgerschicht positioniert, so dass die Abfolge der Funktionseinheiten des Röntgendetektors in Schichtabfolgerichtung durch die Abfolge Szintillatorvolumen-Fotodiode-Ausleseelektronik-Halbleiterträgerschicht zur Vorgabe des Abstandes zwischen den Detektorschichten-Ausleseelektronik-Fotodiode-Szintillatorvolumen gegeben ist. Im Falle von Sensor-Pixeln nach dem Prinzip eines Direkt-Wandlers, ist es gemäß einer bevorzugten Ausstaltungsvariante vorgesehen, die Szintillatorkörper durch Körper aus direktwandelndem Material zu ersetzen. Die in die Halbleiterschicht integrierten Fotodioden werden dann durch ladungssammelnde Elektroden ersetzt. Als Halbleiterträgerschicht ist zum Beispiel eine Siliziumschicht vorgesehen und die Funktionseinheiten lassen sich in der verbreiteten CMOS-Technologie fertigen. Bei speziellen Anwendungen ist auch eine Kombination beider Detektorprinzipien (z.B.: Direkt-Wandler für die erste Detektorschicht und Szintillatoren + Photodioden für die zweite Detektorschicht) vorgesehen.An embodiment of the X-ray detector is also advantageous in which a common semiconductor carrier layer for the two detector layers specifies the distance a between the detector layers and in which at least one functional unit of each sensor pixel of both the first and the second detector layer is incorporated into this semiconductor carrier layer. If, for example, the sensor pixels are each made up of a scintillator, a downstream photodiode and an adjoining readout electronics, then the photodiodes and the readout electronics are integrated into the semiconductor layer and the associated scintillator volume lies against the semiconductor carrier layer. The first detector layer is then positioned, for example, on the upper side of the semiconductor carrier layer and the second detector layer is positioned quasi with a mirror-inverted structure on the underside of the semiconductor carrier layer, so that the sequence of the functional units of the X-ray detector in the layer sequence direction by the sequence scintillator volume-photodiode-read electronics-semiconductor carrier layer is the default the distance between the detector layers-readout electronics-photodiode-scintillator volume is given. In the case of sensor pixels based on the principle of a direct converter, a preferred embodiment variant provides for the scintillator bodies to be replaced by bodies made of direct converting material. The photodiodes integrated in the semiconductor layer are then replaced by charge-collecting electrodes. A silicon layer, for example, is provided as the semiconductor carrier layer and the functional units can be manufactured using the common CMOS technology. For special applications, a combination of both detector principles (e.g. direct converters for the first detector layer and scintillators + photodiodes for the second detector layer) is provided.
Vorteilhaft ist weiter eine Variante des Röntgendetektors, bei der Abstand a nicht konstruktiv fest vorgegeben wird sondern mit Hilfe einer Verstellvorrichtung variierbar ist und somit von einen Bediener oder Nutzer eingestellt wird. Auf diese Weise lässt sich der Detektor an verschiedene zu erwartende Winkel α anpassen. Eine Einstellung kann dabei zum Beispiel im Rahmen eines Justagevorgangs erfolgen oder es kann für jeden Messvorgang eine eigene Einstellung vorgenommen werden.A variant of the X-ray detector is also advantageous in which the distance a is not fixed structurally, but can be varied with the aid of an adjusting device and is thus set by an operator or user. In this way, the detector can be adapted to different angles α to be expected. A setting can be made, for example, as part of an adjustment process, or a separate setting can be made for each measurement process.
In vorteilhafter Weiterbildung weist der Röntgendetektor zudem eine Steuerungseinheit auf, die derart eingerichtet ist, dass der Abstand a in einem Betriebsmodus während eines Messvorgangs automatisch entweder in Stufen oder kontinuierlich in einem Wertebereich variiert wird. Wie zuvor beschrieben ist in der Regel von einer winkelabhängigen Intensitätsverteilung der gestreute Röntgenstrahlung auszugehen. Mittels der automatischen Verstellung des Abstandes a lässt sich dann ein Wertebereich für den Winkel α im Rahmen eines Messvorgangs abfahren und die winkelabhängige Intensitätsverteilung erfassen. Ein derart gestalteter Röntgendetektor ist insbesondere für Einsätze vorgesehen, bei denen keine Strahlungsdosis-Limits zu berücksichtigen sind, also beispielsweise bei Materialuntersuchungen.In an advantageous development, the x-ray detector also has a control unit which is set up such that the distance a is automatically varied in an operating mode during a measurement process either in steps or continuously in a value range. As described above, an angle-dependent intensity distribution of the scattered X-ray radiation can generally be assumed. By means of the automatic adjustment of the distance a, a range of values for the angle α can then be covered in the course of a measurement process and the angle-dependent intensity distribution can be recorded. An X-ray detector designed in this way is Intended in particular for applications in which no radiation dose limits need to be taken into account, e.g. for material examinations.
Bevorzugt wird zudem eine Ausgestaltung des Röntgendetektors mit einer Auslese- und Verarbeitungseinheit, wobei die Auslese- und Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass die Messsignale der Sensor-Pixel
Zweckdienlich ist überdies eine Ausführung des Röntgendetektors mit einer Auslese- und Verarbeitungseinheit, bei der die Auslese- und Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass wahlweise in einem ersten Betriebsmodus ausschließlich die Messsignale der Sensor-Pixel
Zweckmäßig ist des Weiteren eine Ausgestaltung des Röntgendetektors mit einer Auslese- und Verarbeitungseinheit, wobei die Auslese- und Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass die Messsignale von Sensor-Pixeln der ersten und der zweiten Detektorschicht ausgewertet werden. Die Einbeziehung der Messsignale der Sensor-Pixel
Weiter bevorzugt ist eine Variante des Röntgendetektors mit einer Auslese- und Verarbeitungseinheit, bei der die Auslese- und Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass in einem dritten Betriebsmodus die Messsignale der Sensor-Pixel
Die gestellte Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.The object set with regard to the method is achieved according to the invention by a method having the features of
Das Verfahren dient zur Detektion von Röntgenstrahlung, welche von einer Röntgenstrahlungsquelle erzeugt wurde und nachfolgend ein zu untersuchendes Objekt durchdrungen hat. Dabei kommt ein Röntgendetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche zum Einsatz, wobei der Röntgendetektor derart relativ zur Röntgenstrahlungsquelle angeordnet wird, dass die von der Röntgenstrahlungsquelle emittierte Röntgenstrahlung in guter Näherung im Lot auf die erste Detektorschicht auftrifft, zumindest sofern sich zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Röntgendetektor keinerlei Hindernis befindet. Mittels einer lochmaskenartigen Barriere für die Röntgenstrahlung wird diese nach dem Prinzip der geometrischen Optik in einen gestreuten Anteil und einen ungestreuten Anteil aufgespalten. Schließlich wird mittels einer ersten regelmäßigen Anordnung von Sensor-Pixeln
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in einer perspektivischen Ansicht eine Messvorrichtung mit einem Röntgendetektor, -
2 jeweils in einer Draufsicht zwei Detektorschichten des Röntgendetektors, -
3 in einer Schnittdarstellung den Röntgendetektor, -
4 in einer zweiten Schnittdarstellung den Röntgendetektor, -
5 in einer dritten Schnittdarstellung den Röntgendetektor und -
6 in einer vierten Schnittdarstellung den Röntgendetektor.
-
1 in a perspective view a measuring device with an X-ray detector, -
2 two detector layers of the X-ray detector in a top view, -
3 the X-ray detector in a sectional view, -
4th in a second sectional view the X-ray detector, -
5 in a third sectional view the X-ray detector and -
6 in a fourth sectional illustration the X-ray detector.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in each of the figures.
Der nachfolgend exemplarisch beschriebene Röntgendetektor
Dazu sind nach an sich bekannter Art und Weise eine Röntgenstrahlungsquelle
Der Röntgendetektor
Während die zweite Detektorschicht
Das Funktionsprinzip des Röntgendetektors
Die andere Hälfte der Intensität passiert die erste Detektorschicht
Mit Hilfe einer Auslese- und Auswerteeinheit
Im Rahmen eines Messvorgangs, also im Rahmen einer Untersuchung eines Testobjektes
Werden nur die Messsignale der Matrix
Bei einer Auswertung der Messsignale der Matrix
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Messsignale der Matrizen
Zusätzlich wird dem Bediener die Option angeboten, mittels der Messsignale der Matrix
Für einen möglichst geringen Aufwand bei der Herstellung eines entsprechenden Röntgendetektors
Alternativ ist ein Röntgendetektor
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