DE102011003246B4

DE102011003246B4 - Verfahren zum Detektieren von Strahlung und zugehörige Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102011003246B4
Application number: DE102011003246A
Authority: DE
Inventors: Reiner Franz Schulz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: WO2012100998A2; DE102011003246A1; WO2012100998A3

Abstract

Verfahren zur Detektion von Strahlung (3), insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers (2),
– bei welchem ein elektrischer Injektionsstrom (I_IN) in den Absorptionskörper (2) injiziert wird,
– bei welchem ein Strommaß (M_SUM) für den insgesamt durch den Absorptionskörper (2) fließenden Strom (I_SUM) erfasst wird,
– bei welchem das Strommaß (M_SUM) durch Einstellung des Injektionsstroms (I_IN) auf einen vorgegebenen Sollwert (M₀) geregelt wird, und
– bei welchem aus der Pegeländerung des Injektionsstromes (I_IN) oder einer damit korrelierenden Messgröße ein Detektionsmaß (M_D) für die auf den Absorptionskörper (2) fallende Strahlungsmenge bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Sensoreinheit mit einem solchen direkt-wandelnden Absorptionskörper und einer Steuereinheit zur Ansteuerung desselben.
Zur Erfassung von Röntgenstrahlung sind unter anderem sogenannte „direkt-wandelnde” Sensoren bekannt. Diese umfassen einen in der Regel aus einem Halbleitermaterial gebildeten Absorptionskörper, durch welchen die einfallende Strahlung unmittelbar in einen strahlungs-generierten elektrischen Strom gewandelt wird. Im Unterschied hierzu wandeln sogenannte „indirekt-wandelnde” Sensoren hochenergetische elektromagnetische Strahlung (insbesondere Röntgenstrahlung und Gamma-Strahlung) oder Teilchenstrahlung zunächst in niederenergetische elektromagnetische Strahlung (sichtbares Licht, IR- oder UV-Strahlung) um, wobei diese niederenergetische Strahlung dann erst in einem zweiten Schritt in einen elektrischen Strom umgewandelt wird.
Der Absorptionskörper eines direkt-wandelnden Röntgensensors besteht üblicherweise aus Halbleitermaterialien wie beispielsweise amorphem Selen oder Cadmium-Tellurid. In der Praxis zeigen solche Halbleiter-Direktwandler Effekte, die für einen guten Strahlungsdetektor abträglich sind, wie etwa Schwankungen in der Empfindlichkeit oder ein langsames Signalabklingen. Die Ursache hierfür sind unerwünschte energetische Zustände innerhalb der Halbleiterbandlücke des Absorptionskörpers, die beispielsweise von Verunreinigungen und Defekten der verwendeten Halbleitermaterialien verursacht werden.
Die Erzeugung von Ladungsträgern durch äußere Strahlung bewirkt im Halbleitermaterial physikalisch eine Verschiebung von sogenannten Quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und „Löchern” (d. h. positiven Ladungsträgern, die durch unbesetzte elektronische Zustände gebildet werden). Bei einer Verschiebung der Quasi-Fermi-Niveaus werden die unerwünschten Zustände innerhalb der Bandlücke geladen bzw. entladen. Diese unterschiedlichen Ladungszustände beeinflussen die Empfindlichkeit des Direktwandlers, beispielsweise durch Ladungsträger-Rekombination, und/oder das zeitliche Signalverhalten, etwa durch „Zwischenspeichern” von Ladungen in den unerwünschten Zuständen und erzeugen somit die vorstehend erwähnten Nachteile.
Um diesen Effekten entgegenzuwirken, wird meist ein hoher Aufwand betrieben, um die für Strahlungssensoren verwendeten Halbleitermaterialien mit möglichst geringer Defektdichte und möglichst hohem Reinheitsrad herzustellen. In alternativen Herstellungsverfahren wird versucht, durch spezielle Dotierung die ungewollten Zustände zu kompensieren, so dass diese nicht mehr elektrisch aktiv sind. Beide Ansätze zur Herstellung und Produktion der Halbleitermaterialien für direktwandelnde Absorptionskörper sind oft sehr kosten- und zeitintensiv.
Die Patentschriften US 3 385 981 A , US 4 572 945 A , US 6 180 945 B1 und US 4 757 202 A offenbaren eine Sensoreinheit zur Bestimmung von Strahlung mittels eines direkt wandelnden Absorptionskörpers. Dabei wird ein elektrischer Injektionsstrom in den Absorptionskörper injiziert und ein Strommaß für den fließenden Gesamtstrom erfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Strahlung mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers anzugeben, das mit vergleichsweise geringem Aufwand eine präzise und effektive Strahlungsdetektion ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise unaufwändig herstellbare, aber dennoch effektiv und präzise arbeitende Sensoreinheit zum Detektieren von Strahlung anzugeben. Insbesondere soll durch die Erfindung ermöglicht werden, unaufwändig herstellbare Halbleitermaterialien mit einer vergleichsweise hohen Dichte an unkompensierten Defekten für einen direktwandelnden Absorptionskörper verwenden zu können, ohne die damit üblicherweise verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Sensoreinheit wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Verfahrensgemäß werden im Betrieb einer direktwandelnden Sensoreinheit ein elektrischer Injektionsstrom in deren Absorptionskörper injiziert und ein Strommaß für den insgesamt durch den Absorptionskörper fließenden Strom erfasst. Erkanntermaßen setzt sich der insgesamt durch den Absorptionskörper fließende Strom additiv zusammen aus dem Injektionsstrom und dem durch einfallende Strahlung im Absorptionskörper generierten Strom. Der insgesamt durch den Absorptionskörper fließende Strom ist deshalb nachfolgend auch als „Summenstrom” bezeichnet. Bei dem verfahrensgemäß erhobenen „Strommaß” (nachfolgend auch als „Summenstrommaß” bezeichnet) handelt es sich es allgemein um eine beliebig definierbare Größe, aus der die Stärke des Summenstroms bestimmbar ist. Vorzugsweise ist das (Summen-)Strommaß durch eine zu der Stärke des Summenstroms proportionale Spannung gegeben. Dieses Strommaß wird verfahrensgemäß durch Einstellung des Injektionsstroms auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt. Der Injektionsstrom wird also im Betrieb des Absorptionskörpers stets derart eingestellt, dass das Strommaß dem Sollwert bestmöglich entspricht.
Aus der Pegeländerung des Injektionsstroms wird hierbei ein Detektionsmaß für die auf den Absorptionskörper fallende Strahlungsmenge bestimmt. Der Begriff „Detektionsmaß” bezeichnet dabei wiederum allgemein eine beliebig definierbare Größe, aus der die auf den Absorptionskörper fallende Strahlungsmenge bestimmbar ist. Der Begriff „Strahlungsmenge” steht hierbei generisch für die Gesamtenergie pro Zeiteinheit oder die Intensität der auf den Absorptionskörper fallenden Strahlung oder alternativ für die Anzahl der pro Zeiteinheit einfallenden Strahlungsquanten.
Der mit der Erfindung erzielte Effekt besteht darin, dass durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Injektionsstroms der durch den Absorptionskörper fließende Summenstrom – der ohne den Injektionsstrom in Abhängigkeit der Bestrahlungsintensität naturgemäß fluktuieren würde – konstant gehalten wird. Hierdurch wird auch die Lage der Quasi-Fermi-Niveaus, selbst unter wechselnden Bestrahlungsverhältnissen, stets konstant gehalten. Dadurch wiederum werden ein Umladen der unerwünschten energetischen Zustände in der Bandlücke des Absorptionskörpers und die damit verbundenen, eingangs erwähnten, Nachteile vermieden.
Da der durch den Absorptionskörper fließende Strom nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt konstant gehalten wird, kann dieser Strom – anders als bei herkömmlichen Sensoreinheiten – nicht mehr unmittelbar zur Ermittlung der auf den Absorptionskörper fallenden Strahlungsmenge herangezogen werden. Erkanntermaßen lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die einfallende Strahlungsmenge aber aus der Stärke des Injektionsstroms bestimmen, zumal dieser ja gerade derart geregelt wird, dass er den strahlungs-generierten Strom ausgleicht, und somit der Fluktuation des strahlungs-generierten Stroms gegenläufig folgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird durch das Detektionsmaß die Strahlungsmenge integrierend bestimmt. Es wird also – ohne Berücksichtigung der einzelnen Quantenabsorptionen – die Gesamtenergie der pro Zeiteinheit einfallenden Strahlung oder eine hiermit korrelierende Größe bestimmt. Bei geringer Strahlungsintensität und hinreichend schneller Signalverarbeitung können im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens aber alternativ auch einzelne Strahlungsquanten gezählt werden.
Der Injektionsstrom kann als analoge, und somit zeitlich kontinuierlich fluktuierende Größe erzeugt werden. In einer besonders zweckmäßigen digitalen Ausführungsform wird der Injektionsstrom aber diskontinuierlich als Folge von zeitlich diskreten Strompulsen erzeugt. Die effektive (d. h. zeitlich über eine Puls-Pausen-Sequenz gemittelte) Stärke des Injektionsstroms wird dabei zweckmäßigerweise über die Frequenz der Strompulse eingestellt. Das Detektionsmaß wird in diesem Fall vorzugsweise durch Zählung der (pro Zeiteinheit erzeugten) Strompulse des Injektionsstroms oder durch Zählung der Pulse eines damit korrelierenden Pulssignals bestimmt.
In einer einfach realisierbaren, gleichzeitig aber besonders präzisen Ausführungsform werden die Strompulse derart erzeugt, dass durch jeden Strompuls im Wesentlichen die gleiche Ladungsmenge in den Absorptionskörper injiziert wird. Insbesondere werden die Strompulse dabei gleichförmig, d. h. im Rahmen der erreichbaren Präzision mit stets gleicher Amplitude und Dauer erzeugt.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst gemäß Anspruch 5 einen Absorptionskörper der vorstehend beschriebenen Art sowie eine damit gekoppelte oder koppelbare Steuereinheit zur Ansteuerung des Absorptionskörpers sowie zur Signalauswertung. Die Steuereinheit ist hierbei programm- und/oder schaltungstechnisch zur automatischen Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens in einer seiner Ausführungsformen eingerichtet.
Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen elektrischen Injektionsstrom in den Absorptionskörper zu injizieren, ein Strommaß für den insgesamt durch den Absorptionskörper fließenden (Summen-)Strom zu erfassen, das Strommaß durch Einstellung des Injektionsstroms auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln, und aus der Pegeländerung des Injektionsstroms ein Detektionsmaß für die auf den Absorptionskörper fallende Strahlungsmenge zu bestimmen.
In einer geeigneten Weiterführung ist die Steuereinheit als Halbleiterelement ausgebildet, das unmittelbar mit dem Absorptionskörper verbunden ist. In einer kompakten und für eine Massenfertigung besonders geeigneten Ausführungsvariante sind der Absorptionskörper und die Steuereinheit in einer einstückigen Baueinheit integriert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Injektionsschicht in der Steuereinheit integriert, die an den Absorptionskörper angrenzt, und über die der Injektionsstrom in den Absorptionskörper injizierbar ist. Zur Durchführung des Verfahrens trägt die Steuereinheit zweckmäßigerweise – analoge oder digitale – elektronische Schaltkreise.
Der Absorptionskörper ist vorzugsweise der Steuereinheit – in Strahlungseinfallrichtung gesehen – vorgelagert, so dass die Steuereinheit von dem Absorptionskörper gegenüber der einfallenden Strahlung abgeschattet und somit geschützt wird. Der Absorptionskörper ist hierbei zweckmäßigerweise – je nach der Art und Eindringtiefe der zu detektierenden Strahlung – dick genug ausgebildet, dass es nicht zu einer strahlungsbedingten Beeinflussung und/oder Schädigung der Steuereinheit, beispielsweise durch Ionisationseffekte, kommt.
Optional kann die Steuereinheit zusätzlich oder alternativ durch Verwendung „strahlungsharter” Materialien, z. B. Sillziumoxid anstatt der üblichen Halbleiter-Wafer geschützt sein. Zusätzlich können im Rahmen der Steuereinheit auch bipolare integrierte Schaltkreise eingesetzt werden, die sowohl Elektronen als auch Löcher im Betrieb verwenden. Solche bipolaren Schaltkreise zeigen erfahrungsgemäß eine höhere Strahlungstoleranz als gewöhnliche CMOS-Schaltungen.
Die Steuereinheit umfasst in einer zweckmäßigen und einfach realisierbaren Ausführungsvariante einen Substrahierer, der eingangsseitig das (Summen-)Strommaß und der Sollwert in Form von elektrischen Spannungen zugeführt sind, und der ausgangsseitig ein Spannungssignal (nachfolgend auch Differenzsignal) ausgibt, dessen Betrag proportional zu der Abweichung des Strommaßes von dem Sollwert ist. Das Strommaß ist hierbei beispielsweise durch die Spannung gegeben, die über einem in den Summenstrompfad geschalteten Shunt-Widerstand abfällt. Der Substrahierer ist beispielsweise einen Differenzverstärker gebildet.
Aus diesem Differenzsignal wird das Detektionsmaß abgeleitet. Im einfachsten Fall wird dabei das Differenzsignal unmodifiziert als Detektionsmaß herangezogen. Optional kann das Differenzsignal aber zur Bildung des Detektionsmaßes auch zeitlich gemittelt bzw. geglättet, verstärkt, invertiert und/oder auf andere Weise modifiziert werden. Das Differenzsignal wird außerdem zur Einstellung des Injektionsstroms an den Absorptionskörper bzw. die an diesen gegebenenfalls angrenzende Injektionsschicht der Steuereinheit, zurückgekoppelt.
In einfacher Gestaltung der Erfindung kann das Detektionsmaß als analoges, d. h. kontinuierlich veränderliches Signal erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das analoge Differenzsignal des Substrahierers abweichend einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler zugeführt, der das analoge Differenzsignal in ein gepulstes Spannungssignal (nachfolgend „Pulssignal”) umwandelt. Dieses Pulssignal wird zum Einen unmittelbar oder mittelbar zur Erzeugung eines ebenso gepulsten Injektionsstroms an den Absorptionskörper bzw. die Injektionsschicht zurückgeleitet. Zum Anderen wird aus diesem Pulssignal vorzugsweise wiederum das für die einfallende Strahlungsmenge charakteristische Detektionsmaß abgeleitet.
In geeigneter Ausführung ist der Analog-Digital-Wandler durch einen Spannungs-Frequenz-Konverter (engl. VCO – Voltage-Controlled Oscillator) gebildet. Dabei handelt es sich um einen elektrischen Schwingungserzeuger, dessen Frequenz durch die Größe einer angelegten Spannung verändert wird. Das von diesem Spannungs-Frequenz-Konverter ausgegebene Pulssignal hat eine in Abhängigkeit des Differenzsignals variierende Frequenz und erzeugt einen mit gleicher Frequenz gepulsten Injektionsstrom.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante der Sensoreinheit wird das Detektionsmaß vorzugsweise durch Zählung der Strompulse des Injektionsstroms oder – äquivalentermaßen – durch Zählung der Pulse des von dem Analog-Digital-Wandler ausgegebenen Pulssignals pro Zeiteinheit erfasst. Die Pulszählung erfolgt zweckmäßigerweise durch einen – vorzugsweise dem Analog-Digital-Wandler nachgeschalteten (Strom- bzw. -Spannungs-)Pulszähler.
Für eine besonders präzise Regelung des Injektionsstroms ist dem Analog-Digital-Wandler eine Treiberschaltung nachgeschaltet, die das von dem Analog-Digital-Wandler ausgegebene Pulssignal vor der Rückführung an den Absorptionskörper bzw. die Injektionsschicht derart umformt, dass mit jedem Strompuls des aufgrund dieses Pulssignals erzeugten Injektionsstroms im Wesentlichen, insbesondere im Rahmen der erreichbaren Präzision möglichst exakt, die gleiche Ladungsmenge in den Absorptionskörper injiziert wird. Die effektive Stärke des Injektionsstroms wird hierdurch proportional zu der Frequenz des Pulssignals eingestellt.
In einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird durch eine signaltechnische Kopplung einer Vielzahl von Sensoreinheiten der vorstehend beschriebenen Art ein ortsauflösender Strahlungsdetektor gebildet. Hierbei werden die Signale jeder einzelnen Sensoreinheit durch gemeinsame Steuer- und Auswerteelemente verarbeitet und geregelt. Die einzelnen Sensoreinheiten sind hierbei beispielsweise in einer matrixförmigen Anordnung räumlich verteilt. In einer bevorzugten Ausbildung sind die Absorptionskörper der einzelnen Sensoreinheiten einstückig miteinander ausgeführt. Die Sensoreinheiten des Strahlungsdetektors teilen sich mit anderen Worten einen gemeinsamen, einstückigen Absorptionskörper, der sich über die gesamte Detektionsfläche erstreckt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren und die zugehörige Sensoreinheit bzw. der damit ausgerüstete Strahlungsdetektor sind vorgesehen und geeignet zur Detektion von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung) sowie von Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung). Ferner können das Verfahren und die zugehörige Sensoreinheit aber auch zur Messung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Spektralbereich herangezogen werden.
Der Anwendungsbereich, d. h. die Einsetzbarkeit der Sensoreinheit für eine bestimmte Strahlungsart, wird dabei hauptsächlich durch die Materialzusammensetzung und den Aufbau des Absorptionskörpers vorgegeben und kann so entsprechend an die zu detektierende Strahlungsart angepasst werden. Für die Detektion von Röntgen- und Gammastrahlung ist der Absorptionskörper beispielsweise aus Cadmium-Tellurid, Cadmium-Zink-Tellurid oder Blei-Jodid hergestellt. Ein vorteilhaftes Halbleitermaterial für die Steuerschaltung ist insbesondere Silizium, so dass Schaltungselemente der Steuereinheit in integrierter Form, z. B. als CMOS-Schaltungen ausgeführt werden können.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematisch vereinfachter Querschnitts-Darstellung eine Sensoreinheit zum Detektieren von Strahlung, mit einem Absorptionskörper und einer als Halbleiterelement ausgebildeten Steuereinheit,
2 in einem Bändermodell-Diagramm die elektronische Zustandsbesetzung in dem Absorptionskörper im thermischen Gleichgewicht,
3 in einem Bändermodell-Diagramm gemäß 2A die Zustandsbesetzung in dem Absorptionskörper bei einer Störung des Gleichgewichts durch einfallende Strahlung,
4 in zwei übereinander angeordneten synchronen Diagrammen den zeitlichen Verlauf eines strahlungsgenerierten Stroms sowie des Injektionsstroms in dem Absorptionskörper bei analoger Steuerung des Injektionsstroms,
5 in einem schematischen Blockschaltbild eine für die analoge Steuerung des Injektionsstroms ausgebildete Variante der Sensoreinheit gemäß 1,
6 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Injektionsstroms bei digitaler (d. h. gepulster) Steuerung des Injektionsstroms,
7 in einem schematischen Blockschaltbild eine für die digitale Steuerung des Injektionsstroms ausgebildete Variante der Steuereinheit, und
8 in schematischer Querschnitts-Darstellung einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor, der durch mehrere Sensoreinheiten der vorstehend beschriebenen Art gebildet wird.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt stark vereinfacht den Aufbau und die Funktionsweise einer Sensoreinheit 1 mit einem direkt-wandelnden Absorptionskörper 2 zur Detektion einer Strahlung 3. Bei der zu detektierenden Strahlung 3 handelt es sich beispielsweise um Röntgenstrahlung. Der Absorptionskörper 2 besteht aus einem Halbleitermaterial, das bestimmungsgemäß die zu detektierende Strahlung 3 absorbiert. Durch die bei der Absorption eines Strahlungsquants deponierte Energie wird ein Atom des Absorptionskörpers 2 ionisiert, wobei ein energiereiches Foto-Elektron 4 und ein ionisierter Atomrumpf 5 erzeugt werden. Das Fotoelektron 4 gibt entlang seiner Bahn 6 innerhalb des Absorptionskörpers 2 Energie durch Wechselwirkungsprozesse ab und erzeugt so Elektron-Loch-Paare 7.
Die Sensoreinheit 1 umfasst zusätzlich zu dem Absorptionskörper 2 ein weiteres Halbleiterelement, das unmittelbar mit dem Absorptionskörper 2 verbunden und bevorzugt einstückig mit diesem ausgebildet ist. In diesem weiteren Halbleiterelement ist eine integrierte elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Absorptionskörpers 2 und zur Bestimmung der in dem Absorptionskörper 2 deponierten Strahlungsenergie ausgebildet. Das weitere Halbleiterelement ist daher nachfolgend als Steuereinheit 8 bezeichnet.
Durch die Steuereinheit 8 können insbesondere zusätzliche Ladungsträger, beispielsweise Elektronen 9, in den Absorptionskörper 2 injiziert werden.
In den 2 und 3 werden in einer Bändermodell-Darstellung die elektro-physikalischen Eigenschaften des Absorptionskörpers 2 näher erläutert. In beiden Figuren sind die beiden leitungstechnisch relevanten elektronischen (Energie-)Bänder des Absorptionskörpers 2, nämlich das sogenannte Valenzband 10 und das sogenannte Leitungsband 11 dargestellt.
Als (Energie-)Band wird hierbei – gemäß der Nomenklatur der Halbleiter-Physik – ein Kontinuum delokalisierter elektronischer (Energie-)Zustände des Halbeitermaterials des Absorptionskörpers 2 bezeichnet. In der Bändermodell-Darstellung gemäß 2 und 3 sind die Bänder konventionsgemäß nach Maßgabe einer (nicht explizit dargestellten) senkrechten Energieachse angeordnet. Das höher dargestellte Leitungsband 11 besteht somit aus Zuständen höherer Energie als das darunter abgebildete Valenzband 10.
2 zeigt zunächst die Situation der elektronischen Zustände im thermischen Gleichgewicht des Absorptionskörpers 2. Dieser Zustand ist dann gegeben, wenn keine Strahlung 3 auf den Absorptionskörper 2 fällt und somit auch keine strahlungs-generierten Ladungsträger (insbesondere das Fotoelektron 4 und die Elektron-Loch-Paare 7) existieren, und wenn auch keine Elektronen 9 von der Steuereinheit 8 in den Absorptionskörper 2 injiziert werden.
Das Valenzband 10 und das Leitungsband 11 des Absorptionskörpers 2 sind – halbleitertypisch – durch eine energetische Bandlücke 12 getrennt. In dieser Bandlücke 12 befinden sich allerdings einzelne elektronische Zustände 13, die lokal durch Defekte der Gitterstruktur des Halbleitermaterials oder durch Verunreinigungen verursacht werden und die selbst nicht zu (Energie-)Bändern verschmelzen. Im thermischen Gleichgewicht sind die Zustände 13 – wie aus 2A ersichtlich – bis zu dem sogenannten Fermi-Niveau 14 aufgefüllt, d. h. mit Elektronen „geladen”.
3 zeigt die Situation bei einer Störung des thermischen Gleichgewichts durch Strahlungseinfall. Durch die Strahlung 3 werden die Elektronen 15 der erzeugten Elektron-Loch-Paare 7 energetisch in das Leitungsband 11 gehoben, während die ionisierten Atomrümpfe als Löcher 16 im Valenzband 10 angereichert werden. Hierdurch spaltet sich das Fermi-Niveau 14 auf in ein den Elektronen 15 zugeordnetes Quasi-Fermi-Niveau 17 sowie in ein den Löchern 16 zugeordnetes Quasi-Fermi-Niveau 18. In diesem angeregten Zustand sind die Zustände 13 innerhalb der Bandlücke 12 bis zum Quasi-Fermi-Niveau 17 mit Elektronen 15 geladen.
Variiert die Intensität der einfallenden Strahlung 3, so verschieben sich die Quasi-Fermi-Niveaus 17 und 18. Mit der Verschiebung der Quasi-Fermi-Niveaus 17 und 18 werden die in dem betroffenen Energiebereich liegenden Zustände 13 geladen oder entladen.
Um die damit verbundenen Nachteile, wie etwa Einflüsse auf die Sensorempfindlichkeit oder das zeitliche Signalverhalten, zu vermeiden, werden durch die Steuereinheit 8 Elektronen 9 stets in dem Maße in den Absorptionskörper injiziert, dass die Quasi-Fermi-Niveaus 17 und 18 auf einem konstantem Wert gehalten werden.
Die Steuereinheit 8 erzeugt dabei – wie in 4 und 5 beispielhaft dargestellt – durch die Injektion der Elektronen 9 einen Injektionsstrom I_IN in einer Injektionsschicht 22 der Steuereinheit 8, so dass dieser Injektionsstrom I_IN den Fluss der strahlungs-generierten Elektronen 15 und Löcher 16 (nachfolgend als strahlungs-generierter Strom I_RAD bezeichnet) gerade kompensiert. Der durch den Absorptionskörper 2 fließende Summenstrom I_SUM, der sich aus der Summe der Ströme I_RAD und I_IN ergibt, ist aufgrund dieser Einstellung des Injektionsstroms I_IN stets konstant.
In 5 ist erste Ausführungsvariante der Sensoreinheit 1 in größerem Detail dargestellt, bei der die Steuereinheit 8 eine analoge elektronische Schaltung 24 enthält. Als Kernbestandteil dieser Schaltung 24 enthält die Steuereinheit 8 einen Substrahierer, beispielsweise in Form eines Differenzverstärkers 25. Dem Differenzverstärker 25 sind eingangsseitig einerseits ein (Summen-)Strommaß M_SUM für die Stärke des Summenstroms I_SUM und andererseits ein Sollwert M₀ zugeführt. Als (Summen-)Strommaß M_SUM ist dem Differenzverstärker 25 eine stromproportionale Spannung zugeführt, die über einem in dem Pfad des Summenstroms I_SUM geschalteten Shunt-Widerstand (nicht explizit dargestellt) abgegriffen wird. Als Sollwert M₀ ist dem Differenzverstärker 25 eine geeignet gewählte konstante Referenzspannung zugeführt.
Ausgangsseitig gibt der Differenzverstärker 25 ein Differenzsignal S_D aus, das proportional zu der Abweichung des Strommaßes M_SUM von dem Sollwert M₀ ist. Dieses Differenzsignal S_D wird als Rückkopplungssignal S_R über einen Rückkopplungszweig 28 an die Injektionsschicht 22 zurückgegeben und steuert die Stärke des Injektionsstrom I_IN. Insbesondere ist die Stärke des Injektionsstroms I_IN stets proportional zu dem Betrag des Rückkopplungssignals S_R (bzw. Differenzsignals S_D).
Das Differenzsignal S_D wird zudem als analoges (Detektions-)Maß M_D für die Intensität der einfallenden Strahlung 3 abgegriffen. Das Detektionsmaß M_D gibt die Intensität der einfallenden Strahlung 3 dabei invers wieder. Ebenso wie der Injektionsstrom I_IN hat also auch das Detektionsmaß M_D einen mit wachsender Intensität der einfallenden Strahlung 3 abnehmenden Wert.
Anhand der 6 und 7 wird nachfolgend eine zweite Ausführungsvariante der Sensoreinheit 1 erläutert, bei der der Injektionsstrom I_IN digital durch eine zeitliche Folge von Strompulsen 30 gleicher Form, d. h. gleicher Amplitude und Dauer (siehe 6) erzeugt wird. Die effektive Stärke des Injektionsstroms I_IN, d. h. die Stärke des Injektionsstroms I_IN im Zeitmittel, wird dabei über die Frequenz eingestellt, mit der die Strompulse 30 aufeinander folgen. 6 zeigt lediglich zur Verdeutlichung ein Fallbeispiel, bei dem die Strompulse 30 während einer ersten Zeitspanne 31 mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1:1 erzeugt werden, während die Strompulse 30 während einer folgenden Zeitspanne 32 – in Antwort auf eine Erhöhung des strahlungs-generierten Stroms I_RAD – mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1:3 erzeugt werden. Mit anderen Worten wird die Frequenz der Strompulse 30 zu Beginn der Zeitspanne 32 halbiert. Entsprechend nimmt die effektive Stärke des Injektionsstroms I_IN zu Beginn der zweiten Zeitspanne 32 auf die Hälfte ihres ursprünglichen Werts ab. Die Stärke des Summenstroms I_SUM bleibt dagegen infolge des angewachsenen strahlungs-generierten Stroms I_RAD konstant.
Gemäß 7 enthält die Steuereinheit 8 zur Erzeugung des gepulsten Injektionsstroms I_IN zusätzlich zu dem Differenzverstärker 25 einen Analog-Digital-Wandler in Form eines Spannungs-Frequenz-Konverters 36, eine Treiberschaltung 37 und einen (Spannungs-)Pulszähler 38.
Das analoge Differenzsignal S_D des Differenzverstärkers 25 wird hierbei zunächst dem Spannungs-Frequenz-Konverter 36 zugeführt, der ein Pulssignal S_P mit einer zum Wert des Differenzsignals S_D proportionalen Frequenz erzeugt. Dieses Pulssignal S_P wird einerseits der Treiberschaltung 37 zugeführt, die die Pulse des Pulssignals S_P hinsichtlich Amplitude, Dauer und Flankensteigung in gleicher Weise formt. Das solchermaßen normierte Pulssignal S_PN wird von der Treiberschaltung 37 wiederum als Rückkopplungssignal S_R über den Rückkopplungszweig 28 an die Injektionsschicht 22 zurückgeführt und erzeugt dort die Strompulse 30 des Injektionsstroms I_IN. Das Rückkopplungssignal S_R (beziehungsweise normierte Pulssignal S_PN) wird dabei durch die Treiberschaltung 37 insbesondere derart geformt, dass mit jedem Strompuls 30 des Injektionsstroms I_IN möglichst exakt die gleiche Ladungsmenge von der Injektionsschicht 22 in den Absorptionskörper 2 injiziert wird.
Das Pulssignal S_P wird andererseits an den Eingang des (Spannungs-)Pulszählers 38 angelegt. Dieser zählt die Anzahl der Pulse des Pulssignals S_P, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eintreffen. Die so bestimmte Zahl wird von dem Pulszähler 38 als digitales Detektionsmaß M_D ausgegeben.
8 zeigt in einem schematisch vereinfachten Querschnitt einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor 40, der durch mehrere, matrixförmig angeordnete Sensoreinheiten 1 gebildet wird. Die Sensoreinheiten 1 können hierbei nach einer beliebigen vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante gestaltet sein.
Die Absorptionskörper 2 der einzelnen Sensoreinheiten 1 sind einstückig miteinander ausgeführt, so dass sich ein allen Sensoreinheiten 1 gemeinsamer Absorptionskörper 2 über die gesamte Detektorfläche erstreckt. Die Steuereinheiten 8 der einzelnen Sensoreinheiten 1 sind dagegen für jede Sensoreinheit 1 separat und räumlich getrennt ausgeführt. Jede Sensoreinheit 1 umfasst somit insbesondere eine separate Injektionsschicht 22 und eine separate Schaltung 24 zur Ansteuerung des Absorptionskörpers 2 sowie zur Signalverarbeitung. Die einzelnen Sensorelemente 1 sind durch gemeinsame Steuerungselemente 42 und Datenübertragungsmittel 43 signaltechnisch gekoppelt.
Zusammenfassend wird ein präzises und effektives, gleichzeitig aber mit einfachen Mitteln realisierbares Verfahren zur Detektion von Strahlung 3, insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers 2 angegeben. Verfahrensgemäß werden ein elektrischer Injektionsstrom I_IN in den Absorptionskörper 2 injiziert, und ein Strommaß M_SUM für den insgesamt durch den Absorptionskörper 2 fließenden Strom I_SUM erfasst. Das Strommaß M_SUM wird dabei durch Einstellung des Injektionsstroms I_IN auf einen vorgegebenen Sollwert M₀ geregelt. Aus der Pegeländerung des Injektionsstromes I_IN oder einer damit korrelierenden Messgröße wird ein Detektionsmaß M_D für die auf den Absorptionskörper 2 fallende Strahlungsmenge bestimmt. Eine zugehörige Sensoreinheit 1 umfasst einen Absorptionskörper 2 der vorstehend beschriebenen Art sowie eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Steuereinheit 8.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Sensoreinheit
2: Absorptionskörper
3: Strahlung
4: Fotoelektron
5: Atomrumpf
6: Bahn
7: Elektron-Loch-Paar
8: Steuereinheit
9: Elektron
10: Valenzband
11: Leitungsband
12: Bandlücke
13: Zustand
14: Fermi-Niveau
15: Elektron
16: Loch
17: Quasi-Fermi-Niveau
18: Quasi-Fermi-Niveau
22: Injektionsschicht
24: Schaltung
25: Differenzverstärker
28: Rückkopplungszweig
30: Strompuls
31: Zeitspanne
32: Zeitspanne
36: Spannungs-Frequenz-Konverter
37: Treiberschaltung
38: (Spannungs-)Pulszähler
40: Strahlungsdetektor
42: Steuerungselemente
43: Signalübertragungsmittel
I_IN: Injektionsstrom
I_RAD: (strahlungs-generierter) Strom
I_SUM: (Summen-)Strom
M₀: Sollwert
M_D: Detektionsmaß
M_SUM: (Summen-)Strommaß
S_D: Differenzsignal
S_P: Pulssignal
S_PN: (normiertes) Pulssignal
S_R: Rückkopplungssignal

Claims

Verfahren zur Detektion von Strahlung (3), insbesondere Röntgenstrahlung, mittels eines direkt-wandelnden Absorptionskörpers (2), – bei welchem ein elektrischer Injektionsstrom (I_IN) in den Absorptionskörper (2) injiziert wird, – bei welchem ein Strommaß (M_SUM) für den insgesamt durch den Absorptionskörper (2) fließenden Strom (I_SUM) erfasst wird, – bei welchem das Strommaß (M_SUM) durch Einstellung des Injektionsstroms (I_IN) auf einen vorgegebenen Sollwert (M₀) geregelt wird, und – bei welchem aus der Pegeländerung des Injektionsstromes (I_IN) oder einer damit korrelierenden Messgröße ein Detektionsmaß (M_D) für die auf den Absorptionskörper (2) fallende Strahlungsmenge bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Injektionsstrom (I_IN) diskontinuierlich als Folge von zeitlich diskreten Strompulsen (30) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Strompulse (30) derart erzeugt werden, dass durch jeden Strompuls (30) im Wesentlichen die gleiche Ladungsmenge in den Absorptionskörper (2) injiziert wird, und bei welchem die Stärke des Injektionsstroms (I_IN) über die Frequenz der Strompulse (30) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Detektionsmaß (M_D) durch Zählung der Strompulse (30) oder einer damit korrelierenden Messgröße ermittelt wird.
Sensoreinheit (1) zum Detektieren von Strahlung (3), insbesondere Röntgenstrahlung, mit einem Absorptionskörper (2) zur unmittelbaren Wandlung einer darauf einfallenden Strahlung (3) in einen strahlungs-generierten elektrischen Strom (I_RAD) und einer mit dem Absorptionskörper (2) gekoppelten oder koppelbaren Steuereinheit (8), wobei die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, – einen elektrischen Injektionsstrom (I_IN) in den Absorptionskörper (2) zu injizieren, – ein Strommaß (M_SUM) für den insgesamt durch den Absorptionskörper (2) fließenden Strom (I_SUM) zu erfassen, – das Strommaß (M_SUM) durch Einstellung des Injektionsstroms (I_IN) auf einen vorgegebenen Sollwert (M₀) zu regeln, und – aus der Pegeländerung des Injektionsstromes (29) oder einer damit korrelierenden Messgröße ein Detektionsmaß (30) für die auf den Absorptionskörper (2) fallende Strahlungsmenge zu bestimmen.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (8) als Halbleiterelement ausgeführt und unmittelbar, insbesondere einstückig, mit dem Absorptionskörper (2) verbunden ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (8) eine Injektionsschicht (22) umfasst, über welche der Injektionsstrom (I_IN) in den Absorptionskörper (2) injizierbar ist.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuereinheit (8) einen Substrahierer (25) umfasst, der das Strommaß (M_SUM) mit dem Sollwert (M₀) vergleicht, und ein zu der Abweichung des Strommaßes (M_SUM) von dem Sollwert (M₀) proportionales Differenzsignal (S_D) ausgibt.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, das Detektionsmaß (M_D) als analoges Signal aus dem Differenzsignal (S_D) zu bilden.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, den Injektionsstrom (I_IN) diskontinuierlich als Folge von zeitlich diskreten Strompulsen (30) zu erzeugen.
Sensoreinheit (1) nach den Ansprüchen 8 und 10, wobei die Steuereinheit (8) zur Erzeugung der Strompulse (30) einen dem Substrahierer (25) nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler (36) umfasst, der ausgangsseitig unmittelbar oder mittelbar mit dem Absorptionskörper (2) verschaltet ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuereinheit (8) zur Ermittlung des Detektionsmaßes (M_D) einen Pulszähler (38) umfasst, der die Strompulse (30) des Injektionsstroms (I_IN) oder Pulse eines damit korrelierenden Pulssignals zählt.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuereinheit (8) eine dem Analog-Digital-Wandler (36) nachgeschaltete Treiberschaltung (37) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein von dem Analog-Digital-Wandler (36) ausgegebenes Pulssignal (S_P) derart zu formen, dass durch jeden Strompuls (30) des unter Wirkung des von der Treiberschaltung (37) geformten Pulssignals (S_PN) erzeugten Injektionsstroms (I_IN) im Wesentlichen die gleiche Ladungsmenge in den Absorptionskörper (2) injiziert wird.
Ortsauflösender Strahlungsdetektor (40), umfassend mehrere gekoppelte Sensoreinheiten (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 13.