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WO2012168218A2 - Strahlungsdetektor und bildgebendes system - Google Patents

Strahlungsdetektor und bildgebendes system Download PDF

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Publication number
WO2012168218A2
WO2012168218A2 PCT/EP2012/060564 EP2012060564W WO2012168218A2 WO 2012168218 A2 WO2012168218 A2 WO 2012168218A2 EP 2012060564 W EP2012060564 W EP 2012060564W WO 2012168218 A2 WO2012168218 A2 WO 2012168218A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microchannel plate
radiation
photocathode
scintillator
radiation detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/060564
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English (en)
French (fr)
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WO2012168218A3 (de
Inventor
Harry Hedler
Timothy Hughes
Martin Spahn
Stefan Wirth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2012168218A2 publication Critical patent/WO2012168218A2/de
Publication of WO2012168218A3 publication Critical patent/WO2012168218A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/28—Measuring radiation intensity with secondary-emission detectors

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector, with the aid of an electromagnetic radiation, insbeson ⁇ particular X-ray or gamma radiation can be detected.
  • the invention further relates to an imaging system comprising such a radiation detector.
  • Imaging systems of medical technology now play ei ⁇ ne increasingly important role.
  • Such systems are used to generate two- or three-dimensional image data of organs and structures of the human body, which can be used, for example, to diagnose disease causes, to perform operations and to prepare therapeutic measures.
  • the image data can be generated on the basis of measurement signals which are obtained with the aid of a radiation detector.
  • CT Computertomo ⁇ chromatography systems
  • the body or a body portion of a patient to be examined is irradiated by means of X-radiation, which is generated by a radiation source.
  • the unabsorbed, transmitted radiation component is detected by a detector.
  • Radionuclide imaging as used in positron emission tomography (PET) systems and single photon emission computer tomography (SPECT) systems.
  • PET positron emission tomography
  • SPECT single photon emission computer tomography
  • the patient to be examined is injected with a radiopharmaceutical which generates gamma quanta either directly (SPECT) or indirectly (PET) by emitting positron.
  • the gamma radiation is detected with a corresponding radiation detector.
  • Detectors which can be used for the energy-resolved detection or "counting" of radiation quanta can work according to different measuring principles: Radiation detection can take place either directly, ie by direct conversion of the radiant energy into electrical energy, or in an indirect manner As a rule, a so-called scintillator is used, which is excited under the action of a radiation to be detected and emits the excitation energy while emitting a low-energy electromagnetic radiation, only the radiation emitted by the scintillator
  • Radiation is converted into electrical measuring signals.
  • areal constructed detectors are, for example, in M. Spahn,
  • Photons charge carriers or electrons generated, which are multiplied avalanche-like.
  • Each photodiode is connected to a resistor (so-called “quenching resistor”), and is usually operated in the so-called Geiger mode above the breakdown voltage.
  • Photomultiplier may comprise up to 1000 photodiodes per mm 2 surface, wherein the individual photodiodes may have dimensions in the range between 20 and 100 ym.
  • a disadvantage of silicon photomultipliers is that only part of the total area available for irradiation acts as a sensitive or "active" area. can be used. The reason for this is that there also exist insensitive regions between the active or radiation-sensitive regions, in which resistors and signal lines or wiring structures are arranged. Therefore, a silicon photomultiplier has a relatively low ratio of active area to (irradiated) total area, which is also referred to as "fill factor.” Typically, the fill factor of a silicon photomultiplier is only about 60%. Photomultipliers consequently result in an impairment of the efficiency of the associated radiation detectors.
  • a further disadvantage is the noise that occurs during operation of silicon photomultipliers, which is superimposed on the actual measurement signals. This means that an accurate measurement can be impaired, in particular if a low radiation intensity is present. Also, silicon photomultipliers have a relatively high dark count, that is, signal generation occurs even without irradiation.
  • MCP microchannel plates
  • an electrical voltage applied along the channels is generated, thereby accelerating incoming electrons within the channels can be multiplied by collisions with the Ka ⁇ nalcommunn.
  • a use of a microchannel plate in connection with an image intensifier is described for example in US 2009/0256063 Al.
  • the object of the present invention is to provide a solution for improved radiation detection in the medical field.
  • a radiation detector which has a scintillator for generating an electromagnetic radiation under the action of an incident radiation and a photocathode for generating electrons under the action of the electromagnetic radiation generated by the scintillator.
  • the radiation detector further comprises a microchannel plate having a plurality of channels for multiplying the electrons generated by the photocathode, and detecting means for detecting the electrons multiplied by the microchannel plate.
  • the scintillator un ⁇ ter action of a to be detected incident radiation in particular X-ray or gamma radiation
  • the excitation energy by emission of a corresponding electromagnetic radiation (particularly visible or ultraviolet light) again.
  • the light emitted from the Szintilla ⁇ tor radiation results in the photocathode to the pho ⁇ toelektrischen generation and emission of electrons (Photo valued. Primary electrons), which are accelerated in the channels of the microchannel plate and thereby (multiple) at the Ka nalstructure, releasing further electrons ( Secondary electrons) can abut.
  • the other electrons can also be accelerated within the channels, and successively dissolve further electrons through wall joints.
  • the electrons multiplied in this way are detected by the detection device, whereby a corresponding output signal can be generated.
  • the radiation detector operating in accordance with this process chain can have a (relatively) linear detection behavior, ie the number or total charge of the electrons detected by the detection device is (substantially) proportional to the energy deposited in the scintillator an associated radiation quantum.
  • Another advantage is that the radiation detector compared to a conventional detector with silicon photomultiplier (substantially) lower noise and a lower dark rate can have. This is due to the fact that without radiation of the Szin- tillators no electrons in the photocathode generates the ⁇ and consequently (substantially) does not take place Elektronenvervielfachfachung in the microchannel plate.
  • the radiation detector can also be manufactured in a simple, cost-effective manner and with compact dimensions.
  • the micro-channel plate used for the electron multiplication can be formed with a high porosity, so that the microchannel plate has a high fill factor (ratio of active area to total area), and as a result of which the Strahlunsgdetektor ⁇ has a high efficiency and a high efficiency.
  • the fill factor of the microchannel ⁇ plate may be (substantially) higher than in a conventional silicon photomultiplier.
  • an "activated" channel of the microchannel plate, in which a secondary electron multiplication will occur, or having taken place ⁇ has the stands, initially for a period of time, also known as “dead time” refers to not direct coming from the photocathode electron multiplication of a WEI to Ver ⁇ addition.
  • the reason for this is that the release of electrons in the course of electron multiplication requires a recharging of the relevant channel.
  • the scintillator, the photocathode, the microchannel plate and the detection device are arranged one above the other.
  • Strahlungsde ⁇ tektors can be realized.
  • the photo-cathode is disposed on one side of the microchannel plate, wel ⁇ surface facing the scintillator.
  • the photocathode further has openings over which channels of the microchannel plate are exposed.
  • the photoka ⁇ Thode a reflective working, so-called cathode is Reflexionsphoto- which emits electrons from the side on which the light coming from the scintillator ⁇ electro-magnetic radiation impinges.
  • the electrons emitted by the photocathode can pass through the openings of the photocathode into the channels of the microchannel plate, and thereby generate or release further electrons.
  • the photocathode may have a relatively large thickness or layer thickness. This ver ⁇ connected is a high efficiency in the realized by means of the implementation of the photoka ⁇ Thode coming from the scintillator electromagnetic radiation into electrons.
  • microchannel plate on the side opposite the scintillator on elevations between the channels which is a decreasing or tapering in the direction of the scintillator
  • the reflective working photocathode of the radiation detector is arranged. Due to the elevations, the photocathode has a relatively large surface area, which further promotes efficient conversion of the radiation of the scintillator into electrons.
  • the microchannel plate comprises a semiconductor material, preferably silicon.
  • a semiconductor material preferably silicon.
  • Sili ⁇ zium can be achieved that the time period for recharging an unloaded in the course of electron multiplication which channel is relatively small.
  • the Mikrokanalplat ⁇ te can be prepared in a simple manner, in particular by means of a Lithography ⁇ phical patterning and etching process, ⁇ the.
  • a semiconductor material of silicon or the microchannel plate may also use other materials umfas ⁇ sen. In particular, it may be provided to form a coating with high secondary electron emission within the channels.
  • the high melting temperature of silicon (about 1420 ° C) provides with regard to the above-described direct arrangement of the photocathode to the microchannel plate further the Mög ⁇ friendliness, the photocathode by means of techniques Hochtemperaturtech ⁇ form.
  • a large number of different materials are available for the photocathode.
  • a multiplicity of different sintillator materials may also be considered for the scintillator, it being possible for a photocathode adapted thereto to be provided depending on the particular scintillator material selected (or on the wavelength or the wavelength range of the respectively produced scintillating radiation).
  • the channels of the microchannel plate are tilted relative to a normal of a plane predetermined by the microchannel plate.
  • the microchannel plate in addition to at least one disposed within the microchannel plate electrode for Elektronenvervielfa ⁇ monitoring.
  • the microchannel plate electrode for Elektronenvervielfa ⁇ monitoring By such an electrode, for which a mate ⁇ rial be provided with high secondary electron emission can, the release of additional electrons can be effected.
  • the detection device used to detect the electrons multiplied by the microchannel plate preferably has a plurality of electrodes. In this way, it is possible to detect not only the energy of a radiation quantum interacting with the scintillator, but also the location of the interaction. It can be provided that a single electrode of the detecting means is zugeord ⁇ net each having a number of channels of the microchannel plate, and therefore to the "pick-up" and the multiplied electrons is used herein, "collection”.
  • the detection device is designed in the form of an application-specific integrated circuit. As a result, processing or partial evaluation of a measurement signal based on the detected electrons can already take place at the location of the detection device.
  • the radiation detector further comprises an intermediate connection element arranged between the scintillator and the microchannel plate, which is permeable to the electromagnetic radiation generated by the scintillator.
  • an intermediate connecting element which serves as entrance or entrance window, can be used for sealing or closing one side of the microchannel plate, and thus for providing a vacuum enabling the movement of the electrons in the channels.
  • the possibility of arranging the photocathode on one of the micro-channel plate envisagelie ⁇ constricting side of the intermediate connecting member.
  • the photocathode provides a semitransparent parente photocathode or a transmission photocathode, which operates in a transmissive manner.
  • the electrons are emitted from the side of the photocathode, which is opposite to the irradiated side.
  • an imaging system which comprises a radiation detector according to one of the embodiments described above, and in which therefore also the advantages described above can come to light.
  • Such an imaging system can be, for example, an X-ray or computed tomography system, or else a positron emission tomography or a sin ⁇ gle photon emission computer tomography system.
  • the above-described detector structure consisting of scintillator, photocathode, microchannel plate and detection device each represents a single detector element or a "pixel" of an associated detector, and that a plurality of such detector elements or “Pixels" are arranged in particular flat and / or (partially) circular next to each other.
  • Figure 1 is a schematic representation of an X-ray system
  • Figure 2 is a schematic perspective view of a
  • Detector element a schematic side view of the detec torelements ⁇ with an illustration of its operation
  • Figure 4 is a schematic plan view of the Detektorele ⁇ ment
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a detector element with a microchannel plate, which has channels arranged in a tilted manner
  • Figure 6 is a schematic representation of a Detektorele ⁇ ment with one on a microchannel plate angeord- Neten photocathode layer;
  • Figure 7 is a schematic side view of a De ⁇ tektorelements having disposed within a Mikroka ⁇ nalplatte electrode layer;
  • Figure 8 is a schematic side view of compo nents ⁇ a further detector element
  • Figure 9 is a schematic side view of a de- tektorelements, which is composed of the Darge ⁇ presented in Figure 8 components;
  • Figure 10 is a schematic side view of compo nents ⁇ a further detector element.
  • Figure 11 is a schematic side view of a De ⁇ detector element, which is constructed from the ge Service ⁇ th in Figure 10 components.
  • an electromagnetic radiation in particular a high ⁇ energetic radiation such as X-rays or gamma radiation
  • known process processes from the field of semiconductor and detector technology can be carried out and conventional materials used, so that then only partially received.
  • the connection of detector components can also take place with the aid of customary bonding or bonding methods.
  • the detector concept described here is intended for use in connection with medical imaging systems. In such systems, based on measurement signals which are obtained with the aid of a corresponding radiation detector, two- or three-dimensional image data of organs and structures of the human body are generated.
  • FIG. 1 shows an X-ray system 110 which can be used for diagnostic and interventional imaging.
  • the x-ray system 110 comprises a radiation source 111 for emitting an x-radiation ("x-ray emitter”), and an associated surface-area detector 100 ("flat detector”) for detecting the radiation.
  • Radiation source 111 and detector 100 are mutually oppositely disposed at the ends of an egg-shaped holding means ⁇ 112th Due to this configuration, this arrangement is also referred to as "C-arm” or "C-arm”.
  • a patient to be examined is located on a patient table 117, and is disposed between the radiation source 111 and the detector 100.
  • the holding device 112 is further fastened to a robot 113 which is provided with a plurality of joints and with the aid of which the radiation source 111 and the detector 100 are set in a desired position with respect to the patient can be brought.
  • the X-ray system 110 further comprises a control or evaluation device 114. This is connected to a corresponding display device or a display, as indicated in Figure 1.
  • the detector concept described below can also be used in connection with alterations ⁇ reindeer, not shown imaging systems.
  • a ring tunnel such as a Computertomogra ⁇ tomography system (CT).
  • CT Computertomogra ⁇ tomography system
  • Such a system may comprise a circular ring or circular-cylindrical detector and a rotatable X-ray source.
  • Ringtun ⁇ nel Positron Emission Tomography Systems (PET) and Single Photon Emission Computed Tomography Systems (SPECT), where the patient to be examined is injected with a radiopharmaceutical that is either direct (SPECT) or indirect (PET) generating emission of positrons gamma quanta. These can also be detected with a circular ring or circular-cylindrical detector.
  • Figure 2 shows a schematic perspective view of an insertable for detecting radiation quanta detector element 101, which is manufactured in a simple, cost-Wei ⁇ se and with compact dimensions
  • a radiation detector of an imaging system for example The detector 100 of the system 110 of FIG.
  • the detector element 101 has a superimposition of a scintillator 120, a photocathode 130, a microchannel plate 140 with a multiplicity of pixel-like microchannels (cf., the channels 145 indicated in FIG. 3), and a detection device 160.
  • the scintillator 120 serves to convert a high-energy radiation to be detected into a low-energy (re) radiation, which in turn is converted into electrons in the photocathode 130.
  • the Elect ⁇ Ronen generated from the photocathode 130 are multiplied in a rapid manner in the micro-channel plate 140, and using the detecting means 160 or with the aid of one or more provided here and serving as anodes (readout) electrodes ( "readout ubend") up This mode of operation will be discussed in more detail below in connection with FIG.
  • the detector element 101 and its individual components can each have (essentially) rectangular or cuboidal shapes.
  • the components of the detector element can have matching lateral dimensions 101 (in Wesentli ⁇ chen).
  • Anstel ⁇ le reckteckförmigen the external dimensions and square form (s) are also possible deviating geometries.
  • the components shown in Figure 2, but also in the other figures and their dimensions can not be true to scale darge ⁇ represents.
  • the scintillator 120 has a deviating significantly GroE ßere height of Figure 2, which exceeds the particular lateral dimen ⁇ solutions in order to obtain a high absorption of a to be detected in power incident radiation.
  • lateral dimensions in the range of several (for example 3 ⁇ 3) mm may be provided for the detector element 101.
  • the array of detector 160, microchannel plate 140, and photocathode 130 may be, for example a height in the range of 1 mm, and the scintillator 120 have a height in the range of 20 to 25 mm.
  • the detector element 101 or its scintillator 120 preferably faces the radiation to be detected, so that the radiation can enter or be coupled into the scintillator 120 via a front side of the scintillator 120 (upward-directed side in FIG. 3).
  • a high-energy incidence radiation quantum 200 (in particular X-ray quantum or gamma quantum) of the radiation to be detected can locally excite the scintillator 120.
  • the excitation energy deposited or during this operation absorbed are of acting as "Primae ⁇ res interaction material" scintillator 120 in the form of lower energy radiation quanta or photons 202 again.
  • the number of emitted photons 202 may be proportional to the original energy of the interacting with the scintillator material be radiation quants 200th on the case held Szintillationsmecha- mechanism will not be discussed.
  • the Szintil ⁇ lator 120 scintillation radiation it may be visible or ultraviolet light in particular.
  • the scintillation photons 202 (or a part thereof, which emerge on a rear side of the scintillator 120 opposite the front side) emitted by the scintillator 120 can interact with the photocathode 130, thereby generating free electrons 204.
  • the basis for this is the photoelectric effect.
  • the photocathode 130 can emit a photoelectron 204 for each incident or absorbed photon 202.
  • the electrons 204 generated with the aid of the photocathode 130 can be multiplied avalanche-like in the microchannel plate 145.
  • the microchannel plate 145 has a plate-shaped main body which is of a plurality (for example, a few thousand) microscopically fine channels
  • the channels 145 which may have lateral Abmessun ⁇ gen or a diameter in the range of, for example, 10 ym (or even smaller) may be arranged like pixels to each other in a close distance grid, and be formed mutually parallel running.
  • Zvi ⁇ rule including the channels 145 extend between the front and back of the micro-channel plate 145, applying an electrical voltage (accelerating voltage), whereby an electric field along the channels 145 is present.
  • a 130 emitted from the photocathode and to the front ⁇ side of the microchannel plate 140 in a channel 145 enter ⁇ the electron 204 is due to the see electric field in the direction of the rear side of the microchannel plate 140 and thus in the direction of the detection means 160 and the electrode (s) provided here moves or accelerates.
  • the small lateral dimensions of the channels 145 in this case cause that the electron 204 can encounter the wall of the channel 145 multiple times during this movement.
  • the primary electron 204 may extrude or knock out further electrons 204 (secondary electrons) from the channel wall.
  • the secondary electrons 204 can also accelerate within the channel 145 and release further (secondary) electrons 204 by collisions with the channel wall.
  • the 204 (hereinafter also referred to as “electron shower” or “electron cloud”) according to this process in the channels 145 of the microchannel plate 140 ⁇ multiplied electrons meet after emerging from the microchannel plate 140 at the rear thereof to the detection device 160 and the intended here (n) electrode (s), and are therefore recognized by the Erfas ⁇ sungs worn 160th In this case, a corresponding electrical output signal (for example voltage drop across a resistor) can be generated, which is dependent on the number or total charge of the electrons 204 collected in the detection device 160.
  • a relatively linear detection behavior may be present.
  • the detection means 160 Errei ⁇ sponding total charge, and thus a thereto based From ⁇ output signal substantially proportional to the energy of the interacting with the scintillator 120 radiation quantum 200.
  • the microchannel plate 140 and the grid or pixel-like structure favors.
  • the individual channels 145 each in Wesentli can ⁇ chen the same reinforcing or Elektronenvervielfa ⁇ deviation factor have so that there is a linear relationship between the number of interacting with the photocathode 130 scintillation 202 and the total charge detected by the detecting means 160th
  • the linear behavior of the detector element 101 made possible by means of the microchannel plate 140 also promotes the achievement of a high energy resolution.
  • microchannel plate 140 further leads to the fact that the detector element 101 by a small
  • the microchannel plate 140 may comprise, for example egg ⁇ ne dark rate below 1 counting event / cm 2 / s.
  • the microchannel plate 140 can also be formed with relatively small spacings between the individual channels 145, and consequently with a high porosity. For example, a porosity value in the range of 90% or more may be considered. Associated with this is a correspondingly high filling factor, which can reach almost 100%, and thus a high efficiency in the multiplication of the electrons 204 generated by means of the photocathode 130.
  • the filling factor of the microchannel plate 140 can far exceed that of a conventional silicon photomultiplier.
  • beschrie ⁇ surrounded detector element 101 may be made of the semiconductor and De- Tektortechnik known materials are used.
  • a entspre ⁇ sponding embodiment depends on the fact that on the one hand the voltage Toggle lying in use between the front and back of the microchannel plate 140 leads to no current flow between these two sides.
  • an activated channel 145 to charge preferably in a minimum amount of time to take place.
  • the micro-channel plate 140 may be formed, for example in the form of a provided with the micro-channels 145/2 semiconductor substrate, in particular silicon substrate, which is optionally substituted with a (weak) doping shipping ⁇ hen.
  • the present case conductivity provides the possibility of recharging the channels 145 may be in a period of time in nanoseconds den Kunststoff after ei ⁇ ner electron multiplication.
  • a relatively simple production of the microchannel plate 140 with the properties described above pixel-like arrangement of channels 145, high porosity
  • lithographic patterning and etching techniques can be used.
  • the microchannel plate 140 may further be configured such that the microchannel plate 140 additionally comprises further materials or layers in addition to a base or starting material, in particular a semiconductor material such as silicon. In particular it can be provided to form a thin coating with high secondary electron emission within the Ka ⁇ ducts 145 or to the channel walls in order to favor the electrical nenvervielfachung by wall collisions (not shown). Such a coating can be formed, for example, egg ⁇ nem metallic material. It is also possible that the microchannel plate 140 in the region of the channels 145 in ⁇ example additionally comprises an insulating layer such as an oxide layer, on which a layer with high secondary electron emission is arranged (not shown).
  • the micro-channel plate 140 may optionally be ⁇ additionally be provided on the front and / or rear side with a conductive or metallic layer via which electrical potentials and thus see an acceleration voltage may be applied to the microchannel plate 140th On the front ⁇ side, this can be done by a direct arrangement of the photocathode 130 on the microchannel plate 140.
  • the electrode (s) of the detection device 160 serving as anode (s) adjoin or are connected to the microchannel plate 140.
  • silicon silicon as the (base) material for the microchannel plate 140 also turns out its relatively high melting temperature (about 1420 ° C) as favorable.
  • materials can be used which can be formed on the microchannel plate 140 with the aid of high-temperature techniques or with the aid of deposition or coating processes carried out at high temperatures.
  • materials can be used which can be formed on the microchannel plate 140 with the aid of high-temperature techniques or with the aid of deposition or coating processes carried out at high temperatures.
  • This is particularly true for the above-indicated, possible case of the direct arrangement of the photocathode 130 in the form of a layer on the microchannel plate 140, which will be described below in connection with the embodiment shown in Figure 6 (photocathode 131 on microchannel plate 142).
  • the use of silicon for the microchannel plate 140 here makes it possible for the photocathode 130 to have a large number of different materials (and optionally formed with the aid of high-temperature or coating techniques).
  • Possible photocathode materials are, for example, Csl, CsTe, Cs3Sb, diamond and GaN.
  • the scintillator 120 the use of an inorganic material or a crystal is contemplated. Vorzugswei ⁇ se is, this is a "fast" scintillator 120, wherein the scintillation mechanism, ie, the imple- mentation of the incident high energy radiation in scintillation radiation takes place in a small period of time.
  • a thereof coming into consideration material is, for example, CsF or LSO.
  • the scintillator 120 and the photocathode 130 and the Ma ⁇ terialien are matched such that the light coming from the scintillator 120 scintillating radiation can be implemented in the photocathode 130 in free electrons.
  • the high diversity described above has denmaterialien usable Photokatho- to As a consequence, a number of different scintillator materials are also available for the scintillator 120. In this case, depending on the particular scintillator material selected (or on the wavelength or the wavelength range of the scintillation radiation produced in each case), a photocathode material adapted thereto ial be provided.
  • the detection device 160 may, for example, be designed like the microchannel plate 140 in the form of a semiconductor or silicon substrate. In this way, 160 is a well-known from the semiconductor technology bonding process can be carried out for connecting these two components 140, as further below in more detail be ⁇ written with reference to the embodiments of Figures 8 to. 11
  • the detection means 160 may, for example, a single or large ⁇ area electrode having (not shown) which the microchannel plate 140 is provided for collecting electrons showers of all the channels 145th
  • the schematic AufSichtsdar ein the detector element 101 of Figure 4 shows an alternative embodiment.
  • the detection device 160 has a plurality of electrodes 161, wherein the electrodes 161, as indicated in Figure 4 on the basis of a single line, pixel-like or matrix-like in the form of rows and columns can be arranged side by side.
  • Each electrode 161 may in this case be provided for collecting electrons of a plurality of channels 145, as illustrated in FIG. 4 with reference to the electrode 161 assigned to the left and assigned to four channels 145. Notwithstanding FIG. 4, a single electrode 161 can also be assigned to a different number of channels 145, or else only one channel 145.
  • the provision of a plurality of electrodes 161 in the detection device 160 of the detector element 101 makes it possible to detect not only the energy of a radiation quantum 200 interacting with the scintillator 120, but also the (lateral) location of the interaction in the scintillator 120. With the aid of the plurality of electrodes 161, the charge center of the electron cloud coming from the microchannel plate 140 can be determined, which can be dependent on the location of interaction of the radiation quantum 200 in the scintillator 120.
  • the detector element 101 and thus also a detector with a plurality of detector elements 101 of an imaging system constructed in this way can optionally have a relatively high spatial resolution in this way.
  • a further possible variant is an embodiment of the detection device 160 in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC) .
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • an embodiment of the detection device 160 in the form of a semiconductor substrate or ASIC circuit offers the possibility of the detection device 160 together with the microchannel plate 140 (and optionally the Pho ⁇ tokathode 130 in an arrangement thereof on the Mikroka ⁇ nalplatte 140) on "wafer level "to connect to an integrated component or a" monolithic package ".
  • a component can be made particularly compact and are characterized by minimal interfaces between the individual components.
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a detector element 101, which has substantially the same construction as the detector element shown in Figure 3 at 101 ⁇ .
  • a microchannel plate 141 preferably again comprising a semiconductor material such as silicon
  • pre ⁇ see whose channels 145 obliquely tilted with respect to a standardization times a through the micro-channel plate 141 (or by its front and / or rear) predetermined level are arranged.
  • an angle in a range of 10 ° between the plate normal and a longitudinal axis of the Ka ⁇ channels 145 may be provided.
  • the tilted configuration of the channels 145 of the microchannel plate 141 with the result that the coming from the photocathode 130 electrons 204 reliably and, in particular inde ⁇ pending repeatedly discharged from the entrance angle when entering the channels 145 at the channel walls and release consequently further electrons 204 , where the electrons 204 can be detected again by a detection device 160 with (preferably) a plurality of electrodes 161.
  • a "fall through" of a primary electron 204 through a channel 145 without wall contact and thus without electron multiplication can thus be avoided, with a high reliability and homogeneity of the electron multiplication being associated with such a tilted configuration of microchannels can also be provided for the embodiments described below be.
  • Figure 6 shows a schematic side view of another detector element 101 with a microchannel plate 142, which preferably comprises a semiconductor material such as in particular silicon.
  • a microchannel plate 142 which preferably comprises a semiconductor material such as in particular silicon.
  • the formed in the form of a continuous layer of ⁇ photocathode 131 has openings 135, over wel ⁇ che channels 145 of the microchannel plate 142 are exposed. As indicated above, a corresponding electrical potential can be applied to the front of the microchannel plate 142 via the photocathode 131.
  • the photocathode 131 is a so-called reflection Photo ⁇ cathode 131, which emits photoelectrons from the same side on which also impinges the light coming from the scintillator 120 radiation.
  • the 131 emit ⁇ benefited from the photocathode electrons through the openings 135 of the photocatalytic Method 131 in the channels 145 of the microchannel plate 142 gelan ⁇ conditions, and as described above in the channels 145 multiplied and subsequently detected by a detection device 160.
  • the photocathode 131 may be formed solid and with a relatively large thickness. This leads to a high degree of reliability and efficiency in the Pho realized by means of the ⁇ tokathode 131 implementation of the gate of the scintillator 120 emitted radiation into photoelectrons.
  • the micro-channel plate 142 has ⁇ at the scintillator 120 opposite side a structured surface with elevations 147 between the channels 145.
  • the elevations 147 have a shape or contour decreasing in the direction of the scintillator 120, and are embodied, for example, as trapezoidal or tetrahedral.
  • the reflective working photocathode 131 is angeord ⁇ net.
  • the photocathode 131 in this case has a correspondingly structured or profiled (surface) form, and thus an enlarged surface. In this way, an efficient conversion of the scintillation radiation impinging on the photocathode 131 into electrons can be further promoted.
  • FIG. 7 shows a schematic side view of a further detector element 101, which has a microchannel plate 143 with an additional electrode 153 arranged within the microchannel plate 143.
  • the electrode 153 acting as a dynode offers the possibility of also causing a release of electrons when an impact of electrons occurs.
  • the electrode 153 comprises a material having a high secondary electron emission, for example a metallic material.
  • the microchannel plate 143 is constructed of two stacked sub-plates 150, 151.
  • the partial plates 150, 151 may each be in the form of a semiconductor or silicon substrate, and have mutually aligned channels 155, 158.
  • Both partial plates 150, 151 can be connected to one another by a bonding method known from semiconductor technology.
  • the lower part of plate 150 has a structured surface with elevations 156 between the channels 155 at the adjacent to the top Crystalplat ⁇ te 151 side or front.
  • the elevations 156 have a narrowing in the direction of the upper part plate 151 form, for example, a trapezoidal or tetrahedral shape.
  • On this side of the sub-panel 150 that is, on the projections 156 and on inclined Abschnit ⁇ th in an edge region of the sub-plate 150, and the present in the form of a continuous layer electrode 153 is formed, which is therefore a correspondingly structured or profiled (surface ) Owns form.
  • the electrode 153 also has openings 154, over which the channels 155 of the lower part plate 150 are exposed, so that
  • the upper partial plate 151 has, on a side or front side opposite a scintillator 120 (or its rear side), the structure described above in connection with FIG. 6 (structured surface with elevations 147, photo ⁇ cathode layer 131). Furthermore, the channels 158 of the upper partial plate 151 are in the direction of the rear side and thus in
  • the detector element 101 of Figure 7 is an electrical potential is applied (via an unillustrated on ⁇ circuit structure) to the electrode 153, the size between the sizes of nalplatte the front and back of the microchannel 143 is applied potentials. In this way, 151 located respectively multiplied electrons to the electrode 153 can be ⁇ be accelerated and impinge on this under knocking out further electrons in the channels 158 of the top plate.
  • the electrons can enter the channels 155 of the lower sub-plate 150, release further electrons here and continue to a detection device 160.
  • an additional electron multiplication can be caused in addition to the electron multiplication taking place on channel walls.
  • microchannel plates vorstell ⁇ bar which are also comprised of stacked sub-plates, but multiple (superposed) internal Include electrodes. It should also be pointed out that the provision of partial plates and one or more internal electrodes can also be considered in the embodiments described below.
  • a detector element 101 requires the existence of a vacuumed atmosphere or a vacuum (at least) in the region in which free electrons are present, ie in particular in the channels of a microchannel plate 140, 141, 142, 143 and on the front side
  • ⁇ term input and the rear output region of the respective microchannel plate 140, 141, 142, 143 or in the region of an associated photocathode 130, 131 and a detection device 160 For this purpose, it is possible to consider corresponding seals of the microchannel plate 140, 141, 142, 143 in the area of their front and back provide. This can be done at the front by means of an additional interconnecting element, and at the back via a detection device 160. An embodiment which is possible or preferred in this respect is explained in more detail below.
  • FIG. 8 shows a schematic side view of components of a further detector element 101
  • Figure 9 illustrates a side view of the assembled by Verbin ⁇ this component detector element 101
  • the detector element 101 includes a, preferably a semiconducting ⁇ termaterial such as in particular silicon-containing microchannel ⁇ plate 142 with the structure described with reference to FIG. 6, ie with a structured front with elevations and with a reflection photocathode layer 131 arranged on the front side.
  • an interconnecting member 170 is provided on the front side of the microchannel plate 142 and thus between the microchannel plate 142 and a scintillator 120 of the detector element 101.
  • intermediate connecting member 170 Serving as the entry window ⁇ intermediate connecting member 170 is istläs ⁇ for the sig of the scintillator 120 emitted (at the rear) radiation.
  • the scintillation radiation can thus reach the photocathode 131, as a result of which the photocathode 131 emits electrons as described above, which can be multiplied in the channels 145 of the microchannel plate 142 and detected by a detection device 160.
  • a glass material is considered for the plate-shaped interconnecting member 170.
  • the microchannel plate 142 On the peripheral rim of the microchannel plate 142, which via the provided with the photocathode 131 area the microchannel plate 142 protrudes, one hermetically tight connection with the intermediate connection element 170 ago ⁇ made.
  • a layer 185 out ⁇ forms in the edge region of the microchannel plate 142, which is adjacent to the photo-cathode layer 131 and is connected thereto.
  • a further bonding layer 182 is provided, via which the intermediate is ⁇ connecting member 170 is connected to the microchannel plate 142 and with its layer 185th.
  • the layers 182, 185 comprise electrically conductive or metallic materials, and are, for example, by performing a eutectic bonding process or a thermal compression bonding process with ⁇ connected to each other.
  • the layers 182, 185 may also be present in the form of a common layer or eutectic alloy. Instead of the use of two layers 182, 185, the use of only one of the micro-channel plate 142 to the intermediate connecting member 170 verbin ⁇ emissive layer is alternatively possible.
  • a hermetically sealed and peripheral connection is furthermore produced in an edge region on the rear side of the microchannel plate 142 to the detection device 160 of the detector element 101, as indicated by a further connection layer 181.
  • it can be a used in the context of the above bonding processes or out ⁇ formed layer may optionally be composed of several layers or materials.
  • the particular conducted connection process is the production of at least one compound, ie 160, carried out in an evacuated environment on the one hand between the microchannel plate 142 and interconnect member 170 and on the other hand between the microchannel plate 142 and Erfas ⁇ sungs liked, thus set in the area of the microchannel plate 142, a corresponding vacuum can.
  • a connection 187 may be formed on the intermediate connection element 170, in particular on its side. This is about the routing ⁇ capable layers 182, 185 further electrically connected to the photocatalytic Thode 131 is connected. Via the connection 187, an electrical potential, in particular a high-voltage potential, can be applied to the photocathode 131 and thus to the front side of the microchannel plate 142.
  • An adapted Ge ⁇ genpotential can for example be applied via the detection device 160 and the connection layer 181 to the back of the microchannel plate 142 and to a here provided (not shown) conductive layer.
  • FIG. 9 also indicates that the detection device 160, which is preferably designed in the form of an application-specific integrated circuit with, in particular, a plurality of electrodes 161, can have via holes 165 ("through silicon via", TSV). Signals are transmitted to corresponding pads or pads (not shown) at the bottom of detector 160.
  • Figure 9 further shows a printed circuit board 190 connected to detector 160 or its bottom pads is connected via solder balls 192.
  • a plurality of detector elements 101 may be arranged side by side on a common printed circuit board 190.
  • FIG. 10 shows a schematic side view of components of a further detector element 101
  • FIG. 11 illustrates a side view of the detector element 101 constructed by connecting these components. This has a structure comparable to the embodiment of FIGS. 8, 9, see FIG that reference is made to the foregoing with respect to details of consistent components and aspects.
  • the detector element 101 of Figure 11 includes a vorzugswei ⁇ se formed of a semiconductor material such as silicon, and in particular provided with channels 145 microchannel plate 144, which is connected on the back via a connection layer 181 with a detection means 160th At the front of the microchannel plate 144 is connected via a Verbin ⁇ -making layer 182 a serving as the entrance window of the interconnect member 170 is disposed on which further comprises a scintillator 120th
  • layered photocathode 132 is arranged ⁇ .
  • the radiation coming from the scintillator 120 can in this case penetrate the interconnecting element 170 and impinge on the photocathode 132.
  • the emittier- th from the photocathode 132 electrons multiplied in the channels 145 of the microchannel plate 144 again, and are detected by the Er chargedseinrich ⁇ tung 160th
  • the interconnection element 170 is also provided in this embodiment with a terminal 187, which electrically via the connection layer 182 with the photocathode 132 and with the front of the microchannel plate 144 (or a here optionally provided conductive coating) is connected. Since the photocathode 132 is not arranged on the front ⁇ side of the microchannel plate 144, the Mik ⁇ rokanalplatte 144 at this point also no surveys between see the channels 145 on.
  • a glass material may occur (as a base material) for a Mikrokanalplat ⁇ te into consideration, for example, instead of a semiconductor material, or instead of silicon.
  • one possible modification of the microchannel plate 142 shown here is to provide no structured front or elevations 147.
  • the photocathode 131 disposed on the microchannel plate 142 may be in the form of a planar layer.
  • FIGS. 10 and 11 have an internal electrode and are constructed of a plurality of stacked sub-plates.
  • a detection device 160 can only be designed to detect an electron cloud by means of one or more electrodes and optionally amplify corresponding output signals.
  • processing and evaluation of output signals elsewhere can be done by another device.
  • a detector of an imaging system constructed of a plurality of detector elements 101 for example the detector 100 of the system of FIG. 1, may comprise such a device.
  • Processing can also be effected only by a central evaluation device, with regard to FIG. 1, for example, by the control and evaluation device 114.
  • a detection device 160 may comprise other electrode arrangements, for example in the form of crossed strip conductors or strip-shaped electrodes. Also, a detector 160 may not only be in the form of a semiconductor substrate, but alternatively also for example in the form of one with one or more
  • Electrode provided ceramic carrier may be formed.
  • providing a vacuum in the region of a microchannel plate may be accomplished other than by providing seals to the microchannel plate as described with reference to FIGS. 8 to 11.
  • one or more detector elements may (at least partially) be arranged in a suitable, evacuated housing.
  • Another possible modification consists in a Ausgestal ⁇ tung a single detector element having a plurality of adjacent scintillators or Szintillatorkristal- len.
  • the plurality of scintillators can here be arranged on a common microchannel plate. Between the scintillators and the microchannel plate, one or more juxtaposed photocathode and be appropriate, one or more side by side arranged and serving as the entrance window between connecting elements pre see ⁇ gegebe ⁇ . Also, below the microchannel plate has a ge ⁇ my same detection device with a plurality of different scintillators associated electrodes may be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor (100; 101), aufweisend einen Szintillator (120) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung (202) unter Einwirkung einer einfallenden Strahlung (200), eine Photokathode (130; 131; 132) zum Erzeugen von Elektronen (204) unter Einwirkung der von dem Szintillator (120) erzeugten elektromagnetischen Strahlung (202), eine Mikrokanalplatte (140; 141; 142; 143; 144) mit einer Mehrzahl an Kanälen (145; 155; 158) zum Vervielfachen der von der Photokathode (130; 131; 132) erzeugten Elektronen (204), und eine Erfassungseinrichtung (160) zum Erfassen der mit der Mikrokanalplatte (140; 141; 142; 143; 144) vervielfachten Elektronen (204). Die Erfindung betrifft des Weiteren ein bildgebendes System (110) umfassend einen solchen Strahlungsdetektor (100; 101).

Description

Beschreibung
Strahlungsdetektor und bildgebendes System Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, mit dessen Hilfe eine elektromagnetische Strahlung, insbeson¬ dere Röntgen- bzw. Gammastrahlung, erfasst werden kann. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein bildgebendes System, umfassend einen solchen Strahlungsdetektor.
Bildgebende Systeme der Medizintechnik spielen heutzutage ei¬ ne zunehmend bedeutende Rolle. Derartige Systeme werden dazu eingesetzt, zwei- oder dreidimensionale Bilddaten von Organen und Strukturen des menschlichen Körpers zu erzeugen, was zum Beispiel zur Diagnose von Krankheitsursachen, zur Durchführung von Operationen und zur Vorbereitung therapeutischer Maßnahmen herangezogen werden kann. Die Bilddaten können auf der Grundlage von Messsignalen erzeugt werden, welche mit Hilfe eines Strahlungsdetektors gewonnen werden.
Dies ist zum Beispiel der Fall bei Röntgen- und Computertomo¬ graphie-Systemen (CT) . Bei derartigen Systemen wird der Körper bzw. ein Körperabschnitt eines zu untersuchenden Patienten mittels Röntgenstrahlung durchstrahlt, welche von einer Strahlungsquelle erzeugt wird. Der nicht absorbierte, trans- mittierte Strahlungsanteil wird mit einem Detektor erfasst.
Ein weiteres Beispiel ist eine Bilderzeugung mit Hilfe von Radionukliden, wie sie bei Positronen-Emissions-Tomographie- Systemen (PET) und Single-Photon-Emissions-Computer- Tomographie-Systemen (SPECT) zum Einsatz kommt. Hierbei wird dem zu untersuchenden Patienten ein Radiopharmakon injiziert, welches entweder direkt (SPECT) oder indirekt (PET) durch Emission von Positronen Gamma-Quanten erzeugt. Die Gamma- Strahlung wird mit einem entsprechenden Strahlungsdetektor erfasst . Detektoren, welche zum energieaufgelösten Erfassen bzw. „Zählen" von Strahlungsquanten einsetzbar sind, können nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten. Eine Strahlungserfassung kann entweder auf direkte Weise, d.h. durch direkte Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie, oder auf indirekte Weise erfolgen. Bei der letztgenannten Variante kommt in der Regel ein sogenannter Szintillator zum Einsatz, welcher unter Einwirkung einer zu detektierenden Strahlung angeregt wird und die Anregungsenergie unter Aussendung einer niederenergetischeren elektromagnetischen Strahlung wieder abgibt. Lediglich die von dem Szintillator ausgesendete
Strahlung wird hierbei in elektrische Messsignale umgesetzt. Im medizinischen Bereich verwendete und gemäß diesen Messprinzipien arbeitende, flächig aufgebaute Detektoren (soge- nannte „Flachdetektoren") sind zum Beispiel in M. Spahn,
„Fiat detectors and their clinical applications" , Eur Radiol (2005), 15: 1934 - 1947, beschrieben.
Das Umsetzen der von einem Szintillator ausgehenden Strahlung in ein elektrisches Signal kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Ein gängiges Konzept ist der Einsatz eines sogenannten Silizium-Photomultipliers („SiPM"). Hierbei han¬ delt es sich um eine auf einem gemeinsamen Substrat ausgebil¬ dete Matrix-Anordnung aus Lawinenphotodioden („avalanche pho- todiode", APD) . Bei diesen Dioden werden durch einfallende
Photonen Ladungsträger bzw. Elektronen erzeugt, welche lawinenartig vervielfacht werden. Jede Photodiode ist mit einem Widerstand (sogenannter „quenching resistor") verbunden, und wird üblicherweise im sogenannten Geigermodus oberhalb der Durchbruchspannung betrieben. Ein üblicher Silizium-
Photomultiplier kann bis zu 1000 Photodioden pro mm2 Fläche umfassen, wobei die einzelnen Photodioden Abmessungen im Bereich zwischen 20 und 100 ym aufweisen können. Ein Nachteil von Silizium-Photomultipliern besteht darin, dass nur ein Teil der für die Bestrahlung zur Verfügung stehenden Gesamtfläche als sensitive bzw. „aktive" Fläche ge- nutzt werden kann. Ursache hierfür ist, dass zwischen den aktiven bzw. strahlungssensitiven Bereichen auch insensitive Bereiche existieren, in welchen Widerstände und Signalleitungen bzw. Verdrahtungsstrukturen angeordnet sind. Ein Silizi- um-Photomultiplier weist daher ein relativ geringes Verhältnis aus aktiver Fläche zu (bestrahlter) Gesamtfläche auf, welches auch als „Füllfaktor" bezeichnet wird. Typischerweise liegt der Füllfaktor eines Silizium-Photomultipliers bei nur etwa 60%. Der Einsatz von Silizium-Photomultipliern hat folg- lieh eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades der zugehörigen Strahlungsdetektoren zur Folge.
Von Nachteil ist des Weiteren ein im Betrieb von Silizium- Photomultipliern auftretendes Rauschen, welches den eigentli- chen Messsignalen überlagert ist. Dies führt dazu, dass eine genaue Messung insbesondere bei Vorliegen einer geringen Strahlungsintensität beeinträchtigt sein kann. Auch weisen Silizium-Photomultiplier eine relativ hohe Dunkelrate bzw. Dunkelzählung („dark count") auf, d.h. das auch ohne Bestrah- lung eine Signalerzeugung stattfindet.
Zur Bildverstärkung und zur Elektronenvervielfachung ist ferner der Einsatz von sogenannten Mikrokanalplatten („micro Channel plate", MCP) bekannt, welche eine Vielzahl an Kanälen aufweisen. Im Betrieb wird eine längs der Kanäle anliegende elektrische Spannung erzeugt, wodurch eintretende Elektronen innerhalb der Kanäle beschleunigt und durch Stöße mit den Ka¬ nalwänden vervielfacht werden können. Eine Verwendung einer Mikrokanalplatte in Zusammenhang mit einem Bildverstärker ist beispielsweise in US 2009/0256063 AI beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte Strahlungserfassung im medizinischen Bereich anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 1 und durch ein bildgebendes System gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Strahlungsdetektor vorgeschlagen, welcher einen Szintillator zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung unter Einwirkung einer einfallenden Strahlung und eine Photokathode zum Erzeugen von Elektronen unter Einwirkung der von dem Szintillator erzeugten elektromagnetischen Strahlung aufweist. Der Strahlungsdetektor weist des Weiteren eine Mikrokanalplatte mit einer Mehrzahl an Kanälen zum Vervielfachen der von der Photokathode erzeugten Elektronen und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der mit der Mikrokanalplatte vervielfachten Elektronen auf. Im Betrieb des Strahlungsdetektors wird der Szintillator un¬ ter Einwirkung einer zu detektierenden einfallenden Strahlung (insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung) angeregt, und gibt die Anregungsenergie unter Aussendung einer entsprechenden elektromagnetischen Strahlung (insbesondere sichtbares oder ultraviolettes Licht) wieder ab. Die von dem Szintilla¬ tor ausgesendete Strahlung führt in der Photokathode zur pho¬ toelektrischen Erzeugung und Emission von Elektronen (Photobzw. Primärelektronen), welche in den Kanälen der Mikrokanalplatte beschleunigt werden und dabei (mehrfach) an deren Ka- nalwände unter Freisetzen weiterer Elektronen (Sekundärelektronen) anstoßen können. Auch die weiteren Elektronen können innerhalb der Kanäle beschleunigt werden, und durch Wandstöße sukzessiv weitere Elektronen herauslösen. Die auf diese Weise vervielfachten Elektronen werden mit der Erfassungseinrich- tung erfasst, wobei ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt werden kann.
Der gemäß dieser Prozesskette arbeitende Strahlungsdetektor kann ein (relativ) lineares Detektionsverhalten aufweisen, d.h. dass die Anzahl bzw. Gesamtladung der mit der Erfassungseinrichtung erfassten Elektronen (im Wesentlichen) proportional ist zu der in dem Szintillator deponierten Energie eines zugehörigen Strahlungsquants. Von Vorteil ist ferner, dass der Strahlungsdetektor gegenüber einem herkömmlichen Detektor mit Silizium-Photomultiplier ein (wesentlich) geringeres Rauschen sowie eine geringere Dunkelrate aufweisen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ohne Strahlung des Szin- tillators keine Elektronen in der Photokathode erzeugt wer¬ den, und infolgedessen (im Wesentlichen) keine Elektronenvervielfachfachung in der Mikrokanalplatte stattfindet. Der Strahlungsdetektor kann darüber hinaus auf einfache, kostengünstige Weise und mit kompakten Abmessungen hergestellt werden. Auch kann die zur Elektronenvervielfachung eingesetzte Mikrokanalplatte mit einer hohen Porosität ausgebildet werden, wodurch die Mikrokanalplatte einen hohen Füllfaktor (Verhältnis aus aktiver Fläche zu Gesamtfläche) , und infolge¬ dessen der Strahlunsgdetektor eine hohe Effizienz bzw. einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Der Füllfaktor der Mikrokanal¬ platte kann hierbei (wesentlich) höher sein als bei einem herkömmlichen Silizium-Photomultiplier .
Ein „aktivierter" Kanal der Mikrokanalplatte, in welchem eine Sekundärelektronenvervielfachung stattfindet bzw. stattgefun¬ den hat, steht zwar zunächst für eine gewisse Zeitdauer, auch als „Totzeit" bezeichnet, nicht zur Vervielfachung eines wei- teren von der Photokathode kommenden Photoelektrons zur Ver¬ fügung. Ursache hierfür ist, dass das Freisetzen von Elektronen im Zuge der Elektronenvervielfachung ein erneutes Aufladen des betreffenden Kanals erfordert. Bei einer hohen Poro¬ sität bzw. einer hohen Anzahl an Kanälen mit kleinen latera- len Abmessungen und kleinen Abständen kann dieser Effekt jedoch vernachlässigt werden, da die Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines Elektrons in einen aktivierten Kanal sehr gering ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind der Szintillator, die Photokathode, die Mikrokanalplatte und die Erfassungseinrichtung übereinander angeordnet. Hier- durch kann ein besonders kompakter Aufbau des Strahlungsde¬ tektors verwirklicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Photo- kathode auf einer Seite der Mikrokanalplatte angeordnet, wel¬ che dem Szintillator gegenüberliegt. Die Photokathode weist ferner Öffnungen auf, über welche Kanäle der Mikrokanalplatte freigelegt sind. In dieser Ausgestaltung stellt die Photoka¬ thode eine reflektiv arbeitende, sogenannte Reflexionsphoto- kathode dar, welche Elektronen von derjenigen Seite emittiert, auf welcher die von dem Szintillator kommende elektro¬ magnetische Strahlung auftrifft. Die von der Photokathode emittierten Elektronen können über die Öffnungen der Photokathode in die Kanäle der Mikrokanalplatte gelangen, und hier weitere Elektronen erzeugen bzw. freisetzen. Bei einer solchen reflektiven Funktionsweise kann die Photokathode eine relativ große Dicke bzw. Schichtdicke aufweisen. Hiermit ver¬ bunden ist eine hohe Effizienz bei der mittels der Photoka¬ thode verwirklichten Umsetzung der von dem Szintillator kom- menden elektromagnetischen Strahlung in Elektronen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Mikrokanalplatte an der dem Szintillator gegenüberliegenden Seite Erhebungen zwischen den Kanälen auf, welche eine sich in Richtung des Szintillators verkleinernde bzw. verjüngende
Form aufweisen. Auf dieser Seite ist auch die reflektiv arbeitende Photokathode des Strahlungsdetektors angeordnet. Aufgrund der Erhebungen weist die Photokathode eine relativ große Oberfläche auf, wodurch eine effiziente Umsetzung der Strahlung des Szintillators in Elektronen weiter begünstigt wird .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrokanalplatte ein Halbleitermaterial, vorzugswei- se Silizium, aufweist. Insbesondere bei Verwendung von Sili¬ zium kann erzielt werden, dass die Zeitdauer für das Wiederaufladen eines im Zuge einer Elektronenvervielfachung entla- denen Kanals relativ klein ist. Auch kann die Mikrokanalplat¬ te auf einfache Weise, insbesondere mit Hilfe eines lithogra¬ phischen Strukturierungs- und Ätzverfahrens, hergestellt wer¬ den. Neben einem Halbleitermaterial bzw. Silizium kann die Mikrokanalplatte zusätzlich auch weitere Materialien umfas¬ sen. Insbesondere kann vorgesehen sein, innerhalb der Kanäle eine Beschichtung mit hoher Sekundärelektronenemission auszubilden . Die hohe Schmelztemperatur von Silizium (ca. 1420 °C) bietet im Hinblick auf die oben beschriebene direkte Anordnung der Photokathode auf der Mikrokanalplatte des Weiteren die Mög¬ lichkeit, die Photokathode mit Hilfe von Hochtemperaturtech¬ niken auszubilden. Hierdurch stehen eine Vielzahl unter- schiedlicher Materialien für die Photokathode zur Verfügung. Desgleichen können auch für den Szintillator eine Vielzahl unterschiedlicher Sintillatormaterialien in Betracht kommen, wobei abhängig von dem jeweils gewählten Szintillatormaterial (bzw. von der Wellenlänge bzw. dem Wellenlängenbereich der jeweils erzeugten Szintillationsstrahlung) eine hieran ange- passte Photokathode vorgesehen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle der Mikrokanalplatte verkippt gegenüber einer Normale einer durch die Mikrokanalplatte vorgegebenen Ebene angeordnet.
Hierdurch kann erzielt werden, dass die von der Photokathode kommenden Elektronen zuverlässig und insbesondere unabhängig von deren Eintrittswinkel beim Eintreten in die Kanäle mehrfach an die Kanalwände anstoßen und Elektronen freisetzen können. Hiermit verbunden ist eine hohe Zuverlässigkeit und Homogenität der Elektronenvervielfachung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Mikrokanalplatte zusätzlich wenigstens eine innerhalb der Mikro- kanalplatte angeordnete Elektrode zur Elektronenvervielfa¬ chung auf. Durch eine solche Elektrode, für welche ein Mate¬ rial mit hoher Sekundärelektronenemission vorgesehen werden kann, kann das Freisetzen zusätzlicher Elektronen bewirkt werden .
Die zum Erfassen der mit der Mikrokanalplatte vervielfachten Elektronen eingesetzte Erfassungseinrichtung weist vorzugsweise eine Mehrzahl an Elektroden auf. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, nicht nur die Energie eines mit dem Szintillator wechselwirkenden Strahlungsquants, sondern auch den Ort der Wechselwirkung zu erfassen. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine einzelne Elektrode der Erfassungseinrichtung jeweils einer Anzahl an Kanälen der Mikrokanalplatte zugeord¬ net ist, und daher zum „Aufsammeln" bzw. „Auffangen" der hier vervielfachten Elektronen eingesetzt wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung ausgebildet. Hierdurch kann eine Verarbeitung bzw. Teilauswertung eines auf den erfassten Elektronen basierenden Messsignals bereits an Ort und Stelle der Erfas- sungseinrichtung erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der
Strahlungsdetektor weiter ein zwischen dem Szintillator und der Mikrokanalplatte angeordnetes Zwischenverbindungselement auf, welches durchlässig ist für die von dem Szintillator er¬ zeugte elektromagnetische Strahlung. Ein solches Zwischenver¬ bindungselement, welches als Eingangs- bzw. Eintrittsfenster dient, kann zum Abdichten bzw. Verschließen einer Seite der Mikrokanalplatte, und damit zum Bereitstellen eines die Bewe- gung der Elektronen in den Kanälen ermöglichenden Vakuums eingesetzt werden.
Bei Verwendung eines solchen Zwischenverbindungselements be¬ steht gemäß einer weiteren Ausführungsform die Möglichkeit, die Photokathode auf einer der Mikrokanalplatte gegenüberlie¬ genden Seite des Zwischenverbindungselements anzuordnen. In dieser Ausgestaltung stellt die Photokathode eine semitrans- parente Photokathode bzw. eine Transmissionsphotokathode dar, welche transmittiv arbeitet. Dabei werden die Elektronen von derjenigen Seite der Photokathode emittiert, welche entgegen gesetzt ist zu der bestrahlten Seite.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein bildgebendes System vorgeschlagen, welches einen Strahlungsdetektor gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst, und bei welchem daher ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile zu Tage treten können. Ein solches bildgebendes System kann zum Beispiel ein Röntgen- bzw. Computertomographie-System, oder auch ein Positronen-Emissions-Tomographie- oder ein Sin¬ gle-Photon-Emissions-Computer-Tomographie-System sein. Im Hinblick auf derartige bildgebende Systeme kann vorgesehen sein, dass der oben beschriebene Detektoraufbau aus Szintil- lator, Photokathode, Mikrokanalplatte und Erfassungseinrich¬ tung jeweils ein einzelnes Detektorelement bzw. einen „Pixel" eines zugehörigen Detektors darstellt, und dass eine Vielzahl derartiger Detektorelemente bzw. „Pixel" insbesondere flächig und/oder (teil-) kreisförmig nebeneinander angeordnet sind.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Röntgensystems ;
Figur 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Detektorelements ; eine schematische seitliche Darstellung des Detek¬ torelements mit einer Veranschaulichung von dessen Funktionsweise ; Figur 4 eine schematische Draufsicht auf das Detektorele¬ ment ;
Figur 5 eine schematische seitliche Darstellung eines De- tektorelements mit einer Mikrokanalplatte, welche verkippt angeordnete Kanäle aufweist;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Detektorele¬ ments mit einer auf einer Mikrokanalplatte angeord- neten Photokathodenschicht;
Figur 7 eine schematische seitliche Darstellung eines De¬ tektorelements mit einer innerhalb einer Mikroka¬ nalplatte angeordneten Elektrodenschicht;
Figur 8 eine schematische seitliche Darstellung von Kompo¬ nenten eines weiteren Detektorelements;
Figur 9 eine schematische seitliche Darstellung eines De- tektorelements, welches aus den in Figur 8 darge¬ stellten Komponenten aufgebaut ist;
Figur 10 eine schematische seitliche Darstellung von Kompo¬ nenten eines weiteren Detektorelements; und
Figur 11 eine schematische seitliche Darstellung eines De¬ tektorelements, welches aus den in Figur 10 gezeig¬ ten Komponenten aufgebaut ist. Anhand der folgenden Figuren werden Ausführungsformen eines
Detektors bzw. Detektorelements beschrieben, mit dessen Hilfe eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine hoch¬ energetische Strahlung wie Röntgen- bzw. Gammastrahlung, er- fasst werden kann. Zur Herstellung der beschriebenen Ausfüh- rungsformen können aus dem Gebiet der Halbleiter- und Detektortechnik bekannte Verfahrensprozesse durchgeführt werden sowie übliche Materialien zum Einsatz kommen, so dass hierauf nur teilweise eingegangen wird. Auch kann das Verbinden von Detektorkomponenten mit Hilfe von üblichen Verbindungs- bzw. Bondverfahren erfolgen. Das hier beschriebene Detektorkonzept ist für den Einsatz in Zusammenhang mit bildgebenden Systemen der Medizintechnik vorgesehen. Bei derartigen Systemen werden basierend auf Messsignalen, welche mit Hilfe eines entsprechenden Strahlungsdetektors gewonnen werden, zwei- oder dreidimensionale Bilddaten von Organen und Strukturen des menschlichen Körpers erzeugt .
Zur beispielhaften Veranschaulichung ist in Figur 1 ein Rönt- gensystem 110 dargestellt, welches für die diagnostische und interventionelle Bildgebung eingesetzt werden kann. Das Rönt- gensystem 110 umfasst eine Strahlungsquelle 111 zum Aussenden einer Röntgenstrahlung („Röntgenstrahler"), und einen dazugehörigen, flächig aufgebauten Detektor 100 („Flachdetektor") zum Erfassen der Strahlung. Strahlungsquelle 111 und Detektor 100 sind zueinander gegenüberliegend an den Enden einer ei ¬ förmigen Halteeinrichtung 112 angeordnet. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird diese Anordnung auch als „C-Bogen" oder „C-Arm" bezeichnet. Ein zu untersuchender Patient befindet sich auf einem Patientenlagerungstisch 117, und ist dabei zwischen Strahlungsquelle 111 und Detektor 100 angeordnet. Im Betrieb des Röntgen- systems 110 wird der Körper bzw. ein Körperabschnitt des Pa¬ tienten mit der von der Strahlungsquelle 111 erzeugten Rönt- genstrahlung durchstrahlt, und wird der nicht absorbierte, transmittierte Strahlungsanteil über den Detektor 100 er- fasst .
Die Halteeinrichtung 112 ist des Weiteren an einem mit mehre- ren Achsen bzw. Gelenken versehenen Roboter 113 befestigt, mit dessen Hilfe die Strahlungsquelle 111 und der Detektor 100 in eine gewünschte Position in Bezug auf den Patienten gebracht werden können. Zur Steuerung des Röntgensystems 110 sowie zum Verarbeiten und/oder Auswerten von Messsignalen des Detektors 100, insbesondere zum Erzeugen der gewünschten Bilddaten, weist das Röntgensystem 110 des Weiteren eine Steuer- bzw. Auswerteeinrichtung 114 auf. Diese ist mit einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung bzw. einem Display verbunden, wie in Figur 1 angedeutet ist.
Neben dem Röntgensystem 110 von Figur 1 kann das nachstehend beschriebene Detektorkonzept auch im Zusammenhang mit ande¬ ren, nicht dargestellten bildgebenden Systemen zum Einsatz kommen. In Betracht kommen beispielsweise Systeme mit einem Ringtunnel („gantry"), wie zum Beispiel ein Computertomogra¬ phie-System (CT) . Ein solches System kann einen kreisring- oder kreiszylinderförmigen Detektor und eine rotierbare Röntgenquelle umfassen. Weitere Anwendungsbeispiele mit Ringtun¬ nel sind Positronen-Emissions-Tomographie-Systeme (PET) und Single-Photon-Emissions-Computer-Tomographie-Systeme (SPECT) . Hierbei wird dem zu untersuchenden Patienten ein Radiopharma- kon injiziert, welches entweder direkt (SPECT) oder indirekt (PET) durch Emission von Positronen Gamma-Quanten erzeugt. Diese können ebenfalls mit einem kreisring- oder kreiszylinderförmigen Detektor erfasst werden. Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines zum Detektieren von Strahlungsquanten einsetzbaren Detektorelements 101, welches auf einfache, kostengünstige Wei¬ se und mit kompakten Abmessungen herstellbar ist. Ein Strahlungsdetektor eines bildgebenden Systems, zum Beispiel der Detektor 100 des Systems 110 von Figur 1, kann eine Vielzahl derartiger Detektorelemente 101 umfassen, wobei diese in Form von „Pixeln" matrixartig nebeneinander angeordnet sein können. Hierbei können insbesondere flächige, aber auch kreis¬ ring- bzw. teilkreisringförmige Anordnungen vorliegen. Auf der Grundlage der von den einzelnen Pixeln bzw. Detektorelementen 101 eines Detektors erzeugten Messsignale können die jeweils gewünschten Bilddaten erzeugt werden. Das Detektorelement 101 weist eine Übereinanderanordnung aus einem Szintillator 120, einer Photokathode 130, einer Mikro- kanalplatte 140 mit einer Vielzahl an pixelartig angeordneten Mikrokanälen (vgl. die in Figur 3 angedeuteten Kanäle 145), und einer Erfassungseinrichtung 160 auf. Dabei dient der Szintillator 120 dazu, eine zu detektierende hochenergetische Strahlung in eine niederenergetische (re) Strahlung umzuwandeln, welche ihrerseits in der Photokathode 130 in Elektronen umgesetzt wird. Die von der Photokathode 130 erzeugten Elekt¬ ronen werden auf schnelle Weise in der Mikrokanalplatte 140 vervielfacht, und mit Hilfe der Erfassungseinrichtung 160 bzw. mit Hilfe einer oder mehreren hier vorgesehenen und als Anoden dienenden (Auslese- ) Elektroden („readout päd") aufge- fangen und erfasst. Auf diese Funktionsweise wird weiter un¬ ten in Zusammenhang mit Figur 3 noch näher eingegangen.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, können das Detektorelement 101 und dessen einzelnen Komponenten jeweils (im Wesentli- chen) rechteckige bzw. quaderförmige Formen aufweisen. Auch können die Komponenten des Detektorelements 101 (im Wesentli¬ chen) übereinstimmende laterale Abmessungen besitzen. Anstel¬ le der reckteckförmigen Außenabmessungen bzw. Quaderform (en) sind jedoch auch hiervon abweichende Geometrien möglich. In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass die in Figur 2, aber auch in den anderen Figuren dargestellten Komponenten und deren Abmessungen nicht maßstabsgetreu darge¬ stellt sein können. Beispielsweise ist es möglich, dass der Szintillator 120 abweichend von Figur 2 eine wesentlich grö- ßere Höhe besitzt, welche insbesondere die lateralen Abmes¬ sungen übersteigt, um eine hohe Absorption einer zu detektie- renden einfallenden Strahlung zu erzielen.
Für das Detektorelement 101 können zum Beispiel laterale Ab- messungen im Bereich von mehreren (beispielsweise 3x3) mm vorgesehen sein. Die Anordnung aus Erfassungseinrichtung 160, Mikrokanalplatte 140 und Photokathode 130 kann zum Beispiel eine Höhe im Bereich von 1 mm, und der Szintillator 120 eine Höhe im Bereich von 20 bis 25 mm aufweisen. Diese und auch im Folgenden angeführte Zahlenangaben dienen lediglich zur beispielhaften Veranschaulichung, und können durch andere Werte ersetzt werden.
Eine Funktionsweise des Detektorelements 101 wird im Folgen¬ den anhand der schematischen seitlichen Darstellung von Figur 3 näher erläutert. Das Detektorelement 101 bzw. dessen Szin- tillator 120 ist hierbei vorzugsweise der zu detektierenden Strahlung zugewandt, so dass die Strahlung über eine Vorderseite des Szintillators 120 (nach oben gerichtete Seite in Figur 3) in den Szintillator 120 eintreten bzw. eingekoppelt werden kann. Ein hochenergetisches einfallendes Strahlungs- quant 200 (insbesondere Röntgenquant oder Gammaquant) der zu detektierenden Strahlung kann dabei in dem Szintillator 120 lokal eine Anregung hervorrufen. Die bei diesem Vorgang deponierte bzw. absorbierte Anregungsenergie gibt der als „primä¬ res Wechselwirkungsmaterial" fungierende Szintillator 120 in Form von niederenergetischeren Strahlungsquanten bzw. Photonen 202 wieder ab. Die Anzahl der emittierten Photonen 202 kann dabei proportional zur ursprünglichen Energie des mit dem Szintillatormaterial wechselwirkenden Strahlungsquants 200 sein. Auf den hierbei stattfindenden Szintillationsmecha- nismus wird nicht näher eingegangen. Bei der von dem Szintil¬ lator 120 ausgesendeten Szintillationsstrahlung kann es sich insbesondere um sichtbares oder ultraviolettes Licht handeln.
Die von dem Szintillator 120 ausgesendeten Szintillationspho- tonen 202 (bzw. ein Teil derselben, welche an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Szintillators 120 austreten) können mit der Photokathode 130 wechselwirken, wodurch freie Elektronen 204 erzeugt werden. Grundlage hierfür ist der photoelektrische Effekt. Die Photokathode 130 kann für jedes auftreffende bzw. absorbierte Photon 202 ein Photo¬ elektron 204 emittieren. Die mit Hilfe der Photokathode 130 erzeugten Elektronen 204 können des Weiteren lawinenartig in der Mikrokanalplatte 145 vervielfacht werden. Die Mikrokanalplatte 145 weist einen plattenförmigen Grundkörper auf, welcher von einer Vielzahl (zum Beispiel einigen tausend) mikroskopisch feiner Kanäle
145 durchsetzt ist. Die Kanäle 145, welche laterale Abmessun¬ gen bzw. einen Durchmesser im Bereich von beispielsweise 10 ym (oder auch kleiner) aufweisen können, können in einem engen Abstandsraster pixelartig zueinander angeordnet, und zu- einander parallel verlaufend ausgebildet sein. Im Betrieb wird zwischen den Hauptflächen bzw. Hauptseiten, d.h. zwischen Vorder- und Rückseite der Mikrokanalplatte 145, zwi¬ schen denen sich auch die Kanäle 145 erstrecken, eine elektrische Spannung (Beschleunigungsspannung) angelegt, wodurch ein elektrisches Feld entlang der Kanäle 145 vorliegt.
Ein von der Photokathode 130 emittiertes und an der Vorder¬ seite der Mikrokanalplatte 140 in einen Kanal 145 eintreten¬ des Elektron 204 (Primärelektron) wird infolge des elektri- sehen Feldes in Richtung der Rückseite der Mikrokanalplatte 140 und damit in Richtung der Erfassungseinrichtung 160 bzw. der hier vorgesehenen Elektrode (n) bewegt bzw. beschleunigt. Die kleinen lateralen Abmessungen der Kanäle 145 bewirken hierbei, dass das Elektron 204 bei dieser Bewegung mehrfach an die Wand des Kanals 145 stoßen kann. Bei jedem Stoß kann das Primärelektron 204 aus der Kanalwand weitere Elektronen 204 (Sekundärelektronen) herauslösen bzw. herausschlagen. Auch die Sekundärelektronen 204 können innerhalb des Kanals 145 beschleunigt und durch Stöße mit der Kanalwand weitere (Sekundär-) Elektronen 204 freisetzen. Dieser Vorgang setzt sich über die Länge des Kanals 145 fort, und ist daher mit einer lawinen- bzw. kaskadenartigen Zunahme von Elektronen 204 verbunden. Die gemäß dieses Prozesses in den Kanälen 145 der Mikrokanal¬ platte 140 vervielfachten Elektronen 204 (im Folgenden auch als „Elektronenschauer" oder „Elektronenwolke" bezeichnet) treffen nach Austritt aus der Mikrokanalplatte 140 an deren Rückseite auf die Erfassungseinrichtung 160 bzw. die hier vorgesehene (n) Elektrode (n) , und werden somit von der Erfas¬ sungseinrichtung 160 erfasst. Hierbei kann ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal (zum Beispiel Spannungsabfall über einen Widerstand) erzeugt werden, welches abhängig ist von der Anzahl bzw. Gesamtladung der in der Erfassungseinrichtung 160 aufgesammelten Elektronen 204.
Bei dem gemäß dieser Prozesskette arbeitenden Detektorelement 101 kann ein relativ lineares Detektionsverhalten vorliegen. Dies bedeutet, dass die die Erfassungseinrichtung 160 errei¬ chende Gesamtladung und damit ein hierauf basierendes Aus¬ gangssignal im Wesentlichen proportional ist zu der Energie des mit dem Szintillator 120 wechselwirkenden Strahlungsquants 200. Dies wird insbesondere durch die Mikrokanalplatte 140 bzw. deren raster- bzw. pixelartigen Aufbau begünstigt. Hierbei können die einzelnen Kanäle 145 jeweils im Wesentli¬ chen den gleichen Verstärkungs- bzw. Elektronenvervielfa¬ chungsfaktor aufweisen, so dass ein lineares Verhältnis zwischen der Anzahl der mit der Photokathode 130 wechselwirkenden Szintillationsphotonen 202 und der mit der Erfassungseinrichtung 160 erfassten Gesamtladung besteht. Das mit Hilfe der Mikrokanalplatte 140 ermöglichte lineare Verhalten des Detektorelements 101 begünstig auch das Erzielen einer hohen Energieauflösung .
Der Einsatz der Mikrokanalplatte 140 führt des Weiteren dazu, dass sich das Detektorelement 101 durch einen geringen
Rauschanteil sowie eine geringe Dunkelrate auszeichnet. Dies liegt daran, dass das Hervorrufen von Elektronenlawinen in den Kanälen 145 der Mikrokanalplatte 140 und damit das Erzeu¬ gen eines entsprechenden Signals in der Erfassungseinrichtung 160 (im Wesentlichen) nur dann stattfindet, wenn der Szintil- lator 120 eine Strahlung aussendet und die Photokathode 130 unter Einwirkung der Szintillationsstrahlung Photoelektronen 204 erzeugt. Die Mikrokanalplatte 140 kann beispielsweise ei¬ ne Dunkelrate unterhalb von 1 Zählereignis/cm2/s aufweisen.
Die Mikrokanalplatte 140 kann ferner mit relativ kleinen Ab- ständen zwischen den einzelnen Kanälen 145, und infolgedessen mit einer hohen Porosität ausgebildet sein. In Betracht kommt zum Beispiel ein Porositätswert im Bereich von 90% oder auch mehr. Hiermit verbunden ist ein entsprechend hoher Füllfaktor, welcher beinahe 100% erreichen kann, und damit eine hohe Effizienz bei der Vervielfachung der mit Hilfe der Photokathode 130 erzeugten Elektronen 204. Der Füllfaktor der Mikrokanalplatte 140 kann denjenigen eines herkömmlichen Silizium- Photomultipliers bei weitem übertreffen.
Im Hinblick auf den oben beschriebenen Elektronenvervielfa- chungsprozess kann in einem „aktivierten" Kanal 145 der Mikrokanalplatte 140 zwar für eine gewisse Zeitdauer bzw. Tot¬ zeit keine Vervielfachung eines weiteren in den Kanal 145 eintretenden Elektrons 204 stattfinden. Das Ermöglichen eines (weiteren) Herausschlagens von ( Sekundär- ) Elektronen 204 erfordert zunächst, dass der durch das Herausschlagen „entlade¬ ne" Kanal 145 bzw. dessen Kanalwand wieder mit Elektronen aufgeladen wird. Bei der oben beschriebenen (möglichen) hohen Porosität bzw. einer hohen Anzahl an Kanälen mit kleinen lateralen Abmessungen und kleinen Abständen kann dieser Effekt jedoch vernachlässigt werden, da die Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines Elektrons 204 in einen (bereits) aktivierten Kanal sehr gering ist. Die hier sowie im Folgenden in Bezug auf ein einzelnes Detek¬ torelement 101 beschriebenen Aspekte und Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für einen aus mehreren derartigen Detektorelementen 101 aufgebauten Detektor, zum Beispiel den Detektor 100 des Röntgensystems 110 von Figur 1.
Für die Komponenten des anhand der Figuren 2 und 3 beschrie¬ benen Detektorelements 101 können aus der Halbleiter- und De- tektortechnik bekannte Materialien verwendet werden. Im Hinblick auf die Mikrokanalplatte 140 richtet sich eine entspre¬ chende Ausgestaltung danach, dass einerseits die im Betrieb zwischen Vorder- und Rückseite der Mikrokanalplatte 140 an- liegende Spannung zu keinem Stromfluss zwischen diesen beiden Seiten führt. Andererseits soll das oben beschriebene Wieder¬ aufladen eines aktivierten Kanals 145 vorzugsweise in einer möglichst geringen Zeitdauer stattfinden. Zu diesem Zweck kann die Mikrokanalplatte 140 beispielsweise in Form eines mit den Mikrokanälen 145 versehenen Halbleitersubstrats, insbesondere Silizium-Substrats, ausgebildet sein, welches gegebenenfalls mit einer (schwachen) Dotierung verse¬ hen ist. Die hierbei vorliegende Leitfähigkeit bietet die Möglichkeit, dass das Wiederaufladen der Kanäle 145 nach ei¬ ner Elektronenvervielfachung in einer Zeitdauer im Nanosekun- denbereich erfolgen kann. Darüber hinaus wird auch eine relativ einfache Herstellung der Mikrokanalplatte 140 mit den oben beschrieben Eigenschaften (pixelartige Anordnung von Ka- nälen 145, hohe Porosität) ermöglicht, wobei lithographische Strukturierungs- und Ätztechniken zum Einsatz kommen können.
Die Mikrokanalplatte 140 kann des Weiteren derart ausgebildet sein, dass die Mikrokanalplatte 140 neben einem Grund- oder Ausgangsmaterial, insbesondere einem Halbleitermaterial wie Silizium, zusätzlich noch weitere Materialien bzw. Schichten umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, innerhalb der Ka¬ näle 145 bzw. an den Kanalwänden eine dünne Beschichtung mit hoher Sekundärelektronenemission auszubilden, um die Elektro- nenvervielfachung durch Wandstöße zu begünstigen (nicht dargestellt) . Eine solche Beschichtung kann zum Beispiel aus ei¬ nem metallischen Material gebildet sein. Möglich ist es auch, dass die Mikrokanalplatte 140 im Bereich der Kanäle 145 bei¬ spielsweise zusätzlich eine isolierende Schicht wie zum Bei- spiel eine Oxidschicht umfasst, auf welcher eine Schicht mit hoher Sekundärelektronenemission angeordnet ist (nicht dargestellt) . Des Weiteren kann die Mikrokanalplatte 140 gegebenenfalls zu¬ sätzlich an Vorder- und/oder Rückseite mit einer leitfähigen bzw. metallischen Schicht versehen sein, über welche elektri- sehe Potentiale und damit eine Beschleunigungsspannung an die Mikrokanalplatte 140 angelegt werden können. An der Vorder¬ seite kann dies durch eine direkte Anordnung der Photokathode 130 auf der Mikrokanalplatte 140 erfolgen. Im Bereich der Rückseite kann anstelle einer Schicht bzw. Beschichtung der Mikrokanalplatte 140 auch vorgesehen sein, dass die als Ano¬ de (n) dienende (n) Elektrode (n) der Erfassungseinrichtung 160 an die Mikrokanalplatte 140 angrenzen bzw. mit dieser verbunden sind. Bei Verwendung von Silizium als (Grund- ) Material für die Mikrokanalplatte 140 erweist sich ferner dessen relativ hohe Schmelztemperatur (ca. 1420 °C) als günstig. Hierdurch wird eine hohe Flexibilität im Hinblick auf mögliche Beschich- tungsmaterialien erzielt. Insbesondere sind Materialien ein- setzbar, welche mit Hilfe von Hochtemperaturtechniken bzw. mit Hilfe von bei hohen Temperaturen durchgeführten Depositions- bzw. Beschichtungsverfahren auf der Mikrokanalplatte 140 ausgebildet werden können. Dies trifft insbesondere auf den oben angedeuteten, möglichen Fall der direkten Anordnung der Photokathode 130 in Form einer Schicht auf der Mikrokanalplatte 140 zu, was weiter unten im Zusammenhang mit dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel (Photokathode 131 auf Mikrokanalplatte 142) noch näher beschrieben wird. Die Verwendung von Silizium für die Mikrokanalplatte 140 ermöglicht hierbei, dass für die Photokathode 130 eine Vielzahl unterschiedlicher (und gegebenenfalls mit Hilfe von Hochtemperatur- bzw. Beschichtungstechniken ausgebildeter) Materialien zur Verfügung stehen. Mögliche Photoka- thodenmaterialien sind zum Beispiel Csl, CsTe, Cs3Sb, Diamant und GaN. Für den Szintillator 120 kommt die Verwendung eines anorganischen Materials bzw. eines Kristalls in Betracht. Vorzugswei¬ se handelt es sich hierbei um einen „schnellen" Szintillator 120, bei welchem der Szintillationsmechanismus, d.h. die Um- setzung der einfallenden hochenergetischen Strahlung in Szin- tillationsstrahlung in einer geringen Zeitdauer stattfindet. Ein hierfür in Betracht kommendes Material ist zum Beispiel CsF oder LSO. Der Szintillator 120 und die Photokathode 130 bzw. deren Ma¬ terialien sind derart aufeinander abgestimmt, dass die von dem Szintillator 120 kommende Szintillationsstrahlung in der Photokathode 130 in freie Elektronen umgesetzt werden kann. Die oben beschriebene hohe Vielfalt einsetzbarer Photokatho- denmaterialien hat zur Folge, dass auch für den Szintillator 120 ein Reihe unterschiedlicher Szintillatormaterialien zur Verfügung stehen. Hierbei kann abhängig von dem jeweils ausgewählten Szintillatormaterial (bzw. von der Wellenlänge oder dem Wellenlängenbereich der jeweils erzeugten Szintillati- onsstrahlung) ein hieran angepasstes Photokathodenmaterial vorgesehen werden.
Auch für die Erfassungseinrichtung 160 sind eine Reihe unterschiedlicher Ausgestaltungen möglich. Die Erfassungseinrich- tung 160 kann zum Beispiel wie die Mikrokanalplatte 140 in Form eines Halbleiter- bzw. Siliziumsubstrats ausgebildet sein. Auf diese Weise kann zum Verbinden dieser beiden Komponenten 140, 160 ein aus der Halbleitertechnik bekanntes Bondverfahren durchgeführt werden, wie weiter unten mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele der Figuren 8 bis 11 noch näher be¬ schrieben wird. Im Hinblick auf das Erfassen der mit der Mikrokanalplatte 140 vervielfachten Elektronen kann die Erfassungseinrichtung 160 beispielsweise eine einzelne bzw. gro߬ flächige Elektrode aufweisen (nicht dargestellt) , welche für das Auffangen von Elektronenschauern sämtlicher Kanäle 145 der Mikrokanalplatte 140 vorgesehen ist. Die schematische AufSichtsdarstellung des Detektorelements 101 von Figur 4 zeigt eine hierzu alternative Ausgestaltung. Dabei ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung 160 eine Mehrzahl an Elektroden 161 aufweist, wobei die Elektroden 161, wie in Figur 4 anhand einer einzelnen Zeile angedeutet ist, pixelartig bzw. matrixförmig in Form von Zeilen und Spalten nebeneinander angeordnet sein können. Jede Elektrode 161 kann hierbei zum Auffangen von Elektronen mehrerer Kanäle 145 vorgesehen sein, wie in Figur 4 anhand der links angeord- neten und vier Kanälen 145 zugeordneten Elektrode 161 veranschaulicht ist. Abweichend von Figur 4 kann eine einzelne Elektrode 161 auch einer anderen Anzahl an Kanälen 145, oder auch nur einem Kanal 145 zugeordnet sein. Das Vorsehen von mehreren Elektroden 161 in bzw. auf der Erfassungseinrichtung 160 des Detektorelements 101 ermöglicht es, nicht nur die Energie eines mit dem Szintillator 120 wechselwirkenden Strahlungsquants 200, sondern auch den (lateralen) Ort der Wechselwirkung in dem Szintillator 120 zu erfassen. Mit Hilfe der mehreren Elektroden 161 kann der Ladungsschwerpunkt der von der Mikrokanalplatte 140 kommenden Elektronenwolke bestimmt werden, welcher von dem Wechselwirkungsort des Strahlungsquants 200 in dem Szintillator 120 ab¬ hängig sein kann. Das Detektorelement 101 und somit auch ein Detektor mit einer Mehrzahl derartig aufgebauter Detektorelemente 101 eines bildgebenden Systems können auf diese Weise gegebenenfalls eine relativ hohe Ortsauflösung aufweisen.
Eine weitere mögliche Variante ist eine Ausgestaltung der Er- fassungseinrichtung 160 in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung („application specific integrated cir- cuit", ASIC) . Auf diese Weise kann die Erfassungseinrichtung 160 nicht nur zum Erfassen einer Gesamtladung einer Elektronenlawine bzw. zum Erzeugen eines hierauf basierenden Aus- gangssignals , sondern auch zur (wenigstens teilweisen) Aufarbeitung bzw. Auswertung derselben ausgebildet sein. Neben einem Verstärken einer erfassten, ausgelesenen Gesamtladung bzw. eines Ausgangssignals können hierbei Vorgänge wie zum Beispiel eine Signaldiskriminierung mit einem Komparator, eine Signalintegration, eine Pulsformung, ein Zählen von erzeugten Ausgangssignalen bzw. ein „Photonenzählen" usw.
durchgeführt werden.
Insbesondere eine Ausgestaltung der Erfassungseinrichtung 160 in Form eines Halbleitersubstrats oder ASIC-Schaltkreises bietet die Möglichkeit, die Erfassungseinrichtung 160 zusam- men mit der Mikrokanalplatte 140 (und gegebenenfalls der Pho¬ tokathode 130 bei einer Anordnung derselben auf der Mikroka¬ nalplatte 140) auf „Waferebene" zu einem integrierten Bauteil bzw. einem „monolithic package" zu verbinden. Ein solches Bauteil kann besonders kompakt ausgestaltet sein und sich durch minimale Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten auszeichnen.
Anhand der folgenden Figuren werden weitere mögliche Ausges¬ taltungen eines Detektorelements 101 bzw. von Komponenten ei- nes solchen Detektorelements 101 beschrieben. Dabei wird dar¬ auf hingewiesen, dass im Hinblick auf bereits beschriebene Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Aspekte und Komponenten, eine Funktionsweise, einsetzbare Ma¬ terialien, eine mögliche Verwendung von Beschichtungen und Kanalbeschichtungen, Größenabmessungen, mögliche Vorteile usw. beziehen, auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Figur 5 zeigt eine schematische seitliche Darstellung eines Detektorelements 101, welches im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie das in Figur 3 gezeigte Detektorelement 101 auf¬ weist. Hierbei ist eine Mikrokanalplatte 141 (vorzugsweise erneut aufweisend ein Halbleitermaterial wie Silizium) vorge¬ sehen, deren Kanäle 145 schräg verkippt gegenüber einer Nor- male einer durch die Mikrokanalplatte 141 (bzw. durch deren Vorder- und/oder Rückseite) vorgegebenen Ebene angeordnet sind. Dabei kann zum Beispiel ein Winkel in einem Bereich von 10° zwischen der Plattennormale und einer Längsachse der Ka¬ näle 145 vorgesehen sein.
Die verkippte Ausgestaltung der Kanäle 145 der Mikrokanal- platte 141 hat zur Folge, dass die von der Photokathode 130 kommenden Elektronen 204 zuverlässig und insbesondere unab¬ hängig von deren Eintrittswinkel beim Eintreten in die Kanäle 145 mehrfach an die Kanalwände stoßen und infolgedessen weitere Elektronen 204 freisetzen können, wobei die Elektronen 204 erneut von einer Erfassungseinrichtung 160 mit (vorzugsweise) mehreren Elektroden 161 erfasst werden können. Ein „Hindurchfallen" eines Primär-Elektrons 204 durch einen Kanal 145 ohne Wandkontakt und damit ohne Elektronenvervielfachung kann somit vermieden werden. Hiermit verbunden ist eine hohe Zuverlässigkeit und Homogenität der Elektronenvervielfachung. Eine solche verkippte Ausgestaltung von Mikrokanälen kann auch für die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein. Figur 6 zeigt eine schematische seitliche Darstellung eines weiteren Detektorelements 101 mit einer Mikrokanalplatte 142, welche vorzugsweise ein Halbleitermaterial wie insbesondere Silizium aufweist. Auf einer Seite bzw. Vorderseite der Mik¬ rokanalplatte 142, welche einem Szintillator 120 (insbesonde- re dessen Rückseite) gegenüberliegt, ist eine Photokathode
131 angeordnet. Die in Form einer durchgehenden Schicht aus¬ gebildete Photokathode 131 weist Öffnungen 135 auf, über wel¬ che Kanäle 145 der Mikrokanalplatte 142 freigelegt sind. Wie oben angedeutet wurde, kann über die Photokathode 131 ein entsprechendes elektrisches Potential an die Vorderseite der Mikrokanalplatte 142 angelegt werden.
Die Photokathode 131 stellt eine sogenannte Reflexionsphoto¬ kathode 131 dar, welche Photoelektronen von derselben Seite emittiert, auf welcher auch die von dem Szintillator 120 kommende Strahlung auftrifft. Die von der Photokathode 131 emit¬ tierten Elektronen können über die Öffnungen 135 der Photoka- thode 131 in die Kanäle 145 der Mikrokanalplatte 142 gelan¬ gen, und wie oben beschrieben in den Kanälen 145 vervielfacht und nachfolgend von einer Erfassungseinrichtung 160 erfasst werden. Im Hinblick auf eine solche reflektive Funktionsweise kann die Photokathode 131 massiv und mit einer relativ großen Dicke bzw. Schichtdicke ausgebildet sein. Dies führt zu einer hohen Zuverlässigkeit und Effizienz bei der mittels der Pho¬ tokathode 131 verwirklichten Umsetzung der von dem Szintilla- tor 120 ausgesendeten Strahlung in Photoelektronen.
Wie des Weiteren in Figur 6 angedeutet ist, weist die Mikro¬ kanalplatte 142 an der dem Szintillator 120 gegenüberliegenden Seite eine strukturierte Oberfläche mit Erhebungen 147 zwischen den Kanälen 145 auf. Die Erhebungen 147 besitzen ei- ne sich in Richtung des Szintillators 120 verkleinernde Form bzw. Kontur, und sind beispielsweise trapez- oder tetraeder- förmig ausgebildet. Auf dieser Seite der Mikrokanalplatte 142, d.h. auf den Erhebungen 147 und auf schräg verlaufenden Abschnitten in einem Randbereich der Mikrokanalplatte 142, ist auch die reflektiv arbeitende Photokathode 131 angeord¬ net. Die Photokathode 131 weist hierbei eine entsprechend strukturierte bzw. profilierte (Oberflächen- ) Form, und damit eine vergrößerte Oberfläche auf. Auf diese Weise kann eine effiziente Umsetzung der auf die Photokathode 131 auftreffen- den Szintillationsstrahlung in Elektronen weiter begünstigt werden .
Figur 7 zeigt eine schematische seitliche Darstellung eines weiteren Detektorelements 101, welches eine Mikrokanalplatte 143 mit einer innerhalb der Mikrokanalplatte 143 angeordneten zusätzlichen Elektrode 153 aufweist. Die als Dynode wirkende Elektrode 153 bietet die Möglichkeit, bei einem Auftreffen von Elektronen ebenfalls ein Freisetzen von Elektronen hervorzurufen. Vorzugsweise weist die Elektrode 153 ein Material mit hoher Sekundärelektronenemission, beispielsweise ein metallisches Material, auf. Zum Bereitstellen einer solchen internen Elektrode 153 ist die Mikrokanalplatte 143 aus zwei gestapelt bzw. übereinander angeordneten Teilplatten 150, 151 aufgebaut. Die Teilplatten 150, 151 können jeweils in Form eines Halbleiter- bzw. Sili- zium-Substrats ausgebildet sein, und weisen miteinander fluchtende Kanäle 155, 158 auf. Beide Teilplatten 150, 151 können durch ein aus der Halbleitertechnik bekanntes Bondverfahren miteinander verbunden sein. Die untere Teilplatte 150 weist an der an die obere Teilplat¬ te 151 angrenzenden Seite bzw. Vorderseite eine strukturierte Oberfläche mit Erhebungen 156 zwischen den Kanälen 155 auf. Die Erhebungen 156 besitzen eine sich in Richtung der oberen Teilplatte 151 verengende Form, beispielsweise eine Trapez- oder Tetraederform. Auf dieser Seite der Teilplatte 150, d.h. auf den Erhebungen 156 und auf schräg verlaufenden Abschnit¬ ten in einem Randbereich der Teilplatte 150, ist auch die in Form einer durchgehenden Schicht vorliegende Elektrode 153 ausgebildet, welche daher eine entsprechend strukturierte bzw. profilierte (Oberflächen- ) Form besitzt. Die Elektrode 153 weist ferner Öffnungen 154 auf, über welche die Kanäle 155 der unteren Teilplatte 150 freigelegt sind, so dass
(freigesetzte) Elektronen in die Kanäle 155 eintreten können. Die obere Teilplatte 151 weist an einer einem Szintillator 120 (bzw. dessen Rückseite) gegenüberliegenden Seite bzw. Vorderseite die oben im Zusammenhang mit Figur 6 beschriebene Struktur (strukturierte Oberfläche mit Erhebungen 147, Photo¬ kathodenschicht 131) auf. Ferner sind die Kanäle 158 der obe- ren Teilplatte 151 in Richtung der Rückseite und damit in
Richtung der Elektrode 153 verbreitert bzw. aufgeweitet aus¬ gebildet. Hierdurch wird eine Verdeckung der Elektrode 153 vermieden, so dass in den Kanälen 158 der oberen Teilplatte 151 in Richtung der Elektrode 153 beschleunigte Elektronen auch zu dieser gelangen können. Im Betrieb des Detektorelements 101 von Figur 7 wird ein elektrisches Potential (über eine nicht dargestellte An¬ schlussstruktur) an die Elektrode 153 angelegt, dessen Größe zwischen den Größen der an Vorder- und Rückseite der Mikroka- nalplatte 143 anliegenden Potentialen liegt. Auf diese Weise können in den Kanälen 158 der oberen Teilplatte 151 befindliche bzw. vervielfachte Elektronen zu der Elektrode 153 be¬ schleunigt werden und auf dieser unter Herausschlagen weiterer Elektronen auftreffen. Über die Öffnungen 154 der Elekt- rode 153 können die Elektronen in die Kanäle 155 der unteren Teilplatte 150 eintreten, hier weitere Elektronen freisetzen und weiter zu einer Erfassungseinrichtung 160 gelangen. Durch den Einsatz der Elektrode 153 kann neben der an Kanalwänden stattfindenden Elektronenvervielfachung eine zusätzliche Elektronenvervielfachung hervorgerufen werden.
Anstelle der in Figur 7 gezeigten Ausgestaltung der Mikrokanalplatte 143 mit zwei gestapelten Teilplatten 150, 151 und einer einzelnen internen Elektrode 153 sind alternative und gemäß dieses Ansatzes aufgebaute Mikrokanalplatten vorstell¬ bar, welche ebenfalls aus gestapelten Teilplatten aufgebaut sind, jedoch mehrere (übereinander angeordnete) interne E- lektroden umfassen. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass das Vorsehen von Teilplatten und einer oder mehreren in- fernen Elektroden auch bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen in Betracht kommen kann.
Die oben beschriebene Funktionsweise eines Detektorelements 101 erfordert das Vorliegen einer evakuierten Atmosphäre bzw. eines Vakuums (zumindest) in demjenigen Bereich, in welchem freie Elektronen vorliegen, d.h. insbesondere in den Kanälen einer Mikrokanalplatte 140, 141, 142, 143 sowie am vordersei¬ tigen Eingangs- und rückseitigen Ausgangsbereich der betreffenden Mikrokanalplatte 140, 141, 142, 143 bzw. im Bereich einer zugehörigen Photokathode 130, 131 und einer Erfassungs¬ einrichtung 160. Zu diesem Zweck kann in Betracht kommen, entsprechende Abdichtungen der Mikrokanalplatte 140, 141, 142, 143 im Bereich von deren Vorder- und Rückseite vorzusehen. Die kann an der Vorderseite mit Hilfe eines zusätzlichen Zwischenverbindungselements, und an der Rückseite über eine Erfassungseinrichtung 160 erfolgen. Eine in dieser Hinsicht mögliche bzw. bevorzugte Ausgestaltung wird im Folgenden näher erläutert.
Figur 8 zeigt eine schematische seitliche Darstellung von Komponenten eines weiteren Detektorelements 101, und Figur 9 veranschaulicht eine seitliche Darstellung des durch Verbin¬ den dieser Komponenten aufgebauten Detektorelements 101. Das Detektorelement 101 umfasst eine, vorzugsweise ein Halblei¬ termaterial wie insbesondere Silizium aufweisende Mikrokanal¬ platte 142 mit der anhand von Figur 6 beschriebenen Struktur, d.h. mit einer strukturierten Vorderseite mit Erhebungen und mit einer auf der Vorderseite angeordneten Reflexionsphotoka- thodenschicht 131. Darüber hinaus ist an der Vorderseite der Mikrokanalplatte 142 und damit zwischen der Mikrokanalplatte 142 und einem Szintillator 120 des Detektorelements 101 ein Zwischenverbindungselement 170 vorgesehen. Das als Eintritts¬ fenster dienende Zwischenverbindungselement 170 ist durchläs¬ sig für die von dem Szintillator 120 (an dessen Rückseite) ausgesendete Strahlung. Die Szintillationsstrahlung kann somit zu der Photokathode 131 gelangen, wodurch die Photokatho- de 131 wie oben beschrieben Elektronen emittiert, welche in den Kanälen 145 der Mikrokanalplatte 142 vervielfacht und von einer Erfassungseinrichtung 160 erfasst werden können. Für das plattenförmige Zwischenverbindungselement 170 kommt zum Beispiel ein Glasmaterial in Betracht.
Das Zwischenverbindungselement 170, auf welchem der Szintil¬ lator 120 angeordnet bzw. „gebondet" ist, wird zum Abdichten der Mikrokanalplatte 142 an deren Vorderseite eingesetzt. Zu diesem Zweck ist am umlaufenden Rand der Mikrokanalplatte 142, welcher über den mit der Photokathode 131 versehenen Bereich der Mikrokanalplatte 142 hervorsteht, eine hermetisch dichte Verbindung mit dem Zwischenverbindungselement 170 her¬ gestellt.
Hierzu ist zum Beispiel, wie in Figur 9 dargestellt ist, im Randbereich der Mikrokanalplatte 142 eine Schicht 185 ausge¬ bildet, welche an die Photokathodenschicht 131 angrenzt bzw. mit dieser verbunden ist. In diesem Bereich ist eine weitere Verbindungsschicht 182 vorgesehen, über welche das Zwischen¬ verbindungselement 170 mit der Mikrokanalplatte 142 bzw. mit deren Schicht 185 verbunden ist. Die Schichten 182, 185 weisen elektrisch leitfähige bzw. metallische Materialien auf, und sind zum Beispiel durch Durchführen eines eutektischen Bondprozesses oder eines Thermokompressionsbondprozesses mit¬ einander verbunden. Dabei können die Schichten 182, 185 auch in Form einer gemeinsamen Schicht bzw. eutektischen Legierung vorliegen. Anstelle des Einsatzes von zwei Schichten 182, 185 ist alternativ auch die Verwendung von nur einer die Mikrokanalplatte 142 mit dem Zwischenverbindungselement 170 verbin¬ denden Schicht möglich.
Eine hermetisch dichte und umlaufende Verbindung ist ferner in einem Randbereich an der Rückseite der Mikrokanalplatte 142 zu der Erfassungseinrichtung 160 des Detektorelements 101 hergestellt, wie anhand einer weiteren Verbindungsschicht 181 angedeutet ist. Auch hierbei kann es sich um eine im Rahmen eines der oben genannten Bondprozesse verwendete bzw. ausge¬ bildete Schicht handeln, welche gegebenenfalls aus mehreren Schichten bzw. Materialien zusammengesetzt sein kann. Unabhängig von dem jeweils durchgeführten Verbindungsprozess wird das Herstellen zumindest einer Verbindung, d.h. einerseits zwischen Mikrokanalplatte 142 und Zwischenverbindungselement 170 und andererseits zwischen Mikrokanalplatte 142 und Erfas¬ sungseinrichtung 160, in einer evakuierten Umgebung durchgeführt, wodurch auch im Bereich der Mikrokanalplatte 142 ein entsprechendes Vakuum eingestellt werden kann. Wie des Weiteren in Figur 9 dargestellt ist, kann an dem Zwischenverbindungselement 170, insbesondere an dessen Seite, ein Anschluss 187 ausgebildet sein. Dieser ist über die leit¬ fähigen Schichten 182, 185 weiter elektrisch mit der Photoka- thode 131 verbunden. Über den Anschluss 187 kann ein elektrisches Potential, insbesondere ein Hochspannungspotential, an die Photokathode 131 und damit an die Vorderseite der Mikro- kanalplatte 142 angelegt werden. Ein hieran angepasstes Ge¬ genpotential kann beispielsweise über die Erfassungseinrich- tung 160 und die Verbindungsschicht 181 an die Rückseite der Mikrokanalplatte 142 bzw. an eine hier vorgesehene (nicht dargestellte) leitfähige Schicht angelegt werden.
In Figur 9 ist ferner angedeutet, dass die Erfassungseinrich- tung 160, welche vorzugsweise in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung mit insbesondere mehreren Elektroden 161 ausgebildet ist, Durchkontaktierungen 165 („through Silicon via", TSV) aufweisen kann. Hierdurch können (gegebenenfalls aufgearbeitete) Signale zu entsprechenden Kontaktstellen oder -flächen (nicht dargestellt) an der Unterseite der Erfassungseinrichtung 160 übertragen, und hier abgegriffen werden. Zur beispielhaften Veranschaulichung ist in Figur 9 ferner eine Leiterplatte 190 dargestellt, welche mit der Erfassungseinrichtung 160 bzw. mit deren unterseiti- gen Kontaktstellen über Lotkugeln 192 verbunden ist. Im Hinblick auf einen aus einer Mehrzahl an Detektorelementen 101 zusammengesetzten Detektor können mehrere Detektorelemente 101 gemäß dieses Aufbaus nebeneinander auf einer gemeinsamen Leiterplatte 190 angeordnet sein.
Bei einem Detektorelement kann anstelle einer Reflexionspho¬ tokathode auch eine transmittiv arbeitende Photokathode, auch als semitransparente Photokathode bzw. Transmissionsphotoka¬ thode bezeichnet, vorgesehen sein. Eine solche Ausgestaltung kommt ebenfalls bei Verwendung eines Zwischenverbindungsele¬ ments in Betracht. Eine in dieser Hinsicht mögliche bzw. be¬ vorzugte Ausführungsform wird im Folgenden näher erläutert. Figur 10 zeigt eine schematische seitliche Darstellung von Komponenten eines weiteren Detektorelements 101, und Figur 11 veranschaulicht eine seitliche Darstellung des durch Verbin- den dieser Komponenten aufgebauten Detektorelements 101. Dieses weist einen Aufbau vergleichbar zu dem Ausführungsbei¬ spiel der Figuren 8, 9 auf, so dass im Hinblick auf Details zu übereinstimmenden Komponenten und Aspekten auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Das Detektorelement 101 von Figur 11 umfasst eine vorzugswei¬ se aus einem Halbleitermaterial wie insbesondere Silizium ausgebildete und mit Kanälen 145 versehene Mikrokanalplatte 144, welche an der Rückseite über eine Verbindungsschicht 181 mit einer Erfassungseinrichtung 160 verbunden ist. An der Vorderseite ist die Mikrokanalplatte 144 über eine Verbin¬ dungsschicht 182 mit einem als Eintrittsfenster dienenden Zwischenverbindungselement 170 verbunden, auf welchem ferner ein Szintillator 120 angeordnet ist.
Auf der der Vorderseite der Mikrokanalplatte 144 gegenüber¬ liegenden Seite des Zwischenverbindungselements 170 ist eine transmittiv arbeitende, schichtförmige Photokathode 132 ange¬ ordnet. Die von dem Szintillator 120 kommende Strahlung kann hierbei das Zwischenverbindungselement 170 durchdringen und auf der Photokathode 132 auftreffen. Hierauf basierend emit¬ tiert die semitransparente Photokathode 132 Elektronen von einer dem Strahlungseintritt bzw. der bestrahlten Seite gege¬ nüberliegenden Seite. Die von der Photokathode 132 emittier- ten Elektronen können wiederum in den Kanälen 145 der Mikrokanalplatte 144 vervielfacht, und von der Erfassungseinrich¬ tung 160 erfasst werden.
Das Zwischenverbindungselement 170 ist auch in dieser Ausges- taltung mit einem Anschluss 187 versehen, welcher über die Verbindungsschicht 182 elektrisch mit der Photokathode 132 und mit der Vorderseite der Mikrokanalplatte 144 (bzw. einer hier gegebenenfalls vorgesehenen leitfähigen Beschichtung) verbunden ist. Da die Photokathode 132 nicht auf der Vorder¬ seite der Mikrokanalplatte 144 angeordnet ist, weist die Mik¬ rokanalplatte 144 an dieser Stelle auch keine Erhebungen zwi- sehen den Kanälen 145 auf.
Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsfor- men sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen und/oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen umfassen können. Auch können die anhand der Figuren erläuterten Detektoren bzw. Detektorelemente neben den gezeigten und beschriebenen Strukturen auch weitere, nicht dar- gestellte Strukturen umfassen.
Des Weiteren ist es möglich, für ein Detektorelement bzw. dessen Komponenten andere als die oben angegebenen Materialien zu verwenden, sowie ein Detektorelement bzw. dessen Kom- ponenten mit anderen Geometrien und Abmessungen auszubilden. Im Hinblick auf alternative Materialien kann zum Beispiel anstelle eines Halbleitermaterials bzw. anstelle von Silizium ein Glasmaterial (als Grundmaterial) für eine Mikrokanalplat¬ te in Betracht kommen.
In Bezug auf das Ausführungsbeispiel von Figur 6 besteht eine mögliche Abwandlung der hier gezeigten Mikrokanalplatte 142 darin, keine strukturierte Vorderseite bzw. keine Erhebungen 147 vorzusehen. Auf diese Weise kann die auf der Mikrokanal- platte 142 angeordnete Photokathode 131 in Form einer ebenen Schicht vorliegen.
Die Verwendung (wenigstens) einer zusätzlichen Elektrode 153 innerhalb einer Mikrokanalplatte, wie anhand von Figur 7 be- schrieben, kann auch für eine Mikrokanalplatte in Betracht kommen, welche nicht mit einer reflektiv arbeitenden Photokathode beschichtet ist. Beispielsweise kann auch die in den Figuren 10 und 11 gezeigte Mikrokanalplatte 144 eine interne Elektrode aufweisen, und aus mehreren gestapelten Teilplatten aufgebaut sein. Das Anlegen eines elektrischen (Hochspannungs- ) Potentials an eine Vorderseite einer Mikrokanalplatte bzw. an eine hier vorgesehene Photokathode kann anstelle des in den Figuren 9 und 11 gezeigten Ansatzes (seitlicher Anschluss 187 an Zwischenverbindungselement 170, Schichten 182, 185) auf andere Art und Weise erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, eine Mikrokanalplatte mit einer entsprechenden Durchkontaktierung zu versehen, über welche die Vorderseite bzw. eine hier be¬ findliche Photokathode auf ein gewünschtes Potential gebracht werden kann.
Anstatt eine Erfassungseinrichtung 160 als integrierte Schal¬ tung bzw. ASIC auszubilden, kann eine Erfassungseinrichtung lediglich zum Erfassen einer Elektronenwolke mittels einer oder mehreren Elektroden und gegebenenfalls Verstärken von entsprechenden Ausgangssignalen ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung kann eine Verarbeitung und Auswertung von Ausgangssignalen an anderer Stelle durch eine andere Einrichtung erfolgen. Beispielsweise kann ein aus mehreren Detektorelementen 101 aufgebauter Detektor eines bildgebenden Systems, zum Beispiel der Detektor 100 des Systems von Figur 1, eine derartige Einrichtung aufweisen. Eine Verarbeitung kann auch lediglich durch eine zentrale Auswerteeinrichtung, im Hinblick auf Figur 1 zum Beispiel durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung 114, erfolgen.
Eine Erfassungseinrichtung 160 kann des Weiteren anstelle einer Matrixanordnung bzw. eines Arrays aus Elektroden andere Elektrodenanordnungen, beispielsweise in Form von gekreuzt angeordneten Streifenleitern bzw. streifenförmigen Elektro- den, umfassen. Auch kann eine Erfassungseinrichtung 160 nicht nur in Form eines Halbleiter-Substrats, sondern alternativ auch zum Beispiel in Form eines mit einer oder mehreren
Elektroden versehenen Keramikträgers ausgebildet sein.
Darüber hinaus kann das Bereitstellen eines Vakuums im Be- reich einer Mikrokanalplatte auf andere Art und Weise als durch das anhand der Figuren 8 bis 11 beschriebene Vorsehen von Abdichtungen an der Mikrokanalplatte erfolgen. Beispielsweise können ein oder mehrere Detektorelemente (zumindest teilweise) in einem geeigneten, evakuierten Gehäuse angeord- net sein.
Eine weitere mögliche Abwandlung besteht in einer Ausgestal¬ tung eines einzelnen Detektorelements mit mehreren nebeneinander angeordneten Szintillatoren bzw. Szintillatorkristal- len. Die mehreren Szintillatoren können hierbei auf einer gemeinsamen Mikrokanalplatte angeordnet sein. Zwischen den Szintillatoren und der Mikrokanalplatte können eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Photokathoden, sowie gegebe¬ nenfalls ein oder mehrere nebeneinander angeordnete und als Eintrittsfenster dienende Zwischenverbindungselemente vorge¬ sehen sein. Auch kann unterhalb der Mikrokanalplatte eine ge¬ meinsame Erfassungseinrichtung mit mehreren, den unterschiedlichen Szintillatoren zugeordneten Elektroden, vorgesehen sein .
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Strahlungsdetektor (100; 101), aufweisend:
einen Szintillator (120) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung (202) unter Einwirkung einer einfallenden Strahlung (200);
eine Photokathode (130; 131; 132) zum Erzeugen von
Elektronen (204) unter Einwirkung der von dem Szintillator (120) erzeugten elektromagnetischen Strahlung (202); eine Mikrokanalplatte (140; 141; 142; 143; 144) mit ei¬ ner Mehrzahl an Kanälen (145; 155; 158) zum Vervielfa¬ chen der von der Photokathode (130; 131; 132) erzeugten Elektronen (204); und
eine Erfassungseinrichtung (160) zum Erfassen der mit der Mikrokanalplatte (140; 141; 142; 143; 144) verviel¬ fachten Elektronen (204).
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1,
wobei der Szintillator (120), die Photokathode (130; 131; 132), die Mikrokanalplatte (140; 141; 142; 143; 144) und die Erfassungseinrichtung (160) übereinander angeordnet sind.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Photokathode (131) auf einer dem Szintillator (120) gegenüberliegenden Seite der Mikrokanalplatte (142; 143) angeordnet ist und Öffnungen (135) aufweist, über welche Kanäle (145; 158) der Mikrokanalplatte (142; 143) freigelegt sind.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 3,
wobei die Mikrokanalplatte (142; 143) an der dem Szin¬ tillator (120) gegenüberliegenden Seite Erhebungen (147) zwischen den Kanälen (145; 158) aufweist, welche eine sich in Richtung des Szintillators (120) verkleinernde Form aufweisen.
5. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Mikrokanalplatte (140; 141; 142; 143; 144) ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, aufweist.
6. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Kanäle (145) der Mikrokanalplatte (141) ver¬ kippt gegenüber einer Normale einer durch die Mikrokanalplatte (141) vorgegebenen Ebene angeordnet sind.
7. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Mikrokanalplatte (143) zusätzlich wenigstens eine innerhalb der Mikrokanalplatte (143) angeordnete Elektrode (153) zur Elektronenvervielfachung aufweist.
8. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Erfassungseinrichtung (160) eine Mehrzahl an Elektroden (161) umfasst.
9. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Erfassungseinrichtung (160) in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung ausgebildet ist .
10. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
weiter aufweisend ein zwischen dem Szintillator (120) und der Mikrokanalplatte (142; 144) angeordnetes Zwi¬ schenverbindungselement (170), welches durchlässig ist für die von dem Szintillator (120) erzeugte elektromag¬ netische Strahlung.
11. Strahlungsdetektor nach Anspruch 10,
wobei die Photokathode (132) auf einer der Mikrokanal- platte (144) gegenüberliegenden Seite des Zwischenverbindungselements (170) angeordnet ist.
Bildgebendes System (110), umfassend einen Strahlungsde tektor (100; 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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