AT517438A1 - Vorrichtung und verfahren zur detektion von strahlung - Google Patents

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AT517438A1 ATA50587/2015A AT505872015A AT517438A1 AT 517438 A1 AT517438 A1 AT 517438A1 AT 505872015 A AT505872015 A AT 505872015A AT 517438 A1 AT517438 A1 AT 517438A1
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Abstract

Vorrichtung (7) zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung, umfassend mindestens ein Detektorelement (11), welches ein Absorberelement (1) für die Strahlung und einen mit dem Absorberelement (1) in thermisch leitender Verbindung stehenden Nanodraht (2) aus einem supraleitenden Material aufweist, wobei Kühlmittel (34) vorgesehen sind, um in einem Betriebszustand der Vorrichtung (7) das Absorberelement (1) und den Nanodraht (2) auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts (2) zu kühlen, und wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (6) zur Bestimmung, ob der Nanodraht (2) in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht, vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein mittels der Auswerte- und Steuereinheit (6) ansteuerbares Heizmittel (8) vorgesehen ist, um dem Absorberelement (1) einen thermischen Energiepuls zuführen zu können, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (6) dafür ausgelegt ist, um im Betriebszustand der Vorrichtung (7) dem Absorberelement (1) laufend Energiepulse zuzuführen, solange sich der Nanodraht (2) im supraleitenden Zustand befindet.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DETENTION VON STRAHLUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Rontgenstrahlung, die Vorrichtung umfassend mindestens ein Detektorelement, welches ein Absorberelement fur die Strahlung und einen mit dem Absorberelement in thermisch leitender Verbindung stehenden Nanodraht aus einem supraleitenden Material aufweist, wobei Kuhlmittel vorgesehen sind, um in einem Betriebszustand der Vorrichtung das Absorberelement und den Nanodraht des mindestens einen Detektorelements auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts zu kiihlen, und wobei eine Auswerte- und Steuereinheit zur Bestimmung, ob der Nanodraht des mindestens einen Detektorelements in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht, vorgesehen ist.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Rontgenstrahlung, wobei ein Absorberelement und ein mit dem Absorberelement in thermisch leitender Verbindung stehender Nanodraht aus einem supraleitenden Material auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts gekiihlt werden, wobei mitteis des Absorberelements die Strahlung absorbiert wird und wobei laufend bestimmt wird, ob der Nanodraht in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht.
STAND DER TECHNIK
Rontgen-Strahlen werden fur Analysezwecke in unterschiedlichsten Gebieten der Technik sowie in der Medizin eingesetzt. Dabei ist es generell wiinschenswert, die Detektionsempfindlichkeit von Detektoren fur die Rontgen-Strahlen zu erhohen, um eine erzielbare raumliche Auflosung zu verbessern und/oder die Dosisbelastung fur ein Untersuchungsobjekt zu verringern. Letzteres spielt insbesondere im medizinischen Bereich eine wichtige Rolle, da hohe Dosisbelastungen zu gesundheitlichen Beeintråchtigungen von Patienten fiihren konnen. Hierbei sind besonders die Computertomographie und die Mammographie zu nennen. Bei ersterer failt eine hohe Gesamtdosis negativ ins Gewicht, bei letzterer fiihrt die routinemaBige Wiederholung dazu, dass es im Laufe der Zeit zu einer hohen Gesamtdosis kommt.
Fruher wurden meist Rontgen-Detektoren verwendet, welche eine durch Rontgen-Strahlen hervorgerufene Ionisation von Xenon-Gas zur Messung der Rontgen-Strahlen ausnutzten. Mittlerweile sind vor allem Szintillationsdetektoren im Einsatz, deren Detektionsempfindlichkeit im Wesentlichen durch die Wahl des Szintillatormaterials bestimmt wird.
Grundsåtzlich spielt die Optimierung von Detektoren aber naturlich nicht nur fur Rontgen-Strahlung, sondern fur unterschiedlichste Arten von Strahlung auf unterschiedlichsten Gebieten der Technik sowie in der Medizin eine Rolle.
Aus der Astronomie sind z.B. vor allem fur die Messung von elektromagnetischer Strahlung im optischen und infraroten Bereich Detektoren bekannt, die bei sehr tiefen Temperaturen arbeiten und als Kalorimeter oder Bolometer ausgelegt sind. Dabei wird die Energiemenge oder Leistung, die die Strahlung in einem Absorber deponiert, gemessen. Aufgrund der tiefen Temperaturen konnen supraleitende Materialien als Absorber eingesetzt werden, die zunåchst knapp unter der
Sprungtemperatur gehalten werden und durch die absorbierte Strahlung iiber die Sprungtemperatur aufgewårmt werden, wobei der scharfe Obergang zwischen Supraleitung und Normalleitung zur Detektion ausgenutzt wird. Erzielbare zeitliche Auflosungen sind typischerweise im ms-Bereich oder knapp darunter, was insbesondere fur medizinische Computertomographieanwendungen zu langsam ist.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Verfugung zu stellen, welche eine schnelle und hochst empfindliche Detektion von Strahlung, insbesondere Rontgen-Strahlung, ermoglichen, um bei der Untersuchung eines Untersuchungsobjekts mitteis der Strahlung eine erzielbare raumliche Auflosung zu verbessern und/oder eine Dosisbelastung fur das Untersuchungsobjekt zu verringern.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Kern der Erfindung ist die Verknupfung des Prinzips eines Delta—Sigma-Analog-Digital-Konverters (Sigma-Delta-ADC) bzw. Delta-Sigma-Wandlers mit Elementen von aus der Astronomie bekannten Bolometern. Dabei werden supraleitende Elemente verwendet und der markante Obergang zwischen Supraleitung und Normalleitung zu Detektion ausgenutzt. Aufgrund der Verwendung supraleitender Elemente zur Detektion kann eine extrem hohe Quanteneffizienz erreicht werden. Konkret ist es bei einer Vorrichtung zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Rontgenstrahlung, die Vorrichtung umfassend mindestens ein Detektorelement, welches ein Absorberelement fur die Strahlung und einen mit dem Absorberelement in thermisch leitender
Verbindung stehenden Nanodraht aus einem supraleitenden Material aufweist, wobei Kiihlmittel vorgesehen sind, um in einem Betriebszustand der Vorrichtung das Absorberelement und den Nanodraht des mindestens einen Detektorelements auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts zu kiihlen, und wobei eine Auswerte- und Steuereinheit zur Bestimmung, ob der Nanodraht des mindestens einen Detektorelements in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht, vorgesehen ist, erfindungsgemah vorgesehen, dass mindestens ein mitteis der Auswerte- und Steuereinheit ansteuerbares Heizmittel vorgesehen ist, um dem Absorberelement des mindestens einen Detektorelements einen thermischen Energiepuls zufiihren zu konnen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dafiir ausgelegt ist, um im Betriebszustand der Vorrichtung dem Absorberelement des mindestens einen Detektorelements laufend Energiepulse zuzufiihren, solange sich der Nanodraht des mindestens einen Detektorelements im supraleitenden Zustand befindet.
Der Nanodraht kann zwei Zustånde einnehmen: supraleitend oder „hochohmig", wobei der Obergang zwischen diesen zwei Zustånden sehr schnell, mit Reaktionszeiten im Bereich von 1 ns oder sogar kleiner als 1 ns erfolgt. Indem dem Absorberelement mitteis des Heizmittels laufend Energie in kleinen Inkrementen zugefiihrt wird, wird auch ohne Vorliegen von zu detektierender Strahlung die Temperatur des Absorberelements in kleinen Inkrementen sukzessive erhoht. Aufgrund der thermisch leitenden Verbindung zum Nanodraht wird auch dessen Temperatur somit laufend in kleinen Inkrementen erhoht, bis es zu einer Zustandsånderung des Nanodrahtes kommt. Sobald der Nanodraht hochohmig ist, werden keine Energiepulse mehr zugefuhrt, worauf das Absorberelement aufgrund der Kiihlmittel wieder abkiihlt. Der Energieeintrag eines moglichen Messstroms durch den Nanodraht ist dabei vernachlåssigbar oder kann durch Kalibrierung korrigiert werden. In der Folge wird der
Nanodraht wieder supraleitend, wenn dieser die Sprungtemperatur unterschreitet.
Die Leistung, die notig ist, um das Absorberelement auf jenes Temperaturniveau zu bringen, bei dem der Nanodraht im Mittel sich gerade an der Sprungtemperatur befindet, kann unmittelbar aus der Folge von Pulsen berechnet werden.
Wenn nun zusåtzlich Strahlung auf das Absorberelement trifft, mussen entsprechend weniger Energiepulse mitteis des Heizelements dem Absorberelement zugefiihrt werden, da auch die absorbierte Strahlung zu einer Erhohung der Temperatur des Absorberelements in kleinen Inkrementen - typischerweise im Bereich von mK - fiihrt. D.h. die auf das Absorberelement auftreffende Strahlung entspricht der komplementåren Leistung, die fur die Zustandsånderung des Nanodrahts von supraleitend auf hochohmig notig ist, womit ein MaB fur die Intensitat der absorbierten Strahlung gegeben ist.
Das Grundprinzip ist in der Elektronik als einfacher Delta-Sigma-ADC bekannt. Im vorliegenden Fall wird ein thermischer Delta-Sigma-Wandler realisiert, bei dem die ArbeitsgroBe nicht Spannung oder Strom, sondern die Temperatur ist. Hierdurch wird auf intrinsische Art und Weise eine Digitalisierung erreicht.
Die thermische Zeitkonstante eines Detektorelements liegt dabei aufgrund der thermischen Trågheit des Systems aus dem Absorberelement mit einer gewissen, geringen Wårmekapazitåt und dem thermisch leitend verbundenen Nanodraht im ps-Bereich, was die mogliche Zeitauflosung eines Messwerts bestimmt. Aufgrund der extrem schnellen Reaktionszeit des Nanodrahts kann eine sehr effiziente Auslese erfolgen, was insbesondere bei mehreren Detektorelementen, die Pixel eines Detektors repråsentieren und z.B. in Linienform oder Matrixform angeordnet sind, von groBem Vorteil ist. Es ist dann nicht notwendig, fur jedes Detektorelement bzw. Pixel eine eigene
Ausleseschaltung zu bauen, die konstruktiv aufwendig, teuer und platzbeanspruchend ware und zu einer schlechten Fertigungsausbeute fiihren wiirde. Stattdessen kann der vorhandene Platz fiir sensitive Flåchen genutzt werden, und es kann das Auslesen aufgrund der intrinsisch hohen Reaktionszeit des Nanodrahts serieli in einem zeitlichen Multiplexverfahren erfolgen. Praktisch erzielbare Ausleseraten liegen typischerweise im Bereich von 100 MHz bis 500 MHz, vorzugsweise im Bereich von ca. 300 MHz. D.h. die Anzahl von in Serie geschalteten Detektorelementen kann problemlos von der GroBenordnung 1000 sein, wenn Zeitauflosungen von einigen kHz bzw. groBenordnungsmåBig 10 kHz, wie sie im medizinischen Bereich iiblich sind, gefordert werden.
Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Vorrichtung vorgesehen, dass mehrere Detektorelemente vorgesehen sind.
Die Detektorelemente konnen dabei grundsåtzlich beliebig angeordnet werden, wobei, wie bereits gesagt, sehr viele Detektorelemente serieil ausgelesen werden konnen. Um die serielle Auslese konstruktiv bzw. durch die Anordnung der einzelnen Detektorelemente zueinander zu erleichtern, ist es bei einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemaBen Vorrichtung vorgesehen, dass die Detektorelemente entlang mindestens einer Linie, bevorzugt entlang mehrerer Linien, besonders bevorzugt entlang mehrerer paralleler Linien angeordnet sind. Hierbei bietet es sich an, jeweils die Detektorelemente einer Linie serieil auszulesen. Die Linien mussen dabei nicht gerade verlaufen, sondern konnen grundsåtzlich auch gekrummt sein und z.B. als Kreisbogen ausgefuhrt sein. Weiterhin låsst sich aus den Linien in einfacher Form auch eine matrixformige Anordnung bzw. generell eine rasterformige Anordnung der Detektorelemente realisieren.
Analog zum oben Gesagten ist es bei einem Verfahren zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Rontgenstrahlung, wobei ein Absorberelement und ein mit dem Absorberelement in thermisch leitender Verbindung stehender Nanodraht aus einem supraleitenden Material auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts gekiihlt werden, wobei mitteis des Absorberelements die Strahlung absorbiert wird und wobei laufend bestimmt wird, ob der Nanodraht in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht, erfindungsgemåB vorgesehen, dass mitteis eines Heizmittels dem Absorberelement laufend Energiepulse zugefuhrt werden, solange sich der Nanodraht im supraleitenden Zustand befindet, und die hierdurch dem Absorberelement zugefuhrte Leistung bestimmt wird.
Die erfindungsgemåBe Vorrichtung bzw. das erfindungsgemåBe Verfahren ist fur Strahlungen unterschiedlichster Art geeignet. Unter Strahlung ist im weitesten Sinne jede Art von Strahlung zu verstehen, die einen Energieeintrag im Absorber zur Folge hat, welcher Energieeintrag wiederum zu einer gewissen Erwårmung des Absorbers fiihrt. Beispiele fiir mogliche unterschiedliche Strahlungsarten sind: ionisierende Strahlung, insbesondere Rontgen-Strahlung, Alpha-, Beta- oder Gamma-Strahlung; allgemein elektromagnetische Strahlung, insbesondere im optisch sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich oder UV-Bereich; Schall; Teilchen, die am Absorber adsorbiert werden; Teilchen, die am bzw. im Absorber eine chemische Reaktion auslosen.
Es versteht sich, dass dabei der Absorber auf die jeweilige Strahlungsart abgestimmt sein muss. D.h. der Absorber muss klarerweise so ausgelegt sein, dass fur die zu detektierende Strahlung ein Wechselwirkungsquerschnitt groBer null vorhanden ist.
Um eine besonders gute Absorption von Rontgen-Strahlung sicherzustellen, ist es bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform der erfindungsgemåBen Vorrichtung vorgesehen, dass das Absorberelement des mindestens einen Detektorelements aus Bismut gefertigt ist. Die Oberflåche des Absorberelements kann dabei aus praktischen Grunden, insbesondere zum Schutz vor chemischen Umgebungseinflussen inertisiert werden, z.B. durch Fluorieren.
Das Absorberelement kann dabei geometrisch entsprechend dimensioniert werden, um einerseits einen hinreichend hohen Wirkungsquerschnitt sicherzustellen und andererseits eine hohe Ortsauflosung zuzulassen. Beispielsweise kann das Absorberelement als Plattchen mit lateralen Abmessungen mit Seitenlangen zwischen 1 pm und 200 pm, vorzugsweise zwischen 10 pm und 100 pm ausgelegt sein. Im Falle von zu detektierender Rontgen-Strahlung kann der Wirkungsquerschnitt durch geeignete Wahl der Dicke an die Energie der Rontgen-Strahlung angepasst werden - je harter die Strahlung, desto dicker das Plattchen. Bei Energien der Rontgen-Strahlung, wie sie z.B. bei medizinischen Anwendungen iiblich sind, kann die Dicke des Absorberelements z.B. zwischen 50 pm und 200 pm betragen, vorzugsweise zwischen 75 pm und 150 pm. D.h. in diesem Fall ist die Dicke typischerweise von derselben GroBenordnung wie die Seitenlånge des Absorberelements.
Somit ergeben sich grundsåtzlich extrem hohe erzielbare Ortsauflosungen, die die erfindungsgemåBe Vorrichtung bzw. das erfindungsgemåBe Verfahren insbesondere fur Anwendungen in der Medizin wie z.B. in der Mammographie prådestinieren.
Gemeinhin wird unter Nanodraht ein Draht verstanden, dessen Dimensionen ublicherweise durchaus groBer als einige wenige Nanometer sein konnen und typischerweise im Bereich von ca. 100 nm liegen.
Als Kiihlmittel zur Erzeugung der tiefen Temperatur kann beispielsweise ein Kåltebad mit einer Kiihlflussigkeit eingesetzt werden, mit welchem Kåltebad das Absorberelement und der Nanodraht thermisch leitend verbunden sind. Fiir eine derartige thermisch leitende Verbindung kommt insbesondere ein Tråger aus einem Material, welches bei tiefen Temperaturen eine besonders hohe Wårmeleitfåhigkeit hat, wie z.B. Saphir, in Frage, mit dem das Absorberelement und der Nanodraht thermisch leitend verbunden sind. Je nach Sprungtemperatur des Nanodrahtes konnen unterschiedliche Kuhlflussigkeiten Verwendung finden, z.B. flussiges Helium oder flussiger Stickstoff. D.h. es braucht ublicherweise nicht auf mK abgekuhlt zu werden, sondern Absorber und Nanodraht werden typischerweise auf Temperaturen im Bereich von einigen K, bevorzugt im Bereich von 4 K bis 77 K gekiihlt, was die Verwendung von kostengunstigen Kryostaten erlaubt. Die Sprungtemperatur ist dabei grundsåtzlich eine Materialeigenschaft des Nanodrahtes, wobei das Material ein Supraleiter oder eventuell ein Hochtemperatursupraleiter sein kann.
Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Vorrichtung vorgesehen, dass der Nanodraht des mindestens einen Detektorelements aus Niobnitrid oder Tantalnitrid gefertigt ist. Die tatsåchlichen Sprungtemperaturen konnen dabei von den konkreten geometrischen Abmessungen abhången und liegen typischerweise im Bereich zwischen 4 K und 16,5 K. Dabei ist die Sprungtemperatur zudem abhångig von der Stromdichte im Nanodraht und ggf. auch von einem vorhandenen Magnetfeld, wobei letzteres im Folgenden stets gleich null angenommen ist.
Es sei bemerkt, dass die Temperatur des Nanodrahts und die Temperatur des Absorberelements nicht notwendigerweise exakt gleich zu sein brauchen. Insbesondere kann das Absorberelement geringfugig warmer als der Nanodraht sein, wobei aber auch der umgekehrte Fall denkbar ist.
Das Absorberelement weist eine sehr geringe Wårmekapazitat auf um sicherzustellen, dass ein Energieeintrag durch absorbierte Strahlung eine merkliche Temperaturerhdhung des Absorberelements nach sich zieht. Einerseits kann hierfiir das Material des Absorberelements entsprechend gewåhlt werden, andererseits sorgt die tiefe Temperatur fiir eine geringe Wårmekapazitat.
Um eine besonders gute thermische Verbindung zwischen Absorberelement und Nanodraht zu erzielen, ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Vorrichtung vorgesehen, dass das Absorberelement des mindestens einen Detektorelements auf dem Nanodraht des mindestens einen Detektorelements abgeschieden ist.
Die Bestimmung, ob der Nanodraht im supraleitenden Zustand ist oder nicht, kann als Widerstandsmessung durchgefuhrt werden. Insbesondere kann hierzu ein Spannungsabfall an einem in Serie oder parallel zum Nanodraht geschalteten Ohmschen Widerstand bestimmt werden.
Als Heizmittel, mit dem thermische Pulse erzeugt werden konnen, kann z.B. eine Strahlungsquelle fur elektromagnetische Pulse im optischen Bereich oder Infrarotbereich dienen. D.h. das Absorberelement wird mit diesen elektromagnetischen Pulsen beaufschlagt, um eine inkrementweise Erhohung der Temperatur des Absorberelements zu bewirken. Dabei kann die Strahlungsquelle in einem gewissen Abstand zum Absorberelement angeordnet sein, was konstruktiv vorteilhaft sein kann.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass als das mindestens eine Heizmittel ein Ohmscher Widerstand vorgesehen ist, der mit dem Absorber des mindestens einen Detektorelements thermisch leitend verbunden ist. Dies stellt eine herstellungstechnisch und konstruktiv besonders einfache Variante dar. Um die Energiepulse zu erzeugen, wird der Ohmsche Widerstand mit Strompulsen beaufschlagt.
Fur eine besonders stabile Messanordnung ist es von Vorteil, den Nanodraht wåhrend der Messung mit Strom nahe der kritischen Stromdichte zu beaufschlagen bzw. zu betreiben. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen prazisen Konstantstrom, es ware aber grundsatzlich auch ein gepulster Strom denkbar. Entsprechend wird auf die oben geschilderte Art und Weise mit Hilfe der laufenden Energiepulse, die dem Absorberelement zugefuhrt werden, jene Leistung ermittelt, die notig ist, um das Absorberelement auf jenes Temperaturniveau zu bringen, bei dem der Nanodraht im Mittel gerade an der kritischen Stromdichte betrieben wird. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåhen Vorrichtung vorgesehen, dass eine Stromquelle vorgesehen ist, um im Betriebszustand der Vorrichtung den Nanodraht des mindestens einen Detektorelements im Bereich von 70% bis 99%, vorzugsweise im Bereich von 80% bis 95% seiner kritischen Stromdichte zu betreiben.
Um die Vorrichtung in unterschiedlichsten Umgebungen, insbesondere an Luft bzw. in einer Atmosphåre sowie vorzugsweise bei Zimmertemperatur einsetzen zu kdnnen, ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Vorrichtung vorgesehen, dass das mindestens eine Detektorelement in einem thermisch isolierten GefaB angeordnet ist, welches ein Fenster fiir die zu detektierende Strahlung aufweist. Fiir Rontgen-Strahlung kommen z.B. Fenster aus Beryllium oder Kunststoff in Frage. Je nach Material des GefåBes kann das Fenster auch einstiickig mit dem GefåB ausgefiihrt sein Dies hångt natiirlich auch von der Strahlungsart ab. Insbesondere ist es denkbar, dass auf ein spezielles Fenster verzichtet werden kann, wenn z.B. Neutronen oder sehr hochenergetische Gamma-Quanten detektiert werden sollen.
Die erfindungsgemåBe Vorrichtung und das erfindungsgemåBe Verfahren eignen sich aufgrund der hohen Detektionsempfindlichkeit und der vorteilhaften Dimensionierungsmoglichkeiten insbesondere fur Messungen, wo Strahlung detektiert werden soli, die durch ein Untersuchungsobjekt sowohl geschwåcht als auch gestreut wird. Dies eroffnet z.B. bei Computertomographieverfahren, insbesondere im medizinischen Bereich, neue Moglichkeiten, da bislang lediglich die geschwåchte Strahlung detektiert und zur Bildrekonstruktion verwendet wird. Daher ist erfindungsgemåB eine Anordnung zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt gestreuter Strahlung und geschwachter Strahlung vorgesehen, die Anordnung umfassend eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Facherstrahls mit unterschiedliche Facherwinkel aufweisenden Teilstrahlen zur Beleuchtung des Untersuchungsobjekts unter in einer Fåchermittenebene liegenden, unterschiedlichen Einfallsrichtungen, die Anordnung weiters umfassend eine erste erfindungsgemåBe Vorrichtung und eine zweite erfindungsgemåBe Vorrichtung, wobei zumindest ein Teil der Detektorelemente der ersten Vorrichtung in den Einfallsrichtungen gesehen hinter dem Untersuchungsobjekt angeordnet ist und wobei zumindest ein Teil der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung parallel zu einer die Strahlungsquelle und das Untersuchungsobjekt verbindenden Achse gesehen seitlich versetzt zu den Detektorelementen der ersten Vorrichtung angeordnet ist.
Die Facherwinkel werden in der Fåchermittenebene, in der auch die Einfallsrichtungen liegen, gemessen. D.h. jeder Fåcherwinkel entspricht einer Einfallsrichtung. Der Fåcherstrahl weist aber naturlich auch in einer normal auf die Fåchermittenebene stehenden Normalebene eine gewisse winkelmåBige Erstreckung auf. Entsprechend kann in der
Normalebene ein Offnungswinkel 2β des Facherstrahls gemessen werden.
Vorzugsweise sind alle Detektorelemente der ersten Vorrichtung in den Einfallsrichtungen gesehen hinter dem Untersuchungsobjekt angeordnet. Entsprechend kdnnen im Wesentlichen såmtliche Teilstrahlen, die zwar geschwåcht aber ungestreut bzw. „direkt" durch das Untersuchungsobjekt hindurch gehen, mitteis der ersten Vorrichtung detektiert werden.
Bei herkdmmlichen Vorrichtungen, die der Detektion von geschwåchter Strahlung dienen und insbesondere bei Computertomographieanwendungen eingesetzt werden, sind zwischen den Detektorelementen Kollimatorsepten angeordnet. Diese sind so dimensioniert, dass sichergestellt wird, dass ausschlieBlich direkt durch das Untersuchungsobjekt gehende Teilstrahlen detektiert werden und keine gestreuten Teilstrahlen. Dies wiederum geht ublicherweise mit einem erheblichen Platzbedarf der Kollimatorsepten und damit einem erheblichen Verlust an empfindlicher Detektorflache einher.
Wie weiter unten noch nåher erlautert wird, kann im vorliegenden Fall auf Kollimatorsepten zwischen den Detektorelementen der ersten Vorrichtung verzichtet werden.
Die Detektorelemente der ersten Vorrichtung detektieren somit sowohl direkt durch das Untersuchungsobjekt gegangene, geschwachte Teilstrahlen als auch im Untersuchungsobjekt gestreute Teilstrahlen. Durch das Fehlen von Kollimatorsepten zwischen den Detektorelementen der ersten Vorrichtung konnen die Detektorelemente der ersten Vorrichtung nahe zueinander angeordnet werden, sodass eine sehr groBe sensitive Detektorflache erzielt werden kann.
Die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung dienen prinzipiell der Detektion von ausschlieBlich einer „Sorte" von Strahlung -gestreuter Strahlung oder ungestreuter Strahlung.
In den zunåchst folgenden Ausfiihrungsbeispielen wird mit den Detektorelementen der zweiten Vorrichtung ausschliehlich gestreute Strahlung detektiert. Daher ware es grundsatzlich auch denkbar, dass in den Einfallsrichtungen gesehen ein Teil der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung vor dem Untersuchungsobjekt angeordnet ist, um ruckgestreute Anteile zu detektieren. Zur Sicherstellung, dass keine direkt durch das Untersuchungsobjekt hindurch getretenen Teilstrahlen, sondern nur gestreute Teilstrahlen von den Detektorelemente der zweiten Vorrichtung detektiert werden, sind die, vorzugsweise alle Detektorelemente der zweiten Vorrichtung gegenuber den Detektorelementen der ersten Vorrichtung seitlich entsprechend versetzt. „Seitlich" kann dabei in Blickrichtung oben, unten, links oder rechts bedeuten.
Dies eroffnet die Moglichkeit, basierend auf der gemessenen reinen Streustrahlung rechnerisch einen entsprechenden Anteil von der gemessenen Summe aus geschwåchter und gestreuter Strahlung fur jedes Detektorelement der ersten Vorrichtung abzuziehen und so - ohne Einsatz von Kollimatorsepten zwischen den Detektorelementen der ersten Vorrichtung - auf die ausschliehlich geschwachten Teilstrahlen zu schlieBen. Hierzu kann insbesondere angenommen werden, dass die Streuung eines Teilstrahls durch das Untersuchungsobjekt zumindest naherungsweise rotationssymmetrisch um diesen Teilstrahl ist. Entsprechend werden die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung so zu den Detektorelementen der ersten Vorrichtung versetzt angeordnet, dass bei einer rotationssymmetrischen råumlichen Verteilung der gestreuten Strahlung des jeweiligen Teilstrahls derselbe Anteil des jeweiligen Teilstrahls in das jeweilige versetzte Detektorelement der zweiten Vorrichtung gestreut werden wurde wie in ein zum jeweiligen
Detektorelement der ersten Vorrichtung benachbartes Detektorelement der ersten Vorrichtung, in welchem benachbarten Detektorelement ein zum jeweiligen Teilstrahl benachbarter geschwachter Teilstrahl gemessen werden wiirde. Dabei konnen grundsatzlich beliebige Nachbarn betrachtet werden. Insbesondere konnen als benachbarte Detektorelemente nicht nur die nåchsten Nachbarn beriicksichtigt werden, sondern konnen auch iibernåchste Nachbarn, iiberiibernåchste Nachbarn usw. - im allgemeinen Nachbarn beliebiger Ordnung -beriicksichtigt werden.
Entsprechend ist erfindungsgemåB ein Verfahren zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt gestreuter Strahlung und geschwachter Strahlung vorgesehen, wobei das Untersuchungsobjekt mit einem Fåcherstrahl mit unterschiedliche Fåcherwinkel aufweisenden Teilstrahlen beleuchtet wird, wobei mitteis eines erfindungsgemåBen Verfahrens eine Summe aus im Untersuchungsobjekt geschwåchten Teilstrahlen und gestreuter Strahlung gemessen wird, wobei die Messung in zumindest einer Dimension so ortsaufgelost erfolgt, dass die einzelnen Teilstrahlen ortsaufgelost werden.
Weiters ist es bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsform des erfindungsgemåBen Verfahrens zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt gestreuter Strahlung und geschwachter Strahlung vorgesehen, dass mitteis eines weiteren erfindungsgemåBen Verfahrens ausschlieBlich gestreute Strahlung gemessen wird, wobei die Messung in zumindest einer Dimension ortsaufgelost zumindest an solehen Orten erfolgt, in welche bei einer angenommenen rotationssymmetrischen råumlichen Verteilung der gestreuten Strahlung jedes Teilstrahls derselbe Anteil des jeweiligen Teilstrahls gestreut werden wiirde wie in einen Ort, an welchem ein zum jeweiligen Teilstrahl benachbarter geschwachter Teilstrahl gemessen wird. D.h. es findet eine ortsaufgeloste Messung einzelner Teilstrahlen statt.
Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform des erfindungsgemåBen Verfahrens zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt gestreuter Strahlung und geschwåchter Strahlung vorgesehen dass, fur die Orte, an denen die geschwachten Teilstrahlen gemessen werden, die ausschlieBlich geschwåchte Strahlung rechnerisch ermittelt wird, indem jeweils von der gemessenen Summe von geschwåchter Strahlung und gestreuter Strahlung korrespondierende Teile der gemessenen ausschlieBlich gestreuten Strahlung abgezogen werden. Hierbei ist die konkrete Geometrie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung zu beriicksichtigen, insbesondere Unterschiede in der Geometrie der Detektorelemente. Arithmetik und Gewichtungsfaktoren ergeben sich im einfachsten Fall alleine aus der Geometrie der verwendeten Detektorelemente. Weiters konnen Arithmetik und Gewichtungsfaktoren ggf. aus einer råumlichen Modellierung der Strahlenwege abgeleitet und angepasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsf orm der erfindungsgemåBen Anordnung ist es vorgesehen, dass die Detektorelemente der ersten Vorrichtung entlang einer Linie, die vorzugsweise in der Fachermittenebene liegt, angeordnet sind, dass die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung entlang mehrerer Linien angeordnet sind und dass von der Strahlungsquelle aus gesehen die Linien der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung wechselweise zueinander sowie vorzugsweise zu der Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung einen Abstandswinkel aufweisen, der in einer Normalebene, die normal auf die Fachermittenebene steht, gemessen ist. Dies stellt eine konstruktiv und herstellungstechnisch besonders einfache Ausfiihrungsf orm dar, wobei vorzugsweise alle Linien der zweiten Vorrichtung bezogen auf die Linie der ersten Vorrichtung auf derselben Seite angeordnet sind. Samtliche Linien konnen dabei zueinander denselben Abstandswinkel aufweisen, es sind aber auch unterschiedliche Abstandswinkel denkbar.
Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform der erfindungsgemåBen Anordnung ist es vorgesehen, dass der Verlauf der mehreren Linien der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung dem Verlauf der Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung im Wesentlichen folgt. Die Linie der ersten Vorrichtung kann gekriimmt sein und muss auch nicht in einer einzelnen Ebene liegen. Der Verlauf der Linien der zweiten Vorrichtung ist dann entsprechend ebenfalls gekriimmt und muss nicht in einer einzelnen Ebene liegen. Im einfachsten Fall sind såmtliche Linien parallele Geraden, die vorzugsweise in derselben Ebene liegen.
Um mehr sensitive Detektorflåche zur Verfiigung zu stellen und damit die Detektionsempfindlichkeit zu erhohen, ist es bei einer bevorzugten Ausfiihrungsf orm der erfindungsgemåBen Anordnung vorgesehen, dass die Detektorelemente der ersten Vorrichtung zusåtzlich entlang einer weiteren Linie angeordnet sind, dass die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung zusåtzlich entlang weiterer Linien angeordnet sind und dass von der Strahlungsquelle aus gesehen die weiteren Linien der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung wechselweise zueinander sowie vorzugsweise zu der weiteren Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung einen weiteren Abstandswinkel aufweisen, der in der Normalebene gemessen ist. Såmtliche weiteren Linien konnen dabei zueinander denselben weiteren Abstandswinkel aufweisen, es sind aber auch unterschiedliche weitere Abstandswinkel denkbar.
Um eine konstruktiv besonders einfache Anordnung zu realisieren, ist es bei einer bevorzugten Ausfiihrungsf orm der erfindungsgemåBen Anordnung vorgesehen, dass die Detektorelemente der ersten Vorrichtung zwischen den Detektorelementen der zweiten Vorrichtung angeordnet sind.
Vorzugsweise låsst sich hierdurch eine um die Fåchermittenebene im Wesentlichen symmetrische Anordnung realisieren, die eine hohe Detektionsempfindlichkeit aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform der erfindungsgemahen Anordnung ist es vorgesehen, dass der Verlauf der weiteren Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung dem Verlauf der Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung im Wesentlichen folgt und dass der Verlauf der weiteren Linien der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung dem Verlauf der weiteren Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung im Wesentlichen folgt. Wie bereits erwahnt, kann die Linie der ersten Vorrichtung gekrummt sein und muss auch nicht in einer einzelnen Ebene liegen. Der Verlauf såmtlicher anderer Linien ist dann entsprechend ebenfalls gekrummt und muss nicht in einer einzelnen Ebene liegen. Im einfachsten Fall sind samtliche Linien parallele Geraden, die vorzugsweise in derselben Ebene liegen.
Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform der erfindungsgemaBen Anordnung ist es vorgesehen, dass von der Strahlungsquelle aus gesehen die Detektorelemente der Linie und der weiteren Linie der ersten Vorrichtung einen Versatzwinkel zueinander aufweisen, der in der Fåchermittenebene gemessen ist.
Hierdurch wird die Auflosung der Facherwinkel erhoht, vorzugsweise verdoppelt. Die Detektorelemente der ersten Vorrichtung miissen dabei nicht in einer Ebene angeordnet sein bzw. miissen die Linie und die weitere Linie der ersten Vorrichtung nicht in einer Ebene angeordnet sein.
Analog ist es bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsf orm der erfindungsgemahen Anordnung vorgesehen, dass von der Strahlungsquelle aus gesehen die Detektorelemente der Linien und der weiteren Linien der zweiten Vorrichtung den Versatzwinkel zueinander aufweisen. Die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung miissen dabei nicht in einer Ebene angeordnet sein bzw. mussen die Linien und die weiteren Linien der ersten Vorrichtung nicht in einer Ebene angeordnet sein.
Wie gesagt, kann auf Kollimatorsepten zwischen
Detektorelementen der ersten Vorrichtung verzichtet werden, da die von diesen Detektorelementen detektierte gestreute Strahlung basierend auf den Messungen mit der zweiten Vorrichtung rechnerisch eliminiert werden kann. Um bei den geschilderten Ausfuhrungsvarianten mit linienformig angeordneten Detektorelementen sicherzustellen, dass das jeweilige Detektorelement der zweiten Vorrichtung nur jenen gestreuten Anteil eines Teilstrahls detektiert, der - unter der Annahme rotationssymmetrischer Streuung - auch in ein zum jeweiligen Detektorelement der ersten Vorrichtung benachbartes Detektorelement der ersten Vorrichtung gestreut wird, wobei der direkte geschwachte Anteil des Teilstrahls vom jeweiligen Detektorelement der ersten Vorrichtung detektiert wird, sind zwischen den Detektorelementen der zweiten Vorrichtung Kollimatorsepten vorgesehen. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Anordnung vorgesehen, dass nur zwischen Detektorelementen der zweiten Vorrichtung Kollimatorsepten vorgesehen sind, wobei die Kollimatorsepten vorzugsweise zwischen Detektorelementen der zweiten Vorrichtung angeordnet sind, die entlang einer der Linien und/oder der weiteren Linien aufeinander folgend angeordnet sind.
Eine weitere Moglichkeit fur die Erzielung einer hohen Detektionsempfindlichkeit besteht in der flachigen bzw. zweidimensionalen Anordnung der Detektorelemente der ersten und zweiten Vorrichtung. Durch eine rasterformige Anordnung der Detektorelemente der ersten Vorrichtung konnen Liicken zwischen diesen Detektorelementen geschaffen werden, in denen die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung angeordnet werden konnen. Dies ergibt sowohl fur die erste Vorrichtung als auch fur die zweite Vorrichtung eine groBe sensitive Gesamtflache.
Um sicherzustellen, dass mit der zweiten Vorrichtung nur eine „Sorte" von Strahlung detektiert wird, werden die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung nicht nur seitlich, sondern auch hinter die Detektorelemente der ersten Vorrichtung versetzt, d.h. die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung weisen eine groBere Distanz zur Strahlungsquelle bzw. zum Untersuchungsobjekt auf als die Detektorelemente der ersten Vorrichtung. Dabei sind die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung so weit hinter den Detektorelementen der ersten Vorrichtung angeordnet, dass erstere praktisch nur noch von ungestreuten Teilstrahlen erreicht werden konnen. Dabei kann natiirlich auch das GroBenverhåltnis zwischen der Dimension der sensitiven Flåche der Absorberelemente der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung und dem Abstand zwischen diesen Detektorelementen und jenen der ersten Vorrichtung entsprechend angepasst werden.
In gewisser Weise wirken die Detektorelemente der ersten Vorrichtung, welche sowohl von gestreuten als auch von ungestreuten Teilstrahlen erreicht werden, somit als Kollimatorsepten fur die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung. Um eine konstruktiv einfache und kostengunstige Realisierung zu ermoglichen, sind sowohl die Detektorelemente der ersten Vorrichtung als auch die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung in parallelen Ebenen angeordnet. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemahen Anordnung vorgesehen, dass die Detektorelemente der ersten Vorrichtung in einer ersten Ebene auf einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind, dass die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung in einer zur ersten Ebene parallelen zweiten Ebene angeordnet sind, die von der Strahlungsquelle aus gesehen hinter der ersten Ebene angeordnet ist, und dass in einer auf die beiden Ebenen normal stehenden Normalrichtung gesehen, die Detektorelemente der zweiten Vorrichtung in Liicken zwischen den Detektorelementen der ersten Vorrichtung angeordnet sind.
Um fiir die Detektorelemente der ersten Vorrichtung bestimmen zu konnen, wie groB der Anteil der ungestreuten Strahlung an der insgesamt detektierten Strahlung ist, ist es bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemåBen Anordnung vorgesehen, dass eine dritte erfindungsgemåhe Vorrichtung vorgesehen ist, deren Detektorelemente in einer dritten Ebene angeordnet sind, die parallel zur ersten Ebene und zweiten Ebene sowie zwischen der ersten Ebene und zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die Detektorelemente der dritten Vorrichtung in Normalrichtung gesehen von den Detektorelementen der ersten Vorrichtung verdeckt sind. Vorzugsweise existiert zu jedem Detektorelement der ersten Vorrichtung ein korrespondierendes Detektorelement der dritten Vorrichtung, welches unmittelbar hinter dem jeweiligen Detektorelement der ersten Vorrichtung angeordnet und von diesem verdeckt bzw. abgeschirmt ist. Die Abschirmung der Detektorelemente der dritten Vorrichtung durch die Detektorelemente der ersten Vorrichtung bewirkt, dass die Detektorelemente der dritten Vorrichtung nicht von ungestreuten Teilstrahlen erreicht werden konnen, sondern nur durch gestreute Teilstrahlen. Der Anteil der direkten bzw. ungestreuten, geschwachten Teilstrahlen in den Detektorelementen der ersten Vorrichtung ergibt sich somit durch Subtraktion der durch die korrespondierenden Detektorelemente der dritten Vorrichtung gemessenen gestreuten Teilstrahlen. Ggf. konnen hierbei Kalibrationsfaktoren Anwendung finden.
Bei exakt definierten Flachenverhåltnissen zwischen den Detektorelementen bzw. Absorberelementen der ersten und zweiten Vorrichtung kann auf die dritte Vorrichtung auch verzichtet werden. Die GroBe der ungestreuten Strahlung Dldj in einem Detektorelement j der ersten Vorrichtung kann dann folgendermaBen berechnet werden:
mit Dljd) der GroBe der im Detektorelement j bzw. i der ersten Vorrichtung gemessenen Strahlung (die eine Summe aus gestreuter und ungestreuter ist), D2j(i) der GroBe der im Detektorelement j bzw. i der zweiten Vorrichtung gemessenen Strahlung (nur direkte bzw. ungestreute Strahlung), k das Flåchenverhåltnis zwischen den Absorberelementen der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung minus 1, N die Anzahl der betrachteten Detektorelemente, die sich aus der Anzahl der betrachteten Nachbarn plus 1 ergibt (das Detektorelement Dlj wird in der Summe beriicksichtigt) .
Bei einer geringen Strahlungsdosis bzw. bei geringer Intensitat der gemessenen Strahlung haben die Detektorelemente der ersten und zweiten Vorrichtung einen Quantenrauschanteil, der durch die Summierung verringert wird. Es ist eine zulassige Annahme, dass der Streustrahlungsanteil eine geringere Ortsfrequenz hat als der ungestreute Anteil, da er sich aus Anteilen vieler Ausbreitungsrichtungen bzw. vieler gestreuter Teilstrahlen zusammensetzt und daher uber eine groBere Flache gemittelt werden darf. Insbesondere erhoht das Quantisierungsrauschen der Streustrahlungsdetektion durch die raumliche Mittelung nicht das Rauschen des Mess- bzw. Rechenergebnisses. Dadurch genugt es, Detektorelemente nur in zwei Ebenen anzuordnen, was fertigungstechnisch besonders freundlich ist.
AbschlieBend sei bemerkt, dass die Detektorelemente sehr kostengiinstig hergestellt werden konnen, da sie im einfachsten Fall im Wesentlichen nur aus einem billigen chemischen Element bestehen und keine allzu komplexen Strukturen fiir die Auslese benotigt werden. Letztere konnen z.B. durch einfaches
Aufdampfen bzw. mikrolithisches Strukturieren erzeugt werden.
Die spezifische Anordnung der Detektorelemente mehrerer Vorrichtungen, die den Verzicht auf Kollimatorsepten ermoglicht, ist grundsåtzlich naturlich auch mit anderen Detektorelementen, die z.B. mit Szintillatoren arbeiten, moglich. Durch die Verwendung von erfindungsgemåBen Vorrichtungen ergeben sich jedoch besonders gunstige Verhåltnisse, da die Abmessungen der Absorberelemente in allen drei Dimensionen von derselben GroBenordnung von typischerweise 10 pm bis 100 pm sein konnen.
Weiters ist anzumerken, dass die beschriebenen Anordnungen zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt gestreuter Strahlung und geschwåchter Strahlung auch mit konventionellen Vorrichtungen zur Detektion von Strahlung arbeiten konnen, wenngleich nicht so effizient. Hierzu sind bei dem oben zu den Anordnungen Gesagten die erfindungsgemåBen Vorrichtungen prinzipiell durch alle Vorrichtungen ersetzbar, welche Detektorelemente aufweisen, die zur Detektion von Strahlung geeignet sind und die Arrangements der Detektorelemente entlang von Linien oder rasterformigen Strukturen gestatten.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nun anhand von Ausfuhrungsbeispielen nåher erlåutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschlieBend wiedergeben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemåBen Vorrichtung in Seitenansicht
Fig. 2 eine Schaltskizze der fur die Funktion der erfindungsgemaBen Vorrichtung wesentlichen Elemente
Fig. 3 eine diagrammatische Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemaBen Vorrichtung
Fig. 4 eine erfindungsgemaBe Anordnung zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt gestreuter Strahlung und geschwåchter Strahlung in einer schematischen ersten Seitenansicht
Fig. 5 die Anordnung der Fig. 4 in einer schematischen zweiten Seitenansicht
Fig. 6 eine schematische Detailansicht der erfindungsgemaBen Vorrichtungen der Anordnung der Fig. 4 und Fig. 5
Fig. 7 eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemaBen Anordnung in einer Ansicht analog zu Fig. 4
Fig. 8 eine schematische Detailansicht der erfindungsgemaBen Vorrichtungen der Anordnung der Fig. 7
Fig. 9 eine schematische Detailansicht erfindungsgemaBer Vorrichtungen einer weiteren Ausfuhrungsform der erfindungsgemaBen Anordnung, wobei Detektorelemente der Vorrichtungen in Ebenen zweidimensional angeordnet sind
WEGE ZUR AUSFIJHRUNG DER ERF INDUNG
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemaBen Vorrichtung 7 zur Detektion von Strahlung, wobei bei den dargestellten Ausfuhrungsbeispielen die Detektion von Rontgen-Strahlung angenommen wird. Die Vorrichtung 7 umfasst ein Detektorelement 11 mit einem Absorberelement 1, das typischerweise aus Bismut gefertigt ist, und mit einem supraleitenden Nanodraht 2, der typischerweise aus Niobnitrid gefertigt ist und mit dem Absorberelement 1 thermisch leitend verbunden ist. Typischerweise ist das Absorberelement 1 plåttchenformig ausgefuhrt, wobei eine Seitenlange des Absorberelements 1 fur alle drei råumlichen Dimensionen im Bereich von 100 pm liegt. Weiters ist ein Ohmscher Widerstand 8 vorgesehen, der ebenfalls mit dem Absorberelement 1 thermisch leitend verbunden ist.
Das Absorberelement 1 und der Nanodraht 2 sind iiber einen Trager 33, typischerweise aus Saphir, mit einem Kaltebad 34 verbunden, welches das Absorberelement 1 und den Nanodraht 2 in einem Betriebszustand der Vorrichtung 7 auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur Tc des Nanodrahts 2 kuhit. Bei diesen Temperaturen weist der Tråger 33 eine exzellente Warmeleitung auf. Das Kaltebad 34 arbeitet beispielsweise mit flussigem Helium oder flussigem Stickstoff.
Zur thermischen Isolation nach aufien sind das Detektorelement 11 und das Kaltebad 34 in einem thermisch isolierenden GefaB 4 bzw. einem Kryostaten angeordnet. Damit Rontgen-Strahlung unter einer Einfallsrichtung 19 ungehindert auf das Absorberelement 1 treffen kann, weist das GefåB 4 ein fur die Rontgen-Strahlung im Wesentlichen transparentes Fenster 5 auf, das im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel aus Beryllium ausgefuhrt ist.
Weiters weist die Vorrichtung 7 eine Auswerte- und Steuereinheit 6 auf, mitteis welcher im Betriebszustand der Vorrichtung 7 laufend bestimmt wird, ob der Nanodraht 2 supraleitend ist oder nicht.
Dariiberhinaus kann mit der Auswerte- und Steuereinheit 6 der Ohmsche Widerstand 8 mit Strompulsen beaufschlagt werden. Da im Ohmschen Widerstand die pulsweise zugefiihrte Energie in Wårme umgewandelt wird, stellen die Strompulse einen gepulsten Heizstrom iH dar. Aufgrund der thermisch leitenden Verbindung zwischen dem Ohmschen Widerstand 8 und dem Absorberelement 1 kann somit dem Absorberelement 1 pulsformig Energie zugefiihrt werden und dessen Temperatur in entsprechenden Inkrementen erhoht werden - auch wenn keine zu detektierende Strahlung vorhanden ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 6 ist dabei so ausgelegt, dass im Betriebszustand der Vorrichtung 7 dem Absorberelement 1 laufend Energiepulse zugefiihrt werden, solange sich der Nanodraht 2 im supraleitenden Zustand befindet. Sobald der Nanodraht 2 hochohmig ist, werden keine Energiepulse mehr zugefiihrt, worauf das Absorberelement 1 aufgrund des Kåltebads 34 wieder abkiihlt.
Die Leistung, die ndtig ist, um das Absorberelement 1 auf jenes Temperaturniveau zu bringen, bei dem der Nanodraht im Mittel sich gerade an der Sprungtemperatur Tc befindet, kann unmittelbar aus der Folge von Pulsen berechnet werden.
Wenn nun zusatzlich Rontgen-Strahlung auf das Absorberelement 1 trifft, miissen entsprechend weniger Energiepulse mitteis des Ohmschen Widerstands 8 dem Absorberelement 1 zugefiihrt werden, da auch die absorbierte Rontgen-Strahlung zu einer Erhohung der Temperatur des Absorberelements 1 in kleinen Inkrementen -typischerweise im Bereich von mK - fiihrt. D.h. die auf das Absorberelement 1 auftreffende Strahlung entspricht der komplementaren Leistung, die fiir die Zustandsanderung des Nanodrahts 2 von supraleitend auf hochohmig notig ist, womit ein MaB fiir die Intensitat der absorbierten Rontgen-Strahlung gegeben ist.
Das Grundprinzip ist in der Elektronik als einfacher Delta-Sigma-ADC bekannt. Im vorliegenden Fall wird ein thermischer Delta-Sigma-Wandler realisiert, bei dem die ArbeitsgroBe nicht Spannung oder Strom, sondern die Temperatur T ist. Hierdurch wird auf intrinsische Art und Weise eine Digitalisierung erreicht.
Die geschilderte Funktionsweise ist in Fig. 3 illustriert, wo diagrammatisch der Zeitverlauf einer Intensitet Ix der auf das Absorberelement 1 auftreffenden Rdntgen-Strahlung, einer Temperatur T des Nanodrahts 2, eines elektrischen Widerstands Rn des Nanodrahts 2 sowie des Heizstroms iH dargestellt ist. Insbesondere ist hierbei die intrinsische Digitalisierung durch die Ånderung von RN sowie durch iH schon ersichtlich, wobei mit zunehmender Intensitat Ix der Nanodraht 2 immer ofter bzw. langer hochohmig wird und die Pulse des Heizstroms iH entsprechend immer seltener werden.
In Fig. 2 ist eine Schaltskizze der fiir die Funktion der Vorrichtung 7 wesentlichen Elemente dargestellt. Mit einer Spannungsquelle 3 wird an den Nanodraht 2 und einen mit diesem in Serie geschalteten Ohmschen Vorwiderstand 25 eine Spannung angelegt, urn den Nanodraht 2 nahe seiner kritischen Stromdichte zu betreiben, vorzugsweise im Bereich von 80% bis 95% der kritischen Stromdichte. Entsprechend wird auf die oben geschilderte Art und Weise mit Hilfe der laufenden Energiepulse, die dem Absorberelement 1 zugefiihrt werden, jene Leistung ermittelt, die notig ist, urn das Absorberelement 1 auf jenes Temperaturniveau zu bringen, bei dem der Nanodraht 2 im Mittel gerade an der kritischen Stromdichte betrieben wird.
Mittels eines Komparators 9 wird festgestellt, ob der Nanodraht 2 supraleitend oder hochohmig ist. Entsprechend wird mit einem an den Komparator 9 anschlieBenden Flipflop 10 der Ohmsche Widerstand 8 mit einem Strompuls beaufschlagt oder nicht. Der Komparator 9, das Flipflop 10 und die Spannungsquelle 3 sind im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel von der Auswerte- und Steuereinheit 6 umfasst.
Die thermische Zeitkonstante eines Detektorelements 11 liegt dabei aufgrund der thermischen Trågheit des Systems aus dem Absorberelement 1 mit einer gewissen, geringen Wårmekapazitåt und dem thermisch leitend verbundenen Nanodraht 2 im ys-
Bereich, was die mogliche Zeitauflosung eines Messwerts bestimmt. Aufgrund der sehr schnellen Reaktionszeiten des Nanodrahts 2 im Sub-Nanosekunden-Bereich kdnnen fur viele Anwendungen mehrere Detektorelemente 11 serieil betrieben und in einem zeitlichen Multiplexverfahren ausgelesen werden. Erzielbare Ausleseraten liegen beispielsweise im Bereich von ca. 300 MHz. D.h. die Anzahl von in Serie geschalteten Detektorelementen 11 kann problemlos von der GroBenordnung 1000 sein, wenn Zeitauflosungen von einigen kHz bzw. groBenordnungsmaBig 10 kHz, wie sie im medizinischen Bereich iiblich sind, gefordert werden. Die seriell betriebenen Detektorelemente 11 konnen dabei insbesondere linienformig angeordnet sein.
In Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 wird ein Anwendungsbeispiel mit derart angeordneten Detektorelementen 11 gezeigt, wobei die Vorrichtung 7 gemeinsam mit einer weiteren erfindungsgemaBen Vorrichtung 7' Teil einer Anordnung zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt 12 gestreuter Rontgen-Strahlung 16 und ungestreuter geschwåchter Rontgen-Strahlung 17 ist. Die Vorrichtung 7 wird im Folgenden daher auch als erste Vorrichtung 7 bezeichnet und die weitere Vorrichtung 7' auch als zweite Vorrichtung 7'. Derartige Anordnungen konnen z.B. fur Computertomographieverfahren eingesetzt werden. Die Anordnung umfasst im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel eine Rontgen-Strahlungsquelle 13, die einen Rontgen-Facherstrahl 14 erzeugt.
Wie in Fig. 5 erkennbar ist, setzt sich der Rontgen-Facherstrahl 14 aus Rontgen-Teilstrahlen 15 zusammen, die unterschiedliche Facherwinkel 18 im Rontgen-Facherstrahl 14 aufweisen. Die Facherwinkel 18 werden dabei in einer Fachermittenebene 20 gemessen, die in der Darstellung der Fig. 5 in der Zeichenebene liegt.
In einer Normalebene 24, die senkrecht auf die Fachermittenebene 20 steht, weist der Rontgen-Facherstrahl 14 bzw. weisen die Rontgen-Teilstrahlen 15 einen Offnungswinkel von 2β auf. Bzw. erstrecken sich die Rontgen-Teilstrahlen 15 zu beiden Seiten der Fachermittenebene 20 mit jeweils einem halben Offnungswinkel β. Dies ist in Fig. 4 illustriert, wobei in der Darstellung der Fig. 4 die Normalebene 24 in der Zeichenebene liegt.
Der Rontgen-Facherstrahl 14 dient zur Beleuchtung des Untersuchungsobjekts 12 entlang einer Achse 30, wobei hiermit z.B. ein Computertomographieverfahren durchgefuhrt werden kann zur Erzeugung mindestens eines Schnittbilds des Untersuchungsobjekts 12. Entsprechend den unterschiedlichen Facherwinkeln 18 weisen die Rontgen-Teilstrahlen 15 dabei unterschiedliche Einfallsrichtungen 19 auf. Das Schnittbild soilte dabei die Struktur des Untersuchungsobjekts 12 in der Schnittebene des Rontgen-Fåcherstrahls 14 mit dem Untersuchungsobjekt 12 wiedergeben, wobei die Schnittebene im Wesentlichen der Fachermittenebene 20 entspricht.
Bei herkommlichen Computertomographieverfahren wird lediglich die Schwåchung, die durch das Untersuchungsobjekt 12 gehende Rontgen-Teilstrahlen 15 erfahren, bestimmt. D.h. es wird gezielt nur die ungestreute bzw. geschwåchte Rontgen-Strahlung 17 detektiert. Dabei werden (bei vielen unterschiedlichen Drehpositionen des Untersuchungsobjekts 12) Absorptionsprofile aufgenommen, aus denen mittels an sich bekannter mathematischer Methoden, die auf der gefilterten Ruckprojektion basieren, das Schnittbild errechnet wird.
Die erfindungsgemahe Vorrichtung 7 bzw. das erfindungsgemahe Verfahren eignet sich selbstverstandlich auch zur Detektion von ausschliehlich geschwachter Rontgen-Strahlung 17. Indem jedoch mittels der erfindungsgemaBen Anordnung auch die gestreute Rontgen-Strahlung 16 detektiert wird, kann die
Detektionsempfindlichkeit weiter erhoht werden, womit eine hohere Auflosung erzielbar ist und/oder die Dosisbelastung fiir das Untersuchungsobjekt 12 verringert werden kann.
Wie in Fig. 6 illustriert ist, sind die Detektorelemente 11 der Vorrichtung 7 entlang einer Linie 21 angeordnet, sodass die einzelnen Detektorelemente 11 Rontgen-Teilstrahlen 15 mit unterschiedlichen Fåcherwinkeln 18 detektieren. Zwischen den einzelnen Detektorelementen 11 sind keine Blenden bzw. Kollimatorsepten angeordnet. Entsprechend detektieren die Detektorelemente 11 nicht nur die ungestreuten Rontgen-Teilstrahlen 15 bzw. nicht nur die geschwåchte Rontgen-Strahlung 17, sondern auch gestreute Rontgen-Strahlung 16, die aus Streuung von Anteilen einzelner Rontgen-Teilstrahlen 15 im Untersuchungsobjekt 12 resultiert. Insofern konnen die Detektorelemente 11 auch als „primåre" Detektorelemente aufgefasst werden, weshalb die drei in Fig. 6 dargestellten Detektorelemente 11 mit Dpj, j von 1 bis 3 entlang der Linie 21 durchnummeriert sind.
Durch das Fehlen von Kollimatorsepten kann die Flåche der primåren Detektorelemente 11 im Vergleich zu bekannten Losungen vergroBert werden, was maBgeblich zur Moglichkeit beitrågt, die Dosisbelastung zu reduzieren. Durch die Bestimmung der Streustrahlung 16 kann dabei eine Bildqualitåt erzielt werden, die zumindest gleich hoch wie bei konventionellen Losungen ist.
Die Detektorelemente 11' der zweiten Vorrichtung 7' sind entlang von Linien 22 angeordnet. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel verlaufen die Linien 21, 22 allesamt gerade sowie parallel zueinander und liegen in derselben Ebene, wobei das Untersuchungsobjekt 12 zwischen dieser Ebene und der Rontgen-Quelle 13 angeordnet ist. Die Linien 22 sind entlang der Achse 30 gesehen bzw. in den Einfallsrichtungen 19 gesehen gegenuber der Linie 21 entsprechend seitlich versetzt, d.h. die Detektorelemente 11' sind gegeniiber den Detektorelementen 11 seitlich versetzt. In der Darstellung der Fig. 6 verlaufen die Linien 22 dabei links von Linie 21. Entsprechend ergeben sich in der Normalebene 24 Abstandswinkel 23 zwischen der Linie 21 und der nåchstgelegenen Linie 22 sowie zwischen den beiden Linien 22, wobei die Abstandswinkel 23 unterschiedliche Werte annehmen, vgl. Fig. 4.
Die sensitive Flåche der Detektorelemente 11, 11' wird durch die jeweiligen Absorberelemente 1 ausgebildet, die im dargestellten Ausfiihrungsbeispiel eine im Wesentlichen guadratische Oberflåche aufweisen.
Die Detektorelemente 11 ' dienen im Ausfiihrungsbeispiel der Figuren 4-6 zur Detektion von gestreuter Rontgen-Strahlung 16, nicht jedoch von ungestreuter, geschwachter Rontgen-Strahlung 17. Insofern konnen die Detektorelemente 11' auch als „sekundåre" Detektorelemente aufgefasst werden, weshalb die sechs in Fig. 6 dargestellten Detektorelemente 11' mit Dsmn durchnummeriert sind, wobei m von 1 bis 2 geht und sich auf die jeweilige Linie 22 bezieht und wobei n von 1 bis 3 geht und die Detektorelemente 11' entlang einer der Linien 22 durchnummeriert.
In Fig. 6 ist die gestreute Rontgen-Strahlung 16, die von jenem Rontgen-Teilstrahl 15 resultiert, der auf das Detektorelement Dpi trifft, durch einen strichlierten Kreis rund um das Detektorelement Dpi illustriert. Hierbei wird die Annahme zugrunde gelegt, dass die gestreute Rontgen-Strahlung 16 rotationssymmetrisch um den diese verursachenden Rontgen-Teilstrahl 15 ist. Entsprechend ist ein Anteil SI der genannten Rontgen-Streustrahlung 16, der in das Detektorelement Dp2 hineingestreut wird, gleich groh wie ein Anteil S2, der in das Detektorelement Dsll gestreut wird.
Analog ist die gestreute Rontgen-Strahlung 16, die von jenem Rontgen-Teilstrahl 15 resultiert, der auf das Detektorelement
Dp3 trifft, durch einen strichlierten Kreis rund um das Detektorelement Dp3 illustriert. Aufgrund der angenommenen Rotationssymmetrie ist ein Anteil S3 der genannten Rontgen-Streustrahlung 16, der in das Detektorelement Dp2 hineingestreut wird, gleich groB wie ein Anteil S4, der in das Detektorelement Dsll gestreut wird.
Die Detektorelemente Dpi und Dp3 sind die nåchsten Nachbarn des Detektorelements Dp2. Es versteht sich, dass die obigen Betrachtungen vollig analog auch fur ubernåchste Nachbarn bzw. fur Nachbarn hoherer Ordnungen durchgefiihrt werden konnen. Indem mit den Detektorelementen 11' die entsprechenden Streuanteile detektiert werden, kann die in den Detektorelementen 11 gemessene Strahlung arithmetisch korrigiert werden, sodass schlieBlich approximativ nur die ungestreute, geschwachte Rontgen-Strahlung 17, die auf die Detektorelemente 11 gefallen ist, bestimmt werden kann.
Die konkrete Arithmetik sowie Gewichtungsfaktoren ergeben sich grundsatzlich aus der Geometrie der verwendeten Detektorelemente 11, 11'. Weiters konnen Arithmetik und Gewichtungsfaktoren ggf. aus einer raumlichen Modellierung der Strahlenwege abgeleitet und angepasst werden.
Wenn im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel mit geometrisch gleich gestalteten Detektorelementen 11, 11' nur die nåchsten Nachbarn berucksichtigt werden, stellt dies eine erste Nåherung dar. Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 6 wurde sich also eine Intensitåt Id(Dp2) der ungestreuten, geschwåchten Rontgen-Strahlung 17 im Detektorelement Dp2 ergeben als
Id(Dp2) = I(Dp2) - S2 - S4, wobei I(Dp2) die im Detektorelement Dp2 gesamte gemessene Intensitåt, d.h. die Summe aus gestreuter Rontgen-Strahlung 16 und ungestreuter, geschwåchter Rontgen-Strahlung 17 ist.
Um sicherzustellen, dass jedes Detektorelement Dsmn nur den „richtigen" Streuanteil misst und keine Oberlagerung von gestreuter Rontgen-Strahlung 16 mehrerer Rontgen-Teilstrahlen 15, sind Kollimatorsepten 31 zwischen jenen Detektorelementen 11' der zweiten Vorrichtung 7' vorgesehen, die unterschiedlichen Rontgen-Teilstrahlen 15 bzw. unterschiedlichen Fåcherwinkeln 18 zugeordnet werden kdnnen.
Fig. 7 und Fig. 8 beziehen sich auf ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel einer Anordnung zur Ermittlung von im Untersuchungsobjekt 12 gestreuter Rontgen-Strahlung 16 und ungestreuter geschwåchter Rontgen-Strahlung 17, die grundsatzlich vdllig analog zur Anordnung der Figuren 4-6 aufgebaut ist. Zusåtzlich weist die erste Vorrichtung 7 jedoch Detektorelemente 11 entlang einer weiteren Linie 21' auf. Analog weist die zweite Vorrichtung 7' weitere Linien 22' auf.
Wie in Fig. 8 illustriert ist, verlaufen samtliche Linien 21, 21', 22, 22' gerade sowie parallel zueinander und liegen in derselben Ebene. Die weitere Linie 21' ist in der Darstellung der Fig. 8 dabei rechts von der Linie 21 angeordnet und die weiteren Linien 22' rechts von der weiteren Linie 21'. Entsprechend ergeben sich in der Normalebene 24 weitere Abstandswinkel 23' zwischen der weiteren Linie 21' und der nåchstgelegenen weiteren Linie 22 ' sowie zwischen den weiteren Linien 22', wobei die weiteren Abstandswinkel 23' unterschiedlich groB sind, vgl. Fig. 7.
Die Nomenklatur fur die Detektorelemente 11, 11' ist in Fig. 8 grundsåtzlich gleich wie in Fig. 6, doch ist fiir alle Detektorelemente 11, 11', die sich auf der linken Seite befinden, zusåtzlich ein „1" zur Kennzeichnung vorgesehen und fiir alle Detektorelemente 11, 11', die sich auf der rechten Seite befinden zusåtzlich ein „r".
Zusåtzlich weisen die Detektorelemente 11, 11' der Linien 21', 22' gegenuber den Detektorelementen 11, 11' der Linien 21, 22 in der Fåchermittebene 20 einen Versatzwinkel auf.
Entsprechend sind in der Darstellung der Fig. 8 die Detektorelemente 11, 11' der Linien 21', 22' gegenuber den Detektorelemente 11, 11' der Linien 21, 22 nach oben versetzt angeordnet. Hierdurch wird eine bessere Ortsauflosung erzielt bzw. diese verdoppelt.
Die Gleichungen fur die Subtraktion der Streustrahlungsanteile miissen nun beide Linien 21, 21' berucksichtigen, was bei gleicher geometrischer Auslegung der Detektorelemente 11, 11' z.B. so erfolgen kann (die Bezeichnung der Intensitaten folgt der oben bei der Diskussion von Fig. 6 verwendeten Nomenklatur):
Id(Dpll) = I(Dpll) - 2*[I(Dsl21) - [I(Dsr22) + I(Dsr32)]/2] -[I (Dsl32) - [I (Dsr33) + I(Dsr43)]/2] - [I(Dsr31) + I(Dsr41)]/2 - [ I (Dsl43) - [I(Dsr44) + I(Dsr54)]/2] - [I(Dsr42) + I (Dsr52) ] /2 - I(Dsl54) - I (Dsr53) / 2 - [sqrt(l,25) - 1]* [ [I (Dsrll) + I (Dsr21)]/2 - I (Dsll2)] - [2 - sqrt(1,25)]*[[I(Dsrl2) + I(Dsr22)]*12 - I(Dsll3)] - [sqrt(3,25) - l]*[I(Dsr31) - [I (Dsl22)+I (Dsl32)]/2] - [2 - sqrt(3,25)]*[I(Dsr32) - [I(Dsl23) + I (Dsl33)]/2]] - [sqrt(7,25) -2]*[I(Dsr42) - [I(Dsl33) + I(Dsl43)]/2] - [3 - sqrt (7,25) ] * [I (Dsr43) - [I(Dsl34) + I(Dsl44)]/2] - [sqrt(7,25) -2]* [I (Dsr42) - [I(Dsl33) + I(Dsl43)]/2] - [3 - sqrt(7,25)]*[I(Dsr43)- [I(Dsl34) + I (Dsl44)]/2] .
Fig. 9 schlieLlich zeigt eine schematische Detailansicht erfindungsgemaLer Vorrichtungen 7, 7' einer weiteren Ausfuhrungsform der erfindungsgemaBen Anordnung. Die Detektorelemente 11 der ersten Vorrichtung 7 sind in zwei Dimensionen entlang einer x-Richtung und einer y-Richtung in einer ersten Ebene 26 angeordnet. Die Detektorelemente 11' der zweiten Vorrichtung 7' sind ebenso zweidimensional entlang der x-Richtung und der y-Richtung in einer zweiten Ebene 27 angeordnet.
Die Ebenen 26, 27 weisen in einer auf die Ebenen 26, 27 normal stehenden Normalrichtung 28 gesehen einen Abstand 32 zueinander auf. Dabei konnen manche der Rontgen-Teilstrahlen 15 auch in Normalrichtung 28 auf die Detektorelemente 11, 11' treffen, d.h. eine Einfallsrichtung 19 kann parallel zur Normalrichtung 28 sein. Die Detektorelemente 11 liegen in der oberen Ebene 26 („up"), die nåher zum Untersuchungsobjekt 12 angeordnet ist. Die Detektorelemente 11' liegen in der unteren Ebene 27 („low"), die weiter weg vom Untersuchungsobjekt angeordnet ist bzw. von der Rontgen-Quelle 13 aus gesehen hinter der Ebene 26. Entsprechend sind die Detektorelemente 11 in Fig. 9 mit Duxy durchnummeriert und die Detektorelemente 11' mit Dixy.
Die Detektorelemente 11 sind in der ersten Ebene 26 derartig rasterformige angeordnet, dass sich Liicken 29 ergeben. In Normalrichtung 28 gesehen sind die Detektorelemente 11' in diesen Liicken 29 angeordnet. Die Detektorelemente 11 wirken somit als Blenden fur die Detektorelemente 11'. Der Abstand 32 ist in Relation zur Grdhe der einzelnen Detektorelemente 11' so gewahlt, dass die Detektorelemente 11' nur von ungestreuten, geschwåchten Rontgen-Teilstrahlen 15 erreicht werden konnen. In die Detektorelemente 11 hingegen treffen sowohl die gestreute Rontgen-Strahlung 16 als auch die ungestreute, geschwåchte Rontgen-Strahlung 17.
Auch in diesem Fall kann rechnerisch jene Intensitat Id (Duxy) zumindest naherungsweise ermittelt werden, die nur der Intensitat der ungestreuten, geschwåchten Rontgen-Strahlung 17 im Detektorelement Duxy entspricht. Beispielsweise kdnnen hierzu die an das betrachtete Detektorelemente Duxy unmittelbar angrenzenden Detektorelemente 11, 11' betrachtet werden. Bei der in Fig. 9 gezeigten Anordnung ergeben sich dann zwei Falle: a) Das Detektorelement Duxy hat zwei angrenzende Dl-Nachbarn und sechs angrenzende Du-Nachbarn. b) Das Detektorelement Duxy hat vier angrenzende Dl-Nachbarn und vier angrenzende Du-Nachbarn. Die Flåchen der Detektorelemente 11, 11' werden als gleich groB angenommen. Dann ergibt sich fur a)
Id (Duxy) = I (Duxy) - 1/7 * (I (Duxy) + I(Dux(y+l)) + I(Dux(y-l)) + I(Du(x-l) (y-1)) + I (Du(x-l) (y+1)) + I(Du(x+1) (y-1)) + I(Du(x+1) (y+1)) - 7* (I(Dl(x-l)y) + I (Dl (x+1)y))/2 bzw.
Id (Duxy) = I (Duxy) - 1/7 * (I (Duxy) + I(Du(x+l)y) + I(Du(x+l) (y+1)) + I(Du(x-l)y) + I(Du(x-l) (y+1)) + I(Du(x-l) (y-1)) + I(Du(x+1) (y-1)) - 7* (I (Dlx(y+1)) + I (Dlx(y-1)))/2 und fiir b)
Id (Duxy) = I (Duxy) - 1/5 * (I (Duxy) + I(Du(x+l)y) + I (Du (x+1) (y+1) ) + I(Du(x-l)y) + I (Du (x-1) (y+1) ) + I(Du(x-l)(y-1)) + I(Du(x+l) (y-1)) - 5* (I (Dlx (y+1) ) + I(Dlx(y-l)) + I (Dl (x+1) y) + I (Dl (x-l)y) ) /4)
Dabei bezeichnet I (Duxy) die gesamte im Detektorelement Duxy gemessene Intensitåt (d.h. die Intensitåtssumme aus gestreuter Rontgen-Strahlung 16 und ungestreuter Rontgen-Strahlung 17) und I (Dlxy) die gemessene Intensitåt im Detektorelement Dlxy (nur ungestreute Rontgen-Strahlung 17). D.h. es genugt, die Detektorelemente 11, 11' nur in zwei Ebenen anzuordnen, was fertigungstechnisch besonders freundlich ist.
Es sei bemerkt, dass es rein mathematisch selbstverstandlich deutlich mehr Moglichkeiten gibt, aus einem Satz von gestorten Messwerten einen Schåtzwert zu ermitteln, etwa auch Mittelwert minus Median der Differenzen etc. Die oben angefuhrte Arithmetik ist daher als rein beispielhaft zu verstehen, um den erfindungsgemåBen Ansatz nachvollziehbar zu machen: das Schwachungs-Nutzsignal hat eine hohere Ortsfrequenz als der
Streustrahlungsanteil, daher muss nicht fur jeden Punkt der Streustrahlungsanteil tatsachlich gemessen werden.
BEZUGSZEICHENLISTE 1 Absorberelement 2 Nanodraht 3 Spannungsquelle
4 Thermisch isoliertes GefaB 5 Be-Fenster 6 Auswerte- und Steuereinheit 7, 7' Vorrichtung 8 Ohmscher Widerstand 9 Komparator 10 Flipflop 11, 11' Detektorelement 12 Untersuchungsobjekt 13 Rontgen-Quelle 14 Rontgen-Facherstrahl 15 Rontgen-Teilstrahl 16 Gestreute Strahlung 17 Ungestreute bzw. Geschwåchte Strahlung 18 Fåcherwinkel 19, 19' Einfallsrichtung 20 Fachermittenebene 21, 21' Linie der Detektorelemente der ersten Vorrichtung 22, 22' Linie der Detektorelemente der zweiten Vorrichtung 23, 23' Abstandswinkel 24 Normalebene 25 Vorwiderstand 26 Erste Ebene 27 Zweite Ebene 28 Normalrichtung 29 Lucke 30 Achse 31 Kollimatorsepte 32 Abstand zwischen erster und zweiter Ebene 33 Trager 34 Kaltebad T Temperatur des Nanodrahts
Tc Sprungtemperatur
Rn Elektrischer Widerstand des Nanodrahts t Zeit iH Heizstrom
Ix Intensitat der auf das Absorberelement auftreffenden
Rontgen-Strahlung 2β Offnungswinkel

Claims (24)

  1. ansprOche
    1. Vorrichtung (7) zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Rontgenstrahlung, die Vorrichtung umfassend mindestens ein Detektorelement (11), welches ein Absorberelement (1) fur die Strahlung und einen mit dem Absorberelement (1) in thermisch leitender Verbindung stehenden Nanodraht (2) aus einem supraleitenden Material aufweist, wobei Kiihlmittel (34) vorgesehen sind, urn in einem Betriebszustand der Vorrichtung (7) das Absorberelement (1) und den Nanodraht (2) des mindestens einen Detektorelements (11) auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts (2) zu kiihlen, und wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (6) zur Bestimmung, ob der Nanodraht (2) des mindestens einen Detektorelements (11) in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mitteis der Auswerte-und Steuereinheit (6) ansteuerbares Heizmittel (8) vorgesehen ist, um dem Absorberelement (1) des mindestens einen Detektorelements (11) einen thermischen Energiepuls zufuhren zu konnen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (6) dafur ausgelegt ist, um im Betriebszustand der Vorrichtung (7) dem Absorberelement (1) des mindestens einen Detektorelements (11) laufend Energiepulse zuzufuhren, solange sich der Nanodraht (2) des mindestens einen Detektorelements (11) im supraleitenden Zustand befindet.
  2. 2. Vorrichtung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als das mindestens eine Heizmittel ein Ohmscher Widerstand (8) vorgesehen ist, der mit dem Absorber (1) des mindestens einen Detektorelements (11) thermisch leitend verbunden ist.
  3. 3. Vorrichtung (7) nach einem der Anspruche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromquelle vorgesehen ist, um im Betriebszustand der Vorrichtung (7) den Nanodraht (2) des mindestens einen Detektorelements (11) im Bereich von 70% bis 99%, vorzugsweise im Bereich von 80% bis 95% seiner kritischen Stromdichte zu betreiben.
  4. 4. Vorrichtung (7) nach einem der Anspriiche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Detektorelement (11) in einem thermisch isolierten GefåB (4) angeordnet ist, welches ein Fenster (5) fiir die zu detektierende Strahlung aufweist.
  5. 5. Vorrichtung (7) nach einem der Anspriiche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanodraht (2) des mindestens einen Detektorelements (11) aus Niobnitrid oder Tantalnitrid gefertigt ist.
  6. 6. Vorrichtung (7) nach einem der Anspriiche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (1) des mindestens einen Detektorelements (11) aus Bismut gefertigt ist.
  7. 7. Vorrichtung (7) nach einem der Anspriiche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (1) des mindestens einen Detektorelements (11) auf dem Nanodraht (2) des mindestens einen Detektorelements abgeschieden ist.
  8. 8. Vorrichtung (7) nach einem der Anspriiche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detektorelemente (11) vorgesehen sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (11) entlang mindestens einer Linie (21), bevorzugt entlang mehrerer Linien (21, 21'), besonders bevorzugt entlang mehrerer paralleler Linien (21, 21') angeordnet sind.
  10. 10. Anordnung zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt (12) gestreuter Strahlung (16) und geschwåchter Strahlung (17), die Anordnung umfassend eine Strahlungsquelle (13) zur Erzeugung eines Fåcherstrahls (14) mit unterschiedliche Fåcherwinkel (18) aufweisenden Teilstrahlen (15) zur Beleuchtung des Untersuchungsobjekts (12) unter in einer Fachermittenebene (20) liegenden, unterschiedlichen Einfallsrichtungen (19), die Anordnung weiters umfassend eine erste Vorrichtung (7) nach einem der Anspriiche 8 bis 9 und eine zweite Vorrichtung (7') nach einem der Anspriiche 8 bis 9, wobei zumindest ein Teil der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) in den Einfallsrichtungen (19) gesehen hinter dem Untersuchungsobjekt (12) angeordnet ist und wobei zumindest ein Teil der Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') parallel zu einer die Strahlungsquelle (13) und das Untersuchungsobjekt (12) verbindenden Achse (30) gesehen seitlich versetzt zu den Detektorelementen (11) der ersten Vorrichtung (7) angeordnet ist.
  11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) entlang einer Linie (21), die vorzugsweise in der Fachermittenebene (20) liegt, angeordnet sind, dass die Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') entlang mehrerer Linien (22) angeordnet sind und dass von der Strahlungsquelle (13) aus gesehen die Linien (22) der Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') wechselweise zueinander sowie vorzugsweise zu der Linie (21) der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) einen Abstandswinkel (23) aufweisen, der in einer Normalebene (24), die normal auf die Fachermittenebene (20) steht, gemessen ist.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der mehreren Linien (22) der Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') dem Verlauf der Linie (21) der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) im Wesentlichen folgt.
  13. 13. Anordnung nach einem der Anspriiche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) zusåtzlich entlang einer weiteren Linie (21') angeordnet sind, dass die Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') zusåtzlich entlang weiterer Linien (22') angeordnet sind und dass von der Strahlungsquelle (13) aus gesehen die weiteren Linien (22') der Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') wechselweise zueinander sowie vorzugsweise zu der weiteren Linie (21') der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) einen weiteren Abstandswinkel (23') aufweisen, der in der Normalebene (24) gemessen ist.
  14. 14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) zwischen den Detektorelementen (11') der zweiten Vorrichtung (7') angeordnet sind.
  15. 15. Anordnung nach einem der Anspriiche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der weiteren Linie (21') der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) dem Verlauf der Linie (21) der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) im Wesentlichen folgt und dass der Verlauf der weiteren Linien (22') der Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') dem Verlauf der weiteren Linie (21') der Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) im Wesentlichen folgt.
  16. 16. Anordnung nach einem der Anspriiche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass von der Strahlungsquelle (13) aus gesehen die Detektorelemente (11) der Linie (21) und der weiteren Linie (21') der ersten Vorrichtung (7) einen Versatzwinkel zueinander aufweisen, der in der Fåchermittenebene (20) gemessen ist.
  17. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass von der Strahlungsquelle (13) aus gesehen die Detektorelemente (11') der Linien (22) und der weiteren Linien (22') der zweiten Vorrichtung (7') den Versatzwinkel zueinander aufweisen.
  18. 18. Anordnung nach einem der Anspriiche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass nur zwischen Detektorelementen (11') der zweiten Vorrichtung (7') Kollimatorsepten (31) vorgesehen sind, wobei die Kollimatorsepten (31) vorzugsweise zwischen Detektorelementen (11') der zweiten Vorrichtung (7') angeordnet sind, die entlang einer der Linien (22) und/oder der weiteren Linien (22') aufeinander folgend angeordnet sind.
  19. 19. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (11) der ersten Vorrichtung (7) in einer ersten Ebene (26) auf einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind, dass die Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') in einer zur ersten Ebene (26) parallelen zweiten Ebene (27) angeordnet sind, die von der Strahlungsquelle (13) aus gesehen hinter der ersten Ebene (26) angeordnet ist, und dass in einer auf die beiden Ebenen (26, 27) normal stehenden Normalrichtung (28) gesehen, die Detektorelemente (11') der zweiten Vorrichtung (7') in Liicken (29) zwischen den Detektorelementen (11) der ersten Vorrichtung (7) angeordnet sind.
  20. 20. Anordnung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Vorrichtung nach einem der Anspriiche 8 bis 9 vorgesehen ist, deren Detektorelemente in einer dritten Ebene angeordnet sind, die parallel zur ersten Ebene (26) und zweiten Ebene (27) sowie zwischen der ersten Ebene (26) und zweiten Ebene (27) angeordnet ist, wobei die Detektorelemente der dritten Vorrichtung in Normalrichtung (28) gesehen von den Detektorelementen (11) der ersten Vorrichtung (7) verdeckt sind.
  21. 21. Verfahren zur Detektion von Strahlung, vorzugsweise Rontgenstrahlung, wobei ein Absorberelement (1) und ein mit dem Absorberelement (1) in thermisch leitender Verbindung stehender Nanodraht (2) aus einem supraleitenden Material auf eine Temperatur im Bereich der Sprungtemperatur des Nanodrahts (2) gekuhlt werden, wobei mitteis des Absorberelements (1) die Strahlung absorbiert wird und wobei laufend bestimmt wird, ob der Nanodraht (2) in einem supraleitenden Zustand ist oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass mitteis eines Heizmittels (8) dem Absorberelement (1) laufend Energiepulse zugefuhrt werden, solange sich der Nanodraht (2) im supraleitenden Zustand befindet, und die hierdurch dem Absorberelement (1) zugefuhrte Leistung bestimmt wird.
  22. 22. Verfahren zur Ermittlung von in einem Untersuchungsobjekt (12) gestreuter Strahlung (16) und geschwåchter Strahlung (17), wobei das Untersuchungsobjekt (12) mit einem Fåcherstrahl (14) mit unterschiedliche Fåcherwinkel (18) aufweisenden Teilstrahlen (15) beleuchtet wird, wobei mitteis eines Verfahrens nach Anspruch 21 eine Summe aus im Untersuchungsobjekt (12) geschwåchten Teilstrahlen (15) und gestreuter Strahlung (16) gemessen wird, wobei die Messung in zumindest einer Dimension so ortsaufgelost erfolgt, dass die einzelnen Teilstrahlen (15) ortsaufgelost werden.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass wobei mitteis eines weiteren Verfahrens nach Anspruch 21 ausschliefllich gestreute Strahlung (16) gemessen wird, wobei die Messung in zumindest einer Dimension ortsaufgelost zumindest an solehen Orten erfolgt, in welche bei einer angenommenen rotationssymmetrischen råumlichen Verteilung der gestreuten Strahlung (16) jedes Teilstrahls (15) derselbe Anteil des jeweiligen Teilstrahls (15) gestreut werden wiirde wie in einen Ort, an welchem ein zum jeweiligen Teilstrahl (15) benachbarter geschwachter Teilstrahl (15) gemessen wird.
  24. 24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass fur die Orte, an denen die geschwåchten Teilstrahlen (15) gemessen werden, die ausschlieBlich geschwachte Strahlung (17) rechnerisch ermittelt wird, indem jeweils von der gemessenen Summe von geschwachter Strahlung (17) und gestreuter Strahlung (16) korrespondierende Teile der gemessenen ausschlieBlich gestreuten Strahlung (16) abgezogen werden.
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