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Detektortechnologien

Funktionsweise CCD
Ein CCD (Charge-Coupled Device) ist ein lichtempfindlicher Halbleiterdetektor, der aus vielen Lichtsensoren (erzeugen Ladungsträger beim Auftreffen von Photonen), besteht. Das Bild entsteht wenn die Röntgenstrahlung den Szintillator zum Leuchten bringt und die lichtempfindlichen Dioden (Detektor) auf die Photonen reagieren. Dabei wird im im ersten Schritt das Bild zeilenweise und parallel ausgelesen. Die Elektronen werden dabei von Fotodiode zu Fotodiode weitergeleitet. Nachdem man mit den parallelen Schieberegistern ganze Zeilen ausgelesen hat, gelangen die Ladungen zu einem seriellen Schieberegister. Jedes Paket wird unter Kontrolle einer Horizontaltaktung zum Ausgangsverstärker des Chips gebracht. Nachdem die gesamte Zeile ausgelesen (verschoben) wurde, wird die neue Zeile eingelesen.

Austaktung bei CCD:

            

Beim CCD-Sensor wird ein ganzes Bild zeilenweise und parallel ausgelesen. Um ein Pixel anzusteuern und auszulesen, müssen alle Pixel bewegt und ausgelesen werden.

 

Funktionsweise CMOS
Der CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist ein lichtempfindlicher Halbleiterdetektor, der aus Lichtsensoren besteht. Das Bild entsteht wenn die Röntgenstrahlung den Szintillator zum Leuchten bringt und der lichtempfindliche Detektor auf die Photonen reagiert. Im Gegensatz zu einem CCD-Chip, bei dem die angesammelten Elektronen zu einem Ausleseverstärker verschoben werden müssen, hat jeder Pixel in einem CMOS-Chip einen eigenen Ausleseverstärker. Dies hat den Vorteil, dass ein CMOS-Chip wesentlich schneller ausgelesen werden kann als ein CCD-Chip. CMOS-Bildsensoren haben gegenüber ihren CCD-Chips die Fähigkeit, eine Vielzahl von Verarbeitungsschritten und Kontrollfunktionen, die über das Sammeln von Photonen deutlich hinausgehen, parallel auszuführen bzw. direkt auf dem Chip zu implementieren.
Hierunter fallen Timing, Analog–Digital–Wandlung (AD-Wandler), Bildkontrolle, Verschlussautomatik (Shuttering), Taktung, Weißabgleich sowie erste Bildverarbeitungsschritte. Weil der CMOS–Chip all diese Funktionen ausführen soll, ähnelt seine Architektur mehr der eines RAM-Chips als der eines einfachen Bilderfassungschips. Die bekanntesten CMOS – Architekturen basieren auf „Aktiven Pixel Sensoren“ (APS) –Technologien, bei denen sowohl die Fotodiode als auch die Ausleseelektronik für jeden Pixel kombiniert vorkommen. Dies erlaubt, das Ladungspaket, das auf der Fotodiode gesammelt wird, noch im Pixel auszuwerten und in eine entsprechende Spannung umzuwandeln.

Austaktung bei CMOS:

    

Bei einem CMOS-Sensor kann wahlweise jedes einzelne Pixel einfach angesteuert und ausgelesen werden. Austaktung des CMOS ist dadurch jederzeit, einfach und ohne viel Energieaufwand möglich.

 

Caesium-Iodid-Szintillator:

              

Die Nadelstruktur des Caesium-Iodid-Szintillators (CsI) sichert eine hohe Quantenausbeute (= hohe Ortsauflösung, exzellente Bildqualität)

 

Amorphes Silizium:

                           
Ein Element der Photodiodenmatrix (Detektor)

Die Detektormatrix aus amorphen Silizium (a-Si) zeichnet sich durch hohe Stabilität gegenüber Röntgenstrahlen aus und eignet sich besonders für grossflächige Sensoren.

 

Flat-Panel-Imager
Flat-Panel-Imager sind den CMOS Sensoren sehr ähnlich. Sie haben ebenfalls eine Photodiode, die das Licht von einem Szintillator, beispielsweise CsI sammelt. Der eigentliche Röntgennachweis findet also auch hier im Szintillator statt. Der Unterschied zu CMOS Systemen liegt in der zugrunde liegenden Technologie. Bei dem Flat-Panel-Imager wird amorphes Silizium mit Dünnschichttransistoren (TFT: Thin Film Transistor) verwendet. Für das Auslesen wird jede Zeile einzeln auf die Ausleseleitungen gelegt. Die Signale werden dann am Ende einer Spalte verstärkt und digitalisiert. Während eine Zeile ausgelesen wird, ist die Datenaufnahme in den übrigen Zeilen möglich.

                                     

               Flat-Panel-Detector von Samsung

 

CdTe-Sensor-Technologie
Bei den CdTe-Detektoren (Cadmium Telluride) wird anstelle der Fluoreszenzschicht (Szintillator) eine CdTe-Schicht verwendet. Im Gegensatz zu allen anderen Sensoren konvertieren sie die einfallenden Röntgenstrahlen direkt in elektrische Signale. Die Strahlen werden nicht in sichtbares Licht umgewandelt, daher entsteht keine zusätzliche optische Streuung (=Unschärfe). Die Auflösung und der Kontrast werden dadurch um ca. 300% erhöht.
Bei CdTe-Detektoren handelt es sich um Systeme, bei denen sowohl der Sensor als auch der Auslesechip eine gepixelte Struktur aufweisen. Durch die Verbindung (z.B. mit Indium) von zwei Systemen, Sensor und Auslesechip, lässt sich als Sensormaterial ein direkt konvertierender Halbleiter verwenden. Verstärker und Schalter müssen sich nicht mehr innerhalb des Sensors befinden, sondern sind auf dem Chip (CMOS) implementiert.

              

 

Bildverstärker-Technologie
Der Röntgenbildverstärker ist eine Vakuumröhre, in der das Röntgenbild via Röntgenleuchtschirm zunächst in ein sichtbares Bild umgewandelt wird. Die erzeugten optischen Photonen treten auf die folgende Photokathode und schlagen hier Elektronen heraus. Die Helligkeitsverteilung des optischen Bildes wird somit in eine Elektronendichteverteilung umgewandelt. Die nun freien Elektronen werden in einem elektrischen Feld gebündelt und zur Anode hin beschleunigt. Durch das elektrische Feld, das vergleichbar mit einer Sammellinse für Licht ist, wird das Bild auf dem Ausgangsschirm stark verkleinert (was zu einer hohen Leuchtdichte - Strahlenausbeute -  führt) und umgedreht. So werden auch mit geringster Dosis, durch Bündelungs- und Verstärkungseffekte, hochqualitative Bilder erzeugt. Optimal für hohe Empfindlichkeit und Dosisausbeute im verwendeten kV-Bereich. Diese Technologie ermöglicht sehr gute Bildqualität mit vergleichsweise geringen Strahlendosen.

              

               Röntgendetektor mit Bildverstärker, Irisblende und CCD-Chip

 

 

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