Untersuchung von CdTe als Sensormaterial für die spektroskopische Röntgenbildgebung
Guni, Ewald - Universität Erlangen-Nürnberg (2012)
Detektorkonzepte mit photonenzählender Ausleseelektronik gewinnen zunehmend an Bedeutung in der medizinischen Bildgebung. Materialien mit hohem Absorptionsvermögen, wie CdTe, sind dabei die bevorzugten Sensormaterialien. Ziel dieser Arbeit war es, CdTe als Sensormaterial in Verbindung mit dem photonenzählenden Auslesechip Medipix2-MXR, im Hinblick auf die Eignung zur spektroskopischen Röntgenbildgebung, zu untersuchen. Das Augenmerk richtete sich dabei auf den Nachweis von Kontrastmitteln in der medizinischen Bildgebung. Nachdem das Konzept photonenzählender Detektoren vorgestellt und detailliert auf das Sensormaterial CdTe eingegangen wurde, wurde die spektrale Energieantwort eines CdTe Detektors in Abhängigkeit von Pixelgröße, Elektrodengröße und Sensordicke untersucht. Die Messungen ergaben, dass die Energieantwort sehr stark von den drei genannten Parametern abhängt. Einen entscheidenden Einfluss hat zum einen die Pixelgröße, da diese den Anteil des Charge Sharing und die Signaturen der Fluoreszenzstrahlung im Energieantwortspektrum bestimmt. Die Elektrodengröße hat großen Einfluss auf das elektronische Rauschen. Die Hoffnung die guten spektralen Eigenschaften großer Pixel zu behalten und gleichzeitig das Rauschen durch kleinere Elektroden zu minimieren, wurde nicht erfüllt, da zunehmend Ladungen an die größer werdende Lücke verloren gingen. Die Folge der Ladungsverluste an die Lücke war eine starke Degradation des Energieantwortspektrums. Hierfür konnten verschiedene Erklärungen gegeben werden. Letztendlich stellte sich heraus, dass für die spektroskopische Röntgenbildgebung ein Kompromiss zwischen spektralem und örtlichen Auflösungsvermögen gefunden werden muss. Mittlere Pixelgrößen mit großen Pixelelektroden erwiesen sich dabei am geeignetsten.
Mittels der aus den Messungen gewonnenen Erkenntnissen war eine realistische Simulation der Energieantwortspektren in einem breiten Energiebereich möglich. Dazu wurden zunächst die Messungen mit Simulationen verglichen, wobei sich herausstellte, dass die Simulation für Pixelgrößen mit großen Elektroden die Messung sehr gut wiedergibt.
Im letzten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Prinzip der Materialrekonstruktion mit einem photonenzählenden CdTe Detektor angewendet werden kann. Dazu wurden in einem Simulationsaufbau die Basismaterialien Wasser, Gadolinium und Iod sowohl in ihrer Quantität als auch in ihrer Position richtig nachgewiesen.
Um das Prinzip der Materialrekonstruktion auch in Messungen zu bestätigen, stand ein CdTe Detektor mit einer Pixelkantenlänge von 0,33 mm und einer Dicke von 1,6 mm zur Verfügung. Große Abweichungen der spektralen Energieantwort der einzelnen Pixeln untereinander verhinderten jedoch die Materialrekonstruktion in projektiver Geometrie. Nachdem eine Detektorzeile mit Pixeln mit sehr ähnlichen Energieantwortspektren gefunden wurde, bestand die Hoffnung das Prinzip der Materialrekonstruktion in computertomographischer Geometrie anzuwenden. Auch dies war leider nicht möglich, da zeitlich unkorellierte Störsignale im Energieantwortspektrum dies verhinderten.
Fortschritte bei der Herstellung von CdTe Detektoren ermöglichen aber eine stetige Verbesserung der Qualität der Detektoren, so dass zu erwarten ist, dass mit den seit kurzem erhältlichen CdTe Detektoren und der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen, Materialrekonstruktion auch in Messungen bestätigt werden kann.