Spektrale Röntgenkamera
Einzelphotonen-Röntgendetektor für schärfere Bilder
Die Advacam Kameras sind direkt konvertierende Einzelphotonen-Zählpixel-Detektoren, die zwei Vorteile mit sich bringen: einen hohen Kontrast sowie spektrale Informationen der Röntgenstrahlen.
Bild 1 | Vergleich der Bildqualität am Beispiel eines Sparschweins mit direkter Konvertierung mit Einzelphotonenzählung (l.), direkt ohne Photonenzählung (m.) und indirekter Konvertierung (r.). (Bild: Polytec GmbH)
Die spektrale Röntgendetektor-Technologie, die Advacam einsetzt, basiert auf Medipix Hybrid-Pixel-Detektoren. Diese wurden in den letzten 20 Jahren im Rahmen einer Zusammenarbeit von Universitäten und Forschungslabors unter der Leitung des CERN entwickelt. Advacam besteht aus zwei Technologie-Spin-off-Unternehmen aus dem Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der tschechischen technischen Universität Prag und dem VTT Technical Research Center in Finnland. Die Kameras sind als direkt konvertierende Einzelphotonen-Zählpixel-Detektoren die Spitze der aktuellen Strahlungsbild-Technologie. Einzelphotonenzählung bedeutet, dass jedes einzelne Photon der Röntgenstrahlung, das in einem Pixel detektiert, auch verarbeitet und gezählt wird. Die Technologie bringt gegenüber herkömmlicher Röntgenbildgebung zwei Vorteile mit sich: Hoher Kontrast – und damit scharfe Bilder – sowie energetische bzw. spektrale Informationen der Röntgenstrahlen. Dadurch lassen sich Materialzusammensetzungen bestimmen und in Falschfarben darstellen.
Direkte / indirekte Konvertierung
Dabei werden zwei Methoden der Bildumwandlung unterschieden: Bei der direkten Konvertierung ist jedes Pixel des Halbleiterdetektors direkt über einen Lötkontakt mit einer CMOS-Ausleseschaltung verbunden. Die Röntgenstrahlung wird also innerhalb des Pixels unmittelbar in elektrische Ladung umgewandelt und ausgelesen. Bei den Kameras mit indirekter Umwandlung liegt eine Szintillationsschicht über einem Photodiodenarray. Die Röntgenstrahlung wird dabei in der Szintillationsschicht zuerst in sichtbares Licht umgewandelt. Dieses wird anschließend in der darunterliegenden Photodiode detektiert und in elektrische Ladung konvertiert.
Geringeres Rauschen
Das Einzelphotonenzählprinzip beseitigt alle anderen Rauschquellen, die in CCD- oder Flat-panel-basierten Kameras vorhanden sind. Dies führt zu einem wesentlich besseren Signal-Rausch-Verhältnis und damit zur besseren Erkennbarkeit von Bilddetails. Die Bildschärfe oder die tatsächliche räumliche Auflösung des aufgenommenen Bildes wird durch die elektrische Ladung der CMOS-Auslesung definiert. Obwohl die Pixel von Direktumwandlungskameras größer sind als die der herkömmlichen mit indirekter Umwandlung, wird das Signal der detektierten Röntgenstrahlen deutlich besser in die Pixel fokussiert. Die typische Größe eines Direktumwandlungs-Pixels reicht von wenigen Millimetern bis zu einigen zehn Mikrometern, wobei Advacam mit 55µm Pixelgröße die höchste Pixeldichte aller aktuellen industriellen Röntgenkameras erreicht.
Bild 2 | Funktionsprinzipien in einem einzelnen Pixel der direkten und indirekten Konvertierung. (Bild: Polytec GmbH)
Materialunterscheidung über Strahlungsenergie
Die Energieempfindlichkeit ist eine ebenso wichtige Weiterentwicklung der aktuellen Bildgebungstechnologie wie seinerzeit der Übergang von der s/w- zur Farbfotografie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Röntgenbildkameras können die Photonenzählkameras die Energie (die der Wellenlänge entspricht) von einfallenden Photonen unterscheiden oder sogar direkt messen. Da jedes chemische Element charakteristische röntgenabschwächende Eigenschaften aufweist, kann über die Energiemessung der Photonen die Materialzusammensetzung der Probe beurteilt werden. Die spektrale Empfindlichkeit bietet somit eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Röntgenbildkameras.
Zeitverzögerte Integration
Im Gegensatz zum Stitching, dem Zusammenfügen einzelner Teilbilder wegen eines zu kleinen Sichtfeldes der Kamera, ermöglicht die Digital Time Delayed Integration (DTDI) das fortlaufende Scannen der aufgenommenen Objekte. Das hochaufgelöste Bild wird in dem Moment erzeugt, wenn sich das Objekt über das Sichtfeld der Kamera bewegt. Die Abtastgeschwindigkeit der Kamera oder die Bewegung des Objekts (z.B. auf einem Förderband) kann bis zu mehreren 10m/s betragen.
Anwendungen
Diese besonderen Eigenschaften eröffnen Anwendungsfelder, die mit bisherigen Imaging-Lösungen nur schwer oder gar nicht zu realisieren waren. Im Bereich der Röntgenmikroskopie werden wesentliche Verbesserungen der Bildqualität und -auflösung erreicht, Röntgenkristallographie wird eingesetzt, um detaillierte atomare oder molekulare Strukturen in Synchrotronen (Teilchenbeschleunigern) zu untersuchen, auf der internationalen Raumstation ISS werden Advacam-Detektoren eingesetzt, um die Strahlenbelastung der Astronauten im Weltraum zu untersuchen und zu überwachen. Bei zerstörungsfreien Materialtests werden auch anspruchsvoll zu detektierende Defekte bei Composite-Materialien wie tiefe Laminatfalten, Kiss-Bonds, Delaminationen, Porosität, Fremdkörper und Mikrorisse mit hoher Auflösung erkannt. Die Bergbau-Industrie setzt Photonenzähl-Detektoren ein, um in Bohrkernen vor Ort unterschiedliche Mineralien zu identifizieren und die Auswertung zu beschleunigen. Für die Kunstbranche liefern Röntgenbildgebungsverfahren detaillierte Daten für Versicherungsunternehmen, um z.B. mit dem Transport verbundenen Risiken zu bewerten oder durch die Identifizierung verschiedener Pigmente zur Authentifizierung von Kunstwerken beizutragen.
