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Dokumentenidentifikation DE3918843A1 21.12.1989
Titel Röntgendetektor hoher Auflösung und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Cueman, Michael Kent, Niskayuna, N.Y., US;
Trzaskos, Casmir Robert, Amsterdan, N.Y., US;
Thomas III, Lewis Jones, Schenectady, N.Y., US;
Greskovich, Charles David, Niskayuna, N.Y., US
Vertreter Schüler, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 09.06.1989
DE-Aktenzeichen 3918843
Offenlegungstag 21.12.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.12.1989
IPC-Hauptklasse G01T 1/202
IPC-Nebenklasse G21K 4/00   H01L 27/14   C04B 35/00   C04B 35/50   C04B 37/00   G03B 42/02   
Zusammenfassung Ein Abbildungs-Röntgenstrahlensensor besteht aus einer linearen Reihe mikroskopisch kleiner Stäbe aus Scintillatormaterial aus polykristalliner Keramik, die an den Stabenden mit einer integrierten Schaltungs-Photodetektorreihe verbunden sind. Die Scintillatorstäbe sind die grundlegenden Auflösungselemente des Detektors, und sie haben eine Breite von weniger als 50 µm. Jeder Stab erzeugt einen Lichtblitz mit einer Intensität, die in Beziehung steht zum Röntgenstrahlenfluß, der in den Stab eindringt. Ein reflektierender Überzug, der fünf Oberflächen des Stabes bedeckt, isoliert jedes Detektorelement und kanalisiert das Licht in den Photodetektor, der mit einem Ende des Stabes verbunden ist. Ein Verfahren zum Herstellen der Detektorreihe benutzt die maschinelle Bearbeitbarkeit und gute mechanische Festigkeit der Scintillatoren, wie solcher aus Oxiden Seltener Erden, die mit Aktivatoren aus Seltenen Erden dotiert sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Röntgendetektoren und besonders eine Festkörper-Detektorreihe mit einer merklich verbesserten räumlichen Auflösung, und sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Detektorreihe.

Derzeitige Röntgendetektoren haben keine angemessene räumliche Auflösung für die Inspektion vieler neuer industrieller Teile. Verbundmaterialien, elektronische Elemente hoher Dichte, Keramiken und selbst die Hochleistungs-Anwendungen üblicher Metalllegierungen können aufgrund der Anwesenheit sehr kleiner Fehler versagen. In vielen Fällen liegt die kritische Fehlergröße unterhalb der Auflösungsgrenze üblicher Digital-Radiographie- Detektoren und solcher Detektoren für die computerisierte Tomographie. Eines der besten derzeitigen industriellen Röntgen- Computertomographie (CT)-Systeme ist mit einem Detektor ausgerüstet, der Merkmale bis herab zu etwa 200 µm auflösen kann. Die kritische Fehlergröße in Graphit-Verbundstoffen bzw. -Körpern wird jedoch in der Größe von 25 bis 50 µm angenommen. Auch wird militärische Prototyp-Elektronik auf gedruckten Schaltungen mit leitenden Mustern einer Breite von nur 100 µm hergestellt.

Die Ausdehnung der Digital-Röntgenradiographie und computerisierten Tomographie auf diese wachsende Klasse von Hochleistungsteilen erfordert einen Detektor, der eine verbesserte räumliche Auflösung mit anderen Leistungsvorteilen kombiniert, einschließlich einer Empfindlichkeit gegenüber weichen Röntgenstrahlen, einer geringen Kreuzkopplung zwischen den Elementen, vermindertem Rauschen und geringer physischer Größe.

Andere Arten von Röntgendetektoren für industrielle Untersuchungsanwendungen schließen Hochdruck-Xenon-Ionisations-, monolithische Scintillator- und Faseroptik-Scintillations-Detektoren ein. Alle diese Detektoren haben Nachteile. So sind Xenon-Ionisationskammern hinsichtlich der Auflösung bei etwa 100 µm durch eine Ladungsausbreitung im ionisierten Gas beschränkt. Sie erfordern massive Druckgefäße und eine komplexe Verkabelung hoher Impedanz, die eine stationäre Installation erfordert. Xenon- Detektoren haben ein Druckgefäß, das einen Teil weicher Röntgen- Signale absorbiert, bevor es die aktiven Elemente des Detektors erreicht. Faseroptik-Scintillationsdetektoren haben eine mangelnde Kanal-Unabhängigkeit, diese Scintillatoren fangen nur einen Bruchteil ihres Scintillationslichtes im wahren Faserkern- Übertragungsmodus auf. Ein großer Teil ihrer Lichtabgabe streut zwischen den Fasern und trägt zur Signal-Kopplung zwischen weit getrennten Detektorelementen bei.

Ein Röntgendetektor mit sehr starker Auflösung (1 bis 2 µm) ist von B-P. Flannery et al in "Three-Dimensional X-ray Microtomography", Science, 237, September 1987, Seiten 1439-1444 beschrieben. Dieser Detektor weist eine zellulare Leuchtstoffplatte zur Umwandlung von Röntgenstrahlen in optisches Licht auf. Das Bild wird mit einem Linsensystem vergrößert und in einen ladungs-gekoppelten Festkörper-Detektor fokussiert. Es wird Synchroton-Röntgenstrahlung geringer Energie benutzt, was keine praktische Quelle für die zerstörungsfreie Untersuchung ist, und die Energieabgabe ist für die meisten industriellen Untersuchungen zu gering.

Die polykristallinen Keramik-Scintillatormaterialien hoher Dichte in den Detektoren der vorliegenden Erfindung sind Oxide Seltener Erden, dotiert mit Aktivatoren aus Seltenen Erden. Ein solcher Scintillator ist in den US-PSsen 44 21 671 und 47 47 973 beschrieben. Ein Festkörper-Röntgendetektor mit einer Reihe von Scintillationselementen aus diesem Material ist in der US-PS 45 25 628 beschrieben. Scintillatorelemente mit einer mm-Breite, getrennt durch vertikale Kollimatoren, sind in einem Detektor offenbart, der für das rasche medizinische CT-Abtasten geeignet ist. Die vorteilhaften Eigenschaften der Scintillatoren für diese und andere Anwendungen, einschließlich ihrer hervorragenden Lichtübertragung, guten Umwandlungswirksamkeit, hohen Leistung Röntgenstrahlung zu stoppen, Herstellung von Licht bei einer Wellenlänge, die mit den verfügbaren integrierten Schaltungs-Photodetektoren kompatibel ist und hervorragenden physikalischen Eigenschaften werden beschrieben.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Röntgendetektor mit einzigartigen Vorteilen für das digitale Radiographie- und computerisierte Tomographie-Abbilden industrieller Teile mit hoher räumlicher Auflösung zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines Röntgendetektors mit hoher Auflösung, der eine lineare Reihe von Scintillatoren aus polykristalliner Keramik deutlich geringerer Größe aufweist als bisher sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Reihe und eines solchen Detektors.

Noch eine andere Aufgabe ist es, einen verbesserten Festkörper- Röntgendetektor zu schaffen, der wirksam ist, an integrierte Schaltungs-Sensoren auf Siliziumbasis angepaßt ist, eine geringe Kreuzkopplung und Kopplung zwischen den Elementen hat, klein und manövrierbar ist und eine gute Empfindlichkeit für weiche Röntgenstrahlen aufweist.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Röntgendetektor hoher Auflösung mit einer linearen Reihe von langgestreckten Scintillatorstäben aus dichtem polykristallinen Keramikmaterial von Seltenen Erden, wobei die Stäbe säulenförmig angeordnet sind und Röntgenstrahlen, die in eine vordere Oberfläche der Stäbe eindringen, in Scintillationslicht umwandeln. Eine Trägerplatte ist an die rückwärtige Oberfläche der linearen Reihe angeklebt. Die Enden der Scintillatorstäbe sind an eine integrierte Schaltungs-Photodetektorreihe gebunden, die elektrische Signale erzeugt, die in Beziehung stehen zur Röntgenstrahl-Intensität. Ein reflektierender Überzug bedeckt alle Oberflächen der Scintillatorstäbe, ausgenommen die Enden, die mit den Photodetektoren verbunden sind und sorgt für eine mechanische Abstützung und eine Umdirigierung und Kanalisierung des Scintillationslichtes in jedem Stab zu dem daran befestigten Photodetektor.

Die Scintillatorstäbe, die aus Oxiden Seltener Erden zusammengesetzt sein können, die zur Lumineszenz mit Aktivatoren aus Seltenen Erden dotiert sein können, haben einen rechteckigen Querschnitt und eine vordere Oberfläche mit einer Breite von weniger als 50 µm. Die räumliche Auflösung des Elementes ist nur durch die Fähigkeit begrenzt, schmalere Stäbe zu schneiden. Ein anderes Merkmal ist die Kombination einer physisch kleinen und stabilen Reihe mit einem geschlitzten Kollimator, um Röntgenstrahlen auf einen Bereich der Scintillatorstäbe ausreichend oberhalb der Photodetektorreihe zu beschränken, um die letztere vor Beschädigung durch gestreute Röntgenstrahlen zu schützen.

Ein Verfahren zum Herstellen der linearen Detektorreihe ist folgendes:

Eine Scheibe aus Scintillationsmaterial aus polykristalliner Keramik wird auf einer temporären Grundplatte montiert und, z.B. mit einer Würfelsäge, in eine Reihe von Stäben geschnitten, deren Breite kleiner ist als 50 µm. Nach dem Montieren von Läpp- Scheiben bzw.-Lamellen auf der Grundplatte wird ein reflektierender Überzug aufgebracht, der die Räume zwischen den einzelnen Stäben vollständig füllt. Der reflektierende Überzug kann eine Mischung aus einem Klebstoff und lichtbrechenden Teilchen sein, wie Epoxyharz und Titandioxid (Rutil)-Teilchen. Die Scheiben und der überschüssige Überzug werden weggeläppt und die rückwärtigen Oberflächen der Scintillatorstäbe poliert. Eine Trägerplatte wird an die rückwärtige Oberfläche der Reihe von Stäben angeklebt, wobei man den reflektierenden Überzug als Klebstoff benutzt. Die temporäre Grundplatte wird weggeläppt und die zusammenhängende Scheibenoberfläche und die vorderen Oberflächen der Stäbe werden poliert. Die Reihe von Stäben mit der Trägerplatte wird zur richtigen Größe geschnitten und das Fußende der linearen Reihe auf einer integrierten Schaltungs- Photodetektorreihe montiert. Schließlich werden alle freigelegten Oberflächen der Scintillatorstäbe mit dem reflektierenden Überzug bedeckt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Reihe von Scintillatorstäben, Trägerplatten und integrierten Schaltung des Photodetektors bei einer Zwischenstufe der Herstellung des Detektors,

Fig. 2 eine Endansicht des zusammengebauten Röntgendetektors,

Fig. 3 bis 15 Stufen bei der Herstellung der Scintillatorreihe und der daran befestigten Trägerplatte und

Fig. 16 und 17 das abschließende Zusammenbauen und Verbinden der Reihe mit der integrierten Schaltung des Photodetektors und das Überziehen der Scintillatorstäbe mit reflektierendem Material.

Die Röntgendetektorreihe hoher Auflösung ist schematisch in Fig. 1 gezeigt, und sie besteht aus einer linearen Reihe von Scintillatorstäben 20, die säulenförmig angeordnet sind. Wie auch in Fig. 2 gezeigt, weisen die Stäbe 20 auf allen Oberflächen mit Ausnahme ihrer Bodenenden einen Überzug 21 aus reflektierendem Material auf, der die Räume zwischen den Stäben vollständig füllt. Jeder Stab 20 ist ein Pixel oder Element in der linearen Detektorreihe. Die Scintillatorstäbe 20 werden durch eine Klebebefestigung an einer oder mehreren Trägerplatten 22 und 23, die keine speziellen Eigenschaften aufweisen, in einer gleichmäßig beabstandeten Linie gehalten. Die untere bzw. Bodenoberfläche der zusammengebauten Scintillatorstäbe bzw. Blöcke und deren Träger sind optisch flach und poliert, und sie ist direkt mit der Siliziumdioxid-Oberfläche einer integrierten Schaltungsreihe von Photodetektoren 24 verbunden, die die Basis des Detektors bildet. Die integrierte Schaltungs-Detektorreihe 25 besteht aus einer Linie einzelner photoempfindlicher Bereiche 25 und der Schaltung, die erforderlich ist, die Zellen einzeln abzulesen. Es können ladungsgekoppelte Elemente (CCD), Ladungs- Injektionselemente (CID) oder bipolare Photodioden benutzt werden. Die Baueinheit aus Scintillatorstab, Trägerplatte und integrierter Schaltungs-Photodetektorreihe wird auf einem Chipträger 26 montiert, der Kontakte 27 aufweist.

Beim Abbilden wird der Röntgendetektor hinter einem mit Schlitz versehenen Kollimatorstab 28 angeordnet, der aus einem dichten Material, wie Wolfram oder Blei, hergestellt ist. Der Kollimator und sein horizontaler Schlitz begrenzen die Röntgenstrahlen auf eine Ebene und gestatten Röntgenstrahlen nur in einen Abschnitt der Scintillatorstäbe 20 für einen Bruchteil von 2,5 cm oberhalb der Ebene der integrierten Schaltungs-Photodetektorreihe 24 einzudringen. Die Röntgenstrahlen, die auf diesen Abschnitt auftreffen, erzeugen sichtbares Licht, das durch den reflektierenden Überzug 21 nach unten zur Photodetektorreihe 24 umgeleitet und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das über Drähte 29 zum Chipträger 26 gelangt und automatisch zu einem Computer übertragen wird, um das endgültige Bild zu formen. Der Kollimator 28 schützt die integrierte Schaltungs- Photodetektorreihe 24 vor Beschädigung durch den direkten Röntgenstrahl. Der Abstand zwischen dem scintillierenden Bereich des Stabes 20 und der integrierten Schaltung 24 schützt das Siliziumelement vor Beschädigung durch gestreute Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen hoher Energie, die nicht durch die Scintillatorstäbe 20 gestoppt werden, gelangen einfach in die Trägerplatten 22 und 23, die üblicherweise aus Aluminium oder Glas bestehen. Der reflektierende Überzug 21 der Scintillatorstäbe ist eine Mischung eines Klebstoffes geringen Brechungsindex und von Teilchen hohen Brechungsindex, wie Titandioxid (Rutil). Dieser Überzug ist ein diffuser Reflektor und sorgt für die wirksame Übertragung und Kanalisierung des Scintillationslichtes nach unten zum Photodetektor und für das physische Abstützen der Reihe von Scintillatorstäben. Jedes Detektorelement der Reihe ist durch den reflektierenden Überzug isoliert.

Es wurden Reihen von Scintillatorstäben 20 aus polykristallinem keramischen Material aus Seltenen Erden hergestellt, wobei die Stäbe von 1000 bis 2500 µm lang, an der vorderen Oberfläche von 25 bis 50 µm breit und 150 bis 200 µm tief sind. Die Breite der vorderen Oberfläche ist erwünschtermaßen so gering als möglich, um eine bessere räumliche Auflösung zu erzielen, und ein besseres Abstoppen der Röntgenstrahlen erhält man durch eine größere Dicke bzw. Tiefe. Die Stäbe sind in einer Matrix aus Epoxyharz und Titandioxid montiert, mehr im besonderen besteht der reflektierende Überzug 21 aus einer Mischung von Epoxyharz und Titandioxid- bzw. Rutil-Teilchen. Es wurden Reihen mit einer Breite von mehr als 1 cm auf integrierten Schaltungs- Photodiodendetektoren montiert, die von der Reticon Corporation hergestellt waren und 512 Dioden auf 25 µm-Zentren aufwiesen.

Das kubische polykristalline keramische Scintillationsmaterial ist in den vorgenannten PSsen beschrieben und besteht aus Oxiden Seltener Erden, die mit Aktivatoren aus Seltenen Erden dotiert sind. Mehr im besonderen können die Röntgendetektor-Scintillatoren aus Yttriumoxid und Gadoliniumoxid hergestellt werden, das zur Lumineszenz mit einem oder mehreren von Europiumoxid, Neodymoxid, Ytterbiumoxid und Dysprosiumoxid aktiviert ist. Eine Zusammensetzung, die gute Ergebnisse bringt, schließt 66,7 Mol-% Yttriumoxid, 30% Gadoliniumoxid, 3% Europiumoxid und 0,3% Ytterbiumoxid ein. Diese Zusammensetzung hat eine kubische Struktur, eine gute Fähigkeit Röntgenstrahlen zu stoppen und wandelt Röntgenstrahlen wirksam in Scintillationslicht um.

Außerdem tritt nur ein geringes Nachglühen auf. Mehr Information findet sich in der US-PS 44 21 671, auf die daher ausdrücklich Bezug genommen wird. Um eine feine Struktur und solche mikroskopisch schmalen Stäbe herzustellen, muß das Scintillatormaterial maschinell bearbeitet werden können und eine feine Korngröße und hervorragende mechanische Festigkeit aufweisen. Die angegebenen Scintillator-Zusammensetzungen sollen beispielhaft, nicht aber beschränkend verstanden werden.

Der Röntgendetektor der vorliegenden Erfindung fördert den Stand der Technik auf dem Gebiete linearer Detektorreihen in folgender Weise: Hinsichtlich der Auflösung sind die auflösenden Elemente des Detektors unabhängige Stäbe aus Scintillatormaterial, das in einer reflektierenden Matrix eingebettet ist. Die räumliche Auflösung des fertigen Elementes wird nur durch die Möglichkeit begrenzt, physisch kleinere Blöcke bzw. Stäbe zu schneiden. Unter Anwendung der noch zu beschreibenden Verfahren wurden Detektorstäbe mit einer Breite von nur 25 µm bereits hergestellt. Hinsichtlich der Wirksamkeit stoppen Scintillatoren aus polykristalliner Seltene Erden-Keramik hoher Dichte mehr Röntgenstrahlen in weniger Volumen als gasförmige oder Scintillatoren geringer Dichte. Darüber hinaus erzeugt das Material mehr Licht bei einer Farbe mit einer Wellenlänge von 610 nm im roten Spektralteil für den Europium-Aktivator, das besser an integrierte Schaltungs-Sensoren aus Silizium angepaßt ist, als andere Medien. Diese Faktoren kombinieren sich zur Herstellung eines kleinen Elementes mit hoher Signalwirksamkeit. Hinsichtlich der Kanal- Unabhängigkeit kanalisiert das reflektierende Medium, das jeden Scintillatorstab umgibt, wirksam das Scintillationslicht in die Photodioden, die daran befestigt sind. Es gibt nur eine Klebstoff-Zwischenschicht zwischen den Scintillatoren und den Photodetektoren. Diese Ausführungsform vermindert die Kreuz- (cross talk) und andere Kopplung zwischen den Elementen auf Werte, die geringer sind, als man sie üblicherweise in anderen Scintillator-Ausführungsformen antrifft. Hinsichtlich der Handhabbarkeit bzw. Manövrierbarkeit ist das Element sowohl stabil als auch kompakt, da die Scintillatorstäbe in einem reflektierenden Medium eingebettet und direkt an eine integrierte Schaltungs- Photodetektorreihe gebunden sind. Verstärker auf dem Photodetektor-Chip wandeln die Ausgangssignale in eine mehrfache (multiplexed), einfach verkabelte Form um. Dies führt zu einem kleinen robusten Detektor, der zur Inspektion seltsam geformter Gegenstände leicht in kleine Öffnungen eingebracht werden kann. Hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber weichen Röntgenstrahlen können Baueinheiten aus Verbundmaterialien am besten mit weichen Röntgenstrahlen inspiziert werden, die von Röhren erzeugt werden, die man mit weniger als 100 KVP betreibt. Der erfindungsgemäße Detektor ist besonders empfindlich für solche leicht absorbierten Röntgenstrahlen, weil die Scintillatorstäbe nur durch eine dünne Schicht aus optischem Reflektor, dem reflektierenden Überzug, abgeschirmt werden.

Diese Art Detektor wurde in der Praxis erprobt. Die räumliche Auflösung der Prototyp-Detektoren wurde demonstriert durch Auflösen von Lötfehlern und Kurzschlüssen in Mikroelektronik-Pakkungen, die mit Abbildungsgeräten auf der Grundlage von Xenon nicht nachweisbar waren. Messungen mit Bleistreifen zeigen eine räumliche Auflösung von mehr als 15 Linienpaaren/mm in einer Vergrößerungs-Zwei-Abbildungsgeometrie. Die Empfindlichkeit gegenüber weichen Röntgenstrahlen wurde mit Digital-Radiographiebildern von Kohlenstoff-Verbundkörpern und Kunststoff-Strangpressen veranschaulicht.

Diese genau zusammengesetzten Reihen mikroskopisch kleiner Teilchen erfordern spezielle Herstellungstechniken, die einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bilden. Jede Stufe der Herstellungssequenz ist in den Fig. 3 bis 17 veranschaulicht. Wie die Fig. 3 bis 5 zeigen, ist der Ausgangspunkt des Verfahrens eine relativ große Platte 30 aus polykristallinem Keramik-Scintillatormaterial Seltener Erden. Die Platte kann gebogen sein und wird dann zu einer Dicke von etwa 0,38 mm geschliffen und geläppt. Als nächstes montiert man die flache Platte 31 auf einer Glasplatte 32 und schneidet sie zu einer Anzahl von Scheiben (wafers) 33 einer Größe, die die des fertigen Elementes etwas übersteigt. Die Abmessungen einer solchen Scheibe sind angegeben (vgl. Fig. 5). Die Scintillatorscheibe 33 wird auf einer temporären Grundplatte 34, wie einem Mikroskopier- Deckplättchen unter Verwendung eines Epoxy-Klebstoffes montiert (Fig. 6 und 7). Die Grundplatte 34 gestattet eine bequeme Handhabung, insbesondere nachdem die Scheibe zu einer Reihe von Stäben geschnitten worden ist, die sehr zerbrechlich sind. Die Baueinheit 33, 34 aus Scheibe und Grundplatte wird mittels eines thermoplastischen Klebstoffes an einem größeren mikroskopischen Plättchen 35 befestigt. Das größere Substrat ist erforderlich, um die Scheibe auf der Vakuum-Einspannvorrichtung der zum Schneiden der Reihe benutzten Säge zu montieren. Es wurde eine Micro Automation-Würfelsäge, Modell 1006, benutzt, um die Scheibe 33 in die Reihe von Scintillatorstäben 36 zu schneiden. Die Diamantsäge kann programmiert werden, um sehr gleichmäßig beabstandete Schnitte eines beliebigen Abstandes auszuführen. Das Schneiden erfolgt mit einem Superior-Würfelblatt mit einer Dicke von etwa 0,0175 mm (entsprechend 0,0007 Zoll). Die Schnittbreite, die man mit dieser Scheibe erhält, liegt im Bereich von etwa 0,0188 bis 0,0200 mm (entsprechend 0,00075 bis 0,0008 Zoll). Die Schnitte werden etwa 0,25 bis 0,30 mm (entsprechend 10 bis 12 tausendstel Zoll) tief ausgeführt, gehen aber nicht ganz durch die Dicke der Scheibe hindurch. Die Anzahl der ausgeführten Schnitte hängt vom Abstand und der Länge der Reihe ab. Nach dem Schneiden wird die Einheit 33, 34 aus geschnittener Scheibe und Deckplättchen vom Mikroskop-Deckplättchen 35 entfernt und gereinigt, um Schneidbruch aus den Schnitten zu entfernen.

Die nächste Reihe von Operationen (Fig. 8 bis 12) schließen Läpp- und Polierstufen ein, die dazu dienen, die einzelnen Scintillatorstäbe 36 zu isolieren und Fehler, hauptsächlich Späne, von den reflektierenden Oberflächen der Scintillatorstäbe zu entfernen. Die Reihe von Stäben 36 im geschnittenen Zustand ist sehr zerbrechlich und erfordert eine mechanische Abstützung, bevor das Läppen und Polieren ausgeführt werden kann. Diese Anforderung erfüllt man zusammen mit der Notwendigkeit für optische Isolation durch Füllen der Schnitte mit dem reflektierenden Überzugsmaterial, einer 1 : 1-Mischung (bezogen auf das Gewicht) aus Epoxyharz und Rutil-Titandioxid-Teilchen. Dies ist in Fig. 9 gezeigt, die eine Querschnittsansicht durch die Fig. 8 wiedergibt. Gleichzeitig werden Läppkissen 38, die etwas dicker sind als die geschnittene Scheibe 33 und die Reihe, um den Umfang der Reihe herum montiert, wobei man die gleiche Mischung aus Epoxyharz und Titandioxid (Rutil) benutzt. Diese Kissen dienen zum Abstützen der Kanten der Reihe von Stäben und schaffen auch eine größere Läpp-Oberfläche. Nachdem das Epoxyharz, das der Klebstoff ist, gehärtet ist, wird die Einheit auf einer Läpp-Befestigung montiert, wozu man wieder einen thermoplastischen Klebstoff benutzt. Dann wird die erste Läppstufe ausgeführt. Bei dieser Stufe (Fig. 10) werden die Läppkissen 38 bis zur Dicke der geschnittenen Scheibe 33 weggeschliffen, um die obere Oberfläche der Scintillatorstäbe 36 freizulegen. Diese Oberfläche, die rückwärtige Oberfläche der Stäbe in der endgültigen Einheit, wird auf Fehler untersucht und ein weiteres Läppen wird je nach Erfordernis ausgeführt. Dann poliert man die Oberfläche, um eine gute Oberflächenqualität zu erzielen. Für diese und die folgenden Stufen werden übliche Läpp- und Polier-Materialien benutzt.

Die nächste Stufe erfordert das Umklappen der Baueinheit, um die temporäre Grundplatte 34 und die zusammenhängende Schicht aus Scintillatormaterial aus polykristalliner Keramik, die die Rücken der geschnittenen Stäbe verbindet, zu entfernen. Die Reihe erfordert noch immer eine mechanische Abstützung, und die gerade polierte Oberfläche, die Rückenfläche der Reihe von Stäben in der fertigen Baueinheit, muß mit einem optisch opaken reflektierenden Material abgedeckt werden. Beide Anforderungen werden erfüllt durch Anbringen einer Trägerplatte 39 aus Aluminium oder Glas an der gerade polierten Oberfläche, wozu man die gleiche Mischung aus Epoxyharz und TiO2 (Rutil) benutzt, die man zum Ausfüllen der Schlitze zwischen den Stäben verwendete. Etwa 0,025 mm dicke Scheiben 40 werden um den Umfang der Trägerplatte 39 herum angeordnet, um eine angemessene Dicke der Epoxyharz-Mischung über den Scintillatorstäben aus polykristalliner Keramik sicherzustellen. Nachdem das Epoxyharz gehärtet ist, wird die Baueinheit von der Läpp-Befestigung weggenommen, umgedreht und ihre Rückenseite geläppt und poliert. Das Läppen muß weit genug erfolgen, um die zusammenhängende Schicht aus Scintillatormaterial zu entfernen und die einzelnen Scintillatorstäbe 36 zu isolieren.

Dann poliert man die Oberfläche der Stäbe, die bei der fertigen Baueinheit die vordere Oberfläche ist, um einen guten Oberflächenzustand zu erhalten.

Die Baueinheit aus Stabreihe, Trägerplatte und Läppkissen wird dann auf die Würfelsäge gelegt (Fig. 13), und es werden die erforderlichen Abmessungen durch die Schnitte 41 eingestellt. Es muß ein abschließendes Läppen und Polieren der Enden der Reihe erfolgen, die an der integrierten Schaltung des Photodetektors befestigt werden. Zwischen den Enden der Scintillatorstäbe und der Photodetektor-Oberfläche ist eine gute optische Kopplung erforderlich. Die ausgeschnittene Reihe wird zwischen Klemmen 42&min; auf einer Befestigungseinrichtung 42 gehalten, wie in den Fig. 14 und 15 gezeigt, um das Polieren auszuführen. Die Reihe von Stäben 36 und die daran befestigte Trägerplatte 39 werden dann an die integrierte Schaltungs-Photodetektorreihe 43 geklebt (Fig. 16 und 17), wozu man ein Epoxyharz optischer Qualität benutzt, wie Epotek 301. Nachdem das Epoxyharz gehärtet ist, wird die übrige freigelegte Oberfläche der Reihe von Scintillatorstäben 36 mit dem reflektierenden Überzug 37, der Mischung aus Epoxyharz und Rutil-Titandioxid, abgedeckt. Die integrierte Schaltung des Photodetektors 43 wird bereits auf dem Chipträger 44, der Kontakte 45 aufweist, montiert dargestellt.

Es wurde ein Röntgendetektor mit hoher Auflösung beschrieben, der für zerstörungsfreie Untersuchung besonders geeignet ist, wie die Inspektion von Verbundmaterialien und von kleinen elektronischen Baueinheiten. Der Detektor besteht aus einer Reihe von Miniatur-Scintillationsstäben, deren jeder weniger als 50 µm breit ist, die direkt an einem integrierten Schaltungs- Lichtsensor befestigt sind. Der fein zerteilte Detektor erhöht die Wirksamkeit, indem er relativ lange Röntgen-Stopp-Pfade ohne Auflösungsverlust gestattet, der mit der Lichtausbreitung in dicken Scintillatorplatten verbunden ist. Das Scintillationsmaterial aus kubischer polykristalliner Keramik auf Basis Seltener Erden kombiniert eine hohe Lichtabgabe mit geringem Nachglühen und günstigen Mikrofabrikationseigenschaften.


Anspruch[de]
  1. 1. Röntgendetektor hoher Auflösung umfassend:

    eine lineare Reihe langgestreckter Scintillatorstäbe aus polykristalliner Keramik, die säulenförmig angeordnet sind und Röntgenstrahlen, die in eine vordere Oberfläche der Stäbe eindringen, in Licht umwandeln, eine Trägerplatte, die an einer rückwärtigen Oberfläche der linearen Reihe befestigt ist,

    eine integrierte Schaltungs-Photodetektorreihe, die an den Enden der Scintillatorstäbe befestigt ist, um elektrische Signale zu erzeugen, die in Beziehung stehen zur Röntgenstrahl-Intensität und

    einen reflektierenden Überzug auf allen Oberflächen der Scintillatorstäbe mit Ausnahme der Enden, die an der Photodetektorreihe befestigt sind, um eine mechanische Abstützung zu schaffen und das nachzuweisende Scintillationslicht zu kanalisieren.
  2. 2. Detektor nach Anspruch 1, worin die Scintillatorstäbe aus Oxiden Seltener Erden zusammengesetzt sind, die mit Aktivatoren aus Seltenen Erden dotiert sind.
  3. 3. Detektor nach Anspruch 1, worin die Scintillatorstäbe einen rechteckigen Querschnitt und eine vordere Oberfläche mit einer Breite von weniger als 50 µm aufweisen.
  4. 4. Detektor nach Anspruch 3, worin der reflektierende Überzug aus einer Mischung eines Klebstoffes und lichtreflektierender Teilchen besteht und ein diffuser Reflektor ist.
  5. 5. Detektor nach Anspruch 3, worin die Trägerplatte aus Aluminium besteht.
  6. 6. Detektor nach Anspruch 3, worin die Trägerplatte aus Glas besteht.
  7. 7. Röntgendetektor hoher Auflösung umfassend:

    eine lineare Reihe langgestreckter Scintillatorstäbe mit rechteckigem Querschnitt aus polykristalliner Keramik aus Seltenen Erden, wobei die Stäbe säulenförmig angeordnet sind und Röntgenstrahlen, die in eine vordere Oberfläche der Reihe eindringen, in sichtbares Licht umwandeln,

    eine Trägerplatte, die an einer rückwärtigen Oberfläche der Reihe befestigt ist,

    eine integrierte Schaltungs-Photodetektorreihe, die an den Enden der Scintillatorstäbe angebracht ist, um einen Satz von elektrischen Signalen zu erzeugen, die in Beziehung stehen zur nachgewiesenen Röntgenstrahl- Intensität und

    einen reflektierenden Überzug auf allen Oberflächen der Scintillatorstäbe, ausgenommen der Enden, die mit der Photodetektorreihe verbunden sind, wobei der Überzug die Räume zwischen den Stäben vollständig füllt, um eine mechanische Abstützung zu schaffen und das Scintillationslicht in jedem Stab zu dem daran befestigten Photodetektor umzudirigieren und zu kanalisieren.
  8. 8. Detektor nach Anspruch 7, worin die Scintillatorstäbe eine vordere Oberfläche mit einer Breite von weniger als 50 µm haben.
  9. 9. Detektor nach Anspruch 8, worin die Scintillatorstäbe aus Yttriumoxid kombiniert mit Gadoliniumoxid hergestellt sind, das zur Lumineszenz mit Seltenen Erden aktiviert ist.
  10. 10. Detektor nach Anspruch 7, worin der reflektierende Überzug aus einer Mischung aus Epoxyharz und Rutil- Titandioxid-Teilchen besteht und ein diffuser Reflektor ist.
  11. 11. Detektor nach Anspruch 7 in Kombination mit einem mit Schlitzen versehenen Kollimator vor der genannten linearen Reihe, um Röntgenstrahlen auf einen Abschnitt der Scintillatorstäbe ausreichend oberhalb der Photodetektorreihe zu begrenzen, um die letztere vor Beschädigung durch gestreute Röntgenstrahlen zu schützen.
  12. 12. Verfahren zum Herstellen eines Röntgendetektors mit hoher räumlicher Auflösung, umfassend:
    1. a) Montieren einer Scheibe von Scintillatormaterial aus polykristalliner Keramik auf einer temporären Grundplatte,
    2. b) Schneiden der Scheibe zu einer Reihe langgestreckter Scintillatorstäbe mit einer Breite von weniger als 50 µm,
    3. c) Montieren von Läppkissen auf der Grundplatte und Aufbringen eines reflektierenden Überzuges auf die Scheibe, der die Räume zwischen den einzelnen Stäben vollständig füllt,
    4. d) Läppen der Kissen und des überschüssigen Überzuges bis auf die Scheibe und Polieren der Oberflächen der Scintillatorstäbe,
    5. e) Kleben einer Trägerplatte an die polierten Oberflächen der Reihe von Scintillatorstäben, wobei man den genannten reflektierenden Überzug benutzt,
    6. f) Wegläppen der temporären Grundplatte und der Scheibenoberfläche und Polieren der vorderen Oberflächen der Stäbe,
    7. g) Schneiden der Reihe von Stäben und der daran befestigten Trägerplatte zur endgültigen Größe und Kleben eines Endes davon an eine integrierte Schaltungs-Photodetektorreihe und
    8. h) Abdecken der freiliegenden Oberflächen der Reihe von Stäben mit dem reflektierenden Überzug.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Schneiden in Stufe b) bis zu einer Tiefe erfolgt, die geringer ist als die Dicke der Scheibe.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12, worin der reflektierende Überzug in den Stufen c), e) und h) eine Mischung aus Epoxyharz und Rutil-Titandioxid-Teilchen ist.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 12, worin Stufe g) weiter das Polieren des Endes der genannten Reihe von Stäben umfaßt, bevor man es an die Photodetektorreihe klebt.






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