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VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GESCHICHTETEN SZINTILLATIONSDETEKTORELEMENTS - Dokument DE69927241T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69927241T2 29.06.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001051643
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GESCHICHTETEN SZINTILLATIONSDETEKTORELEMENTS
Anmelder Philips Intellectual Property & Standards GmbH, 20099 Hamburg, DE;
Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder WIECZOREK, K., Herfried, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
SCHNEIDER, Stefan, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
LAUTER, Josef, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Volmer, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52066 Aachen
DE-Aktenzeichen 69927241
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 12.10.1999
EP-Aktenzeichen 999507429
WO-Anmeldetag 12.10.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/EP99/07816
WO-Veröffentlichungsnummer 0000025151
WO-Veröffentlichungsdatum 04.05.2000
EP-Offenlegungsdatum 15.11.2000
EP date of grant 14.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse G01T 1/202(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01T 1/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorschicht für einen Detektor zur Detektion von durch ein Objekt transmittierter elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Szintillatorschicht zur Umwandlung der Strahlung einer ersten Energiestufe in Strahlung einer zweiten Energiestufe auf eine Photosensorenschicht zur Umwandlung dieser Strahlung in elektrischen Strom aufgebracht wird und wobei die Szintillatorschicht, die eine Vielzahl von Szintillatorelementen enthält, mit Zwischenschichten versehen wird, die sich in vertikaler Richtung längs der Seitenflächen der Szintillatorelemente erstrecken.

Szintillatorschichten von Detektoren, die beispielsweise in Computer-Tomographen zum Einsatz kommen, bestehen üblicherweise aus Cadmiumwolframat [CWO] (CdWO4), aus Yttrium-Gadolinium-Oxyd [YGO] ((Y,Gd)2O3:Eu) oder aus Gadolinium-Oxisulfiden [GOS] (Gd2O2S:Pr). Mittels dieser Materialien wird eine Umwandlung von Strahlung einer ersten Energiestufe in Strahlung einer zweiten Energiestufe, bei Computer-Tomographen Röntgenstrahlung in sichtbares Licht, erreicht.

In der internationalen Patentanmeldung WO 95/04289 wird ein Detektor mit einer Szintillatorschicht beschrieben, welche aus einem zweidimensionalen Array von Szintillatorelementen, d.h. aus mehreren Szintillatorelementzeilen, die parallel nebeneinander angeordnet sind, besteht. Bei den Szintillatorelementen handelt es sich um Einkristalle. Zwischen den Szintillatorelementen sind optische Trennschichten vorgesehen, die sich entlang der Seitenflächen der Szintillatorelemente erstrecken. Diese Schichten werden mittels Metallabscheidung in Dicken von 0,05 bis 1 mm aufgebracht. Als Materialien für diese Schichten werden Aluminium, Wolfram, Molybdän, Eisen, Chrom, Nickel, Gold, Silber oder Kupfer verwendet.

In jüngster Zeit bestehen Bestrebungen, die Auflösung und somit die Bildqualität von Röntgenstrahl-Untersuchungseinrichtungen, insbesondere von Computer-Tomographen, durch den Einsatz von Detektoren zu erhöhen, die eine größere Anzahl an Detektorelementen bzw. Szintillatorelementen aufweisen. Dieser Gewinn an optischer Auflösung ist mit dem Nachteil eines erhöhten Übersprechens zwischen benachbarten Szintillatorelementen aufgrund des Überspringens von Photonen und von Röntgen-Quanten verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorschicht für einen Detektor vorzuschlagen, der eine hohe räumliche Auflösung und nur unbedeutende Störungswirkung der Szintillatorelemente untereinander aufweist.

Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mittels der Szintillatorschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Grundgedanke der Erfindung ist es, daß in die Zwischenräume benachbarter Szintillatorelemente eine Schmelze eines strahlungsabsorbierenden Metalls mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 350°C eingegossen wird.

Es kann sich um die Schmelze von reinen strahlungsabsorbierenden Metallen, vorzugsweise Blei, Bismut und Quecksilber mit Schmelzpunkten von 327,5; 271,3 bzw. –38,4°C handeln. Blei- und Bismutschmelzen erstarren bei Raumtemperatur. Quecksilber ist bei Raumtemperatur flüssig. Das Metall wird durch Schichten zurückgehalten, die die Szintillatorschicht als Ganzes umgeben.

Bevorzugt werden Metallegierungen vergossen, deren Bestandteile aus der folgenden Gruppe von Metallen auswählbar ist: Bismut und/oder Blei und/oder Zink und/oder Zinn und/oder Cadmium und/oder Quecksilber. Vorzugsweise werden Zusammensetzungen der Bestandteile gewählt, die den eutektischen Verbindungen entsprechen.

Bei der aufgeführten Wahl von Metallen und Metallegierungen liegt ein besonders günstiger niedriger Schmelzpunkt bei gleichzeitig hohem Absorptionsvermögen vor. Aufgrund des Gießverfahrens ist es möglich, dünne Zwischenschichten herzustellen, die die aktive Fläche des Szintillatorelementes nicht unnötig verkleinern. Durch die Wahl von Metallen mit Schmelzpunkten unterhalb von 350°C werden chemische Reaktionen mit den Szintillator-Kristallen bzw. Beschädigungen vermieden.

Die strahlungsabsorbierenden Schichten erfüllen zwei Funktionen. Zum einen dienen sie als optische Trennungschicht, indem sie die bei der Umwandlung entstehenden Photonen (optical crosstalk) in die einzelnen Szintillatorelemente zurückreflektieren und auf diese Weise die Signalstärke erhöhen. Die Zwischenschichten erstrecken sich in vertikaler Richtung, dass heißt quer oder senkrecht zu der Oberfläche der Szintillatorschicht.

Zum anderen dienen solche Schichten zur Absorption von K-Fluoreszenz-Röntgenquanten (X-ray crosstalk). K-Fluoreszenz-Röntgenquanten oder sekundäre Röntgenquanten entstehen, wenn die Energie der elektromagnetischen Strahlung bzw. Röntgenstrahlung nicht vollständig von den Szintillatorelementen aufgenommen wird. Bei den anfangs beschriebenen Szintillator-Materialien GOS und CWO macht dieser Anteil an K-Fluoreszenz-Röntgenquanten 40–50% der primär absorbierten Strahlung aus. Grund hierfür ist, daß die Energie der absorbierten Röntgenstrahl-Quanten die sogenannte K-Kanten-Energie des Szintillatorkristalls überschreitet. Nur ein Teil der dann entstehenden K-Fluoreszenz-Röntgenquanten kann in dem gleichen Szintillatorelement absorbiert werden, ein weiterer Teil wird emittiert und ein dritter Teil wird von Nachbarkristallen absorbiert. Durch die vorgeschlagenen gegossenen Absorptionsschichten wird dieser "X-ray crosstalk" zwischen benachbarten Szintillatorelementen verhindert.

Bekannte Schichten aus Materialien wie Molybdän bieten diese optische Trennungsfunktion zusammen mit einem hohen Absorptionsvermögen für sekundäre Röntgenstrahlung nur in unzufriedenstellender Weise. Gleiches gilt auch für bekannte optische Trennschichten aus Titandioxid, eingebettet in Epoxydharz. Diese Materialien können deshalb nur bei eindimensionalen Detektoren mit geringer räumlicher Auflösung zum Einsatz kommen, die im Verhältnis zu zweidimensionalen Detektoren ein geringeres Maß an Crosstalk von Röntgenquanten aufweisen.

Das vorgeschlagene Gießverfahren ermöglicht eine optimale Füllung der Zwischenräume der Szintillatorelemente. Füllungen mit einer Breite von vorzugsweise 100 mm können auf schnelle, leicht reproduzierbare sowie kostengünstige Weise realisiert werden. Das Verfahren eignet sich damit insbesondere zur Herstellung von Szintillatoren, die sich aus einer großen Anzahl flächig angeordneter Szintillatorelemente zusammensetzen.

Vorzugsweise läuft der Gießprozeß unter Vakuum oder Inertgas ab. Dies wirkt sich positiv auf das Fließvermögen des schmelzflüssigen Metalls aus.

Die Bereitstellung von Zwischenräumen längs der Seitenflächen der Szintillatorelemente und somit eines mit Metallschmelze zu füllenden Vertiefungsmusters wird zum einen durch die Anordnung von Einkristallen unter Einhaltung eines minimalen Abstandes erreicht. Zum anderen kann in eine Szintillatorschicht ein Vertiefungsmuster mechanisch eingebracht werden, beispielsweise durch Sägen mit einem entsprechenden Werkzeug. Mit diesem Verfahren ist eine große Anzahl an einzelnen Szintillatorelementen realisierbar. Nach Auffüllen der Zwischenräume bzw. des Vertiefungsmusters mit Metallschmelze kann ein verbleibender nichtgefüllter Randbereich der Szintillatorschicht mechanisch entfernt werden.

Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorschicht für einen Detektor ist insbesondere für eine zweidimensionale Szintillatorschicht geeignet, d.h. einem Array von Szintillatorelementen mit n Zeilen und m Spalten, wobei n, m eine Zahl größer 1 ist. Das Verfahren ist aber gleichfalls zur Herstellung der Szintillatorschicht eindimensionaler oder linearer Detektoren geeignet.

Ausgehend von einem zweidimensionalen Detektor oder einem Kegelstrahl-Detektor, der mit einem Szintillator-Array versehen ist, wird als Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß in die Zwischenräume der Szintillatorelementzeilen die strahlungsabsorbierenden Schichten eingegossen werden, während in die Zwischenräume der Szintillatorelementspalten die strahlungsabsorbierenden Schichten als vorgefertigte dünne Schichten bzw. Folien eingelegt werden. Denkbar ist auch die umgekehrte Anordnung. Die vorgefertigten Metallschichten bestehen vorzugsweise aus Blei, Tantal, Wolfram oder Gadolinium. Während das Einbringen von vorgefertigten Metallschichten in die Zwischenräume eines linearen Szintillators für einen eindimensionalen Detektor noch praktisch durchführbar wäre, wäre dieses Verfahren für zweidimensionale Detektoren mit zu großen mechanischen und zeitlichen Problemen verbunden. Das Zurechtschneiden von linearen Abschnitten und deren flächige Anordnung ist zwar denkbar, aber aufgrund der geringen Härte der Metalle und damit der Nachgiebigkeit der Schichten beim Schneiden ist es mit technischen Problemen verbunden.

Nachfolgend werden Beispiele für bevorzugte strahlungsabsorbierende Metallegierungen mit ihren Schmelzpunkten angegeben:

  • 1) Legierung aus 56,5 Gew.-% Bismut, 43,5 Gew.-% Blei (binäres Eutektikum)

    Schmelzpunkt: 125°C, Dichte: 10,42 g/cm3
  • 2) Legierung aus 55,0 Gew.-% Bismut, 43,0 Gew.-% Blei, 2,0 Gew.-% Zink (ternäres Eutektikum)

    Schmelzpunkt: 124°C, Dichte: 10,32 g/cm3
  • 3) Legierung aus 52,5 Gew.-% Bismut, 32,0 Gew.-% Blei, 15,5 Gew.-% Zinn (ternäres Eutektikum)

    Schmelzpunkt: 96°C, Dichte: 9,69 g/cm3
  • 4) Legierung aus 51,7 Gew.-% Bismut, 40,2 Gew.-% Blei, 8,1 Gew.-% Cadmium (ternäres Eutektikum)

    Schmelzpunkt: 91,5°C, Dichte: 10,24 g/cm3
  • 5) Legierung aus 49,5 Gew.-% Bismut, 27,3 Gew.-% Blei, 13,1 Gew.-% Zinn, 10,1 Gew.-% Cadmium (quaternäres Eutektikum, Lipowitz-Metall)

    Schmelzpunkt: 71°C, Dichte: 9,57 g/cm3
  • 6) Legierung aus 50,0 Gew.-% Bismut, 25,0 Gew.-% Blei, 12,5 Gew.-% Zinn, 12,5 Gew.-% Cadmium (Woodsches Metall),

    Schmelzpunkt: 70°C.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sieh aus der nachfolgenden Beschreibung, in der das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. 1 zeigt den Querschnitt eines Ausschnitts eines Detektors, der mit einer Szintillatorschicht versehen ist, die nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt ist. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Computertomographen mit einem Mehrzeilendetektor.

Der Detektor setzt sich aus einer Szintillatorschicht 1 und einem darunter angeordneten Photodioden-Array 2 zusammen. Das Photodioden-Array 2 ist mit Verstärkern und über diese mit Multiplexern (schematisch durch nachfolgende Schichten gezeigt) verbunden. Die Signale der Multiplexer werden mittels eines Analog/Digital-Wandlers einer Recheneinheit zugeführt.

Die Szintillatorschicht 1 selbst besteht aus einer Vielzahl von Szintillatorelementen (hier 1a, 1b, 1c). Längs der Seitenflächen der Szintillatorelemente werden in ein Vertiefungsmuster Zwischenschichten 3a, 3b aus strahlungsabsorbierenden Metallen mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 350°C eingegossen. Die Szintillatorschicht ist im Ganzen von einer Reflexions- bzw. Schutzschicht (4a, 4b) umgeben.

Bei der Beaufschlagung des Detektors mit Röntgenstrahlung werden die Röntgenquanten (&ggr;) in den einzelnen Szintillatorelementen (hier beispielhaft in 1b gezeigt) in Photonen umgewandelt. Die Zwischenschichten 3a, 3b dienen hierbei als optische Trennungsschichten, indem sie die Photonen in die einzelnen Elemente zurückreflektieren. Entstehende K-Fluoreszenz-Röntgenquanten (&ggr;') werden von den Zwischenschichten 3a, 3b absorbiert und verhindern auf diese Weise unerwünschtes "X-ray crosstalk".

Die nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Szintillatorschichten können in allen bekannten Detektoren eingesetzt werden. Hier sind beispielsweise auch sogenannte flache Festkörper-Röntgen-Detektoren mit großflächiger Elektronik zu nennen. Derartige Detektoren, die auch mit Röntgensensormatrix zu bezeichnen sind, sind beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung 0 440 282 A2 bekannt. Die Detektoren mit der vorgeschlagenen Szintillatorschicht finden insbesondere Anwendung in Computertomographen.

In 2 ist schematisch ein Computertomograph mit einem Mehrzeilendetektor dargestellt. In einem kreisförmigen Portalgestell bzw. einer Gantry 31 sind die Röntgenröhre 32 sowie dieser zugewandt der Mehrzeilendetektor 33 angeordnet. Die Röntgenröhre 32 projiziert ein pyramidenförmiges Röntgentstrahlenbündel 34 durch den Patienten 35 auf den Mehrzeilendetektor 33. Der Patient 35 wird zur Untersuchung auf einer Liege 36 durch die sich drehende Gantry 31 geschoben.

Das Detektorarray 33 ist im Abstand r vom Fokus der Röntgenröhre 32 angebracht. Bei einer vollständigen Umdrehung der Gantry 31 durchstrahlt das Röntgenstrahlbündel 34 den Patienten 35 innerhalb der Gantryebene aus verschiedenen Winkeln &phgr; relativ zur Senkrechten. Mittels dieser Projektionen wird ein Querschnittsbild 37 des Patienten im durchstrahlten Bereich berechnet.

Das Detektorarray 33 setzt sich aus mehreren Detektorelementen zusammen, die in mehreren Zeilen angeordnet sind. Diese Zeilen verlaufen in Richtung der Rotationsachse (z-Richtung) parallel nebeneinander. Das Detektorarray enthält das Photodiodenarray 2.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorschicht für einen Detektor zur Detektion von durch ein Objekt transmittierter elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Szintillatorschicht (1) zur Umwandlung der Strahlung einer ersten Energiestufe in Strahlung einer zweiten Energiestufe auf eine Photosensorenschicht (2) zur Umwandlung solcher Strahlung in einen elektrischen Strom aufgebracht wird, und in welcher Szintillatorschicht, die eine Vielzahl von Szintillatorelementen (1a, 1b, 1c) enthält, sich Zwischenräume in vertikaler Richtung längs Seitenflächen der Szintillatorelemente erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenschichten (3a, 3b) durch Gießen einer Schmelze eines strahlungsabsorbierenden Metalls mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 350°C in die Zwischenräume zwischen den Szintillatorelementen (1a, 1b, 1c) eingebracht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Blei oder Bismut oder Quecksilber ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Legierung ist, die sich aus den Bestandteilen Bismut und/oder Blei und/oder Zink und/oder Zinn und/oder Cadmium und/oder Quecksilber zusammensetzt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Metallegierung so gewählt wird, daß diese Legierung den Eutektika der Verbindungen entspricht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen der Schmelze des strahlungsabsorbierenden Metalls mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 350°C in die Zwischenräume zwischen den Szintillatorelementen im Vakuum oder unter Inertgas abläuft.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Szintillatorelemente zur Bereitstellung von Zwischenräumen längs der Seitenflächen der Szintillatorelemente (1a, 1b, 1c) beabstandet voneinander als Einkristalle angeordnet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung der Zwischenräume längs der Seitenflächen der Szintillatorelemente (1a, 1b, 1c) ein Vertiefungsmuster mechanisch in eine ebene Szintillatorschicht eingebracht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Szintillatorschicht (1) von einem Array aus Szintillatorelementen mit n Zeilen und m Spalten gebildet wird, wobei n, m Zahlen größer 1 sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze aus strahlungsabsorbierendem Metall in die Zwischenräume der Szintillatorelementzeilen eingegossen wird und daß vorgefertigte strahlungsabsorbierende Metallschichten oder Folien aus strahlungsabsorbierendem Metall in die Zwischenräume der Szintillatorelementspalten eingelegt werden oder umgekehrt.
  10. Szintillatorschicht (1) für einen Detektor (33) zur Detektion von durch ein Objekt (35) transmittierter elektromagnetischer Strahlung zur Umwandlung von Strahlung einer ersten Energiestufe in eine zweite Energiestufe, wobei die Szintillatorschicht (1) auf eine Photosensorenschicht (2) zur Umwandlung dieser Strahlung in elektrischen Strom aufgebracht wird und die Szintillatorschicht aus einer Vielzahl von Szintillatorelementen (1a, 1b, 1c) besteht, wobei längs der Seitenflächen der Szintillatorelemente sich in vertikaler Richtung Zwischenräume erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume mit einem strahlungsabsorbierenden Metall mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 350° gefüllt sind, um Zwischenschichten (3a, 3b) zu bilden.
  11. Detektor mit einer Szintillatorschicht nach Anspruch 10.
  12. Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen flachen Festkörper-Röntgenstrahl-Detektor handelt.
  13. Computertomograph mit:

    – einem Mehrzeilen-Röntgendetektor (33) und

    – einer Röntgenquelle (32), um ein Röntgenstrahlenbündel (34) aus unterschiedlichen Winkeln relativ zu einem zu untersuchenden Objekt (35) zu projizieren, um auf dem Mehrzeilen-Röntgendetektor Projektionen zu bilden,

    – einer Recheneinheit zum Berechnen von Querschnittsbildern (37) des Objekts (35) aus von dem Mehrzeilen-Röntgendetektor kommenden Signalen, die die Projektionen repräsentieren und wobei

    – der Mehrzeilen-Röntgendetektor (33) die in Anspruch 10 definierte Szintillatorschicht enthält.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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