DE102010063424A1

DE102010063424A1 - Dotierter Cul-Szintillator

Info

Publication number: DE102010063424A1
Application number: DE201010063424
Authority: DE
Inventors: Khanh Pham Gia; Wolfgang Rossner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012079903A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Szintillator, insbesondere für einen Röntgendetektor (1) zur Bildgebung eines Objekts mittels eines Computertomographieverfahrens. Der Szintillator (5) weist dotiertes CuI-Halbleitermaterial zur Erhöhung der Lichtausbeute auf. Die vorliegende Erfindung beansprucht vorteilhafte Dotierungen und entsprechende Herstellungs-Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen dotierten CuI-Szintillator, insbesondere zur Verwendung in optisch zählenden Röntgendetektoren für eine Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren, und insbesondere optisch zählende Röntgendetektoren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs sowie entsprechende Herstellungsverfahren.
Für optisch zählende Röntgendetektoren für eine Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren werden Szintillatoren mit sehr schnellem Abklingen und hoher Lichtausbeute benötigt. Aufgrund des hohen Quantenflusses in der Computertomographie müssen Szintillatoren eine sehr kurze Abklingzeit aufweisen, am besten < 5 ns, bevorzugt 1 ns. Quantenflüsse in der Computertomographie liegen im Bereich > 10⁹ Quanten pro Sekunden und mm². Des Weiteren müssen diese Szintillatoren eine ausreichende Lichtausbeute zur Erreichung einer erforderlichen Energieauflösung zeigen. Eine Lichtausbeute sollte deutlich größer als 1000 Photonen/MeV, bevorzugt größer als 5000 Photonen/MeV sein.
Für bildgebende Verfahren in der digitalen Röntgendiagnostik werden überwiegend pixelierte Strahlungsdetektoren auf Szintillatorbasis verwendet. Bei derartigen Strahlungsdetektoren wird die einfallende Strahlung von einem Szintillator absorbiert und in Licht umgewandelt. Das Emissionslicht wird mit geeigneten Photodetektor-Arrays in elektrische Signale umgewandelt, die nachfolgend zur Bildrekonstruktion verwendet werden.
Bei den hohen Quantenflüssen der Computertomographie arbeiten derartige Strahlungsdetektoren im sogenannten integrierenden Modus. Dabei geht die ursprüngliche Energieinformation der einzelnen Röntgenquanten verloren. Ein Detektor im sogenannten zählenden Modus bietet prinzipiell die Möglichkeit, diese Energieinformation aufzunehmen, die dann in zusätzliche Bildinformationen umgesetzt werden kann.
Ein solcher Energie auflösender Röntgendetektor im Zähl-Modus kann entweder mit direkt konvertierenden Detektoren auf Halbleiter-Basis realisiert werden oder mit einem indirekten Detektor, bestehend aus einer Kombination aus sehr schnellem Szintillator und entsprechend schnellem Photodetektor.
Die US 7,403,589 B1 offenbart einen Energie auflösenden Röntgendetektor im Zähl-Modus mit einem indirekten Detektor, bestehend aus einer Kombination aus sehr schnellem Szintillator und entsprechend schnellem Photodetektor. Die Detektion der optischen Photonen erfolgt mit sogenannten Silizium-Photomultiplayern, speziellen Avalanche-Dioden, die im sogenannten Geiger-Modus betrieben werden. Damit wird eine rauscharme Detektion der Szintillationsphotonen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermöglicht. Es wird die Verwendung schneller Szintillatoren mit Abklingzeiten kleiner 50 ns für die Verwendung in Computertomographie-Scannern beschrieben. Die hier beschriebenen Szintillatoren offenbaren Abklingzeiten lediglich kleiner 50 ns.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Szintillator, insbesondere für einen optisch zählenden Röntgendetektor, mit im Vergleich zum Stand der Technik höherer Lichtausbeute und kürzerer Abklingzeit bereit zu stellen. Eine bevorzugte Lichtausbeute sollte größer als 5000 Photonen/MeV und eine bevorzugte Abklingzeit sollte kleiner als 2 ns sein.
Eine Abklingzeit eines Szintillators ist üblicherweise definiert als die Zeit, nach der die Intensität des Lichtimpulses auf 1/e des Maximalwerts zurück gekehrt ist. Die Abklingzeit ist wichtig bei optisch zählenden Röntgendetektoren.
Die Aufgabe wird durch einen Szintillator gemäß dem Hauptanspruch, Verfahren zu dessen Herstellung, Verwendungen und Vorrichtungen gemäß den Nebenansprüchen gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Szintillator beansprucht, der dotiertes CuI aufweist oder aus diesem besteht.
Cu steht für Kupfer und I steht für Jod
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung des Szintillators, insbesondere für einen optisch zählenden Röntgendetektor zur Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren beansprucht. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Szintillator mittels Dotierens durch Zugabe von mindestens einem Dotierstoff zu einem CuI-Halbleitermaterial zur Erzeugung von Donator- und/oder Akzeptorzuständen in einem Kristallgitter des CuI erzeugt wird.
Ein Szintillator kann als Material definiert werden, das zur Absorption von Röntgenstrahlung und zur Wandlung der Röntgenstrahlung in Licht wirkt.
Gemäß einem dritten Aspekt wird der erfindungsgemäße Szintillator für einen optisch zählenden Röntgendetektor zur Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren verwendet.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein optisch zählender Röntgendetektor zur Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren beansprucht, aufweisend einen Szintillator, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist und zur Absorption von Röntgenstrahlung und zur Wandlung der Röntgenstrahlung in Licht wirkt, wobei eine Photodetektor-Anordnung zur Wandlung des Lichts in entsprechende elektrische Signale zur Erzeugung eines Computertomographie-Bildes des Objekts folgt. Der Röntgendetektor zeichnet sich dadurch aus, als Szintillator mindestens ein CuI-Halbleitermaterial mit mindestens einer zusätzlichen Dotierung zur Erzeugung von Donator- und/oder Akzeptorzuständen in einem Kristallgitter des CuI verwendet wird.
Als Szintillator ist CuI, insbesondere in dessen Gamma-Phase besonders geeignet, aufgrund seiner sehr kurzen Abklingzeiten im Bereich von 100 ps – 1 ns. Allerdings ist die Lichtausbeute von CuI gering. Diese liegt in einer Größenordnung von kleiner als 1000 Photonen/MeV. Erfindungsgemäß werden Lösungen erkannt, die zu einer Erhöhung der Lichtausbeute von CuI-Halbleitermaterial für die Anwendung als Szintillator, insbesondere in optisch zählenden Computertomographie-Röntgendetektoren führen.
Die Lichtemission von CuI Direkthalbleiter-Szintillator bei der Röntgenanregung beruht auf Anregungs- und Strahlungsrekombinationen an den Gitterdefektstellen, die unter anderem Cu-Leerstellen und Cu-Zwischengitterplätze sein können. Es existieren auch viele andere derartige ”Haft”-Stellen im Kristallgitter, die eine strahlungslose Rekombination mit den durch die Röntgenanregung entstehenden Elektronen und Löchern verursachen. Aus diesem Grund bleibt die Lichtausbeute von CuI gering. Eine Minimierung von Gitterdefektstellen ist schwierig und es erfordert ein optimales Kristall-Herstellungsverfahren.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zur Erhöhung der Lichtausbeute von CuI-Halbleitermaterial zusätzliche Dotierungen zur Erzeugung von Donator- und/oder Aktzeptorzuständen im Kristallgitter eingebaut werden können. Auf diese Weise wird die Lichtemission durch schnelle Donator-Akzeptor-Rekombinationen verstärkt und somit die Lichtausbeute von CuI-Halbleitermaterial erhöht.
Durch zusätzliche Dotierungen können superschnelle CuI Szintillatoren mit größerer Lichtausbeute hergestellt werden. Damit können optisch zählende Computertomographie-Detektoren mit erforderlichen Energieauflösungen realisiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Kationen zur Erzeugung von Donatorzuständen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von zweiwertigen Kationen ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Zn²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ oder Ba²⁺-Kationen ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Kationen in Form eines Jodids erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe eines Jodids mit einem zu CuI ähnlichen Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis, insbesondere von ZnI₂, CdI₂, HgI₂, CaI₂ und SrI₂ erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Anionen zur Erzeugung von Akzeptorzuständen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von zweiwertigen Anionen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Te^2– oder S^2–-Anionen ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Anionen in Form von Cu-Verbindungen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Cu-Verbindung mit einem zu CuI ähnlichen Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis, insbesondere von Cu₂Te oder Cu₂S erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe jeweils eines Kations und eines Anions zur gleichzeitigen Erzeugung von Donator- und Akzeptorzuständen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe der Kationen und Anionen in Form von Telluriden und/oder Sulfiden erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren mittels Zugabe von Telluriden und/oder Sulfiden mit einem zu CuI ähnlichen Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis, insbesondere CdTe, ZnTe, HgTe, CaTe, SrTe, ZnS, CdS, CaS und/oder MgS erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Konzentration eines Dotierstoffes in einem Bereich von 0 bis zu 1 mol-% sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Gamma-CuI-Kristalle als CuI-Halbleitermaterial verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erzeugen der Gamma-CuI-Kristalle mittels einer Niedertemperatur-Züchtung aus einer Lösung erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erzeugen der Gamma-CuI-Kristalle mittels thermischen Aufdampfens auf eine Fläche ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Dotieren mittels Zugäbe der Dotierstoffe gleichzeitig mit und am Ort der Gamma-CuI-Kristallerzeugung erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können als Ausgangsmaterial die Gamma-CuI-Kristalle erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren des CuI-Pulvers mittels eines nass-chemischen Ausfällungsverfahrens ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dotieren des CuI-Pulvers mittels Einschließens des CuI-Pulvers und der Dotierstoffe in eine Ampulle unter Vakuum, Tempern der Ampulle bei Temperaturen < 370°C bei einer Temperdauer im Bereich von 10–20 Stunden zum Eindiffundieren der Dotierstoffe in das CuI-Kristallgitter ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Szintillator mittels Aufdampfen des dotierten CuI-Pulvers erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Szintillator mittels gleichzeitigem Aufdampfen von undotierten CuI-Pulver und den Dotierstoffen erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors;
3 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels nach 2.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird ein Szintillator mittels Dotieren durch Zugabe von mindestens einem Dotierstoff zu einem CuI-Halbleitermaterial zur Erzeugung von Donator- und/oder Akzeptorzuständen in einem Kristallgitter des CuI erzeugt. Zur Dotierung von CuI-Pulver werden bevorzugt Sulfide und Jodide vorgeschlagen. Bei einem Verfahren zur Dotierung von CuI-Pulvern in einer Ampulle wird besonders vorteilhaft eine Quarzampulle verwendet. Da die Phasenumwandlungstemperatur von Gamma-CuI bei 370°C liegt, sollte eine Tempertemperatur zur Dotierung von CuI-Pulvern < 370°C sein. Das Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis bei CuI = 2,25.
In einem zweiten Schritt kann das dotierte CuI-Halbleitermaterial für einen Szintillator für einen optisch zählenden Röntgendetektor zur Computertomographie eines Objektes verwendet werden. Computertomographie wird insbesondere in der Medizin oder in der Werkstoffprüfung verwendet. Weitere Verwendungsgebiete sind ebenso möglich.
1 stellt den ersten Schritt mit dem Bezugszeichen S1 und den zweiten Schritt mit dem Bezugszeichen S2 dar.
2 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, optisch zählenden Röntgendetektors zur Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren. Der Röntgendetektor ist mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Dieser weist ein Szintillatorarray 2 bestehend aus einzelnen Szintillatorpixeln 3 auf. Ein Szintillator 5 ist hier als ein durch das Szintillatorarray 2 ausgebildetes Feld erzeugt, das die einzelnen Szintillatorpixel 3 aufweist. Diese dienen zur Absorption der Röntgenstrahlung X und zur Wandlung der Röntgenstrahlung X in Licht. Die Röntgenstrahlung X trifft beispielsweise senkrecht von oben auf die einzelnen Szintillatorpixel 3 des Szintillatorarrays 2 auf. Unterhalb der Ebene des Szintillatorarrays 2 ist eine Photodetektor-Anordnung 7 zur Wandlung des Lichts in entsprechende elektrische Signale zur Erzeugung eines Computertomographie-Bildes des Objektes angeordnet. Der Szintillator 5 weist mindestens ein CuI-Halbleitermaterial mit mindestens einer zusätzlichen Dotierung zur Erzeugung von Donator- und/oder Akzeptorzuständen in einem Kristallgitter des CuI auf.
3 zeigt einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, optisch zählenden Röntgendetektors 1 zur Bildgebung eines Objekts mittels Computertomographieverfahren nach 2. Von oben gelangt die Röntgenstrahlung X, beispielsweise nach Durchlauf durch einen hier nicht dargestellten Kollimator, in jeweilige Szintillatorpixel 3 des Szintillatorarrays 2. Die Szintillatorpixel 3 sind von Reflektorwänden 4 umgeben und damit optisch voneinander getrennt. Lediglich ein Teil der im Szintillatorpixel 3 erzeugten Photonen kann von einer Photodetektoranordnung 7 erfasst werden. Ein Array kann ebenso allgemein als Anordnung bezeichnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7403589 B1 [0006]

Claims

Szintillator, aufweisend dotiertes CuI.
Verfahren zur Herstellung eines Szintillators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator mittels Dotieren durch Zugabe von mindestens einem Dotierstoff zu einem CuI-Halbleitermaterial zur Erzeugung von Donator- und/oder Akzeptorzuständen in einem Kristallgitter des CuI erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Kationen zur Erzeugung eines Donatorzustands.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von zweiwertigen Kationen.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Zn²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ oder Ba²⁺-Kationen.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Kationen in Form eines Jodids.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe eines Jodids mit einem zu CuI ähnlichen Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis, insbesondere ZnI₂, CdI₂, HgI₂, CaI₂ oder SrI₂.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Anionen zur Erzeugung eines Akzeptorzustands.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von zweiwertigen Anionen.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Te^2– oder S^2–-Anionen.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Anionen in Form von Cu-Verbindungen.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe einer Cu-Verbindung mit einem zu CuI ähnlichen Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis, insbesondere Cu₂Te oder Cu₂S.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe jeweils eines Kations und eines Anions zur gleichzeitigen Erzeugung von Donator- und Akzeptorzuständen.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe der Kationen und Anionen in Form von Telluriden und/oder Sulfiden.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe von Telluriden und/oder Sulfiden mit einem zu CuI ähnlichen Anion-Kation-Ionenradiusverhältnis, insbesondere CdTe, ZnTe, HgTe, CaTe, SrTe, und/oder ZnS, CdS, CaS und MgS.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, gekennzeichnet durch eine Konzentration eines Dotierstoffes in einem Bereich von 0 bis zu 1 mol-%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, gekennzeichnet durch Verwenden von Gamma-CuI Kristallen als CuI-Halbleitermaterial.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Erzeugen der Gamma-CuI Kristalle mittels einer Niedertemperatur-Züchtung aus einer Lösung.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Erzeugen der Gamma-CuI Kristalle mittels thermischen Aufdampfens auf eine Szintillatorfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch Dotieren mittels Zugabe der Dotierstoffe gleichzeitig mit und am Ort der Gamma-CuI Kristallerzeugung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, gekennzeichnet durch Erzeugen der Gamma-CuI Kristalle als Pulver.
Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Dotieren des CuI-Pulvers mittels eines nasschemischen Ausfällungsverfahrens bei einer Raumtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch Dotieren des CuI-Pulvers mittels Einschließen des CuI-Pulvers und der Dotierstoffe in eine Ampulle unter Vakuum; Tempern der Ampulle bei Temperaturen kleiner 370°C und bei einer Temperdauer im Bereich von 10 bis 20 Stunden zum Eindiffundieren der Dotierstoffe in das CuI-Kristallgitter.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch Erzeugen des Szintillators mittels Aufdampfen des dotierten CuI-Pulvers.
Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Erzeugen des Szintillators mittels gleichzeitigem Aufdampfen von undotiertem CuI-Pulver und der Dotierstoffe.
Verwendung des Szintillators nach Anspruch 1 für einen optisch zählenden Röntgendetektor zur Bildgebung eines Objekts mittels eines Computertomographieverfahrens,
Optisch zählender Röntgendetektor (1) zur Bildgebung eines Objekts mittels eines Computertomographieverfahrens, mit einem zur Absorption von Röntgenstrahlung (X) und zur Wandlung der Röntgenstrahlung in Licht aufweisenden Szintillator (5) nach Anspruch 1; – eine Photodetektor-Anordnung (7) zur Wandlung des Lichts in entsprechende elektrische Signale zur Erzeugung eines Computertomographie-Bildes des Objekts;
Röntgendetektor (1) nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch einen Kollimator zur Fokussierung der Röntgenstrahlung zu dem Szintillator.