DE102012206180A1

DE102012206180A1 - Strahlungsdetektor und Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors

Info

Publication number: DE102012206180A1
Application number: DE102012206180A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rossner; Wilhelm Metzger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: DE102012206180B4; WO2013156211A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor (10) zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Elektrode (12a, 12b), zwischen welchen mindestens ein Szintillatorelement zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Lichtimpulse sowie mindestens ein Photoleiter (20) zum Umwandeln von Lichtimpulsen in elektrische Signale angeordnet sind, wobei der Strahlungsdetektor (10) wenigstens eine sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) erstreckende Szintillatorschicht (14) umfasst, wobei innerhalb der Szintillatorschicht (14) wenigstens ein sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) erstreckender Hohlraum (18a–c) vorgesehen ist, in welchem wenigstens ein Photoleiter (20) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors (10) zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale sowie ein Röntgengerät.

Description

Strahlungsdetektor und Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors sowie ein Röntgengerät mit einem solchen Strahlungsdetektor.
Ein Strahlungsdetektor ist beispielsweise aus der DE 10 2008 029 782 A1 bekannt und umfasst eine Schicht aus einem organischen Photoleiter, in dem zur Absorption von Röntgenstrahlen nanokristalline Szintillatorpartikel hoher Packungsdichte eingelagert sind. Diese Szintillatorpartikel absorbieren Röntgenquanten und emittieren Photonen des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums, die im organischen Photoleiter absorbiert werden und dort Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugen. Die Ladungsträger können dann durch Anlegen eines elektrischen Feldes über zwei Elektroden des Strahlungsdetektors als Strom registriert werden.
Weiterhin sind Strahlungsdetektoren bekannt, die Szintillatorkörper umfassen, welche als Pulverschicht, Einkristall oder polykristalline Keramik ausgebildet sind und auf einer Schicht eines Photodetektors wie beispielsweise einer Photodiode oder einem Photoelektronenvervielfacher (Photomultiplier) optisch gekoppelt angeordnet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlungsdetektor zu schaffen, welcher kostengünstig herstellbar ist und eine besonders hohe Lebensdauer besitzt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Röntgengerät mit einem solchen Strahlungsdetektor bereitzustellen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Strahlungsdetektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie durch ein Röntgengerät gemäß Patentanspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Strahlungsdetektor wenigstens eine sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erstreckende Szintillatorschicht umfasst, wobei innerhalb der Szintillatorschicht wenigstens ein sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erstreckender Hohlraum vorgesehen ist, in welchem wenigstens ein Photoleiter angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, dass das Szintillatorelement nicht aus nanoskaligen Partikeln besteht, sondern sich als makroskopische Szintillatorschicht zwischen den Elektroden erstreckt, wobei in der Szintillatorschicht ein Hohlraum oder mehrere Hohlräume enthalten sind, die sich ebenfalls zwischen den Elektroden erstrecken. In dem oder den Hohlräumen ist der Photoleiter, das heißt eine photoleitende Verbindung bzw. ein photoleitendes Verbindungsgemisch eingebracht, so dass einerseits die erforderliche Umsetzung der von der Szintillatorschicht generierten Photonen in Ladungsträger direkt, das heißt entstehungsnah, und andererseits der Ladungstransport zu den Elektroden entstehungsnah durch den in dem oder den Hohlräumen angeordneten Photoleiter erfolgen können. Die Geometrie des oder der Hohlräume kann dabei grundsätzlich frei gewählt werden. Beispielsweise kann der Hohlraum kanalförmig oder flächig ausgebildet sein. Im Unterschied zu Strahlungsdetektoren mit nanoskaligen Szintillatorpartikeln besitzt der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor keine Begrenzung der Packungsdichte, so dass höhere Schichtdicken mit entsprechend verbesserter Röntgenabsorption ermöglicht sind. Darüber hinaus kann der Ladungstransport senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Elektroden erfolgen, so dass kurze Transportwege und ein entsprechend besseres Zeitverhalten des Strahlungsdetektors gegeben sind. Daher können grundsätzlich auch vergleichsweise kostengünstigere Photoleiter verwendet werden. Weiterhin können unterschiedlichste Szintillatormaterialien verwendet und einfach zur Szintillatorschicht verarbeitet werden, so dass der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor besonders schnell und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin besteht im Unterschied zum Stand der Technik nicht die Gefahr, dass nanoskalige Szintillatorpartikel ihre Anordnung zwischen den Elektroden durch Sedimentation oder Koagulation und damit auch die Detektoreigenschaften verändern. Darüber hinaus werden auch grundsätzliche Probleme von Nanopartikeln wie beispielsweise eine aufgrund der großen spezifischen Oberfläche erhöhte chemische Reaktivität sowie eine schlecht steuerbare räumliche Verteilbarkeit mit entsprechenden Ungleichmäßigkeiten der Struktur und Detektoreigenschaften von vornherein vermieden. Die Szintillatorschicht des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors besitzt eine hohe chemische und mechanische Stabilität und damit eine besonders hohe Lebensdauer. Dabei kann die Szintillatorschicht des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors mit geringen Schichtdicken bzw. hohe Packungsdichten bei gleichzeitig hoher struktureller Präzision und gestalterischer Freiheit (Design) hergestellt sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Szintillatorschicht wenigstens zwei voneinander beabstandete Szintillatorkörper umfasst, zwischen welchen jeweils wenigstens ein Photoleiter angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Szintillatorschicht zwei oder mehr Szintillatorkörper umfasst, zwischen welchen jeweils ein sich der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erstreckender Hohlraum angeordnet ist, wobei der Hohlraum mit dem Photoleiter, das heißt mit der photoleitenden Verbindung bzw. dem photoleitenden Verbindungsgemisch, gefüllt ist. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor besonders variabel ausgebildet werden, da die Anzahl der Szintillatorkörper und Photoleiter-Schichten optimal an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden kann. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Strahlungsdetektor n Szintillatorkörper und n – 1 Photoleiter-Schichten umfasst, wobei n ≥ 2 ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die wenigstens zwei Szintillatorkörper und der wenigstens eine Photoleiter lamellenartig zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet sind. Unter einer lamellenartigen Anordnung ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher die Szintillatorkörper und der oder die Photoleiter-Schichten zumindest im Wesentlichen scheiben- bzw. quaderförmige Geometrien aufweisen und zu mehreren mit ihren Flächen zumindest annähernd parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Kanten und Deckflächen der einzelnen Scheiben oder Quader jeweils mit den Elektroden in Verbindung stehen. Derartige Lamellenstrukturen verfügen über eine am Materialaufwand gemessen sehr große Oberfläche sowie über eine besonders hohe mechanische Stabilität.
Eine weitere Verbesserung der mechanischen Stabilität wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass benachbarte Szintillatorkörper aneinander abgestützt sind.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn benachbarte Szintillatorkörper mittels mehrerer Materialbrücken aneinander abgestützt sind, wobei die Materialbrücken vorzugsweise einen Abstand zwischen 5 µm und 15 µm voneinander aufweisen. Die Materialbrücken können dabei grundsätzlich aus dem gleichen Material wie die Szintillatorkörper oder aus einem abweichenden Material bestehen. Die Verwendung von Materialbrücken bietet den Vorteil, dass einerseits der oder die Hohlräume für den Photoleiter zwischen benachbarten Szintillatorkörper zumindest überwiegend erhalten bleiben und andererseits die mechanische Stabilität gesteigert werden kann. Unter einem Abstand zwischen 5 µm und 15 µm sind dabei insbesondere Abstände von 5 µm, 6 µm, 7 µm, 8 µm, 9 µm, 10 µm, 11 µm, 12 µm, 13 µm, 14 µm und 15 µm sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Szintillatorschicht einen Einkristall und/oder ein dotiertes und/oder undotiertes keramisches Material umfasst. Geeignete keramische Materialien umfassen beispielsweise (Y, Gd)₂O₃, Y₃Al₅O₁₂ und Lu₂SiO₅, wobei diese Verbindungen mit Lanthanoiden wie beispielsweise Europium, Praseodym, Cer dotiert sein können. Denkbar sind auch keramische Materialien aus Lu-Tb-Al-O-Ce-Systemen, Y-Gd-Eu-O-Pr-Systemen, Lu-Tb-Al-O:Ce Verbindungen, Y₂O₃-Gd₂O₃-Eu₂O₃-Mischungen, Gd₂O₃-Ga₂O₃:Cr, Gd₂O₂S:Pr/Ce, (Lu_xTb_y)₃Al₅O₁₂:Ce, CsI:Tl, CsI:Na und CdWO₄. Hierdurch können die Eigenschaften des Szintillatorkörpers insbesondere im Hinblick auf sein Absorptions- und Emissionsverhalten optimal an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Photoleiter eine anorganische und/oder organische Elektronenakzeptor-Verbindung und/oder eine anorganische und/oder organische Elektronendonator-Verbindung umfasst. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, um die Absorptions- und Emissionseigenschaften des Photoleiters optimal an den jeweiligen Einsatzzweck des Strahlungsdetektors und an die Eigenschaften des Szintillatorkörpers sowie an das Material der Elektroden anzupassen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Photoleiter anorganische Verbindungen wie etwa amorphes Selen, Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmium-Zink-Tellurid (CdZnTe) und/oder Wismuttrijodid (BiI₃) umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Photoleiter ein elektrisch leitfähiges Polymer umfasst, wobei das oder die elektrisch leitfähigen Polymere zusätzlich auch p-dotiert und/oder n-dotiert sein können.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Photoleiter ausgewählt ist aus einer Gruppe, die substituierte und/oder unsubstituierte Fullerene, Polyacetylene, Poly(paraphenylene), Polyphenylenvinylene, Polythiophene, Polyethylendioxythiophene, Polyaniline, Polysulfonsäuren, Polysilane, Polycarbazole und/oder Polypyrrole umfasst. Die genannten Gruppenmitglieder können zusätzlich p-dotiert und/oder n-dotiert sein. Beispielhafte Verbindungen für die genannten Gruppenmitglieder sind [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM), bei welchem es sich um einen n-Typ Halbleiter bzw. ein Eletronenakzeptormaterial handelt, Poly(3-hexylthiophen) (P3HT), bei welchem es sich um einen p-Typ Halbleiter handelt, Poly-3,4-Ethylendioxythiophen (PEDOT), Polystyrolsulfonat (PSS), Poly(1,4-phenylen) (PPP), Poly(p-phenylenvinylen) (PPV), Poly(2-(2-ethylhexyloxy)-5-methoxy-p-phenylenvinylen) (MEH-PPV), das Cyano-Derivat hier- von (CN-PPV), Polythiophen (PT), Polypyrrol (PPy), Polyanilin (PANI) oder Polyacetylene, die grundsätzlich eine transtransoide und/oder eine cis-transoide bzw. trans-cisoide Konfiguration aufweisen können.
Durch Auswahl einer oder mehrerer Verbindungen aus den genannten Gruppen können wichtige Eigenschaften des Photoleiters wie beispielsweise seine Löslichkeit, sein Absorptionsverhalten, seine Emissionswellenlängen sowie seine thermische und chemische Stabilität optimal eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Polymerblend aus PEDOT und/oder P3HF, welche als Absorber bzw. Lochtransportkomponenten fungieren, mit PCBM als Elektronenakzeptor als sogenannte „bulkheterojunction“ fungieren, das heißt, dass sich die Ladungsträger an den Grenzflächen der einzelnen Materialien trennen. Unter einem Polymerblend wird dabei eine makroskopisch homogene Mischung von zwei oder mehr Polymerarten verstanden, welcher beispielsweise durch mechanische Vermischung von geschmolzenen Polymeren hergestellt werden kann, wobei sich ein homogenes Material ergibt. Beim Abkühlen der Schmelze bleiben die einzelnen Polymerketten fein verteilt und sorgen dafür, dass sich das Eigenschaftsprofil des Polymerblends aus den Eigenschaften der verwendeten Polymere zusammensetzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Hierdurch kann insbesondere die Aus- bzw. Eintrittsarbeit der Elektroden optimal an das Material des Szintillatorkörpers und/oder des Photoleiters angepasst werden. Geeignete Materialien für die Elektroden sind beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO), Calcium oder Silber.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zwischen 80 µm und 2500 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 2000 µm beträgt. Unter einem Abstand zwischen 80 µm und 2500 µm sind dabei insbesondere Abstände von 10 µm, 30 µm, 50 µm, 70 µm, 90 µm, 110 µm, 130 µm, 150 µm, 170 µm, 190 µm, 210 µm, 230 µm, 250 µm, 270 µm, 290 µm, 310 µm, 330 µm, 350 µm, 370 µm, 390 µm, 410 µm, 430 µm, 450 µm, 470 µm, 490 µm, 510 µm, 530 µm, 550 µm, 570 µm, 590 µm, 610 µm, 630 µm, 650 µm, 670 µm, 690 µm, 710 µm, 730 µm, 750 µm, 770 µm, 790 µm, 810 µm, 830 µm, 850 µm, 870 µm, 890 µm, 910 µm, 930 µm, 950 µm, 970 µm, 990 µm, 1010 µm, 1030 µm, 1050 µm, 1070 µm, 1090 µm, 1110 µm, 1130 µm, 1150 µm, 1170 µm, 1190 µm, 1210 µm, 1230 µm, 1250 µm, 1270 µm, 1290 µm, 1310 µm, 1330 µm, 1350 µm, 1370 µm, 1390 µm, 1410 µm, 1430 µm, 1450 µm, 1470 µm, 1490 µm, 1510 µm, 1530 µm, 1550 µm, 1570 µm, 1590 µm, 1610 µm, 1630 µm, 1650 µm, 1670 µm, 1690 µm, 1710 µm, 1730 µm, 1750 µm, 1770 µm, 1790 µm, 1810 µm, 1830 µm, 1850 µm, 1870 µm, 1890 µm, 1910 µm, 1930 µm, 1950 µm, 1970 µm, 1990 µm, 2010 µm, 2030 µm, 2050 µm, 2070 µm, 2090 µm, 2110 µm, 2130 µm, 2150 µm, 2170 µm, 2190 µm, 2210 µm, 2230 µm, 2250 µm, 2270 µm, 2290 µm, 2310 µm, 2330 µm, 2350 µm, 2370 µm, 2390 µm, 2410 µm, 2430 µm, 2450 µm, 2470 µm, 2490 µm und 2500 µm sowie entsprechende Zwischenwerte wie beispielsweise 100 µm, 101 µm, 102 µm, 103 µm, 104 µm, 105 µm, 106 µm, 107 µm, 108 µm, 109 µm, 110 µm, 111 µm, 112 µm, 113 µm, 114 µm, 115 µm, 116 µm, 117 µm, 118 µm, 119 µm, 120 µm usw. zu verstehen. Hierdurch können insbesondere die Empfindlichkeit, Absorptionscharakteristik und mechanische Stabilität des Strahlungsdetektors optimal eingestellt werden. Eine besonders hohe Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors wird alternativ oder zusätzlich dadurch erzielt, dass der wenigstens eine Photoleiter in Erstreckungsrichtung der Elektroden betrachtet eine Breite zwischen 2 µm und 25 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 20 µm aufweist. Unter einer Breite zwischen 2 µm und 25 µm sind Breiten von 2 µm, 3 µm, 4 µm, 5 µm, 6 µm, 7 µm, 8 µm, 9 µm, 10 µm, 11 µm, 12 µm, 13 µm, 14 µm, 15 µm, 16 µm, 17 µm, 18 µm, 19 µm, 20 µm, 21 µm, 22 µm, 23 µm, 24 µm und 25 µm sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen.
Eine weitere Optimierung des Absorptionsverhaltens und der mechanischen Stabilität wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass die Szintillatorkörper in Erstreckungsrichtung der Elektroden betrachtet eine Breite zwischen 80 µm und 250 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 200 µm aufweisen. Unter einer Breite zwischen 80 µm und 250 µm sind dabei Breiten von 80 µm, 90 µm, 100 µm, 110 µm, 120 µm, 130 µm, 140 µm, 150 µm, 160 µm, 170 µm, 180 µm, 190 µm, 200 µm, 210 µm, 220 µm, 230 µm, 240 µm und 250 µm sowie entsprechende Zwischenwerte wie beispielsweise 100 µm, 101 µm, 102 µm, 103 µm, 104 µm, 105 µm, 106 µm, 107 µm, 108 µm, 109 µm, 110 µm usw. zu verstehen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale, bei welchem mindestens ein Szintillatorelement zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Lichtimpulse sowie mindestens ein Photoleiter zum Umwandeln von Lichtimpulsen in elektrische Signale zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnet werden. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode wenigstens eine sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erstreckende Szintillatorschicht angeordnet wird, wobei innerhalb der Szintillatorschicht wenigstens ein sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erstreckender Hohlraum vorgesehen wird, in welchem wenigstens ein Photoleiter angeordnet wird. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Herstellen der Szintillatorschicht wenigstens zwei grüne Szintillatorkörper aus einem keramischen Material hergestellt, gestapelt, laminiert und zur Szintillatorschicht gesintert werden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und variable Herstellung des Strahlungsdetektors. In Abhängigkeit der gewünschten Ausgestaltung und Dimensionierung der Szintillatorschicht können dabei auch 3, 4, 5, 6 oder mehr grüne, d.h. ungesinterte Szintillatorkörper verwendet werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass Szintillatorkörper aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. Hierdurch kann das Absorptionsverfahren des Strahlungsdetektors besonders einfach und präzise eingestellt werden.
Durch die Verwendung eines keramischen Folienverfahrens, insbesondere Foliengießen, kann die Geometrie der einzelnen Szintillatorkörper besonders einfach eingestellt werden. Darüber hinaus ist hierdurch eine einfache Möglichkeit gegeben, durch das Stapeln unterschiedlicher Grünfolien auch einzelne Szintillatorkörper mit besonders spezifischen Eigenschaften herzustellen.
Eine weitere Verbesserung der mechanischen Stabilität der Szintillatorschicht wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erreicht, dass wenigstens einer der grünen Szintillatorkörper vor dem Stapeln mit wenigstens einer Erhebung und/oder Vertiefung versehen wird. Auf diese Weise können besonders einfach Hohlräume und/oder Materialbrücken zwischen benachbarten Szintillatorkörpern bzw. in der gesinterten Szintillatorschicht ausgebildet werden.
Besonders schnell und einfach lassen sich mehrere Erhebungen und/oder Vertiefungen gleichzeitig herstellen, indem der grüne Szintillatorkörper mit einem Punktraster bedruckt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Photoleiter in fließfähigem Zustand in den wenigstens einen Hohlraum der Szintillatorschicht eingebracht und im Hohlraum verfestigt wird. Dies stellt eine besonders schnelle, einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, um den Photoleiter in dem oder den Hohlräumen der Szintillatorschicht anzuordnen. In Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung des Photoleiters kann dieser geschmolzen und/oder mit einem Lösungsmittel versetzt werden, um ihn in den fließfähigen Zustand zu überführen. Nach dem Abkühlen und/oder Entweichen des Lösungsmittels verbleibt der Photoleiter dann in dem oder den Hohlräumen der Szintillatorschicht. Bei der Verwendung von organischen Polymeren als Photoleiter besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung darüber hinaus die grundsätzliche Möglichkeit, die entsprechenden Monomere bzw. Edukte der betreffenden Polymere in den oder die Hohlräume einzubringen und im betreffenden Hohlraum auszupolymerisieren, um den Photoleiter direkt innerhalb des Hohlraums herzustellen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Röntgengerät, welches zur direkten Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale einen Strahlungsdetektor gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder einen mittels eines Verfahrens nach dem zweiten Erfindungsaspekt erhältlichen bzw. erhaltenen Strahlungsdetektor umfasst. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Ausführungen zum erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor sowie zum erfindungsgemäßen Verfahren zu entnehmen und gelten entsprechend für das Röntgengerät. Das Röntgengerät kann beispielsweise zur medizinischen Röntgenbildgebung oder zur Röntgenkontrolle an Flughäfen, Gebäuden und dergleichen ausgebildet sein. Es ist jedoch zu betonen, dass das Röntgengerät hinsichtlich seiner Ausgestaltung nicht auf die genannten Anwendungen beschränkt ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors; und
2 eine schematische Schnittansicht des Strahlungsdetektors entlang der in 1 gezeigten Schnittebene II-II.
1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors 10 zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden, wobei 2 eine schematische Schnittansicht des Strahlungsdetektors 10 entlang der Schnittebene II-II zeigt. Der Strahlungsdetektor 10 umfasst eine erste und eine zweite Elektrode 12a, 12b, zwischen welchen eine sich zwischen den Elektroden 12a, 12b erstreckende Szintillatorschicht 14 zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Lichtimpulse angeordnet ist. Der mit den Pfeilen Ia gekennzeichnete Abstand zwischen den Elektroden 12a, 12b und damit die Dicke der Szintillatorschicht 14 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen 100 µm und 2000 µm.
Die Szintillatorschicht 14 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel exemplarisch vier Szintillatorkörper 16a–d, welche unter Ausbildung entsprechender Hohlräume 18a–c voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Szintillatorkörper 16a–d weisen in Erstreckungsrichtung der Elektroden 12a, 12b betrachtet eine mit den Pfeilen Ib gekennzeichnete Breite zwischen 100 µm und 200 µm auf. Die Szintillatorkörper 16a–d bestehen im gezeigten Ausführungsbeispiel exemplarisch aus einem dotierten keramischen Material, wobei beispielsweise (Y, Gd)₂O₃:Eu, Y₃Al₅O₁₂:Ce oder Lu₂SiO₅:Ce verwendet werden können.
Die Hohlräume 18a–c, die sich senkrecht zur Szintillatorschicht 14 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 12a, 12b erstrecken, sind vollständig mit einem organischen Photoleiter 20 gefüllt, so dass die erforderliche Umsetzung der von der Szintillatorschicht 14 generierten Photonen in Ladungsträger direkt (entstehungsnah) erfolgen kann und auch der Ladungstransport zu den Elektroden 12a, 12b durch die gesamte Dicke der Szintillatorschicht 14 erfolgen kann. Die Hohlräume 18a–c und damit auch die Schichten des Photoleiters 20 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel in Erstreckungsrichtung der Elektroden 12a, 12b betrachtet eine Breite zwischen 5 µm und 20 µm auf. Diese Breite ist mit den Pfeilen Ic gekennzeichnet.
Man erkennt weiterhin, dass die Szintillatorkörper 16a–d im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sind und dass die bezüglich der Erstreckungsrichtung der Elektroden 12a, 12b laterale, abwechselnde Anordnung von Szintillatorkörpern 16a–d und Photoleitern 20 einem lamellaren Aufbau entspricht.
Zum Einbringen des Photoleiters 20 in die Hohlräume 18a–c kann der Photoleiter 20 beispielsweise in einem Lösungsmittel gelöst und in die Hohlräume 18a–c eingefüllt werden. Als Photoleiter 20 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel ein p/n-Polymerblend aus dem p-Typ-Halbleiter Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) mit der Strukturformel
und dem n-Typ-Halbleiter [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) mit der Strukturformel
verwendet.
Die Szintillatorkörper 16a–d können beispielsweise durch ein keramisches Folienverfahren hergestellt werden, bei welchem eine oder mehrere ungesinterte („grüne“) Keramikfolien (nicht gezeigt) zu einem so genannten Grünkörper gestapelt werden. Die zum Formen des Grünkörpers verwendeten Keramikfolien können beispielsweise durch Foliengießen einer keramischen Grünfolie auf einem Träger hergestellt werden. Hierbei wird der Träger anschließend von der keramischen Grünfolie abgezogen, wodurch eine ungesinterte Keramikfolie erhalten wird. Durch Variierung der Anzahl und Dicke der verwendeten Keramikfolien kann die resultierende Dicke der einzelnen Szintillatorkörper 16a–d und damit auch der Abstand zwischen den Elektroden 12a, 12b besonders einfach und präzise eingestellt werden. Wie bereits erwähnt besitzen die gezeigten Szintillatorkörper 16a–d dabei eine Dicke zwischen etwa 100 µm und etwa 2000 µm. Es ist jedoch zu betonen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung derartig hergestellter Szintillatorkörper 16a–d beschränkt ist, so dass auch anderweitig hergestellte Szintillatorkörper 16a–d aus nicht-keramischen Materialien zur Herstellung der Szintillatorschicht 14 verwendet werden können. Der durch das Stapeln der Keramikfolien erhaltene Grünkörper wird dann bei für das jeweilige Material geeigneten Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1000 °C für so genannte Niedertemperatur-Einbrand-Keramikmaterialien (Low Temperature Cofired Ceramics; LTCC) oder bei Temperaturen zwischen etwa 1500 °C und etwa 1800 °C für so genannte Hochtemperatur-Einbrand-Keramikmaterialien (High Temperature Cofired Ceramics; HTCC), gesintert.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Keramikfolien organische Binder enthalten bzw. dass die grünen Keramikfolien mit Hilfe von organischen Bindern laminiert werden. Das Entbindern erfolgt dann vor dem Sinterschritt bei Temperaturen bis etwa 600 °C.
Man erkennt aus der Zusammenschau von 1 und 2, dass zwischen den Szintillatorkörpern 16b und 16c mehrere Materialbrücken 22 ausgebildet sind, mittels welchen die Szintillatorkörper 16b und 16c aneinander abgestützt sind. Die Materialbrücken 22 weisen dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel gleichmäßige Abstände von jeweils etwa 10 µm voneinander auf. Es ist dabei zu betonen, dass die Materialbrücken 22 grundsätzlich zwischen allen Szintillatorkörpern 16a–d oder – wie gezeigt – nur zwischen manchen der Szintillatorkörper 16a–d ausgebildet sein können. Die Materialbrücken 22 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zylinderförmig bzw. im Querschnitt kreisförmig ausgebildet, wobei grundsätzlich auch andere Geometrien vorgesehen sein können. Mit steigernder Anzahl an Materialbrücken 22 steigt grundsätzlich die mechanische Stabilität der Szintillatorschicht 14, so dass die Anzahl und Anordnung der Materialbrücken 22 optimal an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden kann. Die Herstellung der Materialbrücken 22 kann beispielsweise im Rahmen des vorstehend geschilderten Foliengießverfahrens erfolgen, indem der grüne Szintillatorkörper 16c und/oder 16d mit einem Punktraster bedruckt wird, um entsprechende Erhebungen und/oder Vertiefungen auszubilden. Indem die Materialbrücken 22 aus demselben Material wie die Szintillatorkörper 16a–d bestehen, ergibt sich der Vorteil, dass die Materialbrücken 22 ebenfalls zur Strahlungsdetektion beitragen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest manche Materialbrücken 22 aus einem anderen, vorzugsweise keramischen Material bestehen, da sich hierdurch fertigungstechnische Vorteile ergeben können.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008029782 A1 [0003]

Claims

Strahlungsdetektor (10) zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Elektrode (12a, 12b), zwischen welchen mindestens ein Szintillatorelement zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Lichtimpulse sowie mindestens ein Photoleiter (20) zum Umwandeln von Lichtimpulsen in elektrische Signale angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor (10) wenigstens eine sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) erstreckende Szintillatorschicht (14) umfasst, wobei innerhalb der Szintillatorschicht (14) wenigstens ein sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) erstreckender Hohlraum (18a–c) vorgesehen ist, in welchem wenigstens ein Photoleiter (20) angeordnet ist.
Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillatorschicht (14) wenigstens zwei voneinander beabstandete Szintillatorkörper (16a–d) umfasst, zwischen welchen jeweils wenigstens ein Photoleiter (20) angeordnet ist.
Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Szintillatorkörper (16a–d) und der wenigstens eine Photoleiter (20) lamellenartig zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) angeordnet sind.
Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Szintillatorkörper (16b, 16c) aneinander abgestützt sind.
Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Szintillatorkörper (16b, 16c) mittels mehrerer Materialbrücken (22) aneinander abgestützt sind, wobei die Materialbrücken (22) vorzugsweise einen Abstand zwischen 5 µm und 15 µm voneinander aufweisen.
Strahlungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillatorschicht (14) einen Einkristall und/oder ein dotiertes und/oder undotiertes keramisches Material umfasst.
Strahlungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Photoleiter (20) eine anorganische und/oder organische Elektronenakzeptor-Verbindung und/oder eine anorganische und/oder organische Elektronendonator-Verbindung umfasst.
Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Photoleiter (20) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die substituierte und/oder unsubstituierte Fullerene, Polyacetylene, Poly(para-phenylene), Polyphenylenvinylene, Polythiophene, Polyethylendioxythiophene, Polyaniline, Polysulfonsäuren, Polysilane, Polycarbazole und/oder Polypyrrole umfasst.
Strahlungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12a) und die zweite Elektrode (12b) aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
Strahlungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) zwischen 80 µm und 2500 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 2000 µm beträgt und/oder dass der wenigstens eine Photoleiter (20) in Erstreckungsrichtung der Elektroden (12a, 12b) betrachtet eine Breite zwischen 2 µm und 25 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 20 µm aufweist.
Strahlungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillatorkörper (16a–d) in Erstreckungsrichtung der Elektroden (12a, 12b) betrachtet eine Breite zwischen 80 µm und 250 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 200 µm aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors (10) zur Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Signale, bei welchem mindestens ein Szintillatorelement zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Lichtimpulse sowie mindestens ein Photoleiter (20) zum Umwandeln von Lichtimpulsen in elektrische Signale zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode (12a, 12b) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) wenigstens eine sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) erstreckende Szintillatorschicht (14) angeordnet wird, wobei innerhalb der Szintillatorschicht (14) wenigstens ein sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (12a, 12b) erstreckender Hohlraum (18a–c) vorgesehen wird, in welchem wenigstens ein Photoleiter (20) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Szintillatorschicht (14) wenigstens zwei grüne Szintillatorkörper aus einem keramischen Material hergestellt, gestapelt, laminiert und zur Szintillatorschicht (14) gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Szintillatorkörper (16a–d) durch ein keramisches Folienverfahren hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der grünen Szintillatorkörper vor dem Stapeln mit wenigstens einer Erhebung und/oder Vertiefung versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine grüne Szintillatorkörper zum Herstellen mehrerer Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einem Punktraster bedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Photoleiter (20) in fließfähigem Zustand in den wenigstens einen Hohlraum (18a–c) der Szintillatorschicht (14) eingebracht und im Hohlraum (18a–c) verfestigt wird.
Röntgengerät, welches zur direkten Konversion von Röntgenstrahlung in elektrische Ladung einen Strahlungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder einen mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 17 erhältlichen Strahlungsdetektor (10) umfasst.