DE3141755A1

DE3141755A1 - Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE3141755A1
Application number: DE19813141755
Authority: DE
Inventors: Hideki Suginami Tokyo Kohno; Atsushi Higashiyamato Suzuki; Yoko Kawasaki Uchida; Hiromichi Hino Yamada; Minoru Tokyo Yoshida
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1980-10-22
Filing date: 1981-10-21
Publication date: 1982-07-08
Also published as: JPS6058430B2; US4492869A; JPS5770476A; DE3141755C2

Description

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HITACHI MEDICAL CORPORATION Tokyo, Japan

Strahlungsdetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor zur Erfassung einer Strahlung, wie z. B-Röntgenstrahlen und Gamma-Strahlen, und insbesondere auf einen Strahlungsdetektor, der sich zur Verwendung in einer Röntgenstrahlen-CT (computergestützte Tomographie) oder Positronkamera eignet.

Verschiedene Arten der computergestützten Röntgenstrahlen tomographie sind bekannt. Nach einem typischen Beispiel hierfür ist ein Drehscheibenkörper mit einer Öffnung in seinem mittleren Teil vertikal angeordnet, und ein zu untersuchender Körper oder Auffänger (target) wird in der Mitte der im Drehscheibenkörper vorgesehenen Öffnung angebracht. Eine Röntgenstrahlenquelle wird auf einem Umfangsteil des Drehscheibenkörpers montiert. Die von der Röntgenstrahlenquelle ausgehenden Röntgenstrahlen breiten sich fächerartig

aus, gehen durch den zu untersuchenden Auffänger durch und werden dann von einer Strahlungserfassungseinrichtung erfaßt, die auf einem anderen Umfangsteil des Drehscheibenkörpers montiert ist. Die Strahlungserfassungseinrichtung enthält eine Gruppenanordnung von 30 bis 1000 Strahlungsdetektoren, die die gleiche Charakteristik haben und auf einem Bogen eines Kreises mit der Mitte an der Röntgenstrahlenquelle angeordnet sind. Falls eine enge oder begrenzte Röntgenstrahlensektorweite verwendet wird, können die Detektoren auf einer geraden Linie angeordnet sein. Die Röntgenstrahlenquelle und die Strahlungserfassungseinrichtung, die auf dem Drehscheibenkörper montiert sind, werden um den Auffänger gedreht, indem man den Drehscheibenkörper um die Mittelachse der Öffnung rotieren läßt, und der Ausgang jedes Strahlungsdetektors wird jedesmal gemessen, wenn der Drehscheibenkörper um einen bestimmten Winkel (z. B. 1°) gedreht ist. Auf der Basis der gemessenen Werte wird ein Querschnittsbild des zu untersuchenden Auffängers rekonstruiert.

Eine mit Xenon gefüllte Gaskammer oder die Kombination von Wismutgermanat (BGO)-Einkristallen und Photoelektronen-Vervielfachern wurde bisher als die Strahlungserfassungseinrichtung für die computergestützte Röntgenstrahlentomographie od. dgl. verwendet. In diesen Erfassungseinrichtungen war es nicht leicht, die einzelnen Eigenschaften der Kanäle gleich zu machen. Daher war es schwierig, ein annehmbares klares Bild zu erhalten. Insbesondere führten bei der Kombination .von BGO-Einkristallen und Photoelektronen-Vervielfachern, die Schwankungsbreite in den Eigen-

schäften der BGO-Einkristalle als Szintillator sowie die Schwankungsbreite in den Eigenschaften der Photoelektronen-Vervielfacher zu einer großen Schwierigkeit der Schaffung von Strahlungsdetektoren mit den gleichen Charakteristiken.

Um dieses Problem zu lösen, schlugen einige der vorliegenden Erfinder einen Strahlungsdetektor mit Verwendung von Leuchtstoffteilchen als Szintillator -vor (DE-OS 2 923 324). Ein Strahlungsdetektor für die computergestützte Röntgcnstrahlentomographie hat üblicherweise eine Breite von 1 bis 10 mm (vorzugsweise J..bis 3 mm) und eine Länge von z. B. etwa 20 mm, um ein Hochgenauigkeits-Schnittbild zu erhalten. Demgemäß ist die Zahl der in einem Strahlungsdetektor enthaltenen Leuchtstoffteilchen beispielsweise in der Größenordnung von 300 000, obwohl sie von der Teilchengröße abhängt. Die jeweiligen Eigenschaften der Leuchtstoffteilchen können etwas unterschiedlich sein. Wenn jedoch die Leuchtstoffteilchen nach deren ausreichenden Vermischung als ein Szintillator verwendet werden, liegen die Schwankungen in der Charakteristik des Szintillators in der Größenordnung des Reziprokwertes der Quadratwurzel der Zahl der Leuchtstoffteilchen, d. h. in der Größenordnung von 0,01 %, und daher lassen sich befriedigende Ergebnisse erzielen.

Ein wirksam verfügbarer Lichtabstrahlungsausgang, der durch Strahlungsanregung vom Leuchtstoffteilchenszintillator erzeugt wird, enthält Licht, das in einem Oberflächenbereich des Szintillators erzeugt wird, und Licht, das in den inneren Teilen des Szintillators erzeugt wird und nach außerhalb des Szintillators entweicht·

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Das Entweichen von Licht .ist aufgrund einer Streuung im Szintillator schwierig. Diese innere Streuung führt zu einer wesentlichen Absorption von Lichtenergie, wodurch der außen verfügbare Lichtausgang vom Szintillator verringert wird. Es ist daher erwünscht, ein Leuchtstoffmaterial zu verwenden, das ein hohes Strahlungsabsorptionsvermögen und einen hohen Strahlungs/Licht-Umwandlungswirkungsgrad hat. Weiter ist es erwünscht, einen geneigten oder Vielschichtszintillator zu verwenden, um das Entweichen von Licht zu erleichtern.

Jedoch zeigten Versuche der Erfinder, daß ein Leuchtstoffteilchenszintillator eine große Schwankung (im folgenden als Störpegel bezeichnet) in den Ausgängen von dem gleichen Szintillator über eine Anzahl von Messungen mit sich bringt. Daher war es, auch wenn der Strahlungs/Licht-Umwandlungswirkungsgrad eines Leuchtstoffmaterials oder der Grad des Entweichens von innerlich erzeugtem Licht verbessert wird, um den Lichtausgang von einem Szintillator zu verbessern, schwierig, das Signal/Störpegel-(S/N)-Verhältnis ausreichend zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsdetektor zu entwickeln, der ein hohes Signal-Stör-.pegel .-Verhältnis hat.

Bei einem aus Leuchtstoffteilchen gebildeten Szintillator hat, wenn in den inneren Teilen des Szintillators erzeugtes Licht zu dessen Außenseite entweicht, das Licht eine lange, zickzackförmige Laufbahn, und daher sinkt der Lichtausgang aufgrund von Absorption.

Andererseits wird in einem Oberflächenbereich des Szintillators erzeugtes Licht kaum einer Streuung unterworfen, und daher tritt kaum eine Verringerung des Lichtausgangs aufgrund von Absorption auf. So ist die Senkung des Lichtausganges durch Absorption in Abhängigkeit vom Teil des Szintillators unterschiedlich, wo das Licht erzeugt wird. Dieser Unterschied bildet vermutlich einen Grund des Rausch- oder Störpegels, Weiter führt die Tatsache, daß das von einem Leuchtstoffteilchen im Oberflächenbereieh des Szintillators erzeugte Licht kaum von anderen Leuchtstoffteilchen gestreut wird, zu einer anisotropen Lichtemission. Auch diese Anisotropie bildet vermutlich einen weiteren Grund von Stör- oder . Rauscherscheinungen.

Um die Ungleichmäßigkeit in der Senkung des Lichtausganges und die Anisotropie gering enthält ein Strahlungsdetektor gemäß der Erfindung eine Lichtstreuschicht, die auf der optischen Bahn zwischen einem Leuchtstoffteilchenszintillator und einem Photodetektor angeordnet ist.

Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird, ist daher ein Strahlungsdetektor mit einem strahlungsangeregtes Licht abstrahlenden Szintillator und einem Photodetektor zum Empfang der Lichtabstrahlung vom Szintillator, mit dem Kennzeichen, daß der Szintillator eine Leuchtstoffteilchenschicht enthält und daß eine Lichtstreuschicht in einer optischen Bahn vorgesehen ist, die die Lichtabstrahlung von der

Leuchtstoffteilchenschicht zum Photodetektor leitet.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Oberfläche des Szintillators erzeugtes Licht wird durch die Lichtstreuschicht in gewissem Ausmaß einer Streuung und Absorption unterworfen, und daher fällt die verringerte Lichtmenge auf den Photodetektor ein. Diese Lichtverringerung wird mit der Verringerung des innerlich erzeugten Lichtes einschließlich dessen innerer Streuung und Absorption ausgeglichen. Als Ergebnis läßt sich der Stör- oder Rauschpegel erheblich verringern.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1, 2, 3_r 4 und 5 Schnittansichten zur

Veranschaulichung verschiedener Ausführungsbeispiele eines Strahlungsdetektors gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 und 7 Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung

verschiedener Ausführungsbeispiele eines Strahlungsdetektors nach einer anderen Variante gemäß der Erfindung.

Irgendeine zur Streuung von Licht geeignete Schicht kann als erfindungsgemäß verwendete Lichtstreuschicht ein-

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setzt werden. Die erfindungsgemäß verwendete Lichtstreuschicht ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie eine Grenzfläche (wo sich der Brechungsindex ändert) mit einer Abmessung von einem Zehntel bis zum Hundertfachen der Lichtwellenlänge enthält. Der hier verwendete Begriff "Licht" bedeutet Licht in einem weiten Sinn, d. h. umfaßt nicht nur den sichtbaren Bereich, sondern auch einen dem sichtbaren Bereich nahen Bereich (wie z. B. eine benachbarte Ultraviolettwellenlänge von 300 nm und eine benachbarte Infrarotwellenlänge von 2500 nm). Die Lichtstreuschicht wird beispielsweise aus Pulvern eines geeigneten Materials gebildet. Im einzelnen kann das geeignete Material aus Pulvern wenigstens eines der Stoffe der Gruppe Al₃O₃, SiO₂ und B₃O₃ bestehen, deren jeder keine strahlungsangeregte Lichtemissionseigenschaft zeigt, oder kann auch aus Teilchen eines Leuchtstoffmaterials bestehen, dessen strahlungsangeregtes Lichtemissionsvermögen geringer als das eines den Szintillatorkörper bildenden Leuchtstoffmaterials ist. Die Lichtstreuschicht kann auch durch eine rauhe Oberfläche einer optischen Führung gebildet werden, die zwischen dem Szintillator und einem Photodetektor eingefügt ist. Eine alternative oder zusätzliche optische Führung, die aus einem Kunststoff oder Quarzglas mit einer- Anzahl von Luftblasen darin besteht, kann auch als die Lichtstreuschicht dienen.

Der erfindungsgemäß verwendete Szintillator ist aus Teilchen irgendeines Leuchtstoffmaterials gebildet, das Strahlung absorbieren und angeregtes Licht erzeugen kann. Allgemein werden Y O₃S, La₃O₃S, Gd₃O₃S,

O₂S, LaOBr, BaFCl, BaFBr und BaSO₄ verwendet, von denen jeder Stoff mit wenigstens einem der Elemente Eu, Pr und Tb aktiviert ist. Weiter können auch (CdS:Cu, Al), (CdSrAg, Cl)., (ZnS:Cu, Al), CaWO₄ und CdWO₄ verwendet werden. Insbesondere werden solche Materialien wie Gd₃O₂S (Eu) , Gd₂O₃S (P r)

und CdWO₄ wegen hohen Rontgenstrahlenabsorptions- , Vermögens und hohen Strahlungs-Licht-Umwandlungswirkungsgrades bevorzugt. Leuchtstoffmaterialien, wie z. B. Gd₂O₃SiPr, F, Ce, die»von einigen der Erfinder in der DE-OS 3 116 382 vorgeschlagen wurden, haben einen hohen Strahlungs-Licht-ümwäidlungswirkungsgrad und eine kurze Abklingzeit und sind vorteilhaft zur Verwendung für einen Strahlungsdetektor bei der computergestützten Röntgenstrahlentomographie.

Es können auch zwei oder mehr der oben erwähnten Leuchtstoffmaterialien gemischt werden.

Die Eigenschaftsvariation eines Strahlungsdetektors ist gering, wenn die Zahl der in der Leuchtstoffteilchenschicht enthaltenen Leuchtstoffteilchen größer ist. Die Durchschnittsteilchengröße der Leuchtstoffteilchen ist vorzugsweise unter 200 ,um und noch bevorzugter unter 100 ,um. Wenn jedoch die Durchschnittsteilchengröße zu gering ist, verringert

sich der Lichtausgang von der Leuchtstoffteilchenschicht, da die Gesamtoberfläche der in der Leuchtstoffteilchenschicht enthaltenen Leuchtstoffteilchen wächst. Daher ist die Durchschnittsteilchengröße

vorzugsweise über 1 ,um und noch bevorzugter über 5 ,um.

Die Leuchtstoffteilchenschicht wird beispielsweise folgendermaßen gebildet. Es seien Leuchtstoffteilchen Gd₃O₂StPr, F, Ce betrachtet, die entsprechend der DE-OS 3 116 382 hergestellt werden können. Zunächst werden 100 g dieses Leuchtstoffmaterials mit einer Durchschnittsteilchengröße von 20 ,um aus-

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reichend mit 15 cm einer wässerigen Polyvinylalkohollösung vermischt, um eine Trübe zu bilden. Die Trübe wird in ein Gefäß mit einer vorbestimmten Abmessung gegeben und bei 60 ⁰C getrocknet. Nachdem die getrocknete Leuchtstoffteilchenschicht aus dem Gefäß entfernt ist, wird sie auf dem Boden des Gehäuses eines Strahlungsdetektors unter Verwendung eines im wesentlichen transparenten Klebers (z. B. eines Epoxyharzklebers) befestigt. Eine Leuchtstoffteilchenschicht mit einer Dicke von etwa 0,5 mm oder weniger kann in solcher Weise gebildet werden, daß die Trübe direkt in eine Ausnehmung mit einer vorbestimmten Tiefe eingebracht wird, die in einem Deckelteil des Gehäuses eines Strahlungsdetektors oder in einer optischen Führung gebildet ist. In der vorstehenden Erläuterung haben die Leuchtstoffteilchen

im Szintillator die Form von Pulvern. Jedoch können die Leuchtstoffteilchen auch zusammen mit einem im wesentlichen transparenten Material, z. B. einem Epoxyharz, verfestigt oder preßgeformt werden, wodurch ein fest zusammenhängender Szintillator vorgesehen wird. Das Preßformen ist z. B. in der US-PS 4 242 offenbart.

Es wird bevorzugt, die Leuchtstoffteilchenschicht in einem Gehäuse mit einer reflektierenden inneren

Oberfläche anzubringen. Und zwar wird die Innenoberfläche des Gehäuses vorzugsweise mit einer Aluminiumoder Silberschicht bedeckt, die eine hohe Reflektivität für sicfibare und den sichtbaren Strahlen nahe Strahlen hat. Ein Photodetektor kann im Gehäuse angeordnet werden. Jedoch wird die Photodiode gewöhnlich außerhalb des Gehäuses angebracht, und man sieht ein lichtdurchlässiges Fenster an einem Teil des Gehäuses vor, um Licht vom Leuchtstoffmaterial durch das Fenster zum Photodetektor zu leiten. Weiter kann eine optische Führung zwischen der Leuchtstoffteilchenschicht und der Photodiode vorgesehen werden, um Licht vom Leuchtstoffmaterial zur Photodiode zu leiten. Die optische Führung kann aus einem im wesentlichen transparenten Material, wie z. B. einem Kunststoff oder Quarzglas, bestehen. Die optische Führung kann auch durch einen leeren Raum gebildet werden.

Das Gehäuse wird vorzugsweise mit einem Strahlungsabschirmmaterial, wie z. B. Messing, Wolfram oder Blei, mit Ausnahme einer Strahlungsaufnahmefläche desselben, überzogen oder daraus hergestellt. Jedoch ist, wenn eine Gruppe von Kollimatoren vor einer Gruppe von Strahlungsdetektoren in einem besonderen Fall der computergestützten Röntgenstrahlentomographie angeordnet wird, das Strahlungsabschirmmaterial nicht stets erforderlich.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert.

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Fig. 1 ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors gemäß der Erfindung. Gemäß Fig. 1 ist eine Siliziumphotodiode 3 auf dem Boden eines aus Messing bestehenden Gehäuses 6 angebracht. Die Innenoberfläche des Gehäuses 6 ist mit einer Aluminiumschicht zur Bildung einer reflektierenden Oberfläche überzogen. Im Gehäuse 6 ist eine Leuchtstoffteilchenschicht 2 mit einer Dicke von 2 mm über der Siliziumphotodiode 3 angebracht. Eine Lichtstreuschicht 4 ist auf einer Oberfläche der Leuchtstoffteilchenschicht angrenzend an die Photodiode 3 oder dieser zugewandt gebildet. Die Lichtstreuschicht 4 wird in der Weise hergestellt, daß 2 g Al-O^-Pulver mit einer Durchschnittsteilchengröße von 3 ,um mit

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1 cm einer 2 %igen wässerigen Polyvinylalkohollösung zur Bildung einer Trübe vermischt werden und die Trübe dünn auf die Oberfläche der Leuchtstoff-

teilchenschicht 2 (z.B. in einer Dicke von 1 mg/cm ) aufgebracht und dann getrocknet wird. Das Gehäuse 6 ist mit einem aus einer dünnen Aluminiumschicht gebildeten Abdeckung 5 geschlossen. Röntgenstrahlen fallen auf den Strahlungsdetektor in der mit einem Pfeil 1 angedeuteten Richtung ein. Die Röntgenstrahlen werden erzeugt, indem man einen Auffänger (target) mit einem Elektronenstrahl einer Energie von beispielsweise 120 keV beschießt. Der größere Teil der einfallenden Röntgenstrahlen wird durch die Leuchtstoffteilchenschicht 2 absorbiert. Die Leuchtstoffteilchenschicht 2 ist von der lichtreflektierenden Aluminiumschicht mit Ausnahme der Oberfläche der Schicht 2, die der Photodiode 3 zugewandt ist, eingeschlossen. Demgemäß erfolgt die Lichtabgabe von der

Leuchtstoffteilchenschicht 2 aus dieser erwähnten Oberfläche. Das Licht von der Schicht 2 fällt auf die Siliziumphotodiode 3 durch die Lichtstreuschicht 4 ein, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. Der Strahlungsdetektor mit einem solchen Aufbau weist einen etwa 20 % geringeren Signalausgang, jedoch ein etwa 5 % größeres Signal-Störpegel-Verhältnis als ein ähnlicher Strahlungsdetektor ohne Streuschicht auf.

In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Material, wie z. B. Al₂O₃, das kein strahlungsangeregtes Lichtabgabevermögen zeigt, zur Bildung der Lichtstreuschicht 4 verwendet. Jedoch kann auch ein Leuchtstoff material mit einem geringeren strahlungsangeregten Lichtabgabevermögen als dem des den Szintillator bildenden Leuchtstoff materials verwendet werden. Dies ist auch auf die folgenden Ausführungsbeispiele anwendbar. Beispielsweise kann im Fall, wo der Szintillatorkörper aus Gd₃O₃SrPr, F, Ce gebildet wird, die Lichtstreuschicht aus einem solchen

Leuchtstoffmaterial wie CdWO₄, BaSO₄:Eu oder CdWO₄:Pb gebildet werden. Die als die Lichtstreuschicht wirkende Leuchtstoffteilchenschicht kann in einer ähnlichen W<=ise wie die als Szintillatorkörper wirkende' Leuchtstoff teilchens ch'icht hergestellt werden.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors gemäß der Erfindung. Gemäß Fig. 2 ist eine Leuchtstoffteilchenschicht 2 (mit einer Dicke von beispielsweise etwa 5 mm) in der Weise angeordnet, daß die Strahlungsaufnahmeoberfläche der Schicht 2 um etwa 60° zur Richtung 1 der einfallenden Strahlung geneigt ist. Lichtemission von Leuchtstoff-

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teilchen, die Röntgenstrahlen absorbiert haben, kann zum Entweichen aus der Leuchtstoffteilchenschicht 2 nach außerhalb derselben unfähig . sein, wenn die Leuchtstoffteilchenschicht 2 dick ist. In diesem Fall wird bevorzugt, die Strahlungsaufηahmeoberfläche der Leuchtstoffteilchenschicht 2 zur Richtung 1 der einfallenden Strahlung zu kippen, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel veranschaulicht wird. Und zwar ist, wenn die Strahlungsaufnahmeoberfläche um 60 bezüglich der Richtung 1 der einfallenden Strahlung geneigt wird, die tatsächliche oder effektive Tiefe der Leuchtstoffteilchenschicht 2 in der Richtung 1 der einfallenden Röntgenstrahlen etwa 1,15 mal so groß wie die Dicke der Leuchtstoffteilchenschicht 2 in der zur Strahlungsaufnahmeoberfläche senkrechten Richtung, und daher wird die Menge der Röntgenstrahlenabsorption durch die Leuchtstoffteilchenschicht 2 entsprechend gesteigert. Dies bedeutet,daß eine dünne Leuchtstoffteilchenschicht 2 verwendet werden kann, um die gleiche Menge von Röntgenstrahlen zu absorbieren. In einer solchen dünnen Schicht erzeugtes Licht kann leicht nach außerhalb entweichen, und daher wächst der Lichtausgang. Der Neigungswinkel liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80 , noch bevorzugter im Bereich von 30 bis 60°.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Leuchtstof fteilchenschicht 2 aus dem folgenden Grund verhältnismäßig dick gemacht, d. h. sie hat eine Dicke von z. B. 5 mm. Obwohl eine ausreichende Absorption von Röntgenstrahlen durch einen Dickenbereich ,. der dicken Schicht 2 entsprechend etwa 2 mm erzielt werden-

kann, wirkt der restliche Teil der Schicht 2 zur Reflexion des erzeugten Lichtes nach oben (oder zur Strahlungsaufnahmeoberfläche), so daß es leicht die Strahlungsaufnahmeoberfläche erreicht^/ In diesem Ausführungsbeispiel ist die Leuchtstoffteilchenschicht 2 auf dem Boden des Gehäuses 6 angebracht, und die Lichtemission von der Schicht 2 wird an ihrer Str.ahlungsaufnahmeoberf lache ab- ' .

geleitet. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da die einfallende Strahlung am stärksten in der Strahlungsaufnahmeoberfläche der Leuahtstoffteilchenschicht 2 absorbiert wird. Eine Lichtstreuschicht 4 ist auf der Strahlungsaufnahmeoberflache der Leuchtstoffteilchenschicht 2 in einer dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ähnlichen Weise gebildet. Ein Photodetektor 3 ist an einem lichtdurchlässigen Fenster montiert, das in der Seitenfläche des Gehäuses 6 vorgesehen ist. Diese Anordnung des Photodetektors 3 parallel zur Richtung -1 der einfallenden Strahlung ist vorzuziehen, da die Lichtaufnahmeoberfläche des Photodetektors 3 aus der direkten Bahn der einfallenden Strahlung entfernt ist und daher das Signal-Störpegel-Verhältnis verbessert ist. Wenn die Lichtaufnahmeoberfläche des Photodetektors 3 sonst in der direkten Bahn der einfallenden Strahlung angeordnet wird, kann der Photodetektor 3 auf die durch die Leuchtstoffteilchenschicht 2 durchgegangene einfallende Strahlung ansprechen, wodurch die Leistung und der Wirkungsgrad des Photodetektors 3 verschlechtert werden. Bei dem Strahlungsdetektor mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau geht die Lichtemission

ο β ο

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von der Leuchtstoffteilchenschicht 2 durch die auf der Strahlungsaufnahmeoberfläche der Schicht 2 gebildete Lichtstreuschicht 4, geht weiter durch einen als eine optische Führung wirkenden Raum 7 und fällt dann auf die Siliziumphotodiode 3 ein, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel trägt, da die Lichtstreuschicht 4 auf der Strahlungsaufnahmeoberfläche, wo die Lichtemission von der Leuchtstoffteilchenschicht 2 am stärksten ist, ausgebildet ist, die Lichtstreuschicht 4 beträchtlich zur Verbesserung des Signal-Störpegel-Verhältnisses bei. Dieses Ausführungsbeispiel weist ein etwa 20 % höheres Signal-Störpegel-Verhältnis als ein ähnlicher Strahlungsdetektor ohne Lichtstreuschicht auf.

Bei einem Strahlungsdetektor, wie z. B. bei der computergestützten Röntgenstrahlentomographie, werden 10 bis 1000 Strahlungsdetektoren, deren jeder den in Fig. 2 gezeigten Aufbau hat, in der zur Zeichenebene senkrechten Richtung angeordnet.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors gemäß der Erfindung. Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine verbesserte

Variante des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels und ist ein Beispiel eines Strahlungsdetektors mit einem Szintillator des Zweischichtenaufbaus mit eineiloptischen Führung. Gemäß Fig. 3 ist eine obere

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auf den Detektor in der mit einem Pfeil 1 angedeuteten Richtung einfallenden Röntgenstrahlen durch die Leuchtstoffteilchenschicht 2a absorbiert, während die restlichen, durch die Schicht 2a durchgegangenen Röntgenstrahlen durch die optische Führung 8 die Leuchtstoffteilchenschicht 2b erreichen, wo sie fast völlig absorbiert werden. Lichtemission von der Schicht 2a fällt auf einem Photodetektor 3 durch die Lichtstreuschicht 4a und die optische Führung 8 ein, während Lichtemission von der Schicht 2b auf "den Photodetektor 3 durch die Lichtstreuschicht 4b und die optische Führung einfällt. Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel hat ein etwa 20 % höheres Signal-Störpegel-Verhältnis als ein ähnlicher Strahlungsdetektor ohne Lichtstreuschicht.

Obwohl die rauhe Oberfläche der optischen Führung 8 bei diesem Ausführungsbeispiel als die Lichtstreuschicht verwendet wurde, kann auch eine aus einem Kunststoff oder Quarzglas hergestellte., optische Führung, die eine Anzahl von Luftblasen enthält, als die Lichtstreuschicht verwendet werden.

Der Szintillator kann Röntgenstrahlen, die durch Teilchen im Szintillator gestreut sind, und Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, die sekundär aufgrund des photoelektrischen Effekts erzeugt sind, zusätzlich zu durch die Anregung durch absorbierte Röntgenstrahlen erzeugtem Licht ausstrahlen. Da ein Photodetektor, wie z. B. die Siliziumphotodiode,

Λ . a αφ λ ρ ■} β

• ö » i) O σ 4»

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Leuchtstoffteilchenschicht 2a mit einer Dicke von z. B. 0,3 mm auf der Unterseite einer Gehäuseabdeckung 5 gebildet, und eine untere Leuchtstoffteilchenschicht 2b mit einer Dicke von z. B. 5 mm ist am Boden eines Gehäuses 6 angebracht und zur Richtung 1 der einfallenden Strahlung wie in Fig. geneigt. In dem aus den zwei Leuchtstoffteilchenschichten 2a und 2b gebildeten Szintillator kann in jeder der Schichten 2a und 2b erzeugtes Licht leicht deren Oberfläche erreichen, und daher wird der Lichtausgang vom Szintillator weiter gesteigert. Eine optische Führung 8 aus einem transparenten Acrylharz ist zwischen den Leuchtstoffteilchenschichten 2a und 2b eingefügt. Lichtstreuschichten 4a und 4b sind zwischen der optischen Führung 8 und der Leuchtstoffteilchenschicht 2a bzw. zwischen der optischen Führung 8 und der Leuchtstoffteilchenschicht 2b vorgesehen. Die Lichtstreuschichten 4a und 4b können aus den gleichen Pulvern oder Teilchen, wie vorher erwähnt, gebildet sein. Alternativ wird jede derjenigen Oberflächen der optischen Führung 8, die in Berührung mit den Leuchtstof f teilchens chich ten 2a bzw. 2b gehalten sind, geschliffen, um eine rauhe Oberfläche zu bilden, die als die Lichtstreuschicht verwendet werden kann.

dann^

In diesem Ausführungsbeispiel wird/ jede der Oberflächen 4a und 4b der optischen Führung 8 mit Aluminiumoxidpulvern einer Durchschnittsteilchengröße von 3 /Um geschliffen, um eine rauhe Oberfläche vorzusehen. In einem Strahlungsdetektor mit dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau wird ein Teil der

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sowohl auf Licht als auch auf Röntgenstrahlen anspricht, kann ein Teil der gestreuten und/oder Fluoreszenz-Röntgenstrahlen (im folgenden als Sekundärstrahlung bezeichnet), die vom Szintillator ausgestrahlt werden, vom Photodetektor 3 erfaßt werden, wodurch eine Störpegelkomponente gebildet wird. Im einzelnen kann die Siliziumphotodiode nicht immer die Sekundärstrahlung erfassen. Die Sekundärstrahlung wird also zu einer Zeit erfaßt, jedoch zu einer anderen Zeit nicht erfaßt. Demgemäß fluktuiert der Ausgang der Photodiode, wodurch Stör- oder Rauscherscheinugen erzeugt werden, um einen Strahlungsdetektor mit einem hohen Signal-Störpegel-Verhältnis zu erhalten, muß die Sekundärstrahlung in Betracht gezogen werden, die eine Störpegelquelle ergeben kann. Um die durch die Sekundärstrahlung erzeugten Störerscheinungen zu beseitigen, wird in der optischen Bahn zwischen dem Szintillator und dem Photodetektor eine Schicht mit einer niedrigen Strahlungsdurchlässigkeit (im folgenden als Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht bezeichnet) vorgesehen, um einen Einfall der Sekundärstrahlung auf den Photodetektor zu verhindern. Vorzugsweise soll die Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht eine hohe Durchlässigkeit für Licht vom Szintillator aufweisen, so daß die Menge des vom Szintillator erzeugten und den Photodetektor erreichenden Lichts nicht verringert wird.

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Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines Strahlungsdetektors, bei denen verhindert ist, daß Sekundärstrahlung, wie ζ. Β gestreute Röntgenstrahlen und Fluoreszenz-Röntgenstrnhlen, auf einen Photodetektor 3 einfällt.. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist aufgebaut, indem dem den in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht hinzugefügt ist. Die Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht 9 kann entweder aus einem Material, wie z. B. Bleiglas, das kein strahlungsangeregtes Lichtabstrahlungsvermögen hat, oder aus einem Material, wie z. B. Wismutgermanat (Bi₄Ge₃O₁₂) bestehen, das ein strahlungsangeregtes Lichtemiss ions vermögen hat. Die Schicht 9 soll eine zur

ausreichenden Absorption der Sekundärstrahlung geeignete Dicke haben. Die von der Wellenlänge der vorhandenen Sekundärstrahlung und dem verwendeten Material der Schicht 9 abhängende Dicke der Schicht liegtjgewöhnlich im Bereich von 0,5 bis 2 mm. In dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht 9 aus einer Bleiglasschicht mit einer Dicke von z.B. 1 mm gebildet. Die Bleiglasschicht wird auf der Lichtaufnahmeoberfläche des Photodetektors 3 über Silikonefett 10 vorgesehen. Da die Abschirmschicht 9 Strahlung absorbiert, ist es zweckmäßig, die Abschirmschicht 9, wie in Fig. 4 gezeigt, an einer von der direkten Bahn der zur Leuchtstoffteilchenschicht 2 des Szintillators einfallenden Strahlung entfernten Stelle anzuordnen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel

geht die Lichtemission von in der Leuchtstoffteilchenschicht 2 gestreuten Röntgenstrahlen und Fluoreszenz-Röntgenstrahlen durch die Lichtstreuschicht 4 und den Raum 7 und fällt dann auf die Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht 9 ein. Das auf die Schicht 9 einfallende Licht geht durch die Abschirmschicht 9 und trifft dann auf den Photodetektor 3 auf, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, während die gestreuten Röntgenstrahlen und Fluoreszenz-Röntgenstrahlen von der Abschirmschicht 9 absorbiert und so daran gehindert werden, den Photodetektor 3 zu erreichen. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein 15 % höheres Signal-Störpegel-Verhältnis als das in Fig. 2 dargestellte, mit keiner Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht versehene Ausführungsbeispiel auf.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel eines Strahlungsdetektors, bei dem eine Sekundärstrahlungs-Abschirmschicht 9 auch als Lichtstreuschicht dient. Die Sekundarstrahlungs-Abschirmschicht 9 ist aus einer einkristallinen BGO (d. h. Bi.Ge-jO-₂) "Schicht mit einer Dicke von z. B. 0,5 mm gebildet. Wenigstens eine Oberfläche 9a der BGO-Schicht 9, die einer Leuchtstoffteilchenschicht zugewandt ist, ist mit Aluminiumoxidpulvern einer Durchschnittsteilchengröße von 3 ,um geschliffen, um eine rauhe Oberfläche zu schaffen, die als Lichtstreuschicht dient. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch die andere, dem Photodetektor 3 zugewandte Oberfläche 9b der BGO-Schicht 9 aus dem

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folgenden Grund aufgerauht. Licht in der BGO-Schicht kann wegen des hohen Brechungsindex¹ von BGO kaum nach außerhalb entweichen. Die rauhe Oberfläche 9b ist vorgesehen, um den Austritt von Licht nach außen zu erleichtern, wodurch die Menge des auf den Photodetektor 3 einfallenden Lichts so groß wie möglich gemacht wird. In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel geht Licht von der Leuchtstoffteilchenschicht 2 durch einen Raum 7 und wird dann durch die rauhe Oberfläche 9a der BGO-Schicht 9 gestreut. Das gestreute Licht fällt auf den Photodetektor durch die BGO-Schicht 9 und eine Silikonefettschicht ein. Andererseits werden von der Leuchtstoffteilchenschicht 2 gestreute Röntgenstrahlen und Fluoreszen-Röntgenstrahlen durch die BGO-Schicht 9 absorbiert, um in Licht umgewandelt zu werden. Das so erhaltene Licht fällt ebenfalls auf den Photodetektor 3 durch die Silikonefettschicht 10 ein. Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat im wesentlichen das gleiche Signal-Störpegel-Verhältnis wie das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel. In diesem fünften Ausführungsbeispiel wurde die einkristalline Leuchtstoffmaterialschicht 9 mit einer rauhen Oberfläche verwendet, um Licht vom Szintillator zu streuen und zu verhindern, daß Sekundärstrahlung vom Szintillator auf den Photodetektor 3 auftrifft. Für den gleichen Zweck kann eine Bleiglasschicht mit einer rauhen Oberfläche, eine eine Spur von Pr enthaltende Bleiglasschicht oder eine Leuchtstoffteilchenschicht verwendet werden. Die Lichtstreu- und Sekundärstrahlungs-Abschirm-Leuchtstoffmaterialschicht 9 ist nicht darauf beschränkt, ein Leuchtstoffmaterial zu enthalten, dessen strahlungsangeregtes Lichtemissionsvermögen geringer als das des den Szintillator bildenden

Leuchtstoffmaterials ist, jedoch ist es zweckmäßig, eine solche Schicht an einer von der direkten Bahn 1 der auf die Leuchtstoffteilchenschicht 2 des Szintillators einfallenden Strahlung entfernten Stelle anzuordnen.

Fig. 6 und 7 sind Schnittansichten zur Darstellung noch weiterer Ausführungsbeispiele eines Strahlungsdetektors gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsbeispiele sind verbesserte Varianten der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele und enthalten eine Leuchtstoffteilchenschicht mit der Form eines Sparrens oder Daches, die durch Verbindung zweier geneigter Leuchtstoffteilchenschichten gebildet wird. Jedes der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiele hat gegenüberstehende Siliziumphotodioden 3a und 3b. Die Strahlungsaufnahmeoberfläche jeder der Leuchtstoffteilchenschichten 2a und 2b ist um etwa 60° bezüglich der Richtung 1 der einfallenden Strahlung geneigt. In den Fig. 6 und 7/erkennt man Lichtstreuschichten 4a und 4b, Räume 7a und 7b, Bleiglasschichten 9a und 9b,

rauhe Oberflächen 9aa und 9ab der Schicht 9a, rauhe Oberflächen 9ba und 9bb der Schicht 9b und Silikonefett 10a und 10b. Bei den in Fig. 4

und 5 gezeigten Strahlungsdetektoren ist das Verhältnis der Menge des auf die Siliziumphotodiode 3 einfallenden Lichts zur Menge des vom Szintillator abgegebenen Lichts verringert, wenn die Weite .(d. h. die Länge in der zur Zeichnung senkrechten Richtung) der öffnung des Strahlungsdetektors kleiner ist.

3U175.5

Beim Strahlungsdetektor mit der dachförmigen Leuchtstoff teilchenschicht, wie sie in Fig.6 oder 7 gezeigt ist, ist ein solcher Ausgangsrückgang im Vergleich mit den in Fig. 4 und 5 gezeigten Strahlungsdetektoren gering. Beispielsweise ist im Fall, wo die in Fig. 4 und 6 gezeigten Strahlungsdetektoren die gleiche Öffnungsweite von 1,5 mm und die gleiche Fläche der Strahlungsaufnahmeoberfläche haben, der Ausgang des in Fig. 6 gezeigten Detektors etwa 30 4 höher als der des in Fig. 4 gezeigten Detektors. Diese Wirkung ist groß, wenn die Weite der öffnung kleiner/ist. Dementsprechend sind die in Fig. 6 und 7 gezeigten Anordnungen vorteilhaft, wenn eine Vielelement-Erfassungseinrichtung gebildet wird. Es wird angenommen, daß der vorstehend erwähnte Effekt auf den folgenden Tatsachen basiert. Die in Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiele sind im Vergleich mit den in Fig. 4 und 5 gezeigten Detektoren von geringer Fläche der Innenoberfläche des Gehäuses 6. Dementsprechend wird, wenn von den Leuchtstoffteilchenschichten 2a und 2b abgegebenes Licht bis zu den Siliziumphotodioden 3a und 3b wandert, das Licht von der Innenwand des Gehäuses 6 im Vergleich mit jedem der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele weniger häufig reflektiert. Daher ist der Lichtverlust im Detektor gering.

In den in Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen liegt der Winkel zwischen der Strahlungsaufnahmeoberfläche jeder Leuchtstoffteilchenschicht 2a, 2b und der Richtung 1 der einfallenden Strahlung

3U1755

vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80 , noch bevorzugter im Bereich von 30 bis 60 .

Wie oben erwähnt, kann ein Strahlungsdetektor gemäß der Erfindung die Verteilung einer Strahlung, die durch einen zu untersuchenden Körper durchgegangen ist, mit einem hohen Signal-Störpegel-Verhältnis messen.

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Claims

Ansprüche

Strahlungsdetektor mit einem strahlungsangeregtes Licht abstrahlenden Szintillator und einem Photodetektor zum Empfang der Lichtabstrahlung vom Szintillator,

dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillator eine Leuchtstoffteilchenschicht (2; 2a, 2b) enthält und

daß eine Lichtstreuschicht (4; 4a, 4b) in einer optischen Bahn vorgesehen ist, die die Lichtabstrahlung von der Leuchtstoffteilchenschicht (2; 2a, 2b) zum Photodetektor (3; 3a, 3b) leitet.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffteilchenschicht (2; 2a, 2b) aus mit einem im wesentlichen transparenten Material gemischten Leuchtstoffteilchen gebildet ist.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffteilchenschicht (2a, 2b) einen 2wei- oder Mehrschichtaufbau hat.

81-(A 6012-02)-TF
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffteilchenschicht (2; 2b; 2a, 2b) so angeordnet ist, daß die Strahlungsempfangsfläche der Leuchtstoffteilchenschicht (2; 2b; 2a, 2b) zur Richtung (1) der einfallenden Strahlung geneigt ist.
5. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstreuschicht (4; 4a, 4b) aus Pulvern wenigstens eines der Stoffe Al₂O-,, SiO₂ und B-O-, gebildet ist.
6. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß auf der optischen Bahn angrenzend an die Leuchtstoffteilchenschicht (2a, 2b) eine optische Führung (8) mit einer rauhen Oberfläche vorgesehen ist, die als die Lichtstreuschicht C4a, 4b) dient.
7. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstreuschicht eine optische Führung mit einer Anzahl von Luftblasen darin ist.
8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstreuschicht (4) aus Leuchtstoffteilchen gebildet ist, deren strahlungsangeregtes Lichtabstrahlungs· vermögen kleiner als das der Leuchtstoffteilchen der Leuchtstoffteilchenschicht (2) ist.

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9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Leuchtstoffteilchen der Lichtstreuschicht (4) Pulver wenigstens eines der Stoffe CdWO₄, BaSO₄:Eu und CdWO„:Pb sind.
10. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtstreuschicht (4; 4a, 4b) in enger Berührung mit der Strahlungsempfängsfläche der Leuchtstoffteilchenschicht (2; 2a, 2b) ist.
11. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Strahlungsabschirmschicht (9) mit hoher Lichtdurchlässigkeit und niedriger Strahlungsdurchlässigkeit in einem Teil der optischen Bahn (7) zwischen der Lichtstreuschicht (4) und dem Photodetektor (3) vorgesehen ist.
12. Strahlungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsabschirmschicht (9) eine Bleiglasschicht mit einer rauhen Oberfläche enthält und daß die Bleiglasschicht als die Lichtstreuschicht dient.
13. Strahlungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsabschirmschicht (9) eine einkristalline Leuchtstoffschicht mit einer rauhen Oberfläche (9a) enthält und daß die einkristalline Schicht als Lichtstreuschicht dient.
14. Strahlungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsabschirmschicht (9) eine Leuchtstofftelichenschicht enthält, die gleichzeitig als die Lichtstreuschicht dient.