CN104412330A - 闪烁器板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种闪烁器板，该闪烁器板包括基板、缓冲层、布置在缓冲层上的闪烁器层，还包括保护层。缓冲层和/或保护层被着色。本发明还涉及一种闪烁器板的制造方法。

Description

闪烁器板
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求7的用于检测X射线的闪烁器板以及根据权利要求1的用于制造闪烁器板的方法。本发明尤其涉及一种具有基板、闪烁器层以及保护层的闪烁器板。
背景技术
从现有技术中已知此类闪烁器板。所述闪烁器板用于将X辐射或伽马辐射转化为可见光，且使用在医疗技术和无干扰材料检验中。通常，此类闪烁器板包括其上设有闪烁器层的基板。闪烁器层的材料适合于吸收X辐射和伽马辐射的高能光子且将所述高能光子的能量又以多个低能光子、优选地在可见光区域内(在下文中称为可见光光子)的形式释放。以此，通常可使用通常的光学传感器处理X辐射或伽马辐射的信息。尤其，在此可使用光检测器的矩阵例如由晶体硅制成的CCD传感器或由无定形硅制成的光电二极管阵列来二维地记录图像。
为实现图像的高分辨率，要求由矩阵的唯一的光检测器接收尽可能多的通过单独的高能光子产生的可见光光子，以获得关于空间关系的信息。
所使用的闪烁器材料之一是碘化铯(在下文中称为CsI)。由CsI制成的闪烁器层通常通过在真空中将CsI蒸镀在基板上来产生。CsI在合适的制造条件下倾向于形成相互分离的柱状的从基板在高度方向上生长的微结构或针状物。微结构在侧向方向上具有在10μm的量级上的典型的结构尺寸。由于全反射的已知影响，这些微结构适合于将在其内部产生的光子的大部分沿微结构传导，这可与光导体相似。仅以过大的角度到达表面的可见光光子离开各微结构且在周围别处散射。
如果闪烁器层的层厚度选择为更大，则微结构倾向于生长在一起且实现相互接触。此效果尤其从300μm的层厚度开始出现。在此类接触位置处，典型地不再存在对于全反射的条件，使得附加的可见光光子从微结构散射出。此层厚度尤其在使用带有更高能量的X辐射或伽马辐射时是需要的，因为随着能量的升高在CsI内的吸收降低且必须将闪烁器层构造为更厚以吸收大部分的X光光子或伽马光子。因此，通常的层厚度可处在500μm至2000μm之间。因此在此层厚度下，通过从微结构侧向离开的可见光光子明显降低了空间分辨能力。
为应对此效应，如从公开文献DE 10242006 A1中已知，尝试将闪烁器层有目的的结构化。如已提及，但从300μm的厚度开始闪烁器层又倾向于生长在一起，使得在层厚度更大时不可实现希望的效果。
从公开文献DE 4433132 A1和DE 10116803 A1中已知如下尝试，即将微结构的表面着色以吸收侧向从微结构离开的可见光光子。但着色不仅限制于表面而且在微结构内部内延伸。因此，也关联地引起可见光光子在微结构内部内的增大的吸收，这导致期望信号的减少。
出版物“Structured CsI(Tl)，Scintillators for X-Ray Imaging Applications”V.V.Nagarkar,IEEE Transactions on Nuclear Science,Vol.45No.3,June 1998也教示了以吸收光的保护层覆盖微结构。
此外从专利文献EP 1793457B1中已知将微结构从基部至尖端完全地以吸收可见光光子的包覆材料包裹。此类包裹物的折射率接近碘化铯的折射率且因此将在更平的入射角上的全反射限制到碘化铯和包覆材料之间的边界层，以此可见光光子不再进入到包覆材料内且在其处被吸收。
由聚对二甲苯制成的保护层从专利文献US 4123308和公开文献DE19509438 A1中已知。
发明内容
因此，本发明所基于的问题是在已知的闪烁器板中对比度或分辨率随着闪烁器层的厚度增加而降低的问题。
基于所提出的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种闪烁器板，该闪烁器板在相似的闪烁器层厚度的情况下具有提高的对比度、更大转换系数和/或更高的分辨率。
本发明的另外的技术问题是创造一种用于制造此闪烁器板的方法。
根据本发明，此技术问题通过根据权利要求1的用于制造闪烁器板的方法和根据权利要求6的闪烁器板解决。
根据本发明的用于制造闪烁器板的方法首先具有提供基板的步骤。在基板上施加缓冲层。作为进一步的步骤，在基板上施加闪烁器层。在附加的步骤中，在闪烁器层上施加保护层。在另外的步骤中，缓冲层和/或保护层通过退火着色。
根据本发明的解决方法具有明显的优点。通过以退火将缓冲层和/或保护层着色，不存在染料到达闪烁器层内且在其处通过吸收传播的可见光光子而降低闪烁器层的效率的风险。相比之下，保护层通过着色具有对于散射的可见光光子的增大的吸收，尤其当可见光光子并非以最短距离穿过保护层而是以与所生成的伽马光子或X光光子的传播方向成角度传播且在保护层内经过更长的距离时。因此，通过吸收此非定向的可见光光子，改进了根据本发明的闪烁器板的对比度和分辨率。以相同的方式，被着色的缓冲层减少了与基板的方向上成角度离开闪烁器层且从基板在检测器的方向上反射回的可见光光子的数量。因为此可见光光子也漫射地围绕原来的生成位置分布，所以通过其在缓冲层内的吸收也改进了闪烁器板的分辨率和对比度。
根据权利要求6的闪烁器板包括基板、基板表面上的缓冲层、布置在缓冲层上的闪烁器层以及保护层。缓冲层和/或保护层具有一定含量的羰基官能团，使得缓冲层和/或保护层具有发黄的变色处。
根据本发明的闪烁器板具有多个优点。尤其当可见光光子并非以最短距离穿过保护层而是以与所生成的伽马光子或X光光子的传播方向成角度传播且在保护层内经过更长的距离时，通过保护层的发黄的变色处，所述保护层具有对于散射的可见光光子的增大的吸收。因此，通过吸收此非定向的可见光光子，改进了根据本发明的闪烁器板的对比度和分辨率。以相同的方式，变色的缓冲层降低了与基板的方向上成角度离开闪烁器层且从基板在检测器的方向上反射回的可见光光子的数量。因为此可见光光子也散射地围绕原来的生成位置分布，所以通过其吸收也改进了闪烁器板的分辨率和对比度。缓冲层和/或保护层的通过羰基官能团的发黄的变色处可例如通过在含氧氛围内的退火产生。此变色处可在羰基成分含量例如超过5000ppm时发生，其中变色处和增大的氧成分含量可限定在此层的区域上。变色是特别地有益的，因为提供了在可见光波长范围内的光吸收，而不通过颜料或染料改变保护层。羰基官能团在此在缓冲层或保护层自身内形成且不到达闪烁器层内，而在该闪烁器层处羰基官能团会降低闪烁器层的转换效率。
本发明的有利扩展在各从属权利要求中给出。
因此可使得保护层由聚对亚苯基二亚甲基材料类中的聚对二甲苯制成、尤其是由C型聚对二甲苯、N型聚对二甲苯和D型聚对二甲苯形成。
C型聚对二甲苯例如可由气相沉积且不需要水或溶剂以用于施加。C型聚对二甲苯形成不透水的保护膜，所述保护膜保护闪烁器层不受潮。这尤其对于吸湿性的碘化铯是重要的。此外，C型聚对二甲苯通过从气相沉积也能够沉积在间隙内。
在方法的一个实施形式中，退火在190℃至240℃的温度范围内在含氧氛围内执行。在所述的有利的温度范围内闪烁器层是稳定的，而合适的保护层在此温度范围内且在提供氧的情况下变色。
在根据本发明的闪烁器层的优选实施形式中，此微结构形成为使得在微结构之间的间隙基本上垂直于闪烁器板的表面向基板延伸。
闪烁器层具有多个优点。具有基本上垂直于闪烁器板的表面向基板延伸的间隙的微结构使通过X射线和伽马射线的转化而产生的可见光光子借助在微结构的边界面上的全反射优选地在向着闪烁器板的表面的方向上传导到闪烁器层内。通过微结构在平行于闪烁器板的表面的方向上的小尺寸，在微结构内产生的可见光光子以有利的方式被传导到对应于微结构的小尺寸的面上。通过在微结构之间的间隙内延伸的保护层具有对于可见光光子的明显的吸收，此保护层以较高的可能性吸收了从微结构散射出的可见光光子，且因此改进了根据本发明的闪烁器板的对比度和分辨率。因为保护层仅部分地在微结构之间的间隙内延伸且与缓冲层相邻的区域留空，所以微结构在此区域内的边界面不与保护层接触。因为闪烁器层的材料的折射率与环境的差大于其与保护层材料的差，所以对于保护层不在其内延伸的区域内的全反射的临界角更大。因此，以有利的方式，在此区域内在微结构内由X光光子或伽马光子所产生的可见光光子的更大的份额在边界面上被反射回到微结构内且在微结构内被从基板传导开。
在方法的一个实施形式中建议使得闪烁器层包括碘化铯且使得闪烁器层沉积在缓冲层上。碘化铯具有对于X光光子到可见光光子的转换的良好的转换效率。此外，碘化铯在沉积于基板上时倾向于自动地以针状微结构垂直于基板的表面布置，所述微结构以有利的方式用作光导体且将多个在其内部内产生的可见光光子传导向表面。
也在根据本发明的闪烁器板的优选的实施形式中可建议使得闪烁器板具有带有间隙的微结构，其中间隙基本上垂直于闪烁器板的表面向基板延伸。微结构以有利的方式将通过X射线和伽马射线的转换所产生的可见光光子通过在微结构的边界面上的全反射优选地在向着闪烁器板的表面的方向上传导到闪烁器板的表面。通过微结构在平行于闪烁器板的表面的方向上的小尺寸，在微结构内产生的可见光光子以有利的方式被传导到对应于微结构的小尺寸的面上。
在根据本发明的闪烁器板的实施形式中建议使得闪烁器层包括碘化铯。碘化铯具有对于X光光子到可见光光子的转换的良好的转换效率。此外，碘化铯由于自组织而倾向于以针状微结构布置，所述微结构垂直于基板的表面定向。
此外可行的是，缓冲层和/或保护层具有C型聚对二甲苯、N型聚对二甲苯或D型聚对二甲苯。由C型聚对二甲苯制成的缓冲层或保护层是不透水的且构造为保护闪烁器层的微结构不受潮。这尤其对于吸湿性的碘化铯是重要的。此外，C型聚对二甲苯也适合在从气相沉积时也在基板内的间隙内延伸或如在微结构之间延伸。
在优选的实施形式中建议使得由聚对二甲苯制成的缓冲层和/或保护层具有一定含量的羰基官能团，例如具有超过5000ppm的羰基官能团，所述羰基官能团导致发黄的变色，其中变色和氧含量的提高可限定在此层的区域上。变色是特别有利的，因为提供了在可见光波长范围内的光吸收，而不通过颜料或染料改变缓冲层和/或保护层。
附图说明
在下文中根据附图详细解释根据本发明的闪烁器板的示意性地图示的实施例，但不限制于此。
各图为：
图1是通过现有技术的带有低闪烁器层厚度的闪烁器板的横截面，
图2是通过现有技术的带有较大的闪烁器层厚度的闪烁器板的横截面，
图3是带有图2的示意性细节图的部分，
图4是通过根据本发明的闪烁器板的示意性横截面，和
图5是由聚对二甲苯制成的层在退火前后的透射谱。
具体实施方式
以上所述的本发明的特征、特点和优点及其实现方式结合下文中的结合附图解释的实施例描述被清楚地理解。
图1示出了通过现有技术的闪烁器板1的横截面。闪烁器板1具有基板10，在所述基板10上设有闪烁器层20。若闪烁器层20的材料是碘化铯，则此材料在基板10上生长时形成柱或针形状的从基板10伸出的微结构。闪烁器层20相对较薄，通常薄于例如300μm，从而单独的柱或针相互分开。在闪烁器层20上设有保护层30，所述保护层30应保护闪烁器层20不受环境影响。此环境影响可能是污染物、液体、气体或湿气。
图2则示出了带有由碘化铯制成的闪烁器层20的闪烁器板1，所述闪烁器层如一般具有1000μm的厚度。柱或针形状的单独的微结构在此厚度下倾向于相互在接触位置21处接触。
图3是图2的局部细节图，在闪烁器层20内入射的X辐射如何转换为可见光且此光如何传播。X光光子60以一定的可能性与闪烁器层20的电子相互作用(吸收、康普顿效应)。通过由此导致的闪烁器层20的原子的电子层的改变，带有可见光范围内的能量的光子62、63从原子发射出。可见光光子的一部分62以陡的角度落到闪烁器层20的外边界面上，从而此光子62离开微结构。可见光光子的另一部分61以小于在微结构的外边界面上的全反射的角度的角度到达且被完全反射回到微结构内。因此，微结构，如光导体一样将此可见光光子61沿微结构导引。但如果外边界面与另外的微结构接触，则可见光光子63也可转入到相邻的微结构内。离开微结构的光子62和转入到另外的微结构内的光子63以与微结构的距离64离开X光光子在其内转换的闪烁器层。因此，此光子62、63使得通过闪烁器板1产生的图像的空间分辨率和对比度恶化。
图4示出了通过根据本发明的闪烁器板1的横截面。闪烁器板也包括基板10，在所述基板10上施加了缓冲层11。在缓冲层11上设有闪烁器层20。闪烁器层20被结构化为微结构，在该微结构之间，间隙22从朝向光检测器100的上侧向基板10延伸。间隙22基本上垂直于基板10的表面延伸。
保护层30施加在面朝光检测器100的上侧上且在闪烁器层20的微结构之间的间隙22内延伸。在此可行的是，保护层30在间隙22内延伸，在薄层的情况下延伸直至缓冲层11。也可构思使得保护层30仅在间隙22内延伸从面朝光检测器100的上侧直至缓冲层11的行程的部分。因此，可构思使得保护层30从上侧延伸直至间隙22内500μm。
保护层30被着色，使其明显地吸收可见光。着色涉及施加在面朝光检测器100的上侧上的保护层30的区域以及在闪烁器层的微结构之间的间隙22内延伸的保护层30的区域。在此应理解的是离开闪烁器层20的微结构的可见光光子62、63的明显份额直至其主要份额在闪烁器层20的尺寸内被保护层30吸收。这可例如是着色处，其中光的至少10％在1000μm的传播距离情况下被吸收。
也可构思的是也使得或仅使得缓冲层11被着色。着色的缓冲层11减少了在基板10的方向上传播且在其上被反射的可见光光子的数量。通过角度分布和此可见光光子直至闪烁器板1的背离基板的侧上的检测器所必须经过的大的距离，所述可见光光子分布在较宽的范围内。但如果此可见光光子在着色的缓冲层11内被吸收，则根据本发明的闪烁器板1的分辨率和对比度相应地升高。
着色处可例如通过在缓冲层11和/或保护层30内形成羰基官能团来实现，如果此羰基官能团例如由聚对二甲苯形成。羰基官能团尤其通过发黄的变色可观察到，所述变色也可转变为直至发棕的颜色。用于产生羰基官能团的可能的方式在如下阐述的方法中给出。例如，变色可通过保护层内的超过5000ppm的羰基官能团来提供。也可通过在1700cm-1的波数情况下的吸收证明羰基官能团存在于聚对二甲苯的红外光谱内。图5示出了在退火前的聚对二甲苯层的相应的透射谱110和在退火后的透射谱120。在y轴上以百分比绘出了透射比，在x轴上绘出了具有波数的形式的红外光的波长。在透射谱120中，显见在约1700cm-1的波数下的吸收峰值121，所述吸收峰值由于羰基官能团导致，且在退火前的透射谱110中不可见。为确定羰基官能团的相对浓度，可绘出峰值的幅值与未通过退火而改变的聚对二甲苯的吸收线的幅值的比。为此，在820cm-1的波数下出现吸收峰值112、122，所述吸收峰值对应于聚对二甲苯的芳香环中的C-H键的面外变形振动。
尤其，当在820cm-1的波数下的吸收峰值处的相对吸收与在1700cm-1的波数下的相对吸收的比小于10时，存在相应的变色。
在带有保护层30的闪烁器层20的背离基板10的上侧上设有光检测器100。光检测器100可例如是用于拍摄2维X光图像的2维CCD矩阵。CCD矩阵可具有由晶体半导体制成的有源元件。但也可构思使得一维检测器行在闪烁器板1上运动来作为光检测器100。也可构思使用由无定形硅制成的光电二极管作为光检测器100。当单独的检测器元件101的尺寸对应于在上侧上的闪烁器层20内的微结构的横截面时，达到了最大分辨率。更小的检测器元件不导致更高的分辨率，因为在可见光光子在微结构内的全反射时，有关X光光子的位置信息在微结构内丢失。
基本上也可构思使得基板自身足够薄且是透光的或是限位光学板，使得光检测器布置在基板10的背离闪烁器层20的侧上。在度过生成闪烁器层20的步骤而无检测特征明显的恶化的合适的光检测器中，也可构思使得闪烁器层20直接施加在光检测器上或在层11上施加在光检测器上。
在下文中描述用于制造闪烁器板1的根据本发明的方法。
首先，要求提供合适的基板10。作为基板，基本上所有具有足够清洁且均匀的表面以用于闪烁器层20的生长的材料是合适的。同时要求基板对于X光辐射60是透明的。例如使用玻璃、铝或无定形碳作为用于基板的材料。
在此可构思使得缓冲层11在施加在基板10的所谓的基础材料上。缓冲层11可由与保护层30相同的材料制成，所述材料在下文中对于保护层30详细解释且由于其特别好的特性而适合于保护随后闪烁器层20不受环境影响且适合于形成合适用于其沉积的基础。
此外可使得缓冲层11以对于保护层30所解释的方法着色。
如已解释，但也可构思使得光检测器100用作基板10。
在另外的步骤中在基板10上施加闪烁器层20。在优选的实施形式中，碘化铯用作闪烁器材料。碘化铯可在真空下蒸镀且沉积在基板上。在沉积时，碘化铯从基板10的表面以柱形或针形微结构垂直生长。如已对于闪烁器板10所解释，此微结构对于成像特性特别地有利。此外，碘化铯尤其当以铊掺杂时的特征在于X光辐射特别有效地转换成可见光。
在本发明的范围内，另外的材料也适合于将X光辐射转换为可见光。当这些材料自身不倾向于微结构化时，此外可构思以技术手段提供此类结构化，例如通过半导体技术中的光蚀刻方法。例如，可构思使用Gd2O2S。
在另外的步骤中，在闪烁器层20上施加保护层30。尤其，碘化铯是吸湿性的且需要防止与湿气接触的保护。
在优选的构造中，作为保护层30施加C型聚对二甲苯，所述C型聚对二甲苯与另外的聚对二甲苯一样属于聚对二甲苯族。C型聚对二甲苯从气相的沉积无溶剂地实现。原料分子直接在闪烁器层20的表面上聚合成保护层30。在此，单独的气态的原料分子也能够侵入到闪烁器层20的间隙22内且在其处形成保护层30，所述保护层30在间隙22内延伸。
但也可构思另外的材料用于保护层30，只要所述材料与闪烁器层20的各材料相容且能够形成在微结构之间的间隙22内延伸的保护层。所述另外的材料可例如是聚对二甲苯族中的另外的材料，例如D型聚对二甲苯或N型聚对二甲苯或环氧树脂。
在根据本发明的方法的优选的实施形式中，在另外的步骤中通过退火将保护层30着色。通过将保护层30在含氧的氛围中加热到在190℃至240℃之间的范围，由C型聚对二甲苯制成的保护层根据热处理的温度和持续时间发黄直至黄褐色变色。在190℃以下，变色缓慢使得不可实现有意义的制造。超过240℃则由C型聚对二甲苯制成的保护层不再具有结构稳定性且因此不再具有保护作用。通过在所述的条件下的退火实现了聚对二甲苯的氧化，使得氧作为羰基官能团引入到聚对二甲苯层内且导致希望的发黄或发棕的变色。在一个实施形式中，羰基官能团在保护层30内或保护层30的部分区域内的成分含量超过5000ppm。
通过因此实现的变色，可见光光子在间隙22内被吸收且因此如已所述提高了对比度和分辨率。也在如所述的由C型聚对二甲苯制成的另外的保护层30中可构思通过退火的着色，其中持续时间、温度和氛围成分的过程参数取决于保护层30的各材料。用于保护层30的可能的材料例如也可以是环氧树脂。
但也可构思使得保护层30在施加时已被着色。这例如在气体沉积时通过在生成保护层30时添加另外的成分来实现。仅需使得所述另外的成分不将闪烁器层20自身着色。
此外可构思将保护层30在施加之后以合适的着色方法着色。例如，可将保护层30置于另外的气态成分，只要此成分不损坏闪烁器层20。
虽然本发明在细节上通过优选实施例详细图示和描述，但本发明不被公开的实施例所限制，且另外的变体可由专业人员导出，只要不偏离本发明的保护范围即可。

Claims (11)

1.一种用于制造闪烁器板(1)的方法，其中，该方法包括如下步骤：
-提供基板(10)，
-在所述基板(10)上施加缓冲层(11)，
-在所述缓冲层(11)上施加闪烁器层(20)，
-在所述闪烁器层(20)上施加保护层(30)，
其特征在于，
所述缓冲层(11)和/或所述保护层(30)在所述施加之后通过退火被着色。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述层(11；30)由C型聚对二甲苯、N型聚对二甲苯和D型聚对二甲苯形成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述退火在190℃至240℃的温度范围内在含氧氛围下进行。
4.根据权利要求1至3中一项所述的方法，其中所述闪烁器层(20)形成微结构，使得微结构之间的间隙(22)基本上垂直于所述闪烁器板(1)的表面向所述基板(10)延伸，其中所述保护层(30)在施加时侵入到所述间隙(22)内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述闪烁器层(20)包括碘化铯。
6.一种闪烁器板，包括：
-基板(10)，
-布置在所述基板(10)上的缓冲层(11)，
-布置在缓冲层(11)上的闪烁器层(20)，和
-保护层(30)，
其中所述缓冲层(11)和/或所述保护层(30)具有一定含量的羰基官能团，使得所述缓冲层(11)和/或所述保护层(30)具有发黄的变色处。
7.根据权利要求6所述的闪烁器板，其中闪烁器层(20)具有微结构，使得在所述微结构之间的间隙(22)基本上垂直于闪烁器板(1)的表面向所述基板(10)延伸，且所述保护层(30)延伸到所述间隙(22)内。
8.根据权利要求6或7所述的闪烁器板，其中闪烁器层(30)包括碘化铯。
9.根据权利要求6至8中一项所述的闪烁器板，其中所述缓冲层(11)和/或所述保护层(30)由聚对亚苯基二亚甲基材料类中的聚对二甲苯形成。
10.根据权利要求9所述的闪烁器板，其中所述缓冲层(11)和/或保护层(30)由C型聚对二甲苯、D型聚对二甲苯或N型聚对二甲苯形成。
11.根据权利要求6至10中一项所述的闪烁器板，其中所述缓冲层(11)和/或保护层(30)具有超过5000ppm的羰基官能团的成分含量。
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