DE102004061867B4

DE102004061867B4 - Röntgendetektor mit optisch transparent aushärtendem Klebstoff

Info

Publication number: DE102004061867B4
Application number: DE102004061867A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Leppert; Andreas Freund; Michael Miess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: US7368718B2; DE102004061867A1; US20060131503A1

Abstract

Röntgendetektor, bei welchem ein Szintillatorelement (2) mittels eines optisch transparent aushärtenden Klebstoffs (3) mit einer Detektionsfläche (4) einer Fotodiode (1) verbunden ist, wobei dem Klebstoff als Füllstoff ein aus einem Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,8 hergestelltes Pulver (5) zugesetzt ist, dessen mittlere Korngröße kleiner als 100 nm ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor mit einem optisch transparent aushärtenden Klebstoff sowie die Verwendung des Klebstoffs bei einem Röntgendetektor.
Nach dem Stand der Technik sind optisch transparente Klebstoffe bekannt, z. B. Epoxidharze. Derartige Klebstoffe werden beispielsweise bei direkt konvertierenden Röntgendetektoren zum Aufkleben von Szintillatorelementen auf Fotodioden verwendet. Eine Intensität von im Szintillatorelement erzeugtem Szintillationslicht wird beim Durchdringen des Klebstoffs geschwächt. Das ist der Empfindlichkeit des Röntgendetektors abträglich.
Aus der US 2004/0197067 A1 ist es bekannt, ein Epoxidharz zur Verklebung von optischen Fasern zu verwenden. Das Epoxidharz enthält 5 bis 50 Gew.% an Metalloxiden, wie z. B. TiO₂, welche in der Größenordnung von 1–800 nm vorliegen.
Aus der US 5,910,522 A ist ein aushärtbarer Klebstoff bekannt, welcher 1 bis 50 Vol.% Nanopartikel enthält, welche eine Größe von 1 bis 200 nm aufweisen.
Aus der US 2003/0092790 A1 sind photohärtbare Zusammensetzungen bekannt. Die Zusammensetzungen umfassen Zirkoniumpartikel in der Größenordnung von 31 nm in einer Menge von bis zu 80 Gewichtsteilen. Der Brechungsindex der Zusammensetzungen kann 1,69 oder mehr betragen.
Aus der US 6,194,481 B1 ist eine Zirkoniumpartikel enthaltende, härtbare Klebstoffzusammensetzung bekannt. Die Zirkoniumpartikel weisen eine Größe auf, so dass die Klebstoffzusammensetzung transparent ist. Die Zirkoniumpartikel liegen in einer Menge von 10 bis 30 Gew.% vor.
Aus der JP 2003073563 A sind Klebstoffe bekannt, welche ein Harz mit einem Brechungsindex von 1,45 bis 1,65 und anorganische Mikropartikel, z. B. TiO₂, mit einer durchschnittlichen Größe von 1 bis 200 nm enthalten
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein zur Herstellung von optischen Systemen, insbesondere Röntgendetektoren, geeigneter Klebstoff angegeben werden, welcher eine hohe Lichtauskopplung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Röntgendetektor mit verbesserter Empfindlichkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7 und 9 bis 13.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Röntgendetektor vorgesehen, bei welchem ein Szintillatorelement mittels eines optisch aushärtbaren Klebstoffs mit einer Detektionsfläche einer Fotodiode verbunden ist. Dem optisch transparent aushärtenden Klebstoff ist als Füllstoff ein aus einem Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,8 hergestelltes Pulver zugesetzt ist, dessen mittlere Korngröße kleiner als 100 nm ist. – Der erfindungsgemäße Klebstoff ist besonders gut geeignet, um bei einem optischen System Materialien mit hohen Brechungsindices, z. B. von mehr als 1,8, miteinander zu verkleben. Der Brechungsindex des Klebstoffs kann durch den Anteil des Pulvers im Klebstoff verändert und angepasst werden. Durch eine Anpassung der Brechungsindices können die optischen Übergänge an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Materialien verbessert werden. Damit kann ein Intensitätsverlust von das optische System durchdringendem Licht verringert werden. Die vorgeschlagene Korngröße ist in der Regel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Damit werden eine Streuung des Lichts an Pulverpartikeln und ein damit verbundener Intensitätsverlust weit gehend vermieden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Korngröße kleiner als 50 nm, vorzugsweise kleiner als 30 nm, ist. Mit derartigen Korngrößen kann die durch die Pulverpartikel eventuell verursachte Streuung weiter verringert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brechungsindex größer als 2,1, vorzugsweise größer als 2,7, ist. Materialien mit derartigen Brechungsindices eignen sich besonders gut, um die Brechungsindices des Klebstoffs und eines hochbrechenden Materials, z. B. mit einem über 2 liegenden Brechungsindex, aneinander anzugleichen. Die Konzentration des Pulvers im Klebstoff liegt vorzugsweise zwischen 1 Vol.% und 40 Vol.%.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Material aus einem Metalloxid, vorzugsweise aus TiO₂ oder ZrO₂, hergestellt. Solche Materialien sind transparent und weisen hohe Brechungsindices von etwa 2,7 bzw. 2,1 auf. Es können optisch transparent aushärtende, hochbrechende Klebstoffe hergestellt werden. Der Klebstoff ist vorzugsweise aus folgender Gruppe ausgewählt: Harzklebstoff, Epoxidharzklebstoff, Schmelzklebstoff, W-härtender Klebstoff, Acrylatklebstoff.
Der optisch transparent aushärtende Klebstoff kann verwendet werden bei einem Röntgendetektor, bei welchem ein Szintillatorelement mittels des Klebstoffs mit einer Detektionsfläche einer Fotodiode verbunden ist. Die Schichtdicke des Klebstoffs beträgt vorzugsweise 20 μm bis 100 μm, vorzugsweise 20 μm bis 50 μm.
Mit dem vorgeschlagenen Klebstoff ist es möglich, dessen Brechungsindex an die Brechungsindices der Szintillatorelemente und der Fotodioden anzupassen. Der Intensitätsverlust des im Szintillatorelement erzeugten Szintillationslichts kann deutlich verringert werden. Absorption und Streuung des Szintillationslichts können reduziert werden. Das Szintillationslicht kann besonders effizient und mit möglichst geringem Intensitätsverlust aus dem Szintillatorelement ausgekoppelt werden. Die Empfindlichkeit des Röntgendetektors kann verbessert werden.
Zur Herstellung des Klebstoffs kann beispielsweise ein Epoxidharz mit einem Brechungsindex zwischen 1,4 bis 1,6 verwendet werden. Nach Zugabe des Pulvers, z. B. TiO₂- oder ZrO₂-Pulver, zu dem Epoxidharz wird eine homogene Dispersion aus Epoxidharz und Pulver hergestellt. Der Klebstoff weist nach dem Aushärten eine hervorragende Transparenz auf. Der Brechungsindex des Klebstoffs kann je nach Art und Anteil des verwendeten Pulvers an den Brechungsindex eines hochbrechenden Materials angepasst werden. Beispielsweise kann der Brechungsindex von Epoxidharz von etwa 1,5 kann durch Zugabe von TiO₂- bzw. ZrO₂-Pulver mit Brechungsindices von 2,7 bzw. 2,1 erhöht werden. Den Brechungsindex des Klebstoffs kann z. B. an über 2 liegende Brechungsindices der Szintillatorelemente und Fotodioden eines Röntgendetektors angepasst werden. Um die Streuung von Licht durch das Pulver zu verringern ist es vorteilhaft, eine Korngröße zu wählen, welche kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Vorzugsweise ist die Korngröße des Pulvers kleiner als 100 nm, besonders vorzugsweise kleiner als 50 nm, insbesondere vorzugsweise kleiner als 30 nm.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Röntgendetektor.
Der Röntgendetektor weist eine Vielzahl von schachbrettartig angeordneten Fotodioden 1 und Szintillatorelementen 2 auf. Jedes Szintillatorelement 2 ist mittels eines Klebstoffs 3 mit einer Detektionsfläche 4 der Fotodiode 1 verbunden. Der Klebstoff 3 ist mit einem Pulver 5 versetzt. Mit dem Bezugszeichen 6 ist ein auf das Szintillatorelement 2 einfallender Röntgenstrahl bezeichnet. Die Bezugszeichen 7 und 8 bezeichnen ein im Szintillatorelement 2 erzeugtes Szintillationslicht und ein von der Fotodiode 1 erzeugtes elektrisches Signal. Eine zwischen dem Szintillatorelement 2 und dem Klebstoff 3 liegende erste Grenzfläche ist mit dem Bezugszeichen G1 bezeichnet. Eine zwischen der Fotodiode 1 und dem Klebstoff 3 liegende zweite Grenzfläche ist mit dem Bezugszeichen G2 bezeichnet.
Aus Gründen der Klarheit sind nicht alle Szintillatorelemente 2 gezeigt und nicht alle Detektionsflächen 4 der Fotodioden 1 mit dem Klebstoff 3 überdeckt.
Die Funktion des Röntgendetektors ist folgende:
Der auf das Szintillatorelement 2 auftreffende Röntgenstrahl 6 erzeugt im Szintillatorelement 2 das Szintillationslicht 7. Das Szintillationslicht 7 breitet sich im Szintillatorelement 2 in Richtung der Fotodiode 1 aus. An der ersten Grenzfläche G1 tritt das Szintillationslicht 7 vom Szintillatorelement 2 in den Klebstoff 3 über. Nach Durchdringen des etwa 50 μm bis 70 μm dicken Klebstoffs 3 verlässt das Szintillationslicht 7 an der zweiten Grenzfläche G2 den Klebstoff 3 und trifft auf die Detektionsfläche 4 der Fotodiode 1. Die Fotodiode 1 erfasst das Szintillationslicht 7 und erzeugt das der Intensität des auf die Detektionsfläche einfallenden Szintillationslichts 7 entsprechende elektrische Signal 8.
Der Brechungsindex des Klebstoffs 3 ist an die Brechungsindices des Szintillatorelements 2 und der Fotodiode 1 angepasst. Beispielsweise kann es sich bei dem Klebstoff um ein mit TiO₂- oder ZrO₂-Pulver versetztes Epoxidharz handeln. Auf Grund der Anpassung der Brechungsindices sind die optischen Übergänge an der ersten Grenzfläche G1 und der zweiten Grenzfläche G2 besonders gut. An der ersten Grenzfläche G1 bzw. der zweiten Grenzfläche G2 wird ein möglichst geringer Teil des Szintillationslichts 7 reflektiert. Der Intensitätsverlust durch Reflexion kann gegenüber nicht angepassten Klebstoffen deutlich verringert werden. Ferner ist der maximal mögliche Austrittswinkel des Szintillationslichts 7 aus dem Szintillatorelement 2 größer als bei einem herkömmlichen Klebstoff 3. Das Szintillationslicht 7 kann effektiver aus dem Szintillatorelement 2 ausgekoppelt werden. Die mittlere Verweildauer des Szintillationslichts 7 im Szintillatorelement 2 kann verkleinert werden. Eine Absorption sowie ein Intensitätsverlust des Szintillationslichts 7 infolge von Mehrfachreflexionen im Szintillatorelement 2 können deutlich verringert werden.
Ist die Wellenlänge des Szintillationslichts 7 größer als die Korngröße, so kann ein durch Streuung des Szintillationslichts 7 im Klebstoff 3 verursachter Intensitätsverlust minimiert werden. Beispielsweise kann mit einer Korngröße von weniger als 100 nm der Streuung von Szintillationslicht 7 eines CsJ-Kristalls mit einer Wellenlänge von 400 nm entgegengewirkt werden. Werden noch kleinere Korngrößen verwendet, z. B. kleiner als 50 nm oder kleiner als 30 nm, so kann der Intensitätsverlust durch Streuung weiter reduziert werden.
Mit dem Klebstoff 3 kann erreicht werden, dass der Intensitätsverlust des Szintillationslichts 7 möglichst klein ist. Schwache Signale können mit hoher Genauigkeit erfasst werden und kleine Intensitätsunterschiede können aufgelöst werden.
Es kann ein Röntgendetektor mit einer besonders hohen Empfindlichkeit hergestellt werden.

Claims

Röntgendetektor, bei welchem ein Szintillatorelement (2) mittels eines optisch transparent aushärtenden Klebstoffs (3) mit einer Detektionsfläche (4) einer Fotodiode (1) verbunden ist, wobei dem Klebstoff als Füllstoff ein aus einem Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,8 hergestelltes Pulver (5) zugesetzt ist, dessen mittlere Korngröße kleiner als 100 nm ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff (3) eine Schichtdicke von 20 μm bis 100 μm, vorzugsweise 20 μm bis 50 μm, aufweist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mittlere Korngröße kleiner als 50 nm, vorzugsweise kleiner als 30 nm, ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex größer als 2,1, vorzugsweise größer als 2,7, ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Pulver (5) im Klebstoff (3) eine Konzentration zwischen 1 Vol.% und 40 Vol.% aufweist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material aus einem Metalloxid, vorzugsweise aus TiO₂ oder ZrO₂, hergestellt ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Klebstoff (3) aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Harzklebstoff, Epoxidharzklebstoff, Schmelzklebstoff, UV-härtender Klebstoff, Acrylatklebstoff.
Verwendung eines optisch transparent aushärtenden Klebstoffs (3), welchem als Füllstoff ein aus einem Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,8 hergestelltes Pulver (5) zugesetzt ist, dessen mittlere Korngröße kleiner als 100 nm ist, zum Verbinden eines Szintillatorelements (2) eines Röntgendetektors mit einer Detektionsfläche (4) einer Fotodiode (1) des Röntgendetektors.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei die mittlere Korngröße kleiner als 50 nm, vorzugsweise kleiner als 30 nm, ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei der Brechungsindex größer als 2,1, vorzugsweise größer als 2,7, ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Pulver (5) im Klebstoff (3) eine Konzentration zwischen 1 Vol.% und 40 Vol.% aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Material aus einem Metalloxid, vorzugsweise aus TiO₂ oder ZrO₂, hergestellt ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Klebstoff (3) aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Harzklebstoff, Epoxidharzklebstoff, Schmelzklebstoff, UV-härtender Klebstoff, Acrylatklebstoff.