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Die
Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Lumineszenzwandler
zur Absorption von Röntgenstrahlung
und nachfolgend Emission von Lichtstrahlung im sichtbaren, UV- oder IR-Spektralbereich.
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Stand der Technik und
technologischer Hintergrund
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Seit
der Entdeckung der Röntgenstrahlung
wird bis heute fotografisches Filmmaterial für die Registrierung von Röntgenbildern
verwendet. Dafür
stehen verschiedene Arten von Filmmaterial für wissenschaftliche, technische
und medizinische Anwendungen zur Verfügung. Der Unterschied besteht
im Wesentlich in der Ortsauflösung
und in der Sensibilität
für verschiedene
Spektralbereiche. Bis heute können
in vielen Fällen
Fotofilme nicht ersetzt werden. Jedoch ist die technologische Prozedur
Aufnahme – Entwicklung – Abbildung
zu zeitaufwendig. Im Idealfall sind Ergebnisse in Realzeit gefordert.
Hemmend beim Einsatz von Fotofilmen ist weiterhin der eingeschränkte dynamische
Nachweisbereich.
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Aus
diesem Grunde werden Anstrengungen unternommen, andere ortsauflösende Detektoren
für den Röntgenbereich
zu entwickeln. Bekannt sind Festkörperdetektoren, die ein laserinduziertes
Auslesen der Abbildung von einem durch die Anregung von Elektronenniveaus
akkumulierten Image-Plate nutzen.
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Weiterhin
finden Detektoren auf der Basis von CCD-Chips eine relativ weite
Verbreitung. Zur großflächigen Registrierung
von Röntgenstrahlung
wurden matrix-adressierbare
Fotodiodenfelder auf CMOS-Basis und Fotodiodenfelder auf der Grundlage
von amorphem Silizium bzw. Selen für verschiedene Anwendungen entwickelt.
CMOS-Lösungen für Detektoren
haben den Vorteil, dass für
ihre Herstellung die gleichen Herstellungsprozesse und Ausrüstungen
wie die für
Mikroprozessoren/Logikschaltungen genutzt werden können, damit
kostengünstig
sind und am dortigen technologischen Fortschritt, insbesondere der
Herstellung immer größeren Si-Scheiben,
teilhaben. Aus 8"-Scheiben können beispielsweise
Detektoren mit Abmessungen von bis zu 30–40 cm hergestellt werden.
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Der
Nachweis von Röntgenphotonen
mittels derartiger Detektoren erfolgt dabei auf direktem oder indirektem
Wege. Im ersten Falle wird die Röntgenstrahlung
direkt auf dem Chip registriert. Dieses Prinzip funktioniert allerdings
nur für
niederenergetische Strahlung. Für
höhere
Energien ist die Effektivität
des Direktnachweises sehr gering, so dass eine vorherige Umwandlung
der Röntgenstrahlung
in sichtbare, UV- oder IR-Strahlung erforderlich ist.
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Ein
indirekter Nachweis erfolgt mittels eines Lumineszenzwandlers, der
in der Regel Schichten aus einem Luminophor, etwa Gd2O2S:Tb oder CsI, als Konverter von Röntgenstrahlung
in sichtbare, UV- oder IR-Strahlung nutzt. Derartige Konverter sollten
eine hohe Effektivität
für die
Umwandlung der Röntgenstrahlung
in sichtbare, UV- oder IR-Strahlung und eine möglichst hohe Ortsauflösung besitzen.
Beide Anforderungen müssen
zur Optimierung des Konverters aufeinander abgestimmt werden: Zur
Sicherung einer hohen Konversionseffektivität sind dicke Luminophorschichten
erforderlich, für
eine gute Ortsauflösung
sind dagegen dünne
Luminophorschichten optimal. Insbesondere für Röntgenstrahlung hoher Energie
sind demnach Luminophorschichten erheblicher Dicke erforderlich.
Dies verschlechtert aber die Ortsauflösung, was bei den meisten Anwendungen
nicht wünschenswert
ist.
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Durch
die Eigenschaften des verwendeten Luminophors werden die anwendungstechnischen
Eigenschaften einer Röntgenkamera
wesentlich mitbestimmt. Die in diesen Kameras zur Erhaltung der
Ortsauflösung
eingesetzten dünnen
Luminophorschichten weisen für
hohe Energien eine geringe Effektivität auf und erfordern deshalb
oft eine zusätzliche
Bildverstärkung
zwischen der Luminophorschicht und dem CCD-Sensor. Zur Bildverstärkung werden
in der Regel Mikrokanalplatten (MCP) eingesetzt, die die Kamerakonstruktion
jedoch beträchtlich
verkomplizieren und damit verteuern.
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Für die Übertragung
des in der Luminophorschicht erzeugten Lichtes auf den Bildverstärker bzw.
direkt auf den CCD-Sensor
werden Linsen oder Faseroptik-Verbände eingesetzt.
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Falls
erforderlich, ist mit angepassten Faseroptik-Kegeln gleichzeitig
eine Bildverkleinerung zur Anpassung an die nächste Bildverarbeitungsstufe
erreichbar. Lichtleitende Faserscheiben werden durch gesinterte
Verbände
aus Stufen-Index-Glasfasern
realisiert, die kommerziell als Platten verschiedenster geometrischer
Abmessungen verfügbar
sind.
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Großflächige Detektoren
auf CMOS-Basis können
inzwischen so ausgeführt
werden, dass jedes einzelne Pixel einer Detektorfläche adressierbar
ist und das jeweilige Strahlungssignal auch individuell verstärkt werden
kann. Bei dieser Konstruktion kann infolge der herstellbaren Großflächigkeit
auf eine verkleinernde, zwischengeschaltete Optik verzichtet werden.
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Die
Röntgenstrahlung
wird durch eine entsprechend große Luminophorschicht unter
Aufrechterhaltung eines engen Kontaktes zur darunter befindlichen
CMOS-Struktur in sichtbares Licht umgewandelt. Falls für einzelne
Anwendungen, zusätzlich
zur vorhandenen individuellen (elektrischen) Verstärkungsmöglichkeit, eine
weitere (optische) Verstärkung
erforderlich sein sollte, so kann ebenfalls eine Mikrokanalplatte
zwischen Luminophorschicht und CMOS-Struktur angeordnet werden.
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Eine
weitere Alternative stellen Röntgenzeilenkameras
mit Fotodioden-Streifenbreiten von z.B. 83 μm oder 10 μm dar. Sie werden aktuell in
Röntgeninspektionsgeräten oder
in der Computer-Tomographie eingesetzt, setzen jedoch zur Aufnahme
kompletter, auswertbarer Bilder die Bewegung des Objektes relativ
zur Quelle-Detektor-Anordnung voraus.
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Für viele
technische und wissenschaftliche Anwendungen ist eine sehr gute
Ortsauflösung
des Detektors bei hoher Konversionseffektivität erforderlich. Die Dicke einer
unstrukturierten Luminophorschicht kann infolge der zunehmenden
Verschlechterung der Ortsauflösung
durch Streuprozesse nicht im für
die jeweilige Röntgenenergie
erforderlichen Maße
erhöht
werden. Mit dem Einsatz von so genannten strukturierten Luminophoren,
in denen sich das durch Röntgenstrahlung
induzierte Licht anisotrop in Richtung des Substrats ausbreitet,
soll hier Abhilfe geschaffen werden. Für großflächige, pixel-adressierbare
CMOS-Röntgensensoren sind
derartige strukturierte Luminophoren eine wesentliche Voraussetzung,
um die bereits vorhandene gute Ortsauflösung des Detektors infolge
der vorhandenen CMOS-Struktur nicht zu verschlechtern.
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In
Tabelle 1 sind Anforderungen an ortsauflösende Luminophorschichten (CsI)
für einige
Anwendungsgebiete aufgeführt,
woraus auch die erforderlichen Schichtdicken der Szintillatoren
entnehmbar sind.
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Tabelle
1: Anwendungsgebiete von Röntgendetektoren
und erforderliche Parameter der Szintillatoren
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Es
ist ersichtlich, dass bei höheren
Energien der Röntgenstrahlung
wesentlich dickere Luminophorschichten erforderlich sind. Für diagnostische
Anwendungen erreicht die Schichtdicke des Luminophors 1 mm, für Anwendungen
in der Astronomie können
sogar 2 mm notwendig sein. Bemerkenswerterweise sind auch Detektoren
mit relativ großen
Abmessungen bis zu 30 × 20
cm2 erforderlich. In der Kristallographie
werden solche Detektionssysteme gegenwärtig immer häufiger eingesetzt.
So sind Strukturuntersuchungen in der Pharmakologie bereits Routine,
da die entsprechenden Informationen sehr schnell zur Verfügung stehen
müssen. In
der Medizin ist die Mammographie eine wichtige diagnostische Methode.
Die Früherkennung
von Karzinom-Neubildungen mit minimalen Schäden für die Gesundheit erfordert
eine Verringerung der Dosis bei der Röntgenuntersuchung. Dazu sind
Detektoren mit hoher Effektivität
und Auflösung
notwendig. Diese lassen sich eher durch den Einsatz von hocheffektiven
strukturierten Luminophoren realisieren.
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Ein
häufig
eingesetztes Verfahren, die Strukturierung von Luminophorschichten
bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Quantendetektion zu erreichen,
ist es, den Luminophor direkt auf dem Substrat in Form von nadelförmigen Kristallen
aufwachsen zu lassen. Das Aufwachsen derartig getrennter Szintillatormaterial-Säulen kann
dabei u.a. auch durch Bedampfung auf texturierte Substrate realisiert
werden, die beispielsweise aus angeätzten Glasfaserplatten hergestellt
wurden. Die Kristalle wachsen parallel in vertikaler Richtung. Durch
die aufgewachsenen langen Kristallnadeln wird einerseits die Absorption
der Röntgenstrahlung
verbessert, andererseits breitet sich das induzierte Licht hauptsächlich in
Richtung der Kristallachsen aus (Anisotropie, optische Isolation
der Bildpunkte). Allerdings ist die Herstellungsmethode für solche
Röntgendetektoren
kompliziert und damit teuer. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit
werden jedoch derartige Szintillatoren sowohl in CCD- als auch CMOS-basierten
Röntgenkameras
vielfältig
eingesetzt.
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Ein
anderer technologischer Zugang für
die Strukturierung eines Lumineszenzwandlers besteht darin, einen
flächenhaften
Verbund aus szintillierenden optischen Stufen-Index-Fasern herzustellen.
Derartige szintillierende faseroptichen Glasplatten (SFOP) werden
mittlerweile auch kommerziell in unterschiedlichsten Formen und
Abmessungen angeboten.
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Zur
Anpassung an den zu detektierenden Röntgenenergiebereich werden
dem Kernglas der SFOP-Fasern geeignete Luminophore beigemischt.
Aus glastechnologischen Gründen
sind jedoch die dem Faserkernmaterial zumischbaren Luminophoren
sowohl hinsichtlich der Mengen als auch ihrer Zusammensetzung beschränkt. Infolge
der daraus resultierenden schwachen Absorption der Röntgenstrahlung
weisen deshalb z.B. auch 5 mm dicke SFOP eine relativ geringe Konversionseffektivität auf. Trotz
dieser Restriktionen werden derartige optische Bauelemente in Röntgenkameras
eingesetzt.
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US 4,684,846 ; US Philips
Corp.; "Luminescent
screen having restored cavities and display tube having such a screen"; 1985 beschreibt
einen Lumineszenzschirm, der aus gesinterten Verbänden von
optischen Stufen-Index-Fasern besteht, deren Kerngläser oberflächenseitig
partiell ausgehöhlt
werden, um nachfolgend mit einem geeigneten lumineszierenden Material
mit etwa gleichem Brechungsindex wie die der Kerngläser gefüllt zu werden.
Der Strahlungsfluss aus dem Luminophor in das Kernglas wird jedoch
durch die Unebenheit des Höhlenbodens
sowie Brechungsindex-Sprünge
negativ beeinflusst. Aus diesem Grund wird im Höhlenboden Material abgeschieden,
das für
die Lumineszenzstrahlung transparent ist, eine optische Anpassung
ermöglicht und
somit den Strahlungsfluss aus dem Luminophor in das Kernglas verbessert.
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Diese
Idee weist jedoch eine Reihe wesentlicher Nachteile auf: Bereits
durch die bei dieser technischen Lösung optisch bedingten Notwendigkeit,
dass das eingesetzte Luminophor den gleichen Brechungsindex wie
der anschließende
lichttransportierende Glaskern aufweisen muss, sind die für diesen
Zweck nutzbaren Luminophoren stark eingeschränkt. Das wiederum hat zur Folge,
dass eine effektive und einstellbare Detektionsmöglichkeit für Röntgenstrahlung verschiedener
Energie ebenso stark eingeschränkt
ist. Nachteilig für die
Empfindlichkeit ist weiterhin, dass aufgrund der angeführten o.g.
negativen Kollateraleffekte (Unebenheit, Brechungsindex) die Tiefe
der nachträglichen
Aushöhlung
nicht beliebig bzw. nicht im erforderlichen Maß gesteigert werden kann. Dadurch
sind auch die maximal realisierbaren Röntgen-Absorptionslängen stark
eingeschränkt.
Die beschriebenen verbessernden Maßnamen (Bodenbeschichtung der
Höhlungen)
erfordern einen zusätzlichen
technologischen Aufwand. Der Wirkungsgrad derartiger Konstruktionen
ist deshalb prinzipiell gering. Aufgrund der o.g. inhärenten technischen
Probleme sind außerdem
Empfindlichkeitsschwankungen über die
Mikrostruktur (unterschiedliche Höhlentiefen) zu erwarten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lumineszenzwandler bereitzustellen,
der die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Der Lumineszenzwandler sollte für
Röntgenstrahlung sowohl
eine hohe Ortsauflösung
als auch eine hohe Konversionseffektivität aufweisen. Eine weitere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens
für einen
derartigen Lumineszenzwandler.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die
Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch einen
mikrostrukturierten Lumineszenzwandler nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß enthält der Lumineszenzwandler
eine Kapillarplatte mit einer Vielzahl parallel angeordneter Kapillaren,
wobei
jede Kapillare einen Luminophor zur Absorption von Röntgenstrahlung
und nachfolgend Emission von Lichtstrahlung im sichtbaren, UV- oder
IR-Spektralbereich enthält
und
eine Kapillarwand der Kapillare ausgelegt ist, die vom
Luminophor erzeugte Lichtstrahlung (i) in die Kapillare zu reflektieren
oder (ii) den eintretenden Lichtstrahl weiterzuleiten.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Lumineszenzwandler
mit einer in vorgenannter Art und Weise modifizierten Kapillarplatte
eine anisotrope Ausbreitung des invertierten Lichts und damit eine bessere
Ortsauflösung
erreicht.
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Die
Kapillarwand ist erfindungsgemäß ausgelegt,
die vom Luminophor erzeugte Lichtstrahlung (i) in die Kapillare
zu reflektieren oder (ii) den eintretenden Lichtstrahl weiterzuleiten.
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Nach
Variante (i) wird die vom Luminophor freigesetzte Lichtstrahlung
im Innern der Kapillare weitergeleitet. Dazu enthält die Kapillarwand
vorzugsweise eine metallische Schicht, die zur Reflexion der erzeugten Lichtstrahlung
ausgelegt ist und beispielsweise zwischen zwei Glasschichten eingeschlossen
ist. Alternativ kann die Kapillarwand auch aus einem Metall bestehen,
das die erzeugte Lichtstrahlung reflektiert. Der Fachmann wählt für einen
spezifischen Lumineszenzwandler den metallischen Werkstoff in Abhängigkeit
vom Wellenlängenbereich
der erzeugten Lichtstrahlung aus: der metallische Werkstoff sollte
die Lichtstrahlung zumindest weitgehend (> 99 %) reflektieren. Anhand weniger Routineversuche
wird der Fachmann ferner eine für die
erfindungsgemäßen Zwecke
ausreichende Schichtdicke der Kapillarwand bzw. der metallischen
Schicht ermitteln können.
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Nach
Variante (ii) wird ein vom Luminophor in die Kapillarwand eintretender
Lichtstrahl dort weitergeleitet. Mit anderen Worten, die Kapillarwände enthalten
lichtleitende Strukturen, die den Lichtstrahl nach Eintritt an die
Unterseite der Kapillarplatte führen.
Der Lichtstrahl tritt direkt aus dem Luminophor in die lichtleitende Struktur
ein oder passiert ggf. noch eine (oder mehrere) zwischen der lichtleitenden
Struktur und dem Luminophor gelegene transparente Schicht(en). Ziel
ist es, den in die lichtleitende Struktur eintretenden Lichtstrahl
an der Phasengrenzfläche
derart unter Refraktion abzulenken, dass er im Innern der lichtleitenden
Struktur unter Totalreflexion weitergeleitet wird.
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Die
erfindungsgemäße Kapillarplatte
kann ausgehend von einer herkömmlichen,
aus dem Stand der Technik bekannten Kapillarplatte – natürlich ohne
eingebetteten Luminophor – hergestellt
werden. Die Kapillarplatte besteht vorzugsweise ganz oder in Teilen
aus Glas; es können
verschiedene Glassorten aber auch Glas mit anderen Materialen, z.B.
Metallen, kombiniert werden. Kapillaren mit Abmessungen im Mikrometer- und
Submikrometerbereich lassen sich mit hoher geometrischer Genauigkeit
erzeugen.
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Vorzugsweise
weist die Kapillarplatte im Bereich der Kapillaren eine Kapillardichte
von 100 bis 100000 Kapillaren/mm2 auf. Eine
Kapillarlänge
liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 5000 μm. Bevorzugt ist ferner, dass
ein Kapillardurchmesser im Bereich von 1 bis 20 μm liegt. Kapillarplatten, die
den genannten Vorgaben für
Kapillardichte, Kapillarlänge
und Kapillardurchmesser genügen,
sind für
die erfindungsgemäßen Zwecke besonders
geeignet, da sie eine besonders hohe Konversionseffektivität bei hoher
Ortauflösung
gewähren. Vorzugsweise
ist weiterhin eine Wandstärke
zwischen benachbarten Kapillaren geringer als der Kapillardurchmesser.
Hierdurch kann eine hohe örtliche
Auflösung
erreicht werden.
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Röntgenstrahlung
im erfindungsgemäßen Sinne
ist eine elektromagnetische Strahlung, die beim Abbremsen geladener
Teilchen am Coulombschen Feld der Atomkerne und durch Wechselwirkung
mit den Elektronen der Atomhülle
entsteht. Röntgenstrahlung
lässt sich
in folgende Wellenlängenbereiche
einteilen: Röntgen-UV
(100 nm bis 150 pm), überweiche
Röntgenstrahlung
(250 bis 60 pm), weiche Röntgenstrahlung
(60 bis 20 pm), mittelharte Röntgenstrahlung
(20 bis 10 pm), harte Röntgenstrahlung
(10 bis 5 pm) und überharte Röntgenstrahlung
(kleiner 5 pm). Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Lumineszenzwandler in Wellenlängenbereich
von 10 nm bis 10 pm eingesetzt.
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Ein
Luminophor (oder auch Leuchtstoff) ist ein zur Lumineszenz – hier insbesondere
zur Fluoreszenz befähigter
Stoff, der unmittelbar nach der Anregung leuchtet. Der Begriff Lumineszenz
umfasst sowohl die Fluoreszenz als auch die Phosphoreszenz. Der
zu Zwecken der Erfindung verwendete Luminophor enthält zumindest
eine Grundsubstanz, die befähigt
ist, Röntgenstrahlen
zu absorbieren. Beispiele für
derartige Luminophore umfassen CaWO4, Gd2O2S:Tb, Y2O2S:Tb, La2O2S:Tb, BaFCl:Eu
und LaOBr:Tb. Der erfindungsgemäß eingesetzte
Luminophor ist damit Teil eines Szintillators, bei dem durch Röntgenstrahlung
Szintillationen, d.h. kurze Lichtblitze, hervorgerufen werden, die
in einer nachgeordneten elektronischen Detektoreinheit einen messbaren
Sekundärelektronenstrom
erzeugen. Ziel ist es, eine möglichst
starke Lumineszenz zu erzwingen, d.h. viele Photonen pro einfallendes
Teilchen zu erzeugen.
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Nach
einer weiteren, auch mit jeder der weiter oben aufgeführten Varianten
(i) und (ii) ausführbaren und bevorzugten
Ausführungsform
des Lumineszenzwandlers ist eine Oberseite der Kapillarplatte im
Bereich der Kapillaren mit einer Reflektorschicht bedeckt, die ein
Material enthält
oder aus einem Material besteht, das die vom Luminophor erzeugte
Lichtstrahlung reflektiert, aber für Röntgenlicht zumindest weitgehend
durchlässig
ist. Sich in Richtung der Oberseite der Kapillarplatte ausbreitende
Lichtstrahlung wird demnach von der Reflektorschicht zur Lichtaustrittsöffnung der
Kapillaren an einer Unterseite der Kapillarplatte umgelenkt, so
dass eine Lichtintensität
an der Lichtaustrittsöffnung
und respektive der nachgeordneten optischen Messanordnung maximiert
wird.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren
zur Herstellung eines mikrostrukturierten Lumineszenzwandlers gelöst. Der
Lumineszenzwandler enthält
eine Kapillarplatte mit einer Vielzahl parallel angeordneter Kapillaren,
wobei die Kapillaren einen Luminophor zur Absorption von Röntgenstrahlung
und nachfolgend Emission von Lichtstrahlung im sichtbaren, UV- oder
IR-Spektralbereich enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen
einer Kapillarplatte mit einer Vielzahl parallel angeordneter Kapillaren;
- – Bereitstellen
einer Suspension aus dem Luminophor und einem Suspensionsmittel;
- – Einbringen
der Suspension in die Kapillaren;
- – Verfestigen
der Suspension durch Entzug des Suspensionsmittels.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich durch seine einfache industrielle Umsetzung aus. Der Luminophor
wird als (Mikro-)Pulver bereitgestellt, dessen (durchschnittlicher)
Partikeldurchmesser unterhalb des Kapillardurchmessers der Kapillaren
liegen muss. Ein für
einen spezifischen Luminophor geeignetes Suspensionsmittel wird
der Fachmann anhand weniger Versuche finden. Im Vordergrund steht
die Erzeugung einer für
die Verarbeitungszwecke stabilisierten Suspension. Letztere wird
einer Seite der Kapillarplatte zugeführt (z. B. durch Auftragen
der Suspension auf der Oberseite der Kapillarplatte) und durch Kapillarkräfte – ggf. unterstützt durch
Anlegen eines Unterdrucks an die Unterseite der Kapillarplatte – in das
Innere der Kapillaren gezogen. Das Verfestigen des Luminophors kann
durch thermische Behandlung unter Entzug des Suspensionsmittels
und ggf. auch thermische Umwandlung (Sintern) erreicht werden.
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Weiter
bevorzugte Aspekte der Erfindung liegen in der Verwendung des erfindungsgemäßen Lumineszenzwandlers
in einer Röntgenkamera,
insbesondere
- • zur Erkennung von Strukturen
mit minimalen Abmessungen von bis zu 50 μm;
- • zur
Röntgendefektoskopie
und -beugung zur Überwachung
von Postsendungen;
- • zur
Dosis-Verringerung in der medizinischen Röntgendiagnostik in den verschiedensten
Fachgebieten;
- • zur
nicht-invasiven und nicht-zerstörenden
3D-Charakterisierung von Materialien bis in den Mikrometer-Bereich mittels Mikro-Computertomographie;
- • zur
EUV-Lithographie (speziell zur Diagnostik und Überwachung von EUV-Lichtquellen
zur Erzeugung von Strukturen kleiner 100 nm);
- • zur
Diagnostik von Röntgenplasma;
- • zur
Charakterisierung von Makromolekülen,
Kristallen, Pulvern, Polymeren, Faser, usw. mittels Röntgenbeugung;
- • zur
Röntgenabsorptionsspektroskopie;
- • zur
Röntgenmikroskopie;
und
- • zur
Untersuchung von Kurzzeitprozessen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Röntgenelektronenmikroskop(REM)-Aufnahme
eines Teilbereichs von einer Kapillarplatte, die für die erfindungsgemäßen Zwecke
geeignet ist;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine Kapillarplatte des Lumineszenzwandlers
nach einer ersten Variante der Erfindung; und
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3 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine Kapillarplatte des Lumineszenzwandlers
nach einer zweiten Variante der Erfindung.
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1 ist
eine REM-Aufnahme von einem Teilbereich einer Kapillarplatte 10,
die für
die erfindungsgemäßen Zwecke Verwendung
finden kann. In der Draufsicht auf eine Oberseite 11 der
Kapillarplatte 10 sind eine Vielzahl von gleichmäßig kreisförmigen Kapillaröffnungen 12, 13 zu
erkennen, die über
die Fläche
der Kapillarplatte 10 angeordnet sind. Die Kapillaren erstrecken
sich ausgehenden von den Kapillaröffnungen 12, 13 bis
zu einer Unterseite der Kapillarplatte 10 (hier nicht dargestellt).
Eine Gerade 14, die durch die Mittelpunkte 16, 17 der
beiden benachbarten Kapillaröffnungen 12, 13 verläuft, markiert
den Abschnitt 18 der Kapillarplatte 10, in dem
der die Kapillarwand die geringste Wandstärke zwischen den Kapillaren
aufweist. Die Wandstärke im
Abschnitt 18 wird so vorgegeben, dass sie geringer als
der Kapillardurchmesser ist. Der Kapillardurchmesser beträgt vorliegend
ca. 2 μm.
Die Kapillarplatte 10 besteht aus Glas und kann durch herkömmliche
Mikrostrukturierungsverfahren erhalten werden.
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In
die Kapillaren der Kapillarplatte 10 gemäß 1 wird
ein Luminophor zur Absorption von Röntgenstrahlung und nachfolgend
Emission von Lichtstrahlung im sichtbaren, UV- oder IR-Spektralbereich eingebracht.
Die Herstellung der modifizierten Kapillarplatte 10 kann
durch Auftragen einer Suspension aus einem Pulver des Luminophors
in einem geeigneten Suspensionsmittel erfolgen, wobei ein Partikeldurchmesser
des Pulvers erheblich unterhalb dem Kapillardurchmesser liegen sollte,
vorzugsweise kleiner als 1 μm
ist. Durch Kapillarkräfte
wird die Suspension in das Innere der Kapillarplatte 10 gesaugt.
Durch eine thermische Behandlung wird anschließend die Struktur verfestigt,
d. h. das Suspensionsmittel ausgetrieben und in Abhängigkeit von
der stofflichen Beschaffenheit des verwendeten Luminophors ggf.
auch eine Sinterung des Materials erreicht. Im Ergebnis enthalten
die Kapillaren den Luminophor bzw. sind mit diesem gefüllt.
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2 zeigt
schematisch einen Schnitt durch die Kapillarplatte 10 und
eine sich an der Unterseite 20 der Kapillarplatte 10 anschließende lichtleitende
Faserscheibe 22 nach einer ersten erfindungsgemäßen Variante.
Der Schnitt verläuft
durch eine Reihe nebeneinander geordneter Kapillaren, etwa durch
den Mittelpunkt derselben.
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Die
lichtleitende Faserscheibe 22 ist hier nur schematisch
angedeutet und enthält
eine Vielzahl von einzelnen optischen Elementen – beispielweise einen Verband
aus Stufen-Index-Glasfasern – deren
Geometrie und Dimensionen auf die Lage der einzelnen Kapillaren
der Kapillarplatte 10 abgestimmt ist. Nach Möglichkeit
sollte dabei ein optisches Element der Faserscheibe 22 einer
Kapillare zugeordnet sein. Von der Faserscheibe 22 wird
das Licht der nachgeordneten optischen Messanordnung, z.B. einen
CCD-Sensor, zugeführt.
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Die
Kapillarwand 24 ist nun derart ausgelegt, dass die nach
Absorption von Röntgenstrahlung 25 vom Luminophor 26 emittierte
Lichtstrahlung 28 an der Kapillarwand 24 reflektiert
wird und kanalisiert aus der Unterseite 20 der Kapillaren
austritt bzw. in die optischen Elemente der Faserscheibe 22 eintritt.
Zu diesem Zwecke kann auf die Kapillarwand 24 eine dünne reflektierende
Metallschicht (aus einem das emittierte Licht reflektierenden Metall)
aufgedampft werden. Verfahren zur Erzeugung derartiger Schichten
sind hinlänglich
bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben.
Die reflektierende Metallschicht kann mit einer oder mehreren Schichten
aus einem für
die erzeugte Lichtstrahlung transparenten Material, z. B. Glas, bedeckt
werden.
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Weiterhin
ist die Oberseite 11 der Kapillarplatte 10 mit
einer Reflektorschicht 28 bedeckt. Die Reflektorschicht 28 enthält oder
besteht aus einem Material, das die vom Luminophor 26 erzeugte
Lichtstrahlung 28 reflektiert, aber für Röntgenlicht 25 weitgehend
durchlässig
ist (ein Transmissionsgrad für
das Röntgenlicht sollte
größer 99 sein).
Das Material kann ein Metall sein.
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3 zeigt
schematisch einen Schnitt durch eine Kapillarplatte 10 und
die sich anschließende
lichtleitende Faserscheibe 22 nach einer zweiten erfindungsgemäßen Variante.
Die Ausführungsform
der 2 gleicht in weiten Zügen der der 1,
so dass gleiche Bezugszeichen verwendet wurden und im Nachfolgenden
nur auf die bestehenden Unterschiede zwischen den beiden Varianten
eingegangen wird.
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Nach
der in 3 dargestellten Variante der Erfindung ist die
Kapillarwand 24 so ausgelegt, dass die bei Absorption von
Röntgenstrahlung 25 vom
Luminophor 26 erzeugte Lichtstrahlung 28 nach
Eintritt in die Kapillarwand 24 durch Totalreflexion innerhalb
der Kapillarwand 24 weitergeleitet wird. Mit anderen Worten, die
Kapillarwand 24 der Kapillarplatte 10 entspricht
in Ihrer Funktion einem Lichtleiter, der die vom Luminophor 26 emittierte
Lichtstrahlung 28 einfängt
und zur Faserscheibe 22 weiterleitet. Dazu kann die Kapillarwand 24 beispielsweise
dreilagig ausgeführt
sein: bestehend aus Glas mit hohem und niedrigem Brechungsindex
und einer Absorptionsschicht. Der Lichtstrahl 28 dringt
in die erste Wandschicht ein (hoher Brechungsindex), wird an der
zweiten Wandschicht (niedriger Brechungsindex) reflektiert und ein
optisches Übersprechen
wird durch Absorption in der dritten Wandschicht verhindert. Eine
seitliche Ausbreitung des Lichts ist eingeschränkt und einer Ortsauflösung auf
dem Niveau der Abmessung der Struktur gewährleistet.
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- 10
- Kapillarplatte
- 11
- Oberseite
- 12
- Kapillaröffnung
- 13
- Kapillaröffnung
- 14
- Gerade
- 16
- Mittelpunkt
- 17
- Mittelpunkt
- 18
- Abschnitt
- 20
- Unterseite
- 22
- Faserscheibe
- 24
- Kapillarwand
- 25
- Röntgenstrahlung
- 26
- Luminophor
- 28
- Lichtstrahlung
