DE102007050437A1 - Szintillator - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Szintillator (2), bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, durch die Strahlung in Licht (3, 4) umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdichteverteilung des aus der Leuchtstoffschicht austretenden Lichts (3, 4) durch wenigstens eine Antivignettierungsmaßnahme an eine nachgeordnete Abbildungsoptik (5) anpassbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Szintillator, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, durch die Strahlung in Licht umwandelbar ist.
  • Ein derartiger Szintillator kann als so genannte Verstärkungsfolie oder als so genannte Szintillatorplatte ausgebildet sein.
  • Bei einer derartigen Verstärkungsfolie dient als Substrat ein Schichtträger aus Polyester (Schichtdicke etwa 0,025 mm). Auf das Substrat ist eine Haftschicht als Träger für eine Leuchtstoffschicht (Fluoreszenzschicht) aufgebracht. Zur Steigerung der Lichtausbeute kann zwischen der Haftschicht und der Leuchtstoffschicht eine Hintergrund- oder Reflexionsschicht angeordnet sein. Die Leuchtstoffschicht (Leuchtstoffkristalle in einem Kunststofflack) wandelt Röntgenstrahlung UV-Strahlung oder sichtbares Licht um. Zum Schutz vor Beschädigungen und zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen ist die Leuchtstoffschicht mit einer Schutzschicht versehen.
  • Als Leuchtstoffe dienen Kalziumwolframat-Kristalle (CaWO4) oder Seltene Erden, also chemische Elemente aus der Gruppe der Lanthanoide (Lanthan – La, Gadolinium – Gd Europium – Eu, Terbium – Tb). Beispiele für besonders geeignete Leuchtstoffe sind mit Terbium dotiertes Gadoliniumoxisulfid (Gd2O2S:Tb) oder mit Terbium dotiertes Lanthanoxibromid (LaOBr:Tb).
  • Eine derartige Szintillatorplatte wird in einem digitalen Röntgendetektor (Flachbilddetektor, Flat Panel Detector) in Kombination mit einer aktiven Matrix verwendet, die in eine Vielzahl von Pixel-Ausleseeinheiten mit Fotodioden unterteilt ist. Die auftreffende Röntgenstrahlung wird zunächst in der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) der Szintillatorplatte in sichtbares Licht umgewandelt, das von den Fotodio den in elektrische Ladung umgewandelt und ortsaufgelöst gespeichert wird. Diese so genannte indirekte Konversion ist beispielsweise in dem Aufsatz von M. Spahn et al. "Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik" in "Der Radiologe 43 (2003)", Seiten 340 bis 350, beschrieben.
  • Übliche Leuchtstoffschichten bestehen aus CsI:Tl, CsI:Na, NaI:Tl oder ähnlichen Materialien, die Alkali-Halogenide enthalten, wobei sich CsI besonders gut als Szintillatormaterial eignet, da es nadelförmig aufgewachsen werden kann. Dadurch erhält man trotz hoher Schichtdicke, die eine optimale Absorption der Röntgenstrahlung sicherstellt, eine gute Ortsauflösung des Röntgenbildes.
  • Die Abbildung der Leuchtdichteverteilung mittels einer Abbildungsoptik auf einen zugehörigen Fotosensor führt zu einer Abdunklung des Bildes zu den Randbereichen hin (Vignettierung).
  • Es ist bekannt, die Vignettierung durch elektronische Maßnahmen in der Bildverarbeitungseinheit zumindest teilweise zu kompensieren, um ein homogenes Röntgenbild zu erhalten. Die Elektronik der Bildverarbeitungseinheit muss hierfür einen großen Aussteuerungsbereich haben, was einen hohen technischen Aufwand bedeutet. Die Helligkeit am Rande kann hierbei zwar durch Normierung angehoben werden, das durch das niedrige Signal verursachte schlechte Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR – Signal Noise Ratio) kann jedoch nicht kompensiert werden.
  • Bei den Szintillatoren gemäß dem Stand der Technik nimmt die Schichtdicke der Leuchtstoffschicht herstellungsbedingt von der Mitte des Substrats zum Rand hin ab und damit verbunden auch die Lichtausbeute. Die Vignettierung wird dadurch verstärkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Szintillator mit verbesserten Abbildungseigenschaften zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strahlungswandler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlungswandlers sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
  • Bei dem Strahlungswandler gemäß Anspruch 1, ist auf einem Substrat eine aus nadelförmigen Kristallen gebildete Leuchtstoffschicht aufgebracht, durch die Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung) in Licht (z. B. sichtbares Licht) umwandelbar ist. Erfindungsgemäß ist die Leuchtdichteverteilung des aus der Leuchtstoffschicht austretenden Lichts durch wenigstens eine Antivignettierungsmaßnahme an eine nachgeordnete Abbildungsoptik anpassbar.
  • Die Erfindung ist gleichermaßen wirkungsvoll sowohl bei einer Verstärkungsfolie als auch bei Szintillatorplatte realisierbar.
  • Durch die zumindest eine Antivignettierungsmaßnahme, die an die nachgeordnete Abbildungsoptik angepasst ist, wird die Vignettierung zumindest wirkungsvoll reduziert. In vielen Fällen wird die Vignettierung sogar nahezu vollständig kompensiert.
  • Im Rahmen der Erfindung sind die in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Antivignettierungsmaßnahmen möglich, die in vorteilhafter Weise sowohl einzeln als auch in Kombination realisierbar sind.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antivignettierungsmaßnahme eine Erhöhung der Schichtdicke der Leuchtstoffschicht zum Rand des Substrats hin umfasst. Gemäß einer Ausführungsform nach Anspruch 3 ist die Dotierung der Leuchtstoffschicht hierbei homogen.
  • Zur Realisierung eines Szintillators gemäß Anspruch 2 wird in einer Bedampfungsanlage, die z. B. aus der DE 195 16 450 C1 bekannt ist, für die Herstellung einer CsI-Leuchtstoffschicht der Verdampfer für CsI exzentrisch außerhalb des Mittelpunkts des sich drehenden Substrats bei der CsI-Verdampfung angeordnet. Somit kann erreicht werden, dass die CsI-Schichtdicke – und somit die Leuchtdichteverteilung – von der Mitte des Substrats zum Rand des Substrats hin kontinuierlich ansteigt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antivignettierungsmaßnahme eine Erhöhung der Dotierung der Leuchtstoffschicht zum Rand des Substrats hin umfasst, wobei gemäß einer Variante nach Anspruch 5 die Leuchtstoffschicht eine konstante Schichtdicke aufweist.
  • Bei einem Szintillator gemäß Anspruch 4 wird beispielsweise bei einer Tl-Dotierung der Verdampfer für Tl ebenfalls exzentrisch positioniert und die TI-Einwaage so gewählt, dass am Rand des Substrats die maximale Lichtausbeute des CsI:Tl erzielt wird. Bei einer konstanten Schichtdicke der CsI-Leuchtstoffschicht nimmt dann die TI-Konzentration und somit auch die Lichtausbeute zur Mitte des Substrats hin ab. Auch die Kombination einer Erhöhung der CsI-Schichtdicke gemäß Anspruch 2 und einer Erhöhung der Tl-Dotierung gemäß Anspruch 4 ist durch eine exzentrische Anordnung sowohl des Verdampfers für CsI und als auch des Verdampfers für Tl möglich.
  • Eine dritte Möglichkeit für die erfindungsgemäße Realisierung stellt eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 dar. Diese Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als spiegelndes Substrat, vorzugsweise einen Aluminium- oder Silber-Spiegel aufweisend, ausgebildet ist, und dass die Antivignettierungsmaßnahme das Aufbringen einer Absorptionsschicht auf das Substrat umfasst, wobei die Schichtdicke der Absorptionsschicht zum Rand des Substrats hin abnimmt. Dadurch ist die Reflektorwirkung für das "in falscher Richtung" laufende Licht in der Mitte des Substrats geringer als am Rand des Substrats.
  • Eine vierte Variante zur Realisierung einer wirkungsvollen Antivignettierungsmaßnahme ist gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als nicht-spiegelndes Substrat, vorzugsweise als Substrat aus einem glasartigen Kohlenstoff, ausgebildet ist, und dass die Antivignettierungsmaßnahme das Aufbringen einer Spiegelschicht auf das Substrat umfasst, wobei die der Reflexionsgrad der Spiegelschicht zum Rand des Substrats hin zunimmt.
  • Die Spiegelschicht bildet einen "verlaufenden Spiegel", dessen Spiegelwirkung in der Mitte des Substrats geringer ist als am Rand des Substrats. Die Schichtdicke der Spiegelschicht und somit die "Spiegelwirkung" nimmt dann zum Rand des Substrats hin zu. Die Spiegelschicht besteht beispielsweise gemäß Anspruch 8 aus Aluminium und die Schichtdicke beträgt in der Mitte des Substrats weniger als 30 nm.
  • Eine fünfte Variante, die eine vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 9 darstellt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antivignettierungsmaßnahme das Aufbringen einer lichtabsorbierenden Schicht auf die Leuchtstoffschicht umfasst, wobei die Schichtdicke der Absorptionsschicht zum Rand des Substrats hin abnimmt.
  • Die lichtabsorbierende Schicht kann hierbei entweder direkt auf die Leuchtstoffschicht oder auf eine die Leuchtstoffschicht bedeckende bzw. umschließende Schutzschicht aufgebracht werden. Die Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht ist in der Mitte des Substrats größer als am Rand des Substrats. Die Wirkung ist gegenüber der Variante gemäß Anspruch 6 jedoch stärker, da nicht nur das reflektierte Licht, sondern auch das "Vorwärtslicht" der Leuchtstoffschicht beeinflusst wird.
  • Bei gleicher Schichtdicke der Leuchtstoffschichten in der Mitte des Substrats ergibt sich bezüglich der Modulationstransferfunktion (MTF) der Szintillatoren, die nach den vorstehend beschriebenen Methoden hergestellt wurden, Folgendes:
    Szintillator gemäß Anspruch 2:
    Die MTF nimmt mit zunehmender Schichtdicke (also zum Rand des Substrats hin) ab.
    Szintillator gemäß Anspruch 4:
    Der Konzentrationsunterschied der Dotierung ist MTF-neutral realisierbar.
    Szintillator gemäß Anspruch 6:
    Eine größere Absorption auf der Substratmitte verbessert die MTF in diesem Bereich.
    Szintillator gemäß Anspruch 7:
    Eine geringere Spiegelwirkung in der Mitte des Substrats verbessert die MTF in diesem Bereich.
    Szintillator gemäß Anspruch 9:
    Eine größere Absorption verbessert MTF in der Mitte des Substrats.
  • Bei allen Antivignettierungsmaßnahmen, die die MTF in der Mitte des Substrats verbessern, kann dieser "Gewinn" in eine größere Schichtdicke der Leuchtstoffschicht investiert werden, was die DQE (Detective Quantum Efficiency – Quantenwirkungsgrad) und die Lichtausbeute erhöht.
  • Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strahlungswandlers anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Röntgendiagnostikeinrichtung nach dem Stand der Technik,
  • 2 das optische Verhalten eines Detektorsystems gemäß dem Stand der Technik,
  • 3 das optische Verhalten eines Detektorsystems mit einem Strahlungswandler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 das optische Verhalten eines Detektorsystems mit einem Strahlungswandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • In 1 ist eine bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung dargestellt, deren in der Zeichnung nicht dargestellte Röntgenröhre Röntgenstrahlen 1 aussendet. Die Röntgenstrahlen durchdringen ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Untersuchungsobjekt (z. B. einen Patienten) und treffen anschließend – entsprechend der Transparenz des Untersuchungsobjekts geschwächt – auf einen Szintillator 2 (z. B. Szintillatorplatte, Verstärkungsfolie) auf.
  • Die auf den Szintillator 2 auftreffenden Röntgenstrahlen 1 werden in der Leuchtstoffschicht des Szintillators 2 in sichtbares Licht 3, 4 umgewandelt, das über eine Abbildungsoptik 5 auf einen Fotosensor 6 gelangt.
  • Der Fotosensor 6 gibt ein Bildsignal 7 an eine Bildverarbeitungseinheit 8 aus. In der Bildverarbeitungseinheit 8 wird aus dem Bildsignal 7 ein Ausgangssignal 9 erzeugt, aus dem das Röntgenbild gewonnen wird.
  • Unter der Voraussetzung, dass der Szintillator 2 gleichförmig mit Röntgenstrahlen 1 bestrahlt wird und der Szintillator 2 eine homogene Lichtausbeute (Konversion von Röntgenstrahlung in Licht) aufweist, erhält man am Szintillator 2 eine homogene Leuchtdichteverteilung des austretenden sichtbaren Lichts 3, 4 (siehe 2a).
  • Von dem Licht 3, 4 treten nur seine Zentralstrahlen 3 nahezu verlustfrei durch die Abbildungsoptik 5. Je weiter ein Lichtstrahl vom Zentrum entfernt ist, desto mehr wird das Licht beim Durchgang durch die Abbildungsoptik 5 geschwächt. Von den äußeren Lichtstrahlen 4 gelangen beispielsweise nur 50% der Intensität durch die Abbildungsoptik 5. Dieses Transmissionsverhalten der Abbildungsoptik 5 ist in 2b dargestellt.
  • Auf dem Fotosensor 6 ergibt sich damit eine Leuchtdichteverteilung gemäß 2c, woraus eine Abdunklung des Röntgenbildes zu den Randbereichen hin resultiert. Es liegt somit eine Vignettierung vor.
  • Es ist bekannt, die Vignettierung durch elektronische Maßnahmen in der Bildverarbeitungseinheit 8 zumindest teilweise zu kompensieren, um ein homogenes Röntgenbild zu erhalten. Die Elektronik der Bildverarbeitungseinheit 8 muss hierfür einen großen Aussteuerungsbereich haben, was einen hohen technischen Aufwand bedeutet. Die Helligkeit am Rande des Fotosensors kann hierbei zwar durch Normierung angehoben werden, das durch das niedrige Signal verursachte schlechte Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR – Signal Noise Ratio) kann jedoch nicht kompensiert werden.
  • Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird die Leuchtdichteverteilung des aus der Leuchtstoffschicht des Szintillators 2 austretenden Lichts 3, 4 durch wenigstens eine Antivignettierungsmaßnahme an die nachgeordnete Abbildungsoptik 5 angepasst. In den 3 und 4 sind hierfür zwei Beispiele für eine verbesserte Leuchtdichteverteilung am Fotosensor 6 gezeigt.
  • Idealerweise weist der Szintillator 2 eine Leuchtdichteverteilung gemäß 3a auf.
  • Die Leuchtdichteverteilung des am Szintillator 2 austretenden sichtbaren Lichts 3, 4 ist minimal in der Mitte des Substrats Zentrum und nimmt zum Rand des Substrats hin zu. Idealerweise wird durch eine Antivignettierungsmaßnahme die Leuchtdichteverteilung so beeinflusst, dass das Transmissionsverhalten der Abbildungsoptik 5 (siehe 3b) kompensiert wird, und eine homogene Leuchtdichteverteilung am Fotosensor 6 erzielt wird (3c).
  • Im Rahmen der Erfindung ist bereits eine "nicht ideale Korrektur" der Vignettierung vorteilhaft, wie sie als Beispiel in 4 gezeigt ist.
  • Wenn das Linienprofil der Leuchtdichteverteilung, wie in 4a als dicke, durchgezogene Linie dargestellt, ein Minimum in der Mitte des Szintillators 2 und zwei Maxima in den Randbereichen des Szintillators 2 hat, dann wird das Transmissionsverhalten der Abbildungsoptik 5 (siehe 4b) zumindest teilweise kompensiert. Die Leuchtdichte am Fotosensor 6 bleibt dann in einen großen zentralen Bereich in der Nähe von 100% (siehe 4c). Im Vergleich zum Stand der Technik (siehe 2c) ist die Leuchtdichte am Fotosensor 5 und damit Bildqualität in dem interessierenden Bereich verbessert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19516450 C1 [0017]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - M. Spahn et al. "Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik" in "Der Radiologe 43 (2003)", Seiten 340 bis 350 [0005]

Claims (12)

  1. Szintillator, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, durch die Strahlung in Licht (3, 4) umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdichteverteilung des aus der Leuchtstoffschicht austretenden Lichts (3, 4) durch wenigstens eine Antivignettierungsmaßnahme an eine nachgeordnete Abbildungsoptik (5) anpassbar ist.
  2. Szintillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antivignettierungsmaßnahme eine Erhöhung der Schichtdicke der Leuchtstoffschicht zum Rand des Substrats hin umfasst.
  3. Szintillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der Leuchtstoffschicht homogen ist.
  4. Szintillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antivignettierungsmaßnahme eine Erhöhung der Dotierung der Leuchtstoffschicht zum Rand des Substrats hin umfasst.
  5. Szintillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht eine konstante Schichtdicke aufweist.
  6. Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als spiegelndes Substrat, vorzugsweise einen Aluminium- oder Silber-Spiegel aufweisend, ausgebildet ist, und dass die Antivignettierungsmaßnahme das Aufbringen einer Absorptionsschicht auf das Substrat umfasst, wobei die Schichtdicke der Absorptionsschicht zum Rand des Substrats hin abnimmt.
  7. Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als nicht-spiegelndes Substrat, vorzugsweise als Substrat aus einem glasartigen Kohlenstoff, ausgebildet ist, und dass die Antivignettierungsmaßnahme das Aufbringen einer Spiegelschicht auf das Substrat umfasst, wobei die der Reflexionsgrad der Spiegelschicht zum Rand des Substrats hin zunimmt.
  8. Szintillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht aus Aluminium besteht und die Schichtdicke in der Mitte des Substrats weniger als 30 nm beträgt.
  9. Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antivignettierungsmaßnahme das Aufbringen einer lichtabsorbierenden Schicht auf die Leuchtstoffschicht umfasst, wobei die Schichtdicke der Absorptionsschicht zum Rand des Substrats hin abnimmt.
  10. Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht aus nadelförmigen Kristallen besteht.
  11. Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht aus nadelförmigen Kristallen, vorzugsweise Cäsiumjodid, besteht.
  12. Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht aus einem pulverförmigen Material besteht.
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