DE102008009676A1

DE102008009676A1 - Strahlungswandler und Verfahren zur Herstellung eines Strahlungswandlers

Info

Publication number: DE102008009676A1
Application number: DE102008009676A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fuchs; Oliver Kirch; Georg Dr. Wittmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-08-27
Also published as: US20090206266A1; US7915599B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungswandler, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, wobei auf die Leuchtstoffschicht wenigstens eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungswandlers, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, wobei auf die Leuchtstoffschicht nach dem Aufbringen auf das Substrat wenigstens eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungswandler, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungswandlers, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist.
Ein derartiger Strahlungswandler 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) des Strahlungswandlers in sichtbares Licht umgewandelt, das von den Fotodioden 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 gute Ortsauflösung resultiert aus dem so genannten "Lichtleiteffekt", der durch die Luftspalte zwischen den CsI-Nadeln erzielt wird.
Die Szintillatormaterialien sind aufgrund ihres Gehalts an Alkali-Halogeniden zumindest leicht hygroskopisch und müssen ausreichend vor schädlichen Umwelteinflüssen (Luftfeuchtigkeit, zu hohe Temperatur) geschützt werden. Unter dem Ein fluss von Temperatur, Feuchtigkeit und Luft können die CsI-Nadeln beispielsweise "ineinander fließen" (Degradation). Der wichtige Parameter "Luftspalt" wird zumindest stark verringert. Als Folge hiervon wird die Ortsauflösung reduziert (Messgröße MTF – Modulations Transfer Funktion).
Aufgrund dessen werden die Szintillatorschichten mit einem geeigneten Kapselung ("Packaging") geschützt, wie dies beispielsweise in der DE 10 2006 022 138 A1 beschrieben ist. Im Laufe dieses Packaging-Prozesses kommt es zu einer "Vergilbung" der Leuchtstoffschicht, was zu einer Verschlechterung der Lichtausbeute führt.
Die oben erwähnten Detektoren (CCD-Chip, Photodioden, etc.) weisen in der Regel die größte Empfindlichkeit im Spektralbereich von 500 bis 520 nm auf. Die meisten auf Alkalihalogeniden (z. B. CsI:Tl) basierenden und in der Literatur beschriebenen Szintillatoren (Strahlungswandler) weisen hingegen ein Strahlungsmaximum von 540 bis 560 nm auf. Aufgrund dessen wird, wie in der WO 2007/012564 A1 beschrieben, die Szintillatorschicht des Strahlungswandlers derart modifiziert, dass der kurzwellige Ast des Emissionsspektrums (50% Werte) der Strahlungswandler von 480 nm zu kleiner 440 nm hin verschoben wird. Das Maximum der Emission wird hierbei von 540 nm bis 560 nm zu einem Wert um die 500 nm verschoben. In der Szintillatorschicht liegt hierzu der Gehalt von Tl bei 200 ppm bis 2.000 ppm.
Der applizierte Packaging-Prozess führt zu einer "Vergilbung" (blau-grünes Licht wird stärker absorbiert) der Konverterschicht einhergehend mit einem schrittweisen Zurückshiften des kurzwelligen Astes des Emissionsspektrums von 430 nm zu 460 nm (50%-Werte). Dies führt zu der beschriebenen Verschlechterung der Lichtausbeute, da sich das Maximum des Emissionsspektrums der Leuchtstoffschicht schrittweise vom der maximalen Empfindlichkeit des Detektors entfernt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlungswandler zu schaffen, der eine höhere Lichtausbeute aufweist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungswandlers mit einer höheren Lichtausbeute zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strahlungswandler gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlungswandlers und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Der Strahlungswandler gemäß Anspruch 1 umfasst ein Substrat, auf dem eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist auf die Leuchtstoffschicht wenigstens eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgebracht.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 11 zu Herstellung eines Strahlungswandlers, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf die Leuchtstoffschicht nach dem Aufbringen auf das Substrat wenigstens eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgebracht wird.
Die Anti-Verfärbungssubstanz dringt beim Aufbringen auf die Leuchtstoffschicht zumindest teilweise in die Nadelzwischenräume der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) ein.
Bei dem Strahlungswandler gemäß Anspruch 1 wird durch das Aufbringen der Anti-Verfärbungssubstanz der Oxidationszustand der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) vor der Weiterprozessierung, die im Wesentlichen eine Kapselung (Packaging) der Szintillatorschicht umfasst, fixiert. Eine Vergilbung der Leuchtstoffschicht beim Packaging-Prozess wird dadurch zumindest sehr stark reduziert oder sogar vollständig verhindert. Die Lichtausbeute der Leuchtstoffschicht ist bei dem erfindungsgemäßen Strahlungswandler damit um circa 10 bis 15% und somit signifikant höher.
Auch ein weiteres Vergilben während der Lebensdauer des Strahlungswandlers aufgrund von Umgebungseinflüssen (Feuchte, Temperatur) wird durch die Antiverfärbungssubstanz zumindest stark reduziert oder sogar vollständig verhindert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 11 wird durch das Aufbringen wenigstens einer Anti-Verfärbungssubstanz der Oxidationszustand der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) fixiert. Die Anti-Verfärbungssubstanz wird hierbei direkt nach dem Bedampfungsprozess aufgebracht. Eine Verfärbung der Leuchtstoffschicht während der späteren Weiterprozessierung wird dadurch zumindest sehr stark reduziert oder sogar vollständig verhindert. Ein gemäß dem Verfahren nach Anspruch 11 hergestellter Strahlungswandler weist gegenüber bekannten Strahlungswandlern eine um circa 10 bis 15% höhere Lichtausbeute auf, da die erfindungsgemäße Verwendung einer Anti-Verfärbungsschicht ein Vergilben der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) zumindest sehr stark reduziert oder sogar vollständig verhindert. Die bei den bekannten Strahlungswandlern auftretende Verschiebung des Maximums des Emissionsspektrums tritt dadurch nur in einem sehr geringen Maß oder überhaupt nicht auf.
Im Rahmen der Erfindung kann die Anti-Verfärbungssubstanz zumindest

• eine oxidativ wirkende organische Komponente und/oder
• eine reduktiv wirkende organische Komponente und/oder
• eine oxidativ wirkende anorganische Komponente und/oder
• eine reduktiv wirkende anorganische Komponente enthalten.

In vorteilhafter Weise ist die Anti-Verfärbungssubstanz nach dem Aufbringen auf die Leuchtstoffschicht mittels eines Aktivierungsprozesses aktivierbar. Bei dem Aktivierungsprozess kann es sich beispielsweise um einen thermischen Aktivierungsprozess oder um einen fotochemischen Aktivierungsprozess handeln.
In besonders vorteilhafter Weise handelt es sich bei der oxidativ wirkenden organischen Komponente der Anti-Verfärbungssubstanz um 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat, wobei eine Lösung von 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat in Aceton (C₃H₆O) oder in Ethanol (C₂H₆O), in prozesstechnischer Hinsicht als besonders geeignet erwiesen hat. Im Rahmen der Erfindung kann die Anti-Verfärbungssubstanz auch in einem anderen Lösungsmittel als Aceton oder Ethanol gelöst sein.
Die Anti-Verfärbungssubstanz kann im Rahmen der Erfindung als Feststoff direkt oder in einem beliebigen organischen und/oder anorganischen Lösungsmittel gelöst, pigmentiert oder suspendiert aufgebracht werden. Weiterhin ist es möglich, die Anti-Verfärbungssubstanz als Flüssigkeit direkt oder in einem beliebigen organischen und/oder anorganischen Lösungsmittel gelöst oder emulgiert aufzubringen. Als weitere Alternative kann die Anti-Verfärbungssubstanz als Gas direkt oder in einem beliebigen organischen und/oder anorganischen Lösungsmittel gelöst aufgebracht werden.
Die Anti-Verfärbungssubstanz kann, abhängig von ihrem Aggregatzustand, z. B. durch Aufsprühen und/oder durch Eintauchen und/oder durch eine Gasphasenabscheidung erfolgen.
Weiterhin kann die Anti-Verfärbungssubstanz auch durch ein Rakelverfahren, durch ein Druckverfahren oder durch ein Spin-Coating-Verfahren aufgebracht werden.
Nachfolgend sind in einer einzigen Figur drei normierte Emissionsspektren eines bekannten Strahlungswandlers gezeigt, dessen Leuchtstoffschicht aus mit Thallium dotiertem Cäsiumiodid (CsI:Tl) besteht und eine Codotierung mit Kalium (K) aufweist. Alle drei Emissionsspektren wurden nach dem jeweiligen Prozessschritt aufgenommen, wobei dabei auch die Lagerzeit in inerter Umgebung (Stickstoffgas N₂) fortschreitet.
Die dargestellten Energiespektren weisen jeweils drei Einzelpeaks auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
Diese Einzelpeaks besitzen – wie in der WO 2007/012564 A1 ausführlich beschrieben – jeweils bei etwa 400 nm (Spektralfarbe blau), 480 nm (Spektralfarbe blau-grün) und 560 nm (Spektralfarbe grün) ein Maximum.
Mit 1 ist das Emissionsspektrum des Strahlungswandlers nach dem Aufdampfen der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht aus CsI:Tl, K) und vor dem ersten Packaging-Prozess (Kapselung mit Parylen) bezeichnet.
Ein mit 2 bezeichnetes Emissionsspektrum bezieht sich auf den vorgenannten Strahlungswandler nach dem Aufbringen der ersten Schutzschicht Parylen und vor den weiteren Packaging-Prozessen.
Ein weiteres Emissionsspektrum, das mit 3 bezeichnet ist, betrifft den vorgenannten Strahlungswandler nach dem kompletten Packaging-Prozess gemäß der DE 10 2006 022 138 A1 .
Wie aus einem Vergleich der drei Emissionsspektren ohne weiteres ersichtlich ist, wird im Verlauf des Herstellungsprozesses bei der Herstellung der einzelnen Packaging-Schichten die Lichtausbeute durch der Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) durch "Vergilbung" (Abnahme des "blau-grünen" Astes des Emissionsspektrums) reduziert. Der "grüne" Ast des Spektrums ist von der "Vergilbung" nicht betroffen.
Wird nach der CsI-Bedampfung eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgesprüht und werden dann die weiteren Packaging-Schritte durchgeführt, so bleibt das Emissionsspektrum 1 nahezu unbeeinflusst (nicht dargestellt).
Eine derart mit einer Anti-Verfärbungssubstanz vor Vergilbung geschützte Leuchtstoffschicht (Szintillatorschicht) mit auf gebrachten Packaging-Schichten bleibt auch bei einer Lagerung unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise erhöhte Temperatur (z. B. 70°C) und erhöhte Luftfeuchtigkeit (z. B. über 50% rel. Feuchte), stabil und vergilbt nicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006022138 A1 [0005, 0027]
- WO 2007/012564 A1 [0006, 0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. Spahn et al. "Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik" in "Der Radiologe 43 (2003)", Seiten 340 bis 350 [0002]

Claims

Strahlungswandler, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Leuchtstoffschicht wenigstens eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgebracht ist.
Strahlungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine oxidativ wirkende organische Komponente enthält.
Strahlungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine reduktiv wirkende organische Komponente enthält.
Strahlungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine oxidativ wirkende anorganische Komponente enthält.
Strahlungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine reduktiv wirkende anorganische Komponente enthält.
Strahlungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz nach dem Aufbringen auf die Leuchtstoffschicht mittels eines Aktivierungsprozesses aktiviert ist.
Strahlungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aktivierungsprozess um einen thermischen Aktivierungsprozess handelt.
Strahlungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aktivierungsprozess um einen fotochemischen Aktivierungsprozess handelt.
Strahlungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat enthält.
Strahlungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Anti-Verfärbungssubstanz eine Lösung von 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat in Aceton oder in Ethanol vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungswandlers, bei dem auf einem Substrat eine Leuchtstoffschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Leuchtstoffschicht nach dem Aufbringen auf das Substrat wenigstens eine Anti-Verfärbungssubstanz aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine oxidativ wirkende organische Komponente enthält.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine reduktiv wirkende organische Komponente enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine oxidativ wirkende anorganische Komponente enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz eine reduktiv wirkende anorganische Komponente enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz nach dem Aufbringen auf die Leuchtstoffschicht mittels eines Aktivierungsprozesses aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aktivierungsprozess um einen thermischen Aktivierungsprozess handelt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aktivierungsprozess um einen fotochemischen Aktivierungsprozess handelt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Verfärbungssubstanz 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Anti-Verfärbungssubstanz eine Lösung von 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat in Aceton oder in Ethanol vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Leuchtstoffschicht durch Eintauchen in die Anti-Verfärbungssubstanz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Leuchtstoffschicht durch Aufsprühen der Anti-Verfärbungssubstanz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Leuchtstoffschicht durch Abscheidung der Anti-Verfärbungssubstanz in einer Gasphase erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Leuchtstoffschicht durch Rakeln der Anti-Verfärbungssubstanz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Leuchtstoffschicht durch Spin-Coating der Anti-Verfärbungssubstanz erfolgt.