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Die
Erfindung betrifft eine Szintillatorplatte mit einem strahlendurchlässigen
Substrat, auf dem eine Szintillatorschicht aufgebracht ist.
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Eine
derartige Szintillatorplatte wird beispielsweise in einem digitalen
Röntgendetektor (Flachbilddetektor, Flat Panel Detector)
in Kombination mit einer aktiven Matrix (zweidimensionale, pixelierte
Fotosensoren) verwendet, die in eine Vielzahl von Pixel-Ausleseeinheiten
mit Fotosensoren unterteilt ist. Die auftreffende Röntgenstrahlung
wird zunächst im Szintillator der Szintillatorplatte in
sichtbares Licht umgewandelt, das von den Fotosensoren 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.
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Für
Detektorflächen größer als 20 cm × 20 cm
werden die Fotosensoren typischerweise auf der Basis von amorphem
Silizium hergestellt. Bei kleineren Detektorflächen, beispielsweise
in der Dentaltechnik, können auch Fotosensoren aus kristallinem Silizium,
so genannte CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren, eingesetzt werden.
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Übliche
Szintillatorschichten bestehen aus CsI:Tl (Cäsiumiodid,
mit Thallium dotiert), CsI:Na (Cäsiumiodid, mit Natrium
dotiert), NaI:Tl (Natriumiodid, mit Thallium dotiert) oder ähnlichen
Materialien, die Alkali-Halogenide enthalten, wobei CsI sich besonders
gut als Szintillatormaterial eignet, da es nadelförmig
aufgebracht werden kann. Durch die nadelförmige Struktur
des Cäsiumiodids erhält man trotz hoher Schichtdicke,
die eine optimale Absorption der Röntgenstrahlung sicherstellt,
eine gute Ortsauflösung des Röntgenbildes.
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Durch
die
US 2003/0116714
A1 ist es bekannt, eine Szintillatorschicht direkt auf
einem Fotosensor, z. B. auf einem CCD-Sensor, abzuscheiden. Der
Fotosensor dient somit als Substrat für die Szintillatorschicht.
Um die optischen Eigenschaften des Cäsiumiodids in gewünschter
Weise zu beeinflussen, muss der das Substrat bildende Fotosensor
mit der aufgedampften Szintillatorschicht einer thermischen Behandlung
unterzogen werden. Bei den hierfür erforderlichen Temperaturen
besteht die Gefahr, dass die Fotodioden des Fotosensors degradieren,
wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit stark erhöht.
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In
der
US 6,573,506 B2 ist
ein Röntgendetektor beschrieben, bei dem die Szintillatorschicht
auf einer Faseroptik (FOP, Fiber Optical Plate) aufgedampft und
mit einem als CCD- oder CMOS-Chip ausgeführten Fotosensor
verklebt ist. Diese Technik ist aus Kostengründen auf kleine
Röntgendetektoren, insbesondere für Mammographie-
und Dentalanwendungen (interoral), begrenzt. Durch das Verkleben sind
die FOPs mit ihren Szintillatorschichten nicht mehr zerstörungsfrei
vom Fotosensor abnehmbar.
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Durch
die
US 6,849,336 B2 ist
es bekannt, einen Röntgendetektor, dessen strahlendurchlässiges
Substrat vorzugsweise Kohlenstoff enthält (Glaskohlenstoffplatte),
mit einer Szintillatorschicht zu versehen. Die Ankopplung eines
solchen ebenen Substrats an einen CCD-Sensor erfolgt – wie
beispielsweise in der
US
6,469,305 B2 beschrieben – mittels eines ”Immersionsöls” (”matching
oil”), wobei die Abdichtung und Anbindung an den pixelierten
Fotosensor mittels eines Kunstharzes erfolgt.
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In
der
DE 10 2005
029 196 A1 ist ein Röntgendetektor offenbart,
bei dem die Szintillatorplatte ein strahlendurchlässiges
Substrat aus Aluminium, Titan oder Magnesium umfasst, auf das eine
Szintillatorschicht aufgebracht ist. Die Szintillatorplatte ist als
Szintillatorhülle ausgeführt und umschließt
die Szintillatorschicht an den dem Fotosensor abgewandten Seiten.
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Aus
der
DE 10 2006
022 138 A1 und der
DE 10 2006 024 893 A1 ist jeweils eine Szintillatorplatte für
einen Röntgendetektor bekannt. Die Szintillatorplatte umfasst
ein strahlendurchlässiges Substrat, auf dem eine Szintillatorschicht
aufgebracht ist. Das Substrat besitzt vorzugsweise eine Schichtdicke
von ca. 300 μm bis ca. 500 μm. Die aufgedampfte
Szintillatorschicht weist eine Dicke von ca. 50 μm bis
ca. 600 μm auf.
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Substrate
aus Aluminium mit Schichtdicken von ca. 300 μm sind für
Detektorflächen bis ca. 25 cm × 25 cm unkritisch.
Bei Detektorflächen bis ca. 48 cm × 48 cm verbiegen
oder knicken derart dünne Substrate aus Aluminium relativ
leicht während der Herstellung der Szintillatorplatten
oder bei der Montage der Röntgendetektoren. Diese mechanischen
Verformungen können zu Rissen im Substrat führen,
wodurch die Absorptionseigenschaften und damit die Strahlendurchlässigkeit
des Substrats in nachteiliger Weise verändert werden. Darüber
hinaus beeinflussen Risse und/oder Knicke im Substrat in diesen
Bereichen den Kontakt der Szintillatorschicht mit den Fotodioden
stark, wodurch sich die Ortsauflösung des Strahlungsdetektors
entsprechend stark verschlechtert.
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Wählt
man Substrate mit Schichtdicken von mehr als 500 μm, so
nimmt die Röntgenabsorption entsprechend zu und damit die
Röntgentransparenz im gleichen Maß ab. Die Empfindlichkeit
derartiger Röntgendetektoren ist somit entsprechend gering.
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Röntgentransparente
Substrate aus Kunststoff, die in der Regel eine größere
mechanische Stabilität aufweisen, halten den beim Herstellungsprozess
auftretenden thermischen Belastungen, insbesondere bei der Wärmebehandlung
zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften, nicht stand.
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Durch
die
DE 196 15 595
A1 ist ein digitales Bildsystem bekannt, das einen Röntgenbildwandler aufweist.
Der digitale Röntgenbildwandler besteht aus einer Fotodioden-Matrix
oder aus einem oder mehreren CCD-Bildsensoren, die mit einem Rönt gen-Bildverstärker
oder einer Szintillatorschicht aus einer gegenüber Röntgenstrahlung
empfindlichen Leuchtstoffschicht gekoppelt sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Szintillatorplatte zu schaffen,
die bei guter Strahlendurchlässigkeit eine höhere
mechanische Stabilität aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Szintillatorplatte
gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Szintillatorplatte
sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die
Szintillatorplatte nach Anspruch 1 umfasst ein strahlendurchlässiges
Substrat, auf dem eine Szintillatorschicht aufgebracht ist, wobei
das Substrat erfindungsgemäß aus einem zellulären
metallischen Werkstoff besteht und eine glatte, geschlossene Außenhaut
aufweist.
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Das
Substrat der erfindungsgemäßen Szintillatorplatte
besteht aus einem zellulären metallischen Werkstoff, wie
z. B. Metallschaum oder Metallschwamm. Derartige Werkstoffe sind
z. B. aus der
WO
2006/119657 A1 bekannt.
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Metallschaum
ist ein Werkstoff, bei dem die Hohlräume kein im Wesentlichen
vollständig zusammenhängendes Netzwerk ausbilden,
sondern vielmehr in Form von Poren ausgebildet sind. Offenporiger
Metallschaum ist neben seinem Ausgangsmaterial durch seine Porosität
(Poren per Inch und Porengröße) charakterisiert.
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Bei
Metallschwamm handelt es sich um ein zusammenhängendes
Netzwerk auf metallischer Basis, das über Hohlräume
in Form eines im Wesentlichen zusammenhängenden Netzwerks
verfügt.
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Aufgrund
der geringen Dichte dieser Materialien, vorzugsweise kleiner als
1 g/cm3, kann das Substrat bei der Szintillatorplatte
nach Anspruch 1 deutlich dicker ausgeführt werden als bei
den bekannten Substraten, die z. B. aus Aluminium (Dichte ca. 2,7
g/cm3) bestehen. Damit erhält man
trotz der großen Schichtdicke eine geringere Strahlenabsorption
im Substrat und somit eine entsprechend höhere Strahlendurchlässigkeit
des Substrats bei gleichzeitig verbesserter mechanischer Festigkeit,
die aus der größeren Schichtdicke resultiert.
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Durch
die höhere mechanische Festigkeit des Substrats tritt ein
Verbiegen oder ein Knicken während der Herstellung der
Szintillatorplatte und bei der Montage des Strahlungsdetektors nicht
auf. Risse im Substrat, die in diesem Bereich die Strahlenabsorption
erhöhen, also die Strahlendurchlässigkeit verringern,
sowie den Kontakt der Substratunterseite mit den Fotodioden stark
beeinträchtigen, werden durch die erfindungsgemäße
Lösung zuverlässig verhindert. Mit der Szintillatorplatte
gemäß Anspruch 1 ist damit bei guter Ortsauflösung
auch ein Strahlungsdetektor mit einer Detektorfläche von
bis zu 48 cm × 48 cm und größer problemlos
herstellbar.
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Weiterhin
ist bei der erfindungsgemäßen Lösung
eine gute Temperaturbeständigkeit der aus einem zellulären
metallischen Werkstoff bestehenden Substrats gewährleistet,
so dass Wärmebehandlungen während des Fertigungsprozesses
problemlos möglich sind und Schädigungen des Substrats
zuverlässig vermieden werden.
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Durch
die glatte, geschlossene Außenhaut ist ein problemloses
Aufbringen der Szintillatorschicht auf das Substrat gewährleistet.
Das Glätten und Schließen der Außenhaut
des Substrats kann durch eine Beschichtung der Außenhaut
erfolgen, d. h. wenigstens eine der Außenflächen
des Substrats 2 wird beschichtet. Die Außenflächen
weisen in den beschichteten Bereichen keine offenporigen Flächen mehr
auf. Hierfür geeignete Beschichtungsmaterialien sind z.
B. Polyimide und Polybenzoxazole, die eine ausreichende thermische
Beständigkeit aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße Szintillatorplatte ist sowohl
für Röntgendetektoren als auch für andere Strahlungsdetektoren
geeignet. Das erfindungsgemäße Substrat kann auch
für die Beschichtung mit Speicherleuchtstoffen eingesetzt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist der zelluläre metallische
Werkstoff eine Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierung enthält
hierbei vorzugsweise geringe Anteile aus einem der folgenden Materialien
oder aus einer Kombination dieser Materialien: Silizium, Magnesium,
Kupfer, Mangan, Beryllium, Zink.
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Bevorzugte
Aluminiumlegierungen sind beispielsweise AlSi6Cu4 (Aluminium mit
6 Gew.-% Silizium und 4 Gew.-% Kupfer) oder AlSi10 (Aluminium mit
10 Gew.-% Silizium) oder AlMg1SiO0,5 (Aluminium mit 1 Gew.-% Magnesium
und 0,5 Gew.-% Siliziumoxid).
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der zelluläre
metallische Werkstoff eine Zinklegierung. Die Zinklegierung enthält
hierbei vorzugsweise geringe Anteile aus einem der folgenden Materialien
oder aus einer Kombination dieser Materialien: Silizium, Magnesium,
Kupfer, Mangan, Beryllium.
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Eine
bevorzugte Zinklegierung ist ZnCu4 (Zink mit 4 Gew.-% Kupfer).
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Szintillatorplatte anhand der Zeichnung näher erläutert,
ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur
zeigt diese Szintillatorplatte in nicht maßstabsgerechter
und stark schematisierter Schnittansicht.
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In
der Zeichnung ist mit 1 eine Szintillatorplatte bezeichnet,
die nach ihrer Fertigstellung auf bekannte Weise in einen Strahlungsdetektor,
vorzugsweise einen Röntgendetektor, eingebaut wird.
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Die
Szintillatorplatte 1 umfasst ein strahlendurchlässiges
Substrat 2, auf dem auf bekannte Weise eine Szintillatorschicht 3 aus
mit Thallium dotiertem Cäsiumiodid (CsI:Tl) aufgebracht
ist. Das Substrat 2 besteht erfindungsgemäß aus
einem zellulären metallischen Werkstoff, im dargestellten
Ausführungsbeispiel Metallschaum, und weist eine glatte, geschlossene
Außenhaut auf.
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Das
Glätten und Schließen der bei Metallschaum offenporigen
Außenhaut des Substrats 2 kann durch eine Beschichtung
der Außenhaut des Substrats 2 erfolgen, d. h.
wenigstens eine der Außenflächen des Substrats 2 wird
beschichtet.
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Aufgrund
der Porosität beträgt die Dichte des zellulären
metallischen Werkstoffs bei einem offenporigen Metallschaum aus
einer Aluminiumlegierung nur ca. 6% bis ca. 15% des Ausgangsmaterials.
Geschlossene Metallschäume haben eine Dichte von ca. 0,5
g/cm3 bis ca. 0,7 g/cm3.
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Aufgrund
der geringen Dichte von ρ < 1 g/cm3 wird
bei dem in der Zeichnung dargestellten Substrat 2 deutlich
weniger Strahlung absorbiert als bei einem Substrat aus Aluminiumblech
(ρ ≈ 2,7 g/cm3).
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel kann für das
Substrat 2 aus einem zellulären metallischen Werkstoff
damit eine deutlich größere Schichtdicke, z. B.
etwa 2 mm, gewählt werden, ohne gegenüber einem
Substrat aus 0,5 mm Aluminiumblech die Strahlenabsorption zu erhöhen
bzw. die Strahlendurchlässigkeit zu verringern, wobei gleichzeitig
eine deutlich verbesserte mechanische Stabilität gewährleistet
ist.
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Damit
erhält man trotz der großen Schichtdicke eine
geringere Strahlenabsorption im Substrat 2 und somit eine
entsprechend höhere Strahlendurchlässigkeit des
Substrats 2 bei gleichzeitig verbesserter mechanischer
Festigkeit, die aus der größeren Schichtdicke
resultiert.
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Durch
die höhere mechanische Festigkeit des Substrats 2 tritt
ein Verbiegen oder ein Knicken während der Herstellung
der Szintillatorplatte 1 und bei der Montage des Strahlungsdetektors
nicht auf. Risse im Substrat 2, die in diesem Bereich die
Strahlenabsorption erhöhen, also die Strahlendurchlässigkeit
verringern, sowie den Kontakt der Szintillatorschicht 3 mit
den Fotodioden stark beeinträchtigen, werden zuverlässig
verhindert.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Szintillatorplatte
1 weist die Szintillatorschicht
3 eine
Passivierungsschicht
4 auf, die beispielsweise gemäß den
in der
DE 10 2006
022 138 A1 und in der
DE 10 2006 024 893 A1 beschriebenen Maßnahmen
aufgebracht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2003/0116714
A1 [0005]
- - US 6573506 B2 [0006]
- - US 6849336 B2 [0007]
- - US 6469305 B2 [0007]
- - DE 102005029196 A1 [0008]
- - DE 102006022138 A1 [0009, 0024, 0039]
- - DE 102006024893 A1 [0009, 0039]
- - DE 19615595 A1 [0013]
- - WO 2006/119657 A1 [0017]
- - DE 10301284 A1 [0024]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - M. Spahn et
al. ”Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik” in ”Der
Radiologe 43 (2003)”, Seiten 340 bis 350 [0002]