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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Formteil für Strahlungswandler, die einfallende
Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches
mit Hilfe von Leuchtstoffen in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches
umwandeln, wobei das Formteil eine Lichteintrittsseite für die einfallende
Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches,
eine Lichtaustrittsseite für
die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches und mehrere nebeneinander
angeordnete und zur Lichtaustrittsseite hin offene Aufnahmekammern für gießfähige Leuchtstoffe
aufweist.
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Strahlungswandler
werden in vielen Bereichen eingesetzt, in denen Strahlung eines
ersten Wellenlängenbereiches
in Strahlung eines anderen Wellenlängenbereiches umgewandelt werden
soll. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn nur Detektoren
für den
zweiten Wellenlängenbereich kostengünstig zur
Verfügung
stehen, jedoch Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs nachgewiesen werden
soll. So werden insbesondere im Bereich der Röntgen- und Gammadetektion vielfach
Szintillatoren als Strahlungswandler eingesetzt, in denen die Röntgen- oder
Gammastrahlung absorbiert und von geeigneten Leuchtstoffen in optische
Strahlung, d. h. Strahlung im IR- oder
im sichtbaren Wellenlängenbereich,
umgewandelt wird, die dann mit Photodetektoren nachgewiesen wird.
Die Herstellung derartiger Szintillatoren, wie sie bspw. in Röntgendetektoren
in der Computertomographie (CT) eingesetzt werden, kann mit Hilfe
von gießfähigen Leuchtstoffen
erfolgen. Unter gießfähigen Leuchtstoffen
werden hierbei Leuchtstoffe verstanden, die als Füllstoffe
in einer Vergussmasse dispergiert oder gelöst sind, die sich nach dem
Vergießen,
ggf. unter zusätzlicher
Einwirkung von Temperatur oder UV-Licht, verfestigt. Im Falle einer
polymeren Vergussmasse wird dadurch eine Festkörpermatrix erhalten, in der
die Leuchtstoffe eingebettet sind. Die gießfähigen Leuchtstoffe werden für die Herstellung
des Szintillators in ein Reflektorformteil gegossen, das nebeneinander
angeordnete Aufnahmekammern für
die Vergussmasse aufweist. Diese Aufnahmevolumina sind so dimensioniert
und angeordnet, dass sie ein ein- oder mehrzeiliges Array für den Detektor
bilden. Jede Aufnahmekammer stellt dabei ein einzelnes Aufnahmepixel
des Detektors dar. Die Aufnahmekammern sind auf der Eintrittsseite
der Röntgenstrahlung
geschlossen, jedoch für
Röntgenstrahlung
durchlässig,
und zur gegenüberliegenden
Seite für
die Emission des durch Umwandlung der Röntgenstrahlung erzeugten Lichts offen.
An dieser Lichtaustrittsseite werden dann die Detektoren, bspw.
Photodioden, zum Nachweis der erzeugten Strahlung angekoppelt. Von
dieser Seite wird bei der Herstellung auch der gießfähige Leuchtstoff
eingegossen.
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Bei
der Herstellung eines Szintillators mit einem derartigen Reflektorformteil
treten jedoch unterschiedliche Probleme auf. So tritt aufgrund der
Eigenschaften der Vergussmassen bei der Verfestigung ein Schrumpf
auf, im Falle einer polymeren Vergussmasse auch als Polymerisationsschrumpf
bezeichnet, der sich insbesondere auf die Vergusshöhe der einzelnen
Pixel auswirkt. Weiterhin können
beim Befüllen
der Aufnahmekammern unerwünschte
Lufteinschlüsse
auftreten. Beide Effekte führen
zu einer Verschlechterung der Bildqualität des Detektors, der einen
derartigen Strahlungswandler einsetzt. Für eine zufrieden stellende
Bildqualität
sollte eine gleichmäßige Vergusshöhe der einzelnen
Pixel sowie ein einschlussfreier Verguss des Leuchtstoffes sicher
gestellt werden.
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Bisher
sind der Anmelderin für
das Verfüllen der
Aufnahmekammern in den Reflektorformteilen mit gießfähigen Leuchtstoffen
zwei Techniken bekannt. Bei der ersten Technik erfolgt das Verfüllen der Aufnahmekammern
unter Vakuum in einer Vakuumkammer. Dies ist jedoch ein aufwendiger
Prozess. Bei der zweiten Technik wird zunächst die Vergussmasse unter
Normaldruck über
den Aufnahmekammern appliziert. Anschließend wird durch Anlegen eines
Vakuums die Luft aus den Aufnahmekammern evakuiert und die Vergussmasse
fließt
in die Aufnahmekammern ein. Durch Belüften werden dann noch Restvolumina
mit der Vergussmasse ausgefüllt.
Diese Schritte müssen
unter Umständen
mehrmals wiederholt werden.
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Bei
beiden Techniken kann jedoch nicht überstandsfrei verfüllt werden.
Der verfahrensbedingte Überstand
an ausgehärteter
Vergussmasse muss dann in einem weiteren Prozessschritt abgetragen
werden. Weiterhin erfordern diese Techniken eine ausreichende Fließfähigkeit
der Vergussmasse, um eine Verfüllung
der Kavitäten
durch Nachfließen zu
ermöglichen.
Die Fließfähigkeit
der Vergussmassen wird jedoch durch hohe Füllgrade mit den eingesetzten
Leuchtstoffen verringert, wie sie gerade zur Erhöhung der Röntgenabsorption und damit der
Effizienz des Strahlungswandlers angestrebt werden.
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Die
DE 44 06 998 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung einer Röntgenverstärkerfolie, die durch eine mit
Leuchtstoff befüllte
Trägerplatte
gebildet wird. Für
die Herstellung wird eine aus einem Bindemittel und dem Leuchtstoff
hergestellte Folie auf die mikrostrukturierte Trägerplatte gelegt, die eine Vielzahl
von Vertiefungen aufweist, die voneinander durch Stege getrennt
sind. Unter Vakuum werden die beiden Teile auf eine Arbeitstemperatur
gebracht, die oberhalb der Erweichungstemperatur der Folie und unterhalb
der Erweichungstemperatur der Trägerplatte
liegt. Gleichzeitig werden die beiden Teile gegeneinander gepresst,
so dass die Stege der mikrostrukturierten Trägerplatte in die erweichte
Folie eindringen und die Vertiefungen dadurch mit dem Material der
Folie ausgefüllt
werden.
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Die
US 7 329 875 B2 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Detektorarrays, bei dem ein Szintillatormaterial
in fließfähigem Zustand
in eine pixelierte Gussform gegeben und dort verfestigt wird. Das
Material der Gussform wird anschließend entfernt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Formteil zur
Herstellung eines Strahlungswandlers anzugeben, das eine überstands-
und einschlussfreie Befüllung
der Aufnahmekammern in einfacher Weise ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit dem Formteil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Formteils sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Das
vorgeschlagene Formteil für
Strahlungswandler, die einfallende Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches
mit Hilfe von Leuchtstoffen in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches
umwandeln, weist eine Eintrittsseite für die einfallende Strahlung
des ersten Wellenlängenbereiches
und eine Austrittsseite für
die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches sowie mehrere
nebeneinander angeordnete und zur Austrittsseite hin offene Aufnahmekammern
für gießfähige Leuchtstoffe
auf. Die Aufnahmekammern weisen zur Eintrittsseite hin eine Begrenzungswand
auf, in der für
jede Aufnahmekammer zumindest eine Entlüftungsöffnung eingebracht ist.
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Durch
die Entlüftungsöffnungen
an der Eintrittsseite der Strahlung kann das Formteil unter Normaldruck
verfüllt
werden, ohne dass sich durch die Verfüllung Lufteinschlüsse bilden.
Dies ermöglicht zudem
eine überstandsfreie
Verfüllung,
beispielsweise durch bündiges
Auflegen einer Lochplatte, wobei die Vergussmasse dann überstandsfrei
durch die Öffnungen
der Lochplatte in die Aufnahmekammern eingepresst werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Entlüftungsöffnungen
so dimensioniert, dass sie beim Verfüllen der Aufnahmekammern mit
dem gießfähigen Leuchtstoff
eine Menge an Vergussmasse aufnehmen können, die ausreicht, um den
bei der Verfestigung der Vergussmasse in der Aufnahmekammer auftretenden
Volumenschrumpf auszugleichen. Bei üblichen in diesem Bereich eingesetzten Vergussmassen
wird dieser Ausgleich in der Regel erreicht, wenn das Volumen der
Entlüftungsöffnung etwa
0,2–2%
des Volumens der jeweiligen Aufnahmekammer entspricht. Vorzugsweise
sind die Entlüftungsöffnungen
hierbei so ausgebildet, dass sie sich zur Eintrittsseite der Strahlung
hin erweitern. Auf diese Weise wird die Entfernung des Spritzgusswerkzeugs
bei der Herstellung der Formteile mittels Spritzguss erleichtert.
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Die
Entlüftungsöffnungen
gewährleisten
in diesem Fall auf der einen Seite ein sicheres Entlüften bei
Normaldruck und bieten auf der anderen Seite aufgrund ihrer Dimensionierung
gleichzeitig ein Ausgleichsvolumen für den Schrumpf des Vergussmaterials.
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Durch
die Möglichkeit
der Befüllung
unter Normaldruck verringern sich die Produktionskosten des Strahlungswandlers.
Das Formteil ermöglicht
zudem eine überstandsfreie
Befüllung.
Damit entfällt der
für den
Abtrag des Überstands
erforderliche Prozessschritt, so dass die Produktionskosten weiter
erniedrigt werden. Der Strahlungswandler lässt sich damit auch in einem
umweltgerechten Fertigungsprozess herstellen, da keine Schwermetallrückstände aus
den bekannten abtragenden Prozessen anfallen. Die Herstellung eines
Strahlungswandlers mit diesem Formteil erfordert auch kein Nachfließen von Vergussmasse
in evakuierte Hohlräume,
so dass auch höher
viskose Vergussmassen mit höheren Füllgraden
möglich
sind. Dies wiederum erhöht
die Effizienz eines derartigen Wandlers. Bei Bedarf kann auch der
Volumenschrumpf der Vergussmasse durch entsprechende Dimensionierung
der Entlüftungsöffnungen
vollständig
ausgeglichen werden.
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Das
vorgeschlagene Formteil lässt
sich durch urformende Verfahren kostengünstig fertigen. Vorzugsweise
bietet sich hier der Spritzguss an. Zusätzlich können an der Eintrittsseite
oder Austrittsseite der Strahlung weitere Formmerkmale realisiert werden,
bspw. Formmerkmale für
CT-Detektormodule, insbesondere zur Positionierung von Anschlusskonstruktionen
wie Streustrahlungskollimatoren oder Photodioden.
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Die
Begrenzungswände
der Aufnahmekammern sind vorzugsweise aus einem für den zweiten Wellenlängenbereich
reflektierenden Material gefertigt oder mit einem derartigen Material
beschichtet. Dadurch wird vermieden, dass Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches
in Richtung der Strahleneintrittsseite wieder aus dem Wandler austritt
oder in benachbarte Aufnahmekammern bzw. Pixel überspricht. Die Detektorbauteile
wie bspw. Photodioden werden in bekannter Weise an der Austrittsseite
an die einzelnen Aufnahmevolumina angekoppelt. Dies kann bspw. durch
direkten Kontakt oder auch über Lichtwellenleiter
erfolgen.
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Die
Aufnahmekammern sind bei dem vorgeschlagenen Formteil vorzugsweise
in Form eines ein- oder mehrzeiligen Arrays angeordnet, wie dies
für die entsprechenden
Detektoren, insbesondere Röntgen- und
Gammadetektoren, gewünscht
ist. Das bevorzugte Anwendungsgebiet liegt auch in dem Bereich der
Röntgen-
und Gammadetektoren, wobei dann die Strahlungswandlung von der Röntgen- oder
Gammastrahlung in den sichtbaren Wellenlängenbereich oder ins Infrarote
(IR) erfolgt. Die Erfin dung betrifft damit auch einen Szintillator
für Röntgen- oder
Gammastrahlung, der ein derartiges Formteil aufweist, das mit den
für die
Umwandlung dieser Strahlung geeigneten Leuchtstoffen verfüllt ist.
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Das
Formteil hierbei in seiner äußeren Form an
die gewünschte
Detektorform angepasst, d. h. bspw. plan oder mit einer Krümmung zur
Anpassung an einen Röntgenfokus.
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Das
Formteil wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Formteils für Strahlungswandler
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des vorgeschlagenen
Formteils; und
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3 eine
schematische Darstellung des Einsatzes eines mit dem Formteil ausgestatteten Röntgendetektors
der Computertomographie.
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Für die Herstellung
von Szintillatoren für Röntgendetektoren
auf Basis gießfähiger Leuchtstoffe
wird bisher ein Reflektorbauteil 1 eingesetzt, wie es in
der 1 schematisch im Schnitt dargestellt ist. Dieses
Reflektorbauteil besteht aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Material,
das jedoch gleichzeitig optische Strahlung reflektiert. Das Reflektorbauteil 1 weist
mehrere nebeneinander angeordnete Aufnahmekammern 4 für den gießfähigen Leuchtstoff
auf, die auf der Strahleneintrittsseite 2, auf der die
Röntgenstrahlung
eintritt, mit entsprechenden Begrenzungswänden geschlossen sind. Zur Strahlenaustrittsseite 3 hin,
auf der in einem Röntgendetektor
die Photodetektoren angekoppelt sind, sind diese Aufnahmekammern 4 offen.
Die Begrenzungswände
zwischen den Auf nahmekammern verhindern ein Übersprechen zwischen den einzelnen Kammern
bzw. Pixeln des Strahlungswandlers.
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Die
von der Strahlenaustrittsseite 3 erfolgende Befüllung eines
derartigen Reflektorbauteils 1 mit dem gießfähigen Leuchtstoff
ist jedoch aufwendig, da Lufteinschlüsse in den Aufnahmekammern 4 vermieden
werden müssen.
Bei den bisher bekannten Techniken müssen diese Aufnahmekammern
mit einem Überstand
befüllt
werden, der anschließend
in einem weiteren Prozessschritt abgetragen werden muss.
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Diese
Probleme werden mit dem Formteil gemäß der vorliegenden Erfindung
vermieden, wie es in einer möglichen
Ausführungsform
im Schnitt in 2 dargestellt ist. Dieses Reflektorformteil 1 kann aus
den gleichen Materialien wie die bereits bekannten Reflektorformteile
des Standes der Technik bestehen, beispielsweise aus mit Titandioxid
gefüllten Epoxiden.
Hierbei können
typische Spritzgusswerkstoffe zum Einsatz kommen, die mit Titandioxid
gefüllt
werden, wie z. B. der Spritzgusswerkstoff Vectra® der
Firma Ticona. Zusätzlich
sind bei diesem Reflektorformteil 1 Entlüftungsöffnungen 5 in
die Begrenzungswände
eingebracht, die auf der Strahleneintrittsseite 2 liegen.
Diese Entlüftungsöffnungen 5 erweitern
sich zur Strahleneintrittsseite 2 hin und sind so dimensioniert,
dass sie ein ausreichendes Ausgleichsvolumen für den bei der Verfestigung
der Vergussmasse auftretenden Volumenschrumpf bieten. Bei der Verfestigung
der Vergussmasse kann somit Vergussmasse, die beim Verfüllen auch
in die Entlüftungsöffnungen
eindringt, aus diesen Entlüftungsöffnungen
wieder in die Aufnahmekammer 4 gelangen und so die Volumenabnahme
ausgleichen. Die Verfüllung
kann aufgrund der unter Normaldruck anwendbaren Verfüllungstechniken überstandsfrei
erfolgen, so dass auch keine spätere
Abtragung eines derartigen Überstandes
erforderlich ist.
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In 2 sind
zusätzlich
Schnittstellenformmerkmale zur Positionierung von Anschlusskonstruktionen,
in diesem Beispiel in Form von Nuten 6, in die Begrenzungswände auf
der Strahleneintrittsseite 2 eingebracht. Diese können bspw.
zur Befestigung eines geeigneten Streustrahlenrasters dienen.
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Für den Verguss
eines derartigen Reflektorformteils, wie es für Röntgendetektoren und Gammadetektoren
eingesetzt wird, können
bspw. Vergussmaterialien Verwendung finden, wie sie in der
US 2003/0236388 A1 angeführt sind.
Als Leuchtstoffe können
alle organischen und anorganischen Leuchtstoffe mit CT-geeigneten Leuchtstoffeigenschaften eingesetzt
werden, so zum Beispiel Gd
2O
2S:Pr,Ce. Typische
Abmessungen der Aufnahmekammern betragen bei einem Röntgendetektor
zwischen 1 und 3 mm in Breite, Länge
und Tiefe bei einem gegenseitigen Abstand zwischen 50 und 300 μm. Ein Gammadetektor
weist ähnliche
Abmessungen der Aufnahmekammern bei einer erhöhten Tiefe auf. Die geometrische
Anordnung der einzelnen Aufnahmekammern hängt vom gewünschten Einsatz des Strahlungswandlers
bzw. des darauf basierenden Detektors ab. Im Bereich der Röntgendetektoren
für Computertomographen
sind ein- oder mehrzeilige Detektorarrays im Einsatz, so dass die
Aufnahmekammern entsprechend ein- oder mehrzeilig in dieser Weise angeordnet
sind.
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Die 2 zeigt
in diesem Beispiel einen Abschnitt eines Strahlungswandlers, der
ein- oder mehrzeilig ausgebildet sein kann, in planer Form. Selbstverständlich lassen
sich hierbei auch entsprechend gekrümmte Formteile herstellen,
wie sie für Röntgendetektoren
der Computertomographie zum Teil Verwendung finden. Ein Beispiel
für eine
derartige Anwendung zeigt 3. In dieser
Figur ist das von einem Röntgenfokus 7 ausgehende
Röntgenstrahlbündel 8 zu
erkennen, das ein zu untersuchendes Objekt 9 durchdringt
und auf den Röntgendetektor 10 auftrifft.
Ein derartiger Röntgendetektor 10 weist
ein Reflektorformteil gemäß 2 mit
dem darin verfüllten
Leuchtstoff sowie Photodioden zur getrennten Erfassung der in den einzelnen
Aufnahmekammern generierten Strahlung auf. Die einzelnen Detektorelemente 11 bzw.
Pixel dieses Röntgendetektors 10,
die den einzelnen Aufnahmekammern mit den zugehörigen Photodioden entsprechen,
sind in der Figur ebenfalls angedeutet. Durch die gekrümmte Form
wird ein konstanter Abstand zwischen zum Röntgenfokus 7 an jeder
Position des Detektors erreicht.