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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Strahlenwandlerschicht. Die Erfindung betrifft außerdem eine Strahlenwandlerschicht und ein Strahlendetektormodul.
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Eine Strahlenwandlerschicht als ein Teil eines Strahlendetektors bzw. Strahlendetektormoduls für ein bildgebendes medizinisches Gerät, beispielsweise für ein Computertomographie-, PET-, oder SPECT-Gerät, dient zur Umwandlung von Strahlen, beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlung, in sichtbares Licht. Die Strahlenwandlerschicht weist zu diesem Zweck ein Szintillatorarray auf, welches aus einer Vielzahl von Szintillatoren gebildet ist. Als Szintillatormaterial kommen beispielsweise mit Aktivatoren dotierte Materialen wie Gd2O2S:Pr oder CsI:Tl in Frage. Das von den Szintillatoren bei Eintreffen der Strahlung erzeugte Licht wird wiederum mittels eines zu dem Szintillatorarray ausgerichteten Photodiodenarrays in elektrische Signale umgewandelt. Das Photodiodenarray ist dabei bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Strahlenwandlerschicht üblicherweise auf der von der Strahleneintrittsseite gegenüberliegenden Seite des Szintillatorarrays angeordnet und mit diesem optisch gekoppelt. Ein Szintillator und eine zu dem Szintillator korrespondierende Photodiode bilden als Einheit ein einzelnes Detektorelement des Strahlendetektormoduls. Die auf diese Weise von den Detektorelementen erzeugten elektrischen Signale sind der Ausgangspunkt für eine Rekonstruktion eines Bildes von dem untersuchten Objekt oder von dem untersuchten Patienten.
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Die Szintillatoren sind in dem Szintillatorarray durch sogenannte Septen voneinander getrennt, welche zur Reduzierung bzw. zur Vermeidung eines optischen Übersprechens der erzeugten Lichtimpulse auf benachbarte Detektorelemente ein optisch reflektierendes Material aufweisen. Darüber hinaus ist auf der Strahleneintrittsseite des Szintillatorarrays ein Deckreflektor angeordnet, der üblicherweise das gesamte Szintillatorarray abdeckt und durch den Lichtimpulse in den jeweiligen Szintillator zurückreflektiert und somit am Austritt aus dem Szintillator gehindert werden. Mit dieser Maßnahme wird also die Lichtausbeute zur Wandlung des durch ein eintreffendes Quant der Strahlung erzeugten Lichts in ein elektrisches Signal erhöht.
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Die von der Strahlenquelle ausgehende Strahlung wird im Objekt bzw. im Patienten gestreut, so dass neben den Primärstrahlen der Strahlenquelle auch Streustrahlen, sog. Sekundärstrahlen, auf den Strahlendetektor auftreffen. Diese Streustrahlen verursachen ein Rauschen im dem erzeugten elektrischen Signal und reduzieren die Qualität des rekonstruierten Bildes, was sich im Wesentlichen in einem geringeren Signal- zu Rauschverhältnis bzw. in einem verringerten Kontrast im Bild äußert. Zur Reduzierung von Streustrahleneinflüssen ist daher auf der Strahleneintrittsseite des Szintillatorarrays ein röntgenabsorbierender Kollimator angeordnet, der bewirkt, dass nur Röntgenstrahlung einer bestimmten Raumrichtung auf das Szintillatorarray gelangt. Auf diese Weise können Bildartefakte reduziert und bei gegebenem Kontrast- zu Rauschverhältnis die einem Patienten applizierte Röntgendosis signifikant reduziert werden.
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Der Kollimator weist üblicherweise eine aus einzelnen Lamellen aufgebaute Lamellenstruktur oder eine aus einem Bauteil bestehende gitterförmige Struktur auf. Damit eine hohe Quanteneffizienz für den Nachweis der Strahlen erzielt wird, muss gewährleistet sein, dass der Kollimator möglichst exakt über den Septen des Szintillatorarrays angeordnet ist. Eine Schwierigkeit bei der Ausrichtung des Kollimators besteht insbesondere darin, dass die Septen durch den auf dem Szintillatorarray angeordneten Deckreflektor nicht sichtbar sind und vollständig verdeckt werden. Die Lage und die Breite der Septen sind bei der Ausrichtung des Kollimators somit nicht mehr sichtbar. Eine Ausrichtung des Kollimators erfolgt daher hilfsweise in Bezug zu den Außenkanten des Szintillators unter Einbezug des Vorwissens über die Lage der Septen in Relation zu den Außenkanten des Szintillatorarrays. Die Lagen der Septen im Szintillatorarray weisen jedoch bezüglich der Außenkante durch Fertigungstoleranzen bedingte Ungenauigkeiten auf. Dadurch ist auch die relative Lage des Kollimators zu den Septen mit einer Toleranz behaftet. Um dieser Toleranz bei der Positionierung des Kollimators Rechnung zu tragen, muss die Septenbreite entsprechend groß gewählt werden, damit gewährleistet ist, dass die kollimierte Strahlung jeweils nur auf das vorgesehene Detektorelement trifft und nicht auf benachbarte Detektorelemente überstrahlt. Eine Vergrößerung der Septenbreite ist jedoch gleichzeitig mit einer Verkleinerung der Strahleneintrittsfläche der Szintillatoren verbunden, wodurch die Quanteneffizienz beeinträchtigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Herstellungsverfahren für eine Strahlenwandlerschicht, eine Strahlenwandlerschicht sowie ein Strahlendetektormodul anzugeben, mit denen die Voraussetzungen für eine verbesserte Positionierung eines Kollimators in Bezug zu in einem Szintillatorarray vorhandenen Septen geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Strahlenwandlerschicht gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Strahlenwandlerschicht und ein Strahlendetektormodul mit Merkmalen von den nebengeordneten Ansprüchen 8 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weitergestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Strahlenwandlerschicht mit einem Szintillatorarray und mit einem auf dessen Vorderseite angeordneten Deckreflektor, wobei das Szintillatorarray aus einer Vielzahl von durch Septen voneinander getrennten Szintillatoren gebildet ist, ist durch einen Verfahrensschritt gekennzeichnet, nach welchem auf der von dem Szintillatorarray abgewandten Seite des Deckreflektors ein optisches Referenzmittel zur Kennzeichnung von Lage und/oder Breite der durch den Deckreflektor verdeckten Septen erzeugt wird.
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Durch das Aufbringen eines optischen Referenzmittels unmittelbar auf dem Deckreflektor zur direkten Kennzeichnung der darunter angeordneten Septen sind Abweichungen zwischen der Lage des Kollimators und der Lage der Septen bei der Positionierung des Kollimators auf die Strahlenwandlerschicht optisch sofort erkennbar und können durch entsprechende Nachjustage auf einfache Weise minimiert werden. Die Positionierung des Kollimators ist somit im Vergleich zu einer indirekten Positionierung mittels eines mechanischen Anschlagmittels in Form der Außenkante des Szintillatorarrays mit einem wesentlich geringeren Fehler möglich. Aufgrund der genaueren Positioniermöglichkeit des Kollimiators können somit die Septen mit einer geringeren Breite realisiert werden, da die Gefahr einer Abschattung des Detektorelements durch das Absorberelement des Kollimators und einer versehentlichen Kollimierung auf ein benachbartes Detektorelement reduziert ist. Geringere Breiten der Septen sind mit größeren Strahleneintrittsflächen der einzelnen Szintillatoren verbunden, so dass die Quanteneffizienz und somit die Dosisnutzung des Detektors zur Signalerzeugung erhöht werden.
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Unter Vorderseite des Szintillatorarrays wird in dem Zusammenhang der Erfindung diejenige Seite des Szintillatorarrays verstanden, auf welche im Detektionsbetrieb bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Strahlenwandlerschicht die Strahlen, insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlen, eintreten. Unter Rückseite des Szintillatorarrays wird entsprechend diejenige Seite verstanden, die der Vorderseite entsprechend gegenüberliegt. Septen werden auch als Trennwände oder Trennsepten bezeichnet und werden üblicherweise durch Schlitzen des Szintillationsmaterials erzeugt und anschließend mit einem optisch reflektierenden Material verfüllt. Der Deckreflektor überdeckt das Szintillatorarray und ist aus einer Schicht oder einer Folie mit einem zumindest im Wellenlängenbereich des Szintillationslichts reflektierenden Material hergestellt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Erzeugung des Referenzmittels folgende weitere Verfahrensschritte:
- a) Auftragen einer gegenüber Röntgenstrahlung empfindlichen Schicht auf zumindest einen Teil der von dem Szintillatorarray abgewandten Seite des Deckreflektors und
- b) Bestrahlen der Strahlenwandlerschicht mit Röntgenstrahlung aus Richtung der Rückseite des Szintillatorarrays.
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Szintillatoren und Septen weisen aufgrund der unterschiedlichen Materialbeschaffenheit gegenüber Röntgenstrahlung unterschiedliche Schwächungseigenschaften auf. Der Erfinder hat insbesondere erkannt, dass sich diese unterschiedlichen Schwächungseigenschaften zur Erzeugung eines genauen Abbildes der Septen und somit zur Erzeugung eines optischen Referenzmittels auf der Oberfläche des Deckreflektors nutzen lassen.
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Dies gelingt dadurch, dass der Deckreflektor zunächst mit einer Röntgenstrahlen-empfindlichen Schicht beschichtet wird. Anschließend wird die Strahlenwandlerschicht rückseitig mit Röntgenstrahlen, vorzugsweise im niederenergetischen Bereich, bestrahlt bzw. belichtet. Röntgenstrahlen im Bereich der Septen werden kaum geschwächt und treffen somit mit nahezu unveränderter Intensität auf die Schicht auf, während im Bereich des Szintillators eine starke Schwächung der Röntgenstrahlen erfolgt. In diesen Bereich ist die Intensität der auf die Schicht eintreffenden Strahlung stark herabgesetzt. Die Intensitätsunterschiede der Röntgenstrahlung führen zu unterschiedlichen starken, visualisierbaren chemischen Reaktionen in der aufgetragenen Schicht. Die visualisierte Form dieses Reaktionsprozesses entspricht dem optischen Referenzmittel.
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Das optische Referenzmittel lässt sich daher mit geringem Aufwand durch einen zusätzlichen Schritt in der Fertigung einer Strahlenwandlerschicht herstellen, ohne dass die bisherigen Prozessschritte verändert oder beeinträchtigt werden.
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Eine besonders einfache Herstellung des optischen Referenzmittels mit geringer Anzahl von Prozessschritten ist dann möglich, wenn eine Schicht verwendet wird, die sich in Folge einer auf die Schicht eintreffenden Röntgenstrahlung in Abhängigkeit deren Intensität verfärbt. Das optische Referenzmittel wird also bereits unmittelbar durch den Belichtungsschritt erzeugt.
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Ebenso vorteilhaft ist aber auch die Verwendung einer Schicht mit einem Kristallit, welches in Folge einer auf die Schicht eintreffenden Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von deren Intensität zu einem Reaktionsprodukt chemisch reduziert wird. Vorzugsweise wird als Kristallit ein AgBr-Kristall verwendet, welches in Folge der eintreffenden Röntgenstrahlung zu Silber reduziert wird. Das AgBr-Kristall kann in Form einer Emulsion vorliegen. In diesem Fall ist eine besonders einfache Aufbringung einer Schicht auf den Deckreflektor möglich. Solche Emulsionen werden auch bei herkömmlichen Röntgenfilmen eingesetzt und sind daher leicht verfügbar.
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Vorzugsweise umfasst die Erzeugung des Referenzmittels folgenden weiteren Verfahrensschritt:
- c) Ätzen der Schicht zur Abtragung des Reaktionsproduktes.
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Durch den Ätzvorgang werden die Silberatome aus der Schicht abgetragen. Die verbleibende Struktur der Schicht entspricht dem optischen Referenzmittel, wobei die durch den Ätzvorgang abgetragenen Bereiche der Lage der Septen widerspiegeln.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die gegenüber Röntgenstrahlung empfindliche Schicht selektiv auf Bereiche von Septen im Kreuzungsbereich und/oder im Mittelbereich aufgebracht. Eine lagegenaue Positionierung des Kollimators ist nämlich auch ohne ein vollständiges Abbild der Septen durch Kennzeichnung einzelner Strukturen der Septen möglich.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strahlungswandlerschicht, welche auf der von dem Szintillatorarray abgewandten Seite des Deckreflektors ein optisches Referenzmittel zur Kennzeichnung von Lage und/oder Breite der durch den Deckreflektor verdeckten Septen aufweist.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Strahlendetektormodul mit einer Strahlenwandlerschicht nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein Computertomographiegerät mit einem modulartig aufgebauten Röntgendetektor,
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2 im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Strahlendetektormodul mit einer Strahlenwandlerschicht,
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3 in Strahleneinfallsrichtung eine Draufsicht auf die Strahlenwandlerschicht mit einem optischen Referenzmittel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, und
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4 in Strahleneinfallsrichtung eine Draufsicht auf die Strahlenwandlerschicht mit einem optischen Referenzmittel gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur, wie beispielsweise bei den gezeigten Detektorelementen 12, ist jeweils nur ein Element aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu, wobei Maßstäbe zwischen den Figuren variieren können.
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In 1 ist ein Computertomographiegerät 13 gezeigt, das eine Strahlenquelle 14 in Form einer Röntgenröhre umfasst, von deren Fokus ein Röntgenstrahlenfächer ausgeht. Der Röntgenstrahlenfächer durchdringt ein zu untersuchendes Objekt 15 oder einen Patienten und trifft auf einen Strahlendetektor 16, hier auf einen Röntgendetektor.
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Die Röntgenröhre 14 und der Röntgendetektor 16 sind einander gegenüberliegend an einer Gantry (hier nicht gezeigt) des Computertomographiegerätes 13 angeordnet, welche Gantry in eine φ-Richtung um eine Systemachse Z (= Patientenachse) des Computertomographiegerätes 13 drehbar ist. Die φ-Richtung stellt also die Umfangsrichtung der Gantry und die Z-Richtung die Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts 15 dar.
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Im Betrieb des Computertomographiegerätes 13 drehen sich die an der Gantry angeordnete Röntgenröhre 14 und der Röntgendetektor 16 um das Objekt 15, wobei aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen Röntgenaufnahmen von dem Objekt 15 gewonnen werden. Pro Röntgenprojektion trifft auf den Röntgendetektor 16 durch das Objekt hindurch getretene und dadurch geschwächte Röntgenstrahlung auf. Dabei erzeugt der Röntgendetektor 16 Signale, welche der Intensität der aufgetroffenen Röntgenstrahlung entsprechen. Aus den mit dem Röntgendetektor 16 erfassten Signalen berechnet anschließend eine Auswerteeinheit 17 in an sich bekannter Weise ein oder mehrere zwei- oder dreidimensionale Bilder des Objekts 15, welche auf einer Anzeigeeinheit 18 darstellbar sind.
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Der Röntgendetektor 16 ist im vorliegenden Beispiel insgesamt aus vier einzelnen Strahlendetektormodulen 8 bzw. Röntgendetektormodulen aufgebaut, die in φ-Richtung nebeneinander angeordnet sind und von denen nur eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Segmentierung in Röntgendetektormodule lediglich aus Gründen eines einfacheren Aufbaus eines bogenförmig ausgestalteten Röntgendetektors 16 und aus Gründen einer einfacheren Herstellung und Wartung gewählt wird. Funktion und Aufbau eines einstückig hergestellten, im Vergleich zu einem modulartig hergestellten Röntgendetektor 16 unterscheiden sich nicht.
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Jedes Röntgendetektormodul 8 umfasst eine in 2 im Querschnitt gezeigte Strahlenwandlerschicht 1 mit einem Szintillatorarray 2 und mit einem auf dessen Vorderseite angeordneten Deckreflektor 3. Das Szintillatorarray 2 ist dabei aus einer Vielzahl von durch Septen 4 voneinander getrennten Szintillatoren 5 gebildet. Auf der Rückseite des Szintillatorarrays 2 ist ein entsprechend pixelliertes und zum Szintillatorarray 2 ausgerichtetes Photodiodenarray 9 angeordnet. Auf dem Deckreflektor 3 ist ein optisches Referenzmittel 6 aufgebracht, dessen Funktion und Aufbau im Folgenden beschrieben wird:
Die von dem Fokus 19 der Röntgenröhre 14 ausgehende Primärstrahlung wird u. a. in dem Objekt 15 in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut. Diese sogenannte Sekundärstrahlung erzeugt in den Detektorelementen 12 Signale, die sich von den für die Bildrekonstruktion benötigten Signalen einer Primärstrahlung nicht unterscheiden lassen. Die Sekundärstrahlung würde daher ohne weitere Maßnahme zu Fehlinterpretationen der detektierten Strahlung und somit zu einer erheblichen Verschlechterung der mittels des Computertomographiegerätes 13 gewonnenen Bilder führen. Um den Einfluss der Sekundärstrahlung einzuschränken, wird mit Hilfe einer Kollimator-Anordnung im Wesentlichen nur der von dem Fokus 19 ausgehende Anteil der Röntgenstrahlung, also der Primärstrahlungsanteil, ungehindert auf den Röntgendetektor 16 durchgelassen, während die Sekundärstrahlung im Idealfall vollständig absorbiert wird.
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Die Kollimator-Anordnung umfasst entsprechend der Gliederung der Strahlendetektormodule 8 mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel vier, in φ-Richtung hintereinander angeordnete Kollimatoren 11. Die Kollimatoren 11 können einstückig aber auch aus einzelnen Lamellen aufgebaut sein. Die Stege des Kollimators 11 korrespondieren in Struktur und Anordnung den Septen 4 des Szintillatorarrays 2 und sind aus einem strahlenabsorbierenden Material hergestellt, beispielsweise Wolfram oder Tantal oder einer Legierung mit den Bestandteilen Wolfram und/oder Tantal.
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Bei der Herstellung eines Strahlendetektormoduls 8 mit einem Kollimator 11 besteht eine Schwierigkeit darin, den Kollimator 11 exakt über die durch den Deckreflektor 3 verdeckten Septen 4 des Szintillatorarrays 2 zu platzieren. Das auf dem Deckreflektor 3 angeordnete optische Referenzmittel 6 dient zur exakten Positionierung des Kollimators 11. Das Referenzmittel 6 ist unmittelbar auf der Oberfläche des Deckreflektors 3 angeordnet und, so wie in den 3 und 4 in einer durch die in 2 gezeigte Strahleneinfallrichtung 20 vorgegebenen Draufsicht gezeigt, kennzeichnet zumindest für einzelne Positionen die exakte Lage und Breite der Septen 4.
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In 3 ist mit dem optischen Referenzmittel 6 ein vollständiges Abbild der Septen 4 zu sehen, während in 4 das optische Referenzmittel 6 durch vier optische Marker im Bereich von Kreuzungspunkten der Septen 4 repräsentiert wird.
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Zur Herstellung des optischen Referenzmittels 6 wird auf den Deckreflektor 3 zunächst eine Schicht 7, beispielsweise in Form einer Emulsion oder einer Folie, aufgetragen. Dabei ist es für die Erfindung unerheblich, ob die Schicht 7 flächendeckend oder selektiv an bestimmten Positionen, beispielsweise zur Kennzeichnung von Septen-Kreuzungspunkten, auf den Deckreflektor 3 aufgetragen wird. Die Schicht 7 weist eine gegenüber Röntgenstrahlen empfindliche chemische Verbindung, beispielsweise ein AgBr-Kristall oder eine bei Eintreffen von Röntgenstrahlung farbveränderliche Substanz, auf. Anschließend wird die Strahlenwandlerschicht 1 rückseitig mit Röntgenstrahlung, vorzugsweise niederenergetischer Röntgenstrahlung, bestrahlt, wobei es für die Erfindung weiterhin unerheblich ist, ob das Photodiodenarray 9 in einem vorhergehenden Prozessschritt bereits an die Strahlenwandlerschicht 1 befestigt wurde. Aufgrund der unterschiedlichen Schwächungseigenschaften der Septen 4 und der Szintillatoren 5 und aufgrund der physikalisch-chemischen Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit der Schicht 7, wird ein Abbild der Septen 4 in die Schicht 7 eingeprägt. Bei Verwendung einer farbveränderlichen Substanz werden die Positionen der Septen 4 unmittelbar nach Bestrahlung durch farbliche Markierung sichtbar. Bei Verwendung eines AgBr-Kristalls muss zur Visualisierung der Lage und Breite der Septen 4 ein Ätzschritt ausgeführt werden, bei dem aufgrund einer geringeren Schwächungseigenschaft der Septen 4 das zu Silber reduzierte Kristall im Bereich der Septen 4 gelöst wird.
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Zusammenfassend kann Folgendes gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Strahlenwandlerschicht 1 mit einem Szintillatorarray 2 und mit einem auf dessen Vorderseite angeordneten Deckreflektor 3, wobei das Szintillatorarray 2 aus einer Vielzahl von durch Septen 4 voneinander getrennten Szintillatoren 5 gebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf der von dem Szintillatorarray 2 abgewandten Seite des Deckreflektors 3 ein optisches Referenzmittel 6 zur Kennzeichnung von Lage und/oder Breite der durch den Deckreflektor 3 verdeckten Septen 4 erzeugt wird. Hierdurch werden die Voraussetzungen zur Positionierung eines Kollimators 11 auf der Strahlenwandlerschicht 1 mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht.
