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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Szintillators sowie einen Szintillator.
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Die bei Röntgentomographiegeräte eingesetzten Strahlendetektoren dienen zur Umwandlung einer Röntgenstrahlung in elektrische Signale, welche den Ausgangspunkt für eine Bildrekonstruktion bilden. Derzeit werden indirekt konvertierende Strahlendetektoren auf Szintillatorbasis eingesetzt. Die Konvertierung der Röntgenstrahlen erfolgt bei dieser Art von Detektoren zweistufig. In einer ersten Stufe werden die Röntgenstrahlen mittels eines Szintillators absorbiert und in optisch sichtbare Lichtimpulse umgewandelt. Der Szintillator ist dabei zur Erzielung einer gewissen Ortsauflösung pixelartig strukturiert. Als Szintillatormaterial eigenen sich beispielsweise folgende Verbindungen Gd2O2S:Pr/Ce, (Y,Gd)2O3:Eu, (LuxTby)3Al5O12:Ce, CsI:TI, CsI:Na und CdWO4. Die erzeugten Lichtimpulse werden anschließend in einer zweiten Stufe durch ein mit dem Szintillator optisch gekoppeltes Photodiodenarray in elektrische Signale umgewandelt. Das Photodiodenarray ist dabei aus einer Vielzahl von einzelnen Photodioden aufgebaut und weist eine dem Szintillator entsprechende Struktur auf.
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Die bekannten Strahlendetektoren im humanmedizinischen Bereich arbeiten dabei in einem integrierenden Modus, bei dem die Signale sämtlicher Strahlenquanten aufintegriert werden, die innerhalb eines bestimmten Zeitfensters in ein Pixel treffen. Die erfassten Signale sind dabei im Wesentlichen proportional zur Summe aus den Energiewerten der einzelnen eintreffenden Strahlenquanten. Dabei gehen jedoch die Informationen über die Anzahl und der Energie der einzelnen Strahlenquanten verloren.
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Die quantitative und energieselektive Erfassung der Strahlenquanten bietet jedoch gerade im Bereich der humanmedizinischen Bildgebung eine Reihe von Vorteilen. So ist beispielsweise bei einer quantitativen Erfassung der Strahlenquanten eine Bilderzeugung mit vergleichsweise niedriger Röntgendosis möglich. Bei einer zusätzlichen energieselektiven Erfassung der Strahlenabsorptionsereignisse besteht zudem die Möglichkeit einer materialspezifischen Darstellung und Auswertung der Bildinformation.
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Eine solche Erfassung gestaltet sich jedoch im humanmedizinischen Bereich deshalb als schwierig, da hier Quantenabsorptionsereignisse bei vergleichsweise hohen Quantenflussraten von z. B. mehr als 108 Röntgenquanten/mm2·s zählend erfasst werden müssen.
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Zum Aufbau von zählenden Strahlendetektoren für solch hohe Quantenflussraten werden bei einem ersten Ansatz sogenannte direkt konvertierende Strahlendetektoren untersucht. Bei dieser Art von Detektoren erzeugt ein eintreffendes Strahlenquant in einer Wandlerschicht aufgrund von zum Teil mehrstufigen physikalischen Wechselwirkungsprozessen mit einem Halbleitermaterial freie Ladungsträger in Form von Elektron-Loch-Paaren, die auch als Exzitonen bezeichnet werden. Als Materialien für die Wandlerschicht werden beispielsweise Halbleiterverbindungen wie CdTe, CdZnTe, CdTeSe oder CdZnTeSe untersucht. Diese Materialien weisen eine hohe Röntgenabsorption in dem Energiebereich der medizinischen Bildgebung auf. Ein bisher ungelöstes Problem besteht jedoch darin, dass durch den Herstellungsprozess Störstellen entstehen, aufgrund derer die freigesetzten Ladungsträger demobilisiert, d. h. verlangsamt oder eingefangen, werden. Dieser sogenannte Polarisationseffekt vermindert die Trennungseffizienz der freigesetzten Ladungsträger und führt zu einer Verbreiterung des detektierten elektrischen Signals. Hierdurch besteht die Gefahr, dass Signale von zeitlich dicht hintereinander eintreffenden Quanten so überlagert werden, dass eine Trennung der Ereignisse nicht möglich ist. Daher sind direkt konvertierende Strahlendetektoren bislang nur sehr eingeschränkt zur zählenden Erfassung von Absorptionsereignissen bei hohen Quantenflussraten einsetzbar.
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Ein weiterer Ansatz zum Aufbau eines zählenden Detektors für hohe Quantenflussraten besteht darin, einen indirekt konvertierenden Strahlendetektor mit einem schnelleren Szintillator und einem schnelleren Photodiodenarray aufzubauen. Aus der
US 7,403,589 B1 ist ein solcher optisch zählender Strahlendetektor bekannt, bei dem zur Umwandlung der von den eintreffenden Strahlenquanten erzeugten Lichtimpulse in elektrische Signale Silizium-Photomultiplierer (SiPM) eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um spezielle Avalanche-Dioden, die in dem Geiger-Modus betrieben werden. In dieser Betriebsart wird an die Dioden eine Vorspannung mit einem Wert angelegt, die nahe im Bereich der Durchbruchspannung liegt. Ein einzelnes Exziton kann somit innerhalb von wenigen Nanosekunden einen Durchbruch mit einem hohen Stromwert auslösen. Mit dieser Technologie ist eine rauscharme Detektion der Szintillationsphotonen mit einer bei Hochflussanwendung geforderten hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung realisierbar. Ein für die zählende Erfassung limitierender Faktor ist derzeit die vergleichweise langsame Abklingzeit des Szintillators. Der aus der
US 7,403,589 B1 bekannte Szintillator weist ein Szintillatormaterial aus der folgenden Gruppe auf: LYSO, LaBr3 oder LuTAG. Diese Szintillatoren besitzen Abklingzeiten in einem Bereich von 15 ns bis 50 ns. Zur zählenden Erfassung von Absorptionseigenschaften bei hohen Quantenflussraten von mehr als 10
8 Röntgenquanten/mm
2·s werden jedoch Szintillatoren benötigt, die Abklingzeiten von kleiner als 5 ns besitzen.
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Ausgehend davon ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Szintillators und einen Szintillator anzugeben, mit denen die Voraussetzungen zur quantitativen und energieselektiven Erfassung von Strahlenquanten bei Quantenflussraten von mehr als 108 Röntgenquanten/mm2·s geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Szintillators gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Szintillator gemäß dem nebengeordneten Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Szintillators für einen Strahlendetektor wird der Szintillator mittels eines PVD-Prozesses schichtweise durch Abscheiden eines Szintillatormaterials hergestellt.
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Der PVD-(Physical Vapor Deposition-)Prozess ist ein vakuumbasiertes Abscheideverfahren, bei welchem jeweils eine Schicht durch Kondensation eines molekularen Dampfstrom eines eingesetzten Ausgangs-Szintillatormaterials gebildet wird. Ein derartiger Prozess wird in der Industrie bislang im Wesentlichen zur Beschichtung von Werkzeugen mit Hartstoffschichten auf Basis von Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN) oder Titanaluminiumnitrid (TiAlN) eingesetzt. Die Beschichtung erfolgt mit dem Ziel, die Widerstandfähigkeit des Werkzeugs gegen Umwelteinflüsse zu erhöhen. Sie dient beispielsweise als Oxidationsschutz.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich dieser PVD-Prozess überraschenderweise besonders gut zum Aufbau eines schnellen Szintillators für einen Strahlendetektor eignet. Ein entscheidender Vorteil ergibt sich aus den vergleichsweise niedrig zu realisierenden Prozesstemperaturen in einem Bereich von 100°C bis 300°C beim Aufbau eines Szintillationskristalls. Mit dem PVD-Prozess lassen sich so nämlich insbesondere solche Szintillatormaterialien einsetzen, welche bei solch niedrigen Prozesstemperaturen in einer Phase kristallisieren, in der sie extrem schnelle Abklingzeiten von kleiner gleich 5 ns aufweisen, und welche ansonsten erst bei wesentlich höheren Temperaturen unter Verlust der schnellen Abklingzeiten synthetisieren würden. Der PVD-Prozess eignet sich darüber hinaus zum Aufbau von Schichtdicken in einem Bereich von 1 mm bis 3 mm, so wie sie für Szintillatoren für einen Röntgenstrahlendetektor zur Erzielung einer hohen Strahlenquantenabsorption benötigt werden. Er ist darüber hinaus besonders kostengünstig und kann mit bestehenden PVD-Anlagen ausgeführt werden.
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Darüber hinaus haben die Erfinder erkannt, dass sich mit dem PVD-Prozess insbesondere ein homogenes Schichtwachstum über große Flächen mit wirtschaftlichen Abscheideraten zum Aufbau eines Szintillators realisieren lässt. Der Szintillator erstreckt sich in einem besonders günstigen Fall über das gesamte Strahlendetektormodul. Der Aufwand für ein Zusammenfügen von Einzelsegmenten entfällt somit.
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Als Szintillatormaterial wird vorteilhaft in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung CuI verwendet. CuI verfügt über eine hohe spezifische Dichte von 5,67 g/cm3, so dass eintreffende Röntgenquanten gut absorbiert und in Lichtimpulse umgesetzt werden. Die Lichtausbeute beträgt hierdurch mehr als 1000 Photonen/MeV. Die Emissionswellenlänge liegt in einem Bereich von 420 nm–430 nm. Lichtimpulse eines solchen Wellenlängenbereichs können unmittelbar von einer nachgeschalteten Photodiode auf Siliziumbasis in elektrische Signale umgesetzt werden. Aufgrund der tiefen Prozesstemperaturen von kleiner 300°C kristallisiert CuI in der Gamma-Phase mit Abklingzeiten von kleiner 1,1 ns. Es sind aber auch Abklingzeiten von kleiner 0,27 ns und in einem besonders günstigen Fall von kleiner 0,13 beobachtbar.
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Als Szintillatormaterial wird weiterhin vorteilhaft in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung CsF verwendet. Die spezifische Dichte von CsF ist mit 4,64 g/cm3 ebenfalls hoch und somit für die Absorption von eintreffenden Röntgenquanten gut geeignet. Die Lichtausbeute bei CsF hat hierdurch einen Wert von mehr als 1900 Photonen/MeV. Die Emissionswellenlänge beträgt 390 nm und kann ebenfalls unmittelbar von einer nachgeschalteten Photodiode in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Aufgrund der tiefen Prozesstemperaturen weist der aus CsF hergestellte Szintillator Abklingzeiten in einem Bereich von 2 ns bis 4 ns auf.
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Sowohl CuI als auch CsF basierte Szintillatoren, die mittels des PVD-Prozesses hergestellt werden, eignen sich somit besonders gut zur quantitativen und energieselektiven Erfassung von Absorptionsereignissen bei Hochflussraten mit mehr als 108 Röntgenquanten/mm2·s.
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Der Einsatz eines PVD-Prozesses bietet weiterhin den Vorteil, dass auf einfache Art durch entsprechende Wahl von Prozessparametern gezielt auf die Morphologie des Szintillators und somit auf die resultierenden Schichteigenschaften Einfluss genommen werden kann.
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So ist es beispielsweise durch Vorgabe von Prozessparametern vorteilhaft möglich, dass der PVD-Prozess derart gesteuert wird, dass der Szintillator mit einer geschlossen kristallinen Schichtstruktur ausbildet wird. Unter geschlossen kristalliner Struktur wird in diesem Zusammenhang eine im Wesentlichen kompakte Struktur verstanden, die im Wesentlichen kein Einschlüsse bzw. Hohlräume aufweist.
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Der PVD-Prozess kann durch Vorgabe von Prozessparametern vorzugsweise insbesondere auch so gesteuert werden, dass der Szintillator mit einer nadelförmigen Schichtstruktur ausgebildet wird. Dies hat den Vorteil, dass keine mechanische Nachbearbeitung zur Pixellierung notwendig ist. Es entfällt also insbesondere ein Schlitzen des Szintillators, welches beim Einsatz üblicher Szintillatoren aus einer Keramik zur Ausbildung einer Pixelstruktur notwendig ist.
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Durch entsprechende Vorgabe von Prozessparametern können die so gebildeten Nadeln weiterhin vorteilhaft mit einer vorgebbaren mittleren Dicke und/oder einer vorgebbaren mittleren Verteilungsdichte ausbildet werden. Somit können durch eine entsprechende nadelförmige Schichtstrukturierung auf einfache Weise Pixelgrößen von kleiner 500 μm ohne Beeinträchtigung einer Quanteneffizienz hergestellt werden. Die Nadeln bilden zudem Lichtleiter, in denen sich die Lichtimpulse mit einer Vorzugsrichtung in Längsrichtung der Nadeln ausbreiten. Somit wird ein optisches Übersprechen bereits durch die Art der Schichtstrukturierung in erheblichem Maße reduziert.
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Prozessparameter können dabei beispielsweise Energiedichte, Prozessdruck, Substrattemperatur und geometrische Bauform der Reaktionszonen sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Szintillatormaterial direkt auf einer Photodiode oder einem Photodiodenarray als Substrat abgeschieden. Die aufwendige durchzuführende Positionierung zwischen Szintillator und Photodiodenarray entfällt somit. Insbesondere müssen der Szintillator und das Photodiodenarray nicht mehr mit Positionierhilfsmitteln, beispielsweise in Form von Markern, hergestellt werden. Es sind darüber hinaus keine zusätzlichen Maßnahmen zur optischen und zur mechanischen Kopplung der beiden Elemente erforderlich. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung eines Strahlendetektors in einem erheblichen Maße.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Szintillator, welchen nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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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 erfindungsgemäßen Strahlendetektor,
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2 in blockschaltbildartiger Darstellung einen PVD-Prozess zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Szintillators,
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3 in einer Seitenansicht einen Ausschnitt eines nadelförmig strukturierten Szintillators,
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4 in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines nadelförmig strukturierten Szintillators, und
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5 einen PVD-Prozess zur Herstellung des erfindungsgemäßen Szintillators.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur 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 der 1 ist in zum Teil perspektivischer und zum Teil blockschaltartiger Sicht ein Röntgentomographiegerät in Form eines Computertomographiegerätes 7 dargestellt. Das Computertomographiegerät 7 umfasst einen Patientenlagerungstisch zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten 8. Es umfasst ferner eine nicht dargestellte Gantry mit einem um eine Systemachse Z drehbar gelagerten Aufnahmesystem 9, 2. Das Aufnahmesystem 9, 2 weist eine Röntgenröhre 9 und einen ihr gegenüberliegend angeordneten Strahlendetektor 2 auf, so dass eine im Betrieb von dem Fokus 10 der Röntgenröhre 9 ausgehende Röntgenstrahlung durch den Patienten 8 tritt und auf den Strahlendetektor 2 trifft. Der Strahlungsdetektor 2 ist in mehrere in φ-Richtung aufgereihte Strahlungsdetektormodule 11 segmentiert. Jedes Modul 11 weist in Reihen und in Spalten angeordnete Detektorpixel 12 auf. Bei dem Strahlendetektor 2 handelt es sich um einen indirekt konvertierenden Detektor mit einem erfindungsgemäßen Szintillator 1, der in einem zählenden Betrieb zur quantitativen und energieselektiven Erfassung der Strahlenabsorptionsereignisse betrieben wird.
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Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet werden bei Rotation des Aufnahmesystems 9, 2 um die Systemachse Z Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst, wobei der Strahlendetektor 2 zu jeder Projektion elektrische Signale erzeugt, aus denen die Anzahl und die Energie der einzelnen Strahlenquanten bestimmt werden. Der Strahlendetektor 2 liefert als Ergebnis dieser Verarbeitung einen Satz von Rohdaten. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation des Aufnahmesystems 9, 2 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patientenlagerungstisches in Richtung der Systemachse Z. Die Röntgenröhre 9 und der Strahlendetektor 2 bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn um den Patienten 8. Die auf diese Weise generierten Rohdaten werden in einem Sequenzer serialisiert und anschließend an einen Bildrechner 13 übertragen. Der Bildrechner 13 enthält eine Rekonstruktionseinheit, mit der die Rohdaten zu einem Bild verrechnet werden. Die energieselektive Erfassung ermöglicht eine differenzierte Darstellung nach Gewebeart. So können beispielsweise Weichteil und Knochen in einem Bild getrennt voneinander dargestellt werden. Ein so generiertes Bild wird in einem Speicher gespeichert und auf einer an den Bildrechner 13 angeschlossenen Anzeigeeinheit 14, z. B. einem Videomonitor, angezeigt.
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Der Strahlendetektor 2 umfasst zur zählenden Erfassung einen erfindungsgemäßen Szintillator 1 auf CuI Basis. Der Szintillator 1 ist dabei mittels eines nachfolgend beschriebenen PVD-Prozesses 3 schichtweise hergestellt und verfügt über eine in den 3 und 4 erkennbar nadelförmige Schichtstrukturierung. Er weist extrem kurze Abklingzeiten von kleiner 1,1 ns auf und ist somit für die vorliegende Hochflussanwendung zur zählenden Erfassung von eintreffenden Strahlenquanten mit Flussraten von mehr als 108 Röntgenquanten/mm2·s gut geeignet. Neben CuI eignet sich auch CsF als schnelles Szintillatorbasismaterial 4. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Szintillator 1 unmittelbar auf einem in Strahleneinfallsrichtung dahinter angeordneten Photodiodenarray 6 abgeschieden. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellungsschritte zur Ausrichtung dieser beiden Komponenten relativ zueinander und zur optischen und mechanischen Ankopplung des Szintillators 1 an das Photodiodenarray 6 entfallen. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, den Szintillator 1 zunächst auf einem anderen Substrat als das Photodiodenarray 6 zu synthetisieren und anschließend mit dem Photodiodenarray 6 zusammenzufügen. Bei dem Photodiodenarray 6 handelt es sich um SiPMs, also um spezielle Avalanche-Dioden, die in einem Geiger-Modus betrieben werden. Mit solchen Photodioden sind die im Szintillator 1 erzeugten Lichtimpulse ebenfalls im Nanosekundenbereich in elektrische Signale umsetz- und auswertbar.
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Die 2 zeigt in blockschaltbildartiger Darstellung eine PVD-Anlage 15 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Szintillators 1. Die PVD-Anlage 15 umfasst eine Vakuumkammer 16, in der auf einem Substrathalter 17 das Substrat, hier das Photodiodenarray 6 bzw. das SiPM-Array angeordnet ist. Der Substrathalter 17 ist rotierbar angeordnet und verfügt über ein Heizelement 18, mit welchem das Substrat aufgeheizt werden kann. Dem Substrathalter 17 gegenüberliegend angeordnet befindet sich der Targethalter 19 zur Halterung des Target bzw. des Szintillator-Ausgangsmaterials 4, welches in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel CuI ist. Der Targethalter 19 verfügt über Mittel 20 zum thermischen Verdampfen des Targets. Die Vakuumkammer 16 kann mittels einer über ein Ventil 21 angeschlossenen Pumpe 22 auf ein Arbeitsvakuum gepumpt werden.
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Die Herstellung des Szintillators 1 durch schichtweise Abscheidung des Szintillatormaterials 4 erfolgt nach den in der 5 dargestellten folgenden Prozessschritten:
- a) 23 Vorgabe von Prozessparameter,
- b) 24 Abpumpen der PVD-Anlage 3 auf ein Arbeitsvakuum in einem Bereich von 10–4 Pa bis 10 Pa,
- c) 25 Aufheizen und Rotation des Substrathalters 17 und des Photodiodenarrays 6 bzw. des SiPM-Arrays auf eine Betriebstemperatur von bis zu 300°C,
- d) 26 Erzeugen eines molekularen Dampfstromes durch Verdampfen von CuI auf dem Targethalter 19,
- e) 27 Kontrolle der Schichtdickenbildung,
- f) 28 Abstellen des Dampfstroms und Abkühlen des Substrats nach Bildung einer Schichtdicke von 3 mm.
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In der 3 ist in einer Seitenansicht und in der 4 in einer Draufsicht ein Ausschnitt eines nadelförmig strukturierten Szintillators 1 zu sehen, welcher nach dem eben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Die Nadeln 6 weisen einen Dicke von wenigen Mikrometern auf. Ihre Längsache ist entlang der Strahleneinfallsrichtung 29 ausgerichtet. Durch ihre Geometrie bilden sie Lichtleiter, in denen sich die von den Röntgenquanten erzeugten Lichtimpulse vorzugsweise in Richtung der Längsachse der Nadeln 6 ausbreiten. Hierdurch wird ein optisches Übersprechen auf benachbarte Detektorpixel unterbunden. Die Querschnittsflächen der Nadeln 6 bilden darüber hinaus somit die kleinst mögliche Flächeneinheit zur Pixellierung des Strahlendetektors 2.
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Zusammenfassend kann gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Szintillators 1 für einen Strahlendetektor 2, bei welchem der Szintillator 1 mittels eines PVD-Prozesses 3 schichtweise durch Abscheiden eines Szintillatormaterials 4 hergestellt wird. Durch den Einsatz eines PVD-Prozesses 3 können aufgrund niedriger Prozesstemperaturen von weniger als 300°C Szintillatoren 1 mit Abklingzeiten von weniger als 1,1 ns großflächig hergestellt werden. Hierdurch werden die Voraussetzungen für eine quantitative und energieselektive Erfassung von einzelnen Strahlenquanten auch bei Flussraten von mehr als 108 Röntgenquanten/mm2·s geschaffen. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach einem solchen Verfahren hergestellten Szintillator 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7403589 B1 [0007, 0007]
