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Die Erfindung betrifft eine Szintillatorplatte mit einem strahlendurchlässigen Substrat, auf dem eine aus nadelförmigen Kristallen gebildete 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 in der Szintillatorschicht der Szintillatorplatte in sichtbares Licht umgewandelt, das anschließend von den Fotosensoren in elektrische Ladung umgewandelt und ortsaufgelöst gespeichert wird. Diese sogenannte 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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Übliche Szintillatorschichten bestehen aus CsI:Tl (Thallium dotiertes Cäsiumiodid), CsI:Na (Natrium dotiertes Cäsiumiodid), NaI:Tl (Thallium dotiertes Natriumiodid) oder ähnlichen Materialien, die Alkali-Halogenide enthalten. CsI eignet sich hierbei besonders gut als Szintillatormaterial, 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. Die gute Ortsauflösung resultiert aus dem sogenannten "Lichtleiteffekt", der durch die Luftspalte Zwischen den Szintillator-Nadeln erzielt wird.
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Die bekannten Szintillatorplatten, bei denen in den Szintillatorschichten Röntgen- oder Gammastrahlung in Licht umgewandelt wird, werden z.B. in der medizinischen Bildgebung, bei der Prüfung von Fracht und Gepäck sowie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Die für die Szintillatorschichten verwendeten Szintillatormaterialien sollen neben einer hohen Absorption für die einfallende Röntgen- oder Gammastrahlung auch eine hohe Lichtausbeute besitzen. Das erzeugte Licht (z.B. grünes Licht bei CsI:Tl, blaues Licht bei NaI:Tl) wird dann mit einem fotoempfindlichen Element in elektrische Signale umgewandelt und daraus ein Abbild des durchstrahlten Objekts erzeugt. Neben der hohen Absorption und Lichtausbeute spielt somit auch die optische Anpassung zwischen der Emissionswellenlänge, die üblicherweise im blauen oder grünen Spektrum liegt, und der wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit des fotoempfindlichen Elements eine wesentliche Rolle. Auch der Umwandlungsgrad zwischen den detektierten Lichtquanten in Elektronen ist für das fotoempfindliche Element eine wesentliche Kenngröße. Als fotoempfindliche Elemente werden häufig CCDs, amorphes oder kristallines Silizium (Si) und CMOS verwendet. Diese fotoempfindlichen Elemente sind in ihrer Empfindlichkeit spektral auf das Sonnenlicht und somit auf grün emittierende Leuchtstoffe angepasst. Zum Teil werden auch nicht spektral angepasste Si-Fotodioden für grün emittierende Szintillatoren verwendet. Allgemein lässt ist festzustellen, dass durch die spektrale Anpassung der fotoempfindlichen Elemente die Empfindlichkeit im angepassten Spektralbereich etwas erhöht wird. Jedoch besitzen nicht angepasste Fotodioden höhere spektrale Empfindlichkeiten. So ist von nicht angepassten Si-Fotodioden im nahen Infrarotbereich (900 nm–920 nm) die spektrale Empfindlichkeit am höchsten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Szintillatorplatte zu schaffen, dessen Szintillatorschicht im nahen Infrarotbereich eine ausreichend hohe Emissionsleistung 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 gemäß Anspruch 1 umfasst ein strahlendurchlässiges Substrat, auf dem eine aus nadelförmigen Kristallen gebildete Szintillatorschicht aufgebracht ist. Erfindungsgemäß besteht die Szintillatorschicht aus Kupferiodid (CuI).
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Das bei der erfindungsgemäßen Szintillatorplatte für die Szintillatorschicht verwendete Szintillatormaterial Kupferiodid besitzt einen Peak mit einer geringen Intensität bei 425 nm (blaues Spektrum) und einen Peak mit einer hohen Intensität bei 720 nm (rotes Spektrum). Der 720 nm-Peak (Abklingzeit ca. 30 ms bis ca. 40 ms) weist hierbei eine ca. 7,5-mal höhere Intensität auf als der 425 nm-Peak (Abklingzeit von ca. 100 ps).
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Die Abnahme der Intensität der Hauptemission bei ca. 425 nm und Zunahme der Rot-Emission bei etwa 600 nm bis 800 nm tritt infolge der Zunahme von Iod-Fehlstellen ein.
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Kupferiodid besitzt somit seine maximale Emissionsleistung im Bereich von ca. 600 nm bis ca. 800 nm. In diesem Bereich beträgt die Signalstärke einer spektral nicht angepassten Fotodiode aus kristallinem Silizium ca. 0,40 A/W bis ca. 0,55 A/W, wobei das Maximum der Signalstärke bei der vorgenannten Silizium-Fotodiode etwa 0,6 A/W beträgt bei einer Wellenlänge des einfallenden Lichts von ca. 950 nm.
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Bei der Herstellung der CuI-Szintillatorschicht für die erfindungsgemäße Szintillatorplatte wird in einem Kupfer-Verdampfer dem pulverförmigen Kupferiodid pulverförmiges Kupfer zugesetzt. Das Kupferiodid und das Kupfer können anstelle von Pulver auch als Granulat vorliegen.
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Bei einer Temperatur von ca. 600°C bis ca. 650°C und einem Druck von ca. 10–4 mbar bis ca. 10–5 mbar reagiert das gasförmige Iod mit dem pulverförmigen Kupferiodid, wobei sich das gasförmige Iod teilweise zersetzt. Im Kupfer-Verdampfer bilden sich gasförmiges Kupfer (Cu), gasförmiges Iod (I) und gasförmiges Kupferiodid (CuI), wobei das zugesetzte Kupfer-Pulver mit dem im Kupfer-Verdampfer freigesetzten Iod (dampfförmig) zu Kupferiodid (dampfförmig) reagiert.
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Das gasförmige Kupferiodid und das gasförmige Iod treten aus dem Kupfer-Verdampfer aus und schlagen sich als Kupferiodid auf dem Substrat nieder.
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Durch die Zusetzung von Kupfer-Pulver zu Kupferiodid werden eine thermische Zersetzung des Kupferiodids und eine daraus resultierende Verfärbung (beige, gelblich, bräunlich) der auf das Substrat aufgebrachten CuI-Szintillatorschicht verhindert. Man erhält damit eine vorteilhafte Ausgestaltung der Szintillatorplatte gemäß Anspruch 2 und/oder eine vorteilhafte Ausgestaltung der Szintillatorplatte gemäß Anspruch 3.
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Eine deutliche Verfärbung des Kupferiodids kann zu einer entsprechend verringerten Intensität und einer entsprechend geringen Lichtausbeute bei einer Anregung durch einfallende Röntgenstrahlung führen. Die Messungen wurden mit einer CCD-Kamera im Vergleich zu dem Szintillatormaterial Gd2O2S:Tb (Terbium dotiertes Gadoliniumoxysulfid) durchgeführt.
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Erst das Vermischen von CuI-Pulver (bzw. -Granulat) mit Cu-Pulver (bzw. -Granulat) und das anschließende Verdampfen erzeugt eine nahezu weiße CuI-Schicht mit einer hohen Lichtintensität. Je größer das Verhältnis zwischen Cu-Pulver und dem zugemischten CuI-Pulver ist, desto weißer ist die CuI-Schicht und desto höher ist der 720 nm-Peak, wobei gleichzeitig der 425 nm-Peak niedriger wird. Dies kann gegebenenfalls bis zum Verschwinden des 425 nm-Peaks fortgesetzt werden.
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Durch die Reaktion des beim Verdampfen von CuI entstandenen Iods mit Kupfer-Pulver, welches vorher zugemischt wird, entsteht eine nahezu weiße Szintillatorschicht, welche durch Iod-Fehlstellen eine hohe Lichtausbeute aufweist. Durch einen katalytischen Wassereinfluss können die Iod-Fehlstellen verstärkt werden, d.h. der 720 nm-Peak vergrößert sich und der 425 nm-Peak verringert sich entsprechend.
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Bedingt durch das Emissionsmaximum bei ca. 720 nm können Fotodioden zum Detektieren des im Szintillator erzeugten Emissionslichts eingesetzt werden, die eine höhere Empfindlichkeit besitzen als die bisher verwendeten, auf Sonnenlicht ausgelegten Fotodioden.
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Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 Emissionsspektren von Szintillatorschichten, die bei Szintillatorplatten gemäß dem Stand der Technik verwendet werden, im Vergleich mit einem Emissionsspektrum einer Szintillatorschicht aus Kupferiodid und
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2 die Empfindlichkeit einer Silizium-Fotodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts.
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In 1 sind die Emissionsspektren E1 bis E4 folgender Szintillatormaterialien gemäß dem Stand der Technik dargestellt:
- E1
- CsI:Na (Cäsiumiodid, dotiert mit Natrium) mit einem Emissionsmaximum bei ca. 420 nm,
- E2
- Gd2O2S:Pr,Ce (Gadoliniumoxysulfid, dotiert mit Praseodym und Cerium) mit einem Emissionsmaximum bei ca. 515 nm (UFC, Ultra Fast Ceramic),
- E3
- CsI:Tl (Cäsiumiodid, dotiert mit Thallium) mit einem Emissionsmaximum bei ca. 525 nm,
- E4
- Gd2O2S:Tb (Gadoliniumoxysulfid, dotiert mit Terbium) mit einem Emissionsmaximum bei ca. 545 nm.
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Zum Vergleich ist weiterhin das Emissionsspektrum eines Speicherleuchtstoffs dargestellt:
- E5
- CsBr:Eu (Caesiumbromid, dotiert mit Europium) mit einem Emissionsmaximum bei ca. 445 nm.
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Das Emissionsspektrum des erfindungsgemäßen Szintillatormaterials ist ebenfalls dargestellt:
- E6
- CuI (Kupferiodid mit nahezu weißer Färbung) mit einem Emissionsmaximum bei ca. 720 nm.
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Üblicherweise werden für die Umwandlung von Röntgenstrahlung in Licht Szintillatoren (Emissionsspektren E1 bis E4) oder Speicherleuchtstoffe (Emissionsspektrum E5) verwendet, die Licht im blauen Spektralbereich bzw. im grünen Spektralbereich emittieren.
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Als fotoempfindliche Elemente werden beispielsweise CCDs, aSi-Fotodioden und CMOS verwendet, welche spektral auf das Sonnenlicht und somit auf grün emittierende Leuchtstoffe in ihrer Empfindlichkeit angepasst sind. Zum Teil werden auch nicht spektral angepasste Si-Fotodioden für grün emittierende Szintillatoren verwendet. Allgemein lässt sich bemerken, dass durch die spektrale Anpassung der fotoempfindlichen Elemente die Empfindlichkeit im angepassten Spektralbereich etwas erhöht wird, jedoch die Empfindlichkeit von nicht angepassten Si-Fotodioden im nahen Infrarotbereich (900 bis 920 nm) am höchsten ist.
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Bedingt durch das Emissionsmaximum bei ca. 720 nm können Fotodioden zum Detektieren des im Szintillator erzeugten Emissionslichts eingesetzt werden, die eine höhere Empfindlichkeit besitzen als die bisher verwendeten, auf Sonnenlicht ausgelegten Fotodioden. Ein Beispiel für die Empfindlichkeit einer derartigen Fotodiode ist in 2 dargestellt.
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Kupferiodid besitzt seine maximale Emissionsleistung im Bereich von ca. 600 nm bis ca. 800 nm. In diesem Bereich beträgt die Signalstärke der in 2 dargestellten, spektral nicht angepassten Fotodiode aus kristallinem Silizium ca. 0,40 A/W bis ca. 0,55 A/W, wobei das Maximum der Signalstärke bei der in 2 dargestellten Silizium-Fotodiode etwa 0,6 A/W beträgt bei einer Wellenlänge des einfallenden Lichts von ca. 950 nm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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]
