DE102013011077A1

DE102013011077A1 - Detektorplatte zur Strahlungsanalyse und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE102013011077A1
Application number: DE102013011077.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2015000582A3; EP3017458A2; EP3017458B1; US10176975B2; CN105474350A; US20170011896A1; WO2015000582A2; CN105474350B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektorplatte bestehend aus einer spritzgegossenen Trägerplatte mit einer Mehrzahl von Detektorelementen zur Detektion ionisierender Strahlung. Die Detektorelemente funktionieren gemäß dem Prinzip eines Geiger-Müller-Zählers, wobei nunmehr die Erfindung zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses und zur Kostenersparnis vorschlägt, dass die Anode und/oder die Kathode als nicht in einer einzigen Ebene liegenden Metallisierung auf der spritzgegossenen Trägerplatte der Detektorplatte ausgebildet ist. Auf diese Weise ergeben sich vielfältige Möglichkeiten den als Ionisationskammer verwendeten Innenraum auszubilden und die Elektroden in diesem Raum anzuordnen. Auch die Kontaktierungsmöglichkeiten mit weiteren Leiterplatten stellen sich als sehr vorteilhaft heraus. Dies wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf den Herstellungsprozess aber auch auf die Qualitäten der Strahlungsmessgeräte aus, die derartige Detektorplatten verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektorplatte mit einer Mehrzahl von Detektorelementen zur Detektion ionisierender Strahlung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Analysegerät mit einer derartigen Detektorplatte und ein Herstellungsverfahren zur Herstellung der genannten Detektorplatten.
Stand der Technik
Seit geraumer Zeit werden Anordnungen von Detektoren zur Detektion von harter Strahlung eingesetzt. Durch die Anordnung von Detektoren für ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel ein Fotomultiplier oder dergleichen, konnte man Aussagen zu dem Strahlprofil ionisierender Strahlung machen.
Aus der GB 1 225 058 ist ein Strahlungsdetektor bekannt, der auch der Basis der Szintillation Gammastrahlung analysieren kann.
Die Anwendung des Szintillationsprinzips wurde mit der Zeit weiter verfeinert, in dem man Strahlungsbildsensoren, insbesondere Szintillatorplatten, entwickelte (beispielsweise EP 1 258 737 B1 ) durch die Anordnung einer Vielzahl von Strahlungsdetektoren, die ein Szintillator und Lichtdetektor aufwiesen, Aussagen möglich, die das Strahlprofil der ionisierenden Strahlung betrafen. Auf dieser Basis war es möglich, dass, beispielsweise bei Röntgengeräten für den medizinischen Einsatz, eine zweidimensionale Verteilung der Strahlungsintensität analysiert werden konnte. Mit der Zeit haben sich die Anordnungen der einzelnen Detektorelemente verkleinert und zunehmend verbessert. Dennoch stellen Analysegeräte, die ionisierende Strahlung bezüglich ihres Strahlungsprofils analysieren können, stets eine herausfordernde Kostenfrage. Zur Kostenreduktion, gerade auf dem medizinischen Sektor, ist daher eine Vereinfachung der dort eingesetzten Geräte erforderlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektorplatte anzugeben, die bei gleichbleibenden oder verbesserten Strahlungsanalysequalitäten ebenfalls die Herstellungskosten von Detektorplatten deutlich senkt und dennoch eine Skalierbarkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Detektorplatte der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Detektionselemente dazu vorgesehen sind bei einer indirekten oder direkten Ionisierung durch die ionisierende Strahlung in einem Innenraum des jeweiligen Detektorelements einen elektrischen Ionisationsstrom zwischen einer Anode und einer Kathode des jeweiligen Detektorelements zu generieren, wobei die Anode und/oder die Kathode als nicht in einer einzigen Ebene liegender, elektrisch leitender Auftrag auf der spritzgegossenen Trägerplatte ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Detektorplatte besteht aus einer spritzgegossenen Trägerplatte, die mit einem Spritzgussverfahren, insbesondere mit Kunststoffen herstellbar ist. Unter dem genannten Spritzgießen können mehrere bis dato bekannte Verfahren verstanden werden, wie zum Beispiel das Einkomponentenspritzgussverfahren oder das Zweikomponentenspritzgussverfahren. In beiden Fällen wird ein Kunststoff in einer flüssigen oder geschäumten Form in ein formgebendes Spritzgusswerkzeug eingebracht, wobei sich der Kunststoff der Form dieses Spritzgusswerkzeuges anpasst.
Die Detektorelemente sind zur Detektion ionisierender Strahlung vorgesehen. Unter ionisierender Strahlung werden sowohl Teilchenstrahlungen, als auch elektromagnetische Strahlung verstanden. Die elektromagnetische Strahlung ionisiert auf der Basis des Fotoeffekts, indem aus einem elektrisch leitenden Auftrag, wie zum Beispiel der Anode oder Kathode ein Elektron herausgeschlagen wird, welches anschließend im elektrischen Feld zwischen Anode und Kathode der elektrischen Kraft folgt und somit einen Ionenstrom zwischen der Anode und der Kathode generiert oder zumindest zu diesem beiträgt.
Zur elektromagnetischen Strahlung gehören Röntgenstrahlung und Gammastrahlung, die beide genügend Photonenenergie mitbringen, um ein Elektron aus einem Metallgitter herauszulösen. Unter ionisierender Strahlung wird ferner die Einstrahlung von Elektronen, Protonen und Neutronen verstanden, wobei Elektronen und Protonen unmittelbar auf den Ionenstrom einwirken können. Die Neutronen hingegen generieren Rückstoßphotonen, die wiederum als elektromagnetische Strahlung detektierbar sind. Somit fungieren die Detektorelemente im Wesentlichen wie eine Ionisationskammer, wie sie auch in Form von Geiger-Müller-Zählern eingesetzt werden.
Es wird unter direkter Ionisierung eine Wechselwirkung mit einem geladenen Teilchen verstanden werden und unter indirekter Ionisierung eine Wechselwirkung, bei der eine elektromagnetische Strahlung beziehungsweise ein Photon eine Rolle spielt.
Der Innenraum des jeweiligen Detektorelements stellt somit eine Ionisationskammer dar, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Ionisationsstrom im jeweiligen Detektorelement generiert wird.
Die Anode und/oder die Kathode sind/ist als ein nicht in einer einzigen Ebene liegender, elektrisch leitender Auftrag auf der spritzgegossenen Trägerplatte ausgebildet. Der elektrisch leitendende Auftrag des spritzgegossenen Kunststoffes basiert auf der sogenannten MID-Technologie (Moulded Interconnect Devices; Englisch für spritzgegossener Schaltungsträger). Mit dieser Technik können auf spritzgegossene Kunststoffträger, wie auch die erfindungsgemäße Detektorplatte, metallische Leiterbahnen aufgetragen werden. Dieser Auftrag wird im Folgenden als Metallisierung, als Karbonisierung oder als leitende Tinte ausgeführt. Aufgrund dieser Technik ist es möglich, dass man den elektrisch leitenden Auftrag, beziehungsweise die Anode und/oder die Kathode eines Detektorelementes derart ausformt, dass diese in optimaler Weise einen Innenraum des Detektorelementes bilden können, womit in idealer Weise die Größe der Ionisationskammer genauestens definierbar ist. Hierbei ist zu beachten, dass gegenüber anderen Verfahren der Spritzguss enorme Genauigkeiten erzielt, womit gleichermaßen sichergestellt wird, dass keine Verunreinigungen in den Innenräumen der Trägerplatte zurück bleiben. Bei Detektorplatten der herkömmlichen Art verhält es sich so, dass damit eine große Menge an Ausschuss produziert werden kann, wenn die Detektorplatte den Reproduzierbarkeitsanforderungen nicht entspricht. Dem kann die Erfindung erheblich entgegenwirken, zumal bei Spritzguss eine Formgenauigkeit von bis zu 10 Mikrometer gewährleistet werden kann.
Eine kostengünstige Alternative, die allerdings weniger Freiheitsgrade bei der Ausformung bietet, wäre das Tiefziehen der Trägerplatte, die aus Kunststoff hergestellt ist. Damit sind ebenfalls Innenräume zur Strahlendetektion ausbildbar.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Innenraum zumindest teilweise mittels einer Vertiefung oder einer Senke in der spritzgegossenen Trägerplatte ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, dass durch die Vertiefung oder die Senke ein Innenraum zumindest teilweise umschlossen wird, sodass ein Großteil des zur Ionisierung verwendenden Volumens bereits von der Trägerplatte umschlossen werden kann, womit lediglich ein Abdecken oder ein Verschluss mittels eines flächigen Schutzelementes bereits eine vollständige Ionisierungskammer in Form des Innenraumes zur Verfügung gestellt werden kann.
Bevorzugt ist der elektrisch leitende Auftrag eine Metallisierung, eine Karbonisierung oder eine leitfähige Tinte.
Vorteilhafterweise ist es unter dem Einsatz der MID-Technik möglich, dass Metallisierungen in der Vertiefung oder der Senke angebracht werden, sodass eine Ausbildung der Anode und/oder der Kathode leicht möglich ist, zumal sich Anode und Kathode zumindest im Wesentlichen gegenüberliegen und zwischen den beiden Elektroden ein ausreichend großer Teil des Innenraumes angeordnet ist. Dies ist zum einen von Vorteil, da eine Hochspannung zwischen den beiden Elektroden anliegt, die während des Betriebes typischerweise um die 500 Volt beträgt. Zum anderen wird die Verteilung des Innenraumes optional derart gestaltet, dass ein definiertes Ionisationsvolumen in allen verwendeten Detektorelementen vorliegt.
Vorteilhafterweise ist der elektrisch leitende Auftrag eine Karbonisierung, die in einfacher Weise, auch mit sehr großen Schichtdicken auf die Trägerplatte auftragbar. Außerdem sind Karbonbeschichtungen mittels eines Druckverfahrens auf die Trägerplatte aufbringbar, womit diese Art von elektrisch leitendem Auftrag einer Automatisierung des Herstellungsverfahrens einträglich ist.
Der elektrisch leitende Auftrag besteht bevorzugt aus einer leitenden Tinte, wie zum Beispiel einem Leitlack, insbesondere einem Silberleitlack, der ebenfalls durch einen einfachen Druckvorgang auf die Trägerplatte kosteneffizient auftragbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Senke des jeweiligen Detektorelementes eine Öffnung oder zwei Öffnungen mit jeweils einer Durchkontaktierung durch die spritzgegossene Trägerplatte auf. Mittels der Öffnungen ist es möglich, dass die im Innenraum angeordneten Elektroden nach außen hin (bezogen auf den Innenraum) kontaktiert werden können. Beispielsweise können Öffnungen auf einem Boden der Senke oder der Vertiefung zur Ausbildung einer oder mehrerer Durchkontaktierungen verwendet werden, womit beispielsweise in Kombination mit einer Lötkugel oder dergleichen, ein elektrischer Kontakt mit einer parallel zur Trägerplatte angeordneten Leiterplatte hergestellt werden kann. Werden zwei Öffnungen verwendet, so ist es möglich auch zwei Durchkontaktierungen vorzusehen, womit sowohl der Kathodenstrom, als auch der Anodenstrom in den Innenraum beziehungsweise aus dem Innenraum herausgeleitet werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform begrenzen die Anode und die Kathode den Innenraum zumindest teilweise. Ein Teil des Innenraums muss stets durch entweder die Trägerplatte oder ein flächiges Schutzelement gebildet werden, zumal Anode und Kathode sich nicht berühren dürfen. Somit ist die nicht metallisierte Fläche auf dem flächigen Schutzelement beziehungsweise der Trägerplatte ausreichend groß zu halten, sodass der Abstand zwischen Anode und Kathode bei vorgegebener Betriebsspannung zu keinem ungewollten elektrischen Überschlag führt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Innenraum teilweise von einem flächigen Schutzelement, insbesondere einer Platte oder einer Folie, begrenzt. Das flächige Schutzelement bildet die Anode oder die Kathode bevorzugt teilweise oder ganz aus. Auf diese Weise ist es möglich Anode und Kathode auf unterschiedlichen Bauteilen anzuordnen, womit sich die Dimensionierung der einzelnen Detektorelemente einfacher gestaltet. Beispielsweise muss nur eine Durchkontaktierung eingesetzt werden, wenn Anode und Kathode auf unterschiedlichen Bauteilen angeordnet sind, womit der Herstellungsaufwand weiter reduziert wird. Es muss darauf geachtet werden, dass die ionisierende Strahlung durch das flächige Schutzelement nicht abgeschirmt wird, beziehungsweise die Dicke des flächigen Schutzelementes derart gewählt wird, dass genügend ionisierende Strahlung in den Innenraum des Detektorelementes eindringen kann. Des Weiteren ist es nicht zwingend, dass die ionisierende Strahlung durch das flächige Schutzelement eintritt, zumal auch der Kunststoff der spritzgegossenen Trägerplatte derart gewählt werden kann, dass ionisierende Strahlung nur unwesentlich oder gar nicht abgeschirmt wird. Dabei ist wiederum der elektrisch leitende Auftrag der Anode und/oder der Kathode in Betracht zu ziehen, zumal beispielsweise Metalle in der Regel einen nicht unerheblichen Abschirmeffekt aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Anode und/oder die Kathode gewölbt oder weist, beziehungsweise weisen wenigstens Flächen mit unterschiedlich orientierter Flächennormalen auf. Die Form des Innenraumes kann somit auf sehr einfache Weise optimal an die Erfordernisse der Strahlenionisation angepasst werden. Runde oder gewölbte Strukturen sind sehr leicht herzustellen und bilden auch konstante Abstände zwischen den elektrisch leitenden Aufträgen. Dennoch kann es von Vorteil sein eine Vielzahl von ebenen Flächen innerhalb einer Metallisierung vorzusehen, sodass eine bevorzugte Form des Innenraums und damit des Detektorelementes entsteht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Detektorelemente mit Analyseschaltungen verbunden, wobei die Analyseschaltungen im Strahlengang angeordnet und, insbesondere mittels schirmenden Metallisierungen, abgeschirmt sind. Die Anordnung im Strahlengang bedeutet, dass die ionisierende Strahlung auch auf die Analyseschaltungen treffen würde. Dies führt in der Regel zu einer sehr kompakten Detektorplatte, wobei jedoch die Gefahr eines Ausfalls einer Analyseschaltung in Kauf genommen wird, falls diese durch eine ionisierende Strahlungsdosis beschädigt wird. Daher ist es möglich beispielsweise mit schirmenden Metallisierungen auf der Trägerplatte oder auch anderen Leiterplatten die Analyseschaltungen vor der ionisierenden Strahlung zu schützen. Hierbei bietet sich insbesondere Kupfer als Metallisierungsmaterial an, da sich dieses in einer akzeptablen Dicke von bis zu 400 Mikrometer auftragen lässt.
Alternativ können Leiterbahnen dazu verwendet werden den Ionisationsstrom der Detektorelemente auf der Trägerplatte weiterzuleiten, bis eine Region erreicht ist, die keiner ionisierenden Strahlung ausgesetzt ist. Dort lassen sich die Analyseschaltungen alternativ anordnen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Detektorelemente von einer Hauptebene der Detektorplatte eine platzsparende Form auf, insbesondere eine rechteckige, runde, sechseckige oder wabenförmige Form. Die Hauptebene der Detektorplatte steht idealerweise senkrecht zum Einfall der ionisierenden Strahlung. Somit ist es möglich, dass die einzelnen Detektorelemente einzelne Pixel darstellen, die in einer zweidimensionalen Anordnung ein Strahlenprofil einer ionisierenden Strahlung angeben können. Dabei ist es lediglich erforderlich, dass die Strahlungsintensität in den jeweiligen Detektorelementen detektiert und aufgenommen wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind/ist die Anode und/oder die Kathode elektrisch leitend mit einem Kontaktbereich verbunden oder weist diesen auf, wobei der Kontaktbereich außerhalb des Innenraums angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Elektroden Anode und/oder Kathode möglichst effizient mit einer Analyseschaltung oder mehreren Analyseschaltungen verbunden werden. Dabei ist es sinnvoll, dass die Anode und/oder die Kathode aus wenigstens zwei elektrisch leitenden Aufträgen gebildet sind, zumal die Aufträge beispielsweise mittels Laserstrahlung aufgebracht werden, womit eine direkte Einsicht in die zu metallisierende Region erforderlich ist. Bei einer Durchkontaktierung einer Öffnung, beziehungsweise bei einer Kontaktierung einer Anode und/oder Kathode mit einer Analyseschaltung, ist es erforderlich, dass auf beiden Seiten der Hauptebene ein Auftragungsprozess, insbesondere Metallisierungsprozess, durchgeführt wird, sodass eine Leiterbahn durch eine Öffnung hindurchgeführt werden kann, indem zwei elektrisch leitende Aufträge kontaktierend aneinander oder aufeinander gelegt werden. Ferner beschränkt beispielsweise das Laser basierte Metallisierungsverfahren die Dicke der Trägerplatte, zumal die Innenseite oder die Innenseiten der Öffnung durch die Trägerplatte selbst nicht verdeckt werden dürfen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich der Kontaktbereich über einen Zapfen, wobei der Zapfen dazu vorgesehen ist, eine leitende Steckverbindung herzustellen. Dabei weist die zu kontaktierende Leiterplatte ein Gegenstück zum Zapfen, beispielsweise eine besonders geformte Leiterbahn oder eine metallisierte Öffnung, auf, die zur Kontaktierung des Zapfens vorgesehen ist. Aufgrund des Steckprinzips werden auch die Positionen der Leiterplatte und der Trägerplatte im gesteckten Zustand zueinander definiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bildet die Trägerplatte mittels der Durchkontaktierungen eine Gegenanordnung zu einer kontaktierbaren Kugelgitteranordnung aus. Auf diese Weise ist es möglich auf äußerst effiziente Weise eine Vielzahl von Kontakten herzustellen, womit eine einfache Herstellung eines Strahlungsdetektors ermöglicht wird, indem ein möglichst kurzer Leitungsweg zu den Analyseschaltungen herstellbar ist. Alternativ können auch andere elektronische oder elektrische Baugruppen auf diese Weise mit den Detektorelementen in elektrische Verbindung gebracht werden.
Ein Strahlungsanalysegerät weist vorteilhafterweise eine Detektorplatte auf, wie sie die Erfindung vorschlägt. Aufgrund der Herstellungsvorteile und qualitativen Vorteile der Detektorplatte wirkt sich der Kostenvorteil in besonderer Weise auch auf das Strahlungsanalysegerät aus. Aufgrund der höheren Robustheit der Detektorplatte sind auch weniger Wartungen erforderlich, womit auch die Betriebskosten eines erfindungsgemäßen Strahlungsanalysegeräts sinken. Ein Strahlungsanalysegerät kann beispielsweise ein medizinisches Analysegerät wie zum Beispiel ein Röntgentomograph oder dergleichen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Detektorplatte bestehend aus einer spritzgegossenen Trägerplatte mit einer Mehrzahl von Detektorelementen zur Detektion ionisierender Strahlung weist folgende Schritte auch:

– Herstellung der Trägerplatte mittels eines Spritzgussverfahrens,
– Aufbringen von in den Detektorelementen als Anode und/oder Kathode verwendbaren elektrisch leitenden Aufträgen, insbesondere Metallisierungen, wobei wenigstens einer der elektrisch leitenden Aufträge nicht in einer einzigen Ebene angeordnet ist.

Die Anode und/oder die Kathode kann somit eine dreidimensionale Form annehmen, womit der Innenraum des Detektorelementes idealerweise ausgebildet werden kann. Der elektrisch leitendende Auftrag, der nicht in einer einzelnen Ebene angeordnet ist, kann somit eine Mehrzahl von Flächennormalen aufweisen, die unterschiedlich orientiert sind. Alternativ ist es möglich, dass der elektrisch leitenden Auftrag auch ein Segment einer Rotationsfläche bildet oder durch einen Kugelradius definiert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Anode und/oder Kathode aus mindestens zwei elektrisch leitenden Aufträgen gebildet. Auf diese Weise ist es möglich Durchkontaktierungen herzustellen, die es ermöglichen den Anodenstrom beziehungsweise den Kathodenstrom aus dem Innenraum des Detektorelementes nach außen zu leiten und gegebenenfalls an Leiterbahnen herkömmlicher Leiterplatten weiterzugeben.
Vorteilhafterweise bilden die mindestens zwei elektrisch leitenden Aufträge eine Durchkontaktierung an der Trägerplatte aus. Somit können sämtliche Elektroden auf der Trägerplatte angeordnet werden, womit lediglich die Trägerplatte einem Auftragungsverfahren, insbesondere Metallisierungsverfahren, unterzogen werden muss. Andere den Innenraum begrenzende Bauelemente können weniger komplex ausgebildet sein, wie zum Beispiel eine Folie oder eine Metallplatte.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines geschnittenen Detektorelementes in einem Herstellungsschritt kurz vor der Kontaktierung mit einer Leiterplatte,
2 das Detektorelement der 1 auf der Richtung des Strahlungseinfalls,
3a, b jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Detektorplatte,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Detektorelementes in geschnittener Darstellung kurz vor der Kontaktierung mit einer Leiterplatte,
5 das Detektorelement aus 4 aus der Richtung des Strahlungseinfalls,
6 eine schematische Darstellung einer Steckverbindung zwischen einem Detektorelement und einer Leiterplatte,
7a, b mögliche Abschirmungsanordnungen zur Abschirmung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen, insbesondere von Analyseschaltungen,
8 eine Detektorplatte mit wabenförmigem Detektorelementen, und
9 eine Detektorplatte mit quadratischen Detektorelementen.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Detektorelement, welches aus einer Senke der Trägerplatte 11 gebildet ist, in dem in Kombination mit der Schutzfolie 10 der Innenraum 10 gebildet wird. Im Innenraum 10 findet die Ionisation durch die ionisierende Strahlung statt. Die Senke ist im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet, womit die beiden Elektroden, nämlich die Anode 12 und die Kathode 13, im Wesentlichen ein Segment einer Konusmantelfläche ausbilden und jeweils durch einen als Metallisierung ausgebildeten elektrisch leitendenden Auftrag ausgeführt sind. Die Anode 12 und die Kathode 13 sind beide durch einen metallisierungsfreien Streifen getrennt, der durch den ersten Hochspannungsabstand D1 definiert ist. Der erste Hochspannungsabstand D1 ist in Abhängigkeit der Betriebsspannung des Detektorelementes gewählt worden.
Die Öffnung 14 ist anodenseitig angebracht und weist eine Durchkontaktierung auf, die einerseits elektrisch leitend mit der Anode 12 verbunden ist, und andererseits mit dem Kontaktbereich 25, der außerhalb des Innenraums 16 angeordnet ist. Aufgrund der öffnungsnahen Anordnung des Kontaktbereiches 25 ist der Kontaktbereich ringförmig ausgeführt, sodass eine Kontaktierung mit einer Kugel 24, die elektrisch leitend mit der Leiterbahn 22 verbunden ist, ermöglich wird.
Eine kostengünstigere Option kann realisiert werden, wenn die Kugeln 23, 24 nicht aus Metall, sondern aus Lotpaste, einer Mischung aus Lotmetallpulver und Flussmittel, gebildet werden. Die Lotpaste kann auf die Leiterplatte 17 aufgedruckt werden und in einem Ofen aufgeschmolzen werden. Im erhitzten Zustand kann die Kontaktierung mit dem jeweiligen Kontaktbereich 25, 26 umgesetzt werden, die auch eine Fixierung der Trägerplatte 11 mit der Leiterplatte 17 herbeiführt.
Folgt man der Kontaktierungsbewegungsrichtung 18, so können die Kugeln 23, 24 jeweils in die Kontaktbereiche 25 und 26 gebracht werden, sodass sowohl die Anode 12 als auch Kathode 13 mit einem Schaltkreis außerhalb des Detektorelementes 20 verbunden werden.
Alternativ kann auch die Trägerplatte 11 zur Aufbringung von Leiterbahnen verwendet werden, sodass eine Kontaktierung der Anode 12 und der Kathode 13 mit beispielsweise einer Analyseschaltung möglich wird.
2 zeigt das Detektorelement 20 auf der 1, wobei diese in Richtung des Strahlungseinfalls gemäß der Bestrahlungsrichtung B zu betrachten ist.
Die 3a und 3b stellen zwei mögliche Detektorplatten 27, 28 dar, die durch entsprechende Anordnungen der Detektorelemente 20 auf das zu messende Strahlprofil einstellbar sind. Auf diese Weise können durch die entsprechende Auflösung einer beliebigen zweidimensionalen Fläche eine Vielzahl von Anwendungen Berücksichtigung finden.
4 zeigt ein Detektorelement 50, welches im Wesentlichen die Form einer inversen Pyramide ausbildet. Dabei umfasst die Trägerplatte 41 die Anode 42 mit der darin eingebrachten Vertiefung fast völlig. Lediglich der Kontaktbereich 46 ragt aus dem Detektorelement 50 heraus. Der Kontaktbereich 46 wurde durch eine zweite Metallisierung gebildet, die nach der Innenraum 43 seitigen Metallisierung der Anode 42 aufgebracht wurde. Beide Metallisierungen sind zu einer einzigen flächigen Leiterbahn verschmolzen, sodass eine elektrische Leitung zwischen der Anode 42 und einer Leiterplatte 47 dadurch bewerkstelligt wird, dass die Kugel 45, die auf der Leiterplatte 47 aufgebracht ist, mit dem ringförmigen Kontaktbereich 46 derartig zusammen wirkt, dass Hochspannung von einem elektrischen Bauelement, wie zum Beispiel einer integrierten Schaltung (Integrated Circuit), zur Anode 42 übertragen werden kann.
Vorteilhafterweise können mittels der beschriebenen Methode herkömmliche Leiterplatte 47 mit dem Detektorelement 50 verbunden werden, wobei beliebige Schaltungen auf dem Wege der Kugelgitterkontaktierung mit einer Vielzahl von Detektorelementen 50 oder auch unterschiedlichen Detektorelementen verwendbar sind. Lediglich durch die gleichartige Anordnung aller Kontaktbereiche 46 und aller eingesetzten Kugeln 45 wird eine gleichzeitige Mehrfachkontaktierung in einem Arbeitsschritt ermöglicht.
Der zweite Hochspannungsabstand D2 zwischen der als Kathode ausgebildeten Metallfolie 40 sichert wiederum gegen einen Hochspannungsüberschlag zwischen der Anode 42 und der Kathode 40. Aufgrund der verwendeten Trägerplatte 41 kann nunmehr die Ausgestaltung der Kathode 40 als Metallplatte umgesetzt werden, womit diese besonders einfach herstellbar wird.
Das elektronische Bauelement 49 ist nur beispielhaft für eine Reihe von möglichen Baugruppen anzusehen, genauso wie auch die Art der elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte 47, die hier über Kontaktbeine 51 und Lötstellen 52 gewährleistet wird und mit anderen elektrischen Verbindungen ersetzbar ist.
Die Bestrahlungsrichtung B erfolgt in den Innenraum 43 durch die Metallplatte 40 hindurch, die bei entsprechender Dicke die ionisierende Strahlung nur marginal absorbiert. Alternativ kann eine Bestrahlungsrichtung B gewählt werden, die durch die Trägerplatte 41 hindurchreicht, womit lediglich ein absorptionsarmer Kunststoff die ionisierende Strahlung behindert.
5 zeigt das Detektorelement 50 aus der in der 4 eingezeichneten Bestrahlungsrichtung B. Die Anode 42 weist fünf unterschiedliche Flächen auf, wobei jede Fläche eine anders gerichtete Flächennormale aufweist. Die Fläche mit der Öffnung 44 weist eine Flächennormale auf, die der Bestrahlungsrichtung B entgegengerichtet ist. Alle anderen Flächen bilden einen Winkel mit der Bestrahlungsrichtung B aus, der ungleich 0° und ungleich 90° ist.
6 zeigt eine leitende Steckverbindung zwischen einer Kathode 64, die in einem Detektorelement aufmetallisiert worden ist. Die Öffnung 65 weist eine Durchkontaktierung der Kathode 64 auf, die sich auf einem Fortsatz 63, der unmittelbar neben der Öffnung 65 angeordnet ist, fortsetzt. Auf den Zapfen 63 bildet die Metallisierung eine Kontaktfläche 66, die mit einer Gegenkontaktfläche 68 in leitender Verbindung tritt, sobald der Zapfen 63 in der Öffnung 62 der Leiterplatte 67 eingeklemmt wird. Die elektrisch kontaktierende Steckverbindung 60 kann somit durch einfaches Stecken der Leiterplatte 67 auf die Detektorelemente bewerkstelligt werden, womit wieder aufgrund einer Gitteranordnung wieder zu einem sehr vorteilhaften Herstellungsvorteil führt, zumal weder zur elektrischen Kontaktierung, noch zur Befestigung weitere Schritte unternommen werden müssen.
Optional wird die Steckverbindung im gesteckten Zustand an den Kontaktflächen 66 und 68 verlötet, um eine bessere elektrische Leitung zu gewährleisten oder zu einer strukturellen Verstärkung zu führen.
7A zeigt eine Abschirmoption, die ein elektronisches Bauelement 78, welches stellvertretend für Analyseschaltungen und andere integrierte Schaltungen steht, vor der ionisierenden Strahlung, verdeutlicht durch den Pfeil der Bestrahlungsrichtung B, vor Beschädigungen schützt. Dazu wird eine Anordnung von 400 Mikrometer dicken Kupfermetallisierungen 72 verwendet, die in versetzter Anordnung einen vorteilhaften Abschirmschutz bilden, wobei die Leiterplatte 71 aus mehreren Leiterebenen gebildet ist, die sich in einem Winkel aneinander anschließen. Die Kugeln 73 können zur Kontaktierung mit Detektorelementen verwendet werden, wobei die Leiterplatte 71 beispielsweise als eine Multilayer-Leiterplatte ausgeführt ist.
7B zeigt eine Metallkernleiterplatte 83 mit einer Metallisierung 86, die in der Öffnung 85 eine Durchkontaktierung bildet. Zur Absorption werden Metalleinlagen 84 aus Aluminium oder Blei verwendet, die von Kunstharz (Epoxy) 82 umschlossen werden. Diese Metallkernplatten 83 lassen sich zur Abschirmung von Strahlungsempfindlichen elektrischen Baugruppen oder Bauelementen 78, insbesondere Analyseschaltungen, einsetzen, wobei die Bauelemente über die Durchkontaktierung mit den Detektorelementen verbunden werden.
8 verdeutlicht die flächeneffizienten Anordnungsmöglichkeiten von Detektorelementen 81 auf Detektorplatten 80, wobei die entsprechende zweidimensionale Form in Bezug zur Bestrahlungsrichtung B optimiert ist.
Die Wabenform der Detektorelemente 81 führt zu einer äußerst effektiven Anordnung, wobei nahezu die gesamte Fläche der Trägerplatte der Detektorplatte 80 als Elektronenfläche verwendet werden kann. Somit liegt nur ein sehr kleiner Anteil der Oberfläche des Trägerteils brach.
9 verdeutlicht die platzsparenden Anordnungsmöglichkeiten von Detektorelementen 91 auf der Detektorplatte 90, wobei die entsprechende zweidimensionale Form in Bezug zur Bestrahlungsrichtung B optimiert ist.
Werden die Detektorelemente 91 mit einem definierten Abstand auf der Detektorplatte 90 angeordnet, so sind auf der Rückseite der zur Detektorplatte 90 gehörenden Trägerplatte Leiterbahnen aufmetallisierbar. Somit entfällt die Verwendung einer zweiten Leiterplatte.
10 zeigt ein Detektorelement 100 in Schnittdarstellung, wobei die Schutzfolie 10 den Innenraum 105 abdeckt. Die Metallisierung der Kathode 102 ist im Wesentlichen konisch ausgebildet und umfasst den metallisierten Stift 104, wobei dessen Metallisierung die Anode 101 ausbildet und diese kontaktierend mit einer weiteren Metallisierung im Kontaktbereich 107 leitend verbunden ist. Entsprechend bildet die Öffnung 108 mit der Metallisierung der Kathode 102 bis in den Kontaktbereich 106 eine Durchkontaktierung aus.
Für das Laser basierte Metallisierungsverfahren ist der Stift 104 aufgrund der konusartigen Form der Senke und auch der darin aufgetragenen Kathode 102 leicht erreichbar beziehungsweise leicht metallisierbar. Es fließen Ströme zwischen 1 bis 2 Mikroampere und 50 Femtoampere.
Aufgrund der Form sind die Detektorelemente in großer Zahl anordenbar und auf einer Detektorplatte verteilbar. Diese Skalierung kann viele Detektionselemente einschließen uns zu einer großen Auflösung des Strahlungsprofils führen.
Bei allen Ausführungsbeispielen und Ausführungsformen kann in Abhängigkeit der technischen Umstände jeweils die Anode mit der Kathode vertauscht angeordnet werden, wobei beispielsweise die Anode eine dreidimensionale Form aufweist oder alternativ die Kathode eine dreidimensionale Form aufweist oder beide Elektroden eine dreidimensionale Form gemäß der Erfindung aufweisen.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Detektorplatte bestehend aus einer spritzgegossenen Trägerplatte mit einer Mehrzahl von Detektorelementen zur Detektion ionisierender Strahlung. Die Detektorelemente funktionieren gemäß dem Prinzip eines Geiger-Müller-Zählers, wobei nunmehr die Erfindung zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses und zur Kostenersparnis vorschlägt, dass die Anode und/oder die Kathode als nicht in einer einzigen Ebene liegenden Metallisierung auf der spritzgegossenen Trägerplatte der Detektorplatte ausgebildet ist. Auf diese Weise ergeben sich vielfältige Möglichkeiten den als Ionisationskammer verwendeten Innenraum auszubilden und die Elektroden in diesem Raum anzuordnen. Auch die Kontaktierungsmöglichkeiten mit weiteren Leiterplatten stellen sich als sehr vorteilhaft heraus. Dies wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf den Herstellungsprozess aber auch auf die Qualitäten der Strahlungsmessgeräte aus, die derartige Detektorplatten verwenden.
Bezugszeichenliste

B: Bestrahlungsrichtung
D1: erster Hochspannungsabstand
D2: zweiter Hochspannungsabstand
10: Schutzfolie
11: Trägerplatte
12: Anode
13: Kathode
14: erste Öffnung
15: zweite Öffnung
16: Innenraum
17: Leiterplatte
18: Kontaktbewegungsrichtung
20: Detektorelement
21: zweite Leiterbahn
22: erste Leiterbahn
23: Kugel
24: Kugel
25: Kontaktbereich
26: Kontaktbereich
27: Detektorplatte
28: Detektorplatte
40: als Metallplatte ausgebildete Kathode
41: Trägerplatte
42: Anode
43: Innenraum
44: Öffnung
45: Kugel
46: Kontaktbereich
47: Leiterplatte
48: Leiterbahn
49: elektrisches Bauelement
50: Detektorelement
51: Kontaktbein
52: Lötstelle
60: elektrisch kontaktierende Steckverbindung
61: Leiterbahn
62: Stecköffnung
63: Zapfen
64: Kathode
65: Öffnung
66: Kontaktfläche
67: Leiterplatte
68: Gegenkontaktfläche
69: Trägerplatte
70: Abschirmungsanordnung
71: Leiterplatte
72: Kupferschirmung
73: Kugel
78: elektronisches Bauelement
80: Trägerplatte
81: Detektorelement
82: Kunstharz
83: Abschirmung
84: Metalleinlage
85: Öffnung
86: Metallisierung
90: Trägerplatte
91: Detektorelement
100: Detektorelement
101: Anode
102: Kathode
104: Stift
105: Innenraum
106: Kontaktbereich
107: Kontaktbereich
108: Öffnung
109: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 1225058 [0003]
EP 1258737 B1 [0004]

Claims

Detektorplatte (27, 28, 80, 90) bestehend aus einer spritzgegossenen Trägerplatte (11, 41) mit einer Mehrzahl von Detektorelementen (20, 50, 81, 91, 100) zur Detektion ionisierender Strahlung, wobei die Detektorelemente (20, 50, 81, 91, 100) dazu vorgesehen sind, bei einer indirekten oder direkten Ionisierung durch die ionisierende Strahlung in einem Innenraum (16, 43, 105, 105) des jeweiligen Detektorelements (20, 50, 81, 91, 100) einen elektrischen Ionisationsstrom zwischen einer Anode (12, 42, 101) und einer Kathode (13, 40, 64, 102) des jeweiligen Detektorelements (20, 50, 81, 91, 100) zu generieren, wobei die Anode (12, 42, 101) und/oder die Kathode (13, 40, 64, 102) als nicht in einer einzigen Ebene liegender, elektrisch leitender Auftrag auf der spritzgegossenen Trägerplatte (11, 41) ausgebildet ist.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach Anspruch 1, wobei der Innenraum (16, 43, 105) zumindest teilweise mittels einer Vertiefung oder einer Senke in der spritzgegossenen Trägerplatte (11, 41, 69) ausgebildet ist.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach Anspruch 2, wobei die Senke des jeweiligen Detektorelementes (20, 50, 81, 91, 100) eine Öffnung (44) oder zwei Öffnungen (14, 15) mit jeweils einer Durchkontaktierung durch die spritzgegossene Trägerplatte (11, 41, 69) aufweist.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrisch leitende Auftrag eine Metallisierung, eine Karbonisierung oder eine leitfähige Tinte ist.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (12, 42, 101) und die Kathode (13, 40, 64, 102) den Innenraum (16, 43, 105) zumindest teilweise begrenzen.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenraum (16, 43, 105) teilweise von einem flächigen Schutzelement (10, 40), insbesondere Platte (40) oder Folie (10), begrenzt wird und das flächige Schutzelement (10, 40) die Anode (12, 42, 101) oder die Kathode (13, 40, 64, 102) teilweise oder ganz ausbildet.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (12, 42, 101) und/oder die Kathode (13, 40, 64, 102) gewölbt sind/ist oder wenigstens zwei Flächen mit unterschiedlich orientierten Flächennormalen aufweisen/aufweist.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektorelemente (20, 50, 81, 91, 100) mit Analyseschaltungen elektrisch verbunden sind, wobei die Analyseschaltungen im Strahlengang angeordnet und, insbesondere mittels schirmenden Metallisierungen, abgeschirmt sind.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektorelemente (20, 50, 81, 91, 100) eine platzsparende oder flächeneffiziente Form aufweisen, insbesondere eine rechteckige, runde, sechseckige oder wabenförmige Form.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (12, 42, 101) und/oder Kathode (13, 40, 64, 102) leitend mit einem Kontaktbereich (25, 26, 46) verbunden sind/ist oder diesen aufweisen/aufweist, wobei der Kontaktbereich (25, 26, 46) außerhalb des Innenraumes (16, 43, 105) angeordnet ist.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach Anspruch 10, wobei sich der Kontaktbereich (25, 26, 46) über einen Zapfen (63) erstreckt und der Zapfen (63) dazu vorgesehen ist eine leitende Steckverbindung herzustellen.
Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach Anspruch 3, wobei die Trägerplatte (11, 41, 69) mittels der Durchkontaktierungen eine Gegenanordnung zu einer kontaktierbaren Kugelgitteranordnung ausbildet.
Strahlungsanalysegerät mit einer Detektorplatte (27, 28, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Detektorplatte (27, 28, 80, 90) bestehend aus einer spritzgegossenen Trägerplatte (11, 41, 69) mit einer Mehrzahl von Detektorelementen (20, 50, 81, 91, 100) zur Detektion ionisierender Strahlung mit den Schritten: – Herstellung der Trägerplatte (11, 41, 69) mittels eines Spritzgussverfahrens, – Aufbringen von in den Detektorelementen (20, 50, 81, 91, 100) als Anode (12, 42, 101) und/oder Kathode (13, 40, 64, 102) verwendbaren, elektrisch leitenden Aufträgen, insbesondere Metallisierungen, wobei wenigstens einer der elektrisch leitenden Aufträge nicht in einer einzigen Ebene abgeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Anode (12, 42, 101) und/oder die Kathode (13, 40, 64, 102) aus mindestens zwei elektrisch leitenden Aufträgen gebildet sind/ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die mindestens zwei elektrisch leitenden Aufträge eine Durchkontaktierung an der Trägerplatte (11, 41, 69) ausbilden.