DE102014203685A1 - Conversion film for conversion of ionizing radiation, radiation detector and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Konversionsfolie zur Konversion von ionisierender Strahlung in Licht und zur Erzeugung von Ladungsträgern durch das entstehende Licht angegeben. Die Konversionsfolie umfasst eine Konversionsschicht mit einer Vielzahl von in ein Bindemittel eingebetteten Szintillatorpartikeln, wobei das Bindemittel wenigstens ein erstes organisches Halbleitermaterial enthält. Weiterhin wird ein Strahlungsdetektor zur Detektion von ionisierender Strahlung mit einer solchen Konversionsfolie und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Konversionsfolie angegeben. Das Verfahren zu Herstellung der erfindungsgemäßen Konversionsfolie umfasst die folgenden Schritte:
– Herstellung einer Mischung aus einer Vielzahl von Szintillatorpartikeln und einem ein organisches halbleitendes Material enthaltenden Bindemittel,
– Herstellung einer schichtförmigen Struktur aus der Mischung und
– Bildung einer Konversionsschicht durch Verfestigung der schichtförmigen Struktur. It is a conversion film for the conversion of ionizing radiation in light and for generating charge carriers by the resulting light specified. The conversion film comprises a conversion layer having a plurality of scintillator particles embedded in a binder, wherein the binder contains at least a first organic semiconductor material. Furthermore, a radiation detector for detecting ionizing radiation with such a conversion film and a method for producing such a conversion film is given. The process for producing the conversion film according to the invention comprises the following steps:
Preparing a mixture of a plurality of scintillator particles and a binder containing an organic semiconductive material,
- Making a layered structure of the mixture and
- Formation of a conversion layer by solidification of the layered structure.
Description
Die Erfindung betrifft eine Konversionsfolie mit einer Konversionsschicht zur Konversion von ionisierender Strahlung in Licht. Weiterhin betrifft sie einen Strahlungsdetektor zur Detektion von ionisierender Strahlung mit einer solchen Konversionsfolie sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Konversionsfolie. The invention relates to a conversion film with a conversion layer for the conversion of ionizing radiation into light. Furthermore, it relates to a radiation detector for detecting ionizing radiation with such a conversion film and to a method for producing such a conversion film.
Bekannt sind Konversionsfolien, die eine Vielzahl von Szintillatorpartikeln enthalten, um einfallende ionisierende Strahlung in sichtbares Licht zu konvertieren. Solche Konversionsfolien werden in der bildgebenden medizinischen Diagnostik für die Detektion von Röntgenstrahlung eingesetzt. Die Konversionsfolien werden verwendet, um die Schwärzung eines lichtempfindlichen Films oder das Signal eines Photosensors im Vergleich zu einer Reaktion auf die unkonvertierte Röntgenstrahlung zu erhöhen, denn die Filme oder Photosensoren reagieren wesentlich empfindlicher auf das vom Szintillator ausgesendete sichtbare Licht als auf die ursprüngliche Röntgenstrahlung. Außerdem wird im Szintillator jedes Quant der Röntgenstrahlung durch eine Fluoreszenz des Szintillatormaterials zu einer Vielzahl von Quanten sichtbaren Lichts umgewandelt. Aus diesem Grund werden solche Konversionsfolien auch als Verstärkerfolien bezeichnet. Conversion films are known which contain a multiplicity of scintillator particles in order to convert incidental ionizing radiation into visible light. Such conversion films are used in medical imaging imaging for the detection of X-rays. The conversion films are used to increase the density of a photosensitive film or the signal of a photosensor as compared to a response to the unconverted X-radiation because the films or photosensors are much more sensitive to the visible light emitted by the scintillator than to the original X-radiation. Additionally, in the scintillator, each quantum of X-radiation is converted to a variety of visible light quanta by fluorescence of the scintillator material. For this reason, such conversion films are also referred to as intensifying screens.
Bekannte Konversions- oder Verstärkerfolien bestehen typischerweise aus einer Konversionsschicht mit in ein Bindermaterial eingebetteten Szintillatorpartikeln, wobei die Konversionsschicht auf eine Trägerfolie aufgebracht ist. Dieses Trägersubstrat kann beispielsweise aus Polyester oder Cellulosetriacetat bestehen, also aus ähnlichen Materialien wie die klassischen Röntgenfilme. Zwischen der Konversionsschicht und der Trägerfolie ist oft noch eine reflektierende oder rückstreuende Schicht, beispielsweise aus Titandioxid angeordnet, um das Licht auf dieser Seite zurück in die Konversionsschicht zu lenken. Die Auskopplung des vom Szintillator erzeugten Fluoreszenzlichts findet auf der dem Substrat abgewandten Seite statt. Auf dieser Seite wird das Licht in einen möglichst nah angeordneten Film oder einen Photosensor eingekoppelt. Dazu kann eine im Brechungsindex angepasste Kopplungsemulsion zwischen Konversionsschicht und Film oder Photosensor angeordnet sein. Known conversion or intensifying screens typically consist of a conversion layer with scintillator particles embedded in a binder material, the conversion layer being applied to a carrier foil. This carrier substrate may for example consist of polyester or cellulose triacetate, ie of similar materials as the classical X-ray films. Often a reflective or backscattering layer, for example of titanium dioxide, is arranged between the conversion layer and the carrier film in order to direct the light back into the conversion layer on this side. The decoupling of the fluorescence generated by the scintillator takes place on the side facing away from the substrate. On this page, the light is coupled into a film or a photosensor that is as close as possible. For this purpose, a matching in refractive index coupling emulsion between conversion layer and film or photosensor can be arranged.
Der Szintillator ist typischerweise in Form eines Leuchtstoff-Pulvers in ein möglichst transparentes Bindermaterial eingebettet. Typische Bindermaterialien sind Harze, thermoplastische Elastomere oder andere transparente organische Verbindungen. Auf der Lichtauskopplungsseite kann die Konversionsschicht mit einer wiederum möglichst transparenten Schutzschicht versehen sein. The scintillator is typically embedded in the form of a phosphor powder in a highly transparent binder material. Typical binder materials are resins, thermoplastic elastomers or other transparent organic compounds. On the light-outcoupling side, the conversion layer can be provided with a again as transparent as possible protective layer.
Solche Konversionsfolien sind beispielsweise in der
Ein Nachteil der bekannten Konversionsfolien ist das Problem der optischen Verzeichnung. Für eine möglichst vollständige Absorption und Umwandlung der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht wird eine Schichtdicke der Konversionsschicht im Bereich von etwa 100 µm bis 800 µm benötigt. Vor allem am oberen Ende dieses Dickenbereichs entsteht durch die Dicke der Konversionsschicht eine optische Aufweitung des emittierten Fluoreszenzlichtes. Der Grund dafür ist die isotrope Ausbreitung des emittierten Lichts vom Punkt der Wechselwirkung im Szintillatormaterial. Die Ausbreitung folgt also ungerichtet und ist nicht in die Richtung zum Film oder zum Photosensor hin kanalisiert. Je höher die Schichtdicke der Konversionsschicht und je größer somit der mittlere Abstand zwischen dem Ort der Wechselwirkung und der Entstehung des Fluoreszenzlichts, umso mehr wird das Licht innerhalb der Schicht aufgeweitet. Es resultiert also bei höheren Dicken der Konversionsschicht ein unschärferes Bild. A disadvantage of the known conversion films is the problem of optical distortion. For a complete absorption and conversion of the X-radiation into visible light, a layer thickness of the conversion layer in the range of about 100 microns to 800 microns is required. Above all, at the upper end of this thickness range, the thickness of the conversion layer causes an optical expansion of the emitted fluorescent light. The reason for this is the isotropic propagation of the emitted light from the point of interaction in the scintillator material. The propagation thus follows undirected and is not channeled in the direction of the film or the photosensor. The higher the layer thickness of the conversion layer and the greater the mean distance between the location of the interaction and the emergence of the fluorescent light, the more the light is widened within the layer. This results in a blurred image at higher thicknesses of the conversion layer.
Das Problem der optischen Verzeichnung stellt ein bisher ungelöstes Problem dar. In der Praxis wird das Problem dadurch abgemildert, dass je nach den Anforderungen der diagnostischen Anwendung entweder eine dünnere Folie mit geringerer Umwandlungseffizienz, aber höherer Bildschärfe verwendet wird, oder aber eine dickere Folie mit höherer Umwandlungseffizienz, aber geringerer Bildschärfe. Es muss also immer ein Kompromiss zwischen der Effizienz – und somit der Strahlungsbelastung des Patienten – und der Qualität der Abbildung eingegangen werden. The problem of optical distortion is a hitherto unsolved problem. In practice, the problem is alleviated by using either a thinner film with lower conversion efficiency but higher image sharpness, or a thicker film with higher, depending on the requirements of the diagnostic application Conversion efficiency but lower image sharpness. So there must always be a compromise between the efficiency - and thus the radiation exposure of the patient - and the quality of the image.
Ein zweiter Ansatz zur Lösung des Problems besteht darin, das Szintillatormaterial in einer Art Nadel- oder Säulenform strukturiert aufzubringen, um eine Kanalisation des emittierten Lichts in Richtung des Photosensors zu bewirken. Dies ist bei CsI-basierten Szintillatoren möglich, bei denen dotiertes CsI durch Gasphasenabscheidung in säulenartigen Strukturen gewachsen werden kann. Diese Art der Herstellung ist jedoch sehr aufwendig, und entsprechende Konversionsschichten sind sehr teuer im Vergleich zu den klassischen Konversionsfolien. A second approach to solving the problem is to pattern the scintillator material in a kind of needle or columnar shape to effect channeling of the emitted light toward the photosensor. This is possible with CsI-based scintillators in which doped CsI can be grown by gas-phase deposition in columnar structures. However, this type of production is very expensive, and corresponding conversion layers are very expensive compared to the classical conversion films.
Ein weiterer bekannter Ansatz zur Detektion von Röntgenstrahlung ist die Verwendung von hybriden organischen Photodioden mit eingebetteten Szintillatorpartikeln. Hierbei ist eine hybride photoaktive Schicht zwischen einer Elektrode und einem Substrat angeordnet. Die hybride photoaktive Schicht umfasst eine Mehrzahl an Szintillatoren und ein photoaktives Material in Form einer Bulk Heterojunction. Die Bulk Heterojunction absorbiert die Szintillationsstrahlung unter Bildung von Elektronen-Loch-Paaren, die dann elektrisch detektiert werden. Another known approach to X-ray detection is the use of hybrid organic photodiodes with embedded scintillator particles. Here, a hybrid photoactive layer is disposed between an electrode and a substrate. The hybrid photoactive layer comprises a plurality of scintillators and a photoactive material in the form of a bulk heterojunction. The bulk heterojunction absorbs the scintillation radiation to form electron-hole pairs, which are then electrically detected.
Als Bulk Heterojunction wird dabei in der Fachwelt ein phasensepariertes Gemisch eines Elektronen-Donor-Materials und eines Elektronen-Akzeptor-Materials bezeichnet, wobei diese beiden Komponenten des Gemischs jeweils ein sich gegenseitig durchdringendes Netzwerk bilden. Insbesondere kann dieses Netzwerk ein bikontinuierliches Netzwerk sein, so dass ein Ladungsträger-Paar, das an eine Grenzfläche zwischen Donor- und Akzeptormaterial transportiert wird, von dieser Grenzfläche aus durch einen möglichst zusammenhängenden Transportpfad im Donormaterial zu einer Seite der Schicht und durch einen möglichst zusammenhängenden Transportpfad im Akzeptormaterial zu einer anderen Seite der Schicht transportiert werden kann. Typischerweise sind an zwei gegenüberliegenden Seiten der hybriden photoaktiven Schicht Elektronen angebracht, über die die getrennten Ladungsträger, also die Elektronen und die Löcher, elektrisch detektiert werden können. As a bulk heterojunction, a phase-separated mixture of an electron donor material and an electron acceptor material is referred to in the art, these two components of the mixture each forming an interpenetrating network. In particular, this network may be a bicontinuous network, such that a pair of charge carriers transported to an interface between donor and acceptor material from this interface through a contiguous transport path in the donor material to one side of the layer and through a transport path as contiguous as possible can be transported in the acceptor material to another side of the layer. Typically, electrons are mounted on two opposite sides of the hybrid photoactive layer, via which the separate charge carriers, ie the electrons and the holes, can be detected electrically.
Die Herstellung der hybriden photoaktiven Schichten in solchen bekannten Photodioden kann durch eine gemeinsame Abscheidung des Szintillators und der Materialien der Bulk Heterojunction erfolgen, wobei der Szintillator in einer Suspension und die Materialien der Bulk Heterojunction in einer Lösung vorliegen. Insbesondere können diese beiden Materialien gleichzeitig auf das Substrat aufgesprüht werden. Diese Art der Herstellung mit flüssigen Ausgangsstoffen ist jedoch relativ teuer und materialintensiv, da beim Auftragen meist ein hoher Materialverlust entsteht, und ein Eintrag von Material über die Abmessungen des zu beschichtenden Substrats hinaus erfolgt. The preparation of the hybrid photoactive layers in such known photodiodes can be accomplished by co-deposition of the scintillator and bulk heterojunction materials with the scintillator in suspension and bulk heterojunction materials in solution. In particular, these two materials can be sprayed simultaneously onto the substrate. However, this type of production with liquid starting materials is relatively expensive and material-intensive, since during application usually a high loss of material is created, and an entry of material beyond the dimensions of the substrate to be coated takes place.
Weiterhin werden für die Herstellung bekannter organischer Photodioden oft Glassubstrate verwendet, die mit regelmäßigen Anordnungen von Transistoren zur Ansteuerung der einzelnen Bildelemente versehen sind. Diese Transistorsubstrate sind typischerweise mit regelmäßig strukturierten Anordnungen von Teilelektroden versehen, die zur Extraktion von Ladungsträgern für einzelne Teilbereiche der photoaktiven Schichten dienen. Bei der herkömmlichen Abscheidung der photoaktiven Schichten direkt auf den Transistorsubstraten kann es zu einem unerwünscht hohen Ausschuss an teuren Transistorsubstraten kommen. Durch jeden weiteren Prozessschritt in einer solchen komplexen und integrierten Detektorherstellung sinkt die Gesamtausbeute bezogen auf das eingesetzte Material. Furthermore, glass substrates are often used for the production of known organic photodiodes, which are provided with regular arrangements of transistors for driving the individual picture elements. These transistor substrates are typically provided with regularly structured arrays of sub-electrodes, which serve for the extraction of charge carriers for individual portions of the photoactive layers. The conventional deposition of the photoactive layers directly on the transistor substrates can lead to an undesirably high rejection of expensive transistor substrates. Each additional process step in such a complex and integrated detector production decreases the overall yield based on the material used.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Konversionsfolie zur Konversion von ionisierender Strahlung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Strahlungsdetektor mit einer solchen Konversionsfolie und ein Herstellungsverfahren für eine solche Konversionsfolie anzugeben. Object of the present invention is therefore to provide a conversion film for the conversion of ionizing radiation, which avoids the disadvantages mentioned. Another object is to provide a radiation detector with such a conversion foil and a production method for such a conversion foil.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Konversionsfolie, den in Anspruch 14 beschriebenen Strahlungsdetektor und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst. These objects are achieved by the conversion foil described in claim 1, the radiation detector described in claim 14 and the method described in
Die erfindungsgemäße Konversionsfolie ist zur Konversion von ionisierender Strahlung in Licht und zur Erzeugung von Ladungsträgern durch das entstehende Licht ausgebildet. Sie umfasst eine Konversionsschicht mit einer Vielzahl von in ein Bindemittel eingebetteten Szintillatorpartikeln, wobei das Bindemittel wenigstens ein erstes organisches Halbleitermaterial enthält. The conversion film according to the invention is designed for the conversion of ionizing radiation into light and for the generation of charge carriers by the resulting light. It comprises a conversion layer having a multiplicity of scintillator particles embedded in a binder, wherein the binder contains at least one first organic semiconductor material.
Die in das Bindemittel eingebetteten Szintillatorpartikel bewirken die Konversion von ionisierender Strahlung in Licht durch eine Anregung von Fluoreszenz nach Absorption der ionisierenden Strahlung. Dieses Licht kann insbesondere im sichtbaren Bereich des Wellenlängenspektrums liegen, es kann aber alternativ oder zusätzlich auch die angrenzenden Bereiche des infraroten und/oder ultravioletten Lichts umfassen. Die Konversionsschicht ist so ausgebildet, dass in der Umgebung der Szintillatorpartikel durch das ausgesendete Licht eine Erzeugung von freien Ladungsträgern bewirkt werden kann. Insbesondere kann im Bindemittel und/oder in einer zusätzlichen Umhüllung der Szintillatorpartikel diese Erzeugung erfolgen. Das ausgesendete Licht kann die Bildung eines angeregten Zustandes in einem die Szintillatorpartikel umgebenden Material bewirken, was wiederum die Ausbildung von getrennten positiven und negativen Ladungen zur Folge hat. Es wird also ein sogenanntes Ladungsträgerpaar gebildet. Die Konversionsschicht ist so ausgebildet, dass dieses Ladungsträgerpaar getrennt werden kann. Hierzu umfasst die Konversionsschicht wenigstens ein erstes organisches Halbleitermaterial. Dieses organische Halbleitermaterial kann zweckmäßig entweder ein als Elektronen-Donator wirkendes Material zum Transport von positiven Ladungsträgern (Löchern) sein oder es kann ein als Elektronen-Akzeptor wirkendes Material zum Transport von negativen Ladungsträgern (Elektronen) sein. Es kann also zumindest eine der beiden Arten von Ladungsträgern (Elektronen oder Löcher) in dem ersten organischen Halbleitermaterial transportiert werden. Die entgegengesetzt geladene andere Ladungsträgerart kann zweckmäßig in einem weiteren in der Konversionsschicht vorliegenden Material transportiert werden. Dieses weitere Material kann alternativ als weiterer organischer Halbleiter oder auch ganz allgemein als leitfähiges Material, beispielsweise als anorganischer Halbleiter oder als Hybridmaterial mit anorganischen und organischen Komponenten ausgebildet sein. The scintillator particles embedded in the binder cause the conversion of ionizing radiation into light by exciting fluorescence upon absorption of the ionizing radiation. This light may, in particular, be in the visible range of the wavelength spectrum, but it may alternatively or additionally also comprise the adjacent regions of the infrared and / or ultraviolet light. The conversion layer is designed such that the generation of free charge carriers can be effected in the surroundings of the scintillator particles by the emitted light. In particular, this generation can take place in the binder and / or in an additional coating of the scintillator particles. The emitted light can cause the formation of an excited state in a material surrounding the scintillator particles, which in turn results in the formation of separate positive and negative charges. Thus, a so-called charge carrier pair is formed. The conversion layer is designed so that this pair of charge carriers can be separated. For this purpose, the conversion layer comprises at least a first organic semiconductor material. This organic semiconductor material may suitably either be an electron donor-acting material for transporting positive charge carriers (holes) or it may be a material acting as an electron acceptor for transporting negative charge carriers (electrons). Thus, at least one of the two types of charge carriers (electrons or holes) can be transported in the first organic semiconductor material. The Alternatively charged other type of charge carrier can be conveniently transported in a further material present in the conversion layer. This further material may alternatively be formed as a further organic semiconductor or else quite generally as a conductive material, for example as an inorganic semiconductor or as a hybrid material with inorganic and organic components.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konversionsfolie im Vergleich zu herkömmlichen Konversionsfolien oder Verstärkerfolien ist, dass Szintillatormaterial und ein weiteres Material zur Erzeugung von getrennten Ladungsträgern durch das vom Szintillator emittierte Licht in einer Schicht integriert sind. Aus dieser Schicht können die aufgetrennten Ladungsträger mittels weiterer Elektroden extrahiert werden. Diese Elektroden können bei der Verwendung in einem Strahlungsdetektor in einen elektrischen Schaltkreis integriert sein, der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches von der Menge der extrahierten Ladungsträger abhängt. An essential advantage of the conversion film according to the invention in comparison with conventional conversion films or intensifying screens is that scintillator material and another material for generating separate charge carriers are integrated in a layer by the light emitted by the scintillator. From this layer, the separated charge carriers can be extracted by means of further electrodes. These electrodes, when used in a radiation detector, may be integrated into an electrical circuit configured to generate an electrical signal that depends on the amount of carriers extracted.
Der Vorteil der Integration von Lichterzeugung und Ladungstrennung innerhalb einer Konversionsschicht liegt darin, dass die eingangs beschriebenen Probleme der optischen Verzeichnung bei höheren Schichtdicken vermieden werden. Die Konversionsschicht kann mit für eine gute Absorption der Röntgenstrahlung ausreichend hohen Schichtdicke ausgebildet werden, ohne dass es dabei zu einem Verlust an Bildschärfe durch eine optische Verzeichnung kommt. Die Erzeugung von aufgetrennten Ladungsträgerpaaren durch das emittierte Licht findet durch die Einbettung der Szintillatorpartikel in das Halbleitermaterial sehr nah am Ort der Entstehung des Lichts statt. Der anschließende Transport der Ladungsträger zu gegenüberliegenden Oberflächen der Konversionsschicht kann durch das Anlegen einer Spannung an dort aufgebrachten Elektroden sehr gerichtet erfolgen. Hierdurch wird eine räumliche Aufweitung der Ladungsträger und somit ein Verlust an Bildschärfe vorteilhaft vermieden. The advantage of integrating light generation and charge separation within a conversion layer is that the above-described problems of optical distortion at higher layer thicknesses are avoided. The conversion layer can be formed with a sufficiently high layer thickness for a good absorption of the X-ray radiation, without resulting in a loss of image sharpness due to optical distortion. The generation of separated charge carrier pairs by the emitted light takes place by the embedding of the scintillator particles in the semiconductor material very close to the place of origin of the light. The subsequent transport of the charge carriers to opposite surfaces of the conversion layer can be done very carefully by applying a voltage to electrodes applied there. As a result, a spatial expansion of the charge carriers and thus a loss of image sharpness is advantageously avoided.
Im Vergleich zu bekannten hybriden organischen Photodioden liegt der Vorteil der erfindungsgemäßen Konversionsfolie darin, dass die Folie als eigenständiges flexibles Bauteil ausgebildet ist. Die Konversionsfolie kann zweckmäßig frei von Schaltelementen, insbesondere frei von Auslesetransistoren sein. Sie kann als modulares Bauteil dazu vorgesehen sein, nachträglich mit einer Anordnung von Auslesetransistoren verbunden zu werden. Insbesondere kann die Konversionsfolie als freitragende Folie nach ihrer Herstellung mit einem Transistorsubstrat verbunden werden. In comparison to known hybrid organic photodiodes, the advantage of the conversion film according to the invention is that the film is formed as an independent flexible component. The conversion foil may expediently be free of switching elements, in particular free of readout transistors. It may be provided as a modular component to be subsequently connected to an array of readout transistors. In particular, the conversion film can be connected as a self-supporting film after its preparation with a transistor substrate.
Durch die Herstellung der Konversionsfolie ohne ein zugrundeliegendes Transistorsubstrat können Prozessparameter gewählt werden, die mit einem Transistorsubstrat nicht kompatibel sind. Insbesondere können Temperatur- und Druckbereiche gewählt werden, die zu einer Schädigung der Transistorsubstrate oder zumindest zu einem Ausbeuteverlust bei einer Prozessierung auf Transistorsubstraten führen würden. By fabricating the conversion foil without an underlying transistor substrate, process parameters that are incompatible with a transistor substrate can be selected. In particular, temperature and pressure ranges can be selected which would lead to damage to the transistor substrates or at least to a yield loss in a processing on transistor substrates.
Die Modularität der Konversionsfolie ermöglicht es, die Herstellung einer organischen Photodiode mit einer hybriden Konversionsschicht zu vereinfachen. Beispielsweise kann die Konversionsschicht gänzlich ohne Verwendung eines Trägersubstrats hergestellt werden, wodurch vollkommen neue Herstellungsmethoden möglich werden. Im Unterschied zu den herkömmlichen Beschichtungsverfahren, bei dem ein Substrat mit einer flüssigen Lösung und/oder einer Suspension eines Feststoffs in einer Flüssigkeit beschichtet wird, kann eine eigenstabile Folie auch substratlos aus hochviskosen Ausgangsstoffen gewalzt oder extrudiert werden. Diese Ausgangsstoffe können beispielsweise Dispersionen von festen Szintillatorpartikeln in einem Polymer oder in einem oder mehreren Ausgangsstoffen für ein Polymer sein. The modularity of the conversion foil makes it possible to simplify the production of an organic photodiode with a hybrid conversion layer. For example, the conversion layer can be produced entirely without the use of a carrier substrate, whereby entirely new production methods become possible. In contrast to the conventional coating method, in which a substrate is coated with a liquid solution and / or a suspension of a solid in a liquid, an inherently stable film can also be rolled or extruded without substrate from high-viscosity starting materials. These starting materials may be, for example, dispersions of solid scintillator particles in a polymer or in one or more starting materials for a polymer.
Alternativ können die Ausgangsstoffe für die Konversionsschicht auch in Form eines Gemischs von Feststoffen oder einer angefeuchteten Pulvermischung vorliegen. Bei der Herstellung der Konversionsfolie kann diese Konversionsschicht auf einem temporären Substrat aufliegen, von dem sie nach Verfestigung der Konversionsschicht beispielsweise wieder gelöst werden kann. Alternatively, the precursors for the conversion layer may also be in the form of a mixture of solids or a wetted powder mixture. In the preparation of the conversion film, this conversion layer can rest on a temporary substrate, from which it can be redissolved, for example, after solidification of the conversion layer.
Bei der Herstellung der Konversionsschicht aus hochviskosen und/oder festen Ausgangsstoffen kann die Materialausnutzung im Vergleich zur Herstellung aus niederviskoser Flüssigphase deutlich verbessert werden. In the preparation of the conversion layer of highly viscous and / or solid starting materials, the material utilization can be significantly improved compared to the production of low-viscosity liquid phase.
Der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor zur Detektion von ionisierender Strahlung umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Konversionsfolie. Die Vorteile Strahlungsdetektors sind analog zu den oben beschriebene Vorteilen der erfindungsgemäßen Konversionsfolie. The radiation detector according to the invention for the detection of ionizing radiation comprises at least one conversion film according to the invention. The advantages of radiation detectors are analogous to the above-described advantages of the conversion film according to the invention.
Das Verfahren zu Herstellung der erfindungsgemäßen Konversionsfolie umfasst die folgenden Schritte:
- – Herstellung einer Mischung aus einer Vielzahl von Szintillatorpartikeln und einem ein organisches halbleitendes Material enthaltenden Bindemittel,
- – Herstellung einer schichtförmigen Struktur aus der Mischung und
- – Bildung einer Konversionsschicht durch Verfestigung der schichtförmigen Struktur.
- Preparing a mixture of a plurality of scintillator particles and a binder containing an organic semiconductive material,
- - Making a layered structure of the mixture and
- - Formation of a conversion layer by solidification of the layered structure.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass hiermit die erfindungsgemäße Konversionsfolie auf einfache und materialsparende Weise hergestellt werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen der Konversionsfolie. So kann insbesondere das Verfahren zu Herstellung eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors vereinfacht werden, da der gesamte Herstellungsprozess in mehrere voneinander unabhängige modulare Teilprozesse aufgetrennt werden kann. Die Herstellung einer frei tragenden Konversionsschicht als Zulieferteil für den Strahlungsdetektor wird möglich. An advantage of the method according to the invention is that hereby the conversion film according to the invention can be produced in a simple and material-saving manner. Further advantages result analogously to the advantages of the conversion film described above. Thus, in particular, the method for producing a radiation detector according to the invention can be simplified, since the entire manufacturing process can be separated into a plurality of mutually independent modular sub-processes. The production of a free-bearing conversion layer as a supplier part for the radiation detector is possible.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Die Merkmale dieser Ausgestaltungen und Weiterbildungen können vorteilhaft mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kombiniert werden und umgekehrt. Demgemäß kann die Konversionsfolie zusätzlich folgende Merkmale aufweisen: Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. The features of these refinements and developments can advantageously be combined with the features of the radiation detector according to the invention and the production method according to the invention and vice versa. Accordingly, the conversion film may additionally have the following features:
Die Konversionsschicht kann eigenstabil ausgebildet sein. Sie kann also so stabil ausgeführt sein, dass die auch ohne ein Substrat frei tragend ist. Sie kann als eigenständige, substratfreie Schicht gehandhabt und/oder weiterverarbeitet werden. Dem steht nicht entgegen, dass sie beispielsweise während des Herstellungsprozesses auf einem temporären Substrat aufgebracht sein kann, aber sie ist dann auf jeden Fall so eigenstabil, dass sie von solch einem Substrat zerstörungsfrei wieder lösbar ist. Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Substrat bei der Herstellung kann die Konversionsschicht vor ihrer Verwendung zur Strahlungsdetektion wiederum mit weiteren tragenden Folien oder anderweitigen Substraten verbunden werden. Es kommt nur darauf an, dass die Konversionsschicht so eigenstabil ist, dass sie eine Handhabung, einen Transport und/oder eine Weiterverarbeitung ohne ein zusätzliches unterstützendes Trägersubstrat erlaubt. The conversion layer can be formed intrinsically stable. It can therefore be made so stable that it is freely supported even without a substrate. It can be handled as an independent, substrate-free layer and / or further processed. This is not precluded, for example, that it can be applied to a temporary substrate during the manufacturing process, but it is then in any case so intrinsically stable that it can be detached from such a substrate without destruction. As an alternative or in addition to such a substrate during the production, the conversion layer may in turn be connected to further supporting foils or other substrates before they are used for radiation detection. It is only important that the conversion layer is so inherently stable that it allows handling, transport and / or further processing without an additional supporting carrier substrate.
Die Konversionsschicht umfasst eine Vielzahl von in ein Bindemittel eingebetteten Szintillatorpartikeln. Dabei ist insbesondere das Bindemittel so stabil gewählt, dass die Konversionsschicht die geforderte Eigenstabilität erhält. Das Bindemittel kann also einen ausreichend stabilen Zusammenhalt der Szintillatorpartikel bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann auch schon ein Zusammenhalt zwischen den benachbart angeordneten Szintillatorpartikeln so stark ausgeprägt sein, dass die Konversionsschicht schon ohne einen verstärkenden Einfluss des Bindemittels ihre Eigenstabilität erhält. The conversion layer comprises a plurality of scintillator particles embedded in a binder. In particular, the binder is chosen so stable that the conversion layer receives the required inherent stability. The binder can thus bring about sufficiently stable cohesion of the scintillator particles. Alternatively or additionally, a cohesion between the adjacently arranged scintillator particles can be so pronounced that the conversion layer obtains its inherent stability even without a reinforcing effect of the binder.
Durch die eigenstabile Ausgestaltung der Konversionsschicht kann beispielsweise nur diese Schicht als eigenständiges Zwischenprodukt angefertigt, gelagert und bei Bedarf zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors weiterverwendet werden. Die Konversionsschicht ist vorteilhaft mechanisch und chemisch stabil genug, um über Zeiträume von Monaten oder Jahren gelagert zu werden und als eigenes Produkt in den Handel gebracht zu werden. Hierdurch kann der Herstellungsprozess des Strahlungsdetektors in verschiedene unabhängige Teilprozesse entkoppelt werden, die beispielsweise mit zeitlichem Abstand und/oder an verschiedenen Standorten durchgeführt werden können. Due to the intrinsically stable configuration of the conversion layer, for example, only this layer can be made as an independent intermediate product, stored and further used as needed for the production of a radiation detector according to the invention. The conversion layer is advantageously mechanically and chemically stable enough to be stored for periods of months or years and marketed as a separate product. As a result, the production process of the radiation detector can be decoupled into various independent sub-processes, which can be carried out, for example, with a time interval and / or at different locations.
Die Konversionsschicht kann auf einer Trägerfolie angeordnet sein. Insbesondere kann diese Trägerfolie auch Teil der Konversionsfolie sein und der eigentlichen Konversionsschicht zusätzliche mechanische Stabilität verleihen. Bei einer Verwendung der Konversionsfolie in einem Strahlungsdetektor kann eine solche Trägerfolie entweder mit der Konversionsschicht verbunden bleiben, oder sie kann als temporäres Substrat wieder von der Konversionsschicht gelöst werden. In jedem Fall ist es bei diesen Ausführungsformen zweckmäßig, wenn zwischen der Konversionsschicht und der Trägerfolie eine flächige Elektrode angeordnet ist, die die Extraktion von Ladungsträgern zu der benachbarten Oberfläche der Konversionsschicht ermöglicht. Die Trägerfolie kann bevorzugt beispielsweise ein polymeres Material und/oder eine metallische Folie umfassen. Dabei kann die Funktion der flächigen Elektrode auch durch die Trägerfolie übernommen werden, beispielsweise im Falle einer metallischen Folie. The conversion layer can be arranged on a carrier film. In particular, this carrier film may also be part of the conversion film and give the actual conversion layer additional mechanical stability. When using the conversion film in a radiation detector, such a carrier film either remain connected to the conversion layer, or it can be released as a temporary substrate again from the conversion layer. In any case, it is expedient in these embodiments if between the conversion layer and the carrier film, a planar electrode is arranged, which allows the extraction of charge carriers to the adjacent surface of the conversion layer. The carrier film may preferably comprise, for example, a polymeric material and / or a metallic foil. In this case, the function of the planar electrode can also be taken over by the carrier foil, for example in the case of a metallic foil.
Die Konversionsschicht kann flächig kontaktierbar sein. Mit anderen Worten kann wenigstens auf einer ihrer beiden Hauptflächen ein flächiger elektrischer Kontakt zu dem enthaltenden organischen Halbleitermaterial geschaffen werden. Hierzu kann beispielsweise die Konversionsschicht auf wenigstens einer ihrer beiden Hauptflächen frei zugänglich sein. Dann kann auf dieser frei zugänglichen Seite ein flächiger Kontakt mit einer Kontaktfläche eines weiteren Bauteils geschaffen werden. Beispielsweise kann die frei zugängliche Seite mit Kontaktflächen eines strukturierten Transistorsubstrats elektrisch verbunden werden. Alternativ hierzu kann die Konversionsschicht auf wenigstens einer ihrer beiden Hauptflächen bereits mit einer flächigen Elektrode versehen sein. Insbesondere kann diese flächige Elektrode in Teilelektroden unterteilt sein, die beispielsweise mit den Kontaktflächen eines strukturierten Transistorsubstrats verbunden werden können. Bei Ausführungsformen, bei denen die Konversionsschicht auf einer Trägerfolie angeordnet ist, ist die flächig kontaktierbare Seite der Konversionsfolie zweckmäßig die von der Trägerfolie abgewandte Seite. The conversion layer can be contactable over the entire surface. In other words, at least on one of its two main surfaces, a planar electrical contact to the organic semiconductor material containing can be created. For this purpose, for example, the conversion layer can be freely accessible on at least one of its two main surfaces. Then, a flat contact with a contact surface of another component can be created on this freely accessible side. For example, the freely accessible side can be electrically connected to contact surfaces of a structured transistor substrate. Alternatively, the conversion layer may already be provided with a flat electrode on at least one of its two main surfaces. In particular, this planar electrode can be subdivided into subelectrodes, which can be connected, for example, to the contact surfaces of a structured transistor substrate. In embodiments in which the conversion layer is arranged on a carrier foil, the surface of the conversion foil which can be contacted in a planar manner is expediently the side facing away from the carrier foil.
Das Bindemittel kann wenigstens zwei verschiedene organische Halbleitermaterialien umfassen, von denen das erste Halbleitermaterial ein Elektronendonator und das zweite Halbleitermaterial ein Elektronenakzeptor ist. Somit ist das erste Halbleitermaterial besonders zum Transport von positiven Ladungsträgern und das zweite Halbleitermaterial ist besonders zum Transport von negativen Ladungsträgern geeignet. In dieser Ausführungsform werden also beide Ladungsträgerarten der in der Konversionsfolie aufgetrennten Ladungsträger durch organische Halbleitermaterialien transportiert. Die Absorption des vom Szintillator erzeugten Lichts kann dabei entweder im Material des Elektronendonators und/oder im Material des Elektronenakzeptors und/oder in einem weiteren in der Umgebung der Szintillatorpartikel vorliegenden Material der Konversionsschicht erfolgen. Hierbei werden im Absorptionsmaterial sogenannte Exzitonen gebildet, die zusammenhängende Ladungsträgerpaare in einem angeregten Zustand darstellen. Diese Exzitonen können an die Grenzfläche zwischen Donatormaterial und Akzeptormaterial diffundieren und werden vorteilhaft an dieser Grenzfläche in die beiden verschiedenen Ladungsträger separiert, die dann in den beiden verschiedenen Materialien voneinander weg transportiert werden können. The binder may comprise at least two different organic semiconductor materials, one of which is the first semiconductor material Electron donor and the second semiconductor material is an electron acceptor. Thus, the first semiconductor material is particularly suitable for transporting positive charge carriers, and the second semiconductor material is particularly suitable for transporting negative charge carriers. In this embodiment, therefore, both types of charge carriers of the charge carriers separated in the conversion foil are transported by organic semiconductor materials. The absorption of the light generated by the scintillator can take place either in the material of the electron donor and / or in the material of the electron acceptor and / or in another material of the conversion layer present in the surroundings of the scintillator particles. In this case, so-called excitons are formed in the absorption material, which represent contiguous charge carrier pairs in an excited state. These excitons can diffuse to the interface between donor material and acceptor material and are advantageously separated at this interface into the two different charge carriers, which can then be transported away from each other in the two different materials.
Das Bindemittel der Konversionsschicht kann wenigstens in einem Teilbereich als einander durchdringendes Netzwerk von Domänen des Elektronendonators und Domänen des Elektronenakzeptors ausgebildet sein. Mit anderen Worten, das Bindemittel kann eine sogenannte Bulk Heterojunction umfassen. Besonders vorteilhaft bilden die einander durchdringenden Netzwerke der beiden Materialien ein gemeinsames bikontinuierliches Netzwerk, das heißt in jeder der beiden Domänen liegen von den Grenzflächen zwischen den Domänen zusammenhängende Pfade in Richtung jeweils mindestens einer Oberfläche der Konversionsschicht vor. Hierbei soll nicht ausgeschlossen sein, dass zusätzlich auch Inseln einer der Domänen oder beider Domänen vorliegen können. Vorteilhaft ist jedoch für einen Großteil der zwischen den Domänen der beiden Materialien ausgebildeten Grenzfläche in jedem der beiden Materialien solch ein zusammenhängender Pfad ausgebildet. Eine derartige Bulk Heterojunction kann sich durch Phasenseparation eines Gemisches der beteiligten Materialien ausbilden. The binder of the conversion layer may be formed at least in a partial region as a interpenetrating network of domains of the electron donor and domains of the electron acceptor. In other words, the binder may comprise a so-called bulk heterojunction. Particularly advantageously, the interpenetrating networks of the two materials form a common bicontinuous network, that is, in each of the two domains of the interfaces between the domains contiguous paths in each case towards at least one surface of the conversion layer. In this case, it should not be ruled out that in addition islands of one of the domains or both domains may be present. Advantageously, however, such a continuous path is formed in each of the two materials for a majority of the interface formed between the domains of the two materials. Such a bulk heterojunction can be formed by phase separation of a mixture of the materials involved.
Das Bindemittel kann einen mittleren Absorptionskoeffizienten von wenigstens 103 cm–1 für das durch die Szintillatorpartikel erzeugte Licht aufweisen. Bei dem mittleren Absorptionskoeffizienten handelt es sich um einen über die verschiedenen Komponenten des Bindemittels und über die unterschiedlichen Wellenlängen des emittierten Lichtes gemittelten Wert. Besonders vorteilhaft kann der mittlere Absorptionskoeffizient bei wenigstens 104 cm–1 liegen. The binder may have an average absorption coefficient of at least 10 3 cm -1 for the light generated by the scintillator particles. The mean absorption coefficient is a value averaged over the various components of the binder and over the different wavelengths of emitted light. Particularly advantageously, the average absorption coefficient can be at least 10 4 cm -1 .
Ein derart hoher Absorptionskoeffizient stellt einen großen Unterschied zu den Eigenschaften des Bindermaterials in bekannten freitragenden Konversions- oder Verstärkerfolien dar. Bei herkömmlichen Verstärkerfolien muss das Bindematerial möglichst transparent sein, damit ein möglichst hoher Anteil des emittierten Lichts an außerhalb der Folie gelegene Lichtsensoren gelangen kann. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist es allerdings vorteilhaft, wenn das Bindemittel möglichst stark absorbiert, damit möglichst nahe am Ort der Lichtentstehung ein Exziton gebildet werden kann und somit auch möglichst nah eine Separation der Ladungsträger erfolgen kann. Durch diese räumliche Nähe des Entstehungsortes der getrennten Ladungen zum Entstehungsort des Lichts wird eine unnötige optische Aufweitung und somit eine Unschärfe des entstehenden Bildes vorteilhaft vermieden. Such a high absorption coefficient makes a great difference to the properties of the binder material in known self-supporting conversion or intensifying screens. In conventional intensifying screens, the binding material must be as transparent as possible so that the highest possible proportion of the emitted light can reach light sensors located outside the film. In the case of the present invention, however, it is advantageous if the binder absorbs as much as possible so that an exciton can be formed as close as possible to the site of light generation, and thus a separation of the charge carriers can also take place as closely as possible. This spatial proximity of the place of origin of the separate charges to the place of origin of the light advantageously avoids unnecessary optical expansion and thus blurring of the resulting image.
Die mittlere Partikelgröße der Szintillatorpartikel kann vorteilhaft zwischen 0,1 µm und 500 µm liegen, besonders vorteilhaft kann sie zwischen 1 µm und 50 µm liegen. Nach unten hin werden die vorteilhaften Werte für die Größe der Szintillatorpartikel durch die Interaktionslänge der durch die Röntgenstrahlung ausgelösten hochenergetischen Elektronen begrenzt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass kleine Szintillatorpartikel aufgrund des ungünstigeren Volumen-zu-Oberfläche-Verhältnisses typischerweise höhere Defektdichten aufweisen und dadurch nicht-strahlende Rekombination von angeregten Zuständen beobachtet wird. Bei zu niedrigen Partikelgrößen ist die Stärke der Lichtemission daher zu niedrig. Nach oben hin ist die Größe der Szintillatorpartikel einerseits durch die Dicke der Konversionsschicht und andererseits auch durch eine gewünschte hohe Effizienz des Ladungsträgertransports begrenzt. The average particle size of the scintillator particles can advantageously be between 0.1 .mu.m and 500 .mu.m, particularly advantageously it can be between 1 .mu.m and 50 .mu.m. Towards the bottom, the advantageous values for the size of the scintillator particles are limited by the interaction length of the high-energy electrons released by the X-radiation. In addition, it has been found that small scintillator particles typically have higher defect densities due to the less favorable volume-to-surface ratio, thereby observing non-radiative recombination of excited states. If the particle size is too low, the intensity of the light emission is therefore too low. Toward the top, the size of the scintillator particles is limited on the one hand by the thickness of the conversion layer and on the other hand by a desired high efficiency of the charge carrier transport.
Die Partikelgrößen der Szintillatorpartikel können einer Häufigkeitsverteilung unterliegen. Beispielsweise kann die Halbwertsbreite einer solchen Verteilung vorteilhaft wenigstens 30% der mittleren Partikelgröße betragen. The particle sizes of the scintillator particles may be subject to a frequency distribution. For example, the half width of such a distribution may advantageously be at least 30% of the average particle size.
Vorteilhaft kann die Größenverteilung im Wesentlichen der sogenannten Fuller-Kurve folgen:
Hierbei beschreibt d_i eine vorgegebene Partikelgröße, D_i den kumulativen Anteil der Partikel bis zu dieser Größe d_i, d_max die maximale Partikelgröße und n das Verteilungsmodul. Dabei stellt das Verteilungsmodul einen Geometriefaktor dar, der für Kugeln einen Wert von 0,5 annimmt und für längliche oder plattgedrückte Partikel abnimmt. Für ein Verteilungsmodul von 0,35 und einer maximalen Partikelgröße von 10 µm sollte demnach etwa die Hälfte der Partikel der Mischung eine Größe von kleiner 1,4 µm aufweisen. Here, d_i describes a predetermined particle size, D_i the cumulative proportion of the particles up to this size d_i, d_max the maximum particle size and n the distribution module. The distribution module represents a geometry factor that assumes a value of 0.5 for spheres and decreases for elongated or flattened particles. For a distribution modulus of 0.35 and a maximum particle size of 10 microns, therefore, about half of the particles of the mixture should have a size of less than 1.4 microns.
Mit einer solchen Verteilung kann eine besonders hohe Packungsdichte der Szintillatorpartikel erzielt werden, da die kleineren Partikel die zwischen größeren Partikeln zwangsläufig entstehenden Lücken auffüllen können. Eine hohe Packungsdichte der Szintillatorpartikel führt vorteilhaft zu einer besonders hohen Absorption und Umwandlung der ionisierenden Strahlung bei möglichst geringer Gesamtdicke der Konversionsschicht und somit bei geringerem Verbrauch des Bindermaterials und der teuren organischen Halbleitermaterialien. With such a distribution, a particularly high packing density of the scintillator particles can be achieved, since the smaller particles can fill in the gaps which inevitably arise between larger particles. A high packing density of the scintillator particles advantageously leads to a particularly high absorption and conversion of the ionizing radiation with the lowest possible total thickness of the conversion layer and thus with lower consumption of the binder material and the expensive organic semiconductor materials.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine Szintillatorpartikel mit einer relativ einheitlichen Größe zu verwenden, beispielsweise mit eine Halbwertsbreite der Verteilung von höchsten 10%, um eine möglichst einheitliche und definierte Packung zu erzielen, beispielsweise kann so mit kugelförmigen Szintillatorpartikeln eine Art von regelmäßiger Kugelpackung ausgebildet werden. Alternatively, however, it is also possible to use a scintillator particle with a relatively uniform size, for example with a half-value width of the highest distribution of 10%, in order to achieve the most uniform and defined packing, for example, so formed with spherical Szintillatorpartikeln a kind of regular spherical packing become.
Alternativ kann auch eine Mischung von Szintillatorpartikeln mit zwei vorherrschenden, relativ einheitlichen Größen verwendet werden, wobei die Partikel kleinerer Größe dazu geeignet sind, um die Zwischenräume in einer möglichst dichten Packung der größeren Partikel aufzufüllen. Alternatively, a mixture of scintillator particles having two predominant, relatively uniform sizes may be used, with the smaller size particles being adapted to fill the spaces in as dense a packing of the larger particles as possible.
Die Konversionsschicht kann eine aus einem Pulver gesinterte Schicht sein. Ein solcher Sinterprozess eignet sich besonders gut zur Herstellung einer stabilen Schicht mit einer hohen Dichte an Szintillatorpartikeln, da durch den Sinterprozess das verwendete Ausgangsmaterial verfestigt und verdichtet wird. Das hierfür verwendete Pulver kann insbesondere ein trockenes Pulver sein, das eine Mischung aus den Szintillatorpartikeln und einem oder mehreren organischen Halbleitermaterialien enthält. Alternativ kann das Pulver auch ein leicht angefeuchtetes Pulver mit einer solchen Mischung und einer diese Mischung benetzenden Flüssigkeit sein. Der Prozess des Sinterns ist eine Verdichtung des eingesetzten Pulvers unter dem Einfluss von Druck und gegebenenfalls Temperatur. Der Sinterdruck kann dabei vorteilhaft zwischen 0,5 und 200 MPa, besonders bevorzugt zwischen 1 und 50 MPa liegen. Der Druck kann beispielsweise mittels eines Stempels, einer Rolle oder eines Walzsystems auf die Pulverschicht ausgeübt werden. Dabei können Stempel, Rolle und/oder Walzen mit einer Antihaftbeschichtung, beispielsweise mit Teflon, beschichtet sein, damit die gesinterte Schicht nach dem Prozess von dem Werkzeug gut gelöst werden kann. Außerdem sind mit derartig beschichteten Werkzeugen sehr homogene und glatte Oberflächen zu erzielen. Das Sintern der Schicht kann entweder an einer von vorneherein frei tragenden Schicht, beispielsweise in einem Walzsystem erfolgen oder aber durch Andrücken auf ein temporäres Substrat erfolgen, von dem die fertig gesinterte Schicht dann anschließend wieder gelöst werden kann. The conversion layer may be a powder sintered layer. Such a sintering process is particularly suitable for producing a stable layer with a high density of scintillator particles, since the sintering process solidifies and compacts the starting material used. In particular, the powder used for this purpose may be a dry powder containing a mixture of the scintillator particles and one or more organic semiconductor materials. Alternatively, the powder may also be a slightly wetted powder with such a mixture and a liquid wetting this mixture. The process of sintering is a compression of the powder used under the influence of pressure and optionally temperature. The sintering pressure may advantageously be between 0.5 and 200 MPa, more preferably between 1 and 50 MPa. The pressure can be exerted on the powder layer, for example by means of a stamp, a roller or a rolling system. In this case, stamp, roller and / or rollers may be coated with a non-stick coating, for example with Teflon, so that the sintered layer can be well detached from the tool after the process. In addition, with such coated tools to achieve very homogeneous and smooth surfaces. The sintering of the layer can take place either on a layer that is free from the outset, for example in a rolling system, or else by pressing on a temporary substrate, from which the finished sintered layer can subsequently be released again.
Eine Temperatur des Sinterprozesses kann vorteilhaft zwischen 30°C und 300°C, besonders vorteilhaft zwischen 50°C und 200°C liegen. Je nach Wahl der Temperatur ist sowohl Festphasensintern, also eine Materialverdichtung ohne Aufschmelzen des organischen Materials, oder auch Flüssigphasensintern, also Materialverdichtung über wenigstens anteiliges Aufschmelzen des organischen Materials denkbar. Durch die Verdichtung der Materialien über Druck und gegebenenfalls Temperatur werden die Zwischenräume derart minimiert und verdichtet, so dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung elektrischer Ladungstransport beispielsweise über Hopping- bzw. Redox-Prozesse zwischen den einzelnen organischen Molekülen und/oder Polymersträngen möglich wird. Auf diese Weise sind homogene organische Materialschichten vorgegebener Schichtdicke ohne aufwändige Vakuumprozesstechnik bei hohem Durchsatz und ohne gesundheitliche Risiken durch eventuelle Lösemittel realisierbar. A temperature of the sintering process may advantageously be between 30 ° C and 300 ° C, more preferably between 50 ° C and 200 ° C. Depending on the choice of temperature is both solid phase sintering, ie a material compression without melting of the organic material, or liquid phase sintering, so material compression over at least proportionate melting of the organic material conceivable. As a result of the compression of the materials by means of pressure and, if appropriate, temperature, the interstices are minimized and compacted, so that when an electrical voltage is applied, electrical charge transport becomes possible, for example via hopping or redox processes between the individual organic molecules and / or polymer strands. In this way, homogeneous organic material layers of predetermined layer thickness can be realized without complex vacuum process technology with high throughput and without health risks due to possible solvents.
Aufgrund der hohen Drücke und Temperaturen, welche beim Sintern auftreten können ist die direkte Applizierung der Konversionsschicht auf einem Substrat häufig schwierig. Beispielsweise können Platten mit Dünnfilmtransistoren aus amorphem Silizium auf Glassubstraten durch die Einwirkung von Druck und/oder Temperatur geschädigt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die separate Herstellung der Konversionsfolie und eine nachfolgende Kontaktierung mit dem Auslesesubstrat. Due to the high pressures and temperatures that can occur during sintering, direct application of the conversion layer to a substrate is often difficult. For example, thin film transistor amorphous silicon plates on glass substrates can be damaged by the action of pressure and / or temperature. The present invention enables the separate production of the conversion film and subsequent contacting with the read-out substrate.
Durch Sintern hergestellte Konversionsschichten lassen sich anhand der Morphologie sowie der Oberflächenbeschaffenheit der gesinterten Schicht nachweisen und charakterisieren, beispielsweise durch den Nachweis vereinzelt oder ganzflächig aufgeschmolzener Bereiche des komprimierten Ausgangspulvers. Eventuell können auch indirekt Rückschlüsse auf einen Sinterprozess, beispielsweise durch das Fehlen von Lösemittelspuren und/oder Additiven gezogen werden. Als Untersuchungsmethoden kommen beispielsweise in Frage: Optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, atomare Kraftmikroskopie, Sekundärionenmassenspektroskopie, Gaschromatographie, Cyclovoltammetrie. Conversion layers produced by sintering can be detected and characterized on the basis of the morphology as well as the surface quality of the sintered layer, for example by detecting isolated or full-surface melted areas of the compressed starting powder. It may also be possible to indirectly draw conclusions about a sintering process, for example due to the absence of solvent traces and / or additives. Possible investigation methods are, for example: optical microscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, secondary ion mass spectroscopy, gas chromatography, cyclic voltammetry.
Eine Mehrzahl der Szintillatorpartikel kann eine Ummantelung mit wenigstens einem photoaktiven Material aufweisen. Insbesondere kann das photoaktive Material ein organisches Halbmaterial sein. Eine solche Ummantelung oder Umhüllung kann zweckmäßig durch Beschichtung der verwendeten Szintillatorpartikel vor Herstellung der Konversionsschicht erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Umhüllung ist, dass eine Konversionsschicht mit hohem Volumenanteil an Szintillatorpartikeln hergestellt werden kann, wobei trotzdem die Zwischenräume zwischen direkt benachbarten Szintillatorpartikeln wenigstens teilweise mit organischem Halbleitermaterial gefüllt sind. So kann in diesen Zwischenräumen eine Absorption des emittierten Lichts und eine Auftrennung von Ladungen in diesen Zwischenräumen erfolgen. Durch die Einhaltung eines vorgegebenen Abstands zwischen den Szintillatorpartikeln aufgrund der Beschichtung können sich leitfähige Kanäle in dem wenigstens einen organischen Halbleitermaterial ausbilden, durch die separierte Ladungsträger zu den jeweiligen Oberflächen der Konversionsschicht transportiert werden können. A plurality of the scintillator particles may comprise a shell having at least one photoactive material. In particular, the photoactive material may be an organic semi-material. Such a jacket or cladding can be conveniently achieved by coating the scintillator particles used prior to the preparation of the conversion layer. An essential advantage of such a coating is that a conversion layer with a high volume fraction of scintillator particles can be made, but still the spaces between directly adjacent Szintillatorpartikeln at least partially filled with organic semiconductor material. Thus, absorption of the emitted light and separation of charges in these spaces can take place in these intermediate spaces. By adhering to a predetermined distance between the scintillator particles due to the coating, conductive channels can form in the at least one organic semiconductor material, through which separated charge carriers can be transported to the respective surfaces of the conversion layer.
Besonders vorteilhaft ist eine Mehrzahl der Szintillatorpartikel mit einer Mischung aus einem organischen Donatormaterial und einem organischen Akzeptormaterial beschichtet, die eine Struktur nach Art einer Bulk Heterojunction ausbildet. Dann kann in dieser Bulk Heterojunction das Licht der Szintillatorpartikel absorbiert werden, es können dadurch getrennte Ladungsträger erzeugt werden, und die separierten Ladungsträger können durch die Domänen der jeweiligen Donor- oder Akzeptorkomponenten zu verschiedenen Oberflächen oder verschiedenen Bereichen an einer Oberfläche der Konversionsfolie transportiert werden. Particularly advantageously, a plurality of the scintillator particles is coated with a mixture of an organic donor material and an organic acceptor material which forms a structure in the manner of a bulk heterojunction. Then, in this bulk heterojunction, the light of the scintillator particles can be absorbed, separate charge carriers can thereby be generated, and the separated charge carriers can be transported through the domains of the respective donor or acceptor components to different surfaces or different regions on a surface of the conversion foil.
Vorteilhaft können auch die Zwischenräume zwischen den beschichteten Szintillatorpartikeln wenigstens teilweise mit einem weiteren Material aufgefüllt sein. Insbesondere können die beschichteten Szintillatorpartikel in ein Bindemittel eingebettet sein, welches wenigstens ein erstes organisches Halbleitermaterial enthält. Auch das Bindemittel kann dabei bevorzugt eine Mischung eines Elektronendonators und eines Elektronenakzeptors nach Art einer Bulk Heterojunction aufweisen. Advantageously, the intermediate spaces between the coated scintillator particles can also be at least partially filled with a further material. In particular, the coated scintillator particles may be embedded in a binder containing at least a first organic semiconductor material. The binder may also preferably comprise a mixture of an electron donor and an electron acceptor in the manner of a bulk heterojunction.
Alternativ kann jedoch das erfindungsgemäße Bindemittel bereits aus dem Material der Beschichtung oder Umhüllung der Szintillatorpartikel gebildet werden. Beispielsweise können beschichtete Szintillatorpartikel durch einen Sinterprozess so verdichtet werden, dass sich durch ein Verpressen und/oder Verschmelzen der Beschichtung der einzelnen Szintillatorpartikel ein stabiles zusammenhängendes Gefüge ergibt. Vorteilhaft kann auch bei einer derart gesinterten Schicht wenigstens ein Teil der direkt benachbart gelegenen Szintillatorpartikel durch eine dazwischen angeordnete Schicht des Materials der Umhüllung beabstandet sein. Bei dieser Ausführungsvariante können Lücken zwischen den beschichteten Szintillatorpartikeln optional mit einem weiteren Material aufgefüllt sein, das zur mechanischen Festigkeit der Konversionsfolie beitragen kann, aber selbst kein weiteres organisches Halbleitermaterial enthalten muss. Beispielsweise kann solch ein zusätzliches Füllmaterial ein nichtleitendes Polymermaterial sein. Die benötigte Leitfähigkeit für den Transport der separierten Ladungsträger kann in dieser Ausführungsform allein durch die im Beschichtungsmaterial ausgebildeten Kanäle gewährleistet werden. Alternatively, however, the binder according to the invention can already be formed from the material of the coating or coating of the scintillator particles. For example, coated scintillator particles can be densified by a sintering process in such a way that the coating of the individual scintillator particles results in a stable coherent structure by pressing and / or fusing. Advantageously, even with such a sintered layer, at least a portion of the directly adjacent scintillator particles may be spaced by an interposed layer of the material of the cladding. In this embodiment, gaps between the coated scintillator particles can optionally be filled with a further material which can contribute to the mechanical strength of the conversion film, but need not contain any further organic semiconductor material itself. For example, such an additional filler material may be a non-conductive polymeric material. The required conductivity for the transport of the separated charge carriers can be ensured in this embodiment solely by the channels formed in the coating material.
Die Umhüllung aus photoaktivem Material kann die Szintillatorpartikel im Mittel zu wenigstens 80%, besonders bevorzugt zu wenigstens 95% seiner gesamten Außenfläche bedecken. The photoactive material coating may cover the scintillator particles on average at least 80%, more preferably at least 95% of its total outer surface.
Die Umhüllung der Szintillatorpartikel kann vorteilhaft eine mittlere Dicke von 15 nm bis 1500 nm, besonders bevorzugt zwischen 150 nm und 600 nm aufweisen. Die mittlere Dicke der Ummantelung kann ferner bevorzugt maximal der 2,5fachen Eindringtiefe der emittierten Strahlung der Szintillatorpartikel entsprechen, so dass der mittlere direkte Abstand von ummantelten Szintillatorpartikeln vorteilhaft maximal der fünffachen Eindringtiefe der Strahlung entspricht. The coating of the scintillator particles may advantageously have an average thickness of 15 nm to 1500 nm, more preferably between 150 nm and 600 nm. The average thickness of the sheath can furthermore preferably correspond to a maximum of 2.5 times the penetration depth of the emitted radiation of the scintillator particles, so that the mean direct spacing of coated scintillator particles advantageously corresponds to a maximum of five times the penetration depth of the radiation.
Die Szintillatorpartikel können einen Gewichtsanteil an der Konversionsschicht zwischen 80% und 98% aufweisen. Ein derart hoher Gewichtanteil ist vorteilhaft, um eine hohe Absorption der ionisierenden Strahlung in der Konversionsfolie zu erreichen. Gleichzeitig soll der Anteil der übrigen Komponenten der Konversionsfolie, also insbesondere der Anteil des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Umhüllungsmaterials nicht unnötig hoch sein, um die Herstellungskosten möglichst niedrig zu halten. Ein gemeinsamer Gewichtsanteil dieser übrigen Komponenten von wenigstens 2% ist vorteilhaft, um ein möglichst durchgehendes Netzwerk an leitfähigem Material zum Transport der separierten Ladungsträger an die Oberfläche der Konversionsfolie zu ermöglichen. The scintillator particles can have a weight fraction of the conversion layer between 80% and 98%. Such a high proportion by weight is advantageous in order to achieve a high absorption of the ionizing radiation in the conversion film. At the same time, the proportion of the other components of the conversion film, that is to say in particular the proportion of the binder and optionally of an additional coating material, should not be unnecessarily high in order to keep the production costs as low as possible. A common proportion by weight of these other components of at least 2% is advantageous in order to enable the most continuous possible network of conductive material for transporting the separated charge carriers to the surface of the conversion foil.
Das Bindemittel kann vorteilhaft wenigstens ein Polymermaterial, insbesondere ein organisches Polymermaterial umfassen. Die Verwendung eines Polymermaterials kann vorteilhaft eine besonders hohe Festigkeit und mechanische Belastbarkeit der Konversionsfolie bewirken. Es ist möglich, dass ein stabiler Zusammenhalt der Folie bei einem hohen Anteil an Szintillatorpartikeln überhaupt erst durch die Verwendung eines polymeren Materials als Bestandteil des Binders erreicht wird. Ein solches Polymermaterial kann beispielsweise ein polymerer organischer Halbleiter sein, der dann bevorzugt gleichzeitig die Funktionalität der Leitfähigkeit für wenigstens eine Ladungsträgersorte und die Funktionalität des mechanischen Zusammenhalts erfüllt. In einer alternativen Ausführungsform kann das Polymermaterial jedoch auch nichtleitend sein und lediglich als Stützmaterial für ein oder mehrere im Bindemittel vorliegende leitfähige Komponenten dienen. The binder may advantageously comprise at least one polymer material, in particular an organic polymer material. The use of a polymer material can advantageously bring about a particularly high strength and mechanical strength of the conversion film. It is possible that a stable cohesion of the film is achieved with a high proportion of scintillator particles in the first place by the use of a polymeric material as part of the binder. Such a polymer material may, for example, be a polymeric organic semiconductor, which then preferably simultaneously fulfills the functionality of the conductivity for at least one charge carrier type and the functionality of the mechanical cohesion. However, in an alternative embodiment, the polymer material may also be non-conductive and serve merely as a support material for one or more conductive components present in the binder.
Beispiele für solche nichtleitende Polymermaterialien sind Polymethylmethacrylat, Polyester oder Cellulosetriacetat. Examples of such non-conductive polymer materials are polymethyl methacrylate, polyester or cellulose triacetate.
Die Schichtdicke der Konversionsschicht kann vorteilhaft zwischen 10 µm und 1 mm, besonders vorteilhaft zwischen 50 µm und 500 µm liegen. Eine derartig ausgestaltete Konversionsschicht ist dick genug, um eine ausreichend hohe Absorption und Umwandlung der ionisierenden Strahlung zu bewirken. Andererseits ist sie ausreichend dünn, um eine effiziente Extraktion der getrennten Ladungsträger durch ein an den Außenseiten der Folie angelegtes elektrisches Feld zu ermöglichen. The layer thickness of the conversion layer can advantageously be between 10 μm and 1 mm, particularly advantageously between 50 μm and 500 μm. Such a converted conversion layer is thick enough to cause a sufficiently high absorption and conversion of the ionizing radiation. On the other hand, it is sufficiently thin to allow efficient extraction of the separated carriers by an electric field applied to the outside of the foil.
Die Absorption der Konversionsfolie für Röntgenstrahlung mit einer Energie von 60 keV kann vorteilhaft wenigstens 50%, besonders vorteilhaft wenigstens 70% betragen. Dies soll insbesondere für einen senkrechten Durchtritt der Strahlung durch die Folie gelten. The absorption of the conversion film for X-ray radiation with an energy of 60 keV can advantageously be at least 50%, particularly advantageously at least 70%. This should apply in particular for a vertical passage of the radiation through the film.
Die Lichtwellenlänge wenigstens eines Emissionsmaximums der Szintillatorpartikel kann innerhalb der Bandbreite eines Absorptionsmaximums des Bindemittels liegen. Mit anderen Worten, das Absorptionsspektrum des Bindemittels kann vorteilhaft wenigstens auf einen Teilbereich des Emissionsspektrums der Szintillatorpartikel angepasst sein. Die Emissionsbanden der Szintillatorpartikel sollen also mit wenigstens einer Absorptionsbande wenigstens einer Komponente des Bindemittels einen Überlapp aufweisen. Hierdurch kann eine hohe Effizienz für die Erzeugung von getrennten Ladungsträgern durch das vom Szintillator emittierte Licht bewirkt werden. The wavelength of light of at least one emission maximum of the scintillator particles may be within the bandwidth of an absorption maximum of the binder. In other words, the absorption spectrum of the binder can advantageously be adapted to at least a portion of the emission spectrum of the scintillator particles. The emission bands of the scintillator particles should therefore have an overlap with at least one absorption band of at least one component of the binder. As a result, a high efficiency for the generation of separate charge carriers by the light emitted by the scintillator can be effected.
Die Wahl besonders geeigneter Materialien für die Komponenten, insbesondere die lichtabsorbierenden Komponenten des Bindemittels hängt also von der Wahl des Materials für die Szintillatorpartikel ab. Beispielhafte Materialkombinationen für eine Kombination von Szintillatorpartikeln mit photoaktiven organischen Materialien für verschiedene Wellenlängen sind wie folgt:
Geeignete grüne Szintillatoren sind beispielsweise Gd2O2S:Pr,Ce (Gadoliniumoxysulfid, dotiert mit Praseodym und Cer mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 515 nm), Gd2O2S:Tb (Gadoliniumoxysulfid, dotiert mit Terbium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 545 nm), Gd2O2S:Pr,Ce,F (Gadoliniumoxysulfid, dotiert mit Praseodym oder Cer oder Fluor mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 510 nm), YAG:Ce (Yttrium-Aluminium-Granat dotiert mit Cer mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 550 nm), CsI:Tl (Caesiumiodid, dotiert mit Thallium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 525 nm), CdI2:Eu (Europium-dotiertes Cadmiumiodid mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 580 nm) oder Lu2O3:Tb (Lutetiumoxid dotiert mit Terbium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 545 nm). Diese grünen Szintillatoren zeichnen sich durch ein Emissionsmaximum im Bereich von 515–580 nm aus und sind damit gut auf das Absorptionsmaximum von Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) als beispielhaftes photoaktives Material der organischen Matrix bei 550 nm ausgelegt. Der Szintillator Bi4Ge3O12 bzw. BGO (Wismutgermanat mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 480 nm) kann gut mit Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MEH-PPV) oder Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MDMO-PPV) kombiniert werden, die eine gute Absorption im Bereich 460–520 nm aufweisen. The choice of particularly suitable materials for the components, in particular the light-absorbing components of the binder thus depends on the choice of the material for the Szintillatorpartikel. Exemplary combinations of materials for a combination of scintillator particles with photoactive organic materials for different wavelengths are as follows:
Suitable green scintillators are, for example, Gd 2 O 2 S: Pr, Ce (gadolinium oxysulfide doped with praseodymium and cerium having an emission maximum at about 515 nm), Gd 2 O 2 S: Tb (gadolinium oxysulfide doped with terbium with an emission maximum at about 545 nm), Gd 2 O 2 S: Pr, Ce, F (gadolinium oxysulfide doped with praseodymium or cerium or fluorine having an emission maximum at about 510 nm), YAG: Ce (yttrium aluminum garnet doped with cerium having an emission maximum at about 550 nm), CsI: Tl (cesium iodide doped with thallium with an emission maximum at about 525 nm), CdI 2 : Eu (europium-doped cadmium iodide with an emission maximum at about 580 nm) or Lu 2 O 3 : Tb (lutetium oxide doped with Terbium with an emission maximum at about 545 nm). These green scintillators have an emission maximum in the range of 515-580 nm and are thus well suited for the absorption maximum of poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) as an exemplary photoactive material of the organic matrix at 550 nm , The scintillator Bi 4 Ge 3 O 12 or BGO (bismuth germanate with an emission maximum at about 480 nm) can work well with poly [2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV) or Poly [2-methoxy-5- (3 ', 7'-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylenevinylene] (MDMO-PPV) are combined, which have a good absorption in the range 460-520 nm.
Geeignete blaue Szintillatoren sind ebenfalls zu nennen. Eine attraktive Materialkombination mit Emission im Blauen stellen Lu2SiO5:Ce bzw. LSO (Caesium dotiertes Lutetiumoxyorthosilicat mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 420 nm), Lu1.8Y.2SiO5:Ce (mit Cer dotiertes Lutetiumoxyorthosilicat mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 420 nm), CdWO4 (Cadmiumwolframat mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 475 nm), CsI:Na (Caesiumiodid dotiert mit Natrium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 420 nm), oder NaI:Tl (Thallium dotiertes Natriumiodid mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 415 nm), Bi4Ge3O12 bzw. BGO (Wismutgermanat mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 480 nm), Gd2SiO5 bzw. GSO (Gadoliniumoxyorthsilicat dotiert mit Cer mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 440 nm), oder CsBr:Eu (Caesiumbromid dotiert mit Europium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 445nm) dar, welche gut mit typischen Wide-Band-Gap Halbleitern (Halbleitern mit großer Bandlücke) wie Poly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-(benzo[2,1,3]thiadiazol-4,8-diyl)] (F8BT) mit einem Absorptionsmaximum bei 460 nm oder anderen Polyfluoren-(PFO)Polymeren und Co-Polymeren mit einer Absorption bei 380–460 nm kombiniert werden können. Suitable blue scintillators are also mentioned. An attractive combination of materials with emission in the blue filters Lu 2 SiO 5: Ce or LSO (cesium-doped Lutetiumoxyorthosilicat with an emission maximum at about 420 nm), Lu 1.8 Y .2 SiO 5: Ce (doped with cerium Lutetiumoxyorthosilicat with an emission maximum at about 420 nm), CdWO 4 (cadmium tungstate having an emission maximum at about 475 nm), CsI: Na (cesium iodide doped with sodium having an emission maximum at about 420 nm), or NaI: Tl (thallium doped sodium iodide having an emission maximum at about 415 nm), Bi 4 Ge 3 O 12 or BGO (bismuth germanate having an emission maximum at about 480 nm), Gd 2 SiO 5 or GSO (gadolinium oxyorthosilicate doped with cerium having an emission maximum at about 440 nm), or CsBr: Eu (cesium bromide doped with europium with an emission maximum at about 445nm), which works well with typical wide band gap semiconductors (large bandgap semiconductors) such as poly [(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl) -alter]. (benzo [2,1,3] thiadiazole-4,8-diyl)] (F8BT) can be combined with an absorption maximum at 460 nm or other polyfluorene (PFO) polymers and co-polymers with absorbance at 380-460 nm ,
Rote Szintillatoren wie Lu2O3:Eu (Lutetiumoxid dotiert mit Europium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 610–625 nm), Lu2O3:Tb (Lutetiumoxid dotiert mit Terbium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 610–625 nm) oder Gd2O3:Eu (Gadoliniumoxysulfid dotiert mit Europium mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 610–625 nm), YGdO:(Eu,Pr) (Europium und/oder Praseodym dotiertes Yttrium gadoliniumoxid mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 610 nm), GdGaO:Cr,Ce (Chrom und(oder Caesium dotiertes Gadoliniumgalliumoxid), oder CuI (Kupferiodid mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 720 nm) können gut mit Absorbern, wie sie für die organische Photovoltaik entwickelt wurden, kombiniert werden, beispielsweise Poly[2,1,3-benzothiadiazol-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3, 4-b']dithiophen-2,6-diyl]] (PCPDTBT), Squaraine (z.B. Hydrazon End-verkappte symmetrische Squaraine mit glykolischer Funktionalisierung oder Diazulensquaraine), Polythieno[3,4-b]thiophen (PTT) oder Poly(5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)-thieno(3,4-b)diathiazol-thiophen-2,5) (PDDTT). Red scintillators such as Lu 2 O 3 : Eu (lutetium oxide doped with europium having an emission maximum at about 610-625 nm), Lu 2 O 3 : Tb (lutetium oxide doped with terbium having an emission maximum at about 610-625 nm) or Gd 2 O 3 : Eu (gadolinium oxysulfide doped with europium having an emission maximum at about 610-625 nm), YGdO: (Eu, Pr) (europium and / or praseodymium-doped yttrium gadolinium oxide having an emission maximum at about 610 nm), GdGaO: Cr, Ce (FIG. Chromium and (or cesium doped gadolinium gallium oxide), or CuI (copper iodide having an emission maximum at about 720 nm) can be combined well with absorbers such as those developed for organic photovoltaics, for example, poly [2,1,3-benzothiadiazole-4 , 7-Diyl [4,4-bis (2-ethylhexyl) -4 H -cyclopenta [2,1-b: 3, 4-b '] dithiophene-2,6-diyl]] (PCPDTBT), squarains (eg hydrazone End-capped symmetrical squarains with glycolic functionalization or diazulenequarains), polythieno [3,4-b] thiophene ( PTT) or poly (5,7-bis (4-decanyl-2-thienyl) thieno (3,4-b) diathiazolethiophene-2,5) (PDDTT).
Besonders hervorzuheben gemäß bevorzugten Ausführungsformen sind unter diesen Paaren: Gd2O2S:Tb oder YAG:Ce in Kombination mit P3HT, Lu2SiO5:Ce in Kombination mit F8BT oder YGdO:Eu mit PCPDTBT. In diesen Beispielen erfüllen die organischen Halbleiter P3HT, F8BT und PCPDTBT jeweils gleichzeitig die Funktion der absorbierenden Komponente und der lochleitenden Elektronendonator-Komponente des Bindemittels. Particularly noteworthy according to preferred embodiments are among these pairs: Gd 2 O 2 S: Tb or YAG: Ce in combination with P3HT, Lu 2 SiO 5 : Ce in combination with F8BT or YGdO: Eu with PCPDTBT. In these examples, the organic semiconductors P3HT, F8BT and PCPDTBT each simultaneously fulfill the function of the absorbing component and the hole-conducting electron donating component of the binder.
Besonders geeignete Materialien für eine elektronenleitende Akzeptor-Komponente des Bindemittels sind Fullerene und ihre Derivate wie beispielsweise [6,6]-Phenyl-C61-Butansäuremethylester (PCBM). Particularly suitable materials for an acceptor electron-accepting component of the binder are fullerenes and their derivatives such as [6,6] -phenyl-C 61 -butanoic acid methyl ester (PCBM).
Die Konversionsfolie kann wenigstens eine erste Elektrode umfassen, die bevorzugt auf wenigstens einer ersten Oberfläche der Konversionsschicht angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann die Konversionsfolie wenigstens zwei Elektroden umfassen, die zweckmäßig auf gegenüberliegenden Oberflächen der Konversionsschicht angeordnet sein können. Bevorzugt sind diese beiden Elektroden zur Extraktion der beiden verschiedenen Ladungsträgerarten ausgebildet, mit anderen Worten, es kann sich um eine Anode und eine Kathode handeln. The conversion foil may comprise at least one first electrode, which is preferably arranged on at least one first surface of the conversion layer. Particularly preferably, the conversion foil may comprise at least two electrodes, which may be expediently arranged on opposite surfaces of the conversion layer. Preferably, these two electrodes are designed for the extraction of the two different types of charge carriers, in other words, it can be an anode and a cathode.
Wenigstens eine der beiden Elektroden kann großflächig ausgebildet sein, mit anderen Worten, sie kann einen Großteil einer der Oberflächen der Konversionsfolie bedecken. Es können auch beide Elektroden großflächig ausgebildet sein. At least one of the two electrodes can be designed over a large area, in other words, it can cover a majority of one of the surfaces of the conversion film. It can also be formed over a large area both electrodes.
Es kann auch wenigstens eine der Elektroden strukturiert ausgebildet sein, insbesondere kann sie eine regelmäßige Anordnung von Teilelektroden umfassen. Beispielsweise kann wenigstens eine Elektrode in eine Vielzahl gleichartiger Teilelektroden unterteilt sein, um das Auslesen eines räumlichen Abbildes der ionisierenden Strahlung in einer Vielzahl von Bildelementen (Pixeln) zu ermöglichen. Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine Elektrode großflächig ausgebildet ist und eine gegenüberliegende Elektrode auf der anderen Seite der Konversionsfolie in einzelne Pixel strukturiert ausgebildet ist. Bei der strukturierten Elektrode kann es sich entweder um die Anode oder auch um die Kathode handeln. Es ist aber auch möglich, dass beide Elektroden in einzelne Pixel unterteilt sind. At least one of the electrodes may also have a structured design, in particular it may comprise a regular arrangement of partial electrodes. For example, at least one electrode may be subdivided into a multiplicity of like sub-electrodes to enable readout of a spatial image of the ionizing radiation in a plurality of pixels. For this purpose, it is particularly advantageous if an electrode is designed over a large area and an opposite electrode on the other side of the conversion film is formed into individual pixels structured. The structured electrode may be either the anode or the cathode. But it is also possible that both electrodes are divided into individual pixels.
Vorteilhaft kann die wenigstens eine strukturierte Elektrode in einer oder in beiden Raumrichtungen eine Strukturgröße aufweisen, die zwischen 0,3 µm und 100 µm, besonders vorteilhaft zwischen 0,3 µm und 30 µm liegt. Advantageously, the at least one structured electrode in one or in both spatial directions have a structure size which is between 0.3 .mu.m and 100 .mu.m, particularly advantageously between 0.3 .mu.m and 30 .mu.m.
Geeignete Materialien für die Elektroden sind Metalle wie Aluminium, Silber und Gold oder leitfähige Oxide wie beispielsweise Indiumzinnoxid. Suitable materials for the electrodes are metals such as aluminum, silver and gold or conductive oxides such as indium tin oxide.
Alternativ oder zusätzlich zu solchen Elektrodenschichten kann die Konversionsfolie auf wenigstens einer Oberfläche mit einem Kontaktmaterial versehen sein, das als großflächiger Film mit anisotropisch leitenden Eigenschaften ausgebildet ist. As an alternative or in addition to such electrode layers, the conversion film may be provided on at least one surface with a contact material which is formed as a large-area film with anisotropically conductive properties.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Konversionsfolie frei von Elektroden sein. Geeignete Elektroden zur Extraktion der Ladungsträger aus der Konversionsschicht können dann beispielsweise in einem späteren Schritt als weiterer Bestandteil eines Strahlungsdetektors mit der Konversionsfolie verbunden werden. In an alternative embodiment, the conversion foil may be free of electrodes. Suitable electrodes for the extraction of the charge carriers from the conversion layer can then be connected to the conversion film as a further component of a radiation detector, for example in a later step.
Die Konversionsfolie kann optional zusätzlich zwischen der Konversionsschicht und einer der Elektroden wenigstens eine Zwischenschicht umfassen. Eine solche Zwischenschicht kann beispielsweise entweder als Lochblockerschicht oder als Elektronenblockerschicht ausgebildet sein. The conversion foil may optionally additionally comprise at least one intermediate layer between the conversion layer and one of the electrodes. Such an intermediate layer may be formed, for example, either as a hole blocker layer or as an electron blocker layer.
Die Konversionsfolie kann optional eine oder mehrere zusätzliche Schutzschicht aufweisen, welche das Eindringen von Staub, Wasser und/oder Sauerstoff in die Folie und eine damit verbundene Alterung verhindert. Diese Schutzschicht kann so ausgeführt sein, dass sie während der Verarbeitung in einem Detektor vor der Verbindung mit einem Substrat abgezogen wird oder im fertigen Bauteil verbleibt. Beispielsweise kann eine erste Schutzfolie an der oberen Seite als Wasser- und Sauerstoff-Barriere bestehen bleiben, während eine zweite Schutzfolie auf der Unterseite abgezogen wird bevor die Unterseite mit einem Substrat, beispielsweise einer Transistor-Matrix, verbunden wird. Optionally, the conversion film may have one or more additional protective layers which prevent the ingress of dust, water and / or oxygen into the film and associated aging. This protective layer may be designed so that it is removed during processing in a detector prior to connection to a substrate or remains in the finished component. For example, a first protective film can remain on the upper side as a water and oxygen barrier, while a second protective film on the underside is pulled off before the underside is connected to a substrate, for example a transistor matrix.
Die Konversionsfolie kann optional über eine Adhesionsschicht verfügen, welche die Verbindung mit einem Substrat erleichtert. Die Adhesionsschicht kann beispielweise als anisotropisch leitender Kleber ausgeführt sein und kann bis zur Montage mit einer Schutzfolie überzogen sein. The conversion film may optionally have an adhesion layer which facilitates connection to a substrate. The adhesion layer can be designed, for example, as an anisotropically conductive adhesive and can be coated with a protective film until it is assembled.
Der Strahlungsdetektor zur Detektion von ionisierender Strahlung mit der Konversionsfolie kann zusätzlich folgende weitere Merkmale aufweisen:
Zweckmäßig kann er wenigstens eine Elektrode umfassen, die benachbart zu einer ersten Oberfläche der Konversionsschicht angeordnet ist. Zusätzlich kann er eine zweite Elektrode umfassen, die benachbart zu einer zweiten Oberfläche der Konversionsschicht angeordnet ist. Vorteilhaft können diese beiden Elektronen an gegenüberliegenden Oberflächen, insbesondere den beiden Hauptflächen der Konversionsschicht angeordnet sein. Eine dieser beiden Elektroden oder auch beide Elektronen können entweder schon Bestandteil der Konversionsfolie sein, oder sie können im Strahlungsdetektor als zusätzliche mit der Konversionsfolie nachträglich verbundene Elemente vorliegen. The radiation detector for detecting ionizing radiation with the conversion film may additionally have the following additional features:
Suitably, it may comprise at least one electrode arranged adjacent to a first surface of the conversion layer. In addition, it may include a second electrode disposed adjacent to a second surface of the conversion layer. Advantageously, these two electrons can be arranged on opposite surfaces, in particular the two main surfaces of the conversion layer. One of these two electrodes or both electrons can either already be part of the conversion film, or they may be present in the radiation detector as additional with the conversion film subsequently connected elements.
Die Elektroden dienen dabei zweckmäßig zum elektrischen Transport der beiden getrennten Ladungsträgerarten aus der Konversionsfolie. Dabei kann zweckmäßig eine Elektrode als Kathode und die zweite Elektrode als Anode ausgebildet sein. The electrodes are useful for the electrical transport of the two separate types of charge carriers from the conversion foil. In this case, an electrode may expediently be in the form of a cathode and the second electrode may be in the form of an anode.
Zwischen der Konversionsschicht und wenigstens einer der beiden Elektroden kann optional zusätzlich eine Zwischenschicht angeordnet sein. Diese Zwischenschicht kann eine Lochblockerschicht sein, die zum Transport von Elektronen und/oder zum Abblocken von Löchern (positiven Ladungsträgern) ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann es eine Elektronenblockerschicht sein, die zum Transport von Löchern und/oder zum Abblocken von Elektronen ausgebildet ist. An intermediate layer can optionally additionally be arranged between the conversion layer and at least one of the two electrodes. This intermediate layer may be a hole blocker layer which is designed to transport electrons and / or to block holes (positive charge carriers). Alternatively or additionally, it may be an electron blocker layer designed to transport holes and / or to block off electrons.
Der Strahlungsdetektor kann weiterhin in einzelne Bildelemente unterteilt sein, beispielsweise durch Strukturierung wenigstens einer der Elektroden in eine Vielzahl von Teilelektroden. Bei dieser Ausführungsform kann der Strahlungsdetektor weiterhin eine Vielzahl von Schaltelementen umfassen zur Ansteuerung und/oder zur Auslesung der einzelnen Bildelemente. Insbesondere können dabei jedem Bildelement ein oder mehrere Schaltelemente zugeordnet sein. Die Schaltelemente können beispielsweise Transistoren, insbesondere Dünnfilmtransistoren aus amorphem Silizium sein. The radiation detector can furthermore be subdivided into individual picture elements, for example by structuring at least one of the electrodes into a plurality of sub-electrodes. In this embodiment, the radiation detector may further comprise a plurality of switching elements for driving and / or reading the individual picture elements. In particular, one or more switching elements can be assigned to each picture element. The switching elements may be, for example, transistors, in particular thin-film transistors of amorphous silicon.
Ein besonderer Vorteil eines solchen Strahlungsdetektors ist, dass durch die Verwendung der erfindungsgemäßen freitragenden Konversionsfolie keine komplexen Prozessschritte auf den empfindlichen Schaltelementen durchgeführt werden müssen. Insbesondere muss die Herstellung der Konversionsschicht nicht auf den empfindlichen Schaltelementen erfolgen, sondern die fertige Konversionsfolie kann nachträglich mit diesen Schaltelementen verbunden werden. Beispielsweise kann eine Glasplatte, die eine Vielzahl von Dünnfilmtransistoren aufweist nachträglich mit der schon fertig hergestellten Konversionsfolie verbunden werden. Dabei können die Dünnfilmtransistoren bereits mit einer Elektrode ausgestattet sein und mit einer Konversionsfolie verbunden werden welche nur auf der gegenüberliegenden Seite mit einem großflächigen Kontakt ausgestattet ist. Alternativ kann die Konversionsfolie schon während ihrer Herstellung mit Elektroden versehen werden, oder sie kann nachträglich, beispielsweise auch erst bei der Verbindung mit dem Transistorsubstrat mit Elektroden versehen werden. Die Transistoren können dabei vorteilhaft Dünnfilmtransistoren aus amorphem Silizium oder einem Metalloxid sein. A particular advantage of such a radiation detector is that no complex process steps must be carried out on the sensitive switching elements by using the self-supporting conversion film according to the invention. In particular, the production of the conversion layer does not have to be done on the sensitive switching elements, but the finished conversion film can be subsequently connected to these switching elements. For example, a glass plate having a plurality of thin-film transistors can be subsequently connected to the already finished conversion foil. In this case, the thin-film transistors can already be equipped with an electrode and connected to a conversion foil which is equipped only on the opposite side with a large-area contact. Alternatively, the conversion foil can already be provided with electrodes during its production, or it can subsequently be provided with electrodes, for example only when it is connected to the transistor substrate. The transistors may be advantageous thin-film transistors made of amorphous silicon or a metal oxide.
Die nachträgliche Verbindung einer Anordnung von Schaltelementen mit der fertigen Konversionsfolie hat in jedem Fall den Vorteil, dass die Materialausbeute erheblich verbessert werden kann. Insbesondere entsteht kein unnötiger Ausschuss an Transistorplatten bei der Abscheidung eines komplizierten Schichtsystems aus Szintillatorpartikeln und organischen Halbleitermaterialien. The subsequent connection of an arrangement of switching elements with the finished conversion film in any case has the advantage that the material yield can be significantly improved. In particular, there is no unnecessary waste of transistor plates in the deposition of a complicated layer system of scintillator particles and organic semiconductor materials.
Das Verfahren zur Herstellung der Konversionsfolie kann neben den vorab schon beschriebenen Varianten zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die Szintillatorpartikel können vor der Herstellung der Konversionsschicht mit einer Ummantelung versehen werden, die wenigstens ein photoaktives Material, insbesondere einen photoaktiven organischen Halbleiter aufweist. The process for the preparation of the conversion film can, in addition to the previously described variants, additionally have the following features:
Before the conversion layer is produced, the scintillator particles can be provided with a coating which has at least one photoactive material, in particular a photoactive organic semiconductor.
Die Konversionsschicht kann durch Sinterung eines pulverförmigen Ausgangsmaterials hergestellt werden. Insbesondere kann hierdurch eine eigenstabile Konversionsschicht erzeugt werden. The conversion layer can be prepared by sintering a powdery starting material. In particular, this can produce an intrinsically stable conversion layer.
Die Konversionsschicht kann durch Polymerisation wenigstens eines Bestandteils des Bindemittels hergestellt und/oder verfestigt werden. The conversion layer can be prepared and / or solidified by polymerizing at least one constituent of the binder.
Die Konversionsfolie kann durch ein Extrusionsverfahren hergestellt werden. Besonders vorteilhaft können bei dieser Ausführungsvariante auch eine oder mehrere Elektroden durch Ko-Extrusion einer Konversionsschicht und eines elektrisch leitfähigen Materials aufgebracht werden. Beispielsweise können leitfähige flächige Silberpartikel zusammen mit der Konversionsschicht ko-extrudiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Konversionsschicht auch mit einer Trägerfolie koextrudiert werden. The conversion film can be produced by an extrusion process. In this embodiment variant, one or more electrodes can also be applied particularly advantageously by coextrusion of a conversion layer and of an electrically conductive material. For example, conductive silver planar particles can be coextruded together with the conversion layer. Alternatively or additionally, the conversion layer can also be coextruded with a carrier film.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen: The invention will be described below with reference to several preferred embodiments with reference to the attached drawings, of which:
In
Die Szintillatorpartikel
Im gezeigten Beispiel ist das Bindemittel
Die in
In
Die Teilelektroden
Weiterhin ist es möglich, eine Konversionsfolie
Schließlich ist es auch möglich den Kontakt zwischen Konversionsschicht
Der durch die flächige Verbindung von Konversionsfolie
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine vereinfachte und modulare Herstellung eines Strahlungsdetektors
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2014-02-28 DE DE102014203685.2A patent/DE102014203685A1/en not_active Withdrawn
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