DE2900465C2 - Szintillationsdetektor - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) parallel zum Rückwandteil (16) ein Vorderwandteil (12) vorgesehen ist, das

(el) im wesentlichen transparent für energiereiche elektromagnetische Strahlung ist, und

(e2) dessen dem Detektorzelleninneren zugewandte Oberfläche mit einem optisch reflektierenden Material (20) überzogen ist,

(al) die dem Detektorzelleninneren zugewandte Oberfläche des Rückwandteils (16) mit einem optisch reflektierenden Material überzogen ist, und

(dl) die photoelektrisch ansprechenden Detektoren (18) an den Ober- und Unterteilen jeder, von Rückwandteil (16), Vorderwandteil (12) und Kollimator-Wandteilen (14) als Seitenteilen gebildeten Detektorzelle angeordnet sind.

2. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch reflektierende Material (20) Silber oder Bariumsulfat ist.

3. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrisch ansprechenden Detektoren (18) Silizium-Photodioden sind.

4. Szintillationsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Trennwandteil (40) umfaßt, das gegenüber energiereicher elektromagnetischer Strahlung undurchlässig ist und sowohl zu den Kollimator-Wandteilen (14) als auch dem Vorder- und dem Rückwandteil (12, 16) im wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, dessen beide Oberseiten mit einem optisch reflektierenden Material (20) überzogen sind, und das so angeordnet ist, daß es die Kollimatorteile (14) und die Vorder- und Rückwandteile (12,16) etwa halbiert.

Die Erfindung betrifft einen Szintillationsdetektor mit

(a) einem Rückwandteil,

(b) einer Vielzahl von Detektorzellen begrenzenden Kollimator-Wandteilen, die senkrecht zum Rückwandteil angeordnet sind, für eneergiereiche elektromagnetische Strahlung im wesentlichen undurchlässig sind und deren dem Detektorzelleninneren zugewandte Oberflächen optisch reflektierend ausgeführt sind,

(c) einen Szintillatorkörper in jeder Detektorzelle, und

(d) mindestens einem, mit jeder Detektorzelle vercirügten photoelektrisch ansprechenden Detektor.

Ein Szintillator ist ein Material, das elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Spektrums emittiert, wenn es mit energiereicher elektromagnetischer Strahlung, wie Röntgen- oder Gammaphotonen, angeregt wird. Der Begriff »Licht« ebenso wie »optisch« bezieht sich nicht nur auf den sichtbaren Bereich des Spektrums sondern auch auf die nahe dem sichtbaren liegenden Bereiche, die solche Strahlung umfassen, wie sie durch gewisse Szintillatoren im IR- oder UV-Bereich emittiert werden.

In typischen tomographischen oder industriellen Anwendunten läßt man das von Szintillatormaterialien abgegebene Licht auf photoelektrisch ansprechende Materialen auftreffen, um ein elektrisches Abgabesignal zu erzeugen, das in direkter Beziehung zur Intensität der ursprünglichen Röntgen- oder Gammabestrahlung steht, die beim Passieren des untersuchten Körpers moduliert, worden ist.

Es ist allgemein erwünscht, daß die von den Szintillatoren abgegebene Lichtmenge für eine gegebene Menge an Röntgen- oder Gammabestrahlung so hoch als möglich ist. Dies trifft besonders auf dem Gebiete der medizinischen Tomographie zu, wo es erwünscht ist, die Intensität der Röntgenstrahlen so gering als möglich zu halten, um die Gefahr für den Patienten minimal zu halten. Aus diesem Grunde sollte eine möglichst große Menge an optischer Abgabe des Szintillators zu dem photoelektrisch ansprechenden Detektor geleitet werden.

Es sind in der Vergangenheit Einkristalle aus Szintillatormalerial, wie aus Cäsiumjodid, vorgeschlagen und in Szintillationsdetektor-Anordnungen benutzt werden. Einkristalle sind nicht immer erhältlich oder sie sind zu teuer. Es sind daher auch Szintillationskörper vorgeschlagen worden, die aus Leuchtstoffpulvern hergestellt sind. Die optische Undurchiässigkeit dieser Szintillatorkörper hat jedoch verhindert, daß eine optimale Lichtmenge zu den photoelektrisch ansprechenden Detektoren gelangt. Die Menge an nachweisbarer optischer Abgabe war auf das begrenzt, das durch die Röntgenstrahlanregung in oder nahe den Oberfiächenbereichen des Szintillatorkörpers erzeugt wurde. Hinzu kam die tief im Inneren des Szintillatorkörpers erzeugte optisehe Abgabe, die aber nur abgeschwächt den Körper verlassen kann.

Ein Szintillationsdetektor der eingangs genannten Art ist in der US-PS 39 36 645 beschrieben. Dieser bekannte Detektor hat den Nachteil, daß die photoelektrisch ansprechenden Detektoren am rückwärtigen Ende der Anordnung in dem direkten Pfad des Röntgen- oder Gammastrahles montiert sind. Dies ist unerwünscht, da das längere Aussetzen der photoelektrisch ansprechenden Detektoren, wie Silizium-Photodioden,

Verschlechterung ihrer Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit führt. Außerdem sprechen die Detektoren auch direkt auf die durch sie oder die Kanten der Szintillatoren hindurchgehenden Röntgenstrahlen an, und dies verursacht eine schlechte Gleichförmigkeit des Signals von Kanal zu Kanal.

In der US-PS 38 25 758 ist eine Szintillatorkristalleinheit beschrieben, die mehrere Szintillatorkristalle um-

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, faßt, durch deren beiden Enden Strahlung austreten chende Detektor befindet sich nicht in dem direkten

' · kann, und bei der die photoelektrisch ansprechenden Strahl aus hochenergiereichen Röntgen- oder Gamma-

Detektoren außerhalb des direkten Pfades des Gamma- photonen, wodurch eine Hauptquelle für seine Ver-

strahles angeordnet sind. Nach Spalte 1, Zeilen 29 bis 33, schlechtemng beseitigt ist Dabei kanalisiert der Szintil-

betrifft die Erfindung nach der US-PS 38 25 758 allge- 5 lationsdetektor die Lichtgabe des Szintillatormaterials

,'. mein die Aufgabe, die Position einer Szintillation in ei- gut zu den photoelekltrisch ansprechenden Detektoren.

ι nem stabförmigen Szintillatorkristall zu bestimmen, in- Die Anordnung photoelektrisch ansprechender De-

dem man die Amplitude des aus den Enden des Stabes tektoren oberhalb und unterhalb des Rontgenstrahles

austretenden Lichtimpulse beobachtet schafft eine größere Fläche für den Nachweis der opti-

Zur Lösung dieser Aufgabe wird in F i g. 4 eine An- io sehen Abgabe des Szintillator. Dies erhöht die Gesamt-

i- ₍ Ordnung gezeigt, bei der sich drei Kristalle aus Silizium- Wirksamkeit des Systems stark.

■.« dioxid oder einem ähnlichen Szintillatormaterial inner- Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme

halb einer Matrix befinden, von der nicht ersichtlich ist auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt
woraus sie besteht und bei der die Matrix schließlich Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausfüh-

mit einem hochreflektierenden Überzug aus Magnesi- 15 rungsform des erfindungsgemäßen Detektors, bei der umoxid versehen ist mit jeder Szintillatorzelle jeweils ein Paar photoelek-

um die gegenseitige Beeinflussung der drei Szintilla- trisch ansprechender Detektoren verbunden ist
torkristalle zu vermindern, werden nach der Ausfüh- F i g. 2 eine rückwärtige Schnittansicht einer Ausfüh-

rungsform der Figur 5 zusätzlich reflektierende Ab- rungsform der vorliegenden Erfindung, welche lichtkaschirmungen zwischen den Szintillatorkristallen vorge- 20 nalisierende Teile zeigt

sehen, die, so wird in Spalte 4, Zeilen 47 bis 49 ausge- F i g. 3 eine Seitenansicht im Schnitt der in F i g. 2 geführt aus dem typischen Material Aluminium bestehen. zeigten Ausführungsform, aus der sich die Lage der Die US-PS 39 82 128 betrifft eine Szintillatorsonde lichtkanalisierenden Teile und der photoelektrisch anmit einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit sprechenden Detektoren ergibt,

zum Untersuchen des Brustbereiches von Patienten. 25 F i g. 4 eine Seitenansicht im Schnitt welche die Rönt-Gemäß einer Ausführungsform weist die Sonde ringför- genstrahlabsorption in einer vielschichtigen Szintillatormige Kollimatorelemente auf, die sich über die Szintilla- struktur veranschaulicht,

torkörper hinaus nach vorn erstrecken, um deren Ge- F i g. 5 eine Seitenansicht im Schnitt, die den Einsatz

Sichtsfelder zu beschränken. Bei dieser Anordnung ist eines einzelnen Szintillatorkörpers zeigt,
einer von zwei photoelektrisch ansprechenden Dete'c- 30 F i g. 6 eine rückwärtige Ansicht im Schnitt einer Austoren außerhalb des direkten Pfades der radioaktiven führungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Strahlung angeordnet verwendeten photoelektrisch ansprechenden Detekto-

Ein in der DE-OS 28 49 739 veröffentlicht am 23.5.79, ren in Modulkonstruktion vorhanden sind, und
beschriebener Detektor weist die Merkmale (a) bis (c), F i g. 7 eine rückwärtige Ansicht im Schnitt, die die

(e) und (el) des Anspruches 1 auf. Weiterhin ist in der 35 Anwendung der Faser-Optik zum Kanalisieren von • DE-OS 28 41 394, veröffentlicht am 12.4.79, ein Detek- Licht von dem Szintillatorkörper zu den photoelektor beschrieben, der die Merkmale (a) bis (d) und (dl) trisch ansprechenden Detektoren zeigt,
des Anspruchs 1 aufweist. F i g. 1 veranschaulicht eine mit Kollimatoren verse-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Szin- hene Szintillatordetektor-Anordnung gemäß einer Aus- : tillationsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patent- 40 führungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser anspruches 1 so auszubilden, daß die photoelektrisch Ausführungsform bilden die Kollimatorwandteile 14, ansprechenden Detektoren nicht mehr im direkten Weg das Vorderwandteil 12 und das Rückwandteil 16 eine ■ der energiereichen elektromagnetichen Strahlung ange- Reihe von Zellen, in die die Szintillatorkörper 10 eingeordnet sind, führt werden können. Das Vorderwandteil 12 besteht Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 45 aus einem Material, das energiereiche elektromagnetidaß sehe Strahlung, wie Röntgen- oder Gammastrahlung

nicht absorbiert. Geeignete Materialien hierfür sind

(e) parallel zum Rückwandteil ein Vorderwandteil vor- Aluminium, Beryllium, Quarz, Kunststoff und andere gesehen ist, das Materialien kleiner Ordnungszahl. Die Kollimator-

(ei) im wesentlichen transparent für energiereiche elek- 50 wandteile 14 dagegen bestehen aus einem Material hotromagnetische Strahlung ist, und her Ordnungszahl, wie Wolfram, Tantal oder Molybdän.

(e2) dessen dem Detektorzelleninneren zugewandte Das für das Rückwandteil 16 eingesetzte Material ist Oberfläche mit einem optisch reflektierenden Ma- nicht kritisch, doch kann es, wenn erwünscht aus einem terial überzogen ist, Material ausgewählt sein, das gegenüber Röntgen- oder

(al) die dem Detektorzelleninneren zugewandte Ober- 55 Gammastrahlung stark undurchlässig ist, so daß irgendfläche des Rückwandteils mit einem optisch reflek- welche nichtabsorbierte Reststrahlungsenergie nicht in tierenden Material überzogen ist, und die Umgebung gelangt. Die Kollimatorwandteile 14 und

(dl) die photoelektrisch ansprechenden Detektoren an die Wandteile 12 und 16 sind aus einem starren Material den Ober- und Unterteilen jeder von Rückwandteil, hergestellt. Vor oder nach dem Zusammenbauen über-. Vorderwandteil und Kollimator-Wandteilen als 60 zieht man die inneren Oberflächen der Kollimator- und

Seitenteilen gebildeten Detektorzelle angeordnet der anderen Wandteile mit einem optisch reflektierensind, den Material 20, so daß das von den innerhalb der obengenannten Zellen angeordneten Szintillatorkörpern erWeiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprü- zeugte Licht schließlich zu den photoelektrisch ansprechen gekennzeichnet. 65 chenden Detektoren 18 geleitet wird. Die Leitungen 19 Der erfindungsgemäße Detektor hat gegenüber den für die von diesen Detektoren 18 abgegebenen elektri-Szintillationsdetektoren nach dem Stande der Technik sehen Signale sind zur Analyse durch für die computerieine Reihe von Vorteilen. Der photoelektrisch anspre- sierte Tomographie übliche Standardeinrichtungen mit

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einem nicht dargestellten Datenerfassungskanal verbunden. Üblicherweise wird in solchen Geräten für computerisierte Tomographie ein fächerförmiger Röntgenstrahl 50 zur Anregung der Szintillatorkörper 10 benutzt. Die daher resultierende Lichtabgabe aus den s Szintillatorkörpern 10 wird durch die auf die inneren Oberflächen der Wandteile 12,14 und 16 aufgebrachten Überzüge 20 reflektiert.

Der reflektierende Überzug 20 kann diffus oder spiegelnd sein. Eine diffus reflektierende Oberfläche wird to z. B. durch Überziehen der inneren Oberfläche der Wandteile 12, 14 und 16 mit einer dünnen Schicht aus Bariumsulfat oder Magnesiumoxid erhalten. Eine spiegelnd reflektierte Oberfläche erhält man, wenn die Teile 12,14 und 18 z. B. durch Bedampfen mit Silber überzogen werden. Es können auch andere reflektierende Materialien benutzt werden, wenn diese Materialienen jedoch Elemente hoher Ordnungszahl enthalten, dann ist es erwünscht, daß die Dicke dieses Überzuges auf dem Vorderwandteil 12 minimal gehalten wird, damit der Röntgenstrahl 50 vor der Absorption in den Szintillatorkörper 10 nicht geschwächt wird. Das reflektierende Material wird z. B. entweder durch Bedampfen oder Abcheiden aufgebracht

In der in F i g. 1 dargestellten Struktur sind die photoelektrisch ansprechenden Detektoren 18, wie Silizium-Photodioden, auf dem Ober- und Unterteil jeder Detektorzelle montiert. Diese Detektoren 18 sind sorgfältig mit den Kollimatorwandteilen 14 ausgerichtet, so daß zwischen den benachbarten Detektorzellen keine Signalüberlappung stattfindet. Sollte dies nicht getan werden, dann kann eine unerwünschte Verschlechterung bei der Signalauflösung die Folge sein.

Die Anordnung der photoelektrisch ansprechenden Detektoren auf dem Oberteil und dem Unterteil der Detektorzellen ist der bei früheren Szintillatordetektoren üblichen Anordnung überlegen, bei der diese Detektoren im rückwärtigen Teil der Anordnung in der Position montiert waren, die nach der vorliegenden Erfindung durch das Rückwandteil 16 eingenommen wird. Dadurch befanden sich die photoelektrisch ansprechenden Detektoren bei der Anordnung nach dem Stande der Technik direkt in dem Röntgen- oder Gammastrahl, und sie waren der durch die Szintillationskörper 10 nicht absorbierten Energie des Strahles ausgesetzt, und dies hatte nachteilige Wirkungen. Durch die Anordnung der photoelektrisch ansprechenden Detektoren gemäß der F i g. 1 wird nicht nur dieser Nachteil vermieden, sondern es wird auch ein größerer Bereich für den Nachweis des von den Szintillatorkörpern abgegebenen Lichtes geschaffen. Schließlich gestattet die Ausführungsform nach F i g. 1 nicht nur den Nachweis über eine größere Fläche, sondern sie gestattet auch die Anordnung zweier solcher Detektoren pro Zelle, was die nachgewiesene Lichtmenge weiter stark erhöht

In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung gezeigt in der Iichtkanalisierende prismatische Teile 30 benutzt werden, um die Ausrichtung des abgegebenen Lichtes zu der Oberfläche der photoelektrisch ansprechenden Detektoren 18 zu ω fördern. Diese Teile 30 sind aus irgendeinem starren Material hergestellt wie Kunststof oder Aluminium. Auch diese Teile 30 sind miteinem optisch reflektierenden Material 20 überzogen. Die Anwesenheit der Teile 30 zum Kanalisieren des Lichtes dient auch zur Verringerung der mit der Ausrichtung der photoelektrisch ansprechenden Detektoren 18 verbundenen kritischen Probleme. Wie der F i g. 2 zu entnehmen ist ist bei dieser Struktur die genaue Ausrichtung der Detektoren 18 an den Kanten der Kollimatoren 14 nicht mehr erforderlich. In F i g. 2 ist auch eine Absorptionsstelle 32 erkennbar, an der ein Röntgen- oder Gammaphoton absorbiert und in eine Vielzahl optischer Photonen größerer Wellenlänge und geringerer Energie umgewandelt wird. Der Pfad 34 eines typischen optischen Photons zeigt Reflexionen von dem Überzug 20 auf dem KoIIimatoirwandteil 14 und auch dem Überzug 20 auf dem lichtkanalisierenden Teil 30 auf seinem Weg zum Detektor 18.

Soll auch die vertikale Auflösung erhöht werden, dann wird die Szintillatorstruktur mit einem horizontalen Trennwandteil 40, wie in F i g. 2 gezeigt, versehen. Dieses Wandteil 40 ist üblicherweise aus dem gleichen Material hergestellt, wie die Kollimatorwandteile 14 und ebenfalls mit dem gleichen reflektierenden Material 20 überzogen, wie die Kollimatorwandteile 14, die anderen Wandteile 12 und 16 und ein Deckenteil 22. Der in F i g. 3 gezeigte Raum 36 ist entweder mit Luft, einem lichtleitenden, faseroptischen Material oder einem anderen transparenten Medium gefüllt

Die Anordnung der Detektoren zusammen mit den horizontalen Trennwandteilen gestattet eine größere vertikale Auflösung. Tatsächlich gestattet bei der computerisierten tomographischen Röntgenabbildung der mit Kollimator versehene Szintillationsdetektor nach der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung des horizontalen Trennwandteiles 40 eine ausreichende Erzeugung von Daten, um die Konstruktion von zwei Bildern von Körperschnitten und nicht nur ein Schnittbild zu erlauben.

F i g. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach F i g. 2 und veranschaulicht insbesondere den Ort der lichtkanalisierenden Teile 30. Die in F i g. 3 gezeigten Szintillatorkörper sind die vielschichtigen Körper mit verteiltem Leuchtstoff, wie sie in der älteren Patentanmeldung P 28 49 739.4 offenbart sind. F i g. 3 veranschaulicht eine Struktur, bei der sich die Kollimatorwandteile 14 für eine Strecke über die Vorderseite jeder Zelle hinaus erstreckt und dadurch eine Signalkreuzung verringern verbessern.

Fig,4 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors mit einer vielschichtigen Szintillatorstruktur mit verteiltem Leuchtstoff. Der Szintillatorkörper 10 umfaßt eine Reihe von Schichten. Die erste Schicht 10a enthält Leuchtstoff entweder in pulverisierter oder kristalliner Form oder sogar in Form eines Leuchtstoffpulvers, das in einer transparenten Matrix suspendiert ist Eine zweite Schicht 106 umfaßt ein optisch relativ transparentes Substrat Eine dritte Schicht 10c umfaßt ein transparentes Laminatmaterial und bilden den Hauptkanal, durch den das im Szintillatorkörper 10 erzeugte Licht ungeschwächt zu den Detektoren 18 übertragen wird. Ein hochenergiereiches Photon 51 aus dem Röntgenstrahl 50 trifft auf eine Absorptionsstelle 32 und erzeugt dabei Photonen optischer Wellenlänge. Ein typischer Pfad eines solchen optischen Photons ist durch den Pfad 34 dargestellt Auch hier wird, wenn erwünscht ein horizontales Trennwandteil 40 hinzugefügt um die vertikale Auflösung zu verbessern. Beide Seiten dieses horizontalen Trennwandteiles 40 sind mit einem geeigneten reflektierenden Material, wie oben beschrieben, bezogen.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors, bei der der Szintillatorkörper 10 aus einem Einkristall oder einem anderen einzelnen, relativ homogenen Szintillatormaterial hergestellt

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ist. Es wird auch ein stützender Füllstoff 11 hinzugegeben, wenn dies erwünscht ist. Dieser Füllstoff 11 darf nicht nur keine energiereichen elektromagnetischen Photonen absorbieren, sondern er muß auch transparent sein für das vom Szintillatorkörper 10 abgegebene Licht. Auch in Fig.5 ist ein typischer Pfad 34 des vom Szintillatorkörper abgegebenen Lichtes gezeigt.

Fig.6 zeigt eine ähnliche Struktur wie Fig. 1, außer daß die verwendeten Photodetektoren hier in Modulsegmenten bzw. kassettenförmig angeordnet sind. Die Modul-Photodetektoren 42 umfassen je eine Vielzahl einzelner Detektoren 43, die mit einer einzelnen gemeinsamen Kontaktleitung 19a für alle einzelnen Detektoren in einem Modulsegment hergestellt sind. Bei dieser Modul-Photodetektorkonstruktion ist jeder ein- is zelne Detektor 43 mit einer eigenen einzelnen Kontaktleitung 196 versehen. Durch die Modulbauweise wird daher der für die Verdrahtung erforderliche Raum verringert und die Fabrikation erleichtert. Die Modul-Detektoreinheiten sind auf einem Substrat 41 mit einer gedruckten Schaltung vereint.

F i g. 7 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie F i g. 2 mit der Ausnahme, daß die durch die Lichtpfade 34 veranschaulichte Lichtabgabe der Szintillatoren mittels Faseroptikmaterialien zu den Photodetektoren 18 oder 43 geführt wird. Der obere Teil der F i g. 7 veranschaulicht die Verwendung der lichtkonzentrierenden Faseroptikmaterialien 31a, die die Lichtabgabe 34 zu einzelnen Photodetektoren 43 in einem Modulsegment 42 leiten. Der untere Teil der F i g. 7 veranschaulicht die Verwendung nichtkonzentrierender, direkter Faseroptikbindeglieder 316 von den Szintillatorkörpern 10 bis zu den Photodetektoren 18, die auf einer gedruckten Schaltungsplatte 41 montiert sind. Die konzentrierte Faseroptikeinrichtung gestattet eine größere Flexibilität bei der Plazierung der Photodetektoren.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Szintillationsdetektor mit

(a) einem Rückwandteil,

(b) eine Vielzahl von Detektorzellen begrenzenden Kollimator-Wandteilen, die senkrecht zum Rückwandteil angeordnet sind, für energiereiche elektromagnetische Strahlung im wesentlichen undurchläßig sind und deren dem Detektorzelleninneren zugewandte Oberflächen optisch reflektierend ausgeführt sind,

(c) einem Szintillatorkörper in jeder Detektorzelle, und

(d) mindestens einem, mit jeder Detektorzelle vereinigten photoelektrisch ansprechenden Detektor,