-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Detektor mit
lichtempfindlicher Matrix. Sie betrifft insbesondere die Röntgenstrahlendetektoren. Sie
soll die Leistungen dieses Detektortyps verbessern.
-
Im
Bereich der elektronischen Röntgenstrahlendetektoren
sind die Röntgenbildverstärkerbildschirme
bekannt, die gegenüber
einem Detektor angeordnet sind und auf einer anderen Seite eine
Röntgenstrahlung
empfangen. Im Bereich der Nuklearmedizin sind auch Szintillatoren
bekannt, um Gammastrahlen (oder Röntgenstrahlen) in von einem
Detektor erfassbare sichtbare Strahlen umzuformen. Die am häufigsten
verwendeten Detektoren sind im Bereich der Radiologie Zielkameras
oder zusammengebaute Schienen von Lastübertragungsvorrichtungen (CCD).
Im Bereich der Nuklearmedizin werden auch Anordnungen von Photomultiplikatorröhren verwendet,
die überdies
mit einer elektronischen Baryzentrierschaltung verbunden sind. Alle
diese Detektoren mit Sensoren, die nicht in der Lage sind, direkt
Röntgenstrahlen
zu erfassen, sind mit Szintillatoren verbunden, die die Aufgabe
haben, die Röntgenstrahlen in
Strahlen im annähernd
sichtbaren Spektrum umzuformen.
-
Das
verwendete Material, um die Umformung durchzuführen, das Material des Szintillators, ist
normalerweise Gadolinium-Oxysulfid. Dieses wird in Form einer dünnen Schicht
von typischerweise 50 bis 300 Mikrometer verwendet. Diese Schicht
ist aus Partikeln dieses Materials gebildet, die durch ein Bindemittel
verbunden sind. Die Emission von sichtbarem Licht in die gesamte
Dicke und in alle Richtungen dieses Materials führt zu einem Empfindlichkeitsverlust
und einem Verlust an Auflösungskraft
des Detektors und somit des Sensors.
-
Es
wurde somit bereits vorgeschlagen, eine (Kunststoff-) Folie, die
Gadolinium-Oxysulfid enthält, auf
einen Detektor mit lichtempfindlicher Matrix aufzubringen, wobei
dieser letztgenannte von einer integrierten Schaltung mit Silizium
gebildet ist.
-
Das
Cäsiumjodid,
CsI, dotiert mit Thallium, in Fadenform, bietet eine interessante
Alternative für eine
größere Lichtleistung,
die mit einer Wellenleiterwirkung der Fäden, deren typische Querschnittsabmessungen
3 bis 6 Mikrometer betragen, in Zusammenhang steht. Dieses Material
wird herkömmlicherweise
bei den Röntgenbildverstärkern als Überzug eines
Eingangsbildschirms verwendet, der im Allgemeinen von einem bombierten
Aluminiumblatt gebildet ist. Es sind auch Ausführungen bekannt, bei denen
eine Scheibe aus optischen Fasern mit einem solchen Material überzogen
ist. Die Fäden
sind senkrecht auf die Oberfläche
des Trägers,
der sie trägt, ausgerichtet.
Sie sind nur teilweise aneinander gebunden. Sie bieten somit eine
Porosität
von 20 bis 25%. Diese mit Luft gefüllten Poren in Verbindung mit einem
günstigen
Brechungsindex des CsI (1,78) bewirken eine Kanalisierung der sichtbaren
Photonen, die in jedem Faden ausgesandt werden, und ergeben eine
höhere
Empfindlichkeit und Auflösungskraft.
-
Jedoch
Verwendungsschwierigkeiten des CsI in Bezug auf das Gadolinium-Oxysulfid
bleiben bestehen. Es ist insbesondere der Nachteil bekannt, dass
das CsI rasch an der Raumluft bei den üblichen Feuchtigkeiten hydratisiert.
Diese Wasseraufnahme bewirkt eine Verschlechterung des mit dem Detektor erhaltenen
Bildes. Sie ruft zuerst einen Haloeffekt hervor. Dann verschlechtert
diese Wasserzugabe auf irreversible Weise die Fäden mit einem darauf folgenden
Verlust an Lichtleistung und Auflösungskraft des Detektors. Es
ist anzumerken, dass dieser Nachteil nicht in den Röntgenbildverstärkerröhren anzutreffen ist,
da sich das CsI in der Vakuumröhre
befindet.
-
Andererseits
ist das Thallium, obwohl es in geringen Mengen in den Fäden vorhanden
ist, stark toxisch. Die geringe mechanische Haltbarkeit des CsI
ruft Staub und Abfälle
hervor, deren Beseitigung genauestens kontrolliert werden muss.
In manchen Fällen
wird die Passivierung des mit Thallium dotierten CsI durch Verdampfen
einer Aluminiumschicht an der Oberfläche des Szintillators erzielt.
-
Auf
Grund seiner geringen mechanischen Haltbarkeit muss das CsI auf
einen starren Träger aufgebracht
werden. Das Biegen des Trägers
würde nämlich zu
am Bild sichtbaren Fehlern führen.
Dieser Träger
muss überdies
normalerweise, ohne sich zu verformen, einer Wärmebehandlung zur Diffusion des
Thalliums bei einer Temperatur von ungefähr 300° standhalten.
-
Bei
den Röntgenbildverstärkern ist
der Träger
aus Aluminium, manchmal in Verbindung mit amorphem Kohlenstoff,
oder auch durch amorphen Kohlenstoff auf Grund der sehr hohen Beständigkeit dieses
Materials ersetzt. Das Dokument FR A 2 713 824 beschreibt eine Röhre, in
der der Kohlenstoff in amorpher Form verwendet wird; es handelt
sich nicht um einen Detektor mit Matrix.
-
Abgesehen
von den Ausführungen
von Bildverstärkerröhren schlug
die Anmelderin vor, Cäsiumjodid
auf Beryllium aufzubringen. Jedoch hat dieses Material den Nachteil, übermäßig teuer
zu sein.
-
Die
Erfindung soll diese Probleme lösen,
wobei sie vorschlägt,
eine CsI-Schicht auf einem Sockel entstehen zu lassen, der von einem
bearbeiteten Graphitblock gebildet ist, der vorzugsweise die Besonderheit
einer geringen Oberflächenrauhigkeit
aufweist. Vorzugsweise ist der bei der Erfindung verwendete Sockel
ein Sockel, der auf seiner Oberfläche einem Schritt der Verdichtung
unterzogen wurde, um von dieser die dem Graphit anhaftenden natürlichen Porositäten zu entfernen. Überdies
wird diese somit verdichtete Schicht dann vorzugsweise geschliffen, um
ihr eine geringe Rauhigkeit zu verleihen. Es konnte nun festgestellt
werden, dass das CsI, wenn es in gasförmiger Phase aufgebracht wird,
ein sehr interessantes Wachstum aufweist: die Fäden sind regelmäßig voneinander
entfernt, und die so hergestellte Oberfläche des Szintillators ist gleichsam
eben, trotz der mit der Rauhigkeit des Graphits verbundenen Fehler.
-
Wenn
der Sockel keinem Verdichtungsvorgang unterzogen wird, ergeben sich
in dem hergestellten Detektor Empfindlichkeitsunterschiede. Es kann
versucht werden, sich damit abzufinden. Wenn beispielsweise die
Graphitoberfläche
gerillt ist (beispielsweise parallele Striche), ist in dem nach
der Funktion des Detektors erhaltenen Bild das Vorhandensein dieser
Striche zu erkennen. Es ist möglich, insbesondere
im Bereich der Nuklearmedizin, durch eine Softwarebearbeitung die
mit den verschiedenen Orten verbundenen Empfindlichkeitsunterschiede
zu korrigieren. Bei einer erfindungsgemäßen Verbesserung wird der Umfang
dieser Korrektur durch den Schritt der Verdichtung und/oder des
Schleifens begrenzt.
-
In
jedem Fall bringt das Vorhandensein des Graphitsockels die Lösung für die Probleme
der Differentialdehnung, die bei der Diffusion des Thalliums entsteht.
-
Der
Graphit, wie er bei der vorliegenden Erfindung verstanden wird,
ist ein Material, das sich vom amorphen Kohlenstoff dadurch unterscheidet, dass
es eine physikalisch poröse
Struktur aufweist, im Gegensatz zum amorphen Kohlenstoff, der sehr dicht
ist. Der Graphit ist mit metallischen Werkzeugen bearbeitbar, während der
amorphe Kohlenstoff praktisch nur mit Diamantwerkzeugen bearbeitet
werden kann.
-
Deshalb
ist es bei der hier vorgesehenen Anwendung, nämlich der Aufbringung von Cäsiumjodid auf
einen bearbeiteten Träger,
der dazu bestimmt ist, vor einem Bilddetektor mit Matrix angeordnet
zu werden, besonders interessant, einen Graphitblock als Träger zu verwenden.
-
Der
Graphit hat meistens eine nicht nur poröse, sondern lamellenartige
Struktur, die seine Bearbeitung noch erleichtert, im Gegensatz zum
amorphen Kohlenstoff, dessen Struktur im Wesentlichen isotrop ist.
-
Der
Graphit wird im Prinzip durch Kompression eines Kohlenstoffpulvers
bei hoher Temperatur gewonnen, währen
der amorphe Kohlenstoff aus der Zerlegung in gasförmiger Phase
(Kracken) stammt, die zu einem Wachstum von mehr oder weniger dicken Überzügen auf
einem Ausgangsträger
führt.
Es ist somit einfacher, bearbeitbare Blöcke aus Graphit herzustellen,
während
es einfacher erscheint, Überzüge aus amorphem
Kohlenstoff auf Oberflächen, wie
beispielsweise den bombierten Oberflächen von Eingangsbildschirmen
von Röntgenbildverstärkern, herzustellen.
-
Die
Erfindung betrifft somit einen elektronischen Detektor mit lichtempfindlicher
Matrix, umfassend einen Matrixbilddetektor, der über einem Szintillator befestigt
ist, um eine elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung, typischerweise
eine Röntgenstrahlung,
in eine Niedrigfrequenzstrahlung, typischerweise eine Strahlung
des sichtbaren Bereichs, umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass
der Szintillator eine Platte aus Cäsiumjodid umfasst, die von
einem Sockel aus Graphit getragen wird, der auf der Seite angeordnet
ist, die dazu bestimmt ist, die Hochfrequenzstrahlung zu empfangen.
-
Sie
betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Detektors, dadurch
gekennzeichnet, dass
- – ein Sockel aus Graphit hergestellt
wird, der als Stütze
für einen
Szintillator dienen soll, – der
Graphitsockel geschliffen wird,
- – in
gasförmiger
Phase Cäsiumjodid
auf den Graphitsockel aufgebracht wird,
- – das
aufgebrachte Cäsiumjodid
mit Thallium dotiert wird,
- – in
gasförmiger
Phase unter Vakuum eine Schicht aus einem Syntheseharz auf das aufgebrachte
Cäsiumjodid
aufgebracht wird,
- – eine
flüssige
Harzschicht zur optischen Kopplung auf die Schicht aus Syntheseharz
aufgebracht wird,
- – ein
Detektor auf der flüssigen
Harzschicht zur optischen Kopplung angeordnet wird.
-
Die
Erfindung wird durch die Studie der nachfolgenden Beschreibung und
der begleitenden Figuren besser verständlich. Diese haben nur hinweisenden
Charakter und sind keineswegs einschränkend für die Erfindung. Die Figuren
zeigen:
-
1:
schematische Darstellung der Struktur des erfindungsgemäßen Detektors;
-
2:
schematische Darstellung einer Maschine, die für den Einsatz eines Passivierungsverfahrens
für die
Cäsiumjodidschicht
eingesetzt wird.
-
1 zeigt
erfindungsgemäß einen
elektronischen Detektor 1 mit lichtempfindlicher Matrix.
Der Detektor 1 umfasst einen Sensor 2, der über einem Szintillator 3 befestigt
ist. Ziel dieses Detektors ist die Umwandlung einer Röntgenstrahlung 4 oder
einer anderen Hochfrequenzstrahlung (die auch eine Gammastrahlung
sein könnte)
in eine Niedrigfrequenzstrahlung 5. Die Strahlung 5 kann
somit in das sichtbare Spektrum ausgesandt werden. Die Strahlung 5 ist
nun von einem Sensor 2 erfassbar. Der Sensor 2 kann
ein herkömmlicher
Sensor sein. In einem bevorzugten Beispiel ist der Sensor 2 vom
Typ CCD, wie oben angeführt.
Jede Schiene einer CCD-Vorrichtung bildet eine Linie von Erfassungspunkten.
Nebeneinander liegende Schienen dienen dazu, die verschiedenen Linien
eines Matrixbildes zu bilden.
-
Der
Detektor umfasst im Wesentlichen eine Platte 6 aus Cäsiumjodid,
die von einem Sockel 7 aus Graphit getragen wird. Der Sockel
ist auf der Seite angeordnet, auf der die Röntgenstrahlung empfangen wird.
Der erfindungsgemäß verwendete
Graphit ist vorzugsweise Graphit mit Lamellenstruktur, der durch
Kompression eines Kohlenstoffpulvers bei Wärme erhalten wird. Dieser Graphittyp
ist kostengünstig
in der Herstellung und vor allem in der Bearbeitung, da er mit metallischen
Werkzeugen bearbeitet werden kann, während die Materialstrukturen
auf Basis von amorphem Kohlenstoff nur mit Diamantwerkzeugen bearbeitet
werden können.
-
Das
verwendete Material ist somit in Form von kleinen gehäuften Lamellen 10 vorhanden,
die Stoß an
Stoß übereinander
gestapelt sind. Die Dicke des Sockels 7 beträgt in einem
Beispiel ungefähr
500 Mikrometer. Falls der Szintillator größer ist, kann sie bis zu 800
oder 2000 Mikrometer betragen. Bis zu 200 Mikrometer sind möglich, wenn
er kleiner ist. Der Graphit hat zusätzlich zu seiner guten Durchlässigkeit
für Röntgenstrahlen
den Vorteil, dass er schwarz ist, d.h. dass er die in seine Richtung
vom Szintillator ausgesandten sichtbaren Strahlungen absorbiert,
die mehr dazu beitragen, die Auflösungskraft des Detektors zu
senken als seine Empfindlichkeit zu erhöhen. In einem bevorzugten Beispiel
ist die Qualität
des Graphits des Sockels 7 derart, dass die Korngröße geringer
als 5 Mikrometer, vorzugsweise ungefähr gleich oder geringer als
1 Mikrometer ist. Es wurde nämlich
festgestellt, dass, wenn die natürliche
Anisotropie des Graphits nicht kontrolliert wird, diese zu Korngrößen von
20 Mikrometern führen
würde.
In diesem Fall wäre
die Qualität
der Regelmäßigkeit
der Dicke der Platte 6 aus CsI weniger gut und würde mehr
Softwarekorrekturen erfordern.
-
Der
Sockel 7 ist vorzugsweise zur Oberflächenverdichtung von einer Schicht 8 aus
amorphem Kohlenstoff überzogen.
Die amorphe Kohlenstoffschicht 8, deren Dicke ungefähr 3 bis
20 Mikrometer beträgt,
ermöglicht
es, Löcher 9 zu
füllen,
die an der Oberfläche
des Sockels 7 auf Grund seiner Porosität vorhanden sind.
-
Die
Atome der Kohlenstoffschicht 8 unterscheiden sich von jenen
des Sockels 7 dadurch, dass in der Schicht 7 die
Porosität
größer ist
und die Kohlenstoff-Graphit-Partikel
ausgerichtet sind. Die Schicht 8 aus amorphem Kohlenstoff
ist eine dichtere und nicht strukturierte Schicht, d.h. dass sie
nicht polykristallin ist: die Atome sind darin ohne Organisation aufeinander
angeordnet. Diese Schicht aus amorphem Kohlenstoff wird beispielsweise
in Dampfphase unter Vakuum auf den Sockel 7 aufgebracht.
-
Als
Variante oder Ergänzung
kann die Graphitschicht 7 vorher an der Stelle, an der
die Cäsiumjodidschicht 6 wachsen
sollte, einer Verdichtung durch Imprägnieren unterzogen werden.
Ein solches Imprägnieren
wird beispielsweise dadurch erzielt, dass die Seite des Graphitsockels 7,
die dazu bestimmt ist, das Cäsiumjodid
aufzunehmen, mit einer Folie aus organischem Harz überzogen
wird. Dann wird diese Einheit einer sehr hohen Temperatur (1000°) ausgesetzt.
Dies bewirkt ein Brechen des Harzes, eine Trennung der Kohlenstoffatome
von den Wasserstoffatomen oder anderen Körpern, mit denen sie verbunden
sind, in dem Harz. Diese Verunreinigungen werden auf diese Weise
natürlich
durch Verdampfen beseitigt. Die hohe Temperatur bewirkt auch eine
Migration der Kohlenstoffatome in die Porositätsräume 11 des Sockels 7 durch
Diffusion. Um die Nutzfläche
des Sockels 7 noch mehr zu verdichten, kann dieser Imprägniervorgang
mehrmals wiederholt werden, um den kompakten Charakter zu erhöhen. In
einem Beispiel erfolgt er viermal hintereinander.
-
Wie
oben angeführt,
kann beschlossen werden, die Oberfläche des Graphits nicht zu korrekt
aufzubereiten. In diesem Fall wird akzeptiert, das Wesentliche der
Korrektur der erhaltenen Bilder auf eine auf ihren Erhalt folgende
Softwarebearbeitung zu verlegen. Bei der Erfindung wird vorzugsweise
insbesondere nach der Verdichtung ein Schleifen der Graphitfläche mit
einem Schleifwerkzeug 12 hervorgerufen. Typischerweise
hebt das Schleifen eine kleine Dicke von 5 bis 10 Mikrometern der
oberen Schicht des Sockels 7 oder gegebenenfalls der Schicht 8 ab. Das
Aufbringen der Schicht 8 kann vor oder nach dem Schleifen
stattfinden. Es ergibt sich daraus eine Rauheit h von ungefähr 0,2 bis
0,4 Mikrometer, während
ohne Schleifen die natürliche
Rauheit H, insbesondere ohne Verdichtung, 130 Mikrometer erreichen
kann, insbesondere wenn die Korngröße des Graphits ungefähr 20 Mikrometer
beträgt.
-
Dann
wird die CsI-Schicht auf konventionelle Weise zum Wachsen gebracht.
Es werden nun Fäden 12 erhalten,
deren Querschnittsabmessung ungefähr 3 bis 6 Mikrometer Durchmesser
beträgt.
Die Querschnitte der Fäden 12 können verschiedene Größen haben,
wie dies in 1 zu sehen ist. In einem Beispiel
sind die Fäden 12 voneinander
zufällig durch
einen Raum 13 gleich 1 bis 3 Mikrometer getrennt. Dieser
Raum ermöglicht
es, mit den Fäden 12 eine
Fläche 14 zum
Medienwechsel zu bilden. Das Vorhandensein dieser Fläche 14 in
Verbindung mit dem günstigen
Brechungsindex der CsI-Schicht führt zu
einer Funktion der Fäden 12 als
optische Faser. Mit anderen Worten wirken sich die Strahlungsumwandlungen,
die Szintillationen, die in einem Faden 12 stattfinden,
in einer Strahlung 5, die geführt wird, aus. Wenn diese Strahlung
bei ihrer Emission zum Sensor 2 ausgerichtet ist, tritt
sie normalerweise aus den Fäden 12 durch
ihre Spitze 15 aus. Wenn diese Strahlung 5 hingegen
schräg
ist, wird sie in das Innere der Fäden 12 auf die Fläche 14 reflektiert
und tritt schließlich
durch die Spitze 15 aus. Der zum Sockel ausgesandte Teil
wird vom schwarzen Sockel 7 absorbiert. In einem Beispiel
hat die CsI-Schicht 6 eine Dicke zwischen 100 und 300 Mikrometer.
Typischerweise misst sie 180 Mikrometer.
-
Dann
wird die Schicht 6 selbst mit Thallium auf herkömmliche
Weise dotiert.
-
Schließlich wird
die dotierte CsI-Schicht 6 mit einer Passivierungsschicht 16 überzogen.
Im Vergleich mit dem Stand der Technik, in dem die Passivierungsschicht 16 ein
Silikongel war, befürwortet
die Erfindung die Ausführung
der Passivierungsschicht 16 in Form eines transparenten
polymerisierten Syntheseharzes. Dieses polymerisierte Harz bietet
den Vorteil, dass es dichter ist und die Verdampfungen der CsI-
oder Thallium-Staubpartikel verhindert, hat allerdings den Nachteil,
dass es nicht zu einer perfekt glatten Außenfläche führt. Bei der Erfindung wird
nun mit der Passivierungsschicht 16 eine Flüssigharzschicht 17 zur
optischen Kopplung mit dem Sensor 2 verbunden. Auf diese
Weise wird eine gute Thalliumverdampfungs-dichtigkeit erzielt, ohne
die Leistung des Detektors zu beeinträchtigen.
-
2 zeigt
eine Maschine, die für
die Herstellung der Passivierungsschicht 16 verwendet werden
kann. Diese Maschine umfasst drei miteinander verbundene Zellen.
In einer ersten Zelle 18 wird das Material für die Herstellung
des Harzes roh eingeleitet. In einem bevorzugten Beispiel ist dieses
Material Diparaxylylen. Dieses Material wird in der Zelle 18 bei einer Temperatur
von 175° unter
einem Druck von einem Torr (ein Millimeter Quecksilber) verdampft.
Die erste Zelle 18 steht mit einer zweiten Zelle 19 in
Verbindung, in der das verdampfte Material einer Pyrolyse unterzogen
wird. Beispielsweise wird der Diparaxylylendampf auf 680° unter einem
Druck von 0,5 Torr erhitzt. Wenn es dieser Belastung ausgesetzt
ist, zerbricht das Diparaxylylen und wandelt sich in monomeres Paraxylylen
um. Das so vorbereitete Paraxylylen wird bei Raumtemperatur und
unter einem sehr geringen Druck von 0,1 Torr in eine dritte Zelle 20 eingeleitet,
wo es in der Schicht 16 auf die Fäden 12 der Schicht 6 verbreitet
wird. Das Paraxylylen rekombiniert sich nun, um ein Polyparaxylylen-Polymer durch
Kondensation zu bilden. Diese Kondensation führt zur Herstellung von Brücken über Porositätsräumen 13 der
CsI-Schicht, ohne in die Zwischenräume einzudringen.
-
Es
ist möglich,
ein anderes Syntheseharz als das oben erwähnte zu verwenden. Dieses bietet
allerdings den Vorteil, dass es gut an der CsI-Schicht haftet einerseits
und dass es andererseits die Bildung der Brücken über den Räumen 13 ermöglicht,
ohne die Räume
zu füllen.
Vorzugsweise muss das verwendete Harz einen Brechungsindex zwischen
1,78 und 1,45 aufweisen. Aus diesem Grund bildet dieses Harz mit
einem geringeren Brechungsindex als die CsI-Schicht bei Verbindung
mit derselben eine Antireflexschicht. In einem Beispiel hat die
Schicht 16 eine Dicke von 1 bis 25 Mikrometer.
-
Auf
der Passivierungsschicht 16 wird dann die Flüssigharzschicht 17 (die
auch so bleibt) aufgebracht, um eine gute optische Kopplung sicher
zu stellen.
-
Dieses
Harz hat vorzugsweise einen Brechungsindex kleiner als 1,45. Sie
ist beispielsweise vom Typ jener, die bei der Bildung der Flüssigkristallzellen
verwendet werden. Die Dicke der Schicht 17 ist von derselben
Größenordnung
wie jene der Schicht 16.
-
Der
Sensor 2 wird dann am Sockel 7 durch herkömmliche
mechanische Mittel befestigt.