KR0164246B1 - 방사선 검출기 - Google Patents

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캐롤린 앨리스 베이트스
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Abstract

본 발명은 방사선 검출에 관한 것으로, 광섬유 네트워크와, 상기 광섬유 네트워크의 X선 입사면 상의 픽셀화 형광체의 어레이와, 상기 광섬유 네트워크의 다른쪽 면에 광학적으로 결합된 픽셀화 센서의 어레이로 구성되는데, (i)센서 픽셀의 표면적에 대한 형광체 픽셀의 표면적의 비가 약 1:1-1:64의 범위내에 있고, (ii) 형광체 픽셀의 표면적에 대한 상기 광섬유 네트워크의 개개의 각 광섬유의 코어 표면적의 비가 약 1:4-1:160의 범위내에 있는 것을 특징으로 한다.

Description

방사선 검출기
본 발명은 방사선 이미징, 특히 방사선 검출장치에 관한 것이다.
X선 검출 분야에서 검출 목적을 위해 이용할 수 있는 방사선을 증가시키기 위해 소위 강화 스크린을 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 스크린은 물체와 충돌하는 각각의 X선 광자에 대하여 비교적 많은 수의 광자를 발생하도록 선택된 X선 발광 물질(예를들면, 형광체)을 함유한다. 이것은 X선과 발광 물질로부터의 X선 유도 방출에 의해 방출된 광이 모두 필름 또는 감광 전자 센서(예를들면, 광다이오드, 광도체, 전하 결합 소자 등)의 어레이와 같은 다른 검출 매체와 디바이스 상에서 검출을 위해 이용될 수 있기 때문에 검출될 x 선을 효과적으로 증폭시킨다. 의학 분야에서 이러한 강화 스크린을 사용하는 주된 이유는 소정 범위의 노출량만을 발생하여 환자나 운용요원에 유해한 x-선 방사선의 노출량을 감축시키기 위한 것이다.
디지털 방사선 사진술을 위해 설계된 검출기 패널은 x 선이 형광체와 상호작용할 때 발생된 광자를 검출하도록 사용되는 전자 소자와 정합된 픽셀화된 형광체 스크린을 이용한다. 진단 선의 대부분에 대한 디지털 방사선 사진술의 스크린의 사용에 있어서 필요한 해상도를 얻기 위해 필요한 픽셀의 크기는 85 미크론이다. 유방 조용법에 대한 디지털 방사선 사진술의 경우에 있어서 이 픽셀의 크기는 40 미크론으로 줄어든다. 인접한 픽셀들의 해상도와 분리도를 향상시키기 위하여 픽셀화 형광체를 이용하는 어떠한 디지털 방사선 사진술의 설계에서도 두 엘리먼트, 형광체 픽셀 및 검출기 픽셀의 상대적인 정합이 긴급하게 필요하게 된다. 두 엘리먼트의 이러한 정밀한 정합을 배제하기 위한 몇가지 방법으로 특정 영역위에 원주형 형광체를 성장시키거나 감지 소자상에 증착된 형광체를 픽셀로 절단하거나 절제함으로써 센서 픽셀상에 형광체 픽셀을 직접 형성시키는 방법이 주로 이용되어 왔다.
센서를 직접 픽셀화하는 것에 대한 다른 방법은 형광체 시트와 센서 어레이를 별도로 픽셀화하는 것이다. 2개의 픽셀화된 어레이는 함께 결합되어 픽셀이 두 개의 층에 대하여 정밀하게 정합될 것을 보장해준다. 예를들어 미국 특허 제5,153,438호에서 사용된 방법은 검출기 소자의 어레이에 절합된 픽셀화 형광체 스크린을 이용한다. 이 특허에서 형광체의 픽셀은 실리콘 웨이퍼상에 형성된 검출기 어레이의 활성 영역과 동일한 크기 및 형상이 되도록 발생된다. 형광체 기판과 검출기 어레이 기판에는 형광체 개개의 픽셀과 요구되는 검출기 픽셀의 정밀한 정합을 촉진하기 위한 일련의 정합 마크가 포함된다.
방사선 사진 패널의 각종 소자의 정밀한 정합에 대한 필요성은 이미지 처리의 가공물(artifact)로부터 이미지에 관한 방사선 사진술의 특징을 식별해내기 위하여 선 이미지를 해석하는 방사선 기사의 필요성에 따라 제기되었다. 이것은 진찰중의 이미지가 14×17인치의 표준 규격의 방사선 사진 이미지일 때 특히 중요하게 된다. 이러한 패널에 대한 현재의 구성에서는 개개의 센서 에레이를 대규모의 패널로 해야한다. 감지 소자는 단결정 실리콘 웨이퍼상에 형성된 어레이에 배열된 개개의 검출기 소자(예,광다이오드)로 구성된다. 이들 웨이퍼에 대한 통상의 크기는 직경이 4인치이다. 정사각형의 어레이는 웨이퍼상에 장치되고 그 모서리는 인접한 웨이퍼의 모서리와 모서리에 정합하여 최종의 패널을 형성하도록 다듬어진다. 충분한 주의가 기울여지지 않는다면 두 인접 웨이퍼의 접합선에 비활성 영역이 존재하게 되어 출력시에 라인 이미지가 생기게 된다. 그러면 방사선 사진의 이미지를 분석할 때 이 라인 이미지를 따라 나타나는 특징을 모두 잃어버리게 된다.
광섬유 면판을 이용하는 선 이미지 센서가 종래부터 알려져 있다. 예컨대, 미국 특허 제 4,910,405호와 제 5,079,423호가 그것이다. 이들 장치에서 고체 상태 이미지 감지 장치는 광섬유 면판을 통해 형광체 스크린에 연결된다. 형광체 스크린은 x선을 광으로 변환하고 광섬유 면판은 광이미지를 고체 상태 이미지 감지 장치의 입력측에 송신하고, 이 고체 상태 이미지 감지 장치는 광이미지를 전기 신호로 변환한다. 이러한 종래의 x선 이미지 센서에서 광섬유 면판은 x선 방사선이 고체 상태 이미지 감지 장치를 손상시키는 것을 방지하기 위해 사용된다. 전술한 특허 문헌에서 나타낸 바와 같이 광섬유의 코어 유리는 때때로 세륨 산화물, 란탄 산화물, 바륨 산화물, 납 산화물 등을 함유한다. 이들 물질은 입사 x선을 흡수하도록 광섬유 면판의 능력을 증가시켜 고체 상태 이미지 감지 장치의 손상을 감소시키는데 도움을 준다.
미국 특허 제 4,593,400호는 치과 x 선용 검출기 및 신틸레이터와 함께 사용되는 테이퍼링된 광섬유 면판을 개시하고 있다. 테이퍼링 광섬유를 사용하는 이 특허에서 대물렌즈는 특정 광검출기 또는 센서에 투사되는 광이미지의 크기를 감축시키기 위한 것이다. PCT 공보 제 WO 91/15786호는 테이퍼링 플라스틱 섬유를 구비하는 광섬유 빔이미징 장치를 개시한다. 미국 특허 제 4,593,400호에서 테이퍼링 광섬유는 감축된 크기의 광이미지를 발생시키기 위해 사용된다.
미국 특허 제 5,008,547호는 비스듬히 잘라낸 단부 표면을 포함하는 광섬유 장치를 개시하고 있는데, 이것은 단부 표면에 투사된 광이미지를 광섬유 장치의 제 2 단부 표면으로 전송하여 제 2 단부상에 감축된 표면적을 갖는 이미지를 형성시킨다.
미국 특허 제 5,129,028호는 개선된 무그리드 모듈의 대형 스크린 디스플레이를 개시하고 있다. 이 장치의 개선점은 접합된 디스플레이 모듈 사이에 있는 공간을 제거하기 위해 광가이드를 사용한다는 점에 있다.
미국 특허 제 5,144,141호는 복수의 내부 이득 광도체에 선택적으로 결합된 복수의 신틸레이터 소자를 구비하는 방사선 이미지 장치를 개시하고 있다. 각각의 광검출기는 광검출기에 의해 펄스 발생기를 증폭 및 기억시키는 각각의 검출 및 유지 회로에 전기적으로 결합된다. 기억된 펄스는 각 검출 및 유지 회로로 부터의 기억 신호가 처리되어 검출된 입사 방사선의 어레이에 대한 위치 및 에너지 레벨에 대응하는 계수화 이미지 신호를 생성하도록 다중 스위칭 장치에 의해 표본화된다. 그다음 계수화 이미지 신호는 디스플레이 메모리 및 분석 장치로 공급된다.
비록 상술한 방사선 검출기나 이미지 장치가 그들의 목적을 만족시킨다 할지라도 방사선 검출기의 설계 및 제조상의 개선점이 끊임없이 추구되고 있으며 산업상에 있어서도 필요하다. 예컨대, 방사선 검출기를 구비하는 것이 바람직한데 이 경우 형광체의 개개의 픽셀 소자는 특히 픽셀의 크기가 85미크론 미만일 때 형광체의 비활성 영역과 검출기의 비활성 영역을 정밀하게 위치 결정하지 않고도 센서의 개개의 픽셀 소자와 정합된다. 또한 방사선 사진술의 패널로부터 이미지를 판독하는 동안 액세스 가능한 정보를 제한하도록 하는 기능을 하는 인접 타일들 사이에 비활성 영역을 가짐이 없이 대형 방사선 사진의 패널에 함께 배치되는 검출기 어레이(타일 또는 서브모듈)를 갖는 방사선 검출기를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 형광체 스크린의 픽셀화 형광체가 센서 표면에 있는 관련 픽셀보다 작게 구성된 형광체 스크린과 관련하여 충분히 작은 광섬유를 구비하는 광섬유 네트워크를 사용함으로써 개선된 방사선 검출기를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와같이 본 발명은(가) 광섬유 네트워크, (나) 광섬유 네트워크의 x 선 입사면상의 픽셀화 형광체의 어레이 및 (다) 광섬유 네트워크의 다른 쪽 면에 선택적으로 결합되는 픽셀화 센서의 어레이로 구성되는데 (i) 센서 픽셀의 표면적에 대한 형광체 픽셀의 표면적의 비가 약 1:1~1:64의 범위에 있고, (ii)형광체 픽셀의 표면적에 대한 광섬유 네트워크의 개개의 광섬유 코어의 표면적의 비가 약 1:4~1:160의 범위에 있는 방사선 검출기를 제공한다.
바람직한 1 실시예에서 상기 (i)의 비는 약 1:1~1:16의 범위에 있는 것이 바람직하고, 약 1:2~1:4의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다. 또(ii)의 1:4~1:64의 범위에 있는 것이 바람직하고, 약 1:64~1:30의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다.
제2 실시예에서 광섬유 네트워크는 픽셀화 형광체의 어레이에 대하여 경사져 있는 광섬유 면판을 포함한다.
제3 실시예에서 픽셀화 센서의 어레이는 단결정 실리콘에 기초를 두고 있다.
제4 실시예에서 픽셀화 형광체의 어레이는 얇게 뽑은 배면 조사 단결정 실리콘(back-illuminated, thinned-out single crystal silicon)상에 형성된다.
제5 실시예에서 광섬유 네트워크의 광섬유는 센서 접촉 면적에 대한 형광체 접촉 면적으로 부터의 단면적의 감축에 따라 광섬유 네트워크의 광섬유가 테이퍼링되어 있다.
본 발명의 방사선 검출기는 많은 이점을 제공해준다. 우선, 광섬유 네트워크는 센서에 충돌하는 방사선의 양을 감축시키는 기능을 한다. 또 형광체 픽셀, 센서 픽셀 및 광섬유 코어 직경의 크기를 전술한 비율의 범위 이내로 조심스럽게 제어함으로써 종래의 장치에서 발생하는 픽셀화 형광체와 픽셀화 센서의 정합 문제를 상당히 줄이거나 제거할 수 있다. 또, 광섬유 네트워크는 센서 타일이 너무 가늘어서 혼자서 다룰 수 없기 때문에 가늘게 뽑은 실리콘 센서 타일의 조립을 위한 기계적 지지체로서의 기능을 한다. 마지막으로 경사진 광섬유가 이동되면 센서 타일 사이의 최소 사각(dead space)으로 밀접하게 접합된 다중의 센서 타일을 사용하는 것이 용이해진다.
본 명세서에서 픽셀화 형광체 또는 형광체 픽셀은 인접 형광체 소자로부터 광학적으로 격리된 형광체 소자를 의미한다.
슬롯은 하나의 형광체 소자와 다른 형광체 소자를 분리시키는 빈공간 또는 갭을 의미한다.
어레이는 소정의 순서로 배열된 소자의 집합을 의미한다.
센서는 전자기 방사선을 대응 전기 신호로 변환하는 전기 장치(예, 광다이오드, 광도체 또는 전하 결합 소자)를 의미한다.
픽셀화 센서 또는 센서 픽셀은 인접 센서 소자와 광학적 전기적으로 분리된 센서를 의미한다.
메사는 기판의 표면에 거의 평행인 표면과, 메사의 상부를 기판의 수평표면에 연결하는 경사진 표면으로 구성되는 기판 표면상의 융기 구조를 의미하는데, 통상 메사의 단면은 기판으로부터 멀어질수록 평행 표면이 더 작아지는 머리 부분을 잘라낸 피라미드를 닮았다.
다수의 불연속 스텝은 연결된 수쌍의 작은 표면을 의미하는데, 이것은 이들 다수 쌍의 스텝이 메사의 경사진 표면에 근접하도록 함께 결합된 기판의 대부분의 표면에 대하여 평행하고 또 그 표면을 향해 경사져 있다.
리지(ridge) 수단은 하나의 공통 영역 또는 공통점에서 일치하거나 연결되는 좌우변의 슬로프를 구비하며 기판의 표면에 대하여 융기 또는 상승되어 있는 구조 또는 오목하게 되어 있는 구조를 의미한다. 리지의 단면은 삼각형 꼴이다.
본 발명의 기타의 특징, 이점 및 장점은 이하의 상세한 설명, 실시예 및 청구범위를 통해 명백해질 것이다.
종래의 형광체는 본 발명에 이용될 수 있다. 이러한 형광체의 예로서 다음과 같은 것들이 있다.
일본 특허 공보 제80478/1973호에 개시된 바와 같은 BaSO4:Ax(A는 Dy, Tb, Tm으로부터 선택된 적어도 하나의 원소:X는 0.001X1 mol %를 만족시킴)로 대표되는 형광체
일본 특허 공보 제80488/1973호에 개시된 바와 같은 MgSO4:Ax(A는 Ho 또는 Dy:x는 0.001x1mol %를 만족시킴)로 대표되는 형광체
일본 특허 공보 제80489/1973호에 개시된 바와 같은 SrSO4:Ax(A는 Dy, Tb, Tm으로부터 선택된 적어도 하나의 원소:x는 0.001x1mol %를 만족시킴)로 대표되는 형광체
일본 특허 공보 제29889/1976호에 개시된 바와 같이 Mn, Dy, Tb로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 함유하는 Na2SO4, CaSO4또는 BaSO4로 구성된 형광체
일본 특허 공보 제30487/1977호에 개시된 바와 같이 BeO, LiF, MgSO4또는 CaF2로 구성된 형광체
일본 특허 출원 제39277/1978호에 개시된 바와 같은 Li2B4O7:Cu 또는 Ag로 구성된 형광체
일본 특허 공보 제47883/1979에 개시된 바와 같은 Li2O·(B2O2)x:Cu(x는 2x3을 만족시킴) 또는 Li2O·(B2O2)x:Cu, Ag(x는 2x3을 만족시킴)으로 대표되는 형광체
미국 특허 제3,859,527호에 개시된 바와 같은 SrS:Ce, Sm:SrS:Eu, Sm:La2O2S:Eu, Sm:(Zn, Cd)s:Mn, X(X는 할로겐)로 대표되는 형광체
일본 특허 공보 제12142/1980호에 개시된 바와 같은 ZnS:Cu 또는 Pb:BaO·(Al2O3):Eu(x는 0.8x10을 만족시킴)로 대표되는 바륨 알루미네이트 형광체 및 MIIOxSiO2:A(MII는 Mg, Ca, Sr, Zn, Cd 또는 Ba:A는 Ce, Tb, Eu, Tm, Pb, T1, Bi 및 Mn으로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; x는 0.5x＜2.5를 만족시킴)로 대표되는 알칼리 토금속 실리케이트 형광체
(Ba1-x-yMgxCay)FX:eEu2-(X는 Br과 Cl 중 적어도 하나 ; x, y 및 e는 각각 0x+y0.6, xy≠0, 10-6 e5 x10-2을 만족시킴)으로 대표되는 알칼리토플루오로할라이드 형광체
일본 특허 공보 제12144/1980호에 개시된 바와 같은 LnOX:xA(Ln은 La, Y, Gd로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; X는 Cl 및/또는 Br ; A는 Ce 및 또는 Tb;x는 0x0.1을 만족시킴)로 대표되는 형광체
일본 특허 공보 제12145/1980호에 개시된 바와같은(Ba1-xMII x)FX:yA(MII는 Mg, Ca, Sr, Zn, Cd로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; X는 Cl, Br, I로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; A는 Eu, Tb, Ce, Tm, Dy, Pr, Ho, Nd, Yb, Er로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; x, y는 각각 0x0.6, 0y0.2를 만족시킴)로 대표되는 형광체
일본 특허 공보 제84389/1980호에 개시된 바와 같은 BFX:xCe, yA(X는 Cl, Br, I로부터 선택되는 적어도 하나의 원소 ; A는 In, Tl, Gd, Sm, Zr로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; x, y는 각각 0x2 x10-1, 0y5 x10-2을 만족시킴)로 대표되는 형광체 ; 일본 특허 공보 제160078/1980호에 개시된 바와 같은 MIIFX·xA:yLn(MII는 Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, Cd로부터 선택되는 적어도 하나의 원소 ; A는 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO, Al2O3, Y2O3, La2O3, In2O3, SiO3, TiO2, ZrO2, GeO2, SnO2, Nb2O5, Ta2O5, ThO2로부터 선택되는 적어도 하나의 산화물 ; Ln은 Eu, Tb, Ce, Tm, Dy, Pr, Ho, Nd, Yb, Ev, Sm, Gd로부터 선택되는 적어도 하나의 원소 ; X는 Cl, Br, I로부터 선택되는 적어도 하나의 원소 ; x, y는 각각 5 x10-5 0.5를 만족시킴)로 대표되는 희토류 원소 활성화2가 금속 플루오로할라이드 형광체
일본 특허 공보 제148285/1982호에 개시된 바와 같은 xM3(PO4)2·NX2:yA 또는 M3(PO4)2:yA(M과 N은 Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd로부터 선택된 적어도 하나의 원소 ; A는 Eu, Tb, Ce, Tm, Dy, Pr, Ho, Nd, Yb, Er, Sb, Tl, Mn, Sn 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 ; x, y는 각각 0x6, 0y1을 만족시킴)로 대표되는 형광체 ; nRX3·mAX'2:xEu 또는 nReX3·mAX'2:xEu, ySm(R은 La, Gd, Y, Lu 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 : A는 Ba, Sr, Ca 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 ; X, X'는 F, Cl, Br 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 ; x, y는 각각 1 x10-4x3 S10-1, 1 x10-4y1 x10-1을 만족시키고 ; n/m은 1 x10-3n/m7x10-1을 만족시킴)로 대표되는 형광체 : NIX·aMIIX'2·bMIIIX˝3:cA(MI는 Li, Na, K, Rb, Cs 중에서 선택된 적어도 하나의 알칼리 금속 ; MII는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Cu, Ni 중에서 선택된 적어도 하나의 2가 금속 ; MIII는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Ga, In 중에서 선택된 적어도 하나의 3가지 금속 ; X,X′, X″의 각각은 F, Cl, Br, I 중에서 선택된 적어도 하나의 할로겐 ; A는 Eu, Tb, Ce, Tm, Dy, Pr, Ho, Nd, Yb, Er, Gd, Lu, Sm, Y, T1, Na, Ag, Cu, Mg 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 ; a, b, c의 값은 각각 0a0.5, 0b0.5, 0c0.2를 만족시킴)로 대표되는 알칼리 할라이드 형광체
IEEE Transaction of Nuclear Science, vol.34, no 4, 1992, pp 502-505에 기술된 바와 같은 세륨 도핑된 루테슘 옥시오르토실리게이트 Lu2(1-x)Ce2x(SiO4)O로 대표되는 형광체
IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.26, no.8, August 1990, pp. 1405-1411과 유럽 특허 제0,253,589호에 기술된 바와 같은 이트륨오르토실리케이트에 도핑된 네오디뮴으로 대표되는 형광체
Gd2O2S:R로 대표되는 형광체, 여기에서 R은 Tb, Eu, Pr, Tn 중에서 선택된 적어도 하나의 원소
CsI:Na, LiF 등과 같은 열발광 물질로 대표되는 형광체
본 발명의 바람직한 형광체는 알칼리 할라이드로 구성된 것이다.
형광체는 적당한 방법으로 지지체위에 증착될 수 있다. 이러한 방법의 예로 다음과 같은 것들이 있다.
제1방법은 진공 증발법이다. 이 방법에서 지지체가 위치되는 진공 증발장치는 10-6토르 정도로 배기된다. 그 다음 지지체의 표면상에 원하는 두께를 갖는 형광체의 층이 생성되도록 저항 가열, 전자빔 가열 등에 의해 전술한 형광체중 적어도 하나의 형광체를 증발시켰다. 형광체를 함유하는 층은 증발절차를 수회 반복함으로써 또한 형성될 수 있다. 또 복수의 저항 가열기 또는 전자빔을 이용하는 공동 진공 증발법이 실행될 수도 있다. 증발하는 동안 증착된 층을 가열하거나 냉각시킬 수 있으며, 필요하면 증발후 증착된 층을 열처리할 수 있다.
진공 증발 작업후 형광체 함유층은 지지체의 반대편에 보호층을 선택적으로 구비한다. 이와는 달리 먼저 보호층상에 형광체층이 형성되도록 한 다음에 지지체를 구비할 수 있다.
제2의 방법은 스퍼터링 방법이다. 이 방법에서 지지체가 위치되는 스퍼터링 장치는 약 10-6토르로 배기된다. 그 다음 내부의 압력이 약 10-3토르 정도로 상승되도록 Ar이나 Ne과 같은 불활성 기체가 스퍼터링 장치에 주입된다. 그리고 지지체의 표면상에 증착된 원하는 두께를 갖는 형광체의 층이 형성되도록 적어도 하나의 전술한 형광체가 스퍼터링된다. 형광체층은 또한 복수의 스퍼터링 절차를 반복함으로써 형성될 수 있다.
스퍼터링 작업후 형광체층은 필요하면 지지체의 반대편에 보호층을 구비한다. 이와 달리 먼저 보호층상에 형광체층이 형성되도록 한 다음 지지체를 구비할 수 있다.
제3의 방법은 화학적 증착법(CVD)이다. 이 방법에서 형광체층은 형광체의 원료 물질을 함유하는 형광체 또는 유기 금속 화합물을 열에너지, 고주파 전원 등을 이용하여 분해함으로써 지지체상에서 획득된다.
제4의 방법은 스프레이 방법이다. 이 방법에서 형광체층은 형광체 분말을 지지체의 끈적끈적한 층에 스프레이함으로써 획득된다.
제5의 방법은 베이킹 방법이다. 이 방법에서 분산된 형광체 분말을 함유하는 유기 결합제는 베이킹된 지지체상에 코팅되고 따라서 유기 결합제는 휘발되며 결합제없는 형광체층이 획득된다.
제6의 방법은 경화 방법이다. 이 방법에서 분산된 형광체 분말을 함유하는 중합 가능한 유기 결합제는 결합제의 중합을 시작하여 완료하는 조건에 종속되는 지지체상에 코팅되고 그에 따라 중합 결합제 또는 형광체의 고체 합성물 덩어리가 형성된다.
제7의 방법은 스프레이 열분해 방법이다. 이 방법에서 형광체는 적합한 휘발성 캐리어에서 현탁된 베이스 원소의 용액을 형광체의 증착동안 캐리어의 증발을 야기시키는 가열된 지지체상에 스프레이함으로써 형성된다.
형광체층의 두께는 방사선 사진 이미지 패널의 방사선 민감성과 형광체의 종류에 따라 변화되나 30㎛-1000㎛의 범위, 특히 50㎛-800㎛의 범위내에서 선택되는 것이 바람직하다.
형광체층의 두께가 30㎛미만이면 그 방사선 흡수율은 급속하게 저하되어 방사선 민감성을 저하시킨다. 그로부터 획득된 이미지의 입상성이 증가하여 열화된 이미지를 야기시킨다. 전술한 것 외에도 형광체층은 투명해지고 따라서 형광체층내의 여기 방사선의 2차원적 분포가 상당히 증가하여 그 결과 이미지의 첨예도가 열화되는 경향이 있게 된다.
형광체에 대한 지지체는 각종 폴리머 재료, 유리, 강화 유리, 수정, 금속, 광섬유 면판 등일 수 있다. 그들중 정보 기록 물질을 취급하는 관점에서 가요성 또는 용이하게 감겨질 수 있는 시트 재료가 특히 적합하다. 이러한 관점으로부터 특히 바람직한 재료로는 예를들면 셀룰로즈 아세테이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 셀룰로즈 트리아세테이트 또는 폴리카보네이트 필름과 같은 플라스틱 필름 또는 알루미늄, 강철이나 구리같은 금속 시트가 있다.
바람직한 1 실시예에서 증착된 형광체는 적합한 마스킹 기법을 이용하여 형광체 물질을 전자기 방사선에 노출시키고, 슬롯에 의해 분리된 어레이를 발생시키도록 X, Y 양 방향으로 일련의 구조물을 발생시키기 위하여 형광체를 단편화되게 절단함으로써 픽셀화되거나 세포형으로 된다. 픽셀화된 형광체들 사이의 슬롯은 지지체상의 각 픽셀화 형광체가 0.5-25미크론, 보다 바람직하게는 0.5미크론의 폭으로 분리되도록 원래 이용된 것과 동일하거나 상이한 조성의 형광체 물질로 채워진다. 절단공정에서 원래 이용된 것과 다른 조성의 형광체 물질을 사용하는 것은 픽셀내의 굴절율이 픽셀 외부의 굴절율보다 클 때 그 굴절율의 차가 광을 역반사될 픽셀내에서 픽셀로 횡단하게 하기 때문에 단일 픽셀내의 광의 봉쇄를 향상시킬 수 있다.
엑시머 레이저, CO2레이저 또는 YAG:Nd 레이저와 같은 전자기 방사선을 발생시키기 위해 임의의 적합한 소스가 사용될 수 있다. 형광체를 절단하기 위해 필요한 출력 밀도는 기판 재료의 파괴를 막기 위해 제한된다. 예컨대, 20 나노초의 펄스폭을 갖는 엑시머 레이저의 경우에 출력 밀도의 양은 바람직하게는 약 30-700J/cm2, 보다 바람직하게는 약 60-240J/cm2이다.
현재는 엑시머 레이저가 바람직하다. 엑시머 레이저는 2종의 통상의 비활성 기체(예를들면, Kr, F2)가 전기 방전에 노출되는 여기 다이머 레이저(excited dimer laser)이다. 상기 기체중의 하나(Kr)는 여기 화합물(KrF*)을 형성하도록 다른 기체와 화합할 수 있는 여기 상태(Kr*)로 활성화된다. 이 화합물은 광자를 방출하고 불안정한 비여기 상태로 강하하여 즉시 원래의 기체(Kr, F2)로 분리되며, 그 과정이 반복된다. 방출된 광자는 레이저 출력이다. 엑시머 레이저의 특성은 단파장의(UV)광과 짧은 펄스폭을 발생시키는데 높은 효율이 있다는데 있다. 이들 속성은 산업분야에 유용한 엑시머 레이저를 만들어 준다.
적합한 마스킹 기법으로는 섀도우 마스킹 기법이 알려져 있는데 마스크는 절단될 층 및 절단될 층위에 투사되는 마스킹 패턴을 확대하거나 축소시키기 위하여 광 시스템을 필요로 하는 투사 마스크와 친밀하게 접촉한다.
선택적으로 금 또는 은 등의 적당하게 높은 광 반사 재료의 얇은 층(예, 500 옹스트롬)은 절단 단계로부터 형성된 슬롯의 벽위에 형성될 수 있다. 스퍼터링, 증발, 무전해 도금, 도금 또는 다른 박막 증착 기술이 이용될 수 있다. 또 선택적으로 흑색 또는 광흡수 물질은 광 스캐터링을 최소화하도록 증착될 수 있다. 이 코딩 방법은 픽셀 경계선내의 광을 제한할 것이나, 픽셀로부터의 총 광출력은 증착된 물질에 의한 광흡수 때문에 줄어들 것이다.
만약 필요하다면 형광체 및 금속 박막은 기계적인 연마, 이온 밀링, 화학적 에칭 및 기계화학적 래핑에 의해 평면화 될 수 있다.
픽셀화 형광체를 만들기 위한 다른 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.
(가) 알칼리 할라이드 형광체의 증착 및 성장용의 기판을 제공하는 단계 :
(나) 각각의 메사가 좌경사면, 우경사면 및 수평면을 구비하고 기판의 수평세그먼트에 의해 서로 분리되는 복수의 메사를 구비하는 기판상에 패턴화된 표면을 형성시키는 단계 : 여기서
(i) 메사를 분리하는 기판의 각 수평 세그먼트의 폭에 대한 각 메사의 높이의 비가 약 1:20~1:4의 범위로서, 바람직하게는 약 1:15~1:4의 범위이고 보다 바람직하게는 약 1:10~1:5의 범위이며
(ii) 메사를 분리하는 기판의 각 수평 세그먼트의 폭에 대한 각 메사의 폭의 비가 약 1:30~1:4의 범위로서, 바람직하게는 약 1:20~1:8의 범위이고 보다 바람직하게는 약 1:15~1:10의 범위이며
(iii) 각 메사의 좌우경사각이 약 5˚~85℃ 사이에 있는 값으로서 바람직하게는 약 20~45℃의 사이이고, 보다 바람직하게는 약 30˚~40℃ 사이임.
(다) 단계 (나)의 기판의 패턴화된 표면상에 알칼리 할라이드 형광체를 증착시켜 각 메사의 좌경사면 및 또는 우경사면으로부터 시작되거나 발산되는 증착 형광체에 크랙을 형성시키는 단계
선택적으로 단계(다)로부터의 크래킹된 형광체 구조는 불활성 분위기의 약 150˚300℃의 온도에서 약 1-3시간 동안 어닐링된다.
바람직하게는 메사의 경사면은 메사의 치수에 대하여 보았을 때 연속의 좌경사 또는 우경사가 되도록 나타나는 일련의 각진 스텝을 형성하는 다수의 보다 작은 불연속 경사 세그먼트로부터 만들어진다. 그러나 각각의 좌경사 또는 우경사 세그먼트는 경사진 표면과 메사의 상부에 거의 평행인 표면으로부터 만들어진다.
픽셀화 형광체를 형성하는 다른 가능한 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.
(가) 알칼리 할라이드 형광체의 증착 및 성장을 위한 기판을 공급하는 단계 :
(나) 각각의 리지가 좌경사면과 우경사면을 구비하고 이들 두 경사면이 공통의 한점에서 만나 삼각형 단면을 가지는 구조를 형성하고, 또한 각각의 리지가 상기 기판의 수평 세그먼트에 의해 서로 분리되는 복수의 리지를 구비하는 상기 기판상에 패턴화된 표면을 형성시키는 단계 : 이 단계에서
(i) 리지를 분리하는 상기 기판의 각 수평 세그먼트의 폭에 대한 각 리지의 높이의 비가 약 1:100-1:5의 범위로서, 바람직하게는 약 1:30-1:10의 범위이고 보다 바람직하게는 약 1:20`1:15의 범위이며
(ii) 리지를 분리하는 상기 기판의 각 수평 세그먼트의 폭에 대한 각 리지의 폭의 비가 약 1:50`1:5의 범위로서, 바람직하게는 1:25-1:10의 범위이고 보다 바람직하게는 약 1:20-1:15의 범위임.
(다) 단계(나)의 기판의 패턴화된 표면상에 알칼리 할라이드 형광체를 증착시켜 각 리지의 좌경사면 및 또는 우경사면으로부터 시작하거나 또는 발산하는 증착 형광체에서 크랙을 형성시키는 단계
선택적으로 단계(다)로부터의 크래킹된 형광체 구조물은 약 150˚-300℃의 불활성 분위기에서 약 1-3시간 어닐링된다.
메사 또는 리지의 소정의 패턴은 공지의 방법에 의해 만들 수 있다. 후속하는 화학적 에칭이나 물리화학적 에칭 또는 엠보싱 기법, 레이저 절단기법 등의 공지의 기술과 함께 통상적으로 마이크로 석판 인쇄술이 사용된다. 특정의 에칭 방법은 기판의 종류와 원하는 패턴의 기하학적 형상에 의존한다. 원하는 패턴은 예를들면 자외선에 유리를 노출시킴으로써 획득될 수 있는데, 그 후 노출된 부분은 결정화되고 잘려져나가게 된다. 이러한 사용을 위한 대표적인 실시예의 물질로 뉴욕 코닝 소재의 코닝 글래스로부터 입수할 수 있는 상표명 Fotoglass가 있다.
형광체 픽셀은 예를들면, 원, 팔각형, 오각형, 육각형, 정사각형 또는 직사각형 등 임의의 적합한 형상일 수 있다. 현재 정사각형이 바람직하다.
본 발명에서는 종래의 광섬유가 사용될 수 있다. 예를들면 광섬유는 플린트 유리나 희토류 산화물 유리(예, 테르븀 산화물 또는 세륨 산화물 유리)를 함유할 수 있으며, 또한 Gd2S2O, Na2O2, Al2O3, CaO, MgO, SiO2, PbO를 함유할 수 있다. 광섬유는 원, 정사각형, 육각형, 팔각형, 오각형, 직사각형 등 임의의 형태일 수 있다. 현재 육각형이 바람직하다. 광섬유 코어의 직경은 약 4-25미크론, 바람직하게는 6-16미크론이다. 코어 재료에 대한 크래딩 재료의 적당한 비율로 치수가 상승한 섬유가 사용될 수 있다. 최적의 결과를 위해 섬유의 단면적은 크래딩 단면적의 최소 4배가 되어야 한다. 크래딩의 최소 유효폭은 1.5미크론이다. 바람직한 실시예에서 광섬유 네트워크는 광섬유 면판을 포함한다. 선택적으로 광섬유 면판의 적어도 일부의 광축이 픽셀화 형광체 어레이의 법선축으로부터 경사져 있다.
다른 바람직한 실시예에서 광섬유 면판의 광섬유는 점점 가늘게 형성되거나 점점 얇아지게 테이퍼링(tapering)되어 있다. 광섬유 면판의 테이퍼링은 면판의 측면 치수 상부와 하부 사이의 크기 차가 약 1-10mm, 바람직하게는 약 2-4mm이다. 테이퍼링에 의한 이와같은 크기의 차는 각 서브 모듈에 부착된 광섬유 면판의 상부 표면은 연속 표면인 반면 서브 모듈은 불연속적으로 서로 인접하기 때문에 인접한 센서 서브 모듈 사이에서 발생되는 갭과 관계없이 센서 서브 모듈을 함께 타일링할 수 있는 이점을 제공해준다.
픽셀화 형광체는 Norland(뉴저지, 뉴브룬스위크 소재)로부터 입수할 수 있는 ES#B36428 또는 ES#B36427 등의 에폭시를 이용하는 광섬유 면판에 부착될 수 있다. 에폭시는 형광체와 센서 재료(통상은 실리콘)의 굴절율과 같은 굴절율을 갖는다.
광섬유는 서브 모듈로 기술될 수 있는 복수의 센서 어레이상 또는 센서 어레이를 구성하는 기판에 선택적으로 접합된다. 서브 모듈의 수집은 완전한 대형 방사선 사진술 이미지징 패널을 형성하기 위해 모서리 대 모서리 방식으로 함께 그들을 접합시킴으로써 조립될 수 있다. 형광체를 형성시키는 방법은 사전 조립된 대형 방사선 사진술 이미징 패널에 대해 행해질 수도 있다.
센서 어레이는 비정질 실리콘,단결정 실리콘, 카드뮴 텔루르화물, 구리인듐 디스엘레나이드 및 기타 공지의 센서 재료로 만들어질 수 있다. 픽셀화 센서는 예를들면 원, 정사각형, 직사각형, 오각형, 팔각형 또는 육각형 등의 임의의 적합한 형상일 수 있다. 바람직하게는 픽셀화 센서는 픽셀화 형광체와 동일한 형상을 가질 것이다. 본 발명에서는 정사각형이 바람직하다. 단결정 실리콘의 경우에 센서 어레이는 두께가 약 300-700미크론인 실리콘 웨이퍼상의 종래의 센서 어레이일 수 있다. 또 센서 어레이는 두께가 바람직하게는 약 10-50미크론보다 바람직하게는 10-20미크론인 얇은 실리콘 웨이퍼상에 놓여질 수 있다. 충분히 얇은 실리콘 웨이퍼상의 센서 어레이는 형광체가 광 검출 센서의 반대편으로부터 실리콘을 통해 센서 어레이를 조사할 수 있도록 광에 투과되는 이점이 있다. 모서리와 모서리가 접합되어 있고 얇게 뽑아낸 웨이퍼의 사용은 형광체로부터 광을 효과적으로 접속시키도록 높은 충전율을 달성시킨다. 이러한 조사의 방식을 배면-조사(back-illumination)라 한다.
바람직한 실시예에서 광섬유 네트워크와 센서 어레이 사이에는 마이크로 렌즈 어레이가 위치된다. 마이크로 렌즈는 통상 아크릴-베이스 수지(예, 비정질 폴리오레핀)로 구성되고 광이미지가 광섬유 말단의 단부로부터 형광체로 방사할 때 센서 어레이에 의해 검출된 광량을 최적화하는 기능을 한다.
얇게 뽑아낸 단결정 실리콘-베이스 센서의 어레이가 본 발명에 사용되면 광섬유 네트워크는 기계적 지지체 때문에 얇게 뽑아낸 부숴지기 쉬운 실리콘 센서에 특히 유익하다. 일단 광섬유 면판상에 형광체가 코팅되면 형광체는 전술한 적합한 방법에 따라 픽셀화될 수 있다. 얇게 뽑아낸 실리콘의 모서리부분은 방사선 검출기 서브 모듈을 형성하도록 절단, 래핑, 평탄화 및 연마될 수 있다. 이들 서브 모듈을 형성하도록 절단, 래핑, 평탄화 및 연마될 수 있다. 이들 서브 모듈의 모서리는 인접 서브 모듈이 서로 20㎛의 범위내로 정합하도록 충분히 다듬질된다.
다음의 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
[실시예 1]
나트륨 25ppm으로 도핑된 세슘 요오드화물(Phosphor Technology, Essex, 영국)이 형광체의 소스로서 사용되었다. CsI:Na가 SO-10 증발선(R.D.Mathis, Long beach, CA)에 실린다. 내장 증발기는 5 x10-6토르까지 배기되고 2″ 평방의 수정 기판이 120℃까지 가열된다. 증착 시간은 두께 70미크론 증착 형광체가 생성되도록 30분이다. 63W, 220mJ, 225Hz에서 동작하는 엑시머 레이저를 사용하여 중앙과 중앙이 106 미크론 분리되어 모서리상에 53 미크론의 사각형의 구멍이 형성되도록 증착된 형광체가 절단된다. 레이저 절단 형광체는 제2의 조건하에 두께가 다시 70미크론이 되도록 동일한 형광체의 제2의 증착으로 코팅된다. 층 두께 140미크론의 픽셀화 형광체는 두께 1mm의 2″ 평방 광섬유 면판과 직경 6미크론의 광섬유위에 적층된다(Schott Fiber Optics, Southbridge, MA), 픽셀화 형광체/광섬유 면판의 조합은 형광체 쪽으로부터의 X선하에 노출되어 40kVp와 80kVp에서 거리 40″로 광섬유 면판의 다른쪽과 친밀하게 접촉하게 필름을 노광시킨다. 40kVp(20mAs)에서는 10 1p/mm의 분명한 패턴이 관찰되고 80kVp(1mAs)에서는 8 1p/mm의 패턴이 관찰된다.
[실시예 2]
실시예 1과의 비교를 위해 레이저 절단/픽셀화 단계를 생략한 동일한 조건하에서 탠뎀(tandem) 표본이 처리된다. 두께 140미크론의 형광체가 다시 광섬유 면판상에 적재되어 실시예 1과 같이 X선에 노광된다. 40kVp(15mAs)에서 8 1p/mm의 패턴이 관찰되고 80kVp(0.75mAs)에서 5 1p/mm의 패턴이 관찰된다.
특허청구범위에서 한정하는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 전술한 발명의 상세한 설명을 통해 수정 및 변경이 가능하다.

Claims (3)

  1. 광섬유 네트워크와, 상기 광섬유 네트워크의 X선 입사면 상의 픽셀화 형광체의 어레이와, 상기 광섬유 네트워크의 다른쪽 면에 광학적으로 결합된 픽셀화 센서의 어레이로 구성되는데, (i) 센서 픽셀의 표면적에 대해 형광체 픽셀의 표면적의 비가 약 1:1-1:64의 범위내에 있고 (ii) 형광체 픽셀의 표면적에 대한 상기 광섬유 네트워크의 개개의 각 광섬유의 코어 표면적의 비가 약 1:4-1:160의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 네트워크는 광섬유 면판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  3. 제2항에 있어서, 광섬유 면판의 광축의 적어도 일부분이 픽셀화 형광체의 어레이에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
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