DE19961673A1 - Flacher Röntgendetektor mit Alkalihalogenid-Scintillator - Google Patents
Flacher Röntgendetektor mit Alkalihalogenid-ScintillatorInfo
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Abstract
Ein Röntgendetektor, ausgerüstet mit einem Scintillator, der ein Alkalihalogenid mit einer Dotierung enthält, und mit einem Photodioden-Array mit mindestens einer Photodiode, die ein Halbleitermaterial enthält, bei dem zwischen Scintillator und dem Photodioden-Array ein Farbwandler, der einen photolumineszenten Leuchtstoff enthält, angeordnet ist, macht einen größeren Anteil der Röntgenstrahlung für die Bildanalyse nutzbar.
Description
Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor, insbesondere für Röntgenradiographie und
Röntgenfluoreszenzanalyse, ausgerüstet mit einem Scintillator, der ein Alkalihalogenid mit
einer Dotierung enthält, und mit einem Photodioden-Array, das mindestens eine Photo
diode, die ein Halbleitermaterial enthält, umfasst.
In der Röntgenradiographie und Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Röntgenstrahlung
analysiert, die von einer Röntgenquelle emittiert und beim Durchgang durch den mensch
lichen Körper oder ein Werkstoff je nach dessen Dichte absorbiert und geschwächt worden
ist. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Röntgenstrahlung weiter zu bearbeiten. In
einem Röntgendetektor wird das gewonnene Röntgenschattenbild zunächst von einem
Scintillator absorbiert und in dem Scintillator in eine weniger energiereiche Lumineszenz
strahlung im sichtbaren oder UV-Bereich transponiert. Diese Lumineszenzstrahlung wird
dann an ein Array von Photodioden weitergegeben. In den Photodioden wird die Lumi
neszenzstrahlung in ein elektrisches, Signal umgewandelt, das über eine Ausleseelektronik
weiter verarbeitet werden kann. Durch die Kombination von Scintillator und Photodio
den-Array läßt sich so ein digitales Bild der einfallenden Röntgenstrahlung erhalten.
Als Scintillatoren für Röntgendetektoren sind dotierte Alkalihalogenide besonders geeignet,
weil sie einen hohen Massenextinktionskoeffizienten für Röntgenstrahlung haben.
Röntgendetektoren mit derartigen Scintillatoren sind aus DE 195 19 775 bekannt.
Die spektrale Verteilung und die Lichtausbeute des im Scintillator erzeugten Lumineszenz
lichtes ist dabei abhängig von der gewählten Dotierung für die Alkalihalogenide.
Auch die nachgeschalteten Photodioden sprechen nicht gleichmäßig über den in Frage
kommenden Frequenzbereich des Lumineszenzlichtes an. Bestimmte Frequenzbereiche des
Lumineszenzlichtes haben eine hohle Ansprechschwelle in den Photodioden und mindern
deshalb die Empfindlichkeit des Röntgendetektors in diesem Bereich. In der Regel liegt so
die Wellenlänge des Lumineszenzlichtes des Scintillators außerhalb des Maximums der
Fotoempfindlichkeit der Photodioden.
Es ist die Aufgabe, der vorliegenden Erfindung, einen Röntgendetektor, ausgerüstet mit
einem Scintillator, der ein Alkalihalogenid mit einer Dotierung enthält, und mit einem
Photodioden-Array, das mindestens eine Photodiode, die ein Halbleitermaterial enthält,
umfaßt, zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Effizienz hat.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Röntgendetektor, ausgerüstet mit
einem Scintillator, der ein Alkalihalogenid mit einer Dotierung enthält, und mit einem
Photodioden-Array, das mindestens eine Photodiode, die ein Halbleitermaterial enthält,
umfaßt, wobei zwischen Scintillator und dem Photodioden-Array ein Farbwandler, der
einen photolumineszenten Leuchtstoff enthält, angeordnet ist.
Der photolumineszente Leuchtstoff in dem Farbwandler macht einen größeren Anteil der
Röntgenstrahlung für die Bildanalyse nutzbar. Der Leuchtstoff absorbiert die Lumines
zenzstrahlung und setzt sie in Lumineszenzstrahlung um, die der spektralen Empfind
lichkeit der Photodiode angepaßt ist, so dass das Emissionsspektrum des Scintillators und
das Empfindlichkeitsspektrum der Photodiode maximal überlappen und die Photodiode
mit maximaler Quanteneffektivität arbeiten kann.
Nach einer Variante der Erfindung kann der Farbwandler zwei oder mehr photolumines
zente Leuchtstoffe enthalten. Dies gilt für den Fall, dass der Farbwandlungseffekt eines
Leuchtstoffes nicht stark genug ist. Dann kann durch Kombination von mehreren Leucht
stoffen ein Kaskadeneffekt erreicht werden, mit dem die Lumineszenzstrahlung in den
gewünschten Wellenlängenbereich transferiert wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Scintillator ein Alkali
halogenid mit einer Dotierung, das ein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge λ von
400 bis 440 nm hat.
Besonders bevorzugt ist, dass der Scintillator als dotiertes Alkalihalogenid CsJ:Na enthält.
CsJ:Na emittiert ein energiereiches Lumineszenzspektrum im Wellenlängenbereich
zwischen 400 und 440 nm, es hat eine kurze Abklingzeit; die erzeugten Bilder sind frei von
Memoryeffekten und Verlusten durch strahlungslose Umwandlungsprozesse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Photo
diode als Halbleitermaterial amorphes Silicium enthält. Für Photodioden aus amorphem
Silicium, insbesondere in Kombination mit einem Scintillator aus CsJ:Na oder CsJ:CO3 2-
hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der photolumineszente Leuchtstoff ein
grüner Leuchtstoff ist.
Als grüner Leuchtstoff sind ein Perylenderivatet, SrGa2S4:Eu, ZnS:Cu,Au,
BaMgAl10O17:Eu,Mn oder YAG:Ce besonders geeignet.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der das Photodioden-Array ein groß
flächiger, matrix-adressierter Bildsensor auf einer TFT-Matrix ist.
Nachfolgend wird die Erfindung weiter erläutert.
Der Röntgendetektor ist mit einem Scintillator, einem Photodioden-Array und einem da
zwischen liegenden Farbwandler, der einen Leuchtstoff enthält, ausgerüstet. Üblicherweise
sind sowohl der Scintillator als auch das Photodioden-Array und der Farbwandler jeweils
als Schicht ausgebildet und zu einem Schichtsystem kombiniert.
Eine Scintillatorschicht bildet den Eingangsschirm für die Röntgenstrahlung. Unter der
Scintillatorschicht ist die Farbwandlerschicht angeordnet, auf welche die
Photodiodenschicht folgt. Von der Photodiodenschicht gehen elektrische Kontaktleitungen
zu der Ausleseelektronik.
Der Scintillator enthält als wesentliches Element eine Schicht aus einem Alkalihalogenid,
das mit einem Fremdion dotiert ist. Die Fremdionen, wie Tl(I), Ga(I), In(I) oder ein
zweites Alkali-Ion werden in das Kristallgitter des Alkalihalogenids inkorporiert und er
zeugen dadurch Lumineszenszentren. Der Scintillator muß eine gute Absorptionsfähigkeit
für Röntgenstrahlung haben, d. h. er soll Elemente mit hoher Atomnummer enthalten.
Durch Aufdampfverfahren können Scintillatorenschichten mit einer Säulenstruktur er
zeugt werden, die durch Bündelung des Lichtes in den langgestreckten Scintillatorkristallen
eine gute Ortsauflösung ermöglichen. Für Scintillatorkristalle mit regulärer Kristallform
soll die Kristallgröße klein sein um eine gute Ortsauflösung zu ermöglichen. Zudem soll
die Abklingzeit kurz sein, damit auch Bewegungsvorgänge erfaßt werden können. Eine
Auswahl von dotierten Alkalihalogeniden, die diese Bedingungen erfüllen, ist in Tabelle I
zusammengestellt.
Die Scintillatorschichten aus dotiertem Alkalihalogenid werden üblicherweise durch Auf
dampfen der Verbindungen auf ein Substrat hergestellt. Die Scintillatorschichten können
daher auch noch ein Substrat umfassen. Als Substrat kann der Detektor dienen, z. B. ein
Detektor mit Fotodioden aus amorphem Silicium auf einer Glasplatte. Auch Glasplatten
selbst, Aluminiumblech und Scheiben aus Aluminiumoxid sind als Substrate für den
Scintillator geeignet. Diese Scintillatoren werden mit dem Detektor verklebt.
In den Photodioden werden die Lichtsignale in elektrische Signale umgewandelt. Die
durch die Strahlungsabsorption erzeugten Elektronen-Loch-Paare werden im Feld des pn-
Überganges getrennt und liefern einen Strom über die äußeren Elektroden.
Die langweilige Grenze des spektralen Empfindlichkeitsbereiches ist durch den Bandab
stand des Halbleitermaterials, d. h. in der Regel Silicium, festgelegt. Die spektrale Empfind
lichkeitsverteilung einer Silicium-Photodiode kann in begrenztem Umfang durch die Her
stellungstechnologie beeinflusst werden.
Bevorzugt verwendet werden Photodioden-Arrays, die mit TFT-Transistoren zu großflä
chigen Bildsensoren kombiniert sind. Als Halbleitermaterial kommt für diese großflächigen
Dioden-Arrays mit Wasserstoff abgesättigtes amorphes Silicium (a-Si:H) oder polykristal
lines Silicium (p-Si) in Einsatz. Deren Maximum der spektralen Empfindlichkeit liegt
zwischen 550 und 600 nm.
Zwischen der Scintillatorschicht und der Schicht mit dem Photodioden-Array ist die Farb
wandlerschicht eingeschoben. Die Farbwandlerschicht enthält einen photolumineszenten
Leuchtstoff. Der Farbwandlersphospor transponiert das Lumineszenzlicht des Scintillators
in einen Wellenlängenbereich, der mit dem Maximum der spektralen Empfindlichkeit der
Photodiode übereinstimmt.
Nach dem Grundprinzip der Photolumineszenz kann Licht, einer Farbe die energetisch
höher liegt, in Licht einer Farbe die energetisch tiefer liegt, umgewandelt werden. Aus
Licht aus dem blauen Wellenlängenbereich können alle anderen Farben erhalten werden,
da die blaue Farbe die höchstenergetische aller Spektralfarben darstellt. Beleuchtet man
einen photolumineszenten Leuchtstoff, der grün emittiert, mit dem blauen Licht eines
Scintillators, so wird der grüne Farbstoff durch das blaue Licht angeregt und emittiert
nachfolgend grünes Licht.
Wird die Farbwandlerschicht direkt auf den Scintillator ohne Luftschicht dazwischen
aufgebracht, kann die Quantenkonversionsausbeute bis zu 90% erreichen, weil so
Reflexionsverluste zwischen den Schichten minimiert sind.
Grüne Farbstoffe haben im allgemeinen eine sehr gute Absorption für blaues Licht.
Rote Farbstoffe, die als Farbwandler für Photodioden geeignet sind, deren Maximum der
spektralen Empfindlichkeit im roten bis infraroten Bereich liegt, zeigen meist nur eine ge
ringe Absorption im Blauen und können daher mit blauem Licht nicht effizient angeregt
werden. Sie eignen sich aber als Farbwandler für grün emittierende Scintillatoren.
Alternativ kann man einen roten Farbstoff mit einem grünen koppeln und eine Kaskaden
konversion von Blau über Grün nach Rot erzielen.
Als Leuchtstoffe für die Farbwandlerschicht werden organische und anorganische Leucht
stoffe mit hoher Photolumineszenzquantenausbeute verwendet. Geeignet sind als grüne
Leuchtstoffe Perylenderivate wie Vat Green 1, C.I. 59825 oder die anorganischen Leucht
stoffe SrGa2S4:Eu mit einem Emissionsmaximum bei 535 nm, ZnS:Cu,Au mit einem
Emissionsmaximum bei 540 nm, BaMgAl10O17:Eu,Mn mit einem Emissionsmaximum bei
520 nm oder YAG:Ce mit einem Emissionsmaxium um bei 550 nm.
Um homogene Farbwandlerschichten herstellen zu können, werden die Leuchtstoffe be
vorzugt in eine Matrix aus einem polymeren Kunstharz eingebettet. Beispielsweise kann sie
in die Polyimidschicht eingebettet werden, mit der Photodioden üblicherweise gegen Um
welteinflüsse geschützt werden. Sie können aber auch in eine separate Schicht auf der Pho
todiode oder auf dem Scintillator aufgebracht werden und dafür in eine Matrix aus einem
Kunstharz wie Polymethylmetacrylat, Polystyrol u. ä. eingebettet werden. Als Herstellungs
verfahren für diese Schichten eignet sich besonders das Spin-Coating-Verfahren.
Als vorteilhaft hat sich eine Kombination erwiesen mit einem Scintillator, der als dotiertes
Alkalihalogenid CsJ:Na enthält, mit einem grünen Perylenpigment als Farbwandler und
einem großflächigen matrix-adressierten Bildsensor aus amorphen Silicium auf einem Glas
substrat. CsJ:Na strahlt ein energiereiches Licht ab, das von dem grünen Leuchtstoff sehr
gut absorbiert wird und in eine Wellenlängenbereich um 520 nm transformiert wird. Die
Photodiode aus amorphen Silicium hat in diesem Bereich das Maximum der spektralen
Empfindlichkeit. Da es durch den Farbwandler vermieden wird, dass Licht aus dem roten
oder infraroten Bereich von der Photodiode verarbeitet werden muß, kann die Schicht
dicke für das Silicium relativ gering gehalten werden und Produktionskosten gespart
werden. Gleichzeitig wird das Trapping von Ladungsträgern in der amorphen Silicium
schicht, das durch transiente Fotoströme zu Geisterbildern führt, vermieden.
Claims (8)
1. Röntgendetektor, ausgerüstet mit einem Scintillator, der ein Alkalihalogenid mit einer
Dotierung enthält, und mit einem Photodioden-Array mit mindestens einer Photodiode,
die ein Halbleitermaterial enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Scintillator und dem Photodioden-Array ein Farbwandler, der einen
photolumineszenten Leuchtstoff enthält, angeordnet ist.
2. Röntgendetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Farbwandler zwei oder mehr photolumineszente Leuchtstoffe enthält.
3. Röntgendetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Scintillator ein Alkalihalogenid mit einer Dotierung enthält, das ein
Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge λ von 400 bis 440 nm hat.
4. Röntgendetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Scintillator CsJ:Na oder CsJ:CO3 2- enthält.
5. Röntgendetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Photodiode als Halbleitermaterial amorphes Silicium enthält.
6. Röntgendetektor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der photolumineszente Leuchtstoff ein grüner Leuchtstoff ist.
7. Röntgendetektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der grüne Leuchtstoff Leuchtstoffe ein Perylenderivatet, SrGa2S4:Eu, ZnS:Cu,Au,
BaMgAl10O17:Eu,Mn oder YAG:Ce ist.
8. Röntgendetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Photodioden-Array ein großflächiger, matrix-adressierter Bildsensor auf einer
TFT-Matrix ist.
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