WO2009062831A1 - Scintillator element and solid body radiation detector having the same - Google Patents

Scintillator element and solid body radiation detector having the same Download PDF

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WO2009062831A1
WO2009062831A1 PCT/EP2008/064397 EP2008064397W WO2009062831A1 WO 2009062831 A1 WO2009062831 A1 WO 2009062831A1 EP 2008064397 W EP2008064397 W EP 2008064397W WO 2009062831 A1 WO2009062831 A1 WO 2009062831A1
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WO
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active layer
scintillator
layer
scintillator element
radiation
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Application number
PCT/EP2008/064397
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Rack
Maurice Couchaud
Thierry Martin
Klaus Dupré
Original Assignee
Forschungsinstitut für mineralische und metallische Werkstoffe Edelsteine/Edelmetalle GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal

Definitions

  • the present invention relates to a scintillator element for converting high energy radiation or charged particles into low energy radiation.
  • Szintillatorelement an element which by high-energy radiation, such as. As ⁇ -radiation or X-rays, and can be excited by charged particles and the excitation energy by electromagnetic radiation of lower energy, usually emits light in the UV or visible range again. By measuring the amount of light can be closed on the introduced into the scintillator energy.
  • the invention further relates to a radiation detector comprising such a scintillator element.
  • a radiation detector is understood to mean an element for measuring electromagnetic radiation.
  • the radiation detector may be an X-ray detector.
  • the imaging X-ray systems such. As the computed tomography, X-ray penetrates a person to be examined. The X-ray radiation is weakened by the tissue and / or the bones and the weakened X-radiation is then detected in a spatially resolved manner.
  • the direct detectors convert the incident, ionizing radiation directly into electronic charge
  • the indirect detectors first convert the incident, ionizing radiation into optical photons by means of a luminescent screen and then detect them in a further step.
  • Direct detectors generally have a high energy resolution.
  • indirect detectors achieve significantly higher spatial resolutions, which is due in part to the fact that the visible light can be imaged with conventional optics from light microscopy.
  • the efficiency and image quality of an indirect detector depends on the scintillator materials used. Scintillator materials are generally solid, which by high-energy radiation, such as. B. ⁇ -radiation and release this energy as UV radiation or visible light again.
  • the ideal scintillator has a high absorption power for the ionizing radiation used, putting the absorbed energy into the visible as much as possible Light around which is emitted close to the moment of absorption of the radiation quantum into a short pulse, and is transparent to the wavelength of its maximum emission.
  • the scintillator element is a multilayer structure with a passive carrier layer of non-scintillating material and an active layer of scintillating material applied to the carrier layer.
  • the microscope optics used to image the emitted light generally have a limited depth of focus which increases with increasing magnification, i. H. higher resolutions, decreases. Accordingly, at microscopic resolutions close to the wavelength of the visible light emitted by the scintillator element, the active phosphor layer must exactly fill the depth of field of the optics for optimum efficiency and minimum image blur. In principle, the absorption increases with the thickness of the crystal. At the same time, however, the image blur increases as the thickness of the active layer becomes greater than the depth of field of the imaging optics. For this reason, it is essential to form the active layer on a non-scintillating substrate because light emitted from the substrate would be generated out of the depth-of-field, thus reducing the contrast and sharpness of the image.
  • the active layer is selected such that the high energy radiation, preferably X-radiation, is converted to visible or ultraviolet light.
  • the passive carrier layer is monocrystalline.
  • the support material may be prepared by a conventional crystal growth method, e.g. B. the Czochralskivon be prepared as a bulk crystal of a melt.
  • the required substrate is produced by sawing, grinding and polishing the volume crystal.
  • the carrier layer preferably has the form of a round or polygonal disk with plane-parallel sides and preferably has a thickness of between 0.1 and 2 mm and particularly preferably of ⁇ 0.5 mm.
  • the carrier material has proven to be particularly easy to manufacture.
  • the substrate for visible, ultraviolet light is almost transparent and it is not possible to excite the substrate by high energy radiation for emission in the visible UV range.
  • the active layer is crystalline, preferably monocrystalline.
  • the crystalline formation of the active layer enables a high homogeneity within the active layer, whereby the spatial resolution is improved.
  • the active layer is grown on the passive carrier layer, with the active layer particularly preferably having the same crystallographic orientation as the passive carrier layer.
  • a monocrystalline active layer has a high optical quality and can generally be used for resolutions below 1 ⁇ m.
  • the active layer can be applied to the support material in the required thickness, for example, by liquid phase epitaxy, optionally also by another crystal growth process.
  • the passive support layer serves as a crystalline base on which the active layer is grown crystallographically oriented.
  • the scintillator material may be in the required composition in a high temperature solvent, e.g. B. lead oxide (PbO) or lead molybdate (PbMoO 4 ) are dissolved at temperatures above 1000 0 C.
  • the application of the active layer to the substrate is then started by immersing the substrate in the solution at a suitable temperature.
  • the final layer thickness is determined by the process duration.
  • the substrate is coated on both sides with an active layer.
  • one of the active layers is removed and the support is brought to the thickness required for application.
  • the active layer has a thickness between 0.001 and 0.5 mm. - A -
  • the active layer is structured, wherein the structuring preferably consists of trenches introduced into the active layer.
  • the trenches preferably have a depth which is greater than or equal to the thickness of the active layer.
  • the structuring has the form of a regular grating, preferably a rectangular or square grating. It has been found that the trenches best have a width between 0.1 and 20 ⁇ m and preferably less than 5 ⁇ m.
  • adjacent trenches have a distance from each other, the see between 1 and 500 .mu.m and preferably less than 50 .mu.m and particularly preferably less than 10 .mu.m.
  • the active layer thereby acquires a columnar microstructure.
  • Light produced by scintillation in a column is restricted at the column walls by total reflection in its propagation direction, which reduces blurring of the image.
  • the structuring can be carried out, for example, by removing material via the thickness of the active layer, possibly even into the substrate.
  • As structuring methods chemical etching, ion etching, mechanical abrasion, laser assisted ablation and other suitable methods are possible.
  • a reflection-reducing layer is applied to the active layer and / or the passive carrier layer.
  • the coating can be done on one or both sides.
  • a material-matched, very thin dielectric layer of MgF 2 , TaO 2 , SiO 2 can be evaporated, whereby the reflectance of the surfaces of about
  • the reflection-reducing layer is preferably applied to the carrier layer on the side facing away from the active layer.
  • the scintillator element according to the invention is used within a solid-state radiation detector which, in addition to the scintillator element, also has a converter device for converting visible and / or ultraviolet light into electrical signals and imaging optics for imaging the active layer of the scintillator element on the converter device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a scintillator element according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the scintillator element according to the invention
  • Figure 3 is a schematic diagram illustrating the reflection ratios without and with structuring
  • FIG. 4 shows an embodiment of the solid-state radiation detector according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the scintillator element according to the invention.
  • a cylindrical substrate with a thickness of 150 to 500 microns of YSO (yttrium-oxo-orthosilicate - Y 2 SiO 5 ) serves as a support for the thin active layer of LSO (lutetium-oxoorthosilicate - L ⁇ SiO 5 ), which has a thickness of only 1 to 100 ⁇ m. Since the inactive support layer is monocrystalline and the thin active layer is also monocrystalline, it can be grown on the substrate to have the same crystallographic orientation as the support layer.
  • the active layer may be patterned, as shown in FIG. Basically, here the active layer consists of a multiplicity of parallelepiped-shaped columns arranged side by side, since the active layer was structured with a trench system forming a square grid.
  • FIG. X-rays 1 strike the scintillator element 2 according to the invention, where they are exposed to visible or UV light converted, which is then imaged by a commercially available imaging optics 3 via a mirror 4 on a CCD camera 5.
  • YbSO ytterbium oxoorthosilicate - Yb 2 SiO 5
  • YbSO ytterbium oxoorthosilicate - Yb 2 SiO 5

Abstract

The present invention relates to a scintillator element and a solid body detector, allowing an image display with a very high local resolution, having the greatest possible absorption force for the ionized radiation to be detected, and emitting the absorbed energy in a light pulse that is as brief as possible at a high conversion rate and at minimal luminescence, and also being substantially transparent to the wavelength of the maximum emission thereof. In order to attain this aim, the invention proposes that the scintillator element be made from a multi-layer structure having a passive carrier layer made from non-scintillating material and an active layer made of scintillating material that is applied onto the carrier layer.

Description

Szintillatorelement sowie Festkörperstrahlungsdetektor mit solchem Scintillator element and solid state radiation detector with such
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Szintillatorelement zur Umwandlung von hochenergetischer Strahlung oder geladenen Teilchen in niederenergetische Strahlung.The present invention relates to a scintillator element for converting high energy radiation or charged particles into low energy radiation.
Als Szintillatorelement wird ein Element angesehen, welches durch hochenergetische Strahlung, wie z. B. γ-Strahlung oder Röntgenstrahlung, sowie durch geladene Teilchen angeregt werden kann und die Anregungsenergie durch elektromagnetische Strahlung niedrigerer Energie, in der Regel Licht im UV- oder sichtbaren Bereich wieder abgibt. Durch Messung der Lichtmenge kann auf die in den Szintillator eingebrachte Energie geschlossen werden.As Szintillatorelement an element is considered which by high-energy radiation, such as. As γ-radiation or X-rays, and can be excited by charged particles and the excitation energy by electromagnetic radiation of lower energy, usually emits light in the UV or visible range again. By measuring the amount of light can be closed on the introduced into the scintillator energy.
Die Erfindung betrifft des weiteren einen Strahlungsdetektor mit solch einem Szintillatorelement. Unter einem Strahlungsdetektor wird ein Element zur Messung elektromagnetischer Strahlung verstanden. Beispielsweise kann der Strahlungsdetektor ein Röntgendetektor sein. Bei den bildgebenden Röntgensystemen, wie z. B. der Computertomographie, durchdringt Röntgenstrahlung eine zu untersuchende Person. Die Röntgenstrahlung wird durch das Gewebe und/oder die Knochen geschwächt und die geschwächte Röntgenstrahlung dann ortsaufgelöst detektiert.The invention further relates to a radiation detector comprising such a scintillator element. A radiation detector is understood to mean an element for measuring electromagnetic radiation. For example, the radiation detector may be an X-ray detector. In the imaging X-ray systems, such. As the computed tomography, X-ray penetrates a person to be examined. The X-ray radiation is weakened by the tissue and / or the bones and the weakened X-radiation is then detected in a spatially resolved manner.
Grundsätzlich wird bei der ortsaufgelösten Detektion von ionisierender Strahlung zwischen direkten und indirekten Detektoren unterschieden. Die direkten Detektoren wandeln die einfallende, ionisie- rende Strahlung direkt in elektronische Ladung um, wohingegen die indirekten Detektoren zunächst die einfallende, ionisierende Strahlung mittels eines Lumineszenzschirms in optische Photonen umwandeln und diese dann in einem weiteren Schritt detektieren.In principle, a distinction is made in the spatially resolved detection of ionizing radiation between direct and indirect detectors. The direct detectors convert the incident, ionizing radiation directly into electronic charge, whereas the indirect detectors first convert the incident, ionizing radiation into optical photons by means of a luminescent screen and then detect them in a further step.
Direkte Detektoren weisen im allgemeinen eine hohe Energieauflösung auf. Indirekte Detektoren erreichen dagegen deutlich höhere Ortsauflösungen, was unter anderem daran liegt, daß das sichtbare Licht mit üblichen Optiken aus der Lichtmikroskopie abgebildet werden kann.Direct detectors generally have a high energy resolution. By contrast, indirect detectors achieve significantly higher spatial resolutions, which is due in part to the fact that the visible light can be imaged with conventional optics from light microscopy.
Die Effizienz sowie die Bildqualität eines indirekten Detektors hängt von den verwendeten Szintilla- tormaterialien ab. Szintillatormaterialien sind im allgemeinen Festkörper, die durch hochenergetische Strahlung, wie z. B. γ-Strahlung angeregt werden und diese Energie als UV-Strahlung oder sichtbares Licht wieder abgeben. Der ideale Szintillator besitzt eine hohe Absorptionskraft für die verwendete ionisierende Strahlung, setzt die absorbierte Energie zu einem größtmöglichen Anteil in sichtbares Licht um, welches zeitlich nahe am Moment der Absorption des Strahlungsquants in einen Kurzpuls emittiert wird, und ist für die Wellenlänge seiner maximalen Emission transparent.The efficiency and image quality of an indirect detector depends on the scintillator materials used. Scintillator materials are generally solid, which by high-energy radiation, such as. B. γ-radiation and release this energy as UV radiation or visible light again. The ideal scintillator has a high absorption power for the ionizing radiation used, putting the absorbed energy into the visible as much as possible Light around which is emitted close to the moment of absorption of the radiation quantum into a short pulse, and is transparent to the wavelength of its maximum emission.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Szintillatorelement bzw. einen Festkörperdetektor bereitzustellen, der eine Abbildung mit sehr hoher Ortsauflösung erlaubt, eine möglichst große Absorptionskraft für die nachzuweisende ionisierende Strahlung besitzt und dabei die absorbierte Energie in einem möglichst kurzen Lichtpuls bei hoher Konversionsrate und mit minimalem Nachleuchten abgibt und der zu dem im wesentlichen transparent für die Wellenlänge seiner maximalen Emission ist.Based on this prior art, it is therefore an object of the present invention to provide a scintillator or a solid state detector, which allows a picture with very high spatial resolution, has the greatest possible absorption force for the ionizing radiation to be detected and thereby the absorbed energy in as short as possible Light pulse at high conversion rate and with minimal afterglow and which is essentially transparent to the wavelength of its maximum emission.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein eingangs genanntes Szintillatorelement, bei dem das Szintillatorelement eine Mehrschichtstruktur mit einer passiven Trägerschicht aus nicht szintillierendem Material und einer auf der Trägerschicht aufgebrachten aktiven Schicht aus szintillierendem Material ist.This object is achieved by a scintillator element mentioned at the beginning, in which the scintillator element is a multilayer structure with a passive carrier layer of non-scintillating material and an active layer of scintillating material applied to the carrier layer.
Die zur Abbildung des emittierten Lichtes verwendeten Mikroskopoptiken haben im allgemeinen eine begrenze Tiefenschärfe, die mit zunehmender Vergrößerung, d. h. höheren Auflösungen, abnimmt. Entsprechend muß bei mikroskopischen Auflösungen nahe an der Wellenlänge des vom Szintillatorelement emittierten sichtbaren Lichtes die aktive Leuchtschicht genau den Tiefenschärfenbereich der Optik ausfüllen, um ein Optimum an Effizienz und minimaler Bildunschärfe zu erhalten. Grund- sätzlich gilt, daß die Absorption mit der Dicke des Kristalls zunimmt. Gleichzeitig nimmt jedoch die Bildunschärfe zu, wenn die Dicke der aktiven Schicht größer als die Tiefenschärfe der abbildenden Optik wird. Aus diesem Grund ist es wesentlich, die aktive Schicht auf einem nicht szintillierendem Substrat auszubilden, da vom Substrat emittiertes Licht außerhalb des Tiefenschärfebereiches erzeugt werden würde und so den Kontrast und die Schärfe der Abbildung verringern würde.The microscope optics used to image the emitted light generally have a limited depth of focus which increases with increasing magnification, i. H. higher resolutions, decreases. Accordingly, at microscopic resolutions close to the wavelength of the visible light emitted by the scintillator element, the active phosphor layer must exactly fill the depth of field of the optics for optimum efficiency and minimum image blur. In principle, the absorption increases with the thickness of the crystal. At the same time, however, the image blur increases as the thickness of the active layer becomes greater than the depth of field of the imaging optics. For this reason, it is essential to form the active layer on a non-scintillating substrate because light emitted from the substrate would be generated out of the depth-of-field, thus reducing the contrast and sharpness of the image.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Schicht derart ausgewählt, daß die hochenergetische Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung in sichtbares oder ultraviolettes Licht umgewandelt wird.In a preferred embodiment, the active layer is selected such that the high energy radiation, preferably X-radiation, is converted to visible or ultraviolet light.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die passive Trägerschicht einkristallin. Das Trägermaterial kann nach einem üblichen Kristallzüchtungsverfahren, z. B. dem Czochralskiverfahren, als Volumenkristall aus einer Schmelze hergestellt werden. Durch Sägen, Schleifen und Polieren des Volumenkristalls wird das benötigte Substrat hergestellt. Dabei hat die Trägerschicht vorzugsweise die Form einer runden oder vieleckigen Scheibe mit planparallelen Seiten und weist vorzugs- weise eine Dicke zwischen 0,1 und 2mm und besonders bevorzugt von < 0,5mm auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die passive Trägerschicht aus MxNySiO5, wobei M und N Elemente der Reihe Y, La, Gd, Yb, Lu sind und x und y die Anteile des jeweiligen Elementes sind, wobei x + y=2 gilt.In a further preferred embodiment, the passive carrier layer is monocrystalline. The support material may be prepared by a conventional crystal growth method, e.g. B. the Czochralskiverfahren be prepared as a bulk crystal of a melt. The required substrate is produced by sawing, grinding and polishing the volume crystal. The carrier layer preferably has the form of a round or polygonal disk with plane-parallel sides and preferably has a thickness of between 0.1 and 2 mm and particularly preferably of <0.5 mm. In a further preferred embodiment, the passive support layer consists of M x N y SiO 5 , where M and N are elements of the series Y, La, Gd, Yb, Lu and x and y are the fractions of the respective element, where x + y = 2 applies.
Das Trägermaterial hat sich als besonders einfach herzustellen herausgestellt. Darüber hinaus ist das Trägermaterial für sichtbares, ultraviolettes Licht nahezu transparent und es ist nicht möglich, das Trägermaterial durch hochenergetische Strahlung zur Emission im sichtbaren UV-Bereich anzuregen.The carrier material has proven to be particularly easy to manufacture. In addition, the substrate for visible, ultraviolet light is almost transparent and it is not possible to excite the substrate by high energy radiation for emission in the visible UV range.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Schicht kristallin, vorzugsweise einkristallin ausgebildet. Durch die kristalline Ausbildung der aktiven Schicht wird eine hohe Homogenität innerhalb der aktiven Schicht ermöglicht, wodurch die Ortsauflösung verbessert wird.In a particularly preferred embodiment, the active layer is crystalline, preferably monocrystalline. The crystalline formation of the active layer enables a high homogeneity within the active layer, whereby the spatial resolution is improved.
Vorzugsweise wird die aktive Schicht auf der passiven Trägeschicht aufgewachsen, wobei beson- ders bevorzugt die aktive Schicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die passive Trägerschicht hat.Preferably, the active layer is grown on the passive carrier layer, with the active layer particularly preferably having the same crystallographic orientation as the passive carrier layer.
Eine einkristalline aktive Schicht hat eine hohe optische Qualität und kann im allgemeinen für Auflösungen bis unter 1 μm verwendet werden.A monocrystalline active layer has a high optical quality and can generally be used for resolutions below 1 μm.
Die aktive Schicht kann beispielsweise durch Flüssigphasenepitaxie, gegebenenfalls auch durch ein anderes Kristallzüchtungsverfahren, auf das Trägermaterial in der benötigten Stärke aufgebracht werden. In diesem Prozeß dient die passive Trägerschicht als kristalline Unterlage, auf die die aktive Schicht kristallografisch orientiert aufgewachsen wird. Beispielsweise kann das Szintillatormaterial in der benötigten Zusammensetzung in einem Hochtemperaturlösungsmittel, z. B. Bleioxid (PbO) oder Bleimolybdat (PbMoO4) bei Temperaturen über 10000C gelöst werden. Das Aufbringen der aktiven Schicht auf das Substrat wird dann durch Eintauchen des Substrates in die Lösung bei geeigneter Temperatur gestartet.The active layer can be applied to the support material in the required thickness, for example, by liquid phase epitaxy, optionally also by another crystal growth process. In this process, the passive support layer serves as a crystalline base on which the active layer is grown crystallographically oriented. For example, the scintillator material may be in the required composition in a high temperature solvent, e.g. B. lead oxide (PbO) or lead molybdate (PbMoO 4 ) are dissolved at temperatures above 1000 0 C. The application of the active layer to the substrate is then started by immersing the substrate in the solution at a suitable temperature.
Die endgültige Schichtdicke wird durch die Prozeßdauer bestimmt. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das Substrat beidseitig mit einer aktiven Schicht beschichtet. Durch einseitiges Abtragen mittels Schleifen und Polieren wird eine der aktiven Schichten entfernt und der Träger auf die anwendungsgemäß notwendige Dicke gebracht.The final layer thickness is determined by the process duration. In the method described, the substrate is coated on both sides with an active layer. By one-sided removal by means of grinding and polishing, one of the active layers is removed and the support is brought to the thickness required for application.
Typischerweise hat die aktive Schicht eine Dicke zwischen 0,001 und 0,5 mm. - A -Typically, the active layer has a thickness between 0.001 and 0.5 mm. - A -
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Schicht strukturiert, wobei die Strukturierung vorzugsweise aus in die aktive Schicht eingebrachten Gräben besteht. Dabei haben die Gräben vorzugsweise eine Tiefe, die größer oder gleich der Dicke der aktiven Schicht ist.In a preferred embodiment, the active layer is structured, wherein the structuring preferably consists of trenches introduced into the active layer. The trenches preferably have a depth which is greater than or equal to the thickness of the active layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Strukturierung die Form eines regelmäßigen Gitters, vorzugsweise eines rechteckigen oder quadratischen Gitters. Es hat sich gezeigt, daß die Gräben am Besten eine Breite zwischen 0,1 und 20μm und vorzugsweise von weniger als 5μm haben.In a preferred embodiment, the structuring has the form of a regular grating, preferably a rectangular or square grating. It has been found that the trenches best have a width between 0.1 and 20μm and preferably less than 5μm.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn benachbarte Gräben einen Abstand voneinander haben, der zwi- sehen 1 und 500μm und vorzugsweise weniger als 50μm und besonders bevorzugt von weniger als 10μm beträgt.Furthermore, it is advantageous if adjacent trenches have a distance from each other, the see between 1 and 500 .mu.m and preferably less than 50 .mu.m and particularly preferably less than 10 .mu.m.
Diese Maßnahmen erlauben es, noch dickere und damit höher absorbierende Szintillatorelemente mit den mikroskopischen Auflösungen zu kombinieren. Im Grunde genommen erhält die aktive Schicht dadurch eine säulenartige Mikrostruktur. Licht, das durch Szintillation in einer Säule entsteht, wird an den Säulenwänden durch Totalreflexion in seiner Ausbreitungsrichtung eingeschränkt, was ein Verschmieren des Bildes verringert.These measures make it possible to combine even thicker and therefore more highly absorbent scintillator elements with the microscopic resolutions. In effect, the active layer thereby acquires a columnar microstructure. Light produced by scintillation in a column is restricted at the column walls by total reflection in its propagation direction, which reduces blurring of the image.
Die Strukturierung kann beispielsweise durch Abtragen von Material über die Stärke der aktiven Schicht, eventuell auch bis in das Substrat hinein erfolgen. Als Strukturierungsverfahren sind chemisches Ätzen, lonenätzen, mechanisches Abtragen, laserunterstütztes Abtragen und andere geeignete Verfahren möglich.The structuring can be carried out, for example, by removing material via the thickness of the active layer, possibly even into the substrate. As structuring methods, chemical etching, ion etching, mechanical abrasion, laser assisted ablation and other suitable methods are possible.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß auf der aktiven Schicht und/oder der passiven Trägerschicht eine reflexionsvermindemde Schicht aufgebracht ist.In a further particularly preferred embodiment it is provided that a reflection-reducing layer is applied to the active layer and / or the passive carrier layer.
Durch diese Maßnahme werden Lichtreflexe weiter verringert. Die Beschichtung kann ein- oder beidseitig erfolgen. Beispielsweise kann eine materialangepaßte, sehr dünne dielektrische Schicht aus MgF2, TaO2, SiO2 aufgedampft werden, wodurch der Reflexionsgrad der Oberflächen von circaBy this measure, light reflections are further reduced. The coating can be done on one or both sides. For example, a material-matched, very thin dielectric layer of MgF 2 , TaO 2 , SiO 2 can be evaporated, whereby the reflectance of the surfaces of about
8% auf unter 0,1 % gesenkt werden kann. Vorzugsweise wird die reflexionsvermindemde Schicht auf die Trägerschicht an der der aktiven Schicht abgewandten Seite aufgebracht.8% can be reduced to below 0.1%. The reflection-reducing layer is preferably applied to the carrier layer on the side facing away from the active layer.
Das erfindungsgemäße Szintillatorelement wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform innerhalb eines Festkörperstrahlungsdetektors verwendet, der neben dem Szintillatorelement noch eine Wandlereinrichtung zum Umwandeln von sichtbarem und/oder ultraviolettem Licht in elektrische Signale sowie eine Abbildungsoptik zur Abbildung der aktiven Schicht des Szintillatorelements auf die Wandlereinrichtung aufweist. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:In a particularly preferred embodiment, the scintillator element according to the invention is used within a solid-state radiation detector which, in addition to the scintillator element, also has a converter device for converting visible and / or ultraviolet light into electrical signals and imaging optics for imaging the active layer of the scintillator element on the converter device. Further advantages, features and possible applications will become apparent from the following description of preferred embodiments and the accompanying figures. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Szintillatorelementes,FIG. 1 shows a schematic representation of a scintillator element according to the invention,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Szintillatorelementes,FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the scintillator element according to the invention,
Figur 3 eine Prinzipskizze, die die Reflexionsverhältnisse ohne und mit Strukturierung verdeutlicht, undFigure 3 is a schematic diagram illustrating the reflection ratios without and with structuring, and
Figur 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor.FIG. 4 shows an embodiment of the solid-state radiation detector according to the invention.
In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Szintillatorelementes dargestellt. Ein zylinderförmiges Substrat mit einer Dicke von 150 bis 500μm aus YSO (Yttrium-Oxoorthosilikat - Y2SiO5) dient als Träger für die dünne aktive Schicht aus LSO(Lutetium-Oxoorthosilikat - L^SiO5), die eine Dicke von nur 1 bis 100μm aufweist. Da die inaktive Trägerschicht einkristallin ist und die dünne aktive Schicht ebenfalls einkristallin ist, kann man sie auf dem Substrat aufwachsen lassen, so daß sie dieselbe kristallographische Orientierung aufweist wie die Trägerschicht.FIG. 1 shows a first embodiment of the scintillator element according to the invention. A cylindrical substrate with a thickness of 150 to 500 microns of YSO (yttrium-oxo-orthosilicate - Y 2 SiO 5 ) serves as a support for the thin active layer of LSO (lutetium-oxoorthosilicate - L ^ SiO 5 ), which has a thickness of only 1 to 100μm. Since the inactive support layer is monocrystalline and the thin active layer is also monocrystalline, it can be grown on the substrate to have the same crystallographic orientation as the support layer.
Um die Reflexionen zu verringern, kann die aktive Schicht strukturiert sein, wie in Figur 2 zu sehen ist. Im Grunde genommen besteht hier die aktive Schicht aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten quaderförmigen Säulen, da die aktive Schicht mit einem ein Quadratgitter bildendes Grabensystem strukturiert wurde.To reduce the reflections, the active layer may be patterned, as shown in FIG. Basically, here the active layer consists of a multiplicity of parallelepiped-shaped columns arranged side by side, since the active layer was structured with a trench system forming a square grid.
Wie in Abbildung 3a zu erkennen ist, kann es bei der nicht strukturierten aktiven Schicht vorkommen, daß einzelne Lichtstrahlen mit großem Winkel auf die Grenzfläche zwischen aktiver Schicht und passiver Trägerschicht auftreffen, so daß sie bei der Grenzschicht zwischen Substrat und Umgebung total reflektiert werden. Diese Lichtstrahl wird nicht oder am falschen Ort detektiert, was die Bildschärfe verringert.As can be seen in Figure 3a, with the unstructured active layer, it is possible for individual light rays to impinge on the interface between the active layer and the passive support layer at high angles, so that they are totally reflected at the boundary layer between the substrate and the surroundings. This light beam is not detected or in the wrong place, which reduces the sharpness.
In Figur 3b ist zu erkennen, daß im Falle einer strukturierten aktiven Schicht die Lichtstrahlen durch Totalreflexion innerhalb der Säulen (ähnlich wie die Lichtausbreitung innerhalb einer Glasfaser) weitergeleitet werden, so daß der Anteil der Lichtreflexionen geringer wird.In Figure 3b, it can be seen that, in the case of a patterned active layer, the light rays are transmitted by total internal reflection within the columns (similar to the propagation of light within a glass fiber), so that the proportion of light reflections becomes smaller.
Schließlich ist in Figur 4 ein Beispiel für einen Festkörperdetektor dargestellt. Röntgenstrahlen 1 treffen auf das erfindungsgemäße Szintillatorelement 2, werden dort in sichtbares oder UV-Licht umgewandelt, welches dann durch eine handelsübliche Abbildungsoptik 3 über einen Spiegel 4 auf eine CCD-Kamera 5 abgebildet wird.Finally, an example of a solid-state detector is shown in FIG. X-rays 1 strike the scintillator element 2 according to the invention, where they are exposed to visible or UV light converted, which is then imaged by a commercially available imaging optics 3 via a mirror 4 on a CCD camera 5.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird YbSO (Ytterbium-Oxoorthosilikat - Yb2SiO5) als Trägerschicht oder aktive Schicht verwendet. In a further particularly preferred embodiment, YbSO (ytterbium oxoorthosilicate - Yb 2 SiO 5 ) is used as a carrier layer or active layer.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Szintillatorelement zur Umwandlung von höherenergetischer Strahlung oder geladenen Teilchen in niederenergetische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Szintillatorelement aus einer Mehrschichtstruktur mit einer passiven Trägerschicht aus nicht szintillierendemA scintillator element for converting higher-energy radiation or charged particles into low-energy radiation, characterized in that the scintillator element consists of a multilayer structure with a passive carrier layer of non-scintillating radiation
Material und einer auf der Trägerschicht aufgebrachten aktiven Schicht aus szintillierendem Material besteht.Material and an applied on the support layer active layer of scintillating material consists.
2. Szintillatorelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht derart aufgebaut ist, daß die hochenergetische Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung, in sichtbares oder ultraviolettes Licht umgewandelt wird.2. scintillator element according to claim 1, characterized in that the active layer is constructed such that the high-energy radiation, preferably X-radiation, is converted into visible or ultraviolet light.
3. Szintillatorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Trägerschicht einkristallin ist.3. scintillator according to claim 1 or 2, characterized in that the passive support layer is monocrystalline.
4. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Trägerschicht aus MxNySiO5 besteht, wobei M und N Elemente aus der Gruppe Y, La, Gd, Yb, Lu sind und x + y = 2 gilt.4. scintillator element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the passive support layer consists of M x NySiO 5 , wherein M and N elements from the group Y, La, Gd, Yb, Lu and x + y = 2 applies ,
5. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die5. scintillator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the
Trägerschicht die Form einer runden oder vieleckigen Scheibe mit planparallelen Seiten hat und vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,1 und 2 mm und besonders bevorzugt von kleiner als 0,5 mm hat.Carrier layer has the shape of a round or polygonal disc with plane-parallel sides and preferably has a thickness between 0.1 and 2 mm and more preferably of less than 0.5 mm.
6. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht kristallin, vorzugsweise einkristallin ist.6. scintillator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the active layer is crystalline, preferably monocrystalline.
7. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht auf der passiven Trägerschicht aufgewachsen ist, wobei vorzugsweise die ak- tive Schicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die passive Trägerschicht hat.7. Scintillator element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the active layer is grown on the passive support layer, wherein preferably the active layer has the same crystallographic orientation as the passive support layer.
8. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht aus MxNySiO5 besteht, wobei M für Elemente aus der Gruppe Ce, Tb, Eu, Sm und N für Elemente aus der Gruppe Y, La, Gd, Yb, Lu sind, x + y = 2 sowie 0,001 < x < 0,6 und 1 ,4 < y < 1 ,999 gilt.8. scintillator element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the active layer consists of M x NySiO 5 , wherein M for elements from the group Ce, Tb, Eu, Sm and N for elements of the group Y, La, Gd, Yb, Lu are, x + y = 2 and 0.001 <x <0.6 and 1, 4 <y <1, 999 holds.
9. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht eine Dicke zwischen 0,001 und 0,5 mm hat. 9. scintillator element according to one of claims 1 to 8, characterized in that the active layer has a thickness between 0.001 and 0.5 mm.
10. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht strukturiert ist, wobei die Strukturierung vorzugsweise aus in die aktive Schicht eingebrachten Gräben besteht.10. Scintillator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the active layer is structured, wherein the structuring preferably consists of introduced into the active layer trenches.
11. Szintillatorelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben eine Tiefe haben, die größer oder gleich der Dicke der aktiven Schicht ist.11. scintillator element according to claim 10, characterized in that the trenches have a depth which is greater than or equal to the thickness of the active layer.
12. Szintillatorelement nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturie- rung die Form eines regelmäßigen Gitters, vorzugsweise eines rechteckigen oder quadratischen Gitter einnimmt.12. scintillator according to claim 10 or 1 1, characterized in that the structuring takes the form of a regular grid, preferably a rectangular or square grid.
12. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben eine Breite zwischen 0,1 und 20 μm und vorzugsweise < 5 μm haben.12. scintillator according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the trenches have a width between 0.1 and 20 microns and preferably <5 microns.
13. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Gräben einen Abstand voneinander haben, der zwischen 1 und 500 μm liegt, vorzugsweise < 50μm und besonders bevorzugt < 10 μm ist.13. scintillator according to one of claims 9 to 12, characterized in that adjacent trenches have a distance from each other, which is between 1 and 500 microns, preferably <50 microns and more preferably <10 microns.
14. Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf der aktiven Schicht und/oder der passiven Trägerschicht eine reflexionsvermindemde Schicht aufgebracht ist.14. scintillator according to one of claims 1 to 13, characterized in that on the active layer and / or the passive support layer, a reflection-reducing layer is applied.
15. Festkörperstrahlungsdetektor mit einem Szintillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, einer Wandlereinrichtung zum Umwandeln von sichtbaren und/oder ultravioletten Licht in elektrische Signale und einer Abbildungsoptik, zur Abbildung der aktiven Schicht des Szintil- latorelements auf die Wandlereinrichtung. 15. Solid-state radiation detector with a scintillator element according to one of claims 1 to 14, a converter device for converting visible and / or ultraviolet light into electrical signals and imaging optics, for imaging the active layer of the scintillator element onto the converter device.
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