DE102006033496A1 - Strahlungsdetektor für Röntgen- oder Gammastrahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlung, mit einem eine Vielzahl einzelner, durch Trennwände (6) voneinander getrennter Szintillatoren (4) aufweisenden Detektorarray (2) und einem an dessen strahlungsabgewandter Seite angeordneten Photodioden-Array (3), wobei in einem von den Trennwänden (6) überdeckten nicht sensitiven Bereich (12) der Photodioden (7) elektronische Bauteile angeordnet sind und die Trennwände aus einem Material bestehen, das ein Röntgenabsorptionsvermögen von mehr als 50% aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für Röntgen- oder Gammastrahlen. Ein solcher Detektor, der beispielsweise in der Computertomographie eingesetzt wird, umfasst ein eine Vielzahl von Szintillatoren aufweisendes Detektorarray. Ein Szintillator wiederum besteht aus einem Szintillatormaterial, das die Gamma- oder Röntgenstrahlung absorbiert und in sichtbares Licht umwandelt. Im Folgenden wird aus Vereinfachungsgründen nur auf Röntgenstrahlung Bezug genommen. Als Szintillatormaterialien kommen beispielsweise mit Aktivatoren dotierte Materialen wie Gd₂O₂S:Pr, (Y,Gd)₂O₃:EU,Pr,Gd₃Ga_sO12:Cr,Ce oder CsI:Tl in Frage. Zur Detektion des von den Szintillatoren emittierten Lichts ist unterhalb des Detektorarrays bzw. auf dessen der einfallenden Strahlung abgewandten Seite ein Photodioden-Array angeordnet. Dessen Pixelgröße entspricht in etwa der Pixelgröße des Detektorarrays, die beispielsweise im Bereich von 1 mm × 1 mm liegt.
• Bei heutigen Computertomographen, einem wichtigen Anwendungsfeld der in Rede stehenden Strahlungsdetektoren, sind die Szintillatoren in Form von zweidimensionalen Arrays angeordnet, deren Planebene senkrecht zur einfallenden Strahlung ausgerichtet wird. Um eine hohe Bildauflösung zu gewährleisten ist es erforderlich, eine laterale Lichtausbreitung im Detektorarray zu unterdrücken und damit eine gute Trennung der Lichtsignale der einzelnen Pixel zu erreichen. Diese werden daher mit Hilfe von reflektierenden Trennwänden, sog. Septen, voneinander getrennt. Das Material der Trennwände soll eine hohe diffuse Reflektivität und ein geringes Absorptions- und Transmissionsvermögen für das Szintillationslicht aufweisen, um eine hohe Lichtausbeute und ein geringes Über sprechen der Lichtsignale zu benachbarten Szintillatoren zu gewährleisten. Die Trennwände, die üblicherweise eine Breite von 50 μm bis 500 μm aufweisen, bestehen meist aus einer Bindemittelmatrix, der ein pulverförmiges Material mit hohem Brechungsindex, beispielsweise TiO₂-Partikel, beigemengt ist.
• Für die elektronische Signalverarbeitung sind entsprechende elektronische Bauteile, beispielsweise Vorverstärker erforderlich. Derartige Bauteile sind in der Regel empfindlich gegenüber der im Bereich des Photodioden-Arrays vorherrschenden Röntgenstrahlung und sind an räumlich vom Photodioden-Array entfernten Stellen untergebracht.
• Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlung vorzuschlagen, bei dem elektronische, vor allem der Signalverarbeitung dienende Bauteile, in das Photodioden-Array integriert sind.
• Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass elektronische Bauteile in den von den Trennwänden überdeckten, nicht sensitiven Bereichen des Photodioden-Arrays angeordnet sind und die Trennwände aus einem Material bestehen, das ein Röntgenabsorptionsvermögen von mehr als 50 aufweist. Die Erfindung geht dabei von der Idee aus, die o.g. nicht sensitiven Bereiche zwischen den einzelnen Photodioden-Pixeln zur Unterbringung von elektronischen Bauteilen zu nutzen. Bei der Materialauswahl herkömmlicher Trennwände wird jedoch in erster Linie darauf geachtet, dass die Trennwände ein möglichst hohes Reflexionsvermögen für Emissionslicht, nicht jedoch auch ein hohes Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlen aufweisen. Herkömmliches Trennwandmaterial lässt daher einen hohen Anteil der einfallenden Röntgenstrahlung durch, so dass in den nicht sensitiven Bereichen der Photodioden eine Strahlungsintensität vorherrscht, die dort angeordnete elektroni sche Bauteile schädigen würde. Erfindungsgemäße Trennwände absorbieren jedoch zumindest einen gewissen Anteil der Röntgenstrahlung, nämlich mehr als 50 %, so dass in den nicht sensitiven Bereichen angeordnete elektronische Bauteile mit Röntgenstrahlung verringerter Intensität beaufschlagt werden. Je nach Absorptionsgrad des Trennwandmaterials können dann mehr oder weniger empfindliche elektronische Bauteile in den Randbereichen der Photodioden angeordnet werden.
• Um einen möglichst hohen Anteil des in den Szintillatoren erzeugten Emissionslichts ausnutzen zu können, weist das Trennwandmaterial, wie bei herkömmlichen Strahlungsdetektoren auch, eine Reflektivität von mehr als 90 % auf.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante umfassen die Trennwände eine Matrix mit darin eingelagerten Partikeln aus einem Oxid eines Metalls der fünften oder sechsten Periode des Periodensystem (PSE), insbesondere aus den Oxiden der Übergangselemente dieser Perioden, wobei die Oxide eine Brechzahl von wenigstens 1,8 aufweisen. Die Matrix kann beispielsweise ein 2-Komponenten-Gießharz sein, das sich bei der Herstellung eines Strahlungsdetektors auf einfache Weise in Spalten eingießen lässt, welche die einzelnen Szintillatoren eines Arrays voneinander trennen. Hinsichtlich eines gesteigerten Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlung werden die besten Ergebnisse mit Partikeln erhalten, die wenigstens ein Oxid der Gruppe Ta₂O₅, WO_{3 ,} HfO_{2 ,} Gd₂O_{3 ,} Nb₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂ enthalten, wobei auch Mischoxide aus einem oder mehreren der genannten Oxide oder unterschiedliche Partikel mit sich voneinander unterscheidender Zusammensetzung denkbar sind. So zeigen Nb₂O₅ und Ta₂O₅ die besten Ergebnisse bezüglich Reflexion und Transmission des Emissionslichts, Gd₂O₃, HfO₂ und Ta₂O₅ weisen das höchste Röntgenabsorptionsvermögen auf. Aus Optimierungsgründen ist daher eine Mischung dieser Oxide denkbar.
• Die eingesetzten Partikel weisen eine mittlere Korngröße von 0,1 μm bis 10 μm auf, wobei eine optimale optische Reflektivität bei gleichzeitig hoher Röntgenabsorption bei Korngrößen von weniger als etwa 1,0 μm und insbesondere bei Füllgraden von mehr als 25 Vol.% erreicht wird.
• Beispielsweise im Falle einer nicht optimalen optische Reflektivität der strahlungsabsorbierenden Partikel kann diese erhöht werden, indem in die Trennwände zusätzlich TiO2-Partikel eingebracht werden. Die optische Reflektivität kann auch dadurch erhöht werden, dass strahlungsabsorbierende Partikel verwendet werden, die mit einer Schicht aus TiO₂ umhüllt sind.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die einen Ausschnitt aus einem Strahlungsdetektor in perspektivischer Darstellung zeigt, näher erläutert.
• Ein Strahlungsdetektor 1 umfasst ein Detektorarray 2 und ein an dessen strahlungsabgewandter Seite angeordnetes Photodioden-Array 3, wobei beide Arrays im Wesentlichen das gleiche Rastermaß aufweisen. Das Detektorarray 2 ist aus einer Vielzahl von Szintillatoren 4 gebildet, wobei die Szintillatoren 4 durch Spalten 5 voneinander getrennt sind. Für die Szintillatoren 4 werden herkömmliche Luminiszensmaterialien wie beispielsweise Metalloxisulfid der allgemeinen Summenformel (M_1-xLn_x)₂O₂S, dotiert mit Lantanoiden (Ln) . Die Spalten 5 sind mit einer zunächst fließfähigen und sich später verfestigenden Masse ausgefüllt, welche Trennwände 6 bildet. Die Breite der Trennwände 6 liegt zwischen 50 μm und 500 μm. Ausgangsmasse für die Trennwände 6 ist ein Zweikomponenten-Gießharz, in dem Partikel (nicht dargestellt) eingelagert sind, welche einen hohen Brechungsindex aufweisen, und da durch das von den Szintillatoren 4 bei Beaufschlagung mit Röntgenstrahlung emittierte Licht reflektieren. Dadurch wird zum einen die Lichtausbeute erhöht und zum anderen verhindert, dass das Emissionslicht eines Szintillators in einen benachbarten Szintillator gelangt. Die eingesetzten Partikel haben außerdem ein hohes Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlen, erfüllen somit eine Doppelfunktion, indem sie einerseits die Lichtausbeute und das Übersprechverhalten des Detektorarrays 2 verbessern und andererseits Röntgenstrahlen absorbieren. Materialien, die diese Eigenschaften aufweisen, sind Oxide von Metallen der 5. und 6. Periode, insbesondere von den Übergangselementen, wobei hier Ta₂O₅, WO_{3 ,} HfO_{2 ,} Gd₂O₃, Nb₂O₃, Y₂O₃ und ZrO₂ besonders geeignet sind. Durch geeignete Messungen konnte festgestellt werden, dass das Röntgenabsorbtionsvermögen von Y₂O₃, ZrO₂ und Nb₂O₃ bei einem Standard-Füllgrad von 25 Vol.% fünffach und bei Verwendung von Gd₂O₃, HfO₂ und Ta₂O₅ neunfach erhöht ist gegenüber Titanoxidpartikeln bei gleichem Füllgrad. Damit eine Vergussmasse problemlos in die Spalten einfließen kann, darf ihre Viskosität nicht zu hoch sein. Da die erwähnten Pulvermaterialien die Viskosität einer Vergussmasse erhöhen, kann ihr Anteil oft nicht in einem zur Erreichung der optimalen optischen Eigenschaften erforderlichen Ausmaß erhöht werden. Bei Zweikomponenten-Epoxydharzen beispielsweise ist ein Vergießen bei einem Anteil von etwa 25 Vol.% TiO₂-Pulverpartikel noch möglich. Bei höheren Füllgraden kann die Viskosität der Vergussmasse durch Beimengung eines Dispergators erhöht werden.
• Das aus einer Vielzahl von Photodioden 7 gebildete Photodiodenarray 3 ist an der strahlungsabgewandten Seite des Detektorarrays 2 angeordnet. Die Photodioden 7 weisen eine den Szintillatoren 4 entsprechende rechteckige Umrissform auf, wobei die Kantenlänge 1 der Photodioden 7 so bemessen ist, dass die gedachte Mittellinie 8 zwischen zwei Photodioden 7 in einer Projektion in Richtung des Pfeils 9 gesehen, auf der gedachten Mittellinie 10 der Trennwände 6 bzw. der Spalten 5 verläuft. Die Szintillatoren 4 decken aufgrund ihrer etwas größeren Querschnittsfläche neben der sensitiven Fläche der Photodiode 7 auch einen kleinen Teil des nicht sensitiven Bereiches 12 ab, wobei der restliche Teil des nicht sensitiven Bereiches von den Trennwänden 6 überdeckt ist. Die Trennwände 6 schirmen auf den Strahlungsdetektor 1 auftreffende Röntgenstrahlung zu einem erheblichen Anteil ab, so dass die nicht sensitiven Bereiche 12 nur mit einer entsprechend reduzierten Röntgenstrahlung beaufschlagt sind. Die in den nicht sensitiven Bereichen 12 der Photodioden 7, beispielsweise durch CMOS-Technik integrierte elektronische Bauteile, beispielsweise Vorverstärker, kapazitive oder induktive Elemente, können somit im Wesentlichen von der Röntgenstrahlung störungsfrei arbeiten. Es lassen sich auf diese Weise Strahlungsdetektoren mit höherem Integrationsgrad bereitstellen.

Claims (9)

1. Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlung, mit einem eine Vielzahl einzelner durch Trennwände (6) voneinander getrennter Szintillatoren (4) aufweisenden Detektorarray (2) und einem an dessen strahlungsabgewandter Seite angeordneten Photodioden-Array (3), wobei in einem von den Trennwänden (6) überdeckten nicht sensitiven Bereich (12) der Photodioden (7) elektronische Bauteile angeordnet sind und die Trennwände aus einem Material bestehen, das ein Röntgenabsorptionsvermögen von mehr als 50 % aufweist.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, bei dem das Trennwandmaterial im Bereich der Szintillator-Emission eine diffuse Reflektivität von mehr als 90 % aufweist.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Trennwände (6) aus einer Matrix mit darin eingelagerten Partikeln aus mindestens einem Oxid eines Metalls der fünften oder sechsten Periode des PSE gebildet sind, wobei die Oxide eine Brechzahl von wenigstens 1,8 aufweisen.
4. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Partikel mindestens ein Oxid der Gruppe Ta₂O₅, WO₃, HfO_{2 ,} Gd₂O_{3 ,} Nb₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂. enthalten.
5. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 μm bis 10 μm aufweisen.
6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, bei dem die Partikel eine mittlere Korngröße von weniger als 1,0 μm aufweisen.
7. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in den Trennwänden (6) 10 Vol.% bis 50 Vol.% Partikel enthalten sind.
8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Trennwände zusätzlich TiO₂-Partikel enthalten.
9. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem ein Oxid eines Metalls der fünften oder sechsten Periode enthaltende Partikel mit einer Schicht aus TiO₂ umhüllt sind.