DE4101645A1

DE4101645A1 - Zweidimensionaler mosaikartiger szintillationsdetektor

Info

Publication number: DE4101645A1
Application number: DE4101645A
Authority: DE
Inventors: Michael Kent Cueman; Gregory Alan Mohr; Dale Marius Brown
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1991-08-01
Also published as: FR2657694B1; FR2657694A1; JPH0511060A; NL9100143A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Strahlungsnachweis und mehr im besonderen auf einen zweidimensionalen Szintillations detektor für energiereiche Strahlung, wie Röntgen- und Gamma- Strahlen.

Zweidimensionale Festkörperdetektoren für Röntgen- und Gamma- Strahlen werden gewöhnlich hergestellt, indem man an der Ober fläche eines elektronischen Abbildungschips eine Platte aus Szintillationsmaterial befestigt oder auf dieser Oberfläche eine Schicht aus einem Szintillationsmaterial abscheidet. Das szintillierende Material, das aufgrund der energiereichen Strah lung eine Strahlung geringer Energie erzeugt, ist erforderlich, weil die energiereiche Strahlung nicht leicht in üblichen Halb leiterelementen absorbiert wird. Da Si-Chips kleiner sind als die fertige Röntgenstrahlen-Abbildungsvorrichtung, muß ein Mosaik kleinerer Chips zusammengesetzt werden. Es ist erwünscht, die unempfindlichen Regionen am Umfang der und zwischen den Si liziumchips zu beseitigen, wo verbindende Drähte und mögliche Zwischenkomponenten montiert werden könnten. Große Detektoren aus einem Mosaik dieser einzelnen Detektoren nach dem Stande der Technik haben unempfindliche Streifen, wo die einzelnen Si-Detektorreihen aneinanderstoßen. Es ist z. B. aus dem Arti kel "CsI(Na) Scintillation Plate With High Spatial Resolution" von M. Ito et al. "IEEE Trans. on Nuclear Science", Band NS-34, Seiten 401-405, vom Februar 1987, bekannt, wie man eine Mehrzahl von Szintillatorelementen zu benutzen hat. Es kann jedoch Licht zwischen den Elementen hindurchgehen, was zu Über kreuzeffekten dazwischen führt, die zu einer geringeren Wirk samkeit und unscharfen Bildern führen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlungsdetektor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei dem man weniger unempfindliche Flecke und Überkreuzeffekte sowie eine höhere Wirksamkeit erhält.

Kurz gesagt werden diese und andere Aufgaben gelöst durch ei nen Detektor gemäß der Erfindung für eine erste Strahlungsart, der mehrere Einrichtungen umfaßt, die in einem Mosaik angeord net sind, um aufgrund einfallender Strahlung der ersten Art eine zweite Strahlungsart zu emittieren, wobei jede dieser Ein richtungen so gestaltet ist, daß sie sowohl weite als auch enge Enden aufweist, eines der genannten Enden zur Aufnahme der auf treffenden Strahlung der ersten Art eingerichtet ist, Einrich tungen zum Reflektieren der zweiten Strahlungsart zwischen je der der Vielzahl von Einrichtungen angeordnet ist und Einrich tungen zur Schaffung eines Signals aufgrund der zweiten Strah lungsart vorhanden sind, die optisch mit dem verbleibenden der genannten Enden gekoppelt sind.

Ein Szintillationsdetektor gemäß der Erfindung umfaßt eine Platte aus Szintillationsmaterial mit einer ersten und einer zweiten Seite, einer Vielzahl sich von der ersten Seite aus erstreckender enger Rillen und einer Vielzahl sich von der zweiten Seite aus erstreckender weiter Rillen, die jeweils mit den ersten Rillen in Verbindung stehen.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Szintillationsdetektors ge mäß der Erfindung umfaßt zuerst das Bilden einer Vielzahl wei ter Rillen auf einer ersten Seite einer Platte aus Szintilla tionsmaterial und dann das Bilden einer Vielzahl von engen Ril len auf einer zweiten Seite der genannten Platte, die jeweils mit der Vielzahl weiter Rillen in Verbindung stehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine weggebrochene isometrische Ansicht einer mosaik artigen Reihe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine weggebrochene isometrische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der mosaikartigen Reihe,

Fig. 4(a) bis 4(c) verschiedene schematische Konfigurationen der genannten Reihe und von Fotodetektoren und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausfüh rungsform der genannten mosaikartigen Reihe und von Fotodetektoren.

Für entsprechende Elemente wurden entsprechende Bezugszahlen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine mosaikartige plattenförmige Anordnung 10 aus Szintillationsmaterial mit ersten weiten Enden oder Flä chen 12 zur Aufnahme einer ersten Strahlungsart, z. B. von UV-Licht oder auftreffenden Röntgenstrahlen 14 und mit zwei ten engen Enden oder Flächen 16, die an einem Lichtdetektor 18 einer integrierten Halbleiterschaltung mittels eines op tisch transparenten Klebemittels bzw. Leimes befestigt sind. Von den ersten Enden 12 aus erstreckt sich eine erste Viel zahl enger Rillen 20, und von den zweiten Enden 16 aus er streckt sich eine zweite Vielzahl weiter Rillen 22, die je weils mit der ersten Vielzahl von Rillen 20 in Verbindung stehen. Die Platte 10 umfaßt so eine Vielzahl von Elementen 23, die durch die Rillen 20 und 22 begrenzt werden. Die Enge der Rillen 20 minimiert das Ausmaß des unempfindlichen Ab schnittes des Detektors, da die weiten Enden 12 fast die ge samte Fläche der Strahlung 14 empfangenden Platte 10 einnehmen.

Die Rillen 20 und 22 können hergestellt werden, indem man zu erst mit einem breiten Sägeblatt mit einer Breite von z. B. 100 µm weite Rillen 22 tief genug, z. B. 600 µm tief, in eine erste Seite der Platte 10 schneidet. Die breiten Rillen werden tief genug eingeschnitten, um die schwierigeren engen Schnitte erfolgreich ausführen zu können. Die Platte 10 wird umgedreht, so daß die zweite Seite der Bedienungsperson gegenüberliegt. Das optisch transparente Szintillationsmaterial wird beleuchtet, was es der Bedienungsperson gestattet, die Rillen 22 zu sehen, so daß die Ausrichtung der Rillen 20 und 22, damit sie in Ver bindung stehen, leichter wird. Dann schneidet man die engen Rillen 22 mit einer schmalen Säge von z. B. 25 µm Breite bis zu einer Tiefe von 100 µm.

Das Szintillationsmaterial der Platte 10 kann ein gesintertes keramisches Oxid seltener Erden umfassen, wie einen Y:Gd-Rönt genstrahlenabsorber. Im besonderen kann die Platte 10 zwischen etwa 20 und 50 Mol-% Gd₂O₃, zwischen etwa 1 bis 6 Mol-% Eu₂O₃, Rest Y₂O₃ umfassen. Mehr im besonderen kann sie etwa 30 Mol-% Gd₂O₃, etwa 3 Mol-% Eu₂O₃ und etwa 67 Mol-% Y₂O₃ umfassen. Wenn erwünscht, können etwa 0,02 Mol-% Pr₂O₃ als Mittel zum Vermindern des Nachglühens hinzugegeben werden. Einzelheiten hinsichtlich solcher Materialien, die gute Szintillatoren sind, finden sich in Patenten nach dem Stande der Technik, z. B. der US-PS 45 18 546. Solche Materialien sind auch robust, chemisch inert, stabil und im Mikromaßstab maschinell bearbeitbar. Sie sind auch im wesentlichen transparent für sichtbares Licht, weil die Mischung zur nahezu vollständigen theoretischen Dichte gesintert werden kann und eine kubische Kristallstruktur aufweist. Dies beseitigt Fehler und ändert den Brechungsindex an den Korngrenzen, die beide ein die Transparenz verminderndes optisches Streuen verursachen. Die Platte 10 kann für eine gute Röntgenstrahlenabsorption dick sein, ohne daß ein merklicher Verlust an optischer Empfindlichkeit auftritt. Andere transpa rente Szintillatoren, z. B. BGdO, der ebenfalls ein guter Röntgenstrahlenabsorber ist, könnten auch als Material für die Platte 10 benutzt werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Rillen 20 und 22 mit einer reflektierenden Einrichtung 24, wie einer Metallisierung, z. B. Al, oder einem optisch reflektierenden Klebstoff und Füllstoff, gefüllt. Vorzugsweise umfaßt die Reflektionseinrichtung 24 ein Metalloxid, z. B. TiO₂, das mittels eines Epoxyharzbinders an der Platte 10 befestigt ist. TiO₂ stellt eine gute Wahl für die Einrichtung 24 dar, da es weiß ist und deshalb die meisten Farben reflektiert und eine diffuse Reflektion aufweist, so daß das zerstreute Licht eher aus der Platte 10 austritt als daß es davon absorbiert wird. Einzelheiten hinsichtlich eines sol chen Überzuges finden sich in den US-PS 45 60 877 und 45 63 584. Im besonderen sollten die TiO₂-Teilchen eine Größe von etwa der Wellenlänge der emittierten Photonen (die weiter unten beschrieben sind) haben.

Ein Abschnitt 25 der reflektierenden Einrichtung 24 ist über den weiten Enden 12 angeordnet, um die Übertragung von durch Szin tillation erzeugten Photonen (wie weiter unten beschrieben) von dort zu verhindern. Eine typische Dicke für den Abschnitt 25 beträgt etwa 1 mm, doch können auch andere Dicken benutzt werden. Wenn es erwünscht ist, Strahlung sehr geringer Energie abzubil den, z. B. UV-Licht oder Röntgenstrahlen mit einer Energie un terhalb von 10 KeV, dann muß der Abschnitt 25 beseitigt werden, um zu verhindern, daß er den Eintritt solcher Strahlung in die Elemente 23 blockiert.

Eine Einrichtung zum Schaffen eines Signal- oder Lichtdetektors 18 umfaßt einzelne Elemente 18a und 18b, die optische aktive Bereiche 26 aufweisen, die CCD-Abbilder,Photodioden usw. ein schließen, um das an den engen Enden 16 vorhandene Licht nach zuweisen. Die geringe Breite der schmalen Enden 16 gestattet. Flächen 28 zwi schen Bereichen 26, die Verstärker, Verbindungen usw., umfassen können, so daß der Detektor 18 kompakt ist. Weiter vermindert die geringe Breite eine gegenseitige Beeinflussung bzw. Überkreuz strahlung zwischen den Elementen 23. Eine Stoßverbindung 29 zwischen den Elementen 18a und 18b des Detektors 18 verhindert unempfindliche Streifen beim Ansprechen des Detektors bzw. räumliche Probeninhomogenitäten in den erhaltenen Bildern. Eine Leitung 90 verbindet die Elemente 18a und 18b, während eine Leitung 92 und andere ähnliche (nicht dargestellte) sich durch eine (nicht dargestellte) Schaltungsplatte erstrecken und zur Verbindung des Detektors 18 mit einer (nicht dargestellten) Leistungsquelle oder zur Lieferung von Ausgangssignalen be nutzt werden könnten.

Während des Betriebes treffen Röntgenstrahlen 14 auf die wei ten Enden 12 auf und treten in die Platte 10 ein, wo sie vor wiegend durch die Gd-Atome absorbiert werden. Die Gd-Atome verursachen die Schaffung von Elektron-Loch-Paaren, die dazu führen, daß die Platte 10 szintilliert, d. h. sichtbare Licht photonen emittiert. Ist die Platte 10 aus dem oben und in der genannten PS beschriebenen Material hergestellt, dann emittiert sie mit einer Wellenlänge von 611µm (im Roten) aufgrund der Anwesenheit der Eu-Atome. Da das Material für diese Wellenlän ge im wesentlichen transparent ist, werden die Photonen durch die Elemente 23 übertragen, wie durch den Pfad 30 eines spe ziellen Szintillationsphotons gezeigt. Dieses Photon wird auf grund des Abschnittes 25 am weiten Ende 12 reflektiert. Die Reflektion findet dann aufgrund der Reflektionseinrichtung 24 an den breiten Schlitzen 22 statt. Trifft der Pfad 30 auf die Rillen 20, dann findet, obwohl dies nicht besonders darge stellt ist, eine ähnliche Reflektion statt. Schließlich trifft der Pfad 30 auf den aktiven Bereich 26. Da die Einrichtung 18 vorzugsweise aus Silizium besteht, ist sie für Licht dieser Wellenlänge besonders empfindlich und liefert ein elektrisches Signal aufgrund des auftreffenden Photons. Die durch die Re flektionseinrichtung 24 verursachten Reflexionen vermindern die Überkreuz-Beeinflussung zwischen Elementen 23, wie dies auch der schmale Bereich der engen Enden 16 tut, und dies führt zu einem klareren Bild und einer höheren Wirksamkeit. Im besonderen gibt es eine höhere Modulations-Übertragungs funktion, da der Füllfaktor der Bildebene des Detektors 18 nahezu 100 beträgt. Außerdem hilft die Tatsache, daß die Schal tung 18 durch direkten Kontakt optisch mit der Platte 10 ge koppelt ist, auch dabei die Wirksamkeit hochzuhalten.

In einer zweiten Ausführungsform der Platte 10 der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, haben die weiten Rillen 22 eine rechteckige Gestalt. Solche Rillen 22 können mittels einer brei ten flachflächigen Säge hergestellt werden. Es können allgemein auch andere Gestalten für die Rillen 22 benutzt werden. Die Rillen 20 und 22 werden gefüllt und die weiten Enden 12 mit der reflektierenden Einrichtung 24 bedeckt, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Fall war.

Fig. 4(a) zeigt die Ausführungsform der Platte 10 der Fig. 3, bei der Photodetektor 18 direkt auf die schmalen Enden 16 montiert ist und die daher ähnlich den Fig. 1 und 2 ist. Ein mögli ches Problem bei der direkten Montage gemäß den Fig. 1, 2 und 4(a) besteht darin, daß das zum Montieren des Detektors 18 auf der Platte 10 benutzte Klebmittel eine Lichtstreuung ver ursachen kann, die zu einer optischen Überkreuz-Wechselwirkung zwischen den Elementen 23 führt.

Die Fig. 4(b) und (c) zeigen Anordnungen, um eine solche Überkreuz-Wechselwirkung zu vermindern. In Fig. 4(b) liegen die Enden 12 noch immer den Röntgenstrahlen 14 gegenüber. Der Detektor 18 ist jedoch nicht länger direkt auf der Platte 10 montiert, sondern entfernt davon angeordnet. Eine Doppelkonvex linse (es können auch andere Arten benutzt werden) 32 fokus siert Licht von jedem der engen Enden 16 auf den Detektor 18 (es sind nur Lichtstrahlpfade 34 von dreien der Enden 16 ge zeigt, um die Darstellung übersichtlich zu halten).

Fig. 4(c) zeigt eine umgekehrte Anordnung, d. h. die schmalen Enden 16 stehen den auftreffenden Röntgenstrahlen 14 gegen über und die weiten Enden 12 der Linse 32 und dem Detektor 18. Die reflektierende Einrichtung 24 bedeckt die engen Enden 16. Diese Ausführungsform wird dazu benutzt, energiereiche Rönt genstrahlen nachzuweisen, z. B. solche mit mehr als 150 KeV, die leicht den Abschnitt 25 der reflektierenden Einrichtung 24, die sich auf den engen Enden 16 befindet, und auch den Teil durchdringen, der sich zwischen den Enden 16 in den Ril len 22 befindet. Da der größte Teil der Szintillation nahe den weiten Enden 12 stattfindet, und da die weiten Enden 12 eine dem Detektor 18 gegenüberliegende große Fläche aufweisen, ist die Wirksamkeit weiter erhöht. Bei der Anordnung der Fig. 4(c) kann der Detektor 18 auch direkt auf den weiten Enden 12 montiert sein.

Wenn erwünscht, können bei den Ausführungsformen der Fig. 4(b) und (c) nicht dargestellte Lichtleitfasern statt der Linse 32 benutzt werden, um Licht von den engen Enden 16 op tisch zum Detektor 18 zu koppeln, um die Wirksamkeit zu er höhen. Bei den Ausführungsformen der Fig. 4(b) und (c) kön nen die Rillen 24 auch abgerundet sein, wie am besten in Fig. 1 gezeigt.

Fig. 5 zeigt detaillierter, wie die Ausführungsform der Fig. 4(c) aufgebaut sein könnte. Die Platte 10 ist außerhalb einer Umhüllung 36 angeordnet. Lichtstrahlpfade 34 treten durch die Öffnung 37 in der Umhüllung 36 und treffen auf eine kollimierende Linse 40 und dann auf einen diagonal montierten Spiegel 38. Die Linse 40 muß nicht vorhanden sein, wenn die Platte 10 in geeigneter Weise angeordnet ist und der Spiegel 38 ein ausreichend großes Gesichtsfeld umspannt. Vom Spiegel 38 kommendes Licht wird durch eine Linse 32 auf den Detektor 18 fokussiert, der in bekannter Weise gekühlt werden kann, z. B. mittels flüssigem Stickstoff, dem Peltier-Effekt usw. Die vom Detektor 18 erzeugten Signale werden an eine Vor verstärkungs- und Pufferschaltung 42 gelegt. Eine Abschir mungseinrichtung 44, z. B. Blei, Wolfram usw., schirmt Detek tor 18 und Schaltung 42 von Streustrahlung 94 ab. Die Schaltung 42 erzeugt ein gesammeltes Analog-Ausgangssignal für einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler. Der Wandlerausgang wird an ein nicht dargestelltes Sichtgerät gelegt.

Claims

1. Detektor für einen ersten Strahlungstyp umfassend:
eine Vielzahl von Einrichtungen, die in einer mosaikartigen Weise angeordnet sind, zum Emittieren einer zweiten Strah lungsart bei Auftreffen der ersten Strahlungsart, wobei jede der Einrichtungen weite und schmale Enden aufweist und eines der Enden zur Aufnahme der auftreffenden ersten Strahlungs art ausgebildet ist,
Einrichtungen zum Reflektieren der zweiten Strahlungsart, die zwischen der genannten Vielzahl von Einrichtungen ange ordnet ist und Einrichtungen zur Schaffung eines Signals aufgrund der zweiten Strahlungsart, die optisch mit dem übri gen der genannten Enden gekoppelt ist.

2. Detektor nach Anspruch 1, worin die erste Strahlungsart Röntgenstrahlen und die zweite Strahlungsart sichbares Licht umfaßt.

3. Detektor nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von Einrich tungen ein szintillierendes Material umfaßt.

4. Detektor nach Anspruch 1, worin die emittierende Einrichtung ein gesintertes keramisches Oxid Seltener Erden umfaßt.

5. Detektor nach Anspruch 4, worin das Oxid einen Y:Gd-Röntgen strahlenabsorber umfaßt.

6. Detektor nach Anspruch 5, worin der Absorber zwischen etwa 20 bis 50 Mol-% Gd₂O₃, Zwischen etwa 1 und 6 Mol-% Eu₂O₃ Rest Y₂O₃ umfaßt.

7. Detektor nach Anspruch 6, worin der Absorber etwa 30 Mol-% Gd₂O₃, etwa 3 Mol-% Eu₂O₃ und etwa 67 Mol-% Y₂O₃ umfaßt.

8. Detektor nach Anspruch 7, worin der Absorber weiter etwa 0,02 Mol-% Pr₂O₃ umfaßt.

9. Detektor nach Anspruch 1, worin die emittierende Einrichtung eine B-Verbindung umfaßt.

10. Detektor nach Anspruch 9, worin die genannte Verbindung BGdO umfaßt.

11. Detektor nach Anspruch 1, worin die reflektierende Einrich tung TiO₂ umfaßt.

12. Detektor nach Anspruch 1, worin die Signaleinrichtung di rekt mit dem verbleibenden Ende in Berührung steht.

13. Detektor nach Anspruch 1, worin das genannte eine Ende bzw. das genannte übrige Ende die weiten und schmalen Endungen um fassen.

14. Detektor nach Anspruch 1, worin das genannte übrige Ende bzw. das genannte eine Ende die genannten weiten und schmalen Enden umfaßt.

15. Detektor nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Linsenein richtung zur optischen Kopplung zwischen der Signaleinrich tung und dem verbleibenden Ende.

16. Detektor nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Umhüllung mit einer Öffnung, wobei die Vielzahl von Einrichtungen außerhalb der Umhüllung innerhalb der Öffnung angeordnet ist, die Signaleinrichtung sich innerhalb der Umhüllung befindet und eine Einrichtung zum Abschirmen der Signaleinrichtung außerhalb der und auf der Umhüllung angeordnet ist.

17. Detektor nach Anspruch 1, worin die reflektierende Ein richtung ebenfalls auf den genannten einen Enden angeord net ist.

18. Detektor für eine erste Strahlungsart, umfassend: eine Vielzahl von Einrichtungen, die in einer mosaikartigen Weise angeordnet ist, zum Emittieren einer zweiten Strah lungsart aufgrund auftreffender erster Strahlungsart, wo bei jede der Einrichtungen weite und schmale Enden hat, und die schmalen Enden zur Aufnahme der auftreffenden ersten Strah lungsart ausgebildet sind und eine Detektoreinrichtung zur Schaffung eines Signals aufgrund der zweiten Strahlungsart, wobei die Detektoreinrichtung optisch mit den weiten Enden gekoppelt ist.

19. Detektor nach Anspruch 18, weiter umfassend eine Einrich tung zum Reflektieren der zweiten Strahlungsart, die zwi schen der Vielzahl von Einrichtungen angeordnet ist.

20. Detektor nach Anspruch 19, worin die reflektierende Ein richtung auch auf den schmalen Enden angeordnet ist.

21. Detektor nach Anspruch 19, worin die reflektierende Ein richtung TiO₂ umfaßt.

22. Detektor nach Anspruch 18, worin die emittierende Ein richtung ein gesintertes Keramikoxid Seltener Erden umfaßt.

23. Szintillationsdetektor umfassend eine Platte aus Szin tillationsmaterial mit erster und zweiter Seite, einer Vielzahl von engen Rillen, die sich von der ersten Seite aus erstreckt und einer Vielzahl von weiten Rillen, die sich von der zweiten Seite erstreckt und jeweils mit den ersten Rillen in Verbindung steht.

24. Verfahren zum Herstellen eines Szintillationsdetektors umfassend: erstes Herstellen einer Vielzahl weiter Rillen auf einer ersten Seite einer Platte aus Szintillationsmaterial und dann Herstellen einer Vielzahl enger Rillen auf einer zwei ten Seite der Platte, die jeweils mit der Vielzahl weiter Rillen in Verbindung stehen.