Sägevorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines in Szin- tillatorelemente strukturierten Szintillators sowie Szintil- lator mit Szintillatorelementen

Die Erfindung betrifft eine Sägevorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines in Szintillatorelemente strukturierten Szintillators sowie einen in Szintillatorelemente struktu- rierten Szintillator .

Die bei Computertomographiegeräten eingesetzten Strahlendetektoren dienen zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in elektrische Signale, die den Ausgangspunkt für eine Bildrekon- struktion bilden. Derzeit werden sogenannte indirekt konvertierende Strahlendetektoren eingesetzt. Die Konvertierung der Röntgenstrahlen erfolgt hierbei in zwei Stufen. In einer ersten Stufe werden die Röntgenstrahlen mittels eines Szintilla ^¬ tors absorbiert und in optisch sichtbare Lichtimpulse umge- wandelt. Die Umsetzung der Lichtimpulse in die elektrischen

Signale erfolgt anschließend in einer zweiten Stufe durch ein mit dem Szintillator optisch gekoppeltes Photodiodenarray .

Der Szintillator ist zur Erzielung einer gewissen Ortsauflö- sung pixelartig in einzelne Szintillatorelemente struktu ^¬ riert. Als Szintillatormaterial wird üblicherweise eine Szin- tillatorkeramik, beispielsweise mit einer der folgenden Verbindungen eingesetzt: Gd ₂ <0 ₂ S : Pr/Ce, (Y, Gd) 2O ₃ : Eu, (Lu _x T- b _y ) ₃ AI ₅ O ₁ 2 : Ce, CsI:TI, CsI:Na und CdW0 ₄ . Die Strukturierung er- folgt bekanntermaßen durch Schlitzen des Szintillatormateri- als mit einer Sägevorrichtung, welche ein rotierendes Säge ^¬ blatt aufweist. Das Sägeblatt und das Szintillatormaterial werden während des Sägevorgangs üblicherweise durch Wasserzu ^¬ fuhr in den Schlitz an der Sägeposition gekühlt. Darüber hin- aus werden durch das Wasser auch die entstehenden Sägeabfälle abtransportiert . Die zur Separierung der Szintillatorelemente benötigten

Schnitttiefen sind mit den bislang bekannten Sägevorrichtungen jedoch nur schwer realisierbar. Bei großen Sägetiefen entstehenden nämlich hohe Prozesskräfte, die einen Kantenab- bruch verursachen können. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass die beim Sägen entstehenden Mengen an Sägeabfällen nicht ausreichend abtransportiert werden können. Dies kann eine Unwucht in der Rotation des Sägeblatts und somit Schwankungen in der Toleranz der Sägegenauigkeit verursachen. Darüber hinaus besteht die Gefahr einer Überhitzung des Sägeblatts durch die vorhandenen Reibungskräfte zwischen dem Sägeblatt und dem Szintillatormaterial . Die führt wiederum zu einer signifikanten Verringerung der Lebensdauer des Sägeblatts .

Zur Vermeidung dieser Nachteile werden die benötigten

Schnitttiefen bekanntermaßen in einem zweistufigen Sägeverfahren, dem sogenannten Step-Cut-Verfahren, hergestellt. In einer ersten Stufe erfolgt das Sägen der Schlitze zunächst nur bis zur halben benötigten Schnitttiefe. Erst in dem darauffolgenden zweiten Schritt werden die Schlitze auf die end ^¬ gültige Zieltiefe gesägt.

Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an zukünftige Strahlendetektoren hinsichtlich erzielbarer Ortsauflösung ist es notwendig, kleinere Pixel bzw. kleinere Szintillatorele ^¬ mente herzustellen. Bei einer Verkleinerung der Pixel müssen zwangsläufig aber auch im gleichen Maße die Septenbreiten und somit die in das Szintillatormaterial eingebrachten Schlitze in ihrer Breite verkleinert werden, damit jedes Pixel noch eine hinreichend große aktive Pixelfläche zur Wandlung ein ^¬ treffender Strahlenquanten aufweist. Dies ist umso wichtiger, da der durch die Elektronik gleichbleibend hohe Rauschanteil bei einer Verkleinerung der aktiven Pixelfläche insgesamt zu einer Reduzierung des Signal-zu-Rauschverhältnisses führt.

Aufgrund dieser Randbedingungen müssen Schlitze in einer Größenordnung zwischen 50 μιη bis 100 μιη in das Szintillatormate ^¬ rial eingebracht werden. Durch die Verwendung von entspre- chend dünnen Sägeblättern bei Schlitzbreiten in dieser Größenordnung muss zur Vermeidung einer Überhitzung und zur Gewährleistung eines Abtransports der Sägeabfälle die Prozess ^¬ bzw. Vorschubgeschwindigkeit entsprechend reduziert werden. Demzufolge gestaltet sich das Sägen von Schlitzen sehr zeit- und damit auch kostenaufwendig.

Ausgehend davon soll eine Sägevorrichtung bereitgestellt wer ^¬ den, mit welcher eine Herstellung eines in Szintillatorele- mente strukturierten Szintillators mit hoher Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Schlitzgenauigkeit möglich ist. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Herstellverfahren für einen solchen Szintillator, sowie ein Szintillator mit den durch das Herstellverfahren erzielten Eigenschaften ange- geben werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Sägevorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstel ^¬ lung eines in Szintillatorelemente strukturierten Szintilla- tors gemäß dem nebengeordneten Anspruch 6 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch einen Szintillator gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterge ^¬ staltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Erfinder haben erkannt, dass sich das Konzept von bereits bekannten Fräsmaschinen aus einem von der Medizintechnik entfernten Technologiebereich des 3D-Wergzeug- und Formenbaus, bei welchen zur Erzielung hoher Zerspanleistungen ein rotierender Diamantfräskopf in Längsrichtung in eine Schwingung im Ultraschallbereich versetzt wird, auf eine Sägevorrichtung mit einem rotierbar angeordneten Sägeblatt zur Herstellung eines Szintillators mit überraschend guten Resultaten über ^¬ tragen lässt. Die Sägevorrichtung zur Herstellung eines in Szintillatorelemente strukturierten Szintillators für einen Strahlendetektor umfasst dabei erfindungsgemäß ein rotierbar gelagertes Säge ^¬ blatt und ein Oszilliermittel zur kinematischen Beaufschla- gung des Sägeblatts mit einer Schwingung im Ultraschall- Frequenzbereich. Hierdurch wird eine kinematische Überlage ^¬ rung von Rotation und einer zusätzlichen Oszillation im Ultraschall-Frequenzbereich während der Durchführung eines Säge- prozesses ermöglicht.

Das zur Kühlung in den Sägeschlitz eingebrachte Fluid, welches üblicherweise Wasser ist, wird durch die zusätzliche schwingende Bewegung des Sägeblatts periodisch an die

Schnittstelle hin- und wegbefördert. Der Durchsatz des Fluids im Bereich der Schnittstelle ist damit erhöht.

Daraus resultiert eine pro Zeiteinheit höhere Wärmeabfuhr von dem Sägeblatt und dem Szintillatormaterial . Dies ist wiederum mit einer Verbesserung der Haltbarkeit bzw. Verlängerung der Lebensdauer des Sägeblattes verbunden.

Eine verbesserte Zirkulation bzw. ein höherer Durchsatz des Fluids führt zudem zu einer Steigerung der pro Zeiteinheit abtransportierten Menge an Sägeabfällen. Durch die verbesserte Spanabfuhr werden Unwuchten oder Unregelmäßigkeiten im Rotationslauf des Sägeblatts reduziert. Als Konsequenz daraus, lassen sich die geforderten Sägetoleranzen besser einhalten. Darüber hinaus sind die Prozesskräfte während des Schneide ^¬ vorgangs herabgesetzt. Tiefenbeschädigungen im Szintillatormaterial durch Mikrorissbildung und Kantenausbrüche im Übergangsbereich zwischen aktiver Pixelfläche und Schnittwand werden daher weitgehend vermieden.

Durch die verbesserte Wärme- und Spanabfuhr und die Verringe ^¬ rung der während des Sägens vorhandenen Prozesskräfte kann der Schnitt bei gleichbleibender Qualität der erzeugten

Struktur von Szintillatorelementen mit einer im Vergleich zu den bekannten Sägevorrichtungen höheren Vorschubgeschwindigkeit ausgeführt werden. Auf das zeitaufwendige zweistufige Step-Cut-Verfahren kann außerdem verzichtet werden. Die ge- forderte Endtiefe des Schnittes ist durch diese Verbesserun ^¬ gen mit einem einzigen Sägeschritt realisierbar.

Hierdurch werden die Bearbeitungszeiten zur Strukturierung des Szintillators in einem erheblichen Maße reduziert. Mit der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung wird somit ein besonders ökonomischer Prozess zur Fertigung eines pixellierten Szintillator-Arrays mit dünnen Septen möglich. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Oszilliermittel zur Beaufschlagung der Schwingung in einer axialen Richtung des Sägeblatts konfiguriert. Unter axialer Richtung wird in diesem Zusammenhang die Richtung derjenigen Achse verstanden, auf die das Sägeblatt rotierbar montiert ist. Durch die schwingende Bewegung des Sägeblattes quer zum Schnittverlauf wird das zur Kühlung eingesetzte Fluid in sehr effektiver Weise abwechselnd bei von der Schnittwand wegfüh ^¬ render Bewegung des Sägeblatts in den entstehenden Spalt gesaugt und anschließend bei zu der Schnittwand hinführenden Bewegung wieder aus dem Spalt herausgedrückt.

Anstelle oder in Kombination zu dieser Schwingung ist das Oszilliermittel zur Beaufschlagung der Schwingung in einer radialen Richtung des Sägeblatts konfiguriert. Idealerweise handelt es sich bei der radialen Richtung um die Vorschub ^¬ richtung, in die der Schnitt durchgeführt wird. Aus einer solchen Schwingung resultiert insbesondere ein hoher Materialabtrag, so dass bei gleichzeitig geringen Prozesskräften die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Oszilliermittel zur Beaufschlagung der Schwingung mit einer Amplitude in einem Bereich zwischen 1 μ bis 10 μιη konfiguriert. In diesem Amplitudenbereich erhält man für die auszuführenden Schnitte zur Strukturierung eines Szintillators einen optimalen Fluidaustausch und einen optimalen Abtransport der Sägeabfälle. Das Oszilliermittel ist zur Anregung der Schwingung in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels elektrischer Induktion konfiguriert. Dies ermöglicht eine be ^¬ rührungslose und besonders präzise Anregung von Schwingungen des Sägeblatts im Ultraschall-Frequenzbereich.

Zur Erzielung von schmalen Septen für einen Strahlendetektor mit erhöhter Ortsauflösung weist das Sägeblatt vorteilhaft eine Breite in einem Bereich von 50 μιη bis 200 μιη auf.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines in Szintillatorelemente strukturierten Szintillators für einen Strahlendetektor, bei dem die Szintillatorelemente aus einem Szintillatormaterial mit einem ro- tierenden Sägeblatt durch Schlitzen ausgebildet werden, wobei während des Schlitzens das Sägeblatt zusätzlich mit einer Schwingung im Ultraschall-Frequenzbereich kinematisch beaufschlagt wird. Hierzu wird in einer ersten vorteilhaften Variante mit den bereits genannten Vorteilen die Schwingung in einer axialen und/oder in einer radialer Richtung des Sägeblattes beaufschlagt. Darüber hinaus wird vorzugsweise eine Schwingung mit einer Amplitude in einem Bereich zwischen 1 μ bis 10 μιη erzeugt, wobei die Schwingung durch elektrische In ^¬ duktion auf das Sägeblatt übertragen wird. Vorzugsweise wird ein Sägeblatt mit einer Breite in einem Bereich von 50 μιη bis 200 μιη verwendet. Als Szintillatormaterial wird dabei vor ^¬ teilhaft eine Szintillatorkeramik eines Seltenerden-Oxisul- fids verwendet. Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Szintillator für einen Strahlendetektor, welcher in Szintillatorelemente strukturiert ist, wobei die Szintillatorelemente durch das zuvor beschriebene Herstellverfahren ausgebildet sind. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei ^¬ spielen und anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen : FIG 1 in teils perspektivischer, teils blockschaltartiger Darstellung ein Computertomographiesystem mit einem erfindungsgemäßen Szintillator,

FIG 2 in Schnittrichtung eine erfindungsgemäße Sägevorrichtung, und

FIG 3 ein Verfahren zur Herstellung des Szintillators . In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur ist jeweils nur ein Element aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu, wobei Maßstäbe zwischen den Figuren variieren können.

In der Figur 1 ist in zum Teil perspektivischer und zum Teil blockschaltartiger Sicht ein Computertomographiegerät 7 dar- gestellt. Das Computertomographiegerät 7 umfasst einen nicht dargestellten Patiententisch zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten 8. Es umfasst ferner eine nicht dargestell ^¬ te Gantry mit einem um eine Systemachse 9 drehbar gelagerten Aufnahmesystem 10, 3. Das Aufnahmesystem 10, 3 weist eine Röntgenröhre 10 und einen ihr gegenüberliegend angeordneten

Strahlendetektor 3 auf, so dass eine im Betrieb von dem Fokus 11 der Röntgenröhre 10 ausgehende Röntgenstrahlung durch den Patienten 8 tritt und auf den Strahlendetektor 3 trifft. Der Strahlungsdetektor 3 zur ortsaufgelösten Erfassung der Rönt- genstrahlen ist in Pixel 12 untergliedert, wobei Pixelgruppen jeweils in φ-Richtung aufgereihte, in fett eingezeichneter Linie Strahlendetektormodule 13 bilden.

Der Strahlendetektor 3 weist zur Konvertierung der Röntgen- strahlen in optisch sichtbares Licht einen Szintillator 2 auf, welcher entsprechend der Pixelstruktur in einzelne Szin- tillatorelemente 1 untergliedert ist. Dabei werden die Szin- tillatorelemente 1 durch Schlitze voneinander räumlich ge ^¬ trennt, wobei die Schlitze mittels einer in der Figur 2 näher beschriebenen Sägevorrichtung 4 hergestellt werden. Als Szin- tillatormaterial wird üblicherweise eine Szintillatorkeramik, beispielsweise mit einer der folgenden Verbindungen eingesetzt, die sich besonders gut durch Sägen verarbeiten lässt: Gd ₂ 0 ₂ S : Pr/Ce, (Y, Gd) ₂ 0 ₃ : Eu, (Lu _x Tb _y ) 3AI5O ₁ 2 : Ce, CsI:TI, CsI:Na und CdWC>4. Zur optischen Trennung der Szintillatorelemente 1 sind die auch als Septen 14 bezeichneten Schlitze mit einem reflektierenden und/oder röntgenstrahlenabsorbierenden Material verfüllt. Hierdurch sollen insbesondere ein optisches Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln 12 und eine dadurch verursachte Beeinträchtigung der Ortsauflösung vermieden werden. Die Septen 14 weisen eine Breite in einem Bereich von 50 bis 200, in diesem Ausführungsbeispiel eine Breite von ca.

50 μιη auf. Die aktive Pixelfläche ist typischerweise kleiner 1,5 mm x 1,5 mm, in diesem Ausführungsbeispiel ca.

1 μιη x 1 μιη groß. Der Strahlendetektor 3 weist damit eine im Vergleich zu den bei Computertomographiegeräten 7 bislang eingesetzten Strahlendetektoren signifikant höhere Ortsauflösung bei gleichzeitig hoher Quanteneffizienz auf.

Der Szintillator 2 ist mit einem in entsprechender Weise strukturierten Photodiodenarray 15 optisch gekoppelt. Das Photodiodenarray 15 dient zur Wandlung der Lichtimpulse in elektrische Signale. Die daraus abgeleiteten Schwächungswerte werden als Rohdaten an eine Recheneinheit 16 zur weiteren Bearbeitung weitergeleitet. Die aus den Rohdaten rekonstruierten Bilder sind auf einer Anzeigeeinheit 17 darstellbar.

Die Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Sägevorrichtung 4 aus einer Sicht, die in Schnittrichtung verläuft. Die Sägevorrichtung 4 weist ein Sägeblatt 5 auf, welches auf einer Achse 18 rotierbar gelagert ist. Das Sägeblatt 5 kann mittels einer Antriebsvorrichtung 19 in Rotation versetzt werden. In diesem Ausführungsbeispiels ist die Antriebsvorrichtung 19 als Line ^¬ arantrieb ausgestaltet und unmittelbar mit der Achse 18 me ^¬ chanisch gekoppelt. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass zwischen der Achse 18 und der Antriebsvorrichtung 19 kein Getriebe angeordnet sein muss. Somit sind weniger mecha ^¬ nische Bauteile erforderlich und es entsteht ein geringerer mechanischer Verschleiß. Die Sägevorrichtung 4 umfasst ferner ein Oszilliermittel 6, mit welchem das Sägeblatt 5 während der Rotation zusätzlich mit einer Schwingung im Ultraschall- Hochfrequenzbereich beaufschlagt werden kann. Der zum Strukturieren des Szintillators 2 verwendete Frequenzbereich liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 16,5 kHz und

30,5 kHz bei einer Schwingungsamplitude zwischen 1 ym und

10 μιη. Das Oszilliermittel 6 ist in zwei Oszilliereinheiten 20, 21 untergliedert. Die erste Oszilliereinheit 20 dient da ^¬ bei zur Erzeugung einer Schwingung in axialer Richtung, also in Längsrichtung der Achse 18, auf die das Sägeblatt 5 mon- tiert ist. Die zweite Oszilliereinheit 21 dient zur Erzeugung einer Schwingung senkrecht dazu, also in radialer Richtung des Sägeblatts 5. Idealerweise wird die Richtung so gewählt, dass die Schwingung in Richtung der Schnittrichtung erfolgt. Die Anregung der Schwingung erfolgt jeweils berührungslos mittels elektrischer Induktion. Auf der Achse 18 sind hierzu beispielsweise Permanentmagnete 22, 23 angeordnet, welche mit jeweils gegenüberliegend angeordneten Spulen 24, 25 wechsel ^¬ wirken. Je nach gewählter Betriebsart kann lediglich eine der beiden Schwingungen oder können beide Schwingungen in Kombi- nation oder im Wechsel erzeugt werden. Die Sägevorrichtung 4 weist darüber hinaus auch eine Kühlvorrichtung 26 auf, mit der ein Fluid, in diesem Fall Wasser, an die Schnittstelle während des Schneidevorgangs abgegeben werden kann. Neben der Kühlung wird durch das Fluid auch ein Abtransport der Sägeab- fälle bewirkt. Das Oszilliermittel 6, die Antriebsvorrichtung 19 und die Kühlvorrichtung 26 sind mit einer Steuereinheit 27 elektrisch verbunden, die durch Abgabe von Signalen den Ablauf des Sägeprozesses steuert. Die Figur 3 zeigt beispielhaft einen Ablauf des erfindungsge ^¬ mäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt erfolgt die Initia ^¬ lisierung 28 des Sägeprozesses. Hierbei werden Prozessparame ^¬ ter, beispielsweise Schnitttiefe, Schnittbreite, Vorschubsge- schwindigkeit und Szintillatormaterial, von einem Benutzer vorgegeben. Auf der Grundlage zumindest einiger dieser Prozessparameter werden Frequenz und Amplitude der jeweiligen Ultraschall-Schwingung sowie Rotationsgeschwindigkeit des Sä- geblattes in automatisierter oder in vom Benutzer eingebbarer Form ausgewählt.

Nach der Initialisierung 28 erfolgt die Ausführung 29 des Sägeprozesses. Die Ausführung 29 des Sägeprozesses wird dabei in automatisierter Form in Abhängigkeit von Sensordaten überwacht und gesteuert. Dabei werden die folgenden Verfahrens ^¬ schritte zyklisch durchlaufen: In einem ersten Schritt 30 werden die Sensordaten aus den zur Überwachung des Sägeprozesses in der Sägevorrichtung 4 angeordneten Sensoren ausge- lesen. Dies können beispielsweise Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur des Sägeblattes 5 aber auch Kraftsensoren zur Erfassung der Prozesskräfte in Vorschubrichtung sein. In einem zweiten Schritt 31 werden die Sensordaten ausgewertet und Steuersignale generiert. Die Steuersignale kön- nen beispielsweise Signale zur Anpassung der Vorschubge ^¬ schwindigkeit, der Rotationsgeschwindigkeit des Sägeblatts, der Frequenz und Amplitude des Ultraschall-Schwingung oder der Abgabemenge des Fluids sein. In einem dritten Schritt 32 werden die Steuersignale an die zu steuernden Komponenten, wie Antriebseinheit 19, Oszilliermittel 6 und Kühlvorrichtung 26 übertragen.

Zusammenfassend kann gesagt werden: Die Erfindung betrifft eine Sägevorrichtung 4 zur Herstellung eines in Szintillatorelemente 1 strukturierten Szintillators 2 für einen Strahlendetektor 3. Sie umfasst ferner ein rotierbar gelagertes Sägeblatt 5 und ein Oszilliermittel 6 zur kinematischen Beaufschlagung des Sägeblatts mit einer Schwin- gung im Ultraschall-Frequenzbereich. Durch die zusätzliche

Schwingung des Sägeblatts 5 kann eine bessere Kühlung des Sä ^¬ geblatts 5 und eine bessere Abfuhr von Sägeabfällen erzielt werden. Dies bietet den Vorteil höher realisierbarer Vor- Schubsgeschwindigkeiten und einer längeren Haltbarkeit des Sägeblatts 5. Darüber hinaus können tiefe Schnitte im Szin- tillatormaterial in einem einzigen Schneideprozess bei gleichzeitig reduziertem Kantenausbruch und somit bei gerin- gern Ausschuss durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft au ^¬ ßerdem ein solches Verfahren zur Herstellung des in Szintil- latorelemente 1 strukturierten Szintillators 2 und einen ent ^¬ sprechend strukturierten Szintillator 2.