Szintillatorelement sowie Festkörperstrahlungsdetektor mit solchem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Szintillatorelement zur Umwandlung von hochenergetischer Strahlung oder geladenen Teilchen in niederenergetische Strahlung.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Schicht derart ausgewählt, daß die hochenergetische Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung in sichtbares oder ultraviolettes Licht umgewandelt wird.

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 M _x N _y SiO ₅ , 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.

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.

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.

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.

Eine einkristalline aktive Schicht hat eine hohe optische Qualität und kann im allgemeinen für Auflösungen bis unter 1 μm verwendet werden.

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 (PbMoO ₄ ) bei Temperaturen über 1000 ⁰ C gelöst werden. Das Aufbringen der aktiven Schicht auf das Substrat wird dann durch Eintauchen des Substrates in die Lösung bei geeigneter Temperatur gestartet.

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.

Typischerweise hat die aktive Schicht eine Dicke zwischen 0,001 und 0,5 mm.

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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 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.

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.

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.

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.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß auf der aktiven Schicht und/oder der passiven Trägerschicht eine reflexionsvermindemde Schicht aufgebracht ist.

Durch diese Maßnahme werden Lichtreflexe weiter verringert. Die Beschichtung kann ein- oder beidseitig erfolgen. Beispielsweise kann eine materialangepaßte, sehr dünne dielektrische Schicht aus MgF ₂ , TaO ₂ , SiO ₂ aufgedampft werden, wodurch der Reflexionsgrad der Oberflächen von circa

8% auf unter 0,1 % gesenkt werden kann. Vorzugsweise wird die reflexionsvermindemde Schicht auf die Trägerschicht an der der aktiven Schicht abgewandten Seite aufgebracht.

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:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Szintillatorelementes,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Szintillatorelementes,

Figur 3 eine Prinzipskizze, die die Reflexionsverhältnisse ohne und mit Strukturierung verdeutlicht, und

Figur 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor.

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 - Y ₂ SiO ₅ ) dient als Träger für die dünne aktive Schicht aus LSO(Lutetium-Oxoorthosilikat - L^SiO ₅ ), 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.

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.

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.

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.

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.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird YbSO (Ytterbium-Oxoorthosilikat - Yb ₂ SiO ₅ ) als Trägerschicht oder aktive Schicht verwendet.