SE513536C2 - Arrangemang för en röntgenbildpunktsdetektoranordning samt anordning vid ett röntgenavbildningsarrangemang - Google Patents

Description

r 5132536 < tillämpningen och med materialen använda som scintillatorer år primär växelverkan allmänt fotoelektrisk absorption. Comptonspridning och andra händelser är mindre sannolika att uppträda.

Ljuset som genererats i scíntillatom projiceras mot sensorn med en flåckstorlek som är proportionell mot avståndet mellan punkten för växelverkan och läget för absorptionen i sensorn. Projektionen påverkas också av brytningsindex för materialen som strålen kommer att passera. För en typisk kombination av scintillator och CCD, skall scintillatortjockleken vara mindre än 100 pm för att uppnå den rumsliga upplösning som krävs för dental röntgenavbildning.

En föreslagen metod för att förbättra den rumsliga upplösningen för tjocka scintillerande skikt skulle vara att definiera bildpunkter i scintillator-n och säkerställa att ljuset genererat i en bildpunkt i scintillatorn innesluts i denna punkt. Bíldpunktsdefinition i scintillatorer kan göras på ett antal sätt, t.ex. odling av seintillatorkristallkolonner eller spåretsning i scintillerande filmer.

Metoden med odling av seintillatorkristallkolonner är vål känd. Den har under många år används för att odla Csl. Dokumentet WO 93 / 03496 visar till exempel odling av separata kolonner i olika scintillatorer. Nackdelen med tekniken för odling av separerade kolonner är att kolonnerna tenderar att för tjocka skikt växa ihop och att ljus kommer att läcka till närliggande kolonner. Det år svårt att inkorporera en ljusreflektor mellan kolonnema.

Etsning av spår i scintillerande material betraktas vara extremt svårt beroende på de höga djup-breddförhållandena som krävs av tillämpningen.

Med en bildpunktsstorlek av 50 pm och en tillåten ytiörlust mindre än 20% skulle spårbredden behöva vara mindre än 5 pm. Om filmtjockleken är 200 pm blir djup-breddförhållandet 40. Detta djup-breddförhållande kan inte uppnås för närvarande ens för kisel och etsningstekniker för scintillerande material är långt mindre utvecklade. 513 536 < -1 D Därför fmns det fortfarande ett önskemål om att utveckla en anordning som skall kunna vara istånd att hantera tjocka scintillerande material, men med en bibehållen upplösning som motsvarar den individuella bildpunkts- storleken.

SAMMANFATTNING Syftet med den föreliggande uppfinningen är att konstruera en bildpunkts- detektor för röntgen, dvs. en avbildningsdetektor för röntgenfotoner som uppvisar hög verkningsgrad kombinerat med hög upplösning för att erhålla en detektor med hög bildkvalitet medan samtidigt röntgendosen som krävs minimeras. Tillämpningen är speciellt viktig närhelst absorptionslängden för röntgenfotoner är mycket längre än den krävda bildpunktsstorleken.

I ett arrangemang i enlighet med den föreliggande uppfinningen föreslås en struktur baserad på ljusledning av sekundärt producerade scintillerande fotoner i en bildpunksdetektor i samband med, till exempel, en CCD eller en CMOS bildpunktsdetektor. Strukturen i enlighet med uppfinningen innefattar en matris som har djupa porer skapade genom tunna väggar som uppvisar en porseparation lämplig för bilddetektorn som används, och kan även inbegripa ett reflekterande skikt på matrisens väggar för att öka ljusledningen ned till bilddetektorchipet.

Arrangemanget i enlighet med den föreliggande uppfinningen definieras genom de bifogade oberoende patentkraven 1 och 4 och ytterligare utförings- former definieras av de beroende patentkraven 2 - 3, respektive 5 - 6.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfmningen, tillsammans med ytterligare syften och fördelar med denna kan bäst förstås genom att hänvisa till följande besln-ivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG. i: 513 536 '- 4 illustrerar en CCD-bildpunktsdetektor av kisel för direkt bestrål- ning med röntgen, illustrerar en bildpunktsdetektor liksom enligt FIG. l, men försedd med en tunn scintíllator för att öka dess verkningsgrad för röntgenstrålning, illustrerar en bildpunktsdetektor liksom enligt FIG. 1 försedd med en tjock scintillator för att ytterligare öka verkningsgraden för rönt- genstrålning men med förlust i form av försämrad upplösning, illustrerar en CCD bildpunktsdetektor som använder en tjock bildpunktsscintillator som befinner sig inuti porer utformade i ett matrismaterial i enlighet med den föreliggande uppfinningen för maximal känslighet och bibehållen upplösning, år en mer detaljerad vy av strukturen som består av porer för att öka verkningsgraden för en CCD-bildpunktsdetektor, är en förstoring av en del av en por som indikerar ett extra skikt av kiseloxid för att förbättra vâggens reflektionsegenskaper, är ett foto som visar en del av arrangemanget vid ytan, före fyllning med scintillerande material, vilket definierar separationsvâggar för porer, samt är ett foto som visar porer efter 200 pm etsning.

DETALJERAD BESKRIVNING Allmänna egenskaper De mest utvecklade etsningsteknikerna finns för kiselbearbetníng. I enlighet med den föreliggande tillämpningen skapas ett galler genom etsning av å s13 536 5" rektangulära hål i en kiselskiva. Hålen kan etsas till ett visst djup eller gå hela vågen genom skivan. Hålen fylls sedan med scintillerande material.

Prestationsförrnågan för en sådan anordning beror kraftigt på hur väl hålen år fyllda, scintillatorns genomskinlighet och reflektionsegenskaperna för väggarna i hålet.

Det föreliggande röntgenbildpunktsdetektorkonceptet jämförs för enkelhets skull med existerande teknologi demonstrerad i FIG. 1: Ett standard CCD- kiselarrangemang har en mycket låg verkningsgrad för röntgenfotodetektion, normalt av storleksordningen ett par procent. Detta beror på att intrång- ningsdjupet för röntgenfotoner, vid energier av storleksordningen 40 keV, är av storleksordningen 1 cm i kisel och alltså är delen som absorberas inom det aktiva CCD-skiktet liten.

Verkningsgraden kommer företrädesvis att ökas signifikant genom använd- ning av ett scintillerande material som emitterar ett stort antal synliga fotoner för varje absorberad röntgenfoton vilket indikerats i FIG. 2. Typiska absorptionslângder för röntgenfotoner, vid energier av storleksordningen 40 keV, är åtskilliga 100 pm. Som redan nämnts behövs ett skikt av storleksordningen 300 pm av Cysl för att absorbera ungefär 80% av röntgenfotonerna. Följaktligen kan nästan alla röntgenkvanta absorberas vid användning av tjocka scintillerande filmer, som indikerats i FIG. 3, vilket resulterar i en detektor med hög verkningsgrad. Emellertid blir upplösningen betydligt sämre eftersom scintillatorn ernitterar fotoner isotropt,i vilket resulterar i att näraliggande bildpunkter kommer även att detektera ett signifikant antal fotoner. En _ .alternativ väg är att använda en tunn scintillerande film (av ungefär samma tjocklek som en bildpunktsstorlek) såsom indikerats i FIG. 2, men på bekostnad av mycket lägre verlmingsgrad.

Slutligen visas i FIG. 4 uppfinningens koncept som resulterar i både hög verkningsgrad och hög upplösningl-lär används en tjock scintillator som har mönstrats till bildpunkter motsvarande storleken av bildpunkterna för f 5 13 5 3 6 6 bilddetektorn, t.ex. en CCD, på sådant sätt att scintillatorbildpunktema även tjänstgör som ljusledare som innesluter de ernitterade fotonerna inom samma bildelement. Alltså kan ingen överhörning ske mellan bildpunkterna och, beroende på bildpunktstjockleken (längd vinkelrätt mot CCD-ytan) kan upp till 100% av de inkommande röntgenfotonerna absorberas. För att emellertid uppnå en stor effektiv detektionsarea måste mellanrummen mellan bildpunkterna vara små, tex. för en typisk 44 pm bildpunktsstorlek resulterar ett 4 pm gap mellan bildpunkterna i ~82 % verkningsgrad beroende på den "döda arean" mellan bildpunkterna. För att minimera överhörning kan bildpunkterna givetvis överdras med ett reflekterande skikt eller också bör mediet emellan vara kraftigt absorberande.

Att tillverka bildpunktsceller av ett scintillerande material med en tjocklek av 300 pm och ett mellanrum på ungefär 4 pm är inte en lätt uppgift. Den före- liggande uppfinningen använder därför en kiselrnatris i vilken motsvarande porer har tillverkats och fyllts med ett scintillerande material. Tillverknings- teknologin inbegriper mer eller mindre standard kiseltillverkningsteknologier såsom djup reaktiv jonetsning (DRIE, Deep Reactive Ion Etching), oxidation och/ eller metallisering. En schematisk ritning av strukturen visas i FIG. 5, där 3 bildpunkter visas tillsammans med en närbild av väggstrukturen mellan närliggande bildpunkter demonstreras i FIG. 6. Väsentligen inne- håller strukturen tre olika material för att åstadkomma ljusledningseffekten vilka tillverkas i tur och ordning.

Kiselgorrnatris Kiselpormatrisen enligt den föreliggande tillämpningen kan tillverkas med användning av två olika tekniker: Djup reaktiv jonetsning (DRIE) eller elektrokemikalisk etsning. DRIE är nu en etablerad teknik och porer med flera hundra pm djup kan tillverkas. Det har konstaterats att det är möjligt att tillverka, till exempel, 40 x 40 pm kvadratfonnade porer med en väggtjocklek av 3 - 4 pm (representerande ~80 % aktiv area) och med ett djup av några hundra pm. Ett sådant mönster visas i FIG. 7. Porstrukturen realiseras genom konventionell litografi. FIG. 8 visar i ett fotografi porema å 51z?s36 efter 200 um etsning. En liknande struktur kan erhållas genom elektrokernisk etsning av kisel med utgångspunkt från porinitierande koner orda genom konventionell litografi och icke-isotrop etsning.

Reflektionsskikt Då väggar Scintillerande material har vanligen ett brytningsindex (för CsI n = 1,79) som är avsevärt lägre än det för kisel (n = 3,4). Alltså kommer huvuddelen av de scintillerande fotonema som infaller mot porvâggania att tränga in i kiselrnatrisen (Si) om inte porväggarna har belagts med någon reflektionbeläggning. Därför kommer denna enkla struktur att ha mycket lägre verkningsgrad eftersom ingen ljusledning finns. I kiselmatrisen kommer ljuset snabbt att absorberas beroende på den höga absorptionskoefñcienten för synligt ljus i kisel.

För att åstadkomma ljusledning måste ett reflekterande skikt introduceras vid väggarna. Detta kan åstadkommas antingen genom oxidation eller genom beläggning med ett metallskikt. Även om oxidation är mycket mer stabil under påföljande behandling tillhandahåller metallbeläggning bättre reflektion. I fallet med en oxid erhålls en totalreflektion när ingångsvinkeln större än resultatet av uttrycket arcsin(n2 / m), där ng och n1 representerar materialens respektive brytningsindex. Reflektionen resulterar i en ljusledande kon som utbreder sig uppåt och nedåt i poren, se FIG. 5.

Skillnaden mot en metallbelagd por (där allt ljus skulle ledas inuti poren) är emellertid inte så stor eftersom strålar som infaller mot väggarna med nästan normalt infall resulterar i mycket långa våglängder innan de når bilddetektorcellen och innebär alltså att absorption blir mer trolig.

Slutligen vore ett reflekterande skikt vid botten av porerna (eller vid toppytan vid en porstruktur som är transparent) synnerligen önskvärt för att insamla fotoner emitterade i uppåtriktningen. 513 s s e 9 Fyllning med semfiuerande material i Fyllning av porema med scintillerande material är ett kritiskt steg.

Omfattande tester har visat att fyllning av porema med scintillerande pulver utan smältning inte ger en fungerande komponentstruktur. Detta på grund av att spridning av ljuset i korngrânser resulterar i ett mycket kort inträngningsavstånd. En brytningsindex-anpassad vätska kunde möjligen kringgå detta problem men den låga effektiva densiteten för scintillatorpulvret (stor ofylld del) skulle då kräva mycket djupa porer.

På grund av detta faktum använder sig vår uppfinning av smâltning av det scintillerande materialet för att bilda enkel- eller polykristallína block av scintillatormaterial inom varje por. För detta ändamål har vi använt CsI som varande ett lämpligt material eftersom det inte sönderdelas vid smältning.

Smältningen och fyllningen skall utföras i vakuum för att reducera problem med luftbubblor i porerna, vilket signifikant påverkar verkningsgraden och porernas ljusledningsförmåga.

Sammanfattat grundar sig den föreliggande uppfinningen på ljusledning av sekundärt producerade scintillerande fotoner i en bildpunktsdetektor i kombination med, till exempel, en CCD-kamera eller en motsvarande anordning. De tre ingrediensema i den föredragna utföringsfonnen av strukturen är: a) ._ En matris med djupa porer, tunna väggar och en porseparation lämplig för bilddetektorchipet som används. b) Ett reflekterande skikt på väggarna för att öka ljusledningen ned till bilddetektorchipet. c) Ett lämpligt scintillerande material som smälts in i porema för att bilda enskilda scintillerande block för att eliminera spridning från korngrånser.

Det kommer av faclcmannen inses att olika modifikationer och ändringar kan göras vid den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess omfattning, som defmieras av de bifogade patentkraven.

Claims (6)

i: 513 536 - 7 PATENTKRAV

1. Arrangemang för en röntgenbildpunktsdetektoranordning för en kamera som innehåller ett bilddetektorchip (1) och är baserat på ljusledning av sekundärt alstrade scintillerande fotoner i en bildpunktsdetektor i kombination med en avbildningsanordning, kännetecknat av att arrangemangets struktur innefattar en formande matris (8) som har djupa porer (10) skapade med tunna väggar genom användning av kiseletsningsteknik, vilket tillhandahåller porväggar med en tjocklek ner till 3 - 4 pm med ett pordjup av storleksordningen 300 pm för erhållande av en porseparation motsvarande, eller mindre än, detektorbildpunktsstorleken (2) för bilddetektorchipet som används med arrangemanget, varvid ett scintillerande material som är smält in i varje enskild por (10) används för att därvid bilda enkel- eller polykristallina scintillerande block för att därmed eliminera korngränsspridning.

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att vidare innefatta ett reflekterande skikt (12) i form av kiseloxid eller metall deponerad på matrisens (8) tunna väggar för att därmed öka ljusledningen ned till bilddetektorchipet.

3. Arrangemang enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att i matrisens porer (10) innefatta CsI som därvid utgör scintillerande material.

4. Anordning för samtidigt bibehållande av upplösning och ökande av känslighet för röntgenstrålning i ett avbildningsarrangemang, känne- tecknad av en forrnande matris (8) som tillverkats med djupa porer (10) skapade genom etsning av tunna väggar i kisel med en tjocklek ner till 3 - 4 pm och med ett pordjup av storleksordningen 300 pm, vilken matris uppvisar en porseparation motsvarande, eller mindre än, bildpunkts- storleken (2) för ett bilddetektorchip (1) som används med arrangemanget, varvid matrisen (8) är placerad vid bilddetektorchipet med de djupa porerna (8) upplinjerade med bilddetektorchipets bildpunkter (2) och varvid varje enskild por innehåller scintillerande material som är smält in i varje enskild i: 513 536 - /0 por (10) för att därvid bilda enkel- eller polykristallina scintillerande block för att eliminera korngränsspridning.

5. Anordning enligt krav 4, kännetecknad av att vidare uppvisa ett reflekterande skikt (12) i form av kiseloxid eller metall deponerad på matrisens tunna väggar för att därigenom öka ljusledningen ned till bilddetektorchipet ( l).

6. Anordning enligt krav 4 eller 5, kännetecknad av att innefatta CsI som scintillerande material i matrisens porer (10).