輻射探測器和用于生產輻射探測器的方法與流程
本發明涉及輻射探測器。具體而言，本發明涉及輻射探測器裝置、醫學成像系統以及用于生產輻射探測器裝置的方法。
背景技術：
在平面X射線探測器領域中，當使用厚閃爍體層時，獲得清晰的圖像(即，高或改善的光學傳遞函數或者高或改善的調制傳遞函數)的方式是像素化(pixilation)。應用最多的閃爍體是CsI：Tl，鉈摻雜的碘化銫，在熱蒸發沉積期間通過給予其針形狀的微柱狀結構而被像素化，典型的尺寸是針直徑為7μm，并且針高度達到600μm。
對于其它的閃爍體材料，通過采用反射材料將單獨的閃爍體像素分隔開而像素化是已知的，但是對于要求像素的高寬比為5或更大的平面X射線探測器應用而言，這是不適用的。
US 2004 004 258 5 A1涉及一種制造用于增強的成像傳感器的設備的方法，所述增強的成像傳感器包括用于X射線成像的像素化的微柱狀閃爍薄膜材料，所述像素化的微柱狀閃爍薄膜材料包括閃爍基底以及與所述閃爍基底接觸的微柱狀閃爍薄膜材料。
US 2010 026 431 8 A1描述了用在X射線探測器中的閃爍體元件，所述閃爍體元件被成型以確保對由X射線光子攜帶的能量的最大吸收，并且提供了較高的位置分辨率。該文獻描述了這種閃爍體元件陣列和包括多個陣列的探測器系統的布置結構。
US 2011/0211668 A1涉及一種用于輻射探測器的轉換器元件，其包括通過中間的分隔壁而至少部分地彼此分隔開的至少兩個轉換單元，所述分隔壁影響由入射的輻射產生的電信號的傳播。
US 20050089142 A1描述了具有預定的屏蔽保護、光透射和光反射特性的閃爍體涂層。這些閃爍體包括：閃爍體材料，所述閃爍體材料包括沉積到其上的屏蔽涂層，其中所述屏蔽涂層：提供了對所述閃爍體材料的屏蔽保護，能夠經由其透射光，并且能夠將光反射回所述閃爍體材料內。
WO 2013/015438 A2描述了一種包括多個柱狀部分的閃爍體，所述柱狀部分以多個柱狀部分的端面相對于彼此部分地偏置的狀態被堆疊。
US 2014/0175295 A1描述了一種閃爍體，包括閃爍體層和覆蓋層，所述閃爍體層包括多個被構造成將輻射轉化為光的柱狀晶體，所述覆蓋層被構造成覆蓋所述閃爍體層，其中所述閃爍體層包括突出部分。所述突出部分典型地是當所述多個柱狀晶體生長時由異常生長而產生的異常生長部分。
技術實現要素：
可能存在改進X射線探測器和閃爍體結構的需求。
這些需求通過獨立權利要求的主題而被滿足。根據下面對示例性實施例的描述以及從屬權利要求，更進一步的優勢將變得顯而易見。
本發明的一方面涉及一種輻射探測器裝置，包括：由多個單件式柱狀元件形成的第一陣列，所述柱狀元件包括基底部分和突出部分，所述柱狀元件包括被構造成通過輻射轉換而產生光線的閃爍材料，其中所述柱狀元件包括作為突出部分的沿著所述柱狀元件的縱向方向的階梯式移位部分；以及由多個光敏元件形成的第二陣列，所述光敏元件被分配給所述柱狀元件，并且所述光敏元件被構造成檢測所產生的光線；以及讀出電子電路。
本發明的另一方面涉及一種醫學成像系統，包括根據第二方面或者根據第二方面的任何示例性實施例所述的裝置。
本發明的另一方面涉及一種用于生產輻射探測器裝置的方法，尤其涉及一種增材制造方法，包括步驟：制備由多個單件式柱狀元件形成的第一陣列，其中所述柱狀元件包括突出部分，所述突出部分具有沿著所述柱狀元件的縱向方向的階梯式移位部分；制備由多個光敏元件形成的第二陣列；以及構造包括所述第一陣列和所述第二陣列的閃爍體結構。
本發明是基于增材制造技術提供了用于制造柱狀閃爍體結構的針狀結構的進一步的方法的事實。用于輻射探測器裝置的閃爍體結構可通過增材制造方法生產。
這些柱狀閃爍體結構可以通過小型實體(例如通過噴墨打印產生的小液滴或者通過光刻方法產生的薄結構層)的逐層連續沉積技術而制成。與包括突出部分的柱狀閃爍元件組合的這些技術具有的優勢是閃爍體結構對于入射輻射來說具有大于90％的填充因子，在這種情況下，當從上面看時，所述探測器能夠覆蓋整個表面。
如本發明使用的，術語“填充因子”可以指圖像或輻射探測器的因子，并且代表探測器的光敏面積與其總面積的比率。
本發明有利地提供了一種能夠被制成為針狀或柱狀結構的閃爍體結構，所述結構具有非常高的效率以將由X射線或γ射線轉換活動所產生的光引導至所述柱狀元件的底部，在所述底部光線將被附接在那里或者分配給那里的光敏元件檢測到。
本發明有利地提供了：對于閃爍體結構來說，除了CsI：Tl鉈摻雜的碘化銫之外的其它閃爍材料可被用在所述針狀結構中，與厚(與采用這種閃爍材料但不具有柱形狀的其它層相比較厚)層組合產生了高(與采用這種閃爍材料但不具有柱形狀的其它傳感器相比較高)的光輸出，且具有高的圖像分辨率，以獲得輻射探測器的高的圖像質量。
本發明有利地允許提供能夠采用這些材料制造的閃爍體結構，提供了改善的圖像質量性能并且具有良好的抗濕性。后者避免了復雜的防潮措施，當采用吸水的CsI：Tl時，這些防潮措施是必要的。
本發明進一步有利地提供了新的閃爍體材料的用途，所述材料針對具體的應用要求而優化，諸如在升高的溫度下可靠性增加，或者抗機械摩擦的魯棒性增加。
本發明有利地提供了一種能夠采用增材制造技術制造的閃爍體結構，所述閃爍體結構具有以針的形狀沉積的各種閃爍材料，諸如透明的石榴石，為了獲得高的量子探測效率(縮寫為DQE)，這是需要的，所述量子探測效率是與成像系統的圖像對比度和噪音性能有關的信號的組合效果的量度，通常被表示為特定頻率的函數。
本發明有利地允許閃爍柱或閃爍體結構的尺寸(例如總高度或寬度)可很容易地被轉變到所述閃爍材料的特定的輻射衰減性能，以便對于具體的醫學成像應用來說獲得預期的量子探測效率和預期的光學傳遞函數或調制傳遞函數。
本發明有利地允許可以采用若干種技術來制造閃爍體結構，例如采用燒結的閃爍體粒子或未加工相的閃爍體粒子逐層噴墨打印出針狀結構且隨后進行光子燒結、粒子在光敏粘合劑中的閃爍體的整層沉積、立體光刻術以及去除結構周圍的材料。
根據本發明，術語“縱橫比”可以被定義為如下：幾何形狀的縱橫比是其不同維度的尺寸之間的比率。例如，類似矩形的針結構的縱橫比是其較長邊與其較短邊的比率。
根據本發明的一示例性實施例，可以通過制作包括兩個犧牲層的具有所需厚度的封閉層而進一步制造所述閃爍體結構。
根據本發明的一示例性實施例，所述柱狀元件中的至少一個包括作為閃爍材料的選自以下組的材料，所述組包括碘化銫或硫化鋅或碘化鈉或硅酸镥(lutetium oxyorthosilicate)或鍺酸鉍或者任何其它的閃爍材料。尤其是，可使用閃爍材料如已知為GSO的硅酸釓(gadolinium oxyorthosilicate)，其是用于核醫學成像和用于量熱學的一類無機閃爍晶體，或者也已知為LYSO的硅酸釔镥(Lutetium-yttrium oxyorthorilicate)，其是一種主要用作閃爍體晶體的無機化合物。
此外，可以使用無機閃爍體作為閃爍材料，例如堿金屬鹵化物，通常具有少量的活化劑雜質，NaI(Tl)(鉈摻雜的碘化鈉)。其它的無機堿金屬鹵化物晶體例如是：CsI(Tl)，CsI(Na)，CsI(純)，CsF，KI(Tl)，LiI(Eu)。一些非堿金屬晶體可包括：BaF2，CaF2(Eu)，ZnS(Ag)，CaWO4，CdWO4，YAG(Ce)(Y3Al5O12(Ce))。
此外，可以使用釔鋁石榴石；YAG，Y3Al5O12或者石榴石族或硅酸鹽礦物的任何其它的合成晶體材料作為閃爍材料，或者任何金屬間化合物或者合金或者包括稀土金屬的任何其它金屬化合物，舉例來說，稀土金屬為釔、鈰、鋱、鎵或者釓。
根據本發明的一示例性實施例，由多個柱狀元件形成的第一陣列提供了所述裝置的光敏面積與所述裝置的總面積的比率作為分數比率至少為0.9，優選地至少為0.95，最優選地為1.0。由于閃爍體結構包括具有突出部分的柱狀元件，所以有利地達到了至少為0.9，優選地至少為0.95，最優選地為1.0的比率。
換句話說，交錯的針陣列可覆蓋所述探測器的整個表面，能夠完全捕獲垂直地入射的X射線或γ射線，提供了超過90％或95％或者達到100％的填充因子。
根據本發明的一示例性實施例，所述柱狀元件中的至少一個的高度適應于所述柱狀元件的閃爍材料的衰減系數。
根據本發明的一示例性實施例，所述柱狀元件中的至少一個的高度適應于電離輻射的被轉化為光線的能量。
根據本發明的一示例性實施例，所述柱狀元件中的至少一個的被定義為高度與寬度的比率的縱橫比大于5。
根據本發明的一示例性實施例，所述柱狀元件中的至少一個包括沿著所述柱狀元件的縱向方向的至少兩個階梯式移位部分。
這有利地提供了所述輻射探測器裝置的更高的填充因子。
根據本發明的一示例性實施例，所述至少兩個階梯式移位部分的第一階梯式移位部分在第一方向上突出，并且第二階梯式移位部分在第二方向上突出，其中所述第一方向不同于所述第二方向。
這有利地允許以交錯的針的形式構造所述柱狀元件，具有最佳的空間利用。
如本發明所使用的，術語“不同的方向”可以指兩個方向，所述兩個方向包括大于5°或大于10°的角偏差，或者換句話說，兩個方向是不平行的。
根據本發明的一示例性實施例，所述閃爍體結構被構造成探測由于輻射轉換而產生的X射線。
根據本發明的一示例性實施例，所述閃爍體結構被構造成探測由于輻射轉換而產生的光線。
根據本發明的一示例性實施例，所述閃爍體結構能夠通過增材制造方法生產。
根據本發明的一示例性實施例，所述第一陣列的制備使用在有機粘結劑中的閃爍粒子來實現。
根據本發明的一示例性實施例，所述第一陣列的制備通過逐層噴墨打印或者通過任何其它的增材制造技術來實現。
附圖說明
通過參照下面的示意圖，將會更加清楚地理解本發明的更完整的應用及其附帶的優勢，其中示意圖不是按比例繪制的。
圖1示出了根據本發明的一示例性實施例的輻射探測器裝置的示意圖；
圖2示出了根據本發明的一示例性實施例的醫學成像系統的示意圖；
圖3示出了根據本發明的一示例性實施例的用于增材制造的方法的示意性流程圖；并且
圖4示出了根據本發明的一示例性實施例的閃爍體結構的示意圖。
具體實施方式
圖示說明和附圖僅僅是示意性的，且并不打算提供比例關系或引用信息。
在不同的附圖中，相似或相同的元件被給出了相同的附圖標記。通常，在說明書中，相同的部件、單元、實體或步驟被給出了相同的附圖標記。
圖1示出了根據本發明的一示例性實施例的輻射探測器裝置的示意圖。輻射探測器裝置100可包括讀出電子電路150、閃爍體結構110，閃爍體結構110包括由多個柱狀元件125形成的第一陣列120和由多個光敏元件135形成的第二陣列130。
由多個柱狀元件125形成的第一陣列120可被構造成柱狀元件125中的每一個包括基底部分126和突出部分127，其中柱狀元件125包括閃爍材料，并且柱狀元件125被構造成通過輻射轉換而產生光線。輻射轉換可以是任何類型的電離輻射至非電離輻射的轉換。輻射轉換可使用表現出閃爍性(當被電離輻射激發時發光的性質)的閃爍材料。當發光材料或者閃爍材料被進入的粒子撞擊時吸收其能量并且閃爍，以光的形式重新發射出所吸收的能量。
由多個光敏元件135形成的第二陣列130可被構造成光敏元件135中的每一個被分配給柱狀元件125中的一個，并且光敏元件135被構造成探測所產生的光線。
圖2示出了根據本發明的一示例性實施例的醫學成像系統的示意圖。
醫學成像系統200可包括用于輻射探測的裝置100。輻射探測器裝置可被用在各種醫學成像系統中，例如，X射線計算機斷層掃描(X射線CT)、正電子發射斷層掃描PET、在單光子發射計算機斷層掃描SPECT或者較不普遍的SPET中產生體內功能過程的三維圖像的核醫學功能成像技術、利用伽馬射線的核醫學斷層掃描成像技術。
輻射探測器裝置可用于測量脈沖X輻射、衍射的X射線輻射的成像系統或乳房攝影系統或者國土安全應用中、工業安全和/或檢查系統、無損檢測設備、材料表征設備和其他的探測器系統中。
圖3示出了根據本發明的一示例性實施例的用于輻射探測器裝置的增材制造方法的示意性流程圖。
作為所述方法的第一步驟，進行制備S1由多個柱狀元件125形成的第一陣列120。
作為所述方法的第二步驟，執行制備S2由多個光敏元件135形成的第二陣列130。
作為所述方法的第三步驟，進行構建S3包括第一陣列120和第二陣列130的探測器裝置100。
第一陣列120的制備S1可通過粒子在粘合劑中沉積或者通過任何其它的增材制造技術來實現。
Remi Noguera，Martine Lejeune和Thierry Chartier的出版物，通過噴墨原型制作工藝制成的3D精尺度陶瓷部件(3D fine scale ceramic components formed by ink-jet prototyping process)，J.European Ceramic Soc.Vol.25，Iss.12(2005)2055-2059，描述了利用噴墨打印制造鋯鈦酸鉛(PZT)柱陣列。
X.Zhao，J.R.G.Evans，M.J.Edirisinghe和J.H.Song的出版物，陶瓷柱陣列的噴墨打印(Ink-jet printing of ceramic pillar arrays)，J.Materials Science Vol.37，Iss.10(2002)1987-1992，描述了利用噴墨打印制造ZrO2陶瓷柱。
M.Lejeune，T.Chartier，C.Dossou-Yovo和R.Noguera的出版物，陶瓷微柱陣列的噴墨打印(Ink-jet printing of ceramic micro-pillar arrays)，J.European Ceramic Soc.Vol.29，Iss.5(2009)905 0 911，評述了例示的采用噴墨打印制造的各種陶瓷柱結構。
可噴墨打印的石榴石材料也是墨中的粒子。利用制作用于打印陶瓷材料的墨的經驗，代替例如在石榴石制造中使用的具有(Gd，Ga，Lu，Ce，Al)氧化物粒子的TiO2粒子是可行的。墨的粘度、粒子尺寸和粒子濃度應當保持相同。分散劑應當被改變，以適應所使用的氧化物粒子的類型。
可以通過逐層噴墨打印或者任何其它的增材制造技術進行第一陣列120的制備S1。根據本發明的另一實施例，立體光刻術以及去除結構周圍的材料可被用作生產輻射探測器裝置的增材制造技術。
構建探測器裝置100的步驟S3可進一步包括將讀出電路150聯接至由多個光敏元件135形成的第二陣列130的步驟。
根據本發明的另一實施例，生產包括兩個犧牲層的具有所需厚度的封閉層。首先去除以所需的3D針形狀制作的犧牲層。隨后用透明的粒子在粘結劑內的閃爍體填充開口。在硬化(熱或者UV)之后，去除第二犧牲層，露出3D針形狀的閃爍體結構。
圖4示出了根據本發明的一示例性實施例的閃爍體結構的示意圖。
圖4示出了根據本發明的一示例性實施例的呈交錯的針陣列形式制成的三維結構的閃爍體，其中縱橫比＞5。在圖4示出的陣列中，單獨的交錯的針間隔開，且具有相同的針寬度W和長度或高度H。
針或柱狀元件125具有限定的寬度W和高度H，這兩個量度限定了柱狀元件125的縱橫比。該縱橫比可以被定義為較長的邊(例如高度H)與較短的邊(例如寬度W)的比率，并且該縱橫比可大于5。
這就確保了當從上方觀看時，交錯的針陣列可覆蓋所述探測器的整個表面，能夠完全捕獲垂直地入射的X射線或γ射線，提供超過90％或95％或者達到100％的填充因子。
三維結構的閃爍體的尺寸可以是長度和寬度W小于150μm并且總高度H超過1mm。所述柱狀元件中的至少一個的高度H可適應于柱狀元件125的閃爍材料的衰減系數。
例如，對于10keV的X射線能量，碘化銫可具有1.711×102cm2/g的X射線質量衰減系數，例如，導致所述三維結構的閃爍體的高度為800μm，以便通過進入的X射線輻射而產生足夠數量的光子。
例如，對于1MeV的X射線能量，碘化銫的X射線質量衰減系數可以是5.848×10-2cm2/g，因為對于較高能量來說衰減系數較低，所以可調節高度H，以補償X射線與閃爍材料的較弱的相互作用，并且所述三維結構的閃爍體的高度可被設定為1400μm的增加值。相應地，柱狀元件125中的至少一個的高度H可適應于電離輻射的被轉化為光線的能量。
三維結構的閃爍體可被制造為柱狀元件125，所述柱狀元件可包括基底部分126和突出部分127。突出部分127可被制造成沿著縱向方向A或者柱狀元件125的邊界A的至少一個階梯式移位部分127的形式。
邊界A可由柱狀元件125的底邊限定。換句話說，突出部分127可超過柱狀元件125的底邊突出。在圖4中，邊界A被示為直線或者方向A，但邊界A可以是平面或者半平面或者由柱狀元件125的底邊或者基底平面的邊界限定的任何其它幾何元素。
根據本發明的一示例性實施例，所述柱狀元件中的至少一個包括沿著所述柱狀元件的縱向方向的至少兩個階梯式移位部分。
在圖4的左側示出了沿著所述柱狀元件的縱向方向的三個階梯式移位部分，所述三個階梯式移位部分中的第一階梯式移位部分在第一方向上突出，并且第二階梯式移位部分在第二方向上突出，其中所述第一方向不同于所述第二方向，或者所述第一方向垂直于所述第二方向。
第三階梯式移位部分在第三方向上突出，其中所述第三方向垂直于所述第二方向。
如圖4中所示，圖4中從左邊開始的第二幅圖，所述三個移位部分可以被倒角。
根據本發明的一實施例，柱狀元件125可具有包括非旋轉對稱性的結構，換句話說，柱狀元件125可以是防旋轉對稱的或者非旋轉對稱的，例如360°的角度的旋轉不改變物體，但不同于360°的角度的旋轉將改變物體的輪廓或形狀。可沿著垂直于基底平面的軸線進行旋轉，所述結構在所述基底平面上例如通過增材制造而生產。
必須指出的是，參照不同的主題描述了本發明的實施例。具體而言，參照方法類權利要求描述了一些實施例，而參照裝置類權利要求描述了另外的實施例。
然而，本領域技術人員將從上面和下面的描述中得知，除非另有指明，除了屬于一種類型的主題的特征的任何組合之外，與不同主題相關的特征之間的任何組合也被視為被本申請所公開。然而，所有的特征可以被組合，提供的協同效果大于特征的簡單總和。
盡管已經在附圖和前面的描述中詳細圖示和描述了本發明，但這樣的圖示和描述被認為是圖示性或示例性的而非限制性的；本發明不限于所公開的實施例。通過研究附圖、公開內容和所附的權利要求，本領域技術人員在實踐所主張的本發明時，能夠理解并實現所公開的實施例的其他變型。
在權利要求中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。單個元件或其他單元可以實現在權利要求中記載的若干項目的功能。在互不相同的從屬權利要求中記載的特定措施并不表示不能有利地使用這些措施的組合。在權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為對范圍的限制。
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