辐射探测器和用于生产辐射探测器的方法与流程

本发明涉及辐射探测器。具体而言，本发明涉及辐射探测器装置、医学成像系统以及用于生产辐射探测器装置的方法。

背景技术：

在平面X射线探测器领域中，当使用厚闪烁体层时，获得清晰的图像(即，高或改善的光学传递函数或者高或改善的调制传递函数)的方式是像素化(pixilation)。应用最多的闪烁体是CsI：Tl，铊掺杂的碘化铯，在热蒸发沉积期间通过给予其针形状的微柱状结构而被像素化，典型的尺寸是针直径为7μm，并且针高度达到600μm。

对于其它的闪烁体材料，通过采用反射材料将单独的闪烁体像素分隔开而像素化是已知的，但是对于要求像素的高宽比为5或更大的平面X射线探测器应用而言，这是不适用的。

US 2004 004 258 5 A1涉及一种制造用于增强的成像传感器的设备的方法，所述增强的成像传感器包括用于X射线成像的像素化的微柱状闪烁薄膜材料，所述像素化的微柱状闪烁薄膜材料包括闪烁基底以及与所述闪烁基底接触的微柱状闪烁薄膜材料。

US 2010 026 431 8 A1描述了用在X射线探测器中的闪烁体元件，所述闪烁体元件被成型以确保对由X射线光子携带的能量的最大吸收，并且提供了较高的位置分辨率。该文献描述了这种闪烁体元件阵列和包括多个阵列的探测器系统的布置结构。

US 2011/0211668 A1涉及一种用于辐射探测器的转换器元件，其包括通过中间的分隔壁而至少部分地彼此分隔开的至少两个转换单元，所述分隔壁影响由入射的辐射产生的电信号的传播。

US 20050089142 A1描述了具有预定的屏蔽保护、光透射和光反射特性的闪烁体涂层。这些闪烁体包括：闪烁体材料，所述闪烁体材料包括沉积到其上的屏蔽涂层，其中所述屏蔽涂层：提供了对所述闪烁体材料的屏蔽保护，能够经由其透射光，并且能够将光反射回所述闪烁体材料内。

WO 2013/015438 A2描述了一种包括多个柱状部分的闪烁体，所述柱状部分以多个柱状部分的端面相对于彼此部分地偏置的状态被堆叠。

US 2014/0175295 A1描述了一种闪烁体，包括闪烁体层和覆盖层，所述闪烁体层包括多个被构造成将辐射转化为光的柱状晶体，所述覆盖层被构造成覆盖所述闪烁体层，其中所述闪烁体层包括突出部分。所述突出部分典型地是当所述多个柱状晶体生长时由异常生长而产生的异常生长部分。

技术实现要素：

可能存在改进X射线探测器和闪烁体结构的需求。

这些需求通过独立权利要求的主题而被满足。根据下面对示例性实施例的描述以及从属权利要求，更进一步的优势将变得显而易见。

本发明的一方面涉及一种辐射探测器装置，包括：由多个单件式柱状元件形成的第一阵列，所述柱状元件包括基底部分和突出部分，所述柱状元件包括被构造成通过辐射转换而产生光线的闪烁材料，其中所述柱状元件包括作为突出部分的沿着所述柱状元件的纵向方向的阶梯式移位部分；以及由多个光敏元件形成的第二阵列，所述光敏元件被分配给所述柱状元件，并且所述光敏元件被构造成检测所产生的光线；以及读出电子电路。

本发明的另一方面涉及一种医学成像系统，包括根据第二方面或者根据第二方面的任何示例性实施例所述的装置。

本发明的另一方面涉及一种用于生产辐射探测器装置的方法，尤其涉及一种增材制造方法，包括步骤：制备由多个单件式柱状元件形成的第一阵列，其中所述柱状元件包括突出部分，所述突出部分具有沿着所述柱状元件的纵向方向的阶梯式移位部分；制备由多个光敏元件形成的第二阵列；以及构造包括所述第一阵列和所述第二阵列的闪烁体结构。

本发明是基于增材制造技术提供了用于制造柱状闪烁体结构的针状结构的进一步的方法的事实。用于辐射探测器装置的闪烁体结构可通过增材制造方法生产。

这些柱状闪烁体结构可以通过小型实体(例如通过喷墨打印产生的小液滴或者通过光刻方法产生的薄结构层)的逐层连续沉积技术而制成。与包括突出部分的柱状闪烁元件组合的这些技术具有的优势是闪烁体结构对于入射辐射来说具有大于90％的填充因子，在这种情况下，当从上面看时，所述探测器能够覆盖整个表面。

如本发明使用的，术语“填充因子”可以指图像或辐射探测器的因子，并且代表探测器的光敏面积与其总面积的比率。

本发明有利地提供了一种能够被制成为针状或柱状结构的闪烁体结构，所述结构具有非常高的效率以将由X射线或γ射线转换活动所产生的光引导至所述柱状元件的底部，在所述底部光线将被附接在那里或者分配给那里的光敏元件检测到。

本发明有利地提供了：对于闪烁体结构来说，除了CsI：Tl铊掺杂的碘化铯之外的其它闪烁材料可被用在所述针状结构中，与厚(与采用这种闪烁材料但不具有柱形状的其它层相比较厚)层组合产生了高(与采用这种闪烁材料但不具有柱形状的其它传感器相比较高)的光输出，且具有高的图像分辨率，以获得辐射探测器的高的图像质量。

本发明有利地允许提供能够采用这些材料制造的闪烁体结构，提供了改善的图像质量性能并且具有良好的抗湿性。后者避免了复杂的防潮措施，当采用吸水的CsI：Tl时，这些防潮措施是必要的。

本发明进一步有利地提供了新的闪烁体材料的用途，所述材料针对具体的应用要求而优化，诸如在升高的温度下可靠性增加，或者抗机械摩擦的鲁棒性增加。

本发明有利地提供了一种能够采用增材制造技术制造的闪烁体结构，所述闪烁体结构具有以针的形状沉积的各种闪烁材料，诸如透明的石榴石，为了获得高的量子探测效率(缩写为DQE)，这是需要的，所述量子探测效率是与成像系统的图像对比度和噪音性能有关的信号的组合效果的量度，通常被表示为特定频率的函数。

本发明有利地允许闪烁柱或闪烁体结构的尺寸(例如总高度或宽度)可很容易地被转变到所述闪烁材料的特定的辐射衰减性能，以便对于具体的医学成像应用来说获得预期的量子探测效率和预期的光学传递函数或调制传递函数。

本发明有利地允许可以采用若干种技术来制造闪烁体结构，例如采用烧结的闪烁体粒子或未加工相的闪烁体粒子逐层喷墨打印出针状结构且随后进行光子烧结、粒子在光敏粘合剂中的闪烁体的整层沉积、立体光刻术以及去除结构周围的材料。

根据本发明，术语“纵横比”可以被定义为如下：几何形状的纵横比是其不同维度的尺寸之间的比率。例如，类似矩形的针结构的纵横比是其较长边与其较短边的比率。

根据本发明的一示例性实施例，可以通过制作包括两个牺牲层的具有所需厚度的封闭层而进一步制造所述闪烁体结构。

根据本发明的一示例性实施例，所述柱状元件中的至少一个包括作为闪烁材料的选自以下组的材料，所述组包括碘化铯或硫化锌或碘化钠或硅酸镥(lutetium oxyorthosilicate)或锗酸铋或者任何其它的闪烁材料。尤其是，可使用闪烁材料如已知为GSO的硅酸钆(gadolinium oxyorthosilicate)，其是用于核医学成像和用于量热学的一类无机闪烁晶体，或者也已知为LYSO的硅酸钇镥(Lutetium-yttrium oxyorthorilicate)，其是一种主要用作闪烁体晶体的无机化合物。

此外，可以使用无机闪烁体作为闪烁材料，例如碱金属卤化物，通常具有少量的活化剂杂质，NaI(Tl)(铊掺杂的碘化钠)。其它的无机碱金属卤化物晶体例如是：CsI(Tl)，CsI(Na)，CsI(纯)，CsF，KI(Tl)，LiI(Eu)。一些非碱金属晶体可包括：BaF₂，CaF₂(Eu)，ZnS(Ag)，CaWO₄，CdWO₄，YAG(Ce)(Y₃Al₅O₁₂(Ce))。

此外，可以使用钇铝石榴石；YAG，Y₃Al₅O₁₂或者石榴石族或硅酸盐矿物的任何其它的合成晶体材料作为闪烁材料，或者任何金属间化合物或者合金或者包括稀土金属的任何其它金属化合物，举例来说，稀土金属为钇、铈、铽、镓或者钆。

根据本发明的一示例性实施例，由多个柱状元件形成的第一阵列提供了所述装置的光敏面积与所述装置的总面积的比率作为分数比率至少为0.9，优选地至少为0.95，最优选地为1.0。由于闪烁体结构包括具有突出部分的柱状元件，所以有利地达到了至少为0.9，优选地至少为0.95，最优选地为1.0的比率。

换句话说，交错的针阵列可覆盖所述探测器的整个表面，能够完全捕获垂直地入射的X射线或γ射线，提供了超过90％或95％或者达到100％的填充因子。

根据本发明的一示例性实施例，所述柱状元件中的至少一个的高度适应于所述柱状元件的闪烁材料的衰减系数。

根据本发明的一示例性实施例，所述柱状元件中的至少一个的高度适应于电离辐射的被转化为光线的能量。

根据本发明的一示例性实施例，所述柱状元件中的至少一个的被定义为高度与宽度的比率的纵横比大于5。

根据本发明的一示例性实施例，所述柱状元件中的至少一个包括沿着所述柱状元件的纵向方向的至少两个阶梯式移位部分。

这有利地提供了所述辐射探测器装置的更高的填充因子。

根据本发明的一示例性实施例，所述至少两个阶梯式移位部分的第一阶梯式移位部分在第一方向上突出，并且第二阶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。

这有利地允许以交错的针的形式构造所述柱状元件，具有最佳的空间利用。

如本发明所使用的，术语“不同的方向”可以指两个方向，所述两个方向包括大于5°或大于10°的角偏差，或者换句话说，两个方向是不平行的。

根据本发明的一示例性实施例，所述闪烁体结构被构造成探测由于辐射转换而产生的X射线。

根据本发明的一示例性实施例，所述闪烁体结构被构造成探测由于辐射转换而产生的光线。

根据本发明的一示例性实施例，所述闪烁体结构能够通过增材制造方法生产。

根据本发明的一示例性实施例，所述第一阵列的制备使用在有机粘结剂中的闪烁粒子来实现。

根据本发明的一示例性实施例，所述第一阵列的制备通过逐层喷墨打印或者通过任何其它的增材制造技术来实现。

附图说明

通过参照下面的示意图，将会更加清楚地理解本发明的更完整的应用及其附带的优势，其中示意图不是按比例绘制的。

图1示出了根据本发明的一示例性实施例的辐射探测器装置的示意图；

图2示出了根据本发明的一示例性实施例的医学成像系统的示意图；

图3示出了根据本发明的一示例性实施例的用于增材制造的方法的示意性流程图；并且

图4示出了根据本发明的一示例性实施例的闪烁体结构的示意图。

具体实施方式

图示说明和附图仅仅是示意性的，且并不打算提供比例关系或引用信息。

在不同的附图中，相似或相同的元件被给出了相同的附图标记。通常，在说明书中，相同的部件、单元、实体或步骤被给出了相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的一示例性实施例的辐射探测器装置的示意图。辐射探测器装置100可包括读出电子电路150、闪烁体结构110，闪烁体结构110包括由多个柱状元件125形成的第一阵列120和由多个光敏元件135形成的第二阵列130。

由多个柱状元件125形成的第一阵列120可被构造成柱状元件125中的每一个包括基底部分126和突出部分127，其中柱状元件125包括闪烁材料，并且柱状元件125被构造成通过辐射转换而产生光线。辐射转换可以是任何类型的电离辐射至非电离辐射的转换。辐射转换可使用表现出闪烁性(当被电离辐射激发时发光的性质)的闪烁材料。当发光材料或者闪烁材料被进入的粒子撞击时吸收其能量并且闪烁，以光的形式重新发射出所吸收的能量。

由多个光敏元件135形成的第二阵列130可被构造成光敏元件135中的每一个被分配给柱状元件125中的一个，并且光敏元件135被构造成探测所产生的光线。

图2示出了根据本发明的一示例性实施例的医学成像系统的示意图。

医学成像系统200可包括用于辐射探测的装置100。辐射探测器装置可被用在各种医学成像系统中，例如，X射线计算机断层扫描(X射线CT)、正电子发射断层扫描PET、在单光子发射计算机断层扫描SPECT或者较不普遍的SPET中产生体内功能过程的三维图像的核医学功能成像技术、利用伽马射线的核医学断层扫描成像技术。

辐射探测器装置可用于测量脉冲X辐射、衍射的X射线辐射的成像系统或乳房摄影系统或者国土安全应用中、工业安全和/或检查系统、无损检测设备、材料表征设备和其他的探测器系统中。

图3示出了根据本发明的一示例性实施例的用于辐射探测器装置的增材制造方法的示意性流程图。

作为所述方法的第一步骤，进行制备S1由多个柱状元件125形成的第一阵列120。

作为所述方法的第二步骤，执行制备S2由多个光敏元件135形成的第二阵列130。

作为所述方法的第三步骤，进行构建S3包括第一阵列120和第二阵列130的探测器装置100。

第一阵列120的制备S1可通过粒子在粘合剂中沉积或者通过任何其它的增材制造技术来实现。

Remi Noguera，Martine Lejeune和Thierry Chartier的出版物，通过喷墨原型制作工艺制成的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，描述了利用喷墨打印制造锆钛酸铅(PZT)柱阵列。

X.Zhao，J.R.G.Evans，M.J.Edirisinghe和J.H.Song的出版物，陶瓷柱阵列的喷墨打印(Ink-jet printing of ceramic pillar arrays)，J.Materials Science Vol.37，Iss.10(2002)1987-1992，描述了利用喷墨打印制造ZrO₂陶瓷柱。

M.Lejeune，T.Chartier，C.Dossou-Yovo和R.Noguera的出版物，陶瓷微柱阵列的喷墨打印(Ink-jet printing of ceramic micro-pillar arrays)，J.European Ceramic Soc.Vol.29，Iss.5(2009)905 0 911，评述了例示的采用喷墨打印制造的各种陶瓷柱结构。

可喷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经验，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、粒子尺寸和粒子浓度应当保持相同。分散剂应当被改变，以适应所使用的氧化物粒子的类型。

可以通过逐层喷墨打印或者任何其它的增材制造技术进行第一阵列120的制备S1。根据本发明的另一实施例，立体光刻术以及去除结构周围的材料可被用作生产辐射探测器装置的增材制造技术。

构建探测器装置100的步骤S3可进一步包括将读出电路150联接至由多个光敏元件135形成的第二阵列130的步骤。

根据本发明的另一实施例，生产包括两个牺牲层的具有所需厚度的封闭层。首先去除以所需的3D针形状制作的牺牲层。随后用透明的粒子在粘结剂内的闪烁体填充开口。在硬化(热或者UV)之后，去除第二牺牲层，露出3D针形状的闪烁体结构。

图4示出了根据本发明的一示例性实施例的闪烁体结构的示意图。

图4示出了根据本发明的一示例性实施例的呈交错的针阵列形式制成的三维结构的闪烁体，其中纵横比＞5。在图4示出的阵列中，单独的交错的针间隔开，且具有相同的针宽度W和长度或高度H。

针或柱状元件125具有限定的宽度W和高度H，这两个量度限定了柱状元件125的纵横比。该纵横比可以被定义为较长的边(例如高度H)与较短的边(例如宽度W)的比率，并且该纵横比可大于5。

这就确保了当从上方观看时，交错的针阵列可覆盖所述探测器的整个表面，能够完全捕获垂直地入射的X射线或γ射线，提供超过90％或95％或者达到100％的填充因子。

三维结构的闪烁体的尺寸可以是长度和宽度W小于150μm并且总高度H超过1mm。所述柱状元件中的至少一个的高度H可适应于柱状元件125的闪烁材料的衰减系数。

例如，对于10keV的X射线能量，碘化铯可具有1.711×10²cm²/g的X射线质量衰减系数，例如，导致所述三维结构的闪烁体的高度为800μm，以便通过进入的X射线辐射而产生足够数量的光子。

例如，对于1MeV的X射线能量，碘化铯的X射线质量衰减系数可以是5.848×10^-2cm²/g，因为对于较高能量来说衰减系数较低，所以可调节高度H，以补偿X射线与闪烁材料的较弱的相互作用，并且所述三维结构的闪烁体的高度可被设定为1400μm的增加值。相应地，柱状元件125中的至少一个的高度H可适应于电离辐射的被转化为光线的能量。

三维结构的闪烁体可被制造为柱状元件125，所述柱状元件可包括基底部分126和突出部分127。突出部分127可被制造成沿着纵向方向A或者柱状元件125的边界A的至少一个阶梯式移位部分127的形式。

边界A可由柱状元件125的底边限定。换句话说，突出部分127可超过柱状元件125的底边突出。在图4中，边界A被示为直线或者方向A，但边界A可以是平面或者半平面或者由柱状元件125的底边或者基底平面的边界限定的任何其它几何元素。

根据本发明的一示例性实施例，所述柱状元件中的至少一个包括沿着所述柱状元件的纵向方向的至少两个阶梯式移位部分。

在图4的左侧示出了沿着所述柱状元件的纵向方向的三个阶梯式移位部分，所述三个阶梯式移位部分中的第一阶梯式移位部分在第一方向上突出，并且第二阶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。

第三阶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。

如图4中所示，图4中从左边开始的第二幅图，所述三个移位部分可以被倒角。

根据本发明的一实施例，柱状元件125可具有包括非旋转对称性的结构，换句话说，柱状元件125可以是防旋转对称的或者非旋转对称的，例如360°的角度的旋转不改变物体，但不同于360°的角度的旋转将改变物体的轮廓或形状。可沿着垂直于基底平面的轴线进行旋转，所述结构在所述基底平面上例如通过增材制造而生产。

必须指出的是，参照不同的主题描述了本发明的实施例。具体而言，参照方法类权利要求描述了一些实施例，而参照装置类权利要求描述了另外的实施例。

然而，本领域技术人员将从上面和下面的描述中得知，除非另有指明，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合也被视为被本申请所公开。然而，所有的特征可以被组合，提供的协同效果大于特征的简单总和。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这样的图示和描述被认为是图示性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载的特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。在权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。