CN1654976A - 用于辐射探测器的闪烁体阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种象素化闪烁体阵列(53)，其应用于成像系统(10)的辐射探测器(18)，包括：在阵列中并排排列的多个闪烁体象元(50)。闪烁体象元与邻近的闪烁体象元以间隙(52)隔开。每个闪烁体象元包括：顶部表面(62)，多个侧面(64)；及覆盖每个闪烁体象元的顶部表面和侧面的第一层(68)，第一层由平滑涂层形成；由反射金属涂层形成的第二层(70)覆盖第一层，及由阻隔涂层形成的并覆盖第二层的第三层(72)。

Description

用于辐射探测器的闪烁体阵列及其制造方法
技术领域
本发明总的涉及在CT成像及其它辐射成像系统中用于探测辐射的方法和装置，更具体地涉及具有增强反射率的闪烁体阵列。
背景技术
在至少一些计算机断层(CT)成像系统的结构中，x射线源投射出扇形束，扇形束被校准在笛卡尔坐标系的X-Y平面内，其通常称作“成像平面”。X射线束穿过被成像的物体，比如病人。该束在被该物体衰减后照射在辐射探测器的阵列上。该探测器阵列接收的衰减束辐射的强度由病人对x射线束的衰减决定。阵列的每个探测器元件在该探测器位置处产生单独的电信号，该信号是在探测器位置对束衰减的测量。分别获得全部探测器的衰减的测量产生了一发射轮廓。
在一些已知的CT系统中，X射线源和探测器阵列与台架一起在成像平面内绕被成像的物体转动，因此x射线束与物体交叉处的角度不断地变化。X射线源通常包括x射线管，其在焦点处发射x射线束。X射线探测器通常包括用于校准在探测器处接收的x射线束的校准器，邻近该校准器的闪烁体，以及邻近该闪烁体的光电探测器。
一行或多行闪烁体单元或闪烁体象元设置在探测器阵列中，探测器阵列被设置为从重构物体的一个或多个图像切片中获得投影数据。一已知的探测器阵列包括闪烁体单元的二维阵列，每一个闪烁体单元具有相关联的光电探测器。为了更容易处理，环氧材料可用于浇铸闪烁体单元以使其成为具有规定尺寸的块。为使反射率最大化并防止邻近的探测器单元之间串扰，该浇铸反射器混合物包括具有高折射系数的材料，比如TiO2。因此，通过照射x射线在闪烁材料中产生的光被限定于产生光的探测器单元。然而，该环氧树脂、TiO2不吸收、尤其是它们的混合物也不吸收x射线。因此，该光电探测器和该浇铸反射器混合物自身都被保护免于照射x射线引起的损害。
在一已知的浇铸反射器混合物中，小量的铬氧化物掺在该浇铸反射器混合物中以进一步减少单元间的串扰。然而，由于产生的可见光的被吸收部分从不能通过光电探测器检测，该材料的掺入减小了该探测器的效率。通过吸收经过象素间浇铸壁透射的光，铬用于减少串扰。该掺杂物使反射率从98％显著地减小到82％，因此，导致很低的光输出。铬的引入能减少60％或更高量的光输出。同时也限制了减少串扰的能力。更新的CT应用需要越来越高的清晰度，这意味着新设计将需要更小的象素。由于在表面上损失光的相对机会更高，当象素尺寸变得更小时光输出进一步减少。当象素尺寸减少50％时，光输出将减少20％到25％。由于低信噪比，低光输出能引起图象质量问题。
发明内容
一方面，提供用于成像系统的辐射探测器的象素化(pixilated)闪烁体阵列。该闪烁体阵列包括并排排列在阵列中的多个闪烁体象元。该闪烁体象元与邻近的闪烁体象元以间隙分开。每一个闪烁体象元包括顶层表面、多个侧面和覆盖每个闪烁体象元的顶层表面和侧面的第一层。该第一层由平滑涂层组成。由反射金属涂层组成的第二层覆盖第一层，并且由阻隔涂层组成的第三层覆盖第二层。
另一方面，一种计算机断层成像系统，其包括：旋转台架；在该旋转台架上的探测器阵列；和与该探测器阵列相对的在旋转台架上的辐射源，配置其以将辐射束穿过物体导向探测器阵列。该探测器阵列包括光耦合到多个二极管的闪烁体阵列。该闪烁体阵列包括并排排列在阵列中的多个闪烁体象元。该闪烁体象元与邻近的闪烁体象元以间隙分开。每个闪烁体象元包括顶层表面、多个侧面和覆盖每个闪烁体象元的顶层表面和侧面的第一层。该第一层由平滑涂层组成。由反射金属涂层组成的第二层覆盖第一层，并且由阻隔涂层组成的第三层覆盖第二层。
另一方面，提供了一种制造闪烁体阵列的方法。该方法包括提供象素化闪烁体包装初成品，该闪烁体包装初成品包括并排排列在阵列中的以间隙分隔的多个闪烁体象元，每个象素具有顶层表面和多个侧面。该方法还包括：把平滑涂层施加到每个闪烁体象元的顶层表面和侧面以形成平滑层；把反射金属涂层施加到平滑层顶部以形成反射金属层；并且把阻隔涂层施加到反射金属层顶部以形成阻隔层。
附图说明
图1是CT成像系统的示意性视图；
图2是图1中所示系统的示意方块图；
图3是图2中所示的探测器阵列的断面图解；
图4是象素化闪烁体包装初成品的透视图解；
图5是图4中所示的闪烁体包装初成品的闪烁体象元的断面图解。
具体实施方式
下面将具体描述用于成像系统的辐射探测器的象素化闪烁体阵列。该闪烁体阵列包括闪烁体阵列的象素顶部和侧面上的聚合物平滑涂层。该平滑涂层具有低于1.5的低折射率，并且可提高淀积在阵列象素的顶部和侧面上的平滑涂层顶部的反射金属涂层的粘附力和反射系数。阻隔涂层施加在反射金属涂层的顶部并且提供对反射涂层的保护，其增加了该闪烁体阵列的耐久力。象素化闪烁体阵列的设计提供超过当前商用的闪烁体阵列约50％到100％之间的输出增长。下面描述关于计算机断层(CT)成像系统的象素化闪烁体阵列。然而，该象素化闪烁体阵列也能用于其它成像系统，包括使用辐射源而不是x射线源的成像系统，比如，γ射线源。
现在转到附图，参考附图1和2，计算机断层(CT)成像系统10被示为，其包括代表“第三代”CT扫描器的台架12。台架12具有朝着台架12对面的探测器阵列18投射x射线束16的x射线源14。探测器阵列18由一起检测穿过物体比如病人22的投射x射线的探测器元件20组成。每个探测器元件20产生象征照射x射线束强度的电信号，并且在光束穿过物体或病人22时光束衰减。在扫描获得x射线投影数据期间，台架12和其上的元件相对于旋转中心24旋转。在一个实施例中，如图2中所示，探测器元件20排成一行以致于在扫描时获得对应的单个图像切片的投影数据。在另一个实施例中，探测器元件20排成多个平行行，因此，在扫描时可同时获得对应于多个平行切片的投影数据。
台架12的旋转和x射线源14的操作通过CT系统10的控制机构26管理。控制机构26包括：提供电力和时间信号给x射线源14的x射线控制器28；台架发动机控制器30，其控制旋转速度和台架12的位置。在控制机构26中的数据获得系统(DAS)32从探测器元件20采样模拟数据，并转化该数据为数字信号以用于后序处理。图象重构器34从DAS 32接收采样的并数字化的x射线数据并且执行高速图象重构。该重构图象作为输出施加到在大容量存储装置38中存储该图象的计算机36。
计算机36还通过具有键盘的控制台40从操作者接收命令和扫描参数。关联的阴极射线管显示器42允许操作者从计算机36观察该重构的图象和其它数据。计算机36使用操作者提供的命令和参数提供控制信号和信息给DAS 32、x射线控制器28和台架发动机控制器30。另外，计算机36操作控制机动工作台46以定位病人22于台架12中的工作台发动机控制器44。具体地，工作台46移动病人22的部分通过台架开口48。
如上所述，阵列18的每个探测器元件20产生独立的为在探测器位置处光束衰减的测量的电信号。具体地，参考附图3，每个x射线探测器元件20包括闪烁体元件50，相邻的闪烁体元件50的侧面通过非闪烁间隙52隔开。闪烁体元件50在这里还作为闪烁体象元50并排列在阵列53中。另外，尽管图3描述了经由探测器元件20的行的横断面，图3想代表线性的和二维的(比如矩形的)探测器元件20的阵列。当用x射线透过时，闪烁体元件50转化至少x射线能量的一部分为能被位于邻近闪烁体元件50的光电探测器54检测到的光。光耦合到闪烁体元件50的后部的光电探测器54(比如光电二极管或光电池)通过闪烁体元件50产生代表光输出的电信号。分别获得来自探测器阵列18中的所有探测器元件20的衰减测量以产生透射轮廓。
图4是象素化闪烁体包装初成品60的透视图解。在示例性的实施例中，闪烁体包装初产品60是闪烁体象元50的二维阵列。每个象素50具有顶部表面62和多个侧面64。初成品60通过使用几何切割方法比如OD锯切割或金属丝锯切割工艺来切割象素50为块状闪烁体材料。初成品60也能以其它接近网型的处理比如注射模塑法形成。象素50通过未切割的闪烁体材料的一部分66临时保持在一起。在下面描述的象素涂层处理之后，磨掉该部分66并且耦合象素50到光电探测器54(图3中示出)。
同样参考图5，每个闪烁体象元50包括覆盖闪烁体象元50的顶部表面62和每个侧面64的平滑层68。平滑层68由平滑涂层材料组成。形成平滑涂层68的涂层材料具有小于1.5的折射系数。该平滑涂层材料以足够的数施加到一个或多个涂层，以便在一个实施例中，平滑层68的涂层材料的干膜厚度约为0.5微米(μm)到约3.0μm。在另一实施例中，平滑层68的厚度约为1.0μm到2.0μm。该平滑涂层通过任何合适的涂敷工艺施加，例如，浸渍涂布和旋涂。合适的平滑涂层材料包括但不限于硅树脂硬涂层，包括紫外线可固化硅树脂硬涂层，例如，可在市场上从通用电器公司买到的UVHC8558，和苯乙烯丙烯酸脂涂层。
反射金属涂层70形成在平滑层68顶部。金属层70通过在已预先涂敷形成平滑层68的平滑涂层的顶部表面62和侧面64上淀积金属涂层来形成。反射金属层70具有高反射表面，该高反射表面能反射大于闪烁体象元50产生的从全部入射角度返回以通过光电探测器54(图3中示出)检测的光的约95％。任何合适的金属涂层能使用，比如，银、金或铝。在示例性实施例中，使用银涂层。在一个实施例中，淀积该金属涂层以产生厚度约0.1μm到3.0μm的金属层70。在另一个实施例中，淀积该金属涂层以产生厚度约0.5μm到2.0μm的金属层70。需要约0.1μm的最小厚度以达到用于低串扰的0％透射和用于来自闪烁体象元50的高光输出的高反射率。该金属涂层的淀积能通过任何合适的方法完成，比如，溅射工艺(真空汽相淀积)，化学汽相淀积(CVD)，等离子体辅助CVD，或无电涂敷工艺。重要的是在闪烁体象元50的所有表面淀积金属涂层相同厚度。
为了保护反射金属层70，在金属层70顶部通过阻隔涂层材料的淀积形成阻隔层72。该阻隔涂层材料以足够的量施加到一个或多个涂层，因此在一个实施例中，该阻隔层72的涂层材料的干膜厚度约为0.5μm到15.0μm。在另一实施例中，阻隔层72的厚度约为2.0μm到10.0μm。该阻隔涂层通过任何合适的涂敷工艺施加，例如，浸渍涂布和旋涂。合适的阻隔涂层材料包括但不限制硅树脂硬涂层，包括可紫外线固化的硅树脂硬涂层，例如，可在市场上从通用电器公司买到的UVHC8558，和环氧树脂涂层，例如可在市场上从环氧技术有限公司买到的EpoTek301。
在平滑层68、反射层70和阻隔层72已在每个闪烁体象元50上形成后，粘附材料74(图3中示出)包含：在一个实施例中，约15wt％到约60wt％的TiO2投射到包装初成品60中以充填间隙52。在另一个实施例中，粘附材料包含约20wt％到约50wt％的TiO2。应当理解粘附材料74的填料不限于TiO2，和在其它实施例中，能包括其它高Z氧化物材料，比如，TiO2，Ta2O5，Bi2O3，WO3，PbO，和HfO2和/或金属粉末，比如钨。粘附材料74是能在室温或更高温度下固化的低粘性抗辐射的环氧树脂。硬化该环氧材料后，包装初成品60被机械加工成其最终尺寸。
为了制造最终的闪烁体阵列53，清洁象素化闪烁体初成品60，比如用酸性洗涤液，然后烘干。平滑涂层成分施加到闪烁体象元50的顶部表面62和侧面64。硬化该淀积的平滑涂层形成平滑层68。接着反射金属涂层施加到平滑层68的顶部，覆盖象素50的全部表面以形成反射金属层70。然后施加阻隔涂层到金属层70的顶部并硬化形成阻隔层72。然后浇铸粘附材料74在初成品60上填充所有的间隙52并覆盖闪烁体象元50的所有表面。然后硬化粘附材料并机械加工初成品60为其最终尺寸。
尽管已根据各种具体实施例描述了本发明，那些熟悉本领域普通技术的人员将意识到本发明能在权利要求的主旨和范围内做出修改。
部件列表
CT成像系统10
台架12
x射线源14
x射线束16
探测器阵列18
探测器元件20
内科病人22
旋转中心24
控制机构26
x射线控制器28
台架发动机控制器30
数据获取系统(DAS)32
图象重构器34
计算机36
控制台40
显示器42
工作台发动机控制器44
工作台46
闪烁体元件50
间隙52
阵列53
光电探测器54
闪烁体包装初成品60
顶部表面62
侧面64
部分66
平滑层68
反射金属层70
阻隔层72
粘附材料74

Claims (10)

1.一种用于成像系统(10)的辐射探测器(18)的象素化闪烁体阵列(53)，其中所述的闪烁体阵列包括：
多个闪烁体象元(50)，在阵列中并排排列，所述的闪烁体象元与邻近的闪烁体象元以间隙(52)隔开，每个所述的闪烁体象元包括：
顶部表面(62)和多个侧面(64)；
第一层(68)，覆盖每个所述闪烁体象元的所述顶部表面和所述侧面，所述第一层由平滑涂层形成；
第二层(70)，覆盖所述第一层，所述第二层由反射金属涂层形成；及
第三层(72)，覆盖所述第二层，所述第三层由阻隔涂层形成。
2.根据权利要求1的闪烁体阵列(53)，其中所述的反射金属涂层包括银、金和铝中的至少一种。
3.根据权利要求1的闪烁体阵列(53)，其中所述的平滑涂层具有小于1.5的折射率。
4.根据权利要求1的闪烁体阵列(53)，其中所述第一层(68)厚度为约0.5μm到约3.0μm。
5.根据权利要求4的闪烁体阵列(53)，其中所述第一层(68)厚度为约1.0μm到约2.0μm。
6.根据权利要求1的闪烁体阵列(53)，其中所述第二层(70)厚度为约0.1μm到约3.0μm。
7.根据权利要求6的闪烁体阵列(53)，其中所述第二层(70)厚度为约0.5μm到约2.0μm。
8.根据权利要求1的闪烁体阵列(53)，其中所述第三层(72)厚度为约0.5μm到约15.0μm。
9.根据权利要求8的闪烁体阵列(53)，其中所述第三层(72)厚度为约2.0μm到约10.0μm。
10.根据权利要求1的闪烁体阵列(53)，还包括：粘附材料(74)，用于填充所述闪烁体象元(50)之间的所述间隙(52)，所述粘附材料包括约15wt％到约60wt％的填充材料，该填充材料包括TiO2，Ta2O5，Bi2O3，WO3，PbO，HfO2和钨中的至少一种，该重量百分比以该粘附材料的总重量为基础。
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