Способ создания структурированного рентгеновского экрана Российский патент 2021 года по МПК H01J1/54 G21K4/00 G01T1/202 

Изобретение относится к способам получения люминофорных покрытий, посредством которых преобразуется изображение, полученное в рентгеновских или гамма-лучах, а именно к способам формирования структурированного сцинтиллятора, который обладает пространственным разрешением, сравнимым с пространственным разрешением принимающего его люминесцентное излучение фотоприемника, в целях повышения чувствительности методов томографии и маммографии.

Изобретение относится к способам создания слоев люминофора (или сцинтиллятора), профилированных по регулярному принципу в плоскости слоя, и может быть использовано при изготовлении экранов, чувствительных к рентгеновскому и гамма-излучению, в целях конверсии последних в видимое излучение с пространственным разрешением по площади экрана лучше 100 мкм.

Непосредственно фотодетектор обладает высокой чувствительностью к видимому излучению, однако к рентгеновскому излучению, как правило, нечувствителен, либо защищен от попадания прямых рентгеновских или гамма-лучей лучей вследствие быстрой деградации при взаимодействии с потоком ионизирующего (к данному классу относится рентгеновское и гамма-излучение) излучения. Для преобразования рентгеновского изображения в видимое используются люминесцентные экраны, которые строятся на основе слоев люминофора. Толщина люминофора достаточно большая, чтобы поглотить большую часть первичного излучения. Люминесцентное излучение экрана принимается фотоприемником. Однако вследствие изотропного распределения люминесцентного излучения и рассеяния его на неоднородностях слоя, пространственное разрешение не может быть лучше, чем толщина слоя люминофора, что значительно превышает размер отдельной чувствительной площадки детектора - пиксела. Для повышения пространственного разрешения без потери эффективности люминофора применяют структурированные люминофоры.

Известны способы изготовления структурированных экранов заполнением массивов полых микроканалов люминофором при температуре, близкой к температуре плавления йодида цезия [U.L. Olsen, X. Badel, J. Linnros, M. DiMichiel, T. Martin, S. Schmidt, H.F. Poulsen, Development of a high-efficiency high-resolution imaging detector for 30-80 keV X-rays, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, V. A576 (2007) p. 52-55]. Недостатком данного технического решения является неоднородное заполнение каналов, наличие пор и трещин в объеме люминофора, приводящих к различной величине инициируемого в канале света, рассеянию флуоресцентного излучения и последующему его поглощению на большой длине заполненного канала.

Для улучшения однородности объема люминесцирующего материала, элементы люминофора, соответствующие размеру пиксела детектора выращивают эпитаксиально [I. Fujiedat, G. Cho, J. Drewery, T. Gee, T. Jing, S.N. Kaplan, V. Perez-Mendez, D. Wildermuth, X-ray and Charged Particle Detection with CsI(T1) Layer Coupled to a-Si:H Photodiode Layers, IEEE Transactions on nuclear science, V. 38, N. 2 (1991) p. 255-262] либо капельным способом (Д.А. Супонников, А.Н. Путилин, А.Р. Дабагов, Способ формирования структурированного сцинтиллятора на поверхности пикселированного фотоприемника (варианты) и сцинтилляционный детектор, полученный данным способом (варианты), Патент RU 2532645 С1, Приоритет от 29.04.2013), однако такие процессы осаждения подчиняются случайному закону и слой люминофора растет с различной скоростью или имеет случайного вида дефекты, что сказывается на качестве изображения на экране детектора.

Наиболее близким к заявляемому является способ фрезеровки с помощью мощного луча лазера первоначально нанесенных сплошных слоев люминофора [A. Karellas, Structured scintillator screens, Patent 5519227, 21.05.1996]. Недостатком способа является переосаждение продуктов абляции на слой люминофора, в том числе в швы между уже разделенным на пикселы люминофором, вызывая перекрытие излучения соседних пикселов и паразитное рассеяние излучения на развитой поверхности слоя люминофора.

Сущность изобретения заключается в формировании бездефектного или с единичным количеством дефектов массива люминесцирующих структур с целью прямого воспроизведения рентгеновских 2D - изображений с пространственным разрешением лучше 100 мкм для их последующего анализа.

Поставленная задача решается путем непосредственного структурирования исходного блока гомогенного материала - рентгеновского люминофора. Толщина блока задается требуемой высотой структур (длиной оптического пути рентгеновского излучения в люминесцирующем материале). С целью структурирования материал подвергается облучению рентгеновским излучением через рентгеновскую маску, содержащую рисунок в поглощающем рентгеновское излучение слое, который необходимо перенести в люминофор. Поглощающий слой на рентгеновской маске выполняется как правило, из тяжелого металла, например, золота, вольфрама, свинца.

Таким образом, под действием рентгеновского излучения под открытыми частями рентгеновской маски происходит деструкция блочного материала.

В качестве растворителя предлагается использовать ацетон, скорость растворения необлученного йодида цезия, выбранного в качестве люминофора, в котором незначительна.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является локальное удаление материала из исходного блока люминофора(сцинтиллятора) только в облученной области или облученных областях. Затем вскрытые участки блока люминофора(сцинтиллятора) заполняются металлом, например, методом гальванического осаждения так, что металлические перемычки являются преградой для распространения вторичного ионизирующего, так и видимого люминесцентного излучения.

Техническая реализация предложенного «Способа создания структурированного рентгеновского экрана» предполагает использование металлической кюветы, заполненной растворителем и имеющей тепловой контакт с внешним охлаждающим устройством (холодильником). Кювета перемещается возвратно-поступательно относительно неподвижного рентгеновского луча в целях достижения равномерной дозы по площади сканирования и стабилизации температуры растворителя в объеме кюветы.

На Фиг. 1 представлен общий вид кюветы с растворителем, в который погружена кассета с блоком монолитного люминофора (сцинтиллятора) и рентгеновской маской, находящейся под действием рентгеновского излучения (1). Блок йодида цезия (2) прикрепляется диффузионной сваркой к подложке, которая фиксируется в держателе-кассете (3). Затем, с противоположной стороны блока, к кассете (3) прикрепляется рентгеновская маска (4), после чего кассета помещается в кювету (5), оснащенную холодильником (6) для поддержания температуры, и фиксируется к ее боковым стенкам с помощью винтов. Затем кювета (5) заполняется растворителем (7) так, чтобы кассета (3) была полностью погружена в растворитель (7), что способствует улучшению конвекции раствора, задаваемого перемешивателем (8). Холодильник охлаждается потоком теплоносителя (9). Затем кювета ориентируется в пучке рентгеновского излучения и закрепляется на подвижном столике.

На Фиг. 2 изображен фрагмент рентгеновского экрана со структурированным люминофором из йодида цезия (2) и металлическими перегородками (10), которые наносятся методом гальванического осаждения на стартовый слой (11), находящийся на рентгенопрозрачной подложке (12).

Изобретение относится к способам формирования структурированного рентгеновского экрана, с помощью которого изображение, переданное в рентгеновских или гамма-лучах, становится контрастным в оптическом диапазоне спектра, и предназначенного для регистрации рентгеновского или гамма-излучения. Технический результат - повышение однородности свечения по площади структурированного экрана. В способе формирования структурированного сцинтиллятора исходный слой гомогенного блочного люминофора структурируют рентгеновским лучом, модулированным по интенсивности рентгеновской маской, непосредственно в кювете с растворителем, а затем заполняют высвобожденное от люминофора пространство металлом. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания структурированного рентгеновского экрана путем удаления не закрытых рентгеновской маской участков материала воздействием электромагнитного излучения, отличающийся тем, что процесс структурирования проводят в заполненной растворителем кювете, лицевая стенка которой выполнена из тонкого слабо поглощающего рентгеновское излучение материала или содержит рентгенопрозрачное окно, а внутри кюветы располагается рентгеновская маска на небольшом расстоянии от лицевой стенки, чтобы поглощение рентгеновского излучения в зазоре, заполненном растворителем, не превышало 10% падающей мощности, а также блок структурируемого люминофора (или сцинтиллятора) и устройство перемешивания растворителя, причем в качестве электромагнитного излучения используют жесткое рентгеновское излучение.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость удаления материала люминофора (или сцинтиллятора) варьируется изменением мощности падающего рентгеновского излучения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость удаления материала люминофора (или сцинтиллятора) варьируется изменением спектра падающего рентгеновского излучения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что задняя стенка кюветы охлаждается водой с пониженной температурой или охлажденным газом (например, азотом).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кювета с растворителем, маской и структурируемым люминофором (или сцинтиллятором) сканируется относительно неподвижного источника рентгеновского излучения для увеличения обрабатываемой площади.