Спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок

Реферат: Винахід належить до сцинтиляційної техніки. Спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок полягає в розрізанні пластини сцинтиляційного матеріалу потрібного розміру у двох взаємно перпендикулярних напрямках на необхідну кількість елементів і поміщенні світловідбивача між ними. Як сцинтиляційний матеріал використовують селенід цинку, легований алюмінієм ZnSe(Al), пластину якого перед порізкою жорстко закріплюють на світловідбивній підкладці, після порізки пластини до підкладки на бічні поверхні отриманих сцинтиляційних елементів наносять світловідбиваючий металевий шар, а проміжки, що залишилися між елементами, заповнюють полімерною речовиною. Технічний результат винаходу полягає у підвищенні контрастної чутливості в області низьких енергій рентгенівського випромінювання і підвищенні чіткості зображення. UA 101234 C2 (12) UA 101234 C2 UA 101234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід належить до сцинтиляційної техніки і може бути використаний для виготовлення багатоелементних збірок (2О-матриць), що використовуються як просторочутливі детектори рентгенівського випромінювання в системах радіаційного моніторингу, митного контролю та в медицинській томографії. На даний час є потреба у створенні томографів нового покоління, в яких використовується двоенергетична скануюча система, де кожен чутливий елемент збірки (матриці) має розмір від 0,3 до 1,0 мм, що дозволить отримувати висококонтрастне зображення м'яких тканин людини, в тому числі виявляти порушення судин з мінімальним діаметром 0,3 мм. Основною причиною серцево-судинних захворювань людини є утворення тромбів та заростання стінок судин холестериновими новоутвореннями (бляшками), що призводять до звуження внутрішнього отвору судин. У зв'язку з цим актуальним є одержання більш контрастних рентгенівських зображень новоутворень в м'яких тканинах людини, зокрема в судинах кровоносної системи головного мозку людини. Для цього треба реєструвати окремо низькоенергетичне (10-50 кеВ) і високоенергетичне випромінювання. Крім того, можливість реєстрації низькоенергетичного випромінювання актуальна для виявлення вибухових речовин в системах контролю багажу пасажирів і в системах сканування людини (бодісканер). Відомий спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок [пат. США № 6841783, G01T 1/164], що включає отримання окремих сцинтиляційних елементів шляхом прорізання сцинтиляційної пластини Nal (Tl) на різну глибину в двох взаємно перпендикулярних напрямках і заповнення проміжків між сцинтиляційними елементами світловідбивним матеріалом або збереження повітряного проміжку між елементами. Даний спосіб виготовлення багатоканальних сцинтиляційних збірок можливий, як стверджують автори, тільки при використанні сцинтиляційної пластини з монокристала Nal (Tl). Крім того, навіть при заповненні проміжків між сцинтиляційними елементами відбивачем, не виключається розповсюдження світла зі сцинтиляційної пластини, що залишилася під прорізами, і це позначається на зниженні якості контрастної чутливості одержуваного зображення. Відомий спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок [пат. США № 7408164, G01T 1/20], який включає попереднє виготовлення окремих сцинтиляційних елементів, розміщення їх у кожній чарунці тримача, виконаного у вигляді решітчастої рамки зі звичайних матеріалів типу усадкового пакування, й такої, що забезпечує однакову відстань між елементами з повітряним проміжком між ними. Наявність повітряного проміжку між сцинтиляційними елементами, навіть при полірованих поверхнях кожного з них, не виключає взаємний вплив сигналів суміжних елементів один на одного, що призводить до зниження якості одержуваного зображення через зниження контрастної чутливості. Відомий спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок [пат. США № 7355180, G01T 1/202], що включає виготовлення комірчастої структури шляхом з'єднання декількох пластинчастих оптичних елементів хрестоподібно, поміщення її у прямокутну ємність з прозорою рідкою смолою (епоксидна смола, силіконовий клей), розміщення попередньо виготовлених сцинтиляційних елементів в осередках комірчастої структури, видалення з прямокутної ємності отвердженої смоли разом із зазначеними комірчастою структурою і сцинтиляційними елементами в кожному осередку. При цьому, світловідбивним матеріалом між сцинтиляційними елементами є поліестрова плівка, що має багатошарову структуру і складається з оксиду кремнію і оксиду титану, покрита алюмінієм, або тонка підкладка, покрита окисом титану або сульфатом барію. Як і попередній аналог, даний спосіб є досить трудомістким і довготривалим у виготовленні, тому що збірку збирають з окремих сцинтиляційних елементів, які можуть розтріскуватися в процесі виготовлення, або в процесі їх установки в осередки комірчастої структури. При цьому всі сцинтиляційні елементи повинні мати високу однорідність оптичних характеристик, щоб збірка мала мінімальний розкид чутливості між елементами. Як і попередній аналог, реалізація способу вимагає попереднього виготовлення комірчастої структури. Відомий спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок [пат. США № 7157014, B29D 11/00], що включає нарізання першої групи необхідної кількості брусків потрібного розміру з пластини сцинтиляційного матеріалу, полірування вибраної кількості зазначених брусків, покриття полірованих брусків адгезивом з необхідним коефіцієнтом оптичного заломлення, склеювання зазначених брусків між собою через тонку оптичну плівку з відбиваючим покриттям, отримання другої групи необхідної кількості брусків потрібного розміру шляхом їх нарізування перпендикулярно вище зазначеним брускам у вказаній збірці, при цьому кожна друга група розрізаних брусків включає в себе збірку вибраної кількості окремих 1 UA 101234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 елементів сцинтилятора, між суміжними елементами яких розташований зазначений світловідбивач, полірування другої групи відрізаних брусків, покривання другої групи полірованих брусків адгезивом з необхідним коефіцієнтом заломлення, склеювання другої групи зазначених брусків між собою через тонку оптичну плівку зі світловідбиваючим покриттям, отримання багатоканальної збірки, що складається з окремих сцинтиляторів зі світловідбивачем, розташованим між суміжними елементами сцинтиляторів у збірці. На відміну від попереднього аналога, в даному способі немає необхідності працювати з окремими сцинтиляційними елементами і немає потреби у використанні додаткового оснащення. Однак спосіб є трудозатратним, складним і довготривалим за рахунок необхідності отримання окремих первинних брусків, їх полірування, склеювання із відбивачем, розрізування з наступним склеюванням брусків, що є збірками сцинтиляційного елементу-світловідбивача. При склеюванні окремих брусків є висока вірогідність розтріскування збірки, а також не забезпечується однакова товщина шару відбивача між елементами. Це збільшує взаємний вплив сигналів суміжних елементів один на одного, що призводить до зниження контрастної чутливості одержуваного зображення. У наведених аналогах як сцинтиляційні матеріали використовують кристали Nal (Та), BGO, GSO, BaF2, CaF, LSO, LGSO, LYSO, для механічного скріплення елементів використовують клейовий матеріал типу Epotek 301-2, Sylgard 186, Sylgard 184, GE 656 і GE 615, а відбивний матеріал вибрано з групи, що включає в себе BaSO4, MgO, SiO2, тефлону, СаСО3 і ТіО2. Крім сказаного, недоліком останніх з наведених аналогів є той факт, що при нанесенні відбивача або при склеюванні з відбивною плівкою окремих елементів (або брусків) не завжди може бути забезпечена однакова товщина одержуваного відбивного шару. Це може призвести до зміни "кроку" збірки і неузгодження елементів збірки з фотоелементом, а це, у свою чергу, призводить до зменшення рівнів сигналів окремих каналів і зменшення контрастної чутливості зображення. Крім того, відомими способами технологічно досить складно зробити збірку з розмірами одиничних елементів, меншими, ніж 1 × 1 мм у перерізі. Сцинтиляційні матеріали, що використовуються в аналогах, мають незначну чутливість до рентгенівського випромінювання в області низьких енергій (30-80 КеВ), що суттєво впливає на контрастність одержуваних зображень при дослідженні м'яких тканин людини при томографічних скануваннях. Тобто на пошарових зображеннях неякісно відображаються кровоносні судини у м'язових тканинах та у голові людини. В основу цього винаходу поставлена задача розробки більш простого і економічного способу виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок, що забезпечують високу контрастну чутливість рентгенівських детекторів, за рахунок виключення взаємовпливу сусідніх елементів сцинтиляційної збірки один на одного. Вирішення задачі забезпечується тим, що в способі виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок, який здійснюють шляхом порізки пластини сцинтиляційного матеріалу потрібного розміру на необхідну кількість елементів у двох взаємно перпендикулярних напрямках і проводять нанесення світловідбивного шару, згідно з винаходом, як сцинтиляційний матеріал використовують селенід цинку, легований алюмінієм (ZnSe(Al)), пластину якого перед порізкою жорстко закріплюють на світловідбивній підкладці, після порізки до підкладки на бічні поверхні отриманих сцинтиляційних елементів наносять світловідбиваючий металевий (срібний) шар, а проміжки між ними, що залишилися, заповнюють полімерною речовиною. Спосіб отримання економічний і простий, тому що не вимагає виготовлення окремих брусків або елементів, їх отримують з однієї пластини, жорстко закріпленої на підкладці, повним прорізанням пластини у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Реалізація способу не вимагає використання ніякого додаткового оснащення. Після розрізання не потрібно полірувати сторони кожного елемента, що також знижує ризик механічних порушень при виготовленні (відколи й розтріскування). При цьому забезпечують однакові геометричні розміри кожного елемента, а також однакову відстань між елементами. Заявлений спосіб дозволяє отримувати багатоелементні збірки з мінімальними розмірами одиничного елемента 0,3 × 0,3 мм. (фіг. 1). Завдяки цьому, забезпечена висока контрастна чутливість збірки (матриці) (фіг. 2). Використовуваний сцинтилятор ZnSe(Al) добре узгоджується з фотодіодом і має високу чутливість і швидкодію в області низьких енергій рентгенівського випромінювання, що забезпечує отримання зображень м'яких тканин з високою контрастною чутливістю. Використання відбивної підкладки і металевого світловідбивача між елементами забезпечує збільшення світловиходу сцинтиляційної матриці і виключає взаємовплив елементів один на одного (фіг. 3), що також призводить до збільшення чутливості збірки і чіткості зображення. Підкладка може бути виконана зі світловідбивної кераміки або фторопласту. як світловідбивач застосовують металеве покриття з срібла, індію або алюмінію. 2 UA 101234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Полімерну речовину використовую таку, що набуває механічної міцності без значної усадки об'єму і забезпечує жорсткість сцинтиляційної збірки (епоксида смола або кремнійорганічний двокомпонентний клей). На фіг. 1 наведена фотографія 392 елементної сцинтиляційної матриці з ZnSe(Al) із розміром одиничного елемента 0,3 × 0,3 мм; на фіг. 2а наведений знімок чоловіка, зроблений на двоенергетичній томографічній системі, з використанням низькоенергетичної сцинтиляційної матриці з ZnSe(Al) і високоенергетичної - з GSO; на фіг. 2б - знімок того ж чоловіка, але в томографічній системі застосовується тільки сцинтиляційний детектор з GSO; на фіг. 3а наведена тривимірна гістограма взаємовпливу між каналами (елементами) в сцинтиляційній матриці з ZnSe(Al), в якій канали заповнені епоксидною смолою, наповненою оксидом магнію; на фіг. 3б наведена тривимірна гістограма взаємовпливу між каналами (елементами) в сцинтиляційній матриці з ZnSe(Al), в якій нанесено срібний відбивний шар на бічні поверхні елементів збірки та полімерна речовина. Приклад. Необхідно виготовити матрицю з ZnSe(Al) розміром 25 × 25 × 0,6 мм, яка складається з 3136 елементів. Розмір одиничного елемента - 0,3 × 0,3 × 0,6 мм, товщина світловідбивного шару - 0,15 мм. Підготовлену пластину-заготівку ZnSe(Al) товщиною 0,6 мм наклеюють на керамічну світловідбивну підкладку. Заготівку закріплюють на верстаті з пилкою з зовнішньою різною поверхнею. Прорізають 55 різів з кроком 0,45 мм до світловідбиваючої керамічної підкладки. Розрізану заготівку розвертають на 90° і прорізають на 55 доріжок. Розрізану у двох взаємно перпендикулярних напрямах заготівку знімають з верстата і промивають в ультразвуковій ванні для того, щоб видалити з бічної поверхні елементи забруднення, утворені при різанні. Далі на бічні поверхні елементів наносять світловідбиваючий металевий (срібний) шар відомим методом хімічного осадження. Потім заповнюють канали між елементами полімерною речовиною (епоксидною смолою), для надання збірці механічної жорсткості. Після затвердіння смоли сцинтиляційна матриця готова для цільового використання. Як видно на томографічному знімку (фіг. 2а), зробленому скануючою системою з використанням низькоенергетичної матриці з ZnSe(Al), більш чітко видно кров'яну артерію, на котрій присутнє новоутворення (кров'яна бляшка). На знімку, зробленому без використання в скануючій системі низькоенергетичної складової (фіг. 2б), кров'яна судина продивляється нечітко, а новоутворення взагалі не видно. При осадженні металевого шару на бічні поверхні кожного елемента сцинтиляційної матриці взаємний вплив між елементами (каналами) зменшується майже в шість разів, як випливає з фіг. 3а, у порівнянні з матрицею, в якій використана світловідбивна епоксидна смола - фіг. 3б. Також підвищується відносний світловихід матриці (збірки). Це призводить до підвищення контрастної чутливості зображення. Даний спосіб можливо реалізувати без використання складного спеціально виготовленого оснащення, він є простий і економічний та легко може відтворюватися при серійному виробництві. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Спосіб виготовлення багатоелементних сцинтиляційних збірок шляхом порізки пластини сцинтиляційного матеріалу потрібного розміру на необхідну кількість елементів у двох взаємно перпендикулярних напрямках і поміщення світловідбивача між ними, який відрізняється тим, що як сцинтиляційний матеріал використовують селенід цинку, легований алюмінієм ZnSe(Al), пластину якого перед порізкою жорстко закріплюють на світловідбивній підкладці, після порізки до підкладки на бічні поверхні отриманих сцинтиляційних елементів наносять світловідбиваючий металевий шар, а проміжки, що залишилися між елементами, заповнюють полімерною речовиною. 3 UA 101234 C2 4 UA 101234 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5