Bildsensoren Organische Röntgenkameras

Mit organischer Elektronik lassen sich neuartige Röntgendetektoren verwirklichen.
Mit organischer Elektronik lassen sich neuartige Röntgendetektoren verwirklichen.

Röntgenstrahlen haben der Medizin und der zerstörungsfreien Materialprüfung ungeahnte Horizonte eröffnet. In den 120 Jahren ihrer Nutzung haben sich die dafür verwendeten Geräte enorm weiterentwickelt. Jetzt bahnt sich wieder eine neue Generation an, die eine deutliche Kostensenkung bringen könnte.

Die klassische Art der Durchleuchtung ist auf dem Rückzug. Einen Film belichten und entwickeln dauert zu lange, und Kontrast und Helligkeit liegen starr fest. Die elektronische Methode mit Flachbild-Detektoren ist weit überlegen. Das Bild erscheint sofort auf dem Bildschirm, und man kann gängige Methoden der Bildverarbeitung darauf anwenden, etwa Kontrast und Helligkeit variieren, Ausschnitte herausvergrößern oder Synthesen aus mehreren verschiedenen Bildern vornehmen. Digital abgespeicherte Bilder lassen sich einfach archivieren und versenden.

Wie kommt es von der Strahlung zum Bild? Es gibt hier im Wesentlichen zwei Verfahren: Bei der direkten Wandlung fallen die Röntgenstrahlen auf eine Schicht aus amorphem Selen und erzeugen hier Ladungsträgerpaare. Die Elektronen wandern nach oben in eine Deckelektrode, an der eine hohe positive Vorspannung liegt, die Löcher nach unten in eine große Zahl von Einzelelektroden, die mit Speicherkondensatoren und Dünnfilmtransistoren aus amorphem Silizium verbunden sind. Das Auslesen erfolgt zeilenweise wie bei einem optischen Bildsensor. Träger der gesamten Struktur ist ein Glassubstrat. Bei der indirekten Wandlung (Bild 1) werden die Röntgenstrahlen in einer Schicht aus einem sogenannten Szintillator absorbiert, einem Material, in dem beim Auftreffen von ionisierenden Strahlen kleine Lichtblitze entstehen. In Frage kommen dafür verschiedene anorganische Kristalle (häufig Cäsium-Jodid), die mit bestimmten Fremdatomen dotiert sind, oder aber auch organische Materialien wie Polymere. Die Lichtimpulse erzeugen in einer Matrix aus Fotodioden elektrische Ladungen, die dann wie bei der direkten Wandlung weiterverarbeitet werden. Das Ausgangssignal wird digitalisiert; das so erzeugte Bild lässt sich bearbeiten und abspeichern.

Dieses Prinzip bewährt sich in der Praxis sehr gut. Die Vorteile gegenüber dem alten Film sind bessere Ausnutzung der Quantenenergie der Strahlung und dadurch geringere Belastung des Patienten sowie höherer Dynamikumfang (d.h. mehr Graustufen) und so eine deutlich höhere Bildqualität. Der Nachteil auf der anderen Seite sind die hohen Kosten. Ein derartiges Gesamtsystem liegt im sechsstelligen Euro-Bereich, womit die Verbreitung begrenzt bleibt. Bei einer Verbilligung könnte die Anwendungsbreite deutlich zunehmen.

Einen Ausweg aus diesem Henne-Ei-Problem verspricht eine noch sehr neue Technologie, die sich derzeit sehr schnell weiterentwickelt: gedruckte Elektronik aus organisch-chemischen Materialien. Nach Erfolgen in anderen Bereichen wurde die Idee für einen Röntgendetektor auf dieser Basis geboren, doch wie sich schnell gezeigt hat, ist der Weg bis zum marktreifen System noch überaus weit. Es sind dafür so viele Teilprobleme zu lösen, dass eine einzelne Arbeitsgruppe damit weit überfordert wäre. Derartiges kann nur in einem Verbund von vielen Partnern gelingen, von denen sich jeder auf seinen eigenen Spezialbereich konzentriert. Ein solches Projekt ist vor Kurzem in Gang gekommen, genannt „LORIX“ (Large Organic Robust Imager for X-Rays, www.lorix-project.eu). Der Beginn war im Februar 2015, es läuft noch bis 2018. Die Koordination liegt bei CEA in Grenoble, Frankreich; insgesamt sind zwölf Partner aus sechs Ländern beteiligt, darunter auch einige aus Deutschland: Plastic Logic (Dresden), Heraeus mit dem Geschäftsbereich Precious Metals (Hanau) und die TU München mit dem Institut für Nanoelektronik (Prof. Dr. Paolo Lugli). Das Gesamtvolumen beträgt 17 Mio. Euro, wovon 7,3 Mio. von der EU kommen (Forschungs- und Innovationsprogramm H2020 ICT-03-2014). Hier wird das Prinzip der indirekten Wandlung mit Szintillatorschicht genutzt. Diese wird zuerst gedruckt; darüber kommt eine Schicht aus organischen Fotodioden – eine Matrix aus zahllosen Einzeldioden. Es folgt die Aktiv-Matrix aus Dünnfilmtransistoren. 

Weil das Ziel äußerst hoch gesteckt ist, will man in zwei Schritten vorgehen: In der ersten Version wird ein Glassubstrat verwendet, und die Dünnfilmtransistoren bestehen aus amorphem Silizium – so weit alles ausgereifte Technologien, in Displays seit Jahren bewährt (organic Detector on Glas, oDoG). Wenn das mal läuft, soll der zweite Schritt folgen: als Substrat eine flexible Plastikfolie und Transistoren aus organischen Halbleitern – leicht, flexibel und bruchsicher (organic Detector on Foil, oDoF). Ein erstes Labormuster mit einer aktiven Fläche von 4 × 4 cm² und einer Pixelgröße von 128 × 128 µm² zeigt Bild 2. Wenn der Produktionsvorgang dann einmal ausgereift ist, werden sich solche Röntgendetektoren sehr kostengünstig herstellen lassen. An Anwendungen wird es dann nicht mangeln – außer in der Medizin auch in der zerstörungsfreien Materialprüfung und im Sicherheitsbereich, etwa auf Flughäfen (Bild 3). Wie die Entwicklung voranschreitet, wird auf den einschlägigen Fachkongressen über gedruckte Elektronik zu erfahren sein, etwa auf der LOPEC vom 5. bis 7.4.2016.