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Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Material für einen Szintillator-Einkristall bestehend aus einem mit Cer aktivierten Silikat eines seltenen Erdelements. Ein solcher Detektor ist besonders wertvoll zur Verwendung für die Positron-Computertomografie um die Verteilung eines Positronen emittierenden Glieds festzustellen, das in den menschlichen Körper eingebracht worden ist.

Wird ein Positron in Materie eingestrahlt, so wird es rasch durch ein Elektron vernichtet und zu einem Photonenpaar, d. h. Gammastrahlen, zerstrahlt. Diese Gammastrahlen werden in einem Positron-Computertomographen mit Hilfe eines Detektors nachgewiesen, der normalerweise aus einem Einkristall-Szintillator besteht, beispielsweise aus Wismut-Germanat Bi&sub4;Ge&sub3;O12 (im folgenden auch als "BGO" bezeichnet). Wismut-Germanat BGO hat eine effektive Ordnungszahl von 74, eine Dichte von 7,1 g/cm³ und einen großen Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen (von 511 KeV). Dementsprechend hat ein Positron-Computertomograph, der mit BGO-Szintillatoren ausgestattet ist, eine ausgezeichnete geometrische Auflösung. Jedoch ist die Lumineszenz-Zerfallskonstante von BGO lang, d. h. sie beträgt 300 ns (Nanosekunden), und daher ist die Zeitauflösung des Positron-CT nicht gut, d. h. sie hat einen Wert von 3 bis 4 ns. (Vgl. hierzu den Artikel von Katsumi Takami, auf Seite 122 der Ausgabe vom 18. Februar 1980 von Nikkei Electronics).

Um die Zeitauflösung eines Positron-CT zu verbessern, wird ein Gammastrahlen-Detektor gefordert, der einen Szintillator mit einer kurzen Lumineszenz-Zerfallskonstante besitzt.

Es ist bekannt, daß die Phosphore Y&sub2;SiO&sub5;, Y&sub3;Al&sub5;O12 und YAlO&sub3;, die alle mit Ce3+ aktiviert sind, eine kurze Lumineszenz- Zerfallskonstante (Abklingkonstante) aufweisen. (A. Bril et al, Philips Tech. Rev. 32 (1971) 125; G. Blasse et al, Appl. Phys. Lett. 11 (1967) 53; M. J. Weber, J. Appl. Phys. 44 (1973) 3205).

Diese Materialien haben jedoch einen kleinen Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen, da sie alle aus leichten Elementen aufgebaut sind. Wird ein aus diesen Materialien bestehender Szintillator in einen Positron-CT eingesetzt, so wird die geometrische Auflösung dieses Positron-CT extrem verschlechtert. Der Grund dafür liegt darin, daß der Massenabsorptionskoeffizient eines Elements für Gammastrahlen proportional zu ρZ 4 ist (wobei ρ die Dichte des Elements und Z seine Ordnungszahl bezeichnet).

Fluoreszenzwerkstoffe für Gammastrahlen- Detektoren, die aus einem Sintermaterial oder einem polykristallinen Material der spezifischen Zusammensetzung Y&sub2;SiO&sub5; : Ce, Y&sub2;Si&sub2;O&sub7; : Ce oder Y&sub3;Al&sub5;O12 : Ce bestehen, sind auch aus der DE-OS 28 11 435 bekannt. Die dort beschriebenen Materialien enthalten stets, falls es sich um Silikate handelt, ausschließlich die Elemente Yttrium und Cer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Material für einen Szintillator-Einkristall für einen Gammastrahlen-Detektor zur Verfügung zu stellen, das einerseits eine kurze Abklingzeit der Lumineszenz zeigt, jedoch andererseits einen hohen Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen besitzt und daher zu einer verbesserten geometrischen Auflösung des Detektors führt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Material für einen Szintillator-Einkristall bestehend aus einem Einkristall aus einem mit Cer aktivierten Silikat eines seltenen Erdelements, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus mit Cer aktiviertem Gadoliniumsilikat der Formel

Gd&sub2;(1-x-y)Ln2xCe2ySiO&sub5;

besteht, in der Ln Yttrium und/oder Lanthan bezeichnet und x und y innerhalb von Bereichen liegen, die durch die Formeln 0≤x≤0,5 und 1 × 10-3y≤0,1 gegeben sind.

Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des Materials der vorstehend definierten Art für einen Szintillator-Einkristall in einem Gammastrahlen-Detektor für die Positron-Computertomographie.

Zwar war bereits bekannt, daß eine spezielle Gadoliniumverbindung, d. h. Gadoliniumoxysulfid, als Material für einen Strahlungs-Detektor eingesetzt werden kann (DE-OS 28 41 394). Im Hinblick auf die außerordentlichen Unterschiede zwischen den bekannten, mit Cer aktivierten Yttriumsilikaten und einem Oxysulfid konnte jedoch aus der speziellen Verbindung Gadoliniumoxysulfid keine allgemeine Folgerung auf die Anwendbarkeit von anderen Gadoliniumverbindungen hergeleitet werden.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß bei dem Versuch, den aus der DE-OS 28 11 435 bekannten Fluoreszenzwerkstoff Y&sub3;Al&sub5;O12 : Ce durch Ersatz des Yttriums durch Gadolinium abzuwandeln, eine Verbindung resultiert, die keine Fluoreszenz zeigt, wenn sie mit Gammastrahlen bestrahlt wird.

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben und näher erläutert.

Die Figur stellt einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel für einen Gammastrahlendetektor nach der vorliegenden Erfindung dar.

Die Figur zeigt im Querschnitt eine Skizze eines Ausführungsbeispiels eines Gammastrahlendetektors. Gemäß der Figur befindet sich auf der Innenwand eines Aluminiumgehäuses 1 ein reflektierendes Material, vorzugsweise BaSO&sub4;, und der Szintillator 3 ist in dieses Gehäuse 1 eingesetzt. Wenn Gammastrahlen, die durch das Aluminiumgehäuse 1 durchgetreten sind, auf den Szintillator 3 fallen, so wird in diesem Licht erzeugt. Licht, das in Richtung auf das Aluminiumgehäuse 1 läuft, wird von dem reflektierenden Material 2 reflektiert. Vorzugsweise ist der Szintillator 3 optisch mit einem Fotomultiplier 5 über ein Material gekoppelt, dessen Brechungsindex größer als 1 (in Worten: eins) ist, beispielsweise Silikonfett, damit eine Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Szintillator und dem Eingangsfenster des Fotomultiplayers vermieden wird. Ein Vorverstärker 6 verstärkt das Ausgangssignal des Fotomultipliers 5. Es wurde eine große Zahl von erfindungsgemäßen Cer-aktivierten Gadoliniumverbindungen hergestellt und es wurden Einkristalle dieser Verbindungen gezogen. Weiterhin wurde jeder Szintillator, der aus diesen Einkristallen hergestellt war, untersucht. Es hat sich herausgestellt, daß ein Szintillator, der aus Gd&sub2;SiO&sub5; : Ce3+ besteht, bei Raumtemperatur eine Lumineszenz und weiterhin eine kurze Lumineszenz-Zerfallskonstante (Abklingkonstante) zeigt. Ein Positron-CT, der mit einem Gammastrahlendetektor ausgestattet ist, der den oben angegebenen Szintillator enthält, zeigt sowohl eine ausgezeichnete Zeitauflösung sowie eine ausgezeichnete geometrische Auflösung.

Im folgenden wird die Erfindung nun auf der Grundlage von Ausführungsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

Ein Einkristall wurde in der folgenden Weise gezüchtet. Rohmaterial-Pulver aus Gd&sub2;O&sub3;, Ce&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; wurden für ein Sintermaterial mit der Zusammensetzung Gd1,99Ce0,01SiO&sub5; ausgewogen. Diese Rohmaterial-Pulver wurden miteinander gemischt und dann in die Form eines Plättchens gepreßt. Anschließend wurde die Sinterung bei einer Temperatur von 1400°C über 3 Stunden ausgeführt. In dem Sintermaterial blieb nur wenig Gd&sub2;O&sub3; zurück, das nicht reagiert hatte.

Danach wurden 300 g des Sintermaterials in ein Iridiumschiffchen mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Tiefe von 40 mm gelegt und dann durch RF-Heizung (Radiofrequenz) geschmolzen. Es wurde ein Iridiumschiffchen verwendet, weil der Schmelzpunkt des Sintermaterials hoch war (d. h. 1800°C). Ein Einkristall wurde aus der Schmelze in einer Stickstoffatmosphäre gezüchtet, um eine Oxidation des Schiffchens zu verhindern. Ein Zerfall und eine Verdampfung der Schmelze wurden selbst in der Stickstoffatmosphäre nicht beobachtet.

Auf diese Weise wurde ein Einkristall mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 50 mm gezüchtet. Weiterhin war die a-Ebene (nämlich die (100)-kristallographische Ebene) des Einkristalles nicht nur die Habitus-Ebene, sondern auch die Spaltebene. Die charakteristischen Größen eines Szintillators, der aus diesem Einkristall besteht, sind in der folgenden Tabelle dargestellt, zusammen mit den charakteristischen Werten von Szintillatoren, die aus BGO, CsF und NaI bestehen.

Tabelle


In der Tabelle bezeichnet η* die Szintilations- Ausbeute für den Fall, daß die Szintillationsausbeute eines aus NaI bestehenden Szintillators auf 100 festgesetzt wird, ρ bezeichnet die Dichte, Z die effektive Ordnungszahl, τ eine Lumineszenz-Abklingkonstante, und F eine Gütezahl, die sich aus der Gleichung F = ρZ 5η*/τ ergibt und die unseren eigenen Standard darstellt.

Anhand der Tabelle kann man erkennen, daß der erfindunggemäße Szintillator eine hohe Szintillationsausbeute besitzt, eine große effektive Ordnungszahl aufweist und eine kürzere Lumineszenz-Zerfallskonstante (Abklingkonstante) zeigt als ein aus BGO bestehender Szintillator, und daß daher der Gütefaktor doppelt so groß ist als der eines BGO-Szintillators.

Die Zeitauflösung eines Positron-CT, der mit dem oben dargestellten Szintillator ausgestattet ist, ist auf 1 ns verbessert. Dementsprechend wird das Zeitfenster schmal und aus diesem Grunde erzielt man die folgenden Vorteile:

  • (1) Die Häufigkeit von zufälligen Koinzidenzen wurde herabgesetzt. Dementsprechend wurden die Bilder schärfer und die Messungen wurden genauer ausgeführt.
  • (2) Es wurde ermöglicht, verschiedene Radio-Nuclide in einen menschlichen Körper zu injizieren, solange der Betrag der injizierten Radionuclide geringer als eine erlaubte Dosis war.
  • (3) Aufgrund des schnellen Ansprechens des Gammastrahlendetektors mit einem Szintillator-Einkristall aus dem erfindungsgemäßen Material wurden in jedem Augenblick Konzentrationsänderungen des injizierten Radionuclides festgestellt, und damit konnten dynamische Messungen sehr gut ausgeführt werden.

Beispiel 2

Ein Einkristall wurde aus Ce0,01Gd1,00La0,99SiO&sub5; hergestellt, indem man bei Ce0,01Gd1,99SiO&sub5; die Hälfte des Gadoliniums durch Lanthan La ersetzt. Es wurden also vorgegebene Mengen von Oxiden Ce&sub2;O&sub3;, Gd&sub2;O&sub3;, La&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; ausgewogen, miteinander vermischt und dann gesintert, um auf diese Weise ein Sinter-Rohmaterial aus Ce0,01Gd1,00La0,99SiO&sub5; zu erhalten. Der Herstellungsprozeß für das Rohmaterial und das Verfahren zum Wachsen des Einkristalles waren die gleichen wie bei dem Züchten eines Einkristalles aus Ce0,01Gd1,99SiO&sub5;. Der Schmelzpunkt der Zusammensetzung Ce0,01Gd1,00La0,99SiO&sub5; betrug 1820°C und war damit etwas höher als der Schmelzpunkt der Zusammensetzung Ce0,01Gd1,99SiO&sub5;, und zwar um etwa 20°C. Der gezüchtete Einkristall aus Ce0,01Gd1,00La0,99SiO&sub5; hatte im wesentlichen die gleichen Lumineszenzeigenschaften (d. h. die Lumineszenz-Zerfallskonstante und die Wellenlänge der Lumineszenz) wie der Einkristall aus Ce0,01Gd1,99SiO&sub5;, jedoch zeigte er nur eine 1,1mal höhere Lumineszenzintensität als ein Einkristall aus BGO, d. h. seine Lumineszenzintensität war geringer als die des Einkristalls aus Ce0,01Gd1,99SiO&sub5;. Dies ist damit zu erklären, daß der aus Ce0,01Gd1,00La0,99SiO&sub5; bestehende Einkristall aus einer festen Lösung gezüchtet wurde und damit innerhalb des Einkristalles ein Hohlraum (oder Hohlräume) entsteht, der das Lumineszenzlicht streuen oder absorbieren kann.

Da Gadoliniumsilikat Gd&sub2;SiO&sub5; eine große effektive Ordnungszahl und eine hohe Dichte besitzt, eignet es sich ausgezeichnet als Wirtsmaterial für einen Cer-Aktivator. Wie bereits beschrieben, ist es weiterhin möglich, in dem Gadoliniumsilikat einen Teil des Gadoliniums durch Yttrium oder durch Lanthan zu ersetzen. Wenn jedoch mehr als die Hälfte des Gadoliniums in dem Gadoliniumsilikat durch Yttrium ersetzt wird, so erhält dieses Silikat die gleiche effektive Ordnungszahl (nämlich 53) wie der Phosphor CsF und bekommt weiterhin eine geringe Dichte. Damit wird dann, wenn ein Szintillator aus diesem Silikat in einem Positron-CT eingesetzt wird, dessen geometrische Auflösung reduziert. Das bedeutet, daß das oben erwähnte Silikat nicht in einem Positron-CT eingesetzt werden kann. Aufgrund der beschriebenen Tatsache ist es vorzuziehen, daß ein Silikat, das nur Gadolinium oder Gadolinium und Lanthan enthält, zur Bildung eines Einkristalles verwendet wird.

Wie im Zusammenhang mit dem Beispiel 2 erwähnt wurde, führt der Ersatz eines Teils des Gadoliniums des Gadoliniumsilikats durch Lanthan dazu, daß der Einkristall aus einer festen Lösung gezüchtet wird, und damit entstehen die folgenden Probleme, daß nämlich

  • (1) in dem Einkristall leicht Fehler erzeugt werden, und
  • (2) die Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalles klein gemacht werden muß.


Wird das Gadolinium in Gadoliniumsilikat weiterhin durch Lanthan ersetzt, so erhält das erzielte Silikat eine kleinere effektive Ordnungszahl als die von Gadoliniumsilikat. Aufgrund dieser Umstände ist es vorzuziehen, daß nicht mehr als die Hälfte des Gadoliniums in dem Gadoliniumsilikat durch Lanthan ersetzt wird.

Demgegenüber wurde der Betrag von Cer, durch das Gadolinium in den oben genannten Silikaten ersetzt wurde, in dem Bereich von 0,2 bis 10 Atom-% des Gadoliniums variiert. In diesem Bereich blieb die Lumineszenz-Zerfallskonstante der Silikate unverändert. War jedoch der Anteil von Cer groß, so erhielten die Einkristalle aus den Silikaten eine leichte braune Farbe und die Transparenz eines jeden Kristalls wurde verschlechtert. Stellt man die oben beschriebenen Silikate durch die allgemeine Formel Gd&sub2;(1-x-y)Ln2xCe2ySiO&sub5; dar, so hält man vorzugsweise den Wert von y in einem Bereich, der durch die Formel 1 × 10-3y≤0,05 bestimmt ist.

Entsprechend der vorangehenden Beschreibung kann ein Positron-Computertomograph mit einem Szintillator-Einkristall aus dem erfindungsgemäßen Material im Vergleich zu einem Positron-Computertomograph, bei dem ein konventioneller BGO-Szintillator verwendet wird, schärfere Bilder und präzisere Messungen ausführen.

Weiterhin wird die Zeitauflösung eines Positron-CT verbessert. Damit können in günstiger Art und Weise dynamische Messungen ausgeführt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Material für einen Szintillator-Einkristall, bestehend aus einem mit Cer aktivierten Silikat eines seltenen Erdelements, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mit Cer aktiviertem Gadoliniumsilikat der Formel

    Gd&sub2;(1-x-y)Ln2xCe2ySiO&sub5;

    besteht, in der Ln Yttrium und/oder Lanthan bezeichnet und x und y innerhalb von Bereichen liegen, die durch die Formeln 0≤x≤0,5 und 1 × 10-3y≤0,1 gegeben sind.
  2. 2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der allgemeinen Formel x für 0 steht.
  3. 3. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der allgemeinen Formel y durch den Bereich 1 × 10-3y ≤0,05 bestimmt ist.
  4. 4. Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für einen Szintillator-Einkristall in einem Gammastrahlen-Detektor für die Positron-Computertomographie.






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