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Dokumentenidentifikation DE4310542A1 07.10.1993
Titel Szintillatormaterial
Anmelder Hitachi Metals, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Nakamura, Ryohei, Tokorozawa, Saitama, JP;
Nitanda, Fumio, Fukaya, Saitama, JP
Vertreter Strehl, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.; Schübel-Hopf, U., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Groening, H., Dipl.-Ing.; Lang, G., Dipl.-Phys.; Rasch, M., Dipl.-Ing. Univ., Pat.-Anwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 31.03.1993
DE-Aktenzeichen 4310542
Offenlegungstag 07.10.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.10.1993
IPC-Hauptklasse G01T 1/202
IPC-Nebenklasse G21K 4/00   A61B 6/03   C09K 11/84   G03C 5/17   G03B 42/02   
IPC additional class // G01T 1/164,G01N 23/04  
Zusammenfassung Es wird ein Szintillatormaterial angegeben, das Gd2O2S:Pr enthält, das dazu in der Lage ist, Licht bei Bestrahlung auszusenden. Es enthält Gd2O3 mit einem Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnis von nicht weniger als 0,5, berechnet durch den folgenden Ausdruck:
I-Gd2O3/I-Gd2O2S x 100
wobei I-Gd2O3 die Röntgenbeugungsintensität für die Ebene (222) von Gd2O3 repräsentiert und I-Gd2O2S die Röntgenbeugungsintensität für die Ebene (101) von Gd2O2S repräsentiert, gemessen mit Röntgenstrahlung unter Verwendung von Cu als Target und einer Röhrenspannung von 40 kV.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Szintillatormaterial, wie es in Strahlungsdetektoren verwendet wird, die dazu in der Lage sind, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen usw. zu erfassen. Spezieller betrifft sie ein Szintillatormaterial, wie es in Strahlungsdetektoren verwendet wird, die in Röntgentomographiegeräten (computerunterstützter Tomographie oder computerisierter Axialtomographie) oder Positronkameras benutzt werden.

Ein computerisiertes Axialtomographiegerät (nachfolgend als CT-Gerät bezeichnet), ist ein Röntgendiagnosegerät. Ein solches CT-Gerät besteht aus einer Röntgenröhre, die Röntgenstrahlen fächerförmig abstrahlt, sowie einer Röntgendetektorvorrichtung, die mit einer Anzahl in einer Reihe angeordneten Röntgendetektorelementen versehen ist, wobei die Röhre und die Vorrichtung einander gegenüberliegend mit dazwischengefügtem Körper angeordnet sind. Die fächerförmigen Röntgenstrahlen werden von der Röntgenröhre zur Röntgendetektorvorrichtung hin abgestrahlt, und Röntgenabsorptionsdaten werden erfaßt, während für jede Röntgenstrahlung der Winkel um z. B. 1° gegenüber dem Körper verändert wird. Danach werden die erhaltenen Daten von einem Computer analysiert, um die Röntgenabsorption an einzelnen Stellen des Querschnitts zu berechnen, um ein der Absorption entsprechendes Bild zu erstellen.

Herkömmlicherweise wird ein Xenongasdetektor bei einem solchen CT-Gerät verwendet.

Ein solcher Xenongasdetektor weist eine Gaskammer auf, in die Xenongas eingeschlossen ist und in der eine große Anzahl von Elektroden angeordnet ist. Wenn eine Spannung angelegt ist und gleichzeitig Röntgenstrahlen empfangen werden, ionisieren die Röntgenstrahlen das Xenongas, und es können der Intensität der Röntgenstrahlen entsprechende elektrische Signale ausgegeben werden, wodurch ein Bild aufgebaut wird.

Bei einem solchen Xenongasdetektor besteht jedoch die Schwierigkeit, daß ein dickes Fenster erforderlich ist, um Xenongas unter hohem Druck in der Gaskammer einzuschließen, weswegen er die Röntgenstrahlen schlecht nutzt und geringe Empfindlichkeit aufweist. Eine andere Schwierigkeit ist die, daß dann, wenn die Elektrodenplatten, die so dünn wie möglich sein sollten, um ein CT-Gerät mit hoher Auflösung zu erhalten, dünner ausgestaltet werden, jede extern angelegte Schwingung dazu führt, daß die Elektroden schwingen, wodurch Störsignale hervorgerufen werden.

Derzeit geht die Entwicklung zu Detektoren, die aus einer Kombination eines Szintillatormaterials, wie einem Einkristall aus CsJ : Tl oder einem CdWO4-Einkristall, mit einer Photodiode bestehen.

Detektoren, die ein derartiges Szintillatormaterial verwenden, erleichtern es, die Detektorelemente kompakt auszubilden und die Kanalanzahl zu erhöhen, wodurch es möglich wird, ein CT-Gerät mit hoher Auflösung zu erhalten.

Die bei den herkömmlichen Detektoren verwendeten Szintillatormaterialien bringen die folgenden Schwierigkeiten mit sich.

Zum Beispiel weisen Einkristalle aus CsJ : Tl hohe Emissionsleistung mit starkem Nachleuchten auf, weswegen sie kein zufriedenstellendes Auflösungsvermögen ermöglichen. Was Szintillatormaterialien aus CdWO4-Einkristallen und aus Gd2O2S : Pr betrifft, weisen sie eine kurze Nachleuchtdauer bei kleinem Emissionswirkungsgrad auf, so daß sie ebenfalls kein zufriedenstellendes Auflösungsvermögen ermöglichen. Demgemäß weisen die derzeit bei Strahlungsdetektoren als Szintillatormaterialien verwendeten Stoffe keinen hohen Emissionswirkungsgrad und keine kurze Nachleuchtdauer auf.

Die Entwicklung von Szintillatormaterialien, die den für Röntgendetektoren für hochauflösende CT-Geräte erforderlichen Anforderungen genügen, ist unzufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Szintillatormaterial mit kurzer Nachleuchtdauer aber gleichzeitig hohem Emissionswirkungsgrad anzugeben.

Um diese Aufgabe zu lösen, haben die Erfinder ausführliche Untersuchungen vorgenommen und dabei herausgefunden, daß das Szintillatormaterial Gd2O2S : Pr eine kurze Nachleuchtdauer und verbesserten Emissionswirkungsgrad aufweisen kann, wenn Gd2O3 teilweise im Szintillatormaterial Gd2O2S : Pr abgeschieden wird. So wurde die Erfindung geschaffen.

Das erfindungsgemäße Szintillatormaterial ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Röntgenbeugungsintensität eines erfindungsgemäßen Szintillatormaterials.

Fig. 2 zeigt die Röntgenbeugungsintensität eines Vergleichsszintillatormaterials zum Vergleich mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist in Diagramm, das die Beziehung zwischen der Gesamtlichtdurchlässigkeit und der Menge an abgeschiedenem Gd2O3 zeigt.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Empfindlichkeitsverhältnis (gegenüber CdWO4) und der Menge an abgeschiedenem Gd2O3 zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Messen der Gesamtlichtdurchlässigkeit.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Messen des Empfindlichkeitsverhältnisses.

Der Grund, weswegen der in Anspruch 1 angegebene Wert für das Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnis nicht kleiner als 0,5 sein darf, ist, daß die Lichtdurchlässigkeit und das Lichtemissionsvermögen des Szintillatormaterials abnehmen, wenn das Verhältnis kleiner als 0,5 ist. Daher darf der Wert für I_Gd2O3/I_Gd2O2S×100 nicht kleiner als 0,5 sein. Vorzugsweise ist er nicht kleiner als 10, und er kann aus praktischen Gesichtspunkten nicht größer als 100 sein.

Obwohl der Mechanismus für das Folgende unklar ist und obwohl angenommen wurde, daß Gd2O3 lediglich eine Verunreinigung ist, die vorzugsweise entfernt werden sollte, hat sich herausgestellt, daß das Vorhandensein von Gd2O3 hinsichtlich des festgestellten Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnisses im Szintillatormaterial den Emissionswirkungsgrad verbessert.

Beim erfindungsgemäßen Szintillatormaterial dient Pr (Praseodym) als lichtemittierendes Element (als Aktivator). Das Pr kann vorzugsweise mit einem Gehalt von 40 ppm bis 4000 ppm vorliegen, bevorzugter zwischen 200 ppm und 2000 ppm.

Die Verwendung von Pr mit einem Anteil von weniger als 40 ppm führt zu einem Absenken der Emissionsleistung auf 70% des Wertes eines Materials, bei dem es mit einem Gehalt von 400 ppm vorhanden ist. Andererseits führt das Verwenden von Pr mit einem Gehalt von mehr als 4000 ppm zum Absenken der Emissionsleistung auf 60% des Wertes für das genannte Material, bei dem es mit 400 ppm vorliegt.

Das aus dem Stand der Technik bekannte Gd2O2S : Pr-Pulver wird zum Herstellen des erfindungsgemäßen Szintillatormaterials verwendet. Es kann auch Ce (Zer) enthalten, um die Nachleuchtdauer noch mehr zu verkürzen, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 4856/1985 angegeben. Das erfindungsgemäße Szintillatormaterial kann durch Sintern bei heißisostatischem Pressen gemäß dem in der Offenlegung Nr. 18286/1988 zu einer japanischen Patentanmeldung offenbarten Verfahren hergestellt werden. Es kann auch eine Sinterhilfe aus z. B. LiGeF, (NH)GeF und/oder NaGeF verwendet werden, wie in der eben genannten Offenlegung beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele und Vergleichsbeispiele spezieller beschrieben.

Beispiele

0,087 g Li2GeF6 (entsprechend 0,1 Gew.-% auf Grundlage eines pulverisierten Szintillatormaterials) wurde zu 87 g des pulverisierten Szintillatormaterials Gd2O2S : Pr mit Ce und mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 40 µm hinzugefügt. Ce wurde so zugesetzt, daß es mit einem Gehalt von etwa 5 ppm vorlag, und F betrug etwa 90 ppm. Der Aktivator Pr wurde mit dem in Tabelle 1 dargestellten variablen Gehalt zugesetzt.

Die erhaltene Pulvermischung wurde in einen Behälter aus reinem Eisen mit einer Breite von 52 mm und einer Länge von 37 mm und einer Dicke von 1 mm (Fassungsvermögen: 21,9 cm3) dicht eingefüllt. Nach dem Entgasen des Behälters durch Erhitzen wurde er vakuumdicht verschlossen. Dann wurde er in eine heißisostatische Presse eingesetzt und heißisostatischem Pressen (HIP) bei 1300°C und 1000 atm (1 atm=0,101 MPa) für 2 Stunden unterzogen. Der hergestellte Sinterkörper wurde dem Behälter nach einem Abkühlvorgang entnommen und dann zu einer Folie mit einer Dicke von 1,135 mm verarbeitet.

Auf diese Weise wurden Beispiele 1 bis 12 und ein Vergleichsbeispiel (1) hergestellt. Tabelle 1



Es wurden die Röntgenbeugungsintensitäten der Szintillatormaterialien des Beispiels 3 und des Vergleichsbeispiels (1) gemessen. Die Messung wurde unter Verwendung von Cu als Röntgentarget mit einer Röntgenröhrenspannung von 40 kV und einem Röntgenröhrenstrom von 120 mA ausgeführt.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 1 bzw. 2 dargestellt. Wie es aus Fig. 1 erkennbar ist, zeigt das Beugungsspektrum für das Szintillatormaterial des Beispiels 3 bei 2R=28.510° eine Beugungslinie für die Ebene (222) von Gd2O3, das für diese seine höchste Beugungsintensität zeigt, während diese Linie im Spektrum des Szintillatormaterials des Vergleichsbeispiels (1) nicht vorhanden ist, wie aus Fig. 2 erkennbar.

In dem in Fig. 1 dargestellten Fall liegt die Beugungslinie, die die Beugungsintensität für die Ebene (101) von Gd2O2S anzeigt, bei 2R=29,964°, wobei der für

I_Gd2O3/I_Gd2O2S×100

erhaltene Wert 5 ist.

Röntgenbeugungsintensitäten für Szintillatormaterialien anderer Beispiele wurden ähnlich gemessen, um die in Tabelle 1 ebenfalls dargestellten Ergebnisse zu erhalten.

Nachfolgend wurden für die Szintillatormaterialen der Beispiele 1 bis 12 und das Vergleichsbeispiel (1) die Gesamtlichtdurchlässigkeit (%) und das Empfindlichkeitsverhältnis gemessen; die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 eingetragen. Zugehörige Daten für die Gesamtlichtdurchlässigkeit (%) sind auch in Fig. 3 dargestellt, und zugehörige Daten für das Empfindlichkeitsverhältnis in Fig. 4.

Messung der Gesamtlichtdurchlässigkeit (%)

Die Gesamtlichtdurchlässigkeit kann auf die folgende Weise gemessen werden.

Wie in Fig. 5 dargestellt, erreicht das von einer kugelförmigen Lichtquelle (Ulbricht-Kugel) 1 (mit 200 mm Durchmesser) abgestrahlte Licht einen Schlitz mit einem Durchmesser von 6 mm, der zwischen der ersten einschließenden Kugel 1und einer zweiten integrierenden Kugel 3 (mit einem Durchmesser von 350 mm) angeordnet ist. Das Licht, das durch den Schlitz gelaufen ist, durchstrahlt eine Meßprobe 4 und tritt in die zweite intergrierende Kugel 3 ein. Dieses Licht wird in der zweiten intergrierenden Kugel 3 vollständig gestreut und erreicht einen Empfänger 5 (eine Si-Photodiode). Das Ausgangssignal der Si-Photodiode 5 wird mit einem Vorverstärker 6 verstärkt und mit einem Digitalvoltmeter 7 gemessen. Ein Abschirmblech 8 ist so angeordnet, daß verhindert werden kann, daß das direkte Licht von der Lichtquelle auf die Probe fällt. Beim Messen jeder Probe wird der Wert als Relativwert angezeigt, wobei angenommen wird, daß der Wert 1 erhalten wird, wenn keine Probe eingesetzt ist.

Messung des Empfindlichkeitsverhältnisses

Das Empfindlichkeitsverhältnis kann auf die folgende Weise gemessen werden.

Fig. 6 veranschaulicht ein Empfindlichkeitsmeßsystem. Eine Röntgenstrahlquelle 11 verwendet W als Röntgentarget, und sie besteht aus einer feststehenden Anodenstrahlröhre, die bei einer Röntgenröhrenspannung von 120 kV und einem Röntgenröhrenstrom von 5 mA betrieben wird. Von dieser Röntgenstrahlquelle 11 abgestrahlte Röntgenstrahlen, die durch ein Cu-Filter 11a (0,1 mm dick) laufen, werden auf einen Kollimator 12 (Durchmesser 9 mm) fokussiert und danach auf eine Meßprobe 13 gestrahlt. An der Oberseite der Probe ist ein fluoreszierender Reflektor 14 befestigt, und die von der Unterseite der Probe 13 herrührende Fluoreszenzstrahlung wird photoelektrisch umgewandelt (das Bezugszeichen 11b bezeichnet ein Röntgenstrahlfilter). Sein Ausgangssignal wird unter Verwendung eines Vorverstärkers 16 verstärkt und von einem Digitalvoltmeter 17 gemessen.

Bei der Messung der Empfindlichkeit jeder Probe wurde die Messung gleichzeitig mit der Messung des Szintillatormaterials CdWO4 ausgeführt, und die Auswertung erfolgte auf Grundlage des Emissionsleistungsverhältnisses, bezogen auf dieses Szintillatormaterial CdWO4.

Wie in Tabelle 1 und den Fig. 3 und 4 dargestellt, zeigen diejenigen Szintillatormaterialien, bei denen die Menge an abgeschiedenem oder zugesetztem

Gd2O3 (I_Gd2O3/I_Gd2O2S×100)

nicht unter 0,5 liegt, eine Gesamtlichtdurchlässigkeit von 75% oder mehr und ein Empfindlichkeitsverhältnis gegenüber CdWO4 von 1,49 oder mehr. Andererseits zeigen Szintillatormaterialien, bei denen die Menge an abgeschiedenem oder zugesetztem

Gd2O3 (I_Gd2O3/I_Gd2O2S×100)

kleiner als 0,5 ist, eine Gesamtlichtdurchlässigkeit von 50% oder weniger und ein Empfindlichkeitsverhältnis gegenüber CdWO4 von 1,0 oder weniger. Daher ist es aus den Meßergebnissen für die Gesamtlichtdurchlässigkeit und das Empfindlichkeitsverhältnis erkennbar, daß die erfindungsgemäßen Gd2O2S : Pr-Szintillatormaterialien eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlen aufweisen, und daß das erzeugte Licht mit hohem Wirkungsgrad durch sie hindurchdringen kann, was bedeutet, daß der Emissionswirkungsgrad insgesamt gut ist.

Wie oben angegeben, ist das erfindungsgemäße Gd2O2S : Pr-Szintillatormaterial, für das der Wert

I_Gd&sub2;O&sub3;/I_Gd&sub2;O&sub2;S×100

nicht kleiner als 0,5 ist, ein solches mit kurzer Nachleuchtdauer und gleichzeitig sehr gutem Emissionswirkungsgrad.


Anspruch[de]
  1. 1. Szintillatormaterial mit Gd2O2S : Pr, das dazu in der Lage ist, Licht bei Bestrahlung auszusenden, und das Gd2O3 mit einem Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnis von nicht weniger als 0,5 aufweist, berechnet gemäß dem folgenden Ausdruck:

    I_Gd2O3/I_Gd2O2S×100

    wobei I_Gd2O3 die Röntgenbeugungsintensität für die Ebene (222) von Gd2O3 repräsentiert und I_Gd2O2S die Röntgenbeugungsintensität für die Ebene (101) von Gd2O2S repräsentiert, gemessen mit Röntgenstrahlung unter Verwendung von Cu als Target und einer Röhrenspannung von 40 kV.
  2. 2. Szintillatormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis

    I_Gd2O3/I_Gd2O2S×100

    nicht kleiner als 1,0 ist.






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