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Dokumentenidentifikation DE69122987T2 06.03.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0456002
Titel Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Erdformationen mittels einzelner Szintillationskristalldetektoren
Anmelder Hitachi Chemical Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Akiyama, Seikichi, Mito-shi, JP;
Utsu, Takeshi, Hitachi-shi, JP;
Ishibashi, Hiroyuki, Hitachi Matsushiro Hausu 402, Tsukuba-shi, JP;
Melcher, Charles L., West Redding, Connecticut 06896, JP;
Schweitzer, Jeffrey S., Ridgefield, Connecticut 06877, JP
Vertreter W. Kraus und Kollegen, 80539 München
DE-Aktenzeichen 69122987
Vertragsstaaten DE, FR, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 11.04.1991
EP-Aktenzeichen 911057974
EP-Offenlegungsdatum 13.11.1991
EP date of grant 06.11.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.03.1997
IPC-Hauptklasse G01T 1/202

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Einkristall-Scintillator, der auf den Gebieten der Radiotherapie, Physik, Biologie, Chemie, Mineralogie, bei der Ölsuche etc. weitverbreitet eingesetzt wird, beispielsweise in der Positronen-CT (Computer-Tomographie) zur medizinischen Diagnose oder zur Messung kosmischer Strahlen oder dem Nachweis von Bodenschätzen.

Da ein Einkristall-Scintillator mit Thalium-dotiertem Natriumiodid [NaI(Tl)], der als Strahlungsdetektor weite Verbreitung fand, relativ niedrige Produktionskosten hat und eine hohe Lichtausgangsleistung als Antwort auf Strahlung liefert, wird er anstelle eines Geiger-Müller-Zählers für viele Anwendungen, einschließlich physikalischer Hochenergiestudien, und als Werkzeug bei der Suche nach Ölvorkommen eingesetzt. Aber er hat viele Nachteile, die Ausbeute der strahlungsdetektion ist, bedingt durch die niedrige Dichte an NaI(Tl), niedrig, was bewirkt, daß die Vorrichtung vergrößert werden muß, die Strahlungszählfähigkeit wird aufgrund einer langen Abklingzeit der Fluoreszenz und dem Nachleuchten, das ein Verschmieren oder Zusammenlaufen der Fluoreszenzsignale verursacht, vermindert und die Handhabung ist bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit wegen des Zerschmelzens schwierig. Um diese Nachteile zu umgehen, erschien ein Scintillator mit Wismutgermanat Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2; (nachfolgend als "BGO" bezeichnet). Der BGO-Scintillator hat eine hohe Dichte und eine hohe Strahlungsabsorptionsrate, aber hat den Nachteil einer niedrigen Lichtausgangsleistung und einer langen Fluoreszenzabklingzeit. Um diese Nachteile zu umgehen, wird in dem japanischen Patent Nr. 61-8472 ein Einkristall-Scintillator mit Cer-dotiertem Gadoliniumsilicat [Gd&sub2;SiO&sub5; : Ce] (nachfolgend als "GSO" bezeichnet) vorgeschlagen. Aber der GSO-Scintillator hat eine Lumineszenz mit einem Wellenlängenmaximum bei 430 nm, was nicht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 420 nm liegt, dem Maximum der spektralen Sensitivität einer Photomultiplier-Röhre mit einer bialkalischen Photokathode, wie sie in Kombination mit diesen Scintillatoren häufig eingesetzt wird, so daß die Licht- Elektrizitätsumwandlung nicht optimal ist. Andererseits schlägt U.S. Patent Nr. 4 883 956 die Verwendung eines GSO-Einkristall-Scintillators in einer Vorrichtung zur Prospektierung von Untergrundschichten vor, aber die Ausführung dieser Vorrichtung ist dazu aufgrund der Eigenschaften von GSO nicht am besten geeignet, beispielsweise ist das Fluoreszenz-Ausgangssignal relativ klein, die Abklingzeit relativ lang (60 ns) und die Lumineszenz-Wellenlänge ist relativ lang.

In der Positronen-CT oder verschiedenen Strahlungsmessungsinstrumenten sollte die Strahlungsabsorptionsrate eines Einkristall-Scintillators eine große Strahlungsabsorptionsrate haben, damit ein Einkristall-Scintillator genügend Strahlung detektieren kann und die Größe der Vorrichtung verringert wird. Da die Ausführung der Apparatur und der Vorrichtungen von der Größe des Fluoreszenz-Ausgangssignals abhängt, ist es weiterhin nötig, das Fluoreszenz- Ausgangssignal zu vergrößern, um das S/N-Verhältnis (Fluoreszenz-Ausgangssignal/Rauschverhältnis) der Bilder in einer Bildverarbeitungsvorrichtung zu verbessern. Des weiteren ist es notwendig, die Abklingzeit zu verkürzen, um in der Ausführung die Zählrate zu verbessern, die durch Pulsanhäufung beeinflußt wird. Um das Fluoreszenz-Ausgangssignal effektiv zu benutzen, ist es außerdem besser, die Wellenlänge der Photomultiplier-Röhre mit der maximalen spektralen Sensitivität auf die Lumineszenz-Wellenlänge des Einkristall-Scintillators abzustimmen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Lumineszenz-Wellenlänge der bekannten Einkristall-Scintillatoren zu verbessern.

US 4 647 781 betrifft einen Gamma-Strahlendetektor, der unter anderem für den Einsatz in einem Positronen-CT geeignet ist, umfassend einen Scintillator, hergestellt aus einem Einkristall aus Cer-aktiviertem Gadoliniumsilicat, der durch die allgemeine Formel Gd2(1-x-y)Ln2xCe2ySiO&sub5; ausgedrückt wird (worin Ln mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Yttrium und Lanthan, bedeutet und x und y in den Bereichen, ausgedrückt durch die Formeln 0≤x≤0,5 und 1x10&supmin;³≤y≤0,1, liegen).

FR-A-2 634 628 betrifft Lanthansilicat-Einkristall-Scintillatoren zur Detektion von Röntgenstrahlen mit der folgenden Formel:

worin Ln und Ln', die unterschiedlich sind, ein Element, ausgewählt aus La, Gd, Yb und Lu, bedeuten und worin x&sub1;, x&sub2; und x&sub3; die folgenden Werte besitzen:

0≤x&sub1;< 1

0≤x&sub2;≤0,05

0≤x&sub3;≤0,05

0< x&sub2;+x&sub3;≤0,1

0< x&sub1;+x&sub2;+x&sub3;< 1

DATABASE WPIL, Week 895, Derwent Publications Ltd., London GB; AN 89-0335003 & JP-A-63 307 380, Dezember 1988 offenbart den folgenden Strahlendetektor:

worin RE mindestens ein Seltenerdenmetall ist, dessen Menge höchstens 0,02 beträgt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einkristall-Scintillator und eine Vorrichtung zur Prospektierung von Erdformationen zur Verfügung zu stellen, die diesen Scintillator verwendet, die oben genannten Probleme löst und eine Lumineszenz-Wellenlänge in guter Übereinstimmung mit der Wellenlänge zeigt, bei der eine Photomultiplier-Röhre mit einer Bialkali-Photokathode das Maximum in ihrer spektralen Sensitivität aufzeigt.

Die vorliegende Erfindung stellt einen Einkristall-Scintillator zur Verfügung, umfassend eine Cer-dotierte Gadoliniumsilicatverbindung, entsprechend der Formel:

Gd2-(x+y)LuxCeySiO&sub5;,

worin x ein Wert zwischen 0,03 und 1,9 ist und y ein Wert zwischen 0,001 und 0,2 ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Prospektierung von Erdformationen, umfassend ein Prospektierelement, das in einem Loch beweglich ist, einem Detektor, der den Einkristall-Scintillator zum Nachweis von Strahlung enthält und der von dem Prospektierelement getragen wird, und eine verbindende Vorrichtung zur Erzeugung und Aufzeichnung von Signalen, die mindestens eine der Strahlungseigenschaften, die von dem Detektor nachgewiesen werden, aufzeigt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematische Darstellung, die die Struktur einer Vorrichtung zur Prospektierung von Erdformationen unter der Oberfläche zeigt, die den erfindungsgemäßen Einkristall-Scintillator verwenden. Figuren 2 und 3 sind Diagramme, die die Lumineszenz-Wellenlängenverteilung und die Fluoreszenz-Abklingeigenschaften des erfindungsgemäßen Einkristall-Scintillators zeigen.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die genannten Erfinder führten Studien zur Beziehung zwischen der Einkristall-Zusammensetzung, der Cer-Konzentration und der Einkristall-Scintillator-Eigenschaften durch und fanden, daß es effektiv ist, einen Teil des Gadoliniums durch ein Element mit einem Ionenradius kleiner als der von Gadolinium zu ersetzen, um einen Einkristall-Scintillator mit einer Lumineszenz-Wellenlänge nahe der Wellenlänge der maximalen spektralen Sensitivität der Photomultiplier-Röhre, zu erhalten.

Der erfindungsgemäße Einkristall-Scintillator umfaßt eine Cer-dotierte Gadoliniumsilicatverbindung entsprechend der Formel:

Gd2-(x+y)LuxCeySiO&sub5;,

worin x ein Wert zwischen 0,03 und 1,9 ist und y ein Wert zwischen 0,001 und 0,2 ist.

Ist erfindungsgemäß der Wert von y in der oben erwähnten allgemeinen Formel kleiner als 0,001, so wird das Fluoreszenz-Ausgangssignal kleiner, während, wenn y größer als 0,2 ist, sich die Kristalle leicht färben, was die Lichtdurchlässigkeit verschlechtert. Der Wert von y im Bereich von 0,003 bis 0,02 ist vorzuziehen, da hier das Fluoreszenz-Ausgangssignal am größten ist. Ist andererseits der Wert von x kleiner als 0,03, so ist die Lumineszenz-Wellenlänge des Einkristall-Scintillators zur Wellenlänge der maximalen spektralen Sensitivität der Photomultiplier- Röhre verschoben. Ist x größer als 1,9, können keine Kristalle von guter Qualität erhalten werden. Der Vorzugswert von x ist im Bereich von 0,1 bis 0,7, in diesem Bereich können Kristalle von bester Qualität erhalten werden.

Die Verwendung des Elements Lu anstelle von Ln ist vorzuziehen, weil die Lumineszenz-Wellenlänge des resultierenden Einkristalls am nächsten zur wellenlänge der maximalen spektralen Sensitivität der Photomultiplier-Röhre liegt.

Die erfindungsgemäßen Einkristalle können nach konventionellen Verfahren, wie dem Czochralski-Verfahren oder ähnlichen, hergestellt werden. Da der Schmelzpunkt von Cerdotierter Gadoliniumsilicatverbindungen hoch ist, ungefähr 1900ºC, wird ein Schmelztiegel aus Iridium oder ähnliches verwendet. Die Anzahl der Durchläufe, das atmosphärische Gas oder ahnliches werden zweckmäßig ausgewghlt, abhängig von den Bedingungen, und es gibt hierbei keine speziellen Limitierungen. Da Iridium schnell verdampft, wenn es bei hoher Temperatur der Luft ausgesetzt wird, verwendet man ein Inertgas, wenn ein Iridium-Schmelztiegel verwendet wird.

Der oben erwähnte Einkristall-Scintillator wird erfolgreich in Vorrichtungen zur Prospektierung von Bodenschätzen eingesetzt, im besonderen für Öl und dergleichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prospektierung von Erdformationen umfaßt ein Prospektierelement, ausgerüstet mit einer Strahlungsdetektiervorrichtung und einer kombinierten Vorrichtung zur Umwandlung des detektierten Lichtes in ein Signal und um dieses aufzuzeichnen. Die Detektiervorrichtung umfaßt einen Einkristall-Scintillator, einen Container, ein Reflexionsmaterial, eine Photomultiplier-Röhre und ähnliches. Der Einkristall-Scintillator ist in einem Container untergebracht, der Strahlungen, wie z.B. Gamma- Strahlen, transmittieren kann. Eine Oberfläche des Einkristall-Scintillators ist mit der Photomultiplier-Röhre verbunden, und eine andere Oberfläche ist mit Polytetrafluorethylen, Bariumsulfatpulver, Magnesiumoxidpulver, Aluminiumfolie, Titanoxid, Farbe oder ähnlichem als reflektivem Material beschichtet, um soviel wie möglich des erzeugten Lichtes der Verbindungsoberfläche auf der Photomultiplier-Röhre zu sammeln. Der Einkristall-Scintillator kann direkt mit der Photomultiplier-Röhre verbunden werden oder kann mit der Photomultiplier-Röhre über eine Lichtleiterröhre, einer optischen Faser, einer Linse, einem Spiegel usw. verbunden werden. Die Photomultiplier-Röhre ist des weiteren mit einem Verstärker, einem Aufzeichnungsgerät usw. verbunden, die nach konventionellen Verfahren als Kombinationsvorrichtungen verwendet werden.

Die folgenden Gründe scheinen für die Verkürzung der Lumineszenz-Wellenlänge durch den partiellen Austausch des Gadoliniums mit einem Element mit einem kleineren Ionenradius als der von Gadolinium verantwortlich zu sein. Die Intensität der Kristallfeld beeinflussenden Cer-Ionen, die Lumineszenzzentren sind, wird bestimmt durch den Austausch von Gadolinium oder einem anderen Element für einen Teil des Gadoliniums um die Cer-Ionen herum. Dadurch wird, falls das Element um das Cer-Ion herum anstelle von Gadolinium durch ein Element mit einem kleineren Ionenradius als Gadolinium ausgetauscht wird, der Ionenraum für die Cer-Atome vergrößert. Dadurch wird die Intensität des Kristallfeldes auf die Cer-Ionen an dieser Stelle scheinbar abgeschwächt. Die Lumineszenz der Cer-Ionen basiert auf dem Energietransfer des 5d-Energieniveaus auf das 4f-Energieniveau. Das 5d-Energieniveau in einem Kristall spaltet sich in Abhängigkeit von der Intensität des Kristallfeldes auf und die Größe der Energielücke des Emissionsüberganges wird kleiner, wenn die Intensität des Kristallfeldes stärker wird. Falls das Kristallfeld schwach ist, ist somit die Energielücke relativ groß. Falls die Energielücke des Emissionsübergangs größer wird, vergrößert sich die Energie der freigesetzten Photonen. Dadurch wird die Lumineszenz-Wellenlänge verkürzt.

Durch den Austausch eines Teils des Gadoliniums mit dem weiteren Element Ln wird, wie oben erwähnt, die Lumineszenz-Wellenlänge des Einkristalls scheinbar nahe an die zugehörige wellenlänge des Maximums der spektralen Sensitivität einer Bialkali-Photomultiplier-Röhre verschoben.

Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Ausgangs-Oxidmaterialien von Gd&sub2;O&sub3;, Lu&sub2;O&sub3;, CeO&sub2; und SiO&sub2;, jeweils mit einer Reinheit von 99,99 bis 99,999%, wurden gemischt und ergaben eine Zusammensetzung von

Gd1,495Lu0,5Ce0,005SiO&sub5;

(nachfolgend als "LuGSO" bezeichnet). 450 g des Gemischs wurden in einen Iridium-Schmelztiegel eingebracht (Durchmesser 50 mm, Höhe 50 mm) und unter einer Stickstoffatmosphäre auf etwa 1900ºC mit einer Hochfrequenzheizung erhitzt. Das Wachstum des Einkristalls wurde nach dem Czochralski-Verfahren durchgeführt, bei einer Kristallzugrate von 1 mm/h und einem Umlauf von 35 UpM.

Ein Impfkristall wurde in die Schmelze mit einer Oberflächentemperatur von 1890ºC (mit einem Pyrometer gemessen) eingetaucht und allmählich, während er sich drehte, heraufgezogen, wobei der Einkristall unter dem Impfkristall wuchs. Als Ergebnis erhielt man einen Einkristall mit einem Durchmesser von etwa 25 mm, einer Länge von etwa 60 mm und einem Gewicht von etwa 300 g. Der Einkristall war farblos und transparent.

Vergleichsbeispiel 1

Oxid-Ausgangsmaterialien von Gd&sub2;O&sub3; und CeO&sub2; und SiO&sub2;, jeweils mit einer Reinheit von 99,99 bis 99,999%, wurden gemischt und ergaben eine Zusammensetzung

Gd1,995Ce0,005SiO&sub5;

(nachfolgend als "GSO" bezeichnet). Das 450 g wiegende Gemisch wurde in einen Iridium-Schmelztiegel eingebracht und der Kristall wurde nach dem Czochralski-Verfahren unter einer Stickstoffatmosphäre auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, gezüchtet. Der so erhaltene GSO- Einkristall war farblos und transparent.

Jede Probe, die nach Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurde, hatte eine Größe von 10 x 10 x 10 (mm), nachdem sie aus den Einkristallen herausgeschnitten wurde und wurden poliert, um eine spiegelähnliche Oberfläche zu erhalten. Die Lumineszenz-Wellenlänge wurde bestimmt. Die Lichtausgangsleistung wurde bestimmt mit 137Cs als Strahlungsquelle. Als Photomultiplier-Röhre wurde eine R878, hergestellt von Hamamatsu Photonics Co., verwendet.

Die Ergebnisse der Messungen und weitere Eigenschaften sind in Tabelle 1 und den Figuren 2 und 3 dargestellt. Figur 2 zeigt die Lumineszenz-Wellenlängenverteilung und Figur 3 zeigt die Scintillations-Abklingeigenschaften.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 und den Figuren 2 und 3 ersichtlich wird, beträgt die Lumineszenz-Wellenlänge von LuGSO aus Beispiel 1 416 nm und ist nach kürzeren Wellenlängen verschoben, verglichen mit dem bekannten Betrag von 430 nm für GSO (Vergleichsbeispiel 1). Dadurch verbessert sich die Eignung für die spektrale Sensitivität von Bialkali- Photomultiplier-Röhren, wodurch der Strahlungsnachweis vorteilhaft ausgeführt werden kann. Des weiteren besitzt LuGSO eine doppelt so schnelle Abklingzeit. Zusätzlich hat LuGSO eine doppelt so hohe Lichtausgangsleistung und, verglichen mit dem bekannten GSO, eine höhere Dichte. Ferner ist LuGSO im Gegensatz zu NaI(Tl) nicht hygroskopisch und weist gute Ergebnisse auf.

Beispiel 2

Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Beispiel für eine Vorrichtung zur Prospektierung von Untergrundschichten (oder Erdformationen unter der Oberfläche) beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Strahlungsdetektor, eingebettet in ein Prospektierelement, das in einem Loch, welches in eine Schicht gegraben wurde, beweglich ist. In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den erfindungsgemäßen Einkristall-Scintillator, untergebracht in einem Behälter 2 aus Aluminium, der die Transmission von Gamma-Strahlen erlaubt. Eine endstgändige Oberfläche 4 des Scintillators 1 ist optisch verbunden mit einer photosensitiven Oberfläche einer Photomultiplier-Röhre 6. Eine weitere endständige Oberfläche 3 des Scintillators 1 ist mit Bariumsulfatpulver als reflektierendem Material bedeckt. Der Scintillator 1 emittiert Licht in Abhängigkeit von der einfallenden Menge an Gamma-Strahlen. Das emittierte Licht wird direkt oder durch das Reflexionsmaterial reflektiert und gelangt in die Photomultiplier-Röhre 6, in der das eingefallene Licht in elektrische Signale umgewandelt wird, die über ein Bleikabel 5 an einen Impulsamplitudenverstärker geleitet werden, wie es durch den Pfeil angezeigt wird, gefolgt von Anzeige und Aufzeichnung. Die Photomultiplier-Röhre 6 ist des weiteren mit einer elektrischen Hochspannungsquelle über einen Bleidraht 5' verbunden, wie es der Pfeil zeigt.

Der erfindungsgemäße Einkristall-Scintillator hat eine starke Emission bei der Wellenlänge des Maximums der spektralen Sensitivität einer Bialkali-Photomultiplier-Röhre, verglichen mit bekannten GSO-Einkristall-Scintillatoren. Ferner ist die Lichtausgangsleistung und die Abklingzeit exzellent im Vergleich zu den bekannten GSO-Einkristall- Scintillatoren. Im besonderen hat LuGSO, bei dem ein Teil des Gadoliniums durch Lutetium ersetzt ist, eine doppelt so hohe Lichtausgangsleistung und eine halb so hohe Abklingzeit wie das bekannte GSO.

Aus diesem Grund ist der erfindungsgemäße Einkristall- Scintillator den bekannten GSO-Einkristall-Scintillatoren in vielen Eigenschaften überlegen, die für die Verwendung als Gamma-Strahlendetektor wichtig sind, beispielsweise Lichtausgangsleistung, Energieauflösung, Effizienz der Detektion von Hochenergiephotonen, Scintillator-Abklingzeit, dem Abgleich des Emissionsspektrums an die Antwort der Photomultiplier-Röhre etc.

Demgemäß kann der erfindungsgemäße Einkristall-Scintillator günstig in der Positronen-CT und verschiedenen Strahlungsmessungsvorrichtungen verwendet werden, vor allem in Vorrichtungen zur Forschung von Erdformationen unter der Oberfläche.


Anspruch[de]

1. Einkristall-Scintillator, umfassend eine Cer-dotierte Gadolinium-Silicat-Verbindung, entsprechend der Formel:

Gd2-(x+y)LuxCeySiO&sub5;

worin x ein Wert zwischen 0,03 und 1,9 ist; und y ein Wert zwischen 0,001 und 0,2 ist.

2. Einkristall-Scintillator nach Anspruch 1, worin x ein Wert zwischen 0,1 und 0,7 ist.

3. Einkristall-Scintillator nach Anspruch 1 oder 2, worin y ein Wert zwischen 0,003 und 0,02 ist.

4. Vorrichtung zur Prospektierung von Erdformationen, umfassend ein Prospektierelement, das in einem Loch beweglich ist, einem Detektor, der den Einkristall-Scintillator nach Anspruch 1, 2 oder 3 zum Nachweis von Strahlung enthält, und der von dem Prospektierelement getragen wird, und eine verbindende Vorrichtung zur Erzeugung und Aufzeichnung von Signalen, die mindestens eine der Strahlungseigenschaften, die von dem Detektor nachgewiesen werden, aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin der Detektor ein mit einem Scintillator kombinierter Photodetektor ist und emittiertes Licht aus dem Scintillator in elektrische Signale umwandelt.

6. Einkristall-Scintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Scintillator Licht in Abhängigkeit der einfallenden Menge an γ-Strahlen emittiert.







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