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Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen neuartigen Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung, einen Szintillator, einen Strahlungsdetektor unter Verwendung eines solchen Einkristalls sowie ein Verfahren zum Erfassen von Strahlung. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung einen Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung und zur Verwendung in einer medizinischen Diagnosevorrichtung wie bei Röntgen-Computertomographie (Röntgen-CT), Positronenemissions-Computertomographie (PET) oder Flugzeit-Positronenemissions-Computertomographie (TOF-PET) sowie einen Strahlungsdetektor.

Herkömmlicherweise wird Strahlung auf verschiedenen industriellen Gebieten angewandt, wie bei medizinischer Diagnose und störungsfreier Diagnose. Dazu wurden medizinische Diagnosevorrichtungen wie Röntgen-CT und PET in den praktischen Gebrauch gebracht. Derartige Vorrichtungen unter Verwendung von Strahlung verfügen über einen Detektor zum Erfassen von Strahlung, wie &ggr;-Strahlung oder Röntgenstrahlung, und bei einer bekannten Detektorart wird ein Szintillator verwendet.

Ein Szintillator ist eine Substanz, die durch Simulation durch &ggr;- oder Röntgenstrahlung sichtbares Licht oder eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge in der Nähe derjenigen von sichtbarem Licht abstrahlt. So muss ein Szintillator über hohe Dichte, eine kurze Abklingperiode der Lumineszenz, hervorragende Strahlungsbeständigkeit usw. verfügen.

Herkömmlicherweise wurde als Szintillatormaterial zur Verwendung bei PET ein Bismuthgermanat(Bi4Ge3O12; BGO)-Einkristall verwendet. Das Dokument JP-B-62-8472 offenbart, dass auch ein Cer-dotierter Gadoliniumsilicat(Ce:Gd2SiO5)-Einkristall verwendet wurde, um hervorragendes Funktionsvermögen zu erzielen, und dass dieser in der Praxis verwendet wird.

Die US-Patente Nr. 4,958,080 und 5,025,151, das Dokument JP-A-9-118593 und andere Dokumente offenbaren, dass ein Cer- dotierter Lutetiumoxyorthosilicat(Ce:Lu2SiO5)-Einkristall auf Grundlage umfangreicher Untersuchungen entwickelt wurde, um noch besseres Funktionsvermögen zu erzielen, und dass ein solcher in der Praxis als eines der vielversprechendsten Szintillatormaterialien verwendet wird.

Im Vergleich mit einem Szintillator zur Verwendung bei PET muss ein bei TOF-PET verwendeter Szintillator über höhere zeitliche Auflösung verfügen. Daher wird bei TOF-PET derzeit CsF verwendet, und die Verwendung von BaF2, das allgemein als Material für optische Linsen hergestellt wird, ist auf dem Weg. Jedoch zeigt CsF den Nachteil, dass es zerfließt, und BaF2 ist dahingehend nachteilig, dass es die bei einem TOF-PET nutzbare Lumineszenz in einem UV-Bereich nur mit kurzer Lebensdauer emittiert, weswegen entsprechende Erfordernisse hinsichtlich eines UV-Detektors bestehen, und dass vom Fluorid emittiertes verzögertes, starkes Licht den Detektor zerstört.

Neben den oben genannten Einkristallen wurde eine Anzahl keramischer Materialien zur Verwendung als Szintillator untersucht. Das Dokument JP-B-59-45022 offenbart polykristalline Materialien (Keramikmaterialien) wie BaFCl:Eu, LaOBr:Tb, CsI:Tl, CaWO4, und CdWO4. Das Dokument JP-A-59-27283 offenbart polykristalline Seltenerdmetalloxid-Materialien (Keramikmaterialien) mit kubischer Kristallstruktur wie (Gd, Y)2O3:Eu. Das Dokument JP-A-58-204088 offenbart polykristalline Seltenerdmetalloxidsulfid-Materialien (Keramikmaterialien) wie Gd2O2S:Pr.

Da derartige keramische Szintillatormaterialien durch Sintern eines Pulvermaterials hergestellt werden, wurde eine Anzahl von Vorgehensweisen gewählt, um die Transparenz (Lichtdurchlässigkeit), Sinterbarkeit usw. zu verbessern. Zum Beispiel offenbart das Dokument JP-A-7-188655, dass die in einem Keramikphosphor wie Gd2O2S:Pr enthaltene Verunreinigungsmenge (insbesondere Phosphat (PO4)) auf 100 ppm oder weniger verringert wird, um dadurch die Lichtausgangsmenge des Szintillators zu verbessern. Das Dokument JP-P-5-16756 offenbart einen Keramikleuchtstoff mit erhöhter Dichte, der dadurch hergestellt wird, dass, als Sinterhilfe, ein Fluorid wie LiF, Li2GeF6 oder NaBF4 zu einem Seltenerdmetalloxidsulfid-Pulver zugesetzt wird und das Pulvergemisch unter Bedingungen zu isostatischem Heißpressen (HIP) gesindert wird.

Wie oben beschrieben, wurde eine Anzahl von Substanzen wie Oxid-Einkristallen und Keramiken zur praktischen Verwendung als Szintillator untersucht. Jedoch wurde bisher keine Substanz mit besseren Eigenschaften als denen von Ce:LSO gefunden, und die Forschung auf diesem Gebiet ist nun auf einem Totpunkt angekommen. Hinsichtlich eines Szintillators zur Verwendung bei TOF-PET wurde noch nie eine bessere Substanz als CsF vorgeschlagen.

Da ein Fluorid-Einkristall in einem großen Wellenlängenbereich hohe Lichttransmission, ein kleines Kristallfeld und einen negativen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex aufweist, handelt es sich um einen vielversprechenden Kandidaten als in einem Laser verwendbares Material. Jedoch wurden die meisten Einkristalle neben CsF- und BaF2-Einkristallen nicht zur Verwendung als Strahlungserfassungsmaterialien wie als Szintillator untersucht. Andererseits bestehen für Fluorid-Einkristalle Schwierigkeiten bei der Herstellung, wie beim Kontrollieren der Atmosphäre bei der Herstellung, der Temperatur bei der Herstellung, der Reinheit der Ausgangsmaterialien und der Zusammensetzung derselben. So ist es schwierig, einen großvolumigen Fluoridkristall herzustellen. Unter derartigen Umständen haben die Erfinder bereits eine Technik zum Herstellen von Einkristallen hoher Qualität entwickelt, und sie haben einige Fluorid-Einkristalle hergestellt. Insbesondere offenbart das Dokument JP-B-3062753 eine von den Erfindern entwickelte Technik zum Herstellen von Einkristallen hoher Qualität auf sichere und einfache Weise. Das Dokument JP-B-3089416 offenbart Lithiumcalciumaluminiumfluorid, das als Laser-Einkristall dient. Das Dokument JP-B-3168294 offenbart einen Bariumlithiumfluorid-Einkristall. Außerdem wurde berichtet, dass Lithiumcalciumaluminiumfluorid Eigenschaften aufweist, die es zur Verwendung als Szintillator geeignet machen, nämlich in "Scintillation decay of LiCaAlFe6:Ce3+ single crystals", von M. Nikl, N. Solovieva, E. Mihokova, M. Dusek, A. Vedda, M. Martini, K. Shimamura und T. Fukuda, Phys. Stat. Sol. (a) 187 (2001) R1–R3; sowie ferner in "LiCaAlF6:Ce crystal: a new scintillator", von A. Gektin, N. Shiran, S. Neicheva, V. Gavrilyuk, A. Bensalah, T. Fukuda und K. Shimamura, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002) 274–277. Jedoch besteht bei Lithiumcalciumaluminium-Fluorid das Problem, dass die Dichte den niedrigen Wert von 2,94 g/cm3 aufweist und der Absorptionskoeffizient für &ggr;-Strahlung klein ist. Indessen liegt bei einem Cerfluorid-Einkristall die Lumineszenzwellenlänge im UV-Bereich. Da Cerfluorid in Form farbloser, transparenter Einkristalle hergestellt werden kann, tritt keine Absorption durch Streuung auf, was für hervorragende Eigenschaften bei der Lumineszenzlebensdauer sorgt. Das Dokument JP-B-2000-290097 offenbart einen Einkristall aus Cerfluorid, das als vielversprechender Kandidat für einen Szintillator untersucht wurde. Jedoch ist die Emissionsausgangsleistung problematisch niedrig, nämlich nur die Hälfte derjenigen von BGO.

Die Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen zu Materialien zum Erfassen von Strahlung ausgeführt, und sie haben herausgefunden, dass die Emissionsausgangsleistung von Cerfluorid, wenn es mit &ggr;-, Röntgen- oder ähnlicher Strahlung bestrahlt wird, dadurch drastisch verbessert werden kann, dass in das Cerfluorid mindestens eines der Elemente Lutetium (Lu) und Gadolinium (Gd) eingebaut wird, damit das sich ergebende Fluorid eine Zusammensetzung aufweist, die durch Ce1-xR1xF3 (0,001 ≤ x ≤ 0,5) repräsentiert ist, und sie haben herausgefunden, dass das erhaltene Fluorid als Material zum Erfassen von Strahlung, wie als Szintillator, geeignet ist. Die Erfindung wurde auf Grundlage dieser Erkenntnisse geschaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung mit hoher Lumineszenzintensität zu schaffen. Eine andere Aufgabe ist es, einen aus einem Fluorid-Einkristall bestehenden Szintillator zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen einen solchen Fluorid-Einkristall verwendenden Strahlungsdetektor zu schaffen. Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Verwendung eines solchen Fluorid-Einkristalls zu sorgen. Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen von Strahlung zu schaffen.

Diese Aufgaben sind hinsichtlich des Fluorid-Einkristalls durch die Lehre des Anspruchs 1, hinsichtlich des Szintillators durch die Lehre des Anspruchs 3, hinsichtlich des Strahlungsdetektors durch die Lehre des Anspruchs 4, hinsichtlich der Verwendung durch die Lehre des Anspruchs 5 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des Anspruchs 6 gelöst.

Verschiedene andere Aufgaben, Merkmale und viele der zugehörigen Vorteile der Erfindung werden leicht ersichtlich werden, wenn diese unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen besser verständlich wird.

1 ist ein Diagramm, das Röntgenlumineszenzspektren von Einkristallen für Beispiele und Vergleichsbeispiele zeigt;

2 ist ein Diagramm, das &ggr;-Strahlungs-Energiespektren von Einkristallen des Beispiels 3 und des Vergleichsbeispiels 5 zeigt;

3 ist ein Diagramm, das Lumineszenzabklingmessungen für Einkristalle gemäß dem Beispiel 3 zeigt;

4 ist ein Diagramm, das Lumineszenzabklingmessungen für Einkristalle gemäß dem Vergleichsbeispiel 5 zeigt; und

5 ist ein Diagramm, das den Gd-Gehalt von Einkristallen der Beispiele 4 bis 7 zeigt, wie sie durch EDS bestimmt wurden.

Ein erfindungsgemäßer Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung wird aus einem Cerfluorid-Einkristall mit R1-Substitution (nachfolgend als "R1:CeF3" bezeichnet) hergestellt, der auf CeF3 beruht, wobei ein Teil der Ce-Atome durch Lu und/oder Gd substituiert ist, was durch Ce1-xR1xF3 (0,001 ≤ x ≤ 0,5) repräsentiert. Da Lu oder Gd wegen ihrer hohen Atomdichte selbst kein oder nur wenig Licht emittieren, erzeugt eine teilweise Substitution von Ce-Atomen in CeF3 einen Fluorid-Einkristall, der eine hohe Einkristallintensität zum Erfassen von Strahlung liefert. Wenn x kleiner als 0,001 oder größer als 0,5 ist, wird der Effekt der Verbesserung der Lumineszenzintensität unbedeutend. Im letzteren Fall können im Kristall auch Risse entstehen. Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen derartiger Fluorid-Einkristalle besteht keine Einschränkung, solange für die oben genannte Zusammensetzung gesorgt ist.

Lutetium (Lu) und Gadolinium (Gd) werden vorzugsweise in Fluoridform eingebaut. Selbstverständlich werden vorzugsweise Lutetiumspezies und Gadoliniumspezies ohne Absorption im Bereich der Lumineszenzwellenlänge verwendet.

Außerdem zu mindestens einem Element R2 in Form von Lu und Gd können Ce-Atome ferner durch mindestens ein Element R2 ersetzt werden, das aus Scandiurn (Sc), Yttrium (Y) und Lanthan (La) ausgewählt ist. Ähnlich wie Lu und Gd verfügen diese drei Elemente Sc, Y und La über eine Elektronenkonfiguration, bei der das äußerste d-Orbital ein Elektron aufnimmt und das äußerste s-Orbital mit Elektronen gefüllt ist. Diese Elektronenkonfiguration ist zum Erzeugen von Lumineszenz geeignet. Die Ce-Atome können in einem Ausmaß von ungefähr 95 mol-% durch R2 ersetzt werden.

Wenn der erfindungsgemäße Fluorid-Einkristall Sc, Y oder La enthält, ist er durch (Ce1-xR1x)1-yR2yF3 (0,001 ≤ x ≤ 0,5) repräsentiert. Das y in der Formel hat den Wert 0,95 oder weniger, vorzugsweise 0,7 oder weniger, und noch bevorzugter 0,005 bis 0,5. Wenn y kleiner als 0,005 oder größer als 0,95 ist, ist der Effekt einer Verbesserung der Lumineszenzintensität unbedeutend.

Um die Intensität der Lumineszenz zu verbessern, wie sie von einem Fluorid-Einkristall durch Absorption von Strahlung erzeugt wird, um dadurch die Szintillatoreigenschaften zu verbessern, können abhängig von den Erfordernissen weitere Dotierstoffe in das Fluorid eingebaut werden. Die Dotierstoffe können in Fluoridform zugesetzt werden. Zu Beispielen derartiger Dotierstoffe gehören Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Europium (Eu), Thulium (Tm), Holmium (ho), Erbium (Er), Terbium (Tb) und Disprosium (Dy). Ferner kann, um eine Rotverschiebung der Lumineszenz zu erzielen, ein Dotierstoff wie Barium (Ba) in das Fluorid eingebaut werden. Die Verwendung der Dotierstoffe ist von E. Auffray et al. in "Nuclear Instruments and Methods" in Physics Research A 383 (1996) 367 – 390) beschrieben. Ein derartiger Dotierstoff wird mit einer Menge von z. B. ungefähr 0, 01 mol-% bis 1 mol-% zugesetzt. Da ein derartiger Dotierstoff eine Variation der Lumineszenzlebensbauer verursachen kann, muss er geeignet abhängig von den gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden.

Der erfindungsgemäße Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung wird z. B. als in einem PET- oder TOF-PET-Detektor eingesetzter Szintillator verwendet. Daher muss das Fluorid als gleichmäßiger, voluminöser Kristall hoher Qualität hergestellt werden. Ein derartiger voluminöser Kristall wird vorzugsweise durch das folgende Herstellverfahren hergestellt.

Genauer gesagt, wird ein erfindungsgemäßer Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung vorzugsweise durch Schmelzungszüchtung oder Lösungszüchtung hergestellt. Im Fall der Herstellung von R1:CeF3 gemäß der Erfindung wird die Schmelzungs- oder Lösungszüchtung vorzugsweise gemäß der folgenden Prozedur ausgeführt. Quellen polykristallinen Fluorids (CeF3, R1F3 usw.) in Pulver- oder Brockenform werden von der Raumtemperatur auf eine Temperatur erwärmt, die dem niedrigsten Schmelzpunkt der Quellen entspricht oder darunter liegt, z. B. 500 bis 800°C, während ein Hochvakuum von 10–4 bis 10–5 Torr (1 Torr = 1,333 hPa) aufrechterhalten wird. Nach Abschluss des Zuführens von Argon und eines Freongases wie CF4 zum Ofen (Volumenverhältnis Freongas : Argongas = 100 : 0 bis 0 : 100) wird das Gemisch auf eine Temperatur erhitzt, die dem höchsten Schmelzpunkt der Quellen entspricht oder höher liegt, um dadurch eine Reaktion einer in der Schmelze oder der Lösung erzeugten oder vorhandenen Verunreinigung an der Oberfläche der Schmelze oder der Lösung mit dem Gas zu induzieren, um die Verunreinigung zu beseitigen. Der Fluorid-Einkristall wird aus der so hergestellten Schmelze oder Lösung gezüchtet.

Wenn das oben genannte Herstellverfahren verwendet wird, können Einkristalle hoher Qualität auf einfachere Weise als durch ein herkömmliches Verfahren selbst dann hergestellt werden, wenn eine Fluoridquelle mit einer Reinheit von nur 99,9 Gew.-% verwendet wird. Der erfindungsgemäße Fluorid-Einkristall kann aus einer Schmelze oder einer Lösung, aus der eine Verunreinigung entfernt wurde, in einer Inertgasatmosphäre (z. B. Ar) durch Schmelzungs- oder Lösungszüchtung hergestellt werden.

Ein erfindungsgemäßer Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung wird nun detaillierter beschrieben.

Ein erfindungsgemäßer Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung wird durch die folgende Prozedur hergestellt. Es wird ein Tiegel mit polykristallinem oder pulverförmigem Cerfluorid (CeF3), einer Lutetiumquelle (z. B. Lutetiumfluorid (LuF3)) und/oder einer Gadoliniumquelle (z. B. Gadoliniumfluorid (GdF3)) gefüllt, sowie zusätzlich, abhängig von den Erfordernissen, mit einer Dotierstoffquelle und einer Quelle für ein Element R2 (z. B. Scandiumfluorid (ScF3), Yttriumfluorid (YF3) oder Lanthanfluorid (LAF3)). Das Gemisch wird von Raumtemperatur auf ungefähr 500 bis 800°C (d. h. eine vorbestimmte Temperatur nicht über dem niedrigsten Schmelzpunkt) erwärmt, während ein Hochvakuum von ungefähr 10–4 bis 10–5 Torr aufrechterhalten wird, um Wasser und Sauerstoff zu entfernen, wie sie in einem Ofen oder den Quellen enthalten sind. Anschließend werden Argon und ein Freongas, wie CF4 in den Ofen geleitet (Volumenverhältnis Freongas : Argongas = 100 : 0 bis 0 : 100), und das Gemisch wird auf eine Temperatur erhitzt, die dem höchsten Schmelzpunkt der Quellen entspricht oder höher liegt, um dadurch eine Reaktion einer in der Schmelze oder Lösung erzeugten oder vorhandenen Verunreinigung an der Oberfläche der Schmelze oder der Lösung mit dem Freongas zu induzieren, um die Verunreinigung zu beseitigen. Aus der so erzeugten Schmelze oder Lösung wird R1:CeF3 hergestellt.

Für das Verfahren zum Herstellen eines Fluorid-Einkristalls aus der so erzeugten Schmelze oder Lösung besteht keine spezielle Einschränkung, und es kann das Ziehverfahren oder das Bridgmanverfahren verwendet werden. Wenn z. B. das Ziehverfahren verwendet wird, wird die Temperatur der Schmelze in der Nähe der Schmelzpunkte der Rohmaterialien gehalten, und ein Keimkristall wird mit 0,1 bis 10 mm/Std. bei einer Drehzahl von 1 bis 50 U/Min. aus der Schmelze gezogen, um dadurch einen transparenten Fluorid-Einkristall hoher Qualität ohne Defekte wie Blasen und Streuzentren im Kristall zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Fluorid-Einkristall kann auch einfach durch allmähliches Abkühlen der entsprechenden Schmelze hergestellt werden. Wenn die Züchtungsbedingungen geeignet eingestellt werden, kann der Fluorid-Einkristall einfach dadurch hergestellt werden, dass die entsprechende Schmelze allmählich abgekühlt wird, ohne dass ein Keimkristall verwendet würde.

Das so hergestellte R1:CeF3 emittiert Lumineszenz hoher Intensität, wenn es mit Röntgen- oder &ggr;-Strahlung angeregt wird, und daher ist es als Szintillator für PET oder TOF-PET geeignet.

Ein Szintillator, der durch Zuschneiden des R1:CeF3 auf vorbestimmte Abmessungen erhalten wird, wird mit einem Lichtdetektor zusammengebaut, der an die Wellenlänge der Lumineszenz angepasst ist, die durch Absorption von Strahlung wie Röntgen- oder &ggr;-Strahlung emittiert wird (z. B. Photovervielfacher für UV-Strahlung oder sichtbares Licht), um dadurch einen Strahlungsdetektor zu bilden.

Beispiel 1

CeF3 und LuF3 (kommerzielle zu Brocken zerstoßene Materialien, Reinheit von 99,99 %) wurden mit einem Molverhältnis von 90 : 10 in einen Tiegel eingefüllt. Die zwei Verbindungen wurden nicht gut vermischt. Der Tiegel wurde in einem Ofen für Einkristallzüchtung platziert, und der Innendruck wurde auf ungefähr 10–4 bis 10–5 Torr abgesenkt. Bei diesem verringerten Druck wurden die Rohmaterialien auf ungefähr 700°C erwärmt, um im Ofen oder den Quellen enthaltenes Wasser und Sauerstoff zu entfernen. Anschließend wurden Argon und CF4 dem Ofen für Einkristallzüchtung zugeführt (Volumenverhältnis CF4-Gas : Argongas = 50 : 50), und die Rohmaterialien wurden in der Mischgasatmosphäre geschmolzen. Der flüssige Zustand wurde für eine Stunde aufrechterhalten. Verunreinigungen wanderten zur Oberfläche der Flüssigkeit, wo sie durch Reaktion mit dem CF4-Gas vollständig entfernt wurden. Anschließend wurde ein Keimkristall in Kontakt mit der Schmelze gebracht, und er wurde in der Richtung der C- Achse mit einer Ziehgeschwindigkeit von 1 mm/Std. bei 10 U/Min. herausgezogen, um dadurch einen Einkristall zu züchten. Der so hergestellte Kristall war ein transparenter Einkristall hoher Qualität aus Lutetium-substituiertem Cerfluorid (Lu:CeF3) ohne Defekte wie Blasen, Risse und Streuzentren.

Beispiel 2

Die Prozedur des Beispiels 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass das Molverhältnis von CF3 zu LuF3 auf 95 : 5 geändert wurde, um dann einen Einkristall zu züchten.

Beispiel 3

CeF3 und LuF3 (kommerzielle zu Brocken zerstoßene Materialien, Reinheit von 99,99 %) wurden mit einem Molverhältnis von 99 : 1 in einen Tiegel eingefüllt. Die zwei Verbindungen wurden gut vermischt. Der Tiegel wurde in einem Ofen für Einkristallzüchtung platziert, und der Innendruck wurde auf ungefähr 10–4 bis 10–5 Torr abgesenkt. Bei diesem verringerten Druck wurden die Rohmaterialien auf ungefähr 700°C erwärmt, um im Ofen oder den Quellen enthaltenes Wasser und Sauerstoff zu entfernen. Anschließend wurden Argon und CF4 dem Ofen für Einkristallzüchtung zugeführt, und die Rohmaterialien wurden in der Mischgasatmosphäre geschmolzen. Der flüssige Zustand wurde für drei Stunden aufrechterhalten. Verunreinigungen wanderten zur Oberfläche der Flüssigkeit, wo sie durch Reaktion mit dem CF4-Gas vollständig entfernt wurden. Anschließend wurde ein Keimkristall in Kontakt mit der Schmelze gebracht, und er wurde in der Richtung der C- Achse mit einer Ziehgeschwindigkeit von 1,5 mm/Std. bei 10 U/Min. herausgezogen, um dadurch einen Einkristall zu züchten. Der so hergestellte Kristall war ein transparenter Einkristall hoher Qualität aus Lutetium-dotiertem Cerfluorid (Lu:CeF3) ohne Defekte wie Blasen, Risse und Streuzentren, und mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm und einer Länge von ungefähr 70 mm).

Beispiel 4

CeF3 und GdF3 (kommerzielle zu Brocken zerstoßene Materialien, Reinheit von 99,99 %) wurden mit einem Molverhältnis von 90 : 10 in einen Tiegel eingefüllt. Die zwei Verbindungen wurden gut vermischt. Der Tiegel wurde in einem Ofen für Einkristallzüchtung platziert, und der Innendruck wurde auf ungefähr 10–4 bis 10–5 Torr abgesenkt. Bei diesem verringerten Druck wurden die Rohmaterialien auf ungefähr 700°C erwärmt, um im Ofen oder den Quellen enthaltenes Wasser und Sauerstoff zu entfernen. Anschließend wurden Argon und CF4 dem Ofen für Einkristallzüchtung zugeführt, und die Rohmaterialien wurden in der Mischgasatmosphäre geschmolzen. Der flüssige Zustand wurde für drei Stunden aufrechterhalten. Verunreinigungen wanderten zur Oberfläche der Flüssigkeit, wo sie durch Reaktion mit dem CF4-Gas vollständig entfernt wurden. Anschließend wurde ein Keimkristall in Kontakt mit der Schmelze gebracht, und er wurde in der Richtung der C- Achse mit einer Ziehgeschwindigkeit von 1,5 mm/Std. bei 10 U/Min. herausgezogen, um dadurch einen Einkristall zu züchten. Der so hergestellte Kristall war ein transparenter Einkristall hoher Qualität aus Gadolinium-dotiertem Cerfluorid (Gd:CeF3) ohne Defekte wie Blasen, Risse und Streuzentren, und mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm und einer Länge von ungefähr 70 mm).

Beispiel 5

Die Prozedur des Beispiels 4 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass das Molverhältnis von CeF3 zu GdF3 (kommerzielle, zu Brocken zerstoßene Materialien, Reinheit von 99,99 %) auf 95 : 5 geändert wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Beispiel 6

Die Prozedur des Beispiels 4 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass das Molverhältnis von CeF3 zu GdF3 (kommerzielle, zu Brocken zerstoßene Materialien, Reinheit von 99,99 %) auf 97 : 3 geändert wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Beispiel 7

Die Prozedur des Beispiels 4 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass das Molverhältnis von CeF3 zu GdF3 (kommerzielle, zu Brocken zerstoßene Materialien, Reinheit von 99,99 %) auf 99 : 1 geändert wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Vergleichsbeispiel 1

Die Prozedur des Beispiels 2 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass kein LuF3 zugesetzt wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Vergleichsbeispiel 2

Die Prozedur des Beispiels 2 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass ErF3 anstelle von LuF3 verwendet wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Vergleichsbeispiel 3

Die Prozedur des Beispiels 2 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass TmF3 anstelle von LuF3 verwendet wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Vergleichsbeispiel 4

Die Prozedur des Beispiels 2 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass HoF3 anstelle von LuF3 verwendet wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Vergleichsbeispiel 5

Die Prozedur des Beispiels 3 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass kein LuF3 zugesetzt wurde, um dadurch einen Einkristall zu züchten.

Testbeispiel 1

Es wurden Röntgen-Lumineszenzspektren der bei den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellten Einkristalle gemessen. Die Ergebnisse sind in der 1 dargestellt. Wie es aus dieser 1 erkennbar ist, wurde die Einkristallintensität durch Substitution eines Teils von Ce-Atomen in CF3 durch Lu deutlich verbessert. Im Vergleich mit der Intensität des Vergleichsbeispiels 1 (ohne Substitution durch Lu) war die Intensität beim Beispiel 2 verdoppelt und beim Beispiel 1 vervierfacht. Demgegenüber zeigten Einkristalle gemäß den Vergleichsbeispielen 2 bis 4, die Er, Tm bzw. Ho als Substitutionselemente anstelle von Lu enthielten, jeweils eine Lumineszenzintensität unter derjenigen des Vergleichsbeispiels 1 (ohne Substitution durch Lu).

Testbeispiel 2

Die Zusammensetzung des beim Beispiel 3 erhaltenen Fluorid-Einkristalls wurde durch Röntgenfluoreszenzspektroskopie untersucht. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. Die Analyse erfolgte durch ein Spektrometer PW 2404 von Philips. Die Analyse zeigte, dass der Lu-Gehalt des hergestellten Einkristalls niedriger als der Wert war, der aus der Ansatzmenge der Rohmaterialien berechnet wurde. So wird davon ausgegangen, ähnlich wie beim Einkristall des Beispiel 3, dass die Einkristalle der Beispiele 1 und 2 über einen Lu-Gehalt verfügen, der niedriger als der Wert ist, der aus der Einsatzmenge der Rohmaterialien berechnet wird.

TABELLE 1
Testbeispiel 3

Es wurden &ggr;-Strahlungs-Energiespektren der beim Beispiel 3 und beim Vergleichsbeispiel 5 hergestellten Einkristalle gemessen. Die Ergebnisse sind in der 2 dargestellt. Wie es in der 2 dargestellt ist, zeigte der Einkristall des Beispiels 3 ein Höchstenergiepeak, der das 2,7-fache desjenigen des Einkristalls gemäß dem Vergleichsbeispiel 5 war. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lichtausgangsleistung der durch &ggr; -Strahlung im Einkristall des Beispiels 3 induzierten Lumineszenz deutlich im Vergleich zu der beim Vergleichsbeispiel 5 verbessert war.

Testbeispiel 4

Es wurde die Abklingzeit der durch &ggr;-Strahlung in den Einkristallen gemäß dem Beispiel 3 und dem Vergleichsbeispiel 5 induzierten Lumineszenz ermittelt. Die Ergebnisse sind in den 3 und 4 dargestellt. Wie es aus diesen 3 und 4 erkennbar ist, war die Abklingzeit der durch &ggr;-Strahlung induzierten Lumineszenz beinahe gleich groß wie diejenige beim Beispiel 3 und beim Vergleichsbeispiel 5. Die Ergebnisse zeigen, dass erfindungsgemäße Fluorid-Einkristalle eine deutlich bessere Ausgangsleistung der durch &ggr;-Strahlung induzierten Emission ohne Verkürzung der Lumineszenzlebensdauer zeigen.

Testbeispiel 5

Es wurde der Gd-Gehalt jedes der bei den Beispielen 4 bis 7 hergestellten Einkristalle durch EDS (energiedispersive Spektroskopie) ermittelt. Die Ergebnisse sind in der 5 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der jeweilige Gd- Gehalt in den Einkristallen niedriger als der Wert ist, der aus der Ansatzmenge der Rohmaterialien berechnet wurde.

So sorgen, wie oben beschrieben, erfindungsgemäße Fluorid-Einkristalle zum Erfassen von Strahlung für Lumineszenz hoher Intensität, was es wiederum ermöglicht, eine hohe Auflösung zu erzielen.


Anspruch[de]
  1. Fluorid-Einkristall zum Erfassen von Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass er Ce und mindestens eines der Elemente (R1) Lu und Gd enthält und durch Ce1-xR1xF3 (0,001 ≤ x ≤ 0,5) repräsentiert ist.
  2. Fluorid-Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner mindestens eines der Elemente (R2) Sc, Y und La enthält und durch (Ce1-xR1x)1-yR2yF3 (0,001 ≤ x ≤ 0,5; y ≤ 0,95) repräsentiert ist.
  3. Szintillator aus einem Fluorid-Einkristall nach Anspruch 1 oder 2.
  4. Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch einen Szintillator nach Anspruch 3 und einem Lichtdetektor zum Erfassen von vom Szintillator emittiertem Licht.
  5. Verwendung eines Fluorid-Einkristalls nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zum Erfassen von Strahlung.
  6. Verfahren zum Erfassen von Strahlung, gekennzeichnet durch:

    Abstrahlen von Strahlung auf einen Fluorid-Einkristall nach einem der Ansprüche 1 oder 2, damit dieser Lumineszenzstrahlung emittiert; und

    Erfassen der emittierten Lumineszenzstrahlung.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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