DE10042608B4

DE10042608B4 - Kompositgegenstand aus Keramik und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10042608B4
Application number: DE10042608A
Authority: DE
Inventors: Venkat Subraman Venkataramani; Charles David Greskovich; Steven Jude Duclos; James Anthony Brewer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: DE10042608A1; JP2001220232A; US6361735B1; JP4792155B2

Abstract

Verfahren zur Bildung eines Kompositgegenstands (116), das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Vielzahl von Grünkeramikelementen (218; 418) aus einem ersten Material, wobei die Grünkeramikelemente (218; 418) Seite an Seite angeordnet sind und die Grünkeramikelemente (218; 418) jeweils voneinander durch Zwischenräume getrennt sind; Füllen der Zwischenräume mit einem zweiten Material (224; 424); und Sintern der Grünkeramikelemente (218; 418) mit dem zweiten Material (224; 424) zur Bildung des Kompositgegenstands (116), wobei das zweite Material (224; 424), nachdem es gesintert worden ist, im Wesentlichen das gesamte Licht in einem der gesinterten keramischen Elemente (118) an dem Erreichen eines benachbarten gesinterten keramischen Elements (118) hindert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositgegenstands aus insbesondere einem lumineszierenden keramischen Material, der durch Co-Sintern einer Vielzahl von Grünkeramikelementen mit einem zweiten Material gebildet wird, und auf einen grünkeramischen Kompositgegenstand als Zwischenprodukt dieses Verfahrens.
Als Nächstes wird der Stand der Technik beschrieben. Ein lumineszierendes Material absorbiert die Energie in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums und emittiert die Energie in einem weiteren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die meisten lumineszierenden Materialien, die auch als „Phosphore” oder „Szintillatoren” bekannt sind, emittieren Strahlung in dem sichtbaren Bereich des Spektrums als Antwort auf die Absorption von Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs des Spektrums. Die meisten Phosphore bzw. Leuchtstoffe sprechen auf Bereiche des elektromagnetischen Spektrums an, welche energiereicher als der sichtbare Bereich des Spektrums sind.
Beispielsweise gibt es Phosphore, welche auf ultraviolettes Licht (wie in fluoreszierenden Lampen), auf Elektronen (wie in Kathodenstrahlröhren) und auf Röntgenstrahlen (wie in der Radiographie) ansprechen.
Ein Beispiel einer Anwendung unter Verwendung von lumineszierenden Materialien ist ein Computertomographieabtastgerät (CT). In einem CT-Abtastgerät sind eine Röntgenstrahlquelle und ein Röntgenstrahl-Detektorarray auf gegenüberliegenden Seiten eines Versuchsobjekts bzw. einer Versuchsperson positioniert und drehen sich in einer fixierten Beziehung zueinander um das Objekt. CT-Abtastgeräte schließen typischerweise einen festen Szintillator ein, welcher ein lumineszierendes Material in der Form eines transparenten Festkörpers umfasst. Ein typischer Detektorarray in einem CT-Abtastgerät schließt eine Vielzahl individueller Szintillatorglieder bzw. Szintillatorstangen ein, die Seite an Seite mit einer individuellen Photodetektordiode positioniert sind, wobei die Diode mit jedem Szintillatorglied gekoppelt ist, um sein lumineszierendes Licht in ein entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln. Das Szintillatormaterial einer Zelle absorbiert auf diese Zelle auftreffende Röntgenstrahlen und emittiert Licht, welches mittels eines Photodetektors für diese Zelle gesammelt wird. Während des Sammelns der Daten, stellt jede Zelle des Detektorarrays ein für die auftretende Lichtintensität in der Zelle des Arrays repräsentatives Ausgangssignal bereit. Das lumineszierende Material in einem CT-Abtastgerät besitzt typischerweise eine lineare Charakteristik, in welcher der Ausgangsleistung des Lichts eine lineare Funktion der absorbierten Strahlungsmenge ist, so dass die Ausgangsleistung des Lichte direkt mit der Intensität des stimulierten Strahlung korreliert werden kann. Die Signale der Ausgangsleistung werden verarbeitet, um ein Bild des Objekts in einer im Bereich der CT-Abtastgeräte bekannten Weise zu erstellen.
Es ist im Allgemeinen vorteilhaft, eine reflektierende Beschichtung auf den Oberflächen des Szintillatorglieds bereitzustellen, außer auf der Oberfläche, auf der die Photodetektordiode lokalisiert ist. Die Beschichtung reflektiert das in dem individuellen Szintillatorglied des Arrays erzeugte Licht. Die Reflexionseigenschaften der Beschichtung verbessern die Genauigkeit des resultierenden Bildes durch das Verhindern, dass Licht von einem Szintillatorglied auf ein weiteres übertragen wird (gewöhnlich als „Kreuzkopplung” bezeichnet).
Verschiedene Verfahren zur Bildung eines Detektorarrays, welches eine Anzahl von Szintillatorgliedern umfasst, die durch reflektierende Schichten getrennt sind, sind im Stand der Technik bekannt. Typischerweise wird das Szintillatormaterial durch das Herstellen eines geeigneten keramischen Pulvers, durch das Vermahlen des Pulvers und das Pressen des Pulvers in eine Waferform erzeugt. Der Wafer wird dann gesintert, bis er typischerweise eine Dichte von mehr als 99% der theoretischen Dichte aufweist.
Ein bekanntes Problem, welches bei Herstellungsverfahren für herkömmliche Szintillatoren während des Sinterschrittes auftritt, ist, dass sich der Wafer während des Sinterschrittes verziehen kann. Das Verziehen tritt aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfung auf, die durch eine inhomogene Dichteverteilung in dem Szintillatormaterial verursacht wird. Weil die Dimensionstoleranzwerte für Szintillatorglieder in einigen Anwendungen sehr klein sind, zum Beispiel weniger als 0,0013 cm (0,0005 inch), kann eine unterschiedliche Schrumpfung während des Sintervorgangs der Szintillatorglieder die Erzielung der endgültigen Dimensionen der Glieder ohne weitere Verfahrensschritte sehr erschweren. Deswegen wird der Szintillatorwafer nach dem Sintern typischerweise auf die gewünschten Dimensionen geschliffen, geläppt und poliert, was teuer und zeitaufwendig sein kann. Das Verfahren der Bereitstellung einer reflektierenden Beschichtung auf den Oberflächen der Szintillatorglieder kann ebenso kostenaufwendig sein, da es viele Verfahrensschritte umfassen kann.
Andere Verfahren zur Bildung von Detektorarrays sind bekannt. Beispielsweise offenbart die deutsche Patentanmeldung Nr. DE 197 09 690 A1 ein keramisches Element mit einer Schichtenstruktur, die alternierende Schichten mit hoher Dichte und mit hoher Porosität enthält. Die porösen Schichten schließen Mikrostrukturen ein, welche Brücken zwischen den benachbarten Schichten mit hoher Dichte bilden. Dieses Verfahren ergibt jedoch ein Detektorarray, in dem die Szintillatorelemente optisch durch Brücken gekoppelt sind, die eine Kreuzkopplung erzeugen und die Bildgenauigkeit der Vorrichtung verringern.
Die deutsche Patentanmeldung Nr. DE 197 09 691 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für ein strukturiertes keramisches Element, in dem Grünkeramikelemente, die mit Spacerstrukturen ausgestattet sind, gestapelt und gesintert werden. Ein funktionsunterstützendes Material kann in die Hohlräume beziehungsweise Aussparungen zwischen den Spacerstrukturen hinzugegeben werden, nachdem die Grünkeramikelemente gesintert worden sind. Jedoch verbinden die Spacerelemente die keramischen Elemente wiederum optisch, wodurch die Bildgenauigkeit der Vorrichtung verringert wird.
Schließlich offenbart die deutsche Patentanmeldung Nr. DE 196 43 148 A1 ein Herstellungsverfahren für einen mikrostrukturierten Keramikkörper aus insbesondere einer Leuchtstoffkeramik, bei dem mehrere Grünfolien in gleicher Weise mit Sinterhilfmittel strukturiert bedruckt werden, diese bedruckten Folien bündig übereinander gestapelt werden und der Stapel dann gesintert wird, um den Keramikkörper zu bilden. Durch das Sinterhilfsmittel erfolgt eine mikrostrukturelle Differenzierung bezüglich der Transparenz des keramischen Körpers, weswegen sich der keramische Körper als eindimensionales Strahlendetektorarray für hochenergetische Strahlung nutzen lässt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur leichten und wirkungsvollen Bildung eines Kompositgegenstands zu finden, der sich insbesondere als Detektorarray nutzen lässt.
Ein Verfahren zur Bildung eines Kompositgegenstands umfasst gemäß Anspruch 1 die folgenden Schritte:
Bilden einer Vielzahl von Grünkeramikelementen, wobei die Grünkeramikelemente Seite an Seite angeordnet sind und die Grünkeramikelemente voneinander jeweils durch Zwischenräume getrennt sind;
Füllen der Zwischenräume mit einem zweiten Material; und
Sintern der Grünkeramikelemente mit dem zweiten Material, zur Bildung des Kompositgegenstands.
Das zweite Material wirkt, nachdem es gesintert worden ist, als eine Reflektorschicht, um das gesamte Licht in einem der gesinterten keramischen Elemente im Wesentlichen an dem Erreichen eines angrenzenden gesinterten keramischen Elements zu hindern.
Die Vielzahl der Grünkeramikelemente kann mittels Spritzgießen gebildet werden, wobei sich jedes Element von einem gewöhnlichen grünkeramischen Verbindungselement aus erstrecken kann.
Der Schritt des Füllens der Zwischenräume kann durch Bilden einer Aufschlämmung, welche das zweite Material in Pulverform enthält, und durch Eintauchen der Grünkeramikelemente in die Aufschlämmung durchgeführt werden. Der Schritt des Füllens der Zwischenräume kann ebenso durch Einsprühen des pulverförmigen zweiten Materials in die Zwischenräume durchgeführt werden. Das die Zwischenräume füllende zweite Material kann das gleiche Material sein wie es zur Bildung der Grünkeramikelemente verwendet wird, besitzt aber beispielsweise eine unterschiedliche Packungsdichte und/oder Teilchengröße.
Das Verfahren zur Co-Sinterung der Grünkeramikelemente mit der Reflektorzusammensetzung verschafft eine verbesserte Steuerung der Dimensionen während des Sinterns und senkt die Verfahrenskosten.
Weitere Verfahren ergeben sich aus den nebengeordneten Ansprüchen 16 und 20. Außerdem wird als Zwischenprodukt ein grünkeramischer Kompositgegenstand gemäß Anspruch 27 beansprucht.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Als Nächstes folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.
1 ist eine Zeichnung eines Abtastgerätesystems für die Computertomographie gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine Zeichnung eines Kompositgegenstands, der eine Vielzahl von Grünkeramikelementen und ein zwischen die Elemente eingestreutes Reflektormaterial gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung umfasst.
3 ist eine Zeichnung eines exemplarischen Geräts zum Spritzgießen eines Arrays aus Grünkeramikelementen.
4 ist eine Zeichnung eines Kompositgegenstands, der eine Vielzahl von Grünkeramikelementen und ein Reflektormaterial umfasst, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zwischen die Elemente eingestreut ist.
Nun folgt eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen.
1 ist eine Veranschaulichung eines Beispiels eines Abtastgerätesystems für die Computertomographie (CT). Das CT-Abtastsystem 100 umfasst eine zylindrische Einfassung 110, in welche der abzutastende Patient oder das abzutastende Objekt positioniert ist. Ein Gerüst 112 umgibt einen Zylinder 110 und ist zum Rotieren um die Zylinderachse konstruiert. Das Gerüst 112 kann so gestaltet sein, dass es sich um eine ganze Umdrehung dreht und sich dann zurückdreht, oder es kann, in Abhängigkeit des verwendeten Systems zur Verbindung der Elektronik auf dem Gerüst mit dem restlichen System, für eine kontinuierliche Rotation gestaltet sein. Die Elektronik auf dem Gerüst schließt eine Röntgenstrahlquelle 114 ein, welche typischerweise einen verteilten Strahl von Röntgenstrahlen erzeugt, der auf ein Szintillatordetektorarray 116 auftrifft, welches auf dem Gerüst auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinders 110 angebracht ist. Das Verteilungsmuster der Röntgenstrahlquelle ist in der Ebene angeordnet bzw. verteilt, welche durch die Röntgenstrahlquelle und das Detektorarray 116 definiert ist.
Jede Zelle 118 des Szintillatordetektorarrays 116 schließt ein festes transparentes Glied aus Szintillatormaterial und eine optisch zu dem Szintillatorglied gekoppelte Photodetektordiode ein. Der Ausgang einer jeden Photodetektordiode ist mit einem Operationsverstärker verbunden, der auf dem Gerüst befestigt ist. Der Ausgang aus jedem Operationsverstärker ist entweder durch individuelle Kabel 120 oder durch andere elektronische Einrichtungen mit dem Hauptsteuersystem 150 für das Computertomographiesystem verbunden. In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Energie für die Röntgenstrahlquelle und die Signale aus dem Szintillatordetektorarray zu dem Hauptsteuersystem 150 durch ein Kabel 130 geführt. Alternativ dazu können, wenn eine kontinuierliche Rotation des Gerüstes gewünscht ist, Schleifringe bzw. Kontaktringe, eine optische Übertragung oder eine Übertragung mittels Radiofrequenz angewendet werden, um die Gerüstelektronik mit dem Hauptsteuersystem 150 zu verbinden. In diesem CT-Abtastsystemtyp wird das Szintillatormaterial verwendet, um einfallende Röntgenstrahlen in lumineszierendes Licht umzuwandeln, welches durch die Photodetektordiode detektiert und dadurch in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches für eine Bilddarstellung und andere Zwecke weiterverarbeitet werden kann.
Die Szintillatorglieder in dem Detektorarray 116 sind typischerweise mit einer Seite, der Frontseite, welche die Strahlung empfängt, eng aneinanderliegend mit Zwischenräumen angeordnet. Licht, das innerhalb eines Szintillatorglieds emittiert wird, wird zur Detektion zu der Rückseite, die der Frontseite gegenüber liegt, übertragen. Die Lichtemission kann irgendwo innerhalb des bestrahlten Volumens vonstatten gehen und sich in irgendeine Richtung ausbreiten. Konsequenterweise wandert das emittierte Licht mit einer relativ hohen Wahrscheinlichkeit durch eine andere Seite als die Rückseite hindurch. Demgemäß schließt jedes Szintillatorglied typischerweise eine reflektierende Beschichtung auf seinen äußeren Oberflächen ein, um das Licht in das Szintillatorglied und durch den Photodetektor hindurch auf die Rückseite zurückzuleiten. Die reflektierende Beschichtung hindert das Licht in einem der Szintillatorglieder am Erreichen eines angrenzenden Szintillatorglieds.
Das Detektorarray 116 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird durch das Bilden einer Vielzahl von Grünkeramikelementen hergestellt, wobei die Grünkeramikelemente Seite an Seite angeordnet sind und jeweils voneinander durch Zwischenräume getrennt angeordnet sind. Die Zwischenräume werden dann mit dem reflektierenden Material gefüllt, und der grünkeramische Kompositgegenstand (welcher die Grünkeramikelemente und das eingestreute reflektierende Material umfasst) wird gesintert. Der Ausdruck „Grünkeramik” bezieht sich auf ein keramisches Material, das entweder ein oder kein Bindemittel einschließt. Das Grunkeramikmaterial besitzt eine Dichte, die geringer als die theoretische Dichte, typischerweise weniger als 65% der theoretischen Dichte ist, und besitzt typischerweise eine offenporige Struktur. Der Ausdruck „Grünkeramik” schließt ein, was herkömmlicherweise als verschmähtes bzw. verglühtes keramisches Material (Biskuitkeramikmaterial) bekannt ist, z. B. ein Material, das durch Vorsintern eines keramischen Presskörpers erhalten wird, um das Bindemittel zu entfernen und seine mechanische Stabilität durch eine Halsbildung der Teilchen in dem Presskörper zu verbessern. Das Grünkeramikmaterial kann deshalb eine Dichte von bis zu ungefähr 90% der theoretischen Dichte aufweisen.
Die Grünkeramikelemente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden durch Herstellen eines geeigneten keramischen Pulvers, durch Dispergieren des keramischen Pulvers in einem Bindemittel und durch Spritzgießen der Zusammensetzung in die Form eines Arrays aus Grünkeramikelementen gebildet. 2 zeigt ein Beispiel eines mittels Spritgießens gebildeten grünkeramischen Kompositgegenstands. Der Kompositgegenstand 216 schließt eine Vielzahl von Grünkeramikelementen 218 ein, welche sich jeweils von einem Verbindungselement 220 aus erstrecken. Das in 2 veranschaulichte Verbindungselement 220 besitzt eine rechtwinklige Form und erstreckt sich entlang der Seiten „x” und „z” des Kompositgegenstands 216. Das Verbindungselement 220 besitzt eine Dicke „t”. Das Verbindungselement 220 ist integriert zu den Grünkeramikelementen 218 verbunden.
Das lumineszierende Material besitzt in der Richtung der Röntgenstrahlenbewegung (gezeigt durch den Pfeil 210) eine Dicke „y”. Die Dicke „y” nach dem Sintern beträgt typischerweise ungefähr 2–4 mm, während die Seiten x und z typischerweise jeweils eine Länge von ungefähr 20–40 mm aufweisen. Die Zwischenräume zwischen den keramischen Elementen sind nach dem Sintern typischerweise ungefähr 100–130 Mikrometer breit. Diese Dimensionen sind natürlich lediglich Beispiele.
Wie in 2 gezeigt ist, ist jedes Element in dem Szintillatorarray durch eine Reflexionsschicht 224 getrennt. Die Reflexionsschichten 224 reflektieren das in den individuellen Elementen 218 des Arrays erzeugte Licht. Bevorzugt ist die Reflexionsschicht ein diffuser Reflektor im Gegensatz zu einem spiegelnden Reflektor. In einem spiegelnden Reflektor wird das auf jede der verspiegelten Seiten auftreffende Licht in das Glied zurück reflektiert. Eventuell erreicht etwas von dem reflektierten Licht die Rückseite und wird detektiert. Verschiedene in diesem Verfahren auftretende Verlustarten verringern die Ausgangsleistung des Lichts mehr als erwünscht. Zum Beispiel kann ein Licht, das auf eine spiegelnde Reflexionsoberfläche zu eng zu einem normalen Einfallswinkel auftrifft, viele Reflexionen erforderlich machen, bevor es die Rückseite erreicht. Ein guter Reflektor, z. B. Silber, reflektiert nur ungefähr 95 Prozent des einfallenden Lichts und absorbiert den Rest. Deswegen gehen bei jeder Reflexion ungefähr fünf Prozent des Lichts verloren. Nach vielen Reflexionen von den Oberflächen des Szintillatorglieds ist sehr wenig von dem Licht übrig. Weiterhin wird Licht zwischen den Reflexionen an den Oberflächen durch das Szintillatormaterial bei jedem Durchgang durch das Glied absorbiert. Im Gegensatz dazu werden diese Probleme in einem signifikanten Ausmaß mit einem diffusen Reflektor verhindert, der mehr als Lichtstreuer denn als Reflektor wirkt. Licht, das auf einem diffusen Reflektor bei zum Beispiel einem normalen Einfallswinkel einfällt, wird mit einer allgemeinen Kosinusverteilung emittiert. Deswegen wird ein viel größerer Anteil der einfallenden Energie in das Glied mit flachen Winkeln zurückgerichtet, die zum Erreichen der Rückseite mit einer geringen Wechselwirkung mit den anderen Oberflächen wirkungsvoll sind.
4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der die Grünkeramikelemente 418 die Form eines Gitters oder einer Pixelstruktur einnehmen. Die Zwischenräume, die mit dem Reflektormaterial 424 gefüllt sind, verlaufen in zwei rechtwinkligen Richtungen. Die Grünkeramikelemente 418 erstrecken sich ausgehend von einem Verbindungselement 420.
Ein Beispiel eines keramischen Pulvers, welches zur Herstellung des Arrays aus Grünkeramikelementen verwendet werden kann, umfasst Gd₂O₃, Y₂O₃ und wenigstens ein Aktivatoroxid der seltenen Erden. Gemäß dieser Ausführungsform besitzen die Szintillatorglieder eine Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus ungefähr 5 bis 50 Molprozent Gd₂O₃, ungefähr 0,02 bis 12 Molprozent eines Aktivatoroxids der seltenen Erden, das aus der aus Eu₂O₃ und Nd₂O₃ bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und ungefähr 0,003 bis 0,5 Molprozent wenigstens eines Mittels zur Verringerung des Nachglimmens, das aus der aus Pr₂O₃ und Tb₂O₃ bestehenden Gruppe ausgewählt ist, besteht. Der Rest der Szintillatorzusammensetzung ist Y₂O₃.
Das keramische Pulver gemäß dieser Ausführungsform kann durch Mischen von Yttriumoxid- und Gadoliniumoxidpulvern im Submikrometer- bis Mikrometerbereich, die Reinheiten von beispielsweise 99,99 Prozent bis 99,9999 Prozent aufweisen, mit den gewünschten Aktivatoren der seltenen Erden in der Form von Oxiden, Oxylaten, Carbonaten oder Nitraten und deren Mischungen, hergestellt werden. Die ausgewählten Bestandteile können in einem Achatmörser mit Pistill oder in einer Kugelmühle unter Verwendung von beispielsweise Wasser, Heptan oder Alkohol als Flüssigkeitsvermittler vermischt werden. Ein Trockenmahlen kann ebenso zum Vermischen und zum Zerbrechen von Pulveraggregaten angewendet werden. Und es schließt bevorzugt die Verwendung eines Mahlhilfsmittels wie etwa 1 bis 5 Gewichtsprozent Sterinsäure oder Ölsäure ein, um eine Pulververfestigung oder -verklebung im Innern der Kugelmühle zu verhindern. Wenn die chemischen Bestandteile jeweils in der Form von Nitraten, Carbonaten oder Oxalaten hinzugegeben worden sind, ist typischerweise ein Calcinierungsschritt erforderlich, um die entsprechenden Oxide vor der Verarbeitung des keramischen Szintillators zu erhalten.
Ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung der vorstehend erwähnten Szintillatormaterialien schließt zur Bildung einer Nitratlösung das Auflösen der oxidischen Verbindungen des Gadoliniumoxids, Europiumoxids und Yttriumoxids in Salpetersäure ein. Für Zusammensetzungen, die Praseodymoxid enthalten, wird Pr₆O₁₁ ebenso in Salpetersäure gelöst. Diese zwei Nitratlösungen werden dann gemischt und zu einer übersättigten Oxalsäurelösung hinzugegeben, um ein copräzipitiertes kristallines Oxalatpulver zu erzeugen. Das Oxalatpulver wird gewaschen und getrocknet, und dann anschließend durch Erwärmen in Luft bei ungefähr 800°C calciniert, um das gewünschte Oxidpulver zu bilden.
Fur Zusammensetzungen, die Terbiumoxid enthalten, wird Tb₄O₇ in Salpetersäure anstelle von oder zusätzlich zu Pr₆O₁₁ gelöst, um eine Nitratlösung zu erzeugen, die mit der Nitratlösung des Gadoliniumoxids, Europiumoxids und Yttriumoxids gemischt ist. Es sollte so verstanden werden, dass Pr₆O₁₁ und Tb₄O₇ in gelöstes Pr₂O₃ beziehungsweise Tb₂O₃ in der Szintillatorzusammensetzung bei der Wärmebehandlung des Szintillatormaterials während solcher Herstellungsverfahren wie Sintern umgewandelt werden. Neodym kann anstelle von oder zusätzlich zu Europium als das Aktivatormittel verwendet werden. In diesem Falle wird Nd₂O₃ zu der Nitratlösung hinzugegeben.
Eine wünschenswerte Eu₂O₃-Konzentration beträgt ungefähr 1 bis 6 Molprozent. Nd₂O₃ wird bevorzugt in Konzentrationen von ungefähr 0,05 bis 1,5 Molprozent zugegeben. Die Gd₂O₃-Konzentration kann im Allgemeinen in einem Bereich von ungefähr 5 Molprozent bis ungefähr 15 Molprozent liegen. Zusätzliche Details dieses Bildungsverfahrens sind in der U.S. Patentschrift Nr. 5,521,387 beschrieben, welche hier unter Bezugnahme einbezogen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Szintillatorzusammensetzung ein Grundmaterial bzw. Wirtsmaterial aus Granat, welches für Röntgenstrahlen oder für Photolumineszenz mit geeigneten Ionen, die zum Beispiel Chrom-, Cer-, Neodym- und andere Kationen oder deren Mischungen einschließen können, aktiviert worden ist. Die Grundgranaten bzw. Wirtsgranaten für diese Materialien können Drei-Element-Granaten (mit zwei Kationen), wie zum Beispiel Gadolinium-Gallium-Granat (Gd₃Ga₅O₁₂) oder Yttrium-Aluminium-Granat (Y₃Al₅O₁₂), sein oder können mehr als drei Elemente, wie zum Beispiel Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂) oder Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat (Gd₃Sc₂Al₃O₁₂), umfassen.
Das Ausgangs-Szintillatorenpulver für eine solche Zusammensetzung kann durch Bildung einer Salzsäurelösung der gewünschten Kationen in geeigneten Mengen hergestellt werden. Mit geeigneten Mengen sind die relativen Konzentrationen gemeint, welche sich in dem endgültigen transparenten Körper ergeben, der die gewünschten relativen Anteile an Kationen enthält. Deswegen bedeutet es, dass in solchen Situationen, in denen die Kationen in den gleichen relativen Konzentrationen in dem endgültigen transparenten Körper wie in der Salzsäurelösung der Ausgangskationen vorhanden sind, die gewünschte relative Konzentration in der Salzsäurelösung vorhanden ist. In solchen Situationen, in denen die Menge des einen oder mehrerer Kationen relativ zu der Menge der anderen Kationen während des Verfahrens der Umwandlung der Ausgangssalzsäurelösung in den endgültigen transparenten polykristallinen Körper sinkt, sind dann in der Ausgangssalzsäurelösung solche Mengen geeignet, die den endgültigen transparenten Granatkörper mit der gewünschten Zusammensetzung ergeben.
Einen Weg zur Bildung dieser Ausgangschloridlösung bildet das Losen der Ausgangskationen in oxidischer Form in heißer konzentrierter Salzsäure. Die Ausgangskationen können, wenn es gewünscht ist, eher in Form der Chloride als in Form der Oxide bereitgestellt werden. Andere Ausgangsverbindungen können ebenso verwendet werden. Wenn die Ausgangsmaterialien vollständig in der warmen konzentrierten Salzsäure aufgelöst worden sind, wird die erhaltene Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt. Die erhaltene Lösung sollte klar und frei von Präzipitaten sein oder kein Absetzen eines Ausgangsmaterials aufweisen. In dem Fall, wenn eine Präzipitation oder ein Absetzen eines Ausgangsmaterials auftritt, wird die Lösung wieder erwärmt und zusätzliche Salzsäure zu der Lösung hinzugegeben, so dass beim wiederholten Abkühlen auf Raumtemperatur keine Prazipitation oder kein Absetzen auftritt. Das heißt, dass genügend Salzsäure verwendet werden soll, um sicherzustellen, dass die Ausgangsmaterialien nicht an oder über ihrer Löslichkeitsgrenze bei Raumtemperatur vorliegen.
Getrennt davon wird eine Ammoniumoxalatlösung (NH₄)₂C₂O₄ durch das Auflösen von Ammoniumoxalat oder von einzelnen Mengen Ammoniak und Oxalsäure gebildet. Ausreichend Ammoniumoxalat sollte hergestellt werden, um eine vollständige Reaktion mit der kationhaltigen Chloridlösung sicherzustellen. Diese Ammoniumoxalatlösung besitzt typischerweise einen pH-Wert zwischen ungefähr 7,5 und ungefähr 9,5, noch typischer zwischen 8,0 und 8,5.
Wenn kleine Ansätze gefahren werden, kann die Ausgangslösung des Kationchlorids während des Rührens der Ammoniumoxalatlösung in die Ammoniumoxalatlösung getropft werden. Ein weißes Präzipitat bildet sich typischerweise beim Kontakt dieser beiden Lösungen. Die Verwendung eines magnetischen Rührstäbchens in dem Mischbehälter ist ein bevorzugtes Verfahren zum Mischen dieser Lösungen, wenn kleine Mengen herzustellen sind. Wenn die gesamte Chloridausgangslösung zu der Ammoniumoxalatlösung hinzugegeben worden ist, ist die Präzipitatbildung abgeschlossen.
Während des Präzipitationsschrittes bildet sich das Präzipitat in genügend kleinen Teilchen, so dass anfänglich eine kolloidale Suspension des Präzipitats in der Oxalatlösung vorhanden ist. Mit der Vervollständigung des Präzipitationsschrittes wird sich diese kolloidale Suspension langsam absetzen, so dass ein weißes Präzipitat am Boden des Behälters und eine klare Lösung darüber verbleibt. Dieser Absetzprozess kann durch Filtrieren und/oder Zentrifugieren der präzipitathaltigen Flüssigkeit beschleunigt werden.
Wenn es erwünscht ist, kann das Präzipitat vor der Abtrennung des Präzipitats von der Flüssigkeit mit Wasser und/oder Alkohol gewaschen werden. Dies wird durch Absetzenlassen des Präzipitats, durch Abgießen oder anderweitiges Entfernen des Hauptteils der Flüssigkeit und durch Hinzufügen des Waschwassers oder -alkohols, durch erneutes Absetzenlassen des Präzipitats und durch wiederholtes Entfernen der klaren Flüssigkeit durchgeführt. Wenn eine hohe Reinheit und/oder eine in engen Grenzen gesteuerte Zusammensetzung des endgültigen transparenten Granats gewünscht ist, sollte das Waschwasser deionisiertes Wasser mit einer hohen Reinheit sein und der Alkohol sollte eine standardanalysenreine Reinheit besitzen. Dieses Waschverfahren entfernt überschüssiges Ammoniumoxalat und Reaktionsprodukte wie etwa Ammoniumchlorid aus dem Präzipitat. Das Präzipitat wird dann von der Waschlösung durch Filtrieren, Zentrifugieren oder anderen geeigneten Verfahren abgetrennt. Dieses Präzipitat wird bevorzugt getrocknet, wie etwa durch Trocknung im Ofen bei einer Temperatur von annähernd 110°C für einen Tag oder mittels Vakuumtrocknen. Das getrocknete Präzipitat wird dann in Luft auf eine Temperatur von ungefähr 750°C erwärmt, um es thermisch zu zersetzen.
Dieses Pulver wird typischerweise beispielsweise in einer Kugelmühle unter Anwendung von Zirkoniumoxidmahlmittel und einem Lösungsvermittler wie etwa Methyl- oder Isopropylalkohol gemahlen. Eine Zeitdauer für das Kugelvermahlen von ungefähr 4 bis 24 Stunden ist wirkungsvoll. Alternativ dazu kann ein Strahlvermahlen mit Flüssigkeiten oder ein Strahlvermahlen mit eingestellten Drücken von ungefähr 4,1·10⁴ bis ungefähr 6,9·10⁴ Pa (ungefähr 60 bis ungefähr 100 psi) verwendet werden.
Die Teilchengrößenverteilung des vermahlenen Pulvers liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 0,1 bis 2 Mikrometer. Pulverpresskörper, die aus diesem vermahlenen Pulver gepresst werden, können auf die vollständige theoretische Dichte gesintert werden. Andere Details des Herstellungsverfahrens für ein keramisches Pulver, das für einen auf einem aktivierten Granat basierenden Szintillator zweckmäßig ist, sind in der U.S. Patentschrift Nr. 5,484,750 offenbart, welche hier unter Bezugnahme einbezogen ist.
Nachdem das gewünschte keramische Pulver hergestellt worden ist, kann ein Array aus Grünkeramikelementen aus dem keramischen Pulver gebildet werden. Gemäß einer Ausführungsform wird das keramische Pulver in einem zweckmäßigen Bindemittel dispergiert und das Array aus Grünkeramikelementen wird einstückig integriert in einer netzähnlichen Form mittels Spritzgießens gebildet. Das integriert gebildete Array verschafft bei der Herstellung Vorteile. Beispielsweise kann die reflektierende Beschichtung leicht auf das jeweilige keramische Element durch Verfüllen der Zwischenräume zwischen den Elementen mit einem geeigneten reflektierenden Material aufgetragen werden. Weiterhin verschafft das Verfahren der Co-Sinterung von dem reflektierenden Material und von den keramischen Elementen eine verbesserte Steuerung der Dimensionen der keramischen Elemente während des Sinterns, wodurch die Notwendigkeit von einigen der herkömmlichen nachfolgenden Verarbeitungsschritte gesenkt oder eben eliminiert werden kann.
In diesem Spritzgussverfahren wird das keramische Pulver mit einem zweckmäßigen Bindemittel gemischt. Dieser Vermischungsschritt kann beispielsweise mit einem Hochleistungsmischer durchgeführt werden. Ein Beispiel eines zweckmäßigen Bindemittels umfasst:

– 33 1/3 Gewichtsteile Paraffinwachs, Schmelzpunkt bzw. Schmelzintervall von 52–58°C;
– 33 1/3 Gewichtsteile Paraffinwachs, Schmelzpunkt bzw.
Schmelzintervall von 59–63°C;
– 33 1/3 Gewichtsteile Paraffinwachs, Schmelzpunkt bzw. Schmelzintervall von 73–80°C.

Die vorstehenden Paraffinwachse sind von Aldrich Chemical unter den Produktnummern 317659, 327212 beziehungsweise 411671 erhältlich. Die folgenden Substanzen werden zu den 100 Gewichtsteilen Paraffinwachs hinzugegeben: 4 Gewichtsteile weißes Bienenwachs, 8 Gewichtsteile Ölsäure und 3 Gewichtsteile Aluminiumstearat.
Das Bindemittel kann alternativ dazu zum Beispiel eine Kombination eines Wachses mit niedrigem Schmelzpunkt wie etwa Bienenwachs, eines Polymers mit höherem Schmelzpunkt wie etwa Polypropylen oder Polyethylen/Ethylvinylacetat-Copolymer und eines Schmiermittels wie etwa Stearinsäure umfassen. Andere zweckmäßige Bindemittel für das Spritzgießen des keramischen Pulvers sind kommerziell erhältliche, zum Beispiel von Allied Signal Inc. in Torrance, CA, und Benchmark Ceramics in Buffalo, NY.
Eine exemplarische Apparatur zur Herstellung eines Arrays aus Grünkeramikelementen durch Spritgießen ist in 3 gezeigt. In 3 ist eine Form 360 zusammen mit einem das Szintillatormaterial enthaltenden Injektor 370 gezeigt. In dem Spritzgussverfahren wird die zu formende Zusammensetzung, z. B. das in einem organischen Bindemittel dispergierte keramische Pulver, bis zu ihrem Erweichungspunkt aufgewärmt und mit dem Injektor 370 in die Form 360 injiziert bzw. gespritzt, um die gewünschte Gestalt zu bilden. Die Form 360 kann einen Körperbereich 362 und einen Deckbereich 364 einschließen.
In dem Spritzgussverfahren füllt der Injektor 370 die Form mit dem Szintillatormaterial durch die Passage 372 hindurch. Das Szintillatormaterial kühlt ab und härtet nach der Injektion in der Form aus. Der Injektor und der Deckbereich 364 der Form werden abgezogen, nachdem das Szintillatormaterial ausgehärtet worden ist. Der geformte Gegenstand, in diesem Fall ein Array aus Grünkeramikelementen, wird dann aus der Form freigesetzt. Die Dichte der Grünkeramikelemente nach dem Spritzgießen liegt typischerweise zwischen 45% und 65% der theoretischen Dichte.
Andere Verfahren zur Bildung des Arrays aus Grünkeramikelementen in einer netzähnlichen Form gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung schließen Schlickergießen und Gelgießen ein. Das Array aus Grünkeramikelementen kann ebenso mittels maschineller Vertiefung in einen Block eines Grünkeramikmaterials beispielsweise mit Hilfe einer Diamantsäge gebildet werden. Der Block aus Grünkeramikmaterial kann mittels herkömmlichen Verfahren wie etwa isostatischem Pressen, Extrudieren bzw. Strangpressen oder Spritzgießen gebildet werden.
Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Grünkeramikelementen werden dann, wie in 2 oder 4 gezeigt ist, mit dem reflektierenden Material gefüllt. Gemäß einer Ausführungsform wird das reflektierende Material in Form einer flüssigen Aufschlämmung, die ein in einer zweckmäßigen Flüssigkeit dispergiertes reflektierendes Pulver umfasst, aufgetragen. Das Array aus Grünkeramikelementen wird in die Aufschlämmung eingetaucht. Dies kann zum Beispiel durch Positionieren des Arrays aus Grünkeramikelementen innerhalb eines Behälters mit zweckmäßiger Größe durchgeführt werden. Der Behälter weist typischerweise Seitenwände auf, die höher als die Höhe des Arrays aus Grünkeramikelementen ist, so dass das Array vollständig in der Aufschlämmung untergetaucht werden kann. Die Aufschlämmung wird in die Zwischenräume und über das obere Ende des Arrays gegossen. Wenn es gewünscht ist, kann für eine verbesserte Benetzung die reflektierende Aufschlämmung in die Zwischenräume mittels Vakuum imprägniert werden.
Das reflektierende Pulver kann zum Beispiel das folgende umfassen: Hochschmelzende Oxide wie etwa Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Oxide der Lanthaniden, Oxide der Actiniden, Titanate wie etwa Bariumtitanat, Aluminate mit hohem Schmelzpunkt, Silikate von Schwermetalloxiden und deren Verbindungen. Ein Beispiel eines zweckmäßigen reflektierenden Pulvers ist Yttriumoxid oder eine Mischung von Yttriumoxid und Kohlenstoff, einen Porenbildner. Das reflektierende Pulver besitzt typischerweise einen hohen Brechungsindex, z. B. größer als ungefähr 1,80, und einen mittleren Teilchendurchmesser von 1/3 bis 2/3 der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts. Typischerweise kann in Szintillatoranwendungen die Wellenlänge des durch das Szintillatorglied erzeugten Lichts in einem Bereich von 400–700 Nanometern liegen. Das reflektierende Pulver besitzt typischerweise einen hohen Schmelzpunkt, der zum Beispiel größer oder gleich wie der Schmelzpunkt des Szintillatormaterials ist, so dass das Reflektormaterial nicht schmilzt oder übermäßig mit dem Szintillatormaterial reagiert.
Das reflektierende Pulver kann in einer zweckmäßigen Flüssigkeit wie etwa Wasser oder in organischen Lösungsmitteln wie etwa Alkoholen oder Olefinen dispergiert werden. Zusätzliche organische Bindemittel wie etwa Polyalkohole, Acrylate, Acryloide und Acrylamide können eingeschlossen sein, um der getrockneten Aufschlämmung Festigkeit zu verleihen. Die Dispersion des Pulvers kann mit der Verwendung eines zweckmäßigen Dispergiermittels und eines Benetzungsmittels wie etwa Polyelektrolyten verstärkt werden, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Nach dem Auftragen der Aufschlämmung auf das Array aus Grünkeramikelementen, wird die Aufschlämmung getrocknet oder an Luft ausgehärtet, um einen grünkeramischen Kompositgegenstand zu bilden, der das verfestigte Reflektormaterial und das Array aus Grünkeramikelementen umfasst. Die Reflektoraufschlämmung kann ebenso beispielsweise durch Erwärmen auf ungefähr 80–90°C für ungefähr 7–9 Stunden ausgehärtet werden, um das Bindemittel in der Reflektorzusammensetzung zu polymerisieren. Die Aufschlämmung kann notfalls oxidiert werden, um moglicherweise vorhandenen Kohlenstoff herauszubrennen.
Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Reflektormaterial auf das Array aus Grünkeramikelementen auf andere Arten aufgetragen werden. Zum Beispiel kann die reflektierende Schicht aus den Oberflächen des Arrays aus Grünkeramikelementen mittels Eintragen von trocknem Pulver in die Zwischenräume zwischen die Elemente unter Druck gebildet werden, z. B. mittels Versprühen des Pulvers als ein trockenes Aerosol. Das zwischen die Grünkeramikelemente eingebrachte trockene Pulver kann das gleiche Material sein wie die Grünkeramikelemente, aber kann eine unterschiedliche Teilchengröße und/oder Packungsdichte besitzen. Gemäß einem Beispiel umfassen die Grünkeramikelemente ein aktiviertes Yttriumoxid/Gadoliniumoxid-Material (z. B. ein Material, das Yttriumoxid, Gadoliniumoxid und wenigstens ein Aktivator aus den seltenen Erdelementoxiden wie etwa Europium umfasst, wie vorstehend beschrieben ist), welches eine Dichte aufweist, die ungefähr 55–65% der theoretischen Dichte beträgt, und einen mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 0,5–0,7 Mikrometer aufweist, während das reflektierende Pulver das gleiche aktivierte Yttriumoxid/Gadoliniumoxid-Material umfasst, aber mit einer Dichte, die ungefähr 25–35% der theoretischen Dichte beträgt und einen mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 0,2–0,3 Mikrometer aufweist.
Die niedere Packungsdichte des Reflektorpulvers resultiert in einem Reflektormaterial, welches sich auf einen geringeren Grad und mit einer niedrigeren Schrumpfung als die Grünkeramikelemente während des Sinterns verdichtet.
Der niedrigere Schrumpfungsgrad des Reflektormaterials verschafft den Vorteil, dass das Array aus keramischen Elementen seine Gestalt und dimensionale Integrität während des Sinterns in einem größeren Ausmaß als ohne das Reflektormaterial beibehält. Die resultierende Porosität der endgültigen Reflektorschicht bewirkt auch, dass das in die Reflektorschicht eindringende Licht zu den Szintillatorelementen zurückgeworfen wird, um deswegen eine optische Kreuzkopplung zwischen den Elementen zu verhindern.
Noch ein weiteres Verfahren zur Auftragung der Reflektorschicht zwischen die Grünkeramikelemente schließt das Beschichten einer hochschmelzenden Metallfolie wie etwa Molybdän oder Wolfram mit dem gewünschten reflektierenden Pulver, das Einbringen der beschichteten Folie in die Zwischenräume zwischen die keramischen Elemente und das Co-Sintern des Kompositgegenstands ein. Die Metallfolie kann beispielsweise durch Dispergieren des reflektierenden Pulvers in einem Bindemittel wie etwa einer acrylischen Emulsion, um ein Anstrichmittel bereitzustellen, und Streichen des Pulvers auf die Metallfolie beschichtet werden. Die Metallzwischenschicht schafft eine zusätzliche Lichtbarriere, welche des Weiteren eine Kreuzkopplung zwischen den Szintillatorelementen verringert.
Wenn das Array aus Grünkeramikelementen oder die Reflektorzusammensetzung ein oder mehrere Bindemittel einschließt, wird typischerweise ein Vorwärmschritt mit dem Kompositgegenstand durchgeführt, um die Bindemittel aus dem Array aus Grünkeramikelementen und/oder der Reflektorzusammensetzung zu entfernen. Der Vorwärmschritt schließt typischerweise einen Erwärmungszyklus ein, in dem die Erwärmungsrate ungefähr 3–100°C pro Stunde ist, die Temperatur in einem Bereich von 120–600°C liegt und die Dauer in einem Bereich von 6–168 Stunden, noch typischer von 6–48 Stunden liegt, wodurch wirkungsvoll die organischen Bindemittel aus dem Array aus Grünkeramikelementen und/oder der Reflektorzusammensetzung entfernt wird, ohne eine merkliche Deformation zu verursachen. Alternativ dazu kann das Array aus Grünkeramikelementen vorgewärmt werden, um die Bindemittel vor dem Einbau der reflektierenden Schicht zwischen die Elemente des Arrays abzubrennen. Nach dem Vorwärmschritt ist die Dichte der Grünkeramikelemente typischerweise ungefähr 55–70% der theoretischen Dichte. Wenn es erwünscht ist, können die Schritte des Vorwärmens des Kompositgegenstands, des Härtens der Reflektorzusammensetzung und des Co-Sinterns des Kompositgegenstands in einem einzigen Erwärmungsvorgang ohne eine zwischenzeitliche Abkühlung durchgeführt werden.
Der Kompositgegenstand wird dann bei hohen Temperaturen in einer kontrollierten Umgebung für eine gewünschte Zeitspanne gesintert, um die Keramik im Wesentlichen auf seine theoretische Dichte zu verdichten und um so ein transparentes Material zu bilden. Zum Beispiel kann der Sinterschritt mittels Erwärmen des Kompositgegenstands im Vakuum oder in einer reduzierenden oder oxidierenden Atmosphäre mit einer Rate von annähernd 100°C pro Stunde bis 700°C pro Stunde auf die Sintertemperatur von ungefähr 1.800°C bis 2.100°C durchgeführt werden. Diese Sintertemperatur wird für ungefähr 1–30 Stunden gehalten. Und dann wird der Kompositgegenstand auf Raumtemperatur über einen Zeitraum im Bereich von ungefähr 2–10 Stunden abgekühlt. Alternativ dazu kann die Sintersequenz einen Halteschritt bei einer Temperatur niedriger als die endgültige Sintertemperatur einschließen. Zum Beispiel kann der Kompositgegenstand mit einer Rate von ungefähr 300–400°C pro Stunde auf eine Haltetemperatur von ungefähr 1.600°C bis 1.700°C erwärmt werden. Nach einer Halteperiode im Bereich von ungefähr 1 bis 20 Stunden, kann die Temperatur mit einer Rate von ungefähr 25°C pro Stunde bis ungefähr 75°C pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 1.800°C bis 2.100°C für eine endgültige Sinterung über einen Zeitraum von ungefähr 1 bis 10 Stunden angehoben werden. Sintern bezieht sich auf ein Verfahren, durch welches ein keramisches Material auf seine theoretische Dichte mittels Erwärmung verdichtet wird. Das gesinterte Szintillatormaterial besitzt typischerweise eine Dichte, die größer als 99,9% der theoretischen Dichte ist.
Nach dem Sintern verbleiben die gefüllten Reflektorregionen lichtundurchlässig, aufgrund der spezifischen Zusammensetzung des Pulvers, der geringen Dichte vor dem Sintern (typischerweise 25–55% der theoretischen Dichte) und der resultierenden geringen Dichte nach dem Sintern, welche typischerweise 50–99,5%, noch typischer 70–80% der theoretischen Dichte ist. Die lichtundurchlässige reflektierende Schicht reflektiert das aus dem Szintillatorglied emittierte Licht, um deswegen im Wesentlichen das gesamte in einem der Szintillatorglieder erzeugte Licht am Übergang auf ein benachbartes Szintillatorglied zu hindern.
Nach dem endgültigen Co-Sinterungsverfahren, in dem die Grünkeramikelemente in einen transparenten Zustand verdichtet worden sind und die reflektierenden Schicht teilweise zu einem lichtundurchlässigen Reflektor gesintert worden ist, kann das Verbindungselement 220 oder 420 des Arrays aus keramischen Elementen mittels eines herkömmlichen Verfahrens entfernt werden. Der Rest des Arrays kann danach auf die erforderliche Dicke, typischerweise ungefähr 3 mm, endverarbeitet werden und weiter verarbeitet werden, um das Szintillatormodul zu bilden.
Typischerweise besitzt ein endgültiges Reflektormaterial mit 100 Mikrometer (4 mil) Dicke einen Reflexionsgrad von größer als 98%, eine Transmission von weniger als 3% und eine Absorption von weniger als 3% in den sichtbaren Wellenlängen, und eine Strahlenschädigung von weniger als 10%. Strahlenschädigung wird definiert als die Änderung in dem Reflexionsvermögen für die sichtbaren Wellenlängen nach 1-MRad-Röntgenbestrahlung.
Noch ein weiteres Verfahren der Co-Bildung des Kompositgegenstands, der das Array aus Grünkeramikelementen und die eingestreuten Reflektoren umfasst, schließt die Herstellung eines Sandwiches aus einzelnen Grünkeramikelementen mit einer Schicht des Reflektormaterials dazwischen ein. Dies kann durch regelmäßiges Anordnen der Vielzahl von Grünkeramikelementen in einer Spannvorrichtung, Eintauchen der Vielzahl von Grünkeramikelementen in eine Aufschlämmung, Trocknung der Aufschlämmung und Co-Sintern des Kompositgegenstands erfolgen.
BEISPIEL
Ein wie in 2 gezeigtes Array aus Grünkeramikelementen, welches ein Yttriumoxid/Gadoliniumoxid-Material umfasst, wurde mit einer Reflektoraufschlämmung mit der folgenden Zusammensetzung co-gesintert: 36 ml deionisiertes Wasser; 0,85 g Darvan 821A Dispergiermittel; 2,0 ml NH₄OH; und 50 g Y₂O₃ mit einer Reinheit von 99,99% bezüglich der Phosphoreszenzanalyse von Moly Corporation. Die Aufschlämmung wurde für 5 Minuten streichgeschüttelt. Das Array aus Grünkeramikelementen wurde dann in ein Becherglas gefüllt. Ungefähr die Hälfte der Aufschlämmung wurde in das Becherglas gegeben, um das Array zu bedecken. Das Becherglas wurde in einer Vakuumkammer platziert und ein Vakuum wurde für 30 Minuten angelegt. Das Becherglas wurde dann aus der Vakuumkammer entfernt und das Array wurde für ungefähr eine Stunde getrocknet. Das Array aus Grünkeramikelementen wurde dann in einem Brew-Ofen platziert und nahezu auf die theoretische Dichte gesintert.
Der resultierende Gegenstand war eine Kompositstruktur mit Szintillatorgliedern und eingestreuten Reflektorschichten. Die Dimensionen der Kompositstruktur wurden gemessen, um die dimensionale Stabilität zu bestätigen, welche gemäß diesem exemplarischen Verfahren erzielt wurde. Insbesondere wurde die Breite eines jeden Szintillatorglieds („r” in 2) und die Breiten einer jeden Reflektorschicht („s” in 2) an drei Punkten („u”, „v”, „w” in 2) entlang der Länge der Glieder gemessen. Die Daten für den Mittelwert und die Standardabweichung (σ) der 16 Glieder und Reflektoren in Mikrometer sind nachstehend angegeben: Tabelle 1

Position „u” „v” „w”

Glied/Reflektor Glied Reflekt. Glied Reflekt. Glied Reflekt.

Mittelwert [μm] 911,1 125,7 913,4 125,0 916,9 121,4

σ [μm] 4,06 13,7 8,13 16,5 6,86 9,40
Die gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung gebildete Struktur wurde mit einer ähnlichen Struktur („Vergleichsstruktur”) verglichen, die ohne ein eingestreutes Reflektormaterial gebildet und gesintert wurde. Die Messung der Dimensionen der Vergleichsstruktur war schwierig, da sie dazu neigte, dass beim Polieren Stücke an den Kanten der Szintillatorglieder abbrachen. Jedoch zeigte ein visueller Vergleich, dass die dimensionale Stabilität, die mit dem in Tabelle 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel erzielt wurde, der dimensionalen Stabilität der Vergleichsstruktur deutlich überlegen war.
Andere Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der hierin offenbarten Ausführungsformen offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als exemplarisch betrachtet werden, wobei der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert sein sollen.

Claims

Verfahren zur Bildung eines Kompositgegenstands (116), das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Vielzahl von Grünkeramikelementen (218; 418) aus einem ersten Material, wobei die Grünkeramikelemente (218; 418) Seite an Seite angeordnet sind und die Grünkeramikelemente (218; 418) jeweils voneinander durch Zwischenräume getrennt sind; Füllen der Zwischenräume mit einem zweiten Material (224; 424); und Sintern der Grünkeramikelemente (218; 418) mit dem zweiten Material (224; 424) zur Bildung des Kompositgegenstands (116), wobei das zweite Material (224; 424), nachdem es gesintert worden ist, im Wesentlichen das gesamte Licht in einem der gesinterten keramischen Elemente (118) an dem Erreichen eines benachbarten gesinterten keramischen Elements (118) hindert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei sich jedes Grünkeramikelement (218; 418) von einem grünkeramischen Verbindungselement (220; 420) aus erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Füllens der Zwischenräume Folgendes umfasst: Bilden einer das zweite Material (224; 424) in Pulverform enthaltenden Aufschlämmung; und Eintauchen der Grünkeramikelemente (218; 418) in die Aufschlämmung.
Verfahren gemäß Anspruch 3, welches ferner den Schritt des Anlegens eines Vakuums an die Grünkeramikelemente (218; 418) umfasst, während die Grünkeramikelemente (218; 418) in der Aufschlämmung eingetaucht sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Grunkeramikelemente in einer Spannvorrichtung unter Bildung der Zwischenräume aneinandergereiht und anschließend die Zwischenräume durch Eintauchen der Grünkeramikelemente in einer Aufschlämmung gefüllt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Material (224; 424) ein trockenes Pulver umfasst und wobei der Schritt des Füllens der Zwischenräume das Sprühen des trockenen Pulvers in die Zwischenräume umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Füllens der Zwischenräume die folgenden Schritte umfasst: Beschichten einer Metallfolie mit dem zweiten Material (224; 424), und Einbringen der Metallfolie in die Zwischenräume.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Vielzahl von Grünkeramikelementen (218; 418) die Herstellung eines keramischen Pulvers umfasst, welches Gadoliniumoxid und Yttriumoxid umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Vielzahl von Grünkeramikelementen (218; 418) die Herstellung eines keramischen Pulvers umfasst, welches ein aktiviertes Granatmaterial umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Material (224; 424) wenigstens Yttriumoxid und/oder Gadoliniumoxid umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das erste und zweite Material die gleiche chemische Zusammensetzung und unterschiedliche Packungsdichten aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Vorerwärmens der Grünkeramikelemente (218; 418) mit dem zweiten Material (224; 424) umfasst, um wenigstens ein Bindemittel aus wenigstens den Grünkeramikelementen (218; 418) und/oder dem zweiten Material (224; 424) zu entfernen.
Verfahren gemäß Anspruch 3, das ferner den Schritt des Härtens der Aufschlämmung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischenräume eine Vielzahl paralleler geradliniger Zwischenräume umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischenräume einen ersten Satz paralleler Zwischenräume und einen zweiten Satz paralleler Zwischenräume umfassen, wobei der erste Satz von Zwischenräumen rechtwinklig zu dem zweiten Satz der Zwischenräume ist.
Verfahren zur Bildung einer Kompositstruktur (116), das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Vielzahl von Grünkeramikelementen (218; 418) aus einem ersten Pulver, das ein erstes keramisches Material umfasst, wobei das erste Pulver eine erste Packungsdichte aufweist und wobei die Grünkeramikelemente (218; 418) Seite an Seite angeordnet sind und die Grünkeramikelemente (218; 418) jeweils voneinander durch Zwischenräume getrennt sind; Füllen der Zwischenräume zwischen den Grünkeramikelementen (218; 418) mit einem zweiten Pulver (224; 424), das ein zweites keramisches Material umfasst, wobei das zweite Pulver (224; 424) eine zweite Packungsdichte aufweist; und Co-Sintern der Grünkeramikelemente (218; 418) mit dem zweiten Pulver (224; 424) zur Bildung der Kompositstruktur, wobei das erste keramische Material das gleiche ist wie das zweite keramische Material und die erste Packungsdichte unterschiedlich von der zweiten Packungsdichte ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das erste und zweite keramische Material Yttriumoxid und Gadoliniumoxid umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die erste Packungsdichte 55–65% der theoretischen Dichte ist und die zweite Packungsdichte 25–35% der theoretischen Dichte ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das erste Pulver einen mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 0,5–0,7 Mikrometer besitzt und das zweite Pulver einen mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 0,2–0,3 Mikrometer besitzt.
Verfahren zur Bildung eines Kompositgegenstands (116), das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer ersten Komponente (216; 416) aus Grünkeramik, die eine Vielzahl von Grünkeramikelementen (218; 418) und ein Verbindungselement (220; 420) umfasst, wobei sich die Grünkeramikelemente (218; 418) von dem Verbindungselement (220; 420) aus erstrecken und nur an dem Verbindungselement (220; 420) miteinander verbunden sind und wobei zwischen den Grünkeramikelementen (218; 418) Zwischenräume definiert sind; Füllen der Zwischenräume mit einem keramischen Pulver (224; 424) als einer zweiten Komponente; und Co-Sintern der Grünkeramikelemente (218; 418) mit dem keramischen Pulver (224; 424) zur Bildung des Kompositgegenstands (116).
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt des Füllens der Zwischenräume Folgendes umfasst: Bilden einer Aufschlämmung, die das keramische Pulver (224; 424) enthält, und Eintauchen der Grünkeramikelemente (218; 418) in die Aufschlämmung.
Verfahren gemäß Anspruch 21, das ferner den Schritt des Anlegens eines Vakuums an die Grünkeramikelemente (218; 418) umfasst, während die Grünkeramikelemente (218; 418) in der Aufschlämmung eingetaucht sind.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt des Füllens der Zwischenräume das Sprühen des keramischen Pulvers (224; 424) in die Zwischenräume umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt des Füllens der Zwischenräume die folgenden Schritte umfasst: Beschichten einer Metallfolie mit dem keramischen Pulver (224; 424); und Einbringen der Metallfolie in die Zwischenräume.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt der Bildung der ersten Komponente (216; 416) die Herstellung eines keramischen Pulvers umfasst, welches Gadoliniumoxid und Yttriumoxid umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt der Bildung der ersten Komponente (216; 416) die Herstellung eines keramischen Pulvers umfasst, welches ein aktiviertes Granatmaterial umfasst.
Grünkeramischer Kompositgegenstand (216), der Folgendes umfasst: eine erste Komponente (218, 220; 418, 420), die eine Vielzahl voneinander beabstandeten Grünkeramikelementen (218; 418) umfasst, die sich von einem grünkeramischen Verbindungselement (220; 420) aus erstrecken; und eine zweite Komponente, die ein keramisches Pulver (224; 424) umfasst, welches in die Zwischenräume zwischen die Grünkeramikelemente (218; 418) eingefüllt ist.
Kompositgegenstand gemäß Anspruch 27, wobei die Grünkeramikelemente (218; 418) eine Dichte besitzen, die 55–65% der theoretischen Dichte beträgt, und die zweite Komponente (224; 424) eine Dichte besitzt, die 25–35% der theoretischen Dichte beträgt.
Kompositgegenstand gemäß Anspruch 28, wobei die erste Komponente (218, 220; 418, 420) Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 0,5–0,7 Mikrometer einschließt und die zweite Komponente (224; 424) Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr 0,2–0,3 Mikrometer einschließt.