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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Szintillatorzusammensetzungen,
z.B. solche, die zur Erkennung von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen
unter vielfältigen
Bedingungen nützlich
sind.
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Szintillatorkristalle
sind bei Detektoren für hochenergetische
Strahlung, z.B. Gammastrahlen, Röntgenstrahlen,
kosmischen Strahlen und Teilchen, die durch ein Energieniveau größer als
etwa 1 keV gekennzeichnet sind, in weit verbreitetem Gebrauch. Der
Kristall ist mit einem Lichterkennungsmittel, d.h. einem Fotodetektor
gekoppelt. Wenn Photonen aus einer Radionuklidquelle auf dem Kristall
auftreffen, sendet der Kristall Licht aus. Der Fotodetektor erzeugt
ein elektrisches Signal, das zu der Anzahl der empfangenen Lichtimpulse
und ihrer Intensität
proportional ist. Szintillatorkristalle sind bei vielen Anwendungen
im alltäglichen
Gebrauch. Beispiele enthalten medizinische Bildgebungseinrichtungen,
z.B. Positronenemissionstomographie (PET)-Geräte, Bohrlochmessungen für die Öl- und Gasindustrie
und vielfältige
digitale Bildgebungsanwendungen.
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Die
spezielle Zusammensetzung des Szintillators ist für die Leistungsfähigkeit
der Strahlungserkennungsvorrichtung entscheidend. Der Szintillator muss
auf eine Anregung durch Röntgen-
und Gammastrahlen ansprechen. Darüber hinaus sollte der Szintillator
eine Anzahl von Eigenschaften besitzen, die die Strahlungserkennung
verbessern. Z.B. müssen
die meisten Szintillatormaterialien eine hohe Lichtausbeute, eine
kurze Abklingzeit, ein geringes Nachleuchten, ein hohes Bremsvermögen bzw.
Stopping Power und eine annehmbare Energieauflösung besitzen. (In Abhängigkeit
davon, wie der Szintillator verwendet wird, können andere Eigenschaften auch sehr
wichtig sein, wie unten erörtert
wird.)
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Diese
kennzeichnenden Merkmale von Hochleistungsszintillatoren sind in
der Fachwelt wohlbekannt. Kurz gesagt ist die „Lichtausbeute" die Menge des von
dem Szintillator ausgesandten sichtbaren Lichts, nachdem dieser
durch einen Röntgen- oder Gammastrahlenimpuls
angeregt worden ist. Eine hohe Lichtausbeute ist wünschenswert,
weil sie die Fähigkeit
des Strahlungsdetektors zur Umwandlung des Lichtes in einen elektrischen
Impuls steigert. (Die Größe des Impulses
kennzeichnet gewöhnlich die
Strahlungsenergiemenge.)
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Der
Ausdruck „Abklingzeit" bezieht sich auf die
Zeit, die erforderlich ist, bis die Intensität des von dem Szintillator
ausgesandten Lichts auf einen bestimmten Bruchteil der Lichtintensität zu dem
Zeitpunkt, an dem die Strahlungsanregung aufhört, zurückgeht. Bei vielen Anwendungen,
wie z.B. den PET-Geräten, werden
kürzere
Abklingzeiten bevorzugt, weil sie eine effiziente Koinzidenzzählung von Gammastrahlen
zulassen. Folglich werden die Aufnahmezeiten verringert, und das
Gerät kann
effizienter genutzt werden.
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Der
Ausdruck „Nachleuchten" bezieht sich auf
die Intensität
des von dem Szintillator zu einer bestimmten Zeit (z.B. 100 Millisekunden)
nach dem Ende der Strahlungsanregung emittierten Lichtes. (Das Nachleuchten
wird gewöhnlich
als ein Prozentsatz des Lichtes angegeben, das ausgesandt wird, während der
Szintillator durch die Strahlung angeregt wird.) Ein verringertes
Nachleuchten ist oft vorteilhaft, weil es zu einem schärferen,
von dem Detektor erzeugten Bild führt, z.B. einem, das frei von
Bildartefakten („Geisterbilder") ist.
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„Bremsvermögen" oder „Stopping
Power" ist die Fähigkeit
eines Materials, Strahlung zu absorbieren und wird manchmal als
die „Röntgenabsorption" oder „Röntgenabschwächung" des Materials bezeichnet.
Das Bremsvermögen
steht in direkter Beziehung zu der Dichte des Szintillatormaterials.
Szintillatormaterialien, die ein hohes Bremsvermögen aufweisen, ermöglichen
wenig oder gar keiner Strahlung das Durchdringen, und dies ist ein
deutlicher Vorteil beim effizienten Erfassen der Strahlung.
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Die „Energieauflösung" eines Strahlungsdetektors
bezieht sich auf seine Fähigkeit,
zwischen Energiestrahlen (z.B. Gammastrahlen) mit sehr ähnlichen
Energieniveaus zu unterscheiden. Die Energieauflösung wird gewöhnlich als
ein Prozentsatz angegeben, nachdem Messungen bei einer Standardstrahlungsemissionsenergie
für eine
gegebene Energiequelle aufgenommen worden sind. Niedrigere Energieauflösungswerte
sind sehr wünschenswert,
weil sie gewöhnlich
zu einem Strahlungsdetektor von höherer Qualität führen.
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Zahlreiche
Szintillatormaterialien, die die meisten oder alle dieser Eigenschaften
besitzen, sind seit Jahren in Gebrauch. Z.B. wird Thallium-aktiviertes
Natriumjodid (NaI(Tl)) seit Jahrzehnten weit verbreitet als ein
Szintillator verwendet. Kristalle dieser Art sind relativ groß und ziemlich
kostengünstig.
Darüber
hinaus sind NaI(Tl)-Kristalle durch eine sehr hohe Lichtausbeute
gekennzeichnet.
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Beispiele
für andere
gebräuchliche
Szintillatormaterialien umfassen Wismutgermanat (BGO), Cer-dotiertes
Gadoliniumorthosilikat (GSO) und Cer-dotiertes Lutetiumorthosilikat
(LSO). Jedes dieser Materialien hat einige gute Eigenschaften, die
für bestimmte
Anwendungen sehr gut geeignet sind.
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Wie
die mit der Szintillatortechnologie Vertrauten erkennen haben alle
der konventionellen Materialien unter ihren Eigenschaften eine oder
mehrere Unzulänglichkeiten.
Z.B. ist Thallium-aktiviertes Natriumjodid ein sehr weiches, hygroskopisches
Material, das leicht Sauerstoff und Feuchtigkeit absorbiert. Darüber hinaus
erzeugt ein solches Material ein starkes und anhaltendes Nachleuchten,
das das Intensitätszählungssystem
beeinträchtigen
kann. Weiterhin ist die Abklingzeit von NaI(Tl) von etwa 230 Nanosekunden
für viele
Anwendungen zu langsam. Die Thalliumbestandteil kann auch spezielle
Verfahren zur Handhabung im Hinblick auf Gesundheits- und Umweltauflagen
erfordern.
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Demgegenüber ist
BGO nicht hygroskopisch. Die Lichtausbeute dieses Materials (15%
von NaI(Tl)) ist jedoch für
viele Anwendungen zu gering. Das Material hat auch eine langsame
Abklingzeit. Darüber
hinaus weist es einen hohen Brechungsindex auf, was zu Lichtverlusten
infolge innerer Brechung führt.
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Während GSO-Kristalle
für einige
Anwendungen geeignet sind, beträgt
ihre Lichtausbeute nur etwa 20% von der mit NaI(Tl) erreichten.
Darüber
hinaus sind die Kristalle leicht spaltbar. Es ist daher sehr schwierig,
diese Kristalle in eine bestimmte Form zu schneiden und sie zu glätten, ohne
das Risiko eines Zerbrechens des gesamten Kristalls einzugehen.
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Die
LSO-Materialien zeigen ebenfalls einige Nachteile. Z. B. enthält das Lutetium
des Kristalls eine geringe Menge des natürlichen radioaktiven Isotops
Lu176 mit einer langen Zerfallszeit. Das
Vorhandensein dieses Isotops erzeugt eine Hintergrundzählrate,
die hochempfindliche Detektoranwendungen beträchtlich stören kann. Darüber hinaus
ist Lutetium sehr teuer und hat einen relativ hohen Schmelzpunkt,
was die Verarbeitung manchmal erschweren kann.
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Die
Nachteile der konventionellen Szintillatoren für einige Anwendungen haben
Forscher veranlasst, neue Materialien zu entwickeln. Einige der
neuen Materialien sind in zwei veröffentlichten Patentanmeldungen
von P. Dorenbos und anderen beschrieben: WO 01/60944 A2 und WO 01/60945
A2. Die Bezugsquellen beschreiben die Verwendung von Cer-aktivierten
Lanthanoidhalogenid-Verbindungen als Szintillatoren. Die zuerst
genannte Veröffentlichung
beschreibt die Verwendung von Cer-aktivierten Lanthanoidchlorid-Verbindungen,
während
die zweite Veröffentlichung
die Verwendung von Cer-aktivierten Lanthanoidbromid-Verbindungen
beschreibt. Von den halogenid-haltigen
Materialien heißt
es, dass sie gleichzeitig eine Kombination aus guter Energieauflösung und
niedrigen Abklingkonstanten aufweisen. Eine solche Kombination von
Eigenschaften kann für
einige Anwendungen sehr vorteilhaft sein. Weiterhin zeigen die Materialien
offenbar annehmbare Lichtausbeutewerte. Darüber hinaus sind sie frei von
Lutetium und den manchmal von diesem Element hervorgerufenen Problemen,
die oben beschrieben worden sind.
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Die
Veröffentlichung
von Dorenbos scheint sicher einen Fortschritt in der Szintillatortechnologie darzustellen.
Ein solcher Fortschritt ist jedoch gegenüber dem Hintergrund von ständig steigenden
Anforderungen an die Kristalle erreicht worden. Ein Beispiel für eine Endanwendung,
die schnell anspruchsvoller bzw. fordernder geworden ist, sind die
oben erwähnten
Bohrlochmessungen. Kurzgesagt werden (gewöhnlich NaI(Tl)-basierte) Szintillatorkristalle
typischerweise in Röhren
oder Gehäusen
eingeschlossen, die ein Kristallpaket bilden. Das Paket enthält eine
zugehörige
Fotovervielfacherröhre
und ist in einem Bohrwerkzeug erhalten, das sich durch ein Bohrloch
bewegt.
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Das
Szintillationselementfunktioniert über die Erfassung der Strahlung
von der es umgebenden geologischen Formation und wandelt diese Energie in
Licht um. Das erzeugte Licht wird zu der Fotovervielfacherröhre übertragen.
Die Lichtimpulse werden in elektrische Impulse umgewandelt. Auf
den Impulsen basierende Daten können
aus dem Loch hinaus nach oben zu einer Analyseeinrichtung gesendet oder
lokal gespeichert werden. Es ist heute übliche Praxis, solche Daten
während
des Bohrens zu gewinnen und zu senden, d.h. „Messungen während des Bohrens" (Measurements while
drilling, MWD).
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Diejenigen,
die mit Bohrlochmessungsanwendungen vertraut sind, erkennen leicht,
dass die für
einen solchen Zweck verwendeten Szintillatorkristalle in der Lage
sein müssen,
bei sehr hohen Temperaturen sowie unter harten Stoß- und Vibrationsbedingungen
zu funktionieren. Das Szintillatormaterial sollte daher eine maximierte
Kombination von zahlreichen der zuvor erörterten Eigenschaften aufweisen,
z.B. eine hohe Lichtausbeute und Energieauflösung ebenso wie schnelle Abklingzeiten.
(Der Szintillator muss auch klein genug sein, um in einem für einen
sehr beengten Raum geeigneten Paket eingeschlossen zu sein.) Der
Schwellenwert für
akzeptable Eigenschaften ist beträchtlich gestiegen, da Bohrungen
in wesentlich größere Tiefen
vorgenommen werden. Z.B. kann die Fähig keit konventioneller Szintillatorkristalle
zur Erzeugung starker Lichtausgaben mit hoher Auflösung ernsthaft
gefährdet
werden, wenn die Bohrtiefe vergrößert wird.
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Im
Lichte dieser Erörterung
sollte leicht ersichtlich sein, dass neue Szintillatormaterialien
in der Fachwelt sehr willkommen währen, wenn sie die ständig steigenden
Anforderungen an die kommerzielle und industrielle Verwendung erfüllen könnten. Die
Materialien sollten eine ausgezeichnete Lichtausbeute sowie relativ
schnelle Abklingzeiten zeigen. Sie sollten auch insbesondere im
Fall von Gammastrahlen gute Energieauflösungseigenschaften aufweisen.
Weiterhin sollten die neuen Szintillatoren leicht in monokristalline
Materialien oder andere durchsichtige feste Körper umwandelbar sein. Darüber hinaus
sollten sie geeignet sein, in effizienter Weise zu vernünftigen
Kosten und in akzeptabler Kristallgröße hergestellt zu werden. Die
Szintillatoren sollten mit einer Vielzahl von Detektoren für hochenergetische
Strahlung kompatibel sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist auf eine Szintillatorzusammensetzung
gerichtet, die eine feste Lösung
von wenigstens zwei Cerhalogeniden enthält.
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Eine
andere Ausführungsform
bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor zur Erkennung hochenergetischer
Strahlung. Der Detektor enthält:
- (a) einen Kristallszintillator, der selbst
eine feste Lösung
von wenigstens zwei Cerhalogeniden und irgendwelchen Reaktionsprodukte
derselben enthält,
und
- (b) einen Fotodetektor, der optisch mit dem Szintillator gekoppelt
ist, um in der Lage zu sein, auf die Emission eines von dem Szintillator
erzeugten Lichtimpulses ansprechend ein elektrisches Signal zu erzeugen.
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Ein
Verfahren zur Erkennung hochenergetischer Strahlung mit einem Szintillationsdetektor
bildet eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte:
- (A) Empfangen von Strahlung durch einen Szintillatorkristall
auf Cerhalogenidbasis, um Photonen zu erzeugen, die für die Strahlung
kennzeichnend sind, und
- (B) Erkennen der Photonen mit einem Photonendetektor, der mit
dem Szintillatorkristall gekoppelt ist,
wobei der Szintillatorkristall
aus einer Zusammensetzung gebildet ist, die eine feste Lösung von
wenigstens zwei Cerhalogeniden enthält.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Graph des Emissionsspektrums (unter Röntgenstrahlenanregung) für eine Szintillatorzusammensetzung
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein weiterer Graph des Emissionsspektrums (unter Röntgenstrahlenanregung)
für eine Szintillatorzusammensetzung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein dritter Graph des Emissionsspektrums (unter Röntgenstrahlenanregung)
für eine Szintillatorzusammensetzung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Szintillatorzusammensetzung enthält eine
feste Lösung
von wenigstens zwei Cerhalogeniden. Die Halogenide sind entweder
Bromide, Chloride oder Jodide. Wenn hierin der Ausdruck „feste
Lösung" verwendet wird,
bezieht er sich auf eine Mischung der Halogenide in fester kristalliner
Form, was eine einzige Phase oder mehrere Phasen umfassen kann.
(Fachleute erkennen, dass Phasenübergänge innerhalb
eines Kristalls nach seiner Bildung auftreten können, z.B. nach anschließenden Verarbeitungsschritten
wie Sintern oder Verdichten.)
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In
einigen Ausführungsformen
enthält
die feste Lösung
Cerchlorid und Cerbromid. Diese beiden Verbindungen sind kommerziell
erhältlich
und können
auch durch bekannte Verfahren hergestellt werden. Z.B. kann Cerchlorid
(manchmal als „Cerochlorid" bezeichnet) durch
eine Reaktion von Salzsäure
entweder mit Cerkarbonat oder Cerhydroxid hergestellt werden. Cerbromid
kann in ähnlicher
Weise, z.B. durch eine Reaktion von Cerkarbonat, Ceroxid oder Cerhydroxid
mit Bromwasserstoffsäure
hergestellt werden.
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Das
Verhältnis
von Cerchlorid zu Cerbromid kann erheblich variieren. Z.B. sind
molare bzw. Stoffmengenverhältnisse
in dem Bereich von etwa 1:99 bis etwa 99:1 möglich. Sehr oft liegt das Stoffmengenverhältnis von
Cerchlorid zu Cerbromid in dem Bereich von etwa 10:90 bis etwa 90:10.
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Das
spezielle Verhältnis
der beiden Komponenten wird von vielfältigen Faktoren abhängen, wie z.B.
den oben genannten gewünschten
Eigenschaften, z.B. Lichtausbeute und Energieauflösung. Bei
einigen Ausführungsformen
liegt das Stoffmengenverhältnis
in dem Bereich von etwa 30:70 bis etwa 70:30. Für bestimmte Anwendungen wird
jedoch daran gedacht, dass die feste Lösung eine größere Menge
an Cerchlorid im Vergleich zu Cerbromid enthalten sollte, weil das
Cerchlorid manchmal bessere Lumineszenzeigenschaften zeigt. Demnach
kann die feste Lösung
z. B. etwa 55 bis etwa 95 molare Prozente von Cerchlorid bezogen
auf die gesamte Stoffmenge von Cerchlorid und Cerbromid enthalten.
In einigen Ausführungsformen
für ausgewählte Endanwendungen
enthält
die feste Lösung
etwa 75 bis etwa 95 molare Prozente an Cerchlorid.
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Die
feste Lösung
von Cerhalogeniden kann weiterhin Cerjodid enthalten. Wie die anderen
Halogenide ist auch Cerjodid kommerziell erhältlich und kann durch bekannte
Verfahren hergestellt werden. Wenn Cerjodid verwendet wird, sollte
es im Wesentlichen frei von Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden
Verbindungen sein. wenn hierin der Ausdruck „im Wesentlichen frei von" verwendet wird,
soll er eine Komponente bezeichnen, die weniger als etwa 0,1 molare
Prozente Sauerstoff und in einigen spezielleren Ausführungsformen
weniger als etwa 0,01 molare Prozente Sauerstoff enthält.
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Gewöhnlich wird
sich die Menge des vorhandenen Cerjodids in dem Bereich von etwa
0,1 molaren Prozenten bis etwa 20 molaren Prozenten bezogen auf
die gesamte Stoffmenge der in der Zusammensetzung vorhandenen Cerhalogenide
bewegen. In einigen Ausführungsformen
liegt die vorhandene Menge von Cerjodid in dem Bereich von etwa
0,1 bis etwa 10 molaren Prozenten. Das Vorhandensein von Cerjodid
kann weiterhin verschiedene Eigenschaften, wie z.B. die Lichtausbeute,
verbessern. (Es sollte erkannt werden, dass Cerjodid auch entweder
mit Cerchlorid oder Cerbromid alleine vorhanden sein könnte, aber
häufig
mit einer Kombination der beiden anderen Halogenide vorhanden sein
wird.)
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Die
Szintillatorzusammensetzung kann in mehreren verschiedenen Formen
hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen liegt die Zusammensetzung
in monokristalliner Form (d.h. „Einkristall") vor. Monokristalline
Szintillationskristalle weisen eine größere Neigung zur Durchsichtigkeit
auf. Sie sind besonders nützlich
für Detektoren
für hochenergetische Strahlung,
d.h. die für
Gammastrahlen verwendeten Detektoren.
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In
Abhängigkeit
von der beabsichtigten Endanwendung kann die Zusammensetzung aber
auch in anderen Formen vorliegen. Sie kann z.B. in einer Pulverform
vorliegen. Sie kann auch in Form einer polykristallinen Keramik
hergestellt sein. Es sollte auch erkannt werden, dass die Szintillatorzusammensetzungen
geringe Mengen von Verunreinigungen enthalten können. Wie Fachleute erkennen, stammen
diese Verunreinigungen gewöhnlich
von den Ausgangsmaterialien und bilden typischerweise weniger als
etwa 0,1 Gewichtsprozente der Szintillatorzusammensetzung. Sehr
oft bilden sie weniger als etwa 0,01 Gewichtsprozente der Zusammensetzung. Die
Zusammensetzung kann auch parasitäre Phasen enthalten, deren
Volumenanteil gewöhnlich
weniger als etwa 1% beträgt.
Darüber
hinaus können
geringe Mengen anderer Materialien absichtlich in die Szintillatorzusammensetzungen
aufgenommen werden, wie es in dem US-Patent Nr. 6 585 913 (Lyons
und andere) gelehrt wird, das durch die Bezugnahme hierin einbezogen
wird. Z.B. können
geringere Mengen anderer Seltenerdoxide hinzugefügt werden, um das Nachleuchten
zu verringern. Kalzium und/oder Dysprosium können hinzugefügt werden,
um die Wahrscheinlichkeit eines Strahlungsschadens zu verringern.
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Fachleute
sind mit den Verfahren zur Herstellung der Szintillatormaterialien
vertraut. Die Zusammensetzungen werden gewöhnlich durch Trockenverfahren
hergestellt. (Es sollte erkannt werden, dass die Szintillatorzusammensetzungen
eine Vielzahl von Reaktionsprodukten dieser Verfahren enthalten
können.)
Einige beispielhafte Verfahren zur Herstellung der polykristallinen
Materialien sind in dem oben erwähnten
Patent von Lyons sowie in dem US-Patent Nr. 5 213 712 (Dole) und
5 882 547 (Lynch und andere) beschrieben, die durch die Bezugnahme hierin
einbezogen werden. Üblicherweise
wird zuerst ein geeignetes Pulver hergestellt, das die gewünschten
Materialien (d.h. die Cerhalogenide selbst) in dem richtigen Verhältnis enthält, woraufhin
Vorgänge
wie Kalzination, Gesenkformung, Sinterung und/oder isostatisches
Heißpressen
folgen. Das Pulver kann durch eine Mischung verschiedener Formen
der Ausgangsstoffe (z.B. Salze, Oxide, Halogenide, Oxalate, Karbonate,
Nitrate oder Mischungen derselben) hergestellt werden. Das Mischen
kann in Gegenwart einer Flüssigkeit,
wie z.B. Wasser, einem Alkohol oder einem Kohlenwasserstoff, durchgeführt werden.
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Das
Mischen der Ausgangsstoffe (häufig
der Cerhalogenide selbst) kann durch beliebige geeignete Mittel
durchgeführt
werden, die eine gründliche gleichförmige Vermischung
sicherstellen. Z.B. kann das Mischen in einem Achatmörser mit
einem Stößel ausgeführt werden.
Alternativ kann ein Mischwerk oder Pulverisierungsgerät verwendet
werden, wie z.B. eine Kugelmühle,
eine Schüsselmühle, eine Hammermühle oder
eine Strahlmühle.
Die Mischung kann auch vielfältige
Additive enthalten, wie z.B. den Schmelzpunkt senkende Komponenten
und Bindemittel. In Abhängigkeit
von der Kompatibilität und/oder
Löslichkeit können Wasser,
Heptan oder ein Alkohol, wie z.B. Ethylalkohol, manchmal während des
Mahlens als ein flüssiges
Binde- bzw. Trägermittel
verwendet werden. Es sollten geeignete Mahlmedien verwendet werden,
z.B. ein Material, das den Szintillator nicht verunreinigen würde, weil eine
solche Verunreinigung seine Fähigkeit
zur Lichtemission verringern könnte.
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Nachdem
sie gemischt worden ist, kann die Mischung in einem Ofen unter Temperatur-
und Zeitbedingungen gebrannt werden, die zur Umwandlung der Mischung
in eine feste Lösung
ausreichen. Diese Bedingungen hängen
zum Teil von der speziellen Art des Matrixmaterials und des Aktivators
ab, die verwendet werden. In dem Fall von Pulverausgangsstoffen
wird das Brennen üblicherweise
bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 500°C bis etwa 900°C durchgeführt. Die
Brenndauer wird sich typischerweise in einem Bereich von etwa 15
Minuten bis etwa 10 Stunden bewegen.
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Das
Brennen sollte in einer von Sauerstoff und Feuchtigkeit freien Atmosphäre, z.B.
in einem Vakuum oder unter Verwendung eines Inertgases, wie z. B.
Stickstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon, durchgeführt werden.
Fachleute sind mit Vorgehensweisen zur Anfertigung von Zusammenstellungen
unter rigorosem Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit sehr
gut vertraut. Einige der Verfahren sind in der anhängigen Patentanmeldung S.N.
10/689 361 beschrieben, die am 17. Oktober 2003 für A. Srivastava
und andere eingereicht worden ist und die durch die Bezugnahme hierin
einbezogen wird. Es können
jedoch auch zahlreiche andere Verfahren angewandt werden. Fachleute
sind in der Lage, die für
eine gegebene Situation am besten geeigneten Verfahren und Gerätschaften
leicht herauszufinden. Nachdem das Brennen abschlossen ist, kann
das resultierende Material pulverisiert werden, um den Szintilla tor
in Pulverform zu bringen. Danach können konventionelle Vorgehensweisen
angewandt werden, um das Pulver in Strahlungsdetektorelemente zu
verarbeiten.
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Verfahren
zur Herstellung der Einkristallmaterialien sind in der Fachwelt
ebenfalls wohlbekannt. Eine nicht beschränkende, beispielhafte Bezugsquelle
ist „Luminescent
Materials" (Lumineszierende
Materialien) von G. Blasse und anderen, Springer-Verlag (1994).
Gewöhnlich
werden die geeigneten Ausgangsstoffe bei einer Temperatur geschmolzen,
die zur Bildung eines kongruenten geschmolzenen Gemisches ausreicht.
Die Schmelztemperatur wird von der Identität der Ausgangsstoffe selbst
abhängen. Die
Temperatur liegt gewöhnlich
in dem Bereich von etwa 650°C
bis etwa 1100°C.
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Zur
Bildung eines Einkristalls aus dem geschmolzenen Material können verschiedene
Vorgehensweisen angewandt werden. Einige dieser Vorgehensweisen
sind in Bezugsquellen, wie z.B. den US-Patenten Nr. 6 437 336 (Pauwels
und andere) und 6 302 959 (Srivastava und andere), „Crystall Growth
Processes" (Kristallwachstumsprozesse)
von J. C. Brice, Blackie & Son
Ltd (1986) und der „Encyclopedia
Americana", Band
8, Grolier Incorporated (1981), Seiten 286-293, beschrieben. Diese
Beschreibungen werden durch die Bezugnahme hierin einbezogen. Nicht
beschränkende
Beispiele für
Kristallwachstumstechniken sind die Bridgman-Stockbarger-Methode,
das Czochralski-Verfahren, das Zonenschmelzverfahren (oder Schwebezonenverfahren)
und das Temperaturgradientenverfahren. Fachleute sind mit den notwendigen
Einzelheiten im Hinblick auf jedes dieser Verfahren vertraut.
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Eine
nicht beschränkende
Darstellung kann zur Erzeugung eines Szintillators in Einkristallform geliefert
werden, die zum Teil auf die Lehren des o.g. Patentes von Lyons
und anderen gestützt
ist. Bei diesem Verfahren wird ein Kristallkeim der gewünschten (oben
beschriebenen) Zusammensetzung in eine gesättigte Lösung eingebracht. Die Lösung ist
in einem geeigneten Schmelztiegel enthalten und enthält geeignete
Vorläufersubstanzen
des Szintillatormaterials. Dem neuen kristallinen Material. wird
es unter Verwendung einer der o.g. Wachstumstechniken ermöglicht,
zu wachsen und sich dem Einkristall hinzuzufügen. Die Größe des Kristalls hängt zum
Teil von seiner gewünschten
Endanwendung ab, z.B. der Art des Strahlungsdetektors, in den er
eingebaut werden wird.
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Das
Szintillatormaterial kann auch in anderen Formen durch konventionelle
Verfahren hergestellt werden. Z.B. wird das Szintillatormaterial
in dem Fall der oben erwähnten
polykristallinen Keramikform zuerst in Pulverform hergestellt (oder
in die Pulverform umgewandelt), wie es zuvor beschrieben worden
ist. Das Material wird dann durch konventionelle Vorgehensweisen
(z.B. in einem Ofen) bei einer Temperatur, die typischerweise etwa
65% bis 85% des Schmelzpunktes des Pulvers beträgt, zur Durchsichtigkeit gesintert.
Die Sinterung kann unter Atmosphärenbedingungen
oder unter Druck durchgeführt
werden.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist auf ein Verfahren zur Erkennung hochenergetischer
Strahlung mit einem Szintillationsdetektor gerichtet. Der Detektor
enthält
einen oder mehrere Kristalle, die aus der hierin beschriebenen Szintillatorzusammensetzung
aufgebaut sind. Szintillationsdetektoren sind in der Fachwelt wohlbekannt
und brauchen hier nicht im Detail beschrieben werden. Einige (von zahlreichen)
Bezugsquellen, die solche Vorrichtungen erläutern, sind die oben erwähnten US-Patente Nr.
6 585 913 und 6 437 336 und das US- Patent Nr. 6 624 420 (Chai und andere),
das durch die Bezugnahme ebenfalls hierin einbezogen wird. Allgemein empfangen
die Szintillatorkristalle in diesen Vorrichtungen Strahlung von
einer Quelle, die untersucht wird, und sie erzeugen Photonen, die
für die
Strahlung kennzeichnend sind. Die Photonen werden mit irgendeiner
Art von Fotodetektor erkannt. (Der Fotodetektor ist durch konventionelle
elektronische und mechanische Befestigungssysteme mit dem Szintillatorkristall
verbunden.)
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Wie
oben erwähnt
kann der Fotodetektor eine aus einer Vielzahl von Vorrichtungen
sein, die in der Fachwelt alle wohlbekannt sind. Nicht beschränkende Beispiele
umfassen Fotovervielfacherröhren, Fotodioden,
CCD-Sensoren und Bildverstärker.
Die Auswahl eines speziellen Fotodetektors hängt zum Teil von der Art des
herzustellenden Strahlungsdetektors und von seiner beabsichtigen
Verwendung ab.
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Die
Strahlungsdetektoren selbst, die den Szintillator und den Fotodetektor
enthalten, können mit
einer Vielzahl von Werkzeugen und Vorrichtungen verbunden werden,
wie sie zuvor erwähnt
worden sind. Nicht beschränkende
Beispiele enthalten Bohrlochmessungswerkzeuge und nuklearmedizinische
Vorrichtungen (z.B. PET). Die Strahlungsdetektoren können auch
mit digitalen Bildgebungsgeräten, z.B.
gepixelten Flat Panel-Geräten
verbunden sein. Darüber
hinaus kann der Szintillator als eine Komponente eines Schirm- bzw.
Screen-Szintillators dienen. Pulverisiertes Szintillatormaterial
könnte
z.B. zu einer relativ flachen Platte geformt werden, die an einem
Film, z.B. einem fotografischen Film, befestigt wird. Hochenergetische
Strahlung, z.B. Röntgenstrahlung,
die von irgendeiner Quelle ausgeht, würde auf dem Szintillator auftreffen
und in Lichtphotonen umgewandelt werden, die auf den Film einwirken
und auf diesem entwickelt werden.
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Mehrere
der Endanwendungen sollten auch kurz erörtert werden. Bohrlochmessungsvorrichtungen
wurden zuvor bereits erwähnt
und stellen eine wichtige Anwendung für diese Strahlungsdetektoren dar.
Die Technologie für
die betriebliche Verbindung des Strahlungsdetektors mit einer Bohrlochmessungsröhre ist
in der Fachwelt bekannt. Die allgemeinen Konzepte sind in dem US-Patent
Nr. 5 869 836 (Linden und andere) beschrieben, das durch die Bezugnahme
hierin einbezogen wird. Das Kristallpaket, das den Szintillator
enthält,
weist gewöhnlich
ein optisches Fenster an einem Ende des Ummantelungsgehäuses auf.
Das Fenster ermöglicht
es dem strahlungsinduzierten Szintillationslicht, aus dem Kristallpaket
auszutreten, um durch eine Licht erkennende Vorrichtung (z.B. eine
Fotovervielfacherröhre),
die mit dem Paket verbunden ist, gemessen zu werden. Die Licht erkennende
Vorrichtung wandelt die von dem Kristall ausgesandten Lichtphotonen
in elektrische Impulse um, die von der zugehörigen Elektronik geformt und
digitalisiert werden. Durch dieses allgemeine Verfahren können Gammastrahlen
erkannt werden, was wiederum eine Analyse der die Bohrlöcher umgebenden
Gesteinsschichten liefert.
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Medizinische
Bildgebungsgeräte,
wie z.B. die oben genannten PET-Geräte, stellen eine weitere wichtige
Anwendung für
diese Strahlungsdetektoren dar. Die Technologie zur betrieblichen
Verbindung des Strahlungsdetektors (,der den Szintillator enthält,) mit
einem PET-Gerät
ist in der Fachwelt ebenfalls wohlbekannt. Die allgemeinen Konzepte
sind in zahlreichen Bezugsquellen beschrieben, wie z.B. dem US-Patent
Nr. 6 624 422 (Williams und andere), das durch die Bezugnahme hierin
einbezogen wird. Kurz gesagt wird gewöhnlich ein Radiopharmazeutikum
einem Patienten injiziert und innerhalb eines interessierenden Organs
konzentriert. Radionuklide aus der Verbindung zerfallen und senden
Positronen aus. Wenn die Positronen auf Elektronen auftreffen, zerstrahlen
sie und wandeln sich in Photonen oder Gammastrahlen um. Der PET-Scanner
kann diese „Zerstrahlungen" in drei Dimensionen
lokalisieren und dadurch die Form des für die Beobachtung interessierenden
Organs rekonstruieren. Die Detektormodule in dem Scanner enthalten üblicherweise
eine Anzahl von „Detektorblöcken" in Verbindung mit
der zugehörigen
Schaltung. Jeder Detektorblock kann ein Array aus Szintillatorkristallen
in einer speziellen Anordnung in Verbindung mit Fotovervielfacherröhren enthalten.
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Wie
zuvor angemerkt ist die Lichtausbeute des Szintillators sowohl bei
den Bohrlochmessungs- als auch bei den PET-Technologien sehr wichtig. Die vorliegende
Erfindung schafft Szintillatormaterialien, die für anspruchsvolle Anwendungen
der Technologien die gewünschte
Lichtausbeute liefern können. Darüber hinaus
können
die Kristalle gleichzeitig die anderen oben genannten wichtigen
Eigenschaften zeigen, z.B. kurze Abklingzeit, geringes Nachleuchten,
hohes Bremsvermögen
und eine akzeptable Energieauflösung.
Weiterhin können
die Szintillatormaterialien wirtschaftlich hergestellt und in einer
Vielzahl weiterer Vorrichtungen verwendet werden, die eine Strahlungserkennung
erfordern.
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BEISPIELE
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Das
folgende Beispiel ist lediglich darstellend und darf nicht als irgendeine
Art der Beschränkung
des Umfangs der beanspruchten Erfindung angesehen werden.
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Drei
Szintillatorproben wurden hergestellt und danach zur Analyse der
Lichtausbeute untersucht. Jede Zusammensetzung wurde durch Trockenmischen
verschiedener Anteile von Cerchlorid und Cerbromid hergestellt.
(Alle Materialien waren kommerziell erhältlich.) Das Mischen wurde
in einem Achatmörser
mit Stößel ausgeführt. Die
gleichförmige
Mischung wurde danach in einen Aluminiumschmelztiegel überführt und
bei einer Temperatur von etwa 600°C
gebrannt. Die Heizatmosphäre
war eine Mischung aus 0,5% Wasserstoff und 99,5% Stickstoff.
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In
der Probe A betrug das Stoffmengenverhältnis von Cerchlorid zu Cerbromid
50:50. In der Probe B betrug das Stoffmengenverhältnis von Cerchlorid zu Cerbromid
20:80. In der Probe C betrug das Stoffmengenverhältnis von Cerchlorid zu Cerbromid
10:90.
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Das
Emissionsspektrum jeder Probe wurde bei Röntgenstrahlenanregung unter
Verwendung eines optischen Spektrometers bestimmt. Die 1, 2 und 3 gehören zu den
Proben A, B und C. Jede Figur ist ein Plot der Intensität (willkürliche Einheiten)
als eine Funktion der Wellenlänge
(nm). Die Wellenlänge
der Maximalanregung betrug bei der Probe A (1) etwa
400 nm. Die Wellenlänge
der Maximalanregung betrug bei der Probe B (2) etwa
410 nm. Die Wellenlänge
der Maximalanregung betrug bei der Probe C (3) etwa
405 nm.
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Die
Daten, die den 1–3 zugrunde liegen,
zeigen, dass Cer über
einen Bereich von Chlorid/Bromid-Verhältnissen in einer Cerhalogenidzusammensetzung
durch Röntenstrahlen
angeregt werden kann. Demnach ist auch klar, dass Cer durch Gammastrahlen
auf ein Emissionsniveau angeregt werden kann, das für das Cerion
kennzeichnend ist. Diese Emissionseigenschaften sind ein klarer
Hinweis darauf, dass Cerhalogenidmischungen als Szintillatorzusammensetzungen
sehr nützlich
wären,
um mit einer Vielzahl von Vorrichtungen Gammastrahlen zu erkennen.
Darüber
hinaus sollte erkannt werden, dass diese Szintillatorzusammensetzungen
selbstaktivierend sind. Mit anderen Worten benötigen sie keine separate Aktivatorkomponente,
weil Cer sowohl als der Aktivator (d.h. als die Emissionsquelle
für die von
dem Szintillationsdetektor gemessene Strahlung) als auch als Grund-
bzw. Hostelement dient.
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Eine
Szintillatorzusammensetzung ist offenbart, die eine feste Lösung aus
wenigstens zwei Cerhalogeniden enthält. Ein Strahlungsdetektor
zur Erkennung hochenergetischer Strahlung ist hierin ebenfalls beschrieben.
Der Detektor enthält
die zuvor genannte Szintillatorzusammensetzung mit einem Fotodetektor,
der mit dem Szintillator optisch gekoppelt ist. Ein Verfahren zur
Erkennung hochenergetischer Strahlung mit einem Szintillationsdetektor,
bei dem der Szintillationskristall auf einer Mischung von Cerhalogeniden
basiert, ist auch beschrieben.
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Die
vorangegangene Beschreibung stellt einige der Ausführungsformen
dieser Erfindung dar. Es wird jedoch erkannt, dass darin vielfältige Hinzufügungen,
Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden können, ohne
von dem Geist und dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Alle oben
erwähnten
Patente, Artikel und Texte werden durch die Bezugnahme hierin einbezogen.