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Die
Erfindung betrifft ein Szintillatoranordnung zur Erfassung einer
Röntgenstrahlung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen
Röntgendetektor mit einer solchen Szintillatoranordnung.
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In
der Computertomographie werden Röntgendetektoren zum Erfassen
der medizinischen Röntgenstrahlung eingesetzt, welche eine
zweidimensionale Szintillatoranordnung oder Sensorarray aus einem
Szintillatormaterial, auch Leuchtstoff genannt, aufweisen. Das Szintillatormaterial
wandelt die hochenergetische Röntgenstrahlung üblicherweise
in sichtbares Licht um. Geeignet als Leuchtstoff sind z. B. Oxisulfide
der seltenen Erden, die eine Oxisulfidkeramik bilden. Als Dotierung
des Leuchtstoffs wird zudem oftmals Praseodym verwendet, welches seine
Hauptemission bei 511 nm, 630 nm und 670 nm hat.
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Um
eine gute Auflösung zu erreichen, weist das Sensorarray
eine pixelartige Struktur mit mehreren insbesondere zweidimensioniert
angeordneten Pixeln auf, wobei ein Pixel üblicherweise
eine zu einer Röntgenquelle gerichtete Fläche
von etwa 1 × 1 mm aufweist. Das in dem Szintillatormaterial
des Pixels erzeugte Licht wird anschließend von einem photosensitiven
Element wie z. B. einer Photodiode, einem Photomultiplier oder einem
lichtempfindlichen Film, erfasst und gemessen. Entsprechend der
pixelartigen Struktur des Sensorarrays sind die photosensitiven
Elemente ebenfalls in einem Array, beispielsweise Photodiodenarray
angeordnet.
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Für
die Röntgendetektoren, die in der Computertomographie eingesetzt
sind, werden Szintillatormaterialien mit extrem niedrigem Nachleuchten benötigt,
um eine ausreichend hohe Auslesefrequenz zu erreichen. Zum Reduzieren
des sogenannten Nachleuchtens ist es z. B. bekannt die Oxisulfidkeramik
zu sätzlich mit Cer (Ce) zu dotieren, wobei der Ce-Anteil üblicherweise
zwischen 3–50 ppm, vorzugsweise zwischen 10–30
ppm liegt. Unter Nachleuchten wird hierbei der Effekt verstanden,
dass ein Teil der auftreffenden Röntgenstrahlung nicht
unmittelbar sondern mit einem Zeitversatz in Licht umgewandelt wird.
Durch die Oxidation von Ce3+ zu Ce4+ entsteht eine Gelbfärbung
der Keramik. Aufgrund der Gelbfärbung der Oxisulfidkeramik
wird die Emissionsbande bei 511 nm, die zum großen Teil
für eine unerwünschte Signaldrift beim Erfassen
des sichtbaren Lichts verantwortlich ist, reduziert. Diese Signaldrift
entsteht bei längerer Bestrahlung und führt z.
B. zur Bildung von Artefakten in den Aufnahmen bei einer Computertomographie-Untersuchung.
Die Signaldrift entsteht durch Bildung von Farbzentren, welche die
Absorption um 511 nm verändern. Unter Signaldrift wird
daher die Veränderung des Signals, insbesondere die Reduzierung
der Signalintensität bei einem bestimmten Wellenlängenbereich,
aufgrund einer Zunahme der Farbzentren und damit der Absorption
im Verlauf einer Bestrahlung verstanden. Der Mechanismus der Driftreduktion
durch Cer besteht darin, dass durch die Gelbfärbung der
Keramik die Emissionsbande bei 511 nm teilweise absorbiert wird
und so die relative Änderung minimiert wird. Als Farbzentren
werden Leerstellen im Kristall bezeichnet, an welchen Anionen fehlen.
Die Ladung der fehlenden Anionen wird ausgeglichen, indem die Leerstellen
mit einem oder mehreren Elektronen besetzt werden. Diese Elektronen
können elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts absorbieren, was sich in einer Verfärbung des
Kristalls äußert – im Falle der Oxisulfidkeramik verfärbt
sich diese gelb. Durch eine relativ hohe Ce-Konzentration im Szintillatormaterial
wird daher sowohl das Nachleuchten verbessert als auch die Signaldrift
gesenkt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass mit steigender Ce-Konzentration
die Lichtausbeute abfällt.
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Bei
einer Szintillatoranordnung eines Röntgendetektors werden
zwischen den Szintillatorkeramiken der Pixel Reflektoren angeordnet,
welche die einzelnen Pixel von fünf Seiten umschließen
und somit ein Eindringen des erzeugten Lichts in ein benachbartes
Pixel oder ein Entweichen des Lichts nach außen verhindern.
Die Reflektoren enthalten üblicherweise Titandioxid und
Epoxidharz als Bindematerial, wobei Titandioxid im Emissionsbereich
der Szintillatorkeramik von 450 nm bis 800 nm eine hohe Reflektivität
aufweist, so dass die in der Szintillatorkeramik generierten Lichtquanten
oder Photonen beim Erreichen der Grenze des Detektorelements vom
Reflektor reflektiert werden.
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Aufgrund
der Aufteilung der Detektorfläche in einzelne Pixel, die
von einem das Licht reflektierenden Material umschlossen sind, verlängert
sich die von den reflektierten Photonen zurückgelegte Strecke
bevor die Photonen das photosensitive Element erreicht haben. Daher
nimmt die Signaldrift bei einer sogenannten strukturierten Szintillatoranordnung
mit Pixeln mit einer Größe von etwa 1 mm2 um Faktor 1,5 bis 2,5 zu im Vergleich zu
seiner unstrukturierten Scheibe aus Leuchtstoffkeramik. Dies macht
den Aufbau (Sortierung) des Röntgendetektors ziemlich aufwendig,
da Arrays mit ähnlichen Eigenschaften nebeneinander gruppiert
werden müssen.
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In
der
DE 44 02 258 A1 ist
ein Leuchtstoff auf Basis eines Selten-Erd-Oxisulfids beschrieben,
welcher zur Verwendung in der Copmutertomographie vorgesehen ist.
Zum Verringern des Nachleuchtens enthält die Leuchtstoffkeramik
zusätzlich zum Cer eine Molybdän-Dotierung in
einem Anteil von etwa 10
–1 bis
10
–6 Molprozent.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lichtausbeute
in einer Szintillatoranordnung zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Szintillatoranordnung zur Erfassung einer Röntgenstrahlung,
umfassend mehrere voneinander durch Reflektoren getrennte Pixel
aus einer Szintillatorkeramik zur Umwandlung der Röntgenstrahlung
in sichtbares Lichts, wobei die Reflektoren zur Absorption von Licht
mit einem vorgegebenen Wellenlängenbereich ausge bildet
sind, der einer ausgewählten Emissionsbande der Szintillatorkeramik
entspricht.
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Die
Erfindung basiert auf der Überlegung, dass durch eine Verlagerung
der Absorption in die Reflektoren die Cer-Konzentration in der Szintillatorkeramik
reduziert werden kann, was eine erhöhte Lichtausbeute nach
sich zieht. Insbesondere kann der Cer-Gehalt in der Szintillatorkeramik
im Vergleich zu heute eingesetzten Keramiken um den Faktor 2 bis
4 gesenkt werden, wodurch die Lichtausbeute etwa um 4–5%
verbessert wird.
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Die
Reduktion der Signaldrift erfolgt hierbei nicht nur in der Szintillatorkeramik,
sondern zusätzlich und insbesondere hauptsächlich
in den die Pixel seitlich umgebenden Reflektoren. Wenn ein Photon in
der Szintillatorkeramik generiert und emittiert wird, trifft dieses
mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen Reflektor auf. In einem von
mehreren Reflektoren umgebenen Pixel durchläuft das emittierte
Photon eine sehr lange Strecke in der mit Cer dotierten Szintillatorkeramik
aufgrund mehrfacher Reflektion an den Reflektoren und den Korngrenzen
der Szintillatorkeramik. Durch die lange Laufstrecke wird allgemein
die Absorption erhöht. Bei einer nunmehr möglichen
Absenkung des Cer-Gehalts ist der Laufweg der Photonen in der Szintillatorkeramik
weniger oder nicht mehr gestört, so dass der Absorptionsgrad
in der Szintillatorkeramik reduziert und somit die Lichtausbeute
erhöht wird. Gleichzeitig wird die Signaldrift durch eine
geeignete Ausbildung der Reflektoren gesenkt, wodurch die reduzierte
Cer-Menge in der Szintillatorkeramik kompensiert wird. Das Herabsetzen
der Cer-Menge führt außerdem zu einem geringer
Sortieraufwand beim Aufbau des Röntgendetektors, was einerseits
eine Kosteneinsparung und andererseits eine Verbesserung der Bildqualität durch
weniger Artefakte im Computertomographie-Bild nach sich zieht.
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Vorzugsweise
ist zusätzlich ein Deckreflektor vorgesehen, der ebenfalls
zur Absorption von Licht mit dem vorgegebenen Wel lenlängenbereich
ausgebildet ist. Ein Pixel ist hierbei von fünf Seiten
durch Reflektoren umschlossen – vier Mal von der Seite
sowie von oben. Es können dabei zwei oder vier der seitlichen
Reflektoren oder alle 5 Reflektoren (die vier seitlichen und der
Deckreflektor) zur Absorption von Licht mit dem vorgegebenen Wellenlängenbereich ausgebildet
sein.
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Im
Hinblick auf eine Reduzierung der Signaldrift eines Detektorelements
sind die Reflektoren bevorzugt zur Absorption eines Wellenlängenbereichs
um 511 nm ausgebildet. Die Breite des Absorptionsbereichs beträgt
beispielsweise etwa 20–40 nm. Da durch die in der Szintillatorkeramik
mit der Zeit entstehenden Farbzentren das Absorptionsverhalten der
Szintillatorkeramik bei 511 nm besonders stark beeinflusst wird,
ist durch diese Maßnahme die Signaldrift in diesem Wellenlängenbereich
besonders effektiv reduziert.
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Zweckdienlicherweise
weisen die Reflektoren einen Absorptionsgrad im Bereich von 0,5
bis 60% auf. Dies bedeutet, dass zwischen 0,5 und 60% der auf den
Reflektor auftreffenden Intensität insbesondere im Wellenlängenbereich
um 511 nm absorbiert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weist die Szintillatorkeramik eine Cer-Dotierung
von unter 50 ppm auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung weist die Szintillatorke ramik eine Cer-Dotierung
von unter 25 ppm auf. Insbesondere kann bei der Zusammensetzung
der Szintillatorkeramik auf Cer verzichtet werden, wobei die dadurch entstandene
Signaldrift durch die Ausgestaltung der Reflektoren so weit wie
möglich herabgesetzt wird. Bevorzugt ist jedoch der Cer-Anteil
auf 5 ppm reduziert, denn diese Menge wird benötigt, um
das Nachleuchten zu kontrollieren.
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Vorzugsweise
weisen die Reflektoren zur Absorption eine Gelbfärbung
auf. Die Gelbfärbung weist eine Absorptionsbande bis 520
nm auf und reduziert die Signaldrift bei 511 nm. Dank der Gelbfärbung
kann die Signaldrift insbesondere bis zum Faktor 3 reduziert werden,
ohne dass dadurch große Lichtausbeuteverluste entstehen.
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Nach
einer bevorzugten Variante sind organische Farbstoffe zum Erzeugen
der Gelbfärbung in den Reflektoren vorgesehen. Geeignet
für diesen Einsatz sind z. B. Isoindolgelb und Permanentgelb. Ergänzend
oder alternativ zu den organischen Farbstoffen sind nach einer weiteren
bevorzugten Variante anorganische Pigmente, wie z. B. Nickeltitangelb, Zirkon-Praseodymsilikat,
Wismutvanadat, Wismutmolybdat, Eisenoxidgelb oder Cadimiumsulfid,
zum Erzeugen der Gelbfärbung in den Reflektoren vorgesehen.
Die organischen Pigmente werden im Bereich von 0,05–3%
der Reflektormasse zugesetzt, die anorganischen Pigmente im Bereich
von 1–50%.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst
durch einen Röntgendetektor, insbesondere, für
einen Computertomographen, mit einer Sensoranordnung nach einer
der vorhergehenden Varianten.
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Die
in Bezug auf die Sensoranordnung angeführten Vorteile und
bevorzugten Ausführungen sind sinngemäß auf
den Röntgendetektor zu übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 schematisch
einen Computertomograph,
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2 in
einer stark vereinfachten Darstellung einen Schnitt durch eine Sensoranordnung
für einen Röntgendetektor,
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3 in
einem Diagramm der Emissionsgrad einer Szintillatorkeramik sowie
der Absorptionsgrad der Farbzentren der Szintillatorkeramik, und
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4 in
einem Diagramm der Absorptionsgrad einer Szintillatorkeramik in
Abhängigkeit von der dotierten Cer-Menge.
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In
den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezeichnungen
versehen.
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In 1 ist
in schematischer Darstellung ein Computertomograph 1 gezeigt.
Der Computertomograph 1 umfasst im Wesentlichen eine Röntgenquelle 2,
von der ein Röntgenbündel 3 ausgeht.
Das Röntgenbündel 3 durchdringt ein zu
untersuchendes Objekt 4 und trifft auf einen flächigen
Röntgendetektor 5 auf. Die Röntgenquelle 2 und
der Röntgendetektor 5 sind vorzugsweise in nicht
dargestellter Weise aneinander gegenüberliegend an einem
Drehrahmen des Computertomographen 1 angeordnet, wobei
der Drehrahmen in eine φ-Richtung um die Systemachse Z
des Computertomographen 1 drehbar gelagert ist. Der Röntgendetektor 5 erfasst
die durch das Objekt 4 hindurchtretende Strahlung und erzeugt
Signale, aus welchen ein Bildrechner 6 in an sich bekannter Weise
eines oder mehrere zwei- oder dreidimensionale Bilder berechnet,
die auf einer Anzeige 7 darstellbar sind.
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Der
Röntgendetektor 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel
ein pixelierter Szintillatordetektor, der eine Szintillatoranordnung 8 aus
einer Vielzahl von Pixeln 9 umfasst, wobei die Pixel 9 in φ-Richtung
und in Z-Richtung nebeneinander auf einer Zylinderteilfläche
angeordnet sind und somit ein zweidimensionales Array bilden.
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In 2 ist
schematisch ein Schnitt des Röntgendetektors 5 in
Z-Richtung dargestellt, aus dem zwei nebeneinander angeordnete Pixel 9 ersichtlich
sind. Jedes Pixel 9 umfasst eine Szintillatorschicht 10 aus
Szintillatorkeramik S, in welcher die Röntgenstrahlung
in sichtbares Lichts umgewandelt wird. Die Szintillatorkeramik S
ist z. B. eine Oxisulfidkeramik mit dotiertem Praseodym und Cer.
Jedem Pixel 9 ist außerdem ein photosensitives
Element zugeordnet, beispielsweise eine Pho todiode 11,
die das generierte Licht erfasst. Die Szintillatorschicht 10 weist
eine zur Röntgenquelle 2 hin orientierte Fläche von
etwa 1 mm2 und eine Höhe H von
etwa 1,5 mm auf.
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Die
Pixel 9 einer Reihe der Szintillatoranordnung 8 sind
auf einer gemeinsamen Leiterplatte 12 befestigt. Zwischen
den Szintillatorschichten 10 der einzelnen Pixel 9 sind
Reflektoren 13 vorgesehen, welche insbesondere die Szintillatorschichten 10 von vier
Seiten umschließen und somit die Grenzen der Pixel 9 in
der φ-Z-Ebene definieren. Die Reflektoren 13 enthalten
Titandioxid, welches sichtbares Licht gut reflektiert, wobei das
Titandioxid mit Epoxidharz als Bindematerial vermischt ist. Aufgrund
der reflektierenden Eigenschaften des Titandioxids verhindern die
Reflektoren 13 dass Photonen, die in der Szintillatorschichten 10 eines
bestimmten Pixels 9 generiert werden, in das anliegende
Pixel 9 eindringen. Zusätzlich ist ein Deckreflektor 14 über
der Szintillatorschicht 10 (zwischen der Röntgenquelle 2 und
der Szintillatorschicht 10) vorgesehen.
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In 3 sind
der dimensionslose Emissionsgrad E und der dimensionslose Absorptionsgrad
A (Werte zwischen 0 für keine Emission bzw. Absorption
und 1 für vollständige Emission bzw. Absorption) der
Szintillatorkeramik S bei einer Wellenlänge zwischen 500
nm und 700 nm aufgetragen. Die Kurve SK_E stellt dabei die Emission
der mit Praseodym dotierten Szintillatorkeramik S dar, die drei
Hauptemissionen (Peaks) bei 511 nm, 637 nm und 670 nm aufweist,
wobei der Emissionsgrad der Szintillatorkeramik bei 511 nm etwa
0,016, bei 637 nm etwa 0,004 und bei 670 nm etwa 0,012 beträgt. Überlagert
zur Emission der Szintillatorkeramik S ist das Absorptionsverhalten
der mit der Zeit in der Keramik entstehenden Farbzentren gezeigt,
welches durch die Kurve FZ_A (gestrichelte Linie) angegeben ist.
Wie aus dem Vergleich der beiden Kurven zu entnehmen ist, ist der
größte Absorptionsgrad der Farbzentren von etwa
0.02 bei ca. 520 nm und beeinflusst somit stark die Emission der
Szintillatorkeramik bei 511 nm, was zu einer unerwünschte
Drift des Messsignals der Szintillatorkeramik S führt.
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Zum
Reduzieren des Nachleuchtens der Szintillatorkeramik S ist diese
zusätzlich mit Cer dotiert, wobei durch die Oxidation von
Ce3+ zu Ce4+ eine Gelbfärbung der Keramik entsteht. Aufgrund
der Gelbfärbung wird die Emission der Szintillatorkeramik
S bei 511 nm absorbiert und somit die Signaldrift in diesem Wellenlängenbereich
reduziert. Dabei gilt, dass durch Erhöhen der Ce-Konzentration
in der Szintillatorkeramik S die Signaldrift zunehmend herabgesetzt
wird. Eine höhere Ce-Menge führt allerdings zu
einer geringeren Lichtausbeute, wobei der Abfall der Lichtausbeute
bis zu 20% betragen kann.
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Um
die Lichtausbeute zu erhöhen, wird die Menge von Cer in
der Szintillatorkeramik S reduziert. Die herabgesetzte Cer-Menge
wird im Hinblick auf einer Reduktion der Signaldrift kompensiert,
indem in den seitlichen Reflektoren 13 und/oder in dem
Deckreflektor 14 durch organische Farbstoffe und/oder durch
anorganische Pigmente eine Gelbfärbung hervorgerufen wird,
so dass die Emission der Szintillatorkeramik bei etwa 511 nm in
den Reflektoren 13 absorbiert wird. Dabei können
zwei der fünf, vier er fünf oder fünf
der fünf Reflektor-Seiten eines Pixels 9 gelb gefärbt
werden.
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Der
Effekt der Reduzierung der Menge von Cer ist anhand der Kurvenverläufe
für die unterschiedlichen Ce-Konzentrationen in 4 gezeigt. Die
Kurve Ce_75 (stichpunktierte Linie) stellt den Absorptionsgrad A
der Szintillatorkeramik S bei 75 ppm Cer, die Kurve Ce_50 (punktierte
Linie) bei 50 ppm, die Kurve Ce_25 (durchgezogenen Linie) bei 25
ppm und die Kurve Ce_0 (gestrichelte Linie) wenn kein Cer in der
Szintillatorkeramik S enthalten ist.
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Bei
einer Versuchsreihe wurden die Eigenschaften einer Scheibe aus Szintillatorkeramik
S geprüft. Dabei wurden die Menge an Cer in der Szintillatorkeramik
S sowie die Farbe der Reflektoren variiert.
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Ein
erster Norm-Versuch wurde mit einer Keramikscheibe mit einer Standard-Cerkonzentration von
25 ppm und nicht modifizierten, weißen Reflektoren durchgeführt.
Bei diesem Versuch wurde eine Signaldrift von 0,4% (d. h. eine Abnahme
der Signalintensität um 0,4%) ermittelt.
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Bei
einem zweiten Versuch wurde eine Keramikscheibe mit nur ¼ der
Standard-Cerkonzentration dotiert und es wurden wieder weiße
Reflektoren eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Menge von Cer in der
Keramik wurde dabei eine Drift von 0,72% gemessen, jedoch ist die
Lichtausbeute bei dieser Messung um 10% im Vergleich zum Norm-Versuch
gestiegen.
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In
einem dritten Versuch wurden eine Keramikscheibe mit ¼ der
Standard-Cerkonzentration sowie modifizierte, gelb gefärbte
Reflektoren eingesetzt. Der Versuch hat eine Drift von 0,24% ergeben, wobei
eine um 4% höhere Lichtausbeute als beim Norm-Versuch bestimmt
wurde.
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Wie
u. a. auch aus der Versuchsreihe zu entnehmen ist, kann die Lichtausbeute
bei einer Szintillatorkeramik S erhöht werden, indem die
Konzentration von Cer in der Szintillatorkeramik herabgesetzt wird.
Um die Signaldrift zu reduzieren, wird dabei die Absorption zumindest
des Wellenlängenbereichs um 511 nm in die umgebenden Reflektoren 13 in
Form einer Gelbfärbung der Reflektoren 13 verlagert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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