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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen aus der vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennr. 61/835,072, eingereicht am 14. Juni 2013 mit dem Titel ”RADIATION DETECTOR FOR IMAGING APPLICATIONS WITH STABILIZED LIGHT OUTPUT” [Strahlungsdetektor für Bildgebungsanwendungen mit stabilisierter Lichtausgabe], deren Offenbarung hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hochenergetische Bildgebungssysteme und hochenergetische Photonendetektoren.
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Hintergrund
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Szintillationsmaterialien sind wissenschaftlich und wirtschaftlich von Bedeutung in Verbindung mit Photonendetektoren, um hochenergetische Photonen, Elektronen und andere Partikel in verschiedenen Anwendungen zu detektieren, einschließlich medizinischer Bildgebung, geologischer Untersuchungen, Heimatschutz und hochenergetische Physik. In Strahlungsdetektoren/Bildgebungsvorrichtungen kann Szintillationsmaterial (z. B. Cerium-dotierte Szintillatoren) verwendet werden. Bestimmte Eigenschaften in diesen Szintillatoren sind wünschenswert, um ihren Wert in diesen Anwendungen zu maximieren. Allgemein sind Hochszintillationslichtausbeute, schnelle Szintillationskinetiken (sowohl in der Zerfallzeit als auch in der Anstiegszeit), gute Energieauflösung, ein hoher Grad an Proportionalität und relative Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslichtaussetzung wünschenswert.
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Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, eine Zusammensetzung von Szintillatoren, die frei oder relativ frei von Elektronen- und Lochfallen und anderen Defekten sind, die den Szintillationsprozess behindern können, und/oder die unerwünschten Effekte von Fallen und Defekten in Szintillatoren reduzieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht einen Strahlungsdetektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 veranschaulicht Eigenschaften eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 veranschaulicht Eigenschaften eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 veranschaulicht Eigenschaften eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht einen Strahlungsdetektor 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Strahlungsdetektor 100 einen Szintillator 110, eine Lichtquelle 120 und einen Sensor oder Sensoren 140 beinhalten.
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Der Szintillator 110 kann verschiedene Szintillationsmaterialien beinhalten, die in der Lage sind, nicht sichtbare Strahlung (einfallende Strahlung) in sichtbares Licht (ausgegebene Strahlung) umzuwandeln. Der Sensor 140 kann in angrenzender oder in der näheren Umgebung des Szintillators 110 platziert sein, so dass jedes umgewandelte sichtbare Licht durch den Sensor 140 detektiert oder gemessen werden kann. Die Lichtquelle 120 kann in angrenzender oder näherer Umgebung des Szintillators 110 platziert sein, so dass Licht von der Lichtquelle 120 mit Defekten in dem Szintillator 110 interagieren kann, um Interferenzen bei der Umwandlung von nicht sichtbarer Strahlung in sichtbares Licht, die durch die Defekte verursacht werden, zu minimieren.
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Der Szintillator 110 kann ein Material sein oder beinhalten, welches, wenn es mit einer ionisierenden Strahlung interagiert, eine messbare Antwort aufweist, die schließlich verwendet werden kann, um ein Bild zu produzieren. In einigen Ausführungsformen ist das Material ein Szintillationsmaterial, welches Lichtphotonen erzeugt, wenn es durch die einfallende Strahlung angeregt wird.
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Die gemessene Lichtmenge an dem Sensor 140 kann als ”Lichtausbeute” oder ”Lichtausgabe” bezeichnet werden und wird in der Regel entweder als relativ zu einem bekannten Standard oder in absoluten Zahlen als Photonen pro MeV angezeigt.
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In einigen Ausführungsformen kann ein Strahlungsdetektor 100 geeignet sein zur Verwendung in einer Vielzahl von Strahlungsdetektionsanwendungen, einschließlich medizinischen Bildgebungsanwendungen, wie beispielsweise Positronenemissionstomografie (Positron Emission Tomography, PET), Time-of-Flight-Positronenemissionstomografie (Time-of-Flight Positron Emission Tomography, TOF-PET), Röntgen-Computertomografie (X-ray Computed Tomography, Xray-CT) oder Einzelphotonenemissionscomputertomografie (Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT) und jedes andere multimodale System (PET-CT, PET-MRI, PET-SPECT).
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Die Lichtquelle 120 kann alle Teile des Szintillators 110 einem Licht von verschiedenen ausgewählten Wellenlängen aussetzen, um jede lang andauernde Lichtausgabeabweichung zu stabilisieren. Die Abweichung kann durch die Defekte in dem Szintillationsmaterial des Szintillators 110 verursacht werden. Die Lichtaussetzung des Szintillators 110 mit bestimmten Wellenlängen kann innerhalb des Strahlungsdetektors 100 stattfinden, um Defekte in dem Szintillator 110 in ihren gesättigten Energiezuständen zu behalten. Die gesättigten Defekte können erheblich weniger Einfluss oder Interferenz auf den Szintillationsprozess haben. Die Lichtaussetzung kann während der normalen Arbeitsbedingungen des Strahlungsdetektors 100 durchgeführt werden sowie während der Kalibrierungs- oder seiner Leerlaufzeit, kontinuierlich oder zeitweise oder in Impulsen.
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In einigen Ausführungsformen können eine spezifische Lichtquellenlänge oder mehrere Bänder/Bereiche von Wellenlängen, Intensitäten und Aussetzungszeit/-dauer/-frequenz von der Lichtquelle 120 ausgewählt oder eingestellt werden, um die Leistung des Strahlungsdetektors 100 für jede gegebene Anwendung zu optimieren. Die Auswahl von Lichtwellenlängen, Intensität und Aussetzungszeit/-dauer/-frequenz von der Lichtquelle 120 kann während der Ausgestaltung des Strahlungsdetektors 100 durchgeführt werden. Alternativ kann das Einstellen von Lichtwellenlängen, Intensität und Aussetzungszeit/-dauer/-frequenz von der Lichtquelle 120 spontan während eines Betriebs oder einer Kalibrierung durchgeführt werden, um die Leistungsänderungen zu berücksichtigen, die beispielsweise durch Umgebungsbedingungen ausgelöst werden. Die Einstellung kann durch ein Steuergerät (nicht gezeigt) gesteuert werden, welches die Lichtquelle 120 steuert und die Einstellung kann basierend auf Messungen der Leistung des Strahlungsdetektors 100 gesteuert werden.
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Der Strahlungsdetektor 100 kann ferner ein Filter 130 zwischen dem Szintillator 110 und dem Sensor 140 beinhalten, welches Licht von der Lichtquelle 120 herausfiltern kann, um einen Signalkontrast zu erhöhen. Weil das Licht von der Lichtquelle 120 durch den Szintillator 110 hindurch übertragen werden kann und den Sensor 140 erreichen kann, kann der Sensor 140 das Licht von der Lichtquelle 120 detektieren. Das detektierte Licht von der Lichtquelle 120 kann allgemein als Rauschen angesehen werden. Um dem Sensor 140 zu erlauben, das Licht von dem Szintillationsprozess in dem Szintillator 110 zu detektieren und kein Licht (oder weniger Licht) von der Lichtquelle 120 zu detektieren, kann das Filter 130 das Licht von der Lichtquelle 120 herausfiltern. Da das Licht von der Lichtquelle 120 mit spezifischen Wellenlängen eingestellt/ausgewählt sein kann, kann das Filter 130 ähnlich eingestellt/ausgewählt sein, um die spezifischen Wellenlängen des Lichtes von der Lichtquelle 120 herauszufiltern/zu blockieren, so dass das Licht von der Lichtquelle 120 in der Intensität reduziert wird nachdem es das Filter 130 passiert hat und den Sensor 140 erreicht.
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In einer Ausführungsform kann das Licht von der Lichtquelle 120 durch eine lichtemittierende Diode (Light Emitting Diode, LED) oder einer anderen Lichtquelle der gewünschten Wellenlänge in dem Gehäuse des Strahlungsdetektors 100 erzeugt werden, so dass der Szintillator 110 dem Licht von der Lichtquelle 120 ausgesetzt ist. Oder der Szintillator 110 kann mit einem Phosphor oder anderem Material umgeben sein, welches Licht abgibt bei den gewünschten Wellenlängen, wenn es mit der normalen Ausgabe des Szintillators selbst angeregt wird. Die Lichtaussetzung sollte ausreichend sein in der Dauer und/oder Intensität, um die Defektzentren des Szintillators 110 zu sättigen, so dass die Defektzentren im Wesentlichen nicht in der Lage sind, Ladungsträger zu fangen, und so dass der Szintillationsprozess unbehindert sein kann.
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Die Lichtquelle 120 kann auch eine Lichtleitung oder einen Wellenleiter oder reflektierende Oberflächen beinhalten, die ausgestaltet sind, um Licht zu dem Szintillator 110 zu leiten.
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Röntgen- oder andere ionisierende Strahlenquellen können als Teil der Lichtquelle 120 in den Strahlungsdetektor 100 implementiert sein und/oder als ein Teil eines Röntgengenerators oder einer Strahlenquelle ausgestaltet sein. In bestimmten Ausführungsformen des vorliegend offenbarten Gegenstands kann die Strahlenquelle aus der Umgebung des Strahlungsdetektors 100 entfernt werden oder von dem Strahlungsdetektor 100 abgeschirmt sein, um die Aussetzungszeit und Energiemenge zu steuern, die in dem Volumen des Szintillators 110 absorbiert wird.
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In einer Ausführungsform kann der Strahlungsdetektor 100 jeden Teil des Szintillators 110 mit nicht sichtbarer Strahlung (einfallender Strahlung, wie beispielsweise Röntgen) für eine Dauer während einer Kalibrierungsphase aussetzen, um alle Defekte des Szintillators 110 zu sättigen und dann, während einer Betriebsphase, kann die gleiche, nicht sichtbare Strahlung (einfallende Strahlung, wie beispielsweise Röntgen) durch ein Probenmaterial passieren (z. B. eine biologische Probe), um ein Bild in der nicht sichtbaren Strahlung zu erzeugen, welches durch den Strahlungsdetektor 100 mit gesättigten Defekten detektiert oder gemessen werden würde. Während der Kalibrierungsphase kann die Lichtquelle 120 die nicht sichtbare Strahlung (einfallende Strahlung, wie beispielsweise Röntgen) mit relativ einheitlicher Intensität zu jedem Teil des Szintillators 110 leiten oder richten. Während der Betriebsphase kann die nicht sichtbare Strahlung der Lichtquelle 120 durch das Probenmaterial und dann in den Szintillator 110 durchgehen.
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In einer Ausführungsform kann der Szintillator 110 ein granatartiger Szintillator sein, wie beispielsweise Gadolinium-Gallium-Granatkristalle, die beispielsweise mit Cerium (Ce) dotiert sind (allgemein bezeichnet als GGAG- oder GAGG-Szintillatoren). In einigen Ausführungsformen beinhaltet der vorliegend offenbarte Gegenstand Gadolinium-Gallium-Granatkristalle oder -keramiken in dem Strahlungsdetektor 100 als das Szintillationsmaterial. Allerdings können auch andere Materialien verwendet werden. Szintillierende Materialzusammensetzungen können beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, Gd3Ga3Al2O12, Gd3Ga2Al3O12, Gd3Ga1Al4O12 und andere Varianten. Diese Szintillatoren können mit einem Aktivator/Dotiermittel, wie beispielsweise Cerium oder Praseodym mit oder ohne einem Co-Dotiermittel.
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Für eine initiale Evaluierung des Potenzials dieser Galiumgranaten entsprechend dem vorliegend offenbarten Gegenstand wurde Cerium-dotiertes Gd3Ga3Al2O12 (GGAG) in Einzelkristallform als Beispielmaterial in dem Szintillator 110 verwendet. Allerdings ist der vorliegend offenbarte Gegenstand nicht auf diese exakte Zusammensetzung beschränkt noch ist er auf Cerium als ein Aktivator beschränkt, noch ist er auf die Einzelkristallform beschränkt. Zusätzliche Co-Dotiermittel, sowohl aliovalente als auch isovalente hinsichtlich des Aktivators, können in diesen Zusammensetzungen verwendet werden.
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Gadolinium-Gallium-Granate sind eine viel versprechende Klasse des Szintillators 110 mit hoher Dichte und potenziell guten Szintillationseigenschaften. Allerdings können Materialien mit Granat- oder Perovskitstrukturen Leerstellendefekte und Substitutionsatomdefekte aufweisen, welche Interferenz in den Szintillationseigenschaften dieser Materialien verursachen kann.
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Strahlungsdetektoren, wie diese, die in Bildgebungsanwendungen verwendet werden, können auf eine konsistente Leistung des Szintillators über die Lebensdauer der Strahlungsdetektoren angewiesen sein. Die Hardware, Elektronik und Software von Bildgebungsausrüstung ist mit der Erwartung ausgestaltet, dass eine Szintillatorlichtausbeute relativ konstant innerhalb eines schmalen Bereichs bleibt und Abweichungen von dieser Erwartung zu minderwertigen Signalen oder detektierten Bildern führen.
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Diese erforderliche konsistente Szintillatorleistung kann jedoch schwer oder unmöglich zu erreichen sein nur in kristallinen Materialien mit Gitterdefekten, einschließlich Leerstellen und Substitutionsatomdefekten.
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Der Szintillator 110 kann Materialien mit Defektfallenzentren beinhalten, so dass die Konzentration von gefangenen Ladungsträgern sich über die Zeit ändern kann, was daraufhin die Lichtausgabe abhängig von der Zeit macht, d. h. die Lichtausbeute kann über die Zeit abnehmen. Diese abnehmende Lichtausbeute kann unstabile und vermindernde Szintillatorleistung in medizinischen Bildgebungsvorrichtungen verursachen.
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Demnach werden, gemäß einiger Ausführungsformen des vorliegend offenbarten Gegenstands, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, um diese Fallen wieder zu sättigen, um die abgenommene Lichtausbeute durch Aussetzen der Szintillatorkristalle mit geeigneten spezifischen Lichtwellenlängen, Röntgen oder jeder anderen Art von ionisierender Strahlung wieder herzustellen, was einen Strahlungsdetektor 100 mit stabiler Lichtausbeute während des Betriebs des Strahlungsdetektors 100 erzeugt.
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Zusätzlich können einige andere Defektfallenzentren einen Nachglüheffekt produzieren, der nicht notwendigerweise mit dem Szintillationsmechanismus konkurriert oder eine zeitabhängige Lichtausgabe verursacht, welcher jedoch ein Hintergrundrauschsignal von zusätzlichen unerwünschten Photonen in dem Szintillator 110 produziert. Diese ”Nachglüh”-Defektfallenzentren können während einer Lichtaussetzung mit spezifischen Wellenlängen gefüllt werden. Die gefüllten ”Nachglüh”-Defektfallenzentren können den Nachglüheffekt verursachen. Diese Defektfallenzentren können entleert/entfangen werden durch Erhitzen der Kristalle bei niedriger Temperatur oder sie können optisch entleert werden durch Bestrahlung der Kristalle mit bestimmten Wellenlängen, welches zu einem optischen Bleichphänomen führt. Im Gegensatz zu den Fallenzentren, welche abnehmende Lichtausgabe verursachen, ist es vorteilhaft, dass die Nachglühdefektfallenzentren leer anstelle von gefüllt sind, um den Nachglüheffekt zu reduzieren.
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In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 120 (oder eine zweite Lichtquelle nahe dem Szintillator 110) Licht generieren, um mit Nachglühdefekten in dem Szintillator 110 zu interagieren, um ein Nachglühen, welches durch die Nachglühdefekte verursacht wird, zu minimieren, durch beispielsweise Einstellen des Lichts (für spezifische Wellenlängen, Intensität und Dauer), um jede Nachglühdefekte in allen Teilen des Szintillators 110 zu leeren/entfangen.
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2 veranschaulicht Eigenschaften eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Veranschaulichen der Thermo-Lumineszenz-(TL)Leuchtkurve von GAGG:Ce-Kristall in einem Temperaturbereich.
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2 zeigt ein Leuchtband um 300 Grad K, welches als ein Raumtemperaturfallenzentrum bezeichnet werden kann.
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Das TL-Spektrum, welches für GAGG:Ce-Kristalle (5 × 5 × 5 mm3 Testprobe) gemessen wurde, zeigt mehrere Leuchtbänder (mit Leuchtspitzen) und somit die Anwesenheit einer Anzahl von Fallenzentren von 10 Grad K bis 500 Grad K. Die Defektfallenzentren, die verantwortlich für die Leuchtspitzen sind, die bei 300 K gesehen werden, können hauptsächlich verantwortlich für den Einfluss der Raumtemperaturszintillationseigenschaften in einem Szintillator sein.
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Die Defektfallenzentren bei Raumtemperatur können thermisch entvölkert werden (d. h. geleert/entfangen) entweder durch Erhitzen der Probe oder durch Halten der Probe in der Dunkelheit für eine lange Zeit. Diese geleerten Defektfallenzentren können mit dem Szintillationsprozess interferieren.
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Während des Testens einer Probe wurde die Lichtausgabe der Szintillation um ~45% durch Erhitzen der Kristalle (5 × 5 × 5 mm3) bei 500°C in der Luft verringert.
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Auch wurde herausgefunden, dass die Lichtausgabe mit der Zeit abnimmt durch Halten der Proben in der Dunkelheit bei Raumtemperatur, wie in 3 gezeigt.
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3 veranschaulicht Eigenschaften eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Wie in 3 veranschaulicht kann ein Halten der Kristallproben bei Dunkelheit bei Raumtemperatur die relative Lichtausgabe veranlassen, über die Zeit abzunehmen. Die relative Lichtausbeute wird in Kanalnummern im Vergleich zu der Leistung eines Standard-Wismut-Germaniumoxid(BGO)-Kristall dargestellt, dessen Lichtausgabe als Referenzkanalnummer 100 gesetzt wurde.
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Falls es nicht verhindert wird, führt das Abnehmen in der Lichtausbeute über die Zeit zu einer reduzierten Leistung in dem Strahlungsdetektor 100. Daher ist es wünschenswert, die Lichtausbeute an dem ursprünglichen Wert zu halten oder sie auf diesen wiederherzustellen.
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Um die geeignete(n) Wellenlänge(n) des Lichts von der Lichtquelle 120 zum Wiederherstellen der Lichtausgabe mit Lichtaussetzung zu bestimmen, wurden die Proben (5 × 5 × 5 mm3) auf 300°C erhitzt, um die Ladungsträgerfallen zu leeren, welche die messbare Lichtausbeute reduzieren. Nachfolgend wurde die Wiederherstellung der Lichtausbeute durch Überwachen der Fotolumineszenz-(PL)-Ausgabeintensität als eine Darstellung der Lichtausbeute getestet nachdem die Proben Licht von unterschiedlichen Wellenlängen ausgesetzt waren.
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4 veranschaulicht Eigenschaften eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, insbesondere den Effekt der Lichtaussetzung mit unterschiedlichen Wellenlängen bei der Wiederherstellung der PL-Intensität nachdem GAGG:Ce-Kristallproben erhitzt wurden. Die horizontale Achse von 4 stellt Wellenlängen von einfallender Strahlung, die verwendet wird, um Fotolumineszenz für die Messungen zu produzieren, dar.
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Wie in 4 gezeigt nahm die PL-Intensität erheblich in einer Probe ab, nachdem die Ladungsträgerfallen geleert waren (erhitzt bei 300°C für eine Dauer), verglichen mit den ”vor dem Glühen”-Messungen. Die Proben wurden dann individuell Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgesetzt und dann über Fotolumineszenz getestet, um die Fähigkeit jeder spezifischen Wellenlänge von Lichtenergie zu beobachten, welche die defekten Fallen auffüllen.
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Die PL-Ausgabeintensität wurde auf den ursprünglichen Wert wiederhergestellt nach Aussetzen der Proben mit Licht bei 445 nm (von beispielsweise Ce 4f-Energieband- zu 5d-Energiebandübergängen) für 10 Minuten.
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In ähnlicher Weise treffen diese Resultate auch auf Szintillationslichtausbeute zu durch Erhitzen der Kristalle auf 500°C, Leeren der Fallen und dann Messen der Lichtausbeuteszintillation der Strahlung einer Cs-137-Quelle. Die gemessene Lichtausbeute wurde um ~45% reduziert. Die Kristalle wurden dann Licht von 445 nm Wellenlänge für 30 Minuten ausgesetzt und die ursprüngliche Lichtausbeute der Szintillation wurde wieder hergestellt.
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Die unten dargestellte Tabelle 1 zeigt die relative Szintillationslichtausgabe von GAGG:Ce-Kristall, welches bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht wurde. Die Lichtausgabe wurde direkt anschließend an das Glühen gemessen ohne die Kristalle dem Licht auszusetzen und dann erneut nach Aussetzen der Proben mit Umgebungslicht für 21 Stunden gemessen. Die berichtete Lichtausbeute ist relativ zu einem BGO-Referenzstandard, für welchen die Lichtausbeute auf 100 gesetzt wurde.
| | Vor der Aussetzung mit Licht | Nach der Aussetzung mit Licht für 21 Stunden |
| Wie gegeben (kein Glühen) | 279 | 306 |
| Glühen bei 900°C | 163 | 306 |
| Glühen bei 1100°C | 160 | 295 |
| Glühen bei 1300°C | 166 | 310 |
Tabelle 1 Relative Szintillationslichtausgabe von GAGG:Ce-Kristall geglüht bei unterschiedlichen Temperaturen
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Deshalb kann ein Strahlungsdetektor 100 mit einer Lichtquelle 120, welche den Szintillator 110 mit Licht bei 345 nm oder 445 nm Wellenlängen aussetzt (welches Ce3+ ionisieren kann) eine im Wesentlichen konstante oder stabile Lichtausbeute über den Lebenszeitraum des Vorrichtungsbetriebs durch Sättigung von defekten Fallenzentren beibehalten und die defekten Fallenzentren vom Behindern des Szintillationsprozesses abhalten.
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Wie in 4 veranschaulicht, war die PL-Intensität, welche nach der Aussetzung der Proben mit Licht von 445 nm Wellenlänge gemessen wurde, höher als die der Proben ”vor dem Glühen”. Dies liegt an dem Beitrag von TL-Ausgaben während des Testens.
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Obwohl die Erfindung mit Bezug zu spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen und die spezifischen Konfigurationen, welche in den Zeichnungen gezeigt sind, beschränkt. Zum Beispiel können einige der gezeigten Komponenten miteinander als eine Ausführungsform kombiniert werden oder eine Komponente kann in mehrere Unterkomponenten aufgeteilt werden oder eine andere bekannte oder verfügbare Komponente kann hinzugefügt werden. Der Fachmann wird verstehen, dass die Erfindung auf andere Art implementiert werden kann, ohne von dem Geist und den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als beschränkend anzusehen. Vielmehr ist der Umfang der Erfindung durch die angehängten Ansprüche angegeben anstelle der vorhergehenden Beschreibung, und alle Änderungen, die in der Bedeutung und den Bereich einer Äquivalenz der Ansprüche kommen, sind demnach als darin aufgenommen gedacht.
