DE19723067C1 - Verfahren zum einfachen Herstellen großer Kristallkörper - Google Patents

Description

In Strahlungsdetektoren wie beispielsweise in der Angerkamera oder in PET-Systemen werden Szintillatorplatten aus kri­ stallinen Leuchtstoffen eingesetzt. Deren Herstellung erfor­ dert zahlreiche Verfahrensschritte. Nach der Kristallisation der Szintillatorkörper müssen diese in die benötigte Form zu­ rechtgesägt und allseitig geschliffen werden. Anschließend werden die Szintillatorkörper an eine Glasplatte optisch an­ gekoppelt, hinter der dann mit geeigneten Photodetektoren das Lumineszenzlicht gemessen werden kann.

Die Szintillatorkörper können in Form von plattenförmigen Einkristallen erzeugt werden. Ein Herstellungsverfahren von plattenförmigen Einkristallen ist beispielsweise aus DE 25 08 803 A1 bekannt. Dabei wird eine Schmelze in eine entsprechend geformte Gießform eingebracht, in der das Erstarrenlassen der Schmelze in einem Temperaturgradienten erfolgt.

Oft muß auf die Oberfläche der Gießform ein Stoff aufgebracht werden, der die Haftung des hergestellten Kristalls mit der Gießform unterbindet bzw. verhindert. Aus dem Derwent-Referat Nr. 91-146121/20 (JP 03-083883 A) ist ein solches Verfahren gekannt, bei dem die Oberfläche der Gießform imprägniert wird.

Sollen aus leicht flüchtigen Substanzen Kristalle gezüchtet werden, kann die Oberfläche der Schmelz- bzw. Kristallisati­ onstiegel auch mit einem Stoff versehen sein. Der Stoff hat dabei die Aufgabe, den Partialdruck der Substanz herabzuset­ zen. Damit kann die Kristallisation bei einem niedrigeren äu­ ßeren Druck stattfinden, als dies ohne den Stoff nötig wäre. Ein derartiges Verfahren ist aus US 44 65 546 bekannt.

Da es sich bei den Leuchtstoffen teilweise um sehr feuchtig­ keits- und bruchempfindliche Substanzen wie NaI oder CsI han­ delt, werden die anderen Oberflächen der Szintillatorplatten vor mechanischen Einwirkungen und vor Feuchtigkeit geschützt. Dazu dient eine Kappe, vorzugsweise aus Aluminium. Diese Kap­ pe kann auf der Innenseite mit einer Schicht zur besseren Re­ flektion des Lumineszenzlichts versehen sein. Seitlich wird der Luftspalt zwischen Szintillator und Kappe mit einem Gum­ miring oder ähnlichem gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet. Alle genannten Verfahrensschritte müssen in spe­ ziellen Räumen mit feuchtigkeitsfreier Atmosphäre durchge­ führt werden, um schädliche Einwirkungen von Feuchtigkeit auf den Leuchtstoff zu verhindern.

Zur Herstellung der Kristallkörper für die Szintillator­ platten ist aus der EP 0700454 ein Gießverfahren bekannt, bei dem eine Schmelze in eine gekühlte Gießform fließt und dort erstarrt. Für die Züchtung von Halogenidkristallen sind sta­ bile Schmelzgefäße erforderlich, da bereits bei Anwesenheit geringer Spuren von Wasser- oder Hydroxidmolekülen die Tie­ gelwände von der Schmelze angegriffen werden. Dadurch haftet die Schmelze nach dem Erstarren fest im Tiegel. Beim Abkühlen können die durch die thermische Kontraktion der Schmelze auf­ tretenden enormen Zugspannungen zur Zerstörung des Tiegels führen. Dies verteuert das Verfahren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches oder ähnliches Verfahren zum Herstellen von Kristallkörpern dahin­ gehend zu verbessern, daß damit auf kostengünstige und einfa­ che Weise Einkristalle mit insbesondere großen Durchmessern erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein damit hergestellter Kristallkörper sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Idee, eine Aus­ kleidung für eine Gießform bereitzustellen, die Schmelze ei­ nes Stoffes darin zu einem Kristallkörper erstarren zu lassen und den Kristallkörper anschließend zusammen mit der fest da­ mit verbundenen Auskleidung aus der Gießform zu entnehmen.

Dies hat den Vorteil, daß die feste Haftung des Kristallkör­ pers an der Auskleidung nun nicht mehr störend, sondern viel­ mehr sogar erwünscht ist. Maßnahmen zur Verhinderung einer Haftung des erstarrten Kristallkörpers an der Gießform sind nicht mehr erforderlich. Trotzdem läßt sich der Kristallkör­ per in einfacher Weise aus der Gießform entnehmen, wobei eine Bruchgefahr weder für den Kristallkörper noch für die Gieß­ form entsteht. Da nur die Auskleidung Kontakt zur Schmelze erhält, muß nur die Auskleidung inert gegen die Schmelze aus­ gestaltet sein. Die übrige Gießform ist daher bezüglich der Materialauswahl allein auf die erforderliche mechanische Fe­ stigkeit bei der Schmelzentemperatur beschränkt. Der Kri­ stallkörper hingegen ist an allen Seiten mit Ausnahme der Oberfläche fest mit der Auskleidung verbunden, die auf diese Weise eine Schutzkappe für den Kristallkörper darstellt. Da­ durch ist dieser weitgehend vor mechanischer Beschädigung und auch vor Feuchtigkeitseinwirkung geschützt, was insbesondere bei Kristallkörpern aus den hygroskopischen Alkalihalogeniden von Vorteil ist. Mit der Schutzkappe ist auch die Weiterver­ arbeitung des Kristallkörpers erleichtert, da eine Reihe von sonst erforderlichen Schutzmaßnahmen und Bearbeitungsschrit­ ten durch die Verwendung einer Schutzkappe bereits vorwegge­ nommen sind.

Für die Materialauswahl der Auskleidung gilt zumindest, daß sie gegenüber der Schmelze inert ist. Da die Auskleidung, bzw. die Schutzkappe vorzugsweise am Kristallkörper ver­ bleibt, kann sie durch geeignete Materialauswahl zusätzliche funktionelle Aufgaben bei der geplanten Verwendung des Kri­ stallkörpers übernehmen. Neben dem Schutz gegen mechanische Beschädigung und eindringende Feuchtigkeit kann bei einem als Szintillatorplatte eingesetzten Kristallkörper eine Schutz­ kappe aus lichtreflektierendem Material vorgesehen sein, bzw. lichtreflektierendes Material in die Auskleidung und damit in die Schutzkappe mit eingebaut werden. Auf diese Weise kann im Szintillator erzeugtes Lumineszenzlicht von der Schutzkappe zurückgestreut werden, so daß das Lumineszenzlicht vollstän­ dig an der noch freien Oberfläche des Kristallkörpers gesam­ melt werden kann. Zum Schutz wird auch diese Oberfläche mit einer Abdeckung versehen, die allerdings für das Lumineszenz­ licht durchlässig sein muß. Vorzugsweise wird dazu eine Glasplatte verwendet. Vor dem Aufbringen der Glasplatte wird der Kristallkörper an der Oberfläche plan geschliffen und ge­ gebenenfalls vergütet. Das Aufbringen der Glasplatte kann durch Aufkleben erfolgen.

Zum Einbringen der reflektierenden Eigenschaften in die Aus­ kleidung wird diese auf der Innenseite mit einer zusätzlichen Reflektionsschicht versehen, die einen hohen Reflektionsgrad für das Lumineszenzlicht, einen höheren Schmelz- oder Zerset­ zungspunkt als die Schmelze des Szintillatormaterials und au­ ßerdem chemische Stabilität gegen die Schmelze besitzt.

Für die Reflektionsschicht sind insbesondere weiße Pigmente geeignet, beispielweise Aluminiumoxid, Titanoxid oder Barium­ sulfat. Ebenfalls geeignet sind Pulver oder Folien aus geeig­ neten Metallen, wie beispielsweise Silber, Platin oder Iridi­ um.

Vorzugsweise wird für die Reflektionsschicht ein feinkörniges Pulver mit Korngrößen unter 0,1 mm verwendet. Dieses kann als loses Pulver in die Auskleidung eingeschüttet, eingeblasen oder eingepreßt werden. Möglich ist es jedoch auch, das re­ flektierende Pulver für die Reflektionsschicht mit einem Bin­ demittel zu versehen und in Form einer Paste oder eines Schlickers in die Auskleidung einzubringen. Als Bindemittel werden vorzugsweise kohlenstofffreie Substanzen eingesetzt, beispielsweise silikatische Materialien, insbesondere Wasser­ glas. Kohlenstoffhaltige Substanzen sind zu vermeiden, da sie beispielsweise beim Herstellen von Alkalihalogenidschmelzen in der dazu notwendigen sauerstoffarmen Atmosphäre zu Kohlen­ stoff reduziert werden, was zur Bildung schwarzer Überzüge und zur Beeinträchtigung der Lichtreflektion führen kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aus­ kleidung auf ihrer Außenseite mit einer weiteren Schutz­ schicht versehen, die nach dem Herausnehmen des Kristallkör­ pers aus der Gießform die Außenseite der Schutzkappe bildet. Die Schutzschicht dient als Feuchtigkeitssperre und/oder zur Verbesserung der mechanischen Stabilität und zur Verhinderung oberflächlicher Beschädigungen des Kristallkörpers. Die Schutzschicht besteht vorzugsweise aus einem Metall oder ei­ ner Legierung, die ebenfalls einen höheren Schmelzpunkt als das Szintillatormaterial aufweist. In Kombination mit einer Auskleidung, die gegen Dampf oder Schmelze des Szintillator­ materials undurchlässig ist, braucht die Schutzschicht nicht chemisch inert gegen die Schmelze zu sein. Sie kann in Form einer Folie in die Gießform eingebracht werden. Möglich ist es jedoch auch, die Schutzschicht in anderer Weise zu erzeu­ gen, beispielsweise durch Aufdampfen oder Abscheiden auf der Oberfläche der Gießform, durch Einbringen in pasteuser oder pulverartiger Form oder durch einen beliebigen anderen schichterzeugenden Prozeß.

Die Auskleidung kann ein- oder mehrschichtig sein. Zum Erzeu­ gen der Auskleidung kann dabei jede Schicht einzeln in die Gießform eingebracht werden. Es ist aber auch möglich, eine Auskleidung mit dem gewünschten Schichtaufbau außerhalb der Gießform herzustellen, beispielsweise ein Laminat oder eine gegebenenfalls mehrfach beschichtete Folie.

Vorzugsweise wird die Auskleidung formschlüssig in die Gieß­ form eingepaßt. Dazu wird sie vor dem Einpassen in die ge­ wünschte äußere Form gebracht. Bei einer flexiblen Folie, beispielsweise bei einer gegebenenfalls beschichteten Gra­ phitfolie kann dies durch Falten erfolgen. Bei metallischen Folien sind auch andere Formgebungsverfahren einsetzbar, etwa ein Tiefziehprozeß. Ein außerhalb der Gießform durchgeführter Formgebungsprozeß für die Auskleidung kann auch von einem Ausgangsmaterial starten, das in kleinteiliger Form, bei­ spielsweise als Flocken oder Körner vorliegt. Diese werden dazu in ein- oder mehrschichtiger loser Schüttung in eine Form eingebracht und anschließend durch Pressen oder Walzen verdichtet. Gegebenenfalls wird dabei ein Bindemittel zuge­ setzt, um einen festen Verbund in der Auskleidung zu gewähr­ leisten. Das Verdichten wird dabei vorzugsweise in einem ei­ genen Werkzeug durchgeführt. Möglich ist dies jedoch auch di­ rekt in der Gießform.

Der Kristallkörper und die fest damit verbundene Schutzkappe können ohne Beschädigung der Oberfläche aus der Gießform ent­ nommen werden. Ein Nachbearbeiten der an der Gießform anlie­ genden Oberfläche ist daher nicht nötig. In einer Ausgestal­ tung der Erfindung wird die Gießform sowohl zur Formgebung des Kristallkörpers als auch zur Prägung der Oberfläche ein­ gesetzt. Durch entsprechende Ausgestaltung der Innenwand der Gießform kann die Oberfläche der Schutzkappe und gegebenen­ falls auch des Kristallkörpers mit einem Muster versehen wer­ den. Dieses kann regelmäßig sein und zur Herstellung einer bestimmten Oberflächenrauhigkeit dienen. Möglich ist es je­ doch auch, dies bildgebend und zur Darstellung von Informa­ tionen einzusetzen. Dabei können alphanumerische Zeichen, die beispielsweise eine Seriennummer, Anwendungs- und Sicher­ heitshinweise oder den Herstellnamen enthalten, unauslösch­ lich auf die Schutzkappe bzw. den Kristallkörper übertragen werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Einbringen der Auskleidung in die Gießform ein die Reibung und/oder die Haftung verminderndes Trennmittel aufgebracht. Dieses verhin­ dert ein Ankleben des Leuchtstoffs an der Gießform, wenn es während des Verfahrens dennoch zu einem Austreten von Schmel­ ze durch die Auskleidung hindurch kommt. Zum Aufbringen des Trennmittels wird die Gießform innen beispielsweise durch Aussprühen oder Auspinseln mit einer Suspension aus feinkör­ nigem Graphit überzogen. Im Gegensatz zur Auskleidung wird die Trennschicht nicht Bestandteil der Schutzkappe bzw. des damit verbundenen Kristallkörpers.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen fünf Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Gießform während der Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 zeigt eine Gießform mit einer mehrschichtigen Aus­ kleidung anhand eines schematischen Querschnitts.

Fig. 3 zeigt einen Kristallkörper mit Schutzkappe.

Fig. 4 zeigt eine Szintillatorplatte und

Fig. 5 zeigt die Herstellung einer mehrschichtigen Ausklei­ dung.

Ausführungsbeispiele:

Zur Herstellung einer Szintillatorplatte aus Alkalihalogenid für eine Angerkamera wird eine Gießform GF aus keramischem Material, insbesondere aus Schamotte hergestellt. Sie besitzt hier einen rechteckigen Querschnitt und eine Wandstärke, die ausreichend ist, dem hydrostatischen Druck der Alkalihaloge­ nidschmelze zu wiederstehen.

Die Innenwand der Gießform GF wird nun formschlüssig mit ei­ ner Auskleidung A versehen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch Einlegen einer Graphitfolie einer Stärke von 0,5 mm. Die Folie wird in den Ecken der Gießform so gefaltet, daß die rechteckige Gießform mit der ursprünglich ebenen Folie an Boden und an den Wänden ausgekleidet wird.

Zur Herstellung eines Kristallkörpers wird nun Alkalihaloge­ nidschmelze S gegebenfalls kontinuierlich in die mit der Aus­ kleidung A versehen Gießform GF eingebracht. Durch gerichtete Erstarrung, im Ausführungsbeispiel vom Boden der Gießform ausgehend, bildet sich der Kristallkörper KK aus. Ist die Schmelze S vollständig zum Kristallkörper KK erstarrt und ab­ gekühlt, wird dieser mitsamt der Auskleidung A aus der Gieß­ form entnommen.

Fig. 2 zeigt eine Gießform mit mehrschichtiger Auskleidung. Diese umfaßt als äußerste Schicht eine Schutzschicht SS, hier ein 0,1 mm starkes Stahlblech, eine Graphitfolie G einer Stärke von 0,5 mm und als innerste Schicht eine Reflektor­ schicht RS, die feinkörnige Pigmentteilchen mit Korngrößen unter 0,1 µm enthält. Möglich sind jedoch auch Korngrößen bis maximal 10 µm.

Durch Einbringen von Schmelze, Erstarren zu einem Kristall­ körper und Herausnehmen des Letzteren mitsamt der Auskleidung aus der Gießform wird der in Fig. 3 dargestellte Kristall­ körper KK mit der Schutzkappe SK erhalten. Die gegebenenfalls mehrschichtige Schutzkappe SK umgibt und schützt den Kri­ stallkörper auf allen Seiten bis auf die Oberfläche O, die in der Fig. 3 idealisiert planar dargestellt ist. Zur weiteren Verarbeitung des Kristallkörpers zu einer Szintillatorplatte wird die Oberfläche O abgeschliffen und durch ein optisches Gel oder ähnliches mit einer Glasplatte GP verklebt. Fig. 4 zeigt die so erhaltene fertige Szintillatorplatte. Während der Verarbeitung und später bei der Benutzung wird der Kri­ stallkörper durch die Schutzkappe geschützt.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Herstellung einer mehr­ schichtigen Auskleidung A. Dazu wird in eine Form F, welche die Gießform GF sein kann, das für die Auskleidung verwendete Material M1, M2, M3 in Flockenform als lose Schüttung einge­ bracht. Die hier dargestellten drei Schichten umfassen Mate­ rial M1 für die Schutzschicht, Graphitflocken M2 und Pigment­ pulver M3. Mit Hilfe eines Preßstempels P wird durch uniaxia­ les Verpressen unter gegebenenfalls erhöhter Temperatur das lose aufgeschüttete Material für die Auskleidung A verdich­ tet.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird eine mehr­ schichtige Auskleidung durch Beschichten eines festen Materi­ als erzeugt, wobei zum Beispiel eine als Schutzschicht S die­ nende Metallfolie durch Pulverbeschichten und anschließendes Verdichten mit einer Graphitschicht und darüber mit einer Pigment enthaltenden Reflektorschicht versehen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zahl der Prozeß­ schritte, das Bruchrisiko und damit die Abfallmenge und die Herstellkosten gegenüber konventionellen Verfahren zur Her­ stellung von Kristallkörpern gesenkt. Beim Weiterverarbeiten der Kristallkörper zu Szintillatorplatten entfällt das Ab­ dichten gegen eine Schutzkappe. Durch die Verringerung der Prozeßschritte wird die Zeit verkürzt, in welcher hygroskopi­ sche Szintillatormaterialien in Trockenräumen oder geschütz­ ten Atmosphären verweilen müssen. Dadurch werden die Kosten weiter gesenkt.

Die Reflektorschichten können dicht am Kristallkörper anlie­ gen, so daß sie eine bessere Reflektionswirkung entfalten können als bei herkömmlichen Szintillatoren, bei denen sich ein Luftspalt zwischen Szintillator und Schutzkappe befindet. Die ohne Luftspalt dicht anliegende Schutzkappe behindert auch die laterale Ausbreitung von Feuchtigkeit, die sich bei herkömmlichen Szintillatoren über Luftspalte zwischen Kri­ stallkörper und Schutzkappe schnell über die gesamte Fläche ausbreiten kann, wenn es einmal zu einer punktförmigen Un­ dichtigkeit der Schutzkappe kommt. Dies erhöht die durch­ schnittliche Lebensdauer erfindungsgemäß hergestellter Szin­ tillatorplatten gegenüber konventionell hergestellten.

Die Erfindung ist auch zum Herstellen anderer nicht aus Leuchtstoffen bestehender Kristallkörper geeignet und insbe­ sondere für Materialien, die besonders bruch- oder feuchtig­ keitsempfindlich sind und für die bislang aufwendige Gießfor­ men erforderlich waren.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen eines Kristallkörpers (KK) aus einer Schmelze (S) mit den Schritten

• 1. Vorsehen einer Gießform (GF)
• 2. Auskleiden der Gießform mit einer Auskleidung(A)
• 3. Einbringen einer Schmelze in die Gießform
• 4. Erstarren der Schmelze zu einem Kristallkörper (KK) in der Gießform
• 5. Herausnehmen aus der Gießform des Kristallkörpers mitsamt der fest damit verbundenen Auskleidung, die als Schutzkap­ pe (SK) für den Kristallkörper dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

• 1. bei dem die Schmelze (S) eines Leuchtstoffs eingesetzt wird
• 2. bei dem der Kristallkörper (KK) zu einer Szintillatorplatte weiterverarbeitet wird,
• 3. bei dem die Schutzkappe (SK) als funktioneller Bestandteil der Szintillatorplatte am Kristallkörper verbleibt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem für die Auskleidung (A) ein Reflektormaterial verwen­ det wird, welches ausgewählt ist aus einem weißen Pigment oder einem Metall.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem ein pulverförmiges Material (M1, M2, M3) mit einer Kör­ nung kleiner 0,1 mm zum Herstellen der Auskleidung (A) ver­ wendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Auskleidung (A) aus einem den hygroskopischen Ei­ genschaften des Kristallkörpers (KK) entsprechend hinreichend feuchtigkeitsdichten Material erzeugt wird, so daß ein Kri­ stallkörper mit einer feuchtigkeitsdichten Schutzkappe (SK) erhalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem zur Auskleidung (A) eine Folie verwendet wird, die in die Gießform (GF) eingelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Auskleidung (A) außerhalb der Gießform (GF) er­ zeugt und dabei so vorgeformt wird, daß sie formschlüssig in die Gießform einpaßbar ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem für die Auskleidung (A) ein gegenüber der Schmelze inertes Material verwendet wird, welches ausgewählt ist aus Graphit, Silikat oder Edelmetall.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei dem eine mehrschichtige Auskleidung (A) erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem zwischen Gießform (GF) und Auskleidung (A) ein Rei­ bung und/oder Haftung verminderndes Trennmittel vorgesehen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem die nicht von der Schutzkappe (SK) bedeckte Oberflä­ che des Kristallkörpers (KK) nach dem Herausnehmen aus der Gießform (GF) vergütet und mit einer Abdeckung (GP) versehen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem die Auskleidung (A) durch Beschichten der Innenober­ fläche der Gießform (GF) erzeugt wird.

13. Kristallkörper (KK) mit einer dicht anliegenden und fest mit dem Kristallkörper verbundenen Schutzkappe (SK), herge­ stellt in einem Verfahren nach einem der vorangehenden An­ sprüche.

14. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 12 herge­ stellten Kristallkörpers (KK) als Szintillatorplatte.