DE2849705A1

DE2849705A1 - Scintillatoren und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2849705A1
Application number: DE19782849705
Authority: DE
Inventors: Dominic Anthony Cusano; Frederick Frank Holub; Svante Prochazka
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-11-21
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB2011459A; FR2409523B1; GB2011459B; US4242221A; NL7811448A; JPS5493684A; DE2849705C2; JPS5945022B2; CA1123125A; FR2409523A1

Description

Scintillatoren und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Scintillatoren und Verfahren zu d'eren Herstellung. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen keramikartiger Scintillatorkörper aus gepreßten Leuchtstoffen, wobei diese Seintillatorkörper eine hohe optische Durchlässigkeit bei geringer Lichtabsorption und einen hohen Grad physischer Integrität aufweisen, die diese Körper in hohem Maße brauchbar machen zur Verwendung in Detektoren für computerisierte Tomographie.

Allgemein ist ein Scintillator ein Material, das elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Spektrums aussendet, wenn es durch elektromagnetische Photonen hoher Energie, wie solchen des Röntgen- und Gammabereiches des Spektrums angeregt wird. Diese Materialien sind ausgezeichnet zur Verwendung als Detektoren in Röntgenapparaten oder Gammastrahlenapparaten für industrielle oder medizinische Verwendung. In den meisten typischen Anwendungen läßt man die aus den Scintillatormaterialien austretende Strahlung auf photoelektrisch ansprechende Materialien auftreffen, um darin ein elektrisches Signal zu erzeugen, das in direkter Beziehung zur Intensität der ursprünglich auffallenden Röntgen- oder Gammastrahlen steht.

Im allgemeinen ist es erwünscht, daß die von diesen Scintillatoren abgegebene Strahlung für eine gegebene Menge an Röntgenoder-Gammastrahlenenergie so stark als möglich ist. Dies trifft besonders auf dem Gebiet der medizinischen Tomographie zu, wo die Energieintensität der benutzten Röntgenstrahlen so gering als. möglich sein soll, um die Gefahr für den Patienten möglichst gering zu halten..

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Der in der vorliegenden Anmeldung benutzte Begriff "Licht" bezieht sich auf elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Bereiches des Spektrums einschließlich der Strahlungen im IR- oder UV-Bereich, die typischerweise von den hier interessierenden Leuchtstoffen ausgesandt werden.

Auch die Bezeichnung "optisch" soll sowohl die sichtbaren als auch die vorgenannten nahe dem sichtbaren Bereich liegenden Wellenlängen einsehließen.

Um als Scintillator wirksam zu sein, muß ein Scintillatorkörper Strahlung hoher Energie, d. h. Röntgen- und Gammastrahlen, gut umwandeln. Weiter muß er_; um wirksam zu sein, die bei dieser Umwandlung entstehende Lichtenergie gut übertragen. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das Licht in dem Material des Scintillatorkörpers absorbiert und die Gesamtumwandlungswirksamkeit leidet. Es muß dann eine höhere ionisierende Strahlungsenergie

vom
den Scintillator treffen, um/Gesamtsystem das gleiche elektrische Ausgangssignal zu erhalten. Für ein medizinisch tomographisches Röntgenstrahlsystem bedeutet dies eine schlechte Quantennachweiswirksamkeit und einen geringen Rauschabstand.

Obwohl es sehr erwünscht wäre, aus gewissen Scintillatormaterialien Einkristalle herzustellen, ist es mit den derzeitigen Verfahren nicht möglich.solche großen Kristalle aus diesen Leuchtstoffen herzustellen. Es sind jedoch viele Scintillatormateriar lien derzeit im Gebrauch, die entweder eine polykristalline oder eine pulverisierte Struktur aufweisen.

Eine weitere bedeutende Eigenschaft, die Scintillatormaterialien aufweisen sollten, ist die eines kurzen Nachleuchtens. Das bedeutet, daß zwischen der Beendigung der Anregung mit energiereicher Strahlung und dem Aufhören der Lichtabgabe vom Scintillator nur eine relativ kurze Zeitdauer vergehen sollte. Wenn das nicht der Fall ist, tritt ein Verschmieren bzw. Undeutlichwerden des die Information tragenden Signals in der Zeit auf. Weiter kann das Nachleuchten die zum Abtasten mögliche Geschwindigkeit

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ernstlich begrenzen, wodurch es schwierig wird, sich bewegende Körperorgane zu beobachten.

Typische Scintillatorleuchtstoffe, die benutzt worden sind, schließen Europium-dotiertes Bariumfluorchlorid (BaPCIrEu) ein. Andere Leuchtstoffe sind Terbium-dotiertes Lanthanoxibromid (LaOBr:Tb), Thallium-dotiertes Cäsiumjodid (CsJ:Tl),Kalzuimwolframat (CaWO^) und Kadmiumwolframat (CdWOj.). Werden diese und andere Leuchtstoffe in pulverisierter oder polykristalliner Form benutzt, dann wird der Pfad, den das im Inneren erzeugte Licht durchlaufen muß,außerordentlich lang und beeinträchtigt, so daß eine unnötige Absorption des abzugebenden Lichtes stattfindet. Viele Leuchtstoffe sind aber nicht als Einkristalle herstellbar, die eine sehr viel geringere Lichtabsorption aufweisen würden. Versuche.BaPCl:Eu in Einkristallform zu züchten, führten zu einem Material mit einer Vielzahl von Facetten, bei dem sich die Schichten voneinander lösen, wie Glimmer. Es sind bei diesen Materialien daher hauptsächlich die Oberflächenbereiche, die lediglich zur Lichtabgabe aufgrund der Umwandlung der energiereichen Photonen beitragen.

Scintillatormaterialien umfassen einen Hauptteil solcher Geräte, der zum Nachweisen der Anwesenheit und Intensität einfallender e'nergiereicher Photonen benutzt wird. Ein anderer üblicherweise benutzter Detektor ist die Ionisationskammer mit einem darin enthaltenen Edelgas unter hohem Druck, das z. B. Xenon sein kann und das zu einem gewissen Ausmaß ionisiert, wenn es energiereicher Gamma- oder Röntgenstrahlung ausgesetzt wird. Durch diese Ionisation fließt eine bestimmte Menge Strom zwischen Kathode und Anode dieses Detektors, die auf einer relativ hohen entgegengesetzten Polarität zueinander gehalten werden. Dieser Strom wird durch eine bestimmte Form eines Schaltkreises nachgewiesen, dessen abgegebenes Signal die Intensität der energiereichen Strahlung reflektiert. Da diese · Art von Detektor auf dem Prinzip der Ionisation arbeitet, gibt es auch nach Beendigung der Bestrahlung mit hoher Energie die Möglichkeit, daß ein Ionisationspfad offenbleibt. Diese Detektoren sind daher besonders gekennzeichnet

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durch ihre eigene Form des "Nachleuchtens", die zum Verschmieren der im bestrahlenden Signal enthaltenen Information in der Zeitdimension führt.

Scintillationsdetektoren haben verschiedene Vorteile gegenüber Ionisationsdetektoren, die in tomographischen Anwendungen eingesetzt werden. Zum ersten erfordern sie nicht die Aufrechterhaltung eines Gases unter einem hohen Druck (typischerweise 25 Atmosphären ), zweitens sind sie billiger und drittens sind sie leichter zu unterhalten. Viertens leiden sie nicht unter Ladungsakkumulatians-Wirkungen und fünftens sind sie starr und gegenüber Vibrations- oder mikrophonischen Geräuschquellen nicht so empfindlich wie Ionisationsdetektoren. Sie sind sechstens außerordentlich stabil und erfordern siebentens keine hohen Spannungen. Und schließlich können sie achtens leicht mit Fotodioden gekoppelt werden und bilden so gänzlich ein Festkörperelement.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird ein geeignetes Leuchtstoffpulver einem sehr hohen Druck bei einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, was im folgenden als "Warmpressen" bezeichnet wird. Dadurch erhält man ein keramikartiges Material, das als Scintillator besonders brauchbar ist, eine hohe optische Durchlässigkeit und eine geringe Lichtabsorption aufweist. Die bei diesem Warmpressen erhaltenenScintillatorkörper weisen auch eine feinkörnige polykristallin^- Struktur mit der theoretischen Packungsdichte des Materials auf. Weiter weisen sie eine solche physische Integrität auf, daß sie maschinell bearbeitet, geläppt und poliert werden.können. Die erhaltenen Scintillatorkörper sind daher brauchbar in Tomographiedetektoranordnungen für eine stationäre Tomographie-Detektorkonfiguration. Ihre maschinelle Bearbeitbarkeit macht auch ihre Herstellung in kleinen Größen möglich, so daß sie auch brauchbar sind zur Verwendung in einer hohe Auflösung aufweisenden rotierenden Detektorkonfigurationen für tomographische Anwendungen.

Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung findet das Warmpressen des Scintillatorleuchtstoffes in einer

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inerten Atmosphäre, wie Helium oder Argon anstelle von Luft statt, die beim. Einfangen in Restporen des gepreßten Materials das emittierte Licht in unerwünschter Weise zerstreut und so zu einer stärkeren inneren Absorption und einem Verlust an abgegebenem Licht führt.

Zur Herstellung der Scintillatorkörper sind in der vorliegenden A'nmeldung verschiedene bevorzugte Verfahren offenbart. Nach einem Verfahren wird der Scintillatorleuchtstoff in einer Luftumgebung warmgepreßt. Nach einem anderen Verfahren preßt man das Scintillatorpulyer in Argon oder Helium warm. Ein weiteres Verfahren umfaßt das Erhitzen des Leuchtstoffmaterials nachdem es kaltgepreßt wurde. Ein anderes Verfahren umfaßt das gesteuerte Abkühlen des geschmolzenen Leuchtstoffes und noch ein anderes Verfahren umfaßt das Warmschmieden eines gesinterten Barrens aus Leuchtstoffmaterial.

In der Zeichnung ist folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Scintillatormaterial in der Form nach dem Stand der Technik aus polykristallinen- oder pulverförmigen Leuchtstoffen mit der Wirkung eines einfallenden energiereichen Photons und den resultierenden typischen, optischen Pfaden,

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Scintillatormaterial gemäß der vorliegenden Erfindung, das ebenfalls die Wirkung eines einfallenden energiereichen Photons und die daraus resultierenden optischen Pfade zeigt,

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf Scintillatoren gemäß der vorliegenden Erfindung in einem computerisierten Tomographie-Abbildungssystem mit stationären Detektoren und

Figur 4 eine Draufsicht auf die Scintillatoren nach der vorliegenden Erfindung in einem computerisierten Tomographie-Abbildungssystem mit rotierenden Detektoren und einem Fächerstrahl.

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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Körper 4 aus Scintillatormaterial, das polykristalline oder pulverisierte Leuchtstoffe umfaßt, und ein Beispiel ist für den Stand der Technik und insbesondere das Problem des Nachweisens von Licht, das innerhalb des Scintillatorkörpers erzeugt wurde. Ein energiereiches Photon 1, das die Energie des Röntgen- oder Gammastrahls trägt, schlägt auf ein kleines inneres kristallines Korn des Scintillatorleuchtstoffes, wie BaPCl:Eu auf. Die Absorption dieses Photons 1 führt zur Erzeugung vieler Photonen mit geringerer Energie im sichtbaren Bereich des Spektrums. Wegen der Anwesenheit vieler reflektierender Oberflächen der kristallinen oder anderer interstitieller Materie innerhalb des Scintillatorkörpers 4 ist der Pfad, den das Licht durch das Material durchlaufen muß^ lang, gekrümmt bzw. gewunden und lichtstreuend. Typische Lichtpfade 3 sind in Figur 1 gezeigt. Da der Refraktionsindex des polykristallinen oder pulverisierten Materials von dem der eingeschlossenen Luft oder anderer interstitieller Materie verschieden ist, wird etwas von der Lichtenergie durch das Bruchstück des Körpers übertragen und etwas Lichtenergie wird in eine andere Richtung reflektiert. Ein beträchtlicher Anteil der Energie geht durch Absorption verloren. Dieses fortgesetzte Aufspalten und Absorbieren der Lichtenergie vermindert die Gesamtabgabeintensität des im Scintillator erzeugten Lichtes. Es kann ein reflektierender Überzug vorgesehen werden, um das aus dem Scintillator austretende Licht zu einem geeigneten fotoelektrisch ansprechenden Element zu richten.

Die Aufgabe der im folgenden zu beschreibenden Herstellungsverfahren besteht darin, die Ursachen für die Lichtundurchlässigkeit in gepreßten und abgeschreckten Leuchtstoffmaterialien zu beseitigen und insbesondere in solchen Leuchtstoffen, die eine ausreichend hohe Leuchtwirksamkeit und ein kurzes Nachleuchten aufweisen, um diese Leuchtstoffe brauchbar zum Einsatz in computerisierten tomographischen Abbildungssystemen zu machen. Es gibt 4 Grundursachen für die Lichtundurchlassig-^keit solcher Substanzen. Erstens verursacht die nach dem Pressen verbliebene

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Restporosität eine Absorption, doch wird aufgrund des hohen Grades der Verdichtung angenommen, daß die Restporosität nur etwa 5 - 10 % zur Lichtundurchlässigkeit beiträgt. Als zweite Quelle sind die in den rohen Leuchtstoffmaterialien enthaltenen Verunreinigungen zu nennen, doch ist diese Quelle leicht durch Reinigung und der Verunreinigung entgegengerichtete Maßnahmen zu steuern. Auch zwischen den kristallinen Kornoberflächen eingefangene Feuchtigkeit trägt zur Lichtundurchlässigkeit bei, doch ist auch diese Quelle leicht steuerbar durch anfängliches Erhitzen der rohen Leuchtstoffmaterialien in einem evakuierten Gefäß und durch Entfernen entwickelten Wasserdampfes aus dem Gefäß durch Vakuumpumpen. Eine vierte Quelle der Lichtundurchlässigkeit ist in einigen, aber nicht in allen Leuchtstoffmaterialien vorhanden und diese vierte Quelle ist die interne Spaltung des Materials.entlang bevorzugten kristallinen Korngrenzen. Je größer die vorhandenen Kristallkörner je schwerer wird bei diesen Materialien die interne Spaltung. Diese Spaltung ist in gewissen warmgepreßten Leuchtstoffen zu einem bestimmten Ausmaß vorhanden.

In Scintillatorkörpern ist nicht die Fähigkeit zur gradlinigen Lichtdurchlässigkeit kritisch, sondern die Gesamtdurchlässigkeit von Licht innerhalb des Scintillatorkörpers. Es ist nicht kritisch, daß durch den Scintillatorkörper verlaufendes Licht zerstreut wird, so lange dieses Licht schließlich einen Weg zum Äußeren des Körpers findet, um nachgewiesen werden zu können. Die Lichtstreuung ist hauptsächlich deshalb von Bedeutung, da sie zu einer großen Zahl Energie absorbierender Wechselwirkungen führt.

Figur 2 zeigt einen Querquerschnitt durch einen Scintillatorkörper 8 nach der vorliegenden Erfindung. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird geeignetes Leuchtstoffmaterial bei einer erhöhten Temperatur für eine ausreichend lange Zeit gepreßt, um Verdichtung zu erzielen. Das Warmpressen führt zu erwünschten Ergebnissen, da die Porosität des Materials stark vermindert und diese bedeutende Quelle der Lichtdurchlässigkeit nahezu vollständig beseitigtwird. Eine Ab-

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Weichling der Temperatur in bezug auf den Druck ist insofern zulässig, als bei hohen Drucken die Temperatur höher sein kann. Temperatur und Druck werden so eingestellt_s daß für den jeweiligen gepreßten Leuchtstoff der Schmelzpunkt nicht überschritten wird. Der Maximaldruck der bei dem erfindungsgemäßen Warmpressen zum Herstellen von Scintillatorkörpern benutzt wird, beträgt etwa 51 000 kg/cm² (entsprechend 725 000 US-Pfund/Quadratzoll). Höhere Drucke sind zwar erwünscht, um die Restporosität weiter zu vermindern, doch sind großvolumige Körper aus Leuchtstoffmaterialien bei solchen hohen Drucken schwierig herzustellen. Wenn es erwünscht ist, können jedoch mehrere kleinere Scintillatorkörper zu einem einzelnen Scintillatordetektorelement zusammengebaut werden. Der bei der Herstellung von Scintillatorkörpern durch erfindungsgemäßes Warmpressen angewendete Mindestdruck beträgt etwa 350 kg/an² (entsprechend 5000 US-Pfund/Quadratzoll).

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein geeignetes Leuchtstoffmaterial, z. B. BaPCl:Eu, aus dem die Feuchtigkeit durch Erhitzen im Vakuum entfernt worden ist,

2 in einer Luftumgebung bei einem Druck von 51 000 kg/cm und einer Temperatur von 65O⁰C für etwa 1 1/2 Stunden gepreßt, wozu eine mit Bornitrid ausgekleidete Druckzelle verwendet wurde, wie sie auch für die Diamantsynthese üblich ist.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde BaPCl:Eu in einer Argon-oder Heliumatmosphäre bei einem Druck von etwa 420 kg/cm und einer Temperatur im Bereich von etwa 725 bis etwa 1010⁰C für etwa 1 1/2 Stunden gepreßt, wozu man ein mit einer Platinfolie ausgekleidetes Graphitwerkzeug benutzte. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform hat das Scintillatormaterial eine Korngröße, die von der ausgewählten Temperatur abhängt, wobei die Korngröße sehr viel größer ist, als die unter einem sehr hohen Druck erhältliche.

In beiden Ausführungsformen ist das BaPCl mit Europium in einer Menge von etwa 1 Mol % dotiert. Ist der Ausgangsleuchtstoff frei von Verunreinigungen, die sich sonst an den Korngrenzen aus-

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scheiden und lichtabsorbierende Einschlüsse bilden, dann weisen die mit diesen beiden Ausführungsformen erhaltenen Scintillatorkörper Eigenschaften auf, die besonders erwünscht sind für die Verwendung der. Körper in computerisierten tomographischen Abbildungssystemen.

Wie in Figur 2 ersichtlich, wird ein typischer Lichtpfad 3* der aufgrund der Bestrahlung mit den energiereichen Photonen 1 im Scintillatorkörper 8 erzeugt wird, viel weniger abgeknickt und damit kürzer als ein typischer Lichtpfad nach Figur 1. Die erzielbare GesamtIichtübertragung ist eine Funktion einer Anzahl optischer Eigenschaften des Materials, insbesondere des Betrages der Doppelbrechung und der Dichte der lichtstreuenden Zentren, wie der Restporen und der Einschlüsse aus einer zweiten Phase. Mit reinen Ausgangsmaterialien wird jedoch eine Gesamtlichtdurchlässigkeit von 85 % der eines Einkristalles enthalten. In Figur 2 wird die weniger starke Reflexion und Lichtstreuung gegenüber der Figur 1 durch die als gestrichelte Linie 9 ausgeführten Grenzflächen angedeutet.

Das Scintillatormaterial der vorliegenden Erfindung gestattet, daß mehr als 85 % (verglichen mit einem Einkristall gleich 100 %) des emittierten Lichtes den Scintillatorkörper verlassen können. Dies führt zu einer hervorragenden GesamtUmwandlungswirksamkeit der einfallenden energiereichen Strahlung in elektrische Signale, wenn die Scintillatorkörper benachbart zu einem geeigneten fotoelektrisch ansprechenden Element angeordnet werden. Die hervorragende Lichtdurchlässigkeit verbessert auch den Geräuschabstand in einem tomographischen Abbildungssystem. Weiter können die Scintillatorkörper nach der vorliegenden Erfindung leicht maschinell bearbeitet werden und dies gestattet die Herstellung relativ kleiner, einzelner Scintillatordetektoren. Die Herstellbarkeit in kleinen Größen fördert auch die Signalauflösung, wenn diese Scintillatoren in einem computerisierten tomographischen Abbildungssystem benutzt werden.

Die hohe Packungsdichte des Scintillatormaterials macht die erhaltenen keramikartigen Scintillatorkörper außerordentlich gleich-

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förmig. Diese Charakteristik der Gleichförmigkeit ist besonders erwünscht in medizinischen tomografischen Systemen, wo ein hoher Grad der Genauigkeit erforderlich ist. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Genauigkeit erhöht, ohne daß besondere Kompensationsschaltkreise erforderlich sind, die Variationen von Detektorelement zu Detektorelement ausgleichen.

Der warmgepreßte Bariumfluorchlorid-Leuchtstoff erzeugt Licht im blauen bis UV-Bereich des Spektrums mit einer Spitzenlichtabgabe bei einer Wellenlänge von 3850 8 . Diese Wellenlänge liegt innerhalb des Bereiches, in dem viele fotoelektrisch ansprechende Elemente die Strahlung nachweisen können. Bestimmte Fotodioden sprechen optimal jedoch auf Licht an, das etwa bei Wellenlängen im rot-orange Bereich des Spektrums ausgesendet wird. In solchen Fällen, in denen fotoelektrisch ansprechende Elemente, die gegenüber der vom Scintillator ausgesandten Strahlung empfindlich sind, nicht erhalten werden können, kann man den Scintillatorkörper von einer Umhüllung umgeben, die einen Leuchtstoff enthält, der das vom Scintillator ausgesandte Licht in ein Licht des Spektralbereiches umwandelt, gegenüber dem die Fotodiode empfindlicher ist.

Es ist erwünscht, daß das Scintillatormaterial ein kurzes Nachleuchten hat. Im besonderen hat ein Leuchtstoff, wie BaFCl:Eu in polykristalliner oder pulverisierter Form ein ausreichend kurzes Nachleuchten, um dbn für computerisierte Tomographieanwendungen brauchbar zu machen. Die Lichtabgäbe dieses Leuchtstoffes vermindert sich innerhalb von 1 Millisekunde .nach Beendigung der Bestrahlung mit hoher Energie auf 0,1 % seines Spitzenwertes. Für allgemeine computerisierte Tomographieanwendungen ist dieser Intensitätsabfall auf 0,1 % des Spitzenwertes innerhalb von 5 Millisekunden nach Beendigung der Bestrahlung erforderlich und für computerisierte Tomographieanwendungen, bei denen sich bewegende Körperteile beobachtet werden sollen, soll diese Verminderung der Intensität auf 0,1 % des Spitzenwertes innerhalb einer Millisekunde stattfinden. Die warmgepreßten Leuchtstoffmaterialien der beiden oben beschriebenen

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Ausführungsformen weisen das erforderliche kurze Nachleuchten für das tomografisehe Abbilden sich bewegender Körperorgane, wie des Herzens, der Lunge oder des Verdauungstraktes auf. Durch das Warmpressen wird diese erwünschte Eigenschaft nicht beeinträchtigt.

Das Warmpressen des Leuchtstoffes führt zu einer Substanz, die sehr leicht maschinell bearbeitet und nach den derzeitigen metallografischen Verfahren poliert werden kann. Dies gestattet die Verarbeitung des Materials zu Stücken von 1 Millimeter Breite oder weniger. Es gestattet auch das Oberflächenpolieren, um die Durchlässigkeit im Inneren erzeugter Lichtphotonen zu verbessern. Die nur etwa 1 mm dicken Scintillatoren sind brauchbar zur Erzielung einer hohen Auflösung, die in bestimmten tomografischen Abildungssystemen erwünscht ist.

Wegen des angewandten hohen Druckes und der Temperatur ist es wichtig, daß das Material des Preßwerkzeuges nicht mit dem gepreßten Leuchtstoff reagiert. Das Werkzeugmaterial darf daher nicht korrosiv und nicht reaktiv sein. Außerdem ist es brauchbar, die Werkzeugoberflächen mit einer dünnen Schicht aus Platin oder einem anderen nicht-reaktiven Metall zu überziehen, um eine Verunreinigung durch Umsetzung weiter zu vermindern. Geeignete Werkzeugmaterialien schließen Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und gewisse Metalle, wie Molybdän, Wolfram oder Nickellegierungen ein.

Die Wirksamkeit der lichtzerstreuenden Zentren, wie Restposten und Einschlüsse zweiter Phasen, ist eine Punktion ihrer durchschnittlichen Größe. Je kleiner diese, umso mehr Licht wird absorbiert, da ihre numerische Dichte in der dritten Potenz der Umkehrung ihrer Durchschnittsgröße zunimmt. Es ist daher wichtig, den Volumenanteil an Restporen und Einschlüssen zu vermindern, und deren Durchschnittsgröße möglichst groß zu machen. Eine annehmbare Durchlässigkeit wird erst erreicht, wenn die Summe der Volumenanteile von Restporen und Einschlüssen geringer ist als 0,1 %. Die Kontrolle der Durchschnittsgröße dieser streuenden Zentren

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erhält man durch Kontrollieren des Kornwachstums während des Verdichtens. Die Restporen und Einschlüsse bewegen sich entlang der Korngrenzen, ballen sich zusammen und wachsen graduell aber nur, wenn sie an den Korngrenzen bleiben und nicht innerhalb der Körner eingeschlossen werden. Die Dauer des Verdichtens ist daher zusätzlich zu Temperatur und Druck ein weiterer wichtiger Herstellungsparameter, da sie das Kornwachstum und somit die Durchschnittsgröße der Poren und Einschlüsse kontrolliert.

Der Gaseinschluß innerhalb der nicht miteinander verbundenen Poren ist unerwünscht, da dies die vollständige Porenbeseitigung beeinträchtigt. Es ist daher erwünscht, während des Warmpressens eine Atmosphäre zu benutzen, deren gasförmige Bestandteile bei der Verdichtungstemperatur rasch durch den Festkörper diffundieren und die außerdem gegenüber dem Leuchtstoffmaterial inert sind. Argon und Helium sind zwei derart annehmbare inerte Gase. Helium hat darüber hinaus die erwünschte Diffusionsgeschwindigkeit und ist daher bevorzugt. Es können jedoch auch Sauerstoff, Luft und Stickstoff als die Atmosphäre zum Warmpressen benutzt werden, ohne daß die Verdichtung merklich beeinflußt wird, doch erzeugen diese Gase eine unerwünschte Zunahme in der Restporosität, verglichen mit Helium.

Das oben beschriebene Warmpressen wendet ein gerichtetes bei hoher Temperatur ausgeführtes Verdichten im einem Werkzeug an, um dichte, durchlässige porenfreie Leuchtstoffe herzustellen.

Bei einem anderen Verfahren des Warmpressens, das als isostatisches Warmpressen bekannt ist, schließt man das zu pressende Material in einem vakuumdichten Metallbehälter, eine Kanne ein, die dann in einer Kammer gefüllt mit Gas unter hohem Druck angeordnet wird, und dann erhitzt man den Behälter. Bei diesem isostatischen Warmpressen wird das Leuchtstoffpulver zuerst kalt zu einem zylindrischen Körper gepreßt, bevor man ihn in den Metallbehälter einschließt. Die Metallkanne kann aus einem duktilen Metall, wie Nickel oder Platin hergestellt sein, so daß der Druck

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gleichmäßig in allen Richtungen auf den Inhalt übertragen wird. Die Kanne mit dem Leuchtstoff-Barren wird gründlich getrocknet und evakuiert und danach die Kanne durch Schweißen verschlossen. Dann ordnet man die Kanne mit dem darin enthaltenen Leuchtstoff in einem Autoclaven bei der gewünschten Temperatur dem gewünschten Druck an. Während dieses Erhitzens dient die Kanne als undμrchlässige Membran, die den Gasdruck auf das zusammengepreßte Pulver überträgt und so eine isostatische Verdichtung bewirkt.

Dichte polykristalline Leuchtstoffe werden auch durch Sintern hergestellt. Dieses Verfahren sehließt zuerst ein Kaltpressen des Leuchtstoffpulvers bei relativ hohen Drucken ein, wie z. B. etwa 5000 Atmosphären. Dieses Kaltpressen kann eine Verdichtung des Pulvers bis zu etwa 90 % der Dichte eines Einkristalles aus diesem Material bewirken. Da das Kaltpressen nicht bei erhöhter Temperatur stattfindet, ist die reaktive Verunreinigung durch entweder die Werkzeugpresse oder die umgebende Luft vermindert. Nach dem Kaltpressen wird das gepreßte Pulver auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt, wobei die bevorzugte Temperatur etwa 10 % unterhalb des Schmelzpunktes, gemessen in °Kelvin, liegt. Dieses Erhitzen dient zum weiteren Verdichten des Materials, Das Kaltpressen führt üblicherweise zu einer Verdichtung von etwa 90/5, verglichen mit der Dichte des Einkristalles, während das Sintern bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt zu einer weiteren Verdichtung bis 97 % der theoretischen Dichte eines Einkristalles führt. Ein weiterer Vorteil dieses Kaltpressens gefolgt vom Sintern besteht darin, daß das Material zu einer Vielzahl von Gestalten gepreßt werden kann, die mit dem Warmpressen schwieriger herzustellen sind. Da das Sintern bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes stattfindet, wird die Gestalt des kaltgepreßten Materials beibehalten. Es werden gut kristallisierte Materialien erhalten, die keine Verschlechterung hinsichtlich der Leuchtwirksamkeit und keine Verlängerung des Nachleuchtens zeigen.

Ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer besseren Verdichtung und Kristallisation als diese in pulverisierten oder polykristallinen Materialien angetroffen werden, ist das Abkühlen aus

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der Schmelze. Bei diesem Verfahren wird der Leuchtstoff gerade oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt, z. B. auf eine Temperatur, die seinen Schmelzpunkt um etwa 10 $,gemessen in ⁰Kelvin_y über^-steigt, woraufhin ein langsames Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes ausgeführt wird. So erhitzt man z. B. BaFCIrEu auf eine Temperatur von etwa 1050°C_a die etwas oberhalb des Schmelzpunktes des genannten Leuchtstoffes von etwa 1020⁰C liegt und- danach kühlt man langsam auf Zimmertemperatur ab. Mit diesem Verfahren erhält man Materialien, die geeignet sind zur Verwendung als Scintillatoren und die Durchlässigkeit, Leuchtwirksamkeit und kurzes Nachleuchten aufweisen.

Ein weiteres Verfahren zum Herstellen polykristalliner Materialien mit erhöhter Durchlässigkeit ist das Heißschmieden. Bei diesem Verfahren wird ein zuerst durch Warm- oder Kaltpressen und Sintern hergestellter Barren in einem zu großen Werkzeug zum Warmpressen angeordnet und in einen Warmpreßofen eingeführt. Nachdem der Barren auf die erwünschte Temperatur aufgeheizt worden ist, erhöht man den Druck graduell, um eine plastische Deformation und ein Kriechen in dem vorverdichteten Barren zu bewirken. Die Gesamtverformung wird als relative Veränderung in der Abmessung des Körpers entlang der Preßachse ausgedrückt. Eine Abnahme von etwa 30 - ^O % in dieser Richtung ist bevorzugt.

Die Verbesserung in der Durchlässigkeit des Barrens als Ergebnis der Deformation ergibt sich aus zwei Erscheinungen. Zuerst wird eine große Anzahl vieler neuer Korngrößen innerhalb jedes ursprünglichen Kornes aufgrund eines Verfahrens, das als PoIygonisation bezeichnet wird, erzeugt. Diese neuen Korngrenzen fördern die Beseitigung der Restporen und das Zusammenballen der Einschlüsse, insbesondere solcher Einschlüsse und Poren, die innerhalb der Körner eingeschlossen sind und die anders nicht beseitigt werden können. Und zweitens wird als Ergebnis der Rekristallisation der neuen Körper, die durch den Prozeß der Polygonsation gebildet worden sind, eine mikroskopische Textur im Material entwickelt; d. h. ein höherer Grad der k.ristallografischen Orientierung ist besonders bedeutend für die Durchlässigkeit in solchen Materialien mit optischen und mechanischen Anisotropien,

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da durch die thermische Ausdehnung innere Spannungen beseitigt und Anisotropie und optische Dispersion aufgrund von Variationen im Brechungsindex in verschiedenen kristallografischen Richtungen vermindert werden.

Figur 3 zeigt Scintillatormaterial 16 nach der Erfindung, das zur Verwendung in einer Detektoranordnung für ein stationäres computerisiertes Tomographie-Abbildungssystem konfiguriert ist. Bei diesem System emittiert eine rotierenden Röntgenstrahlquelle 10 einen im wesentlichen planaren fächerförmigen Strahl 20, der durch den zu untersuchenden Körper 11 hindurchgeht. Die Anordnung der Scintillatoren 12 ist stationär, während die Röntgenquelle. 10 um den Körper 11 herum rotiert. Nachdem der Strahl 20 durch den Körper 11 hindurchgegangen ist, trifft er auf die Scintillationsdetektoren 16, die durch Kollimatoren 17 voneinander getrennt sind, wobei diese Kollimatoren aus einem Schwermetall, wie Wolfram bestehen. Das von den Scintillatoren 16 emittierte Licht wird mittels eines nicht-dargestellten fotoelektrisch ansprechenden Elementes, wie einer Fotodiode, in ein elektrisches Signal umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden durch einen ebenfalls nicht-dargestellten Hochgeschwindigkeits-Computer analysiert, der eine zweidimensionale Anordnung von Daten erzeugt, die die Absorptionskoeffizienten für verschiedene Orte innerhalb des Körpers 11 in der Ebene des Fächerstrahles 20 repräsentieren. Mittels BildwMergabegeräten werden diese in visuelle Form zur Untersuchung durch den Radiologen oder anderes ausgebildetes medizinisches Personal umgewandelt.

Figur 4 zeigt eine Anordnung 14 von Scintillatoren 16 nach der vorliegenden Erfindung in einem computerisierten Tomographie-Abbildungssystem mit rotierenden Detektoren. In diesem System sind Scintillationselemente höherer Auflösung verwendet und die Elemente läßt man in der gleichen Richtung rotieren, wie die Röntgenstrahlquelle 10, so daß der Fächerstrahl 20 immer die gleichen Scintillatoren bestrahlt. In dieser rotierenden Konfiguration gibt die Röntgenstrahlquelle 10 üblicherweise pulsartig Strahlung während der Rotation"ab, so daß der Fächerstrahl 20

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immer die gleichen Scintillatoren bestrahlt. Außerdem wird dadurch die durch die unterschiedlichen Absorptionsmengen erzeugte Information der Zeit nach aufgeteilt. Die Abstände zwischen den benachbarten Scintillatoren und Detektoren sollen relativ gering sein, um die erwünschte Auflösung zu erhalten. Da die erfindungsgemäßen Scintillatoren eine solche physische Integrität aufweisen, daß sie maschinell bearbeitet werden können, wird dieser geringe Abstand leicht erzielt.

Neben dem besonderen BaFCIrEu können auch andere geeignete Leuchtstoffe in der gleichen Weise zu brauchbaren Scintillatoren verarbeitet werden. Beispiele anderer geeigneter Leuchtstoffe schließen Terbium-dotiertes Lanthanoxibromid, Thalium-dotiertes Cäsiumjodid, Kadmiumwolframat und Kalziumwolframat ein.

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Claims

Ansprüche

IJ Verfahren zum Herstellen von Scintillationsdetektoren aus geeignetem Leuchtstoffmaterial, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

Pressendes Leuchtstoffmaterials mit einem beträchtlich hohen Druck und bei einer unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes liegenden erhöhten Temperatur und für eine zur Verdichtung ausreichenden Zeit, wobei ein optisch durchscheinender Körper gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der beträchtlich hohe Druck im Be-

reich zwischen etwa 350 und 51 000 kg/cm liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennzeichnet , daß der Leuchtstoff LaOBr: Tb, Cs J: Tl, CaWO₂J oder CdWO₁. ist.

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4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff BaFCl:Eu ist und

ρ das Zusammenpressen mit etwa 51 000 kg/cm vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Pressm bei einer Temperatur von 65O°C stattfindet.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff BaPCl:Eu ist und das

ρ Pressen mit einem Druck von etwa 420 kg/cm ausgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Pressen bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 725 und etwa 1010⁰C stattfindet.
8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff in einer Atmosphäre gepreßt wird, die hinsichtlich des Leuchtstoffes inert ist und die Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Argon oder Helium ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff in einem Vakuum gepreßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1-9» dadurch gekennzeichnet j daß die Temperatur, auf die beim Pressen erhitzt wird, etwa 10 % unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes liegt, wobei die Temperatur, auf die erhitzt wird, in °Kelvin gemessen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen des Leuchtstoffes ein Werkzeug benutzt wird, das aus einem nicht-reaktiven und nicht-korrosiven Material besteht.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,, daß das Werkzeug aus Bornitrid, Graphit, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Molybdän, Wolfram oder Nickellegierung besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadui'ch g e , ■- kennzeichnet, daß die Werkzeugfläche mit Platin überzogen ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1 - 13, dadurch g e -

k e η η zeichne t , daß das Pressen isotropisch ausgeführt wird.
15. Das gemäß dem Verfahren der Ansprüche 1 - 1*1 hergestellte Scintillatormaterial.
16. Verfahren zum Herstellen eines Scintillationsdetektors aus einem geeigneten Leuchtstoffmaterial, gekennzeichnet durch folgende Stufen: Pressen des Leuchtstoffmateriales bei einem beträchtlich hohen Druck und etwa Zimmertemperatur (20⁰C) und danach

Sintern des gepreßten Leuchtstoffes bei einer unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes liegenden erhöhten Temperatur.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen mit einem Druck zwischen etwa 350 und 51 000 kg/cm erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff BaFCl:Eu, LaOBr:Tb, CsJ:Tl, CaWO₁J, oder CdWO^ ist.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 16 - 18, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff in einer mit Bezug darauf inerten Atmosphäre gepreßt wird und diese Atmosphäre Luft, Stickstoff,Argon oder Helium ist.

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20. Verfahren nach den Ansprüchen 16-18_} dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff in einem Vakuum gepreßt wird.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 16-20, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur, bei der der Leuchtstoff gesintert wird, etwa 10 % unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes liegt und die Sintertemperatur in Kelvin gemessen wird.
22. Verfahren nach den Ansprüchen 16 - 21, dadurch gekennzeichnet , daß zum Pressen des Leuchtstoffes ein Werkzeug benutzt wird, das aus einem nicht-reaktiven und nicht-korrosiven Material besteht.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug aus Bornitrid, Graphit, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Molybdän, Wolfram oder einer Nickellegierung besteht.
2Ά. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23» dadurch gekennzeichnet , daß die Werkzeugfläche mit Platin überzogen ist.
25. Das nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 16 - 24 hergestelle Scintillatormaterial.
26. Verfahren zum .Herstellen eines Scintillationsdetektors aus einem geeigneten Material, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

Erhitzen des Leuchtstoffmaterials auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes und unterhalb der Zersetzungstemperatur des Leuchtstoffes sowie unterhalb des Siedepunktes des Leuchtstoffes, wobei durch und durch eine flüssige Phase des Leuchtstoffes entsteht und gesteuertes Abkühlen des Materials auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes.

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27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff BaPCIrEu, LaOBr:Tb, GsJ:Tl, CaWO₁₁ oder CdWO^ ist.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet , daß das Erhitzen des Leuchtstoffes auf eine Temperatur etwa 10 % oberhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes erfolgt, wobei die Temperatur, auf die der Leuchtstoff erhitzt wird, in Kelvin gemessen wird.
29. Das nach dem Verfahren der Ansprüche 26 - 28 erhaltene Scintillatormaterial.
30. Verfahren zum Herstellen eines Scintillationsdetektors aus einem geeigneten Leuchtstoff material, gekennzeichnet durch folgende Stufen: Heißpressendes Leuchtstoffmaterials bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes für eine zur Bildung eines verdichteten Barrens ausreichende Zeit, wobei ein optisch durchscheinender Körper gebildet wird,

Heißschmieden des Barrens bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes für eine Zeit und bei einem Enddruck ausreichend, um eine plastische Verformung des Barrens zwischen etwa 30 und etwa k0 % in Richtung des Pressens zu bewirken, wobei die Lichtdurchlässigkeit des Barrens erhöht wird.
31. Verfahren zum Herstellen eines Scintillationsdetektors aus einem geeigneten Leuchtstoffmaterial, gekennzeichnet, durch folgende Stufen: Pressen des Leuchtstoffmaterials bei einem beträchtlich hohen Druck und bei etwa Raumtemperatur (20⁰C), Sintern des gepreßten Leuchtstoffes bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes, wobei ein verdichteter Leuchtstoffbarren gebildet wird,

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Heißschmieden des Barrens bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Leuchtstoffes für eine Zeit und bis zu einem Enddruck, die ausreichen, eine plastische Deformation des Barrens zwischen etwa 30 und etwa 40 % in Richtung des Pressenszu erreichen, wobei die Durchlässigkeit des Barrens erhöht wird.
32. Dichter, polykristalliner, translucenter Scintillatorkörper der durch Absorption von energiereichen Photonen innerhalb des Körpers erzeugtes Licht aus dem Körper austreten läßt, so daß dieses Licht durch eine geeignete photoelektrisch ansprechende Einrichtung nachgewiesen werden kann.

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