DE3011978A1

DE3011978A1 - Szintillator und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3011978A1
Application number: DE19803011978
Authority: DE
Inventors: Tokuumi Fukazawa; Tetsu Oi; Kazumasa Takagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1980-10-09
Also published as: US4365155A; GB2045795B; JPS597679B2; DE3011978C2; GB2045795A; JPS55130899A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Szintillator zur Umwandlung solcher Strahlung, wie Röntgenstrahlen oder
X -Strahlen, in Licht, und insbesondere auf einen zur
Verwendung in der die obige Strahlung verwendenden, rechnergestützten Tomographie geeigneten Szintillator, und auf
ein Verfahren zur Herstellung des Szintillators.

In den letzten Jahren wurde die rechnergestützte Tomographie aktiv und in weitem Ausmaß entwickelt, bei der ein Gegenstand mit einem scharfen Röntgenstrahlenbündel bestrahlt und in verschiedenen Richtungen abgetastet wird, wobei die durch das Objekt durchgegangenen Röntgenstrahlen auf jeder Abtastlinie erfaßt werden, die erfaßten Rontgenstrahlenintensitäten zu einem Computer zur Berechnung des Rontgenstrahl-Absorptionskoeffizienten an jedem Punkt auf einem Matrixmuster geleitet werden und eine Tomographie mit einem
Licht- und Dunkelmuster entsprechend der Verteilung des
berechneten Röntgenstrahl-Absorptionskoeffizienten gebildet wird.

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Der bei dieser rechnergestützten Tomographie verwendete Szintillator besteht aus einem Material,das ein Element mit einer hohen Ordnungszahl Z bei einer hohen Dichte enthält, und bisher wurden solche Materialien, wie z. B. NaI (das Tl enthält), CsI, Bi₄Ge₃O₁~r CaWO. und CdWO₄ bekannt. Jedoch waren diese Materialien nicht geeignet, einen ausgezeichneten Kristall zu bilden, der als der Szintillator der rechnergestützten Tomographie dient.

Im einzelnen ist es nun erwünscht, daß der in der rechnergestützten Tomographie verwendete Szintillator nicht nur von hoher Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, sondern auch von kurzer Abklingzeit ist, und außerdem dessen Lumineszenzwellenlänge in einem längeren Wellenlängenbereich entsprechend dem erfaßbaren Wellenlängenbereich einer

liegt
verwendeten .Fotodiode, da das Röntgenstrahlbündel einen Abtastvorgang durchführt und ein Fotoelektronenvervielfacher zur Erfassung des Lichtausgangs des Szintillators durch eine Fotodiode ersetzt « wird.

Die oben erwähnten Materialien haben verschiedene Nachteile, wie unten aufgeführt und in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt ist. (1) Ein aus Bi₄Ge₃O₁₂ bestehender Szintillator hat eine Röntgenstrahlen^Erfassungsempfindlichkeit gleich nur 12 % derjenigen eines aus Tl enthaltendem NaI (im folgenden als NaI (Tl) bezeichnet) bestehenden Szintillators. (2) Ein aus CaWO₄ bestehender Szintillator hat eine Lumineszenzwellenlänge von 430 nm und ist daher nachteilig, wenn er mit einer Fotodiode kombiniert wird, die zum Erfassen von Lichtstrahlen innerhalb des längeren Wellenlängenbereichs geeignet ist. (3) Ein aus CdWO₄ bestehender Szintillator enthält das Umweltverschmutzung erzeugende Element Cd und

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ist aus dem Grunde sehr kostspielig, daß eine Umweltverschmutzungs-Gegenmaßnahme bei der Herstellung des Szintillators getroffen werden muß.

Im übrigen wird die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit eines Szintillators hier durch das Verhältnis (oder den Prozentsatz) der Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit des obigen Szintillators zu der des NaI (Tl)-Szintillators mit der höchsten Empfindlichkeit ausgedrückt.

Tabelle 1

Material	Effektive Ordnungs zahl	Dichte (g/cm³)	Röntgenstrah- lenerfassungs- empfindlich- keit (%)	I Lumineszenz wellenlänge (nm)
Bi₄Ge₃O₁₂ CaWO₄ CdWO₄ NaI(Tl)	56 47 41 42	7,1 6,1 7,9 3,7	12 50 65 100	480 430 480 410

Die folgenden Druckschriften werden zum Nachweis· des Standes der Technik genannt: i) R.H. Gillette "Rev. Sei. Instrum.¹¹, Vol. 21, S. 294 (195O> Ii) P.A.C. Whiffin et al. "J. Crystal Growth", Vol.10, S. 91 (1971) und iii) R.A.M. Scott "J. Crystal Growth", Vol. 10, S. 39 (1971)

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— ο —

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Szintillator zu entwickeln, der unter Überwindung der oben genannten Nachteile der bekannten Szintillatoren zur Verwendung bei der rechnergestützten Tomographie hinsichtlich seiner Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, Lumineszenzwellenlänge und Nachleuchteigenschaften besser geeignet ist und die Möglichkeit einer Umweltverschmutzung ausschließen kann, und außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Szintillators anzugeben.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Szintillator, mit dem Kennzeichen, daß er aus einem Zinkwolframateinkristall gebildet ist.

Im Rahmen der Erfindung hat ein ZnWC^-Einkristall gemäß der Erfindung einen Absorptionskoeffizienten von höchstens 1,8 cm , vorzugsweise höchstens 1,2 cm , noch mehr vorzugsweise höchstens 0,5 cm und am bevorzugtesten höchstens 0,21 cm"¹ für Licht mit einer Wellenlänge von 520 nm.

Obwohl die Gestalt und Abmessung des Szintillators, wie gut bekannt ist, mit dem Verfahren zur Erfassung von Strahlung variiert werden, macht man die Stirnseiten des Szintillators, auf deren eine die Strahlung auftrifft, üblicherweise parallel zur (010)-Ebene eines den Szintillator bildenden Kristalls. Weiter kann der Szintillator verschiedene Dicken in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Strahlung und dem Meßgegenstand aufweisen, doch hat er eine Dicke von 2 bis 4 mm, wenn er in der rechnergestützten Tomographie verwendet wird.

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Ein ZnWO.-Einkristall hoher Reinheit muß wachsen, um einen Einkristall mit einem so niedrigen Absorptionskoeffizienten für Licht zu erhalten, daß er als Szintillator gemäß der Erfindung geeignet ist. Im einzelnen läßt man den obigen Einkristall aus geschmolzenem ZnWO₄ nach herkömmlichen Techniken, wie z. B. der Czochralski-Technik und der Zonenschmelzmethode, wachsen. Falls die Czochralski-Technik angewandt wird, kann die Reinheit des gewachsenen Einkristalls verbessert werden, indem man ein elektrisches Feld über die Wachstumsgrenzfläche in der Weise anlegt, daß der Kristall und der Tiegel als Anode bzw. Kathode verwendet werden, wodurch ein günstigeres Ergebnis erhalten wird.

Ein Szintillator gemäß der Erfindung wird folgendermaßen hergestellt. Ein ZnWO.-Einkristall wird zu einer bestimmten Gestalt und Abmessung nach gut bekannten Methoden geschnitten, und die Oberfläche des so geschnittenen Einkristalls, die der Strahlungsaufnahmefläche zugewandt ist, wird nach einem bekannten Polierverfahren zu einer Spiegelfläche geglättet. Das Schwabbeln wird gewöhnlich vorgenommen, um eine Spiegelfläche zu erhalten, doch das Polierverfahren zur Erzeugung der Spiegelfläche ist nicht auf das Schwabbeln beschränkt. Weiter werden die anderen Oberflächen des Einkristalls außer der spiegelpolierten Fläche zu rauhen Oberflächen durch das Schleifverfahren unter Verwendung von beispielsweise Siliziumkarbid oder zu reflektierenden Flächen durch das überziehen mit einem reflektierenden Material wie MgO oder BaSO₄ verändert.

Die Erfindung gibt also einen aus einem ZnWO.-Einkristall gebildeten Szintillator mit einem Absorptionskoeffizienten

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unter oder gleich 1,8 cm für das Licht mit einer Wellenlänge von 520 nm an, der eine Lumineszenzwellenlänge von nm hat und daher mit einer Fotodiode kombiniert
werden kann und der von hoher Strahlungserfassungsempfindlichkeit und von kurzer Abklingzeit ist und sich
besonders gut zur Verwendung in der rechnergestützten
Tomographie eignet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen der Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit des aus einem ZnWO.-Einkristall gebildeten Szintillators und dem Absorptionskoeffizienten des ZnWO.-Einkristalls;

Fig. 2 eine Perspektivdarstellung zur Veranschaulichung der Gestalt eines Ausführungsbeispiels eines
Szintillators gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines ein Ausführungsbeispiel eines Szintillators gemäß der Erfindung verwendenden Szintillationszähler ;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines weiteren, ein Ausführungsbeispiel eines Szintillators gemäß der Erfindung verwendenden Szintillationszählers; und

Fig. 5 eine Schaltskizze zur Darstellung eines mit dem in Fig. 4 gezeigten Szintillationszähler verbundenen Verstärkers.

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Die Erfinder wählten Zinkwolframat, ZnWO., aus den durch die allgemeine Formel MWO₄ (worin M ein zweiwertiges Metall bedeutet) ausgedrückten Wolframaten aus, prüften verschiedene Eigenschaften des Zinkwolframats und fanden, daß sich ein ZnWO.-Kristall für den Szintillator eignet.

Es war bekannt, daß pulverisiertes Zinkwolframat eine verhältnismäßig starke Lumineszenz mit einer maximalen Intensität bei einer Wellenlänge von 520 nm erzeugt. Jedoch nimmt ein Einkristall aus Zinkwolframat, der nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt wird, eine dunkelrötlich-braune Farbe an und hat einen hohen Absorptionskoeffizienten für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Wenn dieser Einkristall als Szintillator verwendet wird, beträgt die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit nur etwa 5 % derjenigen des NaI (Tl)-Szintillators, da nur das durch den Szintillator durchgegangene Licht zur Erfassung von Röntgenstrahlen verwendet wird. Weiter wurde die Tatsache, daß der Absorptionskoeffizient im sichtbaren Wellenlängenbereich hoch ist, als wesentliche Eigenschaft von Zinkwolframat betrachtet.

Die Erfinder ließen eine große Zahl von reinen Kristallen aus dem herkömmlichen ZnWO₄-Kristall wachsen und maßen ihren Absorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 520 nm. Als Ergebnis der obigen Messungen wurde gefunden, daß der Absorptionskoeffizient niedrig ist, wenn die Reinheit der gewachseaen Kristalle höher ist, und daß ein ZnWO>-Kristall mit einem Absorptionskoeffizienten von nicht über einem bestimmten Wert als Szintillator praktisch einsatzfähig ist.

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Pig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Absorptionskoeffizienten (cm ) des ZnWO.-Kristalls bei einer Wellenlänge von 520 nm und der relativen Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit des den ZnWO.-Kristall verwendenden Detektors, wobei die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit des NaI (Tl) verwendenden Detektors als 100 % ausgedrückt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Beziehung wurde aus Versuchen erhalten, die Röntgenstrahlen verwendeten,die von einer Röntgenstrahlenquelle mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV und einem Wolframtarget abgegeben wurden, und die ZnWO.-KristalIe jeweils mit einer Dicke von 2 mm als Szintillator verwendeten. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, zeigt ein Kristall mit einem Absorptionskoeffizient über 3 cm eine geringe Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, d. h. die Erfassungsempfindlichkeit in diesem Fall ist gleich nur einigen Prozent derjenigen des NaI (Tl) verwendenden Falles. Ein Kristall mit einem Absorptionskoeffizient von },8 cm kann eine Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit von 12 % zeigen und ist daher in seiner Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit gleich Bi₄Ge₃O₁₂, das bereits als Szintillator verwendet wurde. Weiter zeigt Fig. 1, daß, wenn ein ZnWO₄-Kristall einen Absorptionskoeffizient von 1,2, 0,5 oder 0,21 cm aufweist, die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit eines den ZnWO₄~Kristall verwendenden Detektors gleich 22 %, 32 % oder 40 % ist. Außerdem zeigt ein Kristall mit einem Absorptionskoeffizienten unter 0,21 cm" eine Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit von 40 %.

Wie schon erwähnt, wird ein Szintillator gemäß der Erfindung aus einem ZnWO.-Einkristall mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten gebildet. Ein solcher Einkristall läßt sich durch Verbesserung· der Reinheit des herkömmlichen

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ZnWO.-Kristalls erhalten. Demgemäß lassen sich alle bekannten Verfahren zur Erhöhung der Reinheit eines Kristalls an wenden, um einen Szintillator gemäß der Erfindung herzustellen.

Allgemein wird, um die Reinheit eines Einkristalls zu verbessern, der Einkristall bis zum Schmelzen erhitzt und dann nach und nach in einer bestimmten Richtung zur Bewirkung des Kristallwachstums erstarrt. Dieses Verfahren ist im Rahmen der Erfindung anwendbar. Mit anderen Worten wird ein ZnWO.-Einkristall zur Bildung eines Szintillators gemäß der Erfindung erhalten, indem man einen Einkristall aus einer ZnWO₄-Schmelze wachsen läßt.

Das Czochralski-Verfahren und die Zonenschmelzmethode werden gewöhnlich verwendet, um einen Einkristall aus einer Schmelze wachsen zu lassen. Es ist überflüssig zu sagen, daß nicht nur diese Verfahren, sondern auch andere Verfahren zum Wachsenlassen eines Einkristalls im Rahmen der Erfindung angewandt werden können.

Weiter kann, wie an sich bekannt, in einem Fall, wo ein Einkristall aus der Schmelze eines Materials nach der Czochralski-Technik wachsen(gelassen wird, falls man ein elektrisches Feld über das Material in der Weise anlegt, daß der gewachsene Kristall und der die Schmelze enthaltende Tiegel als die Anode bzw. die Kathode verwendet werden, die Reinheit des gewachsenen Einkristalls verbessert werden. Dieses Verfahren kann auch bei der Herstellung eines ZnWO.-Einkrlstalls angewandt werden, der einen Szintillator gemäß der Erfindung bildet.

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Wie schon erwähnt, wird ein ZnWO₄~Einkristall mit einer Dicke von 2 bis 4 mm zur Bildung eines Szintillators verwendet, der für die rechnergestützte Tomographie eingesetzt wird. In der rechnergestützten Tomographie liegt die Spitzenenergie der weißen Röntgenstrahlen in einem Bereich von 40 bis 70 keV, und der Szintillator muß die oben erwähnte Dicke haben, um einen größeren Teil der weißen Röntgenstrahlen zu absorbieren. Im einzelnen kann der ZnWO₄-Einkristall mit einer Dicke von 4 mm mehr als 99,9 % der einfallenden Röntgenstrahlen mit einer Spitzenenergie von 70 keV absorbieren, und der ZnWO.-Einkristall mit einer Dicke von 2 mm kann etwa 99,5 % der einfallenden Röntgenstrahlen mit einer Spitzenenergie von 40 keV absorbieren. Weiter muß der ZnWO.-Einkristall eine Dicke über 3 mm aufweisen, um mehr als 99 % der einfallenden Röntgenstrahlen mit einer Spitzenenergie von 60 keV zu absorbieren,! die am häufigsten in der rechnergestützten Tomographie verwendet werden.

Die in einem Szintillator erzeugte Lumineszenz trifft auf einen Fotoelektronenvervielfacher oder eine Fotodiode auf, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. Die Oberfläche des Szintillators, die im Kontakt mit diesen fotoelektrischen ümwandlungselementen gehaltenwSird, muß eine Spiegelfläche haben und eben sein. Falls ein ZnWO₄-Einkristall zur Bildung des Szintillators verwendet wird, wird eine spiegelpolierte Fläche in der (010)-Ebene des Kristalls gebildet, da die (010)-Ebene eine Spaltebene des ZnWO^-Einkristalls ist und leicht eine Spiegelfläche werden kann. Dementsprechend verwendet ein ZnWO₄~Einkristall, der zur Bildung eines Szintillators gemäß der Erfindung verwendet wird,

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seine (010)-Ebene als die Röntgenstrahlenaufnahmefläche und die dazu gegenüberliegende Oberfläche. Jedoch können auch andere Ebenen als die (01O)-Ebene zu einer Spiegelfläche geglättet werden, wenn diese Flächen sorgfältig poliert werden. Daher sind die Röntgenstrahlenaufnahmefläche und die dieser gegenüberliegende Oberfläche nicht auf die (010)-Ebene beschränkt. Jedoch ist es, da der ZnWO₄-EInkristall wie Glimmer leicht zu spalten ist, schwierig, andere Ebenen als die (010)-Ebene ohne Brechen des ZnWO₄-Einkristalls zu polieren. In diesem Fall ist daher die Ausbeute beim Herstellungsprozeß sehr niedrig.

Das allgemeinste Verfahren zur Bearbeitung eines ZnWO.-Einkristalls ist, wie folgt. Der gewachsene Einkristall aus ZnWO. wird mit einem Diamantfräser längs bestimmter Ebenen bearbeitet, die senkrecht zur Röntgenstrahlenaufnahmefläche, nämlich der (010)-Ebene, sind,und dann längs eines Paarsvon Spaltebenen mit einer Messerkante od. dgl. so gespalten, um eine bestimmte Dicke zu haben. Eine der Spaltebenen wird mit einer Schwabbelmaschine zu einer Spiegelfläche geglättet. Andererseits werden andere Flächen des so erhaltenen Kristallplättchens außer der spiegelpolierten Fläche zu rauhen Oberflächen verändert oder mit einem reflektierenden Material überzogen, damit die im Kristallplättchen erzeugte Lumineszenz auf dem fotoelektrischen Umwandlungselement mit hohem Wirkungsgrad auftrifft. Die rauhen Oberflächen, wie schon erwähnt wurde, werden ohne weiteres durch Schleifen der Kristalloberfläche beispielsweise mit Siliziumkarbid erhalten. Die Rauhigkeit der rauhen Flächen wird z. B. gleich etwa 2,5 .um gemacht,

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ist jedoch auf einen solchen Wert nicht beschränkt. Im übrigen können MgO, BaSO. u. dgl. als reflektierendes Material verwendet werden.

Es sollen nun einige Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben werden.

Beispiel 1

Eine Mischung aus gleichen Molanteilen eines 99,99 % reinen WO₃~Pulvers und eines 99,99 % reinen ZnO-Pulvers wurde in einen Platintiegel gegeben (das Gesamtgewicht dieser Ausgangsmaterialien wurde gleich 400 g gemacht). Diese Ausgangsmaterialien wurden in einer Sauerstoffatmosphäre durch Hochfrequenzinduktionserhitzung auf 1100 ⁰C erhitzt, und man ließ einen ZnWO.-Einkristall mit einem Durchmesser von 25 mm nach der Czochralski—Technik unter den Bedingungen wachsen, daß die Ziehgeschwindigkeit des gewachsenen Kristalls und seine Drehzahl gleich 4 mm/h bzw. 5O U/min gemacht wurden. Der so gewachsene Einkristall nahm eine schwa.chbraune Farbe an, zeigte einen Absorptionskoeffizient von 1,8 cm für einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 520 nm und enthielt 50 ppm Verunreinigungen. Die obigen Verunreinigungen bestanden hauptsächlich aus Si und Ca. Dieser ZnWO.-Einkristall wurde zu der in Fig. 2 gezeigten Gestalt zur Bildung eines Szintillators geschnitten. Im einzelnen wurde der Einkristall zunächst mit einem Diamantfräser längs Ebenen 2 und 3 bearbeitet, die zu einer Ebene senkrecht waren, und dann wurden die Ebene 1 und eine dazu gegenüberliegende Ebene unter Verwendung einer Messerkante markiert. Da die Ebene 1 und die gegenüberliegende Ebene parallel zur (010)-Ebene gemacht waren, ließen sich diese Ebenen durch die Messerkante dann ohne weiteres spalten.

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_ 15 ~

So wurden die Breite W, die Länge L und die Dicke t des Szintillators gleich 6,H7 bzw. 2 mm gemacht. Dann wurde die Ebene 1 mittels einer Schwabbelmaschine zu einer Spiegelfläche geglättet, und die anderen Ebenen außer der Ebene 1 wurden durch einen Schleifvorgang unter Verwendung von Siliziumkarbid zu rauhen Oberflächen verändert, deren Rauhigkeit etwa gleich 2,5 .um war. Im übrigen zeigt ein in Fig. 2 dargestellter Pfeil 4 die Richtung, in der die Strahlung auf den Szintillator 5 auftrifft.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wurde die Oberfläche 1 des so gebildeten Szintillators 5 mit Silikonfett 11 überzogen und dann in engen Kontakt mit einem Fotoelektronenvervielfacher 12 gebracht. Weiter wurde eine magnetische Abschirmung 13 um den Fotoelektronenvervielfacher 12 herum angeordnet, und der Fotoelektronenvervielfacher 12 wurde mit einer Gleichstromhochspannungsquelle 14 und einem Verstärker 15 zur Bildung eines Szintillationszählers verbunden. Außerdem bezeichnet die Bezugsziffer in Fig. 3 einen Halter des Szintillators 5.

Röntgenstrahlen, die von einer Röntgenstrahlenguelle mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV und einem Wolframtarget abgegeben wurden, und auf den obigen Szintillationszähler in der Richtung eines Pfeils 16 auftrafen, wurden mit einer Erfassungsempfindlichkeit von 12 % erfaßt. Außerdem war in diesem Fall die Maximallumineszenzwellenlänge gleich 480 nm, und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten war 4 χ 10~ , d. h. 0,04 % des anfänglichen Lichtausgangs. Der in Fig. 3 dargestellte Szintillationszähler hat den gleichen Aufbau wie herkömmliche, mit der Ausnahme, daß ein ZnWO^-Einkristall als der Szintillator verwendet wird.

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Beispiel 2

Der im Beispiel 1 erhaltene und 50 ppm Verunreinigungen enthaltende ZnWO₄-Einkristall wurde geschmolzen, und man ließ einen neuen Einkristall aus der Schmelze unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wachsen. Der so gewachsene Einkristall war transparent, hatte einen Absorptionskoeffizient von 0,21 cm und enthielt 10 ppm Verunreinigungen.

Der vorstehend erwähnte Einkristall wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 zu einem Szintillator geformt und

in einen Szintillationszähler eingesetzt. Die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, die Lumineszenzwellenlänge und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten, welche mit dem und am Szintillationszähler gemessen wurden, waren 40 % bzw. 480 nm bzw. 4 χ 10~ .

Vergleichsbeispiel

Eine Mischung gleicher Molanteile eines 99,9 % reinen W0_-Pulvers und eines 99,9 % reinen ZnO-Pulvers wurden in einen Platintiegel gegeben, und man führte ein Kristallwachstum nach der Czochralski-Technik unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 durch. Ein so gewachsener ZnWO₄-Einkristall war stark gefärbt, hatte einen Absorptionskoeffizient von 4,0 cm und enthielt 120 ppm Verunreinigungen. Die Verunreinigungen bestanden aus Si, Ca und Fe. Der obige Einkristall wurde zu einem Szintillator geformt und in einen Szintillationszähler in gleicher Weise wie im Beispiel 1 eingesetzt. Die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, die Lumineszenzwellenlänge und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten, die mit dem und am obigen Szintillationszähler gemessen wurden, waren 5 % bzw.

-4
480 nm bzw. 4 χ 10 . Offenbar war dieser ZnWO^-Einkristall von sehr niedriger Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit und konnte daher nicht als Szintillator zur Erfassung von

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Röntgenstrahlen verwendet werden.

Beispiel 3

Der im vorstehenden Vergleichsbeispiel erhaltene Einkristall wurde geschmolzen, und man ließ einen neuen Einkristall nach der Czochralski-Technik unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wachsen. Der so gewachsene Einkristall hatte einen Absorptionskoeffizient von 1,2 cm und enthielt 20 ppm Verunreinigungen. Dieser Einkristall wurde zu einem Szintillator geformt und in einen Szintillationszähler in gleicher Weise wie im Beispiel 1 eingesetzt. Die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, die Lumineszenzwellenlänge und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten, die mit dem und am obigen Szintillationszähler gemessen wurden, waren 22 % bzw. 480 nm bzw. 4 χ 10~⁴.

Beispiel 4

Das Kristallwachstum wurde nach der Czochralski-Technik unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme durchgeführt, daß eine Spannung über den gewachsenen Kristall und die ZnWO.-Schmelze in der Weise angelegt wurde, daß der gewachsene Kristall und der Tiegel als Anode bzw. als Kathode verwendet wurden!, um einen Strom mit einer Stromdichte von 0,5 mA/cm durch den gewachsenen Kristall durchzuleiten. So ließ man einen ZnWO.-Einkristall wachsen, der einen Durchmesser von 25 mm hatte, 34 ppm Verunreinigungen enthielt und einen Absorptionskoeffizient von 1,3 cm hatte. Der Absorptionskoeffizient war also in diesem Beispiel kleiner als im Beispiel 1. Der so erhaltene ZnWO.-Einkristall wurde zu einem Szintillator geformt und in gleicher Weise wie im Beispiel 1 in einen Szintillationszähler eingesetzt. Die RÖntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit,

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die Lumineszenzwellenlänge und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten, die mit dem und am obigen Szintillationszähler

-4 gemessen wurden, waren 19 % bzw. 480 nm bzw. 4 χ 10

Beispiel 5

Gleiche Molanteile eines 99,99 % reinen WO₃-PuIvers und eines 99,99 % reinen ZnO-Pulvers wurden gemischt, und man chargierte 400 g der Mischung auf ein Platinschiffchen (mit Außenabmessungen von 20 mm χ 20 mm χ 200 mm). Ein Heizgerät, das die Form eines Ringes hatte und aus SiC bestand, wurde um das Schiffchen angeordnet. Das Heizgerät wurde erhitzt und in der Axialrichtung des Schiffchens mit einer Geschwindigkeit von 4 mm/h bewegt, so daß Teile mit einer Breite von 25 mm nach und nach in dem auf das Schiffchen chargierten Rohmaterial (bei einem Schmelzpunkt von 1200 ⁰C) geschmolzen wurden. So wurde ein ZnWO.-Einkristall nach der Zonenschmelzmethode gewachsen. Der gewachsene Einkristall hatte einen Absorptionskoeffizient von 1,7 cm" und enthielt 42 ppm Verunreinigungen.

Der so erhaltene ZnWO₄-Einkristall wurde zu einem Szintillator geformt und in gleicher Weise wie im Beispiel 1 in einen Szintillationszähler eingesetzt. Die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, die Lumineszenzwellenlänge und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten, die mit dem und am obigen Szintillationszähler gemessen wurdei, waren

-4 13 % bzw. 480 nm bzw. 4 χ 10 .

Beispiel 6

Der ZnWO.-Einkristall, der im Beispiel 2 gewachsen war , wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 zu einem in Fig. 2 gezeigten Szintillator 5 geformt. Die Oberfläche 1 des Szintillator 5 wurde mit Silikonfett 24 überzogen und dann

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in enge Berührung mit einer Fotodiode 21 gebracht. Der Szintillator 5 und die Fotodiode 21 wurden an einem Aluminiumgehäuse 22, wie in Fig.4 gezeigt, montiert. Ein Anschluß 23 der Fotodiode 21 wurde mit einem in Fig.5 gezeigten Verstärkerkreis zur Bildung eines Szintillationszählers verbunden. Der andere Anschlußjwar mit Erde verbunden. Die Fotodiode 21 bestand aus einem Siliziumplättchen mit einem PN-Übergang. Im übrigen zeigt ein Pfeil 25 in Fig. 4 die Einfallrichtung der Strahlung, und die Bezugsziffer 31 in Fig. 5 bezeichnet einen Ausgangsanschluß.

Der so gebildete Szintillationszähler, d. h. der Strahlungsdetektor wurde in einer rechnergestützten Tomographie eingesetzt und einem Versuch zur praktischen Verwendung unterworfen. Bei dem Versuch waren die Spitzenspannung im Signal und die Störspannung gleich 8,0 V bzw. 620 ,uV. Es wurde also ein hoher Rauschabstand erhalten. Weiter wurde der oben erwähnte Szintillator auch zur Bildung eines Szintillationszählers unter Verwendung eines Fotoelektronenvervielfachers anstelle der Fotodiode, d. h. eines Szintillationszählers mit einem in Fig. 3 gezeigten Aufbau verwendet. Der den Fotoelektronenvervielfacher verwendende Szintillationszähler wurde in der rechnergestützten Tomographie eingesetzt und einem Versuch zur praktischen Verwendung unterworfen. Bei diesem Versuch waren die Spitzenspannung im Signal und die Störspannung gleich 10 V bzw. 720 ,uV. Das heißt,daß ein hoher Rauschabstand im den Fotoelektronenvervielfacher verwendenden Szintillationszähler wie bei dem die Fotodiode verwendenden Szintillationszähler erhalten wurde.

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Die Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, die Lumineszenzwellenlänge und das 10 ms nachher erfaßte Nachleuchten des aus einem ZnWO.-Einkristall gebildeten Szintillators sowie der Verunreinigungsgehalt des ZnWO.-Einkristalls und der Absorptionskoeffizient des ZnWO.-Einkristalls für Licht mit einer Wellenlänge von 520 nut, die sämtlich in jedem der Beispiele 1 bis 5 und dem Vergleichsbeispiel beschrieben wurden, sind in der folgenden Tabelle 2 zusammen mit einigen Eigenschaften herkömmlicher Szintillatoren zusammengestellt.

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Tabelle 2

	Material	I Rontgens trah lenempf ind-= lichkeit *i)**	r Luminesζenζ- wellenlänge (nm)	10 ms nach her erfaßtes Nachleuchten	Verunrei nigungsge halt (ppm)	Absorptions- koeffizieat (cm"¹)	1/8
	Bl₁₄Ge₃O₁₂	12	480	<3 χ 10"^			1,2
	CaWO.	50	430	6 χ ΙΟ"⁴		•	0,21
	CdWO₁₁	65	480	-4 6 χ 10			1,3
ω ο O	NaI(Tl)	100	410	13 χio~⁴			1,7
*-■	^ZnW04 (Beispiel 1)	12	480	4 χ 10	50	4
O β»	ZnWO₁₁ (Beispiel 3)	22	480	h 4x10 ⁴	20
	ZnWO₄ (Beispiel 2)	40	480	4 χ 10~⁴	10
	ZnWO₁J (Beispiel 4)	19	480	U 4 χ 10	34
	ZnViO₁J (Beispiel 5)	13	480	h 4 χ 10	42
	ZnWOh Vergleichsbei- ^M SDiel	5	480	-4 4 χ 10	120

to -a co

__₂₂. 301197a

Wie sich aus der Tabelle 2 ergibt, kann ein Szintillator gemäß der Erfindung, der aus einem ZnWO.-Einkristall gebildet ist, eine hohe Röntgenstrahlenempfindlichkeit aufweisen, wenn der ZnWO.-Einkristall einen Absorptionskoeffizient von höchstens 1,8 cm für Licht mit einer Wellenlänge von 520 nm hat. Außerdem ist der ZnWO.-Einkristall typisch von ausgezeichneter Lumineszenzwellenlänge und ausgezeichnetem Nachleuchtverhalten. Daher eignet sich der Szintillator gemäß der Erfindung zur Verwendung in der rechnergestützten Tomographie hinsichtlich der Röntgenstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit, der Lumineszenzwellenlänge und des Nachleuchtverhaltens. Außerdem kann die Röntgehstrahlen-Erfassungsempfindlichkeit des Szintiilators durch Verwendung eines ZnWO.-Einkristalls mit einem Absorptionskoeffizient von höchstens 1,2 cm~ weiter verbessert werden, und es kann so

er
ein noch ausgezeichneter Szintillator zur Verfügung gestellt

werden.

In der vorstehenden Beschreibung wurde die Abhängigkeit des Lichtabsorptionskoeffizienten des ZnWO₄~Einkristalls von seinem Verunreinigungsgehalt gezeigt. Jedoch muß der Verunreinigungsgehalt nicht immer gleich oder weniger als ein in Beispielen gezeigter Wert sein, um einen gewünschten Absorptionskoeffizient zu erhalten, sondern ein ZnWO₄-Einkristall, dessen Verunreinigungsgehalt etwas höher als der Beispielswert ist, kann einen dem gewünschten nahezu gleichen Absorptionskoeffizient aufweisen, falls die Verunreinigungen aus geeigneten Elementen bestehen. Dabei ist es überflüssig zu sagen, daß ein ZnWO.-Einkristall mit einem Absorptionskoeffizient gleich oder unter 1,8 cm vorteilhaft verwendet werden kann.

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Im Vorstehenden wurde, um den Absorptionskoeffizient eines gewachsenen Einkristalls zu verringern, das Kristallwachstum wiederholt, oder es wurde ein elektrisches Feld an eine Wachstumsgrenzfläche angelegt, wenn ein Einkristall nach der Czochralski-Technik wuchs. Jedoch können solche Ver-

auch
fahren miteinander kombiniert werden. Selbstverständlich können übliche Bedingungen für das Kristallwachstum zusätzlich zu den durch die Beispiele veranschaulichten Bedingungen verwendet werden.

In der vorstehenden Beschreibung wurde ein Szintillator gemäß der Erfindung in der rechnergesttitzten Tomographie verwendet. Jedoch kann der Szintillator auch zur Erfassung von "JT-Strahlen verwendet werden.

Natürlich sind viele Abänderungen und Variationen der Erfindung im Rahmen der gegebenen Lehre möglich. Es versteht sich daher ohne weiteres, daß die Erfindung im Rahmen der Ansprüche auch anders, als im einzelnen beschrieben, wurde, verwirklicht werden kann.

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Claims

Ansprüche

1. Szintillator, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Zinkwolf ramateinkristall . gebildet ist.

2. Szintillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient des Einkristalls für Licht mit einer Wellenlänge von 520 mm höchstens 1,8 cm ist.

3. Szintillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient höchstens 1,2 cm ist.

4. Szintillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient höchstens 0,5 cm ist.

5. Szintillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient höchstens 0,21 cm" ist.

6. Szintillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsaufnahmefläche des Szintillator (5) und die dieser gegenüberliegende Fläche (1) im wesentlichen parallel zueinander sind.

7. Szintillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsaufnahmefläche und die dieser gegenüberliegende Fläche (1) in der (OIO)'-Ebene des Einkristalls liegen.

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8. Szintillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegende Fläche (1) zu einer Spiegelfläche geglättet ist und jede der übrigen Flächen (2, 3) des Szintillator s (5) zu einer rauhen Fläche geschliffen ist.

9. Szintillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegende Fläche (1) zu einer Spiegelfläche geglättet ist und die übrigen Flächen (2, 3) des Szintillators (5) mit einem lichtreflektierenden Material überzogen sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Szintillators nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Einkristall aus einer Zinkwolframatschmelze wachsen läßt und den Einkristall zu einer bestimmten Gestalt formt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man den Einkristall nach der Czochralski-Technik wachsen läßt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,daß man den Einkristall nach der Zonenschmelzmethode wachsen läßt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man an das Zinkwolframat ein elektrisches Feld derart anlegt, daß eine Anode und eine Kathode an der Seite des Einkristalls bzw. der Seite der Schmelze vorgesehen werden, wenn der Einkristall wächst.

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