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Detektor für Gammastrahlen
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BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Detektor für Gammastrahlen,
der in einem Positions-CT (nämlich einem "position computed tomography scanner",
d.h. einem positionsberechneten Tomografie-Meßstellenabtaster) eingesetzt werden
kann, um die Verteilung eines ein Positron emittierenden Nuklides festzustellen,
das in einen menschlichen Körper injiziert worden ist.
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Wenn ein Positron in Materie zur Ruhe kommt, wird es schnell durch
ein Elektron vernichtet und in ein Paar von Photonen, nämlich Gammastrahlen, zerstrahlt.
Gammastrahlen-Detektoren, die in einem Positron-CT eingesetzt werden, weisen solche
Gammastrahlen nach, und sie bestehen gewöhnlich aus Einkristall-Szintillatoren aus
Wismuth-Germanat Bi4Ge3912 (im folgenden als "BGO" bezeichnet) und mit Fotomultipliern
nachgewiesen. Wismuth-Germanat BGO hat eine effektive Ordnungszahl von 74, eine
Dichte von 7,1 g/cm³ und einen großen Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen
(von 511 KeV). Dementsprechend hat ein Positron-Computertomograph, der mit BGO-Szintillatoren
ausgestattet ist, eine ausgezeichnete geometrische Auflösung. Jedoch ist die Lumineszenz-Zerfallskonstante
von BGO lang, d.h. sie beträgt 300 ns (Nanosekunden), und daher ist die Zeitauflösung
des Positron-CT nicht gut, d.h. sie hat einen Wert von 3 bis 4 ns. (Vgl. hierzu
den Artiekl von Katsumi Takami, auf Seite 122 der Ausgäbe vom 18. Februar 1980 von
Nikkei Electronics).
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Um die Zeitauflösung eines Positron-CT zu verbessern, wird ein Gammastrahlen-Detektor
gefordert, der einen
Szintillator mit einer kurzen Lumineszenz-Zerfallskonstante
besitzt.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Detektor für Gammastrahlen anzugeben, der einen Szintillator aufweist, dessen Lumineszenz-Zerfallskonstante
kurz und dessen Absorptionskoeffizient für Gammastrahlen groß ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Detektor für Gammastrahlen gelöst, der erfindungsgemäß
nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise ausgestaltet
ist.
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Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung einen Detektor für Gammastrahlen
vor, der einen einkristallinen Szintillator aufweist, der aus mit Cer aktiviertem
Gadoliniumsilikat besteht, dessen allgemeine Formel Gd 2(1-x-y) Ln2Ce2Si05 besteht
(wobei Ln ein beliebiges Element der Elemente Y und La bedeutet, und x und Z innerhalb
der durch die folgenden Formeln 0 # x # 0,5 und 1 x 10-3 # y # 0,1 gegebenen Bereich
liegen); weiterhin weist der erfindungsgemäße Gammastrahlendetektor einen Fotodetektor
zum Nachweis der Lumineszenz des Szintillators auf.
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Im folgenden wird nun die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels beschrieben und näher erläutert.
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Die Figur 1 stellt einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
für einen Gammastrahlendetektor nach der vorliegenden Erfindung dar Die Figur 1
zeigt im Querschnitt eine Skizze eines Ausführungsbeispiels eines Gammastrahlendetektors
nach der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Figur 1 befindet sich auf der Innenwand
eines Aluminiumgehäuses 1 ein reflektierendes Material, vorzugsweise BaS04, und
der Szintillator
3 ist in dieses Gehäuse 1 eingesetzt. Wenn Gammastrahlen,
die durch das Aluminiumgehäuse 1 durchgetreten sind, auf den Szintillator 3 fallen,
sp wird in diesem Licht erzeugt. Licht, das in Richtung auf das Aluminiumgehäuse
1 läuft, wird von dem reflektierenden Material 2 reflektiert.
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Vorzugsweise ist der Szintillator 3 optisch mit einem Fotomultiplier
5 über ein Material gekoppelt, dessen Brechungsindex größer als 1 (in Worten:eins)
ist, beispielsweise Silikonfett, damit eine Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen
dem Szintillator und dem Eingangs fenster des Fotomultiplayers vermieden wird. Ein
Vorverstärker 6 verstärkt das Ausgangssignal des Fotomultipliers 5.
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Es ist bekannt, daß die Phosphore Y2Si05, Y3Al5012 und YAlO3, die
alle mit Ce3+ aktiviert sind, eine kurze Lumineszenz-Zerfallskonstante (Abklingkonstante)
aufweisen.
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Jedoch zeigen diese Materialien einen kleinen Absorptionskoeffizienten
für Gammastrahlen, da sie alle aus leichten Elementen aufgebaut sind. Wird ein aus
diesen Materialien bestehender Szintillator in einem Positron-CT eingesetzt, so
wird die geometrische Auflösung dieses Positron-CT extrem verschlechtert. Der Grund
dafür liegt darin, daß der Massenabsorptionskoeffizient eines Elements für Gammastrahlen
proportional zu pZ4 ist (wobei p die Dichte des Elements und Z seine Ordnungszahl
bezeichnet). Aufgrund dieses Umstandes wurde Gadolinium als Hauptbestandteil von
Phosphoren gewählt, weil Gadolinium eine hohe Atomzahl besitzt, kaum daß in den
Phosphoren erzeugte Lumineszenzlicht absorbiert und weiterhin durch Cer ersetzt
werden kann. Eine große Zahl von Cer-aktivierten Gadoliniumverbindungen sind hergestellt
worden und es wurden Einkristalle dieser Verbindungen gezogen. Weiterhin wurde jeder
Szintillator, der aus diesen Einkristallen hergestellt war, untersucht. Es hat sich
herausgestellt, daß ein Szintillator, der der aus Gd2SiO5:Ce3+ besteht, bei Raumtemperatur
eine Lumineszenz und weiterhin eine kurze Lumineszenz-Zer-
fallskonstante
(Abklingkonstante) zeigt. Ein Positron-CT, der mit einem Gammastrahlendetektor ausgestattet
ist, der den oben angegebenen Szintillator enthält, zeigt sowohl eine ausgezeichnete
Zeitauflösung sowie eine ausgezeichnete geometrische Auflösung.
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Im folgenden wird die Erfindung nun auf der Grundlage von Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Beispiel 1 Ein Einkristall wurde in der folgenden Weise gezüchtet.
Rohmaterial-Pulver aus Cd203, Ce2O3 und SiO2 wurden für ein Sintermaterial mit der
Zusammensetzung Gd1,99Ce0,01Si05 ausgewogen. Diese Rohmaterial-Pulver wurden miteinander
gemischt und dann in die Form eines Plättchens gepreßt. Anschließend wurde die Sinterung
bei einer Temperatur von 14000C über 3 Stunden ausgeführt.
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In dem Sintermaterial blieb nur wenig Gd203 zurück, das nicht reagiert
hatte.
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Danach wurden 300 g des Sintermaterials in ein Iridiumschiffchen
mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Tiefe von 40 mm gelegt und dann durch
RF-Heizung (Radiofrequenz) geschmolzen. Es wurde ein Iridiumschiffchen verwendet,
weil der Schmelzpunkt des Sintermaterials hoch war (d.h. 18000C). Ein Einkristall
wurde aus der Schmelze in einer Stickstoffatmosphäre gezüchtet, um eine Oxidation
des Schiffchens zu verhindern. Ein Zerfall und eine Verdampfung der Schmelze wurden
selbst in der Stickstoffatmosphäre nicht beobachtet.
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Auf diese Weise wurde ein Einkristall mit einem Durchmesser von 25
mm und einer Länge von 50 mm gezüchtet.
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Weiterhin war die a-Ebene (nämlich die (100)-kristallographische Ebene)
des Einkristalles nicht nur die Habitus-Ebene, sondern auch die Spaltebene. Die
charakteristischen Größen eines Szintillators, der aus diesem Einkristall besteht,
sind in der folgenden Tabelle dargestellt, zusammen mit den charakteristischen Werten
von Szintillatoren, die aus BGO, CsF und Nal bestehen.
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Tabelle 1
| # # Lumineszenz- Löslichkeit |
| Z Fx105 |
| Substanz #* (g/cm³) (-Nanosek.) Wellenlänge (nm) in Wasser |
| Gd2SiO5 : Ce 16 6.7 58 60 430 12,773 unlöslich |
| Bi4Ge3O12 |
| 12 7.1 74 300 480 6,302 unlöslich |
| (nämlich BGO) |
| CsF 6 4.6 53 5 390 23,084 hygroskopisch |
| NaI (T1) 100 3.7 50 250 415 4,625 hydroskopisch |
In der Tabelle 1 bezeichnet n die Szintiallations-Ausbeute für
den Fall, daß die Szintillationsausbeute eines aus NaI bestehenden Szintillators
auf 100 festgesetzt wird, p bezeichnet die Dichte, Z die effektive Ordnungszahl,
T eine Lumineszenz-Abklingkonstante, und F eine Gütezahl, die sich aus der Gleichung
F = pZ n /T ergibt und die unseren eigenen Standard darstellt.
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Anhand der Tabelle 1 kann man erkennen, daß der bei der vorliegenden
Erfindung verwendete Szintillator eine hohe Szintillationsausbeute besitzt, eine
große effektive Ordnungszahl aufweist und eine kürzere Lumineszenz-Zerfallskonstante
(Abklingkonstante) zeigt als ein aus BGO bestehender Szintillator, und daß daher
der Gütefaktor doppelt so groß ist als der eines BGO-Szintillators.
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Die Zeitauflösung eines Positron-CT, der mit dem oben dargestellten
Szintillator ausgestattet ist, ist auf 1 ns verbessert. Dementsprechend wird das
Zeitfenster schmal und aus diesem Grunde erzielt man die folgenden Vorteile: (1)
Die Häufigkeit von zufälligen Koinzidenzen wurde herabgesetzt. Dementsprechend wurden
die Bilder schärfer und die Messungen wurden genauer ausgeführt.
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(2) Es wurde ermöglicht, verschiedene Radio-Nuclide in einen menschlichen
Körper zu injizieren, solange der Betrag der injizierten Radionuclide geringer als
eine erlaubte Dosis war.
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(3) Aufgrund des schnellen Ansprechens des Gammastrahlendetektors
wurden in jedem Augenblick Konzentrationsänderungen des injizierten Radionuclides
festgestellt, und damit konnten dynamische Messungen sehr gut ausgeführt werden.
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Beispiel 2 Ein Einkristall wurde aus Ce0,01Gd1,00La0,99SiO5 hergestellt,
indem man bei Ce0,01Gd1,99SiO5 die Hälfte des Gadoliniums durch Lanthan La ersetzt.
Es wurden also vorgegebene Mengen von Oxiden Ce203, Gd203, La203 und SiO2 ausgewogen,
miteinander vermischt und dann gesintert, um
auf diese Weise ein
-Sinter-Rohmaterial aus Ce0,01Gd1,00La0199 SiO5 zu erhalten. Der Herstellungsprozeß
für das Rohmaterial und das Verfahren zum Wachsen des Einkristalles waren die gleichen
wie bei dem Züchten eines Einkristalles aus Ce0,01Gd1,99SiO5. Der Schmelzpunkt der
Zusammensetzung Ce0,01Gd1,00La0,99SiO5 betrung 1820°C und war damit etwas höher
als der Schmelzpunkt der Zusammensetzung Ce0,01Gd 1,99SiO5, und zwar um etwa 200C.
Der gezüchtete Einkristall aus Ce0,01Gd1,00La0,99SiO5 hatte im wesentlichen die
gleichen Lumineszenzeigenschaften (d.h. die Lumineszenz-Zerfallskonstante und die
Wellenlänge der Lumineszenz) wie der Einkristall aus Ce0,01Gd1,99SiO5, jedoch zeigte
er nur eine 1,1 mal höhere Lumineszenzintensität als ein Einkristall aus BGO, d.h.
seine Lumineszenzintensität war geringer als die des Einkristalls aus Ce0,01Gd1,99SiO5.
Dies ist damit zu erklären, daß der aus Ce0,01Gd1,00 LaO ggSiO5 bestehende Einkristall
aus einer festen Lösung gezüchtet wurde und damit innerhalb des Einkristalles ein
Hohlraum (dder Hohlräume) entsteht, der das Lumineszenzlicht streuen oder absorbieren
kann.
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Da Gadoliniumsilikat Gd2SiO5 eine große effektive Ordnungszahl und
eine hohe Dichte besitzt, eignet es sich ausgezeichnet als Wirtsmaterial für einen
Cer-Aktivator.
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Wie bereits beschrieben ist es weiterhin möglich, in dem Gadoliniumsilikat
einen Teil des Gadoliniums durch Yttrium oder durch Lanthan zu ersetzen. Wenn jedoch
mehr als die Hälfte des Gadoliniums in dem Gadoliniumsilikat durch Yttrium ersetzt
wird, so erhält dieses Silikat die gleiche effektive Ordnungszahl (nämlich 53) wie
der Phosphor CsF und bekommt weiterhin eine geringe Dichte. Damit wird dann, wenn
ein Szintillator aus diesem Silikat in einem Positron-CT eingesetzt wird, dessen
geometrische Auflösung reduziert. Das bedeutet, daß das oben erwähnte Silikat nicht
in einem Positron-CT eingesetzt werden kann. Aufgrund der beschriebenen Tatsache
ist es vorzuziehen, daß ein
Silikat, das nur Gadolinium oder Gadolinium
und Lanthan enthält, zur Bildung eines Einkristalles verwendet wird.
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Wie im Zusammenhang mit dem Beispiel 2 erwähnt wurde, führt der Ersatz
eines Teils des Gadoliniums des Gadoliniumsilikats durch Lanthan dazu, daß der Einkristall
aus einer festen Lösung gezüchtet wird,und damit entstehen die folgenden Probleme,
daß nämlich (1) in dem Einkristall leicht Fehler erzeugt werden, und (2) die Wachstumsgeschwindigkeit
des Einkristalles klein gemacht werden muß.
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Wird das Gadolinium in Gadoliniumsilikat weiterhin durch Lanthan
ersetzt, so erhält das erzielte Silikat eine kleinere effektive Ordnungszahl als
die von Gadoliniumsilikat. Aufgrund dieser Umstände ist es vorzuziehen, daß mehr
als die Hälfte des Gadoliniums in dem Gadoliniumsilikat durch Lanthan ersetzt wird.
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Demgegenüber wurde der Betrag von Cer, durch das Gadolinium in den
oben genannten Silikaten ersetzt wurde, in dem Bereich von 0,2 bis 10 Atom-% des
Gadoliniums variiert.
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In diesem Bereich blieb die Lumineszenz-Zerfallskonstante der Silikate
unverändert. War jedoch der Anteil von Cer groß, so erhielten die Einkristalle aus
den Silikaten eine leichte braune Farbe und die Transparenz eines jeden Kristalls
wurde verschlechtert. Stellt man die oben beschriebenen Silikate durch die allgemeine
Formel Gd2(1~X y)Ln2xCe2ySiO5 dar, so hält man vorzugsweise den Wert von y in einem
Bereich, der durch die Formel 1 x =< = 0,05 bestimmt ist.
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Entsprechend der vorangehenden Beschreibung kann ein Positron-Computertomograph
im Vergleich zu einem Positron-Computertomograph, bei dem ein konventioneller BGO-Szintillator
verwendet wird, schärfere Bilder und präzisere Messungen ausführen, wenn der Positron-Computertomograph
mit einem aus mit Cer aktivierten Gadoliniumsilikat bestehenden einkristallinen
Szintillator ausgestattet
ist, dessen Zusammensetzung durch die
allgemeine Formel Gd2(1-x-y)Ln2xCe2ySiO5 gegeben ist und wobei Ln Yttrium oder Lanthan
oder eine Mischung von beiden bezeichnet, x und y in Bereichen liegen, die durch
die Formeln 0 # x # 0,5 und 1 x 10-3 # y # 0,1 bestimmt sind.
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Wird weiterhin ein Szintillator aus Gadoliniumsilikat eingesetzt,
so wird die Zeitauflösung des Positron-CT verbessert und damit können in günstiger
Art und Weise dynamische Messungen ausgeführt werden.
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L e e r s e i t e