DE4310542C2 - Szintillatormaterial - Google Patents

Description

Gd₂O₂S:Pr enthaltendes Szintillatormaterial gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1, das in der Lage ist, bei Bestrahlung Licht auszusenden, ist aus J.Electrochem.Soc., Vol. 136, No. 9 (1989), Seiten 2713-2716 und DE 35 22 515 A1 bekannt.

Ein derartiges Szintillatormaterial dient insbesondere zur Erfassung von Röntgen- oder Gammastrahlen und dergleichen und wird in Strahlungsdetektoren verwendet, wie sie in Röntgento­ mographiegeräten (für computergestützte Tomographie oder com­ puterisierte Axialtomographie) oder in Positronkameras einge­ setzt werden.

Ein coinputerisiertes Axialtomographiegerät (nachfolgend als CT-Gerät bezeichnet) ist ein Röntgendiagnosegerät. Ein sol­ ches CT-Gerät besteht aus einer Röntgenröhre, die Röntgen­ strahlen fächerförmig abstrahlt, sowie einer Röntgendetek­ torvorrichtung, die mit einer Anzahl in einer Reihe angeord­ neten Röntgendetektorelementen versehen ist, wobei die Röhre und die Vorrichtung einander gegenüberliegend mit dazwi­ schengefügtem Körper angeordnet sind. Die fächerförmigen Röntgenstrahlen werden von der Röntgenröhre zur Röntgende­ tektorvorrichtung hin abgestrahlt, und Röntgenabsorptions­ daten werden erfaßt, während für jede Röntgenstrahlung der Winkel um z. B. 10 gegenüber dem Körper verändert wird. Da­ nach werden die erhaltenen Daten von einem Computer analy­ siert, um die Röntgenabsorption an einzelnen Stellen des Querschnitts zu berechnen, um ein der Absorption entspre­ chendes Bild zu erstellen.

Herkömmlicherweise wird ein Xenongasdetektor bei einem sol­ chen CT-Gerät verwendet.

Ein solcher Xenongasdetektor weist eine Gaskammer auf, in die Xenongas eingeschlossen ist und in der eine große Anzahl von Elektroden angeordnet ist. Wenn eine Spannung angelegt ist und gleichzeitig Röntgenstrahlen empfangen werden, ioni­ sieren die Röntgenstrahlen das Xenongas, und es können der Intensität der Röntgenstrahlen entsprechende elektrische Signale ausgegeben werden, wodurch ein Bild aufgebaut wird.

Bei einem solchen Xenongasdetektor besteht jedoch die Schwierigkeit, daß ein dickes Fenster erforderlich ist, um Xenongas unter hohem Druck in der Gaskammer einzuschließen, weswegen er die Röntgenstrahlen schlecht nutzt und geringe Empfindlichkeit aufweist. Eine andere Schwierigkeit ist die, daß dann, wenn die Elektrodenplatten, die so dünn wie mög­ lich sein sollten, um ein CT-Gerät mit hoher Auflösung zu erhalten, dünner ausgestaltet werden, jede extern angelegte Schwingung dazu führt, daß die Elektroden schwingen, wodurch Störsignale hervorgerufen werden.

Derzeit geht die Entwicklung zu Detektoren, die aus einer Kombination eines Szintillatormaterials, wie einem Einkri­ stall aus CsJ:Tl oder einem CdWO₄-Einkristall, mit einer Photodiode bestehen.

Detektoren, die ein derartiges Szintillatormaterial verwen­ den, erleichtern es, die Detektorelemente kompakt auszubil­ den und die Kanalanzahl zu erhöhen, wodurch es möglich wird, ein CT-Gerät mit hoher Auflösung zu erhalten.

Die bei den herkömmlichen Detektoren verwendeten Szintilla­ tormaterialien bringen die folgenden Schwierigkeiten mit sich.

Zum Beispiel weisen Einkristalle aus CsJ:Tl hohe Emissions­ leistung mit starkem Nachleuchten auf, weswegen sie kein zu­ friedenstellendes Auflösungsvermögen ermöglichen. Was Szin­ tillatormaterialien aus CdWO₄-Einkristallen und aus Gd₂O₂S:Pr betrifft, weisen sie eine kurze Nachleuchtdauer bei kleinem Emissionswirkungsgrad auf, so daß sie ebenfalls kein zufriedenstellendes Auflösungsvermögen ermöglichen. Demgemäß weisen die derzeit bei Strahlungsdetektoren als Szintillatormaterialien verwendeten Stoffe keinen hohen Emissionswirkungsgrad und keine kurze Nachleuchtdauer auf. Die Entwicklung von Szintillatormaterialien, die den für Röntgendetektoren für hochauflösende CT-Geräte erforderli­ chen Anforderungen genügen, ist unzufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Szintillator­ material mit kurzer Nachleuchtdauer aber gleichzeitig hohem Emissionswirkungsgrad anzugeben.

Um diese Aufgabe zu lösen, haben die Erfinder ausführliche Untersuchungen vorgenommen und dabei herausgefunden, daß das Szintillatormaterial Gd₂O₂S:Pr eine kurze Nachleuchtdauer und verbesserten Emissionswirkungsgrad aufweisen kann, wenn Gd₂O₃ teilweise im Szintillatormaterial Gd₂O₂S:Pr abgeschie­ den wird. So wurde die Erfindung geschaffen.

Das erfindungsgemäße Szintillatormaterial ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Röntgenbeugungsintensität eines erfindungs­ gemäßen Szintillatormaterials.

Fig. 2 zeigt die Röntgenbeugungsintensität eines Vergleichs­ szintillatormaterials zum Vergleich mit einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist in Diagramm, das die Beziehung zwischen der Ge­ samtlichtdurchlässigkeit und der Menge an abgeschiedenem Gd₂O₃ zeigt.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Em­ pfindlichkeitsverhältnis (gegenüber CdWO₄) und der Menge an abgeschiedenem Gd₂O₃ zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Messen der Gesamtlichtdurchlässigkeit.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Messen des Empfindlichkeitsverhältnisses.

Der Grund, weswegen der in Anspruch 1 angegebene Wert für das Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnis nicht kleiner als 0,5 sein darf, ist, daß die Lichtdurchlässigkeit und das Lichtemissionsvermögen des Szintillatormaterials abnehmen, wenn das Verhältnis kleiner als 0,5 ist. Daher darf der Wert für I_Gd₂O₃/I_Gd₂O₂S × 100 nicht kleiner als 0,5 sein. Vor­ zugsweise ist er nicht kleiner als 10, und er kann aus prak­ tischen Gesichtspunkten nicht größer als 100 sein.

Obwohl der Mechanismus für das Folgende unklar ist und ob­ wohl angenommen wurde, daß Gd₂O₃ lediglich eine Verunreini­ gung ist, die vorzugsweise entfernt werden sollte, hat sich herausgestellt, daß das Vorhandensein von Gd₂O₃ hinsichtlich des festgestellten Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnisses im Szintillatormaterial den Emissionswirkungsgrad verbes­ sert.

Beim erfindungsgemäßen Szintillatormaterial dient Pr (Pra­ seodym) als lichtemittierendes Element (als Aktivator). Das Pr kann vorzugsweise mit einem Gehalt von 40 ppm bis 4000 ppm vorliegen, bevorzugter zwischen 200 ppm und 2000 ppm.

Die Verwendung von Pr mit einem Anteil von weniger als 40 ppm führt zu einem Absenken der Emissionsleistung auf 70% des Wertes eines Materials, bei dem es mit einem Gehalt von 400 ppm vorhanden ist. Andererseits führt das Verwenden von Pr mit einem Gehalt von mehr als 4000 ppm zum Absenken der Emissionsleistung auf 60% des Wertes für das genannte Material, bei dem es mit 400 ppm vorliegt.

Das aus dem Stand der Technik bekannte Gd₂O₂S:Pr-Pulver wird zum Herstellen des erfindungsgemäßen Szintillatormaterials verwendet. Es kann auch Ce (Zer) enthalten, um die Nach­ leuchtdauer noch mehr zu verkürzen, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 4856/1985 angegeben. Das erfin­ dungsgemäße Szintillatormaterial kann durch Sintern bei heißisostatischem Pressen gemäß dem in der Offenlegung Nr. 18286/1988 zu einer japanischen Patentanmeldung offenbarten Verfahren hergestellt werden. Es kann auch eine Sinterhilfe aus z. B. LiGeF, (NH)GeF und/oder NaGeF verwendet werden, wie in der eben genannten Offenlegung beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele und Ver­ gleichsbeispiele spezieller beschrieben.

Beispiele

0,087 g Li₂GeF₆ (entsprechend 0,1 Gew.% auf Grundlage eines pulverisierten Szintillatormaterials) wurde zu 87 g des pul­ verisierten Szintillatormaterials Gd₂O₂S:Pr mit Ce und mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 40 µm hinzugefügt. Ce wurde so zugesetzt, daß es mit einem Gehalt von etwa 5 ppm vorlag, und F betrug etwa 90 ppm. Der Aktivator Pr wurde mit dem in Tabelle 1 dargestellten variablen Gehalt zugesetzt.

Die erhaltene Pulvermischung wurde in einen Behälter aus reinem Eisen mit einer Breite von 52 mm und einer Länge von 37 mm und einer Dicke von 1 mm (Fassungsvermögen: 21,9 cm³) dicht eingefüllt. Nach dem Entgasen des Behälters durch Er­ hitzen wurde er vakuumdicht verschlossen. Dann wurde er in eine heißisostatische Presse eingesetzt und heißisostati­ schem Pressen (HIP) bei 1300°C und 1000 atm (1 atm = 0,101 MPa) für 2 Stunden unterzogen. Der hergestellte Sinterkörper wurde dem Behälter nach einem Abkühlvorgang entnommen und dann zu einer Folie mit einer Dicke von 1,135 mm verarbei­ tet.

Auf diese Weise wurden Beispiele 1 bis 12 und ein Ver­ gleichsbeispiel (1) hergestellt.

Tabelle 1

Es wurden die Röntgenbeugungsintensitäten der Szintillator­ materialien des Beispiels 3 und des Vergleichsbeispiels (1) gemessen. Die Messung wurde unter Verwendung von Cu als Röntgentarget mit einer Röntgenröhrenspannung von 40 kV und einem Röntgenröhrenstrom von 120 mA ausgeführt.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 1 bzw. 2 darge­ stellt. Wie es aus Fig. 1 erkennbar ist, zeigt das Beugungs­ spektrum für das Szintillatormaterial des Beispiels 3 bei 2R = 28.510° eine Beugungslinie für die Ebene (222) von Gd₂O₃, das für diese seine höchste Beugungsintensität zeigt, während diese Linie im Spektrum des Szintillatormaterials des Vergleichsbeispiels (1) nicht vorhanden ist, wie aus Fig. 2 erkennbar.

In dem in Fig. 1 dargestellten Fall liegt die Beugungslinie, die die Beugungsintensität für die Ebene (101) von Gd₂O₂S anzeigt, bei 2R = 29,964°, wobei der für I_Gd₂O₃/I_Gd₂O₂S × 100 erhaltene Wert 5 ist.

Röntgenbeugungsintensitäten für Szintillatormaterialien an­ derer Beispiele wurden ähnlich gemessen, um die in Tabelle 1 ebenfalls dargestellten Ergebnisse zu erhalten.

Nachfolgend wurden für die Szintillatormaterialen der Bei­ spiele 1 bis 12 und das Vergleichsbeispiel (1) die Gesamt­ lichtdurchlässigkeit (%) und das Empfindlichkeitsverhältnis gemessen; die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 einge­ tragen. Zugehörige Daten für die Gesamtlichtdurchlässigkeit (%) sind auch in Fig. 3 dargestellt, und zugehörige Daten für das Empfindlichkeitsverhältnis in Fig. 4.

Messung der Gesamtlichtdurchlässigkeit (%)

Die Gesamtlichtdurchlässigkeit kann auf die folgende Weise gemessen werden.

Wie in Fig. 5 dargestellt, erreicht das von einer kugelför­ migen Lichtquelle (Ulbricht-Kugel) 1 (mit 200 mm Durchmes­ ser) abgestrahlte Licht einen Schlitz mit einem Durchmesser von 6 mm, der zwischen der ersten einschließenden Kugel 1 und einer zweiten integrierenden Kugel 3 (mit einem Durch­ messer von 350 mm) angeordnet ist. Das Licht, das durch den Schlitz gelaufen ist, durchstrahlt eine Meßprobe 4 und tritt in die zweite intergrierende Kugel 3 ein. Dieses Licht wird in der zweiten intergrierenden Kugel 3 vollständig gestreut und erreicht einen Empfänger 5 (eine Si-Photodiode). Das Ausgangssignal der Si-Photodiode 5 wird mit einem Vorver­ stärker 6 verstärkt und mit einem Digitalvoltmeter 7 gemes­ sen. Ein Abschirmblech 8 ist so angeordnet, daß verhindert werden kann, daß das direkte Licht von der Lichtquelle auf die Probe fällt. Beim Messen jeder Probe wird der Wert als Relativwert angezeigt, wobei angenommen wird, daß der Wert 1 erhalten wird, wenn keine Probe eingesetzt ist.

Messung des Empfindlichkeitsverhältnisses

Das Empfindlichkeitsverhältnis kann auf die folgende Weise gemessen werden.

Fig. 6 veranschaulicht ein Empfindlichkeitsmeßsystem. Eine Röntgenstrahlquelle 11 verwendet W als Röntgentarget, und sie besteht aus einer feststehenden Anodenstrahlröhre, die bei einer Röntgenröhrenspannung von 120 kV und einem Rönt­ genröhrenstrom von 5 mA betrieben wird. Von dieser Röntgen­ strahlquelle 11 abgestrahlte Röntgenstrahlen, die durch ein Cu-Filter 11a (0,1 mm dick) laufen, werden auf einen Kolli­ mator 12 (Durchmesser 9 mm) fokussiert und danach auf eine Meßprobe 13 gestrahlt. An der Oberseite der Probe ist ein fluoreszierender Reflektor 14 befestigt, und die von der Un­ terseite der Probe 13 herrührende Fluoreszenzstrahlung wird photoelektrisch umgewandelt (das Bezugszeichen 11b bezeich­ net ein Röntgenstrahlfilter). Sein Ausgangssignal wird unter Verwendung eines Vorverstärkers 16 verstärkt und von einem Digitalvoltmeter 17 gemessen.

Bei der Messung der Empfindlichkeit jeder Probe wurde die Messung gleichzeitig mit der Messung des Szintillatormate­ rials CdWO₄ ausgeführt, und die Auswertung erfolgte auf Grundlage des Emissionsleistungsverhältnisses, bezogen auf dieses Szintillatormaterial CdWO₄.

Wie in Tabelle 1 und den Fig. 3 und 4 dargestellt, zeigen diejenigen Szintillatormaterialien, bei denen die Menge an abgeschiedenem oder zugesetztem Gd₂O₃ (I_Gd₂O₃/I_Gd₂O₂S × 100) nicht unter 0,5 liegt, eine Gesamtlichtdurchlässigkeit von 75% oder mehr und ein Empfindlichkeitsverhältnis gegen­ über CdWO₄ von 1,49 oder mehr. Andererseits zeigen Szintil­ latormaterialien, bei denen die Menge an abgeschiedenem oder zugesetztem Gd₂O₃ (I_Gd₂O₃/I_Gd₂O₂S × 100) kleiner als 0,5 ist, eine Gesamtlichtdurchlässigkeit von 50% oder weniger und ein Empfindlichkeitsverhältnis gegenüber CdWO₄ von 1,0 oder weniger. Daher ist es aus den Meßergebnissen für die Gesamtlichtdurchlässigkeit und das Empfindlichkeitsverhält­ nis erkennbar, daß die erfindungsgemäßen Gd₂O₂S:Pr-Szintil­ latormaterialien eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlen aufweisen, und daß das erzeugte Licht mit hohem Wirkungsgrad durch sie hindurchdringen kann, was be­ deutet, daß der Emissionswirkungsgrad insgesamt gut ist.

Wie oben angegeben, ist das erfindungsgemäße Gd₂O₂S:Pr-Szin­ tillatormaterial, für das der Wert I_Gd₂O₃/I_Gd₂O₂S × 100 nicht kleiner als 0,5 ist, ein solches mit kurzer Nach­ leuchtdauer und gleichzeitig sehr gutem Emissionswirkungs­ grad.

Claims (2)

1. Szintillatormaterial mit Gd₂O₂S:Pr, das in der Lage ist, Licht bei Bestrahlung auszusenden, dadurch gekennzeichnet, daß es Gd₂O₃ enthält und daß I_Gd₂O₃/I_Gd₂O₂S × 100 0,5,wobei I_Gd₂O₃ die Röntgenbeugungsintensität für die Ebene (222) von Gd₂O₃ und I_Gd₂O₂S die Röntgenbeugungsintensität für die Ebene (101) von Gd₂O₂S ist, jeweils gemessen mit Röntgen­ strahlung unter Verwendung von Cu als Target bei einer Röh­ renspannung von 40 kV.

2. Szintillatormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß I_Gd₂O/I_Gd₂O₂S × 100 1,0.