DE60016864T2

DE60016864T2 - Keramischer Strahlungsschild und einen solchen verwendender Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE60016864T2
Application number: DE60016864T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Tsunota; Nobuyuki Yamada; Shinji Furuichi; Takeo Sasaki
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: US6495845B1; EP1089091A1; JP2001099941A; EP1089091B1; DE60016864D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen keramischen Strahlungsschild und einen Strahlungsdetektor, der diesen verwendet, und insbesondere einen Strahlungsdetektor zur Verwendung in der computergestützten Tomographie(CT)-Vorrichtung, die Röntgenstrahlen, γ-Strahlen oder Strahlen aus anderen Strahlenquellen nutzt, einen keramischen Strahlungsschild, der zur Verwendung in derselben geeignet ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen keramischen Strahlungsschild.
Beschreibung des Stands der Technik
In der Röntgen-CT-Vorrichtung sind Arrays von Strahlungsdetektoren symmetrisch zu Strahlenquellen (Röntgenröhren beispielsweise), bezogen auf ein Untersuchungsobjekt, angeordnet und die innere Struktur des Objektes wird durch Messen der durch das Objekt hindurchgelassenen Strahlungsintensität ermittelt. Arrays von Strahlungsdetektoren, die gleichbedeutend mit Bildelementen sind, sollten zur Verbesserung der Auflösung in möglichst kleiner Größe angefertigt und so dicht wie möglich angeordnet werden.
Der Strahlungsdetektor weist üblicherweise eine laminierte Anordnung von Strahlungszintillatoren und Halbleiterphotodetektorvorrichtungen auf, sodass die Szintillatoren, die in Richtung der Strahlungsquelle offen sind, Röntgenstrahlen und andere Strahlenbündel einfangen. Der aus CdWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂, Gd₂O₂S: Pr(Ce, F) hergestellte Szintillator emittiert unter der Einwirkung der einfallenden Strahlung sichtbares Licht. Das sichtbare Licht dringt in das Halbleiterphotodetektorelement ein, das sich auf der Rückseite des Szintillators befindet, und wird in elektrische Signale umgewandelt. Wenn die auf den Szintillator einfallende Strahlung durch den Szintillator tritt und wieder in benachbarte Szintillatoren eindringt, so tritt ein als „Crosstalk" bezeichnetes Phänomen auf, was zu einer geringeren Auflösung führt. Um dies zu beherrschen, befinden sich aus Mo, W, Pb oder anderen metallischen Blechen hergestellte Strahlungsschilder zwischen den Szintillatoren, so dass verhindert wird, dass Strahlung durch sie hindurchgeht.
Das von den Szintillatoren in Richtung auf den Gesamtraumwinkel erzeugte sichtbare Licht muss zu den Halbleiterphotodetektorelemente gerichtet werden, die sich an der Rückseite der Szintillatoren befinden. Folglich weist der Szintillator eine Bauweise auf, bei der seine Oberfläche mit einer Substanz mit gutem Lichtreflexionsvermögen überzogen ist, mit Ausnahme der Flächen, die den Halbleiterphotodetektorelementen gegenüber liegen. Die Flächen zwischen nebeneinander liegenden Szintillatoren sind so groß, dass die Flächen zwischen angrenzenden Szintillatoren mit weißer Farbe ausgefüllt sind oder mit weißer Farbe überzogene Schilder zwischen die Szintillatoren gestellt werden. Als weiße Farbe wird häufig ein Gemisch aus Titanoxid und einem Harz wie Epoxidharz verwendet.
Aus diesem Grund ist der Strahlungsdetektor häufig so aufgebaut, dass ein aus Mo usw. hergestellter Strahlungsschild, der auf seinen beiden Seiten mit einer lichtreflektierenden Schicht (oder Film), z.B, ein Harz mit Titanoxid, beklebt ist, zwischen die Szintillatoren gestellt wird.
Die US-A-5378894 beschreibt einen Separator für Szintillatorkanäle, der einen dünnen Metallfilm aufweist, der zwischen zwei Polymerschichten eingebettet ist. Der dünne Metallfilm vermag die Transmission von Licht zwischen benachbarten Kanälen der Szintillatorelemente zu verhindern und die polymeren Filme vermögen das Szintillationslicht zu reflektieren. Der dünne Metallfilm kann aus Aluminium, Gold, Silber, Chrom, Edelstahl oder einem anderen Metall sein, das die Transmission des Lichtes zu verhindern vermag, und die polymeren Schichten umfassen im Allgemeinen weißen Polyester. Der Separator in den Szintillatorkanälen wird in einem Röntgendetektor vom Szintillatortyp verwendet.
Zur Herstellung eines Strahlungsschilds aus Mo, W, Pb usw. ist es notwendig, Mo, W, Pb oder ein anderes metallisches Blech in einer Dicke von 50 bis 100 μm herzustellen. Es ist extrem schwierig, diese metallischen Materialien in einer gewünschten Dicke herzustellen, da sie in einigen Fällen weicher oder in anderen Fällen härter als Eisen, Aluminium und dergleichen sind. Dies kann häufig zu Abweichungen in den Abmessungen der Zwischenräume zwischen den Szintillatoren führen.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren werden aus Mo, W oder Pb hergestellte Bleche zur Verwendung als Strahlungsschild abwechselnd laminiert, und die die Strahlung empfangende Fläche und die das Licht emittierende Fläche überlappen sich. Bei diesem Überlappungsverfahren neigt man dazu, die Strahlungsschilder unpoliert zu lassen und von den Szintillatoren überstehen zu lassen, da die Szintillatoren leicht weggeschliffen werden, während die Strahlungsschilder schwer wegzuschleifen sind. Wenn das Laminat auf einem Halbleiterphotodetektorelement montiert ist, kann daher das überstehende Mo, W oder Pb die Oberfläche des Photodetektorelementes beschädigen.
Bei Verwendung der (des) aus Titanoxid und einem Harz hergestellten lichtreflektierenden Schicht (oder Films) können vermutlich andere Probleme auftreten. Bei der Herstellung der lichtreflektierenden Schicht wird die Schicht auf etwa 80 °C erwärmt. Bei dieser Wärme verfärbte sich das Harz, z. B. Epoxidharz, und dadurch wird das Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht vermindert. Außerdem verursachte die in der Herstellung verwendete Polierlösung oder verursachten die in der Herstellung verwendeten Schleifkörner Kratzer auf der Oberfläche oder beschmutzte(n) die Oberfläche, was zu einer lokalen Verminderung des Reflexionsvermögens der reflektierenden Schicht führte.
Während der Herstellung der lichtreflektierenden Schicht wurde außerdem die Dicke uneinheitlich oder eine Wölbung trat auf und dies führte zu Änderungen im Reflexionsgrad oder zu einem uneinheitlichen Output bei dem Element.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft daher die Bereitstellung eines Strahlungsschilds aus gesinterter Keramik, der ein hohes Strahlenabschirmvermögen aufweist, leicht herzustellen ist und als Strahlungsschild anstelle von Mo, W und Pb verwendet werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Strahlungsschilds aus gesinterter Keramik mit Lichtreflexionsvermögen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft außerdem die Bereitstellung eines Strahlungsdetektors, der Strahlungsschilder aus gesinterter Keramik enthält.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für einen aus gesinterter Keramik hergestellten Strahlungsschild.
Die 1 und 2 zeigen Querschnitte in Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors. In diesem Strahlungsdetektor sind mehrere Szintillatoren 2 aneinander angrenzend auf einem Halbleiterphotodetektorelement 1 angeordnet und zwischen den Szintillatoren 2 befinden sich Strahlungsschilder 3. Erfindungsgemäß ist das Strahlungsschild 3 aus einem gesinterten keramischen Material, das Strahlung abzuschirmen vermag, hergestellt. Die Abschirmungsrate der gesinterten Keramik sollte nicht geringer als 90 % oder insbesondere nicht geringer als 95 sein. In dem in 1 dargestellten Strahlungsdetektor befinden sich lichtreflektierende Schichten 4 zwischen den Strahlungsschildern 3 und den Szintillatoren 2. Als lichtreflektierender Film 4 kann ein bereits bekanntes Gemisch aus Titanoxid und Epoxidharz verwendet werden. Das Strahlungsschild 3 und der lichtreflektierende Film 4 werden zusammen als Separator bezeichnet.
In der vorliegenden Erfindung bildet ein Gemisch aus insgesamt 0 bis 50 Mol-%, besonders bevorzugt 3 bis 33 Mol-%, eines oder mehrerer Seltenerdoxide, die unter Gd-, La-, Ga-, Y-, Ce-, Nd-, Pr-, Sm-, Dy- und Yb-Oxiden ausgewählt sind, und insgesamt 0 bis 33 Mol-%, oder besonders bevorzugt 0 bis 28 Mol-%, eines oder mehrerer Erdalkalimetalloxide, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, wobei die Differenz ein oder mehrere V-, Ta- und Nb-Oxide sind und wobei der maximale Gehalt an V-, Ta- und Nb-Oxid 75 Mol-% beträgt, die gesinterte Keramik, die als Strahlungsschild 3 verwendet wird.
In dem in 2 dargestellten Strahlungsdetektor ist das Strahlungsschild 3 aus einer weißgesinterten Keramik hergestellt. Dieses gesinterte keramische Material weist nicht nur ein Strahlenabschirmvermögen sondern auch ein hohes Lichtreflexionsvermögen auf und hat eine Strahlenabschirmrate von nicht weniger als 90 oder bevorzugter nicht weniger als 95 % und ein Lichtreflexionsvermögen von nicht weniger als 70 % oder bevorzugter von nicht weniger als 90 %. In diesem Fall benötigt man keine gesonderte lichtreflektierende Schicht, da das gesinterte keramische Material selbst über ein hohes Lichtreflexionsvermögen verfügt. In diesem Fall wird daher nur der Strahlungsschild 3 als Separator bezeichnet.
Ein Gemisch aus insgesamt 3 bis 33 Mol-%, oder besonders bevorzugt 5 bis 33 Mol-%, eines oder mehrerer Seltenerdoxide, die unter Gd-, La-, Ga- und Y-Oxiden ausgewählt sind, und insgesamt 0 bis 33 %, oder besonders bevorzugt 0 bis 28 Mol-%, eines oder mehrerer Erdalkalimetalioxide, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, wobei die Differenz wenigstens ein Ta- und Nb-Oxid ist und wobei der maximale Gesamtgehalt an Ta- und Nb-Oxid 75 Mol-% beträgt, bildet die erfindungsgemäße weißgesinterte Keramik.
Wenn wenigstens eines der verwendeten Oxide ein Ce-, Nd-, Pr-, Sm- oder Yb-Oxid ist, so ergibt das Gemisch kein weißes keramisches Material, sondern ein gefärbtes. Daher wirkt das erhaltene Material als Strahlungsschild, weist aber aufgrund des verminderten Lichtreflexionsvermögens keine lichtreflektierende Wirkung auf.
In der vorliegenden Erfindung, in der die Szintillatoren und die Separatoren aneinander angrenzend gebunden sind, sollte bei Verwendung eines gesinterten keramischen Materials als Separator die Differenz der Wärmeexpansionskoeffizienten zwischen den Separatoren und den Szintillatoren vorzugsweise nicht mehr als 2 × 10^–6/°C oder bevorzugter nicht mehr als 1 × 10^–6/°C betragen.
3 ist ein Blockdiagramm und zeigt das Verfahren zur Herstellung der gesinterten Keramik, die durch Wiegen und Nassmischen der Seltenerdoxide, Erdalkalimetalloxide und V-, Nb- und Ta-Oxide erhalten wird, um so die Herstellung der zuvor genannten Zusammensetzung zu erreichen. Das Gemisch wird danach an Luft eine Stunde bei etwa 1000 °C kalziniert. Das kalzinierte Gemisch wird auf eine Korngröße von etwa 0,8 bis 1,0 μm gemahlen und zur Granulierung wird ein Bindemittel (PVA) zu dem gemahlenen Gemisch gegeben. Die granulierten Körner werden in einer Presse zu einem Grünling geformt, an Luft bei einer Temperatur von 1600 bis 1800 °C gesintert, danach einem HIP (heißisostatisches Pressen) bei 1400 bis 1800°C, oder insbesondere bei 1500 °C, und 1000 Atmosphären unterworten, μm die Dichte des gesinterten Körpers zu erhöhen. Danach wird der Körper bei 1000 bis 1300 °C an Luft oder Sauerstoff zur Einstellung des Sauerstoffsgehalts getempert. Anstelle von Sintern und HIP-Behandlungen kann das Gemisch bei 1400 bis 1800 °C heißgepresst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnittaufriss eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors.
2 ist ein Querschnittaufriss eines weiteren erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors.
3 ist ein Flussdiagramm und zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von gesinterten Keramiken.
4 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Messung der Röntgenabschirmrate.
5 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Messung der Höhe des Überstandes.
6 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Messung des Crosstalk-Wertes.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben und bezieht sich auf die nachfolgenden Experimente.
Versuch 1
Gemische mit den in Tabelle 1 in den Nummern 1 bis 19 genannten chemischen Zusammensetzungen wurden an Luft bei der Sintertemperatur von 1800 °C gesintert und danach einem HIP bei 1500 °C und 1000 Atmosphären unterworfen, wobei gesinterte keramische Materialien gemäß dem unter Bezug auf 3 beschriebenen Herstellungsverfahren erhalten wurden. Die Röntgenabschirmrate und das Lichtreflexionsvermögen der erhaltenen gesinterten keramischen Materialien wurden gemessen. Die gemessenen Werte sind in Tabelle 1 zusammen mit der Sinterperformance dargestellt.
In den Tabellen 1, 2 und 6 stehen die angegebenen Namen der Metallelemente für deren Oxide.
Mit der folgenden Gleichung erhielt man die Röntgenabschirmrate: Röntgenabschirmrate (%) = (X – Y) / X × 100 (%)worin X der Output ist, den man erhält, wenn ein Röntgenstrahl einer Röhrenspannung von 35 kV von einer Szintillatorschicht 41, wie in 4A gezeigt, durchgelassen wird und Y der Output ist, den man erhält, wenn der gleiche Röntgenstrahl von einer Probe 42 durchgelassen wird, die ein 30 mm × 20 mm × 0,2 mm (Dicke) gesintertes keramisches Material ist, das auf einer Seite der Szintillatorschicht 41, wie in 4B gezeigt, aufgetragen ist. Das Lichtreflexionsvermögen ist der Quotient aus der Intensität des reflektierten Lichts zu der Intensität des einfallenden Lichts, wenn ein Lichtstrahl einer Wellenlänge von 512 nm auf ein gesintertes keramisches Material mit den Abmessungen 30 mm × 20 mm × 0,2 mm (Dicke) angewendet wird. In der Tabelle ist die Sinterperformance angegeben durch den Quotienten aus der mit dem Wasseraustauschtest für jede Zusammensetzung gemessenen Dichte zu der theoretischen Dichte.
Die Proben Nr. 1 und 2, die überschüssige Mengen an Erdalkalimetalloxiden enthielten, hatte in ihren gesinterten Produkten so viele Risse, dass ihre Röntgenabschirmraten und ihr Lichtreflexionsvermögen nicht gemessen werden konnte. Die Proben Nr. 3 bis 19 mit Röntgenabschirmraten von nicht weniger als 90 % waren zur Verwendung als Röntgenabschirmkeramiken geeignet. Jedoch hatten die Proben 13 bis 19, die kein oder einen geringen Anteil an Erdalkalimetalloxiden und einen hohen Anteil an Seltenerdoxiden enthielten, nur Dichten von 0,970 bis 0,982 und zeigten eine geringe Sinterperformance.
Die Lichtreflexion der Probe Nr. 3, die keine Seltenerdoxide enthielt, betrug nur 70 % und ihre Dichte betrug 0,982, was ein relativ geringer Wert ist.
Ein Vergleich zwischen den Proben mit 25 % Erdalkalimetalloxid zeigt, dass alle Erdalkalimetalloxide eine gleiche Auswirkung auf die Verbesserung der Sinterperformance haben, wie aus Probe Nr. 5 mit 25 % Ca-Oxid, Probe Nr. 10 mit 25 Mg-Oxid, Probe Nr. 11 mit 25 % Ba-Oxid, Probe Nr. 12 mit 25 % Sr-Oxid und Proben Nr. 8 und 9 mit insgesamt 25 % Ca- und Mg-Oxiden ersichtlich ist.
Wie ein Vergleich der Probe Nr. 13 mit Nr. 14 und Nr. 18 mit Nr. 19 zeigt, haben V-, Nb- und Ta-Oxide ähnliche Wirkungen hinsichtlich der Sinterperformance und Strahlenabschirmrate. Wie anhand der Probe Nr. 18 ersichtlich, ist das gesinterte keramische Material mit V-Oxid nicht weiß gefärbt und weist eine verminderte Lichtreflexion auf. Folglich sollten Ta- und Nb-Oxide, V-Oxid ausgenommen, vorzugsweise verwendet werden.
Versuch 2
Man stellte gesinterte keramische Proben her, wobei man Gd-Oxid in Probe Nr. 13 in Tabelle 1 durch die gleichen Menge an anderen Seltenerdoxiden austauschte, d.h. La- bis Yb-Oxide und die Proben anschließend der gleichen Behandlung wie in Beispiel 1 unterwarf. Die Sinterperformance, die Röntgenabschirmrate und das Lichtreflexionsvermögen dieser Proben wurden untersucht und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Die Daten belegen, dass die gesinterten keramischen Proben mit beliebigen Zusammensetzungen erfolgreich gesintert werden können, vergleichbare Röntgenabschirmraten zeigen und als strahlenabschirmende Keramik verwendet werden können. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auch, dass alle Seltenerdelemente ähnliche Wirkungen hinsichtlich der Sinterperformance und der Strahlungsabschirmrate zeigen, gleichgültig welcher Typ verwendet wird. Proben Nr. 23 bis 28 sind jedoch als lichtreflektierende Materialien ungeeignet, weil sie ein Lichtreflexionsvermögen unter 60 % haben. Bei Verwendung von Gd-, La-, Ga- und Y-Oxiden als Seltenerdoxide wurden weißgesinterte Keramiken mit hohem Lichtreflexionsvermögen erhalten.
Beispiel 3
Strahlungsdetektoren, wie in 1 dargestellt, wurden unter Verwendung der Keramiken der Proben Nr. 3 bis 16 und 18 aus Tabelle 1 hergestellt. Durch Mischen und Verkneten von Titanoxid mit einem Harz hergestellte, 0,05 mm dicke, lichtreflektierende Folien wurden auf beiden Seiten von 0,1 mm dicken gesinterten keramischen Schichten aufgetragen, die als Separatoren zwischen die Szintillatoren eingesetzt wurden. Als Vergleichsbeispiel wurden 0,1 mm dicke Mo-Bleche und 0,05 mm dicke, lichtreflektierende Filme aus Titanoxid plus einem Harz verwendet. Die Höhe des Überstandes des Strahlungsschildes 3 von der Oberfläche des Szintillators 2 bei Überlappung der Licht emittierenden Oberfläche und der Anteil der fehlerhaften Strahlungsdetektoren sind in Tabelle 3 angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung sollen die angegebenen Probennummern die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie die Probennummern in den Tabellen 1 und 2. Die Höhe des Überstandes steht für den verbliebenen Überstand, ausgedrückt in μm des Strahlungsschildes 3, wenn die Licht emittierende Oberfläche mit „Weißem-Alundum" #2500 überlappt wurde, wie in 5 gezeigt. Defekte Strahlungsdetektoren sind solche, die keinen Ausgangsstrom erzeugen oder aufgrund der durch überstehende Strahlungsschilder auf den Halbleiterphotodetektorelementen verursachten Schädigung einen zu hohen Untergrundstrom aufweisen.
Tabelle 3
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Strahlungsschilder betrug die Höhe des Überstandes der Strahlungsschilder nicht mehr als 2,0 μm und der Anteil der fehlerhaften Detektoren war sehr gering. Der Grund hierfür ist, dass eine geringe Höhe des Überstandes unpoliert gelassen wurde, weil sowohl das Szintillatormaterial als auch die erfindungsgemäßen Strahlungsschilder gesinterte Keramiken waren, die in Härte, Poliergeschwindigkeit, Polierperformance sehr ähnlich sind zu den im Vergleichsbeispiel verwendeten gesinterten keramischen Szintillatoren und metallischen Blechen.
Beispiel 4
16-Kanalstrahlungsdetektoren, wie in 2, dargestellt wurden unter Verwendung der keramischen Materialien der Proben Nr. 5 bis 16 und 20 bis 21 mit den in Tabellen 1 und 2 angegebenen Zusammensetzungen hergestellt. 0,2 mm dicke gesinterte keramische Folien wurden als Separatoren zwischen die Szintillatoren positioniert und es wurden keine lichtreflektierenden Filme aus Titanoxid verwendet. Als Vergleichsbeispiel diente das in Beispiel 3 verwendete. Die Messergebnisse der Outputverhältnisse, Abweichungen zwischen den Elementen und der Crosstalk-Wert dieser Strahlungsdetektoren sind in Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4
Das Outputverhältnis ist das relative Verhältnis des Outputs pro Szintillator, wenn ein Röntgenstrahl einer Röhrenspannung von 120 kV auf den Strahlungsdetektor angewendet wurde und des Outputs des Strahlungsdetektors des Vergleichsbeispiels. Abweichungen zwischen den Elementen wurden gemäß der folgenden Gleichung berechnet Abweichung zwischen den Elementen = (maximaler Elementoutput – minimaler Elementoutput) / maximaler Elementoutput × 100 (%)bezogen auf den Output, wenn der gleiche Röntgenstrahl auf den Strahlungsdetektor angewendet wurde. Zur Bestimmung der Crosstalkswerte verschloss man die Lichteintrittsfenster der Szintillatoren mit Bleiblechen 6, die dick genug waren, um zu verhindern, dass Röntgenstrahlen durch sie hindurchgehen, abgesehen von dem Lichteintrittsfenster eines bestimmten Szintillators, wie in 6 gezeigt, und berechnete das Verhältnis der Stärke des Outputs des Szintillators mit einem offenen Lichteintrittsfenster zu dem Output der umliegenden Szintillatoren gemäß der folgenden Gleichung. Crosstalk (%) = (K + L) / 2M × 100 (%)
Wie aus Tabelle 4 ersichtlich hatte der Strahlungsdetektor mit dem erfindungsgemäßen keramischen Material als Separatoren verbesserte Ausgangsleistungen und verminderte Abweichungen zwischen den Elementen im Vergleich zu den Strahlungsdetektoren aus dem Vergleichsbeispiel mit Mo-Blechen und Titanoxid (einschließlich Harzen). Man führt dies darauf zurück, dass der Anteil des Lichtes, das dem Lichtdetektor zugeführt wurde, zunahm und dass der Output folglich zunahm, da der Anteil der Reflexion in Folge der verminderten Absorption von Licht in den Separatoren zunahm. Die Abweichungen zwischen den Elementen betrugen weniger als ½ der des Vergleichsbeispiels, weil die Abweichungen in der Reflexion auf der Oberfläche der Separatoren vermindert wurden.
Der Crosstalk-Wert war fast identisch mit dem des Vergleichsbeispiels unter Verwendung von Mo-Blechen. Man führt dies darauf zurück, dass die erfindungsge mäßen gesinterte Keramik fast die gleiche Strahlungsabschirmperformance hat wie Mo.
Beispiel 5
Die Lichtreflexion der Separatoren, die aus den erfindungsgemäßen gesinterten Keramiken hergestellt worden waren (mit der Zusammensetzung der Probe 5 aus Tabelle 1), und die Lichtreflexion von herkömmlichem Separatoren, die aus Mo und Titanoxid (einschließlich eines Harzes) hergestellt worden waren, wurde analog zu Beispiel 1 gemessen. Die Proben wurden über einen vorbestimmten Zeitraum bei 80 °C gehalten und Veränderungen in der Lichtreflexion der Proben wurden in Abhängigkeit der Zeit gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben.
Tabelle 5
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich sank im Vergleichsbeispiel die Lichtreflexion von 96 % vor dem Erhitzen auf 90 % nach einer Zeitdauer von 1000 h. Das erfindungsgemäße keramische Material zeigte eine beständige Lichtreflexion von 98 %. Man führt dies darauf zurück, dass das Epoxyharz im Vergleichbeispiel sich verfärbte, während dies bei den erfindungsgemäßen gesinterten Keramiken nicht der Fall war.
Beispiel 6
Der Anteil der Detektoren, die aufgrund von Klebefehlern fehlerhaft waren, ist in Tabelle 6 angegeben, zusammen mit dem thermischen Expansionskoeffizienten (bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 100 °C) und zwar für die in 1 dargestellten Strahlungsdetektoren, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen gesinterten Keramiken (mit den Zusammensetzungen der Proben Nr. 5, 6 und 16 aus obiger Tabelle 1) als Separatoren hergestellt worden waren und für die Strahlungsdetektoren des Vergleichsbeispiels unter Verwendung von Mo-Blechen und Titanoxid (einschließlich eines Harzes) als Separatoren.
Tabelle 6
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen gesinterten Keramiken war der Anteil der fehlerhaften Detektoren im Vergleich zum Vergleichsbeispiel unter Verwendung von Mo geringer. Das keramische Material mit der Nr. 16 hatte fast den gleichen thermischen Expansionskoeffizienten wie die Szintillatorelemente und Delaminierungsfehler traten nicht auf.
Aus den obigen Daten folgt, dass der fehlerhafte Anteil abnimmt, wenn die Differenz im thermischen Expansionskoeffizienten geringer als 2 × 10^–6/°C ist, und der fehlerhafte Anteil sinkt unter 0,1 %, wenn die Differenz im thermischen Expansionskoeffizienten geringer als 1 × 10^–6/°C ist.
Beispiel 7
Zur Untermauerung der Herstellungsbedingungen sind die gemessenen Ergebnisse der Sinterperformance nachfolgend angegeben, d.h. Dichte, Röntgenabschirmrate, usw. der Proben, wenn die Sintertemperatur, Heißpresstemperatur und Tempertemperatur im Herstellungsflussdiagramm, das in 3 gezeigt, angewendet wurden. Die verwendeten Proben hatten die Zusammensetzung der Probe Nr. 13 in Tabelle 1.
Zunächst bestimmte man die Röntgenabschirmrate der Proben, die man durch Sintern bei Temperaturen von 1500 bis 1800 °C und heißisostatischem Pressen bei 1500 °C und 1000 Atmosphären hergestellt hatte. Die HIP-Temperatur betrug 1500 °C, da das HIP üblicherweise bei Temperaturen, die 200 bis 300 °C unterhalb der Sintertemperatur liegen, durchgeführt wird. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 dargestellt. Die bei 1500 °C gesinterten Proben wiesen viele Fehlstellen auf und zeigten eine schlechte Sinterperformance. Sie konnten nicht HIP unterworfen werden und ihre Röntgenabschirmrate konnte nicht bestimmt werden. Andererseits zeigten die bei 1600 bis 1800 °C gesinterten Proben eine gute Sinterperformance und hatten eine ausreichend hohe Röntgenabschirmrate, da ihre Dichte nach HIP verbessert war. Aus den obigen Ergebnissen kann man schließen, dass die Sintertemperatur bei 1600 bis 1800 °C liegen sollte.
Tabelle 7
Anstelle des Verfahrens, bei dem nach obigem Sintern bei Normaldruck anschließend HIP stattfand, erfolgte das Sintern durch Heißpressen. Die Messergebnisse der Sinterperformance, d.h. Dichte und Röntgenabschirmrate für die Proben, die durch Heißpressen bei 1300 bis 1800 °C gesintert wurden, sind in Tabelle 8 angegeben. Die bei 1300 °C heißgepressten Proben hatten viele Fehlstellen und eine geringe Dichte, während die bei 1400 bis 1800 °C heißgepressten Proben ein theoretisches Dichteverhältnis von nicht weniger als 98 % hatten und nur wenige Fehlstellen aufwiesen.
Tabelle 8
Danach wurden die durch Sintern bei Normaldruck und 1600 °C und HIP bei 1600 °C und 1000 Atmosphären hergestellten Proben getempert, indem man die Temperatur von 900 °C auf 1400 °C änderte. Die Dichte nach dem Temperschritt und der Zustand der Risse sind in Tabelle 9 angegeben. Die Ergebnisse, dass die Dichte nach HIP 0,98 betrug, belegen, dass das Tempern unterhalb 1000 °C nicht völlig Gitterspannungen aufgrund von Sauerstoffmangel vermeiden kann und Risse während der Herstellung hervorgerufen werden. Tempern nicht unter 1400 °C verursacht das Wachsen von Fehlstellen und dies führt zu einer geringen Dichte. Hieraus folgt, dass das Tempern bei 1000 bis 1300 °C erfolgen sollte.
Tabelle 9
Wie zuvor ausführlich beschrieben können die erfindungsgemäßen gesinterten Keramiken in Strahlungsdetektoren, wie einer Strahlungs-CT-Vorrichtung, verwendet werden, da die erfindungsgemäßen gesinterten Keramiken eine ausgezeichnete Strahlungsabschirmperformance zeigen und sie können in hohem Gehalt in die Halbleiterphotodetektoren eingebaut werden, wobei während des Einbaus wenige Defekte auf den Halbleiterphotodetektoren verursacht werden. Bestimmte erfindungsgemäße gesinterte Keramiken sind weiß gefärbt und weisen ein ausgezeichnetes Lichtreflexionsvermögen auf, sodass bei ihrer Verwendung als Separatoren für den Strahlungsdetektor keine zusätzlichen lichtreflektierenden Schichten (oder Filme) notwendig sind.

Claims

Strahlungsschild (3) zum Einsatz zwischen den Szintillatoren (2) eines Strahlungsdetektor-Arrays, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (3) eine gesinterte Keramik mit einer Zusammensetzung umfasst, die zusammen zu 0 bis 50 mol-% aus einem oder mehreren Seltenerdoxiden, die unter Gd-, La-, Ga-, Y-, Ce-, Nd-, Pr-, Sm-, Dy- und Yb-Oxiden ausgewählt sind, zusammen zu 0 bis 33 mol-% aus einem oder mehreren Erdalkalioxiden, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, besteht und die Differenz ein oder mehrere Oxide sind, die unter V-, Ta- und Nb-Oxiden ausgewählt sind, wobei der maximale Gesamtgehalt von V-, Ta- und Nb-Oxid 75 mol-% beträgt.
Strahlungsschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterte Keramik eine Zusammensetzung aufweist, die zusammen zu 3 bis 33 mol-% aus einem oder mehreren Seltenerdoxiden, die unter Gd-, La-, Ga-, Y-, Ce-, Nd-, Pr-, Sm-, Dy- und Yb-Oxiden ausgewählt sind, zusammen zu 0 bis 28 mol-% aus einem oder mehreren Erdalkalimetalloxiden, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, besteht und die Differenz ein oder mehrere Oxide sind, die unter V-, Ta- und Nb-Oxiden ausgewählt sind, wobei der maximale Gesamtgehalt von V-, Ta- und Nb-Oxid 75 mol-% beträgt.
Strahlungsschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die gesinterte Keramik eine Zusammensetzung aufweist, die zusammen zu 3 bis 33 mol-% aus einem oder mehreren Seltenerdoxiden, die unter Gd-, La-, Ga- und Yb-Oxiden ausgewählt sind, zusammen zu 0 bis 33 mol-% aus einem oder mehreren Erdalkalimetalloxiden, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, besteht und die Differenz ein oder mehrere Oxide sind, die unter Ta- und Nb-Oxiden ausgewählt sind, wobei der maximale Gesamtgehalt von Ta- und Nb-Oxid 75 mol % beträgt.
Strahlungsschild nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterte Keramik eine Zusammensetzung aufweist, die zusammen zu 5 bis 33 mol-% aus einem oder mehreren Seltenerdoxiden, die unter Gd-, La-, Ga- und Y-Oxiden ausgewählt sind, zusammen zu 0 bis 28 mol-% aus einem oder mehreren Erdalkalimetalloxiden, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, besteht und die Differenz ein oder mehrere Oxide sind, die unter Ta- und Nb-Oxiden ausgewählt sind, wobei der maximale Gesamtgehalt von Ta- und Nb-Oxid 75 mol-% beträgt.
Strahlungsschild nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterte Keramik eine weißgesinterte Keramik mit einem Lichtreflektionsvermögen von wenigstens 70 % ist.
Strahlungsdetektor mit mehreren Halbleiterfotodetektorelementen (1) und einem Laminat mehrerer Szintillatoren (2) und zwischen den benachbarten Szintillatoren (2) angeordneter Strahlungsschilde (3), wobei das Laminat auf den mehreren Halbleiterfotodetektorelementen (1) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Strahlungsschilde (3) der Definition in einem der Ansprüche 1 bis 5 entspricht.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand der Strahlungsschilde (3) vom Laminat zu den Halbleiterfotodetektorelementen (1) nicht mehr als 2 μm beträgt.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Wärmeexpansionskoeffizienten zwischen den Strahlungsschilden und den Szintillatoren nicht mehr als 2×10^–6/°C beträgt
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsschildes (3) zum Einsatz zwischen den Szintillatoren (2) eines Strahlungsdetektor-Arrays, dadurch gekennzeichnet, dass man: ein Gemisch von zusammen 0 bis 50 mol-% eines oder mehrerer Seltenerdoxide, die unter Gd-, La-, Ga-, Y-, Ce-, Nd-, Pr-, Sm-, Dy- und Yb-Oxiden ausgewählt sind, zusammen 0 bis 33 mol-% eines oder mehrerer Erdalkalimetalloxide, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, und der Differenz eines oder mehrerer Oxide, die unter V-, Ta- und Nb-Oxiden ausgewählt sind, wobei der maximale Gesamtgehalt von V-, Ta- und Nb-Oxid 75 mol-% beträgt; an Luft oder Sauerstoff sintert; und den gesinterten Körper bei 1400 bis 1800 °C heißisostatisch presst oder den gesinterten Körper im Vakuum bei 1400 bis 1800 °C heißpresst, um ein gesintertes keramisches Material für den Strahlungsschild herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man im Sinterschritt ein Gemisch von zusammen 3 bis 33 mol-% eines oder mehrerer Seltenerdoxide, die unter Gd-, La-, Ga- und Y-Oxiden ausgewählt sind, zusammen 0 bis 33 mol-% eines oder mehrerer Erdalkalimetalloxide, die unter Ca-, Ba-, Mg- und Sr-Oxiden ausgewählt sind, und der Differenz wenigstens eines unter Ta- und Nb-Oxiden ausgewählten Oxides, wobei der maximale Gesamtgehalt an Ta- und Nb-Oxid 75 mol-% beträgt, sintert.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem man außerdem die gesinterten Keramiken nach dem heißisostatischen Pressen oder Heißpressen an Luft oder Sauerstoff bei 1000 bis 1300 °C tempert.