DE69002265T2

DE69002265T2 - Strahlungsdetektor.

Info

Publication number: DE69002265T2
Application number: DE90105949T
Authority: DE
Inventors: Shinji Makikawa; Tatsuo Mori; Toshihiko Ryuo
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1989-04-07
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: EP0391237B1; DE69002265D1; EP0391237A1; US5061855A; JPH0575991B2; JPH02266287A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor zur Verwendung in der Hochenergiephysik oder der diagnostischen Radiologie wie in einem computergesteuerten Röntgenstrahlentomographiegerät (Röntgen-CT) und einem Positronenemissions- Kerntomographiegerät (Positronen-CT).
Ein Strahlungsdetektor mit einer Photoverstärkerröhre und einem Szintillator erzeugt Szintillationslicht durch ausgesendete Strahlung und danach werden die Lichtphotonen von der Photoverstärkerröhre erfasst. Daher muß der Szintillator die folgenden Bedingungen erfüllen:
(1) der Szintillator sollte die durch ihn erzeugte Fluoreszenz maximal auf die Photoverstärkerröhre übertragen und
(2) am Szintillator angebrachte Reflexionsschichten sollten im gesamten ultravioletten und sichtbaren Lichtbereich hochreflektierend und stabil sein, sich nicht ändern und entfärbungsfrei sein. Verschiedene Szintillatorarten, die diesen Anforderungen genügen, sind bisher gewerblich eingesetzt worden.
Ein Beispiel einer derartigen gewerblichen Verwendung wurde in der vorläufigen japanischen Patent- Veröffentlichung Nr. 57-194374 offenbart. Der herkömmliche Strahlungsdetektor offenbart dementsprechend die Verwendung von BaSO&sub4; als Reflexionsschicht eines Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;-Kristalls (nachstehend als "BGO-Kristall bezeichnet) mit einem Bindemittel aus Polyvinylalkohol (als "PVA-Bindemittel" bezeichnet).
Eine weitere Vorrichtung nach dem Stand der Technik wird in US-A-4 543 485 offenbart, die sich auf einen Strahlungsdetektor bezieht, umfassend eine Photoverstärkerröhre, einen Szintillationskristall, wie einen Wismutgermanatkristall (BGO), von dem eine Fläche mit der Photoverstärkerröhre in Kontakt ist und der eine lichtreflektierende Schicht auf Flächen besitzt, die sich von der Kontaktfläche unterscheiden. Die lichtreflektierende Schicht enthält ein pulverförmiges, reflektierendes Mittel, das in einem organischen Bindemittel wie Ethylcellulose oder einem organischen Lösungsmittel wie Terpineol dispergiert ist. Zur Verbesserung der Haftkraft und der Widerstandsfähigkeit der lichtreflektierenden Schicht gegenüber Feuchtigkeit kann ein synthetisches Harz wie ein Epoxidharz, ein Acrylharz oder ein Urethanharz als äußere Schutzschicht des Strahlungsdetektors verwendet werden.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 146 255 offenbart eine formbare, lichtreflektierende Zusammensetzung, die als Strahlungsdetektor verwendet werden kann, umfassend harzhaltige, lichtreflektierende Feststoffteilchen mit einer Größe von 0,001 bis 20 um. Es können verschiedene fließfähige und härtbare Harze, einschließlich Polyacrylaten verwendet werden, aber Harze vom Siliziumtyp werden bevorzugt. Diese Zusammensetzung wird als lichtreflektierende Schicht zur Herstellung eines Strahlungsdetektors mit Natriumiodid, Caesiumfluorid, Caesiumiodid, Bariumfluorid und Calciumfluorid als Szintillationskristall verwendet.
Bei Bildung herkömmlicher Reflexionsschichten eines BGO-Kristalls aus BaSO&sub4; mit einem PVA-Bindemittel schwankt wahrscheinlich das Reflexionsvermögen der Reflexionsschichten und die Reflexionsschichten blättern oft von dem BGO-Kristall ab. Diese Nachteile werden durch Eindringen des Haftmaterials in die Reflexionsschichten verursacht, wobei sie dafür sorgen, daß der BGO-Kristall an der Photoverstärkerröhre durch ein gewöhnlich verwendetes Haftmittel auf Siliziumgrundlage festhaftet. Dieses Eindringen verringert das Reflexionsvermögen der Schichten und die Haftkraft.
Es gibt einen weiteren Nachteil des Herstellungsverfahrens herkömmlicher Reflexionsschichten. Aus den Reflexionsschichten werden aus wässrigen PVA-Lösungen unterschiedlicher Konzentration Mehrfachschichten gebildet, die mit BaSO&sub4; vermischt werden, mit denen diese so oft beschichtet werden, daß das Verfahren mühsam und teuer ist.
Die Erfindung, die gemacht wurde, um derartige Probleme zu lösen, soll einen Strahlungsdetektor zur Verfügung stellen, der die Anforderungen an einen Szintillator erfüllt, die Reflexionseigenschaften und die Haftkraft der Reflexionsschichten verbessert und leicht hergestellt werden kann. Dies wird erreicht, indem ein Strahlungsdetektor, wie in Anspruch 1 definiert, zur Verfügung gestellt wird.
Als Ergebnis intensiver Forschungen und Untersuchungen auf der Suche nach zufriedenstellenden Reflexionsschichten eines Strahlungsdetektors wurde festgestellt, daß die mittlere Teilchengröße des Reflexionsmittel bedeutenden Einfluß auf das Reflexionsvermögen der Schichten hat.
Wie in Fig. 1 gezeigt, hat der Strahlungsdetektor der Erfindung eine Photoverstärkerröhre 1, einen Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;- Kristall 2 und Reflexionsschichten 3. Die Reflexionsschicht 3 enthält ein Reflexionsmittel und ein Bindemittel vom Acrylharztyp, die auf Oberflächen zur Verfügung gestellt werden, die sich von der Kristallfläche 2 unterscheiden, die mit der Photoverstärkerröhre 1 in Kontakt ist. Die Kristallkontaktfläche ist spiegelpoliert und die übrigen Oberflächen sind grob poliert.
Die mittlere Teilchengröße des Reflexionsmittels ist vorzugsweise kleiner als 0,8 um und das Bindemittel ist ein Bindemittel vom Polymertyp.
Die Dicke der Reflexionschichten 3 ist vorzugsweise 50 um oder mehr.
Die mittlere Teilchengröße des Reflexionsmittels in den Reflexionsschichten ist größer als 0,8 um, sodaß die Reflexionsschichten das Reflexionsvermögen erhöhen. Das bedeutet eine größere Zahl von Photonen, die die Photoverstärkerröhre erreichen und eine bessere Energieauflösung. Wenn die mittlere Teilchengröße kleiner als dieser Wert ist, wird die Energieauflösung erhöht, wie später beschrieben wird, was seinerseits die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors verschlechtert.
Die Verwendung eines Bindemittels vom Polymertyp, insbesonders eines Acrylharzes als Bindemittel zur Bildung der Reflexionsschichten vermeidet den Einfluß des Haftmittels auf Siliziumgrundlage und verbessert das Reflexionsvermögen und die Haftung der Reflexionsschichten. Die Schichtdicke mit mehr als 50 um ermöglicht eine ausreichend geringe Energieauflösung. Wenn die Schichtdicke nicht mehr als 50 um beträgt, durchdringt die Szintillation in dem BGO-Kristall die Reflexionsschichten, wobei eine ausreichend geringe Energieauflösung unmöglich gemacht wird.
Somit stellt der Strahlungsdetektor der Erfindung mit einer Energieauflösung von 16% oder weniger eine ausreichend hohe Empfindlichkeit zur Verfügung.
Die verwendeten Reflexionsmittel sind bekannte Materialien wie BaSO&sub4;, TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, MgO u. dgl. Da sich die Energieauflösung erhöht, wenn die mittlere Teilchengröße dieser Reflexionsmittel 0,8 um oder weniger ist, wird eine Teilchengröße von 0,8 um oder mehr, vorzugsweise von 0,8 bis 2,5 um gewählt.
Die Verwendung eines synthetischen Überzuges auf Acrylharzgrundlage als Bindemittel vom Polymertyp ermöglicht es, den Szintillationswert des BGO-Kristalls 2 beizubehalten und ebenso herausragende Haftung zu erhalten und es treten kaum Risse auf. Eine derartige Entfärbung des Filmüberzuges wie im Fall der Epoxidharze tritt nicht auf. Weitere Verwendung des Bindemittels auf Siliziumgrundlage zur Haftung des BGO-Kristalles 2 auf der Photoverstärkerröhre 1 kann das Eindringen des Bindemittels und Probleme wie Abblättern der Reflexionsschichten 3 vermeiden.
Die verwendeten Acrylharze sind bekannte Materialien wie Polyacrylsäureester, z.B. Polymethylacrylat, Polyethylacrylat, Polybutylacrylat; Emulsionen und Lösungsmittel wie Copolymerisationen dieser Ester mit Acrylnitril, Vinylacetat, Vinylchlorid u. dgl.
Da eine ausreichende Verringerung der Energieauflösung nicht erhalten werden kann, wenn die Reflexionsschichten 3 eine Dicke von 50 um oder weniger haben, sollte die Dicke nicht geringer sein als 50 um, vorzugsweise 50 bis 200 um. Zusätzlich können die Reflexionsschichten 3 mit Teflonband (Handelsbezeichnung, hergestellt von Du Pont Corporation) mit Reflexionsvermögen überzogen werden. Ferner kann in manchen Teilen der Reflexionsschichten 3 Teflonband verwendet werden, abweichend von den Reflexionsschichten, die Mittel aus Reflexionspulver und Acrylharze enthalten.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Arbeitsbeispiele, die durch die Darstellungen nicht eingeschränkt werden, besser verstanden.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Arbeitsbeispiel der Erfindung zeigt, Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Meßsystem zeigt, Fig. 3 stellt eine Kennkurve dar, die die Beziehung zwischen einer Anzahl einfallender γ-Strahlen und der von den γ-Strahlen erzeugten Pulshöhe zeigt, Fig. 4 ist eine Kennkurve, die die Beziehung zwischen der mittleren Teilchengröße der Reflexionsschichten und der Energieauflösung im Arbeitsbeispiel zeigt und Fig. 5 ist eine weitere Kennkurve, die die Beziehung zwischen der Dicke der Reflexionsschichten und der Energieauflösung im Arbeitsbeispiel zeigt.
In Fig. 1 stellt 1 eine Photoverstärkerröhre dar, 2 stellt einen Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;-Kristall in rechtwinkliger, rohrparalleler Form dar (als BGO-Kristall bezeichnet), der mit dem Eintrittsfenster 1a der Photoverstärkerröhre 1 in Kontakt ist und 3 stellt die Reflexionsschichten des BGO-Kristalles 2 dar, die auf anderen Flächen aufgebracht sind, als der Fläche, die mit der Photoverstärkerröhre 1 in Kontakt ist. Die Reflexionsschichten 3 bestehen aus einem Reflexionsmittel und einem Bindemittel vom Polymertyp.
Eine 5 x 10 mm große Fläche eines BGO-Kristalls, der mit dem Maß 5 x 10 x 25 mm zugeschnitten wurde, wurde spiegelpoliert und die anderen 5 Flächen wurden grob poliert. So wurde der BGO-Kristall 2 als Szintillator hergestellt. Ein Überzug eines Reflexionsmittels wurde hergestellt durch Vermischen eines Volumenteils einer flüssigen Dispersion, bestehend aus 1 kg pulverförmigem Reflexionsmittel, 500 g Wasser und 60 g einer 2,6%-igen, wässrigen PVA-Lösung mit einem Volumenteil eines Harzes vom Acryltyp (NIPPEI HOME PAINT, eine Marke von NIPPON PAINT K.K.). Die 5 grobpolierten Flächen wurden mit Hilfe einer Sprühpistole mit diesem Überzug beschichtet. Nach Trocknung des Beschichtungsüberzuges wurden die Reflexionsschichten 3 auf den 5 Flächen des BGO- Kristalls 2 gewonnen. Die Verwendung eines Harzes vom Acryltyp als Bindemittel ermöglichte es, derartige Schichten durch lediglich eine Beschichtung zu erhalten.
Die spiegelpolierte Fläche dieses BGO-Kristalls 2 wurde mit der Photoverstärkerröhre 1 in Kontakt gebracht, wie in Fig. 1 gezeigt. Es wurde ein System zur Messung der Energieauflösung des vorstehenden Szintillators aufgebaut, wie in Fig. 2 gezeigt. Dann wurde die Energieauflösung des Szintillators unter Verwendung des Systems gemessen. Das Licht, das durch die γ-Strahlung 4 erzeugt wurde, mit der der BGO-Kristall 2 bestrahlt wurde, wurde aufgenommen und durch die Photoverstärkerröhre 1 in Photoelektronen umgewandelt. Die Photoelektronen wurden durch den Vorverstärker 5 und den Verstärker 6 verstärkt. Dann wurde die Zahl der erzeugten Photonen mit dem Zähler 7 zusammengezählt. Die Zahl 8 in der Figur stellt eine elektrische Quelle dar.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die pro einfallenden γ-Strahl erzeugte Pulshöhe in Koordinaten eingezeichnet, wobei die Pulshöhe der einfallenden γ-Strahlen auf der Abszisse und die Zahl der einfallenden γ-Strahlen auf der Ordinate aufgetragen wurde. Die Energieauflösung kann mit dem so gewonnenen Pulsmaximum E und der Halbwertsbreite ΔE des Maximums aus der folgenden Formel berechnet werden:
Energieauflösung = ΔE/E (%)
Man nimmt an, daß die Auflösung des γ-Strahldetektors umso höher ist, je geringer die Energieauflösung ist.
Fig. 4 zeigt die Meßergebnisse der Energieauflösung unter Verwendung einer großen Auswahl von Reflexionsmitteln und unter Abänderung deren Teilchengröße. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, zeigt die Energieauflösung einen Wert von 16% oder weniger, wenn die mittlere Teilchengröße des Mittels 0,8 um oder größer ist, was eine gute Lichtausbeute und eine stabile Auflösung beinhaltet.
Fig. 5 zeigt die Meßergebnisse der Energieauflösung unter Verwendung von BaSO&sub4; bei einer mittleren Teilchengröße von 1 um und unter Abänderung der Dicke der Reflexionsschichten 3. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, erhöht sich die Energieauflösung, wenn die Dicke geringer als 50 um ist, aber nimmt einen stabilen Wert von weniger als 16% an, wenn die Dicke mehr als 50 um beträgt. Es wurden bei allen Reflexionsschichten keine Abblätterung oder Risse beobachtet.
Die BGO-Kristalle 2 mit den so gewonnenen Reflexionsschichten wurden miteinander durch Intermediärschichten aus üblicherweise verwendetem Haftmittel auf Siliziumgrundlage "KE 420" (eine Marke von THE SHIN-ETSU CHEMICAL) verklebt und dann zu einem Strahlungsdetektor zusammengebaut. Es wurde weder Abblätterung der Reflexionsschichten noch erhöhte Energieauflösung erkannt.
Zum Vergleich wurden weitere Reflexionsschichten mit dem PVA-Bindemittel gebildet, um ihr Haftvermögen zu untersuchen. Diese Reflexionsschichten blätterten bei Verwendung eines Bindemittels auf Siliziumgrundlage leicht voneinander und von dem BGO-Kristall ab, aufgrund ihrer ähnlichen Haftung an vorstehendem.
Wie vorstehend erklärt, kann Strahlung mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden, da die Energieauflösung des Strahlungsdetektors der Erfindung verringert und stabilisiert werden kann, indem man die mittlere Teilchengröße des Reflexionsmittels nicht kleiner als 0,8 um macht, wobei das Reflexionsmittel die Reflexionsschichten bildet, die auf Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;-Kristallflächen zur Verfügung gestellt werden, die sich von der Fläche unterscheiden, die mit dem Eintrittsfenster der Photoverstärkerröhre in Kontakt ist.
Die Nachweisgenauigkeit kann verbessert werden, da die Energieauflösung durch Erhöhung der Dicke der Reflexionsschichten auf bis zu 50 um oder mehr verringert und stabilisiert wird. Ferner ist die Verwendung eines hochpolymeren Bindemittels, genauer von Acrylharzen als Bindemittel zur Bildung der Reflexionsschichten wirksam, um den Einfluß des Haftmittels auf Siliziumgrundlage auszuschalten, wodurch das Reflexionsvermögen und die Haftung der Reflexionsschichten erhöht werden kann. Gleichzeitig genügt eine einmalige Bearbeitung, um die Reflexionsschichten aufzubauen, womit die Probleme einer komplizierten Herstellung gelöst werden.
Durch einen Strahlungsdetektor, umfassend eine Photoverstärkerröhre, einen Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;-Kristall, von dem eine Fläche mit der Photoverstärkerröhre in Kontakt ist und Reflexionsschichten, im wesentlichen bestehend aus pulverförmigem Reflexionsmittel und einem Bindemittel vom Acrylharztyp, die auf Flächen zur Verfügung gestellt werden, die sich von der Kristallfläche unterscheiden, kann die Energieauflösung verringert und stabilisiert werden. Somit kann die Auflösung des Detektors erhöht werden.
Die Nachweisgenauigkeit kann verbessert werden, da die Energieauflösung durch Erhöhung der Dicke der Reflexionsschichten auf bis zu 50 um oder mehr verringert und stabilisiert wird. Ferner ist die Verwendung eines Acrylharzes als Bindemittel zur Bildung der Reflexionsschichten wirksam, um den Einfluß des Haftmittels auf Siliziumgrundlage auszuschalten, wodurch das Reflexionsvermögen und die Haftung der Reflexionsschichten erhöht werden kann. Gleichzeitig genügt eine einmalige Bearbeitung, um die Reflexionsschichten aufzubauen, womit die Probleme einer komplizierten Herstellung gelöst werden.

Claims

1. Strahlungsdetektor, umfassend eine Photoverstärkerröhre (1), einen vielflächigen Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;-Kristall (2), von dem eine Fläche mit der Photoverstärkerröhre in Kontakt ist und Reflexionsschichten (3), enthaltend ein pulverförmiges Reflexionsmittel und ein Bindemittel auf Flächen, die sich von der Kontaktfläche unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche spiegelpoliert ist und die anderen Oberflächen grobpoliert sind und das Bindemittel ein Acrylharz enthält.

2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Reflexionsmittel eine mittlere Teilchengröße von 0,8 bis 2,5 um besitzt.

3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Reflexionsmittel mindestens eines ist, ausgewählt aus BaSO&sub4;, TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; und MgO.

4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Acrylharz mindestens eines ist, ausgewählt aus Polymethylacrylat, Polyethylacrylat, Polybutylacrylat und Copolymeren von Acrylnitril, Vinylacetat und Vinylchlorid mit diesen Acrylaten.

5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Reflexionsschichten (3) nicht geringer als 50 um ist.