HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Einkristall-Scintillator, der
auf den Gebieten der Radiotherapie, Physik, Biologie,
Chemie, Mineralogie, bei der Ölsuche etc. weitverbreitet
eingesetzt wird, beispielsweise in der Positronen-CT
(Computer-Tomographie) zur medizinischen Diagnose oder zur
Messung kosmischer Strahlen oder dem Nachweis von
Bodenschätzen.
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Da ein Einkristall-Scintillator mit Thalium-dotiertem
Natriumiodid [NaI(Tl)], der als Strahlungsdetektor weite
Verbreitung fand, relativ niedrige Produktionskosten hat
und eine hohe Lichtausgangsleistung als Antwort auf
Strahlung liefert, wird er anstelle eines Geiger-Müller-Zählers
für viele Anwendungen, einschließlich physikalischer
Hochenergiestudien, und als Werkzeug bei der Suche nach
Ölvorkommen eingesetzt. Aber er hat viele Nachteile, die
Ausbeute der strahlungsdetektion ist, bedingt durch die
niedrige Dichte an NaI(Tl), niedrig, was bewirkt, daß die
Vorrichtung vergrößert werden muß, die
Strahlungszählfähigkeit wird aufgrund einer langen Abklingzeit der
Fluoreszenz und dem Nachleuchten, das ein Verschmieren oder
Zusammenlaufen der Fluoreszenzsignale verursacht, vermindert
und die Handhabung ist bei hohen Temperaturen und hoher
Feuchtigkeit wegen des Zerschmelzens schwierig. Um diese
Nachteile zu umgehen, erschien ein Scintillator mit
Wismutgermanat Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2; (nachfolgend als "BGO" bezeichnet).
Der BGO-Scintillator hat eine hohe Dichte und eine hohe
Strahlungsabsorptionsrate, aber hat den Nachteil einer
niedrigen Lichtausgangsleistung und einer langen
Fluoreszenzabklingzeit. Um diese Nachteile zu umgehen, wird in
dem japanischen Patent Nr. 61-8472 ein
Einkristall-Scintillator
mit Cer-dotiertem Gadoliniumsilicat [Gd&sub2;SiO&sub5; : Ce]
(nachfolgend als "GSO" bezeichnet) vorgeschlagen. Aber der
GSO-Scintillator hat eine Lumineszenz mit einem
Wellenlängenmaximum bei 430 nm, was nicht im Wellenlängenbereich
von 380 nm bis 420 nm liegt, dem Maximum der spektralen
Sensitivität einer Photomultiplier-Röhre mit einer
bialkalischen Photokathode, wie sie in Kombination mit diesen
Scintillatoren häufig eingesetzt wird, so daß die Licht-
Elektrizitätsumwandlung nicht optimal ist. Andererseits
schlägt U.S. Patent Nr. 4 883 956 die Verwendung eines
GSO-Einkristall-Scintillators in einer Vorrichtung zur
Prospektierung von Untergrundschichten vor, aber die
Ausführung dieser Vorrichtung ist dazu aufgrund der
Eigenschaften von GSO nicht am besten geeignet, beispielsweise
ist das Fluoreszenz-Ausgangssignal relativ klein, die
Abklingzeit relativ lang (60 ns) und die
Lumineszenz-Wellenlänge ist relativ lang.
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In der Positronen-CT oder verschiedenen
Strahlungsmessungsinstrumenten sollte die Strahlungsabsorptionsrate
eines Einkristall-Scintillators eine große
Strahlungsabsorptionsrate haben, damit ein Einkristall-Scintillator
genügend Strahlung detektieren kann und die Größe der
Vorrichtung verringert wird. Da die Ausführung der Apparatur und
der Vorrichtungen von der Größe des
Fluoreszenz-Ausgangssignals abhängt, ist es weiterhin nötig, das Fluoreszenz-
Ausgangssignal zu vergrößern, um das S/N-Verhältnis
(Fluoreszenz-Ausgangssignal/Rauschverhältnis) der Bilder
in einer Bildverarbeitungsvorrichtung zu verbessern. Des
weiteren ist es notwendig, die Abklingzeit zu verkürzen,
um in der Ausführung die Zählrate zu verbessern, die durch
Pulsanhäufung beeinflußt wird. Um das
Fluoreszenz-Ausgangssignal effektiv zu benutzen, ist es außerdem besser,
die Wellenlänge der Photomultiplier-Röhre mit der
maximalen spektralen Sensitivität auf die
Lumineszenz-Wellenlänge des Einkristall-Scintillators abzustimmen. Zu diesem
Zweck ist es notwendig, die Lumineszenz-Wellenlänge der
bekannten Einkristall-Scintillatoren zu verbessern.
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US 4 647 781 betrifft einen Gamma-Strahlendetektor, der
unter anderem für den Einsatz in einem Positronen-CT
geeignet ist, umfassend einen Scintillator, hergestellt aus
einem Einkristall aus Cer-aktiviertem Gadoliniumsilicat,
der durch die allgemeine Formel Gd2(1-x-y)Ln2xCe2ySiO&sub5;
ausgedrückt wird (worin Ln mindestens ein Element,
ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Yttrium und Lanthan,
bedeutet und x und y in den Bereichen, ausgedrückt durch
die Formeln 0≤x≤0,5 und 1x10&supmin;³≤y≤0,1, liegen).
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FR-A-2 634 628 betrifft
Lanthansilicat-Einkristall-Scintillatoren zur Detektion von Röntgenstrahlen mit der
folgenden Formel:
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worin Ln und Ln', die unterschiedlich sind, ein Element,
ausgewählt aus La, Gd, Yb und Lu, bedeuten und worin x&sub1;,
x&sub2; und x&sub3; die folgenden Werte besitzen:
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0≤x&sub1;< 1
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0≤x&sub2;≤0,05
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0≤x&sub3;≤0,05
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0< x&sub2;+x&sub3;≤0,1
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0< x&sub1;+x&sub2;+x&sub3;< 1
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DATABASE WPIL, Week 895, Derwent Publications Ltd., London
GB; AN 89-0335003 & JP-A-63 307 380, Dezember 1988
offenbart den folgenden Strahlendetektor:
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worin RE mindestens ein Seltenerdenmetall ist, dessen
Menge höchstens 0,02 beträgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Einkristall-Scintillator und eine Vorrichtung zur
Prospektierung von Erdformationen zur Verfügung zu
stellen, die diesen Scintillator verwendet, die oben genannten
Probleme löst und eine Lumineszenz-Wellenlänge in guter
Übereinstimmung mit der Wellenlänge zeigt, bei der eine
Photomultiplier-Röhre mit einer Bialkali-Photokathode das
Maximum in ihrer spektralen Sensitivität aufzeigt.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen
Einkristall-Scintillator zur Verfügung, umfassend eine Cer-dotierte
Gadoliniumsilicatverbindung, entsprechend der Formel:
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Gd2-(x+y)LuxCeySiO&sub5;,
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worin x ein Wert zwischen 0,03 und 1,9 ist und y ein Wert
zwischen 0,001 und 0,2 ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung
zur Prospektierung von Erdformationen, umfassend ein
Prospektierelement, das in einem Loch beweglich ist, einem
Detektor, der den Einkristall-Scintillator zum Nachweis
von Strahlung enthält und der von dem Prospektierelement
getragen wird, und eine verbindende Vorrichtung zur
Erzeugung und Aufzeichnung von Signalen, die mindestens eine
der Strahlungseigenschaften, die von dem Detektor
nachgewiesen werden, aufzeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Figur 1 ist eine schematische Darstellung, die die
Struktur einer Vorrichtung zur Prospektierung von
Erdformationen unter der Oberfläche zeigt, die den erfindungsgemäßen
Einkristall-Scintillator verwenden. Figuren 2 und 3 sind
Diagramme, die die Lumineszenz-Wellenlängenverteilung und
die Fluoreszenz-Abklingeigenschaften des erfindungsgemäßen
Einkristall-Scintillators zeigen.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die genannten Erfinder führten Studien zur Beziehung
zwischen der Einkristall-Zusammensetzung, der
Cer-Konzentration und der Einkristall-Scintillator-Eigenschaften durch
und fanden, daß es effektiv ist, einen Teil des
Gadoliniums durch ein Element mit einem Ionenradius kleiner als
der von Gadolinium zu ersetzen, um einen
Einkristall-Scintillator mit einer Lumineszenz-Wellenlänge nahe der
Wellenlänge der maximalen spektralen Sensitivität der
Photomultiplier-Röhre, zu erhalten.
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Der erfindungsgemäße Einkristall-Scintillator umfaßt eine
Cer-dotierte Gadoliniumsilicatverbindung entsprechend der
Formel:
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Gd2-(x+y)LuxCeySiO&sub5;,
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worin x ein Wert zwischen 0,03 und 1,9 ist und y ein Wert
zwischen 0,001 und 0,2 ist.
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Ist erfindungsgemäß der Wert von y in der oben erwähnten
allgemeinen Formel kleiner als 0,001, so wird das
Fluoreszenz-Ausgangssignal kleiner, während, wenn y größer als
0,2 ist, sich die Kristalle leicht färben, was die
Lichtdurchlässigkeit verschlechtert. Der Wert von y im Bereich
von 0,003 bis 0,02 ist vorzuziehen, da hier das
Fluoreszenz-Ausgangssignal am größten ist. Ist andererseits der
Wert von x kleiner als 0,03, so ist die
Lumineszenz-Wellenlänge des Einkristall-Scintillators zur Wellenlänge der
maximalen spektralen Sensitivität der Photomultiplier-
Röhre verschoben. Ist x größer als 1,9, können keine
Kristalle von guter Qualität erhalten werden. Der Vorzugswert
von x ist im Bereich von 0,1 bis 0,7, in diesem Bereich
können Kristalle von bester Qualität erhalten werden.
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Die Verwendung des Elements Lu anstelle von Ln ist
vorzuziehen, weil die Lumineszenz-Wellenlänge des
resultierenden Einkristalls am nächsten zur wellenlänge der maximalen
spektralen Sensitivität der Photomultiplier-Röhre liegt.
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Die erfindungsgemäßen Einkristalle können nach
konventionellen Verfahren, wie dem Czochralski-Verfahren oder
ähnlichen, hergestellt werden. Da der Schmelzpunkt von
Cerdotierter Gadoliniumsilicatverbindungen hoch ist, ungefähr
1900ºC, wird ein Schmelztiegel aus Iridium oder ähnliches
verwendet. Die Anzahl der Durchläufe, das atmosphärische
Gas oder ahnliches werden zweckmäßig ausgewghlt, abhängig
von den Bedingungen, und es gibt hierbei keine speziellen
Limitierungen. Da Iridium schnell verdampft, wenn es bei
hoher Temperatur der Luft ausgesetzt wird, verwendet man
ein Inertgas, wenn ein Iridium-Schmelztiegel verwendet
wird.
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Der oben erwähnte Einkristall-Scintillator wird
erfolgreich in Vorrichtungen zur Prospektierung von
Bodenschätzen eingesetzt, im besonderen für Öl und dergleichen. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prospektierung von
Erdformationen umfaßt ein Prospektierelement, ausgerüstet mit
einer Strahlungsdetektiervorrichtung und einer
kombinierten Vorrichtung zur Umwandlung des detektierten Lichtes in
ein Signal und um dieses aufzuzeichnen. Die
Detektiervorrichtung umfaßt einen Einkristall-Scintillator, einen
Container, ein Reflexionsmaterial, eine Photomultiplier-Röhre
und ähnliches. Der Einkristall-Scintillator ist in einem
Container untergebracht, der Strahlungen, wie z.B. Gamma-
Strahlen, transmittieren kann. Eine Oberfläche des
Einkristall-Scintillators ist mit der Photomultiplier-Röhre
verbunden, und eine andere Oberfläche ist mit
Polytetrafluorethylen, Bariumsulfatpulver, Magnesiumoxidpulver,
Aluminiumfolie, Titanoxid, Farbe oder ähnlichem als
reflektivem Material beschichtet, um soviel wie möglich des
erzeugten Lichtes der Verbindungsoberfläche auf der
Photomultiplier-Röhre zu sammeln. Der Einkristall-Scintillator
kann direkt mit der Photomultiplier-Röhre verbunden werden
oder kann mit der Photomultiplier-Röhre über eine
Lichtleiterröhre, einer optischen Faser, einer Linse, einem
Spiegel usw. verbunden werden. Die Photomultiplier-Röhre
ist des weiteren mit einem Verstärker, einem
Aufzeichnungsgerät usw. verbunden, die nach konventionellen
Verfahren als Kombinationsvorrichtungen verwendet werden.
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Die folgenden Gründe scheinen für die Verkürzung der
Lumineszenz-Wellenlänge durch den partiellen Austausch des
Gadoliniums mit einem Element mit einem kleineren
Ionenradius als der von Gadolinium verantwortlich zu sein. Die
Intensität der Kristallfeld beeinflussenden Cer-Ionen, die
Lumineszenzzentren sind, wird bestimmt durch den Austausch
von Gadolinium oder einem anderen Element für einen Teil
des Gadoliniums um die Cer-Ionen herum. Dadurch wird,
falls das Element um das Cer-Ion herum anstelle von
Gadolinium durch ein Element mit einem kleineren Ionenradius
als Gadolinium ausgetauscht wird, der Ionenraum für die
Cer-Atome vergrößert. Dadurch wird die Intensität des
Kristallfeldes auf die Cer-Ionen an dieser Stelle scheinbar
abgeschwächt. Die Lumineszenz der Cer-Ionen basiert auf
dem Energietransfer des 5d-Energieniveaus auf das
4f-Energieniveau. Das 5d-Energieniveau in einem Kristall spaltet
sich in Abhängigkeit von der Intensität des Kristallfeldes
auf und die Größe der Energielücke des Emissionsüberganges
wird kleiner, wenn die Intensität des Kristallfeldes
stärker wird. Falls das Kristallfeld schwach ist, ist somit
die Energielücke relativ groß. Falls die Energielücke des
Emissionsübergangs größer wird, vergrößert sich die
Energie der freigesetzten Photonen. Dadurch wird die
Lumineszenz-Wellenlänge verkürzt.
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Durch den Austausch eines Teils des Gadoliniums mit dem
weiteren Element Ln wird, wie oben erwähnt, die
Lumineszenz-Wellenlänge des Einkristalls scheinbar nahe an die
zugehörige wellenlänge des Maximums der spektralen
Sensitivität einer Bialkali-Photomultiplier-Röhre verschoben.
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Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden
Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
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Ausgangs-Oxidmaterialien von Gd&sub2;O&sub3;, Lu&sub2;O&sub3;, CeO&sub2; und SiO&sub2;,
jeweils mit einer Reinheit von 99,99 bis 99,999%, wurden
gemischt und ergaben eine Zusammensetzung von
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Gd1,495Lu0,5Ce0,005SiO&sub5;
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(nachfolgend als "LuGSO" bezeichnet). 450 g des Gemischs
wurden in einen Iridium-Schmelztiegel eingebracht
(Durchmesser 50 mm, Höhe 50 mm) und unter einer
Stickstoffatmosphäre auf etwa 1900ºC mit einer
Hochfrequenzheizung erhitzt. Das Wachstum des Einkristalls wurde nach
dem Czochralski-Verfahren durchgeführt, bei einer
Kristallzugrate von 1 mm/h und einem Umlauf von 35 UpM.
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Ein Impfkristall wurde in die Schmelze mit einer
Oberflächentemperatur von 1890ºC (mit einem Pyrometer gemessen)
eingetaucht und allmählich, während er sich drehte,
heraufgezogen, wobei der Einkristall unter dem Impfkristall
wuchs. Als Ergebnis erhielt man einen Einkristall mit
einem Durchmesser von etwa 25 mm, einer Länge von etwa 60 mm
und einem Gewicht von etwa 300 g. Der Einkristall war
farblos und transparent.
Vergleichsbeispiel 1
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Oxid-Ausgangsmaterialien von Gd&sub2;O&sub3; und CeO&sub2; und SiO&sub2;,
jeweils mit einer Reinheit von 99,99 bis 99,999%, wurden
gemischt und ergaben eine Zusammensetzung
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Gd1,995Ce0,005SiO&sub5;
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(nachfolgend als "GSO" bezeichnet). Das 450 g wiegende
Gemisch wurde in einen Iridium-Schmelztiegel eingebracht und
der Kristall wurde nach dem Czochralski-Verfahren unter
einer Stickstoffatmosphäre auf die gleiche Weise, wie in
Beispiel 1 beschrieben, gezüchtet. Der so erhaltene GSO-
Einkristall war farblos und transparent.
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Jede Probe, die nach Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
erhalten wurde, hatte eine Größe von 10 x 10 x 10 (mm),
nachdem sie aus den Einkristallen herausgeschnitten wurde
und wurden poliert, um eine spiegelähnliche Oberfläche zu
erhalten. Die Lumineszenz-Wellenlänge wurde bestimmt. Die
Lichtausgangsleistung wurde bestimmt mit 137Cs als
Strahlungsquelle. Als Photomultiplier-Röhre wurde eine R878,
hergestellt von Hamamatsu Photonics Co., verwendet.
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Die Ergebnisse der Messungen und weitere Eigenschaften
sind in Tabelle 1 und den Figuren 2 und 3 dargestellt.
Figur 2 zeigt die Lumineszenz-Wellenlängenverteilung und
Figur 3 zeigt die Scintillations-Abklingeigenschaften.
Tabelle 1
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Wie aus Tabelle 1 und den Figuren 2 und 3 ersichtlich
wird, beträgt die Lumineszenz-Wellenlänge von LuGSO aus
Beispiel 1 416 nm und ist nach kürzeren Wellenlängen
verschoben, verglichen mit dem bekannten Betrag von 430 nm
für GSO (Vergleichsbeispiel 1). Dadurch verbessert sich
die Eignung für die spektrale Sensitivität von Bialkali-
Photomultiplier-Röhren, wodurch der Strahlungsnachweis
vorteilhaft ausgeführt werden kann. Des weiteren besitzt
LuGSO eine doppelt so schnelle Abklingzeit. Zusätzlich hat
LuGSO eine doppelt so hohe Lichtausgangsleistung und,
verglichen mit dem bekannten GSO, eine höhere Dichte.
Ferner ist LuGSO im Gegensatz zu NaI(Tl) nicht hygroskopisch
und weist gute Ergebnisse auf.
Beispiel 2
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Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Beispiel für eine
Vorrichtung zur Prospektierung von Untergrundschichten
(oder Erdformationen unter der Oberfläche) beschrieben.
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Figur 1 zeigt einen Strahlungsdetektor, eingebettet in ein
Prospektierelement, das in einem Loch, welches in eine
Schicht gegraben wurde, beweglich ist. In Figur 1
bezeichnet das Bezugszeichen 1 den erfindungsgemäßen
Einkristall-Scintillator,
untergebracht in einem Behälter 2 aus
Aluminium, der die Transmission von Gamma-Strahlen
erlaubt. Eine endstgändige Oberfläche 4 des Scintillators 1
ist optisch verbunden mit einer photosensitiven Oberfläche
einer Photomultiplier-Röhre 6. Eine weitere endständige
Oberfläche 3 des Scintillators 1 ist mit
Bariumsulfatpulver als reflektierendem Material bedeckt. Der Scintillator
1 emittiert Licht in Abhängigkeit von der einfallenden
Menge an Gamma-Strahlen. Das emittierte Licht wird direkt
oder durch das Reflexionsmaterial reflektiert und gelangt
in die Photomultiplier-Röhre 6, in der das eingefallene
Licht in elektrische Signale umgewandelt wird, die über
ein Bleikabel 5 an einen Impulsamplitudenverstärker
geleitet werden, wie es durch den Pfeil angezeigt wird, gefolgt
von Anzeige und Aufzeichnung. Die Photomultiplier-Röhre 6
ist des weiteren mit einer elektrischen
Hochspannungsquelle über einen Bleidraht 5' verbunden, wie es der Pfeil
zeigt.
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Der erfindungsgemäße Einkristall-Scintillator hat eine
starke Emission bei der Wellenlänge des Maximums der
spektralen Sensitivität einer Bialkali-Photomultiplier-Röhre,
verglichen mit bekannten GSO-Einkristall-Scintillatoren.
Ferner ist die Lichtausgangsleistung und die Abklingzeit
exzellent im Vergleich zu den bekannten GSO-Einkristall-
Scintillatoren. Im besonderen hat LuGSO, bei dem ein Teil
des Gadoliniums durch Lutetium ersetzt ist, eine doppelt
so hohe Lichtausgangsleistung und eine halb so hohe
Abklingzeit wie das bekannte GSO.
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Aus diesem Grund ist der erfindungsgemäße Einkristall-
Scintillator den bekannten GSO-Einkristall-Scintillatoren
in vielen Eigenschaften überlegen, die für die Verwendung
als Gamma-Strahlendetektor wichtig sind, beispielsweise
Lichtausgangsleistung, Energieauflösung, Effizienz der
Detektion von Hochenergiephotonen, Scintillator-Abklingzeit,
dem Abgleich des Emissionsspektrums an die Antwort der
Photomultiplier-Röhre etc.
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Demgemäß kann der erfindungsgemäße
Einkristall-Scintillator günstig in der Positronen-CT und verschiedenen
Strahlungsmessungsvorrichtungen verwendet werden, vor allem in
Vorrichtungen zur Forschung von Erdformationen unter der
Oberfläche.