DE69819367T3

DE69819367T3 - Leuchtstoffe, strahlungsdetektoren und damit hergestellter röntgen-computertomograph

Info

Publication number: DE69819367T3
Application number: DE69819367T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Hino-shi YAMADA; Makoto Kashiwa-shi SATO; Ichiro Kashiwa-shi MIURA; Motomichi Tsuchiura-shi DOI; Takaaki Noda-shi KOBIKI
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: EP1043383B1; EP1043383A1; EP1043383B2; CN1171973C; DE69819367D1; WO1999033934A1; US6458295B1; CN1283217A; JP3938470B2; EP1043383A4; DE69819367T2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seltenerdoxid-Leuchtstoff, der sich zur Verwendung in einem Strahlungsdetektor zum Erfassen von Röntgenstrahlen, γ-Strahlen und dergl. und insbesondere zur Verwendung im Strahlungsdetektor einer Röntgenstrahlen-CT-Apparatur oder einer Positronenkamera eignet. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Strahlungsdetektor und eine Röntgenstrahlen-CT-Apparatur unter Verwendung des Leuchtstoffes.
Als Strahlungsdetektoren, die in Röntgenstrahlen-CT-Apparaturen und dergl. verwendet werden, kommen herkömmlicherweise Detektoren zum Einsatz, bei denen eine Xenon-Gaskammer oder ein EGO (Wismuthgermaniumoxid)-Einkristall und eine Photomultiplierröhre kombiniert sind oder ein CsI:Tl-Einkristall oder CdWO₄-Einkristall und eine Photodiode kombiniert sind. Zu den Eigenschaften, die im allgemeinen von einem in einem Strahlungsdetektor verwendeten Szintillatormaterial verlangt werden, gehören ein kurzes Nachglühen, eine hohe Leuchtleistung, ein starkes Röntgenstrahlen-Bremsvermögen und chemische Stabilität. Der vorerwähnte Einkristall-Leuchtstoff zeigt jedoch Schwankungen bezüglich seiner Eigenschaften und Nachteile in Bezug auf Zerfließen, Spaltung, Nachglüherscheinungen (Emission nach Beendigung der Röntgenstrahlung) und Leuchtleistung.
In den letzten Jahren wurden jedoch Seltenerdsystem-Leuchtstoffe mit hohen Wirkungsgraden in Bezug auf eine Umwandlung von Strahlung in Licht als Szintillatoren entwickelt und Strahlungsdetektoren, bei denen ein derartiger Leuchtstoff mit einer Photodiode vereinigt ist, wurden für die Praxis entwickelt. Seltenerd-Leuchtstoffe bestehen aus einem Oxid oder Oxysulfid eines Seltenerdelements als Grundmaterial und einem Aktivator als Lumineszenzkomponente. Als Seltenerdoxid-Leuchtstoff wurde ein Leuchtstoff mit einem Gehalt an Yttrimoxid oder Gadoliniumoxid als Grundmaterial vorgeschlagen (z. B. JP-A-63-(1988)-59436 und JP-A-3-(1991)-50991 ). Als Seltenerdoxysulfid-Leuchtstoff wurden Leuchtstoffe mit einem Gehalt an Pr oder Ce als Aktivatoren vorgeschlagen ( JP-A-60-(1985)-4856 ).
Obgleich diese Leuchtstoffe einen Leuchtstoff mit einer guten Leuchtleistung umfassen, wird je nach Anwendungszweck ein Leuchtstoff mit einer kürzeren Nachglühzeit (Zeitspanne, die zur Abschwächung des Lichts auf 1/10 nach Beendigung der Röntgenstrahlung erforderlich ist) benötigt. Speziell stellt ein starkes Nachglühen von Szintillatoren, die zum Nachweis von Röntgenstrahlen verwendet werden, ein besonderes Problem beispielsweise bei Röntgenstrahlen-CT-Anwendungen dar, da es zu einer mangelnden Unterscheidbarkeit von informationstragenden Signalen in Richtung der Zeitachse führt. Für ein Szintillatormaterial ist ein sehr kurzes Nachglühen erforderlich. Jedoch genügen die vorerwähnten herkömmlichen Seltenerdsystem-Leuchtstoffe einer derartigen Anforderung in Bezug auf das Nachglühen nicht, selbst wenn sie eine hohe Leuchtleistung aufweisen.
Obgleich YAG-System-Leuchtstoffe (Y₃(Al,Ga)₅O₁₂) als Leuchtstoffe für Elektronenstrahlen bekannt sind (Applied Physics Letters, 15. Juli 1967), weisen diese Leuchtstoffe ein geringes Röntgenstrahlen-Bremsvermögen auf und können in der Praxis nicht in einem Röntgenstrahlendetektor verwendet werden.
In Bezug auf Photodetektoren liegt die Peak-Reaktionswellenlänge von PIN-Photodioden, die derzeit als Photodetektoren in Strahlungsdetektoren für Röntgen-CT und dergl. verwendet werden, im roten Bereich. Um den Nachweiswirkungsgrad zu verbessern, besteht ein Bedarf an Leuchtstoffen, deren Wellenlänge gut mit den PIN-Photodioden übereinstimmt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leuchtstoff mit einer sehr kurzen Nachglühzeit und einer hohen Leuchtleistung bereitzustellen, der sich insbesondere als Szintillator bei Röntgen-CT-Anwendungen eignet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Strahlungsdetektors, der mit einem Leuchtstoff ausgestattet ist und einen hohen Nachweiswirkungsgrad besitzt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Röntgen-CT-Apparatur, die mit einem Strahlungsdetektor mit einer sehr kurzen Nachglühzeit und einer hohen Leuchtleistung ausgestattet ist, und in der Lage ist, hochauflösende, qualitativ hochwertige tomographische Bilder zu liefern.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der vorstehenden Aufgaben haben die Erfinder eingehende Untersuchungen über Seltenerdoxid-Leuchtstoffe mit Ce als Leuchtkomponente durchgeführt und dabei festgestellt, dass ein Leuchtstoff mit einem Gehalt an Gd₃Al_5-yGa_yO₁₂ als Grundmaterial und Ce als Aktivator (Leuchtkomponente) eine hohe Leuchtleistung besitzt und ein sehr geringes Nachglühen zeigt. Dieser Befund hat zur vorliegenden Erfindung geführt. Die Erfinder führten ferner eingehende Untersuchungen bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung dieses Leuchtstoffes durch. Dabei stellten sie fest, dass sich ein Leuchtstoff mit einer sehr hohen Leuchtleistung erhalten lässt, wenn Kaliumverbindungen als Flusskomponenten zum Brennen von Ausgangsmaterialien mit dem Ziel zur Herstellung eines Szintillatorpulvers verwendet werden.
Speziell lässt sich der erfindungsgemäße Leuchtstoff durch die folgende allgemeine Formel wiedergeben (Gd_1-z-xL_zCe_x)₃Al_5-yGa_yO₁₂ worin L La oder Y darstellt und x, y und z Werte in den Bereichen von 0 ≤ z < 0,2, 0,0005 ≤ x ≤ 0,015 und 0 < y < 5 sind.
Beim erfindungsgemäßen Leuchtstoff handelt es sich um einen Leuchtstoff der vorstehend beschriebenen allgemeinen Formel, der eine sehr geringe Menge an Kalium enthält.
Beim erfindungsgemäßen Leuchtstoff handelt es sich um einen Leuchtstoff der vorstehend beschriebenen allgemeinen Formel, der durch Sintern von pressgeformten Ausgangsmaterialien oder durch Brennen von Ausgangsmaterialien zusammen mit einer Flussmittelkomponente zur Herstellung eines Szintillatorpulvers und durch Sintern des pressgeformten Szintillatorpulvers erhältlich ist.
Der erfindungsgemäße Leuchtstoff umfasst Gd₃Al_5-yGa_yO₁₂ als Grundmaterial und Ce als einen Aktivator (Leuchtkomponente). Er absorbiert Strahlung, wie Röntgenstrahlen und γ-Strahlen, und weist aufgrund des Ce-Ions eine gelbliche Emission auf. Wenn ein derartiger Leuchtstoff als Szintillator eines Strahlungsdetektors verwendet wird, ergibt sich eine relativ gute Übereinstimmung mit der Photodiode und es lässt sich eine Leuchtleistung erzielen, die etwa das 1,6-fache oder mehr der Leuchtleistung von CdWO₄ beträgt, das derzeit in breitem Umfang als Szintillator für Röntgen-CT-Anwendungen eingesetzt wird.
Der Leuchtstoff zeigt ein sehr geringes Nachglühverhalten, da er Ce als Leuchtion enthält und sich seine Emission etwa 220 ns (Nanosekunden) nach Beendigung der Röntgenstrahlen auf 10% verringert und nach etwa 30 ms auf 2 × 10^-5.
Im allgemeinen umfasst das Nachglühen eines Leuchtstoffes ein primäres Nachglühen und ein sekundäres Nachglühen (lang nachglühende Komponente). Bei Röntgenstrahlen-CT-Anwendungen stellt das sekundäre Nachglühen ein Problem dar, da informationstragende Signale (Röntgenstrahlen) in Richtung der Zeitachse nicht mehr unterscheidbar werden. Der Leuchtstoff zeigt ein ausgeprägt geringes sekundäres Nachglühen (Nachglühen nach 30 ms), d. h. 2 × 10^-5, und weist daher hervorragende Eigenschaften für Szintillatoren von Röntgenstrahlen-CT-Anwendungen auf.
Im erfindungsgemäßen Leuchtstoff kann ein Teil des Elements Gd (Gadolinium) durch das Element La (Lanthan) und/oder das Element Y (Yttrium) ersetzt werden. In diesem Fall zeigt der Leuchtstoff ein ausgeprägt niedriges Nachglühen. Jedoch sollte der Gehalt an La oder Y (Anteil z zum Ersatz von Gd) weniger als 0,2 und vorzugsweise weniger als 0,1 betragen, da mit zunehmendem Anteil die Leuchtleistung und des Röntgenstrahlen-Bremsvermögen beeinträchtigt werden. Die Leuchtleistung und das Röntgenstrahlen-Bremsvermögen lassen sich auf einen maximalen Wert bringen, wenn La oder Y nicht enthalten ist.
Durch Verwendung von Al (Aluminium) zusammen mit Ga (Gallium) lässt sich eine hohe Leuchtleistung erzielen. Bei den Untersuchungen der Erfinder wurde festgestellt, dass dann, wenn Leuchtstoffe des Gd-Oxid-Systems, die Ce als Leuchtkomponente enthalten, nur einen der Bestandteile Al und Ga enthalten, d. h. wenn als Grundmaterial Gd₃Al₅O₁₂ oder Gd₃Ga₅O₁₂ vorliegen, diese Leuchtstoffe im Gegensatz zum PAG-System praktisch keine Emission zeigen. Wenn jedoch Al und Ga gleichzeitig im Leuchtstoff vorliegen, zeigt der Leuchtstoff Emission und ferner ein ausgeprägt niedriges Nachglühen. Der Gesamtgehalt an Al (5-y) und Ga (y) beträgt 5 bis (Gd + L + Ce) = 3 in Bezug auf das Atomverhältnis und y erfüllt die Beziehung 0 < y < 5, vorzugsweise 1,7 < y < 3,3 und insbesondere 2 ≤ y ≤ 3. Wenn der Al-Anteil und der Ga-Anteil innerhalb des Bereichs von 1,7 bis 3,3 liegen, lässt sich eine Leuchtleistung erzielen, die etwa dem 1,5-fachen oder mehr der Leuchtleistung von CdWO₄ entspricht.
Ce (Cer) ist ein Element, das als ein Aktivator (Leuchtkomponente) im erfindungsgemäßen Leuchtstoff dient. Der Ce-Gehalt zur Erzeugung einer Ce-Emission (x) beträgt 0,0005 oder mehr und vorzugsweise 0,001 oder mehr. Eine Leuchtleistung vom 1,5-fachen der Leuchtleistung von CdWO₄ lässt sich nicht erzielen, wenn der Ce-Gehalt (x) den Wert 0,05 übersteigt. Der Ce-Gehalt (x) ist auf 0,015 oder weniger festgelegt.
Während es sich bei den vorerwähnten Elementen Gd, Al, Ga und Ce um unerlässliche Elemente im erfindungsgemäßen Leuchtstoff handelt, kann dieser zusätzlich zu diesen Elementen eine sehr geringe Menge an Kalium enthalten. Die Leuchtleistung lässt sich durch Zusatz einer sehr geringen Menge an Kalium weiter erhöhen. Der Anteil an Kalium zur Erzielung einer derartigen Wirkung beträgt 10 Gew.-ppm oder mehr. Vorzugsweise liegt er im Bereich von 50 bis 500 Gew.-ppm und insbesondere im Bereich von 100 bis 250 Gew.-ppm. Wenn ein Leuchtstoff mit einem Gehalt an Kalium im vorerwähnten Bereich als Szintillator eines Strahlungsdetektors verwendet wird, lässt sich eine Leuchtleistung erzielen, die dem 2-fachen oder mehr der Leuchtleistung von CdWO₄ entspricht.
Der erfindungsgemäße Leuchtstoff kann weitere Elemente, die unvermeidlicherweise vorhanden sind, enthalten. Wenn beispielsweise Gd₂O₃ als Ausgangsmaterial zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffes verwendet wird, kann Gd₂O₃ mit einer Reinheit von 99,99% 5 Gew.-ppm oder weniger derartiger Verunreinigungen, wie Eu₂O₃ und Tb₄O₇, enthalten, so dass der Leuchtstoff derartige Verunreinigungen enthalten kann. Leuchtstoffe, die derartige Verunreinigungen enthalten, fallen ebenfalls unter den Umfang der vorliegenden Erfindung.
Der erfindungsgemäße Leuchtstoff unterliegt bezüglich seiner Kristallmorphologie keinen speziellen Beschränkungen. Es kann sich um einen Einkristall oder um einen Polykristall handeln. Im Hinblick auf die Einfachheit der Herstellung und auf geringe Schwankungen der Eigenschaften wird ein Polykristall bevorzugt. Das in J. Appl. Phys., Bd. 42 (1971), S. 3049 beschriebene Verfahren zur Herstellung von anderen Leuchtstoffen in Form von Einkristallen kann als Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffes als Einkristall herangezogen werden. Der Leuchtstoff wird durch ein Heißpressverfahren (HP) als gesintertes Material erhalten, bei dem ein geeignetes Sinterungsmittel dem Szintillatorpulver (Ausgangsmaterial) zugesetzt wird und das Produkt bei einer Temperatur von 1 400-1 700°C und einem Druck von etwa 30,4-142 MPa (300-1 400 atm) verpresst wird, oder durch ein isotaktisches Heißpressverfahren (HIP) unter den gleichen Bedingungen wie das HP-Verfahren. Dadurch wird es möglich, den Leuchtstoff in Form eines dichten Sinterkörpers von hoher optischer Durchlässigkeit zu erhalten. Da es sich beim erfindungsgemäßen Leuchtstoff um einen kubischen Kristall handelt, der in Bezug auf den Brechungsindex nicht anisotrop ist, wird es möglich, bei der Verarbeitung zu einem Sinterkörper eine hohe optische Durchlässigkeit zu erreichen.
Der Leuchtstoff (Szintillatorpulver) vor dem Sinterungsvorgang lässt sich auf folgende Weise herstellen: Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ werden beispielsweise als Ausgangsmaterialpulver in einem stöchiometrischen Verhältnis vermischt, wobei gelegentlich eine geeignete Flussmittelkomponente zugesetzt wird. Ein Brennvorgang wird in einem Aluminium-Schmelztiegel mehrere Stunden bei einer Temperatur von 1 550 bis 1 700°C durchgeführt.
Die Flussmittelkomponente wird zugesetzt, um die Schmelztemperatur der Ausgangsmaterialien zu senken und die Kristallisation zu beschleunigen. Als Flussmittelkomponente können BaF₂, das zum Sintern des Leuchtstoffes des YAG-Systems verwendet wird, und Kaliumverbindungen, wie Kaliumsalze, allein oder in Form von Gemischen verwendet werden. Kaliumverbindungen, wie K₂SO₄, KNO₃, K₂CO₃ und K₃PO₄ werden bevorzugt.
Bei Untersuchungen der Erfinder über Flussmittelkomponenten, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffes verwendet werden, wurde festgestellt, dass dann, wenn die Ausgangsmaterialien unter Verwendung von Kaliumverbindungen als Flussmittelkomponente gebrannt werden, Leuchtstoffe mit einer ausgeprägt hohen Leuchtleistung erhalten werden können. Es wird angenommen, dass die Leuchtleistung aufgrund der Tatsache erhöht wird, dass die Kaliumverbindungen die Kristallisation der (Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂-Phase während des Brennvorgangs beschleunigen und eine sehr geringe Menge der Verbindungen in den Kristall gelangt.
Die Menge der als Flussmittel verwendeten Kaliumverbindungen kann 0,2-1,8 mol Kaliumatome auf 1 mol des herzustellenden Leuchtstoffes betragen, vorzugsweise 0,4-1,6 mol und insbesondere 0,8-1,2 mol. Bei Verbindungen mit einem Gehalt an zwei Kaliumatomen in einem Molekül, z. B. Kaliumsulfat, kann die Menge 0,1-0,9 mol Kaliumatome auf 1 mol des herzustellenden Leuchtstoffes betragen, vorzugsweise 0,2-0,8 mol und insbesondere 0,4-0,6 mol.
Wenn der Anteil des Flussmittels unter dem vorerwähnten Bereich liegt oder diesen übersteigt, besteht eine Tendenz zur Zunahme der Abscheidung von Kristallen mit anderen Kristallphasen, die sich von der erwarteten Kristallphase (Gd₃(Al,Ga)₂O₁₂) unterscheiden, beispielsweise von GdAlO₃. Beim vorerwähnten Bereich der Kaliumverbindung als Flussmittel gelangt eine sehr geringe Menge (500 Gew.-ppm oder weniger) Kalium in den gebildeten Leuchtstoff. Infolgedessen weist der Leuchtstoff eine hohe Leuchtleistung auf.
Der Sinterkörper wird auf die vorstehend angegebene Weise unter Verwendung des auf diese Weise gebrannten Szintillatorpulvers hergestellt. Der auf diese Weise gebildete Leuchtstoff ist dicht, weist eine hohe optische Durchlässigkeit auf und zeigt geringe Schwankungen seiner Eigenschaften. Somit lässt sich ein Strahlungsdetektor von hoher Leuchtleistung erhalten.
Obgleich der erfindungsgemäße Leuchtstoff in Verstärkerfiltern, fluoreszierenden Filtern, Szintillatoren und für andere allgemeine Leuchtstoffanwendungen eingesetzt werden kann, eignet er sich in besonderer Weise zur Verwendung in Röntgenstrahlen-CT-Detektoren, bei denen eine hohe Leuchtleistung und ein geringes Nachglühen erforderlich sind.
Der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor ist mit einem keramischen Szintillator und einem Photodetektor zum Erfassen der Szintillatoremission ausgestattet. Der vorstehend beschriebene Leuchtstoff wird als keramischer Szintillator verwendet. Eine Photodiode, z. B. eine PIN-Photodiode, wird vorzugsweise als Photodetektor verwendet. Diese Photodioden weisen eine hohe Empfindlichkeit und eine kurze Ansprechzeit auf. Da sie außerdem eine Wellenlängenempfindlichkeit von sichtbarem Licht bis zum nahen IR-Bereich aufweisen, eignen sie sich zu einer guten Wellenlängenanpassung mit dem erfindungsgemäßen Leuchtstoff.
Die erfindungsgemäße Röntgenstrahlen-CT-Apparatur ist mit einer Röntgenstrahlenquelle, einem Röntgenstrahlendetektor, der der Röntgenstrahlenquelle zugewandt ist, einer Dreheinheit zum Halten der Röntgenstrahlenquelle und des Röntgenstrahlendetektors und zum Drehen dieser Bestandteile um das zu prüfende Objekt, sowie mit einer Bildrekonstruktionseinrichtung zum Rekonstruieren eines tomographischen Bildes des Objekts auf der Grundlage der vom Röntgenstrahlendetektor erfassten Röntgenstrahlen ausgestattet, wobei die CT-Vorrichtung als Röntgenstrahlendetektor einen Strahlungsdetektor verwendet, in dem der vorerwähnte Leuchtstoff und eine Photodiode kombiniert sind.
Unter Verwendung dieses Röntgenstrahlendetektors lassen sich qualitativ hochwertige, hochauflösende Bilder erhalten, da es die hohe Röntgenstrahlendetektionsrate ermöglicht, annähernd eine Verdoppelung der Empfindlichkeit im Vergleich zu einer Röntgenstrahlen-CT-Apparatur unter Verwendung eines herkömmlichen Szintillators (wie CdWO₄) zu erreichen, und auch aufgrund der Tatsache, dass das Nachglühen äußerst gering ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt die Anordnung einer Röntgenstrahlen-CT-Apparatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt die Struktur eines Strahlungsdetektors (Röntgenstrahlendetektor) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Detektor-Leuchtleistung mit der Ce-Konzentration in einem erfindungsgemäßen Leuchtstoff verändert. 4 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Detektor-Leuchtleistung mit der Ce-Konzentration in einem erfindungsgemäßen Leuchtstoff verändert. 5 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Detektor-Leuchtleistung mit der Ga-Konzentration in einem erfindungsgemäßen Leuchtstoff verändert. 6 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Detektor-Leuchtleistung mit der Art der Flussmittelkomponenten, die während der Herstellung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffes zugesetzt werden, verändert. 7 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Detektor-Leuchtleistung mit der Menge des Flussmittels (Kaliumsulfat) ändert. 8 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Detektor-Leuchtleistung mit der Menge des Flussmittels (Kaliumnitrat) ändert.
Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
Nachstehend wird die mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor ausgestattete Röntgen-CT-Apparatur anhand einer Ausführungsform erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Röntgen-CT-Apparatur. Die Vorrichtung umfasst ein Scannergerüst 10 und einen Bildrekonstruktionsbereich 20. Das Scannergerüst 10 umfasst eine sich drehende Scheibe 11 mit einem offenen Bereich 14, in die der Patient (das zu untersuchende Objekt) gebracht wird, eine an der sich drehenden Scheibe 11 angebrachte Röntgenstrahlenröhre 12, einen an der Röntgenstrahlenröhre 12 angebrachten Kollimator 13 zur Steuerung der Richtung des Röntgenstrahls, einen an der sich drehenden Scheibe 11 angebrachten Röntgenstrahlendetektor 15, der der Röntgenstrahlenröhre 12 zugewandt ist, eine Detektorschaltung 16 zur Umwandlung der durch den Röntgenstrahlendetektor 15 erfassten Röntgenstrahlen in ein vorgegebenes Signal und eine Abtaststeuerschaltung 17 zur Steuerung der Drehung der sich drehenden Scheibe 11 und der Breite des Röntgenstrahls.
Der Bildrekonstruktionsbereich 20 umfasst eine Eingabeeinrichtung 21 zur Eingabe des Namens des Patienten, des Datums und des Zeitpunkts der Untersuchung, der Untersuchungsbedingungen und dergl., eine Bildverarbeitungsschaltung 22 zur Verarbeitung der aus der Detektorschaltung 16 übermittelten Messdaten S1 zur Durchführung der CT-Bildrekonstruktion, einen Bild-Informationsergänzungsbereich 23 zur Ergänzung des von der Bildverarbeitungseinheit 22 erstellten CT-Bilds mit dem Namen des Patienten, dem Datum und dem Zeitpunkt der Untersuchung, den Untersuchungsbedingungen und anderen Informationen, die über die Eingabeeinrichtung 21 eingegeben worden sind, und eine Anzeigeschaltung 24 zum Einstellen der Anzeigeverstärkung des mit der Bildinformation versehenen CT-Bildsignals S2 und dessen Ausgabe an einen Anzeigemonitor 30.
Röntgenstrahlen gelangen von der Röntgenstrahlenröhre 12 der Röntgenstrahlen-CT-Apparatur, in der der Patient auf einem Tisch (nicht abgebildet), der im offenen Bereich 14 des Scannergerüst-Bereiches 10 angebracht ist, liegt. Die Röntgenstrahlen werden durch den Kollimator 13 dirigiert und vom Röntgenstrahlendetektor 15 erfasst. Durch Drehung der sich drehenden Scheibe 11 um den Patienten werden zu diesem Zeitpunkt die Röntgenstrahlen erfasst, während sich die Richtung des Röntgenstrahls ändert. Im Fall einer vollständigen Abtastung ist ein Abtastabgang als eine Drehung (360°) der sich drehenden Scheibe definiert. Das Bild eines Schnittes wird aus den Messdaten für einen Abtastvorgang rekonstruiert. Das durch den Bildrekonstruktionsbereich 20 erzeugte tomographische Bild wird am Anzeigemonitor 30 dargestellt.
Der Röntgenstrahlendetektor 15 weist zahlreiche (z. B. 960) Szintillatorelemente auf, die jeweils aus einer Kombination aus einem Szintillator und einer Photodiode bestehen, die in einer bogenförmigen Anordnung angeordnet sind. Wie in 2 dargestellt, weist jedes Szintillatorelement eine Struktur auf, bei der ein Szintillator 151 und eine PIN-Photodiode 152 kombiniert sind. Die p-Schichtseite der PIN-Photodiode 152 ist mit der Detektorschaltung 16 verbunden. Das gesamte Element mit Ausnahme der p-Schicht der PIN-Photodiode 152 ist mit einem Schirm 153 bedeckt, um zu verhindern, dass vom Szintillator 151 emittiertes Licht nach außen entweicht. Der Schirm 153 ist aus einem Material, wie Aluminium, gefertigt, das Röntgenstrahlen durchlässt und Licht reflektiert.
Beim Szintillator 151 handelt es sich um einen Leuchtstoff, der bei Absorption von Röntgenstrahlen, die ihn aus der Röntgenstrahlenröhre 12 nach Passage durch den Patienten erreichen, Licht emittiert. Er besteht aus dem erfindungsgemäßen Leuchtstoff. Der Szintillator 151 weist eine höhere Leuchtleistung als herkömmliche Szintillatoren auf. Da ferner seine Emission Emissionspeaks aufweist, die den hochgradig lichtempfindlichen Wellenlängenbereich der PIN-Photodiode 152 überstreichen, wird diese durch die PIN-Photodiode 152 mit einem hohen Wirkungsgrad photoelektrisch umgewandelt.
Während der Aufnahme von tomographischen Bildern mit dieser Anordnung emittiert die Röntgenstrahlenröhre 12 kontinuierlich gefächerte Röntgenstrahlen, da die Röntgenstrahlenröhre etwa alle 1 bis 4 Sekunden eine Umdrehung ausführt. Während dieses Zeitraums werden die durch den Gegenstand tretenden Röntgenstrahlen erfasst, wobei die Seite der Detektorschaltung 16 mehrere 100-mal an- und abgeschaltet wird. Daher ist ein Röntgenstrahlendetektor 15 mit hoher Leistung und kurzer Nachglühzeit erforderlich. Da sich die erfindungsgemäße Röntgenstrahlen-CT-Apparatur eines Röntgenstrahlendetektors 15 mit hoher Leistung und kurzer Nachglühzeit bedient, kann sie qualitativ hochwertige CT-Bilder liefern. Außerdem lässt sich aufgrund der hohen Leuchtleistung das gleiche Bild mit einer geringeren Röntgenstrahlenmenge erhalten, wodurch die vom Patienten aufgenommene Röntgenstrahlendosierung verringert werden kann.
Obgleich die vorstehende Erläuterung unter Bezugnahme auf die Zeichnung sich auf eine Röntgenstrahlen-CT-Apparatur unter Verwendung einer Röntgenstrahlenröhre bezog, ist die Röntgenstrahlenquelle nicht auf eine Röntgenstrahlenröhre begrenzt, vielmehr kann es sich auch um eine Röntgenvorrichtung vom Beam-Typ handeln, die einen Beam-Abtastvorgang vornimmt.
Beispiele
Beispiel 1
Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterial verwendet und mit BaF₂ als Flussmittelkomponente vermischt. Das Gemisch wurde in einen Aluminiumoxid-Schmelztiegel gegeben. Nach Bedecken des Schmelztiegels wurde ein 3-stündiger Brennvorgang bei 1 600°C durchgeführt. Die gebrannten Materialien wurden 1 Stunde mit einer wässrigen 2 N HNO₃-Lösung behandelt, um die Flussmittelkomponente zu entfernen, mit Wasser gewaschen und sodann unter Bildung eines Szintillatorpulvers getrocknet.
Das auf diese Weise erhaltene Szintillatorpulver wurde einem Pressformvorgang unterzogen. Das geformte Material wurde einem Heißpressvorgang bei 1 700°C und 50,7 MPa (500 atm) unterzogen, um einen Sinterkörper zu erhalten.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren wurden keramische (Gd_1-xCe_x)₃Al₃Ga₂O₁₂-Szintillatoren mit verschiedenen Ce-Konzentrationen (x) hergestellt (Dicke 2,5 mm). Unter Verwendung der einzelnen Szintillatoren zusammen mit einer Photodiode wurden Detektoren hergestellt und in einem Abstand von 15 cm von einer Röntgenstrahlungsquelle (120 kV, 0,5 mA) angeordnet. Die Leuchtleistung dieser Vorrichtung wurde gemessen.
Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt, wobei die Leuchtleistung auf der Ordinate und die Ce-Konzentration (x) auf der Abszisse aufgetragen sind. Die Leuchtleistung wurde als relativer Wert dargestellt, wobei die Leuchtleistung eines CdWO₄-Detektors auf 1 festgesetzt wurde.
Wie aus den in dieser Figur dargestellten Ergebnissen klar ersichtlich ist, konnte im Vergleich zum CdWO₄-Detektor im Ce-Konzentrationsbereich (x) von 0,005-0,015 die 1,5-fache oder höhere Leuchtleistung erzielt werden, und bei einer Ce-Konzentration (x) von 0,002 die 2,0-fache oder höhere Leuchtleistung.
Beispiel 2
Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet und mit BaF₂ als Flussmittelkomponente vermischt. Anschließend wurden keramische (Gd_1-xCe_x)₃Al₂Ga₃O₁₂-Szintillatoren mit verschiedenen Ce-Konzentrationen (x) auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt (Dicke 2,5 mm). Detektoren wurden unter Verwendung der einzelnen Szintillatoren zusammen mit einer Photodiode hergestellt. Ihre Leuchtleistung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt, wobei die Leuchtleistung auf der Ordinate und die Ce-Konzentration (x) auf der Abszisse aufgetragen sind.
Wie aus den in der Figur dargestellten Ergebnissen klar ersichtlich ist, konnte auch in diesem Beispiel eine Leuchtleistung vom 1,5-fachen oder mehr des CdWO₄-Detektors im Bereich einer Ce-Konzentration (x) von 0,005-0,015 und vom 1,9-fachen oder mehr bei der Ce-Konzentration (x) von 0,002 erzielt werden.
Beispiel 3
Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet und mit BaF₂ als Flussmittelkomponente vermischt. Anschließend wurden keramische (Gd_0,998Ce_0,002)₃Al_5-yGa_yO₁₂-Szintillatoren mit verschiedenen Al- und Ga-Konzentrationen (y) (Dicke 2,5 mm) auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Unter Verwendung der einzelnen Szintillatoren zusammen mit einer Photodiode wurden Detektoren hergestellt. Ihre Leuchtleistung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt, wobei die Leuchtleistung auf der Ordinate und die Ga-Konzentration auf der Abszisse aufgetragen sind.
Wie aus den in der Figur dargestellten Ergebnissen klar ersichtlich ist, wurde nur eine geringe Emission beobachtet, wenn im Szintillator nur einer der Bestandteile Al und Ga enthalten war, während eine deutliche Emission beobachtet wurde, wenn die beiden Bestandteile Al und Ga enthalten waren. Bei einer Ga-Konzentration (y) im Bereich von 2-3 ließ sich die höchste Leuchtleistung (das 2-fache des CdWO₄-Detektors) erzielen.
Vergleichsbeispiel 1
Gd₂O₃, La₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet und mit BaF₂ als Flussmittelkomponente vermischt. Anschließend wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein keramischer (Gd_0,898La_0,1Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂-Szintillator hergestellt (Dicke 2,5 mm). Ein Detektor wurde unter Verwendung des Szintillators zusammen mit einer Photodiode hergestellt. Seine Leuchtleistung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Leuchtleistung das 0,8-fache der Leuchtleistung des CdWO₄-Detektors betrug, was im Vergleich zu dem Fall, bei dem La nicht zugesetzt wurde, wesentlich niedriger war.
Vergleichsbeispiel 2
Gd₂O₃, Y₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet und mit BaF₂ als Flussmittelkomponente vermischt. Anschließend wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein keramischer (Gd_0,898Y_0,1Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂-Szintillator hergestellt (Dicke 2,5 mm). Ein Detektor wurde unter Verwendung des Szintillators zusammen mit einer Photodiode hergestellt. Seine Leuchtleistung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Leuchtleistung betrug im Vergleich zur Leistung von CdWO₄ das 1,36-fache, was im Vergleich zu dem Fall, bei dem La nicht zugesetzt wurde, niedriger war.
Beispiel 4
Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet und im stöchiometrischen Verhältnis vermischt. Kaliumsulfat wurde dem Gemisch als Flussmittelkomponente zugesetzt. Das Gemisch wurde in einen Aluminium-Schmelztiegel gebracht. Nach Bedecken des Schmelztiegels wurde ein 2-stündiger Brennvorgang bei 1 600°C durchgeführt. Die Flussmittelmenge betrug 0,5 mol pro 1 mol des zu erhaltenden Leuchtstoffes. Die gebrannten Materialien wurden zur Entfernung der Flussmittelkomponente gründlich mit Wasser gewaschen und sodann unter Bildung eines Szintillatorpulvers getrocknet.
Das auf diese Weise erhaltene Szintillatorpulver wurde einem Pressformvorgang unterzogen. Anschließend wurde das geformte Material bei 1 500°C und 30,4 MPa (300 atm) einem Heißpressvorgang unterzogen. Man erhielt einen Sinterkörper der Zusammensetzung (Gd_0,998Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂.
Unter Verwendung des Szintillators (Dicke 2,5 mm) zusammen mit einer Photodiode wurde ein Detektor hergestellt und in einem Abstand von 15 cm von einer Röntgenstrahlenquelle (120 kV, 0,5 mA) angeordnet. Die Leuchtleistung wurde gemessen.
Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt, wobei auf der Ordinate die Leuchtleistung in relativen Werten aufgetragen ist und die Leuchtleistung des CdWO₄-Detektors mit 1 festgelegt wird. Die Leuchtleistung des in Beispiel 3 erhaltenen Detektors, bei dem ein Szintillator der gleichen Zusammensetzung (jedoch unter Verwendung von BaF₂ als Flussmittelkomponente) verwendet wird, ist ebenfalls in der Figur dargestellt.
Beispiele 5 und 6
Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet. Sinterkörper der Zusammensetzung (Gd_0,998Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂ wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine andere Flussmittelkomponente, nämlich Kaliumnitrat (Beispiel 5) oder Kaliumcarbonat (Beispiel 6), verwendet wurde. Das Kaliumnitrat wurde in einer Menge von 1 mol pro 1 mol des herzustellenden Leuchtstoffes und das Kaliumcarbonat in einer Menge von 0,5 mol verwendet.
Unter Verwendung der einzelnen Sinterkörper wurden Detektoren auf ähnliche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt. Die Leuchtleistung wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 3
Gd₂O₃, Ce₂(C₂O₄)₃·9H₂O, Al₂O₃ und Ga₂O₃ wurden als Ausgangsmaterialien verwendet. Ein Sinterkörper der Zusammensetzung (Gd_0,998Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂ wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, mit der Ausnahme, dass keine Flussmittelkomponente verwendet wurde. Unter Verwendung dieses Sinterkörpers wurde ein Detektor auf ähnliche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt. Die Leuchtleistung des Detektors wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt.
Wie aus den in der Figur dargestellten Ergebnissen klar ersichtlich ist, ließ sich eine hohe Leuchtleistung im Sinterkörper, der nach Brennen mit einer Flussmittelkomponente hergestellt worden war, erhalten. Gleichermaßen war bei Verwendung eines Kaliumsalzes als Flussmittelkomponente die Leuchtleistung höher (etwa das 2,2-fache des Werts von CdWO₄) als im Fall von BaF₂, einer Flussmittelkomponente, die allgemein für derartige Leuchtstoffe vom YAG-System verwendet wird.
Beispiel 7
Sinterkörper der Zusammensetzung (Gd_0,998Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂ wurden unter Verwendung von Kaliumsulfat als Flussmittel auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, wobei aber die Menge der Flussmittelkomponente abgeändert wurde. Der Kaliumgehalt wurde in den erhaltenen Sinterkörpern analysiert. Unter Verwendung der einzelnen Sinterkörper wurden Detektoren auf ähnliche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt. Ihre Leuchtleistung wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in 7 dargestellt. In der Figur bedeuten die an den einzelnen Punkten des Diagramms wiedergegebenen Ziffern den Kaliumgehalt (Gew.-ppm).
Wie aus der Figur klar ersichtlich ist, stieg die Leuchtleistung in etwa linear mit der Zugabe an. Bei einem Gehalt im Bereich von 100-200 Gew.-ppm betrug die Leuchtleistung das 1,5-fache oder mehr der mit CdWO₄ erhaltenen Leuchtleistung. Insbesondere ergab sich ein 2-facher oder größerer Wert, wenn der Kaliumgehalt etwa 150 Gew.-ppm betrug.
Beispiel 8
Sinterkörper der Zusammensetzung (Gd_0,998Ce_0,002)₃Al₃Ga₂O₁₂ wurden unter Verwendung von Kaliumnitrat als Flussmittel auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, wobei aber die Menge der Flussmittelkomponente abgeändert wurde. Der Kaliumgehalt wurde für die erhaltenen Sinterkörper analysiert. Unter Verwendung der einzelnen Sinterkörper wurden Detektoren auf ähnliche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt. Ihre Leuchtleistung wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in 8 dargestellt. In der Figur bedeuten die an den einzelnen Punkten des Diagramms wiedergegebenen Ziffern den Kaliumgehalt (Gew.-ppm).
Wie aus der Figur klar ersichtlich ist, wurde bei Verwendung von Kaliumnitrat als Flussmittelkomponente ähnlich wie in Beispiel 7, in dem Kaliumsulfat verwendet wurde, eine hohe Leuchtleistung bei einem Kaliumgehalt von 100 Gew.-ppm oder mehr erzielt. Insbesondere ergab sich ein etwa 2-facher oder größerer Wert im Vergleich zu CdWO₄ bei einem Kaliumgehalt im Bereich von 130-150 Gew.-ppm.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Erfindungsgemäß wird ein Leuchtstoff der Zusammensetzung (Gd_1-z-xL_zCe_x)₃Al_5-yGa_yO₁₂ bereitgestellt, der eine hohe Leuchtleistung und eine sehr kurze Nachglühzeit aufweist. Erfindungsgemäß wird ferner ein Sinterkörper mit der vorerwähnten Zusammensetzung und einer hohen optischen Durchlässigkeit bereitgestellt. Ein Strahlungsdetektor, der diesen Sinterkörper in Kombination mit einer Silicium-Photodiode umfasst, zeigt in vorteilhafter Weise im Vergleich zu einem herkömmlichen Detektor eine deutlich erhöhte Leuchtleistung.

Claims

Leuchtstoff, dargestellt durch die allgemeine Formel: (Gd_1-z-xL_zCe_x)₃Al_5-yGa_yO₁₂ worin L La oder Y darstellt und x, y und z Werte im Bereich von 0,0005 ≤ x ≤ 0,015, 0 < y < 5 und 0 ≤ z < 0,2 sind.
Leuchtstoff gemäss Anspruch 1, worin z 0 ist.
Leuchtstoff gemäss Anspruch 1, worin z ein Wert im Bereich von 0 < z < 0,2 ist.
Verfahren zur Herstellung des Leuchtstoffs gemäss Anspruch 3, umfassend das Druckformen des Ausgangsmaterialpulvers und Schmelzen des geformten Materials.
Verfahren zur Herstellung des Leuchtstoffs gemäss Anspruch 1, umfassend das Härten des Ausgangsmaterialpulvers mit Flussmittelkomponenten zum Erhalt eines Szintillatorpulvers, Druckformen des Szintillatorpulvers und Sintern des geformten Materials.
Verfahren gemäss Anspruch 5, worin die Fliessmittelkomponenten Kaliumverbindungen sind.
Verfahren gemäss Anspruch 6, worin die Kaliumverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe aus Kaliumsulfat, Kaliumnitrat und Kaliumcarbonat.
Leuchtstoff oder Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Leuchtstoff Kalium in einer Menge von 10 Gew.-ppm oder mehr enthält.
Leuchtstoff oder Verfahren gemäss Anspruch 8, worin der Leuchtstoff Kalium in einer Menge von 50 bis 500 Gew.-ppm enthält.
Strahlungsdetektor, umfassend einen keramischen Szintillator und einen Photodetektor zum Detektieren von Szintillatorstrahlung, worin der Leuchtstoff gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8 bis 9 als keramischer Szintillator verwendet wird.
Strahlungsdetektor gemäss Anspruch 10, worin der Photodetektor eine Photodiode ist.
Röntgenstrahlungs-CT-Apparatur, umfassend eine Röntgenstrahlenquelle, einen Röntgenstrahlendetektor, der gegenüber der Röntgenstrahlenquelle angeordnet ist, eine Dreheinheit, die die Röntgenstrahlenquelle und den Röntgenstrahlendetektor trägt, und Drehen derselben um das zu untersuchende Objekt, und Rekonstruktionsmittel zum Rekonstruieren eines tomographischen Bildes des Objekts auf Basis der Intensität der durch den Röntgenstrahlendetektor detektierten Röntgenstrahlen, worin der Röntgenstrahlendetektor der Strahlungsdetektor gemäss einem der Ansprüche 10 und 11 ist.