JP2001072968A - 透明な固体シンチレータ材料 - Google Patents
透明な固体シンチレータ材料Info
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Abstract
光に急速に変換するための透明なシンチレータ材料を提
供する。 【解決手段】 シンチレータ材料は、立方晶ガーネット
・ホスト及び賦活剤としてのプラセオジムを含んでい
る。かかるシンチレータ材料は、多結晶質セラミック材
料であり得る。この多結晶質セラミック材料は、沈殿に
よって生成された粉末を焼結することによって製造され
る。かかるシンチレータ材料は、コンピュータ断層撮影
(CT)装置又はその他のX線撮像装置中に組込むこと
ができる。かかるシンチレータ材料はまた、高速応答X
線検出装置中にも組込むことができる。
Description
X線)をシンチレーション光に急速に変換するための賦
活剤としてプラセオジムを含有する透明な固体シンチレ
ータ材料に関する。本発明はまた、かかるシンチレータ
材料を組込んだ励起エネルギー検出装置(特にX線検出
装置)にも関する。
収し、そして電磁エネルギーを放出する。励起エネルギ
ーが電磁放射である場合、発光材料は電磁スペクトルの
ある領域内の励起電磁エネルギーを吸収し、そして一般
に電磁スペクトルの別の領域内のエネルギーを放出す
る。粉末状の発光材料は蛍光体と呼ばれるのに対し、透
明な固体状の発光材料はシンチレータと呼ばれる。
性のホスト材料中に賦活剤のイオンを含有させることに
よってそれを変性して成るものである。不純物賦活型発
光材料の場合、それのホスト材料格子が入射光子を吸収
すると、吸収されたエネルギーは賦活剤イオンによって
取込まれるか、あるいは格子によって賦活剤イオンに伝
達される。その結果、発光性の賦活剤イオンのより高い
励起状態に上げられる。それらのイオンがより低い励起
状態に戻る際、発光電磁エネルギーの光子が放出される
のである。
電子、電磁放射又はその他のエネルギー形態を取り得
る。X線シンチレータは、X線を吸収してシンチレーシ
ョン電磁放射を放出するシンチレータ材料から成る。通
例、かかるシンチレーション電磁放射は電磁スペクトル
の可視域内にある。X線シンチレータを用いた典型的な
X線検出器は、X線を吸収するシンチレータ材料と、X
線の吸収の結果としてシンチレータから放出されるシン
チレーション光を検出する光検出器とを含んでいる。一
般に、シンチレータ材料がより多くのX線を吸収すれ
ば、シンチレータ材料は光検出器に向けてより多くのシ
ンチレーション光を放出し、そして光検出器からはシン
チレーション光に対応したより大きい信号出力が得られ
る。
X線診断装置(たとえば、医学診断装置)及び手荷物検
査装置においてしばしば使用される。X線シンチレータ
材料の特定の用途の一例は、コンピュータ断層撮影装置
(又はCTスキャナ)のごとき医学用撮像装置における
使用である。典型的なCTスキャナにおいては、X線源
及びX線検出器アレイが被験者の両側に配置され、そし
て互いに一定の関係を保ちながら被験者の回りに回転さ
せられる。シンチレータ材料を用いたCTスキャナにお
いては、セル(又は素子)のシンチレータ材料が該セル
に入射したX線を吸収し、そして光を放出する。この光
が、該セルに対応した光検出器によって捕集される。か
かるデータ収集に際しては、検出器アレイ中の各々のセ
ル(又は素子)は該セル中におけるシンチレーション光
の強度を表わす出力信号を生み出す。これらの出力信号
を処理することにより、CTスキャナ業界において公知
のごとくにして被験者の画像が作成される。
いて使用されるシンチレータ材料は、幾つかの重要な特
性を有していなければならない。第一に、X線を使用す
るCTスキャナにおいては、コンピュータ断層撮影によ
る画像を得る目的で患者に照射すべきX線量を最少限に
抑えるため、実質的に全ての入射X線をシンチレータ材
料中に吸収することが望ましい。実質的に全ての入射X
線を捕集するためには、シンチレータ材料はX線光子を
効果的に阻止するのに十分な密度を有していなければな
らない。
換効率を有していなければならない。すなわち、放出さ
れるシンチレーション光子の数と吸収されるX線光子の
数との比が高くなければならないのである。シンチレー
タ材料の量子効率が高ければ、より多くのシンチレーシ
ョン光子が放出され、その結果としてシンチレーション
光検出器によって検出されるシンチレーション光子の数
が大きくなるので有利である。
像装置用途のためのシンチレータ材料として有用である
ことが知られていて、その実例としてはユウロピウムを
添加した酸化イットリウムガドリニウム〔(Y,Gd)2
O3〕及びプラセオジムを添加したGd2O2Sが挙げら
れる。これらの材料はいずれも、X線光子を効果的に阻
止するために必要な密度を有すると共に、シンチレータ
材料中に吸収されたX線エネルギーをEu及びPr賦活
剤から放出される可視光に効率的に変換する。しかしな
がら、(Y,Gd)2 O3 :EuはEu発光の減衰時間
が長く、従って高速走査CT装置において見られるよう
にX線信号が急速に変化する場合の用途におけるそれの
有用性は制限される。Gd2 O2 S:Prは六方晶系の
結晶構造を有するが、これは多結晶質セラミック固体の
場合に散乱を生じる。そのため、発光した光が固体から
脱出してシンチレーション光検出器に入射する効率が低
下する。
ータ材料の選択を更に複雑にするのは、どの材料が高速
走査CT装置用として重要な上記の性質を有するかを先
験的に予測するのが困難なことである。たとえば、発光
材料の特性決定の多くは刺激放射線として紫外線を使用
することによって行われてきた。なぜなら、紫外線はX
線よりも容易に得ることができ、しかも一般にX線より
害が少ないと考えられているからである。残念ながら、
紫外線による刺激に応答して発光を示すが、X線による
刺激に応答して発光を示さないような多数の材料が存在
する。それ故、多くの材料については、発光データが入
手し得るとしても、その材料がX線による刺激に応答し
て発光を示すという保証は得られないのである。
置においてはしばしば望ましくないシンチレータ材料の
特性である。X線検出用シンチレータにおける残光は、
X線励起によってシンチレータから発生するルミネセン
スがシンチレータによるX線の吸収から長時間後にもま
だ観測されるという現象である。X線を吸収するとシン
チレータは光を放出するが、その光の強度は指数関数的
速度で急速に減衰する。このような最初の指数関数的減
衰速度が一次減衰速度である。加えて、シンチレータは
強度のより低い光をも放出するが、この光の強度は一次
減衰速度の光よりも遥かにゆっくりと減衰する。このよ
うにゆっくりと減衰する光は残光と呼ばれる。
刺激によるシンチレーション光から現在のX線刺激によ
るシンチレーション光を識別し得るようにするため、残
光は少ないことが望ましい。このことは、相次ぐ刺激間
の時間が短い高速走査装置にとって特に重要である。
は、刺激X線に応答してシンチレータ材料により放出さ
れる光の量が高放射線量への暴露後に変化するようなシ
ンチレータ材料の特性である。かかる放射線損傷は、高
線量のX線に対するシンチレータ材料の暴露の前後に放
出される誘導シンチレーション光の強度の減少率として
表わすことができる。すなわち、放射線損傷値が小さく
なるほどX線シンチレータ材料の有用性は大きくなる。
なぜなら、かかるシンチレータ材料は刺激X線の強度と
放出されるシンチレーション光との間の比例関係の較正
を変化させることなしにより高いX線量に耐え得るから
である。
短い一次減衰時間及び高い透明度を有するシンチレータ
材料を提供することは望ましいわけである。また、残光
及び放射線損傷の少ないシンチレータ材料を提供するこ
とも望ましい。
体シンチレータ材料が提供される。この固体シンチレー
タ材料は立方晶ガーネット・ホスト材料を含んでいる。
この固体シンチレータ材料はまた、賦活剤として作用す
るプラセオジムをも含んでいる。
ュータ断層撮影装置が提供される。このコンピュータ断
層撮影装置は、X線源と、透明な固体シンチレータ材料
と、透明な固体シンチレータ材料に対して光学的に結合
されてシンチレーション光を検出するためのシンチレー
ション光検出器とを含んでいる。上記の固体シンチレー
タ材料は立方晶ガーネット・ホスト材料を含んでいる。
かかる固体シンチレータ材料はまた、賦活剤として作用
するプラセオジムをも含んでいる。
速応答X線検出装置が提供される。この高速応答X線検
出装置は、透明な固体シンチレータ材料と、透明な固体
シンチレータ材料に対して光学的に結合されてシンチレ
ーション光を検出するためのシンチレーション光検出器
とを含んでいる。上記の固体シンチレータ材料は立方晶
ガーネット・ホスト材料を含んでいる。かかる固体シン
チレータ材料はまた、賦活剤として作用するプラセオジ
ムをも含んでいる。
明な多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製造
方法が提供される。この方法に従えば、賦活剤としてプ
ラセオジムを含有する立方晶ガーネット・ホスト材料か
ら成る蛍光体粉末が調製される。この蛍光体粉末を加圧
成形することによって粉末成形体が形成され、次いでそ
の粉末成形体が焼結される。
光体粉末が提供される。この蛍光体粉末は、立方晶ガー
ネット・ホスト材料と、賦活剤として作用するプラセオ
ジムとを含んでいる。この蛍光体粉末はまた、立方晶ガ
ーネット・ホスト材料中に分布した残光低減元素をも含
んでいる。
チレータ材料は、一般に短い一次減衰時間及び良好な透
明性を有している。好ましくは、かかるシンチレータ材
料は立方晶ガーネット・ホスト材料を含んでいて、これ
は焼結することによって高い透明度を有する多結晶質セ
ラミックを形成することができる。ホスト材料が六方晶
系の結晶構造ではなく立方晶系の結晶構造を有するた
め、かかる多結晶質材料中の光散乱は低減する。ガーネ
ットは、結晶化学式A3B5O12〔式中、A陽イオンには
8個の酸素が配位しており、かつB陽イオンには酸素が
八面体形(6個)又は四面体形(4個)に配位してい
る〕を有する1群の物質である。その結晶構造は、8つ
の式単位を含む単位胞当り160個のイオンを有する立
方晶である。本発明にとって適当な立方晶ガーネット・
ホスト材料としては、たとえば、ガドリニウム・ガリウ
ム・ガーネット(GGG)(Gd3 Ga5 O12)、ガド
リニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット(Gd
3 Sc2 Ga3 O12)、ガドリニウム・スカンジウム・
アルミニウム・ガーネット(Gd3 Sc2 Al
3 O12)、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット(L
u3 Al5 O12)及びイットリウム・ガリウム・ガーネ
ット(Y3 Ga5 O12)が挙げられる。上記の例におい
て、(一般式A3 B5 O12中の)B部位は(たとえば、
ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット中
のSc2 Ga3 のように)2種の元素で占められること
がある。また、別の元素においては、A部位が2種の元
素で占められることがある。本発明の実施の態様に従え
ば、発光賦活剤はプラセオジムであることが好ましい。
ル%で表わされている。ここで言う「モル%」は、ガー
ネットA3 B5 O12中のA部位に対する賦活剤のモル%
を指す。たとえば、GGG中において5.0モル%のプ
ラセオジムとは、ガドリニウムの5モル%が等しいモル
数のプラセオジムで置換されていることを意味す。
結晶質セラミック材料から成り得る。立方晶ガーネット
・ホスト材料を含む多結晶質セラミック・シンチレータ
材料を製造するための技術は公知であって、たとえば米
国特許第5484750号明細書中に開示されている。
単結晶ガーネット材料は、米国特許第5057642号
明細書中に開示されたもののごとき技術によって製造す
ることができる。
シンチレータ材料を製造するための方法は、米国特許第
5484750号明細書中に開示されたものと同様であ
って、以下に示す通りである。これらの方法に従えば、
適当量の所望陽イオンから原料塩酸溶液が調製される。
「適当量」とは、所望の相対比率で陽イオンを含有する
最終の透明固体を与えるような相対濃度を意味する。す
なわち、陽イオンが原料塩酸溶液中と同じ相対濃度で最
終の透明固体中に存在するような場合には、それは原料
塩酸溶液中に所望される相対濃度である。原料塩酸溶液
を最終の透明な多結晶質固体に転化する工程中において
1種以上の陽イオンの量が他の陽イオンの量に比べて減
少するような場合には、原料塩酸溶液中の適当量は所望
の組成を有する最終の透明なガーネット固体を与えるよ
うな量である。
光及び量子効率に影響を及ぼすことのある未知(又は管
理されない)不純物を最少限に抑えるため、原料化合物
は99.99%以上の純度を有することが好ましい。
1つは、酸化物の形態の原料陽イオンを熱濃塩酸中に溶
解するというものである。厳密に管理された最終ガーネ
ット組成が所望される場合、特に不純物の不存在が望ま
しいと考えられる場合には、99.99%以上の純度を
有する原料化合物を使用することが好ましい。もちろ
ん、所望ならば、酸化物ではなく塩化物として原料陽イ
オンを供給することもできる。原料塩酸溶液にはまた、
プラセオジム賦活剤をたとえば塩化プラセオジム、硝酸
プラセオジム又は酸化プラセオジムとして添加すること
もできる。原料化合物が熱濃塩酸中に完全に溶解した
後、得られた溶液が室温にまで冷却される。こうして得
られた溶液は澄明であると共に、原料化合物のいずれか
が沈殿又は沈降していてはならない。原料化合物の沈殿
又は沈降が起こった場合には、溶液を再加熱し、そして
追加の塩酸を溶液に添加する必要がある。そうすれば、
再び室温にまで冷却した時、沈殿や沈降は起こらない。
すなわち、原料化合物が室温においてそれらの溶解限度
以上で存在しないことを保証するのに十分なだけの塩酸
を使用する必要があるわけである。
のアンモニア及びシュウ酸を溶解することによってシュ
ウ酸アンモニウム〔(NH4 )2 C2 O4 〕溶液を調製
することができる。一般に、陽イオンを含有する原料塩
化物溶液との完全な反応を保証するのに十分なだけのシ
ュウ酸アンモニウムを調製する必要がある。このシュウ
酸アンモニウム溶液は、通例、約7.5〜約9.5の範
囲内のpHを有している。なお、このシュウ酸アンモニ
ウム溶液のpHは8.0〜8.5の範囲内にあることが
好ましいと考えられる。
ュウ酸アンモニウム溶液を攪拌しながら、その中に陽イ
オンを含有する原料塩化物溶液が滴下される。2種の溶
液が接触すると、直ちに白色の沈殿が生成する。混合容
器内に磁気攪拌棒を配置することは、少量のバッチを製
造する場合にこれらの溶液を攪拌するための好適な方法
である。全ての原料塩化物溶液をシュウ酸アンモニウム
溶液に添加してしまえば、沈殿の生成は完了する。
液に添加する工程においては、シュウ酸アンモニウム溶
液のpHをpH計で監視し、そして必要ならば該溶液に
シュウ酸アンモニウムを添加することによってそのpH
を8.0〜8.5の範囲内に維持することが好ましい。
粒子を成して生成するから、最初はシュウ酸アンモニウ
ム溶液中に沈殿が懸濁したコロイド懸濁液が生じる。沈
殿工程の完了後には、このコロイド懸濁液はゆっくりと
沈降し、そして容器の底には白色の沈殿を生じると共
に、その上方には澄明な溶液を生じる。このような沈降
工程は、沈殿を含有する液体の濾過及び(又は)遠心分
離によって促進することができる。
水及び(又は)アルコールで洗浄することもできる。そ
のためには、沈殿を沈降させ、注出又はその他の方法で
大部分の液体を除去し、洗浄水又はアルコールを添加
し、沈殿を再び沈降させ、次いで澄明な液体を再び除去
すればよい。高い純度及び(又は)厳密に管理された組
成を有する最終の透明なガーネットが所望される場合に
は、洗浄水は高純度の脱イオン水であることが必要であ
り、またアルコールは標準試薬級の純度を有することが
必要である。このような洗浄工程により、過剰のシュウ
酸アンモニウム及び反応生成物(たとえば塩化アンモニ
ウム)が沈殿から除去される。次いで、濾過、遠心分離
又はその他適宜の技術によって沈殿が洗浄液から分離さ
れる。この沈殿は、実質的に均一な化学組成を有する多
成分の沈殿である。この湿潤沈殿は、現在のところ、
〔ガドリニウム・ガリウム・ガーネット(GGG)を調
製する場合〕シュウ酸アンモニウムガドリニウムガリウ
ムの複合体であると考えられている。しかし、本発明の
成功にとっては、この沈殿の詳細な化学組成又は化学構
造を知ることは必要でない。この沈殿は、たとえば約1
10℃で1日間の炉内乾燥又は真空乾燥によって乾燥す
ることが好ましい。次に、乾燥した沈殿を空気中におい
て約750℃に加熱することによってそれが熱分解され
る。乾燥した沈殿がプラセオジムを含有するシュウ酸ア
ンモニウムガドリニウムガリウムである場合、熱分解の
結果としてプラセオジムを含有するGGGの粉末が得ら
れる。この場合、得られた粉末は蛍光体粉末である。
/平方インチ(psi)までの圧力下で型成形又は静水
圧圧縮成形を施すことによって一般に約55%までの相
対密度を有する焼結用の粉末成形体を形成し、次いでこ
の成形体を酸素中において1500〜1650℃の温度
で焼結した場合、得られるセラミック固体はミクロ構造
のガーネット粒子中に比較的多量の残留気孔が存在する
不透明ないし半透明のものであるのが通例である。
形体を形成することも可能であるが、先ず最初にジルコ
ニア粉砕媒体及び液状ビヒクル(たとえば、メチルアル
コール又はイソプロピルアルコール)を使用しながらボ
ールミル内においてこの粉末を摩砕することが好まし
い。ボールミル処理時間は約4〜24時間の範囲内にあ
れば有効である。あるいはまた、約60〜約100ps
iの圧力設定値の下で流体エネルギーミリング又はジェ
ットミリングを使用することもできる。
0.1〜2ミクロンの範囲内にあるが、これは摩砕後の
粉末の凝集物が摩砕前の粉末中よりも遥かに小さいこと
を表わしている。この摩砕された粉末の加圧成形によっ
て得られた粉末成形体を酸素中において1400〜16
00℃の温度で焼結すれば、理論密度を完全に達成する
ことができる。所望ならば、より高い温度を使用するこ
ともできる。
セラミックは、一般に、加圧成形によって得られた成形
体を酸素中において1400〜1525℃の温度で1〜
3時間にわたり焼結することから成る方法によって製造
される。焼結後の成形体は理論密度の約95〜98%の
範囲内の密度を有する密閉気孔段階のものであるが、こ
れに熱間静水圧圧縮成形が施される。かかる熱間静水圧
圧縮成形を実施する際には、焼結された成形体がモリブ
デン製のるつぼ内に装填され、そして熱間静水圧圧縮成
形(HIP)炉内の雰囲気に由来する汚染の可能性を防
止するためにGd2O3粉末が充填される。次いで、50
00〜25000psiの圧力、約1350〜1600
℃の温度、及び最高温度で15〜60分のソーク時間の
条件を使用しながら、アルゴンガス中において上記の試
料に熱間静水圧圧縮成形が施される。熱間静水圧圧縮成
形の後、得られたセラミック固体は白色の薄い表面被膜
を有するのが通例である。この表面被膜は、軽い機械的
研削によって除去される。
ラセオジム濃度は0.01〜5.0モル%であり、また
0.5〜2.0モル%であれば一層好ましい。残光を低
減させるため、残光低減元素又は放射線損傷低減元素を
添加剤としてシンチレータ材料に添加することもでき
る。かかる添加剤は、たとえば、酸化物又は塩化物とし
て原料塩酸溶液に添加すればよい。ホスト材料がPrを
賦活剤とするGGGである場合、適当な残光低減元素と
してはイッテルビウム、イットリウム、ツリウム、サマ
リウム及びユウロピウムが挙げられ、また適当な放射線
損傷低減元素としてはたとえばツリウムが挙げられる。
オジムを含有するGGG粉末を製造した。得られた蛍光
体粉末にX線を照射し、そして該粉末のシンチレーショ
ン光スペクトルを測定した。図1には、0.5モル%の
プラセオジムを含有するGGG粉末に関するシンチレー
ション光スペクトルが示されている。このシンチレーシ
ョン光スペクトルは、シンチレーション光がプラセオジ
ムに由来するものであることを表わしている。
濃度のプラセオジムを含有するGGG粉末試料を調製し
た。100ミリ秒及び300ミリ秒後におけるこれらの
粉末の相対光出力及び残光を測定した。図2には、これ
らの測定の結果が示されている。これらの粉末の残光は
プラセオジムの濃度が0.5モル%から5.0モル%ま
で増加するのに伴って着実に減少する一方、相対光出力
は0.5〜1.0モル%近辺において最大値に達する。
これらの粉末のシンチレーション光の一次減衰時間は、
約10マイクロ秒であることが判明した。
ガリウム・ガーネット(GGG)をホスト材料とするシ
ンチレータ材料の試料を調製した。GGG中のプラセオ
ジム濃度は0.05〜5.0モル%の範囲内にあった。
2種の試料(試料6及び7)には、残光を低減させるた
めにユウロピウム及びサマリウムをそれぞれ添加した。
ホスト材料、プラセオジムの濃度、(使用した場合に
は)添加剤とその量、相対光強度、並びに100ミリ秒
及び300ミリ秒後の残光が表1中に示されている。表
1中にはまた、1.0モル%のプラセオジムを含有する
ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネットの
試料(試料8)も示されている。
相対光強度成績は1.0モル%のプラセオジム濃度にお
いて得られたことを示している。残光はGGGホスト材
料中におけるプラセオジム濃度の増加に伴って減少し、
そして5.0モル%のプラセオジム濃度(試料5)にお
いて最少となった。しかしながら、プラセオジム濃度が
1.0モル%から5.0モル%に増加するのに伴ってG
GGシンチレータ材料の相対光強度は低下した。
セオジムを含有するGGGシンチレータ材料の試料に対
してユウロピウム及びサマリウムが150モルppmの
量で添加された。Eu又はSmのモルppmは、A3 B
5 O12ガーネット中のA部位に対して測定された値であ
る。1モル%のプラセオジムを含有するGGGシンチレ
ータ材料にユウロピウム及びサマリウムを添加すると残
光が減少したが、同時に相対光強度も僅かに低下した。
に対するツリウム添加の効果を判定するため、2種の別
のシンチレータ材料試料(表1には示さず)を調製し
た。これらの試料はいずれも、1モル%のプラセオジム
を含有していた。しかるに、第1の試料はツリウムを含
有していないのに対し、第2の試料はA3 B5 O12ガー
ネット中のA部位に対して測定して0.25モル%のツ
リウムを含有していた。ツリウムを含有する試料の相対
光強度は、ツリウムを含有しない試料に比べて約10%
だけ低かった。しかるに、ツリウムを含有する試料にお
いては放射線損傷が約25%だけ少なかった。また、ツ
リウムを含有する試料においては100ミリ秒後の残光
が約40%だけ少なかった。このように、ツリウムの添
加はGGGにおける放射線損傷及び残光を共に減少させ
た。
G及びガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネ
ット試料に加え、その他の立方晶ガーネット(たとえ
ば、ガドリニウム・スカンジウム・アルミニウム・ガー
ネット、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット及びイ
ットリウム・ガリウム・ガーネット)を製造することも
できる。
CTスキャナ100が略示されている。このCTスキャ
ナ100は、検査すべき患者又は物体を内部に配置する
ための包囲円筒110を含んでいる。円筒110は、そ
れの中心軸の回りに回転し得るように構成されたガント
リー112によって包囲されている。このガントリー1
12は、ガントリー上の電子装置をCTスキャナの残部
に接続するために使用される方式に応じ、1回転してか
ら戻るように構成される場合もあれば、連続的に回転す
るように構成される場合もある。ガントリー上の電子装
置の中には、好ましくは扇形のX線ビームを発生するX
線源114が含まれている。それによって発生されたX
線ビームは、円筒110の反対側においてガントリー上
に取付けられたシンチレーション検出装置116をそれ
の内部に含んでいる。かかるX線ビームの扇形パターン
は、X線源及びシンチレーション検出装置116によっ
て規定される平面内に配置されている。
X線ビームの平面に対して垂直な方向においては幅が非
常に狭くなっている。シンチレーション検出装置中の各
セル118には、シンチレータ材料から成る透明な固体
棒材及び該棒材に対して光学的に結合された光検出ダイ
オードが組込まれている。かかるX線シンチレータは、
立方晶ガーネット・ホストと、該立方晶ガーネット・ホ
スト内に発光賦活剤として含有されるプラセオジムとか
ら成っている。上記の通り、本発明のシンチレータ材料
用として適した立方晶ガーネット・ホストとしては、ガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・ス
カンジウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・ス
カンジウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム・
アルミニウム・ガーネット及びイットリウム・ガリウム
・ガーネットが挙げられる。
ントリー上に取付けられた演算増幅器に伝達される。各
々の演算増幅器からの出力は、個別の導線120又はそ
の他の電子部品を介してCTスキャナ用の主制御装置1
50に伝達される。図示された実施の態様においては、
X線源用の電力がケーブル130によって主制御装置1
50から供給されると共に、シンチレーション検出装置
からの信号もケーブル130によって主制御装置150
に伝達される。ケーブル130を使用した場合には、一
般に、ガントリーが1回転した後にそれを元の位置まで
戻すことが必要となる。
させることが所望される場合には、スリップリング又は
光学的若しくは無線伝送手段を用いてガントリー上の電
子装置を主制御装置150に接続することもできる。か
かるタイプのCTスキャナにおいては、シンチレータ材
料は入射X線を電気信号に変換するための手段として使
用される。すなわち、シンチレータ材料によって入射X
線がルミネセンス光に変換され、次いでその光が光検出
ダイオードによって検出されて電気信号に変換される。
こうして得られた電気信号は、画像の抽出やその他の目
的のために処理することができる。
ンチレータ材料を組込んだ高速応答X線検出装置の略図
である。かかるX線検出装置はX線シンチレータ材料1
を含んでいるが、このシンチレータ材料は立方晶ガーネ
ット・ホストと、該立方晶ガーネット・ホスト内に発光
賦活剤として含有されるプラセオジムとから成ってい
る。上記の通り、本発明のシンチレータ材料用として適
した立方晶ガーネット・ホストとしては、ガドリニウム
・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・スカンジウム
・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・スカンジウム
・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム・アルミニウ
ム・ガーネット及びイットリウム・ガリウム・ガーネッ
トが挙げられる。
てシンチレーション光を放出するが、このシンチレーシ
ョン光がシンチレーション光検出器2によって検出され
る。シンチレーション光検出器2は、たとえば、ホトダ
イオード又は光電子増倍管であり得る。なお、シンチレ
ータ材料の短い一次減衰時間を利用するため、光検出器
2の応答時間はシンチレータ材料1中のシンチレーショ
ン光の一次減衰時間より速いことが好ましい。
光学的に結合されている。シンチレータ材料1を光検出
器2に対して光学的に結合するためには、光検出器2に
対して物理的に隣接するようにしてシンチレータ材料1
を配置しさえすればよい。変更態様に従えば、シンチレ
ーション光を光検出器2に集束させるためのレンズ及び
(又は)鏡により、シンチレータ材料1を光検出器2に
対して光学的に結合することもできる。別の変更態様に
従えば、シンチレーション光をシンチレータ材料1から
光検出器に伝送するための光ファイバにより、シンチレ
ータ材料を光検出器2に対して光学的に結合することも
できる。更に別の変更態様は、光学的接着剤を用いてシ
ンチレータ材料を光検出器に対して直接に接着するとい
うものである。
し、あるいは検出器素子アレイであってもよい。光検出
器2が検出器素子アレイである場合、シンチレータ材料
はシンチレータ材料中のシンチレーション光放出領域か
らのシンチレーション光を該領域の直下の検出器素子に
直接導くための何らかの手段を含むことが好ましい。た
とえば、図3に示された本発明の実施の態様の場合、シ
ンチレータ材料は独立した透明な固体棒材から成ること
がある。これらの棒材は、シンチレーション光が棒材間
で移動するのを防止するための材料で被覆されているこ
とが好ましい。
子制御装置4に伝達される。図3の実施の態様の場合の
ごとく、電子制御装置への入力に先立って電子信号出力
を演算増幅器(図示せず)で増幅することもできる。電
子制御装置4は、シンチレーション光の検出に対応した
光検出器2からの出力信号を収集する。収集された出力
信号を更に処理することにより、当業界において公知の
ごとくにして検出されたX線に対応する画像が作成され
る。
た、シンチレータ材料に向けてX線を投射するX線源5
をも含んでいる。とは言え、X線検出装置がX線源5を
含むことは必ずしも必要でない。その代りに、X線源が
X線検出装置の外部にあってもよいし、あるいはX線が
検査すべき物体から放射されていてもよい。たとえば、
天体物理学用途のごときX線検出用途においては、X線
は地球のかなたの天体から放射されることがある。X線
検出装置がX線源5を含む場合には、X線源に電力を供
給するための電源を含むことがある。
持するための区画室6をも含むことがある。区画室6
は、X線源5とシンチレータ材料1との間に配置されて
いる。区画室6の寸法は個々の用途に依存する。たとえ
ば、手荷物検査用のX線検出装置は手荷物を収容するた
めのサイズを有する必要がある一方、医学的撮像用のX
線検出装置は人間又は動物を収容するためのサイズを有
する必要がある。
好適な実施の態様を記載した。しかし、それが余す所の
ない説明というわけではなく、また本発明が開示された
形態そのものに限定されるわけではないのであって、上
記の説明に照らせば様々な変更態様が可能であり、ある
いはそれらを本発明の実施から得ることもできる。上記
の実施の態様は本発明の原理及びそれの実際的応用を説
明するために選択されかつ記載されたものであって、そ
れにより当業者が様々な実施の態様に従って本発明を利
用しかつ所望される特定の用途に適合するように様々な
変更を加えることを可能にするように意図されている。
本発明の範囲は、前記特許請求の範囲及びそれの同等物
によって規定されることを理解すべきである。
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット(GGG)粉末の
シンチレーション光スペクトル図である。
末の相対光出力及び残光を示すグラフである。
レータ材料を含むCT装置の一部分の模式斜視図であ
る。
検出装置の略図である。
Claims (51)
- 【請求項1】 立方晶ガーネット・ホスト材料と、前記
立方晶ガーネット・ホスト材料中に分布しかつ賦活剤と
して作用するプラセオジムとを含むことを特徴する透明
な固体シンチレータ材料。 - 【請求項2】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料がガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・ス
カンジウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・ス
カンジウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム・
アルミニウム・ガーネット及びイットリウム・ガリウム
・ガーネットから成る群より選ばれる請求項1記載の透
明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項3】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料がガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネットである請求項2記載
の透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項4】 前記プラセオジムがガドリニウムに対し
て0.01〜5.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項3記載
の透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項5】 前記プラセオジムがガドリニウムに対し
て0.5〜2.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリニウ
ム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項4記載の
透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項6】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料中に
分布した残光低減元素を更に含む請求項1記載の透明な
固体シンチレータ材料。 - 【請求項7】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料がガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネットであり、かつ前記残
光低減元素がイットリウム、ツリウム、イッテルビウ
ム、サマリウム及びユウロピウムから成る群より選ばれ
る請求項6記載の透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項8】 前記残光低減元素が前記立方晶ガーネッ
ト・ホスト材料中において約150モルppmの濃度を
有する請求項7記載の透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項9】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料中に
分布した放射線損傷低減元素を更に含む請求項1記載の
透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項10】 前記放射線損傷低減元素がツリウムで
ある請求項9記載の透明な固体シンチレータ材料。 - 【請求項11】 X線源と、固体シンチレータ材料と、
前記固体シンチレータ材料に対して光学的に結合されて
シンチレーション光を検出するためのシンチレーション
光検出器とを含むコンピュータ断層撮影装置であって、
前記固体シンチレータ材料が立方晶ガーネット・ホスト
材料と、前記立方晶ガーネット・ホスト材料中に分布し
かつ賦活剤として作用するプラセオジムとを含むことを
特徴とするコンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項12】 前記シンチレーション光検出器が光検
出器セル・アレイから成る請求項11記載のコンピュー
タ断層撮影装置。 - 【請求項13】 前記シンチレーション光検出器が少な
くとも1個のホトダイオードから成る請求項11記載の
コンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項14】 前記少なくとも1個のホトダイオード
がホトダイオード・アレイから成る請求項13記載のコ
ンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項15】 前記光検出器セル・アレイに結合され
て前記シンチレーション光に応答して前記光検出器セル
から出力される信号を受信するための制御装置を更に含
む請求項12記載のコンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項16】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム
・アルミニウム・ガーネット及びイットリウム・ガリウ
ム・ガーネットから成る群より選ばれる請求項11記載
のコンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項17】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネットである請求項16
記載のコンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項18】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.01〜5.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項17
記載のコンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項19】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.5〜2.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項18記
載のコンピュータ断層撮影装置。 - 【請求項20】 前記透明な固体シンチレータ材料が前
記立方晶ガーネット・ホスト材料中に分布した残光低減
元素を更に含む請求項17記載のコンピュータ断層撮影
装置。 - 【請求項21】 立方晶ガーネット・ホスト材料と、前
記立方晶ガーネット・ホスト材料中に分布しかつ賦活剤
として作用するプラセオジムとを含む固体シンチレータ
材料、及び前記固体シンチレータ材料に対して光学的に
結合されてシンチレーション光を検出するためのシンチ
レーション光検出器、を含むことを特徴とする高速応答
X線検出装置。 - 【請求項22】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム
・アルミニウム・ガーネット及びイットリウム・ガリウ
ム・ガーネットから成る群より選ばれる請求項21記載
の高速応答X線検出装置。 - 【請求項23】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネットである請求項22
記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項24】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.01〜5.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項23
記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項25】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.5〜2.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項24記
載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項26】 前記固体シンチレータ材料が前記立方
晶ガーネット・ホスト材料中に分布した残光低減元素を
更に含む請求項23記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項27】 前記シンチレーション光検出器がホト
ダイオード及び光電子増倍管の一方から成る請求項21
記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項28】 前記シンチレータ材料が光検出器に対
して物理的に隣接することにより、前記シンチレータ材
料が前記光検出器に対して光学的に結合される請求項2
1記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項29】 前記シンチレータ材料から光検出器に
シンチレーション光を伝送する光ファイバの使用によ
り、前記シンチレータ材料が前記光検出器に対して光学
的に結合される請求項21記載の高速応答X線検出装
置。 - 【請求項30】 前記光検出器が検出器素子アレイから
成る請求項21記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項31】 前記シンチレーション光の検出に対応
する前記光検出器からの出力信号を捕集するための制御
電子回路を更に含む請求項21記載の高速応答X線検出
装置。 - 【請求項32】 前記シンチレータ材料に向けてX線を
投射するためのX線源を更に含む請求項21記載の高速
応答X線検出装置。 - 【請求項33】 前記X線源と前記シンチレータ材料と
の間に配置された被検物を保持するための区画室を更に
含む請求項32記載の高速応答X線検出装置。 - 【請求項34】 立方晶ガーネット・ホスト材料と、前
記立方晶ガーネット・ホスト材料中に分布しかつ賦活剤
として作用するプラセオジムとから成る蛍光体粉末を調
製する工程と、前記蛍光体粉末を加圧成形して粉末成形
体を形成する工程と、前記粉末成形体を焼結する工程
と、を含むことを特徴とする、多結晶質固体セラミック
・シンチレータ材料の製造方法。 - 【請求項35】 前記加圧成形工程に先立って前記蛍光
体粉末をボールミル処理する工程を更に含む請求項34
記載の多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製
造方法。 - 【請求項36】 前記焼結工程が約1400〜約152
5℃の温度範囲内及び酸素雰囲気中において1〜3時間
にわたり実施される請求項34記載の多結晶質固体セラ
ミック・シンチレータ材料の製造方法。 - 【請求項37】 前記粉末成形体に熱間静水圧圧縮成形
を施す工程を更に含む請求項34記載の多結晶質固体セ
ラミック・シンチレータ材料の製造方法。 - 【請求項38】 前記熱間静水圧圧縮成形工程が約13
50〜1600℃の温度範囲内及び5000〜2500
0psiの圧力範囲内において実施される請求項37記
載の多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製造
方法。 - 【請求項39】 前記熱間静水圧圧縮成形工程がアルゴ
ンガス雰囲気中において実施される請求項38記載の多
結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製造方法。 - 【請求項40】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム
・アルミニウム・ガーネット及びイットリウム・ガリウ
ム・ガーネットから成る群より選ばれる請求項34記載
の多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製造方
法。 - 【請求項41】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネットである請求項40
記載の多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製
造方法。 - 【請求項42】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.01〜5.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項41
記載の多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製
造方法。 - 【請求項43】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.5〜2.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項42記
載の多結晶質固体セラミック・シンチレータ材料の製造
方法。 - 【請求項44】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料中
に残光低減元素が分布している請求項34記載の多結晶
質固体セラミック・シンチレータ材料の製造方法。 - 【請求項45】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネットであり、かつ前記
残光低減元素がイットリウム、ツリウム、イッテルビウ
ム、サマリウム及びユウロピウムから成る群より選ばれ
る請求項44記載の多結晶質固体セラミック・シンチレ
ータ材料の製造方法。 - 【請求項46】 立方晶ガーネット・ホスト材料と、前
記立方晶ガーネット・ホスト材料中に分布しかつ賦活剤
として作用するプラセオジムと、前記立方晶ガーネット
・ホスト材料中に分布した残光低減元素とから成ること
を特徴とする蛍光体粉末。 - 【請求項47】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・ガリウム・ガーネット、ガドリニウム・
スカンジウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム
・アルミニウム・ガーネット及びイットリウム・ガリウ
ム・ガーネットから成る群より選ばれる請求項46記載
の蛍光体粉末。 - 【請求項48】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネットである請求項47
記載の蛍光体粉末。 - 【請求項49】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.01〜5.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項48
記載の透明な蛍光体粉末。 - 【請求項50】 前記プラセオジムがガドリニウムに対
して0.5〜2.0モル%の濃度範囲内で前記ガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット中に存在する請求項49記
載の蛍光体粉末。 - 【請求項51】 前記立方晶ガーネット・ホスト材料が
ガドリニウム・ガリウム・ガーネットであり、かつ前記
残光低減元素がイットリウム、ツリウム、イッテルビウ
ム、サマリウム及びユウロピウムから成る群より選ばれ
る請求項46記載の蛍光体粉末。
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