RU2622124C2 - Кристалл со структурой граната для сцинтиллятора и использующий его детектор излучения - Google Patents

Кристалл со структурой граната для сцинтиллятора и использующий его детектор излучения Download PDF

Info

Publication number
RU2622124C2
RU2622124C2 RU2013140469A RU2013140469A RU2622124C2 RU 2622124 C2 RU2622124 C2 RU 2622124C2 RU 2013140469 A RU2013140469 A RU 2013140469A RU 2013140469 A RU2013140469 A RU 2013140469A RU 2622124 C2 RU2622124 C2 RU 2622124C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystal
radiation
scintillator
garnet structure
fluorescence
Prior art date
Application number
RU2013140469A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013140469A (ru
Inventor
Акира ЙОСИКАВА
Такаюки ЯНАГИДА
Кей КАМАДА
Хироки САТО
Косуке ЦУЦУМИ
Таканори ЕНДО
Сигеки ИТО
Original Assignee
Фурукава Ко., Лтд.
Тохоку Текно Арч Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Фурукава Ко., Лтд., Тохоку Текно Арч Ко., Лтд. filed Critical Фурукава Ко., Лтд.
Publication of RU2013140469A publication Critical patent/RU2013140469A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2622124C2 publication Critical patent/RU2622124C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7706—Aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7766—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing two or more rare earth metals
    • C09K11/7767—Chalcogenides
    • C09K11/7769—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7766—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing two or more rare earth metals
    • C09K11/7774—Aluminates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal
    • G01T1/2023—Selection of materials
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K4/00—Conversion screens for the conversion of the spatial distribution of X-rays or particle radiation into visible images, e.g. fluoroscopic screens
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/249—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors specially adapted for use in SPECT or PET

Abstract

Изобретения могут быть использованы в медицинских томографических устройствах, в устройствах для измерения излучения в области физики высоких энергий и разведки природных ресурсов. Монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора представлен одной из общих формул (1), (2) или (3).
Figure 00000004
где 0,0001≤х≤0,15, 0≤у≤0,1, 2,5<z≤3,5, RE – Y и/или Yb, а отношение суммы содержаний Gd, Се, RE к сумме содержаний Al и Ga составляет 3:5.
Figure 00000005
где 0,0001≤а≤0,15, 0,1<b≤3, 3<с≤4,5 и 0≤3-а-b.
Figure 00000006
где 0,0001≤р≤0,15, 0,1<q≤1,5 1<r≤4,5, 0≤3-p-q, RE' - Y или Yb, а отношение суммы содержаний Gd, Се, RE’ к сумме содержаний Al и Ga составляет 3:5. Детектор излучения включает указанный сцинтиллятор и приемник света от сцинтиллятора. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 12 ил., 9 табл.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к кристаллу со структурой граната для сцинтиллятора и к использующему его детектору излучения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сцинтилляционный монокристалл используют для детектора излучения, который определяет гамма-излучение, рентгеновское излучение, альфа-излучение, бета-излучение, нейтронное излучение и т.п. Такой детектор излучения широко применяют в медицинских томографических устройствах, таких как устройство для позитронной эмиссионной томографии (PET) и устройство для рентгеновской компьютерной томографии (CT), разнообразные устройства для измерения излучения в области физики высоких энергий, устройств для разведки природных ресурсов и т.п. Детектор излучения, как правило, включает сцинтиллятор, который поглощает гамма-излучение, рентгеновское излучение, альфа-излучение, бета-излучение, нейтронное излучение и т.п. и преобразует их во множество низкоэнергетических фотонов (сцинтилляционный свет) и принимающий свет элемент, который принимает люминесценцию от сцинтиллятора и преобразует свет в электрические сигналы. При диагностике рака с использованием устройства позитронной эмиссионной томографии (PET) глюкозу, обладающую свойством накопления вокруг раковых клеток, смешивают со следовым количеством радиоактивного изотопа и заблаговременно вводят пациенту; гамма-излучение, излучаемое вещество, преобразуют во множество низкоэнергетических фотонов с помощью сцинтиллятора; фотоны преобразуют в электрические сигналы, используя светодиод (PD), кремниевый фотоэлектронный умножитель (Si-PM), трубку фотоэлектронного умножителя (PMT) или другие фотодетекторы; и электрические сигналы подвергают обработке информации, используя персональный компьютер (PC) или аналогичное устройство, чтобы получить данные, такие как изображения, посредством которых находят пораженное раком место. Пучки в паре пучков гамма-излучения направлены в противоположных направлениях. В устройстве PET детекторы излучения (включающие сцинтиллятор и фотодетектор) расположены в цилиндрической конфигурации, сцинтилляторы в двух положениях, на которые попадают пучки гамма-излучения, излучают свет, и фотодетекторы преобразуют свет в электрические сигналы. Все электрические сигналы собирают, используя контур в тыльной части устройства, превращают в изображение с помощью программное обеспечение. Даже в детекторе излучения в области физике высоких энергий аналогичным образом используют процесс, в котором сцинтиллятор преобразует излучение во множество низкоэнергетических фотонов, фотоны преобразуют в электрические сигналы, используя светодиод (PD), кремниевый фотоэлектронный умножитель (Si-PM), трубку фотоэлектронного умножителя (PMT) или другие принимающие свет элементы, и электрические сигналы подвергают обработке информации, используя персональный компьютер или аналогичное устройство.
Светодиод или кремниевый фотоэлектронный умножитель используют для разнообразных целей, в частности, в детекторах излучения или томографических приборах. Известны разнообразные светодиоды, причем PD или Si-PM, включающий кремниевый полупроводник, проявляет высокую чувствительность к длине волны от 450 нм до 700 нм, причем его чувствительность становится максимальной при длине волны около 600 нм.
Соответственно, их используют в сочетании со сцинтиллятором, имеющим длину волны максимума излучения около 600 нм. Для радиационной томографии используют сочетание сцинтилляторной матрицы и фотодетекторной матрицы используют. Примеры фотодетектора включают чувствительную к позитронам PMT и матрицу полупроводникового фотодетектор, то есть матрицу PD, лавинную светодиодную матрицу (матрицу APD), матрицу APD в режиме Гейгера (Geiger) и т.п. Фотодетектор определяет, какие элементы изображения люминесцируют в сцинтилляторной матрице, и в результате этого становится возможным определение положения, в котором излучение поступает в сцинтилляторную матрицу.
Таким образом, сцинтиллятор, подходящий для этих детекторов излучения, должен иметь высокую плотность и высокий атомный номер (иметь высокий коэффициент фотоэлектрического поглощения) в целях эффективности детектора, а также он должен излучать большое количество свет и иметь короткую продолжительность флуоресценции (длительность затухания флуоресценции), учитывая необходимость высокой скорости отклика и высокого энергетического разрешения. Кроме того, важно, чтобы длина волны излучения сцинтиллятора соответствовала полосе длин волн, в которой становится высокой чувствительность детектирования фотодетектора.
В настоящее время в качестве предпочтительного сцинтиллятора для использования в разнообразных детекторах излучения существует сцинтиллятор, имеющий структуру граната. Сцинтиллятор, имеющий структуру граната, обладает преимуществами в том, что данный сцинтиллятор является химически устойчивым, не поддается разрушению и растворению, а также имеет превосходную обрабатываемость. Например, имеющий структуру граната сцинтиллятор, который описан в патентном документе 1, и в котором используется люминесценция с уровня 4f5d Pr3+, имеет короткую продолжительность флуоресценции, которая составляет не более чем 40 нс.
РОДСТВЕННЫЙ ДОКУМЕНТ
Патентный документ
Патентный документ 1 – Описание публикации международной патентной заявки WO 2006/049284
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К сожалению, в сцинтилляторе согласно патентному документу 1 длина волны максимума излучения является чрезмерно короткой, составляя не более чем 350 нм, и не соответствует длине волны, при которой проявляет высокую чувствительность светодиод или фотоэлектронный умножитель, включающий кремниевый полупроводник.
Настоящее изобретение, выполненное с учетом описанных выше обстоятельств, предлагает кристалл для сцинтиллятора, который можно надлежащим образом использовать для детекторов излучения, и который имеет короткую продолжительность флуоресценции и высокий плотность, излучает большое количество света и обладает высокий степень энергетического разрешения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет общая формула (1).
Gd3-x-yCexREyAl5-zGazO12 (1)
В формуле (1) 0,0001 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,1, 2 < z ≤ 4,5, и RE представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из Y, Yb и Lu.
Что касается кристалла со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет общая формула (1), если Ga вводят в кристалл со структурой граната, который содержит Ce в качестве светоизлучающего элемента, Ga, Al и O в качестве основных компонентов, и один элемент из Y, Yb и Lu, то длину волны максимума излучения светоизлучающего компонента, которое получается, когда кристалл возбуждают гамма-излучением и он излучает флуоресценцию, можно сделать соответствующей длине волны, при которой проявляет высокую чувствительность светодиод или фотоэлектронный умножитель, включающий кремниевый полупроводник. Кроме того, если содержание Ga установлено на уровне 2 < z в кристаллической структуре, которую представляет общая формула (1), оптимизируется структура энергетических зон, и ускоряется энергетический переход с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+. Вследствие этого продолжительность флуоресценции сокращается, в результате чего уменьшается содержание светоизлучающего компонента, имеющего большую продолжительность жизни, и возрастает величина люминесценции. Кроме того, сцинтилляционный кристалл имеет высокий плотность и высокую степень энергетического разрешения. Следовательно, можно получить кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который можно надлежащим образом использовать для детекторов излучения, имеет короткую продолжительность флуоресценции и высокую плотность, излучает большое количество света, а также обладает высокой степенью энергетического разрешения.
Согласно второму аспект настоящего изобретения, предложен кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет общая формула (2).
Gd3-a-bCeaLubAl5-cGacO12 (2)
В формуле (2) 0,0001 ≤ a ≤ 0,15, 0,1 < b ≤ 3, и 2 < c ≤ 4,5.
Что касается кристалла со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет общая формула (2), если Ga вводят в кристалл со структурой граната, который содержит Ce в качестве светоизлучающего элемента, Al и O в качестве основных компонентов, а также Lu, то длину волны максимума излучения светоизлучающего компонента, которое получается, когда кристалл возбуждают гамма-излучением и он излучает флуоресценцию, можно сделать соответствующей длине волны, при которой проявляет высокую чувствительность светодиод или фотоэлектронный умножитель, включающий кремниевый полупроводник. Кроме того, если содержание Ga установлено на уровне 2 < c в кристаллической структуре, которую представляет общая формула (2), оптимизируется структура энергетических зон, и ускоряется энергетический переход с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+. Вследствие этого сокращается продолжительность флуоресценции, в результате чего уменьшается содержание светоизлучающего компонента, имеющего большую продолжительность жизни, и возрастает величина люминесценции. Кроме того, сцинтилляционный кристалл имеет высокую плотность, излучает большое количество света, а также обладает высокой степенью энергетического разрешения. В частности, если кристалл содержит Lu в интервале 0,1 ≤ b ≤ 3, можно получить кристалл высокой плотности. Следовательно, можно получить кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который можно надлежащим образом использовать для детекторов излучения, который имеет короткую продолжительность флуоресценции и высокую плотность, излучает большое количество света, а также обладает высокой степенью энергетического разрешения.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложен кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет общая формула (3).
Gd3-p-qCepRE’qAl5-rGarO12 (3)
В формуле (3) 0,0001 ≤ p ≤ 0,15, 0,1 < q ≤ 3, 1 < r ≤ 4,5, и RE’ представляет собой Y или Yb.
Что касается кристалла со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет общая формула (3), если Ga вводят в кристалл со структурой граната, который содержит Ce в качестве светоизлучающего элемента, Al и O в качестве основных компонентов, а также Y или Yb, то длину волны максимума излучения светоизлучающего компонента, которое получается, когда кристалл возбуждают гамма-излучением и он излучает флуоресценцию, можно сделать соответствующей длине волны, при которой проявляет высокую чувствительность светодиод или фотоэлектронный умножитель, включающий кремниевый полупроводник. Кроме того, если содержание Ga установлено на уровне 2 ≤ r в кристаллической структуре, которую представляет общая формула (3), оптимизируется структура энергетических зон, и ускоряется энергетический переход с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+. Вследствие этого сокращается продолжительность флуоресценции, в результате чего уменьшается содержание светоизлучающего компонента, имеющего большую продолжительность жизни, и возрастает величина люминесценции. Кроме того, сцинтилляционный кристалл имеет высокую плотность, излучает большое количество света, а также обладает высокой степенью энергетического разрешения. Следовательно, можно получить кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который можно надлежащим образом использовать для детекторов излучения, и который имеет короткую продолжительность флуоресценции и высокую плотность, излучает большое количество света, а также обладает высокой степенью энергетического разрешения.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, предложен детектор излучения, включающий сцинтиллятор, который состоит из кристалла со структурой граната для сцинтиллятора, и приемник света, который определяет люминесценцию от сцинтиллятора.
Согласно настоящему изобретению, предложен кристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который можно надлежащим образом использовать для детекторов излучения, и который имеет короткую продолжительность флуоресценции и высокую плотность, излучает большое количество света, а также обладает высокой степенью энергетического разрешения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Задачи, описанные выше, а также другие задачи, характеристики и преимущества становятся более понятными при ознакомлении с описанными ниже предпочтительными вариантами осуществления, а также со следующими чертежами, которые сопровождают варианты осуществления.
Фиг.1 представляет вид, иллюстрирующий пример устройства для измерения величины люминесценции и длительности затухания флуоресценции во время, когда кристалл со структурой граната для сцинтиллятора согласно настоящему изобретению возбуждают гамма-излучением.
Фиг.2 представляет вид, иллюстрирующий тот факт, что является короткой продолжительность жизни флуоресценции, излучаемой, когда кристалл со структурой граната для сцинтиллятора согласно настоящему изобретению возбуждают гамма-излучением, а также иллюстрирующий принцип, который уменьшает содержание долговечного компонента.
Фиг.3 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12, изготовленного способом микровытягивания.
Фиг.4 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd2,97Ce0,03Al5O12, изготовленного способом микровытягивания.
Фиг.5 представляет вид, иллюстрирующий энергетический спектр, который получают, когда кристалл Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12, изготовленный способом микровытягивания, облучают гамма-излучением от 137Cs и используют трубку фотоэлектронного умножителя (PMT).
Фиг.6 представляет вид, иллюстрирующий энергетические спектры, полученные приклеиванием кристалла Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12 к трубке фотоэлектронного умножителя и облучением кристалла нейтронным излучением 252Cf. Подтвержден нейтронный пик, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между гадолинием, содержащимся в Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12, и нейтронами, поглощается в Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12.
Фиг.7 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd0,97Lu2Ce0,03Ga3,1Al1,9O12, изготовленного способом микровытягивания.
Фиг.8 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd0,97Lu2Ce0,03Al5O12, изготовленного способом микровытягивания.
Фиг.9 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12, изготовленного способом микровытягивания.
Фиг.10 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd1,97Y1Ce0,03Al5O12, изготовленного способом микровытягивания.
Фиг.11 представляет вид, иллюстрирующий энергетический спектр, который получают, когда кристалл Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12, изготовленный способом микровытягивания, облучают гамма-излучением от 137Cs и используют трубку фотоэлектронного умножителя (PMT).
Фиг.12 представляет вид, иллюстрирующий энергетические спектры, полученные приклеиванием кристалла Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 к трубке фотоэлектронного умножителя и облучением кристалла нейтронным излучением 252Cf. Подтвержден нейтронный пик, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между гадолинием, содержащимся в Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12, и нейтронами, поглощается в Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Первый кристалл со структурой граната для сцинтиллятора представляет следующая общая формула (1).
Gd3-x-yCexREyAl5-zGazO12 (1)
В формуле (1) 0,0001 ≤ x ≤ 0,15, 0 ≤ y ≤ 0,1, 2 < z ≤ 4,5. RE представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из Y, Yb и Lu, и предпочтительно он представляет собой Y.
Второй кристалл со структурой граната для сцинтиллятора представляет следующая общая формула (2).
Gd3-a-bCeaLubAl5-cGacO12 (2)
В формуле (2) 0,0001 ≤ a ≤ 0,15, 0,1 < b ≤ 3, и 2 < c ≤ 4,5.
Третий кристалл со структурой граната для сцинтиллятора представляет следующая общая формула (3).
Gd3-p-qCepRE’qAl5-rGarO12 (3)
В формуле (3) 0,0001 ≤ p ≤ 0,15, 0,1 < q ≤ 3, 1 < r ≤ 4,5, и RE’ представляет собой Y или Yb и предпочтительно Y.
Кристаллы со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3), можно возбуждать гамма-излучением, и они способны излучать флуоресценцию при возбуждении таким образом. Соответствующую длину волны максимума излучения можно установить равной или составляющей более чем 460 нм и равной или меньшей чем 700 нм, и может оказаться более предпочтительным ее установление равной или большей чем 480 нм и равной или меньшей чем 550 нм.
Если количество Ce в составе кристаллов со структурой граната, которые представляют общие формулы (1)-(3), установлено надлежащим образом, то ускоряется энергетический переход с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+. Следовательно, продолжительность флуоресценции сокращается, в результате чего содержание уменьшается долговечного светоизлучающего компонента, и возрастает величина люминесценции. В частности, в кристалле со структурой граната, который представляет формула (1), число x, обозначающее концентрацию Ce, удовлетворяет условиям 0,0001 ≤ x ≤ 0,15, предпочтительно удовлетворяет условиям 0,001 ≤ x ≤ 0,15 и предпочтительнее удовлетворяет условиям 0,003 ≤ x ≤ 0,15.
В кристалле со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет формула (2), число a, обозначающее концентрацию Ce, удовлетворяет условиям 0,0001 ≤ a ≤ 0,15, предпочтительно удовлетворяет условиям 0,001 ≤ a ≤ 0,10 и предпочтительнее удовлетворяет условиям 0,015 ≤ a ≤ 0,09.
В кристалле со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет формула (3), число p, обозначающее концентрацию Ce, удовлетворяет условиям 0,0001 ≤ p ≤ 0,15, предпочтительно удовлетворяет условиям 0,001 ≤ p ≤ 0,10 и предпочтительнее удовлетворяет условиям 0,015 ≤ p ≤ 0,09.
Если количество Ga в составе кристаллов со структурой граната, которые представляют общие формулы (1)-(3), установлено надлежащим образом, ускоряется энергетический переход с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+. Следовательно, продолжительность флуоресценции сокращается, в результате чего уменьшается содержание долговечного светоизлучающего компонента, и возрастает величина люминесценции.
В кристалле со структурой граната, который представляет формула (1), число z, обозначающее концентрацию Ga, удовлетворяет условиям 2 < z ≤ 4,5. Нижний предел z предпочтительно составляет 2,2 или более, и верхний предел z предпочтительно составляет не более чем 4,0.
В кристалле со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет формула (2), число c, обозначающее концентрацию Ga, удовлетворяет условиям 2 < c ≤ 4,5, предпочтительно удовлетворяет условиям 3 < c ≤ 4,5 и предпочтительнее удовлетворяет условиям 3 < c ≤ 4,0.
В кристалле со структурой граната для сцинтиллятора, который представляет формула (3), число r, обозначающее концентрацию Ga, удовлетворяет условиям 1 < r ≤ 4,5, предпочтительно удовлетворяет условиям 2 < r ≤ 4,5 и предпочтительнее удовлетворяет условиям 3 < r ≤ 4,5.
Величина флуоресценции, излучаемая, когда кристаллы со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3), возбуждают гамма-излучением, может составлять 20000 фотонов/МэВ или более.
Кроме того, если кристалл со структурой граната, который представляет общая формула (1), изготовлен в виде монокристалла, который удовлетворяет условиям 0,003 ≤ x ≤ 0,15 и 2,5 ≤ z ≤ 3,5 в формуле (1), величина флуоресценции, которая излучается посредством возбуждения гамма-излучением, может составлять 40000 фотонов/МэВ или более.
Если нижний предел установлен не выше 50000 фотонов/МэВ, это является практически возможным, хотя нижний предел не ограничен определенным образом.
Если кристалл со структурой граната, который представляет формула (2), изготовлен в виде монокристалла, который удовлетворяет условиям 0,1 < b ≤ 2,5 и 2,5 ≤ c ≤ 3,5 в формуле (2), то величина флуоресценции, которая излучается посредством возбуждения гамма-излучением, может составлять 35000 фотонов/МэВ или более.
Кроме того, если кристалл со структурой граната, который представляет формула (3), изготовлен в виде кристалла, который удовлетворяет условиям 0,5 ≤ q ≤ 3 и 2 ≤ r ≤ 4, величина флуоресценции, которая излучается посредством возбуждения гамма-излучением, может составлять 25000 фотонов/МэВ или более. Если кристалл со структурой граната изготовлен в виде кристалла, который удовлетворяет условиям 0,5 ≤ q ≤ 1,5 и 2,5 ≤ r ≤ 3,5 в формуле (3), величина флуоресценции, которая излучается посредством возбуждения гамма-излучением, может составлять 35000 фотонов/МэВ или более.
Величину люминесценции от кристалла со структурой граната согласно настоящему изобретению измеряют при 25°C, используя кристалл, имеющий размер ϕ 3 мм × 2 мм. Данную величину можно измерять, используя, например, измерительное устройство, представленное на Фиг.1. В данном измерительном устройстве источник гамма-излучения 137Cs 11, сцинтиллятор 12 в качестве измеряемого образца и трубка фотоэлектронного умножителя 14 находятся в светозащитном кожухе 10. Сцинтиллятор 12 физически прикреплен к трубке фотоэлектронного умножителя 14 с помощью тефлоновой ленты 13 и оптически соединен с трубкой с помощью оптического клея или подобного материала. Сцинтиллятор 12 облучают гамма-излучением 622 кэВ от источника гамма-излучения 137Cs 11, и импульсный сигнал, выходящий из трубки фотоэлектронного умножителя 14, поступает в предварительный усилитель 15 и формирующий сигнал усилитель 16, таким образом, что этот сигнал он проходит стадии усиления и формирования. После этого сигнал поступает в многоканальный анализатор 17, и энергетический спектр, образованный посредством возбуждения гамма-излучением 137Cs, получают, используя персональный компьютер 18. Положение максимума фотоэлектрического поглощения в полученном энергетическом спектре сравнивают с Ce:LYSO (величина люминесценции составляет 33000 фотонов/МэВ) в качестве известного сцинтиллятора, и, наконец, величину люминесценции вычисляют соответствующим образом, учитывая зависимость от длины волны чувствительности трубки фотоэлектронного умножителя 14.
В данном способе измерения величину люминесценции измеряют, используя счет сцинтилляции, и можно измерять эффективность фотоэлектрического преобразования по отношению к излучению. Соответственно, можно измерять величину люминесценции, которая является уникальной для сцинтиллятора.
Кристаллы со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3), содержат Ga в заданном интервале. Соответственно, продолжительность флуоресценции (длительность затухания флуоресценции), излучаемой посредством возбуждения гамма-излучением можно устанавливать на уровне, составляющем не более чем 100 нс, предпочтительно не более чем 80 нс и предпочтительнее не более чем 75 нс. Кроме того, кристаллы со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3), содержат Ga в заданном интервале, причем содержание долговечного компонента может уменьшаться в значительной степени, и, например, интенсивность долговечного компонента, у которого продолжительность флуоресценции превышает 100 нс, можно уменьшать, чтобы оно составляло не более чем 20% суммарной интенсивности всех флуоресцентных компонентов.
Причину, по которой кристаллы со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3), могут иметь сокращенное продолжительность флуоресценции и значительно уменьшенное содержание долговечного компонента, можно предположить, как указано ниже.
Как правило, кристалл со структурой граната имеет кубическую кристаллическую структуру, которую представляет химическая формула C3A2D3O12, и которую описывает схематический вид, такой как Фиг.2. В данной структуре C представляет собой додекаэдрическую позицию, A представляет собой октаэдрическую позицию, D представляет собой тетраэдрическую позицию, и каждую позицию окружают ионы O2-. Например, содержащий гадолиний и алюминий гранат, который составляют атомы Gd, Al и O, описывает формула Gd3Al2Al3O12. Обычно его описывают упрощенной формулой Gd3Al5O12, и известно, что атомы Gd занимают додекаэдрические позиции, а атомы Al занимают октаэдрические и тетраэдрические позиции. При этом известно, что, например, когда позиции Al в Gd3Al5O12 занимает Ga, атомы Ga статистическим образом распределяются по октаэдрическим и тетраэдрическим позициям. Кроме того, известно, что когда позиции Gd занимает редкоземельный элемент, такой как Y, Lu или Yb, атомы данного элемента занимают додекаэдрические позиции. Например, когда позиции Al в Gd3Al5O12 занимает Ga, кристаллическая решетка изменяется, и параметр решетки a увеличивается от 12,11 в Gd3Al5O12 до 12,38 в Gd3Ga5O12. Таким образом, если позиции Al занимает Ga, кристаллическая решетка изменяется, и в результате этого изменяется поле кристалла, а также изменяется структура энергетических зон.
В кристаллах со структурой граната, которые представляют общие формулы (1)-(3), если оптимизируется содержание замещающего галлия, то оптимизируется структура энергетических зон, ускоряется явление энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+, а также усиливается световое излучение 4f5d Ce3+. Считается, что именно по этой причине сокращается продолжительность флуоресценции, и уменьшается содержание долговечного компонента.
В настоящем изобретении длительность затухания флуоресценции, излучаемой посредством возбуждения гамма-излучением, можно измерять, используя, например, измерительное устройство, представленное на Фиг.1. В частности, сцинтиллятор 12 облучают гамма-излучением от источника гамма-излучения 137Cs 11, и получают импульсный сигнал, выходящий из трубки фотоэлектронного умножителя 14, используя цифровой осциллоскоп 19, чтобы проанализировать компонент, вызывающий затухание флуоресценции. Таким образом, можно вычислять длительность затухания флуоресценции для соответствующих компонентов, вызывающих затухание флуоресценции, и соотношение интенсивности соответствующих компонентов, вызывающих затухание флуоресценции, и суммарной интенсивности всех компонентов, имеющих продолжительность флуоресценции.
Кристаллы со структурой граната, которые описывают формулы (1)-(3), можно изготавливать в виде имеющих высокую плотность кристаллов.
В частности, плотность кристалла со структурой граната, который представляет формула (1), может составлять от 6,5 г/см3 до 7,1 г/см3.
Кроме того, плотность кристалла со структурой граната, который представляет формула (2), может составлять от 6,7 г/см3 до 7,8 г/см3.
Кроме того, плотность кристалла со структурой граната, который представляет формула (3) может составлять от 5,3 г/см3 до 6,6 г/см3.
Далее будет описан способ изготовления кристалла со структурой граната согласно настоящему изобретению. В любом способе изготовления кристаллов, имеющих любой состав, как правило, неочищенный оксидный материал можно использовать в качестве исходного материала. Однако когда кристалл используют в качестве кристалла для сцинтиллятора, оказывается особенно предпочтительным использование высокочистых исходных материалов, у которых чистота составляет 99,99% или выше (четыре девятки или более). Эти исходные материалы используют посредством взвешивания и смешивания таким образом, чтобы получался желательный состав во время образования расплава. Кроме того, оказывается особенно предпочтительным, чтобы в этих исходных материалах количество примесей, не входящих в желательный состав, было минимально возможным (например, составляло не более чем 1 часть на миллион).
В частности, оказывается предпочтительным использование исходного материала, в котором, насколько это возможно, не содержится элемент (например, Tb), у которого световое излучение наблюдается около длины волны излучения.
Предпочтительным является выращивание кристалла в атмосфере инертного газа (например, Ar, N2 или He). Кроме того, предпочтительным является использование смешанного газ, содержащий инертный газ (например, Ar, N2 или He) и газообразный кислород. Здесь, когда осуществляют выращивание кристалла в атмосфере смешанного газа, оказывается предпочтительным установление парциального давления кислорода, составляющее не более чем 2%, таким образом, чтобы предотвращать окисление тигля. Кроме того, в последующем процессе, таком как отжиг, осуществляемы после выращивания кристалла, можно использовать газообразный кислород, инертный газ (например, Ar, N2 или He), а также смешанный газ, содержащий инертный газ (например, Ar, N2, или He) и газообразный кислород. Когда используют смешанный газ, парциальное давление кислорода является неограниченным вплоть до значения, которое составляет не более чем 2%, и можно использовать смешанный газ, вводимый при любом соотношении, при котором парциальное давление кислорода составляет от 0% до 100%.
Примеры способа изготовления кристалла со структурой граната согласно настоящему изобретению включают способ микровытягивания, способ Чохральского Czochralski (способ вытягивания вверх), способ Бриджмена (Bridgman), способ зонной плавки, способ выращивания пленок с ориентированными краями (EFG) и способ горячего изостатического спекания под давлением, но способ не ограничивается перечисленными вариантами.
Примеры материалов, которые можно использовать для тигля и последующего нагревателя включают платину, иридий, родий, рений и их сплавы.
При изготовлении кристалла для сцинтиллятора можно также использовать высокочастотный осциллятор, конденсирующий нагреватель и резистивный нагреватель.
Среди способов изготовления кристаллов со структурой граната согласно настоящему изобретению ниже будет описан способ изготовления кристаллов посредством микровытягивания в качестве примера способа изготовления кристалла для сцинтиллятора, но настоящее изобретение не ограничивается этим.
Способ микровытягивания можно осуществлять, используя устройство для микровытягивание, которое регулирует атмосферу посредством высокочастотного индукционного нагревания. Устройство для микровытягивания представляет собой устройство для изготовления монокристалла, включающее тигель, держатель затравочного кристалла, который удерживает затравочный кристалл, который вводят в контакт с расплавом, вытекающим из микроотверстия, которое расположено в дне тигля, приводной механизм, который приводит в движение держатель затравочного кристалла, устройство, которое регулирует скорость движения приводного механизма, и индукционное нагревательное устройство, которое нагревает тигель. Что касается данного устройства для изготовления монокристаллов, граница раздела твердой и жидкой фаз образуется непосредственно под тиглем, и затравочный кристалл движется вниз, в результате чего кристалл можно изготавливать.
В устройстве для микровытягивания тигель изготавливают из углерода, платины, иридия, родия, рения или их сплавов. Кроме того, на внешней периферии дна тигля установлен последующий нагреватель, который представляет собой нагревательный элемент, изготовленный из углерода, платины, иридия, родия, рения или их сплавов. Количество образующегося тепла регулируют путем изменения выходной мощности тигля и индукционного нагревательного устройства для последующего нагревателя, в результате чего оказывается возможным регулировать температуру и распределение области границы раздела твердой и жидкой фаз при вытягивании расплава из микроотверстия, расположенного в дне тигля.
В регулирующем атмосферу устройстве для микровытягивания используют нержавеющую сталь (SUS) в качестве материала камеры и кварц в качестве материала окна, и оно включает ротационный насос, что делает возможным регулирование атмосферы. Оно представляет собой устройство, в котором степень вакуума можно устанавливать на уровне, не превышающем 0,13 Па (1×10-3 торр) перед заменой газа. Кроме того, в его камеру можно вводить газообразный Ar, N2, H2, O2 и т.п. при точно регулируемой скорости, используя дополнительный газовый расходомер.
Используя данное устройство, исходный материал, изготовленный описанным выше способом, помещают в тигель, воздух откачивают из печи, создавая состояние высокой степенью вакуума, и в печь вводят газообразный Ar или смешанный газ, содержащий газообразный Ar и газообразный O2. Таким образом, внутри печи образуется атмосфера инертного газа или атмосфера с низким парциальным давлением кислорода, и мощность высокой частоты медленно подают на высокочастотную индукционную нагревательную спираль, чтобы нагревать тигель, и результате этого исходный материал в тигле полностью расплавляется.
После этого затравочный кристалл медленно поднимают с заданной скоростью, и его ведущий край приводят в контакт с микроотверстием в дне тигля и оставляют для достаточного приспособления к отверстию. Затем, пока регулируется температура расплава, вытягивающий стержень опускается, что обеспечивает выращивание кристалла.
В качестве затравочного кристалла предпочтительно использовать материалы, которые являются эквивалентными заданному выращиваемому кристаллу, или у которых структура и состав близки к заданному кристаллу, но настоящее изобретение этим не ограничивается. Кроме того, оказывается предпочтительным использование затравочного кристалла, имеющего определенную ориентацию.
В момент времени, когда весь изготовленный материал оказывается закристаллизованным, и расплав заканчивается, прекращается рост кристалла.
При этом для цели поддержания однородности состава и удлинения кристалла можно использовать прибор для непрерывной загрузки исходного материала.
Кристаллы со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3), также обладают такими преимуществами, что у них низкая температура плавления, и монокристаллы легко получать в больших количествах. В частности, температура плавления кристаллов со структурой граната, которые представляют формулы (1)-(3) могут составлять от 1700°C до 1900°C. Например, температура плавления Lu3Al5O12 и Y3Al5O12 составляет 1980°C и 1930°C, соответственно, что представляет собой высокую температуру. Однако поскольку температура плавления кристалла согласно настоящему изобретению является низкой, можно уменьшать повреждение изолирующего материала и повреждение тигля, когда тигель используют для изготовления кристалла. Кроме того, можно получать эффект уменьшенного испарения оксида галлия в качестве составляющего элемента. Кроме того, если число z в формуле (1) составляет 3 или более, число c в формуле (2) составляет 3 или более, и число r в формуле (3) составляет 3 или более, это оказывается предпочтительным, поскольку изготовление массы можно осуществлять в режиме, более подходящем для промышленных условий.
В качестве еще одного примера способа изготовления кристалла со структурой граната согласно настоящему изобретению можно представить способ изготовления прозрачных керамических материалов с использованием устройства для горячего изостатического спекания под давлением. В данном способе сначала соответствующие порошкообразные исходные материалы загружают в тигель из оксида алюминия, этот тигель накрывают крышкой из оксида алюминия, и затем материалы спекают в течение двух часов при 1500°C. После охлаждения сцинтилляционного порошка его промывают чистой водой и подвергают распылительной сушке в течение 24 часов, используя шаровую мельницу, и в результате этого получается распыленный сцинтилляционный порошок, у которого размер частиц составляет от 1 мкм до 2 мкм. После этого добавляют 5 мас.% чистой воды в распыленный порошок и осуществляют одноосное прессование в форме под давлением 500 кг/см2 (49 МПа). Затем осуществляют холодное изостатическое прессование, прилагая давление 3 т/см2 (294 МПа), и в результате этого получают формованное изделие, у которого плотность составляет приблизительно 64% от теоретической плотности. Полученное формованное изделие затем помещают в капсель, этот капсель накрывают крышкой, первичное спекание осуществляют в течение 3 часов при 1750°C, и в результате этого получают спеченный продукт, у которого плотность составляет 98,5% или более от теоретической плотности.
В настоящем изобретении, когда спекание осуществляют в атмосфере водорода, азота или аргона, оказывается предпочтительным использование оксида алюминия в качестве материала капселя, а когда спекание осуществляют в вакууме, предпочтительно использовать нитрид бора. Таким способом можно эффективно изготавливать желательный кристалл со структурой граната.
Оказывается предпочтительным повышение температуры при скорости 50°C/час от 1350°C. Таким способом можно получать однородный спеченный продукт, имеющий высокую плотность
После этого, наконец, горячее изостатическое спекание под давлением осуществляют при температуре 1550°C и давлении 1000 атм. (100 МПа) в течение 3 часов. Таким способом можно получать спеченный продукт, у которого плотность равняется теоретической плотности.
Кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению представляет собой кристалл для сцинтиллятора. Если его объединить с приемником света, кристалл можно использовать в качестве детектора излучения. Кроме того, кристалл можно использовать в устройстве для радиологического исследования, которое отличается тем, что оно включает такие детекторы излучения в качестве детекторов излучения.
Примеры устройств для радиологического исследования включают устройства для позитронной эмиссионной томографии (PET), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) и рентгеновской компьютерной томографии (CT).
Когда его возбуждают излучением, кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению может излучать свет при длине волны максимума излучения от равной или составляющей более чем 460 нм до равной или составляющей менее чем 700 нм. Соответственно, его длина волны излучения может совпадать с длиной волны, при которой проявляет высокую чувствительность светодиод или Si-PM, включающий кремниевый полупроводник. Кроме того, величина люминесценции в этом случае является настолько большой, что можно изготовить детектор излучения, имеющий высокую степень точности позиционирования и высокое соотношение сигнала и шума.
Кроме того, кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению излучает свет флуоресцентного компонента, у которого продолжительность флуоресценции (длительность затухания флуоресценции) составляет не более чем 100 нс, и можно получать интенсивность долговечного компонента, у которого продолжительностью флуоресценции превышающей 100 нс, составляющую не более чем 20% суммарной интенсивности всех флуоресцентных компонентов. Соответственно, при использовании детектора излучения, включающего кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению, требуется короткое время на отбор образца для измерения флуоресценции, и получается высокое временное разрешение, то есть интервал отбора образца можно сократить.
Кроме того, при использовании кристалла со структурой граната согласно настоящему изобретению энергетическое разрешение при 662 кэВ можно установить на уровне, не превышающем 10%. Соответственно, в случае детектора излучения, включающего кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению, излучение можно определять с высокой точностью.
Кроме того, кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению имеет высокую плотность. Соответственно, из этого кристалла можно изготовить высокочувствительный детектор, и размеры устройства могут быть уменьшены.
В кристалле со структурой граната, который представляет формула (1), в формуле (1) используют интервал 0 ≤ y ≤ 0,1, и Lu не включен в формулу (3). Соответственно, можно уменьшить содержание лютеция, имеющего природную радиоактивность. Следовательно, если используют кристалл со структурой граната, который представляет формула (1) или (3), обеспечиваются такие преимущества, что можно снизить уровень фона и получить детектор излучения, имеющий повышенную точность.
Как описано выше, кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению излучает большое количество света, имеет высокую степень энергетического разрешения и высокую плотность, а также излучает свет, имеющий короткую продолжительность. Таким образом, используя детектор излучения, включающий кристалл со структурой граната согласно настоящему изобретению, определяют излучение при высокой скорости отклика.
Выше были описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Однако эти варианты осуществления представляют собой лишь примеры настоящего изобретения, и можно использовать разнообразные варианты, которые отличаются от представленных выше.
ПРИМЕРЫ
Далее конкретные примеры настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на чертежи, но настоящее изобретение не ограничивается данными примерами. Кроме того, в следующих примерах, концентрация Ce представлена как концентрация в конкретном кристалле или как концентрация в (загруженном) расплаве. Однако в соответствующих примерах существует соотношение, согласно которому концентрация во время загрузки составляет приблизительно от однократной до десятикратной по отношению к концентрации в кристалле.
(Пример A1)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,997Ce0,003Ga2,2Al2,8O12.
(Пример A2)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,997Ce0,003Ga3Al2O12.
(Пример A3)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12.
(Пример A4)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,85Ce0,15Ga3Al2O12.
(Пример A5)
Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12.
(Пример A6)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,97Ce0,03Ga4Al1O12. Его температура плавления составляла 1890°C и была ниже, чем т температура плавления Lu3Al5O12 или Y3Al5O12.
(Пример A7)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,87Y0,1Ce0,03Ga3Al2O12.
(Сравнительный пример A1)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,97Ce0,03Al5O12.
(Сравнительный пример A2)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,994Ce0,006Al4Ga1O12.
(Сравнительный пример A3)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd2,97Ce0,03Ga5O12.
Кристаллы, полученные в сравнительных примерах A1-A3 и в примерах A1-A7, обрабатывали и шлифовали, получая размер ϕ 3 мм × 2 мм, и исследовали сцинтилляционные свойства каждого из кристаллов. Кроме того, спектры возбуждения и излучения кристаллов, полученных в примерах и сравнительных примерах, измеряли способом фотолюминесценции. В частности, профили, представленные на Фиг.3 и 4, получали, используя спектрофотофлуорометр. Фиг.3 представляет спектры возбуждения и излучения, полученные в примере 3, и Фиг.4 представляет спектры возбуждения и излучения, полученные в сравнительном примере A1. На Фиг.3 и 4 абсцисса показывает длину волны излучения (нм), и ордината показывает длину волны возбуждения (нм).
Кроме того, кристаллы облучали гамма-излучением от 137Cs, и измеряли длительность затухания флуоресценции и величину люминесценции. Чтобы измерить величину люминесценции, положение максимума фотоэлектрического поглощения в полученном энергетическом спектре сравнивали с известным сцинтиллятором Ce:LYSO, у которого величина люминесценции составляет 33000 фотонов/МэВ, и величину люминесценции вычисляли, учитывая соответствующим образом чувствительность трубки фотоэлектронного умножителя при данной длине волны. Измерение осуществляли при 25°C.
Разнообразные свойства кристаллов, полученных в примерах A1-15 и в сравнительных примерах A1-A3, кратко представлены в Таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Теоретическая плотность (г/см3) Длина волны максимума излучения (нм) Длительность затухания флуоресценции в результате возбуждения гамма-излучением (нс) Длительность затухания флуоресценции (длина волны излучения 530 нм) в результате возбуждения ультрафиолетовым излучением при 250 нм (нс) Величина люминесценции в случае возбуждения гамма-излучением (фотон/МэВ)
(Пример А1)
Gd2,997Ce0,003Ga2,2Al2,8O12 		6,4 535 95,7 97,7 (87%)
205 (13%)		 36000
(Пример А2)
Gd2,997Ce0,003Ga3Al2O12 		6,6 520 71,2 72 (96%)
385 (4%)		 40000
(Пример А3)
Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12 		6,6 520 71,1 69 (100%) 46000
(Пример А4)
Gd2,85Ce0,15Ga3Al2O12 		6,6 520 63 9 (8%)
55 (92%)		 42000
(Пример А5)
Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12 		6,6 520 68 (95%)
151 (5%)		 63 (95%)
255 (5%)		 23000
(Пример А6)
Gd2,97Ce0,03Ga4Al1O12 		6,9 515 49 (85%)
256 (15%)		 52 (85%)
12 (15%)		 20000
(Пример А7)
Gd2,87Y0,1Ce0,03Ga3Al2O12 		6,6 520 68 65 (100%) 43000
Таблица 2
Теоретическая плотность (г/см3) Длина волны максимума излучения (нм) Длительность затухания флуоресценции в результате возбуждения гамма-излучением (нс) Длительность затухания флуоресценции (длина волны излучения 530 нм) в результате возбуждения ультрафиолетовым излучением при 250 нм (нс) Величина люминесценции в случае возбуждения гамма-излучением (фотон/МэВ)
(Сравнительный пример А1)
Gd2,97Ce0,03Al5O12 		6,0 540 - 78 (82%)
380 (18%)		 500
(Сравнительный пример А2)
Gd2,994Ce0,006Al4Ga1O12 		6,2 540 266 85,3 (85%)
277 (15%)		 15000
(Сравнительный пример А3)
Gd2,97Ce0,03Ga5O12 		7,1 - - - 0
Как представлено на Фиг.3, в кристалле, полученном в примере A3, максимум излучения, полученный от излучения 4f4f Gd3+, был чрезвычайно слабым. С другой стороны, как представлено на Фиг.4, в кристалле сравнительного примера A1 максимум излучения, полученный от излучения 4f5d Ce3+, был подтвержден около длины волны излучения 530 нм, и максимум излучения, полученный от излучения 4f4f Gd3+, был подтвержден около длины волны излучения 312 нм.
Кроме того, как представлено в примерах A2-A4 таблицы 1, когда концентрация Ce увеличивалась, продолжительность флуоресценции уменьшалась. Содержание долговечного компонента 385 нс, подтвержденное в примере A2, уменьшалось, когда концентрация Ce увеличивалась. Считается, что долговечный компонент образуется в результате энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+, и считается, что когда концентрация Ce увеличивается, вероятность энергетического перехода повышается, в результате чего содержание долговечного компонента уменьшается. Кроме того, величина люминесценции также увеличивалась и становилась максимальной в кристалле примера A3. Используя результаты этих измерений, можно подтвердить возникновение явления энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+.
Кроме того, для кристаллов, полученных в примере A3 и в сравнительных примерах A1 и A2, продолжительность флуоресценции (длительность затухания флуоресценции) измеряли, соответственно, в отношении излучения 4f5d Ce3+ около длины волны излучения 530 нм и излучения 4f4f Gd3+ около длины волны излучения 312 нм, используя кривую затухания флуоресценции, которую наблюдали посредством фотолюминесценции. Результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3
Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 450 нм и длине волны излучения 530 нм Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм и длине волны излучения 530 нм Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм и длине волны излучения 312 нм
(Сравнительный пример А1)
Gd2,97Ce0,03Al5O12 		64 нс (100%) 78 нс (82%)
380 нс (18%)		 24 мкс (15%)
235 мкс (85%)
(Сравнительный пример А2)
Gd2,994Ce0,006Al4Ga1O12 		61 нс (100%) 85,3 нс (85%)
277 нс (15%)		 137 мкс (100%)
(Сравнительный пример А3)
Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12 		51 нс (100%) 69 нс (100%) 1,4 мкс (72%)
10 мкс (28%)
Как представлено в таблице 3, когда 4f5d излучение Ce3+ около длины волны излучения 530 нм возбуждали непосредственно, используя длину волны возбуждения 450 нм, наблюдали продолжительность флуоресценции от 44 нс до 55 нс, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Кроме того, когда излучение 4f5d Ce3+ возбуждали, используя длину волны возбуждения 250 нм, которая представляет собой длину волны возбуждения излучения 4f4f Gd3+, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Кроме того, в сравнительных примерах A1 и A2,долговечный компонент, имеющий продолжительность жизни приблизительно 300 нс был подтвержден, но долговечный компонент не был подтвержден в примере A3. Когда излучение 4f4f Gd3+ при длине волны излучения 312 нм возбуждали, используя длину волны 250 нм, получали продолжительность флуоресценции от нескольких микросекунд до 235 мкс, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Используя представленные выше результаты измерений, можно подтвердить возникновение явления энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+.
Кристалл, полученный в примере A3, также облучали гамма-излучением от 137Cs, и его энергетический спектр измеряли, используя PMT. Результат представлен на Фиг.5. Его энергетическое разрешение составляло 3,6%.
Фиг.6 представляет энергетический спектр, полученный приклеиванием кристалла, изготовленного в примере A3, к трубке фотоэлектронного умножителя с использованием оптического клея и облучением кристалла нейтронным излучением 252Cf. Был подтвержден фотомаксимум, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между атомами гадолиния, содержащимися в Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12, и нейтронами, поглощается в Gd2,97Ce0,03Ga3Al2O12,.
Как описано выше, было обнаружено, что если оптимизировать концентрацию Ga и концентрацию Ce в активированном церием кристалле со структурой граната, который представляет формула (1), кристалл может излучать большое количество света и иметь высокую степень энергетического разрешения, а также можно уменьшать длительность затухания флуоресценции и содержание долговечного компонента. Кроме того, кристалл, имеющий длину волны максимума излучения, составляющую приблизительно от 460 нм до 550 нм, является подходящим для объединения с приемником света светодиода или Si-PM, включающего кремниевый полупроводник, который проявляет высокую чувствительность по отношению к длине волны от 460 нм до 700 нм. Также было обнаружено, что продолжительность флуоресценции кристалла составляет приблизительно от 30 нс до 95 нс, и кристалл является совершенно превосходным в качестве сцинтилляционного материала.
Все из кристаллов, полученных в примерах A1-A4, A6 и A7 и в сравнительных примерах A2 и A3, представляли собой прозрачные монокристаллы, кристалл примера A5 представлял собой прозрачный керамический материал, и кристалл сравнительного примера A1 представлял собой непрозрачный поликристалл.
(Пример B1)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd0,97Lu2Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Пример B2)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Пример B3)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd0,97Lu2Ce0,03Ga2,2Al2,8O12.
(Пример B4)
Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd0,97Lu2Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Пример B5)
Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Сравнительный пример B1)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu2,97Ce0,03Al5O12.
(Сравнительный пример B2)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu2,97Ce0,03Ga5O12.
(Сравнительный пример B3)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd0,97Lu2Ce0,03Al5O12.
(Сравнительный пример B4)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd0,97Lu2Ce0,03Al4Ga1O12.
(Сравнительный пример B5)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd0,97Lu2Ce0,03Ga5O12.
Монокристаллы, полученные в примерах B1-B5 и в сравнительных примерах B1-B5, обрабатывали и шлифовали, получая размер ϕ 3 мм × 2 мм, и исследовали сцинтилляционные свойства каждого из кристаллов. Кроме того, спектры возбуждения и излучения кристаллов, полученных в примерах и сравнительных примерах, измеряли способом фотолюминесценции. В частности, профили, представленные на Фиг.7 и 8, получали, используя спектрофотофлуорометр. Фиг.7 представляет спектры возбуждения и излучения, полученные в примере B1, и Фиг.8 представляет спектры возбуждения и излучения полученный в сравнительном примере B3. На Фиг.7 и 8 абсцисса показывает длину волны излучения (нм), и ордината показывает длину волны возбуждения (нм).
Кроме того, кристаллы облучали гамма-излучением от 137Cs, и измеряли длительность затухания флуоресценции и величину люминесценции. Чтобы измерить величину люминесценции, положение максимума фотоэлектрического поглощения в полученном энергетическом спектре сравнивали с известным сцинтиллятором Ce:LYSO, у которого величина люминесценции составляет 33000 фотонов/МэВ, и величину люминесценции вычисляли, учитывая соответствующим образом чувствительность трубки фотоэлектронного умножителя при данной длине волны. Измерение осуществляли при 25°C.
Разнообразные свойства кристаллов, полученных в примерах B1-B5 и в сравнительных примерах B1-B5, кратко представлены в Таблицах 4 и 5.
Таблица 4
Теоретическая плотность (г/см3) Длина волны максимума излучения (нм) Длительность затухания флуоресценции в результате возбуждения гамма-излучением (нс) Длительность затухания флуоресценции (длина волны излучения 530 нм) в результате возбуждения ультрафиолетовым излучением при 250 нм (нс) Величина люминесценции в случае возбуждения гамма-излучением (фотон/МэВ)
(Пример В1)
Gd0,97Lu2Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		7,1 500 43 7 (3%)
39 (97%)		 36000
(Пример В2)
Lu2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		7,4 480 46 43 20000
(Пример В3)
Gd0,97Lu2Ce0,03Ga2,2Al2,8O12 		6,9 510 76 62,6 (88%)
235 (12%)		 20000
(Пример В4)
Gd0,97Lu2Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		7,1 500 43 9 (17%)
45 (83%)		 28000
(Пример В5)
Lu2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		7,4 480 49 (87%)
256 (13%)		 42 (85%)
455 (11%)		 20000
Таблица 5
Теоретическая плотность (г/см3) Длина волны максимума излучения (нм) Длительность затухания флуоресценции в результате возбуждения гамма-излучением (нс) Длительность затухания флуоресценции (длина волны излучения 530 нм) в результате возбуждения ультрафиолетовым излучением при 250 нм (нс) Величина люминесценции в случае возбуждения гамма-излучением (фотон/МэВ)
(Сравнительный пример В1)
Lu2,97Ce0,03Al5O12 		6,7 480 43 78 (90%)
350 (10%)		 9,000
(Сравнительный пример В2)
Lu2,97Ce0,03Ga5O12 		7,8 - 46 - 0
(Сравнительный пример В3)
Gd0,97Lu2Ce0,03Al5O12 		6,2 535 76 71 (90%)
360 (10%)		 3,000
(Сравнительный пример В4)
Gd0,97Lu2Ce0,03Al4Ga1O12 		6,5 525 43 63 (87%)
316 (13%)		 5,000
(Сравнительный пример В5)
Gd0,97Lu2Ce0,03Ga5O12 		7,3 - 49 (87%)
256 (13%)		 - 0
Как представлено на Фиг.7, в кристалле, изготовленном примере B1, максимум излучения, полученный от излучения 4f4f Gd3+, оказался чрезвычайно слабым. С другой стороны, как представлено на Фиг.8, в кристалле сравнительного примера B3 максимум излучения, полученный от излучения 4f5d Ce3+, был подтвержден около длины волны излучения 530 нм, и максимум излучения, полученный от излучения 4f4f Gd3+, был подтвержден около длины волны излучения 312 нм.
Кроме того, для кристаллов, полученных в примере B1 и в сравнительных примерах B3 и B4, продолжительность флуоресценции (длительность затухания флуоресценции) измеряли, соответственно, в отношении излучения 4f5d Ce3+ около длины волны излучения 530 нм и излучение 4f4f Gd3+ около длины волны излучения 312 нм, используя кривую затухания флуоресценции, которую наблюдали посредством фотолюминесценции. Результаты представлены в таблице 6.
Таблица 6
Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 450 нм и длине волны излучения 530 нм Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм и длине волны излучения 530 нм Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм и длине волны излучения 312 нм
Сравнительный пример
Gd0,97Lu2Ce0,03Al5O12 		55 нс (100%) 71 нс (90%)
360 нс (10%)		 11 мкс (35%)
106 мкс (65%)
Сравнительный пример
Gd0,97Lu2Ce0,03Ga1Al4O12 		54 нс (100%) 63 нс (87%)
316 нс (13%)		 8 мкс (67%)
121 мкс (33%)
Сравнительный пример
Gd0,97Lu2Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		37 нс (100%) 7 нс (3%)
39 нс (97%)		 1,5 мкс (72%)
9,6 мкс (28%)
Как представлено в таблице 6, когда излучение 4f5d Ce3+ около 530 нм возбуждали непосредственно, используя длину волны возбуждения 450 нм, наблюдали продолжительность флуоресценции от 44 нс до 55 нс, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Кроме того, когда излучение 4f5d Ce3+ возбуждали, используя длину волны возбуждения 250 нм, которая представляет собой длину волны возбуждения излучения 4f4f Gd3+, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Кроме того, в сравнительных примерах B3 и B4, долговечный компонент, имеющий продолжительность жизни, составляющую приблизительно 300 нс, был подтвержден, но долговечный компонент не был подтвержден в примере B1. Когда излучение 4f4f Gd3+ при длине волны излучения 312 нм возбуждали, используя длину волны 250 нм, получали продолжительность флуоресценции от нескольких микросекунд до 121 мкс, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. На основании представленных выше результатов можно подтвердить возникновение явления энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+.
Как описано выше, было обнаружено, что если оптимизировать концентрацию Ga и концентрацию Ce в активированном церием кристалле со структурой граната, который представляет формула (2), кристалл может излучать большое количество света, и можно уменьшать длительность затухания флуоресценции и содержание долговечного компонента. Кроме того, кристалл, у которого длина волны максимума излучения люминесценции составляет приблизительно от 450 нм до 550 нм, является подходящим для объединения с приемником света типа PD, Si-PM и т.п., содержащим кремниевый полупроводник, который проявляет высокую чувствительность по отношению к длине волны от 400 нм до 700 нм. Также было обнаружено, что продолжительность флуоресценции кристалла составляет приблизительно от 30 нс до 95 нс, и кристалл является совершенно превосходным в качестве сцинтилляционного материала.
Все из кристаллов, полученных в примерах B1-B3 и в сравнительных примерах B1 и B5, представляли собой прозрачные монокристаллы, и кристаллы сравнительных примеров B4 и B5, представляли собой прозрачные керамические материалы.
(Пример C1)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Пример C2)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,997Y1Ce0,003Ga3,1Al1,9O12.
(Пример C3)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,85Y1Ce0,15Ga3,1Al1,9O12.
(Пример C4)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,97Y1Ce0,03Ga4Al1O12.
(Пример C5)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1Y1,97Ce0,03Ga3,1Al3O12.
(Пример C6)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1Y1,97Ce0,03Ga4Al1O12.
(Пример C7)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Пример C8)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,997Y1Ce0,03Ga2,2Al2,8O12.
(Пример C9)
Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Пример C10)
Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
(Сравнительный пример C1)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y2,97Ce0,03Al5O12.
(Сравнительный пример C2)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y2,97Ce0,03Ga5O12.
(Сравнительный пример C3)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,97Y1Ce0,03Al5O12.
(Сравнительный пример C4)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,97Y1Ce0,03Al4Ga1O12.
(Сравнительный пример C5)
Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd1,97Y1Ce0,03Ga5O12.
Монокристаллы, полученный в примерах C1-C10 и в сравнительных примерах C1-C5, обрабатывали и шлифовали, получая размер ϕ 3 мм × 2 мм, и исследовали сцинтилляционные свойства каждого из кристаллов. Кроме того, спектры возбуждения и излучения кристаллов, полученных в примерах и сравнительных примерах, измеряли способом фотолюминесценции. В частности, профили, представленные на Фиг.9 и 10, получали, используя спектрофотофлуорометр. Фиг.9 представляет спектры возбуждения и излучения, полученные в примере C1, и Фиг.10 представляет спектры возбуждения и излучения кристалла, изготовленного в сравнительном примере C3. На Фиг.9 и 10 абсцисса показывает длину волны излучения (нм), и ордината показывает длину волны возбуждения (нм). Кроме того, кристаллы облучали гамма-излучением от 137Cs, и измеряли длительность затухания флуоресценции и величину люминесценции. Чтобы измерить величину люминесценции, положение максимума фотоэлектрического поглощения в полученном энергетическом спектре сравнивали с известным сцинтиллятором Ce:LYSO, у которого величина люминесценции составляет 33000 фотонов/МэВ, и величину люминесценции вычисляли, учитывая соответствующим образом чувствительность трубки фотоэлектронного умножителя при данной длине волны. Измерение осуществляли при 25°C.
Разнообразные свойства кристаллов, полученных в примерах C1-C10 и в сравнительных примерах C1-C5, кратко представлены в Таблицах 7 и 8.
Таблица 7
Теоретическая плотность (г/см3) Длина волны максимума излучения (нм) Длительность затухания флуоресценции в результате возбуждения гамма-излучением (нс) Длительность затухания флуоресценции (длина волны излучения 530 нм) в результате возбуждения ультрафиолетовым излучением при 250 нм (нс) Величина люминесценции в случае возбуждения гамма-излучением (фотон/МэВ)
(Пример C1)
Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		6,5 520 55 (84%)
11 (16%)		 5 (5%)
49 (95%)		 36,000
(Пример C2)
Gd1,997Y1Ce0,003Ga3,1Al1,9O12 		6,5 520 56 (92%)
240 (8%)		 51 (89%)
120 (11%)		 42,000
(Пример C3)
Gd1,85Y1Ce0,15Ga3,1Al1,9O12 		6,5 520 50 8 (8%)
45 (92%)		 48,000
(Пример C4)
Gd1,97Y1Ce0,03Ga4Al1O12 		6,6 510 61 (87%)
23 (13%)		 20 (15%)
58 (85%)		 40,000
(Пример C5)
Gd1Y1,97Ce0,03Ga3,1Al3O12 		5,3 520 54 5 (5%)
48 (95%)		 33,000
(Пример C6)
Gd1Y1,97Ce0,03Ga4Al1O12 		5,4 510 48 7 (3%)
42 (97%)		 28,000
(Пример C7)
Y2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		5,3 500 58 52 33,000
(Пример C8)
Gd1,997Y1Ce0,03Ga2,2Al2,8O12 		6,0 520 86 76 28,000
(Пример C9)
Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		6,2 520 29 (16%)
73 (84%)		 32 (65%)
86 (35%)		 48,000
(Пример C10)
Y2,97Ce0,03Ga3,1Al1,9O12 		5,3 500 58 (92%)
112 (8%)		 52 (95%)
211 (5%)		 25,000
Таблица 8
Теоретическая плотность (г/см3) Длина волны максимума излучения (нм) Длительность затухания флуоресценции в результате возбуждения гамма-излучением (нс) Длительность затухания флуоресценции (длина волны излучения 530 нм) в результате возбуждения ультрафиолетовым излучением при 250 нм (нс) Величина люминесценции в случае возбуждения гамма-излучением (фотон/МэВ)
(Сравнительный пример C1)
Y2,97Ce0,03Al5O12 		4,6 480 78 (90%)
350 (10%)		 70 9,000
(Сравнительный пример C2)
Y2,97Ce0,03Ga5O12 		5,8 - - - 0
(Сравнительный пример C3)
Gd1,97Y1Ce0,03Al5O12 		5,5 540 111 58 (73%)
224 (27%)		 11,000
(Сравнительный пример C4)
Gd1,97Y1Ce0,03Al4Ga1O12 		5,7 540 107 78,5 (78%)
189 (22%)		 14,000
(Сравнительный пример C5)
Gd1,97Y1Ce0,03Ga5O12 		6,7 0
Как представлено на Фиг.9, в кристалле, изготовленном в примере C1, максимум излучения, полученный от излучения 4f4f Gd3+, оказался чрезвычайно слабым. С другой стороны, как представлено на Фиг.10, в кристалле сравнительного примера C3 максимум излучения, полученный от излучения 4f5d Ce3+, был подтвержден около длины волны излучения 530 нм, и максимум излучения, полученный от излучения 4f4f Gd3+, был подтвержден около длины волны излучения 312 нм.
Кроме того, как представлено в примерах C1-C3 таблицы 7, когда концентрация Ce увеличивалась, продолжительность флуоресценции уменьшалась. Содержание долговечного компонента 240 нс, подтвержденное в примере C2, уменьшалось, когда концентрация Ce увеличивалась. Считается, что долговечный компонент образуется в результате энергетического перехода с энергетического уровня Gd на энергетический уровень Ce, и считается, что когда концентрация Ce увеличивается, вероятность энергетического перехода повышается, в результате чего уменьшается содержание долговечного компонента. Кроме того, величина люминесценции также увеличивалась и становилась максимальной в кристалле примера C3. Используя результаты этих измерений, можно подтвердить возникновение явления энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+.
Кроме того, для кристаллов, полученных в примере C1 и в сравнительных примерах C3 и C4, продолжительность флуоресценции (длительность затухания флуоресценции) измеряли, соответственно, по отношению к излучению 4f5d Ce3+ около длины волны излучения 530 нм и излучению 4f4f Gd3+ около длины волны излучения 312 нм, используя кривую затухания флуоресценции, которую наблюдали посредством фотолюминесценции. Результаты представлены в таблице 9.
Таблица 9
Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 450 нм и длине волны излучения 530 нм Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм и длине волны излучения 530 нм Продолжительность флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм и длине волны излучения 312 нм
(Сравнительный пример C3)
Gd1,97Y1Ce0,03Al5O12 		54 нс 58 нс (73%)
224 нс (27%)		 13 мкс (32%)
166 мкс (68%)
(Comparative example C4)
Gd1,97Y1Ce0,03Al4Ga1O12 		68 нс (84%)
11 нс (16%)		 78,5 нс (78%)
189 нс (22%)		 7 мкс (57%)
98 мкс (43%)
(Example C3)
Gd1,85Y1Ce0,15Ga3,1Al1,9O12 		50 нс 8 нс (8%)
45 нс (92%)		 11 мкс (68%)
86 мкс (34%)
Как представлено в таблице 9, когда излучение 4f5d Ce3+ около 530 нм возбуждали непосредственно, используя длину волны возбуждения 450 нм, наблюдали продолжительность флуоресценции от 48 нс до 86 нс, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Кроме того, когда излучение 4f5d Ce3+ возбуждали, используя длину волны возбуждения 250 нм, которая представляет собой длину волны возбуждения излучения 4f4f Gd3+, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. Кроме того, в сравнительных примерах C3 и C4 долговечный компонент, у которого продолжительность жизни составляет приблизительно 224 нс, был подтвержден, но долговечный компонент не был подтвержден в примере C3. Когда излучение 4f4f Gd3+ при длине волны излучения 312 нм возбуждали, используя длину волны 250 нм, получали продолжительность флуоресценции от нескольких микросекунд до 166 мкс, концентрация Ga увеличивалась, и продолжительность флуоресценции уменьшалась. На основании представленных выше результатов можно подтвердить возникновение явления энергетического перехода с энергетического уровня Gd3+ на энергетический уровень Ce3+.
Кроме того, кристалл, изготовленный в примере C3, облучали гамма-излучением от 137Cs, и его энергетический спектр измеряли, используя APD. Результат представлен на Фиг.11. Его энергетическое разрешение составляло 3,6%.
Фиг.12 представляет энергетический спектр, который получали, приклеивая кристалл, изготовленный в примере C1, к трубке фотоэлектронного умножителя с использованием оптического клея и облучая кристалл нейтронным излучением 252Cf. Был подтвержден фотомаксимум, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между атомами гадолиния, содержащимися в Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12, и нейтронами, поглощается в Gd1,97Y1Ce0,03Ga3,1Al1,9O12.
Как описано выше, было обнаружено, что если оптимизировать концентрацию Ga и концентрацию Ce в активированном церием кристалле со структурой граната, который представляет формула (3), кристалл может излучать большое количество света, и можно уменьшать длительность затухания флуоресценции и содержание долговечного компонента. Кроме того, поскольку кристалл имеет длину волны максимума излучения люминесценции, составляющую приблизительно от 450 нм до 550 нм, в отношении величины люминесценции кристалл является подходящим для объединения с детектором излучения типа PD, Si-PM и т.п., который включает кремниевый полупроводник, проявляющий высокую чувствительность по отношению к длине волны от 400 нм до 700 нм. Также было обнаружено, что его продолжительность флуоресценции составляет приблизительно от 50 нс до 86 нс, и кристалл является совершенно превосходным в качестве сцинтилляционного материала.
Все из кристаллов, полученных в примерах C1-C8 и в сравнительных примерах C1-C5, представляли собой прозрачные монокристаллы, и кристаллы в примерах C9 и C10, представляли собой прозрачные керамические материалы.

Claims (14)

1. Монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора, который представлен общей формулой (1), (2) или (3),
Figure 00000001
причем в формуле (1) 0,0001≤х≤0,15, 0≤у≤0,1, 2,5<z≤3,5, RE представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из Y и Yb, и отношение суммы содержаний Gd, Се, RE к сумме содержаний Al и Ga составляет 3:5,
Figure 00000002
причем в формуле (2) 0,0001≤а≤0,15, 0,1<b≤3, 3<с≤4,5 и 0≤3-а-b,
Figure 00000003
причем в формуле (3) 0,0001≤р≤0,15, 0,1<q≤1,5 1<r≤4,5, 0≤3-p-q и RE' представляет собой Y или Yb, и отношение суммы содержаний Gd, Се, RE’ к сумме содержаний Al и Ga составляет 3:5.
2. Монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора по п. 1, в котором флуоресцентный компонент имеет продолжительность флуоресценции не более чем 100 нс.
3. Монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора по п. 1, в котором интенсивность долговечного флуоресцентного компонента, у которого продолжительность флуоресценции превышает 100 нс, составляет не более чем 20% суммарной интенсивности флуоресцентных компонентов.
4. Монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора по п. 1, в котором длина волны максимума излучения флуоресцентного компонента равняется или составляет более чем 460 нм и равняется или составляет менее чем 700 нм.
5. Монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора по п. 1, в котором величина люминесценции составляет 20000 фотонов/МэВ или более.
6. Детектор излучения, включающий:
сцинтиллятор, который составляет монокристалл со структурой граната для сцинтиллятора по любому из пп. 1-5; и
приемник света, который определяет люминесценцию от сцинтиллятора.
RU2013140469A 2011-01-31 2012-01-27 Кристалл со структурой граната для сцинтиллятора и использующий его детектор излучения RU2622124C2 (ru)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011018579 2011-01-31
JP2011018583 2011-01-31
JP2011-018583 2011-01-31
JP2011018586 2011-01-31
JP2011-018579 2011-01-31
JP2011-018586 2011-01-31
PCT/JP2012/000525 WO2012105202A1 (ja) 2011-01-31 2012-01-27 シンチレータ用ガーネット型結晶、及びこれを用いた放射線検出器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013140469A RU2013140469A (ru) 2015-03-10
RU2622124C2 true RU2622124C2 (ru) 2017-06-13

Family

ID=46602428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013140469A RU2622124C2 (ru) 2011-01-31 2012-01-27 Кристалл со структурой граната для сцинтиллятора и использующий его детектор излучения

Country Status (11)

Country Link
US (1) US8969812B2 (ru)
EP (1) EP2671940B1 (ru)
JP (1) JP5952746B2 (ru)
CN (1) CN103380194A (ru)
DK (1) DK2671940T3 (ru)
ES (1) ES2599727T3 (ru)
HU (1) HUE030181T2 (ru)
PL (1) PL2671940T3 (ru)
RU (1) RU2622124C2 (ru)
TW (1) TWI525228B (ru)
WO (1) WO2012105202A1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682554C1 (ru) * 2017-12-28 2019-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Способ получения поликристаллических сцинтилляционных материалов в форме порошков
RU2748274C1 (ru) * 2020-09-01 2021-05-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук Состав и способ синтеза сцинтилляционной керамики на основе нанопорошка
RU2781041C1 (ru) * 2021-12-15 2022-10-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013065605A1 (ja) * 2011-11-02 2013-05-10 株式会社東芝 固体シンチレータおよびそれを用いた電子線検出器
JP6204785B2 (ja) * 2012-10-24 2017-09-27 株式会社松風 可視光線硬化型の歯科用硬化性組成物及びその存在識別方法
EP3489328A1 (en) * 2012-11-14 2019-05-29 Koninklijke Philips N.V. Scintillator material
JP6590699B2 (ja) 2013-01-23 2019-10-16 ユニバーシティ オブ テネシー リサーチ ファウンデーション ガーネット型シンチレータのシンチレーション及び光学特性を改変するための共ドーピング方法
US20150065869A1 (en) * 2013-09-03 2015-03-05 Prescient Imaging LLC Low noise transmission scan simultaneous with positron emission tomography
US20150092912A1 (en) * 2013-10-02 2015-04-02 General Electric Company Systems and methods for filtering emissions from scintillators
JP5620562B1 (ja) * 2013-10-23 2014-11-05 株式会社光波 単結晶蛍光体及び発光装置
ES2627561T3 (es) * 2013-12-17 2017-07-28 Koninklijke Philips N.V. Composición de granate centelleador
RU2670919C9 (ru) 2014-05-01 2018-12-12 Тохоку Техно Арч Ко., Лтд. Люминофор и детектор излучения
US20160033659A1 (en) * 2014-07-29 2016-02-04 Board Of Trustees Of Northern Illinois University High performance computing for three dimensional proton computed tomography
JP5749845B2 (ja) * 2014-09-18 2015-07-15 株式会社光波 蛍光体含有部材及び発光装置
US10562785B2 (en) * 2014-09-30 2020-02-18 Hitachi Metals, Ltd. Fluorescent material, scintillator, scintillator array, and radiation detector
US9580650B1 (en) * 2014-12-25 2017-02-28 DM Lighting Technologies Inc. Method of manufacturing Ce:YAG polycrystalline phosphor
US10809393B2 (en) * 2015-04-23 2020-10-20 Fermi Research Alliance, Llc Monocrystal-based microchannel plate image intensifier
US10150914B2 (en) 2015-11-25 2018-12-11 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Ceramic phoswich with fused optical elements, method of manufacture thereof and articles comprising the same
US10961452B2 (en) 2015-12-01 2021-03-30 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Method for controlling gallium content in gadolinium-gallium garnet scintillators
US10197685B2 (en) * 2015-12-01 2019-02-05 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Method for controlling gallium content in gadolinium-gallium garnet scintillators
US10000698B2 (en) 2016-03-08 2018-06-19 Lawrence Livermore National Security, Llc Transparent ceramic garnet scintillator detector for positron emission tomography
KR101754019B1 (ko) * 2016-03-28 2017-08-11 (주) 제이에스테크윈 섬광체에의 광증배관 장착구조
JP6776671B2 (ja) * 2016-07-08 2020-10-28 日立金属株式会社 蛍光材料、セラミックシンチレータおよび放射線検出器、並びに蛍光材料の製造方法
CN106673639B (zh) * 2017-01-03 2020-01-14 中国科学院上海光学精密机械研究所 共掺杂钇铝石榴石闪烁透明陶瓷及其制备方法
RU2646407C1 (ru) * 2017-06-02 2018-03-05 Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" Монокристалл со структурой граната для сцинтилляционных датчиков и способ его получения
US10364390B2 (en) 2017-11-30 2019-07-30 Gatan, Inc. High density fast phosphor for electron microscopy
JPWO2019181618A1 (ja) * 2018-03-23 2021-03-25 Tdk株式会社 蛍光体および光源装置
JP6604453B2 (ja) 2018-04-26 2019-11-13 三菱マテリアル株式会社 α線測定装置
WO2021031141A1 (zh) * 2019-08-21 2021-02-25 眉山博雅新材料有限公司 无需退火的氧化物晶体生长方法及设备
US11326099B2 (en) 2019-10-30 2022-05-10 GE Precision Healthcare LLC Ceramic scintillator based on cubic garnet compositions for positron emission tomography (PET)
JP7459593B2 (ja) 2020-03-19 2024-04-02 株式会社プロテリアル セラミック蛍光材料、シンチレータアレイ、放射線検出器および放射線コンピュータ断層撮影装置
CN113061975A (zh) 2020-06-05 2021-07-02 眉山博雅新材料有限公司 一种用于生长晶体的设备
US11624126B2 (en) 2020-06-16 2023-04-11 Ohio State Innovation Foundation Deposition of single phase beta-(AlxGa1-x)2O3 thin films with 0.28< =x<=0.7 on beta Ga2O3(100) or (−201) substrates by chemical vapor deposition
US20220291414A1 (en) * 2021-03-12 2022-09-15 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Garnet scintillator compositions for downhole oil and gas explorations

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007217456A (ja) * 2006-02-14 2007-08-30 Hitachi Metals Ltd 蛍光材料およびそれを用いた放射線検出器
US20080017802A1 (en) * 2004-12-21 2008-01-24 Hitachi Metals, Ltd. Fluorescent Material, a Method of Manufacturing the Fluorescent Material, a Radiation Detector Using the Fluorescent Material, and an X-Ray Ct Scanner
US20080198573A1 (en) * 2005-06-02 2008-08-21 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Illumination System Comprising Color Deficiency Compensating Luminescent Material
JP2009046610A (ja) * 2007-08-21 2009-03-05 Hitachi Metals Ltd シンチレータ
TW200916559A (en) * 2007-10-15 2009-04-16 Univ Nat Cheng Kung Fluorescent material having gadolinium aluminum garnet structure
RU2388017C1 (ru) * 2009-02-12 2010-04-27 Закрытое акционерное общество "СНИИП-КОНВЭЛ" Пленочный сцинтиллятор для регистрации бета- и фотонного излучений

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3938470B2 (ja) * 1997-12-24 2007-06-27 株式会社日立メディコ 蛍光体及びそれを用いた放射線検出器及びｘ線ｃｔ装置
JP4290282B2 (ja) * 1999-06-23 2009-07-01 株式会社日立メディコ 酸化物蛍光体及びそれを用いた放射線検出器、並びにｘ線ｃｔ装置
JP4623403B2 (ja) * 2000-04-06 2011-02-02 日立金属株式会社 セラミックス、セラミックス粉末の製造方法及びセラミックスの製造方法。
JP4521929B2 (ja) * 2000-04-26 2010-08-11 株式会社日立メディコ 蛍光体及びそれを用いた放射線検出器及びｘ線ｃｔ装置
JP4683719B2 (ja) * 2000-12-21 2011-05-18 株式会社日立メディコ 酸化物蛍光体及びそれを用いた放射線検出器、並びにｘ線ｃｔ装置
US6630077B2 (en) * 2001-10-11 2003-10-07 General Electric Company Terbium- or lutetium - containing garnet phosphors and scintillators for detection of high-energy radiation
US7008558B2 (en) 2001-10-11 2006-03-07 General Electric Company Terbium or lutetium containing scintillator compositions having increased resistance to radiation damage
US6793848B2 (en) 2001-10-11 2004-09-21 General Electric Company Terbium or lutetium containing garnet scintillators having increased resistance to radiation damage
JP2005095514A (ja) * 2003-09-26 2005-04-14 Hitachi Medical Corp 放射線検出器及びそれを用いたｘ線ｃｔ装置
JP5389328B2 (ja) 2004-11-08 2014-01-15 株式会社 東北テクノアーチ Ｐｒを含むシンチレータ用単結晶及びその製造方法並びに放射線検出器及び検査装置
US8013506B2 (en) * 2006-12-12 2011-09-06 Prysm, Inc. Organic compounds for adjusting phosphor chromaticity
JP5212115B2 (ja) * 2007-02-02 2013-06-19 日立金属株式会社 蛍光材料およびそれを用いたシンチレータ並びに放射線検出器
JP5521273B2 (ja) * 2007-06-01 2014-06-11 日立化成株式会社 シンチレータ用単結晶、シンチレータ用単結晶を製造するための熱処理方法、及びシンチレータ用単結晶の製造方法
US8269420B2 (en) 2007-10-12 2012-09-18 Sony Corporation Illuminating device having fluorescent lamp, display apparatus including the same, and light-diffusing film

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080017802A1 (en) * 2004-12-21 2008-01-24 Hitachi Metals, Ltd. Fluorescent Material, a Method of Manufacturing the Fluorescent Material, a Radiation Detector Using the Fluorescent Material, and an X-Ray Ct Scanner
US20080198573A1 (en) * 2005-06-02 2008-08-21 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Illumination System Comprising Color Deficiency Compensating Luminescent Material
JP2007217456A (ja) * 2006-02-14 2007-08-30 Hitachi Metals Ltd 蛍光材料およびそれを用いた放射線検出器
JP2009046610A (ja) * 2007-08-21 2009-03-05 Hitachi Metals Ltd シンチレータ
TW200916559A (en) * 2007-10-15 2009-04-16 Univ Nat Cheng Kung Fluorescent material having gadolinium aluminum garnet structure
RU2388017C1 (ru) * 2009-02-12 2010-04-27 Закрытое акционерное общество "СНИИП-КОНВЭЛ" Пленочный сцинтиллятор для регистрации бета- и фотонного излучений

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682554C1 (ru) * 2017-12-28 2019-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Способ получения поликристаллических сцинтилляционных материалов в форме порошков
RU2748274C1 (ru) * 2020-09-01 2021-05-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук Состав и способ синтеза сцинтилляционной керамики на основе нанопорошка
RU2781041C1 (ru) * 2021-12-15 2022-10-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов

Also Published As

Publication number Publication date
TWI525228B (zh) 2016-03-11
US8969812B2 (en) 2015-03-03
JPWO2012105202A1 (ja) 2014-07-03
EP2671940A1 (en) 2013-12-11
TW201241247A (en) 2012-10-16
HUE030181T2 (en) 2017-04-28
PL2671940T3 (pl) 2017-01-31
WO2012105202A1 (ja) 2012-08-09
EP2671940A4 (en) 2014-11-05
ES2599727T3 (es) 2017-02-02
CN103380194A (zh) 2013-10-30
JP5952746B2 (ja) 2016-07-13
EP2671940B1 (en) 2016-08-17
RU2013140469A (ru) 2015-03-10
US20130306874A1 (en) 2013-11-21
DK2671940T3 (en) 2016-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2622124C2 (ru) Кристалл со структурой граната для сцинтиллятора и использующий его детектор излучения
JP6590699B2 (ja) ガーネット型シンチレータのシンチレーション及び光学特性を改変するための共ドーピング方法
EP3138891B1 (en) Illuminant and radiation detector
Shah et al. LuI/sub 3: Ce-a new scintillator for gamma ray spectroscopy
JP5674385B2 (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器
JP5548629B2 (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器
RU2666445C1 (ru) Кристаллический материал, способ изготовления кристалла, детектор излучения, прибор неразрушющего контроля и прибор визуализации
JP2012180399A (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶、及び、これを用いる放射線検出器
JP2013002882A (ja) 放射線検出器
JP6078223B2 (ja) シンチレータ用ガーネット型単結晶およびこれを用いる放射線検出器
JP2013043960A (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器
JP2017036160A (ja) 結晶材料、結晶製造法、放射線検出器、非破壊検査装置、および撮像装置
US20220363988A1 (en) Scintillator and method for manufacturing the same
JP2013040274A (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器
JP2017066245A (ja) シンチレータ結晶材料、単結晶シンチレータ、放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置
RU2328755C1 (ru) Способ получения прозрачной керамики и сцинтиллятор на основе этой керамики
JP7478399B2 (ja) シンチレータおよびシンチレータ用単結晶の製造方法
Mekki et al. Scintillation properties of (Lu1-x Y x) 3Al5O12: Ce3+ nanoscintillator solid solution garnet materials
WO2012105694A1 (ja) 中性子線検出用シンチレーター及び中性子線検出装置
Shah et al. LaBr/sub 3: Ce scintillators for gamma ray spectroscopy
CN113293436A (zh) 一种近红外闪烁晶体及其制备方法与应用

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant