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

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

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).

Gd_3-x-yCe_xRE_yAl_5-zGa_zO₁₂ (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).

Gd_3-a-bCe_aLu_bAl_5-cGa_cO₁₂ (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).

Gd_3-p-qCe_pRE’_qAl_5-rGa_rO₁₂ (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 Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂, изготовленного способом микровытягивания.

Фиг.4 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd_2,97Ce_0,03Al₅O₁₂, изготовленного способом микровытягивания.

Фиг.5 представляет вид, иллюстрирующий энергетический спектр, который получают, когда кристалл Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂, изготовленный способом микровытягивания, облучают гамма-излучением от¹³⁷Cs и используют трубку фотоэлектронного умножителя (PMT).

Фиг.6 представляет вид, иллюстрирующий энергетические спектры, полученные приклеиванием кристалла Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂ к трубке фотоэлектронного умножителя и облучением кристалла нейтронным излучением²⁵²Cf. Подтвержден нейтронный пик, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между гадолинием, содержащимся в Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂, и нейтронами, поглощается в Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂.

Фиг.7 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂, изготовленного способом микровытягивания.

Фиг.8 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Al₅O₁₂, изготовленного способом микровытягивания.

Фиг.9 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂, изготовленного способом микровытягивания.

Фиг.10 представляет вид, иллюстрирующий спектры возбуждения и излучения кристалла Gd_1,97Y₁Ce_0,03Al₅O₁₂, изготовленного способом микровытягивания.

Фиг.11 представляет вид, иллюстрирующий энергетический спектр, который получают, когда кристалл Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂, изготовленный способом микровытягивания, облучают гамма-излучением от¹³⁷Cs и используют трубку фотоэлектронного умножителя (PMT).

Фиг.12 представляет вид, иллюстрирующий энергетические спектры, полученные приклеиванием кристалла Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂ к трубке фотоэлектронного умножителя и облучением кристалла нейтронным излучением²⁵²Cf. Подтвержден нейтронный пик, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между гадолинием, содержащимся в Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂, и нейтронами, поглощается в Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Первый кристалл со структурой граната для сцинтиллятора представляет следующая общая формула (1).

Gd_3-x-yCe_xRE_yAl_5-zGa_zO₁₂ (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).

Gd_3-a-bCe_aLu_bAl_5-cGa_cO₁₂ (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).

Gd_3-p-qCe_pRE’_qAl_5-rGa_rO₁₂ (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-излучения¹³⁷Cs 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-излучения¹³⁷Cs 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 O^2-. 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-излучения¹³⁷Cs 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 Gd_2,997Ce_0,003Ga_2,2Al_2,8O₁₂.

(Пример A2)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,997Ce_0,003Ga₃Al₂O₁₂.

(Пример A3)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂.

(Пример A4)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,85Ce_0,15Ga₃Al₂O₁₂.

(Пример A5)

Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂.

(Пример A6)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,97Ce_0,03Ga₄Al₁O₁₂. 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 Gd_2,87Y_0,1Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂.

(Сравнительный пример A1)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,97Ce_0,03Al₅O₁₂.

(Сравнительный пример A2)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,994Ce_0,006Al₄Ga₁O₁₂.

(Сравнительный пример A3)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_2,97Ce_0,03Ga₅O₁₂.

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 от¹³⁷Cs, 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.

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 G^d3+, 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.

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 от¹³⁷Cs, 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 излучением²⁵²Cf. Был подтвержден фотомаксимум, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между атомами гадолиния, содержащимися в Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂, и нейтронами, поглощается в Gd_2,97Ce_0,03Ga₃Al₂O₁₂,.

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 Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример B2)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu_2,97Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример B3)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Ga_2,2Al_2,8O₁₂.

(Пример B4)

Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример B5)

Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu_2,97Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Сравнительный пример B1)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu_2,97Ce_0,03Al₅O₁₂.

(Сравнительный пример B2)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Lu_2,97Ce_0,03Ga₅O₁₂.

(Сравнительный пример B3)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Al₅O₁₂.

(Сравнительный пример B4)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Al₄Ga₁O₁₂.

(Сравнительный пример B5)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_0,97Lu₂Ce_0,03Ga₅O₁₂.

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 от¹³⁷Cs, 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.

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.

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 Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример C2)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,997Y₁Ce_0,003Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример C3)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,85Y₁Ce_0,15Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример C4)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga₄Al₁O₁₂.

(Пример C5)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd₁Y_1,97Ce_0,03Ga_3,1Al₃O₁₂.

(Пример C6)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd₁Y_1,97Ce_0,03Ga₄Al₁O₁₂.

(Пример C7)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y_2,97Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример C8)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,997Y₁Ce_0,03Ga_2,2Al_2,8O₁₂.

(Пример C9)

Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Пример C10)

Способом горячего изостатического спекания под давлением был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y_2,97Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

(Сравнительный пример C1)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y_2,97Ce_0,03Al₅O₁₂.

(Сравнительный пример C2)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Y_2,97Ce_0,03Ga₅O₁₂.

(Сравнительный пример C3)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,97Y₁Ce_0,03Al₅O₁₂.

(Сравнительный пример C4)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,97Y₁Ce_0,03Al₄Ga₁O₁₂.

(Сравнительный пример C5)

Способом микровытягивания был изготовлен кристалл со структурой граната, состав которого представляет формула Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga₅O₁₂.

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 от¹³⁷Cs, 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.

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.

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 от¹³⁷Cs, 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 излучением²⁵²Cf. Был подтвержден фотомаксимум, который образуется, когда нейтронное излучение, излучаемое в реакции (n, γ) между атомами гадолиния, содержащимися в Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂, и нейтронами, поглощается в Gd_1,97Y₁Ce_0,03Ga_3,1Al_1,9O₁₂.

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.

Реферат

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).где 0,0001≤х≤0,15, 0≤у≤0,1, 2,5

Формула

причем в формуле (1) 0,0001≤х≤0,15, 0≤у≤0,1, 2,5

причем в формуле (2) 0,0001≤а≤0,15, 0,1

причем в формуле (3) 0,0001≤р≤0,15, 0,1

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.