DE2849739A1

DE2849739A1 - Verfahren zum herstellen von scintillator-koerpern

Info

Publication number: DE2849739A1
Application number: DE19782849739
Authority: DE
Inventors: Dominic Anthony Cusano; Jerome Sydney Prener
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-11-21
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1979-05-23
Also published as: CA1122335A; FR2409524A1; NL7811452A; DE2849739C2; JPS58136687A; FR2409524B1; GB2010891B; JPS6029756B2; GB2010891A; JPS5490089A; JPS6350674B2; GB2026017B; US4230510A; GB2026017A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Scintillator-Strukturen und Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verteilen des Scintillator-Leuchtstoffes in einer solchen Weise, daß das Austreten der Strahlung sichtbarer Wellenlänge aus dem Scintillator-Körper gefördert wird, die sonst innerhalb dieses Körpers zerstreut werden würde. Es werden zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, wobei in der einen der Leuchtstoff in einer geschichteten Struktur verteilt ist und in der anderen der Leuchtstoff in einer transparenten Matrix dispergiert ist.

Ein Scintillator ist allgemein ein Material, das bei Erregung durch hochenergiereiche elektromagnetische Photonen, wie solche im Röntgen- oder Gammastrahlenbereich des Spektrums, die nachfolgend als supraoptische Frequenzen bezeichnet werden, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Spektrums emittiert. Diese Materialien sind ausgezeichnet zur Verwendung als Detektoren in industriellen oder medizinischen Röntgen- oder Gammastrahlen-Apparaten. Bei den üblichen Anwendungen läßt man die von den Scintillatormaterialien emittierte Strahlung (die Abgabe) auf photoelektrisch ansprechende Materialien auftreffen, in denen ein elektrisches Signal erzeugt wird, das abgegeben wird und das in direkter Beziehung steht zur Intensität der anfänglich auf das Scintillatormaterial auftreffenden Röntgen- oder Gammastrahlung.

Scintillatormaterialien umfassen einen Hauptteil solcher Geräte, die zum Nachweis der Anwesenheit und Intensität einfallender hochenergiereicher Photonen benutzt werden. Ein anderer üblicherweise benutzter Detektor ist die Ionisationskammer, die ein Edelgas unter hohem Druck enthält, wie Xenon, das zu einem gewissen Ausmaß ionisiert, wenn es hochenergiereicher Röntgen- oder Gammastrahlung ausgesetzt ist. Aufgrund dieser Ionisation fließt ein bestimmter Strom zwischen der Kathode und der Anode dieser Detektoren, die auf relativ hohen und entgegengesetzten Polaritäten·

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zueinander gehalten sind. Der fließende Strom wird durch einen entsprechenden Stromkreis nachgewiesen, dessen Abgabe die Intensität der hochenergiereichen Strahlung reflektiert. Da diese Art von Detektor einen Ionisationspfad benutzt, bleibt er offen. Er ist daher besonders empfindlich für seine eigene Form von "Nachleuchten" , was zu einem Verwischen von Information in der Zeitdimension führt, die in dem bestrahlenden Signal enthalten ist, und zwar als Ergebnis des Passierens eines zu untersuchenden Körpers, wie bei der computerisierten Tomographie.

Der in dieser Anmeldung einschließlich der Ansprüche benutzte Begriff "Licht" bedeutet solche elektromagnetischen Strahlungen im sichtbaren Bereich des Spektrums sowie nahe dem Sichtbaren liegende Wellenlängen, die von gewissen Leuchtstoffen abgegeben werden. Der Begriff "optische" umfaßt den gleichen Spektralbereich wie der Begriff "Licht".

Es ist allgemein erwünscht, daß die Lichtabgabe der Scintillatoren für eine gegebene Menge Röntgen- oder Gammastrahlenenergie so groß als möglich ist. Dies trifft besonders für den medizinischen Tomo-

Röntgen graphiebereich zu, wo die Intensität derAstrahlen so gering als möglich sein soll, um irgendeine Gefahr für den Patienten zu minimalisieren.

Eine andere bedeutende Eigenschaft, die Scintillatormaterialien aufweisen sollten, ist die eines kurzen Nachleuchtens. Das bedeutet, daß nur eine relativ kurze Zeit zwischen der Beendigung der Anregung mit hochenergiereicher Strahlung und dem Aufhören der Lichtabgabe vom Scintillator verstreichen sollte. Wenn das nicht der Fall ist, dann erhält man ein Verschmieren in der Zeit des die Information tragenden Signals, das zum Beispiel erzeugt wird, wenn der Scintillator zur Herstellung tomographischer Bilddaten benutzt wird. Wenn ein rasches tomographisches Abtasten erwünscht ist, begrenzt das Nachleuchten die Abtastgeschwindigkeit stark und macht es daher schwierig, sich bewegende Körperorgane, wie das Herz oder die Lungen, zu beobachten.

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Ein Scintillator-Körper oder eine Scintillator-Substanz muß, um wirksam zu sein, ein guter Umwandler von hochenergiereicher Strahlung, d. h. Röntgen- und Gammastrahlung, sein. Die derzeitigen Scintillatorkörper bestehen aus einem Leuchtstoff in Pulver-, polykristalliner oder kristalliner Form. In diesen Formen ist das bei Anregung mit hochenergiereicher Strahlung erzeugte brauchbare Licht auf das begrenzt, das aus dem Inneren des Scintillator-Körpers nach außen gelangt und das bereits in den Oberflächenbereichen erzeugt wird. Wegen der optischen Absorption aufgrund der vielfachen inneren Reflektionen, wobei jede Reflektion die zu äußeren Detektoren gelangene Lichtmenge weiter schwächt, ist das Entweichen von Licht schwierig. Es ist daher notwendig, daß nicht nur die Leuchtstoffe selbst eine gute Leuchtwirksamkeit aufweisen, sondern es ist auch notwendig, daß das emittierte Licht zum Nachweis verfügbar ist.

Im medizinischen Tomographiebereich, wo die Intensität der Röntgenstrahlung durch den Körper, den sie passiert, moduliert wird, wobei diese modulierte Strahlung dann in elektrische Signale umgewandelt wird, ist es von Bedeutung, daß Röntgenstrahlen-Nachweisgeräte mit einer guten Gesamtenergieumwandlung vorhanden sind. Bei Geräten mit geringerer Wirksamkeit muß eine Röntgenstrahlung einer höheren Flußdichte benutzt werden, um die gleiche Licht- und elektrische Abgabe vom Gesamtsystem zu erzeugen. In einem medizinischen Tomographiezusammenhang bedeutet dies, daß ein solches System ein geringes Verhältnis von Signal zu Geräusch, auch Rauschabstand genannt, aufweist.

Typische Scintillator-Leuchtstoffe schließen mit Europium dotiertes Bariumfluorchlorid ein (BaFCIrEu). Andere Leuchtstoffe sind zum Beispiel Wismutgermanat (Bi₄Ge₃O₁₂), Lanthanoxybromid dotiert mit Terbium (LaOBr:Tb), Cäsiumjodid dotiert mit Thallium (CsJ:T1), Cäsiumjodid dotiert mit Natrium (CsJ:Na), Kalziumwolframat (CaWO₄), Kadmiumwolframat (CdWO₄), Zinkkadmiumsulfid dotiert mit Silber (ZnCdS:Ag), Zinkkadmiumsulfid dotiert mit Silber und Nickel (ZnCdS:Ag,Ni) , Gadoliniumoxysulfid dotiert mit Terbium (Cd₂O₂S:Tb) und Lanthanoxybromid dotiert mit Dysprosium (LaOBr:Dy). Andere

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Wirtskristallmöglichkeiten für Leuchtstoffe schließen die Selenide von Zink und Kadmium, die Telluride von Zink und Kadmium, Natriumjodid und das Oxysulfid des Lanthans (La-OpS) ein.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein geeigneter Leuchtstoff an beiden Seiten eines darunterliegenden Substrates angebracht, wobei der Leuchtstoff entweder in Pulverform oder in einer zusammenhängenderen Form oder in dispergierter Form in einer transparenten Matrix eingesetzt wird. Die dabei mit Leuchtstoffmaterial versehenen erhaltenen Substrate werden weiter miteinander und mit einem transparentem Material zwischen den leuchtstoffüberzogenen Substraten geschichtet. Diese Struktur legt einen größeren Bereich von Leuchtstoffmaterial gegenüber einer Region frei, von der das vom Leuchtstoffmaterial emittierte Licht leicht entweichen kann, um nachgewiesen zu werden. Die erhaltenen Scintillatorkörper sind brauchbar in tomographischen Detektoranordnungen, die eine hohe Gesamtenergieumwandlungswirksamkeit erfordern, um eine hohe Bildauflösung zu haben und für die Sicherheit des Patienten zu sorgen.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Leuchtstoffmaterial in einer kontinuierlichen Weise in einer transparenten Matrix verteilt. Das bei Röntgen- oder Gammastrahlenabsorption im Scintillatorkörper erzeugte Licht entweicht daher aus dem Körper bei minimaler innerer Reflexion und folglich geringem Lichtenergieverlust.

Das in den obigen Strukturen benutzte Leuchtstoffmaterial ist billig, verglichen mit den Ionisationsdetektoren, die unter hohem Druck (25 Atmosphären) stehendes Edelgas um Elektroden herum verwenden, die bei hohen gegenüberliegenden Polaritäten zueinander gehalten sind.

Die Zeichnung zeigt:

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Figur 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Leuchtstoff schichtartig verteilt ist,

Figur 2 eine Draufsicht im Schnitt des Scintillatorkörpers nach Figur 1, in der die geschichtete Verteilung des Leuchtstoffes ersichtlich ist,

Figur 3 eine Seitenansicht eines Scintillatorkörpers, der von einer Umhüllung umgeben ist, die zur Umwandlung des vom Scintillator abgegebenen Lichtes in eine geeignetere Wellenlänge dient,

Figur 4 eine perspektivische Ansicht von Scintillatorkörpern, bei denen der Leuchtstoff im Schichtform verteilt ist und die als Teil eines tomographischen Röntgenstrahldetektors angeordnet sind.

Figur 5 eine Seitenansicht im Schnitt einer schichtartigen Scintillator struktur , die für eine größere Absorption geneigt ist,

Figur 6 eine Seitenansicht im Schnitt eines Scintillatorkörpers mit kontinuierlicher Dispersion des Leuchtstoffes durch den Körper,

Figur 7 eine Draufsicht im Schnitt des Scintillatorkörpers nach Figur 6, die auch die kontinuierliche Dispersion des Leuchtstoffmaterials durch den Körper zeigt, und

Figur 8 einen Teil eines tomographischen Röntgenstrahldetektors mit Scintillatorkörpern, bei denen der Leuchtstoff kontinuierlich durch den Körper verteilt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Scintillatorstruktur mit verteiltem Leuchtstoff, die eine größere optische Kopplung zwischen dem Scintillatorkörper und dem photoelektrisch ansprechenden EIe-

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ment, wie einer Photodiode, erzeugt. Es gibt zwei hauptsächliche Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung; eine, bei der der Leuchtstoff schichtartig verteilt ist, und eine andere, in der der Leuchtstoff kontinuierlich durch den Scintillatorkörper verteilt ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Abschnitte von Scintillatorkörpern, bei denen der Leuchtstoff kontinuierlich durch den Körper verteilt ist, in einer Ausführungsform einer Vielschichtstruktur benutzt werden.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht im Schnitt eines Scintillatorkörpers 1 mit einer Vielschichtstruktur. Bei dieser Ausführungsform ist das Leuchtstoffmaterial 3 an einem Substrat 5 angebracht. Die leuchtstoffüberzogenen Substrate sind dann weiter mit das Licht kanalisierenden Laminaten 4 zwischen den Schichten der leuchtstoffüberzogenen Substrate geschichtet. Ein Röntgenphoton wird durch ein Leuchtstoffteilchen an einer Absorptionsstelle 6 in der vierten Leuchtstoffschicht absorbiert. Die Absorption des energiereichen Röntgenphotons hoher Frequenz verursacht die Erzeugung vieler Photonen optischer Wellenlänge mit geringerer Energie und kleinerer Frequenz. Der Pfad 7 eines Photons optischer Wellenlänge wird in seinem hin und her reflektierten Verlauf innerhalb des das Licht kanalisierenden Laminats 4 zwischen den Leuchtstoff schichten gezeigt, wobei dieses Photon schließlich aus dem Scintillatorkörper entweicht, wodurch es leichter nachgewiesen werden kann_yals wenn die Absorption innerhalb eines dichten und viel weniger optisch transparenten Körpers stattgefunden hätte.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht der gleichen Scintillatorstruktur wie in Figur 1, wobei zu bemerken ist, daß die Zahl der leuchtstoffüberzogenen Substratschichten nicht auf die gezeigten vier beschränkt zu sein braucht.

Sowohl Figur 1 als auch Figur 2 zeigen eine Leuchtstoffschicht Diese Leuchtstoffschicht 3, die auf das Substrat 5 aufgebracht ist, wird in einer Vielfalt von Leuchtstofformen benutzt. Die Leuchtstoffschicht 3 kann entweder aus einem pulverförmiger einkristallinen oder einem Leuchtstoff bestehen, der in einer trans-

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parenten Matrix dispergiert ist, oder aus einem Leuchtstoff, der in einer zusammenhängenden Schicht aufgebracht ist, wie zum Beispiel einem durch Abschrecken der flüssigen Form gebildeten Leuchtstoffmaterial.

Mit einem geeigneten Klebstoff kann irgendeiner der vorgenannten Leuchtstoffe auf das Substrat in einer geeigneten Dicke aufgebracht werden. So hat insbesondere ZnCdSrAg eine große Teilchengröße, die das Entweichen des Lichtes aus der Pulverschicht fördert. Die Emissionsfarbe dieses besonderen Leuchtstoffes ist orange-rot und dies macht ihn besonders gut geeignet zum Nachweis mittels Siliziumhalbleiterelementen. Eine 0,5 mm dicke Schicht dieses Leuchtstoffes absorbiert zwischen 20 und 25 % der Röntgenphotonen in einem computerisierten Tomographiesystem, bei dem die durchschnittliche Röntgenstrahlenergie etwa 65 KeV beträgt. Fünf oder sechs Schichten dieser Dicke reichen daher von diesem Leuchtstoff, um 90 % oder mehr der Röntgenphotonen zu absorbieren. Werden andere, stärker Röntgenstrahlen absorbierende Seltene Erdmetall-Leuchtstoffe benutzt, wie LaOBr:Tm, LaOBr:Tb, Gd₃O₃SrTb oder La₃O₃SrTb, dann ist die Zahl der zur vollständigen Absorption erforderlichen Schichten kleiner, und die Verluste in den lichtleitenden Laminatschichten sind ebenfalls geringer.

Es gibt eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten für das Leuchtstoffmaterial. Die drei zum Auswählen eines besonderen Leuchtstoffes für computerisierte Tomographie benutzten Kriterien sind seine hohe Leuchtwirksamkeit, das kurze Nachleuchten und die geringe Absorption für das emittierte Licht. Die Abklinggeschwindigkeit (Nachleuchten) ist besonders von Bedeutung in solchen Anwendungen der medizinischen Tomographie, bei denen wiederholtes Abtasten ausgeführt wird, wie z.B. bei Bildern sich bewegender Körperorgane. Die Auswahl von Wirtskristallgittern, die mit einem geeigneten Seltenen Erdmetall zu dotieren sind, d. h. einem Element mit der Atomzahl zwischen 58 und 71 einschließlich,oder einem anderen Aktivator, schließen die Sulfide, Selenide und Telluride von Zink und Kadmium, die Jodide von Natrium und Cäsium, die Wolframate von Kalzium und Kadmium, Lanthanoxybromid und die Oxysulfide von Lanthan und Gadolinium ein.

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Zusätzlich zum Aufbringen des Leuchtstoffmaterials in Pulverform auf das Substrat kann das Leuchtstoffmaterial auch als Einkristall aufgebracht werden, wenn solche Kristalle existieren. So ist z. B. ein Einkristall von Cäsiumjodid, dotiert mit Thallium, mittels eines geeigneten Klebstoffes, wie eines Epoxyharzes, an dem Substrat anbringbar.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Leuchtstoffschicht, die an dem Substrat angebracht ist, aus einem geeigenten Leuchtstoff, der kontinuierlich in einer transparenten Matrix dispergiert ist, wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird. Diese besondere geschichtete Ausführungsform kombiniert Merkmale beider offenbarten Hauptausführungsformen.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Leuchtstoffschicht 3 (vgl. Figur 1) aus einer Leuchtstoffschicht, die entweder durch Bedampfen, Erstarrenlassen einer Schmelze, Sintern unter hohem Druck oder durch Heißschmieden auf das Substrat aufgebracht ist. Verfahren zum Herstellen dieser zusammenhängenden Leuchtstoffschichten sind in der am gleichen Tage eingereichten anderen deutschen Patentanmeldung beschrieben, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial-No. 853 085 vom 21. November 1977 beansprucht ist.

Das Substratmaterial selbst darf keine Röntgenstrahlen absorbieren, deren Frequenzen innerhalb des interessierenden Spektralbereiches liegen. Typischerweise besteht das Substrat aus einem klargeschmolzenen Quarzmaterial. Dieses Substrat sollte auch optisch transparent sein, obwohl dies nicht wesentlich ist, da die Mehrzahl der emittierten optischen Photonen durch die lichtkanalisierenden Laminatschichten ihren Weg zur Außenseite des Scintillators findet. Eine typische Dicke für dieses Substrat für tomographische Anwendung beträgt 0,5 mm.

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Zwischen jeweils zwei leuchtstoffüberzogenen Substraten liegt eine Schicht des lichtkanalisierenden Laminatmaterials. Dieses ist üblicherweise ein Epoxymaterial. Das Hauptkriterium für die Auswahl dieses Laminatmaterials ist seine optische Transparenz. Andere Kriterien schließen seine chemische Verträglichkeit mit dem Leuchtstoffmaterial, seine strukturelle Starrheit, seine geringe Röntgenstrahlenabsorption und seine Fähigkeit ein, auch gegenüber einer längeren Röntgenbestrahlung widerstandsfähig zu sein.

Die Laminatschicht enthält auch wahlweise mindestens ein Material, wie einen Fluoreszenzfarbstoff, der aufgrund einer Wellenlängenumwandlung ein Photon sichtbarer Wellenlänge emittiert, das mittels des photoelektrisch ansprechenden Elementes nachgewiesen werden kann, wenn das Material zur Umwandlung der Wellenlänge von den vom Leuchtstoffmaterial erzeugten Photonen optischer Wellenlänge angeregt wird. Der innige Kontakt der Laminatschichten mit den Leuchtstoffschichten macht die ersteren besonders brauchbar und wirksam für eine Wellenlängenumwandlung.

Wenn die Wellenlängenumwandlung nicht innerhalb des Scintillatorkörpers stattfinden soll, dann wird dieser in einer anderen Ausführungsform von einer Umhüllung umgeben, die eine Substanz enthält, die zur Wellenlängenumwandlung in der Lage ist. Diese Ausführungsform ist in Figur 3 dargestellt, wo eine vielschichtiger Scintillatorkörper 1 oder ein Scintillatorkörper 10, der kontinuierlich dispergierten Leuchtstoff enthält und im folgenden näher beschrieben wird, von einer Umhüllung 8 umgeben ist, die ein Material, wie gewisse Fluoreszenzfarbstoffe, enthält, die die Wellenlängenumwandlung vornehmen können. In Figur 3 wird das Röntgenphoton 2 an der Absorptionsstelle 6 innerhalb des Scintillatorkörpers 1 absorbiert, und dadurch werden viele Photonen mit einer ersten geringeren Wellenlänge emittiert, wobei deren Pfade durch einen Pfad 7 illustriert sind. Dieses Photon gelangt auf dem Pfad 7 zu einer sekundären Absorptionsstelle 6¹ innerhalb der den Scintillatorkörper 1 umgebenden Umhüllung 8. An dieser Stellt 6' wird das Photon der ersten geringeren Wellenlänge absorbiert, und

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ein anderes Photon einer zweiten Wellenlänge wird emittiert und verläßt den Körper über den Pfad 7' . Auf diese Weise karin die Scintillatorwellenlänge einem empfindlicheren Spektralbereich eines photoelektrisch ansprechenden Detektors angepaßt werden. Wenn es erwünscht ist, können mehrere Wellenlängenumwandlungen vorgenommen werden, indem man vielfach angepaßte Fluoreszenzmaterialien benutzt.

Es wird die Herstellung eines typischen vielschichtigen Scintillatorkörpers beispielhaft beschrieben: Hierzu wird der Leuchtstoff BaFCl:Eu mit einem gleichen Gewicht eines Epoxyharzes (1269A STACAST® der Emerson and Cuming Inc., Canton, Mass.) vermengt, das 0,1 g Rhodamin auf 30 ml Epoxyharz enthält. Die Europiumdotierung beträgt etwa 1 Mol-%, obwohl auch Dotierungen von 0,1 bis 5 Mol-% benutzt werden. Der Leuchtstoff wird durch Rollen für 16 Stunden in einem Glasbehälter mit Glasperlen in dem Epoxyharz suspendiert. Die Suspension wird mit einem Gardner-Abstreichmesser bis zu einer Dicke von 0,5 mm auf 0,5 mm dicke Substrate aus klargeschmolzenem Quarz aufgebracht. Der aufgebrachte Suspensionsfilm wird 18 Stunden lang bei 88 ⁰C gehärtet, und danach überzieht man das Substrat auf der anderen Seite und härtet wieder. Es wird ein Blockscintillatormaterial hergestellt, indem man das mit Leuchtstoff versehene Substrat mit 1 mm dicken gehärteten Epoxy-Abstandshaltern unter Verwendung des gleichen Epoxyharzes als Zement laminiert. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der organische Farbstoff Rhodamin nicht in den Leuchtstoff, sondern in die Epoxyharz-Abstandshalter eingearbeitet.

Es gibt eine Reihe vorteilhafter Merkmale dieser besonderen Scintillatorstruktur. So wird z. B. die Menge der absorbierten Röntgenstrahlung durch die Zahl der Leuchtstoffschichten kontrolliert. Diese Zahl der Leuchtstoffschichten wird für die verschiedenen Absorptionsvermögen der eingesetzten Leuchtstoffe eingestellt. Wenn es erwünscht ist, v/erden gewisse Substrate nur auf einer Seite mit Leuchtstoffmaterial überzogen. Ein anderer Vorteil dieser Struktur ist es, daß sie den Einsatz von anderen als ein-

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kristallinen Leuchtstoffen, wie CsJ:Tl, gestattet. Diese Struktur gestattet eine flexiblere Auswahl hinsichtlich des geeigneten Leuchtstoffes, wenn Eigenschaften wie die Wellenlänge des abgegebenen Lichtes, die Nachleuchtdauer und die Leuchtwirksamkeit ausgeglichen werden müssen. Außerdem gibt es bestimmte Leuchtstoffe, wie CsJ:Na, die, obwohl ansonsten gute Leuchtstoffmaterialien, den Nachteil haben, daß sie hygroskopisch sind und aus der Atmosphäre Wasser absorbieren und dabei ihre Leistungsfähigkeit verlieren. Dieses Problem ist viel weniger ernst in einer geschichteten Struktur, bei der das Leuchtstoffmaterial der Atmosphäre nur minimal ausgesetzt ist, als wenn der Leuchtstoff auf einen ausgesetzten Bildschirm aufgebracht ist. Ein anderes Merkmal des Scintillatorkörpers, das von der Struktur der Erfindung herrührt, ist seine Starrheit und Stabilität. Eine tomographische Scintillator-Detektor-Struktur, wie sie in Figur 4 gezeigt ist, leidet nicht unter den Wirkungen der Aufnahme akustischer oder mikrofonischer Geräusche, wie dies bei Ionisationsdetektoren mit Edelgasfüllung unter hohem Druck der Fall ist. Darüber hinaus werden die Scintillatorkörper mit einem hohen Grad der Genauigkeit hergestellt, und dies ermöglicht, daß sie in einer Detektoranordnung wie der der Figur 4 genau ausgerichtet werden. Außerdem können die Leuchtstoffsubstrate in einem bestimmten Winkel angeordnet werden, wie in Figur 5 gezeigt, um eine größere Absorption zu bewerkstelligen, ohne die Dicke des Leuchtstoffes auf dem Substrat zu vergrößern, und dies gestattet die Erzielung der gleichen Absorption mit weniger Schichten.

Gemäß der anderen bevorzugten Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Leuchtstoffmaterial in kontinuierlicher und gleichförmiger Weise in einer transparenten Trägermatrix dispergiert. Figur 6 zeigt einen solchen Scintillatorkörper 10, der durch ein hochenergiereiches Röntgenphoton 2 angeregt wird. Bei dieser Konfiguration sind die Leuchtstoffteilchen 11 in einer starren transparenten Matrix 12 dispergiert. Das Photon 2 wird durch Absorption an der Absorptionsstelle 6, von der eine Vielzahl von Photonen geringerer Energie und optischer Wellenlänge emittiert wird, umgewandelt. Diese Photonen werden durch die trans-

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parente Matrix 12 unter periodischem Reflektieren und Zerstreuen durch die Phosphorteilchen 11 übertragen. Der größte Teil der erzeugten Lichtenergie erreicht jedoch schließlich das Äußere des Scintillatorkörpers und wird dort nachgewiesen. Ein typischer Lichtpfad 7 ist in Figur 6 gezeigt.

Figur 7 gibt eine Draufsicht im Schnitt der Ausführungsform der Figur 6 wieder, in der die Absorption des Röntgenphotons 2 innerhalb des Scintillatorkörpers 10 gezeigt ist. Die Hauptanforderungen an die transparente Matrix sind, daß sie ein guter übertrager des Lichtes der durch den Leuchtstoff erzeugten Wellenlänge sein muß, daß sie nicht mit dem Leuchtstoff reagieren darf und daß sie den Leuchtstoff in einer fixierten Suspension erhält, nachdem er gründlich darin dispergiert worden ist. Für diesen Zweck sind eine Reihe von Kunststoffen geeignet, wie z. B. die Polyimid/Silikon-Copolymeren.

In der Ausführungsform der Figur 6 ist die Auswahl des Leuchtstoff materials eine Frage des Designs und beruht auf Faktoren wie dem Absorptionsvermögen, der Nachleuchtdauer, der Lumineszenzwirksamkeit und der abgegebenen Wellenlänge. Die Leuchtstoffkonzentration in der transparenten Matrix wird so gesteuert, daß Veränderungen in der Gesamtabsorption bewirkt werden. Typischerweise besteht bei dieser Ausführungsform der Scintillatorkörper aus dem dispergierten Leuchtstoff in einer Konzentration von 10-20 VoL-%.

Die Wellenlängenumwandlung wird von der Struktur mit dem dispergierten Leuchtstoff in einer von zwei Weisen bewirkt. Bei einer Ausführungsform ist der Scintillatorkörper von einer Umhüllung umgeben, die einen geeigneten Wellenlängenkonverter enthält, wie den organischen Farbstoff Rhodamin. Eine solche Struktur ist in Fig. 3 veranschaulicht, die gleichermaßen anwendbar ist auf die Struktur mit dem dispergierten Leuchtstoff wie für die oben besprochene Vielschichtstruktur. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Substanz zur Wellenlängenumwandlung mit dem transparenten Matrixmaterial vermischt.

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Die Herstellung der Scintillatorkörper mit dispergiertem Leuchtstoff ist besonders einfach. Der ausgewählte Leuchtstoff wird gründlich mit einem Epoxyharz, Kunststoff oder irgendeinem anderen Polymer vermischt, dessen optische und chemische Eigenschaften durch die Röntenstrahlung nicht ernstlich beeinflußt werden, und man läßt die erhaltene Mischung erstarren oder, wenn sie nicht tetsächlich erstarrt, wird der Leuchtstoff in der Suspension fixiert. Die Erstarrung bewerkstelligt man mit einer Reihe von Verfahren, einschließlich der chemischen Aktivierung, einer Temperaturerhöhung oder UV-Bestrahlung. Die Scintillatorkörper werden entweder einzeln oder in einer Vielzahl in einer vorfabrizierten Detektoranordnungsstruktur hergestellt. Die Figur 8 zeigt eine solche Scintillatorstruktur mit einem Vorderwandteil 21 aus einem Material mit einer kleinen Atomzahl, wie Beryllium oder Aluminium, das Röntgenstrahlen nicht absorbiert. Weiter weist die Struktur Kollimatorteile 20 auf, die aus einem Material hoher Ordnungszahl, wie Wolfram oder Tantal, bestehen, die für Röntgenstrahlen relativ undurchlässig sind. Schließlich hat die Struktur ein Bodenteil 23 und ein Rückwandteil 22. Die Detektorteile 20, 21 , 22 und 23 begrenzen eine Reihe von Volumina, in die das Material mit dem dispergierten Phosphor eingefüllt wird. Um eine angemessene und gründliche Füllung dieser Kollimatorstruktur sicherzustellen, wird die gesamte Detektoreinheit während des Einfüllens vorteilhafterweise durch Ultraschall in Bewegung gehalten bzw. gerührt. Dann läßt man das Material auf eine der genannten Weisen hart werden. Dadurch erhält man eine außerordentlich stabile Detektoranordnung, die für akustische Geräuschvibration während des Betriebes sehr viel weniger anfällig ist als eine Ionisationsdetektoranordnung. Wenn erwünscht, kann ein Material zur Wellenlängenumwandlung hinzugegeben werden.

Wie die Vielschichtstruktur ist auch die Struktur mit dem dispergierten Phosphor starr, stabil und leicht genau auszurichten. Das Problem der Hygroskopizität gewisser Leuchtstoffmaterialien ist ebenfalls stark vermindert. Schließlich ist auch die Verwendung nicht einkristallinen Leuchtstoffmaterials möglich. Die Struktur mit dem dispergierten Leuchtstoff ist gegenüber Veränderungen des

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Röntgenstrahlspektrums als Ergebnis von Filterwirkungen des Matrixmaterials nicht sehr empfindlich.

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Claims

Dr. rer. nat. Horst Schüler

PATENTANWALT

6000 Frankfurt/Main 1, 15.11.78 Kaiserstraße 41 Dr . Sb/Rg

Telefon (0611)235555 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt-M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

4876-RD-9686

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum Herstellen von Scintillator-Körpern

Patentansprüche

1, Verfahren zum Herstellen vielschichtiger Scintillator-Körper zur Erhöhung der nachweisbaren Abgabe bei optischen Wellenlängen unter Erregung durch Photonen hoher Energie bei suprapptischen Frequenzen, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

A) Aufbringen einer gleichförmigen Schicht aus Leuchtstoffmaterial auf mindestens eine Seite jedes von mindestens zwei starren Substraten, die inert, gegenüber Strahlung bei supraoptischen Frequenzen transparent sind und im wesentlichen flache Seiten aufweisen, und

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B) Formen einer weiteren geschichteten Struktur durch Aufbringen eines optisch transparenten Laminatmaterials auf alternierende Schichten der mit Leuchtstoff versehenen Substrate der Stufe A), wobei das Laminatmaterial· gegenüber Strahlung bei supraoptischen Frequenzen transparent ist und dadurch die innerhalb des Scintillator-Körpers erzeugte Abgabe optischer Wellenlängen zum Nachweis zum Äußeren des Körpers kanalisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Leuchtstoffmaterial mittels eines Abstreichmessers auf die Substrate aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Laminatmaterial auf die mit Leuchtstoff versehenen Substrate mittels Abstreichmesser aufgebracht wird, wobei das Laminatmaterial in ungehärteter Form vorliegt und nach dem Aufbringen gemäß Stufe B) gehärtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Substanz zu dem ungehärteten Laminatmaterial hinzugegeben wird, das zur Umwandlung der Wellenlänge fähig ist, bevor man das Laminatmaterial auf das mit Leuchtstoff versehene Substrat aufbringt, wodurch die Abgabe des Leuchtstoffes bei optischen Wellenlängen dem spektralen Ansprechvermögen eines photoelektrisch ansprechenden Detektors angepaßt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine Substanz, die zur Wellenlängenumwandlung in der Lage ist, dem Leuchtstoff zugefügt wird, bevor man ihn auf das Substrat aufbringt, wodurch die Abgabe des Leuchtstoffes bei optischen Wellenlängen dem spektralen Ansprechvermögen eines photoelektrisch ansprechenden Detektors angepaßt wird.

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6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Laminatmaterial ein Epoxymaterial ist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat Quarz ist.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die aufgebrachte Leuchtstoff schicht ein Einkristall ist.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Leuchtstoffschicht in Pulverform aufgebracht wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Leuchtstoffschicht durch Bedampfen auf das Substrat aufgebracht wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffschicht durch Hochdrucksintern hergestellt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Zahl der gebildeten Schichten steuerbar ausgewählt und in einem Winkel aufgebracht wird, um eine erwünschte Absorptionsmenge an energiereichen Photonen zu erzielen, wodurch die Absorption unabhängig von der Absorption des Leuchtstoffmaterials selbst gesteuert wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff BaFCIrEu, ZnCdSrAg, ZnCdSrAg,Ni, CsJrTl, CsJrNa, CaF_orEu, Gd O₉SrTb, LaOBrrDy, LaOBrrTm, LaOBrrTb, La₃O₃SrTb, Bi₄Ge₃O₁₃, CaWO₄, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe oder NaJ ist.

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14. Scintillator-Körper, hergestellt nach dem Verfahren eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 13.
15. Verfahren zum Herstellen von Scintillator-Körpern mit dispergiertem Leuchtstoff, um die nachweisbare Abgabe an optischen Wellenlängen bei Erregung durch hochenergierexche Photonen bei supraoptischen Frequenzen zu erhöhen, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

A) Vermischen eines geeigneten Leuchtstoffes mit einer nichtreaktiven flüssigen Matrixsubstanz zur Bildung einer Suspension, wobei die flüssige Matrixsubstanz härtbar und nach dem Härten gegenüber optischer und supraoptischer Strahlung transparent ist,

B) Einbringen der erhaltenen Suspension in eine Form erwünschter Gestalt und

C) Härten der flüssigen Matrixsubstanz, wodurch die Leuchtstoff teilchen in ihrer Position festgelegt werden und die innerhalb des erhaltenen Scintillator-Körpers erzeugte Lichtabgabe optischer Wellenlänge zum Nachweis an das Äußere des Körpers gelangen kann.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Form aus einer Reihe im wesentlichen identischer separater Abteile besteht, die ein Vorderwandteil, das von Strahlung bei supraoptischen Frequenzen durchdringbar ist, Seitenwandteile, die gegenüber Strahlung bei supraoptischen Frequenzen opak sind, Innenwandteile, die eine Vielzahl dieser Abteile begrenzen und parallel zu den Seitenwandteilen orientiert und gegenüber Strahlung bei supraoptischen Frequenzen opak sind, ein Bodenteil und ein Rückwandteil umfassen, wobei die nach dem Härten erhaltene Struktur als Teil eines Detektorsystems brauchbar ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß während des Einbringens der Suspension nach Stufe B) des Anspruches 15 gerührt wird, um eine gleichmäßige Verteilung der Suspension durch jedes Abteil zu erreichen.

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18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ultraschallfrequenzen gerührt wird.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Seitenwandteile und die Innenwandteile aus Wolfram oder Tantal bestehen.
20. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 19, dadurch

. gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff BaFCIrEu, ZnCdSiAg, ZnCdSrAg,Ni, CsJrTl, CsJrNa, CaF„rEu, Gd₂O₃SrTb₇ LaOBrrDy, LaOBrrTm, LaOBrrTb, La₃O₂SrTb, Bi₄Ge₃O₁₃, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe oder NaJ ist.
21.Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet , daß in Stufe A) nach Anspruch 15 mindestens auch eine Substanz mit der flüssigen Matrixsubstanz vermischt wird, die zur Wellenlängenumwandlung fähig ist, wodurch die Abgabe des Leuchtstoffes bei optischen Wellenlängen dem spektralen Ansprechvermögen eines photoelektrisch ansprechenden Detektors angepaßt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz zur Wellenlängenumwandlung Rhodamin ist.
23. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Matrixsubstanz eine Epoxysubstanz oder ein Silikon/Polyimid-Copolymer ist.
24. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten durch chemische Aktivierung, UV-Bestrahlung oder durch Erhitzen auf eine ausreichend hohe Temperatur verursacht wird.

909821/0613
25. Scintillator-Körper, hergestellt nach dem Verfahren eines oder mehrerer der Ansprüche 15 bis 24.
26. Scintillator-Detektor-Anordnung, hergestellt gemäß Anspruch 16.

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