(57)【要約】  一実施形態では、方法は、式：ＡｈＢｉＣｊＯ１２（式中、ｈは３±１０％であり、ｉは２±１０％であり、ｊは３±１０％であり、Ａは、１種または複数の希土類元素を含み、Ｂは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含み、Ｃは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含む）の組成物を有する粉末を形成することを含む。方法はさらに、粉末を圧密して光学的に透明なセラミックを形成することと、圧密中に少なくとも１つの熱力学的プロセス条件を適用してセラミック中の酸素および／または熱力学的に可逆的な欠陥を減少させることを含む。別の実施形態では、シンチレーターは、（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜２であり、ｂは約１〜３であり、ｘは約２．８〜３．２であり、ｙは約４．８〜５．２であり、ｃは約０．００３〜０．３であり、Ｄはドーパントである）を含み、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する光学的に透明なセラミックシンチレーターである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
式：ＡｈＢｉＣｊＯ１２（式中、ｈは３±１０％であり、ｉは２±１０％であり、ｊは３±１０％であり、Ａは、１種または複数の希土類元素を含み、Ｂは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含み、Ｃは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含む）の組成物を含む粉末を形成すること；
前記粉末を圧密して光学的に透明なセラミックを形成すること；ならびに
前記圧密中に少なくとも１つの熱力学的プロセス条件を適用して前記セラミック中の酸素および／または熱力学的に可逆的な欠陥を減少させること
を含む、方法。
【請求項２】
Ａが、イットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、テルビウム、プラセオジム、ネオジム、セリウム、サマリウム、ユウロピウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、イッテルビウム、およびその組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ａがガドリニウム（Ｇｄ）およびイットリウム（Ｙ）を含み、Ｇｄ対Ｙの比が約１：１〜約１０：１の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記組成物が、活性剤として作用するように構成された少なくとも１種のドーパントを含み、前記ドーパントが、Ｔｌ＋、Ｃｕ＋、Ａｇ＋、Ａｕ＋、Ｐｂ２＋、Ｂｉ３＋、Ｉｎ＋、Ｓｎ２＋、Ｓｂ３＋、Ｃｅ３＋、Ｐｒ３＋、Ｅｕ２＋、Ｙｂ２＋、Ｎｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ６＋、およびその組合せからなる群から選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ドーパントが、ＧｄおよびＹを合わせた合計量の約０．０１〜約１０％の範囲の量で存在する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記組成物が、式（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
Ｄにセリウムが含まれる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記光学的に透明なセラミック中にＣｅ４＋を形成させることをさらに含み、前記光学的に透明なセラミック中の前記セリウムの０％〜約５０％がＣｅ４＋である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記粉末を圧密して前記光学的に透明なセラミックを形成する前に、少なくとも１種の二価異原子価ドーパントを前記組成物に添加する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記二価異原子価ドーパントが、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋、Ｂ３＋およびその組合せからなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記粉末を形成することが、１種または複数の液体前駆体材料の火炎溶射熱分解を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記粉末を形成することが、燃焼合成プロセスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記粉末を形成することが、約５００ミクロン未満のサイズを有する粒子を得るための少なくとも１つの処理ステップを含み、前記少なくとも１つの処理ステップが、前記粒子をミリングすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記粉末を形成することが、そのｐＨを変化させることによる１種または複数の溶液からの粒子の沈殿を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記粉末を形成することが、ゾルゲル技術合成プロセスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱力学的プロセス条件には、温度、ガス雰囲気、および圧力の少なくとも１つが含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧密が、酸素含有雰囲気中、約１２００℃〜約１７００℃の範囲の温度で前記粉末を焼結することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
酸素含有雰囲気中、約１０００℃〜約１９００℃の範囲の温度での前記光学的に透明なセラミックのアニーリングをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
空気中、約１０００℃〜約１９００℃の範囲の温度での前記光学的に透明なセラミックのアニーリングをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
酸素含有雰囲気および／または空気中、約１０００℃〜約１９００℃の範囲の温度での前記光学的に透明なセラミックのアニーリングをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
圧密前に、前記粉末を素地に圧縮すること；および前記素地を約５００℃〜約１５００℃の範囲の温度で焼成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記光学的に透明なセラミックが、単結晶ガーネットよりも優れた減衰時間および／または立ち上がり時間および／またはタイミング分解能を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記光学的に透明なセラミックが、約２ｎｓ以下の立ち上がり時間成分、および／または約３５０ｐｓ以下のタイミング分解能を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
式（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を含む少なくとも１種の光学的に透明なセラミックシンチレーターを含み、
前記光学的に透明なセラミックシンチレーターが、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する、
放射線検出システム。
【請求項２５】
前記光学的に透明なセラミックが、酸素関連欠陥および／または熱力学的に可逆的な欠陥を実質的に有していない、請求項２４に記載の放射線検出システム。
【請求項２６】
前記光学的に透明なセラミックシンチレーターから光パルスを検出するように構成された光検出器を含み、前記光検出器が光電子増倍管およびケイ素光電子増倍管の少なくとも１つを含む、請求項２４に記載の放射線検出システム。
【請求項２７】
陽電子放出断層撮影システムである、請求項２４に記載の放射線検出システム。
【請求項２８】
コンピューター断層撮影システム（ＣＴ）；陽電子放出断層撮影システム（ＰＥＴ）；単一光子放出コンピューター断層撮影システム（ＳＰＥＣＴ）；およびその組合せからなる群から選択される、請求項２４に記載の放射線検出システム。
【請求項２９】
（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を含み、
前記シンチレーターが、光学的に透明なセラミックシンチレーターであり、かつ
前記光学的に透明なセラミックシンチレーターが、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する、シンチレーター。
【請求項３０】
酸素関連欠陥および／または熱力学的に可逆的な欠陥を実質的に有していない、請求項２９に記載のシンチレーター。
【請求項３１】
約２ｎｓ以下の立ち上がり時間成分、および／または約３５０ｐｓ以下のタイミング分解能を有する、請求項２９に記載のシンチレーター。
【請求項３２】
ＤがＣｅ３＋およびＣｅ４＋を含み、前記シンチレーターの透明レベルがＣｅ３＋およびＣｅ４＋の少なくとも１つの量に基づく、請求項２９に記載のシンチレーター。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
米国政府は、ローレンスリバモア国立研究所の運営のための米国エネルギー省とローレンスリバモアナショナルセキュリティ、ＬＬＣとの間の契約第ＤＥ−ＡＣ５２―０７ＮＡ２７３４４号に従って、本発明に権利を有する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）に特に有用であり得るシンチレーター、より具体的には、透明セラミックガーネットシンチレーター検出器に関する。
【０００３】
背景
陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）は、医療撮像の用途のための有力で高感度の技術である。陽電子放出放射性核種トレーサーは、通常患者に注射され、患者内の前記トレーサーの分布は、ＰＥＴ画像データから定量的に測定することができる。例えば、放出された陽電子が患者の体内の電子に出会うと、陽電子と電子が消滅し、反対方向に進む２つの５１１ｋｅＶガンマ線を生成する。これらの反対に進むガンマ線は、対向する対の放射線検出器によって電子的に一致して測定される。タイミング分解能の測定には、対向する放射線検出器の間に「線を引く」かつ患者と交差するアルゴリズムが本質的に必要である。タイミング分解能の情報を次に使用して、患者の体内で陽電子−電子消滅が起こった位置に対応するこの線上の空間内の点を（理論上）特定することができる。しかしながら、実際には、このタイミング指定領域は、空間内の点ではなく、むしろ線分であり、その長さは、放射線検出器およびそれに関連する電子機器のタイミング性能によって決定される。
【０００４】
シンチレーター放射線検出器は、ＰＥＴ装置でしばしば利用されている。特に、セリウムをドープしたオルトケイ酸ルテチウム、ＬＳＯ（Ｃｅ）、およびセリウムをドープしたオキシオルトケイ酸ルテチウム−イットリウム、ＬＹＳＯ（Ｃｅ）単結晶シンチレーターは、速い立ち上がりおよび減衰時間を示し、したがってＰＥＴ用途でこれまでの最高の性能をもたらす。しかしながら、ＬＳＯ（Ｃｅ）  ＬＹＳＯ（Ｃｅ）は、高価なイリジウムるつぼおよび高い電気入力を必要とするそれらの高い融点、ならびに結晶の主成分として高価なルテチウムを含有することが原因で高価である。
【０００５】
概要
一実施形態によれば、方法は、式：ＡｈＢｉＣｊＯ１２（式中、ｈは３±１０％であり、ｉは２±１０％であり、ｊは３±１０％であり、Ａは、１種または複数の希土類元素を含み、Ｂは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含み、Ｃは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含む）の組成物を有する粉末を形成することを含む。方法はさらに、粉末を圧密して（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ）光学的に透明なセラミックを形成することと、圧密中に少なくとも１つの熱力学的プロセス条件を適用してセラミック中の酸素および／または熱力学的に可逆的な欠陥を減少させることを含む。
【０００６】
別の実施形態によれば、放射線検出システムは、式（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を有する少なくとも１種の光学的に透明なセラミックシンチレーターであって、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する、光学的に透明なセラミックシンチレーターを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態によれば、シンチレーターは、（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を含み、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する光学的に透明なセラミックシンチレーターである。
【０００８】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるはずであり、これは、図面と共に考慮すると、本発明の原理を一例として示している。
【０００９】
本発明の性質および利点、ならびにその好ましい使用様式をより完全に理解するために、添付の図面と併せて読まれる以下の詳細な説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に基づく、分光システムの簡単な概略図である。
【図２】一実施形態に基づく、光学的に透明なセラミックシンチレーターを形成するための方法のフローチャートである。
【図３】一実施形態に基づく、光学的に透明なセラミックシンチレーターを形成するための例示的な処理ステップ、ならびに種々の製造段階におけるシンチレーターの密度のチャートである。なお、図３では、ＨＩＰは「熱間静水圧圧縮成形」の略である。
【図４】種々の光学的に透明なセラミックシンチレーターのＣｓ−１３７ガンマ励起で得られた減衰トレースのプロットを示す図である。焼結／アニーリングステップは、図に示されている（ｖａｃ＝真空）。
【図５】種々の光学的に透明なセラミックシンチレーターのＣｅ４＋光吸収スペクトルのプロットを示す図である。
【００１１】
詳細な説明
以下の説明は、本発明の一般的な原理を示す目的でなされており、本明細書で特許請求されている本発明の概念を制限することを意図するものではない。さらに、本明細書に記載の特定の特徴は、それぞれの種々の可能な組合せおよび並べ替えにおいて他の記載された特徴と併せて使用することができる。
【００１２】
本明細書において他に特に定義しない限り、すべての用語は、本明細書から示唆される意味ならびに当業者によって理解されるおよび／または辞書、論文などに定義される意味を含めた、それらの最も広い可能な解釈が与えられるべきである。
【００１３】
本明細書および添付の特許請求の範囲では、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」には、特に指定のない限り複数の指示対象が含まれることもまた留意されたい。
【００１４】
また本明細書では、用語「約」は、値と組み合わせると、参照値のプラスマイナス１０％を意味する。例えば、長さ約１０ｍｍは、長さ１０ｍｍ±１ｍｍを意味し、分解能４％は、４±０．４％などを意味する。
【００１５】
さらに本明細書では、「光学的に透明な」材料は、材料が均質である（例えば１層を含む）ように、含有されている第２相を実質的に含まない（例えば９５％超含まない、好ましくは９９．９％超含まない）材料を意味する。その上、光学的に透明な材料は、光が均一に伝播するものであり、入射光の少なくとも９０％がシンチレーター部分のバルクを通って透過することができる。
【００１６】
本明細書における説明は、当業者が本発明を作製および使用することを可能にするために提供され、本発明の特定の用途およびそれらの要件に関連して提供される。種々の実施形態から特徴を組み合わせてその追加のおよび／また代替的実施形態を作成することを含めて、開示した実施形態の種々の変更形態は、本開示を読めば当業者にとって容易に明らかである。
【００１７】
その上、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に定義された一般的な原理は、他の実施形態および用途に適用され得る。したがって、本発明は、示された実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示された原理及び特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。
【００１８】
前に論じたように、現在の陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）画像装置は、それらの速い立ち上がりおよび減衰時間のために、セリウムをドープしたオルトケイ酸ルテチウム、ＬＳＯ（Ｃｅ）、またはセリウムをドープしたオルトケイ酸ルテチウム−イットリウム、ＬＹＳＯ（Ｃｅ）単結晶シンチレーターを使用する。しかしながら、ＬＳＯ（Ｃｅ）およびＬＹＳＯ（Ｃｅ）は、２０００℃超のそれらの高い融点、それらを融液から成長させる必要性、および主成分としてルテチウムを含有することが原因で、高価である。
【００１９】
その上、酸化物、ガーネット、およびケイ酸塩単結晶シンチレーターの使用および製造に関連する明確な欠点がある。例えば、このような単結晶シンチレーターは、シンチレーションプロセスで生成された電荷担体（電子または空孔）をトラップし、続いてトラップ解除（ｄｅ−ｔｒａｐ）する傾向がある酸素関連欠陥を含むことができ、それによってシンチレーションパルスの立ち上がりおよび減衰が遅延する。酸化物、ガーネット、およびケイ酸塩単結晶を製造するための現在の融液成長技術は、これらの酸素関連欠陥の存在を軽減しない。例えば、酸化物、ガーネット、およびケイ酸塩単結晶の融液成長は、通常イリジウムるつぼを使用し、チョクラルスキー法を用いて結晶が融液から引き上げられる。しかしながら、材料の適合性の問題のために、この方法では、るつぼのイリジウム金属が劣化して破損するので、（酸素イオンの単結晶への拡散を促進できる）成長雰囲気中の高い酸素濃度を維持することができない。さらに、結晶ボウル全体が連続単結晶であるので、粒界が存在しないために酸素イオンの単結晶への拡散は妨げられる。さらに、発光するドーパント／活性剤はチョクラルスキー成長プロセスにおいて軸方向および放射状に分離する傾向があるので、このような単結晶は、しばしば不均一なドーピングプロファイルを示す。
【００２０】
本明細書に開示した実施形態はしたがって、透明なセラミックシンチレーターを対象とする。透明なセラミックシンチレーターは、等方性屈折率が粒界で光を屈折または反射させず、優れた透明性を達成できるような、立方晶構造を有する酸化物結晶材料で形成できる光学的に透明な多結晶材料のクラスである。好ましい手法では、本明細書に開示した透明なセラミックスは、高い透明性を達成するために本質的に残留気孔を含まない。透明なセラミックスは、光学的に透明な完全に多結晶のモノリスであるので、それらは種々の手法でＰＥＴスキャナーおよび他のガンマ検出器内の単結晶と置き換えることができ、高い機械的耐久性および発光する活性剤によるより均一なドーピングの利点を与える。特定の手法では、本明細書に開示した実施形態は、一般式：（Ｇｄ，Ｙ）３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２（Ｃｅ）を有するセラミックガーネットシンチレーターを含んでいてよく、ここで、Ｇｄ：Ｙ比は、１よりも大きく（例えば、約３：１）、Ｇａ：Ａｌ比は約１：１であり（例えば、２．２：２．８）、Ｃｅドーピングレベルは、ＧｄおよびＹを合わせた合計量の約５％まで置き換わる。
【００２１】
その上、本明細書に開示した実施形態は、光学的に透明なセラミックシンチレーター中の熱力学的に可逆的な欠陥を処理するための新規な方法を対象とすることができる。熱力学的に可逆的な欠陥は、それだけには限らないが、温度、ガス雰囲気、圧力などを含む異なる熱力学的プロセス条件を適用することによって影響され得る（例えば、濃度の減少または増加、代替または変化など）結晶格子の不完全性を含み得る。セラミックシンチレーター中の熱力学的に可逆的な欠陥を処理することによって、本明細書に開示した新規な方法は、その放出減衰を減少させることができ、したがって例えば放出立ち上がり時間を短縮することによってＰＥＴ装置のためのセラミックシンチレーターのタイミング分解能を改善する。
【００２２】
特定の手法では、本明細書に開示した新規な方法は、光学的に透明なセラミックシンチレーターの製造中に酸化雰囲気を利用して、その中に存在する酸素関連欠陥または他の熱力学的に可逆的な欠陥を処理することができる。例えば、いくつかの手法では、酸化雰囲気は、より高い密度およびより低い気孔率をもつ素地（ｇｒｅｅｎ  ｂｏｄｙ）へのセラミックナノ−および／またはマイクロ−粒子の圧密中に利用することができる。他の手法では、新規な方法は、圧密後に酸化雰囲気中でもさらにアニール後（ｐｏｓｔ−ａｎｎｅａｌ）のステップを実施することができる。
【００２３】
追加の酸化物種の取り込み（通常Ｏ２含有雰囲気による）がセラミック処理ステップ（例えば、前述の焼結および／またはアニーリングステップ）中に高度に可能であるので、単結晶シンチレーターの代わりに、本明細書に開示した実施形態における透明なセラミックシンチレーターの使用は、低い酸素関連欠陥濃度を得ることの追求に有利である。セラミックシンチレーター材料が、それらの高い表面積のために、依然としてナノ−またはマイクロスケールで粒子を含む場合に、特にそうであり得る。しかしながら、光学的部分に存在する微細構造化粒界に沿って輸送される酸化物イオンの能力によって、圧密されたセラミックスにおいて酸化が可能になることは、注目に値する（例えば、気孔の除去後シンチレーターが完全密度であるとき）。
【００２４】
以下は、透明セラミックガーネットシンチレーター検出器、および／または関連するシステムおよび方法の一般的なおよび特定の実施形態のいくつかの実施例である。
【００２５】
例えば、一般的な一実施形態では、方法は、式：ＡｈＢｉＣｊＯ１２の組成を有する粉末を形成することを含み、ここで、ｈは３±１０％であり、ｉは２±１０％であり、ｊは３±１０％であり、またここでＡは、１種または複数の希土類元素を含み、Ｂは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含み、Ｃは、アルミニウムおよび／またはガリウムを含む。方法はさらに、粉末を圧密して光学的に透明なセラミックを形成することと、圧密中に少なくとも１つの熱力学的プロセス条件を適用してセラミック中の酸素および／または熱力学的に可逆的な欠陥を減少させることを含む。
【００２６】
別の一般的な実施形態では、放射線検出システムは、式（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を有する少なくとも１種の光学的に透明なセラミックシンチレーターであって、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する、光学的に透明なセラミックシンチレーターを含む。
【００２７】
さらに別の一般的な実施形態では、シンチレーターは、（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃ（式中、ａは約０．０５〜約２であり、ｂは約１〜約３であり、ｘは約２．８〜約３．２であり、ｙは約４．８〜約５．２であり、ｃは約０．００３〜約０．３であり、Ｄはドーパントである）を含み、酸化雰囲気中で圧密されたセラミック粉末から形成される物理的特性を有する光学的に透明なセラミックシンチレーターである。
【００２８】
シンチレーターベース放射線検出器システム
ここで図１を参照すると、シンチレーションベース放射線検出器システム１００の簡単な概略図が一実施形態に基づいて示されている。選択肢として、放射線検出器システム１００は、他の図を参照して説明したものなど、本明細書に列挙された任意の他の実施形態の特徴と併せて実施されてもよい。もちろん、放射線検出器システム１００および本明細書に記載されている他のものは、本明細書に列挙された例示的な実施形態に具体的に記載されてもまたはされなくてもよい種々の用途および／または並べ替えで使用することができる。例えば、放射線検出器システム１００は、種々の手法で、図１に示されたものよりも多いまたは少ない構成要素を含むことができる。
【００２９】
図１に示すとおり、放射線検出器システム１００は、本明細書に記載されるタイプなど、および本明細書では交換可能にシンチレーターと呼ばれる、シンチレーター材料１０２を含む。放射線検出器システム１００はまた、光検出器１０４、例えば光電子増倍管、ケイ素光電子増倍管、光ダイオード、または当技術分野で既知の他のデバイス／トランスデューサーなどを含み、シンチレーター１０２から放出される光の大きさを検出および記録することができる。放射線検出器システム１００は、好ましくはＸ線およびガンマ線を記録するように構成されており、同様に前記形態の放射線の光子エネルギーを部分的または完全に決定することができる。
【００３０】
シンチレーター１０２は、ガンマ線、Ｘ線、またはシンチレーター１０２中でイオン化を生じる他の放射線などの現象の発生時に光パルスを生成する。例えば、ガンマ線がシンチレーター１０２を横断するにつれて、可視光子のパルスがシンチレーター１０２から放出される。光パルスは、光検出器１０４によって検出され、パルスの大きさに対応する電気信号に変換される。次に放射線のタイプは、積分された光パルスのヒストグラムを分析し、それによりシンチレーターによって吸収されたガンマ線エネルギーを同定することによって決定することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、放射線検出器１００は、前置増幅器、マルチチャネル分析器、および／またはディジタイザー（図１で図示せず）であっても、さらに含んでいても、または連結可能／連結されていてもよい。
【００３２】
他の実施形態では、放射線検出器１００は、シンチレーター１０２の光パルスに対応する、光検出器１０４によって出力されるパルストレースを処理するように構成された処理装置１０６を含んでいてよい。いくつかの手法では、処理装置１０６は、光検出器１０４によって出力されるパルストレースに基づいて放射線画像データを生成するようにさらに構成されていてもよい。
【００３３】
追加の手法では、放射線検出器１００は、処理装置に永続的に連結されていない光検出器からデータを受信する処理装置を含んでいてもよい。例示的な処理装置には、マイクロプロセッサー、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙｓ）（ＦＰＧＡｓ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、コンピューターなどが含まれる。
【００３４】
処理の結果は、出力および／または記憶させることができる。例えば、結果は、シンチレーターまたはその誘導体からの全光に対して受信されたカウント数のヒストグラムのような、任意の形式で表示装置１０８に表示することができる。
【００３５】
いくつかの手法では、放射線検出器システム１００は、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）システムであってよい。このような手法では、ＰＥＴシステムは、複数の対向するシンチレーターボクセルを含んでいてよく、ここで、各ボクセルは、約（１−４０）×（１−４０）×（１０−５０）ｍｍ３の範囲の寸法を有していてよい。
【００３６】
他の手法では、放射線検出器システム１００は、コンピューター断層撮影（ＣＴ）装置などのＸ線撮像装置であってよい。さらに多くの手法では、放射線検出器システム１００は、ＰＥＴ／ＣＴ装置であってよい。さらなる手法では、放射線検出器システム１００は、ＣＴシステム；ＰＥＴシステム；単一光子放出コンピューター断層撮影システム（ＳＰＥＣＴ）；およびその組合せからなる群から選択することができる。
【００３７】
本発明の一実施形態が実行され得るプログラム環境は、１種または複数の汎用コンピューターまたは特殊用途装置、例えば、ハンドヘルドコンピューターを例示的に組み込む。このような装置（例えば、プロセッサー、メモリ、データ記憶、入力および出力装置）の詳細は、よく知られており、明確にするために省略されている。
【００３８】
本発明の技術は、種々の科学技術を用いて実施する可能性があることも理解されたい。例えば、本明細書に記載された方法は、コンピューターシステム上で実行されるソフトウェアで実施されてもよく、あるいは本方法の動作を実行するための１つもしくは複数のプロセッサーおよびロジック（ハードウェアおよび／またはソフトウェア）、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）などのプログラム可能論理回路、および／またはその種々の組合せを利用するハードウェアで実施されてもよい。特に、本明細書に記載された方法は、物理的（例えば、非一時的）なコンピューター可読媒体のような記憶媒体上に存在する一連のコンピューター実行可能命令によって実施されてもよい。その上、本発明の特定の実施形態は、オブジェクト指向ソフトウェアプログラミングの概念を使用できるが、本発明は、そのように限定されておらず、コンピューターの動作を指示する他の形態を使用するように容易に適合される。
【００３９】
本発明の一部は、その上にコンピューターコードを有する物理的なコンピューター可読媒体を含むコンピュータープログラム製品の形態で提供することもできる。コンピューター可読媒体は、読み取り専用および書込み可能ＣＤおよびＤＶＤ、磁気メモリまたは媒体（例えば、ハードディスクドライブ）、半導体メモリ（例えば、フラッシュメモリおよび他の携帯型メモリカードなど）などの光学媒体を含めた、その上にコンピューターコードを記憶できるコンピューターによって使用するための任意の物理的媒体を含むことができる。
【００４０】
シンチレーター材料
種々の手法では、シンチレーター（例えば、図１のシンチレーター１０２）は、光学的に透明な多結晶材料を含むセラミックであってよい。好ましい手法では、シンチレーターは、セラミックガーネット組成物を含んでいてよい。
【００４１】
特定の手法では、シンチレーターは、式Ａ３Ｂ２Ｃ３Ｏ１２において十二面体（Ａ）、八面体（Ｂ）および四面体（Ｃ）配位を有する陽イオンを含むセラミックガーネット組成物を有していてよく、ここで、Ａ、ＢおよびＣの化学量論量は、それぞれ約３、４、および３であってよい。いくつかの手法では、ガーネット組成物は、相互置換（ｉｎｔｅｒ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ）イオンの使用によって高度に相安定であり、ここで、１種または複数のＡ、ＢまたはＣ金属イオンはこれら３つのサイトの別のサイトに置換可能であってもよい。例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第８，４６１，５３５号は、希土類アルミニウムガーネットの相安定剤としてのスカンジウム、イットリウム、および／またはガリウムイオンの使用について記載している。
【００４２】
上述したように、シンチレーターのガーネット組成物は、式Ａ３Ｂ２Ｃ３Ｏ１２で表すことができ、ここで、Ａは十二面体位置であり、Ｂは八面体位置であり、Ｃは四面体位置である。いくつかの手法では、ガーネット組成物は、希土類アルミニウムガーネットのものを含んでいてよく、ここで、Ａは、希土類元素または希土類元素の混合物（例えば、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇａ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ランタン（Ｌａ）、テルビウム（Ｔｂ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、および／またはその組合せ）を含み、ＢおよびＣは、アルミニウムである。より多くの手法では、ガーネット組成物は、希土類ガリウムガーネットのものを含んでいてよく、ここで、Ａは、希土類元素または希土類元素の混合物を含み、ＢおよびＣは、どちらもガリウムおよびアルミニウムである。
【００４３】
正確な化学量論比の下でも全ての希土類元素がアルミニウムおよびガリウムと立方ガーネット結晶構造を形成するとは限らない。これは、十二面体と八面体と四面体のイオン半径の比が立法ガーネット結晶構造の最適範囲に限定されるという要件のためである。相安定性が不十分なガーネット組成物の例は、Ｇｄ３Ａｌ５Ｏ１２であり、これは一般に、ガーネットおよびペロブスカイト相の混合物を形成し、透明な部分を形成するのに望ましくない。しかしながら、Ｇｄ系ガーネットは、ガンマ線相互作用のための高い有効原子番号を提供し、高い光収率を有することが判明しているので、シンチレーションのために特に重要である。
【００４４】
Ｇｄ系ガーネットによる相安定性の問題を克服するために、シンチレーターに好ましい組成物は、主としてＡサイトにガドリニウムおよびイットリウムを含むことができ、ここでイットリウムは、ＡおよびＢサイト上の相互置換イオンとして働き、ガリウムおよびアルミニウムは、ＢおよびＣサイト上の相互置換イオンとして働き、組成物は、ＧＹＧＡＧと呼ばれる。第２相（例えば、ペロブスカイト構造）の望ましくない含有なしに、より広い範囲の組成物を透明なセラミックスに製造できるように、相互置換イオンの含有は、出発原料の化学量論上の要件を緩和する。
【００４５】
追加の手法では、シンチレーターのガーネット組成物（例えば、ＧＹＧＡＧおよび本明細書に開示された他のもの）は、１種または複数のドーパント、「Ｄ」（本明細書では活性化剤イオンとも呼ばれる）を含んでいてよく、それは主としてＡサイトに位置していてもよい。これらのドーパント、Ｄは、シンチレーターに与えられたエネルギーを取り込み、紫外、可視または赤外領域の光を放出するように構成されてもよい。一般に、活性剤によって生成される放出は、前記活性剤の電子構造の特徴である。種々の手法では、１種または複数の活性剤イオンは、以下：放出波長または減衰時間を変化させること、放出される光の量を増加または減少させること、およびガンマまたはＸ線検出器としてのシンチレーターのスペクトル分解能を改善すること、の１つまたは複数によって、純粋なシンチレーター（すなわち、活性剤イオンを含まないシンチレーターだが、化学量論を維持するためにその「Ａ」イオンの量が減少し得ることを除いてその他の点では同一である）のものと比較して出力シンチレーション光を修正するように特に構成されていてもよい。適当な活性剤イオンには、それだけには限らないが、Ｔｌ＋、Ｃｕ＋、Ａｇ＋、Ａｕ＋、Ｐｂ２＋、Ｂｉ３＋、Ｉｎ＋、Ｓｎ２＋、Ｓｂ３＋、Ｃｅ３＋、Ｐｒ３＋、Ｅｕ２＋、Ｙｂ２＋、Ｎｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ６＋、Ｓｒ２＋、およびその組合せが含まれる。さらに、いくつかのイオンは、ガーネット組成物のシンチレーション性能を高めるために使用することができる。これらのイオンは、組成物の元の化学量論を維持しながら、上記の活性化剤と共に添加することができる。これらのイオンは、Ｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、またはその任意の組合せであるが、それだけには限定されない。
【００４６】
シンチレーターのガーネット組成物（例えば、ＧＹＧＡＧおよび本明細書に開示された他のもの）がＣｅ３＋ドーパントを含む手法では、低濃度のＣｅ４＋（例えば、Ｃｅ３＋ドーピング濃度の約０％〜約５０％）もガーネット組成物に含まれていてもよい。励起した電荷担体（電子または空孔）が入射電離放射線によってシンチレーター中に生成されると、電子および空孔が、酸素および／または他の熱力学的に可逆的な欠陥（存在する場合）で、ならびに直接Ｃｅ３＋またはＣｅ４＋上にトラップされ得る。電子−空孔対がＣｅ３＋上にトラップされると、励起状態の活性化剤を促進し、シンチレーション放出をもたらす。任意の特定の理論に拘泥するものではないが、低濃度のＣｅ４＋は、後で他のトラップから解放されてドーパント／活性剤放出の立ち上がりおよび減衰時間の両方を延長できるタイムスケール上のＣｅ３＋ドーパント／活性剤に最終的に到達するのではなく、欠陥（酸化物関連欠陥など）にトラップされた電子を非放射的に再結合する（すなわち、光を生成することなく）ことによって、シンチレーターの残光を排除できると考えられている。低濃度の１種または複数の二価異原子価（ａｌｉｏｖａｌｅｎｔ）ドーパント、例えばＭｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋などをシンチレーターのガーネット組成物に添加し、それにより組成物中の電荷平衡を維持するために同等の濃度のＣｅ４＋が形成されることによって、１つの手法で、Ｃｅ３＋ドーパントに加えてＣｅ４＋を含有することが達成され得る。代替的手法では、Ｃｅ３＋をドープしたガーネット組成物の形成は、組成物を空気または酸素含有雰囲気中で加熱して低いＣｅ４＋濃度の組成物を生成するアニーリングステップを含むことができる。このアニーリングステップはまた、より詳細に後述するように、ガーネット組成物中に存在する酸素および／または他の熱力学的に可逆的な欠陥の存在を軽減することもできる。
【００４７】
好ましい手法では、シンチレーターのガーネット組成物は、式（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｄｃを有していてよく、ここでａは約０．０５〜約２であり；ｂは約１〜約３であり；ｘは約２．８〜約３．２であり；ｙは約４．８〜約５．２であり；ｃは約０．００３〜約０．３である。Ｇｄ：Ｙ比は、いくつかの手法では、好ましくは１よりも大きくてよく、より好ましくは約３：１の比であってよい。Ｇａ：Ａｌ比は、より多くの手法では、好ましくは約１：１、例えば２．５：２．５であってもよい。さらなる手法では、ドーパント、Ｄは、好ましくはＧｄおよびＹを合わせた合計量の約０．１〜約１０％を置き換えることができる。さらに多くの手法では、ドーパントＤは、Ｃｅ３＋、またはＣｅ３＋とＣｅ４＋との組合せであってもよい。ドーパントＤがＣｅ３＋を含む手法では、シンチレーターの透明レベル／透明度は、その中のＣｅ３＋の量に基づいて制御することができる。同様に、ドーパントＤがＣｅ３＋とＣｅ４＋との組合せを含む手法では、シンチレーターの透明レベル／透明度は、その中のＣｅ３＋およびＣｅ４＋の少なくとも１つの量に基づいて制御することができる。
【００４８】
特に好ましい一手法では、ガーネット組成物は、Ｇｄ１．４９Ｙ１．４９Ｃｅ０．０２Ｇａ２．２０Ａｌ２．８０Ｏ１２であってよく、これは特に相安定であり、高い光収率のシンチレーターを生成することが判明している。（Ｇｄ、Ｙ）対（Ｇａ、Ａｌ）比は、依然として安定性を維持しながら、限られた範囲にわたって変化し得る。
【００４９】
追加の手法では、例えば、本明細書に開示されたガーネット組成物のいずれかを有するシンチレーターは、粉末から焼結させ、溶融させず、光学的に透明な多結晶モノリス／本体として成長させてよく、ここでシンチレーターの少なくとも１つの寸法の長さは、約１ｍｍ〜約１２インチの範囲内にある。
【００５０】
いくつかの手法では、例えば、本明細書に開示されたガーネット組成物のいずれかを有するシンチレーターは、ＰＥＴ装置における放射線検出であってもよい。他の手法では、前記シンチレーターは、コンピューター断層撮影（ＣＴ）装置、または他のＸ線撮像装置における放射線検出であってもよい。さらに他の手法では、前記シンチレーターは、ＰＥＴ／ＣＴおよび／またはＳＰＥＣＴ装置における放射線検出器であってもよい。
【００５１】
種々の手法では、例えば、本明細書に開示されたガーネット組成物のいずれかを有するシンチレーターは、セリウムをドープしたオルトケイ酸ルテチウム、ＬＳＯ（Ｃｅ）、およびセリウムをドープしたオルトケイ酸ルテチウム−イットリウム、ＬＹＳＯ（Ｃｅ）、単結晶シンチレーターとほぼ同等またはより優れた、立ち上がり時間、減衰時間、および／または一致タイミング分解能を示し得る。
【００５２】
好ましい手法では、例えば、本明細書に開示されたガーネット組成物のいずれかを有するシンチレーターは、約１０ｎｓ以下、好ましくは約４ｎｓ以下、より好ましくは約１ｎｓ以下の立ち上がり時間成分を示し得る。さらに好ましい手法では、例えば、本明細書に開示されたガーネット組成物のいずれかを有するシンチレーターは、約４００ｐｓ以下、より好ましくは約２５０以下の一致タイミング分解能を有し得る。
【００５３】
シンチレーター材料を作製する例示的な方法
図２は、一実施形態に基づいて、光学的に透明なセラミックシンチレーターを作製する非限定的な、例示的な方法２００を提供する。方法２００、および本明細書に提示された他のものは、任意の所望の環境で実施することができる。その上、種々の実施形態によれば、図２に示されているものよりも多いまたは少ない工程が方法２００に含まれていてもよい。本明細書に記載されたシンチレーターの前述の特徴のいずれかが、種々の方法に従って記載された実施形態のいずれかにおいて使用できることにも留意されたい。
【００５４】
図２に示すとおり、方法２００は、複数のナノ−および／またはマイクロ−粒子を含む粉末を最初に形成することを含む。工程２０２を参照のこと。種々の手法では、粒子は、１種もしくは複数の液体前駆体材料の火炎溶射熱分解（ｆｌａｍｅ  ｓｐｒａｙ  ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）、燃焼合成プロセス（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｐｒｏｃｅｓｓ）、前記溶液（複数可）のｐＨを変化させることによる１種もしくは複数の溶液からの沈殿、ゾルゲル技術合成プロセス、または本開示を読むと当業者には明らかになるであろう他のこのような好適な技術によって形成することができる。いくつかの手法では、粉末は、約５ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の平均粒径によって特徴付けることができる。より多くの手法では、粒子は、約５００ミクロン以下の粒径を有する粒子を得るために、少なくとも１つの処理ステップ、例えばミリングにかけてもよい。さらに多くの手法では、粉末には、形状およびサイズが実質的に均一であり、形状が球状または実質的に球状であり得る粒子が含まれていてよい。好ましい手法では、粉末は、微細で均一な粉末を維持するために、低い凝集傾向を示し得る。
【００５５】
種々の手法では、粉末は、ガーネット結晶式Ａ３Ｂ２Ｃ３Ｏ１２を有していてよく、ここで、Ａは十二面体位置であり、Ｂは八面体位置であり、Ｃは四面体位置である。特定の手法では、Ａは、ガドリニウムおよびイットリウムを含んでいてよく、ＢおよびＣは、それぞれガリウムおよびアルミニウムを含んでいてよい。
【００５６】
追加の手法では、粉末は、活性剤イオンとして作用するように構成されたドーパントを含んでいてよく、ここで、ドーパントは、Ｔｌ＋、Ｃｕ＋、Ａｇ＋、Ａｕ＋、Ｐｂ２＋、Ｂｉ３＋、Ｉｎ＋、Ｓｎ２＋、Ｓｂ３＋、Ｃｅ３＋、Ｐｒ３＋、Ｅｕ２＋、Ｙｂ２＋、Ｎｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ６＋、およびその組合せからなる群から選択され得る。ナノ粉末中のドーパントの合計量は、いくつかの手法で約１０ａｔ．％以下であってよい。
【００５７】
多くの手法では、粉末組成物は、式（Ｇｄ３−ａ−ｃＹａ）ｘ（Ｇａ５−ｂＡｌｂ）ｙＯ１２Ｃｅｃを有していてよく、ここでａは約０．０５〜約２であり；ｂは約１〜約３であり；ｘは約２．８〜約３．２であり；ｙは約４．８〜約５．２であり；ｃは約０．００３〜約０．３である。Ｇｄ：Ｙ比は、いくつかの手法では、好ましくは１よりも大きくてよく、より好ましくは約３：１の比であってよい。Ｇａ：Ａｌ比は、より多くの手法では、好ましくは約１：１、例えば２．５：２．５であってもよい。さらなる手法では、Ｃｅドーパント（それはＣｅ３＋を含んでいてよく、またはＣｅ３＋とＣｅ４＋との組合せを含んでいてよい）は、好ましくはＧｄおよびＹを合わせた合計量の約０．０１〜約１０％を置き換えることができる。
【００５８】
粉末にドーパントとしてセリウムが含まれる手法では、方法２００は、セリウム原子価状態を制御するための任意選択のステップを含んでいてよい。前に論じたように、セリウムは、Ｃｅ３＋およびＣｅ４＋として存在でき、これらの種の相対的な集団は、シンチレーションメカニズムに有意な差をもたらし得る。例えば、電子および空孔は、シンチレーター内の欠陥（例えば、酸化物関連欠陥および／または他の熱力学的に可逆的な欠陥）上にトラップされることがあり、続いて解放されてドーパント／活性剤放出の立ち上がりおよび減衰時間を延長し得るタイムスケール上のＣｅ３＋ドーパント／活性剤に到達する。いくつかの手法では、この遅延シンチレーション応答（残光）は、Ｃｅ３＋をドープしたセラミック内で低濃度のＣｅ４＋を形成することによって緩和および／または排除され得る。したがって、方法２００、１つの任意選択の手法では、低濃度の１種または複数の二価異原子価ドーパント、例えばＭｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋などをシンチレーターのＣｅ３＋をドープしたガーネット組成物に添加し、それにより組成物中の電荷平衡を維持するために同等の濃度のＣｅ４＋が形成されることが含まれ得る。Ｃｅ４＋を形成するための代替的な任意選択のプロセスは、後述するように、空気または酸素含有雰囲気中で加熱することを含むアニーリングステップを含むことができる。
【００５９】
図２にも示されているように、方法２００は、粉末を「素地」に圧縮することを含む。工程２０４を参照のこと。いくつかの手法によって素地を形成するために、粉末は、任意選択の結合剤を含んでいてよい分散剤（例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ））中に分散させることができる。分散は、高度な剪断混合、超音波処理、および本開示を読むと当業者には明らかになるであろう他のこのような好適なプロセスによって達成することができる。懸濁剤の温度、ｐＨなどの条件は、当技術分野で既知の方法によって制御することができる。
【００６０】
以下で詳細に論じるように、追加の手法では、スラリーは、さらに噴霧乾燥して、その後の圧縮および／または焼結のための凝集体の有利な均一分布を与えることができる。１つの例示的な手法では、噴霧乾燥は、約２００℃の温度の不活性雰囲気中でスラリーを霧化することを含んでもよい。さらなる手法では、粉末粒子のナノ−またはマイクロ−粒子は、１種または複数の有機化合物で被覆して、均一な凝集体分布を促進することができる。さらに別の手法では、スラリーは、フィルターまたはふるい、例えば、好ましくは約５０μｍ以下の細孔径を有するフィルターまたはふるいに通すことができる。スラリーのろ過は、粒子凝集体のサイズを所望の範囲に制限するのに特に効果的であり得る。
【００６１】
種々の手法では、焼結前に、例えば、炭素製金型中での温間成形によって、スラリーを予め形成された形状に圧縮することは有利であり得る。圧縮中にスラリーを加熱することにより、有機物が自由に流れてスラリー溶液から蒸発することが可能になるので、焼結前にスラリーを加熱して圧縮することは、上記のようにスラリー組成物を形成する際に粒子が有機物で被覆される手法において特に有利であり得る。いくつかの手法では、温間成形は、噴霧乾燥した粉末に約５０〜４００ＭＰａの圧力をかけて素地を形成することによって行なうことができる。
【００６２】
追加の手法では、例えば約９００〜１１００℃以上の温度の真空雰囲気を含む環境中でスラリーを含有する金型をインキュベートすることによって、圧縮中および／または圧縮後に熱を加えることができる。
【００６３】
より多くの手法では、例えば有機化合物を完全に除去するために、予備焼結プロセスには、約５００℃〜約１５００℃の範囲の温度でのスラリーおよび／または素地の焼成が含まれていてよい。
【００６４】
いくつかの手法では、圧縮および焼成ステップ後に形成され得られた素地は、密度が約６０％であってよい。
【００６５】
図２にさらに示されているように、方法２００は、素地をほぼ密度（例えば、約９０％以上の密度）まで焼結することを含んでいてよい。工程２０６を参照のこと。いくつかの手法では、素地は、制御された雰囲気中で焼結する。より好ましくは、素地は実質的に純粋な酸素、または１種もしくは複数の希ガスと合わせた酸素中で焼結してもよい。種々の手法では、焼結プロセスは、少なくとも約１２００℃の温度、またはより好ましくは約１６００℃の温度の制御された雰囲気中で起こり得る。
【００６６】
工程２０８では、焼結体は、続いて約５００気圧超、より好ましくは約２０００気圧（約３０，０００ｐｓｉまたは約２００ＭＰａに等しい）の圧力下で加熱することができる。熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ−ｉｎｇ）として知られているこのステップでは、残りの細孔は、シンチレーター光学が本質的に透明になるように、強制的に閉じられる。
【００６７】
最終処理ステップとして、透明なセラミックは、約１０００℃〜約１９００℃の範囲の温度の空気または酸素含有雰囲気中でアニールしてもよい。工程２１０を参照のこと。好ましい手法では、透明なセラミックは、約１７００℃の温度でアニールしてもよい。
【００６８】
空気および／または他の酸素含有雰囲気中でのセラミック材料の焼結および／またはアニーリングは、セラミック中の酸素関連欠陥および／または他の熱力学的に可逆的な欠陥を達成可能な最低濃度まで減少させることができ、したがってその結晶完全性を達成するための望ましいプロセスであり得ることに注目されたい。空気または他の酸素含有雰囲気中でのセラミック材料の焼結および／またはアニーリングは、ガリウムの蒸発を防ぐのにも役立ち得ることにさらに注目されたい。さらに、透明なセラミックがＣｅ３＋を含む手法では、完全に圧密した光学的に透明なセラミックを酸化雰囲気中でアニーリングすると、Ｃｅ４＋を生成し得る。
【００６９】
図２には示されていないが、圧密した光学的に透明なセラミックは、光学的に研磨してもよい。
【００７０】
図３は、光学的に透明なセラミックガーネットシンチレーターを形成するための例示的な処理ステップ（例えば図２で上述したもの）、ならびに種々の製造段階におけるシンチレーターの密度を示すチャートを提供する。
【実施例】
【００７１】
実験結果および比較例
本明細書に記載されたセラミックガーネットシンチレーターに関連するいくつかの例示的な実験結果および比較例、ならびにそれらを作製する方法を以下に示す。これらの実験結果および比較例は、限定するものではなく、例示目的のためだけに提供されていることに留意することが重要である。
【００７２】
ＧＹＧＡＧ（Ｃｅ）ナノ粉末の単一バッチを使用して６種のＧＹＧＡＧ（Ｃｅ）セラミックシンチレーター試料（試料Ａ〜Ｆ）を製造した。６種のＧＹＧＡＧ（Ｃｅ）セラミックシンチレーター試料は、各試料を異なる焼結および／またはアニーリング条件にかける点以外は図２で説明した処理ステップを用いて全く同じ方法で調製した。例えば、試料Ａ〜Ｃは、それぞれ真空下で焼結したが、試料Ｄ〜Ｆは、それぞれ純粋なＯ２中で焼結した。焼結後、全ての試料が、ほぼ同等の透明性を達成し、室内光では目視で類似して見えた。次いで、真空および酸素焼結試料を各１つずつ（すなわち、試料ＢおよびＥ）約１６００℃の空気中でアニールし、次いで、真空および酸素焼結試料を各１つずつ（すなわち、試料ＣおよびＦ）約１６００℃の真空下でアニールした。明確にするために、各試料について行なった焼結／アニーリングステップは、以下のように述べることができ、ここで、「ｖａｃ」は「真空（ｖａｃｕｕｍ）」である：
試料Ａ：真空／なし
試料Ｂ：真空／空気
試料Ｃ：真空／真空
試料Ｄ：Ｏ２／なし
試料Ｅ：Ｏ２／空気
試料Ｆ：Ｏ２／真空
【００７３】
残光の存在を観察するために、試料Ａ〜Ｆを２５４ｎｍ水銀ランプで短時間照射し、紫外線ランプを消した約１秒後に暗所で撮影した。空気−アニールした試料（すなわち、試料ＢおよびＥ）は残光を示さなかったが、真空アニールでは、真空焼結した試料（すなわち、試料Ｃ）の残光が増加し、酸素焼結した試料（すなわち、試料Ｆ）の残光が減少したことが、驚くべきことにかつ予期せぬことに判明した。アニールしなかった試料（すなわち、試料ＡおよびＤ）はそれぞれ残光を示した。
【００７４】
試料Ａ〜Ｆの立ち上がり時間および一致タイミング分解能も測定し、下記の表１にまとめて示した。空気−アニールした試料（すなわち、試料ＢおよびＥ）は、ＰＥＴスキャナーでの使用に適した立ち上がり時間および一致タイミング分解能を示すことも驚くべきことにかつ予期せぬことに判明した。これには、４００ｐｓ未満が必要であると考えられ、３００ｐｓ未満が好ましく、２５０ｐｓ未満が最も好ましい。
【００７５】
【表１】
2019515856.tif 000003
【００７６】
図４は、Ｃｓ−１３７ガンマ励起で得られた試料Ａ〜Ｆの減衰トレースを示している。試料Ａ〜Ｆの残光の減少が、図４に示すとおり、マイクロ秒のタイムスケール上のより短い減衰と強く相関していたことが、また驚くべきことにかつ予期せぬことに判明した。減衰はいくつかの成分からなり：約１００ｎｓの減衰を含む高速成分であり、Ｃｅ３＋減衰に割り当てられ；約５００ｎｓの減衰を含む中速成分であり、Ｇｄ３＋副格子を介したエネルギー移行に割り当てられ；約１〜５μｓの減衰を含む低速成分であり、伝導帯へおよび伝導帯からのキャリアのホッピングを介してアクセスできる浅いトラップに起因すると考えられる。この第３の成分は、空気アニールした試料について得られた減衰から欠けていることに留意されたい。最も高速の減衰は、空気−アニールした試料（すなわち、試料ＢおよびＦ）に対応するが、光電ピークの最良のエネルギー分解能が、アニールなし（すなわち、試料Ａ）または真空アニール（すなわち、試料Ｃ）のいずれかを含む真空焼結した試料について得られる。言い換えれば、酸素−焼結および空気−アニール処理は、劣化したエネルギー分解能の「コスト」で時間分解能を改善することが判明し（値が小さいほどよい）、この方法で製造されたシンチレーターを、放射性同位体の分光学的同定ではなくＰＥＴスキャナーでの使用により適したものにする。
【００７７】
図５は、試料Ａ〜ＦのＵＶ吸収スペクトルである。３００ｎｍ付近のＵＶ吸収スペクトルの特徴は、Ｃｅ４＋イオンに起因することが知られており、したがって試料中のその含有量の基準となる。最も顕著なＣｅ４＋吸光度が空気−アニールした試料（すなわち、試料ＢおよびＦ）について観察され、Ｏ２焼結した試料（すなわち、試料Ｄ〜Ｆ）の顕著な強化を伴うことが、また驚くべきことにかつ予期せぬことに判明した。
【００７８】
図４および５に関して言及した上記特徴の全て（例えば、残光の観察、Ｃｅ４＋吸光度の観察、効果的な減衰（初期強度の１％までの時間として定義される）、および６６２ｋｅＶで得られた分解能）を下記の表２にまとめて示す。
【００７９】
【表２】
2019515856.tif 000004
【００８０】
用途および使用
本発明の実施形態は、多種多様な用途、およびガンマ線、Ｘ線、荷電粒子などの検出が有用である潜在的な任意の用途で使用することができる。
【００８１】
本発明の種々の実施形態の例示的な使用には、放射線検出が必要な用途があるが、それだけには限定されない。陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、飛行時間（ＴＯＦ）ＰＥＴ；コンピューター断層撮影（ＣＴ）および他のＸ線画像化技術、複合ＰＥＴ／ＣＴ技術ＳＰＥＣＴ、ＳＰＥＣＴ／ＣＴなどを含む医療撮像用途が、そのようないくつかの例である。
【００８２】
直接上述したもののような放射線検出に関連する用途では、本明細書に記載されたシンチレーターのいずれかを放射線検出器に用いることができる。特定の手法では、この放射線検出器は、光電子増倍管、ケイ素光電子増倍管、光ダイオード、またはシンチレーション光に応答するように構成された任意のトランスデューサーを使用することによって、シンチレーターの光応答を検出し、光収量の大きさを記録する読み取り手段を含むことができる。この放射線検出器は、最終的にパルス高さスペクトルを生成することができ、光応答は、シンチレーターによって生成された光収量の各ビン内に収集されたカウント数のヒストグラムとして提示される。その上、好ましい手法では、このような放射線検出器は、Ｘ線および／またはガンマ線を記録するように構成されており、またこれらの特定の形態の放射線の間で部分的または完全に区別し、ガンマまたはＸ線光子のエネルギーをほぼ決定するように構成されている。
【００８３】
本明細書に開示された本発明の概念は、複数の例示的なシナリオ、実施形態、および／または実装形態において、その無数の特徴を例示するために一例として提示されている。一般に開示された概念は、モジュラーと見なされ、その任意の組合せ、並べ替え、または合成で実装されてもよいことが理解されよう。さらに、本明細書を読むことにより当業者には理解されるであろう現在開示されている特徴、機能、および概念の任意の変更、修正、または等価物も、本開示の範囲内であると見なされるべきである。
【００８４】
種々の実施形態を上述したが、それらはほんの一例として提示されたものであり、限定されるものではないことを理解されたい。したがって、好ましい実施形態の広さおよび範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではないが、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物によってのみ定義されるべきである。
【図１】
2019515856.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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