КЕРАМИЧЕСКИЙ ФОСВИЧ-ДЕТЕКТОР СО СПЛАВЛЕННЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИЗДЕЛИЯ, СОСТОЯЩИЕ ИЗ НЕГО
CERAMIC PHOSWICH-DETECTOR WITH ALLOYED OPTICAL ELEMENTS, METHOD OF ITS PRODUCTION AND PRODUCTS CONSISTING OF IT

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящем изобретении описаны керамический фосвич-детектор со сплавленными оптическими элементами, способ его изготовления и изделия, состоящие из него.
В приложениях, связанных с регистрацией излучений, зачастую желательно получать информацию о силе взаимодействия из среды детектирования. Это улучшает локализацию гамма-частиц, взаимодействующих внутри твердого тела. Общий способ, позволяющий получить эти данные, представляет собой использование фосвич-комбинации, в которой два или более сцинтилляторов соединены вместе в единый функциональный элемент. Сцинтилляционные материалы, используемые для создания фосвич-детектора, имеют особые сцинтилляционные характеристики (например, разное время высвечивания сцинтиллятора или разные длины волн), которые могут быть использованы для определения, какая часть фосвич-детектора провзаимодействовала с гамма-частицами. В связи с тем, что сцинтилляторы, используемые в фосвич-комбинации, оптически соединены друг с другом с помощью материала оптической связи со значительно более низким коэффициентом преломления, чем у плотных сцинтилляторов, значительное количество сцинтилляционных фотонов отражается или теряется на поверхности раздела сцинтиллятора и материала оптической связи. Это приводит к значительному ухудшению детектируемой энергии и временного разрешения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении описан сцинтиллятор, содержащий большое количество композиций граната в едином блоке, которые имеют структурную формулу (1)
1
2
3
4
a
b
c
d
12
MMMMO (1),
1
2
3
4
1
2
3
4
в которой O представляет собой кислород, М, М, М и М представляют собой первый, второй, третий и четвертый металл, которые отличаются друг от друга, причем сумма a+b+c+d составляет около 8, где «а» имеет значение от около 2 до около 3,5, «б» имеет значение от 0 до около 5, «с» имеет значение от 0 до около 5, «d» имеет значение от 0 до около 1, где «около» определяется как отклонение ±10% от ожидаемого значения, где «b» и «c», «b» и «d» или «с» и «d» не могут быть оба равны нулю одновременно, в которой M представляет собой редкоземельный элемент, включая, но не ограничиваясь ими, гадолиний, иттрий, лютеций, скандий или их комбинацию, М представляет собой алюминий или бор, М представляет собой галлий, а M представляет собой ко-допант и включает в себя любой из таллия, меди, серебра, свинца, висмута, индия, олова, сурьмы, тантала, вольфрама, стронция, бария, бора, магния, кальция, церия, иттрия, скандия, лантана, лютеция, празеодима, тербия, иттербия, самария, европия, гольмия, диспрозия, эрбия, тулия или неодима; где две композиции, имеющие одинаковые структурные формулы, не расположены рядом друг с другом и где единый блок лишен оптических поверхностей раздела между различными композициями.
В настоящем изобретении также описан способ, содержащий размещение большого количества композиций, расположенных рядом друг с другом; в котором большое количество композиций, каждая имеет структурную формулу (1)
1
2
3
4
a
b
c
d
12
MMMMO (1),
1
2
3
4
1
2
3
4
в которой O представляет собой кислород, М, М, М и М представляют собой первый, второй, третий и четвертый металл, которые отличаются друг от друга, причем сумма a+b+c+d составляет около 8, где «а» имеет значение от около 2 до около 3,5, «б» имеет значение от 0 до около 5, «с» имеет значение от 0 до около 5, «d» имеет значение от 0 до около 1, где «b» и «c», «b» и «d» или «с» и «d» не могут быть оба равны нулю одновременно, в которой M представляет собой редкоземельный элемент, включая, но не ограничиваясь ими, гадолиний, иттрий, лютеций, скандий или их комбинацию, М представляет собой алюминий или бор, М представляет собой галлий, а M представляет собой ко-допант и включает в себя любой из таллия, меди, серебра, свинца, висмута, индия, олова, сурьмы, тантала, вольфрама, стронция, бария, бора, магния, кальция, церия, иттрия, скандия, лантана, лютеция, празеодима, тербия, иттербия, самария, европия, гольмия, диспрозия, эрбия, тулия или неодима; где две композиции, имеющие одинаковые структурные формулы, не расположены рядом друг с другом; сжатие таких композиций друг в друга; а также отжиг композиций для формирования единого блока, который лишен оптических поверхностей раздела между различными композициями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлено изображение одного примерного способа изготовления сцинтиллятора фосвич-детектора, описанного в настоящем изобретении;
на фиг.2(А) изображен один примерный сцинтиллятор фосвич-детектора;
на фиг.2(В) изображен другой примерный сцинтиллятор фосвич-детектора; и
на фиг.3 изображен другой примерный сцинтиллятор фосвич-детектора, в котором соседние композиции добавляются друг к другу во многих направлениях.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении описан сцинтиллятор фосвич-детектора, имеющий две или более композиции граната, которые отличаются друг от друга. Композиции граната имеют постепенно меняющийся состав (например, градиент) на поверхности раздела между двумя или более композициями граната, и такой постепенно меняющийся состав исключает наличие оптической поверхности раздела между двумя или более композициями. В результате постепенно меняющегося состава вместо резкой поверхности раздела между двумя или более различными композициями нет потерь из-за отражения на границе поверхности раздела. В одном варианте осуществления значения показателей преломления на границах различных композиций граната постепенно меняются от одной композиции граната к другой. Оптические поверхности раздела представляет собой поверхность раздела, на которой происходит резкое изменение показателя преломления из-за использования среды оптической связи.
В настоящем изобретении также описан новый способ создания сцинтиллятора фосвич-детектора, который лишен границы поверхности раздела между двумя различными композициями и не показывает никаких потерь из-за отражения, на которых раньше была бы граница поверхности раздела между двумя композициями. Способ содержит размещение двух или более керамических композиций сцинтилляторов в форме порошка, расположенных друг с другом, а затем прессование этих композиций вместе для получения плоской заготовки порошка. Плоскую заготовку порошка отжигают (спекают) при соответствующей температуре, которая позволяет происходить диффузии между различными композициями и производить фосвич-детектор с постепенно меняющимся составом между различными композициями. Можно отметить, что сочетание применения нагрева (в процессе отжига) и сжимающего давления приводят к явлению роста зерен. Применение нагревания и сжимающего давления также называют «спекание». Такие композиции могут рассматриваться как спеченные в единый блок материала.
Данный способ приводит к двум или более керамикам сцинтилляторов структуры граната, находящихся в одной цельной единой среде в процессе прессования без создания какой-либо отчетливой оптической поверхности раздела (поверхностей раздела). Хотя подробности настоящего изобретения в основном сосредоточены на порошковых композициях, сцинтилляторы фосвич-детекторов также могут быть получены из гелей или эмульсий. Они кратко конкретизированы ближе к концу настоящего описания.
В последнее время увеличилась популярность сцинтилляторов со структурой граната из-за существенного повышения сцинтилляционной эффективности и удобного контроля за временем высвечивания. Дополнительным преимуществом гранатов является их регулируемость, которая предоставляет возможность значительных модификаций их сцинтилляционных характеристик при сохранении хорошей стабильности кристаллической фазы. Их кубическая симметрия делает возможным получение оптически прозрачных керамических изделий. Керамическая технология открывает новые возможности для создания сложных фосвич-структур. Это позволяет точно контролировать однородность и стехиометрию материала, а также устранять проблемы несоответствия, которые иногда возникают во время стандартного роста кристаллов из расплава. Оказывается, керамики граната очень хорошо подходят для этой технологии.
Способ получения керамического фосвич-детектора представляет собой сплавление двух или более керамик в одной цельной единой среде в процессе прессования без создания четких оптических поверхностей раздела. На фиг.1 показан блок порошка 100, содержащего две различные порошкообразные композиции сцинтилляторов структуры граната (в дальнейшем порошкообразные композиции) 102 и 104, которые расположены рядом друг с другом в пресс-форме (не показана) и спрессованы для формирования блока порошка. Стоит отметить, несмотря на то, что на фиг.1 изображены только две различные композиции, возможны 3 или более, 4 или более и 5 или более различных композиций. Иными словами, можно использовать способ, подробно описанный в настоящем изобретении, для большого количества различных композиций, которые расположены рядом друг с другом. В одном варианте осуществления различные порошкообразные композиции могут быть расположены поверх друг друга в пресс-форме.
Порошкообразные композиции могут быть приобретены в промышленных масштабах. Желательно, чтобы композиции были как можно более чистыми, предпочтительно имеющими чистоту 99% или более, предпочтительно 99,9% или более и более предпочтительно 99,99% или более, в расчете на общую массу порошкообразной композиции. Частицы или порошок имеют средний размер частиц в диапазоне от 1 нм до 500 мкм, предпочтительно от 5 нм до 50 мкм, а более предпочтительно от 10 нм до 20 мкм. Радиус инерции частиц измеряют для определения среднего размера частиц. Для определения размера частиц могут быть использованы рассеяние света или электронная микроскопия.
Порошки могут быть необязательно дополнительно измельчены в шаровой мельнице, вальцовой мельнице или другом размельчающем устройстве. Затем измельченные порошки могут быть подвергнуты необязательному просеиванию, если требуется использование частиц определенного размера.
Далее порошкообразные композиции подвергаются давлению и отжигу при температуре, эффективной для возникновения диффузии молекул различного состава друг в друге. Давление предпочтительно представляет собой сжимающее усилие, как показано направлением стрелок на фиг.1.
В одном варианте осуществления давление и отжиг могут быть применены одновременно или последовательно. При последовательном применении порошкообразная композиция всегда подвергается давлению с последующим отжигом. Предпочтительно, чтобы порошкообразная композиция подвергалась давлению и отжигу одновременно. Поверхность раздела между двумя композициями в таком случае содержит в себе большое количество различных композиций, постепенно меняющихся с первой композиции на вторую композицию.
Затем порошкообразные композиции подвергаются давлению в пресс-форме для формирования блока порошка. В одном варианте осуществления давление представляет собой сжимающее усилие от 1 МПа до 500 МПа.
Отжиг предпочтительно проводится с помощью конвективного или кондуктивного теплообмена. В одном варианте осуществления нагревание излучением (например, радиочастотный нагрев, СВЧ-нагрев или инфракрасный нагрев) может проводиться одновременно или последовательно с конвективным или кондуктивным нагреванием. В одном варианте осуществления нагревание проводят с помощью кондуктивной теплопередачи в то время как образец все еще находится под прессом и давлением.
Отжиг проводится при температуре от 500 до 1750°С, предпочтительно от 850 до 1700°С в кислородсодержащей атмосфере. Также при желании может быть использована атмосфера, отличная от кислородной атмосферы.
Обратимся теперь к фиг.1 еще раз, в процессе отжига молекулы двух различных порошкообразных композиций 102 и 104 диффундируют по направлению друг к другу с получением градиента, указанного цифрами 102А и 104А. Во время отжига происходит рост границ зерен в порошках, и соответствующие зерна порошкообразных композиций 102 и 104 сплавляются друг с другом, что приводит к исчезновению оптической поверхности раздела, которая обычно отделяет части фосвич-детектора. Небольшие различия показателя преломления будут плавно изменяться между слоями, лишь незначительно влияя на сцинтилляционные фотоны на поверхности раздела и не подвергая их высокой вероятности отражений, которые происходили бы на четких оптических границах, образующихся в результате использования среды оптической связи.
В одном варианте осуществления области 102А и 104А имеют промежуточный состав, который располагается между порошкообразными композициями 102 и 104. Присутствие промежуточных композиций приводит к цельной единой среде между порошкообразными композициями 102 и 104 без какой-либо отчетливой поверхности раздела (поверхностей раздела).
В одном варианте осуществления большое количество композиций граната, расположенных рядом друг с другом перед применением давления, представляют собой содержащие гадолиний-галлий гранаты, которые имеют структурную формулу
1
2
3
4
a
b
c
d
12
MMMMO (1),
1
2
3
4
в которой O представляет собой кислород, М, М, М и М представляют собой первый, второй, третий и четвертый металл, которые отличаются друг от друга, причем сумма a+b+c+d составляет около 8, где «около» определяется как ±10% отклонение от ожидаемого значения, где «а» имеет значение от около 2 до около 3,5, предпочтительно от около 2,4 до около 3,2 и более предпочтительно около 3,0, «б» имеет значение от 0 до около 5, предпочтительно от около 2 до около 3 и более предпочтительно от около 2,1 до около 2,5, где «b» и «c», «b» и «d» или «с» и «d» не могут быть оба равны нулю одновременно, где «с» имеет значение от 0 до около 5, предпочтительно от около 1 до около 4, предпочтительно от около 2 до около 3 и более предпочтительно от около 2,1 до около 2,5, «d» имеет значение от 0 до около 1, предпочтительно от около 0,001 до около 0,5 и более предпочтительно до около 0,003 до около 0,3. Термин «около» представляет собой отклонение ±10% от заданного значения.
1
1
2
3
4
В формуле (1) выше M представляет собой редкоземельный элемент, включая, но не ограничиваясь ими, гадолиний, иттрий, лютеций, скандий или их комбинацию. M предпочтительно представляет собой гадолиний и иттрий, М представляет собой алюминий или бор, М представляет собой галлий, а M представляет собой ко-допант и включает в себя любой из таллия, меди, серебра, свинца, висмута, индия, олова, сурьмы, тантала, вольфрама, стронция, бария, бора, магния, кальция, церия, иттрия, скандия, лантана, лютеция, празеодима, тербия, иттербия, самария, европия, гольмия, диспрозия, эрбия, тулия или неодима.
1
1
3
M предпочтительно представляет собой гадолиний. Для M некоторая часть гадолиния может быть замещена одним или несколькими из иттрия, гадолиния, лютеция, лантана, тербия, празеодима, неодима, самария, церия, европия, диспрозия, гольмия, эрбия, иттербия, скандия или их комбинации. В одном варианте осуществления некоторая часть галлия может быть замещена иттрием. М предпочтительно представляет собой алюминий.
4
+
+
+
+
2+
3+
+
2+
3+
3+
3+
2+
2+
5+
5+
6+
2+
3+
2+
2+
2+
В одном варианте осуществления ко-допант М включает в себя Tl, Cu, Ag, Au, Pb, Bi, In, Sn, Sb, Ce, Pr, Eu, Yb, Nb, Ta, W, Sr, B, Ba, Mg, Ca или их комбинацию.
В одном варианте осуществления первая порошкообразная композиция 102 будет иметь первую структурную формулу (1), в то время как вторая порошкообразная композиция 104 будет иметь вторую структурную формулу (1), которая отличается от первой структурной формулы. Другими словами, первая порошкообразная композиция химически отличается от второй порошкообразной композиции. Таким образом, «n» различных композиций, каждая из которых имеет отличающийся состав (в терминах структурной формулы (1)) от своего ближайшего соседнего элемента, могут быть установлены рядом друг с другом, а затем подвергаются давлению и отжигу для формирования граната без каких-либо отражающих поверхностей раздела. Число «n» может быть целым числом, имеющим значение до 100, от 2 до 30 или более, от 3 до 10 или более, а также от 4 до 6 или более.
Фактически возможно наличие множества частей в результирующем гранате, имеющих одинаковую структурную формулу (1), при условии, что две одинаковых композиции не расположены рядом друг с другом. Это показано на фиг.2(А), где порошкообразные композиции 102 и 104 систематически расположены в чередующейся последовательности рядом друг с другом. В другом варианте осуществления, изображенном на фиг.2(В), результирующий гранат может иметь в составе ряд порошкообразных композиций 102, 103, 104, 105, 106 и так далее, расположенных рядом друг с другом, где каждая композиция отличается от соседней с ней композиции и ни одна композиция никогда не повторяется. Возможны многие такие вариации, и несмотря на то, что не все они описаны в настоящем изобретении, предполагается, что они включены в объем настоящего изобретения.
Хотя на фиг.1, 2(А) и 2(В) показаны различные порошкообразные композиции, расположенные в непосредственной близости друг от друга в одном направлении (т. е., в горизонтальном направлении), они могут быть расположены рядом друг с другом в разных направлениях, таких как, например, направление вдоль оси х, направление вдоль оси у и/или направление вдоль оси z. На фиг.3 изображен один вариант осуществления, в котором результирующий гранат имеет в составе различные композиции, расположенные в двух разных направлениях. В некоторых вариантах осуществления различные направления могут находится под прямыми углами друг к другу. В других вариантах осуществления различные направления находятся под углами, которые больше или меньше, чем 90 градусов друг от друга. Углы могут быть измерены с помощью линий, соединяющих центр масс различных композиций.
3
2
3
12
3
3
2
12
2,5
0,5
2
3
12
2,5
0,5
3
2
12
3+
В изготовлении сцинтиллятора со структурой граната из двух различных порошкообразных композиций, желательно, но не является необходимым для двух различных композиций, содержание одинаковых элементов в разных соотношениях. Например, первая порошкообразная композиция и вторая порошкообразная композиция могут обе содержать гадолиний, алюминий и галлий (такие композиции обычно обозначаются аббревиатурой ГАГГ), но в разных соотношениях друг с другом. Например, первая порошковая композиция может быть GdAlGaO, а вторая порошковая композиция может быть GdAlGaO с различным содержанием Се-активатора. В другом варианте осуществления первая порошковая композиция содержит GdYAlGaO, в то время как вторая порошковая композиция содержит GdYAlGaO.
3
2
3
12
3
3
2
12
1,5
1,5
2,5
2,5
12
В другом варианте осуществления первая порошковая композиция может быть ГАГГ композицией - т.е. любой из GdAlGaO или GdAlGaO, вместе с тем вторая порошковая композиция может быть ГИГАГ (где ГИГАГ обозначает гадолиний-иттрий-галлий-алюминиевый гранат), такой как, например, GdYGaAlO.
Первая порошковая композиция и вторая порошковая композиция могут быть выбраны из группы, состоящей из ГАГГ - гадолиний-алюминий-галлиевого граната, ГИГАГ - гадолиний-иттрий-галлий-алюминиевого граната, ГСГГ - гадолиний-скандий-галлиевого граната, ГЛАГГ - гадолиний-лютеций-алюминий-галлиевого граната или т.п.
При том, что в вышеупомянутом способе подробно описано изготовление сцинтиллятора фосвич-детектора из порошковых композиций, эти фосвич-детекторы могут быть также изготовлены с использованием золь-гель процесса или процесса, основанного на эмульсии. В золь-гель процессе как первая композиция, так и вторая композиция могут содержать гели, имеющие желаемую композицию граната.
Гели изготавливаются из золя, как правило получаемого из алкоксидов металлов, галогенидов металлов и т.п. Для облегчения протекания реакции между алкоксидами металлов может быть использован кислотный или основный катализатор. Растворитель, такой как, например, спирт, может быть использован для улучшения смешивания различных алкоксидов металлов.
Например, ГАГГ композиции, подробно описанные выше, могут быть получены в виде геля с использованием изопропоксида гадолиния, втор-бутилата алюминия и этилата галлия, которые все являются алкоксидами металлов, доступными в жидком виде. Первая гелевая композиция и вторая гелевая композиция затем могут быть расположены рядом друг с другом, при этом температура постепенно увеличивается под действием давления для получения сцинтиллятора фосвич-детектора, не имеющего границу раздела между двумя различными композициями. Сверхкритическая экстракция может быть использована для удаления растворителей и побочных продуктов из результирующего сцинтиллятора фосвич-детектора при получении монолита необходимого размера.
Стоит отметить, что данное изобретение охватывает изготовление сцинтилляторов фосвич-детекторов из сочетания или порошков, или гелей. Порошки и гели могут быть расположены рядом друг с другом или могут быть смешаны вместе с формированием порошок-гелевой композиции, в которой большое количество порошок-гелевых композиций могут быть расположены рядом друг с другом и подвержены давлению, а также отжигу для формирования сцинтиллятора фосвич-детектора.
Соответствующие композиции после обработки представляют собой единый блок материала сцинтиллятора фосвич-детектора. В одном варианте осуществления единый блок материала сцинтиллятора фосвич-детектора представляет собой монолит без каких-либо поверхностей раздела или средств связывания. Сцинтиллятор фосвич-детектора может иметь длину от 1 до 10 сантиметров и поперечные размеры от 1 мм до 10 см или более. В одном варианте осуществления поперечные размеры могут быть «размером пикселя» в диапазоне от 1 мм до 10 сантиметров (в монолитных структурах конфигурации блока), от 1 мм до 6 мм (например, пиксели «клинического», т.е. для обследования человека, универсального для всего тела сканера) или от 0,5 до 2 мм (пиксели научно-исследовательского сканера мелких животных или специализированного сканера мозга или других органов); в любом случае меньше чем 1 сантиметр.
В процессе, основанном на эмульсии, эмульсии желаемых ингредиентов в форме эмульсии смешивают и катализируют для получения желаемых композиций. Эмульсии после катализа реагируют с образованием гелей, которые затем обрабатывают, как описано выше для золь-гель процесса, для получения желаемого сцинтиллятора фосвич-детектора. Описанный способ имеет преимущества в том, что он приводит к двум или более керамикам сцинтилляторов структуры граната, присутствующих в одной цельной единой среде в процессе прессования и спекания без создания какой-либо четкой оптической поверхности раздела (поверхностей раздела).
Сцинтилляторы фосвич-детектора используются в приборах для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) или компьютерной томографии (КТ), или для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) и в других устройствах обработки изображений.
Стоит отметить, что все диапазоны, подробно описанные в настоящем изобретении, включают конечные точки. Численные значения различных диапазонов способны к комбинированию.
Несмотря на то что изобретение было описано со ссылкой на некоторые варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть сделаны различные изменения и могут быть заменены эквиваленты для элементов, не выходя из объема настоящего изобретения. Кроме того, могут быть сделаны многие модификации для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения без отступления от его основного объема. Таким образом, подразумевается, что изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в качестве наилучшего способа для осуществления этого изобретения, но что изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.