СЦИНТИЛЛЯТОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ, А ТАКЖЕ СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА Российский патент 2011 года по МПК G01T1/202 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к люминесцирующим веществам, к примеру веществам, используемым для того, чтобы обнаруживать ионизирующее излучение. В некоторых конкретных вариантах осуществления изобретение относится к сцинтилляционным составам (и соответствующим устройствам), которые особенно пригодны для обнаружения гамма-лучей и рентгеновских лучей.

Известно множество методик обнаружения излучения высокой энергии. Многие из них базируются на использовании сцинтилляционных веществ. Твердотельные сцинтилляторы широко используются в качестве компонента детекторов излучений для гамма-лучей, рентгеновских лучей, космических лучей и частиц, отличающихся уровнем энергии выше примерно 1 килоэлектронвольт. Кристалл сцинтиллятора соединяется со средством детектирования света, т.е. фотодетектором. Когда фотоны из источника соударяются с кристаллом, кристалл испускает свет. Фотодетектор формирует электрический сигнал пропорционально числу принятых световых импульсов, а также их интенсивности.

Обнаружено, что сцинтилляторы полезны для вариантов применения в химии, геологии и медицине. Конкретные примеры вариантов применения включают в себя устройства позитронной эмиссионной томографии (PET); каротаж скважин в нефтегазовой промышленности и различные приложения цифровой обработки изображений. Сцинтилляторы также изучаются на предмет использования в детекторах защитных устройств, к примеру в детекторах источников излучения, которые могут показывать наличие радиоактивных веществ в грузовых контейнерах.

Конкретный состав сцинтиллятора является очень важным для характеристик устройства. Сцинтиллятор должен реагировать на возбуждение рентгеновскими лучами и гамма-лучами. Более того, сцинтиллятор должен обладать рядом характеристик, которые улучшают обнаружение излучения. Например, большинство веществ сцинтиллятора должны обладать одной или более из следующих характеристик: высокий световой выход, малое время послесвечения, высокая "энергия останова" и приемлемое энергетическое разрешение. (Другие свойства также могут быть очень существенны, в зависимости от того, как используется сцинтиллятор, как упоминается ниже).

Различные вещества сцинтиллятора, которые обладают большей частью или всеми этими свойствами, использовались в течение многих лет. Примеры включают в себя активированный таллием иодид натрия (NaI(Tl)); германат висмута (BGO); ортосиликат гадолиния с примесью церия (GSO); ортосиликат лютеция с примесью церия (LSO); и активированные церием соединения галогенидов лантанидов. Каждое из этих веществ имеет свойства, которые оптимально подходят для конкретных вариантов применения. Тем не менее, многие из них имеют определенные недостатки. Общераспространенные проблемы - это низкий световой выход, физическая непрочность, неспособность формировать крупноразмерные высококачественные монокристаллы. Также имеются другие недостатки. Например, активированные таллием вещества являются очень гигроскопическими и также могут формировать значительное и устойчивое послесвечение, что может мешать работе сцинтиллятора. Более того, вещества BGO зачастую имеют замедленное время послесвечения. С другой стороны, вещества LSO являются дорогими и также могут содержать радиоактивные изотопы лютеция, что также может мешать работе сцинтиллятора.

В общем, заинтересованные в получении оптимального сцинтилляционного состава для детектора излучения могли проанализировать различные атрибуты, указанные выше, и тем самым выбрать оптимальный состав для конкретного устройства. (В качестве только одного примера, сцинтилляционные составы для вариантов применения каротажа скважин должны иметь возможность функционировать при высоких температурах, тогда как сцинтилляторы для РЕТ-устройств зачастую должны иметь высокую энергию останова). Тем не менее, требуемый уровень общей характеристики для большинства сцинтилляторов продолжает возрастать с увеличением сложности и многообразия всех детекторов излучения.

Учитывая все вышеизложенные соображения, преимущества раскрытия новых сцинтилляционных веществ являются очевидными. Вещества должны иметь превосходный световой выход. Они также должны обладать одной или более требуемыми характеристиками, такими как относительно быстрое время послесвечения и хорошие характеристики энергетического разрешения, особенно в случае гамма-лучей. Более того, они должны допускать эффективное изготовление при разумной стоимости и приемлемом размере кристалла.

Раскрытие изобретения

Первый вариант осуществления этого изобретения направлен на сцинтилляционный состав, содержащий следующие элементы и все их продукты реакции:

(a) материал матрицы, содержащий:

(i) по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца;

(ii) по меньшей мере, один галогенид лантанида; и

(b) активатор для материала матрицы, содержащий церий, празеодимий или смесь церия и празеодимия.

Другой вариант осуществления относится к детектору излучения для обнаружения излучения высокой энергии. Детектор содержит средство обнаружения света (к примеру, фотодетектор), соединенное с кристаллом сцинтиллятора, как описано в данном документе.

Способ обнаружения излучения высокой энергии с помощью сцинтилляционного детектора представляет другой вариант осуществления. Способ содержит этапы:

(A) приема излучения посредством кристалла сцинтиллятора, описываемого в данной заявке, с тем чтобы формировать фотоны, которые являются характеристикой излучения; и

(B) обнаружения фотонов с помощью детектора фотонов, соединенного с кристаллом сцинтиллятора.

Другие признаки и преимущества изобретения должны стать очевидными из прочтения оставшейся части данного подробного описания.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - это график спектра излучения (при возбуждении рентгеновскими лучами) для сцинтилляционного состава согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - это график спектра излучения для состава, аналогичного составу на фиг.1, с другими соотношениями компонентов.

Фиг.3 - это график спектра излучения (при возбуждении рентгеновскими лучами) для другого сцинтилляционного состава согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - это график спектра излучения для состава, аналогичного составу на фиг.3, с другими соотношениями компонентов.

Фиг.5 - это график спектра излучения другого состава, аналогичного составу на фиг.3, с другими соотношениями компонентов.

Осуществление изобретения

Один компонент материала матрицы, компонент a(i), содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца. Щелочноземельным металлом может быть магний, кальций, стронций или барий. (Сам барий является наиболее предпочтительным щелочноземельным металлом в некоторых вариантах осуществления). Более того, множество различных комбинаций из двух или более щелочноземельных металлов (со свинцом или без свинца) также может быть использовано. В некоторых вариантах осуществления барий, кальций или комбинации бария и кальция являются предпочтительными. В других вариантах осуществления три щелочноземельных металла может быть использовано, либо комбинация из двух щелочноземельных металлов и свинца, к примеру бария, стронция и свинца.

Компонент a(ii) материала матрицы содержит, по меньшей мере, один галогенид лантанида. Галогеном является бром, хлор или йод. Каждый из отдельных галогенидов может быть полезен для конкретных вариантов применения. Бром или хлор зачастую являются предпочтительными для некоторых вариантов осуществления. Тем не менее, в других вариантах осуществления предпочтительным может быть йод. (Например, йод в некоторых случаях имеет очень высокие характеристики светового вывода).

Лантанидом компонента a(ii) может быть любой из редкоземельных металлов, т.е. лантан, церий, празеодимий, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Смеси из двух или более лантанидов также возможны. (Специалисты в данной области техники должны понимать, что иттрий и скандий тесно связаны с редкоземельной группой. Таким образом, в контексте данной заявки эти два элемента также рассматриваются как часть семейства лантанидов). Предпочтительные лантаниды выбираются из группы, состоящей из лантана, иттрия, гадолиния, лютеция, скандия, празеодимия и их смесей. В особенно предпочтительных вариантах осуществления лантанидом является сам лантан.

Некоторые конкретные неограничивающие примеры галогенидов лантанидов следующие: хлорид лютеция, бромид лютеция, йодид лютеция, хлорид иттрия, бромид иттрия, йодид иттрия, хлорид гадолиния, бромид гадолиния, хлорид празеодимия, бромид празеодимия и их смеси. В некоторых вариантах осуществления используются галогениды лантана, т.е. йодид лантана (LaI₃), бромид лантана (LaBr₃), хлорид лантана (LaCl₃) и их смеси, к примеру твердый раствор из, по меньшей мере, двух галогенидов лантана.

Некоторые конкретные семейства сцинтилляторов для конкретных вариантов осуществления также могут быть описаны. Например, материал матрицы сцинтиллятора может содержать соединение по формуле

или

где β - это, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца; Ln - это, по меньшей мере, один лантанид; а X выбирается из группы, состоящей из брома, хрома, йода и их комбинаций.

Неограничивающие примеры соединений согласно формуле (I) следующие:

BaGdCl₅, BaLaCl₅, BaGdBr₅, BaLuCl₅, PbGdCl₅ и CaGdCl₅.

Неограничивающие примеры соединений согласно формуле (II) следующие:

Ba₂YCl₇, Ba₂GdCl₇, Ba₂LaCl₇, Ba₂LuCl₇, Ba₂YBr₇, Ba₂YI₇, Ba₂LaBr₇, Ba₂LaI₇, Sr₂YCl₇, BaSrYCl₇, BaSrLaCl₇, BaSrLuCl₇, BaSrYBr₇, BaSrLaBr₇, BaSrLuBr₇, Ca₂YCl₇, Ca₂YBr₇, Ca₂LaCl₇, Ca₂LuCl₇, Pb₂YCl₇, Pb₂YBr₇, Pb₂LaCl₇ и Pb₂LuCl₇.

Некоторые из материалов матрицы, которые являются предпочтительными для конкретных вариантов осуществления, это Ba₂YCl₇, Ba₂GdCl₇ и Ba₂LuCl₇.

В некоторых вариантах осуществления материал матрицы дополнительно может содержать висмут. Наличие висмута позволяет улучшить различные свойства, к примеру мощность останова. Количество висмута (когда имеется) может в некоторой степени варьироваться. Обычно висмут должен присутствовать на уровне "примерно от 1 молекулярного процента до примерно 40 молекулярных процентов от общего молярного веса материала матрицы (т.е. компонента (а)), в том числе самого висмута. В предпочтительных вариантах осуществления уровень висмута составляет от примерно 5 молекулярных процентов до примерно 20 молекулярных процентов. (Как упоминается ниже, в случае других компонентов висмут может быть описан как часть всего сцинтилляционного состава, а не как конкретный компонент самого материала матрицы).

В других вариантах осуществления изобретения материал матрицы дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы щелочных металлов и таллия. Щелочным металлом может быть натрий, калий, рубидий или цезий. Цезий иногда является наиболее предпочтительным щелочным металлом. Более того, множество различных комбинаций из двух или более щелочных металлов (с таллием или без таллия) также может быть использовано. Неограничивающим примером является комбинация цезия и калия.

Некоторые конкретные семейства сцинтилляторов для этих вариантов осуществления также могут быть пояснены. Таким образом, в некоторых случаях материала матрицы сцинтиллятора может содержать соединение по формуле

где А - это, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочных металлов и таллия; а β - это, по меньшей мере, один щелочноземельный металл. Как также описано выше, Ln - это, по меньшей мере, один лантанид; а X - это, по меньшей мере, один галоген. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления А - это натрий, цезий или комбинация натрия и цезия. Цезий особенно полезен в некоторых из сцинтилляционных составов.

Неограничивающие примеры этого типа материала матрицы следующие:

NaBaLaBr₆, NaBaGdCl₆, CsBaLaBr₆, CsBaGdCl₆, NaCaLaBr₆, NaCaGdCl₆, CsCaLaBr₆, CsCaGdCl₆, NaBaLuBr₆, NaBaLuCl₆, CsBaLuBr₆ и CsBaLuCl₆.

(Как и в случае предыдущих вариантов осуществления, материал матрицы для этих вариантов осуществления дополнительно может содержать висмут, к примеру, на уровнях, описанных выше).

В некоторых конкретных вариантах осуществления сцинтилляционного вещества, например, по формуле (III), материал матрицы может содержать состав по формуле

или

где Ln - это, по меньшей мере, один лантанид, а каждое х - это независимо 0<=х<=1.

Как упоминалось выше, сцинтилляционный состав также включает в себя активатор. (Активатор иногда упоминается как "легирующая примесь"). Предпочтительный активатор выбирается из группы, состоящей из церия, празеодимия и смесей церия и празеодимия. В отношении эффективности свечения и времени послесвечения церий зачастую является наиболее предпочтительным активатором. Он обычно используется в своей трехвалентной форме, Се⁺³. Активатор может предоставляться в различных формах, к примеру галогенидов, таких как хлорид церия или бромид церия.

Надлежащий уровень активатора зависит от различных факторов, таких как конкретный галоген и другие элементы, присутствующие в кристаллической решетке. Другие факторы включают в себя требуемые свойства излучения и время послесвечения, а также тип устройства обнаружения, в которое помещается сцинтиллятор. Обычно активатор используется на уровне в диапазоне от примерно 0,1 молекулярного процента до примерно 20 молекулярных процентов, в зависимости от общего числа молей активатора и материала матрицы. Во многих предпочтительных вариантах осуществления количество активатора находится в диапазоне от примерно 1 молекулярного процента до примерно 10 молекулярных процентов.

Сцинтилляционные составы настоящего изобретения обычно описываются в отношении компонента материала матрицы и компонента активатора. Тем не менее, следует понимать, что когда компоненты объединены, они могут рассматриваться как один смешанный состав, который при этом сохраняет атрибуты активатора и компонента. Таким образом, например, иллюстративный состав, в котором щелочноземельным металлом является барий, лантанидом является иттрий, галогеном является хлор, а активатором является церий, может быть выражен посредством одной химической формулы, такой как

Ba₂(Y_0,98Ce_0,02)Cl₇.

Сцинтилляционный состав, описанный в данном документе, может быть подготовлен и использован в различных формах. Очень часто состав имеет монокристаллическую форму (т.е. "форму одного кристалла"). Кристаллы монокристаллического сцинтиллятора имеют большую прозрачность. Они особенно полезны для детекторов излучения высокой энергии, к примеру, используемых для гамма-лучей. Состав сцинтиллятора может быть использован также в других формах в зависимости от планируемого конечного применения. Например, он может быть в порошковой форме. Следует также понимать, что состав сцинтиллятора может содержать небольшое количество примесей, как описано в ранее упомянутых публикациях WO 01/60944 А2 и WO 01/60945 А2 (содержащихся в данном документе по ссылке). Эти примеси обычно возникают при использовании сырья и типично составляют менее примерно 0,1% по весу от состава сцинтиллятора. Зачастую они составляют менее примерно 0,01% по весу от состава. Состав также может включать в себя паразитные примеси, процент которых в объеме обычно составляет менее примерно 1%. Более того, незначительные количества других веществ могут быть целенаправленно включены в сцинтилляционные составы.

Различные методики могут быть использованы для приготовления сцинтилляционных составов. (Следует понимать, что составы также могут содержать множество продуктов реакции этих методик). Обычно сначала приготовляется подходящий порошок, содержащий требуемые вещества в корректных пропорциях, после чего выполняются такие операции, как кальцинирование, штамповка, спекание и/или горячее изостатическое прессование. Порошок может быть приготовлен посредством смешения различных форм реагентов (к примеру, солей, галогенидов или различных смесей этих форм). В некоторых случаях отдельные компоненты используются в комбинированной форме. (Они, например, могут предлагаться на рынке в этой форме). В качестве иллюстрации, различные галогениды щелочных металлов и щелочноземельных металлов могут быть использованы. Неограничивающие примеры включают в себя такие составы, как йодид бария, хлорид цезия, бромид кальция, бромид цезия, йодид цезия, йодид таллия, бромид свинца, хлорид стронция и т.д.

Реагенты могут смешиваться посредством любой надлежащей методики, которая обеспечивает полное однородное смешивание. Например, смешивание может осуществляться в агатовой ступке агатовым пестиком. Альтернативно, может быть использован смеситель или устройство измельчения в порошок, такой как шаровая мельница, среднеходная валковая мельница, молотковая мельница или струйная мельница. Традиционные меры предосторожности обычно должны приниматься во внимание, чтобы не допустить попадания воздуха или влаги при смешивании. Смесь также может содержать различные примеси, такие как пластификаторы и связующие вещества. В зависимости от сочетаемости и/или растворимости, различные жидкости иногда могут быть использованы в качестве носителя при измельчении. Подходящая среда измельчения должна быть использована, к примеру, вещество, которое не загрязняет сцинтиллятор, поскольку это загрязнение может снижать его светоизлучающую способность.

После смешивания смесь затем может быть обожжена при температуре и в течение времени, достаточных для того, чтобы преобразовать смесь в твердый раствор. Эти условия частично зависят от конкретного типа используемого материала матрицы и активатора. Смесь обычно содержится в запечатанном сосуде (к примеру, в трубке или тигеле, изготовленном из кварца или серебра, в ходе обжигания, так чтобы ни один из компонентов не терялся в атмосфере). Обычно обжигание выполняется в печи при температуре в диапазоне от примерно 500°С до примерно 1500°С. Время обжига типично варьируется от примерно 15 минут до примерно 10 часов. Обжиг обычно выполняется в атмосфере, свободной от кислорода и влаги, к примеру в вакууме, или в атмосфере инертного газа, такого как азот, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. После того как обжиг завершен, результирующее вещество может быть измельчено, чтобы превратить сцинтиллятор в порошковую форму. После этого могут быть использованы традиционные методики для того, чтобы обрабатывать порошок в элементах детектора излучений.

В случае монокристаллических веществ методики подготовки также хорошо известны в данной области техники. Неограничивающая примерная ссылка - это "Luminescent Materials" авторов G.Blasse и др., Springer-Verlag (1994). Обычно соответствующие реагенты расплавляются при температуре, достаточной для того, чтобы формировать соответствующий расплавленный состав. Температура расплавления зависит от идентичности самих реагентов, но обычно находится в диапазоне от примерно 650°С до примерно 1100°С.

Множество методик может быть использовано для того, чтобы подготовить монокристалл из вещества сцинтиллятора из расплавленного состава. Они описаны во многих ссылках, таких как патент США 6437336 (Pauwels и др.); "Crystal Growth Processes" авторов J.C.Brice, Blackie & Son Ltd (1986); и "Encyclopedia Americana", том 8, Grolier Incorporated (1981), стр.286-293. Эти описания содержатся в данном документе по ссылке. Неограничивающие примеры методик выращивания кристаллов - это метод Бриджмена-Стокбаргера; метод Чохральского, метод зонной плавки (или метод "плавающей зоны") и метод температурного градиента. Специалисты в данной области техники знакомы с требуемыми деталями, касающимися этих процессов.

Патент США 6585913 (Lyons и др., содержащийся в данном документе по ссылке) предоставляет определенную полезную информацию для одного способа создания сцинтиллятора в монокристаллической форме. В этом способе затравочный кристалл требуемого состава (описанного выше) вводится в насыщенный раствор. Раствор содержится в подходящем тигеле и содержит соответствующие продукты предшествующей стадии реакции для вещества сцинтиллятора. Новому кристаллическому веществу дается возможность расти и присоединяться к монокристаллу с помощью одной из вышеупомянутых методик роста. Размер кристалла частично зависит от его требуемого конечного применения, к примеру типа детектора излучений, в котором он будет содержаться.

Дополнительные варианты осуществления направлены на способы обнаружения излучения высокой энергии с помощью сцинтилляционного детектора. Детектор включает в себя один или более кристаллов, образованных из описанного в данном документе сцинтилляционного состава. Сцинтилляционные детекторы широко известны в данной области техники, и их подробное описание в данном документе не требуется. Несколько ссылок (из множества), которые описывают такие устройства, - это патенты США 6585913 и 6437336, упомянутые выше, и патент США 6624420 (Chai и др.), который также содержится в данном документе по ссылке. В общем, кристаллы сцинтиллятора в этих устройствах принимают излучение от исследуемого источника и формируют фотоны, которые являются характеристикой излучения. Фотоны обнаруживаются с помощью фотодетектора определенного типа ("детектора фотонов"). (Фотодетектор соединяется с кристаллом сцинтиллятора посредством традиционных систем электронного и механического крепления).

Фотодетектором может быть множество устройств, как хорошо известно в данной области техники. Неограничивающие примеры включают в себя фотоэлектронные умножители, фотодиоды, датчики на основе прибора с зарядовой связью и усилители изображения. Выбор конкретного фотодетектора частично зависит от типа изготовляемого детектора излучения и его планируемого применения.

Сами детекторы излучения, которые включают в себя сцинтиллятор и фотодетектор, могут быть подсоединены к множеству инструментов и устройств, как упоминалось выше. Неограничивающие примеры включают в себя инструменты каротажа скважин и устройства ядерной медицины (к примеру, PET). Детекторы излучения также могут быть подсоединены к оборудованию цифровой обработки изображений, к примеру к пикселированным устройствам с плоской панелью. Более того, сцинтиллятор может выступать в качестве компонента экранного сцинтиллятора. Например, порошковое вещество сцинтиллятора может быть сформировано в относительно плоскую пластинку, которая крепится к пленке, к примеру фотографической пленке. Излучение высокой энергии, к примеру рентгеновские лучи, исходящие из определенного источника, должны соприкасаться со сцинтиллятором и преобразовываться в световые фотоны, которые проявляются на пленке. Помимо этого, детекторы излучения также могут быть использованы для защитных устройств. Например, они могут быть использованы для того, чтобы обнаруживать наличие радиоактивных веществ в грузовых контейнерах.

Несколько конкретных конечных вариантов применения могут быть описаны здесь более подробно, хотя многие из важных деталей известны специалистам в данной области техники. Устройства каротажа скважин упоминались ранее и представляют важный вариант применения для этих детекторов излучений. Технология соединения детектора излучений с трубой каротажа скважин хорошо известна. Общие идеи описаны в патенте США 5869836 (Linden и др.), который содержится в данном документе по ссылке. Пакет кристалла, содержащий сцинтиллятор, обычно включает в себя оптическое окно с одного конца корпуса. Окно позволяет индуцированному излучением сцинтилляционному свету выходить из пакета кристалла для измерения посредством светочувствительного устройства (к примеру, фотоэлектронного умножителя), который соединен с пакетом. Светочувствительное устройство преобразует световые фотоны, испускаемые из кристалла, в электрические импульсы, которые формируются и оцифровываются посредством ассоциативно связанной электронной аппаратуры. Посредством этого общего процесса гамма-лучи могут быть обнаружены, что, в свою очередь, предоставляет анализ напластования горных пород, окружающих отверстия скважин. Тем не менее, следует подчеркнуть, что возможны многие другие варианты устройств каротажа скважин.

Оборудование для рентгенографии, такое как вышеупомянутые РЕТ-устройства, представляет еще один важный вариант применения этих детекторов излучения. Технология соединения детектора излучений (содержащего сцинтиллятор) с РЕТ-устройством также хорошо известна в данной области техники. Общие идеи описаны во многих ссылках, таких как патент США 6624422 (Williams и другие), содержащийся в данном документе по ссылке. Вкратце, радиофармацевтические препараты обычно вводятся пациенту и концентрируются в пределах исследуемого органа. Радионуклиды из состава распадаются и испускают позитроны. Когда позитроны сталкиваются с электронами, они аннигилируют и преобразуются в фотоны, или гамма-лучи. РЕТ-сканер может находить эти "аннигиляции" в трех измерениях и тем самым восстанавливать форму исследуемого органа для изучения. Модули детектора в сканере обычно включают в себя ряд "блоков детекторов" вместе с ассоциативно связанной схемой. Каждый блок детекторов может содержать массив кристаллов сцинтиллятора в заданной компоновке, наряду с фотоэлектронными умножителями. Как и в случае устройств каротажа скважин, возможны многие варианты РЕТ-устройств.

Световой выход сцинтиллятора важен для каротажа скважин и РЕТ-технологий. Настоящее изобретение позволяет предоставлять вещества сцинтиллятора, которые обладают требуемым световым выводом для ресурсоемких вариантов применения технологий. Более того, возможно, чтобы кристаллы могли одновременно иметь некоторые другие важные свойства, указанные выше, к примеру малое время послесвечения, высокую "энергию останова" и приемлемое энергетическое разрешение. Помимо этого, вещества сцинтиллятора могут быть изготовлены с малыми затратами. Они также могут быть использованы во многих других устройствах, которые требуют обнаружения излучения.

Примеры

Нижеследующие примеры являются иллюстративными и не должны рассматриваться в качестве ограничения на область применения заявленного изобретения.

Пример 1

Готовили два образца состава активируемого церием сцинтиллятора, в которых часть материала матрицы состава имела формулу Ba₂YCl₇. Номинальный состав для образца А - это Ba₂Y_0,98Ce_0,02Cl₇. Номинальный состав для образца В - это Ba₂Y_0,95Ce₀,₀₅Cl₇. Чтобы подготовить образец А, 1,3594 г BaCl₂, 0,6246 г YCl₃ и 0,0161 г CeCl₃ взвешивали в перчаточной камере. Для образца В использовали следующие количества: 1,3560 г BaCl₂, 0,6039 г YCl₃ и 0,0401 г СеСl₃. Для каждого образца вещества тщательно перемешивали и затем запаковывали в серебряную трубку. Обжигание выполняли примерно при 700°С в течение 5 часов в инертной атмосфере.

Спектр излучения для этих образцов определен при возбуждении рентгеновскими лучами с помощью оптического спектрометра. Фиг.1 и 2 показывают график длины волны (нм) как функции от интенсивности (произвольные единицы измерения). Длина волны пикового возбуждения для образца А составила примерно 350 нм, тогда как длина волны пикового возбуждения для образца В составила примерно 355 нм. Также было подтверждено, что эти сцинтилляционные составы могут возбуждаться посредством гамма-лучей до уровня излучения, который является характерным для иона церия. Эти характеристики являются четкой индикацией того, что описанные в данном документе составы должны быть очень полезны для множества устройств, используемых для того, чтобы обнаруживать гамма-лучи.

Пример 2

Готовили три образца из состава активируемого церием сцинтиллятора, в которых часть материала матрицы состава имела формулу NaBaLaBr₆. Номинальный состав для образца С - это NaBaLa_o,95Ce_0,02Br₆. Номинальный состав для образца D - это NaBaLa_0,80Ce_0,20Br₆. Номинальный состав для образца Е - это NaBaLa_0,90Ce_0,10Br₆.

Чтобы подготовить образец С, 0,2643 г NaBr, 0,7632 г BaBr₂, 0,9239 г LaBr₃ и 0,0488 г CeBr₃ взвешивали в перчаточной камере. Для образца D использовали следующие количества: 0,2642 г NaBr, 0,7630 г BaBr₂, 0,7778 г LaBr₃ и 0,1951 г CeBr₃. Для образца Е использовали следующие количества: 0,2643 г NaBr, 0,7632 г BaBr₂, 0,8752 г LaBr₃ и 0,0976 г CeBr₃. В каждом случае вещества тщательно перемешивали и затем запаковывали в серебряную трубку. Обжигание выполнялось примерно при 700°С в течение 5 часов в инертной атмосфере.

Спектр излучения для этих образцов определен при возбуждении рентгеновскими лучами с помощью оптического спектрометра. Фиг.3, 4 и 5 показывают график длины волны (нм) как функции от интенсивности (произвольные единицы измерения). Длина волны пикового возбуждения для образца С составила примерно 395 нм. Длина волны пикового возбуждения для образца D составила примерно 390 нм, тогда как длина волны пикового возбуждения для образца Е составила примерно 395 нм. Как и в примере 1, здесь было показано, что сцинтилляционный состав может возбуждаться посредством гамма-лучей до уровня излучения, который является характерным для иона церия. Также обнаружено, что все образцы эффективно выполняют излучение, когда возбуждены посредством рентгеновских лучей или ультрафиолетового излучения.

Как и в примере 1, здесь было показано, что сцинтилляционный состав может возбуждаться посредством гамма-лучей до уровня излучения, который является характерным для иона церия. Также обнаружено, что все образцы эффективно выполняют излучение, когда возбуждены посредством рентгеновских лучей или ультрафиолетового излучения. Эти характеристики являются четкой индикацией того, что описанные в данном документе составы должны быть очень полезны для множества устройств, используемых для того, чтобы обнаруживать гамма-лучи.

Хотя настоящее изобретение показано и описано со ссылкой на некоторые конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что другие модификации этого изобретения могут выполняться без отступления от сущности изобретения, Следовательно, модификации, предполагаемые специалистами в данной области техники, должны рассматриваться как находящиеся в рамках области применения данного изобретения. Помимо этого, все патенты, патентные публикации и другие ссылки, упомянутые выше, содержатся в данном документе по ссылке.

Изобретение относится к люминесцирующим веществам, к примеру веществам, используемым для того, чтобы обнаруживать ионизирующее излучение, Технический результат - повышение эффективности сцинтиллятора. Сцинтилляторы включают в себя вещество с кристаллической решеткой, которое включает в себя, по меньшей мере, один галогенид лантанида, наряду с, по меньшей мере, одним щелочноземельным металлом или свинцом, а также активатор для вещества с кристаллической решеткой, такой как свинец. Детекторы излучения используют сцинтилляторы, наряду с соответствующими способами обнаружения излучения высокой энергии с помощью сцинтилляционного детектора. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сцинтилляционный состав, содержащий следующие компоненты и все продукты их реакции:
(a) материал матрицы, содержащий
(i) по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца;
(ii) по меньшей мере, один галогенид лантанида, причем материал матрицы содержит соединение формулы βLnX₅ или β₂LnX₇, где β - это, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца; Ln - это, по меньшей мере, один лантанид; а X выбирается из группы, состоящей из брома, хлора, йода и их комбинаций; и
(b) активатор для материала матрицы, содержащий церий, празеодим или смесь церия и празеодима,

2. Сцинтилляционный состав по п.1, в котором компонент a(i) содержит, по меньшей мере, два щелочноземельных металла.

3. Сцинтилляционный состав по п.1, в котором компонент а(i) содержит свинец и, по меньшей мере, один щелочноземельный металл.

4. Сцинтилляционный состав по п.1, в котором активатор присутствует на уровне в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 20 мол.%, в зависимости от общего числа молей активатора и материала матрицы.

5. Сцинтилляционный состав по п.1, дополнительно содержащий висмут.

6. Сцинтилляционный состав по п.1, в котором материал матрицы дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы щелочных металлов и таллия.

7. Сцинтилляционный состав по п.6, дополнительно содержащий висмут.

8. Детектор излучения для обнаружения излучения высокой энергии, содержащий:
(A) кристаллический сцинтиллятор, который содержит следующий состав и все его продукты реакции:
(a) материал матрицы, содержащий;
(i) по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца;
(ii) по меньшей мере, один галогенид лантанида, причем материал матрицы содержит соединение формулы βLnХ₅ или β₂LnX₇, где β - это, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца; Ln - это, по меньшей мере, один лантанид; а X выбирается из группы, состоящей из брома, хлора, йода и их комбинаций;
(b) активатор для материала матрицы, содержащий церий, празеодим или смесь церия и празеодима; и
(B) фотодетектор, оптически соединенный со сцинтилдятором для обеспечения возможности формирования электрического сигнала в ответ на излучение световых импульсов, формируемых сцинтиллятором.

9. Детектор излучения по п.8, в котором фотодетектором является, по меньшей мере, одно устройство, выбранное из группы, состоящей из фотоэлектронного умножителя, фотодиода, датчика на основе прибора с зарядовой связью и усилителя изображения.

10. Детектор излучения по п.8, соединенный в рабочем состоянии с инструментом каротажа скважин.

11. Детектор излучения по п.8, соединенный в рабочем состоянии с устройством ядерной медицины.

12. Детектор излучения по п.11, в котором устройство ядерной медицины содержит устройство нозитронной эмиссионной томографии (PET).

13. Детектор излучения но п.8, соединенный в рабочем состоянии с устройством для обнаружения наличия радиоактивных веществ в грузовых контейнерах.

14. Способ обнаружения излучения высокой энергии с помощью сцинтилляционного детектора, содержащий этапы, на которых:
(A) принимают излучение посредством кристалла сцинтиллятора, с тем чтобы формировать фотоны, которые являются характеристикой излучения; и
(B) обнаруживают фотоны с помощью детектора фотонов, соединенного с кристаллом сцинтиллятора;
- в котором кристалл сцинтиллятора сформирован из состава, содержащего следующие элементы и все продукты их реакции:
(a) материал матрицы, содержащий:
(i) по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца;
(ii) по меньшей мере, один галогенид лантанида, причем материал матрицы содержит соединение формулы βLnX₅ или β₂LnX₇, где β - это, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из щелочноземельных металлов и свинца; Ln - это, по меньшей мере, один лантанид; а X выбирается из группы, состоящей из брома, хлора, йода и их комбинации; и
(b) активатор для материала матрицы, содержащий церий, празеодим или смесь церия и празеодима.