CdOS МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2014 года по МПК C09K11/84 G03C5/17 G21K4/00 

Область изобретения

Изобретение направлено на флуоресцентный содержащий гадолиний порошок, в особенности для использования в системах компьютерной томографии и/или рентгеноскопии.

Изобретение далее относится также к способу изготовления флуоресцентного керамического материала с использованием одноосного горячего прессования.

Изобретение далее относится также к детектору для обнаружения ионизирующей радиации.

Изобретение далее относится также к использованию указанного детектора для обнаружения ионизирующей радиации.

Предпосылки создания изобретения

Флуоресцентные элементы для обнаружения излучения высокой энергии содержат фосфор, который может поглощать энергию и превращать ее в видимый свет. Генерированное таким образом люминесцентное излучение улавливают электронной системой и оценивают с помощью светочувствительных систем, таких как фотодиоды или фотоумножители. Такие флуоресцентные элементы могут быть изготовлены из одноосных кристаллических материалов, например из легированных щелочных галогенидов. Неодноосные кристаллические материалы могут быть применены в виде порошкового фосфора или в форме изготовленных из них керамических элементов.

Типичным флуоресцентным керамическим материалом, применяемым для обнаружения излучения высокой энергии, является легированный Pr Gd₂O₂S. Другим материалом является легированный Eu (Y,Gd)₂O₃.

Хотя материалы, используемые на современном уровне техники, обладают своими достоинствами, еще имеется постоянная потребность в дополнительных альтернативных материалах, которые используются как флуоресцентные материалы в системах компьютерной томографии и/или рентгеноскопии.

Сущность изобретения

Первой задачей настоящего изобретения является предложить сцинтиллирующий материал для использования в системах компьютерной томографии и/или рентгеноскопии.

Эту цель достигают флуоресцентным материалом согласно п.1 формулы настоящего изобретения. Соответственно, предложен флуоресцентный материал Gd₂O₂S:Nd.

Эту цель, кроме того, достигают путем использования Nd в качестве эмиттера в одном или нескольких из следующих материалов: Gd₂O₂S, (Y, Gd)₂O₃, Lu₃Al₅O₁₂, Y₃Al₅O₁₂, Lu₃Ga₅O₁₂.

Термин "эмиттер" в смысле настоящего изобретения главным образом означает и/или включает, что Nd способен испускать свет в интервале длин волн от 400 до 1200 нм при падении на поверхность рентгеновского излучения.

Авторы изобретения обнаружили, что, неожиданно, введение Nd в Gd₂O₂S и/или в (Y, Gd)₂O₃, Lu₃Al₅O₁₂, Y₃Al₅O₁₂, Lu₃Ga₅O₁₂ материалы приводит к флуоресцентному материалу с хорошими характеристиками излучения. Особым преимуществом является то, что в большинстве применений настоящего изобретения отсутствует или почти отсутствует какое-либо "послесвечение".

Следует отметить, что материалы по настоящему изобретению могут быть загрязнены другими редкоземельными ионами. Типичными примерами являются Pr, Dy, Sm, Ce, Eu, Yb. Концентрации этих ионов должны предпочтительно удерживаться очень низкими, предпочтительно меньше 0,5 мольных ч./млн.

Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения флуоресцентный материал Gd₂O₂S:Nd и/или исходный материал материала, в котором Nd используют в качестве эмиттера, предоставляется в виде керамического материала.

Термин "керамический материал" в смысле настоящего изобретения означает и/или включает главным образом кристаллический или поликристаллический спрессованный материал или композитный материал, который имеет контролируемое количество пор или который не содержит пор.

Термин "поликристаллический" в смысле настоящего изобретения означает и/или включает главным образом материал с объемной плотностью больше, чем 90% от основного компонента, состоящий из более чем на 80 процентов из монокристаллических доменов, причем каждый домен больше 0,5 мкм в диаметре и может иметь разную кристаллографическую ориентацию. Монокристаллические домены могут быть сцеплены аморфным или стекловидным веществом или дополнительными кристаллическими компонентами.

Ввод ионов Nd может быть осуществлен с использованием водных растворов соответствующих солей NdCl₃, NdBr₃, NdI₃, Nd(NO₃)₃, Nd₂(SO₄)₃ и т.д. Альтернативно ввод ионов легирующей примеси может быть осуществлен во время приготовления механической смеси содержащих гадолиний порошков, таких как Gd₂O₂S, с нерастворимыми композициями, включающими легирующую примесь, подобную оксидам, например Nd₂O₃.

Сверх того, альтернативно содержащие гадолиний порошки, такие как Gd₂O₂S, могут быть механически смешаны с нерастворимыми в воде солями Nd, подобными NdF₃, Nd₂S, Nd₂O₂S, Nd₂(CO₃)₃, Nd₂(C₂O₄)₃ и т.п.

Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения порошок легирующего пигмента Gd₂O₂S имеет поверхность по БЭТ в интервале ≥0,01 м²/г и ≤1 м²/г, предпочтительно в интервале ≥0,05 м²/г и ≤0,5 м²/г и более предпочтительно в интервале ≥0,1 м²/г и ≤0,2 м²/г.

Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения концентрация Nd³⁺ в основном материале находится между ≥10 и ≤2000 ч./млн масс., предпочтительно между ≥100 и ≤1000 ч./млн масс. и наиболее предпочтительно от ≥500 до ≤1000 ч./млн масс. На практике показано, что эти границы являются подходящими для настоящего изобретения.

Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения флуоресцентный керамический материал Gd₂O₂S:Nd согласно настоящему изобретению показывает относительный выход света >120% и предпочтительно больше, чем 230% от светоотдачи CdWO₄.

Светоотдачу и послесвечение измеряли фотодиодом Hamamatsu и National Instrument ADC. Послесвечение измеряли при 120 кВ/100 мА, используя 80 см FDD (18-20 мГр/с) и импульс 2 с. Величины сигналов (светоотдачу) измеряли на 4×4 мм² пикселях, приклеенных силиконовым клеем к фотодиоду. Послесвечение измеряли после отключения импульса рентгеновских лучей.

Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения флуоресцентный материал Gd₂O₂S:Nd является прозрачным. Следует отметить, что флуоресцентный материал Gd₂O₂S:Nd может быть окрашен в желтый цвет в случае, когда присутствует Ce.

Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения пропускание флуоресцентного материала Gd₂O₂S:Nd на длине волны спонтанной эмиссии в спектральной области 880-1200 нм составляет от 10% до 70%, предпочтительно от 20% до 60%, более предпочтительно составляет ≥40% и наиболее предпочтительно ≥50% по отношению к слою толщиной 1,6 мм. Измерения суммарного пропускания проводили, используя спектрометр Perkin-Elmer.

Следующей задачей настоящего изобретения являлся порошок содержащего гадолиний пигмента, который используется при изготовлении флуоресцентного материала Gd₂O₂S:Nd согласно настоящему изобретению.

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что флуоресцентный материал Gd₂O₂S:Nd с пониженным послесвечением может быть получен, если используется порошок содержащего гадолиний пигмента, который содержит Nb, как описано выше.

Предпочтительно порошок содержащего гадолиний пигмента может быть выбран из группы, включающей Gd₂O₃, Gd₂O₂S и Gd₂O₂S:Nb.

Следующей задачей настоящего изобретения является способ изготовления флуоресцентного керамического материала согласно одному осуществлению настоящего изобретения с использованием горячего прессования, где указанный способ включает следующие стадии:

а) выбор порошка пигмента Gd₂O₂S:Nd, который описан выше, где размер зерна указанного порошка, используемого для горячего прессования, лежит в интервале от 1 мкм до 20 мкм, и указанное горячее прессование проводят при

- температуре от 1000°С до 1400°С, и/или

- давлении от 100 мПа до 300 мПа;

b) отжиг на воздухе при температуре от 700°С до 1200°С в течение периода времени от 0,5 часа до 30 часов;

и, необязательно, между стадиями а) и b) проводится стадия с), включающая отжиг флуоресцентного материала под вакуумом при температуре от 1000°С до 1400°С в течение периода времени от 0,5 часа до 30 часов.

Было найдено, что относительно грубозернистые порошки, которые являются стабильными на воздухе, могут быть успешно спрессованы, чтобы образовать флуоресцентный кристалл с улучшенными характеристиками.

Таким образом, согласно настоящему изобретению может быть предпочтительно, чтобы процесс прессования проходил при

- температуре от 1000°С до 1400°С, предпочтительно от 1100°С до 1300°С, более предпочтительно от 1150°С до 1250°С, и/или

- давлении от 100 мПа до 300 мПа, предпочтительно от 180 мПа до 280 мПа, и более предпочтительно от 200 мПа до 250 мПа. Предпочтительно вакуум во время стадии одноосного прессования согласно настоящему изобретению составляет ≤100 Па и ≥0,01 Па.

Согласно настоящему изобретению вакуум может устанавливаться так, чтобы быть в интервале от ≥0,01 Па до ≤50 Па, предпочтительно в интервале от ≥0,01 Па до ≤10 Па, и наиболее предпочтительно вакуум устанавливают так, чтобы он был в интервале от ≥0,01 Па до ≤1 Па.

Флуоресцентный керамический материал после стадии горячего прессования под вакуумом может быть дополнительно подвергнут отжигу на воздухе при температуре от 700°С до 1200°С, предпочтительно от 800°С до 1100°С, более предпочтительно от 900°С до 1000°С, при периоде времени для обработки отжигом на воздухе, лежащем в интервале от 0,5 часа до 30 часов, предпочтительно от 1 часа до 20 часов, более предпочтительно от 2 часов до 10 часов и наиболее предпочтительно от 2 часов до 4 часов.

При осуществлении предпочтительно, чтобы порошок пигмента Gd₂O₂S, используемый согласно настоящему изобретению, имел средний размер зерна в интервале от 1 мкм до 20 мкм, более предпочтительно от 2 мкм до 10 мкм и наиболее предпочтительно от 4 мкм до 6 мкм.

Согласно настоящему изобретению выгодно ввести стадию вакуумного отжига для еще большего улучшения оптических свойств получаемого керамического материала. Во время этой стадии происходит дальнейший рост зерна в керамических материалах, который дополнительно улучшает прозрачность вследствие уменьшения пористости. В дополнение вследствие роста зерна дополнительная диффузия атомов легирующей примеси в кристаллической решетке делает возможным дополнительное улучшение сцинтилляционных свойств керамических материалов.

Поэтому согласно одному осуществлению способа согласно настоящему изобретению между стадией а) и стадией b) может быть осуществлена дополнительная стадия с), где стадия с) включает отжиг флуоресцентного керамического материала под вакуумом при температуре от 1000°С до 1400°С в течение периода времени от 0,5 часа до 30 часов.

Предпочтительно температуру отжига выбирают в интервале от 1100°С до 1300°С, более предпочтительно от 1200°С до 1250°С.

Период времени вакуумного отжига может быть предпочтительно задан в интервале от 1 часа до 20 часов, более предпочтительно от 2 часов до 10 часов и наиболее предпочтительно от 3 часов до 5 часов.

Настоящее изобретение относится далее к детектору, предназначенному для обнаружения ионизирующего излучения, где указанный детектор включает флуоресцентный материал, как он описан в настоящем изобретении, и где детектор является предпочтительно детектором рентгеновских лучей, детектором компьютерной томографии или детектором электронной портальной томографии.

Флуоресцентный материал и/или детектор согласно настоящему изобретению может быть использован, например, в

сцинтилляторе или флуоресцентном элементе для обнаружения ионизирующего излучения, предпочтительно рентгеновских лучей, гамма-лучей и электронных пучков, и/или

аппарате или приборе, используемом в области медицины, предпочтительно для компьютерной томографии.

Наиболее предпочтительно по меньшей мере один флуоресцентный материал согласно настоящему изобретению может быть использован для детектора или аппарата, предназначенного для медицинской интроскопии.

Однако флуоресцентный материал может быть использован для любого детектора, известного в области медицины. Такими детекторами являются, например, детекторы рентгеновских лучей, детекторы компьютерной томографии, детекторы электронной портальной томографии и т.п.

Вышеупомянутые компоненты, а также как и заявленные в формуле изобретения компоненты и компоненты, которые должны быть использованы в соответствии с изобретением в описанных осуществлениях, не являются предметом особых исключений в отношении их размера, формы, выбора материала и технических принципов, так что критерии выбора, известные в данной области техники, могут быть применены без ограничений.

Краткое описание чертежей

Дополнительные детали, характеристики и преимущества предмета изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения, чертежах и следующем описании соответствующих чертежей и примеров, которые иллюстративным образом показывают предпочтительные осуществления согласно изобретению.

Фиг. 1 показывает два спектра двух разных примеров согласно настоящему изобретению.

Пример I

В примере использовали порошок пигмента Gd₂O₂S:Nd с концентрацией Nd 0,1 % масс. 3 кг указанного порошка пигмента смешивали с 0,0055 г LiF как добавки для спекания и/или плавления.

Сначала температуру поднимали приблизительно на 20 К/мин до тех пор, пока не достигали 800°С, после чего проводили стадию выдержки в течение 25 мин. Во время части стадии выдержки давление поднимали на 2,5 мПа/мин до тех пор, пока не достигали давления приблизительно 50 мПа.

После этого температуру вновь поднимали на 10 К/мин до 1050°С с последующим одновременным подъемом температуры на 2 К/мин и давления на 1 мПа/мин до достижения максимального давления 150 мПа и максимальной температуры 1250°С.

После этого момента проводили горячее прессование в течение 240 мин.

После того, как прессование заканчивалось, вначале давление понижали на 5 мПа/мин, а затем температуру на 3 К/мин до достижения давления и температуры окружающей среды.

Пример II

Второй керамический материал Gd₂O₂S:Nd с концентрацией Nd 2 % масс. готовили таким же образом, как в примере I.

Фиг.1 показывает спектры излучения материала примера 1 (сплошная линия) и примера II (пунктирная линия), где рентгеновское излучение на 230 нм было использовано в качестве падающего света. Можно вполне хорошо видеть, что Nd в качестве активатора удовлетворяет критериям успешного использования в системах рентгеноскопии и компьютерной томографии.

Конкретные комбинации элементов и характерных признаков в детализированных выше осуществлениях являются только иллюстративными; перестановка и замещение этих рекомендаций другими рекомендациями в данном патенте и в введенных сюда ссылкой патентах/заявках также является ясно предполагаемой. Как должны осознавать специалисты, могут иметь место вариации, модификации и другие реализации специалистами того, что описано здесь, без отклонения от духа и объема изобретения, заявленного в формуле изобретения. Соответственно, предшествующее описание приведено только в качестве примера и не должно интерпретироваться в ограничительном смысле. Объем изобретения определен в нижеследующей формуле изобретения и ее эквивалентах. Кроме того, знаки ссылок, использованные в описании и формуле изобретения, не ограничивают объем изобретения, заявленный в формуле изобретения.

Группа изобретений относится к химической промышленности и может быть использована в системах визуализации и компьютерной томографии. Детектор, предназначенный для обнаружения ионизирующего излучения, включает флуоресцентный керамический материал, выбранный из (Y,Gd)₂O₃, Lu₃Al₅O₁₂, Y₃Аl₅O₁₂ или Lu₃Ga₅O₁₂, в котором концентрация Nd³⁺ находится между более или равно 10 ч./млн масс. и менее или равно 2000 ч./млн масс. Технический результат - обеспечение хороших характеристик излучения и короткого послесвечения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Детектор, предназначенный для обнаружения ионизирующего излучения, где указанный детектор включает флуоресцентный материал, выбранный из (Y,Gd)₂O₃, Lu₃Al₅O₁₂, Y₃Аl₅O₁₂ или Lu₃Ga₅O₁₂, при котором концентрация Nd³⁺ находится между ≥10 и ≤2000 ч./млн масс.

2. Детектор по п.1, в котором флуоресцентный материал представляет собой керамический материал.

3. Детектор по п.1, где детектор является детектором рентгеновских лучей, детектором компьютерной томографии или детектором электронной портальной визуализации.

4. Применение детектора по любому из пп.1-3 в приборах, приспособленных для медицинской интроскопии.