ПРОЗРАЧНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР СО СТРУКТУРОЙ ГРАНАТА ДЛЯ ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2021 года по МПК C09K11/78 C09K11/80 C04B35/01 C04B35/50 C04B35/626 G01T1/20 

[001] Правительство США обладает правами на это изобретение согласно контракту № DE-AC52-07NA27344 между Министерством Энергетики США и Лоуренс Ливермор Натионал Секьюрити, ЭлЭлСи на эксплуатацию Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса.

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[002] Настоящее изобретение относится к сцинтилляторам и, более конкретно, к прозрачным керамическим сцинтилляционным детекторам со структурой граната, которые могут быть чрезвычайно полезными для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[003] Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) является мощным и чувствительным инструментом для практических применений в области рентгенографии. Трассер на основе позитронно-активного радионуклида обычно вводят путем инъекции в тело пациента, и распределение указанного трассера в теле пациента может быть количественно оценено при помощи данных изображения ПЭТ. Например, когда излучаемый позитрон встречается с электроном внутри тела человека, позитрон и электрон аннигилируют и продуцируют два гамма-кванта с энергией 511 КэВ, движущихся в противоположных направлениях. Эти противоположно движущиеся гамма-кванты электронно измеряют на предмет совпадения при помощи противоположных пар детекторов излучения. Измерение временного разрешения по существу предусматривает использование алгоритма, который «чертит линию», проходящую между противоположными детекторами излучения и пересекающую пациента. Затем информация временного разрешения может быть использована для (в идеальном варианте) идентификации точки в пространстве на этой линии, соответствующей положению, в котором произошла позитрон-электронная аннигиляция, в теле пациента. Однако на практике эта определенная по времени область является не точкой в пространстве, а скорее сегментом линии, длина которого определяется при помощи временных характеристик детектора излучения и связанной с ним электроники.

[004] Сцинтилляционные детекторы излучения обычно используются в устройствах ПЭТ. В частности, сцинтиллирующие монокристаллы LSO(Ce) (легированный церием ортосиликат лютеция) и LYSO(Ce) (легированный церием оксиортосиликат лютеция-иттрия) демонстрируют быстрое время нарастания и затухания и, следовательно, обеспечивают наилучшую производительность на сегодняшний день для практических применений в области ПЭТ. Однако LSO(Ce) и LYSO(Ce) являются дорогостоящими из-за присущей им высокой точки плавления, требуя дорогостоящих иридиевых тиглей и большого количества электроэнергии, а также включения в кристалл дорогостоящего лютеция в качестве основного компонента.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[005] В соответствии с одним вариантом осуществления способ предусматривает формирование порошка, характеризующегося композицией с формулой: A_hB_iC_jO₁₂, где h представляет собой 3 ± 10%, i представляет собой 2 ± 10%, и j представляет собой 3 ± 10%, причем A включает в себя один или более редкоземельных элементов, B включает в себя алюминий и/или галлий и C включает в себя алюминий и/или галлий. Способ дополнительно предусматривает объединение порошка для формирования оптически прозрачной керамики, и применение по меньшей мере одного условия термодинамического процесса во время объединения, чтобы уменьшить связанные с кислородом и/или термодинамически обратимые дефекты в керамике.

[006] В соответствии с другим вариантам осуществления система обнаружения излучения включает в себя по меньшей мере один оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, имеющий формулу (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где a составляет от около 0,05 до около 2, b составляет от около 1 до около 3, x составляет от около 2,8 до около 3,2, y составляет от около 4,8 до около 5,2, c составляет от около 0,003 до около 0,3, и D представляет собой легирующую добавку, причем оптически прозрачному керамическому сцинтиллятору присущи физические характеристики материала, сформированного из керамического порошка, объединенного в окислительных атмосферах.

[007] В соответствии с еще одним вариантом осуществления сцинтиллятор включает в себя (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где a составляет от около 0,05 до около 2, b составляет от около 1 до около 3, x составляет от около 2,8 до около 3,2, y составляет от около 4,8 до около 5,2, c составляет от около 0,003 до около 0,3, и D представляет собой легирующую добавку, причем сцинтиллятор представляет собой оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, которому присущи физические характеристики материала, сформированного из керамического порошка, объединенного в окислительных атмосферах.

[008] Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного раскрытия, которое при рассмотрении в сочетании с прилагаемыми фигурами иллюстрирует в качестве примера принципы настоящего изобретения.

Краткое описание фигур

[009] Для более полного понимания сущности и преимуществ настоящего изобретения, а также предпочтительного режима его применения, следует ознакомиться с нижеследующим подробным раскрытием, выполненным со ссылкой на прилагаемые фигуры.

[0010] На фиг. 1 представлена упрощенная схема спектрометрической системы в соответствии с одним вариантом осуществления.

[0011] На фиг. 2 представлена структурная схема способа формирования оптически прозрачного, керамического сцинтиллятора в соответствии с одним вариантом осуществления.

[0012] На фиг. 3 представлена диаграмма иллюстративных стадий обработки для формирования оптически прозрачного, керамического сцинтиллятора, а также значения плотности сцинтиллятора на различных этапах изготовления в соответствии с одним вариантом осуществления. Отметим, что на фиг. 3 ГИП обозначает «горячее изостатическое прессование».

[0013] На фиг. 4 представлен график кривых затухания, полученных с использованием возбуждения гамма-излучением Cs-137, для различных оптически прозрачных, керамических сцинтилляторов, при этом на фигуре обозначены стадии спекания/отжига (вак. = вакуум).

[0014] На фиг. 5 представлен график спектров оптического поглощения Ce⁴⁺ для различных оптически прозрачных, керамических сцинтилляторов.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[0015] Нижеследующее описание выполнено в целях иллюстрации общих принципов настоящего изобретения и не предназначено для ограничения заявляемых в настоящем изобретении концепций. Кроме того, конкретные признаки, описанные в настоящем документе, могут быть использованы в сочетании с другими описанными признаками в каждой из многочисленных возможных комбинаций и перестановок.

[0016] Если иное конкретно не определено в настоящем документе, все термины должны рассматриваться в их наиболее широкой интерпретации, включая значения, указанные в настоящем описании, а также значения, понимаемые специалистами в данной области техники и/или определенные в словарях, статьях и т.п.

[0017] Кроме того, следует отметить, что в контексте описания и прилагаемой формулы изобретения формы единственного числа включают в себя формы множественного числа, если не указано иное.

[0018] Также в контексте настоящего документа термин «около» при сочетании с числовым значением означает плюс/минус 10% от исходного значения. Например, под длиной около 10 мм подразумевается длина 10 мм ± 1 мм, под разрешением 4% подразумевается разрешение 4 ± 0,4% и т.п.

[0019] Дополнительно, в контексте настоящего документа под материалом, который является «оптически прозрачным», следует понимать материал, который по существу свободен (например, на более чем 95% свободен, предпочтительно на более чем 99,9% свободен) от включенных вторичных фаз, в результате чего материал является гомогенным (например, содержит одну фазу). Более того, оптически прозрачные материалы представляют собой материалы, через которые свет проходит равномерно и которые способны пропускать по меньшей мере 90% падающего света через объем сцинтилляционной части.

[0020] Приведенное в настоящем документе описание служит для того, чтобы позволить любому специалисту в данной области техники изготовить и применить настоящее изобретение, при этом оно приведено в контексте конкретных практических применений настоящего изобретения и их требований. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники после ознакомления с настоящим изобретением, включая сочетание признаков из различных вариантов осуществления для создания дополнительных и/или альтернативных вариантов осуществления.

[0021] Более того, определенные в настоящем документе общие признаки могут быть применены к другим вариантам осуществления и практическим применениям без отступления от сути и объема настоящего изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не должно ограничиваться показанными вариантами осуществления, при этом оно должны рассматриваться в самом широком объеме, согласующемся с изложенными в настоящем документе принципами и признаками.

[0022] Как рассмотрено выше, в известных на сегодняшний день устройствах для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) применяются сцинтиллирующие монокристаллы LSO(Ce) (легированный церием ортосиликат лютеция) и LYSO(Ce) (легированный церием оксиортосиликат лютеция-иттрия) из-за присущего им быстрого времени нарастания и затухания. Однако LSO(Ce) и LYSO(Ce) являются дорогостоящими из-за присущих им высоких значений точки плавления (более 2000 °C), необходимости их выращивания из раствора, а также включения лютеция в качестве основного компонента.

[0023] Более того, имеются различные недостатки, связанные с применением и изготовлением сцинтиллирующих монокристаллов оксидов, гранатов и силикатов. Например, такие сцинтиллирующие монокристаллы могут включать в себя связанные с кислородом дефекты, которые имеют тенденцию захватывать, а затем высвобождать носители заряда (электроны или дыры), генерируемые в процессе сцинтилляция, задерживая тем самым рост и затухание сцинтилляционного импульса. Современные технологии выращивания из расплавов, используемые для получения монокристаллов оксидов, гранатов и силикатов, не устраняют присутствие этих связанных с кислородом дефектов. Например, в выращивании из расплава монокристаллов оксидов, гранатов и силикатов, как правило, используют иридиевые тигли, из которых кристаллы вытягивают из расплава с использованием метода Чохральского. Однако из-за проблем, связанных с совместимостью материалов, высокая концентрация кислорода в атмосфере для выращивания (что может увеличивать диффузию ионов кислорода в монокристаллы) не может поддерживаться этим способом, так как металлический иридий тигля будет разрушаться, что приводит к выходу тигля из строя. Дополнительно, диффузия ионов кислорода в монокристаллы затруднена из-за отсутствия межзеренных границ, так как вся кристаллическая буля представляет собой непрерывный монокристалл. Кроме того, такие монокристаллы обычно демонстрируют неравномерные профили распределения легирующих примесей, поскольку легирующие добавки/активаторы, которые люминесцируют, имеют тенденцию к аксиальной и радиальной сегрегации в процессе выращивания с использованием метода Чохральсокого.

[0024] Таким образом, варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, относятся к прозрачным керамическим сцинтилляторам. Прозрачные керамические сцинтилляторы представляют собой класс оптически прозрачных, поликристаллических материалов, которые могут быть сформированы из оксидных кристаллических материалов, обладающих структурой кристалла с кубической решеткой, так что изотропный показатель преломления не преломляет или не отражает свет на межзеренных границах, при этом может быть обеспечена превосходная прозрачность. Согласно предпочтительным подходам прозрачная керамика, раскрытая в настоящем документе, по существу не имеет остаточной пористости для обеспечения высокого значения прозрачности. Поскольку прозрачная керамика представляет собой полностью поликристаллические монолиты, которые являются оптически чистыми, она может заменить монокристаллы в сканерах ПЭТ и других гамма-детекторах согласно различным походам, предоставляя преимущества высокой механической прочности и более равномерного легирования активаторами, которые люминесцируют. Согласно конкретным подходам варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, могут включать в себя керамический сцинтиллятор со структурой граната, имеющий следующую формулу: (Gd,Y)₃(Ga,Al)₅O₁₂(Ce), где отношение Gd:Y составляет более 1 (например, около 3:1), отношение Ga:Al составляет около 1:1 (например, 2.2:2.8), и уровень легирования Ce заменяет до около 5% общего объединенного количества Gd и Y.

[0025] Дополнительно, варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, могут относиться к новым способам обработки термодинамически обратимых дефектов в оптически прозрачных, керамических сцинтилляторах. К термодинамически обратимым дефектам могут относиться несовершенства кристаллической решетки, на которые можно воздействовать (например, уменьшить или увеличить в концентрации, чередовать или изменять и т.п.) путем применения различных условий термодинамического процесса, включая, кроме прочего, температуру, окружающую атмосферу, давление и т.п. Благодаря обработке термодинамически обратимых дефектов в керамических сцинтилляторах новые способы, раскрытые в настоящем документе, могут уменьшать присущее им затухание излучения и, следовательно, улучшать временное разрешение керамических сцинтилляторов для устройств ПЭТ, например, путем сокращения времени нарастания излучения.

[0026] Согласно конкретным подходам в новых способах, раскрытых в настоящем документе, могут использовать окислительные атмосферы во время изготовления оптически прозрачных керамических сцинтилляторов для обработки связанных с кислородом дефектов или других термодинамически обратимых дефектов, присутствующих в них. Например, согласно некоторым подходам окислительная атмосфера может быть использована во время объединения керамических наночастиц и/или микрочастиц в заготовку с более высокой плотностью и меньшей пористостью. Согласно другим подходам новые способы могут дополнительно реализовывать стадию последующего отжига в окислительной атмосфере после объединения.

[0027] Применение прозрачных керамических сцинтилляторов в вариантах осуществления, раскрытых в настоящем документе, вместо сцинтиллирующих монокристаллов является предпочтительным для достижения низких концентраций связанных с кислородом дефектов, так как включение дополнительных видов оксидов (обычно посредством содержащих O₂ атмосфер) может быть в значительной степени активизировано на стадиях обработки керамики (например, вышеупомянутых стадиях спекания и/или отжига). Особенно это может иметь место, когда керамический сцинтиллирующий материал по-прежнему содержит частицы на наноуровне или микроуровне из-за присущей им большой площади поверхности. Однако следует отметить, что окисление также может быть обеспечено в объединенной в одно целое керамике за счет способности оксид-ионов перемещаться вдоль микроструктурированных межзеренных границ, которые существуют в оптических элементах (например, после устранения пористости, когда сцинтиллятор имеет максимальную плотность).

[0028] Далее следует несколько примеров общих и конкретных вариантов осуществления прозрачных керамических сцинтилляционных детекторов со структурой граната и/или связанных с ними систем и способов.

[0029] Например, согласно одному общему варианту осуществления способ предусматривает формирование порошка, имеющего композицию с формулой: A_hB_iC_jO₁₂, где h представляет собой 3 ± 10%, i представляет собой 2 ± 10% и j представляет собой 3 ± 10%, причем A включает в себя один или более редкоземельных элементов, B включает в себя алюминий и/или галлий и C включает в себя алюминий и/или галлий. Способ дополнительно предусматривает объединение порошка для формирования оптически прозрачной керамики, и применение по меньшей мере одного условия термодинамического процесса во время объединения, чтобы уменьшить связанные с кислородом и/или термодинамически обратимые дефекты в керамике.

[0030] Согласно другому общему варианту осуществления система обнаружения излучения включает в себя по меньшей мере один оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, имеющий формулу (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где a составляет от около 0,05 до около 2, b составляет от около 1 до около 3, x составляет от около 2,8 до около 3,2, y составляет от около 4,8 до около 5,2, c составляет от около 0,003 до около 0,3, и D представляет собой легирующую добавку, причем оптически прозрачному керамическому сцинтиллятору присущи физические характеристики материала, сформированного из керамического порошка, объединенного в окислительных атмосферах.

[0031] Согласно еще одному варианту осуществления сцинтиллятор включает в себя (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где a составляет от около 0,05 до около 2, b составляет от около 1 до около 3, x составляет от около 2,8 до около 3,2, y составляет от около 4,8 до около 5,2, c составляет от около 0,003 до около 0,3, и D представляет собой легирующую добавку, причем сцинтиллятор представляет собой оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, которому присущи физические характеристики материала, сформированного из керамического порошка, объединенного в окислительных атмосферах.

[0032] Система обнаружения излучения на основе сцинтиллятора

[0033] Рассмотрим теперь фиг. 1, на которой показан упрошенное схематическое изображение системы 100 обнаружения излучения на основе сцинтилляции в соответствии с одним вариантом осуществления. В качестве опции система 100 обнаружения излучения может быть реализована в сочетании с признаками любого другого варианта осуществления, представленного в настоящем документе, такими как признаки, описанные со ссылкой на другие фигуры. Разумеется, система 100 обнаружения излучения и другие описанные в настоящем документе системы могут быть использованы в различных практических применениях и/или в перестановках, которые могут быть конкретно описаны в иллюстративных вариантах осуществления, представленных в настоящем документе. Например, согласно различным подходам система 100 обнаружения излучения может включать в себя больше или меньше компонентов по сравнению с тем, что показано на фиг. 1.

[0034] Как показано на фиг. 1, система 100 обнаружения излучения содержит сцинтиллирующий материал 102, который относится к описанному в настоящем документе типу и который в настоящем документе взаимозаменяемо называют сцинтиллятор. Система 100 обнаружения излучения также включает в себя фотодетектор 104, такой как фотоэлектронный умножитель, кремниевый фотоумножитель, фотодиод или другое устройство/преобразователь, известный из уровня техники, который может обнаружить и зарегистрировать величину света, излучаемого сцинтиллятором 102. Система 100 обнаружения излучения предпочтительно сконфигурирована для регистрации рентгеновских лучей и гамма-квантов, а также способна частично или полностью определять фотонную энергию указанных форм излучения.

[0035] Сцинтиллятор 102 генерирует оптические импульсы при возникновении события, например поступлении гамма-кванта, рентгеновского излучения или другого излучения, вызывающего ионизацию в сцинтилляторе 102. Например, когда гамма-кванта пересекает сцинтиллятор 102, импульс видимых фотонов высвобождается сцинтиллятором 102. Оптические импульсы обнаруживаются фотодетектором 104 и преобразуются в электрические сигналы, которые соответствуют величине импульсов. Затем тип излучения может быть определен путем анализа гистограммы интегральных оптических импульсов и, следовательно, идентификации значения энергии гамма-квантов, поглощенной сцинтиллятором.

[0036] Согласно некоторым вариантам осуществления детектор 100 излучения может представлять собой предварительный усилитель, мультиканальный анализатор и/или цифровой преобразователь (не показаны на фиг. 1) или дополнительно содержит его и/или их, или может быть подключаем/подключен к нему и/или им.

[0037] Согласно другим вариантам осуществления детектор 100 излучения может включать в себя устройство 106 обработки, сконфигурированное для обработки импульсных кривых, выдаваемых фотодетектором 104, которые соответствуют оптическим импульсам из сцинтиллятора 102. Согласно некоторым подходам устройство 106 обработки может быть дополнительно сконфигурировано, чтобы генерировать данные рентгеновского изображения на основании импульсных кривых, выдаваемых фотодетектором 104.

[0038] Согласно дополнительным подходам детектор 100 излучения может включать в себя устройство обработки, которое получает данные от фотодетектора, который не постоянно связан с устройством обработки. Иллюстративные устройства обработки включают в себя микропроцессоры, программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ), интегральные схемы специального назначения (ИССН), компьютеры и т.п.

[0039] Результат обработки может быть выдан и/или сохранен. Например, результат может быть отображен на устройстве 108 отображения в любой форме, например в виде гистограммы, которая показывает отношение количества полученных одиночных импульсов счета ко всему световому излучению от сцинтиллятора или его производному.

[0040] Согласно некоторым подходам система 100 обнаружения излучения может представлять собой систему позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Согласно таким подходам система ПЭТ может включать в себя множество противостоящих сцинтилляционных вокселей, где каждый воксел может иметь размеры в диапазоне около (1 – 40) x (1 – 40) x (10-50) мм³.

[0041] Согласно другим подходам система 100 обнаружения излучения может представлять собой рентгеновское электронно-оптическое устройство, такое как устройство компьютерной томографии (КТ). Согласно еще одним подходам система 100 обнаружения излучения может представлять собой устройство ПЭТ/КТ. Согласно дополнительным подходам система 100 обнаружения излучения может быть выбрана из группы, состоящей из: системы компьютерной томографии (КТ); системы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ); системы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭМТ); и их сочетания.

[0042] Вычислительная среда, в которой может быть выполнен один вариант осуществления настоящего изобретения, в качестве иллюстрации включает в себя один или более компьютеров общего назначения или специализированных устройств, таких как карманные компьютеры. Компоненты таких устройств (например, процессор, память, накопитель данных, устройства ввода и вывода) являются хорошо известными и будут опущены для ясности.

[0043] Однако следует понимать, что методики в соответствии с настоящим изобретением могут быть реализованы с использованием технологий. Например, описанные в настоящем документе способы могут быть реализованы в программном обеспечении, запущенном на компьютерной системе, или реализованы в аппаратном обеспечении, использующем один или более процессоров и логических схем (аппаратных и/или программных) для осуществления операций способа, интегральных схем специального назначения, программируемых логических устройств, таких как программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ), и/или их различные сочетания. В частности, описанные в настоящем документе способы могут быть реализованы при помощи группы выполняемых компьютером команд, находящихся на носителе, таком как физический (например, энергонезависимый) машиночитаемый носитель. Кроме того, хотя конкретные варианты осуществления настоящего изобретения могут использовать концепции программирования объектно-ориентированного программного обеспечения, настоящее изобретение не ограничивается этим и легко адаптируется для использования других форм управления работой компьютера.

[0044] Части настоящего изобретения также могут быть выполнены в форме компьютерного программного продукта, содержащего физический машиночитаемый носитель, содержащий компьютерный код. К машиночитаемым носителям может относиться любой физический носитель, способный хранить компьютерный код для использования компьютером, включая оптические носители, такие как доступные только для чтения и перезаписываемые CD и DVD, магнитную память или магнитный носитель (например, накопитель на жестких дисках), полупроводниковую память (например, флэш память и другие портативные карты памяти и т.п.) и аналогичные устройства.

[0045] Сцинтиллирующие материалы

[0046] Согласно другим подходам сцинтиллятор (например, сцинтиллятор 102 на фиг. 1) может представлять собой керамику, содержащую оптически прозрачные, поликристаллические материалы. Согласно предпочтительным подходам сцинтиллятор может включать в себя керамическую композицию граната.

[0047] Согласно конкретным подходам сцинтиллятор может характеризоваться керамической композицией граната, содержащей катионы с додекаэдрической (A), октаэдрической (B) и тетраэдрической (C) координацией в формуле A₃B₂C₃O₁₂, где стехиометрические количества A, B и C могут составлять около 3, 2 и 3, соответственно. Согласно некоторым подходам композиция граната может быть в высокой степени фазоустойчивой за счет использования взаимозамещающих ионов, где один или более ионов металлов A, B или C могут быть способны замещаться в другом из этих трех положений. Например, в патенте США № 8,461,535, который ссылкой полностью включен в настоящий документ, раскрывается применение ионов скандия, иттрия и/или галлия в качестве фазового стабилизатора в редкоземельных алюмогранатах.

[0048] Как отмечено выше, композиция граната сцинтиллятора может быть выражена формулой A₃B₂C₃O₁₂, где A представляет собой додекаэдрическую позицию, B представляет собой октаэдрическую позицию и C представляет собой тетраэдрическую позицию. Согласно некоторым подходам композиция граната может включать в себя композицию редкоземельного алюмограната, где A включает в себя редкоземельный элемент или смесь редкоземельных элементов (например, иттрий (Y), гадолиний (Ga), лютеций (Lu), лантан (La), тербий (Tb), празеодимий (Pr), неодим (Nd), церий (Ce), самарий (Sm), европий (Eu), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), иттербий (Yb) и/или их сочетания), при этом B и C представляю собой алюминий. Согласно большому количеству подходов композиция граната может включать в себя композицию редкоземельного галиевого граната, где A включает в себя редкоземельный элемент или смесь редкоземельных элементов, причем B и C представляют собой галлий и алюминий.

[0049] Не все редкоземельные элементы образуют структуру кристалла граната с кубической решеткой с алюминием и галлием даже при правильном стехиометрическом соотношении. Это связано с тем, что отношение ионных радиусов додекаэдрической к октаэдрической к тетраэдрической координации ограничено оптимальным диапазоном для структуры кристалла граната с кубической решеткой. Примером композиции граната с плохой фазовой устойчивостью является Gd₃Al₅O₁₂, которая обычно образует смесь гранатовых и перовскитных фаз и является нежелательной для формирования прозрачных элементов. Однако гранаты на основе Gd представляют собой конкретный интерес для сцинтилляции, так как они предоставляют высокий эффективный атомный номер для взаимодействия с гамма-квантами, а также, как было установлено, обладают высокими значениями светового выхода.

[0050] Для того чтобы преодолеть проблемы фазовой устойчивости в случае гранатов на основе Gd, предпочтительная композиция для сцинтиллятора может содержать гадолиний и иттрий главным образом в положении A, причем иттрий служит в качестве взаимозамещающего иона в положениях A и B, а галлий и алюминий служит в качестве взаимозамещающих ионов в положениях B и C, при этом композицию именуют GYGAG. Включение взаимозамещающих ионов ослабляет требования к стехиометрическому составу исходных материалов, так что прозрачная керамика может быть изготовлена из более широкого диапазона композиций без нежелательного включения вторичных фаз (например, перовскитных структур).

[0051] Согласно дополнительным подходам композиция граната (например, GYGAG и другие раскрытые в настоящем документе композиции) сцинтиллятора может включать в себя одну или несколько легирующих добавок «D» (также именуемые в настоящем документе ионами-активаторами), которые также могут быть главным образом расположены в положении A. Эти легирующие добавки D могут быть сконфигурированы для захвата энергии, сообщаемой сцинтиллятору, и излучения света в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области. Как правило, излучение, генерируемое активатором, характерно для электронной структуры указанного активатора. Согласно различным подходам один или более ионов-активаторов могут быть, в частности, сконфигурированы для модификации выходного сцинтилляционного света по сравнению со светом чистого сцинтиллятора (т.е. сцинтиллятора без каких-либо ионов-активаторов, но в остальном идентичного, за исключением возможного снижения количества его ионов «A» для сохранения стехиометрического состава) посредством одного или более из следующего: изменение длины волны излучения или времени затухания, увеличение или уменьшение количества излучаемого света, и улучшение спектрального разрешения сцинтиллятора в качестве гамма-детектора или рентгеновского детектора. К подходящим ионам-активаторам могут относиться, кроме прочего, Tl⁺, Cu⁺, Ag⁺, Au⁺, Pb²⁺, Bi³⁺, In⁺, Sn²⁺, Sb³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Eu²⁺, Yb²⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺, W⁶⁺, Sr²⁺ и их сочетания. Дополнительно, определенные ионы могут быть использованы для усиления сцинтилляционных характеристик композиций граната. Эти ионы могут быть добавлены наряду с перечисленными выше активаторами с сохранением оригинального стехиометрического состава композиций. Этими ионами являются, кроме прочего: B, Ba, Sr, Ca, Mg или любые их сочетания.

[0052] Согласно подходам, где композиция граната (например, GYGAG и другие раскрытые в настоящем документе композиции) сцинтиллятора содержит легирующую добавку Ce³⁺, небольшая концентрация Ce⁴⁺ (например, от около 0% до около 50% концентрации легирующей добавки Ce³⁺) также может быть включена в состав композиции граната. Когда в сцинтилляторе генерируются возбужденные носители заряда (электроны или дырки) в результате воздействия ионизирующего излучения, электроны и дырки могут быть захвачены связанными с кислородом и/или другими термодинамически обратимыми дефектами (в случае их наличия), а также захвачены непосредственно Ce³⁺ или Ce⁴⁺. Когда пара электрон-дырка захватывается Ce³⁺, активатор переходит в возбужденное состояние, что приводит в результате к сцинтилляционному излучению. Без ограничения какой-либо теорией считается, что небольшая концентрация Ce⁴⁺ может устранить послесвечение в сцинтилляторе, позволяя электронам, которые захвачены дефектами (такими как связанные с окислением дефекты), рекомбинировать без излучения (т.е. без генерирования света), а не последовательно высвобождаться из других ловушек для постепенного перехода к легирующим добавкам/активаторам Ce³⁺ в сроки, которые могут увеличить как время нарастания, так и время затухания излучения легирующей добавки/активатора. Согласно одному подходу включение Ce⁴⁺ в дополнение к легирующей добавке Ce³⁺ может быть обеспечено путем добавления небольшой концентрации одной или более двухвалентных/гетеровалентных легирующих добавок, таких как Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и т.п., к композиции граната сцинтиллятора, что приводит к формированию соразмерной концентрации Ce⁴⁺ для сохранения зарядового равновесия в композиции. Согласно альтернативному подходу формирование легированной Ce³⁺ композиции граната может включать в себя стадию отжига, на которой композицию нагревают в воздухе или содержащей кислород атмосфере для получения небольшой концентрации Ce⁴⁺ в композиции. Эта стадия отжига также может снизить присутствие связанных с кислородом и/или других термодинамически обратимых дефектов, присутствующих в композиции граната, что более подробно рассмотрено ниже.

[0053] Согласно предпочтительному подходу композиция граната сцинтиллятора может иметь формулу (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где a составляет от около 0,05 до около 2; b составляет от около 1 до около 3; x составляет от около 2,8 до около 3,2; y составляет от около 4,8 до около 5,2; c составляет от около 0,003 до около 0,3. Отношение Gd:Y может составлять предпочтительно больше единицы, причем согласно некоторым подходам это отношение более предпочтительно составляет около 3:1. Согласно большому количеству подходов отношение Ga:Al может предпочтительно составлять около 1:1, например 2,5:2,5. Согласно дополнительным подходам легирующая добавка D может предпочтительно заменять от около 0,1 до около 10% общего объединенного количества Gd и Y. Согласно еще одним подходам легирующая добавка D может представлять собой Ce³⁺ или сочетание Ce³⁺ и Ce⁴⁺. Согласно подходам, где легирующая добавка D включает в себя Ce³⁺, уровень/степень прозрачности сцинтиллятора может контролироваться на основании содержащегося в нем количества Ce³⁺. Аналогично, согласно подходам, где легирующая добавка D включает в себя сочетание Ce³⁺ и Ce⁴⁺, уровень/степень прозрачности сцинтиллятора может контролироваться на основании содержащегося в нем количества по меньшей мере одного из Ce³⁺ и Ce⁴⁺.

[0054] Согласно одному чрезвычайно предпочтительному подходу композиция граната может представлять собой композицию Gd_1,49Y_1,49Ce_0,02Ga_2,20 Al_2,80O₁₂, которая, как было обнаружено, является особенно фазоустойчивой и обеспечивает получение сцинтиллятора с высокой светоотдачей. Отношение (Gd,Y) к (Ga, Al) может варьировать в ограниченном диапазоне с сохранением при этом устойчивости.

[0055] Согласно дополнительным подходам сцинтиллятор, например, имеющий любую из композиций граната, раскрытых в настоящем документе, может быть спечен из порошков без плавления и выращен в качестве оптически прозрачного поликристаллического монолита/тела, причем длина по меньшей мере одного размера сцинтиллятора находится в диапазоне от около 1 мм до около 12 дюймов.

[0056] Согласно некоторым подходам сцинтиллятор, например, имеющий любою из композиций граната, раскрытых в настоящем документе, может служить для обнаружения излучения в устройстве ПЭТ. Согласно другим подходам указанный сцинтиллятор может служить для обнаружения излучения в устройстве компьютерной томографии (КТ) или другом рентгеновском электронно-оптическом устройстве. Согласно еще одним подходам указанный сцинтиллятор может представлять собой детектор излучения в устройствах ПЭТ/КТ и/или ОФЭМТ.

[0057] Согласно различным подходам сцинтиллятор, например, имеющий любую из композиций граната, раскрытых в настоящем документе, может демонстрировать время нарастания, время затухания и/или временное разрешение совпадений, около равные или превосходящие сцинтиллирующие монокристаллы LSO(Ce) (легированный церием ортосиликат лютеция) и LYSO(Ce) (легированный церием оксиортосиликат лютеция-иттрия).

[0058] Согласно предпочтительным подходам сцинтиллятор, например, имеющий любую из композиций граната, раскрытых в настоящем документе, может демонстрировать компоненту времени нарастания, составляющую менее или равную около 10 нс, предпочтительно составляющую менее или около равную около 4 нс, и более предпочтительно составляющую менее или равную около 1 нс. Согласно дополнительным предпочтительным подходам сцинтиллятор, например, имеющий любую из композиций граната, раскрытых в настоящем документе, может характеризоваться временным разрешением совпадений около 400 пс или менее, и более предпочтительно около 250 или менее.

[0059] Иллюстративные способы изготовления сцинтиллирующего материала

[0060] На фиг. 2 представлен неограничивающий, иллюстративный способ 200 изготовления оптического прозрачного, керамического сцинтиллятора в соответствии с одним вариантом осуществления. Способ 200, а также другие способы, представленные в настоящем документе, могут быть выполнены в любой необходимой среде. Более того, в соответствии с различными вариантами осуществления большее или меньшее количество операций, по сравнению с количеством операций, показанных на фиг. 2, может быть включено в состав способ 200. Следует также отметить, что любой из вышеупомянутых признаков сцинтилляторов, описанных в настоящем документе, может быть использован в любом из описанных вариантов осуществления в соответствии с различными способами.

[0061] Как показано на фиг. 2, способ 200 предусматривает вначале формирование порошка, содержащего множество наночастиц и/или микрочастиц. См. операцию 202. Согласно различным подходам частицы могут быть сформированы при помощи пламенно-аэрозольного пиролиза одного или более жидких материалов-предшественников, синтез в процессе горения, осаждения из одного или более жидких растворов путем изменения pH указанного(ых) раствора(ов), процесса синтеза на основе золегелевой технологии или другой подходящей методики, которая будет очевидна специалисту в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия. Согласно некоторым подходам порошок может характеризоваться средним размером частиц в диапазоне от около 5 нм до около 1000 нм. Согласно большему количеству подходов частицы могут быть подвержены по меньшей мере одной стадии обработки, такой как размалывание, чтобы получить частицы с размером частиц около 500 микрон или менее. Согласно еще большему количеству подходов порошок может включать в себя частицы, которые обладают по существу одинаковой формой и размером и которые могут обладать сферической или по существу сферической формой. Согласно предпочтительным подходам порошок может проявлять низкую тенденцию к агломерации для сохранения мелкодисперсного однородного порошка.

[0062] Согласно различным подходам порошок может характеризоваться формулой кристалла граната A₃B₂C₃O₁₂, где A представляет собой додекаэдрическую позицию, B представляет собой октаэдрическую позицию, и C представляет собой тетраэдрическую позицию. Согласно конкретным подходам A может включать в себя гадолиний и иттрий, причем B и C каждый может включать в себя галлий и алюминий.

[0063] Согласно дополнительным подходам порошок может включать в себя легирующую добавку, сконфигурированную для функционирования в качестве иона-активатора, где легирующая добавка может быть выбрана из группы, состоящей из: Tl⁺, Cu⁺, Ag⁺, Au⁺, Pb²⁺, Bi³⁺, In⁺, Sn²⁺, Sb³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Eu²⁺, Yb²⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺, W⁶⁺ и их комбинаций. Согласно некоторым подходам общее количество легирующих добавок в нанопорошке может составлять около 10 ат. масс.% или менее.

[0064] Согласно многочисленным подходам порошковая композиция может характеризоваться формулой (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂Ce_c, где a составляет от около 0,05 до около 2; b составляет от около 1 до около 3; x составляет от около 2,8 до около 3,2; y составляет от около 4,8 до около 5,2; c составляет от около 0,003 до около 0,3. Отношение Gd:Y может предпочтительно составлять больше единицы, причем согласно некоторым подходам это отношение более предпочтительно составляет около 3:1. Согласно большому количеству подходов отношение Ga:Al может предпочтительно составлять около 1:1, например 2,5:2,5. Согласно дополнительным подходам легирующая добавка Ce (которая может включать в себя Ce³⁺ или включать в себя сочетание Ce³⁺ и Ce⁴⁺) может предпочтительно составлять от около 0,01 до около 10% общего объединенного количества Gd и Y.

[0065] Согласно подходам, в которых порошок включает в себя церий в качестве легирующей добавки, способ 200 может предусматривать необязательные стадии для контроля состояния валентности церия. Как рассмотрено ранее, церий может существовать в качестве Ce³⁺ и Ce⁴⁺, при этом относительное количество этих видов может приводить к значительным различиям в работе механизма сцинтилляции. Например, электроны и дырки могут быть захвачены дефектами (такими как связанные с окислением дефекты и/или другие термодинамически обратимые дефекты) в сцинтилляторе, а затем высвобождены для перехода к легирующим добавкам/активаторам Ce³⁺ в сроки, которые могут увеличить время нарастания и затухания излучения легирующей добавки/активатора. Согласно некоторым подходам этот замедленный сцинтилляционный выход (послесвечение) может быть ослаблен и/или устранен путем формирования небольшой концентрации Ce⁴⁺ в легированной Ce³⁺ керамике. Таким образом, согласно одному необязательному подходу способ 200 может предусматривать добавление небольшой концентрации одной или более двухвалентных/ гетеровалентных легирующих добавок, таких как Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и т.п., к легированной Ce³⁺ композиции граната сцинтиллятора, что приводит к формированию соразмерной концентрации Ce⁴⁺ для сохранения зарядового равновесия в композиции. Альтернативный, необязательный процесс формирования Ce⁴⁺ может предусматривать стадию отжига, которая включает в себя нагрев в воздухе или содержащей кислород атмосфере, как рассмотрено ниже.

[0066] Как показано на фиг. 2, способ 200 предусматривает прессование порошка в «заготовку». См. операцию 204. Для того чтобы сформировать заготовку в соответствии с некоторыми подходами, порошок может быть диспергирован в диспергирующем средстве (например, полиэтиленгликоле (ПЭГ)), которое может включать в себя необязательное связующее. Диспергирование может быть осуществлено при помощи перемешивания с высоким сдвигом, ультразвуковой обработки и других подобных процессов, которые будут очевидны специалисту в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия. Параметры, такие как температура, pH и т.п., суспензии могут контролироваться в соответствии с известными из уровня техники способами.

[0067] Согласно дополнительным подходам суспензия может быть высушена распылением для обеспечения преимущественно равномерного распределения агломератов для последующего прессования и/или спекания, как более подробно будет рассмотрено ниже. Согласно одному иллюстративному подходу сушка распылением может включать в себя распыление суспензии в инертной атмосфере при температуре около 200 ºC. Согласно дополнительным подходам наночастицы или микрочастицы порошка могут быть покрыты одним или более органическими соединениями для обеспечения равномерного распределения агломератов. Согласно еще одним дополнительным подходам суспензия может быть пропущена через фильтр или сито, например, предпочтительно фильтр или сито, характеризующееся диаметром пор, составляющим менее или равным около 50 мкм. Фильтрация суспензии может быть особенно эффективной для ограничения размера агломератов частиц до требуемого размера.

[0068] Согласно различным подходам может быть предпочтительно спрессовать суспензию с получением предварительно сформированной конфигурации перед спеканием, например, путем теплого прессования в углеродной матрице. Прессование суспензии под воздействием нагревания перед спеканием может быть чрезвычайно предпочтительным в подходах, где частицы покрываются органическими соединениями при формировании композиции суспензии, как описано выше, так как нагревание суспензии во время прессования позволяет органическим соединениям свободно перемещаться и испаряться из суспензии. Согласно некоторым подходам теплое прессование может быть осуществлено путем воздействия на высушенные распылением порошки давлениями около 50 - 400 МПа для формирования заготовки.

[0069] Согласно дополнительным подходам тепловое воздействием может оказываться во время и/или после прессования, например, путем выдерживания матрицы с суспензией в окружающей среде, содержащей разреженную атмосферу, при температурах около 900 - 1100 ºC или более.

[0070] Согласно большому количеству подходов процессы предварительного спекания могут включать в себя кальцинирующий обжиг суспензии и/или заготовки при температурах в диапазоне от около 500 ºC до около 1500 ºC, например, для полного удаления из нее органических соединений.

[0071] Согласно некоторым подходам получаемая в результате заготовка, сформированная после стадий прессования и кальцинирующего обжига, может иметь плотность около 60%.

[0072] Как дополнительно показано на фиг. 2, способ 200 может предусматривать спекание заготовки до приблизительной плотности (например, плотности около 90% или более). См. операцию 206. Согласно некоторым подходам заготовку спекают в регулируемой атмосфере. Более конкретно, заготовка может быть спечена в по существу чистом кислороде или кислороде, объединенном с одним или более благородными газами. Согласно различным подходам процесс спекания может происходить в регулируемой атмосфере при температуре по меньшей мере около 1200 ºC или более конкретно при температуре около 1600 ºC.

[0073] В ходе операции 208 спеченное тело может быть впоследствии нагрето под давлением более около 500 атмосфер и более конкретно около 2000 атмосфер (что эквивалентно около 30000 фунтов на квадратный дюйм или около 200 МПа). На этой стадии, известной в качестве горячего изостатического прессования (ГИП), происходит принудительное закрытие остающихся пор, так что сцинтиллирующая керамика становится по существу прозрачной.

[0074] В качестве конечно стадии обработки прозрачную керамику могут подвергнуть отжигу в воздухе или содержащей кислород атмосфере при температурах в диапазоне от около 1000 ºC до около 1900 ºC. См. операцию 210. Согласно предпочтительным подходам отжиг прозрачной керамики может быть осуществлен при температуре около 1700 ºC.

[0075] Следует отметить, что спекание и/или отжиг керамического материала в воздухе и/или другой содержащей кислород атмосфере могут уменьшить связанные с кислородом дефекты и/или другие термодинамически обратимые дефекты в керамике до наименьших достижимых концентраций и, следовательно, могут представлять собой желательный процесс для получения кристаллического совершенства. Следует также отметить, что спекание и/или отжиг керамического материала в воздухе или другой содержащей кислород атмосфере также могут помочь предотвратить испарение галлия. Дополнительно, согласно подходам, в которых прозрачная керамика включает в себя Ce³⁺, отжиг полностью объединенной, оптически прозрачной керамики в окислительной атмосфере может генерировать Ce⁴⁺.

[0076] Хотя это не показано на фиг. 2, объединенная в одно целое, оптически прозрачная керамика может быть оптически отполирована.

[0077] На фиг. 3 представлена диаграмма, показывающая иллюстративные стадии обработки (такие как стадии, описанные выше на фиг. 2) для формирования оптически прозрачного, керамического сцинтиллятора со структурой граната, а также плотность сцинтиллятора на различных этапах изготовления.

[0078] Результаты экспериментов и сравнительные примеры

[0079] Ниже приведены несколько иллюстративных результатов экспериментов и сравнительных примеров, связанных с керамическими сцинтилляторами со структурой граната, описанными в настоящем документе, а также со способами их изготовления. Важно отметить, что эти результаты экспериментов и сравнительные примеры не являются ограничивающими и представлены лишь в качестве иллюстрации.

[0080] Шесть образцов керамических сцинтилляторов GYGAG(Ce) (образцы A-F) были изготовлены с использованием одной партии нанопорошка GYGAG(Ce). Шесть образцов керамических сцинтилляторов GYGAG(Ce) были приготовлены полностью одинаковым способом с использованием стадий обработки, описанных на фиг. 2, за исключением того, что каждый образец был подвержен различным условиям спекания и/или отжига. Например, каждый из образцов A-C был спечен в условиях вакуума, тогда как каждый из образцов D-F был спечен в чистом O₂. После спекания все образцы имели около эквивалентную прозрачность и выглядели похожими при комнатном освещении. Затем каждый из спеченных в условиях вакуума и в кислороде образцов (т.е. образцы B и E) были подвергнуты отжигу в воздухе при около 1600 ºC, и каждый из спеченных в условиях вакуума и в кислороде образцов (т.е. образцы C и F) были подвержены отжигу в условиях вакуума при около 1600 ºC. Из соображений ясности стадии спекания/отжига, выполняемые для каждого образца, можно отметить следующим образом, где «вак.» означает «вакуум»:

Образец A: Вак./Нет

Образец B: Вак./Воздух

Образец C: Вак./Вак.

Образец D: O₂/Нет

Образец E: O₂/Воздух

Образец F: O₂/Вак.

[0081] Для наблюдения за присутствием послесвечения образцы A-F были подвергнуты кратковременному облучению ртутной лампой с длиной волны 254 нм и сфотографированы в темноте спустя около 1 секунду после выключения ультрафиолетовой лампы. Неожиданно было обнаружено, что подвергнутые отжигу в воздухе образцы (т.е. образцы B и E) не демонстрировали послесвечения, тогда как отжиг в вакууме увеличил послесвечение в случае спеченного в вакууме образца (т.е. образца C) и уменьшил послесвечение в случае спеченного в кислороде образца (т.е. образца F). Каждый из образцов, которые не были подвергнуты отжигу (т.е. образцы A и D), демонстрировали послесвечение.

[0082] Значения времени нарастания и временное разрешение совпадений образцов A-F также были измерены и сведены в приведенную ниже таблицу 1. Неожиданно было обнаружено, что подвергнутые отжигу в воздухе образцы (т.е. образцы B и E) демонстрировали значения времени нарастания и временное разрешение совпадений, подходящие для использования в сканерах ПЭТ, для которых требуется значение менее 400 пс, предпочтительно значение менее 300 пс и наиболее предпочтительно значение 250 пс.

Образец A
(Вак./Нет) B
(Вак/Воздух) C
(Вак./Вак.) D
(O₂/Нет) E
(O₂/Воздух) F
(O₂/Вак.) Время нарастания (нс) 8,8 8,4 9,4 14,7 5 11,2 Временное разрешение (пс) 505 333 486 500 240 360

Таблица 1

[0083] На фиг. 4 представлены кривые затухания для образцов A-F, полученные с использованием возбуждения гамма-излучением Cs-137. Неожиданно было обнаружено, что уменьшение послесвечения в образцах A-F сильно коррелирует с более короткими затуханиями по шкале времени в микросекундах, как показано на фиг. 4. Затухания состоят из нескольких компонент: быстрая компонента, характеризующаяся затуханием около 100 нс и связанная с затуханием Ce³⁺; средняя компонента, характеризующаяся затуханием около 500 нс и связанная с миграцией энергии через подрешетку Gd³⁺; и медленная компонента, характеризующаяся затуханием около 1-5 мкс, которое, как предполагается, обусловлено неглубокими ловушками, которые могут быть доступны посредством прыжков носителей в зону проводимости и из нее. Следует отметить, что эта третья компонента отсутствует для затуханий, полученных для подвергнутых отжигу в воздухе образцов. Наиболее быстрые затухания соответствуют подвергнутым отжигу в воздухе образцам (т.е. образцам B и F), но лучшее энергетическое разрешение фотопика получено для спеченных в вакууме образцов либо без отжига (т.е. образец A), либо с отжигом в вакууме (т.е. образец C). Иначе говоря, обнаружено, что обработка путем спекания в кислороде и отжига в воздухе улучшает временное разрешение за счет уменьшения энергетического разрешения (для которого более низкие значения лучше), что делает сцинтилляторы, изготовленные таким способом, более подходящими для использования в сканерах ПЭТ, чем для спектроскопического распознавания радиоактивных изотопов.

[0084] На фиг. 5 представлен УФ спектр поглощения для образцов A-F. Известно, что характеристика УФ спектра поглощения вблизи 300 нм вызвана ионами Ce⁴⁺ и, следовательно, служит в качестве количественной меры их содержания в образцах. Неожиданно обнаружено, что наиболее значительное поглощение Ce⁴⁺ наблюдалось для подвергнутых отжигу в воздухе образцов (т.е. образцов B и F), при этом имело место заметное усиление для спеченных в O₂ образцов (т.е. образцов D-F).

[0085] Все вышеупомянутые характеристики, указанные в отношении фиг. 4 и 5 (например, наблюдение послесвечения, наблюдение поглощения Ce⁴⁺, эффективное затухание (определенное как время до 1% начальной интенсивности) и разрешение, полученное при 662 КэВ), сведены в приведенную ниже Таблицу 2.

Образец A
(Вак./Нет) B
(Вак./Воздух) C
(Вак./Вак.) D
(O₂/Нет) E
(O₂/Воздух) F
(O₂/Вак.) Наблюдалось послесвечение? Высокое Низкое Высокое Высокое Низкое Среднее Наблюдалось содержание Ce⁴⁺? Нет Высокое Нет Низкое Высокое Низкое Эффективное затухание (мкс) 0,74 0,76 0,60 1,2 0,49 1,5 Разрешение (%) 5,4 8,6 5,2 6,0 7,5 6,4

Таблица 2

[0086] Практические применения и варианты использования

[0087] Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть использованы в широком спектре различных практических применений и потенциально в любом практическом применении, в котором используется обнаружение гамма-квантов, рентгеновских лучей, заряженных частиц и т.п.

[0088] К иллюстративным применениям различных вариантов осуществления настоящего изобретения относятся, кроме прочего, практические применения, в которых требуется обнаружение излучения. Практические применения, связанные с диагностической визуализацией, включая позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), время-пролетную (ВП) ПЭТ; компьютерную томографию (КТ) и другие методы рентгеновской визуализации, объединенные методы ПЭТ/КТ, ОФЭМТ, ОФЭМТ/КТ и т.п., представляют собой несколько таких примеров.

[0089] Для практически применений, относящихся к обнаружению излучения, таких как рассмотренные выше применения, любой из описанных в настоящем документе сцинтилляторов может быть использован в детекторе излучения. Согласно конкретным подходам этот детектор излучения может включать в себя средство считывания или обнаружения светового ответа сцинтиллятора и регистрации величины световой отдачи путем использования фотоэлектронного умножителя, кремниевого фотоумножителя, фотодиода или любого преобразователя, сконфигурированного для реагирования на световое излучение сцинтилляции. Этот детектор излучения может в конечном итоге создать амплитудно-импульсный спектр, где световой ответ представлен в качестве диаграммы количества одиночных импульсов счета, собранных внутри каждого столбца световой отдачи, генерируемой сцинтиллятором. Более того, согласно предпочтительным подходам такой детектор излучения сконфигурирован для регистрации рентгеновских лучей и/или гамма-квантов, а также выполнен с возможностью частично или полностью различать эти конкретные формы излучения и около определять энергию гамма-кванта или фотона рентгеновского излучения.

[0090] Идеи настоящего изобретения, раскрытые в настоящем документе, были представлены лишь в качестве примера, чтобы проиллюстрировать множество его признаков в нескольких иллюстративных сценариях, вариантах осуществления и/или реализациях. Следует принять во внимание, что раскрытые в общих чертах идеи должны рассматриваться в качестве модульных, причем они могут быть реализованы в любом сочетании, перестановке или объединении. Дополнительно, любая модификация, изменение или эквивалент раскрываемых в настоящем документе признаков, функций и идей, которые были бы очевидны специалисту в данной области техники при прочтении настоящего описания, также должны рассматриваться в рамках настоящего изобретения.

[0091] Хотя различные варианты осуществления были описаны выше, следует понимать, что они были представлены лишь в качестве примера, а не для какого-либо ограничения. Таким образом, ширина и объем предпочтительного варианта осуществления не должны ограничиваться каким-либо вышеописанным иллюстративным вариантом осуществления и должны определяться только на основании прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при изготовлении сцинтилляторов для обнаружения излучения в системах компьютерной томографии (КТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭМТ). Сначала формируют порошок пламенно-аэрозольным пиролизом жидких предшественников; синтезом в процессе горения; обработкой для получения частиц с размером менее 500 мкм, например, размалыванием; осаждением частиц из жидких растворов путем изменения рН или синтезом на основе золегелевой технологии. Указанный порошок содержит композицию с формулой: (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где D – легирующая добавка, выбранная из Са²⁺, Се³⁺, Се⁴⁺, Mg²⁺, Nb⁵⁺, Pr³⁺, Sn²⁺, Sr²⁺, Ta⁵⁺, Tl⁺, Zr⁴⁺ и их комбинаций; а от 0,5 до около 1,5; b от 2,5 до 2,8; х и у от 2,97 до 3,03; с от 0,003 до 0,3. Полученный порошок объединяют для формирования оптически прозрачной керамики с применением температуры, окружающей атмосферы или давления, чтобы уменьшить связанные с кислородом и/или термодинамически обратимые дефекты в керамике. В частности, можно спекать порошок в содержащей кислород атмосфере при 1200-1700°С, например на воздухе; или прессовать его в заготовку с последующим кальцинирующим обжигом при 500-1500°С. Содержание Се⁴⁺ в оптически прозрачной керамике от 0 до 50 %. Полученную оптически прозрачную керамику отжигают в содержащей кислород атмосфере при 1000-1900°С. Оптически прозрачная керамика характеризуется временем нарастания менее или равным 2 нс и/или временным разрешением менее или равным около 350 пс. Система обнаружения излучения содержит оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, полученный из указанной керамики, имеющий поликристаллическую структуру, а также фотодетектор, содержащий фотоумножитель, например, кремниевый, для обнаружения световых импульсов от оптически прозрачного керамического сцинтиллятора. Изобретение позволяет повысить прозрачность керамики за счёт уменьшения в ней указанных дефектов и отсутствия остаточной пористости. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Способ, включающий:

формирование порошка, содержащего композицию с формулой: (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где D представляет собой легирующую добавку, а составляет от около 0,5 до около 1,5, b составляет от около 2,5 до около 2,8, х составляет от около 2,97 до около 3,03, у составляет от около 2,97 до около 3,03, с составляет от около 0,003 до около 0,3;

объединение порошка для формирования оптически прозрачной керамики и

применение по меньшей мере одного условия термодинамического процесса во время объединения, чтобы уменьшить связанные с кислородом и/или термодинамически обратимые дефекты в керамике;

дополнительно предусматривающий отжиг оптически прозрачной керамики в содержащей кислород атмосфере при температуре в диапазоне от около 1000°С до около 1900°С.

2. Способ по п. 1, в котором легирующую добавку выбирают из группы, состоящей из: Са²⁺, Се³⁺, Се⁴⁺, Mg²⁺, Nb⁵⁺, Pr³⁺, Sn²⁺, Sr²⁺, Ta⁵⁺, Tl⁺, Zr⁴⁺и их комбинаций.

3. Способ по п. 1, в котором D включает в себя церий.

4. Способ по п. 3, дополнительное предусматривающий формирование Се⁴⁺ в оптически прозрачной керамике, причем от 0% до около 50% церия в оптически прозрачной керамике составляет Се⁴⁺.

5. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одну двухвалентную/гетеровалентную легирующую добавку добавляют в композицию перед объединением порошка для формирования оптически прозрачной керамики.

6. Способ по п. 5, в котором двухвалентную/гетеровалентную легирующую добавку выбирают из группы, состоящей из Mg²⁺, Са²⁺, Sr²⁺ и их комбинаций.

7. Способ по п. 1, в котором формирование порошка включает в себя пламенно-аэрозольный пиролиз одного или более жидких материалов-предшественников.

8. Способ по п. 1, в котором формирование порошка включает в себя синтез в процессе горения.

9. Способ по п. 1, в котором формирование порошка включает в себя по меньшей мере одну стадию обработки для получения частиц с размером менее около 500 мкм, причем по меньшей мере одна стадия обработки предусматривает размалывание частиц.

10. Способ по п. 1, в котором формирование порошка включает в себя осаждение частиц из одного или более жидких растворов путем изменения его или их рН.

11. Способ по п. 1, в котором формирование порошка включает в себя процесс синтеза на основе золегелевой технологии.

12. Способ по п. 1, в котором условие термодинамического процесса включает в себя по меньшей мере одно из температуры, окружающей атмосферы и давления.

13. Способ по п. 1, в котором объединение включает в себя спекание порошка в содержащей кислород атмосфере при температуре в диапазоне от около 1200°С до около 1700°С.

14. Способ по п. 13, в котором отжиг проводится при температуре около 1700°С.

15. Способ по п. 13, в котором содержащая кислород атмосфера представляет собой воздух.

16. Способ по п. 1, где объединение включает прессование порошка в заготовку и кальцинирующий обжиг заготовки при температуре в диапазоне от около 500°С до около 1500°С.

17. Способ по п. 1, в котором оптически прозрачная керамика характеризуется лучшими временем затухания и/или временем нарастания и/или временным разрешением по сравнению с монокристаллическими гранатами.

18. Способ по п. 1, в котором оптически прозрачная керамика характеризуется компонентой времени нарастания, составляющей менее или равной около 2 нс, и/или временным разрешением, составляющим менее или равным около 350 пс.

19. Система обнаружения излучения, содержащая:

по меньшей мере один оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, имеющий формулу (Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где а составляет от около 0,5 до около 1,5, b составляет от около 2,5 до около 2,8, х составляет от около 2,97 до около 3,03, у составляет от около 2,97 до около 3,03, с составляет от около 0,003 до около 0,3 и D представляет собой легирующую добавку,

причем оптически прозрачному керамическому сцинтиллятору присущи физические характеристики материала, сформированного из керамического порошка, объединенного в окислительных атмосферах, и подвергнутого отжигу в содержащей кислород атмосфере при температуре в диапазоне от около 1000°С до около 1900°С, а именно уменьшенное количество связанных с кислородом дефектов по отношению к количеству связанных с кислородом или термодинамически обратимых дефектов, присутствующих в сцинтилляторе до отжига.

20. Система обнаружения излучения по п. 19, содержащая фотодетектор, сконфигурированный для обнаружения световых импульсов от оптически прозрачного керамического сцинтиллятора, причем фотодетектор содержит по меньшей мере одно из фотоумножителя и кремниевого фотоумножителя.

21. Система обнаружения излучения по п. 19, причем система обнаружения излучения представляет собой систему для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

22. Система обнаружения излучения по п. 19, причем система обнаружения излучения выбрана из группы, состоящей из: системы компьютерной томографии (КТ); системы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ); системы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭМТ) и их сочетания.

23. Сцинтиллятор, содержащий:

(Gd_3-a-cY_a)_x(Ga_5-bAl_b)_yO₁₂D_c, где а составляет от около 0,5 до около 1,5, b составляет от около 2,5 до около 2,8, х составляет от около 2,97 до около 3,03, у составляет от около 2,97 до около 3,03, с составляет от около 0,003 до около 0,3 и D представляет собой легирующую добавку,

причем сцинтиллятор представляет собой оптически прозрачный керамический сцинтиллятор, и

причем оптически прозрачному керамическому сцинтиллятору присущи физические характеристики материала, сформированного из керамического порошка, объединенного в окислительных атмосферах, а именно уменьшенное количество связанных с кислородом дефектов по отношению к количеству связанных с кислородом или термодинамически обратимых дефектов, присутствующих в сцинтилляторе до отжига;

причем оптически прозрачному керамическому сцинтиллятору присущи физические характеристики материала, подвергнутого отжигу в содержащей кислород атмосфере при температуре в диапазоне от около 1000°С до около 1900°С.

24. Сцинтиллятор по п. 23, причем указанный сцинтиллятор характеризуется компонентой времени нарастания, составляющей менее или равной около 2 нс, и/или временным разрешением, составляющим менее или равным около 350 пс.

25. Сцинтиллятор по п. 23, причем указанный сцинтиллятор характеризуется временным разрешением, составляющим не более 400 пс.

26. Сцинтиллятор по п. 23, причем указанный сцинтиллятор имеет поликристаллическую структуру.