專利名稱：應(yīng)用石榴石結(jié)構(gòu)閃爍體的高速耐輻射ct閃爍體系統(tǒng)的制作方法
與本申請(qǐng)相關(guān)的申請(qǐng)，有由C.D.Greskovich等人提出、題目為“透明的多晶石榴石”、序列號(hào)為(RD-20.202)的申請(qǐng)，以及由V.G.Tsoukala等人提出、題目為“空穴-陷阱補(bǔ)償?shù)拈W爍體材料”、序列號(hào)為(RD-20.194)的申請(qǐng)，其中每份申請(qǐng)并此同時(shí)提出，并且作為一個(gè)整體在這里合并引證。
本發(fā)明涉及固態(tài)發(fā)光閃爍體領(lǐng)域，更確切地說，涉及對(duì)于X射線敏感的固態(tài)發(fā)光閃爍體領(lǐng)域，該閃爍體適用于高速計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)(CT)掃描系統(tǒng)，特別是醫(yī)學(xué)CT系統(tǒng)。
發(fā)光材料在一個(gè)電磁波譜區(qū)內(nèi)吸收能量，而在另一個(gè)電磁波譜區(qū)內(nèi)則發(fā)射能量。以粉末形式存在的發(fā)光材料，通常稱之為磷光體;而以透明固體形式存在的發(fā)光材料，通常稱之為閃爍體。
大多數(shù)常用的磷光體，是在吸收電磁波譜中可見區(qū)之外的輻射時(shí)，發(fā)出波譜中可見區(qū)的輻射。因此，磷光體起著將人眼對(duì)其不敏感的電磁輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜蹖?duì)其敏感的電磁輻射的作用。大多數(shù)磷光體對(duì)于電磁波譜中比可見區(qū)能量更高的那部分電磁波譜響應(yīng)。因此，有對(duì)紫外光(如在熒光燈中)、電子(如在陰極射線管中)和X射線(如在X射線照相術(shù)中)響應(yīng)的粉末狀磷光體。
發(fā)光材料可被區(qū)分為兩大類，這就是自激活發(fā)光材料和摻雜激活發(fā)光材料。
自激活發(fā)光材料是這樣一種發(fā)光材料，其中的純結(jié)晶基質(zhì)材料因吸收高能量的光子而將其電子提升到受激態(tài)，這些電子在從受激態(tài)回到較低能態(tài)時(shí)將發(fā)射出光子。自激活發(fā)光材料通常具有很寬的電磁波譜發(fā)射特性曲線，這是因?yàn)椴徽撌翘幵谑芗B(tài)還是較低能態(tài)的電子都可以具有較寬的能量范圍，從而就使任何給定的受激電子在從其受激態(tài)躍遷到較低能態(tài)時(shí)，可以發(fā)射出相當(dāng)寬范圍的能量，取決于該電子在輻射躍遷前后所具有的具體能量。
摻雜激活的發(fā)光材料通常是這樣一種發(fā)光材料，其中的不發(fā)光基質(zhì)材料是通過摻雜以激活劑物質(zhì)改性的，其在基質(zhì)材料中存在的濃度比較低，例如在約200ppm-1000ppm的范圍之內(nèi)。但是，某些磷光體需要有幾個(gè)摩爾百分?jǐn)?shù)的激活劑離子，以使光輸出最優(yōu)化。對(duì)于摻雜激活的發(fā)光材料來說，基質(zhì)晶體能夠吸收入射的光子，而且被吸收的能量可由激活劑離子來接納或由晶格轉(zhuǎn)遞給激活劑離子。該激活劑離子的一個(gè)或多個(gè)電子被提升到較高的受激態(tài)。這些電子在返回其較低受激態(tài)的條件下，將發(fā)射出能夠發(fā)光的光子。在許多通常使用的摻雜激活發(fā)光材料中，能夠發(fā)射出(受激)發(fā)出光的電子是d或者f電子層的電子，它們的能級(jí)可以分別受到周圍結(jié)晶場的明顯影響，或者比較不受其影響。在那些激活劑離子很少受到局部結(jié)晶場影響的情況，所發(fā)射出來的受激發(fā)射光，基本上具有激活劑離子而不是基質(zhì)材料的特征，而且所發(fā)光的波譜包括一個(gè)或者多個(gè)比較窄的發(fā)射峰。這同自激活發(fā)光材料具有更寬的發(fā)射波譜形成鮮明的對(duì)照。在那些激活劑離子的電子能量明顯受到晶體結(jié)構(gòu)影響的情況，所發(fā)光的波譜通常是一個(gè)類似于自激活發(fā)光材料的相當(dāng)寬的波譜。摻雜激活的發(fā)光材料的未加激活物質(zhì)的基質(zhì)，通常有許多不同的用途。在其中某些用途中，基質(zhì)材料可以包括其它能改變其性能的物質(zhì)，甚至可以包括本身是發(fā)光激活劑的組分，只不過由于其賦予的是不發(fā)光特性，故被包括在該混合物之中。
大量存在著多種已知的磷光體，其中每種磷光體都有自己的一組特性，諸如通導(dǎo)延遲、效率、初始衰減時(shí)間、余輝、滯后、發(fā)光光譜、輻射損傷等等。發(fā)光材料的通導(dǎo)延遲，乃是在恒定強(qiáng)度的激勵(lì)輻射下，從激勵(lì)輻射對(duì)于發(fā)光材料的起始照射到發(fā)光輸出達(dá)到其最大值之間的時(shí)間間隔。發(fā)光材料的效率，乃是被吸收的激勵(lì)輻射能量作為受激發(fā)光發(fā)射出去的百分率。當(dāng)激勵(lì)輻射終止時(shí)，由閃爍體所發(fā)的光輸出將按兩步衰減。其中第一步是從滿負(fù)荷的發(fā)光輸出迅速地衰減至較低值(但通常不為零)，處在該值時(shí)的衰減梯度實(shí)質(zhì)上已變至較低的衰減速率。這種低強(qiáng)度一般為長衰減時(shí)間的發(fā)(熒)光，被稱之為余輝，通常是以其低于滿強(qiáng)度值2%的強(qiáng)度值出現(xiàn)。初始的迅速衰減被稱之為初始衰減或初始速率，而且要從激勵(lì)輻射終止的時(shí)間開始，測量到發(fā)光輸出下降到其滿強(qiáng)度值的1/e時(shí)為止。
對(duì)于給定大小入射的激勵(lì)輻射來說，如果所發(fā)光輸出的大小取決于最近被發(fā)光材料吸收過的激勵(lì)輻射的大小，則此發(fā)光材料具有滯后。發(fā)光材料的發(fā)光光譜，具有由該材料發(fā)射的所發(fā)光的光譜特性。
輻射損傷為發(fā)光材料的特征，是指該發(fā)光材料被曝露在高輻射劑量之后，其在給定的激勵(lì)輻射強(qiáng)度下所發(fā)射光的大小會(huì)改變。輻射損傷可以進(jìn)行測定，首先用一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)的或者參照的輻射強(qiáng)度來激勵(lì)發(fā)光材料。響應(yīng)于該參照強(qiáng)度的入射激勵(lì)輻射的光電探測器的初始輸出(Io)，被測量并且記錄或存儲(chǔ)起來。接下去讓該發(fā)光材料曝露在高劑量的輻射之下。最后，再一次將該發(fā)光材料立即曝露在該參照強(qiáng)度激勵(lì)輻射之下，并且將響應(yīng)于該參照強(qiáng)度激勵(lì)輻射的光電探測器最后輸出(If)，測量并存儲(chǔ)或記錄下來。于是輻射損傷(RD)可表示為RD＝ (If-Io)/(Io) (1)理想情況下，輻射損傷應(yīng)當(dāng)盡可能小。在大多數(shù)發(fā)光材料中，由于If一般都小于Io，故其為負(fù)數(shù)。然而，如果在X-線輻射終止之后，在約100毫秒時(shí)余輝的量≥0.1%，則可以得到的輻射損傷是不可靠的，并且為正數(shù)。
在用于放射照相術(shù)的磷光體中，它們的很多特性都能在很寬的范圍內(nèi)變化，而不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利的影響。在其它一些應(yīng)用中，而要獲得最高或?qū)嵱玫男阅?，則必須對(duì)其中的每個(gè)特性作嚴(yán)格規(guī)定。
在計(jì)算機(jī)X線斷層攝影術(shù)(CT)掃描系統(tǒng)中，X-射線源和X-射線探測器列陣位于受檢對(duì)象相反的兩側(cè)，而且彼此以固定關(guān)系繞受檢對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)。早期的CT掃描系統(tǒng)是利用氙氣作為其X-射線探測介質(zhì)的。在這些掃描系統(tǒng)中，入射的X-射線會(huì)使氙氣電離，而且最后得到的離子將被吸引到光電元件(Cell)邊緣的充電板上，并且閃爍體的輸出為電荷或者電流。帶有固體閃爍體的CT掃描裝置，新近被提出來了。在固體閃爍體系統(tǒng)中，光電元件或器件的閃爍體材料將吸收入射在該光電元件上的X-射線，并且發(fā)射出能被該光電元件的光電探測器收集的光。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，探測器列陣的每個(gè)光電元件或元件，都能提供一個(gè)代表該列陣光電元件上例行光強(qiáng)度的輸出信號(hào)。這些輸出信號(hào)經(jīng)過處理，便以CT掃描裝置技術(shù)中公知的方式產(chǎn)生受檢對(duì)象的象。最好是使CT掃描裝置中使用的發(fā)光材料具有線性特性，其中的光輸出為被吸收的激勵(lì)輻射大小的線性函數(shù)，以便使光輸出能夠以線性方式直接換算成相應(yīng)的激勵(lì)輻射強(qiáng)度。
在例如CT掃描裝置這樣的系統(tǒng)中，發(fā)光材料必須具有在以前提到過的許多以磷光體為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中并不需要的很多專業(yè)化的特征。首先，在以X-射線為基礎(chǔ)的CT系統(tǒng)中，最理想的情況是在發(fā)光材料中基本上能夠吸收所有的X-射線，以便將病人為取得CT圖象所必須曝露的X-射線劑量減至最小。而為了基本上能夠收集到所有入射的X-射線，發(fā)光材料在X-射線傳輸?shù)姆较蛏希仨毦哂凶阋远糁勾篌w上所有X-射線的厚度。該厚度既取決于X-射線的能量，又取決于該發(fā)光材料的X-射線遏止功率。其次，重要的還在于要讓實(shí)質(zhì)上所有的(受激)發(fā)出光均能被光敏探測器收集到，以使整個(gè)系統(tǒng)的效率最高、信噪比最大，而且對(duì)于入射的激勵(lì)輻射大小可以測定的精度最高。為了能夠得到CT掃描裝置的發(fā)光材料中產(chǎn)生的大體上所有的(受激)發(fā)出光，此發(fā)光材料對(duì)于該(受激)發(fā)出的光應(yīng)是透明的。否則由于在發(fā)光材料中的散射和吸收，會(huì)使很多(受激)發(fā)出的光不能到達(dá)光敏探測器。因此，發(fā)光材料是以固體條棒形式提供的，它對(duì)于(受激)發(fā)出的光基本上是透明的，而且其在X-射線傳輸方向上的厚度，足以吸收大體上所有入射的X-射線。這樣既使選擇適用于CT掃描的發(fā)光材料變得復(fù)雜，又使該材料的制備更加復(fù)雜，因?yàn)樵S多作為磷光粉使用或試驗(yàn)的已知發(fā)光材料，均不能以具有所需透明度的固體條棒形式提供。
各種材料的發(fā)光性能，無法按固定方式象列表表示各種化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度以及其它更多的常見物理特性那樣在手冊(cè)中列表表示。大多數(shù)的發(fā)光數(shù)據(jù)是在針對(duì)特定材料撰寫的論文中找到的，作者為著多種原因進(jìn)行過測定。進(jìn)一步說，發(fā)光材料的最高程度表征是使用紫外光作為激勵(lì)輻射來完成的，因?yàn)樽贤夤獗萖-射線更容易產(chǎn)生，而且一般認(rèn)為不太有害。然而遺憾的是，很多響應(yīng)于紫外光激勵(lì)而發(fā)光的材料，響應(yīng)于X-射線激勵(lì)卻是不發(fā)光的。因而對(duì)于很多材料而言，即便是發(fā)光數(shù)據(jù)可以得到的那些，并不保證該材料能響應(yīng)于X-射線激勵(lì)而發(fā)光。更進(jìn)一步說，對(duì)于磷光體的許多應(yīng)用而言，有許多在閃爍體中必須嚴(yán)格控制的參數(shù)，對(duì)于用在現(xiàn)代化CT掃描系統(tǒng)中則是不重要的，因而并未測量或通報(bào)過。因此，現(xiàn)有的發(fā)光材料數(shù)據(jù)，在尋找適用在現(xiàn)代化CT掃描系統(tǒng)中的閃爍體材料方面，只能提供很少一點(diǎn)指導(dǎo)(如果有的話)。在那些通常無法得到其數(shù)據(jù)的參數(shù)中，包括有對(duì)于X-射線的輻射損傷;余輝;對(duì)生成單晶形式的可容許性;遲滯現(xiàn)象;機(jī)械性能，以及在許多情況下甚而是否是X-射線(激勵(lì))發(fā)光的。由于需要巨大數(shù)量的多種必須符合嚴(yán)格規(guī)范的參數(shù)，以為適用在現(xiàn)代化CT掃描裝置中的給定材料之用，其中包括以透明閃爍體形式提供發(fā)光材料的能力，于是就使發(fā)現(xiàn)適合的閃爍體材料的過程基本上要從零開始，類似于“大海撈針”。發(fā)現(xiàn)這種材料困難的例證是，由鉈活化的碘化銫和鎢酸鎘仍用在目前市售的CT掃描機(jī)中，盡管其中每種材料都有許多下面將要討論的特性，然而對(duì)于現(xiàn)代化CT掃描裝置的閃爍體來說，仍被認(rèn)為是不合乎需要的。
有很多理由認(rèn)為，最好是使輻射損傷盡可能小。高輻射損傷的缺點(diǎn)之一，是當(dāng)輻射損傷累積時(shí)，對(duì)于給定的激勵(lì)輻射劑量而言，由于閃爍體材料發(fā)射出來的光量逐漸變小，從而就使該系統(tǒng)的靈敏度逐漸下降。其另一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)于過高的輻射損傷來說，由于輻射損傷的累積效應(yīng)，最終必須更換閃爍探測器。這將導(dǎo)致更換閃爍探測系統(tǒng)以相當(dāng)大的投資。更加麻煩而且大概可能是花錢更多的高輻射損傷影響在于，在工作日內(nèi)需要頻繁地重新校正掃描系統(tǒng)，而且頻繁到可能要在每個(gè)病人之后校正一次。這種重新校正是很費(fèi)時(shí)的，并且還會(huì)使閃爍體材料遭受額外的輻射，造成進(jìn)一步的損傷。對(duì)于使用在CT掃描系統(tǒng)中的閃爍體材料而言，其輻射損傷小到足以使該系統(tǒng)的校準(zhǔn)只在每個(gè)工作日的開始，被認(rèn)為是合乎要求的，這樣就足以保證整個(gè)工作日內(nèi)有準(zhǔn)確的結(jié)果。
提供以透明條棒形式發(fā)光材料的一種途徑，是采用對(duì)其自身的發(fā)光輻射透明的單晶發(fā)光材料。生長單晶的通用方法是Czochralski的生長工藝，其中適合的源材料是放在高溫坩堝中的，此坩堝通常由銥(Ir)制做，并且將此坩堝及其內(nèi)裝物加熱到所需單晶材料的熔點(diǎn)以上。最終得到的熔融材料稱之為熔體。在生長過程中，熔體的溫度被保持在一定值，在該溫度下，熔體的上部被冷卻至足以在與該熔體接觸的籽晶上生長出單晶材料，但并不自發(fā)地形成晶核。所需材料的籽晶或者所需材料將在其上面作為單晶生長的籽晶，被往下放到應(yīng)有的位置以與該熔體的頂部接觸。當(dāng)所需的晶體材料在籽晶上生出時(shí)，以一定的速率拉此籽晶(往上拉)，在該速率下維持單晶材料的梨晶塊按照所需直徑生長出來。典型情況下，在生長晶體時(shí)籽晶是旋轉(zhuǎn)的，以增加生成晶體的均勻性。源材料是最初放在坩堝內(nèi)的，可取任何適合的形式，但通常都是適量源材料的混合物，共同在一起提供生長單晶材料所需要的具有理想配比和摻雜物控制的熔體。
當(dāng)純晶體從相應(yīng)的熔體中生長時(shí)，Czochralski生長工藝一般提供的是高質(zhì)量的、具有所需成分的成分均勻的單晶。當(dāng)需要生產(chǎn)出對(duì)于純晶體材料的幾部分原子具有取代物的晶體時(shí)，晶體生長的動(dòng)態(tài)特性更加復(fù)雜，而且作為時(shí)間函數(shù)的取代物參予晶體結(jié)構(gòu)的方式，從而也是其在熔體及梨晶塊中的濃度，取決于許多特性。這些特性的影響之一用熔析系數(shù)表征。當(dāng)取代物在固態(tài)梨晶塊中正常存在的比例與在源熔體中相同時(shí)，熔析系數(shù)值為1。當(dāng)取代物在固體梨晶塊中正常存在的濃度高于在源熔體中的濃度時(shí)，熔析系數(shù)大于1;當(dāng)取代物在固態(tài)梨晶塊中正常存在的濃度低于其在源熔體中的濃度時(shí)，熔析系數(shù)小于1。雖然造成這些差異有許多不同的根本原因，但是熔析系數(shù)則是表示最終結(jié)果的有效手段。
在希望得到片狀或棒狀單晶材料的場合，是將按Czochralski法生長的單晶梨晶塊切成晶片，然后切成所需形狀的棒。已知用于商品化CT掃描系統(tǒng)的兩種僅有的單晶發(fā)光材料是碘化銫(CsI)和鎢酸鎘(CdWO4)。碘化銫是用鉈激活的，而鎢酸鎘是純的自激活發(fā)光材料。CsI發(fā)光輸出的發(fā)射峰在約550nm，有明顯的滯后和輻射損傷。CdWO4發(fā)光輸出的峰值在約540nm處，顯示出高度的輻射損傷，雖然其程度較CsI要輕。CsI的輻射損傷嚴(yán)重得常常需要在每名患者之后對(duì)系統(tǒng)作重新校正。雖然CdWO4的輻射損傷要比CsI小，但仍有必要每天重新校正一次以上。由于這樣高的輻射損傷特性，故使用這兩種材料中任何一種作為閃爍材料的系統(tǒng)，其靈敏度都會(huì)由于輻射損傷的累積而降低，最終必須更換其閃爍體系統(tǒng)。
在CT掃描系統(tǒng)中，閃爍體棒的關(guān)鍵特性之一是其Z軸響應(yīng)曲線。單獨(dú)的閃爍體棒通常是狹窄的以使其分辨率最高，深度大于寬度以提供充分的遏止X射線功率;在與X射線束/閃爍體系統(tǒng)平面相垂直的方向上比較長，以便收集足夠有效的X射線。Z軸特性，是當(dāng)恒定強(qiáng)度的狹窄的X射線激勵(lì)光束從閃爍體棒Z方向的一端向另一端掃描時(shí)，光電探測器輸出的響應(yīng)。最好是使這一特性相對(duì)于閃爍體棒的縱向中心對(duì)稱，而且從每一端到此中心單調(diào)地增加。接近棒兩端處輸出的增加，最好在整個(gè)Z方向厚度的射線束分布在閃爍體棒上之后就完成，同時(shí)沿棒中間部分的輸出基本均勻。
為了滿足這些Z軸要求，閃爍體棒沿其整個(gè)長度上的光學(xué)、發(fā)光和對(duì)源輻射吸收的性質(zhì)，必須基本上均勻。對(duì)于單晶的摻雜激活的閃爍體棒來說，這就要求能生長出在徑向和縱向上發(fā)光激活劑的濃度都均勻的源梨晶塊，因?yàn)榘l(fā)光輸出取決于激活劑離子的局部濃度。因此，選擇用于CT掃描裝置的閃爍體的過程，除要確定材料的所有其它重要性質(zhì)之外，還必須包括確定制造Z軸特性合格的閃爍體棒的可行性。
在CT掃描裝置中，最好是在除了光電探測器二極管沿其配置的表面之外，閃爍體棒的所有表面上都形成反射面。于是，一個(gè)典型的固體閃爍探測器系統(tǒng)，包括多個(gè)并列排布的單個(gè)閃爍體棒，每個(gè)閃爍體棒耦合一個(gè)單獨(dú)的光電探測器二極管，以便將其(受激)發(fā)的光轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)。重要的是在這樣的系統(tǒng)中所有的閃爍體棒要具有相似的整體轉(zhuǎn)換效率(即對(duì)于相同的入射X射線輻射，有基本上相同的電輸出信號(hào))。這就對(duì)閃爍體材料的選擇加上了另一個(gè)限制，即必須能制得足夠數(shù)量的具有相似特性的閃爍體棒，以便組裝成具有多達(dá)1000個(gè)或更多元件的閃爍探測器。
初始衰減時(shí)間決定了CT掃描裝置能以多快的速度掃描患者，因?yàn)橹挥性趻呙柩b置于某一位置處的作為輻照入射響應(yīng)時(shí)的發(fā)光輸出停止之后，才能準(zhǔn)確地測量掃描裝置在另一位置處的發(fā)光輸出。目前，初始衰減時(shí)間最好小于500微秒，如果能達(dá)到更短的數(shù)值而對(duì)閃爍體材料的其它性質(zhì)(如最大光輸出、輻射損傷和滯后)無不良影響，則更為理想。還希望最大余輝水平非常小及衰減較快。對(duì)于現(xiàn)代化的CT掃描裝置來說，余輝可以在激勵(lì)輻射終止后100至150毫秒時(shí)測定，在300毫秒時(shí)再測定一次，以表征閃爍體材料的特性。鑒于余輝會(huì)使光電探測器不能區(qū)分來自先前激勵(lì)的余輝的激發(fā)光和現(xiàn)在激勵(lì)的激發(fā)光，故余輝最好小于0.1%。因此，余輝能限制CT掃描裝置系統(tǒng)的強(qiáng)度分辨率。
為了比較各種候選的閃爍體材料的效率，將光輸出歸一化較為方便。用確定的參照強(qiáng)度的X射線激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的候選材料的閃爍體棒，將光電探測器二極管響應(yīng)此激勵(lì)而輸出的信號(hào)的振幅，與同樣構(gòu)形的鎢酸鎘在同樣的激勵(lì)下產(chǎn)生的輸出進(jìn)行比較。鎢酸鎘是一個(gè)合適的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗陌l(fā)光具有自激活特性，因此能對(duì)給定強(qiáng)度的激勵(lì)輻射產(chǎn)生基本上固定的光輸出，只要未被嚴(yán)重地輻射損傷，因?yàn)樗墓廨敵雠c激活劑的濃度無關(guān)。因而，由不同個(gè)體在不同時(shí)間得到的光輸出可以直接進(jìn)行比較，而不必首先確定不同試驗(yàn)方案的校正。
最好是使CT掃描系統(tǒng)盡可能快地?fù)p傷，以便每個(gè)工作日能用CT掃描裝置檢查最多的患者，而且掃描時(shí)間越短，使患者在掃描期間保持靜止越容易。進(jìn)一步說，內(nèi)部器官的運(yùn)動(dòng)也減至最小。
對(duì)于固定劑量率的X射線來說，隨著CT系統(tǒng)掃描速度的增加，信號(hào)的輻度將減小。其結(jié)果是使信噪比、對(duì)比度及有用的強(qiáng)度分辨率降低，除非調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)以降低噪聲。為了降低噪聲，閃爍體的初始衰減時(shí)間應(yīng)該減小到對(duì)于系統(tǒng)的噪聲沒有貢獻(xiàn)的數(shù)值。余輝也應(yīng)盡可能多地減小，因?yàn)樗斐闪吮镜装l(fā)光強(qiáng)度，這是光電探測器輸出中的噪聲來源之一。選擇閃爍體材料的峰值輸出在光電探測器靈敏度峰值附近，會(huì)由于增加了信號(hào)的幅度而有減小噪聲的作用。其它的改進(jìn)也有助于維持信噪比。
隨著CT掃描裝置領(lǐng)域的發(fā)展，電子設(shè)備的速度增加了，因而有必要制造更快的閃爍體，以便能在更短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)掃描?，F(xiàn)在所希望的CT掃描系統(tǒng)的操作速度，要求閃爍體比僅僅五年前所要求的要快得多。因此，在選擇和制造適用于現(xiàn)代化CT掃描系統(tǒng)的閃爍體材料所需要的已知固體發(fā)光材料的數(shù)據(jù)方面，存在著很大的缺口，在這種CT掃描系統(tǒng)中，高速電子設(shè)備必須與更加高速的閃爍材料相匹配。
從確定各候選材料所有這些特性的問題中獨(dú)立分出來的一個(gè)問題，是閃爍掃描裝置中的材料必須具有透明固體的形式。很多發(fā)光材料能制成粉狀，但不能制成單晶形式，因此不適合作為透明體。不能將特定的發(fā)光材料制成單晶材料，可能是由于晶體結(jié)構(gòu)的不相容性、在Czochralski生長溫度下的不穩(wěn)定性、發(fā)光材料的某些組分在結(jié)晶結(jié)構(gòu)或熔體中的溶解度低、造成添加劑和/或取代物在梨晶塊內(nèi)不均勻分布的熔析系數(shù)，以及其它原因。因此，即使某種特定的發(fā)光組分經(jīng)鑒定認(rèn)為顯然具有用于CT機(jī)閃爍探測器的理想性質(zhì)，這種閃爍體探測器的制造也并不那么簡單。在很多情形下，所中意的組分并不能制成單晶材料。
閃爍計(jì)數(shù)器在物理學(xué)研究中被用來對(duì)高能粒子計(jì)數(shù)。這些閃爍計(jì)數(shù)器通常包括一種固態(tài)透明體(常常是其中彌散有發(fā)光材料的塑料)，被耦合在光電倍增管上以檢測由于吸收單個(gè)粒子而產(chǎn)生的很微弱的(激)發(fā)光。這種閃爍計(jì)數(shù)器所用的材料必須具有很短的初始衰減時(shí)間(最好比100ns短得多)，以便區(qū)分開分離的但是彼此時(shí)間間隔很近的信號(hào)，從而能進(jìn)行所要求的計(jì)數(shù)。對(duì)于作為CT掃描系統(tǒng)中閃爍體使用為重要的其它的材料特性，在閃爍計(jì)數(shù)器系統(tǒng)中僅有很小的重要性，只要余輝低得足以能將新的主閃爍同來自先前作用的任何本底余輝相區(qū)分。這些閃爍計(jì)數(shù)器可以使用對(duì)CT掃描技術(shù)來說其余輝會(huì)成問題的發(fā)光材料。因此，雖然在用于閃爍計(jì)數(shù)器用途的閃爍材料方面已作了研究，但是這些研究同尋找用于CT掃描系統(tǒng)的材料只有表面的聯(lián)系。
有一些發(fā)光材料能用熔融生長工藝制成小單晶，但不能制成大單晶，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷叵虏环€(wěn)定，并可分解為組成物。另一些發(fā)光材料曾被制成薄膜，試圖構(gòu)成投射式陰極射線管用的磷光體，以便減小由于無定形體或多晶薄膜的散射造成的光損失。這些材料不能用于CT掃描裝置的閃爍體，由于它們?nèi)鄙傩纬删哂凶銐蚝穸?通常至少為1毫米厚)透明體的能力，而這是用于CT掃描系統(tǒng)中的材料為有效地遏止X射線所必需的。此外，關(guān)于這些材料的研制報(bào)告，并不包括在決定材料是否適用于CT掃描系統(tǒng)方面許多關(guān)鍵特性的數(shù)據(jù)。
在美國專利4，421，671、4，466，929、4，466，930、4，473，413、4，518，545、4，518，546、4，525，628、4，571，312、4，747，973和4，783，596中公開了單晶閃爍體材料碘化銫和鎢酸鎘的一種多晶替代物。在這些專利中公開的閃爍體組合物是摻雜了各種稀土元素的立方氧化釔釓，以便構(gòu)成具有所要求的發(fā)光性質(zhì)的閃爍體材料。這些材料還未制成單晶形式，因?yàn)殡y以生長出所有必要組分都按照要求均勻分布的晶體。正如在以上援引的專利中進(jìn)一步公開的那樣，研制了一種將這種摻雜的氧化釔釓閃爍體材料制成多晶陶瓷形式的方法，在這種陶瓷形式下它充分透明，足以構(gòu)成優(yōu)異的閃爍體材料。這種材料明顯地優(yōu)于碘化銫和鎢酸鎘，基本上沒有輻射損傷及滯后，而且余輝低得足以滿足高質(zhì)量CT掃描系統(tǒng)的要求。遺憾的是，這種材料的初始衰減時(shí)間在1000μs的數(shù)量級(jí)，因此不如當(dāng)前現(xiàn)代化CT掃描系統(tǒng)所要求的那樣快。
德國專利DE 37 04 813 Al提到了一種單晶為Gd3-XCeXAl5-yScyO12的閃爍體，制備時(shí)先將原料硫酸鹽溶液噴霧干燥，然后煅燒干燥的硫酸鹽，或是將氧化物混合，在此步驟之后均經(jīng)壓制、燒結(jié)、熔化和在高真空中拉單晶。還列出了這種材料發(fā)光輸出的光譜，其峰值在560nm附近。
最好的閃爍體是響應(yīng)快、余輝低、無滯后、無非線性輸出、對(duì)X射線的遏止功率高、在指定的激勵(lì)X射線輸入下光輸出高，以及發(fā)射光的頻率對(duì)光電探測器二極管特別敏感。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供帶閃爍體的CT閃爍體探測系統(tǒng)，這種閃爍體是快速的，具有低余輝和可以接受的滯后、輻射損傷及對(duì)X射線激勵(lì)的非線性響應(yīng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供帶有改進(jìn)了的單晶閃爍體材料的CT閃爍體探測器。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供長壽命的CT閃爍體探測器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠工作在比現(xiàn)有系統(tǒng)更高的速度下，沒有輻射損傷和其它不希望有的特性。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供CT閃爍探測器，它具有所需要的性能(高速度，高輸出，高X射線遏止功率及低余輝)，結(jié)合以低值的不希望有的性能(滯后，非線性以及對(duì)輻射損傷的敏感性)。
因此，以上的和其它一些目的，在包括附圖在內(nèi)作為一個(gè)整體的說明書中是顯而易見的，這些目的是通過供給包括激活石榴石作為閃爍體材料的閃爍探測器來實(shí)現(xiàn)的。特別是釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12)、釓鈧鎵石榴石(Gd3Sc2Ga3O12)、釓鈧鋁石榴石(Gd3Sc2Al3O12)，其中每種石榴石都是用濃度約為0.07%至0.6%(重量)Cr2O3的Cr3+離子激活的;釔鋁石榴石(Y3Al5O12)，是用濃度約為0.33%(重量)的Ce2O3的Ce3+離子或濃度約為0.85%(重量)Nd2O3的Nd3+離子激活的，這些特殊閃爍體組分的例子，都能夠提供有利的高速度、高輸出、低余輝、對(duì)X射線的高遏止功率、在光電探測器二極管特性的靈敏區(qū)內(nèi)發(fā)光，以及可以接受的滯后、非線性和最低的輻射損傷。其它一些石榴石基質(zhì)成份和其它激活劑，也可以采用。為簡化起見，我們將用GGG代表Gd3Ga5O12，GSGG代表Gd3Sc2Ga3O12，GSAG代表Gd3Sc2Al3O12，以及YAG代表Y3Al5O12。
在說明書的結(jié)尾部分具體指出并且明確提出專利保護(hù)本發(fā)明的要點(diǎn)。但是，參照與附圖相聯(lián)系的下列說明，可以更好地了解本發(fā)明的構(gòu)成及實(shí)施方法，以及進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)。其中

圖1為CT掃描系統(tǒng)的原理圖;
圖2為鉻的濃度作為沿?fù)姐t的GGG單晶梨晶塊位置函數(shù)的曲線圖;
圖3為光輸出作為隨摻鉻GGG梨晶塊位置函數(shù)的曲線圖;
圖4為初始衰減時(shí)間作為沿?fù)姐tGGG梨晶塊位置函數(shù)的曲線圖;
圖5為余輝作為沿?fù)姐tGGG梨晶塊位置函數(shù)的曲線圖;
圖6為摻鉻GGG的發(fā)光光譜曲線圖;
圖7表示為測量閃爍體棒Z軸特性用的檢驗(yàn)裝置;
圖8為特定閃爍體棒的Z軸特性曲線圖;
圖9為典型硅PIN光電探測器的量子檢測效率(光譜響應(yīng))曲線圖;
圖10為摻釹YAG的發(fā)光光譜;以及圖11為摻鈰YAG的發(fā)光光譜。
圖1中示意繪出了計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)(CT)掃描系統(tǒng)100。這個(gè)CT掃描系統(tǒng)100包括一個(gè)圓柱形外殼110，其中安置待掃描的患者或物體。一個(gè)門形臺(tái)架112圍在圓柱體110的外面，安排成能圍繞圓柱體的軸旋轉(zhuǎn)。門形臺(tái)架112可以設(shè)計(jì)成以一次全程轉(zhuǎn)動(dòng)然后回位的方式旋轉(zhuǎn)，或是設(shè)計(jì)成連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這要取決于用來將臺(tái)架上的電子設(shè)備與系統(tǒng)其它部分相連接的系統(tǒng)。臺(tái)架上的電子設(shè)備包括X射線源114，它最好是產(chǎn)生扇形X射線束，包圍住裝在臺(tái)架上圓柱體110另一側(cè)的閃爍探測器系統(tǒng)116。X射線源的扇形型式，配置在由X射線源和閃爍探測器系統(tǒng)116所確定的平面內(nèi)。閃爍探測器系統(tǒng)116在與X射線扇形束平面相垂直的方向上很窄或者很薄。閃爍探測器系統(tǒng)的每個(gè)(光電)元件118裝有一個(gè)閃爍體材料的透明固體棒和與該閃爍體棒光學(xué)耦合的光電探測器二極管。每個(gè)光電探測器二極管的輸出都連接到裝在臺(tái)架上的運(yùn)算放大器上。每個(gè)運(yùn)算放大器的輸出用單獨(dú)的導(dǎo)線120或其它電子設(shè)備連接到CT系統(tǒng)的主控系統(tǒng)150上。在說明性的實(shí)施例中，X射線源的電源和來自閃爍探測器的信號(hào)經(jīng)過電纜130傳送到主控系統(tǒng)150。電纜130的使用，通常限制了臺(tái)架在回到其原來位置之前只能進(jìn)行一次全程回轉(zhuǎn)。另一種作法是，在希望臺(tái)架能連續(xù)旋轉(zhuǎn)的場合，可以用滑動(dòng)環(huán)或者光學(xué)或無線電波傳輸，將臺(tái)架的電子設(shè)備同主控系統(tǒng)150連接。在這種類型的CT掃描系統(tǒng)中，用閃爍體材料將入射的X射線轉(zhuǎn)換成(受激)發(fā)出的光，用光電探測器二極管檢測該發(fā)光，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為將入射的X射線轉(zhuǎn)換成可用來處理以提取圖象或用于其它目的的電信號(hào)。目前，對(duì)這種系統(tǒng)的能力的限制之一是閃爍體組分的特性，不管它們是氙氣還是固態(tài)閃爍體材料。
我們?cè)?jīng)確認(rèn)了一類發(fā)光材料，它們適合在圖1所示的那類高速X射線CT掃描系統(tǒng)中作為閃爍體使用。尤其是，它們響應(yīng)于X射線激勵(lì)而發(fā)光，具有初始衰減時(shí)間小于500μs;具有余輝水平在X射線激勵(lì)輻射停止后100至300ms時(shí)小于0.2%;所顯示出的輻射損傷大小，在曝露于500至1000拉德之間的X射線后低于5%;基本上不顯示有滯后，而且當(dāng)用Czochralski工藝生長成單晶時(shí)，對(duì)于它們的(受激)發(fā)出的光相當(dāng)透明，光輸出通常為在商品化X射線人體掃描裝置所用的鎢酸鎘單晶光輸出的約100%至350%。
這類閃爍體材料，是以立方石榴石晶體的激勵(lì)發(fā)光為基礎(chǔ)的。石榴石是一類晶體化學(xué)式為A3B5O12的材料，其中A陽離子與氧八配位，B陽離子以八面體(六)或四面體(四)的形式與氧配位。晶體結(jié)構(gòu)是立方晶系，每個(gè)含有8個(gè)化學(xué)式單元的晶胞中有160個(gè)離子。根據(jù)本發(fā)明，A陽離子可以只是稀土或釔離子，或與激活劑取代物相結(jié)合。B陽離子也可以只是稀土離子或其它離子，或與取代物相結(jié)合。特別是我們發(fā)現(xiàn)，在八配位或六配位中有激活劑離子取代時(shí)，這些石榴石在X射線激發(fā)下會(huì)發(fā)光。我們發(fā)現(xiàn)的一種特別重要的激活劑離子，它在此基質(zhì)材料中是X射線(激勵(lì))發(fā)光的，是位于六配位中的Cr3+離子。
根據(jù)這一大類閃爍體材料的一個(gè)實(shí)施例，釓鎵石榴石(GGG)晶體是摻雜鉻離子(Cr3+)的，其在釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12)或GGG總成分中的濃度范圍，從小于約0.05%(重量)至大于約0.22%(重量)的氧化鉻(Cr2O3)。雖然純GGG是無色的，但此材料具有淺綠的色調(diào)。
例1這種摻鉻的GGG梨晶塊是用Czochralski法生長出來的，大致為4厘米直徑和8厘米長。這種梨晶塊通常具有六角形截面，而且由于摻鉻使其顏色為綠的。將此梨晶塊切成40片晶片，每片大致為1毫米厚。將這些切片或晶片從梨晶頂部至底部單調(diào)遞進(jìn)編號(hào)，所生長的梨晶頂部晶片編號(hào)為1，底部晶片編號(hào)為40。鉻的平均濃度范圍，從梨晶塊頂部晶片1中的含0.22%(重量)Cr2O3下降至梨晶塊底部的晶片40中含0.07%(重量)Cr2O3。作為晶片位置函數(shù)的該濃度，作圖表示在附圖2中。這種濃度方面的差異，是由于GGG中的鉻離子具有的熔析系數(shù)范圍為3到4。在梨晶塊的晶片1上受X射線(140千伏峰值X射線)激勵(lì)的光輸出，大體為鎢酸鎘所提供光輸出的3.4倍;而且在梨晶塊底部的晶片40中的光輸出，約為鎢酸鎘的1.52倍，作圖表示在附圖3中。初始衰減時(shí)間(當(dāng)X射線激勵(lì)停止時(shí))，在梨晶塊頂部的一些晶片中為140～160μs附近，在梨晶塊底部的晶片40中約為28μs。作為晶片位置函數(shù)的初始衰減圖形，作圖表示在附圖4中。
X射線激勵(lì)下這種材料余輝的特性，繪圖表示在附圖5中。從中可以看出，晶片2的余輝值約0.6%，隨著梨晶由上向下距離的增加而增大，直到梨晶塊的中部余輝發(fā)生迅速下降，此后余輝增大到梨晶底部的路線為止。
在梨晶塊頂端和底端處該梨晶塊的X射線輻射損傷是比較高的，而且難以進(jìn)行可靠地測量，因?yàn)檎谶M(jìn)行的發(fā)射是由大于～0.2%的余輝引起的。但在梨晶塊中部的輻射損傷比較低，其大小范圍約從1%至約3%。
這種材料的發(fā)光波譜表示在圖6中。這種波譜形狀對(duì)梨晶塊中的任意晶片都是有代表性的。最大發(fā)射峰的中心在720nm，而在650nm至800nm范圍內(nèi)發(fā)射的能量大于90%。
在單獨(dú)的每個(gè)晶片中橫過該晶片鉻的濃度是不均勻的，這是由鉻的熔析系數(shù)以及事實(shí)上梨晶塊的生長面并非平面所致。然而作為這種材料的高質(zhì)量性能在梨晶塊的某些部分是存在的，真正優(yōu)良的特性存在于該梨晶塊的中部和下部，約從晶片24延伸約至晶片40。
由該梨晶塊中將一些晶片切片成為多個(gè)閃爍體棒，然后測量它們的特性，特別是Z軸特性。測量Z軸特性使用的是圖7中示意表示的試驗(yàn)裝置200，其中來自X射線源220的扇形X射線束210對(duì)于棒240的長度進(jìn)行掃描，同時(shí)對(duì)光電二極管250的輸出進(jìn)行測量及記錄。對(duì)由梨晶塊上晶片11切出來的具代表性的閃爍體棒來說，其Z軸特性表示在附圖8中。如從附圖8中看到的那樣，33毫米長的閃爍體棒通常具有的光輸出，恰如船艙內(nèi)的情形，棒兩端的光輸出比橫過該棒其余中央部分的光輸出要高，這是由于制做該閃爍體棒的晶片四周部分的鉻濃度較高的緣故。通過將棒的每一端切掉約7毫米，可以提供具有大體平坦輸出的閃爍體棒，因而使該棒變短。如果需要具有平坦光輸出特性的更長的棒，那么可以通過生長出更大直徑的梨晶塊來提供，以便在切除棒的兩端之后沿33毫米長棒的長度提供大體均勻濃度的鉻。提供棒內(nèi)均勻鉻分布的另一些工藝可以是切片之后將棒退火以引起鉻擴(kuò)散;生長純的釓鎵石榴石，在梨晶塊切成閃爍體棒之后通過擴(kuò)散將鉻引入釓鎵石榴石;或通過離子注入技術(shù)將鉻注入該棒，以增加低濃度區(qū)的鉻濃度，然后通過退火使鉻擴(kuò)散并使由離子注入產(chǎn)生的應(yīng)力及晶格位移得到松弛。
對(duì)于梨晶塊內(nèi)的鉻分布，也可換一種方式加以控制，即通過將鉻添加在熔體中以對(duì)在該梨晶塊內(nèi)的消耗進(jìn)行補(bǔ)充，或者通過其它變換生長方法的途徑。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例子，基質(zhì)材料是由Cr3+活化的釓鈧鎵石榴石(Gd2Sc2Ga3O12)。
例2這種材料的梨晶塊是按Czochralski法生長的，由于在該基質(zhì)材料內(nèi)鉻的熔析系數(shù)基本上為1，所以它具有均勻的鉻分布。這種材料具有的鉻濃度為0.18%(重量)的Cr2O3，而且所顯示的光輸出約為鎢酸鎘光輸出的200%。它的余輝約為2%，而且輻射損傷大小為12%。在對(duì)該材料在激光方面應(yīng)用所作的試驗(yàn)(并非我們的試驗(yàn))中，它的初始衰減時(shí)間被測定約為120μs。通過在1300℃至1500℃溫度下將閃爍體棒在氧化氣氛中(氬氣中～1%的O2)退火，可使該材料的余輝實(shí)質(zhì)上得到改善。在退火之后的光輸出基本上不變，而且余輝降低至約1%。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，此基質(zhì)材料是由Cr3+活化的釓鈧鋁石榴石(Gd3(Sc2Al3)O12)，簡稱GSAG。
例3這種摻雜有0.08%(重量)氧化鉻的材料的梨晶塊，是按Czochralski法生長的。該梨晶塊具有大體均勻的鉻分布，光輸出為鎢酸鎘光輸出的1.5倍，余輝為3.5～4%，由于來自強(qiáng)余輝造成的干擾而難以確定輻射損傷值，初始衰減時(shí)間為160μs。
由于含釓量能提供對(duì)X射線的強(qiáng)遏止能力，所以基質(zhì)材料GGG，GSGG及GSAG中的每一種對(duì)用作X射線系統(tǒng)中的閃爍體都是有利的。鉻激活劑之所以需要，因?yàn)樗芴峁└叩墓廨敵觯渌哂械陌l(fā)射峰在600nm至800nm范圍內(nèi)，如圖6中所示。這些材料對(duì)于肉眼看來基本上是不發(fā)光的，因?yàn)楣獾陌l(fā)射接近近紅外區(qū)。但是，如從圖9中表示的對(duì)于二極管光電探測器的靈敏度曲線看到的那樣，這里的峰值輸出是和二極管光電探測器的峰值靈敏度接近的，因而其輸出信號(hào)最強(qiáng)。
進(jìn)一步的基質(zhì)材料釔鋁石榴石(Y3Al5O12)，又稱為YAG。
例4這種基質(zhì)材料也是按Czochralski法生長而由0.85%(重量)氧化釹活化的，其所提供的光輸出基本上與鎢酸鎘提供的光輸出相等，所具有的初始衰減時(shí)間約為300μs，所顯示的輻射損傷為0.3%至0.7%，而且余輝為0.1～0.2%。這種閃爍體材料的主發(fā)射是在波譜紅外區(qū)內(nèi)的1060nm，超出光電探測器(其特征曲線表示在圖9中)最大響應(yīng)之外。然而眾所周知，大約有40%的發(fā)射能量是存在于發(fā)射波譜區(qū)內(nèi)400nm至630nm的一些較低的峰中，如圖10所示。
例5由0.33%(重量)的氧化鈰活化的釔鋁石榴石梨晶塊，是按Czochralski法生長的。該梨晶塊提供的光輸出大體為鎢酸鎘光輸出的153%，其所具有的初始衰減時(shí)間在60～70ns范圍內(nèi)，所顯示的輻射損傷在5～8%的范圍內(nèi)，余輝約為0.01%。這種閃爍體材料具有寬帶發(fā)射輸出，穿過480nm至約700nm的帶延伸，峰值在530nm附近，如圖11中所示。
在本說明書描述的每個(gè)實(shí)例中的閃爍體材料都是單晶的，然而人們將會(huì)認(rèn)識(shí)到，材料的發(fā)光性能乃是該材料本身的特性，只要為選取所發(fā)的光需要的透明性存在，則任何這種閃爍體材料以不同于單晶的形式出現(xiàn)，對(duì)于用作CT掃描機(jī)的閃爍體都是適合的。因而這些材料的陶瓷形式以及將這些材料夾在透明基質(zhì)材料中，對(duì)用作CT掃描機(jī)的閃爍體也都是合適的。
以多晶透明體的形式制備這些材料，已公開在題目為“透明的多晶石榴石”(申請(qǐng)?zhí)枮開，RD-20.202)和“空穴-陷阱補(bǔ)償?shù)拈W爍體材料”(申請(qǐng)?zhí)枮開，RD-20.194)的兩篇相關(guān)申請(qǐng)中。在這里，以濃度高達(dá)0.6%(重量)的氧化鉻激活的GGG，被證明是，有效的閃爍體。
盡管已對(duì)作為具有特定激活劑的具體基質(zhì)石榴石材料作過描述，然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明所圍繞的石榴石材料的應(yīng)用是帶普遍性的，具體說來，含釓、镥(Lu)或鐿(Yb)的石榴石(因其遏止X射線功率高)作為由鉻、鈰、釹或其它適當(dāng)?shù)募せ铍x子激活的閃爍體的基質(zhì)材料，能在電磁波譜的可見至近紅外區(qū)提供顯著的閃爍體輸出。根據(jù)本發(fā)明可以制做許多不同的閃爍體材料，而又合乎本發(fā)明相稱的范圍。
因此，我們指出，某些立方的釔和稀土石榴石材料，是由晶格結(jié)構(gòu)的八重配位及六重配位上的鉻、鈰及釹激活的，對(duì)于用在CT掃描系統(tǒng)中具有極好的X射線閃爍體性能。人們將會(huì)認(rèn)識(shí)到，這些材料的性能可以通過取代、熱處理等加以改變。特別是，由于X射線發(fā)光激勵(lì)是在兩個(gè)不同的結(jié)晶學(xué)位置使用三種不同激活劑已被證明，顯然，該基質(zhì)材料本身對(duì)用在CT掃描機(jī)的這類閃爍探測器中具有很好的特性。
因此，根據(jù)本發(fā)明的閃爍體材料，當(dāng)被用在如圖1所示的CT掃描系統(tǒng)中時(shí)，能夠?qū)υ撓到y(tǒng)的速度及分辨率作出實(shí)質(zhì)性改善，從而能對(duì)CT掃描技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)。
盡管本發(fā)明在此結(jié)合其一定的最佳實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但那些技術(shù)熟練的人們?cè)诖丝梢詫?shí)施許多調(diào)整和改變。因此，本發(fā)明予定以所附權(quán)利要求將屬于本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神和范圍的所有那些調(diào)整及改變包羅進(jìn)去。
權(quán)利要求
1.一種X射線閃爍體，包括一個(gè)石榴石基質(zhì)材料的透明棒；所述石榴石基質(zhì)材料有根據(jù)基質(zhì)結(jié)構(gòu)分布的激活劑，所述閃爍體選自釓鎵石榴石、釓鈧鎵石榴石和釓鈧鋁石榴石(其中每種石榴石都是由鉻激活的)以及由鈰或釹激活的釔鋁石榴石組中。
2.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的石榴石基質(zhì)材料是單晶。
3.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的石榴石基質(zhì)材料是釓鎵石榴石，而且所述的激活劑是鉻。
4.如權(quán)利要求3所述的閃爍體，其特征在于所述的鉻存在的濃度，為在總閃爍體組分中0.05%(重量)至0.6%(重量)的氧化鉻。
5.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的石榴石基質(zhì)材料是釓鈧鎵石榴石，而且所述的激活劑是鉻。
6.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的石榴石基質(zhì)材料是釓鈧鎵鋁石榴石，而且所述的激活劑是鉻。
7.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的石榴石基質(zhì)材料是釔鋁石榴石，而且所述的激活劑是鈰。
8.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的石榴石基質(zhì)材料是釔鋁石榴石，而且所述的激活劑是釹。
9.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于該閃爍體在X射線激勵(lì)下的初始衰減時(shí)間小于500μs，而且在X射線激勵(lì)停止后100ms時(shí)的余輝小于0.2%。
10.如權(quán)利要求9所述的閃爍體，其特征在于該閃爍體的主要光譜峰在650nm至800nm之間。
11.如權(quán)利要求10所述的閃爍體，其特征在于在其所發(fā)光中至少70%的能量集中在650nm至850nm的光譜區(qū)內(nèi)。
12.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于該閃爍體的主要光譜峰在650nm至800nm之間。
13.如權(quán)利要求12所述的閃爍體，其特征在于在其所發(fā)光中至少70%的能量集中在650nm至800nm的光譜區(qū)內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1所述的閃爍體，其特征在于所述的激活劑是鉻，而且所述鉻存在的濃度，為在總閃爍體組分中0.05%(重量)至0.6%(重量)的氧化鉻。
15.如權(quán)利要求14所述的閃爍體，其特征在于所述鉻濃度為0.05%(重量)至0.22%(重量)之間。
16.一種X射線閃爍探測器元件，包括一個(gè)由石榴石基質(zhì)材料(選自釓、鐿和镥石榴石)構(gòu)成的固態(tài)透明體，并包括有激活劑(選自鉻和釹)，以響應(yīng)X射線激勵(lì)而發(fā)光;配置一個(gè)光電探測器，以接收來自上述透明體所發(fā)的光;用來將所發(fā)的光反射向上述二極管探測器的裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的閃爍探測器元件，其特征在于所述的發(fā)光材料，所具有的發(fā)光輸出大于50%的能量，是在比700nm長的波長上。
18.如權(quán)利要求16所述的閃爍探測器元件，其特征在于所述的基質(zhì)材料是釓石榴石，而且所述的激活劑是鉻。
19.如權(quán)利要求18所述的閃爍元件，其特征在于所述的基質(zhì)材料選自釓鎵石榴石、釓鈧鎵石榴石及釓鈧鋁石榴石組中。
20.一種用來提供非常均勻響應(yīng)的閃爍探測系統(tǒng)，包括多個(gè)閃爍體探測元件;上述每個(gè)閃爍探測元件都包括一個(gè)光電響應(yīng)探測器，用來將所發(fā)的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而且上述每個(gè)閃爍體探測元件都包括釓、鐿或镥石榴石基質(zhì)材料，而且包括遍及上述石榴石基質(zhì)結(jié)構(gòu)分布的鉻或釹發(fā)光激活劑。
21.如權(quán)利要求20所述的閃爍探測器系統(tǒng)，其特征在于所述的閃爍探測元件，基本上是線性排列的。
22.如權(quán)利要求20所述的閃爍探測器元件，其特征在于所述的發(fā)光材料，所具有的發(fā)光輸出大于50%的能量，是在比700nm長的波長上。
23.如權(quán)利要求20所述的閃爍探測器元件，其特征在于所述的基質(zhì)材料是釓石榴石，而且所述的激活劑是鉻。
24.如權(quán)利要求23所述的探測元件，其特征在于所述的基質(zhì)材料，選自釓鎵石榴石、釓鈧鎵石榴石及釓鈧鋁石榴石組中。
25.在一類利用X射線發(fā)光材料將入射的X射線輻射轉(zhuǎn)換為可見或近可見輻射的系統(tǒng)中，所作的改進(jìn)包括所述的X射線發(fā)光材料是具有通式A3B5O12的石榴石，其中在任何給定的組份中，A或B或者兩者可以包括不只一個(gè)元素;所述的石榴石是由激活劑激活的，而激活劑選自位于六重B陽離子位置的Cr3+離子及位于八重A陽離子位置的Nd3+離子組中。
26.如權(quán)利要求25所述的改進(jìn)，其特征在于所述的石榴石是稀土石榴石，其中的A陽離子或其一部分是稀土元素離子。
全文摘要
所選的閃爍體材料是以透明塊的形式提供的，用在如CT掃描系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)中，利用的是為提供所需發(fā)光的激活劑離子的石榴石基質(zhì)材料。該石榴石基質(zhì)材料最好包括釓作為其組份之一，以便以棒的形式提供具有高X射線(被檢測的輻射是X射線輻射)遏止功率的透明基質(zhì)材料。鉻、鈰及釹是優(yōu)選的激活劑材料。
文檔編號(hào)G01T1/202GK1057664SQ91104320
公開日1992年1月8日 申請(qǐng)日期1991年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月29日
發(fā)明者查爾斯·D·格雷斯科維奇, 威廉·P·明尼爾, 約瑟夫·P·切諾奇, 戴維·M·霍夫曼, 羅伯特·J·里德納 申請(qǐng)人:通用電氣公司