闪烁器合成物,物品及相关方法

专利名称：闪烁器合成物,物品及相关方法
技术领域：
本发明包括涉及辐射探测器领域的实施例.实施例可以包括用于 辐射探测器的闪烁器合成物.实施例可以包括获得和/或利用闪烁器 合成物的方法.
背景技术：
辐射探测器可以探测特征在于大于大约lkeV的能级的伽玛射 线，X-射线，宇宙射线和微粒.闪烁器晶体可以用于这种探测器。 在这些探测器中，闪烁器晶体可以与光电探测器輛接，比如光电探 测器.当来自放射性核素源的光子冲击晶体时，晶体可以响应发射 光。光电探测器可以探测光发射.响应地，光电探测器可以产生电 信号.电信号可以成比例于接收的光发射的数量，并且进一步可以 成比例于光发射强度。闪烁器晶体可以用于医学成像设备，例如正 电子发射层析X射线摄影(PET)装置；以及用于石油和煤气工业的 测井工具；以及其他数字成像应用.
比如正电子发射层析X射线摄影(PET)的医学成像设备可以采 用具有以SI形阵列布置的多个像素的闪烁器晶体探测器.每一个像 素可以包括耦接至光电倍増器管的闪烁器晶体单元.在PET中，利 用放射性同位素可以标记具有对特定器官的期望的生物活性或亲和 性的化学示踪化合物.通过发射正电子可以表变同位素.发射的正 电子可以与电子相互作用，并且可以提供两个511 KeV光子(伽玛 射线)。同步发射两个光子，并且这两个光子沿几乎完全相反的方 向行进，穿过周围的组织，离开病人的身体，并且被探测器吸收和 记录。通过测量探测器中两个点处两个光子的到达时间的轻微差 别，可以计算目标内正电子发射的位置.自然地，正电子发射与同 位素的位置一致，并且与通过同位素标记的组织或器官的位置一 致.该时间差测重的限制可以包括闪烁器合成物的制动功率，光输 出和衰变时间.
用于闪烁器合成物的另一个应用是在测井工具中。这种情况中的
探测器捕获来自地质层组(geological formation)的辐射，并将 捕获的辐射转换成可探测的光发射.光电倍增器管可以探测发射的 光。光发射可以转换成电脉冲.闪烁器合成物以及相关的硬件必须 在高温，以及在粗糙的冲击和振动条件下运行，核成像装置会遇到 高温和高辐射级.
可以期望具有闪烁器合成物和采用闪烁器合成物的物品，该闪烁 器合成物具有不同于当前可利用的那些的一个或多个特性和特征， 可以期望具有获得和/或利用不同于当前可利用的那些的闪烁器合 成物的方法，

发明内容
在一个实施例中，提供一种闪烁器合成物.该闪烁器合成物可以 包括具有至少一个镧系元素离子和至少一个卣根离子的基质 (matrix)，以及掺杂剂.该掺杂剂可以包括布置于基质中的三价 铈活化剂离子，以及布置于基质中的三价铋活化剂离子.
在一个实施例中，提供一种闪烁器合成物，该闪烁器合成物包括 基质形成材料，镧系元素卣化物前体和掺杂剂的反应产物.该掺杂 剂包括三价铈活化剂离子前体和三价铋活化刑离子前体.
在一个实施例中，提供一种晶片.该晶片包括依据本发明的实施 例的闪烁器合成物.在一个实施例中，物品包括该晶片.
在一个实施例中，提供一种用于探测高能辐射的辐射探测器.该 辐射探测器可以包括由闪烁器合成物形成的闪烁器元件.该闪烁器 合成物可以包括基质，该基质包括镧系元素卤化物。该镧系元素卣 化物可以包括至少一个镧系元素离子和至少一个卣根离子.此外， 闪烁器合成物可以包括具有布置在基质中的三价铈活化剂离子和布
置在基质中的三价铋活化剂离子的掺杂剂。
在一个实施例中，提供一种制造闪烁器合成物的方法，该方法包 括按照比率接触至少一个镧系元素离子前体和至少一个卣根离子前 体，三价铈活化刑离子前体和三价铋活化剂离子前体，以便形成混 合物，该混合物可被加热至某一温度，以便形成熔融合成物.该熔 融合成物可以冷却，以便形成结晶闪烁器合成物.另一种方法包括 依据本发明的实施例暴露闪烁器合成物于辐射源，
在一个实施例中，提供一种闪烁器合成物。该闪烁器合成物可以 包括基质形成材料，镧系元素卣化物前体以及包括三价钟活化剂离 子前体和三价铋活化剂离子前体的掺杂剂的反应产物.


考虑到详细的说明和附图，这些和其他特征以及方面可以显而易 见，其中类似的参考数字表示从附图至附图相同、或基本相同的部 分。
困l和2是描述了依据本发明的实施例用于制造闪烁器合成物的 示范性方法的流程图3是采用依据本发明的实施例的闪烁器合成物的示范性的基
于辐射的成像系统的图解表示；
图4是采用依据本发明的实施例的闪烁器合成物的示范性的正 电子发射层析X射线摄影成像系统的图解表示；
图5是用于依据本发明的实施例的正电子发射层析X射线摄影成 像系统的辐射探测器的示范性的闪烁器环的前视图。
具体实施例方式
本发明包括涉及辐射探测器领域的实施例.实施例可以包括用于 辐射探测器的闪烁器合成物.实施例可以包括包含该闪烁器合成物 的晶片，包括该晶片的物品，以及制造和/或利用闪烁器合成物，晶 片和/或物品的方法.
如于此使用的，光输出指的是在通过X-射线或伽马射线的脉冲 激发之后通过闪烁器合成物发射的光的数量.除非另外指出，光指 的是可见光.衰变时间指的是为了在辐射激发停止之后减小至规定 的一小部分光强度而需用于通过闪烁器发射的光的强度的时间，余 辉指的是在辐射激发停止之后在规定时间(例如100毫秒)处通过 闪烁器发射的光强度.当通过辐射激发闪烁器时，余辉可以作为发 射的光的百分比被报告.制动功率指的是材料吸收辐射的能力，并 且可被称作材料的X-射线吸收或X-射线衰减.衰减长度指的是材料 内部的距离，在通过材料吸收光子的能量之前，其光子不得不传播. 能量分辨率指的是用以区别具有类似的能级的能量射线(例如伽玛
射线)的輻射探测器能力.如于此使用的，术语"固溶体"指的是 固体、结晶形式的卤化物的混合物，其可以包括单相或多相.闪烁 器是吸收高能量(电离)电磁或带电粒子辐射和响应特征(较长的) 波长处的荧光光子的装置或物质.基质指的是闪烁器合成物的材 料，其具有相对于存在于闪烁器合成物中的其他材料的较高的体积 分数，掺杂剂指的是两个或更多个活化剂离子，其可以在基质中被 替代或者在基质中被利用原子能分散.通过吸收合适波长的辐射，
活化剂离子被升高至激发状态，并且通过发射辐射而返回至基态，z (有效的)是通过电子察觉的核上的正电荷的量。
可以应用近似语言，如于此贯穿说明书和权利要求使用的，以便 修饰可允许改变的任何定量表示，而不导致其涉及的基本功能的改 变，因此，通过比如大约的一个或多个术语修饰的值，可以不局限 于所指定的精确值.在至少一些情况中，近似语言可以对应于用于
测量该值的工具的精确度.类似地，自由(free)可以用于組合术 语，并且可以包括无实质的数量，或痕量，同时仍被认为不受修饰 术语的影响.
依据本发明的实施例的闪烁器合成物可以包括具有至少一个镧 系离子和至少一个卣根离子的基质.该闪烁器合成物可以进一步包 括掺杂剂.该掺杂剂可以包括被设置于基质中的三价铈活化剂离 子，以及被设置于基质中的三价铋活化剂离子.
通过电子的吸收和由于特定波长的光子激发能量的释放，活化剂 离子可以产生发光。活化剂离子发光又可以激发闪烁器离子，并引 起闪烁器离子发射光，因此，有时可以期望具有活化剂离子和闪烁 器离子的组合，其是相互友好的.例如，比如铋的活化剂离子可以 有助于能量从电荷栽体至闪烁器离子的传输.
可以根据具体因素选择存在于闪烁器合成物中的掺杂剂的总 量.这些因素可以包括例如使用的特定面化物-镧系元素基质；期望 的发射特性和衰变时间；以及闪烁器合成物被并入的探测装置的类 型，
闪烁器合成物可以包括作为镧系元素离子的镥.镧系元素离子可 以包括小于大约70摩尔百分比的镥。在一个实施例中，镧系元素离 子可以包括在从大约50摩尔百分比至大约70摩尔百分比，众大约
70摩尔百分比至大约90摩尔百分比，或从大约90摩尔百分比至大 约100摩尔百分比的范围内的量的傳.在一个实施例中，镧系元素 离子可以基本上由镥构成.
闪烁器合成物可以包括与一个或多个其他镧系元素离子结合的 镥的量。其他合适的镧系元素离子可以包括钪、钇、轧、镧、镨、 铽、铕、铒、镱的一个或多个，或其两个或更多个的组合，
合适的由根离子可以包括氣、氯、溴、碘的一个或多个.碘可以 以在大于大约95摩尔百分比的范围内的量存在.在一个实施例中， 闪烁器合成物可以包括在从大约80摩尔百分比至大约85摩尔百分 比，从大约85摩尔百分比至大约95摩尔百分比，或从大约95摩尔 百分比至大约IOO摩尔百分比的范围内的量的硤。
在一个实施例中，囟根离子可以包括碘，并且可以与象、氯、溴 的一个或多个组合，氣、氯、溴可以以在大于存在于闪烁器合成物 中的面根离子的总量的大约50摩尔百分比的范围内的量存在。在一 个实施例中，该量可以在从大约5摩尔百分比至大约15摩尔百分 比，从大约15摩尔百分比至大约25摩尔百分比，从大约25摩尔百 分比至大约50摩尔百分比，或者大于存在于闪烁器合成物中的卣根 离子的总量的大约50摩尔百分比的范围内.
基质材料可以包括镧系元素和卣根离子的混合物.在一个实施例 中，基质材料可以包括一个或多个镧系元素卣化物的混合物的固溶 体，多个不同的镧系元素囟化物可以用于闪烁器合成物.该混合物 可以包括碘化镥.在一个实施例中，氯化镧、氣化锎或澳化镧也可 以用于与碘化镨结合。在一个实施例中，该混合物可以基本上由缺 化镥构成。除了硖化镥之外，该混合物也可以包括氯化钆、氯化钇、 或同时包括两者.合适的镧系元素由化物的其他不限制的例子包括 氯化镥、溴化镥、氯化钇、溴化钇、氣化钆、溴化钆、氣化镨、溴 化镨，以及其两个或更多个的混合物.氯化镥和溴化傳的组合可被 用作基质材料.氯化镥和溴化镥的比率可以是在大约1: 99至大约 99: 1的范围内的摩尔比.作为用于该组合的有用比率的具体例子， 氯化镥对溴化镥的摩尔比可以在从大约10: 90至大约90: 10，从大 约15: 85至大约30: 70，从大约30: 70至大约50: 50，从大，50: 50至大约70: 30，从大约85: 15至大约90: 10，以及小于大约90:
10的范围内.其他组合可以具有与关于氯化镨和溴化镥所公开的相
同的摩尔比.
两种化合物的具体比率可以基于闪烁器合成物的期望特性.这些 特性可以包括例如光输出和能量分辨率，上升时间，衰变时间，制 动功率，或其两个或更多个的组合.具有高制动功率的闪烁器合成
物可以允许少量或不允许入射辐射通过，比如伽玛辐射.该制动功
率可以直接与闪烁器合成物的密度相关.在一个实施例中，闪烁器 合成物可以具有高密度，其在理论最大密度附近.更高的光输出可
以降低需用于期望的最终用途的入射辐射的量.因此，在比如PET 的应用中，病人可被暴露于相对较低剂量的放射性材料，较短的衰 变时间可以减小扫描时间，导致更有效地使用PET系统和更好地观 察身体器官的运动.较高的制动功率可以减小需用于最终用途的闪 烁器合成物的数量.较薄的探测器具有减小数量的材料和较低的制 造成本.较薄的探测器可以减小发射的光的吸收.
卣化物的混合物的反应产物可以导致具有相对增加的光输出响 应的闪烁器合成物，在一个实施例中，闪烁器合成物的光输出可以 在从每毫电子伏特大约45000光子至每毫电子伏特大约10000光 子，从每毫电子伏特大约10000光子至每毫电子伏特大约50000光 子，从每毫电子伏特大约50000光子至每毫电子伏特大约100000光 子，或者大于每毫电子伏特大约100000光子的范围内.
如上面讨论的，闪烁器合成物可以包括掺杂剂.该掺杂剂可以包 括铈活化剂离子和铋三价活化剂离子，掺杂剂的选择和存在于闪烁 器合成物中的掺杂剂的量可以取决于多种因素，比如使用的具体镧 系元素卣化物基质，期望的发射特性和衰变时间，余辉，和/或闪烁 器被并入的探测装置的类型.由于铈离子的衰变时间可以在纳秒范 围内，并且因为铋离子可以有助于铈离子的激发能量的传输，这种 闪烁器合成物可以具有在纳秒范围内的衰变时间，
在一个实施例中，根据基质中掺杂剂的总摩尔，闪烁器合成物中 掺杂剂的量可以在从大约0. 1摩尔百分比至大约1摩尔百分比，从 大约l摩尔百分比至大约5摩尔百分比，从大约5摩尔百分比至大 约10摩尔百分比，从大约IO摩尔百分比至大约15摩尔百分比，从 大约15摩尔百分比至大约20摩尔百分比，或大于大约20摩尔百分 比的范围内.
根据掺杂剂的总百分比，三价钸活化剂离子可以以在从大约百分
之O. l至大约百分之O. 5,百分之O. 5至大约百分之2，从大约百分 之2至大约百分之5，从大约百分之5至大约百分之8，从大约百分 之8至大约百分之10，或大于大约百分之IO的范围内的量存在.根 据掺杂剂的总百分比，三价铋活化剂可以存在于在从百分之0.1至 大约百分之O. 5，百分之O. 5至大约百分之2，从大约百分之2至大 约百分之5，从大约百分之5至大约百分之8，从大约百分之8至大 约百分之10的范围内的量的活化剂离子中.根据得到的闪烁器合成 物的期望的特性，比如制动功率，可以采用两个活化剂离子的相对 量。根据Z (有效的)可以测量闪烁器合成物的制动功率。例如，硖 化镨(LuL)的Z (有效的)可以是61，而Luu。Bi。.2。L的Z (有效的) 可以是63.
铈和铋共同掺杂的闪烁器合成物可以显示相比于仅铈或仅铋掺 杂的闪烁器合成物的更高的能量分辨率.如提到的，铋离子可以有 助于铈离子的激发能量至基质材料的传输.
在一个实施例中，闪烁器合成物的能量分辨率可以小于大约百分 之2.5.在另一个实施例中，闪烁器合成物的能量分辨率可以在从大 约百分之2.5至大约百分之5，从大约百分之5至大约百分之6，或 者从大约百分之6至大约百分之7，或者大于大约百分之7的范围 内。
根据其预期的最终用途，可以以几种不同的形式制备闪烁器合成 物.例如，闪烁器合成物可以采用单晶体(也就是"单晶")形式 或多晶形式.在一个实施例中，单晶闪烁器合成物可以包括一个以 上的晶粒。通过小角度晶粒间界可以描绘单晶中的晶粒的轮廓，由 于通过小角度晶粒间界上杂质的散射，其可以在单晶的表面处显 现，或者可以在强照明下变明显.具有少许晶粒间界的单晶有时可 以被称作"准单晶".
单晶可以用于高能量辐射探测器，例如用于伽玛射线的那些.单 晶可以具有相比于多晶闪烁器合成物的发射区域中的不同的光学透 明度.单晶透明度可以允许发射辐射有效逃逸.此外，比如晶粒间 界的散射中心的存在可以导致相对较高的光输出。单晶可以用于成
像系统，比如PET，其中入射于闪烁器合成物上的辐射的量可以是相 对低的.
在一个实施例中，单晶闪烁器合成物的晶体尺寸可以在从大约1 厘米xl厘米至大约3厘米x3厘米，从大约3厘米x3厘米至大约7 厘米x 7厘米，或从大约7厘米x 7厘米至大约10厘米x 10厘米， 或者大于大约lO厘米xlO厘米的范围内.
可替代地，闪烁器合成物可以采用多晶形式.该多晶形式可以由 多个微晶或晶粒形成，其可以被晶粒间界分离.在一个实施例中， 该多晶形式的微晶尺寸可以在从大约1微米至大约5微米，从大约5 微米至大约IO微米，从大约IO微米至大约15微米，从大约15微 米至大约20微米，或者大于大约20微米的范围内。
在一个实施例中，通过利用干燥工艺，闪烁器合成物可以被制备 为粉末形式.该工艺包括制备包含确定比例的成分的合适粉末混合 物的步骤。在一个实施例中，可以以粉末形式提供卣化物反应物.
在闪烁器合成物中采用的闪烁器合成物的密度可以在大于每立 方厘米大约6克的范围内.在一个实施例中，闪烁器合成物的密度 可以在从每立方厘米大约4.5克至每立方厘米大约5克，或者从每 立方厘米大约5克至每立方厘米大约6克的范围内。
通过利用玛瑙研钵和研杆可以实施反应物的混合，可替代地，可 以使用混合器或粉碎设备，比如球磨机，球磨器，锤磨机或喷磨机.
根据兼容性和/或溶解度，在磨制过程中，庚烷或比如乙醇的酒 精有时可以被用作液体媒介物(liquid vehicle).磨制介质可被 选择成减小闪烁器合成物中的污染物，没有污染的磨制介质可以用 于保持闪烁器合成物的高光输出能力.
在混合之后，在足以将混合物转换成固溶体的温度和时间条件下 焙烧该混合物.这些条件将部分地取决于使用的基质材料和活化剂 的具体类型.可以在马弗炉(muffle furnace)中实施焙烧，所处 的温度在从大约500摄氏度至大约600摄氏度，从大约600摄氏度 至大约700摄氏度，从大约700摄氏度至大约800摄氏度，从大约 800摄氏度至大约900摄氏度，或大于大约900摄氏度的范围内。焙 烧时间可以在从大约15分钟至大约1小时，从大约1小时至大约2 小时，从大约2小时至大约4小时，从大约4小时至大约5小时，
从大约5小时至大约7小时，从大约7小时至大约10小时，或大于 大约10小时的范围内.
可以在无氧和无水(或无湿气)的气氛中实施焙烧.无氣环境的 例子可以包括一个或多个惰性气体.惰性气体可以包括氮、氦、氖、 氫、氪和氙的一个或多个.在完成焙烧之后，可以磨碎得到的材料， 以便使闪烁器成为粉末形式.
在一个实施例中，可将焙烧温度选择成使闪烁器合成物是固溶 体，固溶体可以产生闪烁元件，其具有均匀的成分，期望的折射率， 贯穿该闪烁元件的折射率的均匀性以及相对较高的光榆出，
反应物和处理条件可被选择成产生单晶，在单晶形成工艺下，反 应物在足够高以便形成熔融成分的温度下熔化。熔化温度可以取决 于反应物自身的同一性.合适的熔化温度可以在大约650摄氏度至 大约800摄氏度，从大约800摄氏度至大约950摄氏度，从大约950 摄氏度至大约1050摄氏度，或大于大约1050摄氏度的范围内。在
具有基于铈和铋的活化剂离子的镧系元素由化物的情况中，熔化温 度可以在从大约750摄氏度至大约1050摄氏度的范围内。
在一个过程中，将用于期望的闪烁器合成物的籽晶导引入饱和溶 液.合适的坩锅包括该溶液和用于闪烁器合成物的合适的前体.通 过利用晶体生长方法，比如布里兹曼斯托克巴杰(Bridgman-Stockbarger)法，柴可拉斯基(Czochralski )法，区熔化法，浮 动区法或温度梯度法，结晶材料被允许生长，并添加至籽晶.如此 形成的单晶闪烁器合成物的尺寸、形状、表面特性、成分，结晶度 部分取决于其期望的最终用途，例如其中单晶闪烁器合成物将被并 入的辐射探测器的类型.辐射探测器可以可採作地与屏幕闪烁器相 关联.辐射探测器可以采用轻便的外壳和能量存储装置，其一起被 定尺寸、称重量并被配置成使得通过单个人可以便携该辐射探测 器.
如上面讨论的，可以退火该压缩的形状，以便平衡活化剂离子至 确定的价态，从而增加光输出和减小吸收.铈可以是活化剂，并且 可将退火气氛和温度保持成将铈平衡为3+价态。处于3+价态的铈充 当活化剂离子，在有合适波长的辐射的情况下产生光.
在切割成为比如杆形(rod)、立方体、长方体、梯形、锥形或
其他几何形状的期望形状之后，可以抛光在处理单晶之后形成的闪 烁元件.闪烁器合成物的再结晶可以允许漏光结构的净形状制备， 比如在长距离纤维光学中找到应用的杆或纤维，闪烁元件可以被涂 敷反射器材料，以便形成探测器元件，在一个实施例中，反射器材 料可以包括由化聚烯烃，比如聚四氣乙烯.例如反射器材料可以被 应用至闪烁元件的阵列中的各个闪烁元件上，以便减小元件之间光 的串扰.此外，然后可以在辐射探测器系统中采用闪烁元件的涂敷 阵列.
通过生长为晶块(boule)或锭块以及切割或切片，或通过在回 流温度下挤压或烧结，闪烁器合成物可以被形成为晶片.在一个实 施例中，该晶片可以是连续的膜或片.在另一个实施例中，该晶片 可以是不连续的膜或片.不连续的晶片可以具有彼此分离、绝缘或 间隔的几个子部分。例如，不连续的晶片可以是几个像素或像素元 件的组合.在晶片的沉积过程中，通过部分地掩蔽衬底可以形成所 述像素.在比如PET的应用中，可以将这些像素定成相等的尺寸. 不连续晶片的每一个像素可以形成各个探测器元件.在连续晶片的 情况中，可以将晶片切割或分成多个像素，以便形成探测器元件的 阵列，连续或不连续晶片的像素可被涂敷反射器材料，以便形成探 测器元件。例如，反射器材料可以被施加于像素的阵列中的各个像 素上。此外，然后可以在辐射探测器系统中采用像素的涂敷阵列.
可以由衬底支持该晶片.可替代地，该晶片可以形成为独立的自 立层.在一个实施例中，该晶片可以具有均匀的厚度.在另一个实 施例中，该晶片可以具有一个区域相对于另一个区域不同的厚度， 该晶片可以具有小于大约5毫米的平均厚度.在一个实施例中，该 晶片可以具有在从大约5毫米至大约7.5毫米，从大约7.5毫米至 大约1厘米，从大约1厘米至大约2厘米，从大约2厘米至大约3 厘米，或大于大约3厘米的范围内的平均厚度。可以根据关于闪烁 成分的制动功率的期望能量响应选择晶片的厚度.在一个实施例 中，该晶片可以具有平坦表面.在另一个实施例中，该晶片可以具 有弓形、弯曲或变形(de-shaped)的表面.
在比如正电子发射层析X射线摄影(PET)的应用中可以采用闪 烁器合成物，该正电子发射层析X射线摄影(PET)是一种医学成像
技术，其中放射性物质被赋予病人，然后通过探测放射性同位素的
衰变的设备在病人的身体内被跟踪。在PET中，利用通过发射正电 子衰变的放射性同位素标记对特定器官具有期望的生物活性或亲合 性的化学示踪化合物.在有生命的组织中行进仅几毫米之后，发射 的正电子损失其大部分的动能.正电子易于与电子相互作用，易受 湮灭两种微粒的亊件的影响.两个微粒(正电子+电子)的质量被转 换成1. 02兆电子伏特(1. 02毫电子伏特)的能量，并在两个511 KeV 光子(伽玛射线)之间被等分，同时发射两个光子，并且这两个光 子在几乎完全相反的方向上行进.这两个光子穿过周围的组织，离 开病人的身体，并且被以圃形阵列布置的光电探测器吸收和记录. 跟踪从病人的身体发射至探测器的辐射的源可以在调查研究下评估 器官内的生物活性.
作为临床成像技术的PET的经济价值可以涉及光电探测器的性 能.每一个光电探测器包括闪烁器单元或像素.闪烁器单元或像素 可以耦接至一个或多个光电倍增器管。闪烁器单元在两个点处产生 光，其中511 KeV光子沖击闪烁器单元.通过对应耦接的光电倍增 器管感测由这两个闪烁器单元产生的光，闪烁器单元上光子的近似 同步的相互作用指示沿着接合相互作用的两个点的线存在正电子湮 灭。光电倍增器管响应产生的光产生电信号.通过测量闪烁器单元 中两个点处两个光子的到达时间(飞行时间)的轻微差別，可以计 算正电子的位置。处理来自光电倍增器管的电信号，以便产生病人 的器官的图像。
在比如人类或动物的有生命的对象的情况中，在对象内控制放射 性物质的最小量，以便减小放射性同位素的不利作用.该最小量可 以足以产生可探测量的较小能量光子.然而，较小能量光子可以需 要具有充分高灵敏度，密度和发光效率的闪烁器合成物。此外，在 输入辐射的强度的确定过程中，短的衰变时间可以减小结合时间， 从而可以提高用于图像的产生和/或投影的图像比率.结果，可以减 小人为产物(artifact)的出现，比如影像.此外，可以对病人减 少检查时间，因为在较短的时间周期中可以测量更多的单个图像. 制动功率涉及闪烁器合成物的密度.具有高的制动功率的闪烁器合 成物允许少量或没有辐射通过，并且这是有效地捕获辐射方面的显 著优点.
较短的衰变时间可以有助于伽玛射线的有效的符合计数.因此， 较短的衰变时间可以减小扫描时间.减小的余辉可以削尖在闪烁器 单元处的图像.在一个实施例中，减小的余辉可以没有困像人为产 物(重象).如上面讨论的，制动功率涉及闪烁器合成物的密度. 在一个实施例中，闪烁器合成物具有允许少量或没有辐射通过的制 动功率，并且可以有效地捕获入射辐射.
大约4纳秒的时序分辨率将光子限制至50厘米见方的区域.因 为50厘米见方是大约平均人体的尺寸，因此大约为4的时序分辨率 提供关于身体中湮灭点的位置的少量信息.大约0.5纳秒的时序分 辨率将光子限制至大约5厘米见方的区域.包括公开的闪烁器合成 物的探测器元件的实施例具有相对快速的上升时间，快速的衰变时 间和高光输出.该上升时间可以小于大约4纳秒。在一个实施例中， 该上升时间可以在从大约10—n秒至大约10—"秒，从大约1(T"秒至大 约10—9秒，从大约10—9秒至大约l(T秒，或小于大约10—"秒的范围 内.包括闪烁器合成物的探测器元件的衰变时间可以小于大约50纳 秒，在一个实施例中，该衰变时间可以在从大约20纳秒至大约30 纳秒，从大约30纳秒至大约40纳秒，从大约40纳秒至大约50纳 秒的范围内.包括闪烁器合成物的探测器元件的密度允许闪烁器合 成物的晶片的减小的厚度.该减小的厚度可以允许包括闪烁器合成 物的探测器元件中光子的减小的散射。
在飞行时间(TOF)辐射探测器中可以采用闪烁器合成物.TOF 探测器的功效的示范性测量是每单位时间光子的数量密度.TOF指的 是光子从身体中它们的源至PET扫描器的闪烁器环的过渡.在TOF 探测器中，通过探测器环或闪烁器环的探测器进行的光子的探测导 致电时间窗的开口，在该过程中，在探测器环的其他探测器处进行 的光子的探测导致符合事件的计数.不仅在时间窗内探测到的光子 而且两个光子之间的飞行时间的差被测量并且用于评估沿着线的湮 灭点的更可能的位置.这可以减小信噪比，并且可以提高困像质量， 以充分好的时序分辨率测量从相同的正电子发射的两个光子的到达 时间的轻微差别可以确定在沿着线的什么地方，在对象中初始定位 正电子.
尽管关于PET成像系统描述了闪烁器合成物，但是该闪烁器合成 物可以用于得益于类似特性的其他应用.例如，该闪烁器合成物可 以是井下的(downhole)探测器或测井工具。
测井工具可以包括辐射探测器组件.该辐射组件可被设置于工具
外壳中，或辆接至工具外壳，该工具外壳是钻凿或钻孔组件.该辐 射探测器组件采用通过光学界面光学耦接在一起的闪烁器合成物和 光传感装置(例如光电倍增器管)，光传感装置将从闪烁器合成物 发射的光光子转换成通过相关的电子设备被定形和数字化的电脉 冲.该探测器组件捕获来自周围地质层组的辐射。该辐射可被转换 成光.产生的光传输至光传感装置.该光脉冲转换成电脉冲.闪烁 器合成物，光传感装置和光学界面可被密封于探测器外壳内部.该 光学界面包括耦接至探测器外壳的窗.该窗有助于辐射引起的闪烁 光从探测器外壳传出，以便通过光传感装置进行测量.该光学窗可 以由对于通过闪烁器合成物释放出的闪烁光透射的材料制成.探测 器外壳可以由金属制成，比如不锈钢或铝.探测器电缆连接该探测 器组件至电源和数据处理电路.基于来自光电倍增器管的脉冲的数 据可被经由"通气孔"传送至分析设备和数据处理电路。可替代地， 可以在井下局部存储该数据.数据处理单元电耦接至操作者工作 站。搮作者工作站耦接至输出装置.
有时在钻井的同时可以获得和传送数据，也就是"钻井的同时测 量"(MWD).测井工具中的闪烁元件可以在高温下以及在粗糙的沖 击和振动条件下起作用。闪烁器合成物可以具有先前讨论的一个或 多个特性，例如高光输出和能量分辨率，以及快速的衰变时间。闪 烁器合成物适合适用于约束空间的包装.已经显著地提高了可接受 的特性的阈值，因为钻井是在深得多的深度处进行的.在另一个实 施例中，该设备可被配置成用作核成像装置.
图1是描述了用于制造闪烁器合成物的一个示范性过程10的流 程图.如所示的，该过程IO开始于提供确定量的闪烁器合成物的前 体的混合物(方块12)，以及一个或多个添加剂.该混合物经受研 磨处理，比如球磨研磨.该混合物被设置于坩埚中，并被加热至大 于该混合物的熔点的温度.以便将该混合物转换成熔化的闪烁器合 成物(方块14).在环境压力下实施加热，随后，提拉熔化的闪烁
器合成物通过受控的温度梯度，以便形成单晶(方块16).可选地， 如此形成的单晶可被切割成期望的形状，并被后处理.合适的形状 包括晶片，并且后处理可以包括抛光、研磨和表面平面化.
图2是描述了依据本发明的实施例制造闪烁器合成物的示范性 过程18的流程图.该过程18提供闪烁器合成物的前体混合物(方 块20)。该前体混合物可被压缩成期望的形状(方块22).在一些 情况中，该压缩的形状可被烧结，以便使该紧凑形式致密(方块24). 在大约IO"乇的面素分压下执行烧结.在方块26处，在压力下热处 理如此形成的形状，以便减小该形状的多孔性.在方块28处，退火 该形状，以便均衡活化剂离子至增加光输出和减小吸收的价态.铈 是活化剂，并且保持退火气氛和温度，以便均衡钸至3+价态.
参照图3，描述了在辐射探测器36中采用闪烁元件32和光子探 测器34的成像系统30,光子探测器34探测通过闪烁元件32产生的 光子.光子探测器34包括光电二极管.光电二极管将光子转换成相 应的电信号.光子探测器34可被辆接至光电倍增器管，以便增强通 过光子探测器34产生的电信号.成像系统30处理这些电信号，以 便在对象38内构建内部特征的图像，准直仪37可以准直朝向辐射 探测器36被导引的射束.准直可以增强辐射探测器36上入射光的 吸收百分比.
辐射探测器34耦接至探测器获取电路40.该获取电路40控制 在光子探测器34中产生的信号的获取.辐射探测器34包括光电倍 增器管，光电二极管，电荷辆合装置(CCD)传感器和图像增强器. 成像系统30包括电动机子系统(未示出)，以便有助于輻射源42 和/或探测器34的运动.图像处理电路44检查协议，并且处理从探 测器获取电路40获得的困像数据.
作为至成像系统30的接口 ，一个或多个操作者工作站46可被包 括，用于输出系统参数，请求检查，观看图像等。如果必要，搮作 者工作站48允许操作者经由一个或多个输入装置(鍵盘，鼠标，触 控板(touchpad)等)控制成像系统30的一个或多个部件.所示的 搮作者工作站46耦接至输出装置48，比如显示器或打印机，以便输 出在成像系统30的搮作过程中产生的图像。显示器，打印"，操作 者工作站和类似的装置可以在成像系统30本地，或距离成像系统30
遥远，例如，这些接口装置可被定位在公共机构或者医院内的一个 或多个位置中，或者在不同的位置中.因此，这些接口装置可被链
接至图像系统30。
图4描述了采用闪烁元件58的PET成像系统50.在所示的实施 例中，PET成像系统50包括设置于对象内的放射性同位素52.该对 象可以是具有内部注射的放射性同位素的人体.通过与自然人体化 合物(比如葡萄糖，氨或水) 一起标记该放射性同位素来控制该放 射性同位素至人体内的期望位置.在该对象内控制放射性同位素的 剂量之后，在它的使用寿命过程中，放射性物质发射可被辐射探测 器56 (闪烁器58和光子探测器60)探测到的辐射54。 一旦在对象 (例如人体)内，放射性物质52就定位放射性于生物活性区域或将 被探测的区域中。
在所示的实施例中，辐射探测器或PET扫描器56包括具有闪烁 器合成物的闪烁元件58。辐射探测器56包括光子探测器60，比如 光电二极管。此外，PET成像系统50包括如参照图3的成像系统30 描述的探测器获取电路40，图像处理电路44，操作者工作站46和 输出装置48.
图5是在图3中示出的PET成像系统30中采用的輻射探测器56 的截面图，在所示的实施例中，辐射探测器56采用多个探测器元件 62。探测器元件62以具有圃形截面的圃柱形结构布置在对象的周 围.该圃形截面允许穿出对象的两个光子到达在闪烁器环64上定位 的任何两个相对的探测器元件，闪烁器环64包括闪烁器元件58的 一个或多个层。环64被设置在光子探测器60的层之上.闪烁器元 件58包括像素，其每一个耦接至光子探测器的像素(未示出).换 句话说，具有通过闪烁器元件58的像素形成的阵列的一个或多个层 可被设置于另一个层之上，该另一个层通过光子探测器60的像素的 阵列形成。
在所示实施例中，具有定位于生物活性区域65中的放射性同位 素的对象被布置在辐射探测器56内.如上面描述的，该放射性同位 素在衰变时发射正电子.该袭变是P表变.发射的正电子以高速行 进，并由于与邻近原子的碰撞而被减慢至较小的速度. 一旦正电子 减慢，在正电子和邻近原子之一的外层电子之间就发生湮灭反应，
该湮灭反应产生两个511 KeV的光子或伽玛射线，由于能量和动量 守恒定律，它们以如通过箭头68和70所示的几乎完全相反的方向 行进.两个探测器点连同生物活性区域66中的光子的原点72 —起 形成直线。沿着连接两个探测器元件74和76的直线存在生物活性 区域66中的原点72.在通过箭头68和70示出的方向上行进的两个 光子分别到达探测器元件74和76，从而使点72, 74和76位于相同 的直线上.在闪烁器环64的两个点上光子的同时探测表示可识别的 位置中放射性同位素的存在.该位置与人体对象中的生物活性区域 相关联.
此外，对于PET成像系统34 (见图2)，通过辐射探测器40探 测的光子的能量确定两个光子如通过箭头68和70所示地跟随它们 的初始轨迹.然而可能会出现一些散射.散射可以包括康普顿散射 或弹性散射.在辐射探测器系统中可以采用散射校正，以便负责于 弹性散射.在辐射探测器系统中可以采用能量鉴別器 (discriminator),以便计算康普顿散射.散射的光子显示出低于 511KeV的能量值，来自辐射探测器系统的信号的电平确定了这些光 子的能级是什么。因此，在接收光子之前，闪烁器元件返回至正常 或基态.如果在接收下一个光子的同时，闪烁器合成物处于激发状 态，则511 KeV的能量值可能被不正确地记录，而不管光量子被散 射并且具有较低的能量值的亊实，在从原点72至位置78和80的行 进过程中，其中光子从对象38发出，光子穿过对象材料，比如在人 或动物的情况下的组织.因此，由于对象材料中的交互作用，光子 的一些能量可能会损失.
参照刚好在首先接触、原位形成、掺合或与依据本公开的一个或 多个其他物质、组分或成分混合的同时存在的物质、组分或成分. 在根据本公开以及常识和相关领域的技术人员(例如化学家)的应 用的接触、原位形成、掺合或混合攝作(如果进行的话)的过程中， 被确定为反应产物，得到的混合物等的物质、组分或成分可以通过 化学反应或变换获得同一性、特性或特征.化学反应物或开始材料 至化学产品或最终材料的变换是连续进化的过程，与它出现的速度 无关.因此，当这种变化过程正在进行中时，可以混合开始和最终 材料，以及中间种类(species)，根据它们的运动寿命，其易于或
难以利用本领域的技术人员已知的当前分析技术探测.
由说明书或其权利要求中的化学名称或公式所涉及的反应物或 成分，不管是涉及单数还是复数，都可以被确定为在开始与由化学 名称或化学类型所涉及的另一种物质(例如另一种反应物或溶剂) 接触之前，它们存在.初步和/或过渡化学变化，变换或反应(如果 有的话)发生在得到的混合物，溶刑或反应介质中，可以被确定为
中间种类，母料(master batch)等，并且可以具有不同于反应产 物或最终材料的效用的效用.其他随后的变化、变换或反应可以源 自在依照本发明所需的条件下，将指定的反应物和/或成分集中在一 起。在这些其他随后的变化、变换或反应中，集合在一起的反应物、
组分或成分可以识别或表示反应产物或最终材料.
前面的例子仅仅描述了本发明的一些特征.所附权利要求旨在尽
可能如已经想象的广泛要求本发明，并且这里提出的例子是从全部 可能的实施例选择出的实施例的描述。因此，申请人的意图是所附 权利要求不局限于为描述本发明的特征而被采用的例子的选择，如 果需要，已经提供了范围，这些范围包括在其间的全部子范围。可 以预期这些范围内的变形将建议它们自身给本领域技术人员，并且 在没有专用于公众的情况下，那些变形将可能被设置为被所附权利 要求覆盖.也可以理解，科学技术方面的进展将产生可能的等价物 和替代，其现在因语言的不精确性而不能被预料，并且这些变形也 将尽可能地被设置为被所附权利要求袭盖.
元件列表 10流程
12-16包括在制作闪烁器合成物中的步骤 18流程
20-28包括在制作闪烁器合成物中的步骤
30成像系统
32闪烁器
34光子探测器
36辐射探测器
38对象
40探测器获取电路
42辐射源
44图像处理电路
46操作者工作站
48输出装置
50 PET
52放射性物质
54发射的光子
56辐射探测器
58闪烁器
60光子探测器
62多个探测器元件
64闪烁器环
66生物活性区域
68箭头
70箭头
72原点
74探测器元件 76探测器元件 78位置 80位置
权利要求
1、一种闪烁器合成物，包括基质，具有至少一个镧系元素离子和至少一个卤根离子；以及掺杂剂，包括布置于基质中的三价铈活化剂离子；以及布置于基质中的三价铋活化剂离子。
2、 如权利要求1所述的闪烁器合成物，其中镧系元素离子包括镥.
3、 如权利要求2所述的闪烁器合成物，其中镧系元素离子进一 步包括钪、钇、礼、镧、镨、铽、铕、铒、镱，或者其两个或更多 个的组合。
4、 如权利要求l所述的闪烁器合成物，其中卣根离子包括碘。
5、 如权利要求4所述的闪烁器合成物，其中离根离子进一步包 括氣、氯、溴，或者其两个或更多个的组合.
6、 如权利要求1所述的闪烁器合成物，其中闪烁器合成物是单 晶的。
7、 如权利要求1所述的闪烁器合成物，其中闪烁器合成物的衰 减长度对于511 KeV光子是大约1. 7厘米。
8、 如权利要求1所述的闪烁器合成物，其中闪烁器合成物的光 输出在从每毫电子伏特大约50000光子至每毫电子伏特大约100000 光子的范围内.
9、 如权利要求1所述的闪烁器合成物，其中镧系元素离子基本 上由傳构成.
10、 如权利要求l所述的闪烁器合成物，其中闪烁器合成物的能 量分辨率小于大约百分之5.
全文摘要
提供一种闪烁器合成物。该闪烁器合成物可以包括具有至少一个镧系元素离子和至少一个卤根离子的基质，以及掺杂剂。该掺杂剂可以包括布置于基质中的三价铈活化剂离子，以及布置于基质中的三价铋活化剂离子。
文档编号G01T1/202GK101105533SQ20071012908
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者A·M·斯里瓦斯塔瓦, H·A·科曼佐, V·S·文卡塔拉马尼 申请人:通用电气公司