Pr-содержащий сцинтилляционный монокристалл, способ его получения, детектор излучения и устройство обследования

Pr-содержащий сцинтилляционный монокристалл, способ его получения, детектор излучения и устройство обследования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к празеодим(Pr)-содержащему сцинтилляционному монокристаллу, способу его получения, а также детектору излучения и устройству обследования с использованием такого сцинтилляционного монокристалла.

Уровень техники

[0002] В устройстве позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) сцинтилляционные детекторы, характеризующиеся высокой чувствительностью и быстродействием, находят применение благодаря их способности к подсчету совпадений гамма-луча (аннигилированного гамма-луча: 511 кэВ) с относительно большими энергиями. Требуемые в данном случае характеристики детектора включают в себя высокое разрешение по времени для того, чтобы гарантировать высокую скорость подсчета и отсечение случайного шума, а также включают в себя великолепное разрешение по энергии для того, чтобы гарантировать отсечение рассеянного луча, исходящего изнутри тела.

[0003] В связи с этим требования к сцинтиллятору, подходящему для детекторов, удовлетворяющих этим техническим требованиям, включают в себя высокую плотность и высокое атомное число (большая величина коэффициента фотоэлектрического поглощения) с точки зрения эффективности обнаружения, высокий уровень энергии эмиссии с точки зрения потребностей в быстром отклике (быстродействии) и высоком разрешении по энергии и короткое время жизни флюоресценции (время затухания флюоресценции). В современных системах используется компактное размещение большого числа небольших, тонких и удлиненных сцинтилляторов с целью достижения многослойной конфигурации и более высокого разрешения, так что важными вопросами, которые следует рассмотреть при выборе сцинтилляторов, также стало их удобство в обращении, пригодность к обработке и их стоимость.

[0004] Tl:NaI обычно наиболее часто использовался в качестве сцинтилляционного детектора благодаря его большой энергии эмиссии и относительно низкой стоимости, но он не имел перспектив, связанных с улучшением чувствительности детектора, из-за своей низкой плотности, неудобства в обращении вследствие поглощения им влаги из воздуха, и поэтому он был заменен на B_i4Ge₃O₁₂ (BGO).

[0005] BGO характеризуется длиной волны 490 нм, показателем преломления 2,15 и плотностью 7,13 г/см³, в два раза большей, чем плотность Tl:NaI, и, следовательно, демонстрирует большой коэффициент поглощения энергии излучения. В отличие от гигроскопичного Tl:NaI BGO не обладает какой-либо гигроскопичностью и имеет преимущество хорошей обрабатываемости. Недостатки обусловлены тем, что BGO имеет коэффициент преобразования флюоресценции, равный всего лишь 8% от этого коэффициента у Tl:NaI, так что светоотдача при отклике на гамма-луч является меньшей, чем у Tl:NaI, а также тем, что BGO демонстрирует разрешение по энергии при отклике на гамма-луч мощностью 1 МэВ, равное 15%, в отличие от 7%, демонстрируемых Tl:NaI. Еще один недостаток заключается в том, что время затухания флюоресценции является очень большим и составляет 300 нсек или около того.

[0006] Разработанный в Японии Ce:Gd₂SiO₅(Ce:GSO) несколько уступает BGO по чувствительности обнаружения, но в целом считается хорошо сбалансированным, высокоэффективным сцинтиллятором, отличающимся своей плотностью (6,71 г/см³), энергией световой эмиссии (удвоенной по сравнению с BGO), временем отклика (30-60 нсек) и устойчивостью к действию радиоактивного луча (>10⁵ Гр). Однако проблемы в этом случае заключаются в более медленном времени подъема, положительном гистерезисе (от англ. positive-hysteresis) по отношению к радиоактивному лучу (свойство увеличения энергии света при облучении) и сильной склонности к разрушению по плоскости спайности.

[0007] Сцинтилляционным кристаллом, предположительно представляющим собой современный уровень техники, является допированный церием (Се) Lu₂SiO₅(Ce:LSO), характеризующийся превосходными сцинтилляционными характеристиками, включая высокую плотность (приблизительно 7,39 г/см³), короткое время жизни (приблизительно 50 нсек) и большую энергию эмиссии (в три или более раза большую, чем у BGO). LSO кристалл может быть получен способом Чохральского и поэтому имеет рынок в несколько десятков миллиардов долларов, на котором главным образом представлены компании США, такие как CTI Molecular Imaging Inc. (CTI), Crystal Photonics Inc. (CPI) и т.д. С другой стороны, проблемы в данном случае заключаются в высоких затратах на получение и обработку из-за его сравнительно высокой точки плавления, составляющей 2150°С, и большой анизотропии коэффициента линейного расширения и в низком выходе продукта. Рост монокристалла оксида с высокой точкой плавления из его собственного расплава обычно проводят, используя в качестве материала тигля металл, называемый иридием (Ir), при этом температуры, превышающие 2000°С, являются близкими к температуре размягчения Ir, так что при получении кристалла LSO необходим тщательный контроль температуры. Более того, срок службы Ir-го тигля является коротким, и огромные затраты на повторное литье такого тигля ложатся тяжелым бременем на изготовителей. Кроме того, необходима большая мощность высокочастотного генератора для достижения столь высокой и даже сверхвысокой температуры, а это также увеличивает текущие расходы в целом.

[0008] С другой стороны, Ce:GSO и Се:LSO, используемые в качестве светоизлучаюших материалов сцинтиллятора, обладают значительными величинами энергии эмиссии благодаря большому количеству Се, т.е. содержащегося в них светоизлучающего элемента, однако его содержание, превышающее несколько процентов, может привести к отчетливому концентрационному тушению, и сцинтилляционный эффект будет отсутствовать.

[0009] Кроме того, Се является вторым после La наибольшим среди ионов редкоземельных элементов и является значительно большим, чем типичные представители ионов редкоземельных элементов (Y, Gd, Lu) в кристаллической структуре-хозяине, в результате чего эффективный коэффициент сегрегации сильно отклоняется от 1. Это означает, что в направлении роста неизбежными являются композиционные флуктуации. Такое явление является причиной варьирующихся физических свойств, таких как энергия эмиссии и т.д., и вызывает серьезную проблему в случае, когда назначением является применение при ПЭТ высокопрецизионного типа.

[0010] В этой ситуации ожидания в настоящее время направлены на разработку сцинтиллятора следующего поколения, выгодного не только по стоимости, но также и обладающего более высоким коэффициентом поглощения энергии и более высокими разрешением по энергии и разрешением по времени, то есть способного увеличить число выборок в единицу времени (патентный документ 1).

[0011] С другой стороны, не только ПЭТ, но также и рентгеновская компьютерная томография (РКТ) имеет большое значение в устройствах обработки медицинских изображений. Принимая во внимание весь диапазон неразрушающего обследования (неразрушающего контроля), а также РКТ, сцинтилляционные кристаллы для обследования просвечиванием радиоактивными лучами имеют важное значение. Желательно, чтобы сцинтилляционные кристаллы, предназначенные для этих целей, имели большую энергию эмиссии, такую как у Tl:NaI и CsI, но и имели короткое время жизни флюоресценции, такое как у Ce:GSO и Ce:LSO.

[0012] Из этих соображений следует, что современные потребности направлены на разработку сцинтиллятора следующего поколения, характеризующегося низкой стоимостью, высоким коэффициентом поглощения энергии и большой энергией эмиссии.

[Патентный документ 1] Выложенная публикация патента Японии №2001-72968.

Раскрытие изобретения

[0013] Настоящее изобретение задумано для решения вышеописанных проблем, причем его задачи состоят в достижении характеристик, превосходящих характеристики BGO, характеристик, эквивалентных или превосходящих характеристики GSO, включая высокую плотность (6,71 кг/см³ или выше), большую энергию эмиссии, не меньшую, чем энергия эмиссии NaI (в пять или более раз большую, чем у BGO), короткое время жизни (60 нсек или менее), высокую энергию эмиссии (в два или более раза большую, чем у BGO) и низкую стоимость получения. Еще одна задача заключается в том, чтобы получить такой превосходный сцинтилляционный материал, используя оксидный материал, который можно более легко вырастить по сравнению с GSO и LSO, или используя фторидный материал, имеющий более низкую точку плавления, чем у оксидного материала.

[0014] В ходе многочисленных исследований, нацеленных на решение вышеописанных задач, авторы настоящего изобретения подтвердили наличие световой эмиссии, предположительно приписываемой переходу 5d-4f в Pr(III) в некоторых Pr-содержащих монокристаллах. Было установлено, что эти монокристаллы достигали большого коэффициента абсолютного светового выхода, большой энергии световой эмиссии (свечения) и короткого времени жизни флюоресценции (времени затухания), и это привело авторов к созданию настоящего изобретения.

[0015] Согласно настоящему изобретению предложен сцинтилляционный монокристалл, выраженный как (PrRE)_aM_b(O_pF_1-p)_с;

(где RE обозначает любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb, Lu и La;

М представляет собой любое одно или более веществ, выбранных из Al, Ga, Si, Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Zr и Hf; и

0<a<10, 0<b<10 и 0<с<50, и р равно 0 или 1).

Согласно настоящему изобретению предложен также сцинтилляционный монокристалл, выраженный как (PrRE)_aM_b(O_pF_1-p)_с:

(где RE обозначает любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb, Lu, La и Се;

М представляет собой любое одно или более веществ, выбранных из Al, Ga, Si, Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Zr и Hf; и

0<а<10, 0<b<10 и 0<с<50, и р равно 0).

[0016] Такой сцинтилляционный монокристалл может эмитировать флюоресценцию, имеющую длину волны от 200 до 350 нм, при возбуждении гамма-лучом.

[0017] Поскольку сцинтилляционный монокристалл по настоящему изобретению имеет время затухания флюоресценции 300 нсек или более короткое (обладая эмиссионным пиком примерно при 300 нм), для измерения флюоресценции будет достаточно лишь короткого времени выборки, а следовательно, можно ожидать большего разрешения по времени или сокращения интервалов между выборками. Реализация большего разрешения по времени поможет увеличить число выборок в единицу времени. Сцинтилляционный монокристалл, имеющий такое короткое время жизни флюоресценции, предполагается главным образом использовать в качестве сцинтиллятора, применяемого для быстродействующего детектирования радиоактивного луча при ПЭТ и ОФЭКТ.

[0018] Согласно настоящему изобретению были найдены сцинтилляционные кристаллы на основе оксидов, имеющие характеристики, превосходящие характеристики BGO и эквивалентные характеристикам GSO или превосходящие их. Также было установлено, что эти кристаллы имеют характеристики, превосходящие характеристики NaI. Эти кристаллы обладают меньшей анизотропией коэффициента линейного расширения по сравнению с GSO и LSO, и они могут быть легко выращены в виде монокристаллов.

[0019] Согласно настоящему изобретению были найдены также сцинтилляционные кристаллы на основе фторидов, имеющие характеристики, превосходящие характеристики BGO и эквивалентные характеристикам GSO или превосходящие их. При получении этих кристаллов ожидается уменьшение потребления электроэнергии и охлаждающей воды из-за их низких точек плавления (приблизительно 1350°С). Они позволяют использовать Pt и Ir в качестве материалов тигля, а также позволяют использовать менее дорогостоящий углеродный тигель, а это способствует снижению затрат на производство.

Краткое описание чертежей

[0020] Вышеупомянутые и другие задачи, преимущества и признаки настоящего изобретения будут более очевидны из описанных ниже предпочтительных вариантов воплощения и сопровождающих чертежей.

[0021] На фиг.1 показан монокристалл (Pr_0,001Y_0,999)₃Al₅O₁₂ (Pr0,1%:YAG) согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.2 - монокристалл (Pr_0,002Y_0,998)₃Al₅O₁₂ (Pr0,2%:YAG) согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.3 - монокристалл (Pr_0,001Lu_0,999)₃Al₅O₁₂ (Pr0,1%:LuAG) согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.4 - монокристалл (Pr_0,002Lu_0,998)₃Al₅O₁₂ (Pr0,2%:LuAG) согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.5 - монокристалл (Pr_0,002Y_0,998)₃Al₅O₁₂ (Pr0,2%:YAG) согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.6 - монокристалл (Pr_0,002Lu_0,998)₃Al₅O₁₂ (Pr0,2%:LuAG} согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.7 - монокристалл (Pr_0,002Y_0,998)₂SiO₅ (Pr0,2%:YSO) согласно варианту воплощения настоящего изобретения;

на фиг.8 приведен график, показывающий кривые с результатами по исследованию эмиссионных характеристик Pr0,1%:YAG, Pr0,2%:YAG и BGO, измеренных при радиолюминесценции, причем эмиссионный пик BGO приведен для сравнения с 10-кратным увеличением;

на фиг.9 приведен график, показывающий кривые с результатами по исследованию эмиссионных характеристик Pr0,1%:LuAG, Pr0,2%:LuAG и BGO, измеренных при радиолюминесценции, причем эмиссионный пик BGO приведен для сравнения с 10-кратным увеличением;

На фиг.10 приведен график, показывающий кривые с результатами по исследованию эмиссионных характеристик Pr0,2%:YSO и BGO, измеренных при радиолюминесценции, причем эмиссионный пик BGO приведен для сравнения с 10-кратным увеличением;

на фиг.11 приведен график, показывающий кривую времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr0,2%:YAG. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 11,5 нсек;

на фиг.12 приведен график, показывающий кривую времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr0,2%:LuAG. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 17 нсек;

на фиг.13 приведен график, показывающий кривую времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr0,2%:YSO. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 11,5 нсек;

[0022] на фиг.14 - монокристалл (Pr_0,002Y_0,998)₃(Sc_0,01Аl_0,99)₅O₁₂ (Pr0,2%, Sc1%: YAG), полученный способом микровытягивания вниз согласно примеру настоящего изобретения;

на фиг.15 - монокристалл (Pr_0,002Lu_0,998)₃(Sc_0,01Al_0,99)₅O₁₂ (Pr0,2%, Sc1%:LuAG), полученный способом микровытягивания вниз согласно примеру настоящего изобретения;

на фиг.16 - монокристалл (Pr_0,002Lu_0,998)₃(Mg_0,05Al_0,90Hf_0,05)₅O₁₂ (Pr0,2%, Mg5%, Hf5%:LuAG), полученный способом микровытягивания вниз согласно примеру настоящего изобретения;

на фиг.17 - монокристалл (PrY)₂О₃ (Pr1%-по загрузке:Y₂O₃) согласно одному примеру настоящего изобретения;

на фиг.18 - монокристалл (PrY)AlO₃ (Pr1%-по загрузке:YAP) согласно одному примеру настоящего изобретения;

на фиг.19 - монокристалл (PrLu)VO₄ (Pr1%-по загрузке:LuVO₄) согласно одному примеру настоящего изобретения;

на фиг.20 - монокристалл (Pr_0,002La_0,998)LuO₃ (Pr0,2%:LaLuO₃) согласно одному примеру настоящего изобретения;

на фиг.21 - монокристалл (Pr_0,002Lu_0,998)₂Si₂O₇ (Pr0,2%:Lu₂Si₂O₇) согласно одному примеру настоящего изобретения;

на фиг.22 приведен график, показывающий кривые радиолюминесценции (возбуждение рентгеновским излучением CuKα) Pr0,2%, Sc1%:YAG; Pr0,2%, Sc1%:LuAG; Pr0,2%, Mg5%, Hf5%:LuAG и BGO;

на фиг.23 приведен график, показывающий кривую радиолюминесценции (возбуждение рентгеновским излучением CuKα) Pr1%(по загрузке):Y₂O₃;

на фиг.24 приведен график, показывающий кривую радиолюминесценции (возбуждение рентгеновским излучением CuKα) Pr1%(по загрузке):YAP;

на фиг.25 приведен график, показывающий кривую радиолюминесценции (возбуждение рентгеновским излучением CuKα) Pr1%(по загрузке): YVO₄;

на фиг.26 приведен график, показывающий кривую радиолюминесценции (возбуждение рентгеновским излучением CuKα) Pr0,2%:LaLuO₃;

на фиг.27 приведен график, показывающий кривую радиолюминесценции (возбуждение рентгеновским излучением CuKα) Pr0,2%:Lu₂Si₂O₇;

на фиг.28 приведены результаты по энергии эмиссии в Pr0,2%:YAG, Pr0,2%:LuAG и BGO, вызванной возбуждением γ-лучом. Для Pr0,2%: YAG наблюдалась энергия эмиссии, в два раза большая, чем у BGO, а для Pr0,2%:LuAG - в три раза большая, чем у BGO;

на фиг.29 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Рr0,2%, Sc1%:YAG. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 12,6 нсек;

на фиг.30 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Рr0,2%, Sc1%:LuAG. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 21,3 нсек;

на фиг.31 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr0,2%, Mg5%, Hf5%:LuAG. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 21,7 нсек;

на фиг.32 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr1%(по загрузке):Y₂O₃. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 21,5 нсек;

на фиг.33 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr1%(по загрузке):YAP. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 11,2 нсек;

на фиг.34 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr1%(по загрузке):YVO₄. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 22,0 нсек;

на фиг.35 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr0,2%:LaLuO₃. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 6,7 нсек;

на фиг.36 приведен график, показывающий результаты измерения времени затухания флюоресценции (затухания фотолюминесценции) Pr0,2%:Lu₂Si₂O₇. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 26,1 нсек;

[0023] на фиг.37 приведена примерная фотография кристалла Pr_wM_xRE_yF_z (M=K, RE=Y), полученного способом микровытягивания вниз согласно настоящему изобретению;

на фиг.38 приведена типичная фотография кристалла Pr_wM_хRE_yF_z (М=К, RE=Y и Lu) кристалла, полученного способом микровытягивания вниз согласно настоящему изобретению;

на фиг.39 приведен график, показывающий кривую с результатами исследования характеристик световой эмиссии К(PrY)₃F₁₀ (Pr1%-по загрузке:KYF), измеренных при радиолюминесценции. Сравнение с фиг.40 показало, что вершина пика указывает на энергию эмиссии, в 3,5 раза превышающую энергию эмиссии BGO;

на фиг.40 приведен график, показывающий кривую с результатами исследования характеристик световой эмиссии BGO, измеренных при радиолюминесценции.

на фиг.41 приведен график, показывающий кривую с результатами по времени затухания флюоресценции кристалла К(PrY)₃F₁₀ (Pr1%-по загрузке:KYF) при 240 нм, измеренными при фотолюминесценции. Получены данные, которые указывают на столь короткое время жизни флюоресценции, как 20 нсек.

на фиг.42 приведен график, показывающий кривую световой эмиссии монокристалла обычного гадолиний-галлиевого оксида типа граната, и

на фиг.43 приведена блок-схема, показывающая примерную конфигурацию устройства ПЭТ согласно варианту воплощения.

Лучшие варианты осуществления изобретения

[0024] Ниже будут пояснены варианты воплощения настоящего изобретения. Сцинтилляционный монокристалл согласно вариантам воплощения настоящего изобретения является сцинтилляционным монокристаллом, выраженным общей формулой (PrRE)_aM_b(O_pF_1-p)_с; (где RE представляет собой любое одно или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb, Lu и La; M представляет собой любое одно вещество или более веществ, выбранных из Al, Ga, Si, Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Zr, Hf, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Cd и Pb; причем 0<a<10, 0<b<10 и 0<с<50 и р равно 0 или 1). Сцинтилляционный монокристалл согласно другим вариантам воплощения настоящего изобретения является сцинтилляционным монокристаллом, выраженным общей формулой (PrPE)_aM_b(O_pF_1-p)_c: (где RE представляет собой любое одно или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb, Lu, La и Се; М представляет собой любое одно вещество или более веществ, выбранных из Al, Ga, Si, Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Zr, Hf, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Cd и Pb; причем 0<a<10, 0<b<10 и 0<с<50 и р равно 0).

[0025] Этим вариантом воплощения предполагается использование световой эмиссии, приписываемой переходу 5d-4f в Pr за счет Pr-содержащего сцинтилляционного монокристалла и обеспечивается возможность значительно улучшить коэффициент абсолютного светового выхода до величины, превосходящей 8200 фотонов/МэВ у BGO.

[0026] Сцинтилляционный монокристалл, способный эмитировать флюоресценцию в области от 200 до 350 нм, более предпочтительно - от 200 до 310 нм при возбуждении гамма-лучом, может предпочтительно быть использован по назначению высокочувствительного детектирования радиоактивного излучения.

[0027] Эта разновидность сцинтилляционного монокристалла может быть продемонстрирована на примере монокристалла на основе оксидов и монокристалла на основе фторидов.

[0028] Сцинтилляционный монокристалл на основе оксидов согласно данному варианту воплощения характеризуется значением р=1 в сцинтилляционном монокристалле, выраженном приведенной выше общей формулой, где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, La, Sc, Yb и Lu, M представляет собой по меньшей мере одно вещество, выбранное из Al и Ga, и (а, b, с) являются любым из (3, 5, 12), (1, 1, 3) и (2, 1, 5).

[0029] Первый вариант такой разновидности сцинтилляционного монокристалла на основе оксидов относится к сцинтилляционному монокристаллу, состоящему из оксида типа граната, выраженного как (Pr_xRE_1-x)₃(Al_1-yGa_y)₅O₁₂, где RE представляет собой любое одно или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤x<0,02, предпочтительно - 0,001≤х<0,02, более предпочтительно 0,002≤х<0,02, а наиболее предпочтительно - 0,002≤х<0,003. Значение у концентрации Ga лежит в диапазоне 0≤y≤1, предпочтительно - 0≤y≤0,25 или 0,75≤y≤1, а более предпочтительно y=0 или 1.

[0030] Эта разновидность сцинтилляционного монокристалла, состоящего из оксида типа граната, более конкретно проиллюстрирована в качестве примера сцинтилляционным монокристаллом, состоящим из оксида типа граната, выраженного как (Pr_xY_1-x)₃Al₅O₁₂ или (Pr_xLu_1-x)₃Al₅O₁₂ (где значение х концентрации Pr лежит в указанном выше диапазоне), сцинтилляционным монокристаллом, состоящим из оксида типа граната, выраженного как (Pr_xRE_1-x)₃Ga₅O₁₂ (где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, значение х концентрации Pr лежит в указанном выше диапазоне) и так далее.

[0031] Второй вариант этой разновидности сцинтилляционного монокристалла на основе оксидов относится к сцинтилляционному монокристаллу, состоящему из оксида типа перовскита, выраженного как (Pr_xRE_1-x)AlO₃, где RE представляет собой любое одно или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, предпочтительно - 0,001≤х<0,05, а более предпочтительно - 0,002≤х≤0,02.

[0032] Эта разновидность сцинтилляционного монокристалла, состоящего из оксида типа перовскита, более конкретно проиллюстрирована в качестве примера сцинтилляционным монокристаллом, состоящим из оксида типа перовскита, выраженного как (Pr_xY_1-x)AlO₃, (Pr_xLa_1-x)AlO₃ или (Pr_xLu_1-x)AlO₃ (где значение х концентрации Pr лежит в указанном выше диапазоне).

[0033] Хотя не охваченные указанной выше общей формулой сцинтилляционного монокристалла, состоящего из оксида типа перовскита, также приемлемы те монокристаллы, в которых Lu замещает позицию атома Al, и их примеры включают в себя (Pr_xLa_1-x)LuO₃.

[0034] Третий вариант этой разновидности сцинтилляционного монокристалла на основе оксидов относится к сцинтилляционному монокристаллу, состоящему из оксида типа силикат-оксида, выраженного как (Pr_xRE_1-x)₂SiO₅, где RE представляет собой любое одно или два или более веществ, выбранных из Y, La, Yb и Lu, значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, предпочтительно - 0,001≤х<0,05, а более предпочтительно 0,002≤х<0,02.

[0035] Эта разновидность сцинтилляционного монокристалла, состоящего из силикат-оксида, более конкретно проиллюстрирована в качестве примера сцинтилляционным монокристаллом, состоящим из силикат-оксида, выраженного как (Pr_xY_1-x)₂SiO₅ или (Pr_xLu_1-x)₂SiO₅, (где значение х концентрации Pr лежит в указанном выше диапазоне).

[0036] Сцинтилляционный монокристалл согласно данному варианту воплощения, состоящий из другого оксида, характеризуется значением р=1 в сцинтилляционном монокристалле, выраженном приведенной выше общей формулой, где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, M представляет собой по меньшей мере одно вещество, выбранное из Al, Ga, Mg, Ca, Sr, Sc, Zr и Hf, и (a, b, c) составляют (3, 5, 12).

[0037] Сцинтилляционный монокристалл, состоящий из данной разновидности оксида, более конкретно проиллюстрирован в качестве примера сцинтилляционным монокристаллом, состоящим из оксида типа граната, выраженного как (Pr_xY_1-х)₃(Al_1-ySc_y)₅O₁₂ или (Pr_xLu_1-x)₃(Al_1-ySc_y)₅O₁₂, где значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, предпочтительно - 0,001≤х<0,05, более предпочтительно - 0,002≤х≤0,02, значение у концентрации Sc лежит в диапазоне 0≤y≤0,4, более предпочтительно - 0≤y≤0,01.

[0038] Дополнительно также может предпочтительно быть использован Сцинтилляционный монокристалл, выраженный как (Pr_xRE_1-x)₃(M¹ _yM² _1-2yM³ _y)₅O₁₂, где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, M¹ представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Mg, Ca и Sr, M² представляет собой любое одно вещество или два или более веществ-металлов, выбранных из Al, Ga и Sc, M³ представляет собой одно вещество или два или более веществ, выбранных из Zr и Hf, значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, предпочтительно - 0,001≤x<0,05, более предпочтительно - 0,002≤х≤0,02, а концентрация у лежит в диапазоне 0≤y≤0,5, и более предпочтительно - 0≤y≥0,1.

[0039] В качестве сцинтилляционных монокристаллов на основе оксидов также приемлемы описанные ниже сцинтилляционные монокристаллы редкоземельных оксидов.

[0040] В качестве этой разновидности сцинтилляционного монокристалла, состоящего из редкоземельного оксида, приемлем сцинтилляционный монокристалл, состоящий из редкоземельного оксида, выраженного как (Pr_xRE_1-x)₂O₃, где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, La, Yb и Lu, и значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, предпочтительно - 0,001≤х<0,05, а еще более предпочтительно - 0,002≤х≤0,02.

[0041] Эта разновидность сцинтилляционного монокристалла, состоящего из редкоземельного оксида, более конкретно проиллюстрирована в качестве примера сцинтилляционным монокристаллом, состоящим из редкоземельного оксида, выраженного как (Pr_xY_1-x)₂O₃, (Pr_xSc_1-x)₂O₃, (Pr_xLa_1-x)₂O₃ или (Pr_xLu_1-x)₂O₃ (где значение х концентрации Pr лежит в указанном выше диапазоне).

[0042] В качестве сцинтилляционного монокристалла, состоящего из еще одного редкоземельного оксида, приемлем сцинтилляционный монокристалл, состоящий из редкоземельного оксида, выраженного как Pr_xRE_1-xVO₄, где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, и значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤x<0,3, предпочтительно - 0,001≤x<0,05, а более предпочтительно - 0,002≤х≤0,02.

[0043] В качестве сцинтилляционного монокристалла, состоящего из еще одного редкоземельного оксида, приемлем сцинтилляционный монокристалл, состоящий из редкоземельного оксида, выраженного как (Pr_xRE_1-x)RE'O₃, где RE и RE', отличаясь друг от друга, представляют собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из La, Gd, Y, Sc, Yb и Lu, и значение x концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, предпочтительно - 0,001≤х<0,05, а более предпочтительно 0,002≤х≤0,02.

[0044] В качестве сцинтилляционного монокристалла, состоящего из еще одного редкоземельного оксида, приемлем сцинтилляционный монокристалл, состоящий из редкоземельного оксида, выраженного как (Pr_xRE_1-x)₂Si₂O₇, где RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Y, Sc, Yb и Lu, и значение х концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤х<0,3, более предпочтительно - 0,001≤x<0,05, а более предпочтительно - 0,002≤х≤0,02.

[0045] Сцинтилляционный монокристалл на основе фторидов согласно данному варианту воплощения соответствует случаю р=0 в сцинтилляционном монокристалле, выраженном приведенной выше общей формулой. RE представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из La, Се, Yb, Lu и Y, и среди прочих особенно предпочтителен Y, Yb или Lu. М представляет собой любое одно вещество или два или более веществ, выбранных из Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Mn, Fe, Co, Ni, Сu, Zn, Pd, Cd, Pb, Zr и Hf.

[0046] Первый вариант такого сцинтилляционного монокристалла на основе фторидов относится к сцинтилляционному монокристаллу, выраженному как Pr_wM_xRE_yF_z, где RE представляет собой любое одно или два или более веществ, выбранных из La, Се, Yb, Lu и Y, и М представляет собой любое одно или более веществ, выбранных из Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Са, Sr, Ва и Al. Значения w, x и z соответственно удовлетворяют условиям 0,0001≤w<0,3, 0<х<10, 0<y<10 и 0<z<50.

[0047] Эта разновидность сцинтилляционного монокристалла на основе фторидов может быть проиллюстрирована в качестве примера теми монокристаллами, которые содержат К (атом калия) в качестве М в описанной выше общей формуле сцинтилляционного монокристалла на основе фторида, а более конкретно - сцинтилляционным монокристаллом, выраженным как K(RE_1-wPr_w)₃F₁₀ (где RE представляет собой любое одно вещество или два или более твердых растворов, выбранных из La, Се, Yb, Lu и Y, а 0,0001≤w<0,3).

[0048] Сцинтилляционный монокристалл на основе фторидов более конкретно может быть проиллюстрирован в качестве примера сцинтилляционным монокристаллом, выраженным как Ba_x(RE_1-wPr_w)F_z (где RE представляет собой любое одно вещество или два или более твердых растворов, выбранных из La, Се, Yb, Lu и Y, а 0,0001≤w<0,3).

[0049] В случае этих сцинтилляционных монокристаллов на основе фторидов предпочтительны монокристаллы, в качестве RE содержащие Y или твердый раствор Y и Lu.

[0050] В качестве другого сцинтилляционного монокристалла на основе фторидов более конкретно может быть приведен сцинтилляционный монокристалл, выраженный как Рr_wМ_xP_z (где М представляет собой любое одно вещество или более веществ, выбранных из Li, Na, К, Cs, Rb, Mg, Ca, Sr, Ва и Al, а 0,0001≤w<0,3, 0<х<10, 0<z<50).

[0051] Из описанных выше сцинтилляционных монокристаллов на основе фторидов согласно данному варианту воплощения, выраженных как Pr_wM_xRE_yF_z или Pr_wM_xF_z, особенно предпочтительные примеры включают в себя (Pr_w(Lu,Y)_1-w)KF₁₀, (Pr_w(Gd,Y)_1-w)KF₁₀, (Pr_wRE_1-w)Ba_xF_z, (Pr_wYb_2-w)BaF₈ или Ba₂(Pr_wYb_1-w)F₇, а их конкретные примеры включают в себя нижеследующие.

[0052] K(Y_0,99Pr_0,01)₃F₁₀, K(Y_0,59Yb_0,4Pr_0,01)₃F₁₀, K(Y_0,59Gd_0,4Pr_0,01)₃F₁₀, K(Y_0,59Lu_0,4Pr_0,01)₃F₁₀, Ba(Y_0,97Pr_0,03)₂F₈, Cs₃(Y_0,99Pr_0,01)F₆, Ba(Lu_0,999Pr_0,001)F₈, Li(Lu_0,95Pr_0,05)F₄, К(Y_0,89Ce_0,10Pr_0,01)₃F₁₀, K(Y_0,89La_0,10Pr_0,01)₃F₁₀, (Y_0,89Gd_0,10Pr_0,01)₃F₁₀, Pr_0,01Mg_0,99F_2,01, Pr_0,03Ca_0,97F_2,03, Pr_0,05Sr_0,95F_2,05, Pr_0,001Ba_0,999F_2,001, Pr_0,01Mn_0,99F_2,01, Pr_0,001LiCaAlF₆, Pr_0,001LiSrAlF₆, Pr_0,001NaCaAlF₆, Pr_0,001BaMgF₄, Ba₂(Pr_0,01La_0,99)F₇, Ba₂(Pr_0,01Ce_0,99)F₇, Ba₂(Pr_0,01Gd_0,99)F₇, Ba₂(Pr_0,01Yb_0,99)F₇, Ba₂(Pr_0,01Lu_0,99)F₇, Ba₂(Pr_0,01Y_0,99)F₇, Ba(Pr_0,01Yb_1,99)F₈, KLu₃F₁₀ и т.д.

[0053] Что касается состава сцинтилляционных монокристаллов на основе фторидов согласно данному варианту воплощения, выраженных как Pr_wM_xRE_yF_z или Pr_wM_xF_z, то для них достижим коэффициент абсолютного светового выхода от 1000 до 200000 фотонов/МэВ или около того, предпочтительно - от 8000 до 200000 фотонов/МэВ, более предпочтительно - от 80000 до 200000 фотонов/МэВ и в особенности предпочтительно от 8000 до 120000 фотонов/МэВ, а более предпочтительно - от 16000 до 80000 фотонов/МэВ, что характеризует чрезвычайно высокую энергию световой эмиссии сцинтилляционного кристалла на основе фторидов. Более конкретно, коэффициент абсолютного светового выхода относительно коэффициента абсолютного светового выхода у BGO выражается множителем от 0,125 до 25, предпочтительно - от 1 до 25, а более предпочтительно - от 10 до 25. Указанное отношение предпочтительно выражено множителем от 1 до 15, а более предпочтительно - от 2 до 10 ввиду технического эффекта, когда принимается во внимание корреляция с продлением времени жизни флюоресценции вследствие энергетического перехода.

[0054] В составе сцинтилляционного монокристалла на основе фторидов, выраженном как Pr_wM_xRE_yF_z или Pr_wM_xF_z, значение w концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤w<0,3000, предпочтительно - 0,0010≤w<0,0500, а более предпочтительно - 0,0020≤w<0,0200. Поскольку х, у и z задаются произвольно в зависимости от состава кристалла, то, следовательно, они особо не ограничены, при этом они составляют предпочтительно 0<х<10,0000, а более предпочтительно - 0<х<4,0000, 0<y<10,0000, а более предпочтительно - 0<y<4,0000, и 0<z<50,0000, а более предпочтительно - 0<z<20,0000. Более конкретно, в случае когда М представляет собой К, предпочтительны х=1, y=3 и z=10, то есть предпочтителен состав К(Pr_wRE_1-w)₃F₁₀. Также в этом случае значение w концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤w<0,3000, предпочтительно - 0,0010≤w<0,0500, а более предпочтительно 0,0020<w≤0,0200, при этом RE представляет собой одно вещество или два или более редкоземельных элементов, выбранных из La, Се, Gd, Lu, Y и Yb, и среди прочих особенно предпочтительны Y, Gd, Yb или Lu.

[0055] В случае когда М представляет собой Ва, предпочтительны х=2, y=1 и z=7 или же предпочтительны х=1, y=2 и z=8, то есть предпочтительны составы Ва₂(Pr_wRE_1-w)F₇ или Ва(Pr_wRE_1-w)₂F₈. Также в этом случае значение w концентрации Pr лежит в диапазоне 0,0001≤w≤0,3000, предпочтительно 0,0010≤w<0,0500, а более предпочтительно - 0,0020≤w≤0,0200, при этом RE представляет собой одно вещество или два или более веществ - редкоземельных элементов, выбранных из La, Се, Gd, Lu, Y и Yb, и среди прочих предпочтительны Y, Gd, Yb или Lu.

[0056] Далее будет описан способ получения сцинтилляционного монокристалла на основе оксидов или фторидов согласно настоящему изобретению. Способ получения согласно данному варианту воплощения характеризуется загрузкой Pr в расплав, имеющий состав, выраженный как (PrRE)_aM_b(O_pF_1-p)_с, в количестве, в 5-15 раз большем, чем целевое содержание Pr, и предоставлением возможности монокристаллу расти способом микровытягивания вниз, используя тигель из молибдена (Мо), или тигель из иридия (Ir), или тигель, состоящий из сплава Ir и рения (Re). В этом случае RE представляет собой любое одно или два или более вещес