Керамический материал для генерации света
Изобретение относится к керамическому материалу (14) для генерации света при облучении излучением, при этом керамический материал содержит пакет слоев (15, 16) с различными составами и/или разными профилями легирования. Керамический материал может быть использован в спектральном детекторе для компьютерной томографии для обнаружения спектральным образом рентгеновских лучей. Также он может быть использован в качестве керамической усиливающей среды лазера. Техническим результатом является снижение неравномерности распределения светового излучения накачки лазера в пространстве в пределах керамической усиливающей среды, снижение высоких градиентов температур в этой керамической усиливающей среде и устранение пиков термомеханических напряжений. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к относится к керамическому материалу для генерации света при облучении излучением. Изобретение дополнительно относится к устройству обнаружения для обнаружения излучения и к лазеру, содержащему керамический материал. Кроме того, изобретение относится к системе визуализации (томографической) для визуализации объекта, которая включает в себя устройство обнаружения, и к способу изготовления и к производственной установке для изготовления керамического материала. Изобретение также относится к компьютерной программе для управления производственной установкой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Керамический материал может использоваться, например, в качестве керамического сцинтиллятора в устройстве обнаружения системы компьютерной томографии (КТ) для обнаружения рентгеновских лучей. Однако керамические сцинтилляторы, как правило, не обеспечивают энергозависимого сцинтилляционного света, тем самым затрудняя использование керамических сцинтилляторов в устройствах обнаружения для спектральных КТ-систем. Кроме того, лазер может содержать керамический материал в качестве керамической усиливающей среды. Однако световое излучение накачки лазера может быть очень неравномерно распределено в пространстве в пределах керамической усиливающей среды, что может привести к высоким градиентам температур в этой керамической усиливающей среде и, следовательно, к возникновению пиков термомеханических напряжений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является предоставление керамического материала для генерации света при облучении излучением, что позволяет подавить по меньшей мере один из вышеупомянутых недостатков. Дополнительной задачей настоящего изобретения является предоставление устройства обнаружения для обнаружения излучения и лазера, который содержит керамический материал, и предоставление системы визуализации для визуализации объекта, которая включает в себя это устройство обнаружения. Кроме того, задачей настоящего изобретения является предоставление способа изготовления и производственной установки для изготовления керамического материала и предоставление компьютерной программы для управления этой производственной установкой.
В первом аспекте настоящего изобретения представлен керамический материал, предназначенный для генерации света при облучении излучением, при этом керамический материал содержит пакет слоев с различными составами и/или разными профилями легирования.
Поскольку керамический материал содержит пакет слоев с различными составами и/или разными профилями легирования, этот керамический материал может быть выполнен с возможностью генерации света при облучении излучением так, что может быть подавлен по меньшей мере один из вышеупомянутых недостатков. Например, если пакет слоев содержит первый слой и второй слой с различными составами и/или разным профилями легирования, при этом первый слой выполнен с возможностью, при облучении излучением, генерации первого излучения, а второй слой выполнен с возможностью, при облучении излучением, генерации второго излучения, и при этом первое излучение и второе излучение являются различными, при различении друг от друга первого излучения и второго излучения, можно определить, генерировано ли данное излучение в первом слое или во втором слое. Это можно использовать, например, в спектральной КТ-системе, в которой в качестве сцинтилляционного материала устройства обнаружения используется керамический материал, имеющий первый и второй слои, для того, чтобы различать друг от друга излучение, исходящее из верхней части керамического сцинтилляционного материала, которая может быть образована первым слоем, и излучение из нижней части керамического сцинтилляционного материала, которая может быть образована вторым слоем, при этом сцинтилляционный материал может быть расположен таким образом, что его верхняя часть находится ближе к источнику рентгеновских лучей спектральной КТ-системы, чем нижняя часть. Керамический сцинтилляционный материал также может быть выполнен с возможностью генерации излучения при облучении другим излучением, в частности, другим ионизирующим излучением, подобным гамма-излучению.
В одном варианте осуществления оба, и первый слой, и второй слой, сформированы в одном и том же, т.е. едином куске керамического материала. Другими словами, керамическая структура простирается непрерывно между первым слоем и вторым слоем. Описанные здесь процессы изготовления керамики позволяют применение такого технологического процесса. Преимущественно, при выполнении слоев внутри одного и того же куска материала сцинтилляционные материалы избегают оптических потерь, возникающих вследствие отражений на границах раздела между слоями, образованными иным образом в отдельных примыкающих или приклеенных кусках. Это улучшает оптический выход керамического материала и, следовательно, чувствительность детектора, который включает керамический материал. Как описано далее, в другом варианте осуществления керамический материал может иметь структуру граната. Таким образом, в этом варианте осуществления структура граната простирается непрерывно между первым слоем и вторым слоем.
В варианте осуществления слои пакета слоев выполнены таким образом, что в перпендикулярном слоям направлении концентрация легирующей примеси от слоя к слою монотонно возрастает или монотонно снижается. Такой керамический материал может использоваться в качестве керамической усиливающей среды в лазере, причем источник света накачки и керамическая усиливающая среда могут быть выполнены таким образом, что концентрация легирующей примеси в пакете слоев керамической усиливающей среды монотонно возрастает от слоя к слою с увеличением расстояния от источника света накачки. Если бы керамическая усиливающая среда имела однородное распределение легирующей примеси, то распределение света накачки в пределах керамической усиливающей среды имело бы экспоненциальное затухание, что может вызывать сильные градиенты температур и, следовательно, пики термомеханических напряжений. Это ограничило бы максимальную подаваемую мощность накачки. Однако, монотонно возрастающая концентрация легирующей примеси, которая может формировать структуру продольного градиента концентраций легирующей примеси вдоль продольной оси стержнеподобной керамической усиливающей среды, может минимизировать эти проблемы.
Керамический материал может содержать гранат, в частности, быть им. Например, керамический материал может содержать один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из легированного Pr3+ оксисульфида гадолиния (GOS), легированного Eu3+ иттрий-гадолиниевого граната, лютеций-гадолиний-галлий-алюминиевого граната (LGGAG), гадолиний-галлий-алюминиевого граната (GGAG), лютеций-алюминиевого граната (LuAG), лютеций-галлий-алюминиевого граната (LuGAG), гадолиний-алюминиевого граната (GdAG), гадолиний-галлий-алюминиевого граната (GdGAG), иттрий-алюминиевого граната (YAG), иттрий-тербий-алюминиевого граната (YTAG), иттрий-гадолиний-алюминиевого граната (YGAG), тербий-алюминиевого граната (TbAG) и тербий-гадолиний-галлий-алюминиевого граната (TbGGAG). В варианте осуществления керамический материал содержит комбинацию этих гранатов. Легированный Pr3+ оксисульфид гадолиния (GOS) и/или (Y,Gd)2O3:Eu может быть использован в качестве сцинтилляционного материала в устройстве обнаружения КТ-системы. LGGAG, GGAG, YTAG и/или YGAG могут быть использованы в качестве сцинтилляционного материала устройства обнаружения системы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Преимуществом использования гранатов является их высокий световой выход, простота изготовления оптически прозрачных керамических материалов и возможность регулирования точной смеси элементов до параметров, необходимых для соответствующего применения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлено устройство обнаружения для обнаружения излучения, при этом устройство обнаружения содержит керамический сцинтиллятор, содержащий керамический материал по п. 2, и детектор для формирования первого значения обнаружения, зависящего от первого излучения, и второго значения обнаружения, зависящего от второго излучения. Такое устройство обнаружения позволяет осуществлять различение излучения, генерируемого в разных частях керамического материала. Это может быть использовано, например, в спектральной КТ-системе для спектрального обнаружения рентгеновских квантов или в ПЭТ-системе для исключения эффекта глубины взаимодействия и для увеличения пространственного разрешения ПЭТ-системы визуализации.
В варианте осуществления детектор содержит первый блок обнаружения для формирования первого значения обнаружения, зависящего от первого излучения, и второй блок обнаружения для формирования второго значения обнаружения, зависящего от второго излучения, при этом а) первый блок обнаружения расположен между керамическим сцинтиллятором и вторым блоком обнаружения, и при этом первый блок обнаружения является по меньшей мере частично прозрачным для второго излучения или b) первый блок обнаружения и второй блок обнаружения оба расположены рядом друг с другом на стороне керамического сцинтиллятора. Поскольку первый блок обнаружения используется для обнаружения первого излучения, а второй блок обнаружения используется для обнаружения второго излучения, то первый и второй блоки обнаружения могут быть оптимизированы по существу независимо друг от друга. Это может привести к улучшенной точности обнаружения первого излучения и второго излучения.
Детектор может быть выполнен с возможностью различать друг от друга первое излучение и второе излучение в зависимости от их длин волн и/или их времен затухания. Различение первого излучения и второго излучения друг от друга в зависимости от длин волны и/или времен затухания обеспечивает возможность точного различения и, следовательно, улучшенной точности формирования первого значения обнаружения, зависящего от первого излучения, и второго значения обнаружения, зависящего от второго излучения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена система визуализации для визуализации объекта, при этом система визуализации содержит а) устройство обнаружения для обнаружения излучения от объекта по п. 5, при этом устройство обнаружения формирует первое и второе значения обнаружения, и b) блок реконструкции для реконструкции изображения объекта на основе первого и второго значений обнаружения. Эта система визуализации представляет собой, например, КТ-систему, ПЭТ-систему или систему однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен лазер, при этом лазер содержит а) лазерный резонатор, b) керамическую усиливающую среду для усиления света при стимулированном испускании в пределах лазерного резонатора, при этом керамическая усиливающая среда содержит керамический материал по п. 1, и с) источник света накачки для накачки керамической усиливающей среды с помощью света накачки. Предпочтительно, источник света накачки и керамическая усиливающая среда выполнены таким образом, что керамическая усиливающая среда накачивается в направлении накачки, являющимся перпендикулярным слоям керамического материала. Кроме того, различные слои пакета слоев керамического материала предпочтительно содержат разные концентрации легирующей примеси, при этом источник света накачки и керамическая усиливающая среда предпочтительно выполнены таким образом, что концентрация легирующей примеси в пакете слоев керамической усиливающей среды монотонно возрастает от слоя к слою с увеличением расстояния от источника света накачки.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ изготовления для изготовления керамического материала по п. 1, при этом способ изготовления включает а) послойное обеспечение керамических соединений с различными составами и/или разными профилями легирования и b) спекание послойно обеспеченных керамических соединений. Этот спеченный продукт может быть дополнительно отожжен для уменьшения дефектов решетки, отшлифован и отполирован. Эти этапы могут привести к керамическому материалу высокого качества, который может быть использован, например, в качестве керамического сцинтиллятора или в качестве керамической усиливающей среды лазера.
В предпочтительном варианте осуществления послойное обеспечение керамических соединений включает а) послойное обеспечение керамических соединений в пресс-форме и/или b) получение лент керамических соединений с различными составами и/или разными профилями легирования ленточным литьем и послойную укладку полученных лент для обеспечения пакета лент, и/или с) печать разных слоев фоточувствительной пасты, содержащей керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования, и облучение разных слоев, и/или d) печать на подложку разных слоев суспензии, содержащей керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования. Эти этапы послойного обеспечения керамических соединений могут привести к дополнительно улучшенному керамическому материалу, который может быть использован, например, в качестве керамического сцинтиллятора или в качестве керамической усиливающей среды.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена производственная установка для изготовления керамического материала по п. 1, при этом производственная установка содержит а) блок обеспечения слоев для обеспечения слоев, содержащих керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования, и b) блок спекания для спекания слоев.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа для управления производственной установкой по п. 14, при этом компьютерная программа содержит средства программного кода, обуславливающие выполнение производственной установкой этапов способа изготовления по п. 12, когда эта компьютерная программа выполняется на компьютере, управляя производственной установкой.
Следует понимать, что керамический материал по п. 1, устройство обнаружения для обнаружения излучения по п. 5, система визуализации по п. 8, лазер по п. 9, способ изготовления по п. 12, производственная установка по п. 14 и компьютерная программа по п. 15 имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, которые определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения также может быть любая комбинация зависимых пунктов формулы изобретения или вышеприведенных вариантов осуществления с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные здесь далее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На нижеследующих чертежах:
Фиг. 1 схематично и примерно показывает вариант осуществления системы визуализации для визуализации объекта,
фиг. 2 схематично и примерно показывает вариант осуществления керамического сцинтиллятора и детектора устройства обнаружения системы визуализации,
фиг. 3 схематично и примерно показывает дополнительный вариант осуществления керамического сцинтиллятора и детектора устройства обнаружения системы визуализации,
фиг. 4 схематично и примерно показывает вариант осуществления лазера,
фиг. 5 схематично и примерно показывает вариант осуществления керамической усилительной среды лазера;
фиг. 6 показывает блок-схему, примерно иллюстрирующую вариант осуществления способа изготовления для изготовления керамического материала, и
Фиг. 7 схематично и примерно показывает вариант осуществления производственной установки для изготовления керамического материала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 схематично и примерно показывает вариант осуществления системы 50 визуализации (томографа) для визуализации объекта. В этом варианте осуществления система 50 визуализации является спектральной КТ-системой. Спектральная КТ-система 50 включает в себя гантри 1, который способен вращаться вокруг оси R вращения, простирающейся параллельно направлению оси z. На гантри установлен источник 2 излучения, которым в этом варианте осуществления является рентгеновская трубка. Источник 2 излучения снабжен коллиматором 3, который в этом варианте осуществления из излучения, генерируемого источником 2 излучения, формирует конический пучок 4 излучения. Излучение проходит сквозь объект (не показан), такой как пациент, в зоне 5 обследования, являющейся в этом варианте осуществления цилиндрической. По прохождении зоны 5 обследования пучок 4 излучения падает на устройство 6 обнаружения, содержащее двумерную поверхность обнаружения. Также на гантри 1 установлено устройство 6 обнаружения.
Спектральная КТ-система 50 включает в себя два электродвигателя 7, 8, при этом гантри 1 приводится в движение с предпочтительно постоянной, но регулируемой угловой скоростью электродвигателем 7, а электродвигатель 8 обеспечен для перемещения объекта, который предпочтительно размещен на опорном средстве типа стола параллельно направлению оси вращения R или оси z. Эти электродвигатели 7, 8 управляются блоком 9 управления, например, таким образом, что источник 2 излучения и объект движутся относительно друг друга по винтовому направлению. Однако также возможно, что объект не перемещается, а вращается только источник 2 излучения, т.е. что источник 2 излучения движется по круговой траектории относительно объекта. Кроме того, в другом варианте осуществления коллиматор 3 может быть выполнен с возможностью формирования пучка другой формы, в частности, пучка веерного типа, а устройство 6 обнаружения может содержать поверхность обнаружения, которой придана форма, соответствующая пучку другой формы, в частности, пучку веерного типа.
Во время относительного перемещения источника 2 излучения и объекта устройство 6 обнаружения генерирует значения обнаружения, зависящие от излучения, падающего на поверхность обнаружения устройства 6 обнаружения, при этом сгенерированные значения обнаружения подаются на блок 10 реконструкции для реконструкции изображения объекта. Реконструированное изображение может быть показано на дисплее 12. КТ-система 50 дополнительно содержит устройство 11 ввода, такое как клавиатура, компьютерная мышь, сенсорная панель и так далее, для того, чтобы дать возможность пользователю, такому как рентгенолог, вводить в КТ-систему 50 команды, такие как команда пуска или остановки, и параметры, такие как параметры захвата или параметры реконструкции. Кроме того, блок 10 реконструкции и дополнительные компоненты КТ-системы 50 могут управляться блоком 9 управления.
Устройство 6 обнаружения содержит несколько детекторных элементов, т.е. несколько пикселей обнаружения, упорядоченных в матрицу, при этом каждый детекторный элемент содержит керамический сцинтиллятор 14 и детектор 19, как схематично и примерно показано на фиг. 2. Керамический сцинтиллятор 14 содержит первый слой 15 и второй слой 16 с различными составами и/или разными профилями легирования, при этом первый слой 15 выполнен с возможностью, при облучении рентгеновскими лучами, генерации первого излучения 17, а второй слой 16 выполнен с возможностью, при облучении рентгеновскими пучками, генерации второго излучения 18, и при этом первое излучение 17 и второе излучение 18 имеют различные длины волн.
Детектор 19 содержит первый блок 20 обнаружения для формирования первых значений обнаружения, зависящих от первого излучения 17, и второй блок 21 обнаружения для формирования вторых значений обнаружения, зависящих от второго излучения 18, при этом первый блок 20 обнаружения расположен между керамическим сцинтиллятором 14 и вторым блоком 21 обнаружения, и первый блок 20 обнаружения прозрачен для второго излучения 18. Первый и второй блоки 20, 21 обнаружения предпочтительно являются органическими фотодиодами, так что соответствующий элемент обнаружения устройства 6 обнаружения может содержать двойной слой органических фотодиодов, при этом верхний слой, который предпочтительно находится непосредственно под керамическим сцинтиллятором 14, чувствителен к первому диапазону длин волн первого излучения 17 и прозрачен для второго диапазона длин волн второго излучения 18, и при этом нижний фотодиодный слой чувствителен ко второму диапазону длин волн.
Органические фотодиоды содержат по меньшей мере одну область или слой с органическим материалом, который за счет поглощения падающих фотонов может создавать подвижные электрические заряды (как правило, пары электрон-дырка). Созданные заряды затем могут быть обнаружены электродами, к которым приложено соответствующее напряжение. Преимуществом органических фотодиодов является то, что они могут изготавливаться экономически эффективно. Кроме того, их характеристики поглощения могут настраиваться в значительной степени, например, с использованием подходящей смеси различных органических материалов. Органические фотодиоды, как правило, могут содержать любой органический материал, который подходит для поглощения падающих фотонов и преобразования их в электрический сигнал и/или который может поддерживать этот процесс в качестве материала для переноса дырок или электронов или в качестве легирующей примеси. В качестве примера, органический фотодетектор может содержать по меньшей мере один органический материал, выбранный из группы, состоящей из:
- поли-3,4-этилендиокситиофен (PEDOT),
- полистиролсульфонат (ПСС),
- поли-3-гексилтиофен (P3HT)
- метиловый сложный эфир 6,6-фенил-С61-масляной кислоты (РСВМ),
- C60,
- ZnPc (фталоцианин цинка),
- MeO-TPD (N,N,N',N'-тетракис(4-метоксифенил)-бензидин),
- p-NPB (N,N'-бис(I-нафтил)-N,N'-дифенил-l, 1’-бифенил-4,4'-диамин),
- TTN,
- F4TCNQ (2,3,5,6-тетрафторо-7,7,8,8-тетрацианхинодиметан),
- DCV5T (бис(2,2-дициановинил)-квинкетиофен),
- производные или модификации вышеуказанных веществ.
Дополнительные подходящие органические материалы можно найти в литературе, например, в статье Ч. Брейбека и др. "Пластиковые солнечные ячейки" ["Plastic Solar Cells" by Ch. J. Brabec et al., Advanced Functional Materials, vol. 11, numb. 1, pages 15 to 26 (2001)], которая настоящим включена сюда посредством ссылки.
В другом варианте осуществления первый и второй блоки обнаружения могут быть расположены другим образом. Например, как схематично и примерно показано на фиг. 3, детектор 30 может включать в себя первый блок 31 обнаружения для формирования первых значений обнаружения, зависящих от первого излучения 17, и второй блок 32 обнаружения для формирования вторых значений обнаружения, зависящих от второго излучения 18, при этом первый и второй блоки 31, 32 обнаружения расположены рядом друг с другом на одной и той же стороне керамического сцинтиллятора 14. Первый блок 31 обнаружения предпочтительно содержит оптический фильтр, который позволяет проходить через него по существу только первому излучению 17, а второй блок 32 обнаружения предпочтительно содержит дополнительный оптический фильтр, который позволяет проходить через него по существу только второму излучению 18. Первый и второй блоки 31, 32 обнаружения предпочтительно содержат фотодиоды, такие как кремниевые фотодиоды и кремниевые фотоумножители. Оптические фильтры, которые могут быть расположены перед фотодиодами, могут быть длинноволновыми пропускающими (LWP) и коротковолновыми пропускающими (SWP) интерференционными фильтрами.
Таким образом, для каждого детекторного элемента или пикселя устройства 6 обнаружения может быть обеспечена двойная решетка фотодиодов с различной спектральной чувствительностью для того, чтобы различать друг от друга спектры излучения, испускаемые из разных глубин.
Рентгеновские кванты с более низкой энергией в первом слое 15 керамического материала 14 и рентгеновские кванты с более высокой энергией во втором слое 16 керамического материала 14 генерируют соответствующее излучение. Таким образом, первые значения обнаружения, характеризующие первое излучение 17, генерируемое в первом слое 15, и вторые значения обнаружения, характеризующие второе излучение 18, генерируемое во втором слое 16, могут быть использованы для различения друг от друга рентгеновских квантов разных энергий. Блок 10 реконструкции предпочтительно выполнен с возможностью реконструкции спектрального КТ-изображения на основе первого и второго значений обнаружения при использовании известных алгоритмов спектральной реконструкции, подобных алгоритму спектральной реконструкции, раскрытому в статье Э. Ресля и Р. Прокса "К-краевая визуализация в рентгеновской компьютерной томографии с использованием многоразрядных детекторов счета фотонов" [ʺK-edge imaging in x-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectorsʺ by E. Roessl and R. Proksa, Physics in Medicine and Biology, volume 52(15), pages 4679 to 4696 (2007)], которая настоящим включена сюда посредством ссылки.
Фиг. 4 схематично и примерно показывает лазер 40 с торцевой накачкой, содержащий два зеркала 43, 44, образующих лазерный резонатор, керамическую усиливающую среду 45 для усиления света при стимулированном испускании в пределах лазерного резонатора 43, 44 и источник 41 света накачки для накачки керамической усиливающей среды 45 с помощью света 42 накачки. Созданный лазерный луч обозначен ссылочной позицией 46. Керамическая усиливающая среда 45 примерно и схематично показана на фиг. 5 более подробно.
Керамическая усиливающая среда 45 содержит две нелегированные части 48, 49 и промежуточный пакет слоев 47 с различными концентрациями легирующих примесей. В этом варианте осуществления нелегированные части 48, 49 представляют собой части из чистого иттрий-алюминиевого граната (АИГ), а пакет слоев 47 образован слоями АИГ с разными концентрациями неодима. Каждый из слоев АИГ может иметь толщину, например, 300 мкм, или они могут иметь другую толщину. Например, в этом варианте осуществления пакет слоев 47 может включать семь слоев АИГ, при этом атомное процентное содержание неодима может увеличиваться с 0,5 до 3,5. Источник 41 света накачки и керамическая усиливающая среда 45 расположены таким образом, что керамическая усиливающая среда 45 накачивается в направлении накачки, являющемся перпендикулярным слоям 47 керамического материала 45. Более того, источник 41 света накачки и керамическая усиливающая среда 45 расположены таким образом, что концентрация легирующей примеси в пакете слоев 47 керамической усиливающей среды 45 увеличивается от слоя к слою в пределах увеличивающегося расстояния до источника 41 света накачки. Вся керамическая усиливающая среда 45, которая может представлять собой керамический стержень, может иметь длину, например, около 10 мм.
Источником 41 света накачки может быть лазерный диод. Он может быть выполнен с возможностью генерации света накачки с длиной волны в пределах диапазона длин волн от 730 до 760 нм или в пределах диапазона длин волн от 790 до 820 нм. Зеркала 43, 44 лазерного резонатора представляют собой известные зеркала, которые обычно используются в лазерных резонаторах лазеров с торцевой накачкой, при этом первое зеркало 43 прозрачно для света 42 накачки и отражает лазерный свет 46, а второе зеркало 44 в основном отражает лазерный свет 46 и частично прозрачно для этого лазерного света 46, чтобы выводить часть лазерного света 46 из керамической усиливающей среды 45.
Далее со ссылкой на показанную на фиг. 6 блок-схему последовательности операций будет примерно описан вариант осуществления способа изготовления керамического материала. Вариант осуществления производственной установки 60, которая может быть использована для осуществления этого способа изготовления, схематично и примерно показан на фиг. 7.
На этапе 101 блок 61 обеспечения слоев послойно обеспечивает керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования, а на этапе 102 блок 62 спекания выполняет спекание послойно обеспеченных керамических соединений. На фиг. 7 промежуточный продукт, т.е. неспеченная (сырая) заготовка перед спеканием, обозначен ссылочной позицией 63, а пакет слоев после спекания обозначен ссылочной позицией 64. В этом варианте осуществления производственная установка 60 дополнительно содержит блок 65 отжига для отжига на этапе 103 спеченного пакета слоев, что в результате дает промежуточный отожженный продукт 66. Этот промежуточный отожженный продукт 66 на этапе 104 шлифуют с помощью шлифующего аппарата 67, что в результате дает шлифованный промежуточный продукт 68. Затем шлифованный промежуточный продукт 68 полируют с помощью полировального устройства 69, при этом полированный керамический материал обозначен ссылочной позицией 70.
Послойное обеспечение керамических соединений с различными составами и/или различными профилями легирования может выполняться, например, при добавлении в пресс-форму, используемую для прессования неспеченной заготовки керамического материала, различных смесей сырьевых материалов, которые могут включать X3(Al,Ga)5О12, и одного или нескольких активирующих соединений, при этом Х представляет собой элемент, выбранный из группы, состоящей из иттрия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия и лютеция. Одно или несколько активирующих соединений являются преимущественно оксидами редкоземельных элементов, такими как оксиды церия, празеодима, неодима, самария, европия, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия или иттербия. В частности, в пресс-форму, используемую для прессования неспеченной заготовки керамического материала, добавляют различные смеси, которые включают оксиды иттрий-галлий-алюминия и одно или несколько редкоземельных соединений, таких как оксиды церия и/или тербия, и/или празеодима. Полученную в результате неспеченную заготовку, которая может быть неспеченной заготовкой в виде прута, затем можно будет спекать, чтобы сформировать, например, продукт в виде поликристаллического граната. Спеченный материал затем может быть отожжен, отшлифован и отполирован. Послойно обеспеченные легирование или изменение состава могут быть также достигнуты при использовании дополнительных технологических процессов, которые могут образовывать заготовку в неспеченной фазе. Например, может быть использовано ленточное (пленочное) литье, при котором легко могут быть получены неспеченные ленточные заготовки различных составов и/или профилей легирования, и необязательно различной толщины. Ленты могут быть высушены и затем уложены одна на другую в любом порядке. Полученный в результате пакет затем может быть спрессован и разрезан в виде конечного неспеченного продукта, который может быть обожжен, т.е. спечен для того, чтобы получить конечный люминесцентный керамический продукт (изделие).
В дополнительном варианте осуществления эти слои могут быть обеспечены при использования светочувствительной пасты, содержащей частицы в неспеченной фазе для наращивания керамического материала, во время которого слои этой пасты последовательно экспонируются. При изменении состава пасты может быть получен четко выраженный, зависящий от глубины профиль легирования керамического материала и/или зависящий от глубины состав исходной (кристаллической) решетки керамического материала. Частицы неспеченной фазы преимущественно являются оксидами, такими как оксиды иттрий-галлий-алюминия, и оксидами редкоземельных элементов или другими оксидами, которые используются для наращивания керамического материала. Частицы неспеченной фазы преимущественно распределены однородно в пределах светочувствительной пасты. Пасту можно отверждать с помощью, например, ультрафиолетового света или синего света. В другом варианте осуществления может быть использована не светочувствительная паста, причем в этом случае может быть применено термическое отверждение. Структуру граната получают из оксидов, когда пасту спекают при высокой температуре. Полученную в результате керамику затем отжигают, шлифуют и полируют для образования керамического материала.
В дополнительном варианте осуществления для обеспечения послойных керамических соединений может быть использована струйная печать. Здесь капельки суспензии, содержащие частицы неспеченной фазы керамических соединений, выбрасываются на подложку с заданным рисунком и высыхают. При изменении состава капелек суспензии может быть получено требуемый профиль легирования или исходной решетки. Полученную в результате неспеченную заготовку затем можно спекать, отжигать, шлифовать и полировать.
Все эти технологии обеспечивают легкий способ четкого определения концентраций легирующей примеси и/или составов исходной решетки по разным глубинам полученной в результате керамики, которая может быть сцинтилляционный керамикой или керамикой усилительной среды. Если керамический материал должен использоваться для формирования решетки пикселей обнаружения устройства обнаружения, то есть решетки детекторных элементов устройства обнаружения, то соответствующие керамические сцинтилляторы могут быть упорядочены в требуемые решетки с использованием простых методов типа "взять и поместить".
Керамические сцинтилляторы являются предпочтительнее монокристаллических сцинтилляторов из-за их низкой стоимости, возможности придания им произвольной формы и из-за возможности получения соединений, которые невозможно выращивать в виде кристалла. Керамические сцинтилляторы можно использовать в устройстве обнаружения КТ-системы или других систем визуализации, таких как ПЭТ-система или ОФЭКТ-система.
Данные способ изготовления и производственная установка могут быть использованы для получения керамических сцинтилляторов с различными легирующими примесями и/или различными концентрациями легирующей примеси, и/или различными составами основного вещества, в частности, различными плотностями основного вещества на различных глубинах. Например, полученный керамический сцинтиллятор может содержать изменение в составе граната вдоль продольной оси керамического сцинтиллятора, то есть, например, в направлении рентгеновского пучка КТ-системы, что приводит к различным спектрам излучения от активатора только одного вида в различных положениях вдоль продольной оси. Это может обеспечить возможность различать излучение сцинтиллятора в соответствии с его длиной волны при использовании спектрально-чувствительного детектора, который может содержать фотодиодный слой с фотодиодами различной спектральной чувствительности. Таким образом, устройство обнаружения может включать решетку керамических сцинтилляторов, которые прозрачны для испускаемого света таким образом, что соответствующие световые сигналы, сформированные на разных глубинах, могут считываться, например, двухслойной решеткой фотодиодов, расположенных под керамическими сцинтилляторами.
Хотя в вышеописанном со ссылкой на фиг. 2 и 3 варианте осуществления керамический сцинтиллятор имеет только два слоя с различными составами и/или профилями легирования, в других вариантах осуществления керамический сцинтиллятор может содержать больше слоев с различными составами и/или профилями легирования. Соответственно, детектор может содержать более двух блоков обнаружения, предназначенных для соответствующего керамического сцинтиллятора, для того, чтобы различать излучение, исходящее их разных слоев. Более того, хотя в вышеописанных вариантах осуществления для того, чтобы определить, из какого слоя испускается соответствующее излучение, были использованы длины волн, в других вариантах осуществления изобретения для различения разных видов излучения могут быть использованы другие характеристики излучения. Например, могут быть использованы различия времен затухания ионов различных активаторов в керамическом сцинтилляторе. Таким образом, детектируют во времени разные вклады в соответствующий сигнал, а не частотную область. Для того, чтобы выявить вклад каждого из ионов активатора и рассчитать относительный вклад каждого из сегментов сцинтиллятора в общий обнаруженный сигнал, могут быть использованы простые алгоритмы. В качестве примера, для разделения сигналов от верхнего и нижнего слоев детектора можно использовать фильтрацию сигналов, измеренных в нескольких соседних кадрах, разделение на вторичные сигналы с разными постоянными времени затухания.
Специалисты в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения могут понять и осуществить другие изменения к раскрытым вариантам осуществления.
Теперь со ссылкой на пронумерованные примеры 1-5 лазеров будут описаны различные примеры лазера.
Пример 1 лазера. Лазер, содержащий:
- лазерный резонатор 43, 44,
- керамическая усиливающая среда 45 для усиления света при стимулированном испускании в пределах лазерного резонатора 43, 44, при этом керамическая усиливающая среда 45 содержит керамический материал 47, содержащий пакет слоев 15, 16, 47 с различными составами и/или разными профилями легирования,
- источник 41 света накачки для накачки керамической усиливающей среды 45 при использовании света 42 накачки.
Пример 2 лазера. Лазер, который определен в Примере 1 лазера, при этом пакет слоев образован в пределах одного и того же куска керамического материала.
Пример 3 лазера. Лазер, который определен в Примере 1 лазера или Примере 2 лазера, при этом пакет слоев образован из одного и того же состава со структурой граната и слои имеют различные легирующие примеси и/или различные концентрации легирующей примеси.
Пример 4 лазера. Лазер, который определен в Примере 1 лазера, при этом источник 41 света накачки и керамическая усиливающая среда 45 выполнены таким образом, что керамическая усиливающая среда 45 накачивается в направлении накачки, перпендикулярном слоям 47 керамического материала 45.
Пример 5 лазера. Лазер, который определен в Примере 4 лазера, при этом различные слои пакета слоев 47 керамического материала 45 содержат различные концентрации легирующей примеси и при этом источник 41 света накачки и керамическая усиливающая среда 45 выполнены таким образом, что концентрация легирующей примеси в пакете слоев 47 керамической усиливающей среды 45 монотонно возрастает от слоя к слою с увеличением расстояния до источника 41 света накачки.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества.
Одиночный блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Тот простой факт, что некоторые меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что не может быть использована с выгодой комбинация этих мер.
Операции, подобные обеспечению послойных керамических соединений с различными легирующими примесями и/или составами, спеканию и т.д., выполненные одним или несколькими блоками или устройствами, могут быть выполнены любым другим числом блоков или устройств. Управление производственной установкой в соответствии со способом изготовления, а также другие операции, такие как управление системой визуализации, реконструкция изображения и так далее, могут быть реализованы в виде средства программного кода компьютерной программы и/или в виде специализированного аппаратного средства.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другим аппаратным средством или в качестве его части, но может также распространяться в других формах, таких как через интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.
1. Устройство обнаружения для обнаружения гамма- или рентгеновского излучения, причем устройство (6) обнаружения содержит:
- керамический сцинтиллятор (14), содержащий керамический материал для генерации света при облучении излучением, при этом керамический материал (14, 45) содержит пакет слоев (15, 16, 47), включающий первый слой (15) и второй слой (16), оба из которых имеют структуру граната; и при этом первый слой (15) и второй слой (16) имеют по меньшей мере одно из i) различных составов, ii) различных легирующих примесей, iii) различных концентраций легирующей примеси; и при этом первый слой (15) выполнен с возможностью, при облучении упомянутым излучением, генерации первого излучения (17), а второй слой (16) выполнен с возможностью, при облучении упомянутым излучением, генерации второго излучения (18), причем первое излучение (17) и второе излучение (18) являются различными; и
- детектор (19, 30) для формирования первого значения обнаружения, зависящего от первого излучения (17), и второго значения обнаружения, зависящего от второго излучения (18), и при этом:
первый слой (15) и второй слой (16), оба, сформированы в одном и том же куске керамического материала; или
первый слой является смежным второму слою, причем структура граната простирается непрерывно между первым слоем и вторым слоем; или
слои пакета слоев (47) выполнены таким образом, что в перпендикулярном слоям направлении концентрация легирующей примеси монотонно возрастает от слоя к слою.
2. Устройство обнаружения по п. 1, в котором первый слой (15) и второй слой (16) сформированы из одного и того же состава и имеют различные легирующие примеси и/или разные концентрации легирующей примеси.
3. Устройство обнаружения по п. 2, в котором состав выбран из группы составов X3(Al,Ga)5О12, где Х представляет собой элемент, выбранный из группы, состоящей из иттрия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия и лютеция, и при этом легирующая примесь выбрана из группы, состоящей из церия, празеодима, неодима, самария, европия, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия или иттербия.
4. Устройство обнаружения по п. 1, в котором керамический сцинтиллятор содержит принимающую излучение поверхность для приема гамма- или рентгеновского излучения; и в котором принимающая излучение поверхность по существу параллельна каждому слою пакета слоев (15, 16, 47).
5. Устройство обнаружения по п. 1, в котором первое излучение (17) и второе излучение (18) различны в по меньшей мере одном из длины волны или времени затухания.
6. Устройство обнаружения по любому из пп. 1-5, в котором детектор (19, 30) содержит первый блок (20, 31) обнаружения для формирования первого значения обнаружения, зависящего от первого излучения (17), и второй блок (21, 32) обнаружения для формирования второго значения обнаружения, зависящего от второго излучения (18), при этом а) первый блок (20) обнаружения расположен между керамическим сцинтиллятором (14) и вторым блоком (21) обнаружения, и при этом первый блок (20) обнаружения по меньшей мере частично прозрачен для второго излучения (18), или b) первый блок (31) обнаружения и второй блок (32) обнаружения расположены рядом друг с другом на стороне керамического сцинтиллятора (14).
7. Устройство обнаружения по любому из пп. 1-5, в котором детектор (19, 30) выполнен с возможностью различать друг от друга первое излучение (17) и второе излучение (18) в зависимости от их длин волн и/или их времен затухания.
8. Система визуализации для визуализации объекта, причем система (50) визуализации содержит:
- устройство (6) обнаружения для обнаружения излучения от объекта по п. 1, при этом устройство (6) обнаружения формирует первое и второе значения обнаружения,
- блок (10) реконструкции для реконструкции изображения объекта на основе первого и второго значений обнаружения.
9. Способ изготовления для изготовления керамического материала для генерации света при облучении гамма- или рентгеновским излучением, при этом керамический материал (14, 45) содержит пакет слоев (15, 16, 47), включающий первый слой (15) и второй слой (16), оба из которых имеют структуру граната; и при этом первый слой (15) и второй слой (16) имеют по меньшей мере одно из i) различных составов, ii) различных легирующих примесей, iii) различных концентраций легирующей примеси; и при этом первый слой (15) выполнен с возможностью, при облучении упомянутым излучением, генерации первого излучения (17), а второй слой (16) выполнен с возможностью, при облучении упомянутым излучением, генерации второго излучения (18), причем первое излучение (17) и второе излучение (18) являются различными, и при этом:
первый слой (15) и второй слой (16), оба, сформированы в одном и том же куске керамического материала; или
первый слой является смежным второму слою, причем структура граната простирается непрерывно между первым слоем и вторым слоем; или
слои пакета слоев (47) выполнены таким образом, что в перпендикулярном слоям направлении концентрация легирующей примеси монотонно возрастает от слоя к слою, при этом способ изготовления включает:
- послойное обеспечение керамических соединений с различными составами и/или разными профилями легирования и
- спекание послойно обеспеченных керамических соединений.
10. Способ изготовления по п. 9, в котором первый слой (15) и второй слой (16), оба, формируют в одном и том же куске керамического материала.
11. Способ изготовления по п. 9, в котором первое излучение (17) и второе излучение (18) различают в по меньшей мере одном из длины волны или времени затухания.
12. Способ изготовления по п. 9, в котором послойное обеспечение керамических соединений включает: а) послойное обеспечение керамических соединений в пресс-форме, и/или b) получение лент керамических соединений с различными составами и/или разными профилями легирования ленточным литьем и послойную укладку полученных лент для обеспечения ленточного пакета, и/или с) печать разных слоев фоточувствительной пасты, содержащей керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования, и облучение этих разных слоев, и/или d) печать на подложку разных слоев суспензии, содержащей керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования.
13. Производственная установка для изготовления керамического материала (14, 48) для генерации света при облучении гамма- или рентгеновским излучением, при этом керамический материал (14, 45) содержит пакет слоев (15, 16, 47), включающий первый слой (15) и второй слой (16), оба из которых имеют структуру граната; и при этом первый слой (15) и второй слой (16) имеют по меньшей мере одно из i) различных составов, ii) различных легирующих примесей, iii) различных концентраций легирующей примеси; и при этом первый слой (15) выполнен с возможностью, при облучении упомянутым излучением, генерации первого излучения (17), а второй слой (16) выполнен с возможностью, при облучении упомянутым излучением, генерации второго излучения (18), причем первое излучение (17) и второе излучение (18) являются различными, и при этом:
первый слой (15) и второй слой (16), оба, сформированы в одном и том же куске керамического материала; или
первый слой является смежным второму слою, причем структура граната простирается непрерывно между первым слоем и вторым слоем; или
слои пакета слоев (47) выполнены таким образом, что в перпендикулярном слоям направлении концентрация легирующей примеси монотонно возрастает от слоя к слою, при этом производственная установка (60) содержит:
- блок (61) обеспечения слоев для обеспечения слоев (15, 16, 47), содержащих керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования;
- блок (62) спекания для спекания слоев (15, 16, 47);
при этом послойное обеспечение керамических соединений включает: а) печать разных слоев фоточувствительной пасты, содержащей керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования, и облучение этих разных слоев, и/или b) печать на подложку разных слоев суспензии, содержащей керамические соединения с различными составами и/или разными профилями легирования.
14. Производственная установка по п. 13, при этом первый слой (15) и второй слой (16), оба, сформированы в одном и том же куске керамического материала.
15. Машиночитаемый носитель, содержащий компьютерную программу для управления производственной установкой по п. 13, содержащую средства программного кода, заставляющие производственную установку (60) осуществлять этапы способа изготовления п. 9, когда эта компьютерная программа выполняется на компьютере, управляющем производственной установкой (60).
