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Hochauflösende Röntgenspeicherleuchtstoffplatten auf Basis von europiumdotiertem Cäsiumbromid

Kersting, Elmar :
Hochauflösende Röntgenspeicherleuchtstoffplatten auf Basis von europiumdotiertem Cäsiumbromid.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hochauflösende Röntgenspeicherleuchtstoffplatten auf Basis von europiumdotiertem Cäsiumbromid
Language: German
Abstract:

Röntgenspeicherleuchtstoffe werden in Form von Bildplatten seit den späten 80er Jahren vor allem wegen ihrer hohen PSL-Empfindlichkeit in der bildgebenden Röntgendiagnostik verwendet. Die räumliche Auflösung klassischer Röntgenfilme wurde jedoch mit Bildplatten aus Speicherleuchtstoffen bis heute nicht erreicht. Kommerzielle Bildplatten basieren auf granularem, mit Europium(II) dotiertem, Bariumfluorobromid, welches aufgrund seiner Lichtstreueigenschaften kein Potenzial für ein hohes räumliches Auflösungsvermögen hat. Höhere Auflösungen ohne Einbußen bei der Empfindlichkeit konnten bisher nur durch nadelförmig strukturierte Bildplatten aus Europium(II) dotiertem Cäsiumbromid (CsBr) erzielt werden. Die höchste Auflösung ist allerdings bei transparenten Bildplatten zu erwarten. Das hier verwendete Material CsBr kann aufgrund seiner kubischen Kristallstruktur in transparenter Form hergestellt werden.

In dieser Arbeit wird der Einfluss verschiedener Synthese- und Fertigungsparameter der Bildplatten auf die erreichbare räumliche Auflösung und die PSL-Empfindlichkeit sowie deren Abhängigkeit von den strukturellen und funktionellen Eigenschaften und Mechanismen untersucht.

Es wurde ein neues Verfahren zur Herstellung des Ausgangspulvers der Bildplatten mit Hilfe einer Fällungsreaktion aus einer wässrigen CsBr-Lösung und Ethanol entwickelt. Durch die Variation der Prozessparameter lassen sich die Eigenschaften des Pulvers wie eine homogene Korngrößenverteilung und die Kornform steuern. Aus diesem Pulver wurden Bildplatten in Form von Pellets gepresst und ihre resultierenden Eigenschaften wie PSL-Empfindlichkeit und Auflösung bestimmt. Eine Aussetzung an Luftfeuchtigkeit (Hydration) bewirkt eine von der Oberfläche ausgehende Rekristallisation der Pellets. Die Rekristallisation verursacht eine Abnahme der PSL-Empfindlichkeit und eine Zunahme der räumlichen Auflösung. Eine anschließende Temperaturbehandlung führt zu einem Aufbrechen der polykristallinen Struktur in kleinere Körner, einem starken Anstieg der PSL-Empfindlichkeit und einer geringen Abnahme der Auflösung. Wird die Temperaturbehandlung als erster Schritt durchgeführt, wird eine starke Zunahme der Empfindlichkeit und keine Veränderung der Auflösung festgestellt. Eine folgende Hydration führt nun nur noch zu einer geringen strukturellen Veränderung des gepressten Pulvers. Die PSL-Empfindlichkeit nimmt mit zunehmender Hydrationsdauer leicht ab, während die Auflösung stark abfällt. Der Zusammenhang zwischen den PSL-Eigenschaften und der Struktur der Bildplatten wird mithilfe eines einfachen Modells erläutert.

Weiterhin bilden sich während der einzelnen Behandlungsschritte in den Bildplatten verschiedene europiumreiche Phasen, welche durch die Temperaturbehandlung bzw. Hydration in CsBrEu3 bzw. Cs2BrEu5 * 10 H2O umgewandelt werden. Diese Phasen besitzen einen starken Einfluss auf die Empfindlichkeit und die strukturellen Veränderungen während der oben genannten Behandlungsschritte. Während der Hydration werden durch die Rekristallisation die Europium-Ionen der im eindringenden Wasser gelösten Korngrenzenphasen in die CsBr-Matrix eingebaut. Die Temperaturbehandlung führt zu einer Reduktion der Europim(III)-Ionen und zu einer Bildung einer in Wasser schlecht löslichen Phase, welche für die behinderte Rekristallisation während einer folgenden Hydration verantwortlich ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
X-ray image plates based on photostimulable storage phosphors, which are used in the field of medical diagnostics and structural analysis, gained a lot of attention in the last decade. Today’s image plates usually consist of BaFBr:Eu2+ particles imbedded in an organic binder or needle-like CsBr:Eu2+ crystals grown by physical vapor deposition. More recently the feasibility to increase spatial resolution by pressing CsBr:Eu2+ into transparent image plates was explored. In the present work the interdependence of structural properties and functional mechanisms during the synthesis of the image plates and their influence on the spatial resolution and the PSL sensitivity are investigated. A new production route for image plates has been developed, synthesizing CsBr:Eu2+ powder from a precipitation reaction of aqueous CsBr solution with ethanol. This new route allows the control of features like a homogeneous grain size and grain shape of the obtained powder. After drying and subsequent compacting the powder, disk-like samples were fabricated and their resulting photo-stimulated luminescence (PSL) properties like yield and spatial resolution were determined. It will be shown that hydration of such disks causes the CsBr:Eu2+ powder to recrystallize starting from humidity exposed surfaces into the sample interior up to a completely polycrystalline sample resulting in a decreasing PSL yield and an increasing resolution. Subsequent annealing leads to a grain refinement combined with a large PSL yield increment and a minor effect on the spatial resolution. By first annealing the as made disk one observes a strong increment of the PSL yield and almost no effect on the spatial resolution. During subsequent hydration the recrystallization is hindered with minor structural changes of the grains. The related PSL yield drops slightly with increasing hydration time and the spatial resolution drops considerably. The obtained PSL properties with respect to structure will be discussed within a simple model. Further europium-rich phases develop between the storage phosphor particles during synthesis and are transformed to CsEuBr3 and Cs2EuBr5 ⋅ 10 H2O during annealing and hydration, respectively. These phases have considerable influence on the PSL yield and the structural changes during above mentioned treatments. During hydration europium ions of the dissolved phases are incorporated into the storage phosphor by the recrystallisation. Annealing leads to formation of a less readily soluble phase causing the hinderance for recrystallisation during subsequent hydration.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Electronic Materials
Date Deposited: 20 May 2019 14:10
Last Modified: 20 May 2019 14:10
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86322
Referees: von Seggern, Prof. Dr. Heinz
Refereed: 22 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8632
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