Comprehension and optimization of scintillating materials for medical imaging applications
Étude et optimisation de matériaux scintillateurs pour l'imagerie médicale
Résumé
This work is dedicated to the comprehension of the scintillation mechanisms in LYSO:Ce single crystals and in Gd2O2S:Pr and LuGdO3:Eu dense ceramics, and to the optimization of their scintillation properties. For medical imaging applications, a high stopping power of X and rays, a high light yield, fast response time and a low afterglow are amongst the main requirements. Threw the comprehension of the involved mechanisms we have evidenced that point defects (anionic vacancies for LYSO:Ce and Gd2O2S:Pr, and interstitial oxygen for LuGdO3:Eu) are responsible for decreasing the scintillation performances of the studied compounds. Two routes were deepened for optimizing these scintillators: co-doping and annealing. Co-doping LYSO:Ce single crystals with Ca2+ or Mg2+ leads to a significantly improved light yield and afterglow, while also stabilizing part of the doping ions as Ce4+ with an efficient charge compensating mechanism. Air annealing also leads to improved scintillation. The afterglow of LuGdO3:Eu can be significantly reduced when co-doping with Ce3+,Pr3+ or Tb3+. Finally, annealing Gd2O2S:Pr ceramics in a sulfur-rich atmosphere was evidenced as the most promising way to reduce the afterglow without degrading the light yield.
Ce travail de thèse concerne l'étude des mécanismes de scintillation de monocristaux de LYSO:Ce et de céramiques denses de Gd2O2S:Pr,Ce et de LuGdO3:Eu pour pouvoir cibler leur optimisation. Les spécificités pour une application en imagerie médicale incluent un fort pouvoir d'arrêt des rayonnements et X, un rendement lumineux élevé, un temps de réponse rapide et, pour la tomographie CT, un afterglow le plus faible possible. Un important travail de compréhension des mécanismes mis en jeu a permis de mettre en évidence le rôle dommageable joué par les défauts ponctuels sur les propriétés de scintillation de ces composés (lacunes anioniques pour LYSO:Ce et Gd2O2S:Pr,Ce, et oxygènes interstitiels pour LuGdO3:Eu). Deux voies d'optimisation de ces scintillateurs ont été approfondies : le codopage et les recuits sous atmosphère contrôlée. Le codopage de monocristaux de LYSO:Ce par Ca2+ et Mg2+ permet d'améliorer significativement le rendement lumineux et l'afterglow, tout en stabilisant une partie importante de Ce4+ par un mécanisme de compensation de charges. Ces améliorations sont complémentaires avec celles d'un recuit oxydant. L'afterglow de LuGdO3:Eu a également été sensiblement optimisé, cette fois en utilisant des codopants trivalents (Ce3+, Pr3+ et Tb3+). Enfin, nous avons mis en avant qu'appliquer un recuit sous atmosphère soufrée est un moyen efficace de réduire l'afterglow des céramiques de Gd2O2S:Pr sans en dégrader le rendement lumineux.