JP2013043960A - シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線検出器に好適に適用できる、蛍光寿命の短いシンチレータ用ガーネット型結晶を提供する。
【解決手段】本発明のシンチレータ用ガーネット型結晶は、一般式（１）：
Ｌｕ_{３−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＹ_ｙＡｌ_５−ＺＧａ_ＺＯ_１２ （１）
（式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦３、１≦ｚ≦４．５である）で表される。
【選択図】なし

Description

本発明は、シンチレータ用ガーネット型結晶、およびこれを用いる放射線検出器に関する。

シンチレータ単結晶はγ線、Ｘ線、α線、中性子線等を検出する放射線検出器に用いられ、このような放射線検出器は、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）装置やＸ線コンピュータ断層装置（ＣＴ装置）などの医療画像装置、高エネルギー物理分野における各種放射線計測装置、資源探査装置などに幅広く応用されている。一般に、放射線検出器は、γ線、Ｘ線、α線、中性子線を吸収し、シンチレーション光に変換するシンチレータと、シンチレータ光を受光し、電気信号等に変換する受光素子から構成される。例えば、高エネルギー物理やＰＥＴイメージングシステムでは、シンチレータと、核崩壊によって発生する放射線との衝突に基づいて画像が作成される。また、陽電子放射断層撮影法において、被検体内の陽電子（ポジトロン）と対応する電子との相互作用から生じるガンマ線がシンチレータの中へ入って、光検出器によって検出することのできるフォトンに変換される。例えば、被検体内の特定の位置から放出されたフォトンはフォトダイオード（ＰＤ）、シリコンフォトマルチプライヤー（Ｓｉ−ＰＭ）、もしくは光電子増倍管（ＰＭＴ）、または他の光検出器を使用して、検出することができる。

ＰＤやＳｉ−ＰＭは、特に放射線検出器やイメージング機器において、広範な用途を有する。様々なＰＤが知られており、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭは、感度の高い波長が４５０〜７００ｎｍであり、６００ｎｍ付近で最も感度が高くなる。そのため、６００ｎｍ付近に発光ピーク波長を有するシンチレータと組み合わせて使用されている。一般に、ＰＤアレー、位置検知性アバランシェ・フォトダイオード（ＰＳＡＰＤ）から構成されるアバランシェ・フォトダイオード・アレー（ＡＰＤアレー）と称される一形式フォトダイオード、およびＳｉ−ＰＭアレーでは、フォトンを検出して、このフォトンがアレーに衝突する位置を突き止めることができる。

そこで、これらの放射線検出器に適するシンチレータには、検出効率の点から密度が高く原子番号が大きいこと（光電吸収比が高いこと）、高速応答の必要性や高エネルギー分解能の点から発光量が多く、蛍光寿命（蛍光減衰時間）が短いことが望まれる。また、シンチレータの発光波長が光検出器の検出感度の高い波長域と一致することも重要である。

現在、各種放射線検出器へ応用される好ましいシンチレータとして、ガーネット構造を有するシンチレータがある。ガーネット構造を有するシンチレータは、化学的に安定で、劈開性や潮解性が無く、加工性に優れるという利点がある。例えば、特許文献１に記載の、Ｐｒ^３＋の４ｆ５ｄ準位からの発光を利用するガーネット構造を持つシンチレータは、蛍光寿命が４０ｎｓ程度以下と短い。また、非特許文献１、２、および３に記載のＣｅ^３＋の４ｆ５ｄ準位からの発光を利用するルテチウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＬｕＡＧ）が報告されている

国際公開第２００６／０４９２８４号パンフレット

Ｍ．Ｎｉｋｌ， Ａ．Ｖｅｄｄａ， Ｍ．Ｆａｓｏｌｉ， Ｉ．Ｆｏｎｔａｎａ， Ｖ．Ｖ．Ｌａｇｕｔａ， Ｅ．Ｍｉｈｏｋｏｖａ， Ｊ．Ｒｅｊｃｈａｌ， Ｊ．Ｒｏｓａ， Ｋ．Ｎｅｊｅｚｃｈｌｅｂ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ７６， ２００７， １９５１２１−１９５１２８, "Ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒａｐｓ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ" Ｊｉｒｉ Ａ．Ｍａｒｅｓ， Ａ．Ｂｅｉｔｌｅｒｏｖａ， Ｍ．Ｎｉｋｌ， Ｎ．Ｓｏｌｏｖｉｅｖａ， Ｃ．Ｄ'Ａｍｂｒｏｓｉｏ， Ｋ．Ｂｌａｚｅｋ， Ｐ．Ｍａｌｙ， Ｋ．Ｎｅｊｅｚｃｈｌｅｂ， Ｆ．ｄｅ Ｎｏｔａｒｉｓｔｅｆａｎｉ．， Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，３８，２００４，３５３−３５７．，"Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｃｅ−ｄｏｐｅｄ ｏｒ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｕｐ ｔｏ １ＭｅＶ" Ｃｈｅｗｐｒａｄｉｔｋｕｌ， Ｗ．； Ｓｗｉｄｅｒｓｋｉ， Ｌ．； Ｍｏｓｚｙｎｓｋｉ， Ｍ．； Ｓｚｃｚｅｓｎｉａｋ， Ｔ．； Ｓｙｎｔｆｅｌｄ−Ｋａｚｕｃｈ， Ａ．； Ｗａｎａｒａｋ， Ｃ．， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， ５６ （２００９） ３８００−３８０５

しかしながら、特許文献１の技術では、発光ピーク波長が３５０ｎｍ以下と短波長であり、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長とは一致しない。

非特許文献１、２に記載のＣｅ：ＬｕＡＧではエネルギーバンド構造内の伝導体からエネルギーの低い位置に存在する欠陥準位により自由電子が捕獲され、結果としてＣｅ^３＋の４ｆ５ｄ準位からの発光が減衰し、発光量が低くなることが指摘され、また、８０ｎｓ程度の短い蛍光寿命成分と同時に欠陥準位の存在に由来する１００ｎｓ以上の蛍光寿命の長寿命発光成分が存在することが指摘されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、放射線検出器に好適に適用できる、蛍光寿命が短く、高密度、高発光量かつ高いエネルギー分解能を有するシンチレータ用ガーネット型結晶を提供するものである。

上記課題を解決する本発明によれば、
一般式（１）：
Ｌｕ_{３−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＹ_ｙＡｌ_５−ＺＧａ_ＺＯ_１２ （１）
（式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦３、１≦ｚ≦４．５である）
で表されるシンチレータ用ガーネット型結晶が提供される。

また、本発明によれば、上記のシンチレータ用ガーネット型結晶から構成されるシンチレータと、前記シンチレータの発光を検出する受光器とを備える、放射線検出器が提供される。

本発明によれば、Ｃｅを発光元素とし、ＡｌとＯとを必須成分とし、かつ、Ｌｕを含むガーネット型結晶に、Ｇａを含ませたことにより、γ線により励起及び蛍光発光したときの蛍光成分の蛍光ピーク波長をシリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長と一致させることができる。また、上記式（１）で示す結晶構成では、Ｇａ含量を１≦ｚとしたことにより、エネルギーバンド構造が最適化され、Ｇｄ^３＋のエネルギー準位からＣｅ^３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなり、エネルギー分解能に優れる。また、Ｇａを１≦ｚの範囲で含ませたことにより、高密度の結晶とすることができる。したがって、放射線検出器に好適に適用できる、蛍光寿命が短く、高密度、高発光量かつ高いエネルギー分解能を有するシンチレータ用ガーネット型結晶が実現可能となる。

本発明によれば、放射線検出器に好適に適用できる、高密度、高い発光量、短い蛍光寿命と高いエネルギー分解能を有する、シンチレータ用ガーネット型結晶が提供される。

本発明のシンチレータ用ガーネット型結晶をγ線励起させたときの発光量及び蛍光減衰時間を測定する装置の一例を説明する図である。 本発明のシンチレータ用ガーネット結晶をγ線励起させたときに発光量が高くなり、発光する蛍光寿命が短寿命であり、かつ、長寿命成分が低減する原理を説明する図である。 比較例４、実施例５、および実施例６で得られた結晶の発光スペクトルを示す図である。 比較例３、実施例３、および実施例４において得られた結晶の蛍光減衰時間を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態に係るシンチレータ用ガーネット型単結晶は、以下の
一般式（１）で表される。
Ｌｕ_{３−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＹ_ｙＡｌ_５−ＺＧａ_ＺＯ_１２ （１）
（式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦３、１≦ｚ≦４．５である。）

上記式（１）で表されるガーネット型結晶は、γ線で励起させることができ、これにより、蛍光発光させることが可能になる。その発光ピーク波長は、４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下とすることができる。

上記式（１）で表されるシンチレータ用ガーネット型結晶において、Ｃｅの濃度ｘは、０．０００１≦ｘ≦０．１５であり、好ましくは、０．００１≦ｘ≦０．１０であり、より好ましくは、０．０１５≦ｘ≦０．０９である。このように、一般式（１）において好適なＣｅの値をとることで、Ｃｅ^３＋の４ｆ５ｄ準位からの発光が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。

上記式（１）で表されるシンチレータ用ガーネット型結晶において、Ｇａの濃度ｚは、１≦ｚ≦４．５であり、０≦ｙ≦０．５の場合は好ましいｚの範囲は、１≦ｚ≦２．５であり、０．５＜ｙ≦２．５の場合は好ましいｚの範囲は、２≦ｚ≦３．５であり、２．５＜ｙ≦３の場合は好ましいｚの範囲は、２≦ｚ≦４である。
このように、一般式（１）において好適なＧａをとることで、蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。

また、上記式（１）で表されるガーネット型結晶の発光量は、１５０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上で得ることができ、より好ましくは、２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上で得ることができる。

本発明において、発光量とは、φ３×２ｍｍサイズの結晶を２５℃で測定したものをいい、例えば、図１のような測定装置を用いて測定することができる。この測定装置では、暗箱１０内に、Ｃｓ１３７γ線源１１と、測定サンプルであるシンチレータ１２と、光電子増倍管１４とが備えられている。シンチレータ１２は、光電子増倍管１４に、テフロン（登録商標）テープ１３を用いて物理的に固着されるとともに、光学接着剤等により光学接着されている。そして、Ｃｓ^１３７γ線源１１から、６２２ｋｅＶのγ線をシンチレータ１２に照射し、光電子増倍管１４より出力される、パルス信号を前置増幅器１５、波形整形増幅器１６へと入力し、増幅・波形整形し、さらにマルチチャンネルアナライザ１７へと入力し、パーソナルコンピュータ１８を用いてＣｓ^１３７γ線励起のエネルギースペクトルを取得する。得られたエネルギースペクトル中の光電吸収ピークの位置を既知のシンチレータであるＣｅ：ＬＹＳＯ（発光量：３００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ）と比較し、光電子増倍管１４の波長感度をそれぞれ考慮し、発光量を最終的に算出する。
この測定方法では、シンチレーションカウンティング法による発光量を測定しており、放射線に対する光電変換効率を求めることができる。そのため、シンチレータが持つ固有の発光量を測定することができる。

上記式（１）で表されるガーネット型結晶は、１≦ｚであるため、γ線励起による蛍光発光の蛍光寿命（蛍光減衰時間）を１００ナノ秒以下、好ましくは、８０ナノ秒以下、より好ましくは、７０ナノ秒以下にすることができる。また、このガーネット型結晶は、１≦ｚであるため、長寿命成分も顕著に低減することができ、例えば、蛍光寿命が１００ナノ秒を超える長寿命成分の強度を、蛍光成分全体の強度に対して２０％以下にすることができる。

１≦ｚであること、即ち、Ｇａが１以上の場合に、蛍光寿命を短くでき、かつ、長寿命成分を低減でき、発光量が高くできる理由は、以下のように推察することができる。
一般的にガーネット型結晶は化学式Ｃ_３Ａ_２Ｄ_３Ｏ_１２で表される立方晶の結晶構造を有し、図２（ａ）のような模式図で示される。ここでＣはドデカヘドラル（Ｄｏｄｅｃｈａｈｅｄｒａｌ）サイト、Ａはオクタヘドラル（Ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ）サイト、Ｄはテトラヘドラル（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ）サイトで、各サイトがＯ^２−イオンで囲まれている。例えば、Ｌｕ、Ａｌ、Ｏから構成されるルテチウムアルミニウムガーネットではＬｕ_３Ａｌ_２Ａｌ_３Ｏ_１２のように表記される。より一般的にはＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２と簡易的に表記され、Ｌｕがドデカヘドラルサイトに、Ａｌはオクタヘドラル及びテトラヘドラルサイトに配置することが知られている。ここで、例えばＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２におけるＡｌのサイトにＧａを置換した場合には、Ｇａはオクタヘドラル及びテトラヘドラルサイトにランダムに置換されることが知られている。また、Ｙ，Ｌｕ，Ｙｂ、Ｇｄといった希土類元素をＬｕのサイトに置換した場合には、ドデカヘドラルサイトに置換されることが知られている。例えば、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２におけるＡｌのサイトにＧａを置換した場合，結晶格子が変化し、格子定数はＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２で１１．９０Å、Ｌｕ_３Ｇａ_５Ｏ_１２で１２．１８Åといったように変化する。このように、ＡｌのサイトへのＧａ置換により、結晶格子が変化すると、結晶場が変化し、エネルギーバンド構造も変化することになる。図２（ｂ）で模式的に示すように、Ｇａ濃度が増加するとバンドギャップが小さくなり、かつＣｅ^３＋の５ｄ_１準位が伝導体により近接する。また、Ｙ濃度が増加するとＣｅ^３＋の５ｄ_１準位が伝導体から離れる。
上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶では、最適なＧａ置換量をとることで、エネルギーバンド構造が最適化され、Ｃｅ^３＋の４ｆ５ｄのエネルギー準位からの発光が促進され発光量が高くなる。さらに、蛍光寿命が短寿命化され、かつ長寿命成分が低減するものと考えられる。

本発明において、γ線励起による蛍光発光の蛍光減衰時間は、例えば、上述の図１で示す測定装置を用いて測定することができる。具体的には、Ｃｓ^１３７γ線源１１からγ線をシンチレータ１２に照射し、デジタルオシロスコープ１９を用いて、光電子増倍管１４より出力される電圧パルス信号を取得し、蛍光減衰成分を解析することで、各蛍光減衰成分の蛍光減衰時間、及び、蛍光寿命成分全体の強度に対する各蛍光減衰成分の強度の割合を算出することができる。

例えば、蛍光減衰成分の解析は、得られた電圧パルス信号の蛍光寿命成分に対して、下式の関数の非線形回帰曲線を、実測値との相関係数Ｒの２乗値を０．９８以上となるようにフィッティングさせることにより行うことができる。
Ｉ（ｔ）＝Ａ１＊ｅｘｐ（−ｔ／ｔ１）＋Ａ２＊ｅｘｐ（−ｔ／ｔ２）＋ｙ０
ここで、ｔは時間、Ａ１は蛍光寿命の第一成分の強度、ｔ１は第一成分の寿命、Ａ２は蛍光寿命の第二成分の強度、ｔ２は第二成分の寿命、ｙ０はバックグランド値とする。

つづいて、本発明のガーネット型結晶の製造方法について、以下に説明する。いずれの組成の結晶の製造方法においても、出発原料としては、一般的な酸化物原料が使用可能であるが、シンチレータ用単結晶として使用する場合、９９．９９％以上（４Ｎ以上）の高純度原料を用いることが特に好ましく、これらの出発原料を、融液形成時に目的の組成となるように秤量、混合したものを用いる。さらにこれらの原料中には、特に目的とする組成以外の不純物が極力少ない（例えば、１ｐｐｍ以下）ものが特に好ましい。特に発光波長付近に発光を有する元素（例えば、Ｔｂなど）を極力含まない原料を用いることが好ましい。

結晶の育成は、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈｅ等）雰囲気下で行うことが好ましい。または、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈｅ等）と酸素ガスとの混合ガスを使用してもよい。ただし、この混合ガスの雰囲気下で結晶の育成を行う場合、坩堝の酸化を防ぐ目的で、酸素の分圧は２％以下であることが好ましい。なお、結晶成長後のアニールなどの後工程においては、酸素ガス、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈｅ等）、および不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈｅ等）と酸素ガスとの混合ガスを用いることができる。混合ガスを用いる場合、酸素分圧は２％以下という制限は受けず、酸素分圧０％から１００％までいずれの混合比のものを使用してもよい。

本実施形態の酸化物のガーネット型結晶の製造方法としては、マイクロ引き下げ法に加え、チョコラルスキー法（引き上げ法）、ブリッジマン法、帯溶融法（ゾーンメルト法）、縁部限定薄膜供給結晶成長（ＥＦＧ法）及び熱間静水圧プレス燒結法等が挙げられるが、これらに限定されない。

また、使用できる坩堝およびアフターヒータの材料としては、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金が挙げられる。

シンチレータ用結晶の製造においては、さらに高周波発振機、集光加熱器、および抵抗加熱機を使用してもよい。

以下に本実施形態の酸化物のシンチレータ用単結晶の製造方法について、マイクロ引き下げ法を用いた結晶製造法を一例として示すが、これに限定されるものではない。

マイクロ引き下げ法については、高周波誘導加熱による雰囲気制御型マイクロ引き下げ装置を用いて行うことができる。マイクロ引き下げ装置は、坩堝と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる種を保持する種保持具と、種保持具を下方に移動させる移動機構と、移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱手段とを具備した単結晶製造装置である。このような単結晶製造装置によれば、坩堝直下に固液界面を形成し、下方向に種結晶を移動させることで、結晶を作製することができる。

上記のマイクロ引き下げ法装置において、坩堝は、カーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金製である。また、坩堝底部外周にカーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金からなる発熱体であるアフターヒータが配置される。坩堝及びアフターヒータの誘導加熱手段の出力調整により、発熱量を調整することによって、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液の固液境界領域の温度およびその分布を制御することができる。

上記の雰囲気制御型マイクロ引き下げ装置は、チャンバーの材質にはステンレス鋼（ＳＵＳ）、窓材には石英を採用し、雰囲気制御を可能にするため、ロータリーポンプを具備し、ガス置換前において、真空度が０．１３Ｐａ（１×１０^−３Ｔｏｒｒ）以下にすることを可能にした装置である。また、チャンバーへは付随するガスフローメータにより精密に調整された流量でＡｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、Ｏ_２ガス等を導入できるものである。

この装置を用いて、上述の方法にて準備した原料を坩堝に入れ、炉内を排気して高真空にした後、ＡｒガスもしくはＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガスを炉内に導入することにより、炉内を不活性ガス雰囲気もしくは低酸素分圧雰囲気とし、高周波誘導加熱コイルに高周波電力を徐々に印加することにより坩堝を加熱して、坩堝内の原料を完全に融解する。

続いて、種結晶を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分になじませたら、融液温度を調整しつつ、引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させる。

種結晶としては、結晶成長対象物と同等ないしは、構造・組成ともに近いものを使用することが好ましいが、これに限定されない。また種結晶として方位の明確なものを使用することが好ましい。

準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了となる。一方、組成を均一に保つ目的および長尺化の目的で、原料の連続チャージ用機器を取り入れてもよい。

式（１）において、１≦ｙであり、ＡｌサイトをＧａで置換することで、得られる結晶の融点が低くなり、単結晶が量産しやすいという利点もある。具体的には、式（１）で表されるシンチレータ用ガーネット型結晶の融点は、１７００〜１９００℃の範囲とすることができる。例えば、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２では融点は１９３０℃と高温であるが、本発明の結晶では融点が低いため、断熱材の損傷を低減することができ、また、結晶作製に坩堝を使用する際には坩堝の損傷も低減できる。加えて、構成元素である酸化ガリウムの蒸発も低減する効果を得ることもできる。さらに、式（１）において、ｚを３以上とすれば、より工業的な量産が可能になるため、好ましい。

さらに、本発明のガーネット型シンチレータ結晶は、大型結晶とすることができる。たとえば、本発明のガーネット型シンチレータ結晶は、直径１インチ以上、長手方向の厚みを１０ｃｍ以上の円筒状の大型結晶として得ることができる。また、所望の用途に応じて、長手方向の厚みを１０ｃｍ以上とすることができる。

また、本発明のシンチレータ用ガーネット型結晶の製造方法の他の一例として、熱間静水圧プレス燒結装置を用いた透明セラミックスを作製する方法が挙げられる。この方法では、はじめに、各粉末原料をアルミナ坩堝に入れ、アルミナの蓋をした後、１５００℃で２時間仮焼する。冷却後、純水で洗浄し乾燥したシンチレータ粉末は２４時間ボールミル粉砕を行い、粒径１〜２μｍのシンチレータ粉砕粉を得る。ついで、この粉砕紛に、純水を５重量％添加し、５００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で一軸プレス成形し、その後、加圧力３ｔｏｎ／ｃｍ^２で冷間静水圧プレスを行って、理論密度に対し６４％程度の成形体を得る。その後、得られた成形体をこう鉢に入れ、フタをして、１７５０℃、３時間の一次燒結を行い、理論密度に対し、９８．５％以上の燒結体を得る。

ここで、水素、窒素またはアルゴン雰囲気中で燒結する場合、こう鉢として、アルミナこう鉢を用いることが好ましいが、真空中で燒結する場合には、窒化ホウ素を用いることが好ましい。こうすることで、所望のシンチレータ結晶を効率的に得ることができる。

また、１３５０℃以上の昇温速度は、５０℃／時とすることが好ましい。こうすることで、密度の高い均一な燒結体を得ることができる。

そして、最後に、１５５０℃、３時間、１０００ａｔｍの条件で熱間静水圧プレス燒結を行う。これにより、理論密度と同じ密度を有する燒結体を得ることができる。

本発明におけるガーネット構造を有するシンチレータ用結晶は、受光器と組み合わせることで、放射線検出器としての使用が可能となる。さらに、これらの放射線検出器を放射線検出器として備えたことを特徴とする放射線検査装置としても使用可能である。放射線検査装置としては、例えば、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ、およびＣＴが例示される。

本発明のガーネット型結晶は、放射線により励起されると、４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光ピーク波長で発光することができる。したがって、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長と一致させることができる。また、このとき、１５０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上の発光量で発光できるため、高い位置分解能かつ高いＳ／Ｎを持つ放射線検出器が実現することができる。

また、本発明のガーネット型結晶は、蛍光寿命（蛍光減衰時間）が１００ナノ秒以下の蛍光成分を発光する。また、本発明のガーネット型結晶の蛍光寿命が１００ナノ秒を超える長寿命成分の強度は、蛍光成分全体の強度に対して２０％以下である。したがって、本発明のガーネット型結晶を備えた放射線検出器は、蛍光測定のためのサンプリング時間が短くて済み、高時間分解能、すなわちサンプリング間隔を低減することができる。

また、本発明のガーネット型結晶では、６６２ｋｅＶでのエネルギー分解能を１０％以下とすることができる。したがって、本発明のガーネット型結晶を備えた放射線検出器では、高精度な放射線検出が可能となる。

このように、本発明のシンチレータ用ガーネット型結晶は、高発光量、高いエネルギー分解能、高密度かつ短寿命の発光を有するため、本発明のシンチレータ用結晶を備えるこれら放射線検査装置では、高速応答の放射線検出が可能となる。

以下、本発明の具体例について、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。なお、以下の実施例では、Ｃｅ濃度は、特定の結晶中における濃度か、融液（仕込み）における濃度かのいずれかの記載となっているが、各実施例において、結晶中の濃度１に対して仕込み時の濃度１〜１０程度となるような関係があった。

（実施例１）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_２．９７Ｃｅ_０．０３Ｇａ_１Ａｌ_４Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例２）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_２．９７Ｃｅ_０．０３Ｇａ_２Ａｌ_３Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例３）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_１．９７Ｙ_１Ｃｅ_０．０３Ｇａ_２Ａｌ_３Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例４）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_１．９７Ｙ_１Ｃｅ_０．０３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例５）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_０．９７Ｙ_２Ｃｅ_０．０３Ｇａ_２Ａｌ_３Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例６）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_０．９７Ｙ_２Ｃｅ_０．０３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例７）
マイクロ引下げ法により、Ｙ_２．９７Ｃｅ_０．０３Ｇａ_２Ａｌ_３Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例８）
マイクロ引下げ法により、Ｙ_２．９７Ｃｅ_０．０３Ｇａ_４Ａｌ_１Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例９）
熱間静水圧プレス燒結法により、Ｌｕ_１．９７Ｙ_１Ｃｅ_０．０３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（実施例１０）
チョクラルスキー法により、Ｌｕ_１．９７Ｙ_１Ｃｅ_０．０３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（比較例１）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_２．９７Ｃｅ_０．０３Ａｌ_５Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（比較例２）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_２．９７Ｃｅ_０．０３Ｇａ_５Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（比較例３）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_１．９７Ｙ_１Ｃｅ_０．０３Ａｌ_５Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

（比較例４）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ_０．９７Ｙ_２Ｃｅ_０．０３Ａｌ_５Ｏ_１２の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。

実施例１〜１０、比較例１〜４で得られた単結晶をφ３×２ｍｍサイズに加工・研磨した後、各々のシンチレータ特性を評価した。また、実施例及び比較例で得られた結晶をＸ線励起発光スペクトル法により発光スペクトルを測定した。具体的には、Ｘ線を各サンプルに照射し、発生したシンチレーション光を、分光器を用いて、発光スペクトルのプロファイルを取得し、そのピークから、発光ピーク波長を取得した。図３には、例として、比較例４、実施例５、および実施例６で得られた結晶の発光スペクトルを示す。

また、得られた結晶に^１３７Ｃｓからのγ線を照射して、蛍光減衰時間、及び、発光量を測定した。具体的には、光電子増倍管に上記実施例で得られた結晶からなるシンチレータを接合し、シンチレータに対して^１３７Ｃｓからのγ線を照射し、光電子増倍管から出力された電圧パルス信号をデジタルオシロスコープで取得した。得られた電圧パルス信号の蛍光寿命成分に対して、下式の関数の非線形回帰曲線を、実測値との相関係数Ｒの２乗値を０．９８以上となるようにフィッティングさせた。これにより蛍光寿命を求めた。
Ｉ（ｔ）＝Ａ１＊ｅｘｐ（−ｔ／ｔ１）＋Ａ２＊ｅｘｐ（−ｔ／ｔ２）＋ｙ０
ここで、ｔは時間、Ａ１は蛍光寿命の第一成分の強度、ｔ１は第一成分の寿命、Ａ２は蛍光寿命の第二成分の強度、ｔ２は第二成分の寿命、ｙ０はバックグランド値とする。

図４に、例として、比較例３、実施例３、および実施例４において得られた結晶の蛍光減衰曲線を示す。発光量測定に関しては、得られたエネルギースペクトル中の光電吸収ピークの位置を既知のシンチレータであるＣｅ：ＬＹＳＯ（発光量：３００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ）と比較し、光電子増倍管の波長感度をそれぞれ考慮し、発光量を算出した。測定温度は２５℃とした。

実施例１〜１０、比較例１〜４で得られた結晶に関する諸特性を表１、２にまとめる。

表１および表２で示すように、実施例１〜１０および比較例１、３、４においてＣｅ^３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光ピークが５００ｎｍ付近に確認された。図３および表１および表２に示すとおり、Ｇａ濃度が増加すると発光ピークが短波長側にシフトし、Ｙ濃度が増加すると発光ピークが長波長側にシフトしている。これは、Ｇａ濃度が増加するとバンドギャップが小さくなり、かつＣｅ^３＋の５ｄ_１準位が伝導体により近接することを表している。またこれは、Ｙ濃度が増加するとＣｅ^３＋の５ｄ_１準位が伝導体から離れることを表している。

図４は、比較例３、実施例３、および実施例４において得られた蛍光減衰時間を示す。図４で示すように、Ｇａ濃度の増加とともに、蛍光寿命が短くなり、１００ｎｓ以上の長寿命成分も低減した。以上の測定結果からもＣｅ^３＋の４ｆ５ｄ発光が促進され、蛍光寿命が短寿命化し、長寿命成分が低減されていることが分かる。

このように、本発明におけるセリウム付活ガーネット型結晶は、最適なＧａ濃度、Ｃｅ濃度をとることで、高い発光量を持ち、さらに蛍光減衰時間を短くかつ長寿命成分も低減できることが分かった。また、４５０〜５５０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有することから、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭ等の４００〜７００ｎｍに感度の高い波長を有する受光器との組み合わせに適している。さらに蛍光寿命は、４０〜９５ナノ秒程度であり、シンチレータ材料として非常に優れていることが分かる。

なお、実施例１〜８、１０、比較例１〜４で得られた結晶は、いずれも単結晶であり、実施例９の結晶は、多結晶であった。

１０ 暗箱
１１ Ｃｓ１３７線源
１２ シンチレータ
１３ テフロン（登録商標）テープ
１４ 光電子増倍管
１５ 前置増幅器
１６ 波形整形増幅器
１７ マルチチャンネルアナライザ
１８ パーソナルコンピュータ
１９ デジタルオシロスコープ

Claims (6)

1. 一般式（１）：
   Ｌｕ_{３−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＹ_ｙＡｌ_５−ＺＧａ_ＺＯ_１２ （１）
   （式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦３、１≦ｚ≦４．５である）
   で表されるシンチレータ用ガーネット型結晶。
2. 蛍光成分が、１００ナノ秒以下の蛍光寿命を有する、請求項１に記載のシンチレータ用ガーネット型結晶。
3. １００ナノ秒を超える蛍光寿命を有する長寿命蛍光成分の強度が、蛍光成分全体の強度に対して２０％以下である、請求項１又は２に記載のシンチレータ用ガーネット型結晶。
4. 蛍光成分の蛍光ピーク波長が４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である、請求項１乃至３いずれか１項に記載のシンチレータ用ガーネット型結晶。
5. 発光量が、１５０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上である、請求項１乃至４いずれか１項に記載のシンチレータ用ガーネット型結晶。
6. 請求項１乃至５いずれか１項に記載のシンチレータ用ガーネット型結晶から構成されるシンチレータと、前記シンチレータの発光を検出する受光器とを備える、放射線検出器。

Images