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JP2017066245A - Scintillator crystal material, single crystal scintillator, radiation detector, imaging device and non-destructive inspection device - Google Patents

Scintillator crystal material, single crystal scintillator, radiation detector, imaging device and non-destructive inspection device Download PDF

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JP2017066245A
JP2017066245A JP2015192061A JP2015192061A JP2017066245A JP 2017066245 A JP2017066245 A JP 2017066245A JP 2015192061 A JP2015192061 A JP 2015192061A JP 2015192061 A JP2015192061 A JP 2015192061A JP 2017066245 A JP2017066245 A JP 2017066245A
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Japan
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scintillator
emission wavelength
crystal
intensity
emission
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Pending
Application number
JP2015192061A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
貴之 二瓶
Takayuki Nihei
貴之 二瓶
吉川 彰
Akira Yoshikawa
彰 吉川
俊介 黒澤
Shunsuke Kurosawa
俊介 黒澤
有為 横田
Yui Yokota
有為 横田
育宏 庄子
Yasuhiro Shoji
育宏 庄子
圭 鎌田
Kei Kamata
圭 鎌田
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Tohoku University NUC
TDK Corp
Original Assignee
Tohoku University NUC
TDK Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】高発光量、易単結晶育成性で、へき開性や潮解性のない単結晶シンチレータ、それを用いた放射線検出器、撮像装置、非破壊検査装置の提供。
【解決手段】シンチレータ結晶材料は、LaおよびGdを含むパイロクロア結晶であり、光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を含み、Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdの関係は0.64≧MLa/MGd≧0.15を満たし、シンチレーション光の発光波長は200nm以上500nm以下であり、発光波長に対するシンチレーション光の発光波長強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示す。発光波長強度の最も高いピークと2番目に発光波長強度の高いピークのうち、発光波長のより短いピークの発光波長強度をPとして、発光波長のより長いピークの発光波長強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たす。
【選択図】図1
To provide a single crystal scintillator having a high light emission amount, easy single crystal growth, no cleavage and no deliquescence, a radiation detector using the same, an imaging device, and a nondestructive inspection device.
A scintillator crystal material is a pyrochlore crystal containing La and Gd, which contains a rare earth metal element emitting 5d-4f transition light as an optical activator, and has a molar fraction M La of La and a molar fraction M Gd of Gd. Satisfies the relationship 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.15, the emission wavelength of the scintillation light is 200 nm or more and 500 nm or less, and the distribution of the emission wavelength intensity of the scintillation light with respect to the emission wavelength is at least two or more peaks. Indicates. Of highest peak and peak high emission wavelength intensity in the second emission wavelength intensity, the emission wavelength intensity shorter emission wavelength peaks as P 1, the emission wavelength intensity of longer peak emission wavelength was P 2 In this case, the relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97 is satisfied.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、シンチレータ結晶材料、単結晶シンチレータ、放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置に関する。   The present invention relates to a scintillator crystal material, a single crystal scintillator, a radiation detector, an imaging device, and a nondestructive inspection device.

シンチレーションとはアルファ線、ガンマ線、エックス線もしくは中性子線などの電離作用を有する粒子、いわゆる電離放射線を物質が吸収して電子が励起するときに、吸収したエネルギーを可視光または紫外光や赤外線として電磁波を放出する緩和現象のことである。また、シンチレーション光とはシンチレーション現象の際に放出される光のことをいう。   Scintillation is an ionizing particle such as alpha, gamma, x-ray, or neutron beam, so-called ionizing radiation is absorbed by the substance and the electrons excite it, and the absorbed energy is converted into visible light, ultraviolet light, or infrared light. It is a relaxation phenomenon that is released. Further, scintillation light refers to light emitted during the scintillation phenomenon.

シンチレータとは、シンチレーション現象を起こす物質であり、シンチレータは光検出器と組み合わせることで放射線検出器として用いられ、種々の産業分野にて利用されている。   A scintillator is a substance that causes a scintillation phenomenon. The scintillator is used as a radiation detector in combination with a photodetector, and is used in various industrial fields.

このような放射線検出器は例えば、核医学分野で陽電子放射断層撮影(Positron Emission Tomography:PET)装置や単一光放射断層撮像(Single Photon EmissionComputed Tomography:SPECT)、高エネルギー物理分野における例として、ガンマ線用途や中性子線用途の各種放射線計測装置、および資源探査装置などに広く利用されている。   Such a radiation detector is, for example, a positron emission tomography (PET) apparatus in the nuclear medicine field, a single photon emission tomography (SPECT) apparatus, a gamma ray as an example in the field of high energy physics. It is widely used in various radiation measuring devices for applications and neutron radiation, and resource exploration devices.

例えば、PETイメージングシステムでは、トレーサとしてβ崩壊する放射性物質を用い、被検体内に注入された放射性物質がβ崩壊によって生成される陽電子(ポジトロン)と体内の電子との相互作用から生じる2対のガンマ線(消滅放射線:511keV)が対向する二つのシンチレータに入射し、光検出器によって検出することのできる光子に変換される。それぞれのシンチレータから放出された光子はフォト・ダイオード(Photodiode:PD)、シリコンフォトマルチプライヤー(Si−Photomultiplier:Si−PM)、もしくは、光電子増倍管(Photomultiplier Tube: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。 For example, in a PET imaging system, a radioactive substance that decays by β + is used as a tracer, and the radioactive substance injected into the subject is generated from the interaction between positrons (positrons) generated by β + decay and electrons in the body 2. A pair of gamma rays (annihilation radiation: 511 keV) is incident on two opposing scintillators and converted to photons that can be detected by a photodetector. The photons emitted from each scintillator are a photo diode (PD), a silicon photomultiplier (Si-Photomultiplier: Si-PM), or a photomultiplier tube (PMT), or other light detection. Can be detected using an instrument.

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、原子番号が大きいこと(光電吸収比が高いこと)、高エネルギー分解能の点から発光量が高く、高速応答の必要性から、蛍光寿命(蛍光減衰時間)が短いことが望まれる。加えて、近年のシステムでは多層化、高分解能化のため、多数のシンチレータを細長い形状(例えばPETでは5mm×5mm×30mm程度)で緻密に並べる必要から、取り扱い易さ、加工性、大型結晶作製が可能なこと、さらには価格も重要な選定要因となっている。   The scintillators suitable for these radiation detectors have a large atomic number (high photoelectric absorption ratio) in terms of detection efficiency, a high light emission amount in terms of high energy resolution, and the need for a high-speed response, so that fluorescence It is desired that the lifetime (fluorescence decay time) is short. In addition, in recent systems, multiple scintillators need to be closely arranged in an elongated shape (for example, about 5 mm x 5 mm x 30 mm for PET) to increase the number of layers and increase the resolution. The price is also an important selection factor.

発光量の高いシンチレータとして、希土類ハロゲン化物単結晶シンチレータが挙げられる。特に、例えば非特許文献1によれば、Ce:LaBrは発光量が61,000Photon/MeVと高く、エネルギー分解能も662keVのガンマ線照射下において、2.9%と高い。 As a scintillator having a high light emission amount, a rare earth halide single crystal scintillator can be cited. In particular, according to Non-Patent Document 1, for example, Ce: LaBr 3 has a high light emission amount of 61,000 Photon / MeV and an energy resolution of 2.9% under 662 keV gamma irradiation.

また、特許文献1に見られるように、希土類ブロマイド結晶において、光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を由来とする二つの発光ピークに対して、光検出器の量子効率の高い波長域に近い波長の発光の割合を高めることで、光検出器に対する感度の高い結晶が得られている。この特許文献1に示すように、発光波長を調整するためには、通常、微量添加成分(ドーパント)の添加を調整することによって行なわれる。   Further, as can be seen in Patent Document 1, in the rare earth bromide crystal, the wavelength with high quantum efficiency of the photodetector with respect to two emission peaks derived from a rare earth metal element that emits 5d-4f transition light as an optical activator. A crystal with high sensitivity to the photodetector is obtained by increasing the ratio of light emission having a wavelength close to the region. As shown in this Patent Document 1, in order to adjust the emission wavelength, it is usually performed by adjusting the addition of a trace amount additive component (dopant).

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、パイロクロア型酸化物系のシンチレータCe:GdSiがある。当該シンチレータは化学的に安定で、へき開性や潮解性が無く、加工性に優れ、発光量が高いという利点がある。例えば、非特許文献2に記載の、Ce3+の4f―5d準位からの発光を利用するパイロクロア型酸化物系のシンチレータは、蛍光寿命が80ns程度以下と短く、発光量も高い。 As a preferable scintillator currently applied to various radiation detectors, there is a pyrochlore oxide-based scintillator Ce: Gd 2 Si 2 O 7 . The scintillator has the advantages that it is chemically stable, has no cleavage or deliquescence, is excellent in workability, and has a high light emission amount. For example, a pyrochlore oxide scintillator described in Non-Patent Document 2 that uses light emission from the Ce 3+ 4f-5d level has a short fluorescence lifetime of about 80 ns or less and a high light emission amount.

また、特許文献2や非特許文献3に記載のパイロクロア型酸化物系のシンチレータでは、Ceを希土類元素のサイトに置換することで、調和溶融組成にするという試みがなされている。これにより、この結晶はフローティングゾーン法、チョクラルスキー法(引き上げ法)、マイクロ引下げ法、ブリッジマン法などの融液成長法により大型単結晶作製が可能となる。   In the pyrochlore oxide scintillators described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, an attempt has been made to obtain a harmonic melt composition by replacing Ce with a site of a rare earth element. This makes it possible to produce a large single crystal by a melt growth method such as the floating zone method, the Czochralski method (pulling method), the micro pulling method, or the Bridgman method.

特許文献2に記載の(Gd1−xCeSiでは、安定な結晶成長などの観点から、ドーパントCeの過剰添加による濃度消光または自己吸収によって、発光量は落ちるものの、0.1<x<0.3が望ましいとしている。それでも大きな単結晶は得られず、多結晶化した中から単結晶を取り出している実施例が記載されている。 In patent literature 2 (Gd 1-x Ce x ) 2 Si 2 O 7, from the viewpoint of stable crystal growth, the concentration quenching or self-absorption by the excessive addition of dopant Ce, although light emission drops, 0 .1 <x <0.3 is desirable. Still, a large single crystal cannot be obtained, and an example in which a single crystal is taken out from polycrystallized is described.

非特許文献4では、CeをLaに代替することで、発光量の激減(濃度消光)を抑制し、かつ調和溶融組成とすることでフローティングゾーン法により単結晶を取り出すことに成功した例が記載されている。   Non-Patent Document 4 describes an example of succeeding in taking out a single crystal by a floating zone method by substituting Ce for La to suppress a drastic decrease in light emission amount (concentration quenching) and using a harmonized melting composition. Has been.

シンチレータとして用いられる結晶材料は、発光量が高いことが求められる他、広く社会に応用されるためにはコストの観点から、へき開性がないことや、潮解性がなく、扱いが容易であることが求められている。またそのような結晶材料、ならびにこれらを用いた放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置が求められている。   The crystal material used as a scintillator is required to have a high light emission amount, and in order to be widely applied to society, from the viewpoint of cost, it is not cleaved, has no deliquescence, and is easy to handle. Is required. There is also a need for such crystalline materials, and radiation detectors, imaging devices and non-destructive inspection devices using these materials.

しかしながら、一般的に特許文献1記載のLaBr結晶は潮解性が非常に強く、大気中に暴露することができないため、封止加工が必須である。そのため、取り扱いに高度な技術が必要となり、また加工コストによる原価が高くなってしまうという問題がある。 However, in general, the LaBr 3 crystal described in Patent Document 1 is very strong in deliquescence and cannot be exposed to the atmosphere, so that sealing is essential. For this reason, there is a problem that advanced techniques are required for handling and the cost due to processing costs is increased.

特許文献2や非特許文献4に記載のパイロクロア型酸化物系のシンチレータは、Ceを添加することで、調和融液組成となり、融液から組成を変えない直接結晶育成が可能になっている。しかしながら、光学賦活剤として用いられているCeを増やすと、発光量が激減するという問題(濃度消光) が生じる。   The pyrochlore-type oxide scintillator described in Patent Literature 2 and Non-Patent Literature 4 has a harmonious melt composition by adding Ce, and direct crystal growth without changing the composition from the melt is possible. However, when Ce used as an optical activator is increased, there arises a problem (concentration quenching) that the light emission amount is drastically reduced.

特開2008−101180号公報JP 2008-101180 A 特開2009−074039号公報JP 2009-074039 A

E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K. W. Kramer and H., U. Gudel. Scintillation properties of LaBr3 : Ce3+ crystals: fast, efficient and high-energy-resolution scintillators. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 486:254-258, 2002.EVD van Loef, P. Dorenbos, CWE van Eijk, KW Kramer and H., U. Gudel. Scintillation properties of LaBr3: Ce3 + crystals: fast, efficient and high-energy-resolution scintillators. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A -Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 486: 254-258, 2002. S.Kawamura, J.H.Kaneko, M.Higuchi, T.Yamaguchi, J.Haruna, Y,Yagi, K.Susa, F.Fujita, A.Homma, S.Nishiyama, H.Ishibashi, K.Kurashige and M.Furusaka, IEEE Nuculear Science Symposium Conference Record, San Diego, USA, 29 October - 5 November 2006, pp.1160-1163.S. Kawamura, JHKaneko, M. Higuchi, T. Yamaguchi, J. Haruna, Y, Yagi, K. Susa, F. Fujita, A. Homma, S. Nishiyama, H. Ishibashi, K. Kurashige and M. Furusaka , IEEE Nuculear Science Symposium Conference Record, San Diego, USA, 29 October-5 November 2006, pp.1160-1163. Sohan.Kawamura, Junichi H.Kaneko, Mikio Higuchi, Jun Haruna, Shohei Saeki, Fumiyuki Fujita, Akira Homma, Shusuke Nishiyama, Shunsuke Ueda, Kazuhisa Kurashige, Hiroyuki Ishibashi, and Michihiro Furusaka, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE , VOL. 56, NO. 1, FEBRUARY 2009.Sohan.Kawamura, Junichi H.Kaneko, Mikio Higuchi, Jun Haruna, Shohei Saeki, Fumiyuki Fujita, Akira Homma, Shusuke Nishiyama, Shunsuke Ueda, Kazuhisa Kurashige, Hiroyuki Ishibashi, and Michihiro Furusaka, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 56, NO. 1, FEBRUARY 2009. Akira Suzuki, Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Jan Pejchal, Yuui Yokota, Yoshisuke Futami, and Akira Yoshikawa, Applied Physics Express 5 (2012) 102601-1 - 102601-3.Akira Suzuki, Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Jan Pejchal, Yuui Yokota, Yoshisuke Futami, and Akira Yoshikawa, Applied Physics Express 5 (2012) 102601-1-102601-3.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発光量が高いシンチレータ結晶材料、このシンチレータ結晶材料を利用したへき開性や潮解性が低い単結晶シンチレータ、ならびにこれらを用いた放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, a scintillator crystal material having a high light emission amount, a single crystal scintillator having low cleavage and deliquescence using this scintillator crystal material, and a radiation detector using these, An object is to provide an imaging device and a nondestructive inspection device.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、放射線の照射によってシンチレーション光を発するシンチレータ結晶材料であって、前記シンチレータ結晶材料は、LaおよびGdを含むパイロクロア結晶であり、光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を含み、Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdの関係は、0.64≧MLa/MGd≧0.15を満たし、前記シンチレーション光の発光波長は200nm以上500nm以下であり、前記発光波長に対するシンチレーション光の発光波長強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示し、前記発光波長強度の最も高いピークと2番目に前記発光波長強度の高いピークのうち、前記発光波長のより短いピークの前記発光波長強度をPとして、前記発光波長のより長いピークの前記発光波長強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たすことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a scintillator crystal material that emits scintillation light by irradiation with radiation, wherein the scintillator crystal material is a pyrochlore crystal containing La and Gd, and an optical A rare earth metal element emitting 5d-4f transition light is included as an activator, and the relationship between the molar fraction M La of La and the molar fraction M Gd of Gd satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.15, The emission wavelength of the scintillation light is 200 nm or more and 500 nm or less, the distribution of emission wavelength intensity of the scintillation light with respect to the emission wavelength shows at least two peaks, the highest peak of the emission wavelength intensity and the second emission. Among the peaks with high wavelength intensity, the emission wavelength intensity of the shorter peak of the emission wavelength is P 1 When the emission wavelength intensity of the longer peak of the emission wavelength is P 2 , the relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97 is satisfied.

また、前記シンチレータ結晶材料は、光学賦活剤がCeであって、0.64≧MLa/MGd≧0.27を満たすことが好ましい。 In the scintillator crystal material, the optical activator is Ce, and preferably satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.27.

また、本発明に係る単結晶シンチレータは、上記発明にかかるシンチレータ結晶材料からなることを特徴とする。   Moreover, the single crystal scintillator according to the present invention is characterized by comprising the scintillator crystal material according to the present invention.

また、本発明に係る放射線検出器は、上記発明のシンチレータ結晶材料もしくは単結晶シンチレータから構成されるシンチレータと、前記シンチレータからのシンチレーション光を受光する光検出器と、を備えることを特徴とする。   A radiation detector according to the present invention includes the scintillator made of the scintillator crystal material or the single crystal scintillator of the present invention, and a photodetector that receives the scintillation light from the scintillator.

また、本発明に係る撮像装置は、上記発明の放射線検出器を備えることを特徴とする。   An imaging apparatus according to the present invention includes the radiation detector according to the above invention.

また、本発明に係る非破壊検査装置は、上記発明の放射線検出器を備えることを特徴とする。   In addition, a nondestructive inspection apparatus according to the present invention includes the radiation detector according to the above invention.

本発明によれば、高い発光量を持つシンチレータ結晶材料、このシンチレータ結晶材料を利用したへき開性や潮解性が低い単結晶シンチレータ、ならびにこれらを用いた放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a scintillator crystal material having a high light emission amount, a single crystal scintillator using the scintillator crystal material and having low deliquescence and low deliquescence, and a radiation detector, an imaging device and a non-destructive inspection device using these Can be provided.

図1は、実施例1の発光スペクトルを示す図である。1 is a diagram showing an emission spectrum of Example 1. FIG. 図2は、実施例2の発光スペクトルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an emission spectrum of Example 2. 図3は、実施例3の発光スペクトルを示す図である。FIG. 3 is a graph showing an emission spectrum of Example 3. 図4は、実施例4の発光スペクトルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an emission spectrum of Example 4. 図5は、比較例1の発光スペクトルを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an emission spectrum of Comparative Example 1. 図6は、比較例2の発光スペクトルを示す図である。6 is a diagram showing an emission spectrum of Comparative Example 2. FIG. 図7は、LaとGdのモル分率の比の割合MLa/MGdと、比較例1を基準とする相対発光量の関係を実施例1から実施例4および比較例1の結果についてプロットした図である。FIG. 7 is a plot of the relationship between the ratio M La / M Gd of the ratio of the molar fraction of La and Gd and the relative luminescence amount based on Comparative Example 1 for the results of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. FIG. 図8は、LaとGdのモル分率の比の割合MLa/MGdと、P/Pの関係を実施例1、実施例4、比較例1および比較例2の結果についてプロットした図である。FIG. 8 plots the relationship between the ratio M La / M Gd and the ratio P 1 / P 2 of the molar fraction of La and Gd for the results of Example 1, Example 4, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. FIG. 図9は、実施例2の蛍光減衰曲線プロファイルを示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a fluorescence decay curve profile of Example 2.

以下に、本発明にかかる結晶材料、単結晶シンチレータ、放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明は本発明の実施の形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成およびそれらの組み合せなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。   Hereinafter, embodiments of a crystal material, a single crystal scintillator, a radiation detector, an imaging device, and a nondestructive inspection device according to the present invention will be described in detail. In addition, the following description illustrates a part of embodiment of this invention, This invention is not limited to these embodiment, As long as a form has the technical idea of this invention And within the scope of the present invention. Each configuration and combination thereof in each embodiment is an example, and the addition, omission, replacement, and other changes of the configuration can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の実施の形態にかかる結晶材料は、放射線の照射によってシンチレーション光を発するシンチレータ結晶材料であって、シンチレータ結晶材料は、LaおよびGdを含むパイロクロア結晶であり、光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を含む。Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdの関係は、0.64≧MLa/MGd≧0.15を満たす。シンチレーション光の発光波長は200nm以上500nm以下であり、発光波長に対するシンチレーション光の発光波長強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示し、発光波長強度の最も高いピークと2番目に発光波長強度の高いピークのうち、発光波長のより短いピークの発光波長強度をPとして、発光波長のより長いピークの発光波長強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たす。 A crystal material according to an embodiment of the present invention is a scintillator crystal material that emits scintillation light when irradiated with radiation, and the scintillator crystal material is a pyrochlore crystal containing La and Gd, and a 5d-4f transition as an optical activator. Contains rare earth metal elements that emit light. The relationship between the molar fraction M La of La and the molar fraction M Gd of Gd satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.15. The emission wavelength of the scintillation light is 200 nm or more and 500 nm or less, the distribution of the emission wavelength intensity of the scintillation light with respect to the emission wavelength shows at least two peaks, the peak with the highest emission wavelength intensity and the second highest emission wavelength intensity. Of the peaks, when the emission wavelength intensity of the shorter emission wavelength is P 1 and the emission wavelength intensity of the longer emission wavelength is P 2 , the relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97 is satisfied. .

これにより、本実施の形態にかかるシンチレータ結晶材料は、放射線の照射により発生するシンチレーション光の発光量が高い結晶材料となる。   Thereby, the scintillator crystal material according to the present embodiment is a crystal material having a high light emission amount of scintillation light generated by radiation irradiation.

また、シンチレータ結晶材料は光学賦活剤がCeであって、0.64≧MLa/MGd≧0.27を満たすことが好ましい。 The scintillator crystal material preferably has Ce as the optical activator and satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.27.

これにより、本実施の形態にかかるシンチレータ結晶材料は、放射線の照射により発生するシンチレーション光の発光量が高いことを特徴とするだけでなく、更に、結晶構造が安定し、単結晶の得られやすい結晶材料となる。   Thereby, the scintillator crystal material according to the present embodiment is not only characterized by a high light emission amount of scintillation light generated by irradiation of radiation, but also has a stable crystal structure and a single crystal can be easily obtained. It becomes a crystalline material.

本実施の形態に係る結晶材料は、前述した課題を解決でき、発光量を高めることが可能となり、マイクロ引下げ法やチョクラルスキー法などの工業分野の結晶生産に適用されている生産手法に応用できる。   The crystal material according to the present embodiment can solve the above-described problems, can increase the amount of light emission, and can be applied to production techniques applied to crystal production in the industrial field such as the micro pull-down method and the Czochralski method. it can.

このように、発光波長に対するシンチレーション光の発光波長強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示し、発光波長強度の最も高いピークと2番目に発光波長強度の高いピークのうち、発光波長のより短いピークの発光波長強度をPとして、発光波長のより長いピークの発光波長強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たすことによって、特に発光量を高くできることについては、現在次のように推察している。 As described above, the distribution of the emission wavelength intensity of the scintillation light with respect to the emission wavelength shows at least two or more peaks, and the emission wavelength shorter than the highest emission wavelength intensity and the second highest emission wavelength intensity peak. When the emission wavelength intensity of the peak is P 1 and the emission wavelength intensity of the longer emission wavelength is P 2 , the emission amount can be particularly increased by satisfying the relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97. Is currently inferred as follows.

希土類元素の原子の電子配置は5sおよび5p軌道に電子が先に充填され、原子番号が大きくなるにつれて4f軌道に電子が充填されていく。一般に希土類元素の原子がエネルギーを受け取って励起されると、4f軌道電子が5d軌道に遷移しやすい。これは、5d−4f遷移が許容遷移であるためである。希土類元素の電子軌道は、占有している電子の数や状態によりさまざまであり、5d励起状態から4f基底状態に戻る経路は、多数存在する。光学賦活剤として5d−4f遷移発光する希土類金属元素を添加すると、ホスト結晶のバンドギャップ中に不純物準位としてこれらの元素由来のエネルギー準位が形成される。   As for the electron arrangement of the atoms of the rare earth element, the 5s and 5p orbitals are filled with electrons first, and as the atomic number increases, the 4f orbitals are filled with electrons. Generally, when an atom of a rare earth element receives energy and is excited, 4f orbital electrons easily transition to a 5d orbital. This is because the 5d-4f transition is an allowable transition. The electron orbit of the rare earth element varies depending on the number and state of the occupied electrons, and there are many paths that return from the 5d excited state to the 4f ground state. When rare earth metal elements that emit 5d-4f transition light are added as optical activators, energy levels derived from these elements are formed as impurity levels in the band gap of the host crystal.

発光波長の強度、すなわち頻度が高いことは、その発光の過程が起きやすいことを示しており、最も強度の高い発光波長がその発光現象において支配的な発光の過程である。そのため、最も発光波長強度の高い発光波長のピークと、2番目に発光波長強度の高い発光波長のピークを調整することができれば、発光の過程、すなわち緩和過程の経路を調整することになる。これにより、発光に関わる電子の緩和を効率よく行うことができ、結果として全体の発光量を高くすることができると期待できる。   The intensity of the emission wavelength, that is, the high frequency, indicates that the process of light emission is likely to occur, and the emission wavelength with the highest intensity is the process of light emission dominant in the light emission phenomenon. Therefore, if the emission wavelength peak with the highest emission wavelength intensity and the emission wavelength peak with the second highest emission wavelength intensity can be adjusted, the emission process, that is, the path of the relaxation process is adjusted. Thereby, it can be expected that electrons related to light emission can be efficiently relaxed, and as a result, the total light emission amount can be increased.

本発明者らは、鋭意実験を遂行した結果、発光波長強度の最も高いピークと2番目に発光波長強度の高いピークのうち、発光波長のより短いピークの発光波長強度をPとして、発光波長のより長いピークの発光波長強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たすことで、結果として全体の発光量を高くすることができることを見出した。 As a result of diligent experiments, the present inventors have determined that the emission wavelength intensity of the shorter peak of the emission wavelength out of the peak with the highest emission wavelength intensity and the second highest emission wavelength intensity is P 1 , and the emission wavelength It was found that when the emission wavelength intensity of the longer peak of P is P 2 , satisfying the relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97 can increase the overall light emission amount as a result.

5d−4f遷移発光する希土類金属元素、例えばCeにおいては、4f軌道にはスピンの異なる二つの状態(7/25/2)が存在し、Ce3+の励起電子は一定の割合で二つの状態に遷移する。放出した光の発光スペクトルはそれぞれの基底状態に戻るために波長のピークが200nm以上500nm以下の範囲に二つ存在する。 In a rare earth metal element emitting 5d-4f transition light, such as Ce, two states with different spins ( 2 F 7/2 , 2 F 5/2 ) exist in the 4f orbit, and the excited electrons of Ce 3+ are constant. Transition to two states at a rate. Since the emission spectrum of the emitted light returns to the ground state, there are two wavelength peaks in the range of 200 nm to 500 nm.

また、希土類金属元素が作る不純物準位で、発光に寄与する遷移においては、励起準位から基底準位に遷移するときの放出エネルギーは、ホスト結晶のバンドギャップのエネルギーよりも小さい。   In addition, in the transition that contributes to light emission at the impurity level formed by the rare earth metal element, the emission energy at the transition from the excited level to the ground level is smaller than the band gap energy of the host crystal.

ゆえに、その5d−4f遷移のエネルギー差は大きくても数eV以下、すなわち紫外領域程度の波長である。また、下限は元素の種類により様々であるが、GdSi結晶材料がホスト結晶でかつ5d−4f遷移発光する希土類金属元素がCeの場合、実際の放射エネルギーは約3.3eVおよび約3.5eVである。したがって、波長のピークが共に200nm以上500nm以下の範囲内に存在する。 Therefore, the energy difference of the 5d-4f transition is at most several eV, that is, a wavelength in the ultraviolet region. The lower limit varies depending on the type of element, but when the Gd 2 Si 2 O 7 crystal material is a host crystal and the rare earth metal element emitting 5d-4f transition light is Ce, the actual radiant energy is about 3.3 eV and About 3.5 eV. Therefore, both of the wavelength peaks are in the range of 200 nm to 500 nm.

たとえばPr3+においては、Dieke’s Diagramによれば、など多数の準位が示されている。 For example, in Pr 3+ , a number of levels such as 3 F 4 , 3 H 3 , 3 H 2 , 3 H 6 , 3 H 5 , and 3 H 4 are shown according to Dieke's Diagram.

結晶に微量添加する元素によって、発生するシンチレーション光の波長や発光量は様々に調整選択することができる。例えば、ドーパントにCeを選択する場合、La,Gdを含むパイロクロア結晶内では、GdやLaが存在するサイトに置換し、Ce3+の状態で存在し、価数が3価の状態のCe原子が発光に寄与する。ドープされたCe3+の電子は基底状態(4f軌道)から励起状態(5d軌道)へと遷移し、その後、励起状態から基底状態へと遷移する際に余分なエネルギーを光子(電磁波)として放出する。 Depending on the element added to the crystal in a small amount, the wavelength and light emission amount of the generated scintillation light can be variously selected and selected. For example, when Ce is selected as a dopant, in a pyrochlore crystal containing La and Gd, it is replaced with a site where Gd and La are present, Ce 3+ is present, and Ce atoms in a trivalent state are present. Contributes to light emission. The doped Ce 3+ electrons transition from the ground state (4f orbit) to the excited state (5d orbit), and then emit extra energy as photons (electromagnetic waves) when transitioning from the excited state to the ground state. .

本発明の実施にかかるシンチレータ結晶材料では、ホスト結晶であるパイロクロア結晶の構成元素の組成を調整し、結晶格子間隔が変わることによってパイロクロア結晶のエネルギーバンドギャップを調整する。そしてドーパントが作る不純物準位のエネルギーレベルを、バンド構造を調整することによって最適化し、フォノンによるエネルギーロスを少なくし、効率よく発光させることができるようになる。結果として、全体の発光量を増やすことができる。   In the scintillator crystal material according to the present invention, the composition of the constituent elements of the pyrochlore crystal that is the host crystal is adjusted, and the energy band gap of the pyrochlore crystal is adjusted by changing the crystal lattice spacing. The energy level of the impurity level produced by the dopant is optimized by adjusting the band structure, energy loss due to phonons is reduced, and light can be emitted efficiently. As a result, the total light emission amount can be increased.

本発明者らは、パイロクロア結晶において、このようにホスト結晶の構造を変えることによって発光波長のピークの割合が様々に変えることができうることを見出し、調整することによって発光量を最適化させうるという結論に至った。   In the pyrochlore crystal, the present inventors have found that the ratio of the peak of the emission wavelength can be variously changed by changing the structure of the host crystal in this way, and the amount of light emission can be optimized by adjusting it. The conclusion was reached.

また、選択される微量添加元素によっては発光波長が10nmから200nmまでの真空紫外領域、700nm以上の赤外領域に発光ピークをとりうるが、PETや資源探査用途として実用する場合、発光ピークは200nm以上500nm以下であることが好ましい。   Depending on the selected trace additive element, the emission wavelength can be in the vacuum ultraviolet region from 10 nm to 200 nm, and in the infrared region of 700 nm or more, but when used for PET or resource exploration, the emission peak is 200 nm. The thickness is preferably 500 nm or more.

本発明の実施にかかるシンチレータ結晶材料は、放射線の照射によってシンチレーション光を発するシンチレータ結晶材料であって、シンチレータ結晶材料は、La、Gdを含むパイロクロア結晶であり、光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を含み、Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdは0.64≧MLa/MGd≧0.15を満たし、シンチレーション光の発光波長は200nm以上500nm以下であり、発光波長に対するシンチレーション光の発光強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示し、発光波長強度の最も高いピークと2番目に発光波長強度の高いピークのうち、発光波長のより短いピークの強度をPとして、発光波長のより長いピークの強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たせばよく、光学賦活剤として5d−4f遷移発光する希土類金属元素のほかに、さらに他の元素、例えば、希土類元素であるScや、遷移元素であるTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuや、nsイオンとなる元素であるGa,Ge,As,In,Sn,Sb,Tl,Pb,Biなどを含んでいてもよい。 A scintillator crystal material according to an embodiment of the present invention is a scintillator crystal material that emits scintillation light when irradiated with radiation. The scintillator crystal material is a pyrochlore crystal containing La and Gd, and 5d-4f transition light emission as an optical activator. And the molar fraction M La of La and the molar fraction M Gd of Gd satisfy 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.15, and the emission wavelength of scintillation light is 200 nm or more and 500 nm or less Yes, the distribution of the emission intensity of the scintillation light with respect to the emission wavelength shows at least two or more peaks, and the intensity of the peak with the shorter emission wavelength of the highest emission wavelength intensity and the second highest emission wavelength intensity peak Is P 1 and the intensity of the longer peak of the emission wavelength is P 2 , P 1 / P 2 ≧ 0.97 should be satisfied, and in addition to the rare earth metal element that emits 5d-4f transition light as an optical activator, other elements such as Sc, a rare earth element, and Ti, V, which are transition elements. , Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi, and the like which are elements that become ns 2 ions may be included.

なお、具体的に5d−4f遷移発光する希土類金属元素とは、Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luのいずれか1つ以上である。   Specifically, the rare earth metal element emitting 5d-4f transition light is at least one of Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. It is.

また、本発明の実施にかかるシンチレータ結晶材料は、放射線の照射によってシンチレーション光を発するシンチレータ結晶材料であって、シンチレータ結晶材料は、LaおよびGdを含むパイロクロア結晶であり、光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を含み、Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdの関係は、0.64≧MLa/MGd≧0.15を満たし、シンチレーション光の発光波長は200nm以上500nm以下であり、発光波長に対するシンチレーション光の発光強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示し、発光波長強度の最も高いピークと2番目に発光波長強度の高いピークのうち、発光波長のより短いピークの強度をPとして、発光波長のより長いピークの強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たせばよく、ホスト結晶としてLaおよびGd以外の元素が含まれた構成であってもよい。 A scintillator crystal material according to an embodiment of the present invention is a scintillator crystal material that emits scintillation light when irradiated with radiation. The scintillator crystal material is a pyrochlore crystal containing La and Gd, and 5d-4f as an optical activator. The relationship between the molar fraction M La of La and the molar fraction M Gd of Gd contains 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.15, and the emission wavelength of scintillation light is The emission intensity distribution of the scintillation light with respect to the emission wavelength is 200 nm or more and 500 nm or less, and shows at least two peaks. Of the peak with the highest emission wavelength intensity and the peak with the second highest emission wavelength intensity, the intensity of the shorter peak as P 1, the longer peak intensity of the emission wavelength and P 2 If it may satisfy the relation of P 1 / P 2 ≧ 0.97, may be configured that includes an element other than La and Gd as the host crystals.

ここで、本発明の実施にかかるシンチレータ結晶材料の一つであるLaおよびGdを含むパイロクロア結晶が(Gd,La)Siである場合には、次のように説明することができる。すなわち、Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdの比MLa/MGdが0.1付近では、結晶構造がOrthorhombic相となる組成(MLa/MGd<0.1)とTriclinic相(MLa/MGd>0.1)となる組成の境界が存在し、MLa/MGd>0.1とすることで結晶構造が安定する。すなわち、ホスト結晶としてLaおよびGd以外の元素が含まれた構成であっても、MLa/MGd≧0.15とすることで結晶構造が安定すると類推できる。 Here, when the pyrochlore crystal containing La and Gd which is one of the scintillator crystal materials according to the embodiment of the present invention is (Gd, La) 2 Si 2 O 7 , it can be explained as follows. . That is, when the ratio M La / M Gd of the molar fraction M La of La and the molar fraction M Gd of Gd is around 0.1, the composition in which the crystal structure becomes the Orthohombic phase (M La / M Gd <0.1) And a triclinic phase (M La / M Gd > 0.1) boundary exists, and the crystal structure is stabilized by setting M La / M Gd > 0.1. That is, even if the host crystal includes an element other than La and Gd, it can be inferred that the crystal structure is stable by setting M La / M Gd ≧ 0.15.

また、MLa/MGd>0.64となると、ホスト結晶のバンド構造が変化して、二つの状態(7/25/2)への遷移のうち、放出エネルギーが小さい7/2への遷移が増え、発光の効率が低下するため、発光量が低くなる傾向となる。また、MLa/MGd>0.79となる場合、発光量は急激に低下する。 When M La / M Gd > 0.64, the band structure of the host crystal changes, and the emission energy is small in the transition to two states ( 2 F 7/2 , 2 F 5/2 ). Since the transition to 2 F 7/2 increases and the efficiency of light emission decreases, the amount of light emission tends to decrease. In addition, when M La / M Gd > 0.79, the light emission amount decreases rapidly.

好ましくは、前記シンチレータ結晶は光学賦活剤がCeであって、0.64≧MLa/MGd≧0.27を満たすことが好ましい。光学賦活剤をCeとすることで、発光量が高く、特に蛍光寿命の短いシンチレータ結晶とすることができる。 Preferably, in the scintillator crystal, the optical activator is Ce, and preferably satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.27. By using Ce as the optical activator, a scintillator crystal having a high light emission amount and a particularly short fluorescence lifetime can be obtained.

ここで、0.64≧MLa/MGd≧0.27とすることで、結晶構造はさらに安定し、一致溶融組成となり、バルク単結晶の育成が非常に容易となる。 Here, by satisfying 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.27, the crystal structure is further stabilized, the coincident melting composition is obtained, and the growth of the bulk single crystal becomes very easy.

ここでいう結晶構造が安定するとは、Triclinic相の結晶格子定数が、Triclinic相として構造を保てない程度の歪が生じないような長さに収まっているという意味と、包晶組成であるGdSiのトータルな原子間の混合エンタルピーが正から負に近づくことによる初相の組成が融液組成に近づくという意味で用いている。 The term “stable crystal structure” as used herein means that the crystal lattice constant of the Triclinic phase is within a length that does not cause distortion that does not maintain the structure as the Triclinic phase, and Gd that is a peritectic composition. 2 Si 2 O 7 is used in the sense that the total enthalpy of mixing between atoms from positive to negative approaches the melt composition.

さらに、本実施の形態にかかるシンチレータ結晶材料は、容易に単結晶を育成することができ、単結晶シンチレータとシンチレーション光を受光できる光検出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非破壊検査装置としての放射線計測装置や資源探査装置としても使用可能である。   Furthermore, the scintillator crystal material according to the present embodiment can easily grow a single crystal, and can be used as a radiation detector by combining a single crystal scintillator with a photodetector capable of receiving scintillation light. Become. Furthermore, it can be used as a radiation measuring apparatus or a resource exploration apparatus as a nondestructive inspection apparatus provided with these radiation detectors as radiation detectors.

次に、本実施の形態に係る放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置について具体的に説明する。以下の説明は本発明の実施の形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。   Next, the radiation detector, imaging apparatus, and nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment will be specifically described. The following description exemplifies a part of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.

本実施の形態に係る放射線検出器は、当該発明のシンチレータ結晶もしくは単結晶シンチレータから構成されるシンチレータと、前記シンチレータからのシンチレーション光を受光する光検出器からなる。前記のようにシンチレータと光検出器を組み合わせることで、放射線がシンチレータに入射したときにシンチレーション光を発し、それを電気信号に変換して検知し、入射した放射線の強度とエネルギーの情報を得ることができる。   The radiation detector according to the present embodiment includes a scintillator composed of the scintillator crystal or the single crystal scintillator of the present invention, and a photodetector that receives scintillation light from the scintillator. By combining a scintillator and a photodetector as described above, scintillation light is emitted when radiation is incident on the scintillator, converted into an electrical signal and detected, and information on the intensity and energy of the incident radiation is obtained. Can do.

本実施の形態に係る撮像装置および非破壊検査装置は、放射線源、放射線制御装置、放射線駆動制御装置、前記放射線検出器または単結晶シンチレータを二次元配列させたシンチーレータアレイと光検出器を二次元配列させた光検出器アレイもしくは位置検出型光検出器を組み合わせた放射線検出器アレイからなる。放射線源は、X線源、ガンマ線源、中性子線源、もしくはこれらの組合せから選択される。   The imaging apparatus and nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment include a radiation source, a radiation control apparatus, a radiation drive control apparatus, a scintillator array in which the radiation detector or the single crystal scintillator is two-dimensionally arranged, and a photodetector. It consists of a radiation detector array in which a two-dimensionally arranged photodetector array or a position detection type photodetector is combined. The radiation source is selected from an X-ray source, a gamma ray source, a neutron source, or a combination thereof.

撮像範囲内に被検体を設置し、放射線源から放射される放射線を放射線制御装置にて被検体に一定時間照射し、被検体を中心として放射線源の反対側に設置された放射線検出器もしくは放射線検出器アレイによって放射線を検出する。   A radiation detector or radiation placed on the opposite side of the radiation source centered on the subject, with the subject placed within the imaging range, irradiated with radiation emitted from the radiation source to the subject for a certain period of time by the radiation control device Radiation is detected by a detector array.

放射線は被検体を透過する際に一部が吸収され、強度が弱まる。透過した被検体の構成物により放射線の線減弱係数が異なるため、位置ごとに放射線強度を測定することで、線減弱係数に依存した構成物の位置的情報すなわち撮像データが得られる。本実施の形態に係る撮像装置ではこのようにして被検体の撮像データを得ることができる。   A part of the radiation is absorbed when passing through the subject, and the intensity is weakened. Since the linear attenuation coefficient of the radiation differs depending on the constituent of the transmitted object, the positional information of the constituent, that is, the imaging data depending on the linear attenuation coefficient can be obtained by measuring the radiation intensity for each position. In the imaging apparatus according to the present embodiment, imaging data of the subject can be obtained in this way.

本実施の形態に係る撮像装置は、さらに放射線検出器アレイを、シンチレータを内側、光検出器を外側に配列させ、それを環状に配列させた環状構造の放射線検出器リングを備えた断層撮像装置、を含む。この場合、被検体をリング中央に設置し、放射線強度を360°の各方向から検出することで被検体投影データを取得し、得られたデータから画像再構成を行い、被検体の内部断層像を得ることができる。画像再構成の方法は例えば、単純逆投影法(バックプロジェクション法)、逐次近似法、解析的再構成法などから用途に応じて選択する。   The imaging apparatus according to the present embodiment further includes a radiation detector array, a tomographic imaging apparatus including a radiation detector ring having an annular structure in which a scintillator is arranged on the inside and a photodetector is arranged on the outside, and the detectors are arranged in an annular shape. ,including. In this case, the subject is placed in the center of the ring, subject projection data is acquired by detecting radiation intensity from each direction of 360 °, image reconstruction is performed from the obtained data, and an internal tomogram of the subject is obtained. Can be obtained. The image reconstruction method is selected according to the application from, for example, a simple back projection method (back projection method), a successive approximation method, an analytical reconstruction method, or the like.

また、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料およびその単結晶について、そのシンチレーション光に含まれる所定の蛍光成分は、その蛍光寿命が1000ns以下の範囲とすることができる。このように、蛍光寿命が短いので、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、高時間分解能が実現されることにより、単位時間でのサンプリング数を増加させることが可能になる。このような短寿命の発光を有する結晶材料は、撮像装置であるPET、SPECTおよびCT用の高速応答の放射線検出のためのシンチレータとして好適に利用できる。   In addition, regarding the scintillator crystal material and the single crystal thereof according to the present embodiment, the predetermined fluorescence component contained in the scintillation light can have a fluorescence lifetime of 1000 ns or less. As described above, since the fluorescence lifetime is short, the sampling time for fluorescence measurement can be shortened, and the high time resolution, that is, the sampling interval can be reduced. In addition, by realizing high time resolution, the number of samplings per unit time can be increased. Such a crystal material having a short-lived emission can be suitably used as a scintillator for detecting radiation with a high-speed response for PET, SPECT and CT which are imaging devices.

また、シンチレーション光のピーク波長が200nm以上500nm以下の範囲である場合、シリコン半導体から構成されるPD、APD、またはSi−PMなどの半導体光検出器と組み合わせて検出できるものである。   Moreover, when the peak wavelength of scintillation light is in the range of 200 nm to 500 nm, it can be detected in combination with a semiconductor photodetector such as PD, APD, or Si-PM composed of a silicon semiconductor.

特に、蛍光成分の蛍光ピーク波長が400nm以下の場合、波長変換素子を用いて300nm以上900nm以下の波長、すなわち上述の光検出器の波長感度が十分ある領域の波長に変換することが有効である。   In particular, when the fluorescence peak wavelength of the fluorescent component is 400 nm or less, it is effective to convert the wavelength to a wavelength of 300 nm to 900 nm, that is, a wavelength in a region where the wavelength sensitivity of the above-described photodetector is sufficient using a wavelength conversion element .

波長変換素子としては、たとえばプラスチック製の波長変換用光ファイバ(たとえばクラレ社製Y11(200)M−S)等を用いたものが利用できる。   As the wavelength conversion element, for example, one using a plastic wavelength conversion optical fiber (for example, Y11 (200) MS manufactured by Kuraray Co., Ltd.) can be used.

また、組み合わせる光検出器の種類は蛍光ピーク波長等に合わせて適宜利用でき、例えばPMTやPS−PMTを利用してもよい。   Further, the type of photodetector to be combined can be appropriately used according to the fluorescence peak wavelength or the like. For example, PMT or PS-PMT may be used.

また、本実施の形態に係る結晶材料において、シンチレーション光に含まれる蛍光成分の蛍光寿命が80ns以下であり、かつ、蛍光ピーク波長が300nm以上500nm以下の範囲であれば、更なる高分解能かつ高感度でのシンチレーション光の検出を実現できる。蛍光寿命および蛍光ピーク波長の調整は、結晶材料の組成を調整することによって実現することができる。例えば、ドーパントの濃度を高くすることで、蛍光寿命を短くできる。   Further, in the crystal material according to the present embodiment, if the fluorescence lifetime of the fluorescent component contained in the scintillation light is 80 ns or less and the fluorescence peak wavelength is in the range of 300 nm to 500 nm, further high resolution and high It is possible to detect scintillation light with sensitivity. Adjustment of the fluorescence lifetime and the fluorescence peak wavelength can be realized by adjusting the composition of the crystal material. For example, the fluorescence lifetime can be shortened by increasing the dopant concentration.

また、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料では、環境温度が摂氏0度の場合の蛍光成分の発光量を基準とした場合に、環境温度が室温から摂氏150度の範囲における蛍光成分の発光量の前記基準からの減衰割合を20%未満とすることができる。したがって、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、高温環境下でも発光量の減衰を少なくできるので、高温環境下で使用されるシンチレータ結晶材料として非常に有用であり、特に100度を超える環境下で使用される資源探索用途に対して有効である。   Further, in the scintillator crystal material according to the present embodiment, the light emission amount of the fluorescent component in the range of the ambient temperature from room temperature to 150 degrees Celsius when the light emission amount of the fluorescent component when the ambient temperature is 0 degrees Celsius is used as a reference. The attenuation ratio from the reference can be less than 20%. Therefore, since the scintillator crystal material according to the present embodiment can reduce the attenuation of light emission even under a high temperature environment, it is very useful as a scintillator crystal material used under a high temperature environment, particularly in an environment exceeding 100 degrees. It is effective for the resource search use used in.

本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法について、以下に説明する。いずれの組成の単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%(4N)以上の高純度原料を用いることが特に望ましい。   A method for manufacturing a single crystal crystal material according to the present embodiment will be described below. In any method for producing a single crystal, a general oxide raw material can be used as a starting material, but when used as a single crystal for a scintillator, it has a high purity of 99.99% (4N) or more. It is particularly desirable to use raw materials.

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、混合したものを結晶育成原料として用いる。さらにこれらの出発原料中には、目的とする組成以外の不純物が極力少ないものが特に好ましい。特に当該結晶材料のシンチレーション光の波長付近に発光を有する元素や価数の変化しやすい元素を極力含まない出発原料を用いることが好ましい。   These starting materials are weighed and mixed so as to have a target composition at the time of melt formation, and used as a crystal growth material. Further, among these starting materials, those starting with as few impurities as possible other than the intended composition are particularly preferred. In particular, it is preferable to use a starting material that contains as little as possible an element that emits light in the vicinity of the scintillation light wavelength of the crystalline material or an element that easily changes its valence.

結晶の育成は、例えばArまたはNなどの不活性ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。または、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを使用してもよく、還元雰囲気としての不活性ガスと水素ガスの混合ガスを使用してもよい。なお、結晶成長後のアニールなどの後工程においても、酸素ガス、不活性ガス、および、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。 Crystal growth is preferably performed in an inert gas atmosphere such as Ar or N 2 . Alternatively, a mixed gas of inert gas and oxygen gas may be used, or a mixed gas of inert gas and hydrogen gas as a reducing atmosphere may be used. Note that oxygen gas, inert gas, and a mixed gas of oxygen gas and inert gas can also be used in post-processes such as annealing after crystal growth.

本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法としては、マイクロ引下げ法に加え、チョクラルスキー法(引き上げ法)、ブリッジマン法、帯溶融法(ゾーンメルト法)、および縁部限定薄膜供給結晶成長(EFG)法、フローティングゾーン法などが挙げられるが、これらに限定されず、各種結晶育成方法を用いることができる。   As a method for producing a single crystal of a crystal material according to the present embodiment, in addition to the micro pulling method, the Czochralski method (pulling method), the Bridgman method, the band melting method (zone melt method), and the edge limited thin film Examples thereof include a supply crystal growth (EFG) method and a floating zone method, but are not limited thereto, and various crystal growth methods can be used.

なお、大型単結晶を得るためには、チョクラルスキー法またはブリッジマン法が好ましい。大型単結晶を用い得ることにより、単結晶の歩留りを向上させ、相対的には加工ロスを軽減することができる。したがって特許文献2に記載のような、多結晶化した中から単結晶を取り出す方法と比較して、低コストかつ高品質の結晶材料を得ることができる。ただし、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、単結晶に限定されず、セラミックスなどの多結晶の焼結体でもよい。   In order to obtain a large single crystal, the Czochralski method or the Bridgman method is preferable. By using a large single crystal, it is possible to improve the yield of the single crystal and relatively reduce the processing loss. Therefore, compared with the method of taking out a single crystal from polycrystallized as described in Patent Document 2, a low-cost and high-quality crystal material can be obtained. However, the scintillator crystal material according to the present embodiment is not limited to a single crystal, and may be a polycrystalline sintered body such as ceramics.

一方、シンチレータ用単結晶として小型の単結晶のみを使用するのであれば、後加工の必要が無いかあるいは少ないことから、フローティングゾーン法、ゾーンメルト法、EFG法、マイクロ引下げ法、またはチョクラルスキー法が好ましく、るつぼとの濡れ性などの理由から、マイクロ引下げ法、またはゾーンメルト法が特に好ましい。   On the other hand, if only a small single crystal is used as the scintillator single crystal, there is no or little post-processing, so the floating zone method, the zone melt method, the EFG method, the micro pull-down method, or the Czochralski The method is preferred, and the micro-pulling method or the zone melt method is particularly preferred for reasons such as wettability with a crucible.

さらに、シンチレータ用単結晶として小型の単結晶を工業量産する観点から見ると、高速な単結晶育成ができ、育成中に形状制御をすることが容易であるという特徴を持つ、マイクロ引下げ法がより好ましい。   Furthermore, from the viewpoint of industrial mass production of small single crystals as single crystals for scintillators, the micro pull-down method has the feature that it can grow single crystals at high speed and is easy to control the shape during growth. preferable.

また、使用できるるつぼおよびアフターヒータの材料としては、Pt、Ir、Rh、Re、またはこれらの合金が挙げられる。   Examples of the crucible and afterheater material that can be used include Pt, Ir, Rh, Re, and alloys thereof.

シンチレータ用単結晶の製造においては、さらに高周波発振器、集光加熱器、および抵抗加熱機を使用してもよい。   In manufacturing a scintillator single crystal, a high-frequency oscillator, a condenser heater, and a resistance heater may be further used.

以下に、本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法の例として、チョクラルスキー法およびマイクロ引下げ法を用いた単結晶製造法を示すが、本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法はこれに限定されるものではない。   Hereinafter, a single crystal manufacturing method using the Czochralski method and the micro-pulling-down method will be described as an example of a method for manufacturing a single crystal of the crystal material according to the present embodiment. The method for producing the crystal is not limited to this.

チョクラルスキー法(引き上げ法)については、公知の高周波誘導加熱による雰囲気制御型の単結晶引き上げ装置を用いて行なうことができる。   The Czochralski method (pulling method) can be performed by using a known single crystal pulling apparatus of an atmosphere control type by high frequency induction heating.

単結晶引き上げ装置は、原料融液を充填するるつぼと、るつぼを遠隔過熱する誘導加熱手段(例えば高周波誘導加熱コイル)と、るつぼ上部に設けた種結晶保持具と、種結晶保持具を上方に引き上げる移動機構と、種結晶保持具の軸を中心に回転させる回転機構から構成される。るつぼに結晶原料を充填し、高周波加熱法や抵抗加熱法によりるつぼを加熱し、結晶原料を融解する。原料が融解して原料融液となったところで、あらかじめ定められた結晶方位に切り出された種結晶を原料融液表面に接触させ、種結晶を所定の回転速度で回転させながら、所定の速度で引き上げることで単結晶を成長させる。   The single crystal pulling apparatus includes a crucible filled with a raw material melt, induction heating means for remotely heating the crucible (for example, a high frequency induction heating coil), a seed crystal holder provided on the crucible, and a seed crystal holder upward. It consists of a moving mechanism that pulls up and a rotating mechanism that rotates around the axis of the seed crystal holder. The crucible is filled with a crystal material, and the crucible is heated by a high-frequency heating method or a resistance heating method to melt the crystal material. When the raw material is melted to become a raw material melt, the seed crystal cut in a predetermined crystal orientation is brought into contact with the surface of the raw material melt, and the seed crystal is rotated at a predetermined rotational speed. A single crystal is grown by pulling up.

マイクロ引下げ法については、公知の高周波誘導加熱による雰囲気制御型マイクロ引下げ装置を用いて行なうことができる。   The micro pull-down method can be performed using a known atmosphere control type micro pull-down apparatus using high-frequency induction heating.

マイクロ引下げ装置は、例えば、原料融液を収容するるつぼと、るつぼ底部に設けた微細孔から流出する原料融液に接触させる種結晶を保持する種結晶保持具と、種結晶保持具を下方に移動させる移動機構と、移動機構の速度を制御する移動速度制御装置と、るつぼを遠隔加熱する誘導加熱手段(例えば高周波誘導加熱コイル)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、るつぼ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、単結晶を作製することができる。   The micro-pulling device is, for example, a crucible for containing a raw material melt, a seed crystal holder for holding a seed crystal to be brought into contact with the raw material melt flowing out from a fine hole provided at the bottom of the crucible, and a seed crystal holder downward A single crystal manufacturing apparatus including a moving mechanism for moving, a moving speed control device for controlling the speed of the moving mechanism, and induction heating means (for example, a high frequency induction heating coil) for remotely heating the crucible. According to such a single crystal production apparatus, a single crystal can be produced by forming a solid-liquid interface immediately below the crucible and moving the seed crystal downward.

上記の単結晶引き上げ装置およびマイクロ引下げ法装置において、るつぼは、C、Pt、Ir、Rh、Re、Mo、Wまたはこれらの合金製である。また、マイクロ引き下げ法においては、るつぼ底部外周にC、Pt、Ir、Rh、Re、Mo、W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。るつぼおよびアフターヒータのそれぞれ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、るつぼ底部に設けた微細孔から引き出される原料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。   In the single crystal pulling apparatus and the micro pulling method apparatus described above, the crucible is made of C, Pt, Ir, Rh, Re, Mo, W or an alloy thereof. In the micro pull-down method, an after heater, which is a heating element made of C, Pt, Ir, Rh, Re, Mo, W, or an alloy thereof, is disposed on the outer periphery of the crucible bottom. Controlling the temperature and distribution of the solid-liquid boundary region of the raw material melt drawn from the fine holes provided at the bottom of the crucible by adjusting the heat output by adjusting the output of each induction heating means of the crucible and after-heater Can do.

上記の雰囲気制御型単結晶引き上げ装置および雰囲気制御型マイクロ引下げ装置は、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、かつ、雰囲気制御を可能にするためのロータリーポンプを具備し、ガス置換前において、内部の真空度を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、H、Oガス等を導入できるものである。 The atmosphere control type single crystal pulling device and the atmosphere control type micro pulling device described above employ stainless steel (SUS) as the material of the chamber, quartz as the window material, and a rotary pump for enabling atmosphere control. And the internal vacuum degree can be reduced to 1 × 10 −3 Torr or less before gas replacement. In addition, Ar, N 2 , H 2 , O 2 gas, etc. can be introduced into the chamber at a flow rate precisely adjusted by an accompanying gas flow meter.

この装置を用いて、上述の方法にて準備した結晶育成原料をるつぼに入れ、炉内を排気して高真空にした後、Nガス、ArガスもしくはArガスとO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する。次に、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るつぼをゆっくりと加熱して、るつぼ内の原料を完全に融解する。 Using this apparatus, the crystal growth raw material prepared by the above method is put into a crucible, the inside of the furnace is evacuated to a high vacuum, and then N 2 gas, Ar gas, or a mixed gas of Ar gas and O 2 gas is used. Is introduced into the furnace to make the inside of the furnace an inert gas atmosphere or a low oxygen partial pressure atmosphere. Next, the crucible is slowly heated by gradually applying high-frequency power to the high-frequency induction heating coil to completely melt the raw material in the crucible.

マイクロ引き下げ法においては、種結晶保持具に保持された種結晶を移動機構によって所定の速度で徐々に上昇させる。そして、種結晶の先端をるつぼ下端の微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、種結晶を降下させることで結晶を成長させる。   In the micro pull-down method, the seed crystal held by the seed crystal holder is gradually raised at a predetermined speed by a moving mechanism. Then, when the tip of the seed crystal is brought into contact with the fine hole at the lower end of the crucible and sufficiently blended, the crystal is grown by lowering the seed crystal while adjusting the melt temperature.

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、種結晶として結晶方位の明確なものを使用することが好ましい。   As the seed crystal, it is preferable to use a seed crystal that is equivalent to or similar in structure and composition to the crystal growth object, but is not limited thereto. Moreover, it is preferable to use a crystal with a clear crystal orientation as a seed crystal.

準備した結晶育成原料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了となる。一方、育成する結晶の組成を均一に保つ目的および長尺化の目的で、結晶育成原料の連続チャージ用機器を取り入れてもよい。これによって、結晶育成原料をチャージしながら結晶を育成することができる。   Crystal growth is completed when all of the prepared crystal growth raw materials are crystallized and the melt is exhausted. On the other hand, for the purpose of keeping the composition of the crystal to be grown uniform and for the purpose of lengthening it, a device for continuously charging the crystal growth raw material may be incorporated. Thereby, the crystal can be grown while charging the crystal growth raw material.

以下、本発明の実施例および比較例について、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。   Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.29Gd0.70Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。
Example 1
Crystals represented by the composition of (Ce 0.01 La 0.29 Gd 0.70 ) 2 Si 2 O 7 were grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 .

(実施例2)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.22Gd0.77Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。
(Example 2)
Crystals represented by the composition of (Ce 0.01 La 0.22 Gd 0.77 ) 2 Si 2 O 7 were grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 .

(実施例3)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.215Gd0.775Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。
(Example 3)
Crystals represented by the composition of (Ce 0.01 La 0.215 Gd 0.775 ) 2 Si 2 O 7 were grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 .

(実施例4)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.39Gd0.60Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。
Example 4
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.39 Gd 0.60 ) 2 Si 2 O 7 was grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 .

(比較例1)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.44Gd0.55Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。
(Comparative Example 1)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.44 Gd 0.55 ) 2 Si 2 O 7 was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 .

(比較例2)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.44Gd0.55Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。比較例2の結晶は脆い結晶でクラックが入りやすく、光学特性評価することが難しい。
(Comparative Example 2)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.44 Gd 0.55 ) 2 Si 2 O 7 was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 . The crystal of Comparative Example 2 is a brittle crystal and easily cracks, and it is difficult to evaluate optical characteristics.

(比較例3)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.09Gd0.9Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物結晶である。比較例3の結晶は白濁し、かつ、脆い結晶でクラックが入りやすく、光学特性評価することができなかった。
(Comparative Example 3)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.09 Gd 0.9 ) 2 Si 2 O 7 was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrochlore type oxide crystal represented by A 2 B 2 O 7 . The crystal of Comparative Example 3 was cloudy and was brittle and easily cracked, making it impossible to evaluate optical properties.

実施例1から実施例4および比較例1の結晶育成を実施したところ、透明なバルク体を安定して育成することができたのに対して、比較例2および比較例3は、安定して育成することができなかった。GdとLaのイオン半径(シャノンのイオン半径)が、それぞれ0.94Åおよび1.03Åであり、イオン半径が異なる。そのため、Laが多い場合、育成した結晶の格子の歪が大きくなり、割れやすくなると考えられる。比較例3はLaが少ない場合であるが、調和溶融組成に近いものの、この組成では、GdSiの不安定な包晶組成に近づくため、結晶育成が不安定になる。 When crystal growth of Example 1 to Example 4 and Comparative Example 1 was carried out, a transparent bulk body could be stably grown, whereas Comparative Example 2 and Comparative Example 3 were stable. I could not train. The ionic radii of Gd and La (Shannon's ionic radius) are 0.94 and 1.03 respectively, and the ionic radii are different. For this reason, it is considered that when La is large, the strain of the grown crystal lattice becomes large and it is easy to break. Although Comparative Example 3 is a case where La is small, although it is close to the harmonic melt composition, this composition approaches the unstable peritectic composition of Gd 2 Si 2 O 7 , so that crystal growth becomes unstable.

比較例3は白濁し、かつ、もろい結晶でクラックが入った結晶であり、特に結晶内部が白濁しており、発光スペクトル等の光学特性を得ることができなかった。比較例2はもろい結晶でクラックが入った結晶であったが、その結晶内部の構造は、クラックは目立つものの白濁した部分が見られなかった。発光スペクトルはクラックの影響を受けないが、発光強度の絶対値およびシンチレーション光の発光量は組成による影響と、サンプル内部のクラックによる影響があるため、光学特性評価およびシンチレータ特性を参考として実施した。   Comparative Example 3 is a cloudy, cracked crystal with a crack, and the inside of the crystal is particularly cloudy, and optical characteristics such as an emission spectrum could not be obtained. Comparative Example 2 was a brittle crystal with a crack, but the structure inside the crystal was conspicuous but no cloudy portion was observed. Although the emission spectrum is not affected by cracks, the absolute value of the emission intensity and the amount of emitted scintillation light are affected by the composition and by the cracks inside the sample. Therefore, the evaluation was carried out with reference to optical characteristic evaluation and scintillator characteristics.

実施例1から実施例4および比較例1〜比較例2の結晶について、光学特性を評価するため、光励起による発光(フォトルミネッセンス)の測定を行った。   In order to evaluate the optical characteristics of the crystals of Example 1 to Example 4 and Comparative Examples 1 and 2, light emission (photoluminescence) was measured by photoexcitation.

フォトルミネッセンスの測定には、Edinburgh Instruments社の分光器(型式:Instrument FLS920)を用い、励起源として同社の450Wキセノンアークランプ(Xe900)を用いた。   For the measurement of photoluminescence, a spectroscope (model: Instrument FLS920) manufactured by Edinburgh Instruments was used, and 450 W xenon arc lamp (Xe900) of the same company was used as an excitation source.

図1から図6は得られた実施例および比較例のフォトルミネッセンスの発光スペクトルを示す図である。図1から図6において、横軸は発光波長であり、縦軸は各々のピークのカウント数(Arbitrary Unit)である。また、図1から図6において、実線は実際の発光スペクトルであり、破線はピークサーチにより検出したガウシアンカーブであり、一点鎖線は実際の発光スペクトルをダブルガウシアンフィッティングを行った結果である。   1 to 6 are diagrams showing emission spectra of photoluminescence of the obtained examples and comparative examples. 1 to 6, the horizontal axis represents the emission wavelength, and the vertical axis represents the count number (Arbitrary Unit) of each peak. 1 to 6, the solid line is the actual emission spectrum, the broken line is the Gaussian curve detected by the peak search, and the alternate long and short dash line is the result of performing the double Gaussian fitting on the actual emission spectrum.

実施例の結晶はどれも300nm〜500nmの範囲でブロードな発光ピークを有するものであった。   All of the crystals of the examples had a broad emission peak in the range of 300 nm to 500 nm.

図1から図6の各々のフォトルミネッセンスをガウシアンによるピークサーチを行ったところ、全ての結果において、それぞれ370nmおよび、390nmの位置にピークが検出された。370nmおよび、390nmの各ピークはバンド構造および類似の硅酸化物材料の結果を考慮すると、これらは5d―4f遷移発光する希土類金属元素の発光ピークである。また、これらのピークは、光学賦活剤として添加したCeの励起準位である5d準位からそれぞれ4f1および4f2準位へ遷移する際に放出される発光のエネルギーに相当する。   When a peak search by Gaussian was performed for each of the photoluminescences of FIGS. 1 to 6, peaks were detected at positions of 370 nm and 390 nm, respectively. Each peak at 370 nm and 390 nm is a light emission peak of a rare earth metal element that emits a 5d-4f transition, considering the band structure and the results of similar soot oxide materials. In addition, these peaks correspond to the energy of light emitted when transitioning from the 5d level, which is the excitation level of Ce added as an optical activator, to the 4f1 and 4f2 levels, respectively.

以上より、LaおよびGdを含むパイロクロア結晶において、ドーパントCeのスピン状態の異なる二つの4f軌道(2/7=390nm、2/5=370nm)へと遷移する際の二つの波長のピークが確認された。 From the above, in the pyrochlore crystal containing La and Gd, the two wavelengths at the time of transition to two 4f orbitals ( 4 F 2/7 = 390 nm, 4 F 2/5 = 370 nm) having different spin states of the dopant Ce are obtained. A peak was confirmed.

発光波長のより短い(370nm(短波長側))ピークの発光波長強度をPとして、発光波長のより長い(390nm(長波長側))ピークの発光波長強度をPとした場合に、これらの強度比(P/P)を表1に示した。実施例1から実施例4はいずれもPとPの間に、P/P≧0.97の関係があることが確認された。 Shorter (370 nm (short wavelength side)) emission wavelength intensity of the peak of the emission wavelength as P 1, when a longer (390 nm (long-wavelength side)) emission wavelength intensity of the peak of the emission wavelength is P 2, these Table 1 shows the intensity ratio (P 1 / P 2 ). In each of Examples 1 to 4, it was confirmed that there was a relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97 between P 1 and P 2 .

さらに、実施例1から実施例4および比較例1から比較例2で得られた結晶の発光量を見積もった。ここでそれぞれの結晶は、光学グリース(応用光研社製6262A)にて光検出器である光電子増倍管(浜松ホトニクス社製R7600−200)に光学装着し、1MBqの放射能を有する137Cs密封線源(ガンマ線源)ないしは241Amを用い、ガンマ線を照射して励起、発光させた。 Further, the light emission amounts of the crystals obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 were estimated. Here, each crystal is optically mounted on a photomultiplier tube (R7600-200 manufactured by Hamamatsu Photonics), which is a photodetector, with optical grease (Applied Koken 6262A) and 137 Cs having a radioactivity of 1 MBq. A sealed ray source (gamma ray source) or 241 Am was used to excite and emit light by irradiating gamma rays.

なお、光電子増倍管には650Vないし700Vを印加し、シンチレーション光を電気信号に変換した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、受光したシンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表す。このようにして光電子増倍管から出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器(マルチチャンネルアナライザー:MCA)に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。   Note that 650 to 700 V was applied to the photomultiplier tube to convert the scintillation light into an electrical signal. Here, the electric signal output from the photomultiplier tube is a pulse-like signal reflecting the received scintillation light, and the pulse height represents the emission intensity of the scintillation light. The electric signal output from the photomultiplier tube was shaped and amplified by a shaping amplifier in this way, and then input to a multi-wave height analyzer (multi-channel analyzer: MCA) for analysis to create a wave height distribution spectrum.

上記137Csによるガンマ線(662keV)を照射して得られた波高分布スペクトルから、発光量を見積もった。 The amount of luminescence was estimated from the wave height distribution spectrum obtained by irradiating the 137 Cs with gamma rays (662 keV).

実施例1の発光量は40,000photons/MeVを超え、比較例1の発光量は40,000photons/MeV未満であった。   The light emission amount of Example 1 exceeded 40,000 photons / MeV, and the light emission amount of Comparative Example 1 was less than 40,000 photons / MeV.

なお、本実施例では、発光量が40,000photons/MeV以上となるものを良好な特性とする。実施例1から実施例4は発光量が40,000photons/MeVを超え、良好であった。   In this embodiment, a light emission amount of 40,000 photons / MeV or more is regarded as a good characteristic. In Examples 1 to 4, the amount of luminescence exceeded 40,000 photons / MeV, which was good.

表1は、実施例1から実施例4および比較例1から比較例3の結晶の、MLa/MGdの値、短波長側強度/長波長側強度の値(P/P)、比較例1を基準とした相対発光量の値をまとめた表である。表1に示すように、P/Pが0.97以上、好ましくは1以上、さらに好ましくは1.04〜1.11の場合に、好ましい結果が得られることが確認できた。 Table 1 shows the values of M La / MGd , short wavelength side intensity / long wavelength side intensity (P 1 / P 2 ) of the crystals of Example 1 to Example 4 and Comparative Example 1 to Comparative Example 3. 6 is a table summarizing values of relative light emission amounts based on Comparative Example 1. As shown in Table 1, P 1 / P 2 is 0.97 or more, and preferably one or more, more preferably in the case of 1.04 to 1.11, can be confirmed that favorable results.

Figure 2017066245
Figure 2017066245

次に、実施例1から実施例4の結晶のシンチレーション光の減衰時間を求めた。ここで結晶は上記光学グリースにて上記光電子増倍管に光学接着し、上記137Csによるガンマ線を用い、ガンマ線を照射して励起、発光させた。そして、光電子増倍管からの信号をオシロスコープ(Tektronix社製TDS 3034B)で信号の時間分布を測定することで、減衰時間を求めた。ここで、1000ns以下を良好、80ns以下を特に良好とする。 Next, the scintillation light decay time of the crystals of Examples 1 to 4 was determined. Here, the crystal was optically bonded to the photomultiplier tube with the optical grease, and was excited and emitted by irradiating the gamma ray with the 137 Cs gamma ray. Then, the time distribution of the signal from the photomultiplier tube was measured with an oscilloscope (Tektronix TDS 3034B) to determine the decay time. Here, 1000 ns or less is good, and 80 ns or less is particularly good.

図9は、実施例2の結晶の蛍光減衰曲線のプロファイルを示す図である。図9において、横軸は時間を表し、縦軸は発光強度に対応する電圧を表している。線αは実測であり、線βは減衰定数(蛍光寿命)を求めるために時間tを変数とする次の関数I(t)でフィッティングを行なった結果である。   FIG. 9 is a graph showing a fluorescence decay curve profile of the crystal of Example 2. In FIG. 9, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage corresponding to the emission intensity. A line α is an actual measurement, and a line β is a result of fitting with the following function I (t) using the time t as a variable in order to obtain an attenuation constant (fluorescence lifetime).

I(t(ns))=A×exp(−t/τ(ns))+ A×exp(−t/τ(ns)) + c I (t (ns)) = A 1 × exp (-t / τ 1 (ns)) + A 2 × exp (-t / τ 2 (ns)) + c

ここで、A、τ、A、τおよびcはフィッティングパラメータであり、特に、τ、τを蛍光減衰曲線における蛍光寿命と呼ぶ。実施例1の測定結果をフィッティングすると、結晶の高速度成分蛍光寿命τ75nsであり、高速シンチレータを構成できるものであった。また、実施例1および実施例4の全ての実施例で80ns以下であり、特に良好であった。 Here, A 1 , τ 1 , A 2 , τ 2 and c are fitting parameters, and in particular, τ 1 and τ 2 are called fluorescence lifetimes in the fluorescence decay curve. When the measurement result of Example 1 was fitted, the high-speed component fluorescence lifetime τ 1 of the crystal was 75 ns , and a high-speed scintillator could be configured. Moreover, it was 80 ns or less in all Examples of Example 1 and Example 4, and was particularly favorable.

以上から、Laのモル分率MLaとGdのモル分率MGdの比の割合MLa/MGdが0.1の場合、調和溶融組成からずれているため、融液が分解し、透明な結晶を育成することが困難となる。実際、比較例3の結晶は、白濁し、かつ、脆い結晶でクラックが入りやすく、光学評価することができなかった。 From the above, when the ratio M La / M Gd of the ratio of the molar fraction M La of La to the molar fraction M Gd of Gd is 0.1, the melt is decomposed and transparent It becomes difficult to grow a crystal. Actually, the crystal of Comparative Example 3 was cloudy and fragile, and easily cracked, and could not be optically evaluated.

比の割合MLa/MGdが0.1よりも大きく、かつ0.64以下である範囲内において、5d―4f遷移発光する希土類金属元素由来のシンチレーション光が波長200nm以上500nm以下の範囲内で観測され、その波長に対するシンチレーション光の強度の分布が二つのピークを示した。それらのピークのうち、長波長側のピークにおける強度よりも短波長側のピークにおける強度を高くすることにより、良好な発光量特性を得ることができた。 Within a range where the ratio ratio M La / M Gd is greater than 0.1 and less than or equal to 0.64, the scintillation light derived from the rare earth metal element emitting 5d-4f transition is within the wavelength range of 200 nm to 500 nm. Observed, the intensity distribution of the scintillation light for that wavelength showed two peaks. Among these peaks, by increasing the intensity at the short wavelength side peak compared to the intensity at the long wavelength side peak, it was possible to obtain a good light emission amount characteristic.

図7はLaとGdのモル分率の比の割合MLa/MGdと、比較例1を基準とする相対発光量の関係を実施例1および比較例1から2までの結果についてプロットしたグラフである。図7によれば、比の割合MLa/MGdが大きくなるにつれて相対発光量は低下する。比の割合MLa/MGdについて、比較例1の比の割合MLa/MGdの値(約0.79)を超すと相対発光量は大幅に低下することが図7から読み取れる。 FIG. 7 is a graph plotting the relationship between the ratio M La / M Gd of the ratio of the molar fraction of La and Gd and the relative luminescence amount based on Comparative Example 1 for the results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. It is. According to FIG. 7, the relative light emission amount decreases as the ratio ratio M La / M Gd increases. For the ratio M La / M Gd ratio, the value (about 0.79) when more than relative light ratio M La / M Gd ratio of Comparative Example 1 to be significantly reduced read from FIG.

図8は、LaとGdのモル分率の比の割合MLa/MGdと、発光波長強度の最も高いピークと最も高いピークの次に発光波長強度の高いピークについて、発光波長の短いピークの強度Pと発光波長の長いピークの強度Pとの比P/Pの関係を実施例1、実施例4、比較例1および比較例2の結果についてプロットした図である。図8より、比の割合MLa/MGdが0.64以下の場合に、発光波長の短いピークの強度Pと発光波長の長いピークの強度Pとの比P/Pは0.97以上となることがわかる。 FIG. 8 shows the ratio M La / M Gd of the ratio of the molar fraction of La and Gd, and the peak with the shortest emission wavelength for the peak with the highest emission wavelength intensity and the peak with the highest emission wavelength intensity next to the highest peak. relationship eXAMPLE ratio P 1 / P 2 of the intensity P 1 and the intensity P 2 of the long peak emission wavelengths 1, example 4 is a graph plotting the results of Comparative example 1 and Comparative example 2. As shown in FIG. 8, when the ratio M La / M Gd is 0.64 or less, the ratio P 1 / P 2 between the peak intensity P 1 of the short emission wavelength and the peak intensity P 2 of the long emission wavelength is 0. It turns out that it becomes more than 97.

また、比の割合MLa/MGdが0.27以上であり、かつ0.64以下の場合、特に安定して結晶格子に歪が少なくクラックの少ない透明な結晶を育成することができ、かつ、良好な発光量特性を得ることができた。 In addition, when the ratio ratio M La / M Gd is 0.27 or more and 0.64 or less, it is possible to grow a transparent crystal with stable and few distortion in the crystal lattice, and As a result, good light emission characteristics were obtained.

以上のように、本発明に係るシンチレータ結晶材料、単結晶シンチレータは、発光量が高く、単結晶育成が容易であり、工業用途としての生産方法に向いており、有用である。   As described above, the scintillator crystal material and the single crystal scintillator according to the present invention are useful because they have a high light emission amount, are easy to grow a single crystal, and are suitable for a production method for industrial use.

Claims (6)

放射線の照射によってシンチレーション光を発するシンチレータ結晶材料であって、
前記シンチレータ結晶材料は、LaおよびGdを含むパイロクロア結晶であり、
光学賦活剤として5d―4f遷移発光する希土類金属元素を含み、
Laのモル分率MLaおよびGdのモル分率MGdの関係は、0.64≧MLa/MGd≧0.15を満たし、
前記シンチレーション光の発光波長は200nm以上500nm以下であり、
前記発光波長に対する前記シンチレーション光の発光波長強度の分布が少なくとも二つ以上のピークを示し、
前記発光波長強度の最も高いピークと2番目に前記発光波長強度の高いピークのうち、前記発光波長のより短いピークの前記発光波長強度をPとして、前記発光波長のより長いピークの前記発光波長強度をPとした場合に、P/P≧0.97の関係を満たすことを特徴とするシンチレータ結晶材料。
A scintillator crystal material that emits scintillation light when irradiated with radiation,
The scintillator crystal material is a pyrochlore crystal containing La and Gd,
Including a rare earth metal element that emits 5d-4f transition light as an optical activator;
The relationship between the molar fraction M La of La and the molar fraction M Gd of Gd satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.15,
The emission wavelength of the scintillation light is 200 nm or more and 500 nm or less,
The distribution of the emission wavelength intensity of the scintillation light with respect to the emission wavelength shows at least two peaks,
Among the highest peak of the emission wavelength intensity and the second highest peak of the emission wavelength intensity, the emission wavelength intensity of the shorter peak of the emission wavelength is P 1 and the emission wavelength of the longer peak of the emission wavelength is P 1. A scintillator crystal material characterized by satisfying the relationship of P 1 / P 2 ≧ 0.97 when the strength is P 2 .
前記シンチレータ結晶材料の光学賦活剤がCeであって、0.64≧MLa/MGd≧0.27を満たすことを特徴とする請求項1に記載のシンチレータ結晶材料。 The scintillator crystal material according to claim 1, wherein an optical activator of the scintillator crystal material is Ce, and satisfies 0.64 ≧ M La / M Gd ≧ 0.27. 請求項1または2のいずれかに記載のシンチレータ結晶材料から構成されることを特徴とする単結晶シンチレータ。   A single crystal scintillator comprising the scintillator crystal material according to claim 1. 請求項1または2のいずれかに記載のシンチレータ結晶材料もしくは請求項3に記載の単結晶シンチレータから構成されるシンチレータと、
前記シンチレータからのシンチレーション光を受光する光検出器と、を備えることを特徴とする放射線検出器。
A scintillator composed of the scintillator crystal material according to claim 1 or 2 or the single crystal scintillator according to claim 3;
A radiation detector comprising: a photodetector that receives scintillation light from the scintillator.
請求項4に記載の放射線検出器を備えることを特徴とする撮像装置。   An imaging apparatus comprising the radiation detector according to claim 4. 請求項4に記載の放射線検出器を備えることを特徴とする非破壊検査装置。   A nondestructive inspection apparatus comprising the radiation detector according to claim 4.
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