JP2001348273A - セラミックス、セラミックス粉末の製造方法及びセラミックスの製造方法。 - Google Patents
セラミックス、セラミックス粉末の製造方法及びセラミックスの製造方法。Info
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Abstract
小さく、また、コストが比較的安価な透明セラミックシ
ンチレータを提供すること。 【解決手段】 一般式Gd3-xCexAlySizGa5-y-zO12[ただ
し、0.001≦x≦0.05、1≦y≦4、0.0015≦z≦0.03]で表
されることを特徴とするセラミックスであり、混合後、
1400〜1600℃で仮焼してガーネット粉末を作成し、さら
に、プレス成形後、5×104Pa以上の非還元性雰囲気に
おいて1600〜1700℃の温度範囲で焼結し、また、アルゴ
ン雰囲気1400〜1600℃の温度で熱間静水圧プレス焼結を
行い透明セラミックシンチレータとする製造方法。
Description
線検出器に用いられるシンチレータ用のセラミックス、
セラミックス粉末およびその製造方法に関するものであ
る。
光を発する物質である。放射線の強度とシンチレータの
発光量とは比例関係にあるため、シンチレータと光検出
器を組み合わせることで、放射線の計測が可能となる。
主に、X線CTなどの医療機器、分析機器,放射線を用
いた非破壊検査装置、放射線漏洩検査装置などの分野に
用いられている。
放射線に対する感度が大きいこと、材料の均質性が高い
こと、化学的に安定であることなどが挙げられる。さら
に,X線CTのように放射線の強度変化を高速に検出し
ていく装置に用いられる場合には、減衰時定数(放射線
を停止後、発光強度が1/eになるまでの時間)及び残光
(放射線停止後にも続く発光)が小さいことが重要とな
る。このようなシンチレータとしては、CdWO4などの単
結晶体、Gd2O2S:Pr,Ce,F、(Gd,Y)2O3:Eu,Pr、Gd3Ga
5O12:Cr,Ceなどの多結晶体がある。
の中で、CdWO4単結晶シンチレータは発光強度が大きく
なく、また、へき開性があるため加工性が悪く、さら
に、Cdという毒性の強いイオンを含むという問題があ
る。Gd2O2S:Pr,Ce,F シンチレータは、高い発光効率を
有し、減衰時定数と残光も小さい。しかし、製造プロセ
スが複雑でコストが高いという問題を有している。(Gd,
Y)2O3:Eu,Pr は、発光強度は大きいが、減衰時定数も非
常に大きいという問題がある。また、Gd3Ga5O12:Cr,Ce
は、発光強度があまり大きくない。表1にこれらのシン
チレータの特性を示す。本発明は以上の従来の問題に鑑
みてなされたものであり、発光強度が大きく、減衰時定
数及び残光が小さく、また、コストが比較的安価な酸化
物セラミックシンチレータを提供することを目的とす
る。
め、種々の酸化物組成系に関し検討を行い、(Gd,Ce)3(A
l,Si,Ga)5O12ガーネット組成系に発光強度の大きいもの
を見出した。この組成系の結晶構造は立方晶であり、光
学的異方性が小さく、透光性の高い焼結体を作成可能で
ある。
を置換したCe3+の5d→4f遷移により発光し、減衰時定数
は数十〜数百nsときわめて小さい。Siはイオン半径の大
きいCe3+の固溶を容易にするとともに、焼結性を向上さ
せる働きを有している。
リウム塩としてたとえば硝酸セリウムをボールミル混合
後、フタ付のアルミナルツボ中において、1500℃、2時
間仮焼した場合について、AlとGaの組成比を変えた粉末
シンチレータの発光強度(Gd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータ
粉末の発光強度に対する比率)を図1に示す。Gd2.995Ce
0.005AlySi0.003Ga4.997-yO12組成において、yの範囲が
1〜4で発光強度は相対的に大きな値を示し、yが3で発光
強度は最大となった。図2には発光元素であるCeの発光
強度に対する組成依存性を示す。Ceの濃度依存性はあま
り大きくないが、Gd3-xCexAl2.997Si0.003Ga2O12組成に
おいてxが0.001から0.05が適当である。
す。Siの添加方法としては、エチルシリケートSi(OC
2H5)4やSiO2として添加するのが好ましい。Gd2.99Ce
0.01Al3-zSizGa2O12組成においてSiが 0.0015未満では
焼結密度向上にほとんど効果がなく、また、0.03より多
く添加すると、発光強度の低下が顕著となる。
aF2)が望ましい。 BaF2は仮焼時に液相とな
り、主組成に格子欠陥をできにくくし、発光強度を向上
させるため必要である。添加量としては、母材1mol
に対し、0.1〜1.0molの範囲量が好ましい。発
光強度の仮焼温度依存性を図4に示す。この図より、仮
焼温度は1400〜1600℃とするのが好ましいことがわか
る。
多結晶シンチレータは、単一相になりにくく、GdAlO3ま
たはGdGaO3ペロブスカイト相やそれに近い相が析出しや
すい。平均粒径が0.6μmのγ-Al2O3粉末を用いた場
合、図5に示すように(γ-Al2O3:結晶性が低いためX線
回折強度が小さく、模式図には表されていない)、950℃
からGd4Al2O9が生成し、それが1050℃からGdAlO3に変態
し、異相として残ってしまうことがわかった。図6に仮
焼き温度と析出する相との関係を模式的に示す。同様
に、平均粒径が6μmのAl2O3粉末を用いた場合、今度は
GdGaO3相が残ってしまうことがわかった。酸化ガドリニ
ウムと酸化ガリウムについても同様の検討を行い、単一
相にするためには、酸化ガドリニウム、酸化アルミニウ
ム及び酸化ガリウムの平均粒径をそれぞれ0.1μm以
上、5μm以下にすることが必要であることを見出し
た。
μm以上となり、この粉末を直接焼結しても良いが、こ
の粉末を、アルミナホ゛ールを用いたホ゛ールミル粉砕またはジェット
ミル粉砕などの方法により平均粒径1μm以下の粉末と
するのが好ましい。粉砕した粉末は一軸プレスまたは一
軸プレスと冷間静水圧プレスを行うことにより、理論密
度の60〜70%の成形対密度を得ることができる。この成
形体をフタ付のアルミナこう鉢に入れ、窒素、アルゴン
またはヘリウム雰囲気中1600〜1700℃で焼結することに
より、理論密度の95〜98%まで密度は向上する。他組成
系では真空中で燒結することもあるが、本組成において
は真空中や5×104Pa未満の圧力下で焼結するの
は、Gaの揮発量が大きいため好ましくない。また、水素
中で焼結するのは、強い還元雰囲気により、金属Gaが析
出するため、焼結できず不適当である。焼結温度につい
ては、1600℃未満の温度では焼結体密度が向上せず、開
気孔が残ってしまう。また、1700℃を超える温度ではGa
の揮発量が大きく、組成制御ができなくなるため好まし
くない。
〜98%の密度であり、開気孔はないが、光透過率は小さ
く、発光強度も不充分である。そこで、この焼結体は、
さらに、1400〜1600℃の温度、5×107〜2×108
Paのアルゴンガス中で熱間静水圧プレス(HIP)を行う
ことにより、理論密度の99.7%以上の光学的透明性を有
する焼結体が得られる。
レータの実施例につき説明する。Gd2O3を135.48g、Ce
2(C2O4)3・9H2Oを0.883g、Al2O3を38.16g、Si(OC2H5)4
を0.31g、Ga2O3を50.61g及びBaF2を21.92g計量した。次
に、これらの素原料を湿式ボールミル混合後乾燥した。
次に、この素原料混合粉をB5サイズのアルミナルツボに
入れ、アルミナの蓋をした後、1500℃で2h仮焼した。冷
却後、原料をほぐし、撹拌器を用い、4Nの塩酸で2時間
洗浄後、純水でよく洗浄し乾燥した。そして、ポリエチ
レンポットに直径5mmのアルミナボール(純度99.9%)を入
れ、24時間ボールミル粉砕を行った。こうして、平均粒
径0.7μmのシンチレータ粉砕粉を得た。この粉砕紛
に、純水を5wt%添加し、500kg/cm2の圧力で一軸プレス
成形し、その後、加圧力3ton/cm2で冷間静水圧プレスを
行い、理論密度に対し64%の成形体が得られた。この成
形体をアルミナこう鉢に入れ、フタをして、窒素雰囲気
で1625℃、3時間の一次焼結を行い、理論密度に対し、9
8%の焼結体が得られた。なお、密度の高い均一な焼結
体とするため、1350℃以上の昇温速度は50℃/hとした。
この焼結体を、1500℃、3時間、1×108Pa条件で
熱間静水圧プレス焼結を行った。得られた焼結体は、理
論密度に対し99.9%の密度を有していた。この焼結体を
厚さ3.0mmのウェハ形状に機械加工後、特性評価を行
った。分光光度計に積分球を取りつけ測定した550nmの
拡散透過率、管電圧120kV、管電流5mAのX線(Wターゲッ
ト)を照射した時の発光強度(CdWO4シンチレータの発光
強度に対する比率)及びX線励起停止後30ms経過後の残
光測定結果、また、241Amから出るエネルギ60KeVのγ線
を照射したときの発光減衰時定数の測定結果を表2に示
す。
同様の手順で原料粉及び焼結体を作製した。ただし、Al
2O3と、エチルシリケート及びGa2O3の添加率及び仮焼温
度を変えて組成の異なる原料粉を作製した。また、焼結
温度を変えて焼結体試料を作成した。得られたセラミッ
クシンチレータの拡散透過率、相対発光強度、減衰時定
数及び残光の測定結果を表2に示す。また、真空中や5
×104Pa未満の雰囲気中で焼結したものは、Gaの揮発
量が大きく、相対密度は90%にも達しない結果となっ
た。
検出していく装置に用いられるシンチレータには、放射
線に対する発光強度が大きく、また、発光の減衰時定数
と残光が小さいことが非常に重要である。さらに、X線C
Tは普及期に入り、低コスト化が重要な意味を持つよう
になっている。そのため、シンチレータに対するコスト
低減要求が高まっている。表1に示すように、既存のシ
ンチレータは、これらの要求を十分満足しているとは言
い難い状況にある。本発明によるシンチレータは、Gd2O
2S:Pr,Ce,Fセラミックシンチレータの持つ特性に近
く、また、複合酸化物であり、製造コストは、CdWO4や
(Y,Gd)2O3:Euと同等である。対して本発明に該当しない
比較例1〜4のものは相対発光強度が低くいか残光が高
いことを確認した。
に、従来技術によるシンチレータに対して、コストパフ
ォーマンスに優れかつ高性能であるシンチレータを提供
できた。
粉末のGd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータ粉末に対する相対発
光強度特性を示す。
ンチレータ粉末のGd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータ粉末に対
する相対発光強度特性を示す。
のGd2O2S:Pr,Ce,Fシンチレータ粉末に対する相対発光強
度特性を示す。
光強度との関係を示す。
Claims (6)
- 【請求項1】 一般式Gd3-xCexAlySizGa5-y-zO12で表さ
れることを特徴とするセラミックス。(ただし、0.001
≦x≦0.05、1≦y≦4、0.0015≦z≦0.03) - 【請求項2】 一般式Gd3-xCexAlySizGa5-y-zO12で表さ
れる組成になるように、適当量の酸化ガドリニウム、酸
化アルミニウム、酸化ガリウム、セリウム塩、ケイ素化
合物及びフッ素化合物を加え、混合後、1400〜1600℃で
仮焼することを特徴とするセラミックス粉末の製造方
法。(ただし、0.001≦x≦0.05、1≦y≦4、0.0015≦z≦
0.03) - 【請求項3】 前記フッ素化合物はフッ化バリウムであ
る請求項2に記載のセラミックス粉末の製造方法。 - 【請求項4】 前記酸化ガドリニウム、酸化アルミニウ
ム、酸化ガリウムの平均粒径がそれぞれ0.1μm以上5μ
m以下である請求項2又は3に記載のセラミックス粉末
の製造方法。 - 【請求項5】 一般式Gd3-xCexAlySizGa5-y-zO12で表さ
れる組成になるように、適当量の酸化ガドリニウム、酸
化アルミニウム、酸化ガリウム、セリウム塩、ケイ素化
合物及びフッ素化合物を加え、混合後、1400〜1600℃で
仮焼して粉末とし、プレス成形後、5×104Pa以上
の非還元性雰囲気において1600〜1700℃の温度範囲で焼
結することを特徴とするセラミックスの製造方法。 - 【請求項6】 請求項5で表される焼結体をさらにアル
ゴン雰囲気1400〜1600℃の温度で熱間静水圧プレス焼結
を行うセラミックスの製造方法。
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