JP2003300795A - Ｇｓｏ単結晶及びｐｅｔ用シンチレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蛍光減衰時間が速く、出力比が小さく、着色
がなく透明性の高いＧＳＯ単結晶及び該単結晶からなる
ＰＥＴ用シンチレータを提供すること。 【解決手段】 Ｍｇ、Ｔａ及びＺｒの１種以上を含有す
るＣｅ賦活ＧＳＯ単結晶及び該単結晶からなるＰＥＴ用
シンチレータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧＳＯ単結晶及び
ＧＳＯ単結晶からなるＰＥＴ用シンチレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】陽電子放出核種断層撮像装置(Positron
Emission computed Tomography、以下ＰＥＴ）では、ど
のような特性あるいは仕様のシンチレータを採用するか
が装置全体の性能を向上させる上で最も重要な要因の一
つとなる。米国を中心にＰＥＴ診断の保険適用が進みビ
ジネス拡大が進む中、高性能なＰＥＴ装置を得るため
に、優れたシンチレータ材料の探索、実用化のための育
成技術開発等が精力的に進められている。

【０００３】ＧＳＯシンチレータは蛍光出力、蛍光減衰
時間、エネルギー分解能などの特性に優れ、また材料の
化学的安定性にも優れているためＰＥＴ用シンチレータ
として採用されている。図１、図２にＣｅ濃度の異なる
２種類のＧＳＯシンチレータのエネルギースペクトル（
¹³⁷Ｃｓ）及び発光減衰曲線を示す。図から、Ｃｅ濃度
０．５ｍｏｌ％のＧＳＯの方がＣｅ濃度１．５ｍｏｌ％
のＧＳＯに比べて蛍光出力、エネルギー分解能に優れる
ことがわかる。一方蛍光減衰時間は、Ｃｅ濃度１．５ｍ
ｏｌ％のＧＳＯの方が短く（早く）優れる。したがっ
て、Ｃｅ濃度による蛍光出力と蛍光減衰時間の優劣は逆
の関係にあることがわかる。

【０００４】従来のＧＳＯ単結晶シンチレータには以下
のような問題が指摘されている。 （１）発光のＳｌｏｗ成分の存在 ＧＳＯシンチレータの発光減衰曲線は２成分系からな
り、減衰の速い成分（Ｆａｓｔ成分）は３０〜６０ｎ
ｓ、遅い成分（Ｓｌｏｗ成分）は４００〜６００ｎｓで
ある。遅い成分の出力比は２０％程度のため、ＰＥＴ利
用で大きな問題とはなっていないが、計数率特性を向上
させる上で好ましくなく、低減が望まれる。

【０００５】（２）Ｃｅ濃度増加による着色 １．０ ｍｏｌ％以上のＣｅ濃度のＧＳＯでは、僅かで
あるが淡黄色の着色が見られる。着色は蛍光出力、エネ
ルギー分解能を劣化させることから、好ましくない。図
３にＣｅ濃度の異なる２種類のＧＳＯの透過率を示す。
Ｃｅ濃度１．５ｍｏｌ％の透過率の方が、Ｃｅ濃度０．
５ ｍｏｌ％に比べて低いことがわかる。着色は、発光
に寄与しない４価のＣｅが原因と考えられる。ＧＳＯに
は、Ｃｅ濃度を上げることで蛍光減衰時間を短くできる
特長があるが、その結果蛍光出力が劣化する問題があ
る。蛍光減衰時間と蛍光出力の両立を図る方法として
は、４価のＣｅを減らすことができる不純物の探索が有
効と考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的
は、蛍光減衰時間が速く、Ｓｌｏｗ成分の出力比が小さ
く、着色がなく透明性の高いＧＳＯ単結晶及び該単結晶
からなるシンチレータ、特にＰＥＴ用シンチレータを提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するために種々検討を行い、ＧＳＯ：Ｃｅ結晶（Ｃｅ
を含有するＧＳＯ単結晶、すなわちＣｅ賦活ＧＳＯ単結
晶）に少量の不純物（ドーパント）を添加した単結晶
が、上記課題を解決し得る事を見出し、本発明を完成す
るに至った。本発明は、Ｍｇ，Ｔａ及びＺｒの１種以上
を含有するＣｅ賦活ＧＳＯ単結晶を提供するものであ
る。本発明のＣｅ賦活ＧＳＯ単結晶は、好ましくはＧｄ
_(2-X)Ｃｅ_xＭｅ_yＳｉＯ₅（ｘは０．００３〜０．０５、
ｙは０．００００５〜０．００５であり、ＭｅはＭｇ、
Ｔａ及びＺｒからなる群から選ばれる元素、またはこれ
らの混合物、例えば、Ｍｇ_zＺｒ_1-z（ｚは0以上1以下の
数である）等）単結晶であり、さらに好ましくはＧｄ
_(2-x)Ｃｅ_xＭｇ_yＳｉＯ₅ （ｘは０．００３〜０．０
５、ｙは０．００００５〜０．００５）単結晶である。
本発明はまた、上記Ｃｅ賦活ＧＳＯ単結晶からなるＰＥ
Ｔ用シンチレータを提供するものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明のＭｇ、Ｔａ及びＺｒの１
種以上を含有するＣｅ賦活ＧＳＯ単結晶は、酸化ガドリ
ニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）及び酸
化セリウム（ＣｅＯ₂）と、酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、二酸化ジルコニウ
ム（ＺｒＯ₂）及びこれらの混合物からなる群から選ば
れる少なくとも１種の金属酸化物とを、原子比でＧｄ＝
１．９５〜２．０、Ｓｉ＝１．０、Ｃｅ＝０．００３〜
０．０５、Ｍｇ、Ｔａ、Ｚｒまたはこれらの混合物＝
０．００００５〜０．００５となる割合で含有する溶融
物から、例えば、チョクラルスキー法等により種結晶を
用いて結晶を成長させる方法により製造することができ
る。

【０００９】結晶成長の際の雰囲気は、不活性ガス（例
えば、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等）中に、酸
素が容積規準で０．５％〜２．５％含まれるガスを使用
することが好ましい。上記結晶を溶融させる坩堝等の容
器の材質は、特に限定はないが、２０００℃以上の融点
を有するものが好ましく、イリジウムが最も好適であ
る。結晶成長の際の結晶材料の溶融温度は、好ましくは
１９００〜２０００℃、さらに好ましくは１９４０〜１
９６０℃である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例により、具体的に説明
する。原料として酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃、純度９
９．９９質量％）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂、純度９９．
９９質量％）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂、純度９９．９
９質量％）、ドーパントとして酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ、純度９９．９９質量％）、五酸化タンタル（Ｔａ₂
Ｏ₅、純度９９．９９質量％）、二酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ₂、純度９９．９９質量％）を使用して、チョ
クラルスキー法によって単結晶を育成した。単結晶から
１０×１０×１０ｍｍ³の試料を採取して、波長４６０
ｎｍでの透過率を測定した。また、シンチレータのエネ
ルギースペクトル（¹³⁷Ｃｓ）及びデジタルオシロによ
り発光減衰曲線を測定し、蛍光減衰時間、減衰成分の出
力比（Ｆａｓｔ成分／Ｓｌｏｗ成分）、及び蛍光出力
（相対比）をまとめて表１に示した。ただし、それぞれ
の実施例の結果は単結晶インゴットの上部と下部につい
て測定し、その平均値を示した。なお、本実施例は好適
な一例を示すものであり、本発明を限定するものではな
い。

【００１１】（実施例１） Ｇｄ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅ，Ｍｇ
単結晶シンチレータ Ｍｇを添加した単結晶を試作した。酸化ガドリニウム
（Ｇｄ₂Ｏ₃）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化セリウ
ム（ＣｅＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を、原子
比でＧｄ＝１．９９５、Ｓｉ＝１．０、Ｃｅ＝０．００
５、Ｍｇ＝０．００２となる割合で含有する溶融物か
ら、チョクラルスキー法により、種結晶を用いて、１９
５０℃、引き上げ速度２ｍｍ／ｈｒ、種結晶の回転速度
３０ｒｐｍで結晶を成長させた。寸法は約φ２５ｍｍ×
６０ｍｍで、無色透明な結晶であった。結晶中のＣｅの
濃度は約１．５ｍｏｌ％、Ｍｇの濃度は０．０００６〜
０．０００１５ ｍｏｌ％であった。濃度測定は、誘導
結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma、以下ＩＣ
Ｐ）質量分析法を用いた。表１に得られた単結晶のシン
チレータ特性を、同様の条件で育成したＭｇを含有しな
いＧＳＯ単結晶と比較して示す。

【００１２】（実施例２） Ｇｄ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅ，Ｔａ
単結晶シンチレータ Ｔａを添加した単結晶を試作した。酸化ガドリニウム
（Ｇｄ₂Ｏ₃）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化セリウ
ム（ＣｅＯ₂）、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を、原子
比でＧｄ＝１．９９５、Ｓｉ＝１．０、Ｃｅ＝０．００
５、Ｔａ＝０．００２となる割合で含有する溶融物か
ら、チョクラルスキー法により、種結晶を用いて、１９
５０℃、引き上げ速度２ｍｍ／ｈｒ、種結晶の回転速度
３０ｒｐｍで結晶を成長させた。寸法は約φ２５ｍｍ×
６０ｍｍで、無色透明な結晶であった。結晶中のＣｅの
濃度は約１．５ｍｏｌ％、Ｔａの濃度は０．０００６〜
０．０００１５ ｍｏｌ％であった。濃度測定は、ＩＣ
Ｐ質量分析法を用いた。表１に得られた単結晶のシンチ
レータ特性を、同様の条件で育成したＴａを含有しない
ＧＳＯ単結晶と比較して示す。

【００１３】（実施例３） Ｇｄ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅ，Ｚｒ
単結晶シンチレータ Ｚｒを添加した単結晶を試作した。酸化ガドリニウム
（Ｇｄ₂Ｏ₃）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化セリウ
ム（ＣｅＯ₂）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）を、原
子比でＧｄ＝１．９９５、Ｓｉ＝１．０、Ｃｅ＝０．０
０５、Ｚｒ＝０．００２となる割合で含有する溶融物か
ら、チョクラルスキー法により、種結晶を用いて、１９
５０℃、引き上げ速度２ｍｍ／ｈｒ、種結晶の回転速度
３０ｒｐｍで結晶を成長させた。寸法は約φ２５ｍｍ×
６０ｍｍで、無色透明な結晶であった。結晶中のＣｅの
濃度は約１．５ｍｏｌ％、Ｚｒの濃度は０．０００６〜
０．０００１５ ｍｏｌ％であった。濃度測定は、ＩＣ
Ｐ質量分析法を用いた。表１に得られた単結晶のシンチ
レータ特性を、同様の条件で育成したＺｒを含有しない
ＧＳＯ単結晶と比較して示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１に示した通り、不純物としてＭｇ、Ｔ
ａ、Ｚｒをドープすると、Ｃｅ濃度が１．５ｍｏｌ％程
度であっても着色せず、透過率も低くならない。それに
加え、Ｓｌｏｗ成分の出力比は約半分に低減され、蛍光
減衰時間がＧＳＯ：Ｃｅと比べて１／３程度速くなって
いる。

【００１６】

【発明の効果】本発明のＧＳＯ単結晶は、蛍光減衰時間
が速く、出力比が小さく、着色がなく透明性が高いた
め、ＰＥＴ用シンチレータとして好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧＳＯのエネルギースペクトルを示すグラフで
ある。（１） ＧＳＯ：Ｃｅ濃度０．５ｍｏｌ％（蛍光
出力：４８６ｃｈ、分解能：８．２６％）、（２） Ｇ
ＳＯ：Ｃｅ濃度１．５ｍｏｌ％（蛍光出力：３２９ｃ
ｈ、分解能：９．９６％）

【図２】ＧＳＯの発光減衰曲線を示すグラフである。
（蛍光減衰時間：Ｃｅ濃度０．５ｍｏｌ％、１．５ｍｏ
ｌ％それぞれ６０ｎｓ、３５ｎｓ）

【図３】Ｃｅ濃度の異なる２種類のＧＳＯ単結晶の透過
率（^t２００ｍｍ）を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 浩之 茨城県ひたちなか市足崎字西原1380−１ 日立化成工業株式会社山崎事業所内 (72)発明者 村山 秀雄 千葉県千葉市稲毛区穴川４丁目９番１号 独立行政法人放射線医学総合研究所内 (72)発明者 清水 成宜 千葉県千葉市稲毛区穴川４丁目９番１号 独立行政法人放射線医学総合研究所内 (72)発明者 小林 正明 茨城県つくば市大穂１−１ 文部科学省高 エネルギー加速器研究機構内 (72)発明者 石井 満 東京都東大和市南街３−27−７ Ｆターム(参考） 2G088 EE02 FF07 GG10 LL15 LL18 4G077 AA02 BD15 CF10 EA02 EB01 EH08 EH09 HA01 HA20 4H001 CA02 CA04 CA08 XA08 XA12 XA14 XA40 XA64 XA73 YA12 YA40 YA58 YA73

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｇ、Ｔａ及びＺｒの１種以上を含有す
   るＣｅ賦活ＧＳＯ単結晶。
2. 【請求項２】 Ｇｄ_(2-X)Ｃｅ_xＭｅ_yＳｉＯ₅ （ｘは
   ０．００３〜０．０５、ｙは０．００００５〜０．００
   ５であり、ＭｅはＭｇ、Ｔａ及びＺｒからなる群から選
   ばれる元素、またはこれらの混合物である）単結晶であ
   る請求項１記載のＧＳＯ単結晶。
3. 【請求項３】 Ｇｄ_(2-X)Ｃｅ_xＭｇ_yＳｉＯ₅ （ｘは
   ０．００３〜０．０５、ｙは０．００００５〜０．００
   ５である）単結晶である請求項１記載のＧＳＯ単結晶。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項記載のＣｅ
   賦活ＧＳＯ単結晶からなるＰＥＴ用シンチレータ。