JP2009227794A - Fluorescent material, its producing method and scintillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、γ線等の放射線を吸収して発光する蛍光材料及びその製造方法、及びこれを用いて製造されたシンチレータに関する。 The present invention relates to a fluorescent material that emits light by absorbing radiation such as γ-rays, a manufacturing method thereof, and a scintillator manufactured using the fluorescent material.
近年、医療用機器として、PET(Positron Emission Tomography:陽電子放射断層画像撮影法)が用いられている。PETは、被験者に対して陽電子を放射する物質を投与し、体内から発せられた陽電子を検出することによってその分布を特定し、被験者を診断する技術である。PETにおいては、陽電子を検出することが必要になるが、この際には、陽電子の対消滅の際に発生するγ線(エネルギー511keV)が検出される。 In recent years, PET (Positron Emission Tomography) has been used as a medical device. PET is a technique for diagnosing a subject by administering a substance that emits positrons to the subject, detecting the positrons emitted from the body, and specifying the distribution. In PET, it is necessary to detect positrons. In this case, γ rays (energy 511 keV) generated when positron annihilation occurs are detected.
一般に、X線やγ線等の放射線を通常の光検出器で効率よく直接検出することは困難である。このため、これらの放射線(X線やγ線の光子)を吸収して、光(紫外線や可視光の光子)を発する蛍光材料(シンチレータ)が用いられている。シンチレータは、X線やγ線の光子を吸収すると、そのエネルギーに対応した数の可視光や紫外光の光子を発する。この可視光や紫外光の光子を例えば光電子増倍管(フォトマルチプライヤ)で電気信号に変換して検出することにより、間接的にこれらの放射線を検出することができる。従って、PETにおいては、前記のエネルギーのγ線を吸収して発光するシンチレータが必要になる。 In general, it is difficult to efficiently detect radiation such as X-rays and γ-rays directly with an ordinary photodetector. For this reason, fluorescent materials (scintillators) that absorb these radiations (photons of X-rays and γ-rays) and emit light (photons of ultraviolet rays and visible light) are used. When the scintillator absorbs photons of X-rays or γ-rays, it emits a number of photons of visible light or ultraviolet light corresponding to the energy. These radiations can be detected indirectly by converting the photons of visible light and ultraviolet light into electrical signals, for example, with a photomultiplier tube (photomultiplier). Therefore, in PET, a scintillator that absorbs the above-described energy γ-rays to emit light is required.
こうしたシンチレータ材料としては、例えばBGO(Bi4Ge3O12)が知られている。しかしながら、このγ線の検出効率を高めるためには、1個のγ線の光子からより多くの可視光又は紫外光の光子を発する、すなわち、より高い発光効率をもつ材料が求められている。また、この発光は1個のγ線の光子をシンチレータが吸収する度に発生し、γ線の強度(カウント数)は、この発光の回数に対応する。ここで、1回のγ線の吸収による発光時間(蛍光寿命)が長いと、次にγ線が入射した場合の発光と重なり、その計数が困難となる。従って、蛍光寿命が短いことも必要である。すなわち、BGOよりもより高い発光効率とより短い蛍光寿命をもつ材料が求められている。 As such a scintillator material, for example, BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ) is known. However, in order to increase the detection efficiency of this γ-ray, there is a demand for a material that emits more visible light or ultraviolet light from one γ-ray photon, that is, a material having higher luminous efficiency. This light emission occurs every time the photon of one γ ray is absorbed by the scintillator, and the intensity (count number) of the γ ray corresponds to the number of times of this light emission. Here, if the emission time (fluorescence lifetime) due to one absorption of γ-rays is long, it overlaps with the light emission when γ-rays are incident next, making it difficult to count. Therefore, it is also necessary for the fluorescence lifetime to be short. That is, there is a demand for a material having higher luminous efficiency and shorter fluorescence lifetime than BGO.
こうした要求を満たす材料として、LuAG(Lu3Al5O12:ルテチウムアルミニウムガーネット)がある。LuAGは、発光元素としてセリウム(Ce)又はプラセオジム(Pr)が添加されて使用される。LuAGは、BGOと比べると、より高い発光効率と、より短い蛍光時間を有しているため、PETにおいて好ましく用いることができる。この多結晶(焼結体)については非特許文献1に、単結晶については例えば特許文献1に記載されている。この際、γ線の吸収効率が低いために、充分な検出効率を得るためには厚い大型のシンチレータが必要になる。また、PETにおいて画像を得るためには、環状に配置された多数個の検出器が必要になる。従って、低価格でこのシンチレータを得ることも重要である。 There is LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 : lutetium aluminum garnet) as a material satisfying such requirements. LuAG is used by adding cerium (Ce) or praseodymium (Pr) as a light emitting element. LuAG can be preferably used in PET because it has higher luminous efficiency and shorter fluorescence time than BGO. This polycrystal (sintered body) is described in Non-Patent Document 1, and the single crystal is described in Patent Document 1, for example. At this time, since the absorption efficiency of γ rays is low, a thick large scintillator is necessary to obtain sufficient detection efficiency. Further, in order to obtain an image in PET, a large number of detectors arranged in a ring shape are required. Therefore, it is also important to obtain this scintillator at a low price.
ここで、Ce添加されたLuAG焼結体は、前記のBGO焼結体の1.3倍程度の発光強度が得られることが非特許文献1に記載されている。これに対して、Pr添加されたLuAG単結晶によれば、BGO単結晶の3.3倍もの高い発光強度が得られることが非特許文献2に記載されている。従って、高い発光強度を得るという観点からは、Pr添加されたLuAGがより好ましい。 Here, it is described in Non-Patent Document 1 that the LuAG sintered body to which Ce is added can obtain emission intensity about 1.3 times that of the BGO sintered body. On the other hand, Non-Patent Document 2 describes that according to the LuAG single crystal to which Pr is added, emission intensity as high as 3.3 times that of the BGO single crystal can be obtained. Therefore, from the viewpoint of obtaining high emission intensity, LuAG added with Pr is more preferable.
ところが、Pr添加されたLuAGの単結晶を成長させる際には、Prが偏析するため、均一な結晶を得ることが困難である。また、この結晶成長に要する温度は高く、かつ長時間を要する。更にこの後でこの単結晶を所望の形状に機械的に加工することが必要になるため、その製造コストは高くなる。一方、焼結体(多結晶)においては、Prの偏析は生じない。また、焼結体を得る工程自体が単結晶成長よりも容易であり、かつ焼結体の成形時に所望の形状とすることができるため、焼結体の製造コストは安くなる。 However, when a single crystal of LuAG doped with Pr is grown, it is difficult to obtain a uniform crystal because Pr segregates. Moreover, the temperature required for this crystal growth is high and requires a long time. Further, since it is necessary to mechanically process the single crystal into a desired shape after that, the manufacturing cost is increased. On the other hand, no segregation of Pr occurs in the sintered body (polycrystal). Moreover, since the process itself of obtaining a sintered body is easier than single crystal growth and can be formed into a desired shape at the time of forming the sintered body, the manufacturing cost of the sintered body is reduced.
従って、Pr添加されたLuAG焼結体は特にPETに適した材料となりうる。 Therefore, the LuAG sintered body to which Pr is added can be a material particularly suitable for PET.
しかしながら、一般に多結晶材料(焼結体)の発光強度は単結晶材料よりも低く、高い発光強度を得ることのできるLuAG焼結体を得ることは困難であった。すなわち、PET用検出器に用いるシンチレータとして充分な特性をもつLuAG焼結体を得ることは困難であった。 However, generally, the emission intensity of the polycrystalline material (sintered body) is lower than that of the single crystal material, and it has been difficult to obtain a LuAG sintered body capable of obtaining a high emission intensity. That is, it has been difficult to obtain a LuAG sintered body having sufficient characteristics as a scintillator used for a PET detector.
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の要旨は、プラセオジム(Pr)が添加されたLuAG(ルテチウムアルミニウムガーネット)焼結体からなる蛍光材料の製造方法であって、前記LuAG焼結体の原料となる粉末に、前記焼結体中におけるシリコン(Si)濃度が30〜400ppmの範囲となるべくSi成分を添加する混合工程を有することを特徴とする蛍光材料の製造方法に存する。
本発明の要旨は、さらに前記Si成分はTEOS(テトラエチルオルソシリケート)であることを特徴とする前記蛍光材料の製造方法に存する。
本発明の要旨は、プラセオジム(Pr)が添加されたLuAG(Lu3Al5O12:ルテチウムアルミニウムガーネット)焼結体からなる蛍光材料であって、シリコン(Si)が30〜400ppmの範囲の濃度で添加されていることを特徴とする前記蛍光材料に存する。
本発明の要旨は、上記の蛍光材料の製造方法によって製造されたことを特徴とする蛍光材料に存する。
本発明の要旨は、プラセオジム(Pr)が添加されたLuAG(Lu3Al5O12:ルテチウムアルミニウムガーネット)焼結体であって、Si濃度が400ppm以下であり、断面において、円相当径が0.1μm以上である粒内ボイド密度が500個/mm2以下であることを特徴とする蛍光材料に存する。
本発明の要旨は、上記のいずれかの蛍光材料からなることを特徴とするシンチレータに存する。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The gist of the present invention is a method for producing a fluorescent material comprising a LuAG (lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) is added, the powder being used as a raw material for the LuAG sintered body, The present invention resides in a method for producing a fluorescent material, comprising a mixing step of adding a Si component as much as possible in a silicon (Si) concentration in a range of 30 to 400 ppm.
The gist of the present invention resides in the method for producing a fluorescent material, wherein the Si component is TEOS (tetraethylorthosilicate).
The gist of the present invention is a fluorescent material made of a LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 : lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) is added, wherein silicon (Si) has a concentration in the range of 30 to 400 ppm. The fluorescent material is characterized by being added in the above.
The gist of the present invention resides in a fluorescent material manufactured by the above-described method for manufacturing a fluorescent material.
The gist of the present invention is a LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 : lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) is added, the Si concentration is 400 ppm or less, and the equivalent circle diameter is 0 in the cross section. The present invention resides in a fluorescent material having an intragranular void density of 500 μm / mm 2 or less that is 1 μm or more.
The gist of the present invention resides in a scintillator comprising any one of the fluorescent materials described above.
本発明は以上のように構成されているので、シンチレータとして充分な特性をもつLuAG焼結体を容易に得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, a LuAG sintered body having sufficient characteristics as a scintillator can be easily obtained.
シンチレータにおける発光強度を高くするためには、シンチレータを構成する蛍光材料における発光効率が高いこと、すなわち、1個のγ線光子を吸収することによって発する可視光又は紫外光の光子数が多いことが要求される。また、γ線の検出においては、シンチレータ材料におけるγ線の吸収が小さいために、γ線を充分に吸収するためにはシンチレータの厚さを充分に大きくすることが必要になる。このため、発生した可視光又は紫外光がシンチレータ中を通過する距離が長くなり、その間にシンチレータ内でこれらの光が散乱・吸収される確率が高くなる。従って、これらの光の透過率が高いことも要求される。 In order to increase the emission intensity in the scintillator, the luminous efficiency of the fluorescent material constituting the scintillator is high, that is, the number of visible or ultraviolet photons emitted by absorbing one γ-ray photon is large. Required. Further, in the detection of γ-rays, since the absorption of γ-rays in the scintillator material is small, it is necessary to increase the thickness of the scintillator sufficiently to absorb the γ-rays sufficiently. For this reason, the distance that the generated visible light or ultraviolet light passes through the scintillator becomes longer, and the probability that these lights are scattered and absorbed in the scintillator during that time increases. Therefore, it is also required that these light transmittances are high.
発明者は、プラセオジム(Pr)が添加されたLuAG(Lu3Al5O12:ルテチウムアルミニウムガーネット)焼結体において焼結助剤として添加されるSiが、発光効率と光透過率の両方に対して大きな影響を与えることを見出し、この濃度を最適化することによって、シンチレータ材料として高い発光強度を得る蛍光材料の製造方法を完成させた。 The inventor found that Si added as a sintering aid in a LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 : lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) was added was effective for both luminous efficiency and light transmittance. By optimizing this concentration, a method for producing a fluorescent material that obtains high emission intensity as a scintillator material was completed.
すなわち、本発明の実施の形態となるシンチレータ(蛍光材料)は、発光元素としてPrが添加されたLuAGであり、焼結体として製造される。この際に、焼結助剤としてシリコン(Si)が添加される。図1は、本発明のシンチレータの製造方法を示す工程図である。 That is, the scintillator (fluorescent material) according to the embodiment of the present invention is LuAG to which Pr is added as a light emitting element, and is manufactured as a sintered body. At this time, silicon (Si) is added as a sintering aid. FIG. 1 is a process diagram showing a method of manufacturing a scintillator according to the present invention.
まず、素原料秤量工程において、素原料となる酸化ルテチウム(Lu2O3)粉末、アルミナ(Al2O3)粉末、三硝酸プラセオジム(Pr(NO3)3・6H2O)粉末を、それぞれ所定の組成となるべく秤量する。ここで、三硝酸プラセオジム粉末は発光元素となるPrの原料である。更に、これらの粉末に、焼結助剤となるSi原料として、常温で液体であるTEOS(Si(OC2H5)4:テトラエチルオルソシリケート)を所定量秤量する。この焼結助剤を添加することによって、焼結が適正に進み、緻密なLuAG焼結体を得ることができる。なお、Si原料としては、他にSiO2粉末等を用いることもできる。 First, the raw materials weighing process, lutetium oxide as the raw materials (Lu 2 O 3) powder, alumina (Al 2 O 3) powder, a three praseodymium nitrate (Pr (NO 3) 3 · 6H 2 O) powder, respectively Weigh as much as possible to a predetermined composition. Here, praseodymium trinitrate powder is a raw material of Pr which becomes a light emitting element. Further, a predetermined amount of TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 : tetraethylorthosilicate), which is liquid at room temperature, is weighed into these powders as a Si raw material that serves as a sintering aid. By adding this sintering aid, the sintering proceeds properly and a dense LuAG sintered body can be obtained. In addition, as the Si raw material, SiO 2 powder or the like can also be used.
化学量論的組成のLuAG焼結体を得るためには、例えば純度99.999%、平均粒径が1μm程度の酸化ルテチウム粉末を1396.17g、純度99.995%、平均粒径が0.4μm程度のアルミナ粉末を598.03g用いる。また、例えばPr濃度を0.9mol%とするためには、これに対して純度99.9%の三硝酸プラセオジム粉末を9.185g用いる。TEOSの混合量については後述する。 In order to obtain a LuAG sintered body having a stoichiometric composition, for example, 1396.17 g of lutetium oxide powder having a purity of 99.999% and an average particle diameter of about 1 μm, a purity of 99.995% and an average particle diameter of 0.1%. 598.03 g of about 4 μm alumina powder is used. For example, in order to set the Pr concentration to 0.9 mol%, 9.185 g of praseodymium trinitrate powder having a purity of 99.9% is used. The amount of TEOS mixed will be described later.
次に、混合工程において、上記の素原料が、アルミナボールを用いたボールミルを用いて湿式混合される。この場合の媒液は例えばエタノールが用いられ、この混合時間は12〜40時間とすることができる。この際、Si原料として特にTEOSを用いた場合、TEOSは常温で液体であるため、これをエタノールに混合すれば、特にこれを均一に混合することが容易である。また、三硝酸プラセオジウムはエタノールに可溶なので、エタノール中に溶解すれば特にこれを均一に混合することが可能である。その後、媒液であるエタノールは乾燥によって除去される。 Next, in the mixing step, the raw materials are wet-mixed using a ball mill using alumina balls. In this case, for example, ethanol is used as the liquid medium, and the mixing time can be 12 to 40 hours. At this time, particularly when TEOS is used as the Si raw material, TEOS is liquid at room temperature. Therefore, if it is mixed with ethanol, it is particularly easy to uniformly mix it. Moreover, since praseodymium trinitrate is soluble in ethanol, it can be uniformly mixed particularly if dissolved in ethanol. Thereafter, ethanol as a medium is removed by drying.
なお、この混合工程においては、上記の成分の他に、得られる蛍光体の特性に影響を与えない範囲内でバインダや分散剤として有機物を添加し、スプレードライ法によって造粒することもできる。この場合には、以下に述べる成形工程後に500〜800℃の熱処理によって炭素成分を除去することが好ましい。 In this mixing step, in addition to the above components, an organic substance can be added as a binder or a dispersant within a range that does not affect the properties of the obtained phosphor, and granulation can be performed by a spray drying method. In this case, it is preferable to remove the carbon component by a heat treatment at 500 to 800 ° C. after the molding step described below.
次に、成形工程において、上記の混合物は、シンチレータとしての所定の形状、例えば直方体形状に成形される。この際、初めに一軸加圧法によって例えば0.5t/cm2程度の加圧で所定の大きさの直方体に成形した後に、CIP(Cold Isostatic Press:冷間静水圧プレス)法によって3t/cm2程度の加圧で成形すれば、緻密な成形体が得られるため、好ましい。また、この他に、鋳込み成形や、押し出し成形、射出成形等、所定の形状の成形体が得られる方法であれば、これを用いることができる。 Next, in the forming step, the above mixture is formed into a predetermined shape as a scintillator, for example, a rectangular parallelepiped shape. At this time, after first forming a rectangular parallelepiped of a predetermined size by, for example, a pressure of about 0.5 t / cm 2 by the uniaxial pressing method, 3 t / cm 2 by the CIP (Cold Isostatic Press) method. It is preferable to mold at a moderate pressure because a dense molded body can be obtained. In addition, any method can be used as long as it is a method capable of obtaining a molded body having a predetermined shape, such as cast molding, extrusion molding, or injection molding.
次に、焼成工程において、この成形体を焼成する。この焼成は、例えば真空中で、1650〜1800℃程度の温度で行われる。焼成時間は6〜40時間とする。これによって、Pr添加されたLuAG焼結体が得られる。また、この焼成は酸素雰囲気、水素雰囲気等で行うこともできる。また、ホットプレス(HP:Hot Press)法や熱間等方圧プレス(HIP:Hot Isostatic Press)法を用いることもできる。 Next, in the firing step, the formed body is fired. This baking is performed at a temperature of about 1650 to 1800 ° C., for example, in a vacuum. The firing time is 6 to 40 hours. As a result, a PrAG-added LuAG sintered body is obtained. Moreover, this baking can also be performed in an oxygen atmosphere, a hydrogen atmosphere, or the like. Further, a hot press (HP) method or a hot isostatic press (HIP) method may be used.
以上の製造方法によって製造されたLuAG焼結体をシンチレータとして用いた場合の蛍光特性について、図2に示す構成の評価システムによって測定した。ここで、計測されるγ線は放射性同位体である線源1(Cs137)によって発せられる662keVのγ線であり、これが上記の製造方法によって製造されたシンチレータ2に入射する。前記の通り、シンチレータ2はこのγ線を吸収することにより、波長310nmの光(蛍光)を発する。光電子増倍管(PMT)3がこの光を検出し、その際に出力されるパルス波形をデジタルオシロスコープ4で観測することにより、シンチレータ2における蛍光の時定数(蛍光寿命)が測定された。このパルス波形は指数関数的に減衰するため、蛍光寿命は例えば強度が最大の1/eになるまでの時間として定義される。この発光はγ線の光子がシンチレータ2内で吸収される度に生ずる。 The fluorescence characteristics when the LuAG sintered body manufactured by the above manufacturing method is used as a scintillator were measured by an evaluation system having the configuration shown in FIG. Here, the γ-rays to be measured are 662 keV γ-rays emitted from the radiation source 1 (Cs137) which is a radioisotope, and this is incident on the scintillator 2 manufactured by the above-described manufacturing method. As described above, the scintillator 2 emits light (fluorescence) having a wavelength of 310 nm by absorbing the γ rays. The photomultiplier tube (PMT) 3 detected this light, and the pulse waveform output at that time was observed with a digital oscilloscope 4, whereby the time constant (fluorescence lifetime) of the fluorescence in the scintillator 2 was measured. Since this pulse waveform decays exponentially, the fluorescence lifetime is defined as the time until the intensity reaches 1 / e, for example. This light emission occurs every time a photon of γ rays is absorbed in the scintillator 2.
また、この出力は、プリアンプ5で増幅され、波形成形器6で成形され、マルチチャンネルアナライザ7で、その波高(チャンネル)分布が計測された。計測された波高分布(横軸:パルス波高、縦軸:カウント数)の例を図3に示す。この波高(横軸)は、1個のγ線によって発生した波長310nmの光子数に対応するが、その光子数は分布をもつため、中心パルス波高から広がりをもつ形状となり、中心パルス波高が発光強度に対応する。ただし、コンプトン効果によってγ線のエネルギーの一部が試料中の電子に与えられることによる発光があるため、特にこれよりも低いパルス波高においては高いカウント数の領域が存在する。 Further, this output was amplified by the preamplifier 5, shaped by the waveform shaper 6, and the wave height (channel) distribution was measured by the multichannel analyzer 7. An example of the measured wave height distribution (horizontal axis: pulse wave height, vertical axis: count number) is shown in FIG. This wave height (horizontal axis) corresponds to the number of photons with a wavelength of 310 nm generated by one gamma ray, but since the number of photons has a distribution, it has a shape extending from the center pulse wave height, and the center pulse wave height is emitted. Corresponds to strength. However, since a part of γ-ray energy is given to electrons in the sample by the Compton effect, there is a region with a high count number, particularly at a pulse height lower than this.
この中心パルス波高がこの発光強度に対応する。また、この波高分布より、このエネルギーのγ線における分解能が、(パルス波高分布における半値幅)/(中心パルス波高)として測定された。 The center pulse wave height corresponds to the emission intensity. Also, from this wave height distribution, the resolution of this energy in γ rays was measured as (half width in pulse wave height distribution) / (center pulse wave height).
上記の測定において、シンチレータ2は10mm×20mm×2mmの大きさとし、全ての面は鏡面研磨を施した。上記の測定においては、γ線は10mm×2mmの面に入射させ、可視光の測定面以外には反射材を貼り付けた。 In the above measurement, the scintillator 2 had a size of 10 mm × 20 mm × 2 mm, and all surfaces were mirror-polished. In the above measurement, γ rays were incident on a 10 mm × 2 mm surface, and a reflective material was pasted on the surface other than the visible light measurement surface.
図4は、前記の製造方法によって製造されたシンチレータにおいて、TEOS添加量を変えることによってSi含有量を変えた場合の、発光強度と分解能について図2のシステムを用いて測定した結果である。ここで、発光強度は波高分布におけるチャンネルで表示してあり、Si添加量は試料の単位重量に対するSiの重量ppm(wtppm)で示してある。例えば、30wtppmは、試料の単位重量を100としたとき、0.003に相当する。ここで、Si添加量は混合時のTEOS添加量から組成式を用いて換算したSi量である。混合、乾燥工程におけるTEOSの蒸発は無視できるため、焼結体中のSi含有量はほぼこのSi添加量に相当する。また、TEOS中の炭素成分は焼結時などにCO2として排出される。 FIG. 4 shows the results of measurement of emission intensity and resolution using the system of FIG. 2 when the Si content is changed by changing the TEOS addition amount in the scintillator manufactured by the above manufacturing method. Here, the emission intensity is indicated by channels in the wave height distribution, and the Si addition amount is indicated by weight ppm (wtppm) of Si relative to the unit weight of the sample. For example, 30 wtppm corresponds to 0.003 when the unit weight of the sample is 100. Here, the Si addition amount is the Si amount converted from the TEOS addition amount at the time of mixing using the composition formula. Since the evaporation of TEOS in the mixing and drying process is negligible, the Si content in the sintered body substantially corresponds to this Si addition amount. Further, the carbon component in TEOS is discharged as CO 2 at the time of sintering or the like.
この結果より、Si添加量が大きい場合には、発光強度が低下し、分解能が徐々に劣化する(大きくなる)ことが確認できる。また、Si添加量が30ppm以下の場合にも、発光強度は劣化する。従って、Si含有量には最適な範囲が存在する。なお、Si添加量によるLuAG焼結体の密度の変化は無視できるため、γ線の吸収量はSi添加量によらず図4に示された範囲では一定と考えられる。 From this result, it can be confirmed that when the Si addition amount is large, the light emission intensity decreases and the resolution gradually deteriorates (increases). Also, the emission intensity deteriorates when the Si addition amount is 30 ppm or less. Therefore, there is an optimum range for the Si content. Since the change in the density of the LuAG sintered body due to the Si addition amount is negligible, the amount of γ-ray absorption is considered to be constant within the range shown in FIG. 4 regardless of the Si addition amount.
Si添加量が大きな場合に発光強度が低下するのは、LuAGの結晶中において添加されたSiによって新たな準位が形成され、Prによって形成された本来の発光をもたらす準位を介した遷移が生じにくくなることに起因する。すなわち、Si添加量の増大に伴って発光効率が低下する。従って、この観点からはSi添加量が小さいことが好ましい。図4の結果から、このためには、Si添加量は、例えば発光強度の最大から70%以上が得られる範囲として、400ppm以下が好ましい。また、発光強度の最大から80%以上が得られる範囲として、250ppm以下がより好ましい。 When the Si addition amount is large, the emission intensity decreases because a new level is formed by Si added in the LuAG crystal, and the transition through the level resulting from the original emission formed by Pr occurs. This is because it becomes difficult to occur. That is, the luminous efficiency decreases as the Si addition amount increases. Therefore, from this viewpoint, it is preferable that the Si addition amount is small. From the result of FIG. 4, for this purpose, the Si addition amount is preferably 400 ppm or less as a range in which, for example, 70% or more is obtained from the maximum emission intensity. Moreover, 250 ppm or less is more preferable as a range in which 80% or more can be obtained from the maximum emission intensity.
一方、このシンチレータにおける310nmの光の透過率のSi濃度依存性について調べた結果が図5である。ここで、シンチレータ(蛍光材料)の厚さは2mmとした。この結果より、Si添加量が100ppm以上の場合には透過率はほぼ一定であるが、Si含有量が30ppm以下の場合には大きく低下することが確認できる。 On the other hand, FIG. 5 shows the results of examining the Si concentration dependence of the light transmittance of 310 nm in this scintillator. Here, the thickness of the scintillator (fluorescent material) was 2 mm. From this result, it can be confirmed that the transmittance is substantially constant when the Si addition amount is 100 ppm or more, but greatly decreases when the Si content is 30 ppm or less.
従って、このシンチレータにおいては、Si添加量が小さな場合にはこの透過率が低下するために、発光強度が実質的に低くなると考えられる。透過率を大きく左右する要因としては、焼結体内に光の散乱中心として存在する空孔(ボイド)がある。このボイドには単一の粒内に存在する粒内ボイドと、粒界に存在する粒界ボイドの2種類がある。 Therefore, in this scintillator, when the amount of Si added is small, the transmittance is lowered, so that the emission intensity is considered to be substantially reduced. As a factor that greatly affects the transmittance, there is a void that exists as a light scattering center in the sintered body. There are two types of voids: intragranular voids that exist within a single grain and intergranular voids that exist at grain boundaries.
以上のLuAG焼結体の構造を電子顕微鏡で観察し、その平均粒径とボイドの密度(断面の単位面積当たり)を調べた。図6に、この断面の電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)写真を示す。この写真は電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)にて撮影したものである。図において、8はLuAG結晶粒、9で示された箇所が粒内ボイド、10で示された箇所が粒界ボイドである。円相当径が0.1μm以上である粒内ボイドについて、その密度のSi添加量依存性を図7に示す。また、粒内ボイドと粒界ボイドを加えた全ボイドの密度のSi添加量依存性を図8に示す。ここで、円相当径とは、断面において観察されたボイドと同面積の円の直径を意味する。平均粒径についても同様であり、観察された結晶粒と同面積の円の直径の平均値である。 The structure of the above LuAG sintered body was observed with an electron microscope, and the average particle diameter and void density (per unit area of the cross section) were examined. FIG. 6 shows a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of this cross section. This photograph was taken with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). In the figure, 8 is a LuAG crystal grain, a portion indicated by 9 is an intragranular void, and a location indicated by 10 is a grain boundary void. FIG. 7 shows the Si addition amount dependence of the density of intragranular voids having an equivalent circle diameter of 0.1 μm or more. FIG. 8 shows the Si addition amount dependency of the density of all voids including intragranular voids and grain boundary voids. Here, the equivalent circle diameter means the diameter of a circle having the same area as the void observed in the cross section. The same applies to the average particle diameter, which is the average value of the diameters of circles having the same area as the observed crystal grains.
焼結助剤であるSiは、焼結の際に粒成長を促進させ、粒界が粒成長に伴って移動するときにボイドを潰す働きをしている。Si添加量が100ppmよりも大きな範囲でSi添加量が大きいほど平均粒径が大きくなっていることは、Siの存在によって焼結が進み、緻密なLuAG焼結体が得られることを意味している。しかしながら、Si添加量が大きくなるとボイドを潰すよりも早く粒成長が進行し、潰れきれなかったボイドが粒内に取り残されて粒内ボイドになるため、Si添加量が大きくなるにつれて粒内ボイドの数は増加している。ただし、図8に示したように、粒界ボイドと粒内ボイドの総数の変動率は粒内ボイドの変動率と比べて小さいため、図5の通りに、この範囲では透過率の大きな変動はない。 Si, which is a sintering aid, promotes grain growth during sintering, and serves to crush voids when the grain boundary moves with grain growth. The larger the Si addition amount in the range where the Si addition amount is greater than 100 ppm, the larger the average particle size means that sintering proceeds due to the presence of Si, and a dense LuAG sintered body is obtained. Yes. However, as the Si addition amount increases, grain growth proceeds faster than crushing the voids, and voids that could not be crushed are left in the grains to become intragranular voids. The number is increasing. However, as shown in FIG. 8, since the variation rate of the total number of intergranular voids and intragranular voids is small compared to the variation rate of intragranular voids, as shown in FIG. Absent.
一方、Si添加量が30ppm未満の場合には、焼結助剤としての効果が不充分であり、緻密化が進まずに部分的に結晶粒が大きく成長するために、平均粒径はやや増大している。しかしながら、この状態ではSiによるボイドを潰す働きが小さく、緻密なLuAG焼結体が形成されないために、粒内ボイド、全ボイドの数はともに大きく増大している。すなわち、この場合には光の散乱中心となるボイドの数が増大するために、透過率は図5の通りに減少する。この透過率の減少による発光強度の低下は、図4の結果において最大の発光強度の40%以上である。例えばPETにおいてこの蛍光材料をシンチレータとして用いる場合には、この場合の試料よりも厚いシンチレータが用いられることもあり、その場合には、厚くなるに従って、この影響がより大きくなることは明らかである。この透過率の減少による実質的な発光強度の減少を抑制するためには、この結果より、Si添加量を30ppm以上の範囲とすることが好ましい。 On the other hand, when the Si addition amount is less than 30 ppm, the effect as a sintering aid is insufficient, and the average grain size is slightly increased because the crystal grains grow partly without being densified. is doing. However, in this state, the action of crushing voids due to Si is small, and a dense LuAG sintered body is not formed, so that the number of intragranular voids and total voids are greatly increased. That is, in this case, since the number of voids that become light scattering centers increases, the transmittance decreases as shown in FIG. The decrease in the emission intensity due to the decrease in the transmittance is 40% or more of the maximum emission intensity in the result of FIG. For example, when this fluorescent material is used as a scintillator in PET, a scintillator that is thicker than the sample in this case may be used, and in this case, it is clear that this effect increases as the thickness increases. In order to suppress a substantial decrease in light emission intensity due to the decrease in the transmittance, it is preferable from this result that the Si addition amount is in a range of 30 ppm or more.
以上より、このLuAG焼結体においては、Si添加量は30〜400ppmの範囲にあることが好ましい。Si添加量がこの範囲内であるLuAG焼結体はシンチレータとして充分な特性をもつ。 As mentioned above, in this LuAG sintered compact, it is preferable that Si addition amount exists in the range of 30-400 ppm. A LuAG sintered body in which the amount of Si added is within this range has sufficient characteristics as a scintillator.
また、図4の結果から、分解能のSi添加量依存性は小さく、上記の範囲では10%程度の良好な値が得られている。更に、前記の通りにして蛍光寿命が測定され、上記の範囲内では23ns程度の良好な値となった。 Moreover, from the result of FIG. 4, the dependence of the resolution on the Si addition amount is small, and a good value of about 10% is obtained in the above range. Furthermore, the fluorescence lifetime was measured as described above, and a good value of about 23 ns was obtained within the above range.
なお、上記の例においては発光元素であるPrの濃度は0.9mol%としたが、Prの濃度がLuAG焼結体における焼結性に与える影響は小さいため、他のPr濃度においても同様である。 In the above example, the concentration of Pr, which is a light-emitting element, is 0.9 mol%. However, the effect of Pr concentration on the sinterability in the LuAG sintered body is small, so the same applies to other Pr concentrations. is there.
なお、Si添加量は、TEOSやSiO2粉末添加量を調整することによって調整できるが、その他の原料粉末にもSi成分が含まれている場合には、焼成後のSi成分の総量が上記の範囲となるべく調整することが好ましい。 Incidentally, Si addition amount, can be adjusted by adjusting the TEOS or SiO 2 powder added amount, in the case that contains the Si component to other raw material powder, the total amount of the Si component after firing of the It is preferable to adjust as much as possible.
また、上記のSi添加量の下限に対応する粒内ボイド密度は、図7の結果から、500個/mm2程度である。すなわち、このSi添加量が400ppm以下であるLuAG焼結体において、好ましい粒内ボイド密度は500個/mm2以下である。 Further, the intragranular void density corresponding to the lower limit of the Si addition amount is about 500 / mm 2 from the result of FIG. That is, in the LuAG sintered body in which the Si addition amount is 400 ppm or less, a preferable intragranular void density is 500 pieces / mm 2 or less.
上記の製造方法においては、図1に示すように、通常の焼結体の製造方法において、焼結助剤となるSi成分の添加を調整するだけで発光強度を高くすることができる。また、成形工程において所望の形状を容易に得ることができる。従って、低コストでこの蛍光体、シンチレータを得ることができる。 In the above manufacturing method, as shown in FIG. 1, the emission intensity can be increased only by adjusting the addition of the Si component as a sintering aid in the ordinary sintered body manufacturing method. In addition, a desired shape can be easily obtained in the molding process. Therefore, this phosphor and scintillator can be obtained at low cost.
1 線源
2 シンチレータ
3 光電子増倍管(PMT)
4 デジタルオシロスコープ
5 プリアンプ
6 波形成形器
7 マルチチャンネルアナライザ
8 LuAG結晶粒
9 粒内ボイド
10 粒界ボイド
1 radiation source 2 scintillator 3 photomultiplier tube (PMT)
4 Digital Oscilloscope 5 Preamplifier 6 Waveform Shaper 7 Multichannel Analyzer 8 LuAG Grain 9 Intragranular Void 10 Grain Boundary Void
Claims (6)
前記LuAG焼結体の原料となる粉末に、前記焼結体中におけるシリコン(Si)濃度が30〜400ppmの範囲となるべくSi成分を添加する混合工程を有することを特徴とする蛍光材料の製造方法。 A method for producing a fluorescent material of a LuAG (lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) is added,
A method for producing a fluorescent material comprising a mixing step of adding a Si component to a powder as a raw material of the LuAG sintered body so that a silicon (Si) concentration in the sintered body is in a range of 30 to 400 ppm. .
シリコン(Si)が30〜400ppmの範囲の濃度で添加されていることを特徴とする蛍光材料。 A fluorescent material comprising a LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 : lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) is added,
A fluorescent material, wherein silicon (Si) is added at a concentration in the range of 30 to 400 ppm.
Si濃度が400ppm以下であり、
断面において、円相当径が0.1μm以上である粒内ボイド密度が500個/mm2以下であることを特徴とする蛍光材料。 A LuAG (lutetium aluminum garnet) sintered body to which praseodymium (Pr) is added,
Si concentration is 400 ppm or less,
A fluorescent material characterized in that, in a cross section, an intra-particle void density having an equivalent circle diameter of 0.1 μm or more is 500 pieces / mm 2 or less.
A scintillator comprising the fluorescent material according to any one of claims 3 to 5.
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