JP2011190386A - 中性子シンチレータ用酸化物結晶及び中性子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子線に対し高感度で、γ線に由来するバックグラウンドノイズが少なく、且つ、中性子シンチレータに使用可能な透明性に優れた酸化物結晶の提供を目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため、下記式（１）〜式（３）のいずれかで表される構造式を備え、且つ、^６Ｌｉ含有量が２．０ａｔｏｍ／ｎｍ^３以上であることを特徴とする中性子シンチレータ用酸化物結晶を採用する。
Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＴＭ_ｘ）Ｏ_２・・・（１）
Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＲＥ_ｘ）Ｏ_２・・・（２）
Ｌｉ（Ａｌ_{１−ｘ−ｙ}，ＲＥ_ｘ，ＴＭ_ｙ）Ｏ_２・・・（３）
但し、上記式（１）において０≦ｘ＜０．０５であり、上記式（２）において０≦ｘ≦１であり、上記式（３）において０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．０５であり、上記式（１）及び式（３）においてＴＭはそれぞれ遷移金属元素を表し、上記式（２）及び式（３）においてＲＥはそれぞれ希土類元素を表している。
【選択図】図１

Description

本件発明は、中性子シンチレータ用酸化物結晶及びこの中性子シンチレータ用酸化物結晶を用いた中性子シンチレータに関し、特に、リチウム系酸化物結晶を採用した中性子シンチレータ用酸化物結晶及びこの中性子シンチレータ用酸化物を用いた中性子検出器に関する。

従来から、中性子シンチレータとして、^６Ｌｉガラスシンチレータ、^６ＬｉＦ／ＺｎＳセラミックスシンチレータ、¹⁰Bを含む結晶シンチレータが用いられてきた。しかしながら、^６Ｌｉガラスシンチレータは、その製造工程に大きな困難を伴うため、製造費用が嵩むという問題があった。このため、^６Ｌｉガラスシンチレータの大型化を図るには製造面及び費用面において限界があった。また、^６ＬｉＦ／ＺｎＳセラミックスシンチレータは、透明なバルク体でないが故に、厚くして使用することが困難であり、中性子の検出感度を向上させるという点において限界があった。さらに、¹⁰Bを含む結晶シンチレータでは、下記式に示すように中性子線との核反応の際にガンマ線を放出し、このγ線がノイズ源となるため、利用可能な場所が限定されるという問題がある。

これに対し、酸化物結晶を用いた中性子シンチレータは加工が容易であるため、大型のシンチレータを安価に製造することができる。酸化物結晶を用いた中性子シンチレータとして、例えば、特許文献１に開示されているようなリチウムボレート結晶からなる中性子シンチレータが提案されている。

ところが、当該リチウムボレート結晶からなる中性子シンチレータは、発光量が少なく、また、中性子線をα線に変換するパスが複数あるため、実際に中性子用検出器に搭載され、市場を流通するには至っていない。

一方で、リチウムボレート結晶を構成するボレート材料は、希土類を含んでおり、特許文献２に開示されているように、テレビモニタ等のディスプレイ用の蛍光体として、広く利用されているものであり、該リチウムボレート結晶からなる中性子シンチレータへの転用も考慮されてきた。

特開２００３−１８３６３７号公報 特開２００７−１６１８９１号公報

A. Yoshikawa, T. Yanagida, Y. Yokota, N. Kawaguchi, S. Ishizu, K. Fukuda, T. Suyama, K. J. Kim, M. Nikl, M. Miyake, M. Baba, "Single crystal growth, optical properties and neutron responses of Ce3+ doped LiCaAlF6", IEEE Trans. Nucl. Sci., 56 (6) (2009)3796 ? 3799 Takayuki Yanagida, Akira Yoshikawa, Yuui Yokota, Shuji Maeo, Noriaki Kawaguchi, Sumito Ishizu, Kentaro Fukuda, Toshihisa Suyama, "Crystal growth, optical properties, and alpha-ray responses of Ce doped LiCaAlF6 for different Ce concentration", Opt. Mat., 32, 311-314 (2009).

しかしながら、上述の特許文献２に開示されている「ディスプレイ用の蛍光体」としてのボレート材料を、中性子シンチレータとして使用するには、以下の問題があり、困難である。すなわち、当該ボレート材料は、中性子と反応する成分の含有濃度が極めて微量であり、中性子シンチレータとして要求される性能を発揮することが出来ないという問題がある。また、特許文献２に開示のボレート材料は、粉体又は薄膜の状態で用いられており、透明性の無いバルク体であるため、中性子シンチレータとして厚みを増加させて、中性子の検出感度を向上させるという用途には不向きである。

^６Ｌｉ系のシンチレータはガンマ線などのノイズ源を放出することがない。したがって、Ｌｉガラスよりも安定で高い発光量が期待できる^６Ｌｉ系の化合物を提供することができれば、中性子シンチレータとしての当該化合物の利用が期待できる。その例として、フッ化物に関しては、上記「非特許文献１」及び「非特許文献２」に開示がある。

以上に述べてきたことから理解できるように、安価な酸化物結晶であり、^６Ｌｉを含み中性子線に対する感度が高く、且つ、γ線に由来するバックグラウンドノイズが少なく、バルクが透明体となり、中性子シンチレータに使用可能なものがあれば当該酸化物結晶の利用価値は極めて高い。

そこで、本件発明者等は、酸化物結晶内に存在する⁶Liに着目し、鋭意研究を行った結果、中性子線に対する感度が高く、且つ、γ線に由来するバックグラウンドノイズが少なく、中性子シンチレータとして使用可能な酸化物結晶に想到した。なお、当該酸化物結晶の中性子シンチレータとしての評価は、発光波長の評価にはα線照射実験による模擬実験を行い、発光量は中性子照射実験により評価した。以下、本件発明の概要に関して述べる。

中性子シンチレータ用酸化物結晶： 本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、中性子シンチレータの製造に用いる酸化物結晶であって、下記式（１）〜式（３）のいずれかの式で表される構造式を備え、且つ、^６Ｌｉ含有量が２．０ａｔｏｍ／ｎｍ^３以上であることを特徴とする^６Ｌｉアルミネート系酸化物結晶である。なお、各元素に関しての詳細は後述する。

Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＴＭ_ｘ）Ｏ_２・・・（１）
Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＲＥ_ｘ）Ｏ_２・・・（２）
Ｌｉ（Ａｌ_{１−ｘ−ｙ}，ＲＥ_ｘ，ＴＭ_ｙ）Ｏ_２・・・（３）
但し、上記式（１）において０≦ｘ＜０．０５であり、上記式（２）において０≦ｘ≦１であり、上記式（３）において０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．０５であり、上記式（１）及び式（３）においてＴＭはそれぞれ遷移金属元素を表し、上記式（２）及び式（３）においてＲＥはそれぞれ希土類元素を表している。

中性子検出器： 本件発明に係る中性子検出器は、上述の中性子シンチレータ用酸化物結晶と、光電子倍増管と、受光素子とを備える点に特徴を有する。但し、受光素子としては、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、又は、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード、イメージインテンシファイア、ＣＣＤ等を用いることができる。

本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、「遷移金属元素」、又は「希土類元素」、或いは「遷移金属元素及び希土類元素」と、Ｌｉとしての「^６Ｌｉ」とを同時に含有することで、中性子線に対する感度を良好なものとすることができる。また、本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、「遷移金属元素」と「希土類元素」の他にはＡｌとＯしか包含しないため、γ線に由来するバックグラウンドノイズが少なくなる。しかも、本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、透明性に優れているため、中性子シンチレータの厚みを増加させて、中性子の検出感度を向上させるという用途に好適である。そして、本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、製造コストが安価で、且つ、加工性能も良好である。従って、本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶を用いることにより、安価で高品質の中性子シンチレータを提供することができる。

本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物（Ｌｉ系酸化物；ＬｉＡｌＯ_２）の単結晶の写真である。 α線を励起源としたＬｉＡｌＯ_２結晶の発光スペクトルである。 ^２５２Ｃｆ密封線源から出る中性子線を励起源としたＬｉＡｌＯ_２結晶の波高値スペクトルを示す図（発光量評価）である。 本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶（（Ａｌ_０．９９Ｔｉ_０．０１）Ｏ_２）の単結晶の写真である。 本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶（Ｌｉ（Ａｌ_{０．９９９}Ｃｒ_{０．００１}）Ｏ_２）の単結晶の写真である。 本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶（ＬｉＳｃＯ_２）の単結晶の写真である。

以下、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶の形態及び中性子シンチレータの形態に関して述べる。

中性子シンチレータ用酸化物結晶の形態： 本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、中性子シンチレータの製造に用いる酸化物結晶であって、下記式（１）〜式（３）のいずれかで表される構造式を備え、且つ、^６Ｌｉ含有量が２．０ａｔｏｍ／ｎｍ^３以上であることを特徴とする。即ち、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、Ｌｉ系酸化物結晶であって、Ａｌと、Ｌｉとしての「^６Ｌｉ」とを同時に含有し、添加剤としての「希土類元素（ＲＥ）」、又は、「遷移金属元素（ＴＭ）」、或いは、「希土類元素及び遷移金属元素」を０％以上５％未満含有することが主な特徴である

Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＴＭ_ｘ）Ｏ_２・・・（１）
Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＲＥ_ｘ）Ｏ_２・・・（２）
Ｌｉ（Ａｌ_{１−ｘ−ｙ}，ＲＥ_ｘ，ＴＭ_ｙ）Ｏ_２・・・（３）
但し、上記式（１）において０≦ｘ＜０．０５であり、上記式（２）において０≦ｘ≦１であり、上記式（３）において０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．０５であり、上記式（１）及び式（３）においてＴＭはそれぞれ遷移金属元素を表し、上記式（２）及び式（３）においてＲＥはそれぞれ希土類元素を表している。

まず、上記式（１）〜式（３）のいずれかで表される構造式を備える酸化物結晶において、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶において、最も重要な元素成分であるＬｉに関してのべる。Ｌｉ（リチウム）は、中性子と反応する成分として機能する。そして、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶におけるＬｉ（リチウム）は、「^６Ｌｉ」を選択的に使用する点に特徴がある。このように「^６Ｌｉ」を選択的に当該酸化物結晶の構成元素として用いることによって、中性子と反応した際の十分な発光量を、安定して得ることができるようになる。

このときの本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶に対する「^６Ｌｉ含有量」は、中性子線の検出感度に大きく影響する。「^６Ｌｉ」は、リチウムの同位体の一種であり、通常のＬｉの中には、一定量しか存在しない。しかし、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶の場合には、この「^６Ｌｉ含有量」が多いほど、中性子線の検出感度が向上するため好ましい。上記式（１）〜式（３）の構造式を備える酸化物結晶のストイキオメトリ（化学量論的組成）を満足させる範囲において、「Ｌｉ」としてのトータル含有量の最大値は化学量論比で定まる。この中で「Ｌｉ」のどの程度を、「^６Ｌｉ」に置き換えるかで、高感度な中性子シンチレータ用酸化物結晶として使用できるか否かが決まる。

上記式（１）〜式（３）で表される酸化物結晶の場合、本件発明では、「^６Ｌｉ含有量」を２．０ａｔｏｍ／ｎｍ^３以上として用いる。当該酸化物結晶を中性子シンチレータとして用いた場合、「^６Ｌｉ含有量」が上記下限値未満であると、中性子と反応した際の発光量が不十分となるからである。この下限値程度の「^６Ｌｉ含有量」を有する中性子シンチレータ用酸化物結晶は、特別に^６Ｌｉ含有率を高めたリチウム原料を用いることなく、リチウム系酸化物結晶の種類を選択することによって製造できるという、製造上の利点もある。更に、中性子線に対する感度を高めるためには、当該「^６Ｌｉ含有量」を、８．０ａｔｏｍ／ｎｍ^３以上とすることがより好ましい。

なお、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶の場合、「^６Ｌｉ含有量」とは中性子シンチレータ用酸化物結晶１ｎｍ^３あたりに含まれるＬｉ元素の個数をいう。この「^６Ｌｉ含有量」は、あらかじめシンチレータの密度、シンチレータ中のＬｉ元素の質量分率、及びリチウム原料の「^６Ｌｉ含有率」を求め、下記式に代入し、計算することによって算出できる。

［^６Ｌｉ含有量］＝ρ×Ｗ×Ｃ／１０×Ａ／１０_２１
ρ：シンチレータの密度［ｇ／ｃｍ^３］、
Ｗ：シンチレータ中のＬｉ元素の質量分率［質量％］
Ｃ：原料の^６Ｌｉ含有率［％］
Ａ：アボガドロ数［６．０２×１０^２３］

この^６Ｌｉ含有量は、上記式（１）〜式（３）のいずれかで表される構造式を備える酸化物結晶を中性子シンチレータ用酸化物結晶として採用するか否かを選択し、この酸化物結晶の製造に用いるＬｉ_２Ｏ等のリチウム原料の備える「^６Ｌｉ含有率」を調整することによって、適宜調整できる。ここで、「^６Ｌｉ含有率」とは、全リチウム素元素（１００ｗｔ％）に対する「^６Ｌｉ同位体」の元素比率であって、天然のリチウムでは、約７．５２ｗｔ％である。

よって、天然のリチウム原料であるＬｉ_２Ｏ等は、そこに含まれる「^６Ｌｉ含有率」を調整して用いることが好ましい。この「^６Ｌｉ含有率」の調整方法としては、「天然の同位体比を有する汎用原料を出発原料として用い、^６Ｌｉ同位体を所望の^６Ｌｉ含有率まで濃縮調整する方法」、「既に^６Ｌｉ濃度が、所望の^６Ｌｉ含有率以上に濃縮された濃縮原料を入手し、該濃縮原料と前記汎用原料とを混合して希釈調整する方法」のいずれを採用しても構わない。

そして、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶が含有する「遷移金属元素（ＴＭ）」としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの中から選択する１つ以上の元素成分を用いることが好ましい。これらの遷移金属元素を用いる限り、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶として、品質安定性を高め、中性子と反応した際に十分な発光量を得ることが出来るからである。ここで、「１つ以上の」としていることから理解できるように、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの中から選択する限り、１種の元素成分でも、２種〜４種の元素成分を組み合わせた場合の全てを含む概念として記載している。なお、中性子シンチレータ用酸化物結晶に対する「遷移金属元素（ＴＭ）」の含有量は、（１）〜（３）の構造式を備える酸化物結晶の化学量論比を満足させるものであり、自ずと判断できる数値であるため、数値としての記載は省略する。

そして、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶が含有する「希土類元素（ＲＥ）」に関して述べる。この希土類元素が、中性子線を検出したときに発光する際の発光中心となる。この希土類元素の種類に関しては、特段の限定は無く、希土類に分類される成分の殆どの使用が可能である。例えば、所望の発光波長、発光強度及び蛍光寿命に応じて、適宜選択使用することが可能である。しかしながら、特に、発光強度及び蛍光寿命を主に考えると、以下に述べる希土類元素を使用することが好ましい。

本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶が含有する「希土類元素（ＲＥ）」には、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ，Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｙの中から選択する１つ以上の希土類元素を用いることが好ましい。「希土類元素（ＲＥ）」に、これらの希土類元素を用いた酸化物結晶とすることで、中性子シンチレータとして用いたときの発光強度及び発光安定性が向上するため好ましい。

以上に述べてきた中性子シンチレータ用酸化物結晶は、リチウム系酸化物結晶である。そして、このリチウム系酸化物結晶には、単結晶体及び多結晶体が存在する。しかし、中性子シンチレータとして用いる酸化物結晶としては、単結晶体であることが好ましい。なぜなら、多結晶体に比べて、単結晶体は、非輻射過程による発光ロスが顕著に少なく、発光強度の高い中性子シンチレータを得ることができるからである。

また、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶（リチウム系酸化物結晶）は、無色〜僅かに着色した有色透明の範囲（発光波長が母結晶の吸収波長に完全には包含されない）にある透明度を備える結晶である。このように良好な透明性を備える中性子シンチレータ用酸化物結晶であっても、良好な化学的安定性を発揮し、通常の中性子の検出使用において、短期間での性能の劣化はなく、良好な蛍光寿命を備えている。

更に、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、良好な機械的強度を備えているため、その取り扱い性能も良好である。しかも、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、研削加工、研磨加工等の機械加工性も良好であり、低い加工コストで所望の形状として用いることができる。この加工を行うにあたり、公知のブレードソー、ワイヤーソー等の切断機、研削機、或いは研磨盤等を、何ら制限無く使用する事が可能ある。以下、本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶の製造方法に関して、簡潔に述べておく。

本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶の製造方法に関しては、特段の限定は無い。従って、公知の結晶製造法を任意に選択することも可能であるが、「マイクロ引き下げ法」、「チョクラルスキー法」、「ブリッジマン法」のいずれかを採用することが、得られる酸化物結晶の透明性の確保、及び、製造安定性の観点から好ましい。特に、「マイクロ引下げ法」を用いれば、酸化物結晶を中性子シンチレータ用として用いる特定の形状として直接製造することが可能で、しかも、製造時間が短時間で済むため好ましい。一方、「チョクラルスキー法」を用いた場合には、直径が数インチの大型結晶を安価に製造することが可能であるため好ましい。また、「ブリッジマン法」では、容器を密封して結晶を成長させるため、Ｌｉ等の揮発しやすい成分を容器内に保つことができる。従って、「ブリッジマン法」を採用することにより、揮発しやすい成分を含む場合にも組成のずれを防止し、且つ、大型の単結晶を生成することができる。

中性子シンチレータの形態： 本件発明に係る中性子シンチレータは、上述の中性子シンチレータ用酸化物結晶を用いて得られる点に特徴を有する。そして、本件発明に係る中性子シンチレータは、光電子増倍管等の光検出器と組み合わせることによって、効率の良い中性子検出器として用いることができる。即ち、中性子線を検出した中性子シンチレータ用酸化物結晶から発せられた光（以下、「シンチレーション光」という）を、光検出器によって電気信号に変換することによって、中性子線の有無及び強度を電気信号として捉えることができる。

中性子検出器の形態： 本件発明に係る中性子検出器は、上記本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶を用いた中性子シンチレータと、光電子倍増管と、受光素子とを備える点に特徴を有する。ここで、受光素子としては、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、又は、ガイガーモードアバランシェフォトダイオード、イメージインテンシファイア、ＣＣＤ等を用いることができる。具体的には、例えば、光電子増倍管の光電面に、当該中性子シンチレータを光学グリース等で接着し、該光電子増倍管に高電圧を印加して、光電子増倍管より出力される電気信号を受光素子を用いて観測する方法が挙げられる。なお、上記光電子増倍管より出力される電気信号を利用して中性子線の強度等を解析する目的で、光電子増倍管の後段に増幅器や多重波高分析器等を設けても良い。

以下、本発明の内容を実施例を挙げて、具体的に説明する。なお、本件発明が包含する技術的思想は、これらの実施例に限定解釈されるべきものでは無いことを、念のために明記しておく。

以下、実施例に関して述べるが、実施例で用いた単結晶製造装置の概要に関して、先に述べることとする。

使用した単結晶製造装置の概要： 本件発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶の製造には、「マイクロ引下げ法」を用い、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た。このマイクロ引下げ装置は、坩堝と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる種を保持する種保持具と、種保持具を下方に移動させる移動機構と、該移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱手段とを具備した単結晶製造装置である。

該坩堝は、カーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金を用いて製造されたものであり、坩堝底部の外周にカーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金からなる発熱体であるアフターヒータを配置している。そして、坩堝及びアフターヒータは、誘導加熱手段の出力調整により、発熱量の調整を可能とすることによって、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液の固液境界領域の温度及びその分布の制御を可能とした。

該坩堝を収容するチャンバーの材質にはＳＵＳ、もしくはＳｉＯ_２、窓材にはＳｉＯ_２を採用し、雰囲気制御を可能にするため、ローターリポンプを具備し、ガス置換前において、チャンバー内の真空度を１×１０^−３Ｔｏｒｒ以下とした。また、チャンバー内へは、付随するガスフローメータにより精密に調整された流量でＡｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、Ｏ_２ガス等を導入できるものを採用した。

この装置を用いて、原料を坩堝に入れ、炉内を高真空排気した後、Ａｒガス、ＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガス、Ｎ_２ガス、Ｎ_２ガスとＯ_２ガスとの混合ガスのいずれかを炉内に導入することにより、炉内を不活性ガス雰囲気もしくは低酸素分圧雰囲気とし、高周波誘導加熱コイルに高周波電力を徐々に印加することにより坩堝を抵抗加熱して、坩堝内の原料を融解する。また、組成を均一に保つ目的及び長尺化の目的で、原料の連続チャージ用機器を用いても構わない。

単結晶成長手順の概要： 以上に述べた単結晶製造装置を用いて、次のような手順で結晶を成長させた。まず、種結晶を、所定の加熱速度で徐々に温度上昇させ、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分に馴染ませる。十分に馴染んだら、次に、融液温度を調整しつつ、引下げ軸を下降させることで、結晶を成長させていく。種結晶としては、特段の限定は無いが、結晶成長対象物と同等ないしは、構造及び組成ともに近いものを使用することが好ましい。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。そして、坩堝内の材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で単結晶成長を終了する。

以下、具体的実施例に関して、中性子シンチレータ用酸化物結晶の製造、中性子シンチレータの製造、中性子シンチレータ性能の評価の順で説明する。

中性子シンチレータ用酸化物結晶の製造： 上述の「マイクロ引き下げ法」により、高周波の出力を調整しながら、０．１ｍｍ／ｍｉｎの速度で、リチウム系酸化物である中性子シンチレータ用酸化物結晶（ＬｉＡｌＯ_２）の単結晶の製造を行った。このときの^６Ｌｉ含有量は、４．０ａｔｍ／ｎｍ^３であった。また、得られた当該中性子シンチレータ用酸化物結晶は、断面が２ｍφ、長さが５０ｍｍのサイズであり、クラックの無い良質な単結晶体であった。このＬｉＡｌＯ_２の酸化物単結晶体の写真を図１に示す。

中性子シンチレータの製造： 以上のようにして得られた酸化物単結晶体を、ダイヤモンドワイヤーを備えるワイヤーソーを用いて、１５ｍｍの長さに切断した後、研削及び鏡面研磨を行い、長さ１５ｍｍ×幅２ｍｍ×厚さ１ｍｍの形状に加工し、これを中性子シンチレータとして用いた。

中性子シンチレータ性能の評価： 上述のようにして得られた中性子シンチレータの性能を、以下の方法によって評価した。

まず、Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＦＬＳ９２０を用い、^２４１ＡｍをＬｉＡｌＯ_２で出来た当該中性子シンチレータに直接接触させることにより、α線を励起源として発光スペクトル及び蛍光寿命を測定した。図２に、このときの発光スペクトルを示している。

また、図３に示す当該波高分布スペクトルにおいて、波高値が２００〜３００の領域において、シンチレーション光による明瞭なピークが確認できる。そして、Ｌｉ−Ｇｌａｓｓのピークが波高値１５０〜２００に見られることからみて、充分に大きな発光量であり、且つ、波高値５０以下に見られるコンプトン散乱およびγ線に起因するノイズと十分に分離された位置にあり、本件発明に係る中性子シンチレータが充分な発光強度を有することが理解できる。

実施例１の原料の種類及び量を、表１に示すとおりに変更した以外は、実施例１と同様の手順及び方法で本件発明に係る中性子シンチレータを得た。そして、実施例１と同様にして、当該中性子シンチレータの諸特性を評価した。その評価結果に関しては、組成と併せて、表１に掲載する。

以下、実施例３〜実施例１５に関しては、実施例２と同様であり、重複した記載となるため省略する。また、図４〜図６には、それぞれ実施例３、実施例２、実施例１０で得られた酸化物単結晶体の写真を示す。

本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶は、中性子線に対する感度が良好で、γ線に由来するバックグラウンドノイズが少なく、且つ、透明性に優れたものである。更に、製造コストも安価で、加工コストも削減可能であることから、本発明に係る中性子シンチレータ用酸化物結晶を用いた中性子シンチレータは安価な価格で高品質の製品と言える。この本件発明に係る中性子シンチレータは、各種非破壊検査等の工業分野、所持品検査等の保安分野においての使用に好適である。

Claims (4)

1. 中性子シンチレータの製造に用いる酸化物結晶であって、下記式（１）〜式（３）のいずれかで表される構造式を備え、且つ、^６Ｌｉ含有量が２．０ａｔｏｍ／ｎｍ^３以上であることを特徴とする中性子シンチレータ用酸化物結晶。
   Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＴＭ_ｘ）Ｏ_２・・・（１）
   Ｌｉ（Ａｌ_１−ｘ，ＲＥ_ｘ）Ｏ_２・・・（２）
   Ｌｉ（Ａｌ_{１−ｘ−ｙ}，ＲＥ_ｘ，ＴＭ_ｙ）Ｏ_２・・・（３）
   但し、上記式（１）において０≦ｘ＜０．０５であり、上記式（２）において０≦ｘ≦１であり、上記式（３）において０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．０５であり、上記式（１）及び式（３）においてＴＭはそれぞれ遷移金属元素を表し、上記式（２）及び式（３）においてＲＥはそれぞれ希土類元素を表している。
2. 前記遷移金属元素ＴＭは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの中から選択される１つ以上の元素である請求項１に記載の中性子シンチレータ用酸化物結晶。
3. 前記希土類元素ＲＥは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ，Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｙの中から選択される１つ以上の元素である請求項１に記載の中性子シンチレータ用酸化物結晶。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の中性子シンチレータ用酸化物結晶と、光電子倍増管と、受光素子とを備えることを特徴とする中性子検出器。