JP2011202118A - Single crystal scintillator material and manufacturing method therefor, radiation detector and pet device - Google Patents

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進朗 伊藤
Hiroyuki Okuda
裕之 奥田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single crystal scintillator material which has a larger amount of emissions than before, and outstanding fluorescence decay characteristics, and to provide its manufacturing method, radiation detector, and PET device.SOLUTION: The manufacturing method for single crystal scintillator material includes steps of mixing Ce and Lu compounds into a solvent containing Pb, at least one species selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, W and/or Mo, and B and oxygen, and heating it to a temperature of ≥800°C and ≤1,350°C to melt the compounds, and carrying out the deposition growth of single crystal expressed by the composition formula (CeLu)BOand satisfying the composition ratio x of Ce 0.0001≤x≤0.05 by cooling the molten compound.

Description

本発明は、陽電子放出核種断層撮像装置用単結晶シンチレータ材料およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a single crystal scintillator material for a positron emission nuclide tomography apparatus and a method for producing the same.

近年、医療分野において、陽電子放出核種断層撮像装置(Positron Emission Tomography:以下、「PET」と称する。)による診断が広く行われるようになり、更に性能の高いPET装置を実現するため、優れたシンチレータ材料の探索が進められている。   In recent years, diagnosis by a positron emission tomography (hereinafter referred to as “PET”) has been widely performed in the medical field, and an excellent scintillator for realizing a PET apparatus with higher performance. The search for materials is ongoing.

PETのシンチレータ材料はγ線を検出することが必要であり、これまで、BGO(ビスマス ゲルマニウム オキサイド)や、LSO(ルテチウム シリコン オキサイド)、GSO(ガドリニウム シリコン オキサイド)、LYSO(ルテチウム イットリウム シリコン オキサイド)などの単結晶シンチレータ材料がPETに適用されている。シンチレータ材料の特性は、発光量(蛍光出力)、蛍光減衰時間、エネルギー分解能などによって評価されるが、上記の単結晶材料は、PETに適用するのに必要な特性に優れている。これらの単結晶を作製する方法としては、チョクラルスキー法やブリッジマン法などの融液成長法が、商業的に広く用いられている。   PET scintillator materials need to detect γ-rays, and so far BGO (bismuth germanium oxide), LSO (lutetium silicon oxide), GSO (gadolinium silicon oxide), LYSO (lutetium yttrium silicon oxide), etc. Single crystal scintillator materials have been applied to PET. The characteristics of the scintillator material are evaluated by the amount of luminescence (fluorescence output), the fluorescence decay time, the energy resolution, and the like, but the above-described single crystal material is excellent in the characteristics necessary for application to PET. As methods for producing these single crystals, melt growth methods such as the Czochralski method and the Bridgman method are widely used commercially.

PETを普及させるためには、診断のスループットを向上させることが必要である。そのためには、これまでのシンチレータ材料よりも更に発光量が大きく蛍光減衰時間の短い単結晶シンチレータ材料の開発が必須である。   In order to popularize PET, it is necessary to improve diagnostic throughput. To that end, it is essential to develop a single crystal scintillator material that has a larger light emission amount and a shorter fluorescence decay time than conventional scintillator materials.

特許文献1には、Ce(セリウム)を賦活したGSOの例が記載されている。一方、特許文献2や特許文献3には、セリウム賦活ホウ酸ルテチウム系材料が開示されている。セリウム賦活ホウ酸ルテチウムは、大きい発光量と短い蛍光減衰時間を兼ね備えていることから、優れたシンチレータ材料となることが期待される。特許文献3は、セリウム賦活ホウ酸ルテチウム系材料についてPETへの適用も提案しているが、これらの文献に開示されているセリウム賦活ホウ酸ルテチウム系材料は、粉末に過ぎない。このように、特許文献2および特許文献3に記載されている方法では、PETに使用可能な大きさを有するセリウム賦活ホウ酸ルテチウムの単結晶を形成できなかった。   Patent Document 1 describes an example of GSO activated with Ce (cerium). On the other hand, Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose cerium-activated lutetium borate-based materials. Cerium-activated lutetium borate is expected to be an excellent scintillator material because it has a large light emission amount and a short fluorescence decay time. Patent Document 3 also proposes application of cerium-activated lutetium borate materials to PET, but the cerium-activated lutetium borate materials disclosed in these documents are only powders. As described above, the methods described in Patent Document 2 and Patent Document 3 could not form a single crystal of cerium-activated lutetium borate having a size that can be used for PET.

ホウ酸ルテチウムは、大きな体積変化を伴う相転移点(約1350℃)が融点(1650℃)より低い温度領域に存在する。このため、出発原料を高温に加熱して溶融または溶解させることが必要な従来の単結晶育成方法を用いると、溶融物の冷却時において、相転移点を通過する際に体積膨張が生じるため、結晶が崩壊してしまうという問題があった。特許文献4には、ホウ酸ルテチウム系材料にSc、Ga、Inのいずれかの元素を添加することにより、結晶材料の相転移を抑制することによってシンチレータ用単結晶材料を製造する方法が開示されている。しかしながら、特許文献4に記載されている方法で形成されたホウ酸ルテチウム系の単結晶には、添加元素による密度の低下や、発光量減少などの特性劣化が生じてしまう。   Lutetium borate has a phase transition point (about 1350 ° C.) with a large volume change in a temperature region lower than the melting point (1650 ° C.). For this reason, when a conventional single crystal growth method that requires heating or melting the starting material to a high temperature is used, volume expansion occurs when passing through the phase transition point during cooling of the melt. There was a problem that the crystals collapsed. Patent Document 4 discloses a method of manufacturing a single crystal material for scintillator by adding any element of Sc, Ga, and In to a lutetium borate-based material to suppress a phase transition of the crystal material. ing. However, the lutetium borate single crystal formed by the method described in Patent Document 4 suffers from characteristic deterioration such as a decrease in density due to an additive element and a decrease in light emission amount.

これらの課題を解決するため、出願人は、PCT/JP2008/1717号(2008年7月1日出願)において、ホウ酸鉛系の溶媒を用いたフラックス法により作成した、セリウム賦活ホウ酸ルテチウムの単結晶を開示している。   In order to solve these problems, the applicant of PCT / JP2008 / 1717 (filed on July 1, 2008) created a cerium-activated lutetium borate prepared by a flux method using a lead borate-based solvent. A single crystal is disclosed.

特開2003−300795号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-300795 特開2005−298678号公報JP 2005-298678 A 特開2006−52372号公報JP 2006-52372 A 特開2007−224214号公報JP 2007-224214 A

PCT/JP2008/1717号に開示の方法によれば、Scなどの元素を添加することなく、カルサイト型結晶構造を有しているセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶材料を簡便な方法で得ることができる。しかしながら、この方法によれば、生成したセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶内に極微量の溶媒成分が混入して本来の特性が発揮できなくなってしまう可能性があった。そのため発明者らは、ホウ酸鉛系の溶媒でセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶を生成する際にセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶内に混入する溶媒成分の量を低減することを課題として研究を行った。   According to the method disclosed in PCT / JP2008 / 1717, a cerium-activated lutetium borate single crystal material having a calcite-type crystal structure can be obtained by a simple method without adding an element such as Sc. it can. However, according to this method, there is a possibility that an extremely small amount of a solvent component is mixed in the produced cerium-activated lutetium borate single crystal and the original characteristics cannot be exhibited. For this reason, the inventors have studied to reduce the amount of solvent components mixed in the cerium-activated lutetium borate single crystal when producing a cerium-activated lutetium borate single crystal with a lead borate-based solvent. It was.

そこで本発明は、従来より大きい発光量と優れた蛍光減衰特性を有する単結晶シンチレータ材料およびその製造方法、放射線検出器、並びにPET装置の提供を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a single crystal scintillator material having a larger light emission amount and superior fluorescence decay characteristics, a method for producing the same, a radiation detector, and a PET apparatus.

本発明による単結晶シンチレータ材料の製造方法は、Pbと、Li、Na、K、Rb、Csからなる群から選ばれる少なくとも1種と、Wおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有する溶媒を用意する工程と、Ce化合物およびLu化合物を前記溶媒と混合し、800℃以上1350℃以下の温度に加熱して前記化合物を溶融させる工程と、溶融した前記化合物を冷却することにより、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶を析出成長させる工程とを含む。 The method for producing a single crystal scintillator material according to the present invention comprises a solvent containing Pb, at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, W and / or Mo, and B and oxygen. A step of mixing the Ce compound and the Lu compound with the solvent, heating the compound to a temperature of 800 ° C. to 1350 ° C. and melting the compound, and cooling the molten compound, is represented by (Ce x Lu 1-x) BO 3, and a step of precipitating growing a single crystal having a composition ratio x of Ce satisfies 0.0001 ≦ x ≦ 0.05.

好ましい実施形態において、前記溶媒を用意する工程および前記化合物を溶融させる工程は、前記溶媒を形成する化合物と、Ce化合物と、Lu化合物とを混合し、800℃以上1350℃以下の温度に加熱する工程である。
前記溶媒を用意する工程は、ホウ酸系材料と鉛系材料と非鉛系材料とを混合して溶媒を構成しているが、溶媒用の材料全てを同時に混合してもよいし、一部の材料を後で継ぎ足してもよい。
好ましい実施形態において、前記Ceの組成比率xが0.001≦x≦0.03を満足する。
好ましい実施形態において、前記単結晶を析出成長させる工程は、TSSG法により行う。
好ましい実施形態において、前記単結晶を析出成長させる工程において、溶融した前記化合物の温度が750℃以上1350℃未満の温度まで0.001℃/時間以上5℃/時間以下の降温速度で冷却する。
好ましい実施形態において、前記析出成長させる工程は、80時間以上の時間をかけて行う。
In a preferred embodiment, in the step of preparing the solvent and the step of melting the compound, the compound forming the solvent, the Ce compound, and the Lu compound are mixed and heated to a temperature of 800 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. It is a process.
In the step of preparing the solvent, the boric acid-based material, the lead-based material, and the non-lead-based material are mixed to constitute the solvent. However, all the materials for the solvent may be mixed at the same time, or a part thereof The material may be added later.
In a preferred embodiment, the Ce composition ratio x satisfies 0.001 ≦ x ≦ 0.03.
In a preferred embodiment, the step of depositing and growing the single crystal is performed by a TSSG method.
In a preferred embodiment, in the step of precipitating and growing the single crystal, the molten compound is cooled to a temperature of 750 ° C. or higher and lower than 1350 ° C. at a temperature lowering rate of 0.001 ° C./hour or more and 5 ° C./hour or less.
In a preferred embodiment, the precipitation growing step is performed over 80 hours or more.

本発明の単結晶シンチレータ材料は、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶部を有し、前記単結晶部のPbの含有量が質量比率で100ppm以下である。すなわち、この単結晶部の単位質量100%において、Pb含有量が質量比率で100ppm以下に抑えられている。 The single crystal scintillator material of the present invention has a single crystal part represented by a composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and a composition ratio x of Ce satisfying 0.0001 ≦ x ≦ 0.05, The content of Pb in the single crystal part is 100 ppm or less by mass ratio. That is, in the unit mass of 100% of the single crystal part, the Pb content is suppressed to 100 ppm or less by mass ratio.

好ましい実施形態において、前記単結晶部はカルサイト型結晶構造を有している。
好ましい実施形態において、厚さ0.5mmに鏡面加工された前記単結晶部の波長280nmにおける透過率は、20%以上である。
In a preferred embodiment, the single crystal portion has a calcite type crystal structure.
In a preferred embodiment, the transmittance at a wavelength of 280 nm of the single crystal portion mirror-finished to a thickness of 0.5 mm is 20% or more.

本発明の放射線検出器は、本発明に係る単結晶シンチレータ材料と、前記単結晶シンチレータ材料からの発光を検出する検出器を備える。   The radiation detector of the present invention includes a single crystal scintillator material according to the present invention and a detector that detects light emission from the single crystal scintillator material.

本発明のPET装置は、リング状に配列された複数の放射線検出器を備え、被検体からのγ線を検出するPET装置であって、前記複数の放射線検出器の各々は、本発明に係る放射線検出器である。   The PET apparatus of the present invention is a PET apparatus that includes a plurality of radiation detectors arranged in a ring shape and detects γ rays from a subject, each of the plurality of radiation detectors according to the present invention. It is a radiation detector.

本発明によれば、着色するような不純物の混入が見られず従来よりも大きい発光量を有する、無色透明の単結晶シンチレータ材料を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a colorless and transparent single crystal scintillator material having no emission of impurities that are colored and having a larger light emission amount than conventional ones.

本発明による単結晶および比較例の透過率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmittance | permeability of the single crystal by this invention, and a comparative example. 本発明で用いた結晶育成装置を示す図である。It is a figure which shows the crystal growth apparatus used by this invention. 本発明の実施例1における結晶育成のヒートパターンを示すグラフである。It is a graph which shows the heat pattern of the crystal growth in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1で作製された結晶体を示す写真である。It is a photograph which shows the crystal body produced in Example 1 of this invention. 137Cs線源からのγ線励起によって実施例の結晶体を発光させた、γ線励起発光スペクトルを示す。 1 shows a γ-ray excited emission spectrum in which the crystal of Example was emitted by γ-ray excitation from a 137 Cs ray source. 比較例で用いた結晶育成装置を示す図である。It is a figure which shows the crystal growth apparatus used by the comparative example. 本発明の比較例1における結晶育成のヒートパターンを示すグラフである。It is a graph which shows the heat pattern of the crystal growth in the comparative example 1 of this invention. 本発明の実施例2における結晶育成のヒートパターンを示すグラフである。It is a graph which shows the heat pattern of the crystal growth in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2〜4におけるCuKα線により励起されたX線励起発光量のホウ酸鉛溶媒比率依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the lead borate solvent ratio dependence of the X-ray excitation light emission amount excited by the CuK (alpha) ray in Examples 2-4 of this invention. シンチレータアレイの構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of a scintillator array. 本発明の放射線検出器の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the radiation detector of this invention. 本発明のPET装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of PET apparatus of this invention.

本発明による単結晶シンチレータ材料の製造方法は、Pbと、Li、Na、K、Rb、Csからなる群から選ばれる少なくとも1種と、Wおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有する溶媒を用意する工程と、Ce化合物およびLu化合物を前記溶媒と混合し、800℃以上1350℃以下の温度に加熱して前記化合物を溶融させる工程と、溶融した前記化合物を冷却することにより、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶を析出成長させる工程とを含む。より詳しくは、溶融した前記化合物を冷却し、セリウム賦活ホウ酸ルテチウムの高温バテライト相からカルサイト相への相転移点よりも低い温度で前記単結晶を析出成長させることが望ましい。 The method for producing a single crystal scintillator material according to the present invention comprises a solvent containing Pb, at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, W and / or Mo, and B and oxygen. A step of mixing the Ce compound and the Lu compound with the solvent, heating the compound to a temperature of 800 ° C. to 1350 ° C. and melting the compound, and cooling the molten compound, is represented by (Ce x Lu 1-x) BO 3, and a step of precipitating growing a single crystal having a composition ratio x of Ce satisfies 0.0001 ≦ x ≦ 0.05. More specifically, it is desirable to cool the molten compound and precipitate and grow the single crystal at a temperature lower than the phase transition point from the high-temperature vaterite phase to the calcite phase of cerium-activated lutetium borate.

本発明の製造方法に用いる溶媒はPbを含み、かつLi、Na、K、Rb、Csからなる群から選ばれる1種以上のアルカリ金属と、Wおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有し、かつ溶媒中に含有されるPb量はPbO換算で35mol%以下であることを特徴とする。
溶媒中にPbを含有させると欠陥の少ない単結晶が生成しやすくなるため、Pbを含ませることが好ましい。
The solvent used in the production method of the present invention contains Pb and contains at least one alkali metal selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, W and / or Mo, and B and oxygen. And the amount of Pb contained in the solvent is 35 mol% or less in terms of PbO.
When Pb is contained in the solvent, a single crystal with few defects is likely to be formed. Therefore, Pb is preferably contained.

また、生成する単結晶材料中に0.1mass%程度混入すると単結晶材料の着色を引き起こしてしまう。その結果、本来の特性が発揮できなくなってしまう可能性がある。また溶媒中のPb量がPbO換算で35mol%を超えると、生成する単結晶材料へX線などの放射線を照射した場合に、経時的に発光量が低下してしまう。PbO換算で70mol%のPbを含むホウ酸鉛系溶媒より生成した単結晶材料は、CuKα線源からのX線を照射すると、1分経過後に発光量が10%低下してしまうという結果が得られている。したがって、着色や性能の低下を引き起こさないために、溶媒中のPb量は50重量%以下とする必要がある。Pbを含む溶媒は粘度が高くなり易いため、溶媒の粘度および溶解度の温度依存性を調整するためにアルカリ金属を含むことが好ましい。また、溶媒の融点を下げるため、アルカリ金属を2種以上含むことが望ましく、Li、Naが好適に使用できる。上述のアルカリ金属およびその化合物は、互いに性質が非常に似通っていることが知られており、K、Rb、Csを用いても、Li、Naを用いた場合の効果と同様の効果が期待できる。   Further, when about 0.1 mass% is mixed in the single crystal material to be produced, the single crystal material is colored. As a result, the original characteristics may not be exhibited. On the other hand, if the amount of Pb in the solvent exceeds 35 mol% in terms of PbO, the amount of emitted light decreases with time when the generated single crystal material is irradiated with radiation such as X-rays. A single crystal material produced from a lead borate-based solvent containing 70 mol% of Pb in terms of PbO, when irradiated with X-rays from a CuKα radiation source, resulted in a 10% decrease in light emission after 1 minute. It has been. Therefore, the Pb content in the solvent needs to be 50% by weight or less in order not to cause coloring or performance degradation. Since the solvent containing Pb tends to have a high viscosity, it is preferable to contain an alkali metal in order to adjust the temperature dependence of the viscosity and solubility of the solvent. Further, in order to lower the melting point of the solvent, it is desirable to contain two or more alkali metals, and Li and Na can be suitably used. It is known that the above-mentioned alkali metals and their compounds are very similar in nature, and even if K, Rb, or Cs is used, the same effect as that obtained when Li or Na is used can be expected. .

さらに、本発明の製造方法に用いる溶媒は、アルカリ金属との間で低融点の化合物を形成する元素として、Wおよび/またはMoを含有する。溶媒の密度を大きくすることによって、生成する単結晶材料の密度に近づけるという観点から、より原子量の大きな元素とアルカリ金属との間で低融点化合物を形成することが望ましい。このため、MoよりもWが好適に採用される。ただし、Moも、Wと同属の重元素であり、その性質もWに類似しているため、Wとともに、あるいは、Wに代えてMoを使用しても、同様の効果が期待できる。
溶媒に含まれるBは、生成する単結晶の成分として必須の元素である。このBは、アルカリ金属とホウ酸化合物を形成し、鉛とホウ酸鉛を形成して、溶媒の成分ともなる。
上記溶媒にCe化合物およびLu化合物などの、単結晶成分となる原料を溶融させた後、徐冷して単結晶を析出させる。
Furthermore, the solvent used in the production method of the present invention contains W and / or Mo as an element that forms a compound having a low melting point with an alkali metal. From the viewpoint of bringing the density of the solvent close to the density of the single crystal material to be produced, it is desirable to form a low melting point compound between an element having a larger atomic weight and an alkali metal. For this reason, W is more preferably adopted than Mo. However, Mo is also a heavy element of the same genus as W, and its properties are similar to W. Therefore, even if Mo is used together with W or instead of W, the same effect can be expected.
B contained in the solvent is an essential element as a component of the produced single crystal. This B forms an alkali metal and a boric acid compound, forms lead and lead borate, and becomes a component of the solvent.
A raw material that becomes a single crystal component, such as a Ce compound and a Lu compound, is melted in the solvent, and then slowly cooled to precipitate a single crystal.

本発明の製造方法によれば、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する無色透明の単結晶部を有する単結晶シンチレータ材料を得ることができる。本発明における単結晶部の析出・結晶成長後における典型的な形状は、概略的に平板状であるが、他の形状に加工することを排除しない。 According to the production method of the present invention, a colorless and transparent single crystal part represented by a composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and having a Ce composition ratio x satisfying 0.0001 ≦ x ≦ 0.05 is obtained. A single crystal scintillator material can be obtained. In the present invention, the typical shape of the single crystal portion after precipitation and crystal growth is generally a flat plate shape, but it does not exclude processing into other shapes.

なお、典型的には、本発明の単結晶シンチレータ材料の全体が上記の「単結晶部」によって構成されるが、「単結晶部」以外の部分、例えば一部多結晶化した部分が単結晶シンチレータ材料に含まれていてもよいし、保護被膜などが単結晶シンチレータ材料に付着していてもよい。
希土類を賦活したホウ酸ルテチウムはX線などの放射線を吸光して紫外線または可視光線を発するシンチレーション特性を示す。特に、Ceで賦活されたホウ酸ルテチウムは、発光量が大きく、蛍光減衰時間が短いという点で非常に優れたシンチレータ材料として機能することが可能である。
Typically, the entire single crystal scintillator material of the present invention is composed of the above “single crystal part”, but a part other than the “single crystal part”, for example, a part that is polycrystallized is a single crystal. It may be included in the scintillator material, or a protective film or the like may be attached to the single crystal scintillator material.
The rare earth-activated lutetium borate has a scintillation characteristic of absorbing ultraviolet radiation or visible light by absorbing radiation such as X-rays. In particular, lutetium borate activated with Ce can function as a very excellent scintillator material in that it emits a large amount of light and has a short fluorescence decay time.

上記の組成式における組成比率xは、CeがLuサイトに置換する割合を示している。この組成比率xが0.0001未満であると、発光元素であるCeが少ないため十分な発光量が得られない。また、組成比率xが0.05を超えると、透過率が低下してしまい、やはり発光量が減少する。   The composition ratio x in the above composition formula indicates the ratio that Ce is substituted with Lu sites. When the composition ratio x is less than 0.0001, a sufficient amount of light emission cannot be obtained because Ce as a light emitting element is small. On the other hand, when the composition ratio x exceeds 0.05, the transmittance decreases, and the light emission amount also decreases.

本発明の好ましい実施形態における単結晶シンチレータ材料は、Ceが単結晶全体にほぼ均一にドーピングされており、単結晶内のすべての領域において上記組成範囲を満足する。これにより、単結晶全体を所望のCe置換量とすることができ、単結晶全体として優れた蛍光減衰特性を発揮させることができる。   In the single crystal scintillator material according to a preferred embodiment of the present invention, Ce is almost uniformly doped throughout the single crystal, and the composition range is satisfied in all regions in the single crystal. Thereby, the whole single crystal can be made into the desired Ce substitution amount, and excellent fluorescence attenuation characteristics can be exhibited as the whole single crystal.

ホウ酸ルテチウム単結晶は、1350℃付近に存在する相転移点より低い温度ではカルサイト構造をとり、相転移点よりも高い温度ではバテライト構造をとる。後述するように、本発明では、1350℃以下の温度でホウ酸ルテチウム系材料の溶媒への溶解および冷却を行うことにより単結晶を析出成長させるため、冷却過程における相転移に起因する大きな体積変化が生じない。その結果、カルサイト型構造のホウ酸ルテチウム単結晶を大きく成長させることが可能になる。   The lutetium borate single crystal has a calcite structure at a temperature lower than the phase transition point existing near 1350 ° C., and a vaterite structure at a temperature higher than the phase transition point. As will be described later, in the present invention, since a single crystal is precipitated and grown by dissolving and cooling a lutetium borate-based material in a solvent at a temperature of 1350 ° C. or less, a large volume change caused by a phase transition in the cooling process. Does not occur. As a result, a calcite-type lutetium borate single crystal can be grown greatly.

このようにして作製される本発明の単結晶シンチレータ材料は、可視光に対する高い透過率を示す。例えば厚さ2mm以下の単結晶では、発光波長のピークにおける透過率が50%以上に達すると考えられる。発光波長のピーク値は、単結晶の組成にもよるが、上記組成範囲におけるセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶の発光波長のピークは350nm〜450nmの範囲に存在する。   The single crystal scintillator material of the present invention thus produced exhibits a high transmittance for visible light. For example, in a single crystal having a thickness of 2 mm or less, it is considered that the transmittance at the peak of the emission wavelength reaches 50% or more. Although the peak value of the emission wavelength depends on the composition of the single crystal, the peak of the emission wavelength of the cerium-activated lutetium borate single crystal in the composition range is in the range of 350 nm to 450 nm.

また、本発明の単結晶シンチレータ材料の透過率は、260nm〜300nmの短波長領域において十分に高いという特徴を有する。図1は、本発明による単結晶シンチレータ材料(実施例1)の透過率(太線)と、PCT/JP2008/1717号に開示された方法によって作製された単結晶シンチレータ材料(比較例1)の透過率を示すグラフである。   Further, the single crystal scintillator material of the present invention has a feature that the transmittance is sufficiently high in a short wavelength region of 260 nm to 300 nm. FIG. 1 shows the transmittance (thick line) of a single crystal scintillator material (Example 1) according to the present invention and the transmission of a single crystal scintillator material (Comparative Example 1) produced by the method disclosed in PCT / JP2008 / 1717. It is a graph which shows a rate.

図1からわかるように、本発明の単結晶シンチレータ材料の透過率は、波長340nm付近で極小値を取るが、波長340nm近傍以外の波長領域では相対的に高い値を実現している。また、本発明の単結晶シンチレータ材料では、260nm〜300nmの短波長領域における透過率が、波長340nmの透過率と同等以上となっている。
一方、PCT/JP2008/1717号に開示されている方法によって作製された単結晶シンチレータ材料の透過率は、350nm以下の短波長領域において、波長が短くなるに従って単調に低下している。比較例における、このような透過率の低下は、この単結晶シンチレータ材料に比較的多量のPbが含まれていることに起因している。
As can be seen from FIG. 1, the transmittance of the single crystal scintillator material of the present invention takes a minimum value near the wavelength of 340 nm, but realizes a relatively high value in the wavelength region other than the wavelength near 340 nm. In the single crystal scintillator material of the present invention, the transmittance in a short wavelength region of 260 nm to 300 nm is equal to or higher than the transmittance of a wavelength of 340 nm.
On the other hand, the transmittance of the single crystal scintillator material manufactured by the method disclosed in PCT / JP2008 / 1717 decreases monotonously as the wavelength decreases in a short wavelength region of 350 nm or less. Such a decrease in transmittance in the comparative example is attributed to the relatively large amount of Pb contained in the single crystal scintillator material.

このように単結晶シンチレータ材料の透過率は、その組成式が(CeLu1−x)BOで表され、かつ、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する場合であっても、Pbの含有量によって大きく変化する場合がある。 As described above, the transmittance of the single crystal scintillator material is expressed by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and the Ce composition ratio x satisfies 0.0001 ≦ x ≦ 0.05. Even if it is a case, it may change a lot depending on the content of Pb.

本発明によれば、鉛含有量を質量比率で100ppm以下に低減することができるため、260nm〜300nmの波長領域の略中央値である波長280nmにおいて、20%以上の透過率(好ましくは30%以上)を実現できる。   According to the present invention, the lead content can be reduced to 100 ppm or less by mass ratio. Therefore, a transmittance of 20% or more (preferably 30%) at a wavelength of 280 nm, which is a substantially median value of a wavelength region of 260 nm to 300 nm. Can be realized.

なお、本明細書では、サンプルに入射する光の強度を100とした場合における出射光(サンプルから出射される光)の強度比率を「透過率」と定義する。具体的には、次のようにして測定する。   In this specification, the intensity ratio of outgoing light (light emitted from the sample) when the intensity of light incident on the sample is 100 is defined as “transmittance”. Specifically, the measurement is performed as follows.

測定サンプルとしては、単結晶シンチレータ材料を(001)面に対して平行に切り出した後、その表面を鏡面研磨によって平坦化し、表面粗さが0.005μm以下、厚さ0.5mmに調整されたものを用いる。一般的には、透過率の大きさはサンプル内部における吸収のみならず、サンプルの表面における反射によっても影響される。しかし、サンプルの表面粗さを上記程度に調整することにより、各サンプルにおける反射の影響を同程度とみなすことができる。従って、上記のように調整されたサンプルを測定される透過率により、サンプルのもつ吸収特性を十分に高い精度で比較することが可能である。透過率の測定には、紫外可視分光光度計を用いる。   As a measurement sample, a single crystal scintillator material was cut out parallel to the (001) plane, and then the surface was flattened by mirror polishing, and the surface roughness was adjusted to 0.005 μm or less and a thickness of 0.5 mm. Use things. In general, the magnitude of transmittance is affected not only by absorption inside the sample, but also by reflection at the surface of the sample. However, by adjusting the surface roughness of the sample to the above level, the influence of reflection in each sample can be regarded as the same level. Therefore, it is possible to compare the absorption characteristics of the samples with sufficiently high accuracy by the transmittance measured for the sample adjusted as described above. An ultraviolet-visible spectrophotometer is used for the transmittance measurement.

次に、本発明の単結晶シンチレータ材料の製造方法をさらに詳細に説明する。
前述の通り、ホウ酸ルテチウム単結晶は、1350℃付近に存在する相転移点よりも高い温度ではバテライト構造をとり、相転移点よりも低い温度ではカルサイト構造をとる。従来の単結晶製造方法では、原材料を高温に溶融することが必要であるため、溶融物の冷却によって析出した結晶体の温度が冷却過程で、この相転移点を通過することが避けられなかった。そのため、析出した結晶体の体積が相転移によって大きく変化し、結晶体が崩壊してしまうという問題があり、融点よりも低い相転移点を有するホウ酸ルテチウムの単結晶の作製は極めて困難であった。
Next, the method for producing the single crystal scintillator material of the present invention will be described in more detail.
As described above, the lutetium borate single crystal takes a vaterite structure at a temperature higher than the phase transition point existing near 1350 ° C., and takes a calcite structure at a temperature lower than the phase transition point. In the conventional single crystal manufacturing method, it is necessary to melt the raw material at a high temperature, and thus it is inevitable that the temperature of the crystal precipitated by cooling the melt passes through this phase transition point in the cooling process. . Therefore, there is a problem that the volume of the precipitated crystal is greatly changed by the phase transition and the crystal collapses, and it is extremely difficult to produce a single crystal of lutetium borate having a phase transition point lower than the melting point. It was.

前述の、PCT/JP2008/1717号に開示される、ホウ酸鉛を溶媒とするフラックス法は、この問題を解決し、従来は困難であったセリウム賦活ホウ酸ルテチウムの単結晶を簡便に生成できる、非常に優れた方法であった。しかしながら、この方法によって作成したセリウム賦活ホウ酸ルテチウムの単結晶は、僅かながら黄色に着色されていた。発明者らの分析によれば、この単結晶には溶媒の成分である鉛が極微量に混入している可能性があり、それによって着色されていると推定される。また、鉛の混入は生成する単結晶の発光量に影響があると考えられる。   The above-described flux method using lead borate as a solvent, disclosed in PCT / JP2008 / 1717, solves this problem and can easily produce a single crystal of cerium-activated lutetium borate, which has been difficult in the past. It was a very good method. However, the single crystal of cerium activated lutetium borate prepared by this method was slightly colored yellow. According to the analysis by the inventors, there is a possibility that a very small amount of lead, which is a component of the solvent, is mixed in the single crystal, and it is estimated that the single crystal is colored. In addition, it is considered that the mixing of lead has an influence on the light emission amount of the single crystal to be generated.

そこで、本発明者らは、フラックス法で用いる溶媒について更なる研究を重ねた結果、Pbと、Liなどのアルカリ金属と、このアルカリ金属と低融点化合物を形成する金属としてWおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有する溶媒を主溶媒として用い、ホウ酸ルテチウム系材料を相転移点より低い温度で溶媒に溶解した後、この溶解物を徐冷することにより、セリウム賦活ホウ酸ルテチウム系材料の単結晶を析出させることが可能であることを見出した。本発明によれば、PCT/JP2008/1717号に開示される、ホウ酸鉛を溶媒とするフラックス法によって作製された単結晶シンチレータ材料とは異なり、鉛の含有量が質量比率で100ppm以下の、無色透明の単結晶シンチレータ材料を得ることができる。   Therefore, as a result of further studies on the solvent used in the flux method, the present inventors have determined that Pb, an alkali metal such as Li, and W and / or Mo as a metal that forms a low melting point compound with this alkali metal. A cerium-activated lutetium borate system is prepared by dissolving a lutetium borate-based material in a solvent at a temperature lower than the phase transition point after using a solvent containing B, B and oxygen as a main solvent. It has been found that a single crystal of the material can be deposited. According to the present invention, unlike the single crystal scintillator material disclosed in PCT / JP2008 / 1717, which is produced by the flux method using lead borate as a solvent, the lead content is 100 ppm or less by mass ratio, A colorless and transparent single crystal scintillator material can be obtained.

以下、本発明の単結晶シンチレータ材料の製造方法を具体的に説明する。
[出発原料(ホウ酸ルテチウム系材料および溶媒)]
出発原料としては、Pbの化合物と、Li、Na、K、Rb、Csから選ばれるアルカリ金属の化合物、Wおよび/またはMoの化合物、ホウ素化合物、Ce化合物、Lu化合物などを所要の割合で混合したものを用いる。
Hereinafter, the manufacturing method of the single-crystal scintillator material of this invention is demonstrated concretely.
[Starting materials (lutetium borate materials and solvents)]
As a starting material, a Pb compound and an alkali metal compound selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, a W and / or Mo compound, a boron compound, a Ce compound, and a Lu compound are mixed at a required ratio. Use what you did.

Pbの化合物としては、一酸化鉛、四三酸化鉛、フッ化鉛などを用いることができるが、その中でも取扱の容易さの点で一酸化鉛が好ましい。アルカリ金属の化合物としては、LiCO、NaHCO、KOHやCsOなど炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物や酸化物を用いることができるが、取り扱いの容易さから炭酸塩が好ましい。アルカリ金属の化合物として、NaClやKBr、LiF、CsIなどのアルカリのハロゲン化物を用いることもできる。アルカリのハロゲン化物は単独で用いても良いし、アルカリの炭酸塩などと混合して用いても良い。溶媒となる化合物の融点を下げるために、2種類以上のアルカリ金属を含めることが望ましい。 As the Pb compound, lead monoxide, lead trioxide, lead fluoride and the like can be used. Among them, lead monoxide is preferable in terms of ease of handling. As the alkali metal compound, carbonates, bicarbonates, hydroxides and oxides such as Li 2 CO 3 , NaHCO 3 , KOH and Cs 2 O can be used, but carbonates are preferable because of easy handling. . Alkali halides such as NaCl, KBr, LiF, and CsI can also be used as the alkali metal compound. Alkali halides may be used alone or in combination with an alkali carbonate or the like. In order to lower the melting point of the compound serving as the solvent, it is desirable to include two or more kinds of alkali metals.

Wおよび/またはMoの化合物としては、WOやMoOを用いることができる。またホウ素化合物としては、B、HBOなどを用いることができる。
Ce化合物としては、CeO、Ce(OH)、Ceなどが挙げられ、その中でも高純度の量産品が流通しており手に入りやすいという点でCeO、Ceが好ましい。Lu化合物としては、Luが好適に用いられる。
As a compound of W and / or Mo, WO 3 or MoO 3 can be used. As the boron compound, B 2 O 3 , H 3 BO 3, or the like can be used.
Examples of the Ce compound include CeO 2 , Ce (OH) 3 , and Ce 2 O 3. Among them, CeO 2 and Ce 2 O 3 are preferable in that high-purity mass-produced products are distributed and easily available. preferable. As the Lu compound, Lu 2 O 3 is preferably used.

これらの出発原料を以下の割合で調整する。まず、ホウ素とWおよび/またはMoを、mol比で10:90〜80:20となるように配合して溶媒とする。より大きな結晶を析出させるという観点から、ホウ素とWおよび/またはMoの配合比は30:70〜60:40となるように配合するのが好ましい。アルカリ金属の配合比は、Wおよび/またはMoとホウ素の合計1molに対し、0.5mol〜2molとなるように配合するのが好ましい。さらに、Pbとホウ素をモル比が1:0.2〜1:1.6となるように配合したホウ酸鉛系組成物を、前記溶媒に対して10〜50重量%の割合で添加する。   These starting materials are adjusted in the following proportions. First, boron and W and / or Mo are blended in a molar ratio of 10:90 to 80:20 to obtain a solvent. From the viewpoint of precipitating larger crystals, it is preferable that the compounding ratio of boron and W and / or Mo is 30:70 to 60:40. It is preferable to mix | blend the alkali metal so that it may become 0.5 mol-2 mol with respect to the total 1 mol of W and / or Mo and boron. Further, a lead borate composition in which Pb and boron are blended so that the molar ratio is 1: 0.2 to 1: 1.6 is added at a ratio of 10 to 50% by weight with respect to the solvent.

溶媒には、融点や粘度を調整する目的で、BaCO、SrCO、CaCOなどの、アルカリ土類金属の化合物から選ばれる少なくとも1種(以下、「BaCOなど」と称する場合がある。)を含有させてもよい。BaCOなどを溶媒に含有させる場合には、アルカリ金属1molに対してBaCOなどが0.1mol以下となるように配合することが好ましい。 The solvent may be referred to as at least one selected from alkaline earth metal compounds (hereinafter referred to as “BaCO 3 etc.”) such as BaCO 3 , SrCO 3 , CaCO 3 for the purpose of adjusting the melting point and viscosity. ) May be included. When BaCO 3 or the like is contained in the solvent, it is preferable to blend such that BaCO 3 or the like is 0.1 mol or less with respect to 1 mol of the alkali metal.

この溶媒に、Pbとアルカリ金属の合計量1molに対してLuを0.002〜0.3mol、CeをLu1molに対して0.0001〜0.5molとなるような比率で各化合物を混合する。より好ましくは、この溶媒に、Pbとアルカリ金属の合計量1molに対してLuを0.02〜0.3mol、CeをLu1molに対して0.0001〜0.5molとなるような比率で各化合物を混合する。これらの混合物を加熱していくと、上記溶媒のための化合物が溶融し、Lu化合物およびCe化合物が、溶融した溶媒に溶解する。出発原料として、あらかじめ個別に調整されたホウ酸鉛、NaWO、Li等を用いて上記比率になるように配合しても良い。 In this solvent, each compound is mixed in such a ratio that Lu is 0.002 to 0.3 mol and Ce is 0.0001 to 0.5 mol with respect to 1 mol of the total amount of Pb and alkali metal. More preferably, each compound is added to the solvent in such a ratio that 0.02 to 0.3 mol of Lu and 0.0001 to 0.5 mol of Ce to 1 mol of Lu with respect to 1 mol of the total amount of Pb and alkali metal. Mix. When these mixtures are heated, the compound for the solvent is melted, and the Lu compound and the Ce compound are dissolved in the melted solvent. As starting material, may be blended so that the above ratio with a previously separately regulated lead borate, Na 2 WO 4, Li 2 B 2 O 4 or the like.

[結晶育成の温度制御]
(1)、昇温・温度保持
上記出発原料を50℃/時間〜500℃/時間の昇温速度で800℃以上、ホウ酸ルテチウムの相転移点である1350℃以下の温度に昇温させ、そのまま1時間〜12時間温度保持して全体を溶融させる。ホウ酸ルテチウムの融点は1650℃であるが、それより低い上記範囲の温度で溶融した溶媒に溶解するので、冷却工程で結晶の相転移点を通過せずに、カルサイト構造の単結晶を析出させることができる。
[Temperature control for crystal growth]
(1) Temperature rising / temperature holding The starting material is heated to a temperature of 800 ° C. or more and 1350 ° C. or less, which is a phase transition point of lutetium borate, at a heating rate of 50 ° C./hour to 500 ° C./hour, The temperature is kept as it is for 1 to 12 hours to melt the whole. The melting point of lutetium borate is 1650 ° C, but it dissolves in the solvent melted at a temperature lower than the above range, so that a single crystal having a calcite structure is precipitated without passing through the phase transition point of the crystal in the cooling step. Can be made.

昇温・温度保持工程は、保持温度よりも高い温度までいったん昇温させた後、上記温度範囲で保持してもよい。また、比較的高い昇温速度から比較的低い昇温速度へと、いくつかの段階に分けて昇温させてもよい。
結晶成長を目的とした保持・冷却(徐冷)が1350℃(相転移温度)以下であれば、一度1350℃以上に温度を上げた後、1350℃未満の温度で保持してもよい。
In the temperature raising / temperature holding step, the temperature may be once raised to a temperature higher than the holding temperature and then held in the above temperature range. Further, the temperature may be raised in several stages from a relatively high temperature increase rate to a relatively low temperature increase rate.
If the holding / cooling (slow cooling) for the purpose of crystal growth is 1350 ° C. (phase transition temperature) or lower, the temperature may be raised to 1350 ° C. or higher and then held at a temperature lower than 1350 ° C.

Ce化合物およびLu化合物を前記溶媒と混合して1350℃超でホウ酸ルテチウムの沸点以下の温度に昇温すると、500℃以上1350℃以下の温度を通過する際に前記化合物は液相となった溶媒に全て融ける。例えば、いったん1400℃に昇温したとしても、溶融工程自体は昇温の途中で為されることになる。   When the Ce compound and the Lu compound were mixed with the solvent and heated to a temperature above 1350 ° C. and below the boiling point of lutetium borate, the compound became a liquid phase when passing through a temperature of 500 ° C. to 1350 ° C. All melts in solvent. For example, even if the temperature is raised to 1400 ° C., the melting process itself is performed during the temperature increase.

(2)、冷却
続いて、上記溶融溶解物を、上記保持温度(800℃以上1350℃以下)から、750℃以上1350℃未満の上記保持温度より低い温度まで(前記温度範囲を以下第1徐冷温度領域と称する)、好ましくは0.001℃/時間以上5℃/時間以下で徐冷することが好ましく、0.003℃/時間以上2℃/時間以下で徐冷することがより好ましい。最初の冷却段階をこのような低い速度でゆっくりと徐冷することにより、析出する結晶を大きく成長させることができる。途中結晶を大きく成長させる為に800℃以上1350℃未満の温度範囲内で30分以上温度を保持してもよい。また、結晶をより大きく成長させるという観点から、第1徐冷温度領域では、比較的低い冷却速度から比較的高い冷却速度へと、いくつかの段階に分けて徐冷することが望ましい。
(2) Cooling Subsequently, the molten solution is cooled from the holding temperature (800 ° C. or higher to 1350 ° C. or lower) to a temperature lower than the holding temperature of 750 ° C. or higher and lower than 1350 ° C. (Referred to as a cold temperature region), preferably from 0.001 ° C./hour to 5 ° C./hour, and more preferably from 0.003 ° C./hour to 2 ° C./hour. By slowly cooling the initial cooling stage at such a low rate, the precipitated crystals can be grown greatly. The temperature may be maintained for 30 minutes or longer within a temperature range of 800 ° C. or higher and lower than 1350 ° C. in order to grow crystals greatly. In addition, from the viewpoint of growing crystals larger, it is desirable that the first slow cooling temperature region is gradually cooled in several stages from a relatively low cooling rate to a relatively high cooling rate.

第1徐冷温度領域での徐冷の後、さらに、溶融溶解物の温度が500℃以上800℃以下の温度に達するまで(前記温度範囲を以下第2徐冷温度領域と称する)、0.01℃/時間以上、30℃/時間以下、好ましくは0.1℃/時間以上、20℃/時間以下の降温速度で徐冷してもよい。上記徐冷終了後(第1徐冷温度領域での徐冷終了後、または、第1徐冷温度領域での徐冷+第2徐冷温度領域での徐冷終了後)は、50℃/時間〜300℃/時間の比較的高い降温速度で冷却を行っても良い。   After the slow cooling in the first slow cooling temperature region, further until the temperature of the molten solution reaches a temperature of 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower (the temperature range is hereinafter referred to as a second slow cooling temperature region). It may be gradually cooled at a temperature decreasing rate of 01 ° C / hour or more and 30 ° C / hour or less, preferably 0.1 ° C / hour or more and 20 ° C / hour or less. After completion of the slow cooling (after completion of slow cooling in the first slow cooling temperature region or after completion of slow cooling in the first slow cooling temperature region + second slow cooling temperature region) Cooling may be performed at a relatively high temperature decrease rate of time to 300 ° C./hour.

このような温度制御は、上記溶融溶解物全体を同一温度に制御することに限定されるものではなく、溶融溶解物全体のうち少なくとも結晶を析出させる部分のみ上記温度に制御されていればよい。成長する結晶の大きさを制御する等の目的で、溶融溶解物の温度を部分的に異なる温度で制御してもよい。例えば、結晶を成長させる部分は上記温度範囲に制御し、結晶を析出させたくないその他の部分はそれよりも高い温度に制御することで、大きな結晶を形成することができる。また後述のTSSG法等種子材料等を用いる方法においても、坩堝内の溶融溶解物全体ではなく当該種子材料等のみを温度制御するようにしてもよい。   Such temperature control is not limited to controlling the entire melt and melt at the same temperature, and it is only necessary to control at least the portion of the entire melt that precipitates crystals. For the purpose of controlling the size of the crystal to grow, the temperature of the molten solution may be controlled at partially different temperatures. For example, a large crystal can be formed by controlling the portion where the crystal is grown within the above temperature range and controlling the other portion where the crystal is not desired to be precipitated at a higher temperature. Also in a method using a seed material or the like such as a TSSG method to be described later, the temperature of only the seed material or the like may be controlled instead of the entire melted melt in the crucible.

坩堝中の単結晶や坩堝から取り出した単結晶には、固化した溶媒が付着しているため、塩酸、酢酸、硝酸またはこれらの水溶液などに単結晶を浸漬することにより、溶媒からセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶を分離して取り出すことができる。この分離を行う前に500℃以上700℃以下の温度に再加熱することにより、溶融した溶媒を流し出しても良い。また、単結晶を析出成長させるための冷却途中において、上記混合物の温度を500℃以上700℃以下の温度(例えば550℃)で数時間(例えば5時間)保持した後取り出し、溶融している溶媒を流しだしてもよい。   Since the solid crystal is attached to the single crystal in the crucible or the single crystal taken out from the crucible, the cerium-activated boric acid is removed from the solvent by immersing the single crystal in hydrochloric acid, acetic acid, nitric acid or an aqueous solution thereof. The lutetium single crystal can be separated and taken out. Before the separation, the molten solvent may be poured out by reheating to a temperature of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. In the course of cooling to precipitate and grow a single crystal, the temperature of the mixture is kept at a temperature of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower (for example, 550 ° C.) for several hours (for example, 5 hours), and then taken out and melted. You may start flowing out.

[結晶成長法]
具体的な結晶成長法としては、フラックス法(徐冷法,温度差法)、ブリッジマン法、TSSG(Top Seeded Solution Growth)法などが挙げられる。TSSG法によれば、大きな結晶を育成することができ、さらに育成した結晶と溶液との分離が容易になる。以下、TSSG法による結晶育成の具体例について図2を参照して説明する。
[Crystal growth method]
Specific examples of the crystal growth method include a flux method (slow cooling method, temperature difference method), a Bridgman method, and a TSSG (Top Seed Solution Growth) method. According to the TSSG method, a large crystal can be grown, and the grown crystal and the solution can be easily separated. Hereinafter, a specific example of crystal growth by the TSSG method will be described with reference to FIG.

図2にTSSG法による結晶育成装置を示す。図2の装置はヒータ2によって温度制御可能な電気炉3を有しており、電気炉3内の坩堝台4´上に原料溶液7を入れた白金製の坩堝1を設置している。このような構成の装置において、坩堝1に調整された原料を入れ、ヒータ2を加熱することで原料を溶解する。引上げ軸5の先端に取り付けられた種子材料6を原料溶液7に接触させ、そのまま保持、あるいは引上げながら結晶を育成する。種子材料6としては、育成しようとする結晶と同一種の結晶を用いるのが一般的でありかつ望ましいが、原料溶液7に溶解しにくい異種の結晶や、白金等も種子材料6としてよく用いられる。   FIG. 2 shows a crystal growth apparatus using the TSSG method. The apparatus of FIG. 2 has an electric furnace 3 whose temperature can be controlled by a heater 2, and a platinum crucible 1 in which a raw material solution 7 is placed on a crucible base 4 ′ in the electric furnace 3 is installed. In the apparatus having such a configuration, the adjusted raw material is put into the crucible 1 and the heater 2 is heated to melt the raw material. The seed material 6 attached to the tip of the pulling shaft 5 is brought into contact with the raw material solution 7, and the crystal is grown while being held or pulled as it is. As the seed material 6, it is common and desirable to use the same type of crystal as the crystal to be grown. However, a different kind of crystal that is difficult to dissolve in the raw material solution 7, platinum, or the like is often used as the seed material 6. .

また、大型の結晶を育成するためには、坩堝を大型化する必要がある。一方で、大型の坩堝を用いる場合、溶液中に意図しない温度分布や濃度分布が生じやすくなる可能性がある。このような環境下では、品質の良い結晶を再現よく育成することは困難である。このような問題を解決し、常に育成に適した溶液を維持するためには、溶液を撹拌しながら結晶育成を行うことが好ましい。   In order to grow a large crystal, it is necessary to enlarge the crucible. On the other hand, when a large crucible is used, an unintended temperature distribution or concentration distribution may easily occur in the solution. Under such an environment, it is difficult to reproducibly grow high quality crystals. In order to solve such problems and always maintain a solution suitable for growth, it is preferable to perform crystal growth while stirring the solution.

上記製造方法により得られるセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶は、発光波長ピークにおける透過率が40%以上、無色透明の六角板状単結晶であり着色するような不純物の混入が認められず、カルサイト構造を有している。X線励起での発光は、ピーク波長が365nm〜410nm、同一体積のBGOに対して約350%以上の高い発光量を有している。また、137Cs線源からのγ線励起発光による蛍光減衰時間は25nsec以下と、BGOの300nsecに対して非常に速い特性を有している。 The cerium-activated lutetium borate single crystal obtained by the above production method is a colorless and transparent hexagonal plate-like single crystal having a transmittance of 40% or more at an emission wavelength peak, and no contamination of coloring impurities is observed. It has a structure. The light emission by X-ray excitation has a high emission amount of about 350% or more with respect to BGO having a peak wavelength of 365 nm to 410 nm and the same volume. In addition, the fluorescence decay time due to the γ-ray excited emission from the 137 Cs radiation source is 25 nsec or less, which is very fast with respect to 300 nsec of BGO.

本発明による他の単結晶シンチレータ材料の製造方法は、Pbと、Li、Na、K、Rb、Csからなる群から選ばれる少なくとも1種と、Wおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有する溶媒を用意する工程と、
Ce化合物およびLu化合物を前記溶媒と混合し、組成式(CeLu1−x)BOで表されて0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶が、高温バテライト相からカルサイト相への著しい体積変化を伴う相転移を冷却の過程で生じない温度で加熱して前記化合物を溶融させる工程と、
溶融した前記化合物を冷却することにより、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶を析出成長させる工程と、を含む。
Another method for producing a single crystal scintillator material according to the present invention contains Pb, at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, W and / or Mo, and B and oxygen. Preparing a solvent to be used;
A Ce compound and a Lu compound were mixed with the solvent, and a single crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and satisfying 0.0001 ≦ x ≦ 0.05 was obtained from the high-temperature vaterite phase. Heating the compound at a temperature that does not cause a phase transition with a significant volume change to the phase during the cooling process; and
By cooling the molten compound, a single crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and having a Ce composition ratio x satisfying 0.0001 ≦ x ≦ 0.05 is precipitated and grown. And a process.

相転移点が1350℃にあることは先に述べたが、溶融した化合物及び溶媒に雰囲気から印加される圧力を常圧から変えると、相転移の温度が1350℃からシフトする。また、溶融した化合物及び溶媒に電場を印加しても、相転移の温度が1350℃からシフトする。これらの場合には、析出成長させるときの温度はシフトした相転移点以下にする。   As described above, the phase transition point is 1350 ° C. However, when the pressure applied from the atmosphere to the molten compound and solvent is changed from normal pressure, the phase transition temperature shifts from 1350 ° C. Even when an electric field is applied to the molten compound and solvent, the phase transition temperature shifts from 1350 ° C. In these cases, the temperature for precipitation growth is set to a temperature lower than the shifted phase transition point.

(実施例1)
本実施例では、図2に示す装置を用いてTSSG法により結晶体を成長させた。直径75mm、深さ75mmの白金坩堝を用意し、NaCO:174.21g、LiCO:122.44g、WO:508.09g、PbO:193.86g、BaCO:1.94g、B:107.57g、Lu:40.53g、CeO:0.106gを秤量した。その後、乳鉢にて混合し、上記坩堝内に充填した。この坩堝1を、その周囲に配置されたヒータ2により温度制御して、図3に示すヒートパターンで結晶を育成した。図3の縦軸は温度、横軸は時間である。保持過程の途中或いは冷却過程の途中は記載を省略している。
Example 1
In this example, a crystal was grown by the TSSG method using the apparatus shown in FIG. A platinum crucible having a diameter of 75 mm and a depth of 75 mm was prepared, Na 2 CO 3 : 174.21 g, Li 2 CO 3 : 122.44 g, WO 3 : 508.09 g, PbO: 193.86 g, BaCO 3 : 1.94 g. , B 2 O 3 : 107.57 g, Lu 2 O 3 : 40.53 g, CeO 2 : 0.106 g were weighed. Then, it mixed with the mortar and filled in the said crucible. The temperature of the crucible 1 was controlled by a heater 2 disposed around the crucible 1, and crystals were grown with the heat pattern shown in FIG. The vertical axis in FIG. 3 is temperature, and the horizontal axis is time. The description is omitted during the holding process or during the cooling process.

本実施例では、図3からわかるように、150℃/Hrで1150℃まで昇温させた。1150℃で24時間保持した後、25℃/Hrで1021℃まで降温させた。2時間保持した後、坩堝と同じタイミングで、坩堝と回転方向が反対になるように30rpmで回転させた引上げ軸5の先端に取り付けた種子材料6(幅5mm、厚さ1mmのホウ酸ルテチウム結晶)を、坩堝上部から降下して溶液表面に接触させた。その状態でさらに2時間保持し、ついで0.05℃/Hrで1000℃まで降温させた後、引上げ軸5を上昇させて白金板を溶液表面から離した後、200℃/Hrで降温を続けた。種子材料の先端には目的とするセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶が成長した。冷却後、成長結晶を水及び酢酸によって洗浄して付着している溶媒を除去し、結晶体を取り出した。   In this example, as can be seen from FIG. 3, the temperature was raised to 1150 ° C. at 150 ° C./Hr. After maintaining at 1150 ° C. for 24 hours, the temperature was lowered to 1021 ° C. at 25 ° C./Hr. After holding for 2 hours, at the same timing as the crucible, the seed material 6 (5 mm wide, 1 mm thick lutetium borate crystal attached to the tip of the pulling shaft 5 rotated at 30 rpm so that the rotation direction is opposite to that of the crucible ) Was lowered from the top of the crucible and brought into contact with the solution surface. In this state, the temperature is further maintained for 2 hours, and then the temperature is lowered to 0.05 ° C./1000° C., then the pulling shaft 5 is raised to separate the platinum plate from the solution surface, and then the temperature is continuously lowered at 200 ° C./Hr. It was. The target cerium-activated lutetium borate single crystal grew on the tip of the seed material. After cooling, the grown crystal was washed with water and acetic acid to remove the attached solvent, and the crystal was taken out.

図4は、得られた結晶体を示す写真である。図4では、結晶の大きさを示すためのグリッドと一緒に結晶を斜め上から撮影した。方眼紙のグリッドの間隔(マス目の大きさ)は1mmである。引上げ軸の先端に支持された種子材料には、結晶体が成長した。結晶体の右下の部分は透明になっており、グリッドの一部が透けて見える。   FIG. 4 is a photograph showing the obtained crystal. In FIG. 4, the crystal was photographed obliquely from above with a grid for indicating the size of the crystal. The grid interval of the graph paper (the size of the squares) is 1 mm. Crystals grew on the seed material supported at the tip of the pulling shaft. The lower right part of the crystal is transparent, and part of the grid can be seen through.

得られた結晶体についてX線回折装置による測定を行った結果、結晶体がLuBOのカルサイト構造を有していることを確認した。バテライト構造等の他の相は含まれていなかった。また、得られた結晶体の希土類全体に対するCe濃度を電子線マイクロアナライザ(EPMA)により測定したところ、0.1at%以上であることを確認した。すなわち、組成式(CeLu1−x)BOにおけるCeの組成比率xは、0.001以上であり、0.0001≦x≦0.05の関係を満足していた。またPbの含有量をICP発光分光分析で測定したところ、質量比率で100ppm以下であった。 As a result of measuring the obtained crystal with an X-ray diffractometer, it was confirmed that the crystal had a LuBO 3 calcite structure. Other phases such as the vaterite structure were not included. Moreover, when the Ce density | concentration with respect to the whole rare earth of the obtained crystal | crystallization was measured with the electron beam microanalyzer (EPMA), it confirmed that it was 0.1 at% or more. That is, the composition ratio x of Ce in the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 was 0.001 or more, and the relationship of 0.0001 ≦ x ≦ 0.05 was satisfied. Further, when the content of Pb was measured by ICP emission spectroscopic analysis, it was 100 ppm or less by mass ratio.

図5は、得られた結晶から透明部分のみを切り出し、2mm角×厚み0.7mmの矩形に加工した試料に、BaSO製の反射材を形成し、137Cs線源からのγ線励起によって発光させた、γ線励起発光スペクトルを示すグラフである。このグラフは、結晶体の発光出力を光電子増倍管(PMT)で検出し、マルチチャンネルアナライザで計測した波高分布である。横軸のChannelは、発光の強さを表し、数字が大きいほど、発光が強いことを示す。各Channelに対応するカウント数(Count)を縦軸に示す。図5からわかるように、γ線励起により発光ピークが確認できており、PET用シンチレータ材料として好適に用いることができることが示された。 FIG. 5 shows a case in which only a transparent portion is cut out from the obtained crystal, a BaSO 4 reflective material is formed on a sample processed into a 2 mm square × 0.7 mm thick rectangle, and excited by γ-ray excitation from a 137 Cs radiation source. It is a graph which shows the gamma ray excitation luminescence spectrum made to light-emit. This graph shows the wave height distribution obtained by detecting the light emission output of the crystal with a photomultiplier tube (PMT) and measuring with a multichannel analyzer. Channel on the horizontal axis represents the intensity of light emission. The larger the number, the stronger the light emission. The number of counts (Count) corresponding to each channel is shown on the vertical axis. As can be seen from FIG. 5, the emission peak was confirmed by γ-ray excitation, indicating that it can be suitably used as a scintillator material for PET.

(比較例1)
本比較例では、図6に示す装置を用いてTSSG法により結晶体を成長させた。直径50mm、深さ47mmの白金製の坩堝1を用意し、PbO:130g、B:18g、Lu:10g、BaCO:1.0g、CeO:0.1gを秤量した。その後、乳鉢にて混合し、上記坩堝内に充填した。この坩堝1を、その周囲に配置されたヒータ2により温度制御して、図7に示すヒートパターンで結晶を育成した。図7の縦軸は温度、横軸は時間である。冷却過程の途中は記載を省略している。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, a crystal was grown by the TSSG method using the apparatus shown in FIG. A platinum crucible 1 having a diameter of 50 mm and a depth of 47 mm was prepared, and PbO: 130 g, B 2 O 3 : 18 g, Lu 2 O 3 : 10 g, BaCO 3 : 1.0 g, and CeO 2 : 0.1 g were weighed. . Then, it mixed with the mortar and filled in the said crucible. The temperature of the crucible 1 was controlled by a heater 2 disposed around the crucible 1, and crystals were grown with the heat pattern shown in FIG. In FIG. 7, the vertical axis represents temperature, and the horizontal axis represents time. The description is omitted during the cooling process.

本比較例では、図7からわかるように、まず50℃/Hrで500℃まで昇温させ、次に87.5℃/Hrで850℃まで昇温させたあと、更に150℃/Hrで1150℃まで昇温した。1150℃で8時間保持した後、30rpmで回転させた引上げ軸5の先端に取り付けた種子材料6(幅5mm、厚さ0.5mmの白金板)を、坩堝上部から降下して溶液表面に接触させた。その状態でさらに6時間保持した後1℃/Hrで940℃まで降温させた後、引上げ軸5を上昇させて白金板を溶液表面から離した後、200℃/Hrで降温を続けた。   In this comparative example, as can be seen from FIG. 7, the temperature was first raised to 500 ° C. at 50 ° C./Hr, then raised to 850 ° C. at 87.5 ° C./Hr, and then 1150 at 150 ° C./Hr. The temperature was raised to ° C. After holding at 1150 ° C. for 8 hours, the seed material 6 (platinum plate having a width of 5 mm and a thickness of 0.5 mm) attached to the tip of the pulling shaft 5 rotated at 30 rpm is lowered from the upper part of the crucible and comes into contact with the solution surface I let you. After maintaining for 6 hours in that state, the temperature was lowered to 940 ° C. at 1 ° C./Hr, and then the pulling shaft 5 was raised to separate the platinum plate from the solution surface, and then the temperature was continuously lowered at 200 ° C./Hr.

溶液に接触させていた白金板の先端には、組成式(CeLu1−x)BOで表される結晶体が成長した。冷却後、白金板と成長結晶を塩酸によって洗浄して付着している溶媒を除去し、結晶体を取り出した。 A crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 grew on the tip of the platinum plate that had been in contact with the solution. After cooling, the platinum plate and the grown crystal were washed with hydrochloric acid to remove the attached solvent, and the crystal was taken out.

得られた結晶体についてX線回折装置による測定を行った結果、結晶体がLuBOのカルサイト構造を有していることを確認した。また、得られた結晶体の希土類全体に対するCe濃度を電子線マイクロアナライザ(EPMA)により測定したところ、すべての領域で0.05at%以上であることを確認した。すなわち、組成式(CeLu1−x)BOにおけるCeの組成比率xは、0.0005であり、0.0001≦x≦0.05の関係を満足していた。またPbの含有量をICP発光分光分析で測定したところ、質量比率で400ppmであった。 As a result of measuring the obtained crystal with an X-ray diffractometer, it was confirmed that the crystal had a LuBO 3 calcite structure. Moreover, when the Ce concentration with respect to the whole rare earth of the obtained crystal | crystallization was measured with the electron beam microanalyzer (EPMA), it confirmed that it was 0.05 at% or more in all the area | regions. That is, the composition ratio x of Ce in the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 was 0.0005, which satisfied the relationship of 0.0001 ≦ x ≦ 0.05. Moreover, when the content of Pb was measured by ICP emission spectroscopic analysis, it was 400 ppm by mass ratio.

更に、CuKα線源からのX線励起によって比較例の結晶体を発光させたところ、発光のピーク波長は365nmであった。また、図1には、実施例1と同様の方法で透過率を測定した結果が示されている。波長280nmの透過率は0%であり、短波長側で透過率が低下していることが確認された。条件を変えて作製しても、透過率は5%未満と低い値であった。   Furthermore, when the crystal of the comparative example was caused to emit light by X-ray excitation from a CuKα radiation source, the peak wavelength of light emission was 365 nm. FIG. 1 shows the result of measuring the transmittance by the same method as in Example 1. The transmittance at a wavelength of 280 nm was 0%, and it was confirmed that the transmittance decreased on the short wavelength side. Even when the conditions were changed, the transmittance was a low value of less than 5%.

以降に説明する実施例は、ホウ酸鉛溶媒Aと非鉛系溶媒Bを所定比率で混合し、フラックス法(徐冷法)により成長させた結晶を用いて、CuKα線源からのX線励起による発光量のホウ酸鉛溶媒A比率依存性を調べたものである。
ここで、ホウ酸鉛溶媒Aは、PbO換算で70.8mol%のPbと、B2O3換算で28.4mol%のホウ素と、BaO換算で0.8mol%のBaからなる。非鉛系溶媒Bは、NaO換算で25.0mol%のNaと、LiO換算で25.0mol%のLiと、WO換算で33.3mol%のWと、B換算で16.7mol%のホウ素からなる。
In the examples described below, light emission by X-ray excitation from a CuKα radiation source using crystals grown by a flux method (slow cooling method) in which a lead borate solvent A and a non-lead solvent B are mixed at a predetermined ratio. The amount dependency of the lead borate solvent A ratio on the amount was investigated.
Here, the lead borate solvent A is composed of 70.8 mol% Pb in terms of PbO, 28.4 mol% boron in terms of B2O3, and 0.8 mol% Ba in terms of BaO. Lead-free solvent B, and 25.0 mol% of Na in terms of Na 2 O, and 25.0 mol% of Li in Li 2 O in terms, and 33.3 mol% of W in terms of WO 3, B 2 O 3 in terms of 16.7 mol% boron.

(実施例2)
本実施例は、ホウ酸鉛溶媒Aを10重量%と、非鉛系溶媒Bを90重量%を混合したものである。直径44mm、深さ47mmの白金坩堝を用意し、NaCO:17.82g、LiCO:12.42g、WO:51.96g、PbO:8.81g、B:9.53g、Lu:3.62g、CeO:0.009gを秤量した。その後、乳鉢にて混合し、上記坩堝内に充填した。この坩堝を、その周囲に配置されたヒータにより温度制御して、図8に示すヒートパターンで結晶を育成した。図8の縦軸は温度、横軸は時間である。冷却過程の途中は記載を省略している。本実施例では、図8からわかるように、まず100℃/Hrで400℃まで昇温させ、次に50℃/Hrで600℃まで昇温させたあと、更に25℃/Hrで700℃まで昇温し、300℃/Hrで1300℃まで昇温した。その後1300℃で保持せず2℃/Hrで900℃まで降温させ、その後は43.8℃/Hrで降温を続けた。
(Example 2)
In this example, 10% by weight of lead borate solvent A and 90% by weight of non-lead solvent B are mixed. A platinum crucible having a diameter of 44 mm and a depth of 47 mm was prepared. Na 2 CO 3 : 17.82 g, Li 2 CO 3 : 12.42 g, WO 3 : 51.96 g, PbO: 8.81 g, B 2 O 3 : 9 0.53 g, Lu 2 O 3 : 3.62 g, CeO 2 : 0.009 g were weighed. Then, it mixed with the mortar and filled in the said crucible. The temperature of this crucible was controlled by a heater arranged around the crucible, and crystals were grown in a heat pattern shown in FIG. The vertical axis in FIG. 8 is temperature, and the horizontal axis is time. The description is omitted during the cooling process. In this example, as can be seen from FIG. 8, the temperature is first raised to 400 ° C. at 100 ° C./Hr, then raised to 600 ° C. at 50 ° C./Hr, and further up to 700 ° C. at 25 ° C./Hr. The temperature was raised to 1300 ° C. at 300 ° C./Hr. Thereafter, the temperature was not maintained at 1300 ° C., and the temperature was decreased to 900 ° C. at 2 ° C./Hr, and then the temperature was continuously decreased at 43.8 ° C./Hr.

1300℃付近の温度で溶融溶解した混合物からは、冷却により組成式(CeLu1−x)BOで表される結晶体が成長した。
冷却後、坩堝内の固化物を水および酢酸水溶液で洗浄することで溶媒成分を除去し、坩堝内に残った結晶体を取り出した。実施例1と同様の測定を行ったところ、この結晶はカルサイト構造を有していた。バテライト構造等の他の相は含まれていなかった。この結晶の組成式(CeLu1−x)BOにおけるCeの組成比率xは、0.001であり、Pbの含有量は質量比率で100ppm以下であった。
From the mixture melt-dissolved at a temperature around 1300 ° C., a crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 grew by cooling.
After cooling, the solidified material in the crucible was washed with water and an aqueous acetic acid solution to remove the solvent component, and the crystal body remaining in the crucible was taken out. When the same measurement as in Example 1 was performed, the crystal had a calcite structure. Other phases such as the vaterite structure were not included. The composition ratio x of Ce in the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 of this crystal was 0.001, and the content of Pb was 100 ppm or less by mass ratio.

(実施例3)
本実施例は、ホウ酸鉛溶媒Aを20重量%と、非鉛系溶媒Bを80重量%を混合したものである。直径44mm、深さ47mmの白金坩堝を用意し、NaCO:15.84g、LiCO:11.04g、WO:46.19g、PbO:17.62g、B:9.78g、Lu:3.69g、CeO:0.010gを秤量した。その後、乳鉢にて混合し、上記坩堝内に充填した。この坩堝を、その周囲に配置されたヒータにより温度制御して、図8に示すヒートパターンで結晶を育成した。図8の縦軸は温度、横軸は時間である。冷却過程の途中は記載を省略している。本実施例では、図8からわかるように、まず100℃/Hrで400℃まで昇温させ、次に50℃/Hrで600℃まで昇温させたあと、更に25℃/Hrで700℃まで昇温し、300℃/Hrで1300℃まで昇温した。その後1300℃で保持せず2℃/Hrで900℃まで降温させ、その後は43.8℃/Hrで降温を続けた。
(Example 3)
In this example, 20% by weight of lead borate solvent A and 80% by weight of non-lead solvent B are mixed. A platinum crucible having a diameter of 44 mm and a depth of 47 mm was prepared. Na 2 CO 3 : 15.84 g, Li 2 CO 3 : 11.04 g, WO 3 : 46.19 g, PbO: 17.62 g, B 2 O 3 : 9 0.78 g, Lu 2 O 3 : 3.69 g, CeO 2 : 0.010 g were weighed. Then, it mixed with the mortar and filled in the said crucible. The temperature of this crucible was controlled by a heater arranged around the crucible, and crystals were grown in a heat pattern shown in FIG. The vertical axis in FIG. 8 is temperature, and the horizontal axis is time. The description is omitted during the cooling process. In this example, as can be seen from FIG. 8, the temperature is first raised to 400 ° C. at 100 ° C./Hr, then raised to 600 ° C. at 50 ° C./Hr, and further up to 700 ° C. at 25 ° C./Hr. The temperature was raised to 1300 ° C. at 300 ° C./Hr. Thereafter, the temperature was not maintained at 1300 ° C., and the temperature was decreased to 900 ° C. at 2 ° C./Hr, and then the temperature was continuously decreased at 43.8 ° C./Hr.

1300℃付近の温度で溶融溶解した混合物からは、冷却により組成式(CeLu1−x)BOで表される結晶体が成長した。
冷却後、坩堝内の固化物を水および酢酸水溶液で洗浄することで溶媒成分を除去し、坩堝内に残った結晶体を取り出した。実施例1と同様の測定を行ったところ、この結晶はカルサイト構造を有していた。バテライト構造等の他の相は含まれていなかった。この結晶の組成式(CeLu1−x)BOにおけるCeの組成比率xは、0.001であり、Pbの含有量は質量比率で100ppm以下であった。
From the mixture melt-dissolved at a temperature around 1300 ° C., a crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 grew by cooling.
After cooling, the solidified material in the crucible was washed with water and an aqueous acetic acid solution to remove the solvent component, and the crystal body remaining in the crucible was taken out. When the same measurement as in Example 1 was performed, the crystal had a calcite structure. Other phases such as the vaterite structure were not included. The composition ratio x of Ce in the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 of this crystal was 0.001, and the content of Pb was 100 ppm or less by mass ratio.

(実施例4)
本参考例は、ホウ酸鉛溶媒Aを50重量%と、非鉛系溶媒Bを50重量%を混合したものである。直径44mm、深さ47mmの白金坩堝を用意し、NaCO:9.90g、LiCO:6.90g、WO:28.87g、PbO:44.06g、B:10.52g、Lu:3.90g、CeO:0.010gを秤量した。その後、乳鉢にて混合し、上記坩堝内に充填した。この坩堝を、その周囲に配置されたヒータにより温度制御して、図8に示すヒートパターンで結晶を育成した。図8の縦軸は温度、横軸は時間である。冷却過程の途中は記載を省略している。本実施例では、図8からわかるように、まず100℃/Hrで400℃まで昇温させ、次に50℃/Hrで600℃まで昇温させたあと、更に25℃/Hrで700℃まで昇温し、300℃/Hrで1300℃まで昇温した。その後1300℃で保持せず2℃/Hrで900℃まで降温させ、その後は43.8℃/Hrで降温を続けた。
Example 4
In this reference example, 50% by weight of lead borate solvent A and 50% by weight of non-lead solvent B are mixed. A platinum crucible having a diameter of 44 mm and a depth of 47 mm was prepared. Na 2 CO 3 : 9.90 g, Li 2 CO 3 : 6.90 g, WO 3 : 28.87 g, PbO: 44.06 g, B 2 O 3 : 10 0.52 g, Lu 2 O 3 : 3.90 g, CeO 2 : 0.010 g were weighed. Then, it mixed with the mortar and filled in the said crucible. The temperature of this crucible was controlled by a heater arranged around the crucible, and crystals were grown in a heat pattern shown in FIG. The vertical axis in FIG. 8 is temperature, and the horizontal axis is time. The description is omitted during the cooling process. In this example, as can be seen from FIG. 8, the temperature is first raised to 400 ° C. at 100 ° C./Hr, then raised to 600 ° C. at 50 ° C./Hr, and further up to 700 ° C. at 25 ° C./Hr. The temperature was raised to 1300 ° C. at 300 ° C./Hr. Thereafter, the temperature was not maintained at 1300 ° C., and the temperature was decreased to 900 ° C. at 2 ° C./Hr, and then the temperature was continuously decreased at 43.8 ° C./Hr.

1300℃付近の温度で溶融溶解した混合物からは、冷却により組成式(CeLu1−x)BOで表される結晶体が成長した。
冷却後、坩堝内の固化物を水および酢酸水溶液で洗浄することで溶媒成分を除去し、坩堝内に残った結晶体を取り出した。実施例1と同様の測定を行ったところ、この結晶はカルサイト構造を有していた。バテライト構造等の他の相は含まれていなかった。この結晶の組成式(CeLu1−x)BOにおけるCeの組成比率xは、0.001であり、Pbの含有量は質量比率で100ppm以下であった。
From the mixture melt-dissolved at a temperature around 1300 ° C., a crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 grew by cooling.
After cooling, the solidified material in the crucible was washed with water and an aqueous acetic acid solution to remove the solvent component, and the crystal body remaining in the crucible was taken out. When the same measurement as in Example 1 was performed, the crystal had a calcite structure. Other phases such as the vaterite structure were not included. The composition ratio x of Ce in the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 of this crystal was 0.001, and the content of Pb was 100 ppm or less by mass ratio.

図9は、実施例2、実施例3および実施例4で育成した結晶の、CuKα線源からのX線励起による発光量のホウ酸鉛溶媒A比率依存性を示すグラフである。
図9を見るとわかるように、ホウ酸鉛溶媒A比率が50重量%である実施例4と比べて、ホウ酸鉛溶媒A比率が20重量%である実施例3の方が高い発光量を示している。また、ホウ酸鉛溶媒A比率が20重量%である実施例3と比べて、ホウ酸鉛溶媒A比率が10重量%である実施例2の方が高い発光量を示している。
このことから、ホウ酸鉛溶媒Aの比率が少ないほど、すなわち非鉛系溶媒Bの比率が多いほど、育成結晶中へ発光量を低下させる溶媒成分が混入しにくく、高い発光量が得られやすいことを示している。
FIG. 9 is a graph showing the dependence of the amount of luminescence by the X-ray excitation from the CuKα radiation source on the lead borate solvent A ratio in the crystals grown in Example 2, Example 3 and Example 4.
As can be seen from FIG. 9, compared to Example 4 in which the lead borate solvent A ratio is 50% by weight, Example 3 in which the lead borate solvent A ratio is 20% by weight has a higher light emission amount. Show. Moreover, compared with Example 3 in which the lead borate solvent A ratio is 20% by weight, Example 2 in which the lead borate solvent A ratio is 10% by weight shows a higher light emission amount.
From this fact, the smaller the ratio of the lead borate solvent A, that is, the greater the ratio of the non-lead solvent B, the less the solvent component that reduces the light emission amount is mixed into the grown crystal, and the higher the light emission amount is likely to be obtained. It is shown that.

図10は、本発明によるシンチレータアレイの構成例を示す斜視図である。この図に示される構成例において、複数本の棒形状のシンチレータ結晶11は、反射材を介してグリッド状(碁盤の目状)に配置されている。各シンチレータ結晶11は、本発明の単結晶シンチレータ材料である。
隣接するシンチレータ結晶11の間(ギャップ)は反射材12で埋められており、シンチレータアレイの外周部にも反射材12が配置されている。反射材12は、γ線を透過するが、シンチレータ結晶11から発せられる光の波長において高い反射率を有する材料から形成されている。
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration example of a scintillator array according to the present invention. In the configuration example shown in this figure, a plurality of bar-shaped scintillator crystals 11 are arranged in a grid (a grid pattern) via a reflector. Each scintillator crystal 11 is a single crystal scintillator material of the present invention.
A space (gap) between adjacent scintillator crystals 11 is filled with a reflective material 12, and the reflective material 12 is also disposed on the outer periphery of the scintillator array. The reflector 12 is made of a material that transmits γ rays but has a high reflectance at the wavelength of light emitted from the scintillator crystal 11.

このシンチレータアレイでは、外周面のうち、5つの面が反射材12で覆われているが、1面のみが反射材12で覆われておらず、露出している。より詳細には、シンチレータ結晶11の一端面は反射材12に覆われておらず、この端面から光を外部に放出することができる。   In this scintillator array, five of the outer peripheral surfaces are covered with the reflecting material 12, but only one surface is not covered with the reflecting material 12, but is exposed. More specifically, one end surface of the scintillator crystal 11 is not covered with the reflector 12, and light can be emitted to the outside from this end surface.

図11は、本発明による放射線検出器の構成例を示す断面図である。この放射線検出器は、本発明による単結晶シンチレータ材料と、単結晶シンチレータ材料からの発光を検出する公知の検出器とを備えている。図示される放射線検出器では、図10に示すシンチレータ結晶11のアレイと、光電子増倍管13とを備えている。具体的には、シンチレータ結晶11の端面と光電子増倍管13の受光側の面が光学的に結合されるように、光学グリス14を介して、シンチレータアレイと光電子増倍管13とが接合されている。シンチレータ結晶11は、γ線15が入射する側で、反射材12に被覆されている。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example of a radiation detector according to the present invention. This radiation detector includes a single crystal scintillator material according to the present invention and a known detector that detects light emission from the single crystal scintillator material. The illustrated radiation detector includes an array of scintillator crystals 11 shown in FIG. 10 and a photomultiplier tube 13. Specifically, the scintillator array and the photomultiplier tube 13 are joined via the optical grease 14 so that the end face of the scintillator crystal 11 and the light receiving side surface of the photomultiplier tube 13 are optically coupled. ing. The scintillator crystal 11 is covered with the reflective material 12 on the side on which the γ rays 15 are incident.

図12は、本発明によるPET装置の構成例を示す図である。リングを為すように、複数の放射線検出器が配列されている。各放射線検出器は、図11に示す構成を有している。
リングの内周には、反射材で被覆されたシンチレータ結晶11が並べられている。リングの外周には、光電子増倍管13が並べられている。リングの中心付近には、被検者16が待機する。被検者16には、陽電子を放出する放射性同位元素で標識された薬剤が投与されている。
γ線15は、被検者16の患部で陽電子消滅によって一対生成され、2つの方向に放出される。γ線15は、シンチレータ結晶11によって光に変換される。その光は光電子増倍管13で増幅され、光電子倍増管13が出力する電気信号によって検出される。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of a PET apparatus according to the present invention. A plurality of radiation detectors are arranged so as to form a ring. Each radiation detector has the configuration shown in FIG.
On the inner periphery of the ring, scintillator crystals 11 coated with a reflecting material are arranged. Photomultiplier tubes 13 are arranged on the outer periphery of the ring. A subject 16 stands by near the center of the ring. The subject 16 is administered a drug labeled with a radioisotope that emits positrons.
A pair of γ rays 15 are generated by positron annihilation at the affected part of the subject 16 and emitted in two directions. The γ-ray 15 is converted into light by the scintillator crystal 11. The light is amplified by the photomultiplier tube 13 and detected by an electric signal output from the photomultiplier tube 13.

本発明の製造方法により得られたセリウム賦活ホウ酸ルテチウム単結晶シンチレータ材料は、従来のシンチレータ用単結晶材料よりも発光量が大きく、優れたシンチレータ特性を有しているため、PET装置を好適に用いられ得る。   The cerium-activated lutetium borate single crystal scintillator material obtained by the production method of the present invention has a larger amount of light emission than conventional single crystal materials for scintillators and has excellent scintillator characteristics. Can be used.

1 坩堝
2 ヒータ
3 電気炉
4 坩堝台
4´ 坩堝台
5 引上げ軸
6 種子材料
7 原料溶液
11 シンチレータ結晶
12 反射材
13 光電子増倍管(PMT)
14 光学グリス
15 γ線
16 被検者
1 crucible 2 heater 3 electric furnace 4 crucible base 4 'crucible base 5 pulling shaft 6 seed material 7 raw material solution 11 scintillator crystal 12 reflecting material 13 photomultiplier tube (PMT)
14 Optical grease 15 γ-ray 16 Subject

Claims (11)

Pbと、Li、Na、K、Rb、Csからなる群から選ばれる少なくとも1種と、Wおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有する溶媒を用意する工程と、
Ce化合物およびLu化合物を前記溶媒と混合し、800℃以上1350℃以下の温度に加熱して前記化合物を溶融させる工程と、
溶融した前記化合物を冷却することにより、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶を析出成長させる工程と、
を含む単結晶シンチレータ材料の製造方法。
Preparing a solvent containing Pb, at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, W and / or Mo, B and oxygen;
Mixing a Ce compound and a Lu compound with the solvent and heating the compound to a temperature of 800 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower to melt the compound;
By cooling the molten compound, a single crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and having a Ce composition ratio x satisfying 0.0001 ≦ x ≦ 0.05 is precipitated and grown. Process,
A method for producing a single crystal scintillator material comprising:
前記溶媒を用意する工程および前記化合物を溶融させる工程は、前記溶媒を形成する化合物と、Ce化合物と、Lu化合物とを混合し、800℃以上1350℃以下の温度に加熱する工程である、請求項1に記載の単結晶シンチレータ材料の製造方法。   The step of preparing the solvent and the step of melting the compound are steps of mixing the compound forming the solvent, the Ce compound, and the Lu compound, and heating to a temperature of 800 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Item 2. A method for producing a single crystal scintillator material according to Item 1. Pbと、Li、Na、K、Rb、Csからなる群から選ばれる少なくとも1種と、Wおよび/またはMoと、Bおよび酸素とを含有する溶媒を用意する工程と、
Ce化合物およびLu化合物を前記溶媒と混合し、加熱して前記化合物を溶融させる工程と、
溶融した前記化合物を冷却することにより、組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶を析出成長させる工程と、
を含み、
前記単結晶の析出成長は、高温バテライト相からカルサイト相への相転移の温度よりも低い温度で実行する、単結晶シンチレータ材料の製造方法。
Preparing a solvent containing Pb, at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, W and / or Mo, B and oxygen;
Mixing a Ce compound and a Lu compound with the solvent and heating to melt the compound;
By cooling the molten compound, a single crystal represented by the composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and having a Ce composition ratio x satisfying 0.0001 ≦ x ≦ 0.05 is precipitated and grown. Process,
Including
The method for producing a single crystal scintillator material, wherein the single crystal precipitation growth is performed at a temperature lower than a temperature of a phase transition from a high-temperature vaterite phase to a calcite phase.
前記単結晶を析出成長させる工程は、TSSG法により行う、請求項1に記載の単結晶シンチレータ材料の製造方法。   The method for producing a single crystal scintillator material according to claim 1, wherein the step of precipitating and growing the single crystal is performed by a TSSG method. 前記単結晶を析出成長させる工程において、溶融した前記化合物の温度が750℃以上1350℃未満の温度まで0.001℃/時間以上5℃/時間以下の降温速度で冷却する、請求項1に記載の単結晶シンチレータ材料の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein in the step of precipitating and growing the single crystal, the molten compound is cooled to a temperature of 750 ° C. or higher and lower than 1350 ° C. at a temperature decreasing rate of 0.001 ° C./hour or more and 5 ° C./hour or less. Manufacturing method of single crystal scintillator material. 前記析出成長させる工程は、80時間以上の時間をかけて行う、請求項5に記載の単結晶シンチレータ材料の製造方法。   The method for producing a single crystal scintillator material according to claim 5, wherein the precipitation growing step is performed over 80 hours or more. 組成式(CeLu1−x)BOで表され、Ceの組成比率xが0.0001≦x≦0.05を満足する単結晶部を有し、前記単結晶部のPbの含有量が質量比率で100ppm以下である単結晶シンチレータ材料。 It has a single crystal part represented by a composition formula (Ce x Lu 1-x ) BO 3 and a composition ratio x of Ce satisfies 0.0001 ≦ x ≦ 0.05, and the content of Pb in the single crystal part Is a single crystal scintillator material having a mass ratio of 100 ppm or less. 前記単結晶部はカルサイト型結晶構造を有している請求項7に記載の単結晶シンチレータ材料。   The single crystal scintillator material according to claim 7, wherein the single crystal portion has a calcite type crystal structure. 厚さ0.5mmに鏡面加工された前記単結晶部の波長280nmにおける透過率は、20%以上である請求項7に記載の単結晶シンチレータ材料。   The single crystal scintillator material according to claim 7, wherein a transmittance at a wavelength of 280 nm of the single crystal portion mirror-finished to a thickness of 0.5 mm is 20% or more. 請求項7から9のいずれかに記載の単結晶シンチレータ材料と、
前記単結晶シンチレータ材料からの発光を検出する検出器とを備える放射線検出器。
A single crystal scintillator material according to any of claims 7 to 9,
A radiation detector comprising: a detector for detecting light emission from the single crystal scintillator material.
リング状に配列された複数の放射線検出器を備え、被検体からのγ線を検出するPET装置であって、
前記複数の放射線検出器の各々は、請求項10に記載の放射線検出器である、PET装置。
A PET device comprising a plurality of radiation detectors arranged in a ring shape and detecting γ rays from a subject,
Each of the plurality of radiation detectors is a PET apparatus, which is the radiation detector according to claim 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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