JP2012001662A - ZnO SCINTILLATOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, RADIATION DETECTOR, RADIATION INSPECTION APPARATUS, OR α-RAY CAMERA USING THE ZnO SCINTILLATOR - Google Patents

ZnO SCINTILLATOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, RADIATION DETECTOR, RADIATION INSPECTION APPARATUS, OR α-RAY CAMERA USING THE ZnO SCINTILLATOR Download PDF

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Hideyuki Sekiwa
秀幸 関和
Jun Kobayashi
純 小林
Miyuki Miyamoto
美幸 宮本
Daichi Tokutake
大地 徳竹
Akira Yoshikawa
彰 吉川
Takeyuki Yanagida
健之 柳田
Kenji Izaki
賢二 井崎
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Tohoku University NUC
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Tohoku University NUC
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Japan Atomic Energy Agency
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scintillator that has high amount of luminescence and high energy resolution and is useful for discrimination of α-ray sources.SOLUTION: An impurity-doped ZnO single crystal scintillator that has high amount of luminescence and high energy resolution is obtained by producing a Cu-doped or Cd-doped single crystal using a method of liquid phase epitaxy in which a ZnO single crystal is grown by bringing a substrate into direct contact with mixed melt of solutes, ZnO and CuO or CdO, and a solvent. The radiation detector, a radiation measurement device, and an α-ray camera including the impurity-doped ZnO single crystal scintillator are provided.

Description

本発明は、シンチレーション検出器におけるシンチレータとして用いるZnO単結晶に関する。   The present invention relates to a ZnO single crystal used as a scintillator in a scintillation detector.

放射線を計測するためのデバイスとして、シンチレーション検出器がある。典型的なシンチレーション検出器の構成を図1に示す。図1において、放射線がシンチレーション検出器100に入射すると、入射した放射線に応じた蛍光がシンチレータ結晶110から生じ、この光を光電子倍増管や半導体検出器120で検出することで、放射線を検出することができる。   There is a scintillation detector as a device for measuring radiation. A typical scintillation detector configuration is shown in FIG. In FIG. 1, when radiation enters the scintillation detector 100, fluorescence corresponding to the incident radiation is generated from the scintillator crystal 110, and this light is detected by a photomultiplier tube or a semiconductor detector 120 to detect the radiation. Can do.

MOX燃料製造施設や再処理施設などプルトニウムを取扱う施設では、α線測定を主体とした汚染管理を行っている。α線測定では天然放射線核種であるラドン子孫核種による影響が無視できないため、必要に応じて表面障壁型半導体検出器による波高弁別でその影響を低減している。   In facilities that handle plutonium, such as MOX fuel manufacturing facilities and reprocessing facilities, pollution control is performed mainly by α-ray measurement. Since the influence of radon progeny, which is a natural radionuclide, cannot be ignored in α-ray measurements, the influence is reduced by wave height discrimination using a surface barrier semiconductor detector as necessary.

半導体検出器は、本質的には電離箱と同様に動作する検出器で、ガス検出器の電子とイオンの代わりに、半導体の電子と正孔を用いている。他の荷電粒子検出器と比較して優れたエネルギー分解能有することから、天然放射核種と空気中のラドン子孫核種のエネルギー弁別に用いられている。しかしながら、ゲルマニウムやLiを拡散させたシリコン半導体検出器は、測定時に低温に保持する必要があり液体窒素などで連続して冷却しなければならない。純度の高いシリコン表面を酸化させ、その酸化膜の表面に薄い金を蒸着させた電極を取り付けた表面障壁型シリコン検出器は、室温で使用することができるが、放射線照射による性能劣化が著しいこと、ノイズに弱いこと、高価であることなどの欠点を有していた。   The semiconductor detector is a detector that essentially operates in the same manner as an ionization chamber, and uses semiconductor electrons and holes instead of electrons and ions of the gas detector. Since it has superior energy resolution compared to other charged particle detectors, it is used for energy discrimination between natural radionuclides and radon progeny nuclides in air. However, a silicon semiconductor detector in which germanium or Li is diffused needs to be kept at a low temperature during measurement, and must be continuously cooled with liquid nitrogen or the like. A surface-barrier silicon detector with an electrode with a high-purity silicon surface oxidized and thin gold deposited on the surface of the oxide film can be used at room temperature, but performance degradation due to radiation irradiation is significant. However, it has drawbacks such as being vulnerable to noise and being expensive.

そこで、従来はα線測定にZnS(Ag)シンチレータを用いてきた。同シンチレータは、比較的安価であることからα線の放射線管理に最も幅広く利用されている。ZnS(Ag)シンチレータは、ZnSにAgをドープしたセラミックスで、α線を照射されることでシンチレーション光を発生する(非特許文献1;「新原子力ハンドブック」 3.4放射線の測定 73〜78ページ)。従来の検出器では、シンチレーション光を増幅して得られたパルス信号を計数することによって、測定対象中に含まれるα線検出核種の放射能を測定していた。   Therefore, conventionally, a ZnS (Ag) scintillator has been used for α-ray measurement. Since the scintillator is relatively inexpensive, it is most widely used for alpha ray radiation management. The ZnS (Ag) scintillator is a ceramic in which ZnS is doped with Ag, and generates scintillation light when irradiated with α-rays (Non-Patent Document 1; “New Nuclear Handbook”) 3.4 Measurement of Radiation 73-78 ). In the conventional detector, the radioactivity of the α-ray detection nuclide contained in the measurement object is measured by counting the pulse signals obtained by amplifying the scintillation light.

しかしながら、ZnS(Ag)シンチレーション検出器では、静電気の発生しやすい時期や換気の悪い場所では、天然の放射性元素(ラドン子孫核種)からのα線が計数に影響するという問題点がある。また、ZnS(Ag)シンチレータは、α線励起シンチレーション発光量が多いという利点がある一方で、エネルギー分解能が低いため、α線源が放射性元素由来のものか、空気中のラドン子孫核種によるものかを弁別できていなかった。   However, the ZnS (Ag) scintillation detector has a problem in that α-rays from natural radioactive elements (radon progeny) affect the counting at a time when static electricity is likely to occur or in a place with poor ventilation. ZnS (Ag) scintillators have the advantage of a large amount of α-ray excited scintillation emission, but have low energy resolution, so whether the α-ray source is derived from a radioactive element or from radon progeny in the air Could not be discriminated.

上記問題点を解決する手法として、厚みが分離対象となるα線放出核種の飛程以上であってα線のエネルギー吸収がシンチレータ層内で全て生じ、かつ、発生したシンチレーション光のシンチレータ自身による遮光が無視できる厚さにしたZnS(Ag)シンチレータが提案されている(特許文献1;特開2006−258755)。同発明を用いることで、放射性元素と空気中のラドン子孫核種の弁別性能が向上するが、両者の波高値スペクトルには重なりがあり、十分な弁別が困難となっていた。   As a technique for solving the above-mentioned problems, the thickness of the α-ray emission nuclide to be separated is greater than the range of the α-ray emission nuclide, and all α-ray energy absorption occurs in the scintillator layer, and the generated scintillation light is shielded by the scintillator itself. ZnS (Ag) scintillator has been proposed in which the thickness is negligible (Patent Document 1; Japanese Patent Laid-Open No. 2006-258755). By using the present invention, the discrimination performance of radioactive elements and radon progeny nuclides in the air is improved, but there is an overlap in the peak value spectra of both, making it difficult to sufficiently discriminate.

特開2006−258755号公報JP 2006-258755 A 米国特許出願公開第2006/219928号明細書US Patent Application Publication No. 2006/219928 国際公開第2007/094785号パンフレットInternational Publication No. 2007/095475 Pamphlet 国際公開第2005/114256号パンフレットInternational Publication No. 2005/114256 Pamphlet 国際公開第2007/100146号パンフレットInternational Publication No. 2007/100146 Pamphlet

「新原子力ハンドブック」 3.4放射線の測定 73〜78ページ“New Nuclear Handbook” 3.4 Measurement of Radiation Pages 73-78 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111−117Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111-117 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 82−84Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 82-84 独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成17年度研究成果報告書“実用型TOF検出器用超高速シンチレータ単結晶材料の開発”New Energy and Industrial Technology Development Organization 2005 Research Results Report “Development of Ultra-High Speed Scintillator Single Crystal Materials for Practical TOF Detectors” 高エネルギーニュース Vol.21 No.2 41−50 2002High Energy News Vol. 21 No. 2 41-50 2002 Appl. Phys. Lett. 78 1237 (2001)Appl. Phys. Lett. 78 1237 (2001)

本発明が解決しようとする課題は、入射するα線により励起されてシンチレーション光を発するシンチレータであって、ZnS(Ag)を超えるα線源弁別性能を有するシンチレータ、そして、前記シンチレータを具備した放射線検出器、放射線検査装置およびα線カメラを提供することである。   A problem to be solved by the present invention is a scintillator that emits scintillation light when excited by incident α-rays, and has an α-ray source discrimination performance exceeding ZnS (Ag), and radiation provided with the scintillator It is to provide a detector, a radiation inspection apparatus, and an α-ray camera.

ZnS(Ag)シンチレータに替わるα線源弁別性能が高いシンチレータを開発することができれば、放射線物質と空気中のラドン子孫核種の弁別が可能となり、放射性物質取扱い施設における放射性物質による汚染をより簡便に行うことができる。α線源弁別性能は、波高値スペクトル測定における放射性物質線源による波高スペクトルと空気中ラドン子孫核種線源による波高スペクトルの重なり具合で判断できる。両線源に基づく波高分布の重なりを小さくするためには、使用するシンチレータのエネルギー分解能を高める必要がある。エネルギー分解能は、波高分布測定におけるピークチャンネル数とその半値幅で定義できる。即ち、エネルギー分解能△E(%)=2.35×σ/Peak−Channel×100である。ここで、σ;波高値スペクトルのガウシアンフィッテング時の半値幅(Ch)であり、Peak−Channel;波高値スペクトルのピークチャンネル数(Ch)である。従って、エネルギー分解能を高めるためには、α線励起時の発光量増加と半値幅低減が必要となる。   If a scintillator with high α-ray source discrimination performance that can replace ZnS (Ag) scintillator can be developed, it will be possible to discriminate between radioactive materials and radon progeny in the air, making it easier to contaminate radioactive materials in radioactive material handling facilities. It can be carried out. The α-ray source discrimination performance can be judged by the overlap between the wave height spectrum by the radioactive material source and the wave height spectrum by the radon progeny nuclide source in the air in the peak value spectrum measurement. In order to reduce the overlap of wave height distributions based on both radiation sources, it is necessary to increase the energy resolution of the scintillator used. The energy resolution can be defined by the number of peak channels and its half-value width in wave height distribution measurement. That is, energy resolution ΔE (%) = 2.35 × σ / Peak−Channel × 100. Here, σ is the half-value width (Ch) at the time of Gaussian fitting of the peak value spectrum, and Peak-Channel is the number of peak channels (Ch) of the peak value spectrum. Therefore, in order to increase the energy resolution, it is necessary to increase the amount of light emission and reduce the half width at the time of α-ray excitation.

ZnS(Ag)セラミックスシンチレータは、α線照射における発光量が極めて多く、発光量でZnS(Ag)を超えるα線用シンチレータを開発することは容易でない。そこで、本研究者らは鋭意検討の結果、波高値スペクトル測定における半値幅に着目した。ZnS(Ag)シンチレータ材料はセラミックスである。多結晶体の場合、微結晶の向きなどにより発光強度のムラが生ずることがあり、粒径により空間分解能が左右されるという欠点を有する。その結果、波光値スペクトル測定における半値幅が増大し、エネルギー分解能が低下していた。高空間分解能およびエネルギー分解能が高いシンチレータ発光のためにはシンチレータは単結晶である方が好ましい。   The ZnS (Ag) ceramic scintillator has a very large amount of light emission by α-ray irradiation, and it is not easy to develop an α-ray scintillator that exceeds the ZnS (Ag) light emission amount. Therefore, as a result of intensive studies, the researchers focused on the half-value width in peak value spectrum measurement. The ZnS (Ag) scintillator material is ceramic. In the case of a polycrystal, there are cases where the emission intensity varies depending on the orientation of the microcrystals and the spatial resolution depends on the particle size. As a result, the half value width in the wave value spectrum measurement was increased, and the energy resolution was lowered. For scintillator light emission with high spatial resolution and high energy resolution, the scintillator is preferably a single crystal.

電離放射線照射で発光するシンチレータ材料として、ワイドバンドギャップ化合物半導体の励起子発光シンチレータがDerenzoらによって提案されている(非特許文献2;Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111−117、特許文献2;米国特許出願公開第2006/219928号明細書)。   As a scintillator material that emits light by irradiation with ionizing radiation, an exciton light emitting scintillator of a wide band gap compound semiconductor has been proposed by Derenzo et al. (Non-Patent Document 2; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111-117, Patent Document 2: US Patent Application Publication No. 2006/219928).

ZnO、CdS等のワイドギャップ型化合物半導体をシンチレータとして用いれば、蛍光寿命が短く、発光波長も370〜380nmとなり、汎用的なPMTや半導体検出器が使用可能となる。同文献によれば、X線励起による蛍光寿命は0.11nsec〜0.82nsecと蛍光寿命が短い。しかしながら、これらの文献に記載されたシンチレータ材料は多結晶体である。多結晶体の場合、微結晶の向きなどにより発光強度のムラが生ずることがあり、粒径により空間分解能が左右されるという欠点を有する。高空間分解能およびエネルギー分解能が高いシンチレータ発光のためにはシンチレータは単結晶である方が好ましい。   If a wide gap type compound semiconductor such as ZnO or CdS is used as a scintillator, the fluorescence lifetime is short, the emission wavelength is 370 to 380 nm, and a general-purpose PMT or semiconductor detector can be used. According to this document, the fluorescence lifetime due to X-ray excitation is as short as 0.11 to 0.82 nsec. However, the scintillator materials described in these documents are polycrystalline. In the case of a polycrystal, there are cases where the emission intensity varies depending on the orientation of the microcrystals and the spatial resolution depends on the particle size. For scintillator light emission with high spatial resolution and high energy resolution, the scintillator is preferably a single crystal.

また、III族およびランタノイドを1ppm〜10mol%程度ドープしたZnO単結晶の励起子発光型シンチレータ応用が提案されている(特許文献3;国際公開第2007/094785号パンフレット、非特許文献3;Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 82−84)。同文献によれば、InドープZnO単結晶において蛍光寿命が0.6nsecと記載されている。しかしながら、これらの文献に記載されたシンチレータ材料は“High pressure direct melting technique”法で作製されている。同法では、高圧かつ高温が必要で結晶成長コストが高い上、単結晶部分と多結晶部分の混在するため、前記多結晶体と同様の不具合が存在する。   In addition, an exciton emission scintillator application of a ZnO single crystal doped with about 1 ppm to 10 mol% of a group III and a lanthanoid has been proposed (Patent Document 3; International Publication No. 2007/094785, Non-Patent Document 3; Nuclear Instruments). and Methods in Physics Research A505 (2003) 82-84). According to this document, the fluorescence lifetime of an In-doped ZnO single crystal is described as 0.6 nsec. However, the scintillator materials described in these documents are manufactured by the “High pressure direct melting technique” method. In this method, high pressure and high temperature are required, the crystal growth cost is high, and a single crystal portion and a polycrystalline portion are mixed, so that the same defects as the polycrystalline body exist.

上記多結晶体の問題点を解決する手法として、ワイドバンドギャップ型ZnO単結晶の励起子発光を利用したシンチレータが提案されている(特許文献4;国際公開第2005/114256号パンフレット、非特許文献4;独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成17年度研究成果報告書“実用型TOF検出器用超高速シンチレータ単結晶材料の開発”)。   As a technique for solving the problems of the polycrystalline body, a scintillator using exciton emission of a wide band gap ZnO single crystal has been proposed (Patent Document 4; International Publication No. 2005/114256 pamphlet, non-patent document). 4; New Energy and Industrial Technology Development Organization, 2005 Research Results Report “Development of ultra-high-speed scintillator single crystal materials for practical TOF detectors”).

同報告では、ZnO単結晶成長法としてPt内式のオートクレーブを用いて水熱合成法を採用している。同成長法を用いると、高い結晶性を有する大型のIII族ドープZnO単結晶を成長することが可能となる。しかしながら、ZnO等を用いた励起子発光型シンチレータには、自己吸収が原因となって発光量が少ないという問題点があった。すなわち、励起子発光波長域では、結晶そのものが吸収体となるため、特に透過型シンチレータデバイスではシンチレータ発光量が少なくなっていた。したがって、ZnO系励起子発光型シンチレータのエネルギー分解能は高いものの、発光量は一般的なシンチレータであるBiGe12(BGO)の約10〜15%程度に留まっていた(非特許文献5;高エネルギーニュース Vol.21 No.2 41−50 2002)。 In this report, a hydrothermal synthesis method using a Pt internal autoclave is adopted as a ZnO single crystal growth method. When this growth method is used, a large group III-doped ZnO single crystal having high crystallinity can be grown. However, the exciton light emitting scintillator using ZnO or the like has a problem that the light emission amount is small due to self-absorption. That is, in the exciton emission wavelength region, the crystal itself becomes an absorber, and thus the amount of scintillator emission is small particularly in a transmission type scintillator device. Therefore, although the energy resolution of the ZnO-based exciton light-emitting scintillator is high, the amount of emitted light is only about 10 to 15% of Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), which is a general scintillator (Non-patent Document 5). High energy news Vol.21 No.2 41-50 2002).

単結晶シンチレータの自己吸収に基づく低発光量を改善する方法として、本発明者らは、発明の名称を「積層型ZnO系単結晶シンチレータおよびその製造方法」とする特許出願をしている(特願2009−135438)。同出願の方法を用いれば、溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBiあるいはPbFおよびPbOとを混合して融解させた後、得られた融液に基板を直接接触させることにより、バンドギャップが異なるZnO系積層体単結晶を成長することができる。バンドギャップが異なるZnO系半導体の積層体を製造し、バンドギャップが小さい層をα線や電子線などの電離放射線が侵入できる厚みにすることで発光量を大幅に増加させることができる。しかしながら、同法を用いてもα線照射発光量は、BGO比135%程度に留まっていた。前述したように、α線源弁別用シンチレータには高いエネルギー分解能が必要であり更なる発光量増加が必要である。 As a method for improving the low light emission amount based on the self-absorption of the single crystal scintillator, the present inventors have filed a patent application in which the name of the invention is “laminated ZnO single crystal scintillator and manufacturing method thereof” Application 2009-135438). By using the method of the same application, the solute ZnO and the solvents PbO and Bi 2 O 3 or PbF 2 and PbO are mixed and melted, and then the substrate is brought into direct contact with the obtained melt. ZnO-based laminated single crystals having different band gaps can be grown. A stacked body of ZnO-based semiconductors having different band gaps is manufactured, and the amount of light emission can be greatly increased by forming a layer having a small band gap to a thickness that allows ionizing radiation such as α rays and electron beams to enter. However, even when the same method is used, the amount of light emitted from α-rays remains at a BGO ratio of about 135%. As described above, the α-ray source discriminating scintillator requires high energy resolution and further increases in light emission amount.

また、本発明者らは、溶液成長法によるZnO単結晶の成長方法について特許出願をしている(特許文献5;国際公開2007/100146号パンフレット)。同出願の方法を用いれば、溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBiあるいはPbFおよびPbOとを混合して融解させた後、得られた融液に基板を直接接触させることにより、ノンドープZnO単結晶を基板上に成長させることができる。また、同出願の方法を用いると不純物を1mol%以下の量で含有させたZnO単結晶も製造することができる。α線源弁別用シンチレータは、高いエネルギー分解能は必要であるが、速い減衰時定数は必須でない。そこで、ZnO単結晶成長中にCuやCd等の遷移金属不純物をドープすることで可視域発光を増やし、その結果、波高分布測定におけるエネルギー分解能を高め、α線源弁別性能が高まることを見出し、本発明にいたった。 In addition, the present inventors have applied for a patent on a method for growing a ZnO single crystal by a solution growth method (Patent Document 5; International Publication No. 2007/100146 pamphlet). By using the method of the same application, the solute ZnO and the solvents PbO and Bi 2 O 3 or PbF 2 and PbO are mixed and melted, and then the substrate is brought into direct contact with the obtained melt. A non-doped ZnO single crystal can be grown on the substrate. In addition, when the method of the same application is used, a ZnO single crystal containing impurities in an amount of 1 mol% or less can also be produced. The α-ray source discrimination scintillator requires high energy resolution but does not require a fast decay time constant. Therefore, it has been found that doping with transition metal impurities such as Cu and Cd during ZnO single crystal growth increases visible light emission, and as a result, increases energy resolution in wave height distribution measurement and increases α-ray source discrimination performance. The present invention has been reached.

本発明の好ましい実施形態によれば、発光量が多く、エネルギー分解能が高い不純物ドープZnO単結晶の製造方法を提供することができ、同結晶を用いた放射線検出器、放射線検査装置およびα線カメラを提供することが可能となる。   According to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to provide a method for producing an impurity-doped ZnO single crystal having a large light emission amount and high energy resolution, and a radiation detector, a radiation inspection apparatus, and an α-ray camera using the crystal. Can be provided.

典型的なシンチレーション検出器の構成図である。It is a block diagram of a typical scintillation detector. 従来の一般的なLPE成長炉の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional general LPE growth furnace. 実施例で用いるLPE成長炉の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the LPE growth furnace used in an Example. CuO仕込み組成ごとのBGO比発光量を示す図である。It is a figure which shows the BGO specific light emission amount for every CuO preparation composition. CuO仕込み組成ごとのエネルギー分解能を示す図である。It is a figure which shows the energy resolution for every CuO preparation composition. CuドープZnO単結晶の波高値スペクトル測定の結果図である。It is a result figure of the peak value spectrum measurement of Cu dope ZnO single crystal. ZnS(Ag)セラミックスの波高値スペクトル測定の結果図である。It is a result figure of the peak value spectrum measurement of ZnS (Ag) ceramics. 実施例3および比較例1のα線照射発光スペクトル図である。2 is an α-ray irradiation emission spectrum diagram of Example 3 and Comparative Example 1. FIG. CdO仕込み組成ごとのBGO比発光量を示す図である。It is a figure which shows the BGO specific light emission amount for every CdO preparation composition. CdO仕込み組成ごとのエネルギー分解能を示す図である。It is a figure which shows the energy resolution for every CdO preparation composition. 実施例9のα線照射発光スペクトルの図である。It is a figure of the alpha ray irradiation emission spectrum of Example 9. FIG.

以下、本発明について詳細に説明する。ZnO等の化合物半導体は、α線や電子線等の電離放射線を照射するとバンドギャップに応じた励起子発光を発生する。ZnO単体のバンドギャップは3.30eV程度である。励起子発光自体はZnO自身にほとんど吸収され、電離放射線を照射した面の反対側にはほとんど透過しない。したがって、シンチレータの発光量に寄与するのは、基本的に、励起子発光の長波長成分が照射面の反対側に透過したシンチレーション光だけであり、励起子発光型シンチレータの発光量は比較的少ないことになる。本発明者らは、発明の名称を「積層型ZnO系単結晶シンチレータおよびその製造方法」とする特許出願をしている(特願2009−135438)。同出願の方法を用いれば、溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBiあるいはPbFおよびPbOとを混合して融解させた後、得られた融液に基板を直接接触させることにより、バンドギャップが異なるZnO系積層体単結晶を成長することができる。バンドギャップが異なるZnO系半導体の積層体を製造し、バンドギャップが小さい層をα線や電子線などの電離放射線が侵入できる厚みにすることでシンチレーション光の自己吸収量を低減し発光量を増加させることができるが、発光量自体はBGO比135%程度に留まる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. A compound semiconductor such as ZnO emits exciton emission corresponding to the band gap when irradiated with ionizing radiation such as α-rays or electron beams. The band gap of ZnO alone is about 3.30 eV. Exciton emission itself is almost absorbed by ZnO itself and hardly transmitted to the opposite side of the surface irradiated with ionizing radiation. Therefore, the amount of light emitted from the scintillator is basically only the scintillation light in which the long wavelength component of the exciton light is transmitted to the opposite side of the irradiated surface, and the light amount of the exciton light emission type scintillator is relatively small. It will be. The inventors have filed a patent application in which the title of the invention is “multilayered ZnO-based single crystal scintillator and manufacturing method thereof” (Japanese Patent Application No. 2009-135438). By using the method of the same application, the solute ZnO and the solvents PbO and Bi 2 O 3 or PbF 2 and PbO are mixed and melted, and then the substrate is brought into direct contact with the obtained melt. ZnO-based laminated single crystals having different band gaps can be grown. Manufactures ZnO-based semiconductor stacks with different band gaps, and reduces the amount of self-absorption of scintillation light and increases the amount of light emission by making layers with a small band gap thick enough to allow ionizing radiation such as alpha rays and electron beams to penetrate. However, the light emission amount itself remains at a BGO ratio of about 135%.

一方、ZnOに不純物をドープすると、結晶欠陥に基づく発光が生じる。放射線照射で励起された電子は、欠陥準位にトラップされた後、再結合により発光する。欠陥由来の発光は、再結合のエネルギーが小さいので励起子発光より長波長発光となる。また、この欠陥由来の発光は発光強度が高いが、減衰時定数が長い特徴を有する。α線源弁別用シンチレータは、減衰が速い必要はなく、発光量、強いてはエネルギー分解能が高い単結晶が好適となる。   On the other hand, when ZnO is doped with impurities, light emission based on crystal defects occurs. Electrons excited by radiation irradiation are trapped in a defect level and then emitted by recombination. Defect-derived light emission is longer-wavelength light emission than exciton light emission because the recombination energy is small. Further, the light emitted from this defect has a high emission intensity but a long decay time constant. The α-ray source discriminating scintillator does not need to be rapidly attenuated, and is preferably a single crystal having a high light emission amount and high energy resolution.

この原理に限定されるわけではないが、本発明では、ZnOに不純物をドープして欠陥由来の発光を増加させることでα線の弁別性能を高めることができたものと考えられる。   Although not limited to this principle, in the present invention, it is considered that the discrimination performance of α-rays can be improved by doping ZnO with impurities to increase light emission derived from defects.

<第1の実施形態>
第1の実施形態は、溶質であるZnOおよびCuOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を液相エピタキシャル成長(LPE成長)させてZnOシンチレータを製造する方法において、ZnOに対し、CuOを0.01mol%〜1.0mol%混合することを特徴する、CuドープZnOシンチレータの製造方法に関する。
<First Embodiment>
The first embodiment is a method of manufacturing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth (LPE growth) of a ZnO single crystal by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of ZnO and CuO as solutes and a solvent. The present invention relates to a method for producing a Cu-doped ZnO scintillator, characterized by mixing 0.01 mol% to 1.0 mol% of CuO with respect to ZnO.

本発明者らが特許出願した技術によれば、液相エピタキシャル成長法を用いれば、不純物を1mol%以下の量で含有させたZnO単結晶を製造することができる。本発明者らが鋭意研究したところ、CuOをZnOに対し0.01mol%〜1.0mol%仕込み液相エピタキシャル成長法すると、α線照射時の発光量がBGOを凌駕することを見出した。   According to the technology for which the inventors have applied for a patent, a ZnO single crystal containing impurities in an amount of 1 mol% or less can be produced by using a liquid phase epitaxial growth method. As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that when CuO is added at 0.01 mol% to 1.0 mol% with respect to ZnO and the liquid phase epitaxial growth method is performed, the amount of light emitted upon irradiation with α rays exceeds that of BGO.

本実施形態に係る製造方法により得られたCuドープZnO単結晶シンチレータによれば、α線および電子線などの電離放射線による励起時に励起子発光だけでなく、可視域の発光を増加させることができることからシンチレーション光のエネルギー分解能を高めることが可能となる。また、この実施形態で得られたCuドープZnO単結晶シンチレータは、α線源弁別に有用である。なお、CuドープZnO単結晶シンチレータに照射される電離放射線としては、α線が好適となるが、γ線、電子線、X線、中性子線照射時の発光量増加にも有用である。   According to the Cu-doped ZnO single crystal scintillator obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, it is possible to increase not only exciton light emission but also light emission in the visible region when excited by ionizing radiation such as α rays and electron beams. Therefore, it is possible to increase the energy resolution of scintillation light. Further, the Cu-doped ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment is useful for α-ray source discrimination. As the ionizing radiation irradiated to the Cu-doped ZnO single crystal scintillator, α rays are suitable, but it is also useful for increasing the amount of light emitted when γ rays, electron rays, X rays and neutron rays are irradiated.

<第2の実施形態>
第2の実施形態は、溶質であるZnOおよびCuOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりCuドープZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、前記溶媒がPbFおよびPbOであり、溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であり、溶媒であるPbFとPbOとの混合比がPbF:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%である、上述するCuドープZnO単結晶シンチレータの製造方法に関する。
<Second Embodiment>
The second embodiment is a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a Cu-doped ZnO single crystal by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of ZnO and CuO as a solute and a solvent. Solvents are PbF 2 and PbO, and the mixing ratio of solute and solvent is solute converted to ZnO only: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%, and the mixing ratio of PbF 2 and PbO as the solvent is PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20mol%, a method of manufacturing a Cu-doped ZnO single crystal scintillator mentioned above.

この実施形態によれば、PbOとPbFとが共晶系を形成し、PbOまたはPbF単独の融点よりも低い温度でのLPE成長が可能となるため、溶媒の蒸発が抑制できる。したがって、組成変動が少なく安定な結晶育成が行える上、炉材消耗が抑制でき、育成炉が密閉系でなくてもよくなるため、低コストでの製造が可能となる。 According to this embodiment, PbO and PbF 2 form a eutectic system, and LPE growth at a temperature lower than the melting point of PbO or PbF 2 alone becomes possible, so that evaporation of the solvent can be suppressed. Accordingly, stable crystal growth can be performed with little composition variation, furnace material consumption can be suppressed, and the growth furnace does not have to be a closed system, so that low-cost production is possible.

また、結晶成長法として熱平衡成長に近いLPE法を用いているため、高品質なZnO単結晶を製造することができる。この実施形態で得られたCuドープZnO単結晶シンチレータは、α線源弁別に有用である。   Further, since the LPE method close to thermal equilibrium growth is used as the crystal growth method, a high-quality ZnO single crystal can be manufactured. The Cu-doped ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment is useful for α-ray source discrimination.

溶媒組成としては、好ましくはPbF:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%であり、より好ましくはPbF:PbO=30〜70mol%:70〜30mol%であり、さらに好ましくはPbF:PbO=40〜60mol%:60〜40mol%である。この範囲であれば、溶媒であるPbFとPbOとの蒸発量を抑制でき、その結果、溶質濃度の変動が少なくなり、LPE法で不純物ドープノZnO単結晶を安定に成長させることができる。さらに、炉材消耗が抑制でき育成炉が密閉系でなくてもよくなることで、低コストでZnO単結晶を育成できる。 As the solvent composition, preferably PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20Mol%, more preferably PbF 2: PbO = 30~70mol%: a 70~30Mol%, more preferably PbF 2: PbO = 40 to 60 mol%: 60 to 40 mol%. Within this range, can be suppressed evaporation amount of PbF 2 and PbO as the solvent, so that the variation in solute concentration is reduced, the impurity Dopuno ZnO single crystal can be stably grown by the LPE method. Furthermore, since the furnace material consumption can be suppressed and the growth furnace does not have to be a closed system, a ZnO single crystal can be grown at a low cost.

溶質であるZnOと溶媒であるPbFとPbOとの混合比は、ZnOのみに換算した溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であることが好ましい。より好ましくは、ZnOのみに換算した溶質濃度が5mol%〜10mol%である。ZnOのみに換算した溶質濃度が5mol%未満では実効的成長速度が遅く、20mol%を超えると溶質成分を溶解させる温度が高くなり、溶媒蒸発量が多くなることがある。なお、「ZnOのみに換算した溶質」(mol%)とは、[ZnO(mol)]×100/([ZnO(mol)]+[PbO(mol)]+[PbF(mol)])で表される。 The mixing ratio of ZnO as a solute and PbF 2 and PbO as a solvent is preferably solute: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol% in terms of ZnO alone. More preferably, the solute concentration converted to ZnO alone is 5 mol% to 10 mol%. If the solute concentration converted to ZnO alone is less than 5 mol%, the effective growth rate is slow, and if it exceeds 20 mol%, the temperature at which the solute component is dissolved increases and the amount of solvent evaporation may increase. The “solute converted to ZnO alone” (mol%) is [ZnO (mol)] × 100 / ([ZnO (mol)] + [PbO (mol)] + [PbF 2 (mol)]). expressed.

<第3の実施形態>
第3の実施形態は、溶質であるZnOおよびCuOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりCuドープZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、前記溶媒がPbOおよびBiであり、溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であり、溶媒であるPbOとBiとの混合比がPbO:Bi=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%である、上述するCuドープZnO単結晶シンチレータの製造方法に関する。
<Third Embodiment>
The third embodiment is a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a Cu-doped ZnO single crystal by directly contacting a substrate with a mixture / melt of ZnO and CuO as a solute and a solvent. Solvents are PbO and Bi 2 O 3 , and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute in terms of only ZnO: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%, and the solvents PbO and Bi 2 O 3 the mixing ratio of PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol %: a 99.9~5mol%, a method of manufacturing a Cu-doped ZnO single crystal scintillator mentioned above.

この実施形態によれば、結晶成長法として熱平衡成長に近いLPE法を用い、さらにZnO結晶内へ取込まれづらいイオン半径の大きい元素で構成される融剤であるPbOおよびBiを用いることにより、結晶内への不純物の混入が少ない高品質なZnO単結晶を製造することができる。特に、フッ素不純物の混入を低減した高品質なZnO単結晶を製造することができる。この実施形態で得られたZnO単結晶シンチレータは、α線や電子線などの検出器に応用が可能となる。 According to this embodiment, the LPE method close to thermal equilibrium growth is used as the crystal growth method, and PbO and Bi 2 O 3 that are fluxes composed of elements having a large ion radius that are difficult to be incorporated into the ZnO crystal are used. As a result, a high-quality ZnO single crystal with few impurities mixed into the crystal can be produced. In particular, a high-quality ZnO single crystal with reduced contamination of fluorine impurities can be produced. The ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment can be applied to detectors such as α rays and electron beams.

溶媒組成としては、PbO:Bi=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%が好ましい。より好ましくは、PbO:Bi=30〜90mol%:70〜10mol%であり、特に好ましくは、PbO:Bi=60〜80mol%:40〜20mol%である。PbOもしくはBi単独溶媒では、液相成長温度が高くなるので、上記のような混合比を有するPbOとBiとの混合溶媒が好適である。 As the solvent composition, PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol%: 99.9~5mol% is preferred. More preferably, PbO: Bi 2 O 3 = 30~90mol%: a 70~10mol%, particularly preferably, PbO: Bi 2 O 3 = 60~80mol%: a 40~20mol%. In the case of PbO or Bi 2 O 3 single solvent, the liquid phase growth temperature becomes high, and therefore a mixed solvent of PbO and Bi 2 O 3 having the above mixing ratio is preferable.

溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBiとの混合比は、ZnOのみに換算した溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であることが好ましい。より好ましくは、ZnOのみに換算した溶質濃度が5mol%〜10mol%である。ZnOのみに換算した溶質濃度が、5mol%未満では成長速度が遅く、30mol%を超えると成長温度が高くなることがある。なお、「ZnOのみに換算した溶質」(mol%)とは、[ZnO(mol)]×100/([ZnO(mol)]+[PbO(mol)]+[Bi(mol)])で表される。 The mixing ratio of ZnO as the solute and PbO and Bi 2 O 3 as the solvent is preferably solute: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol% converted to ZnO alone. More preferably, the solute concentration converted to ZnO alone is 5 mol% to 10 mol%. If the solute concentration converted only to ZnO is less than 5 mol%, the growth rate is slow, and if it exceeds 30 mol%, the growth temperature may be high. The “solute converted to ZnO” (mol%) means [ZnO (mol)] × 100 / ([ZnO (mol)] + [PbO (mol)] + [Bi 2 O 3 (mol)] ).

<第4の実施形態>
第4の実施形態は、溶質であるZnOおよびCdOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、ZnOに対し、CdOを7mol%〜50mol%混合することを特徴する、CdドープZnOシンチレータの製造方法に関する。
<Fourth Embodiment>
The fourth embodiment is a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a ZnO single crystal by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of ZnO and CdO, which are solutes, and a solvent. The present invention relates to a method for producing a Cd-doped ZnO scintillator, wherein 7 to 50 mol% of CdO is mixed.

ここで、ZnOに対してCdをドープすることの効果について説明する。本発明者らが特許出願した技術によれば、ZnとCdを混晶化することでバンドギャップを3.00〜3.30eVまで制御することができる(非特許文献6;Appl. Phys. Lett. 78 1237 (2001))。バンドギャップが異なる2層以上のZnO系混晶体(Zn1−xCd)Oの積層体を形成し、バンドギャップがより小さい層の表面(照射面)から電離放射線を照射し、電離放射線を照射する(Zn1−xCd)O層の厚みを電離放射線が侵入できる5μm〜50μmにすることにより、電離放射線をバンドギャップが小さい層で吸収してシンチレーション光に変換する。電離放射線が照射される層から数えて2層目以降は、シンチレーション光が発生する層(第1層)よりバンドギャップが大きいので、より多くのシンチレーション光を透過できることになる。このときの発光量は、BGO比で135%まで高めることが可能となる。非特許文献6に記載されるように、ZnOに対するCdOの平衡固溶量は、0≦y≦0.07となる。従って、ZnOに対しCdOを0以上7mol%まで仕込む効果は、自己吸収の低減となる。一方、7mol%を越えるCdOを仕込むと、もはや固溶体として(Zn1−xCd)Oを形成することができず、格子間Cdとして取り込まれる。その結果、不純物量が増え、可視域発光が増大する。 Here, the effect of doping Cd with respect to ZnO will be described. According to the technology for which the present inventors have applied for a patent, the band gap can be controlled from 3.00 to 3.30 eV by forming a mixed crystal of Zn and Cd (Non-Patent Document 6; Appl. Phys. Lett. 78 1237 (2001)). A laminated body of two or more layers of ZnO-based mixed crystals (Zn 1-x Cd x ) O having different band gaps is formed, and ionizing radiation is irradiated from the surface (irradiation surface) of the layer having a smaller band gap. By setting the thickness of the irradiated (Zn 1-x Cd x ) O layer to 5 μm to 50 μm where ionizing radiation can penetrate, the ionizing radiation is absorbed by the layer having a small band gap and converted to scintillation light. The second and subsequent layers counted from the layer irradiated with ionizing radiation have a band gap larger than that of the layer (first layer) where scintillation light is generated, so that more scintillation light can be transmitted. The light emission amount at this time can be increased to 135% in terms of the BGO ratio. As described in Non-Patent Document 6, the equilibrium solid solution amount of CdO with respect to ZnO is 0 ≦ y ≦ 0.07. Therefore, the effect of charging CdO from 0 to 7 mol% with respect to ZnO is a reduction in self-absorption. On the other hand, when CdO exceeding 7 mol% is charged, (Zn 1-x Cd x ) O can no longer be formed as a solid solution and is taken in as interstitial Cd. As a result, the amount of impurities increases and visible light emission increases.

本実施形態に係る製造方法により得られたCdドープZnO単結晶シンチレータによれば、α線および電子線などの電離放射線による励起時に励起子発光だけでなく、可視域の発光を増加させることができることからシンチレーション光のエネルギー分解能を高めることが可能となる。この実施形態で得られたCdドープZnO単結晶シンチレータは、α線源弁別に有用である。なお、CdドープZnO単結晶シンチレータに照射される電離放射線としては、α線が好適となるが、γ線、電子線、X線、中性子線照射時の発光量増加にも有用である。   According to the Cd-doped ZnO single crystal scintillator obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, it is possible to increase not only exciton light emission but also light emission in the visible region when excited by ionizing radiation such as α rays and electron beams. Therefore, it is possible to increase the energy resolution of scintillation light. The Cd-doped ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment is useful for α-ray source discrimination. In addition, as ionizing radiation with which the Cd-doped ZnO single crystal scintillator is irradiated, α rays are suitable, but it is also useful for increasing the amount of light emitted upon irradiation with γ rays, electron beams, X rays and neutron rays.

<第5の実施形態>
第5の実施形態は、溶質であるZnOおよびCdOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりCdドープZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、前記溶媒がPbFおよびPbOであり、溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であり、溶媒であるPbFとPbOとの混合比がPbF:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%である、上述するCdドープZnO単結晶シンチレータの製造方法に関する。
<Fifth Embodiment>
The fifth embodiment is a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a Cd-doped ZnO single crystal by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of a solute ZnO and CdO and a solvent. Solvents are PbF 2 and PbO, and the mixing ratio of solute and solvent is solute converted to ZnO only: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%, and the mixing ratio of PbF 2 and PbO as the solvent is PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20mol%, a method of manufacturing a Cd-doped ZnO single crystal scintillator mentioned above.

この実施形態によれば、PbOとPbFとが共晶系を形成し、PbOまたはPbF単独の融点よりも低い温度でのLPE成長が可能となるため、溶媒の蒸発が抑制できる。したがって、組成変動が少なく安定な結晶育成が行える上、炉材消耗が抑制でき、育成炉が密閉系でなくてもよくなるため、低コストでの製造が可能となる。 According to this embodiment, PbO and PbF 2 form a eutectic system, and LPE growth at a temperature lower than the melting point of PbO or PbF 2 alone becomes possible, so that evaporation of the solvent can be suppressed. Accordingly, stable crystal growth can be performed with little composition variation, furnace material consumption can be suppressed, and the growth furnace does not have to be a closed system, so that low-cost production is possible.

また、結晶成長法として熱平衡成長に近いLPE法を用いているため、高品質なZnO単結晶を製造することができる。この実施形態で得られたCuドープZnO単結晶シンチレータは、α線源弁別に有用である。   Further, since the LPE method close to thermal equilibrium growth is used as the crystal growth method, a high-quality ZnO single crystal can be manufactured. The Cu-doped ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment is useful for α-ray source discrimination.

溶媒組成としては、好ましくはPbF:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%であり、より好ましくはPbF:PbO=30〜70mol%:70〜30mol%であり、さらに好ましくはPbF:PbO=40〜60mol%:60〜40mol%である。この範囲であれば、溶媒であるPbFとPbOとの蒸発量を抑制でき、その結果、溶質濃度の変動が少なくなり、LPE法で不純物ドープノZnO単結晶を安定に成長させることができる。さらに、炉材消耗が抑制でき育成炉が密閉系でなくてもよくなることで、低コストでZnO単結晶を育成できる。 As the solvent composition, preferably PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20Mol%, more preferably PbF 2: PbO = 30~70mol%: a 70~30Mol%, more preferably PbF 2: PbO = 40 to 60 mol%: 60 to 40 mol%. Within this range, it is possible to suppress evaporation of PbF 2 and PbO as the solvent, so that the variation in solute concentration is reduced, the impurity Dopuno ZnO single crystal can be stably grown by the LPE method. Furthermore, since the furnace material consumption can be suppressed and the growth furnace does not have to be a closed system, a ZnO single crystal can be grown at a low cost.

溶質であるZnOと溶媒であるPbFとPbOとの混合比は、ZnOのみに換算した溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であることが好ましい。より好ましくは、ZnOのみに換算した溶質濃度が5mol%〜10mol%である。ZnOのみに換算した溶質濃度が5mol%未満では実効的成長速度が遅く、20mol%を超えると溶質成分を溶解させる温度が高くなり、溶媒蒸発量が多くなることがある。なお、「ZnOのみに換算した溶質」(mol%)とは、[ZnO(mol)]×100/([ZnO(mol)]+[PbO(mol)]+[PbF(mol)])で表される。 The mixing ratio of ZnO as a solute and PbF 2 and PbO as a solvent is preferably solute: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol% in terms of ZnO alone. More preferably, the solute concentration converted to ZnO alone is 5 mol% to 10 mol%. If the solute concentration converted to ZnO alone is less than 5 mol%, the effective growth rate is slow, and if it exceeds 20 mol%, the temperature at which the solute component is dissolved increases and the amount of solvent evaporation may increase. The “solute converted to ZnO alone” (mol%) is [ZnO (mol)] × 100 / ([ZnO (mol)] + [PbO (mol)] + [PbF 2 (mol)]). expressed.

<第6の実施形態>
第6の実施形態は、溶質であるZnOおよびCuOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりCdドープZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、前記溶媒がPbOおよびBiであり、溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であり、溶媒であるPbOとBiとの混合比がPbO:Bi=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%である、上述するCdドープZnO単結晶シンチレータの製造方法に関する。
<Sixth Embodiment>
The sixth embodiment is a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a Cd-doped ZnO single crystal by directly contacting a substrate with a mixture / melt of ZnO and CuO as a solute and a solvent. Solvents are PbO and Bi 2 O 3 , and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute in terms of only ZnO: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%, and the solvents PbO and Bi 2 O 3 Is a PdO: Bi 2 O 3 = 0.1 to 95 mol%: 99.9 to 5 mol%, and relates to a method for producing the above-mentioned Cd-doped ZnO single crystal scintillator.

この実施形態によれば、結晶成長法として熱平衡成長に近いLPE法を用い、さらにZnO結晶内へ取込まれづらいイオン半径の大きい元素で構成される融剤であるPbOおよびBiを用いることにより、結晶内への不純物の混入が少ない高品質なZnO単結晶を製造することができる。特に、フッ素不純物の混入を低減した高品質なZnO単結晶を製造することができる。この実施形態で得られたZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線などの検出器に応用が可能となる。 According to this embodiment, the LPE method close to thermal equilibrium growth is used as the crystal growth method, and PbO and Bi 2 O 3 that are fluxes composed of elements having a large ion radius that are difficult to be incorporated into the ZnO crystal are used. As a result, a high-quality ZnO single crystal with few impurities mixed into the crystal can be produced. In particular, a high-quality ZnO single crystal with reduced contamination of fluorine impurities can be produced. The ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment can be applied to high-speed detectors such as α rays and electron beams.

溶媒組成としては、PbO:Bi=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%が好ましい。より好ましくは、PbO:Bi=30〜90mol%:70〜10mol%であり、特に好ましくは、PbO:Bi=60〜80mol%:40〜20mol%である。PbOもしくはBi単独溶媒では、液相成長温度が高くなるので、上記のような混合比を有するPbOとBiとの混合溶媒が好適である。 As the solvent composition, PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol%: 99.9~5mol% is preferred. More preferably, PbO: Bi 2 O 3 = 30~90mol%: a 70~10mol%, particularly preferably, PbO: Bi 2 O 3 = 60~80mol%: a 40~20mol%. In the case of PbO or Bi 2 O 3 single solvent, the liquid phase growth temperature becomes high, and therefore a mixed solvent of PbO and Bi 2 O 3 having the above mixing ratio is preferable.

溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBiとの混合比は、ZnOのみに換算した溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であることが好ましい。より好ましくは、ZnOのみに換算した溶質濃度が5mol%〜10mol%である。ZnOのみに換算した溶質濃度が、5mol%未満では成長速度が遅く、30mol%を超えると成長温度が高くなることがある。なお、「ZnOのみに換算した溶質」(mol%)とは、[ZnO(mol)]×100/([ZnO(mol)]+[PbO(mol)]+[Bi(mol)])で表される。 The mixing ratio of ZnO as the solute and PbO and Bi 2 O 3 as the solvent is preferably solute: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol% converted to ZnO alone. More preferably, the solute concentration converted to ZnO alone is 5 mol% to 10 mol%. If the solute concentration converted only to ZnO is less than 5 mol%, the growth rate is slow, and if it exceeds 30 mol%, the growth temperature may be high. The “solute converted to ZnO” (mol%) means [ZnO (mol)] × 100 / ([ZnO (mol)] + [PbO (mol)] + [Bi 2 O 3 (mol)] ).

<第7および第8の実施形態>
第7の実施形態は、上述したCu、または、CdをドープしたZnO単結晶シンチレータを具備する放射線検出器に関する。該放射線検出器の構成例としては、上述したCu、または、CdをドープしたZnO単結晶シンチレータを具備し、入射した放射線に応じて前記単結晶シンチレータを発光させる蛍光手段と、前記蛍光手段からの光を受けて、光出力を電気出力に変換する光電変換手段を具備する例が挙げられる。また、第8の実施形態は、当該放射線検出器を具備することを特徴とする放射線検査装置に関する。光電変換手段としては、例えば光電子倍増管やアバランシュフォトダイオードを用いる。
<Seventh and Eighth Embodiments>
The seventh embodiment relates to a radiation detector including the above-described Cu or Cd-doped ZnO single crystal scintillator. As a configuration example of the radiation detector, the above-described Cu or Cd-doped ZnO single crystal scintillator is provided, and a fluorescent unit that emits light from the single crystal scintillator according to incident radiation; The example which comprises the photoelectric conversion means which receives light and converts an optical output into an electrical output is mentioned. In addition, the eighth embodiment relates to a radiation inspection apparatus including the radiation detector. As the photoelectric conversion means, for example, a photomultiplier tube or an avalanche photodiode is used.

<第9の実施形態>
第9の実施形態は、上述したCu、または、CdをドープしたZnO単結晶シンチレータを具備するα線カメラに関する。該α線カメラの構成例としては、上述したCu、または、CdをドープしたZnO単結晶シンチレータを具備し、入射した放射線に応じて前記単結晶シンチレータを発光させる蛍光手段と、前記蛍光手段からの光を受けて、前記光出力を電気出力に変換する光電子変換手段として位置敏感型光電子倍増管、または、アバランシュフォトダイオードを用いる例が挙げられる。
<Ninth Embodiment>
The ninth embodiment relates to an α-ray camera including the above-described Cu or Cd-doped ZnO single crystal scintillator. As an example of the configuration of the α-ray camera, the above-described Cu or Cd-doped ZnO single crystal scintillator is provided, and a fluorescent means for emitting the single crystal scintillator in response to incident radiation; Examples include using a position sensitive photomultiplier tube or an avalanche photodiode as a photoelectron conversion means for receiving light and converting the light output into an electric output.

<結晶成長法>
ノンドープZnO単結晶、あるいは、不純物をドープしたZnO単結晶を成長させる方法としては、大別して気相成長法と液相成長法が用いられてきた。気相成長法としては、化学気相輸送法(特開2004−131301号公報参照)、分子線エピタキシーや有機金属気相成長法(特開2004−84001号公報参照)、昇華法(特開平5−70286号公報参照)などが用いられてきたが、転移、欠陥などが多く、結晶品質が不十分であった。
<Crystal growth method>
As a method for growing a non-doped ZnO single crystal or an impurity-doped ZnO single crystal, a vapor phase growth method and a liquid phase growth method have been used roughly. As the vapor phase growth method, chemical vapor transport method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-131301), molecular beam epitaxy or metal organic vapor phase growth method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-84001), sublimation method (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5). -70286, etc.) have been used, but there were many dislocations and defects, and the crystal quality was insufficient.

一方、液相成長法では、原理的に熱平衡で結晶育成が進行するため、気相成長法より高品質な結晶を製造しやすい利点を有する。しかしながら、ZnOは融点が1975℃程度と高温である上、蒸発しやすいことから、シリコン単結晶などで採用されているチョクラルスキー法を用いてZnO単結晶を成長させることは困難であった。そのため、ZnO単結晶を成長させる方法としては、目的物質を適当な溶媒に溶解し、その混合溶液を降温して飽和状態とし、目的物質を融液から成長させる静置徐冷法、水熱合成法、フラックス法、フローティングゾーン法、トップシードソリューショングロース(TSSG)法、溶液引上法および液相エピタキシャル成長法(LPE成長法)などが用いられてきた。   On the other hand, the liquid phase growth method has an advantage that it is easier to manufacture high quality crystals than the vapor phase growth method because crystal growth proceeds in principle in thermal equilibrium. However, since ZnO has a high melting point of about 1975 ° C. and easily evaporates, it has been difficult to grow a ZnO single crystal using the Czochralski method employed in silicon single crystals and the like. Therefore, as a method for growing the ZnO single crystal, the target substance is dissolved in a suitable solvent, the mixed solution is cooled to a saturated state, and the target substance is grown from the melt. A flux method, a floating zone method, a top seed solution growth (TSSG) method, a solution pulling method, a liquid phase epitaxial growth method (LPE growth method), and the like have been used.

本発明におけるZnO単結晶成長法としては、液相エピタキシャル成長法、フラックス法、TSSG法および溶液引上法などを用いることができる。これらの様々な方法の中でも、ZnO系単結晶を成長させる方法としては、比較的低コストかつ大面積成長が可能であり、特にシンチレータなどへの応用を考慮すると、機能別の層構造を形成しやすいLPE成長法が好適である。特に、結晶性が高く大面積基板を容易に得ることができる水熱合成法で製造されたZnO単結晶を基板として、不純物をドープしたZnO単結晶をLPE法で成長させる方法(液相ホモエピタキシャル成長法)が好適である。   As the ZnO single crystal growth method in the present invention, a liquid phase epitaxial growth method, a flux method, a TSSG method, a solution pulling method, and the like can be used. Among these various methods, as a method of growing a ZnO-based single crystal, growth at a relatively low cost and a large area is possible. In particular, considering application to a scintillator, a layer structure according to function is formed. An easy LPE growth method is suitable. In particular, a method of growing an impurity-doped ZnO single crystal by the LPE method (liquid phase homoepitaxial growth) using a ZnO single crystal produced by a hydrothermal synthesis method with high crystallinity and capable of easily obtaining a large-area substrate. Method) is preferred.

<LPE成長炉>
一般的なLPE成長炉を図2に示す。LPE成長炉内には、原料を溶融し融液として収容する白金るつぼ4が、ムライト製(アルミナ+シリカ)のるつぼ台9の上に載置されている。白金るつぼ4の外側にあって側方には、白金るつぼ4内の原料を加熱して溶融する3段の側部ヒーター(上段ヒーター1、中央部ヒーター2、下段ヒーター3)が設けられている。ヒーターは、それらの出力が独立に制御され、融液に対する加熱量が独立して調整される。ヒーターと製造炉の内壁との間にムライト製の炉心管11が、炉心管11上部にはムライト製の炉蓋12が設けられている。白金るつぼ4の上方には引上げ機構が設けられている。引上げ機構にアルミナ製の引上軸5が固定され、その先端には、基板ホルダー6とホルダーで固定された基板7が設けられている。引上軸5上部には、軸を回転させる機構が設けられている
<LPE growth furnace>
A typical LPE growth furnace is shown in FIG. In the LPE growth furnace, a platinum crucible 4 for melting the raw material and storing it as a melt is placed on a crucible base 9 made of mullite (alumina + silica). Outside the platinum crucible 4 and on the side thereof, three-stage side heaters (upper heater 1, central heater 2, lower heater 3) for heating and melting the raw material in the platinum crucible 4 are provided. . The outputs of the heaters are controlled independently, and the heating amount for the melt is adjusted independently. A mullite-made core tube 11 is provided between the heater and the inner wall of the manufacturing furnace, and a mullite-made furnace lid 12 is provided above the core tube 11. A pulling mechanism is provided above the platinum crucible 4. A pulling shaft 5 made of alumina is fixed to the pulling mechanism, and a substrate holder 6 and a substrate 7 fixed by the holder are provided at the tip thereof. A mechanism for rotating the shaft is provided on the upper portion of the pull-up shaft 5.

従来、LPE炉を構成する部材において、上記るつぼ台9、炉心管11、引上軸5および炉蓋12にはアルミナやムライトが専ら使用されてきた。したがって、LPE成長温度や原料溶解温度である700〜1100℃の温度域では、アルミナやムライト炉材からAl成分が揮発し、溶媒内に溶解して、これがZnO単結晶薄膜内に混入していると考えられる。   Conventionally, alumina and mullite have been exclusively used for the crucible base 9, the furnace core tube 11, the pull-up shaft 5 and the furnace lid 12 in the members constituting the LPE furnace. Therefore, in the temperature range of 700 to 1100 ° C., which is the LPE growth temperature and the raw material melting temperature, the Al component is volatilized from the alumina and mullite furnace materials and dissolved in the solvent, and this is mixed in the ZnO single crystal thin film. it is conceivable that.

本発明では不純物のドープ量の制御が重要である。不純物のドープ量は仕込み組成で制御することが望ましい。したがって、LPE炉を構成する炉材を非Al系材料にすることで、LPE成長ZnO単結晶薄膜へのAl不純物混入を低減することができる。非Al系炉材としては、ZnO炉材が最適であるが、一般的には市販されていないことを考慮すると、ZnO薄膜に混入してもキャリヤとして働かない材料としてMgOが好適である。また、アルミナとシリカで構成されるムライト製炉材を使用してもLPE膜中のSi不純物濃度が増えないというSIMS分析結果を考慮すると、石英炉材も好適である。その他には、カルシヤ、シリカ、ZrOおよびジルコン(ZrO+SiO)、SiC、Siなども利用可能である。 In the present invention, it is important to control the doping amount of impurities. It is desirable to control the doping amount of impurities by the charged composition. Therefore, mixing the Al impurities into the LPE-grown ZnO single crystal thin film can be reduced by making the furnace material constituting the LPE furnace a non-Al material. As a non-Al-based furnace material, a ZnO furnace material is optimal, but considering that it is generally not commercially available, MgO is suitable as a material that does not function as a carrier even when mixed in a ZnO thin film. Considering the SIMS analysis result that the Si impurity concentration in the LPE film does not increase even when a mullite furnace material composed of alumina and silica is used, a quartz furnace material is also preferable. In addition, calcium, silica, ZrO 2 and zircon (ZrO 2 + SiO 2 ), SiC, Si 3 N 4 and the like can be used.

以上より、好ましい実施形態では、非Al系の炉材としてMgOおよび/または石英から構成されるLPE成長炉を用いて、ノンドープZnO単結晶、あるいは、III族およびランタノイドドープZnO単結晶を製造する。さらに、成長炉が、るつぼを載置するためのるつぼ台、該るつぼ台の外周を取り囲むように設けられた炉心管、該炉心管の上部に設けられ、炉内の開閉を行う炉蓋、および基板を上下させるための引上軸を備え、これらの部材が、それぞれ独立に、MgOまたは石英によって作製されている態様も好ましい。   As described above, in a preferred embodiment, a non-doped ZnO single crystal or a group III and lanthanoid doped ZnO single crystal is manufactured using an LPE growth furnace composed of MgO and / or quartz as a non-Al furnace material. And a crucible base for placing the crucible on the crucible, a core tube provided so as to surround the outer periphery of the crucible base, a furnace lid provided on the top of the core tube for opening and closing the furnace, and A mode in which a pulling shaft for moving the substrate up and down is provided, and these members are independently made of MgO or quartz is also preferable.

<その他の要件>
実施形態において、ZnO溶解度やPbFとPbOの蒸発量あるいはPbOとBiの蒸発量が大きく変化しない範囲で、LPE成長温度の制御、溶媒粘性の調整を目的として、溶媒に第三成分を1種または2種以上添加することができる。例えば、第三成分としては、B、P、V、MoO、WO、SiO、MgO、BaOなどが挙げられる。
<Other requirements>
In the embodiment, the third component is added to the solvent for the purpose of controlling the LPE growth temperature and adjusting the solvent viscosity within a range in which the ZnO solubility, the evaporation amount of PbF 2 and PbO, or the evaporation amount of PbO and Bi 2 O 3 do not change greatly. 1 type, or 2 or more types can be added. For example, examples of the third component include B 2 O 3 , P 2 O 5 , V 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 , SiO 2 , MgO, and BaO.

使用できる基板としては、ZnOと同類の結晶構造を有し、成長薄膜と基板とが反応しないものであれば特に限定されず、格子定数が近いものが好適に用いられる。例えば、サファイヤ、LiGaO、LiAlO、LiNbO、LiTaO、ZnOなどが挙げられる。目的の単結晶がZnOであることを考慮すると、基板と成長結晶の格子整合度が高いZnOが最適である。 The substrate that can be used is not particularly limited as long as it has a crystal structure similar to ZnO and the grown thin film and the substrate do not react with each other, and a substrate having a close lattice constant is preferably used. For example, sapphire, LiGaO 2, LiAlO 2, LiNbO 3, LiTaO 3, ZnO or the like can be mentioned. Considering that the target single crystal is ZnO, ZnO having a high lattice matching degree between the substrate and the grown crystal is optimal.

以下、本発明の一実施態様に係る不純物ドープZnO単結晶の育成法として、これらのZnO単結晶膜をZnO単結晶基板上にLPE法で製膜する方法について説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, as a method for growing an impurity-doped ZnO single crystal according to an embodiment of the present invention, a method of forming these ZnO single crystal films on a ZnO single crystal substrate by an LPE method will be described. The present invention is not limited to the following examples.

<LPE成長炉の運転条件の概要>
実施例で用いたLPE成長炉の構成図を図3に示す。単結晶製造炉内には原料を溶融し融液として収容する白金るつぼ4がMgO製のるつぼ台9’の上に設けられている。白金るつぼ4の外側にあって側方には、白金るつぼ4内の原料を加熱して溶融する3段の側部ヒーター(上段ヒーター1、中央部ヒーター2、下段ヒーター3)が設けられている。ヒーターは、それらの出力が独立に制御され、融液に対する加熱量が独立して調整される。ヒーターと製造炉の内壁との間には、石英製の炉心管11’が設けられ、炉心管11’の上部には炉内の開閉を行うMgO製の炉蓋12’が設けられている。白金るつぼ4の上方には引上げ機構が設けられている。引上げ機構には石英製の引上軸5’が固定され、その先端には、基板ホルダー6とホルダーで固定された基板7が設けられている。石英製の引上軸5’上部には、引上軸5’を回転させる機構が設けられている。白金るつぼ4の下方には、るつぼ内の原料を溶融するための熱電対10が設けられている。
<Outline of operating conditions of LPE growth furnace>
The block diagram of the LPE growth furnace used in the Example is shown in FIG. In the single crystal manufacturing furnace, a platinum crucible 4 for melting a raw material and storing it as a melt is provided on a crucible base 9 'made of MgO. Outside the platinum crucible 4 and on the side thereof, three-stage side heaters (upper heater 1, central heater 2, lower heater 3) for heating and melting the raw material in the platinum crucible 4 are provided. . The outputs of the heaters are controlled independently, and the heating amount for the melt is adjusted independently. A quartz core tube 11 ′ is provided between the heater and the inner wall of the manufacturing furnace, and an MgO furnace lid 12 ′ for opening and closing the inside of the furnace is provided above the core tube 11 ′. A pulling mechanism is provided above the platinum crucible 4. A pulling shaft 5 'made of quartz is fixed to the pulling mechanism, and a substrate holder 6 and a substrate 7 fixed by the holder are provided at the tip thereof. A mechanism for rotating the pull-up shaft 5 'is provided on the upper portion of the pull-up shaft 5' made of quartz. Below the platinum crucible 4, a thermocouple 10 for melting the raw material in the crucible is provided.

白金るつぼ内の原料を溶融するため、原料が溶融するまで製造炉を昇温する。好ましくは650〜1000℃まで、さらに好ましくは700〜900℃に昇温し、2〜3時間静置して原料融液を安定化させる。このとき、3段ヒーターにオフセットを掛け、融液表面よりるつぼ底が数℃高くなるよう調節する。好ましくは、−100℃≦H1オフセット≦0℃、0℃≦H3オフセット≦100℃、さらに好ましくは、−50℃≦H1オフセット≦0℃、0℃≦H3オフセット≦50℃である。   In order to melt the raw material in the platinum crucible, the temperature of the production furnace is increased until the raw material is melted. The temperature is preferably raised to 650 to 1000 ° C, more preferably 700 to 900 ° C, and the mixture is allowed to stand for 2 to 3 hours to stabilize the raw material melt. At this time, an offset is applied to the three-stage heater, and the bottom of the crucible is adjusted to be several degrees higher than the melt surface. Preferably, −100 ° C. ≦ H1 offset ≦ 0 ° C., 0 ° C. ≦ H3 offset ≦ 100 ° C., more preferably −50 ° C. ≦ H1 offset ≦ 0 ° C., 0 ° C. ≦ H3 offset ≦ 50 ° C.

るつぼ底温度が700〜900℃の種付け温度になるよう調節し、融液の温度が安定化した後、基板を5〜120rpmで回転させながら、引上軸を下降させることで基板を融液表面に接液する。基板を融液になじませた後、温度一定または、0.025〜5.0℃/hrで温度降下を開始し、基板の面に目的とするノンドープまたはドープZnO単結晶を成長させる。成長時も基板は引上軸の回転によって5〜300rpmで回転しており、一定時間ごとに逆回転させる。   After adjusting the bottom temperature of the crucible to a seeding temperature of 700 to 900 ° C. and stabilizing the temperature of the melt, the substrate is brought to the melt surface by lowering the pulling shaft while rotating the substrate at 5 to 120 rpm. Wetted in contact with. After the substrate is adjusted to the melt, a temperature drop is started at a constant temperature or 0.025 to 5.0 ° C./hr to grow a desired non-doped or doped ZnO single crystal on the surface of the substrate. Also during the growth, the substrate is rotated at 5 to 300 rpm by the rotation of the pulling shaft, and is reversely rotated every predetermined time.

24〜36時間程度かけて結晶成長させた後、基板を融液から切り離し、引上軸を200〜300rpm程度の高速で回転させることで、融液成分を分離させる。その後、室温まで1〜24時間かけて冷却して目的のZnO単結晶薄膜を得る。また、成長膜厚によっては、経時的あるいは連続的に石英製の引上軸を引上げながら成長させることもできる。   After crystal growth over about 24 to 36 hours, the substrate is separated from the melt, and the melt component is separated by rotating the pulling shaft at a high speed of about 200 to 300 rpm. Then, it cools to room temperature over 1 to 24 hours, and obtains the target ZnO single crystal thin film. Further, depending on the growth film thickness, it is possible to grow while pulling up the pulling shaft made of quartz with time or continuously.

<実施例1〜6、比較例1〜3>
本実施例及び比較例では、溶媒としてPbOおよびBiを用いて、CuドープのZnO単結晶を液相エピタキシャル成長法で作製した。
<Examples 1-6, Comparative Examples 1-3>
In this example and comparative example, a Cu-doped ZnO single crystal was produced by a liquid phase epitaxial growth method using PbO and Bi 2 O 3 as solvents.

内径75mmφ、高さ75mmh、厚さ1mmの白金るつぼに、以下に示す表1の配合で原料を仕込んだ。溶媒組成はPbO:Bi=66.67mol%:33.33mol%、ZnOのみに換算した溶質濃度は約7.00mol%となる。CuO組成は、ZnOに対しノンドープ(比較例1)、あるいは0.01mol%〜1.1mol%(それぞれ実施例1〜6、比較例2)となる。また、合わせてBGO(BiGe12)と比較している。 Raw materials were charged in a platinum crucible having an inner diameter of 75 mmφ, a height of 75 mmh, and a thickness of 1 mm according to the formulation shown in Table 1 below. The solvent composition is PbO: Bi 2 O 3 = 66.67 mol%: 33.33 mol%, and the solute concentration converted to ZnO alone is about 7.00 mol%. The CuO composition is non-doped with ZnO (Comparative Example 1) or 0.01 mol% to 1.1 mol% (Examples 1 to 6 and Comparative Example 2 respectively). In addition, it is compared with BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ).

原料を仕込んだるつぼを図3に示す炉に設置し、るつぼ底温度約900℃で溶解させた。その後、同温度で3時間保持後、るつぼ底温度が約800℃になるまで降温してから、水熱合成法で育成した+C面方位でサイズが10mm×10mm×0.5mmtのZnO単結晶基板を接液し、石英製の引上軸を60rpmで回転させながら同温度で24時間成長させた。このとき、軸の回転方向は5分おきに反転させた。その後、石英製の引上軸を上昇させることで、融液から切り離し、200rpmで軸を回転させることで、融液成分を振り切り、無色透明のノンドープまたはCuドープのZnO単結晶薄膜を得た。   The crucible charged with the raw material was placed in the furnace shown in FIG. 3 and melted at a crucible bottom temperature of about 900 ° C. After that, after holding at the same temperature for 3 hours, the temperature was lowered until the crucible bottom temperature reached about 800 ° C., and then a ZnO single crystal substrate having a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mmt in the + C plane orientation grown by the hydrothermal synthesis method And was grown at the same temperature for 24 hours while rotating the pulling shaft made of quartz at 60 rpm. At this time, the rotation direction of the shaft was reversed every 5 minutes. Then, the quartz pull-up shaft was lifted to separate it from the melt, and the shaft was rotated at 200 rpm to shake off the melt components to obtain a colorless and transparent non-doped or Cu-doped ZnO single crystal thin film.

得られたノンドープまたはCuドープのZnO単結晶薄膜の成長時間、LPE膜厚、および成長速度の結果を表2に示す。得られたこれらのZnO膜の厚みは100〜142μmであった。また、LPE成長法は比較的成長速度が高く、成長速度は4.2〜5.9μm/hrであった。   Table 2 shows the results of growth time, LPE film thickness, and growth rate of the obtained non-doped or Cu-doped ZnO single crystal thin film. The thickness of these obtained ZnO films was 100 to 142 μm. The LPE growth method had a relatively high growth rate, and the growth rate was 4.2 to 5.9 μm / hr.

また、表2には、得られたZnO膜を研磨した後の(002)面のロッキングカーブ半値幅(結晶性の評価)、BGOの発光量を100としときの比およびエネルギー分解能を示す。研磨は、得られたZnO膜にラップとポリッシュを施し、表面を平坦化した。   Further, Table 2 shows the ratio and energy resolution when the rocking curve half-value width (evaluation of crystallinity) of the (002) plane after polishing the obtained ZnO film, and the BGO emission amount is 100. In the polishing, the obtained ZnO film was lapped and polished to flatten the surface.

シンチレータ特性としては、波高値スペクトル測定を実施した。α線源として241Amを用いた。受光素子としてPMT(R7600:浜松ホトニクス製)を用い、研磨したLPE成長ZnO単結晶の5面をテフロン(登録商標)テープで覆い、シンチレーション光を1面のみから得られるようにした。その際、α線通過用に2mm角の窓を残した。シンチレーション光が出る面にPMTを設置し、PMTに高電圧をかけてシグナルを増幅して読み出しを行った。波高値はpre−ampで増幅し、Pulse shape ampで波形を整え、multi channel analyzerを経てコンピューターに信号として取得して波高スペクトルを取得した。同波高分布にガウスフィッテングを施し、ガウスカーブのピークチャンネル数から発光量を、ピークチャンネル数とガウスカーブの半値幅からエネルギー分解能を算出した。 As the scintillator characteristics, peak value spectrum measurement was performed. 241 Am was used as the α-ray source. PMT (R7600: manufactured by Hamamatsu Photonics) was used as a light receiving element, and five surfaces of the polished LPE-grown ZnO single crystal were covered with Teflon (registered trademark) tape so that scintillation light could be obtained from only one surface. At that time, a 2 mm square window was left for passing α-rays. A PMT was installed on the surface where the scintillation light was emitted, and a high voltage was applied to the PMT to amplify the signal and read out. The crest value was amplified by pre-amp, the waveform was adjusted by Pulse shape amp, the signal was obtained as a signal through a multi channel analyzer, and a crest spectrum was obtained. Gaussian fitting was applied to the same wave height distribution, the amount of luminescence was calculated from the number of peak channels of the Gaussian curve, and the energy resolution was calculated from the number of peak channels and the half width of the Gaussian curve.

実施例1〜6の結果から分かるように、熱平衡成長に近いLPE法を用いてCuドープのZnO膜を成長させると、(002)面ロッキングカーブ半値幅は19〜42arcsecであった。実施例1〜6に係るZnO膜のこの半値幅は、基板として用いた水熱合成基板の半値幅(20arcsec)と大差がないことから、実施例1〜6に係るZnO膜は高い結晶性を有することが明らかとなった。   As can be seen from the results of Examples 1 to 6, when a Cu-doped ZnO film was grown using the LPE method close to thermal equilibrium growth, the (002) plane rocking curve half width was 19 to 42 arcsec. Since the half width of the ZnO films according to Examples 1 to 6 is not significantly different from the half width (20 arcsec) of the hydrothermal synthesis substrate used as the substrate, the ZnO films according to Examples 1 to 6 have high crystallinity. It became clear to have.

また、CuO仕込み組成ごとのBGO比発光量とエネルギー分解能を、図4、5に示す。図からわかるようにCuO仕込み組成を0.01mol%から1.0mol%で成長したCuドープZnO単結晶はBGOを超える発光量を示し、BGOと同程度のエネルギー分解能を有することが明らかとなった。   4 and 5 show the BGO specific emission amount and energy resolution for each CuO preparation composition. As can be seen from the figure, the Cu-doped ZnO single crystal grown at a CuO charge composition of 0.01 mol% to 1.0 mol% showed a light emission amount exceeding BGO, and was found to have the same energy resolution as BGO. .

実施例3で作製したCuドープZnO単結晶シンチレータを用い、α線源弁別性能をZnS(Ag)セラミックスシンチレータと比較した。なお、ラドン子孫核種線源はエアーサンプラーを用い、ろ紙上に捕集したものを用いた。図6にCuドープZnO単結晶の波高値スペクトル測定の結果を、図7にZnS(Ag)セラミックスの波高値スペクトル測定の結果を示す。   Using the Cu-doped ZnO single crystal scintillator produced in Example 3, the α-ray source discrimination performance was compared with that of a ZnS (Ag) ceramic scintillator. The radon progeny nuclide source was an air sampler and collected on filter paper. FIG. 6 shows the result of the peak value spectrum measurement of the Cu-doped ZnO single crystal, and FIG. 7 shows the result of the peak value spectrum measurement of the ZnS (Ag) ceramics.

CuドープZnO単結晶を用いると、放射性化合物であるAm線源の波高値スペクトルと空気中のラドン子孫核種線源の波高値スペクトルは明瞭に分かれており、α線源の弁別性能が高いことが分かる。一方、ZnS(Ag)セラミックスシンチレータを用いると、Am線源の波高値スペクトルとラドン子孫核種線源の波高値スペクトルに重なりがあり、両線源の計数を明瞭に弁別できない。   When Cu-doped ZnO single crystals are used, the crest value spectrum of the radioactive radiation Am source and the crest spectrum of the radon progeny nuclide source in the air are clearly separated, and the discrimination performance of the α source is high. I understand. On the other hand, when a ZnS (Ag) ceramic scintillator is used, there is an overlap between the peak value spectrum of the Am source and the peak value spectrum of the radon progeny nuclide source, and the counts of both sources cannot be clearly distinguished.

また、図6における波高値スペクトルにガウスフィッテングを施し、同フィッテングから得られたピークチャンネル数と半値幅から求めたCuドープZnO単結晶の△Eは、Am線源で43%、ラドン子孫核種線源で39%であった。一方、図7における波高値スペクトルから同様に求めたZnS(Ag)セラミックスの△Eは、Am線源で114%、ラドン子孫核種線源で109%であった。この結果から、ZnO単結晶の方がZnS(Ag)セラミックスよりエネルギー分解能が高いことが明らかとなった。   Further, the Gaussian fitting was applied to the peak spectrum in FIG. 6 and ΔE of the Cu-doped ZnO single crystal obtained from the number of peak channels and the half-value width obtained from the fitting was 43% for the Am source and the radon progeny nuclide line. The source was 39%. On the other hand, ΔE of ZnS (Ag) ceramics obtained from the peak value spectrum in FIG. 7 was 114% for the Am source and 109% for the radon progeny source. From this result, it became clear that the ZnO single crystal has higher energy resolution than the ZnS (Ag) ceramics.

実施例3および比較例1のα線照射発光スペクトルを図8に示す。ノンドープのZnO単結晶(比較例1)では、バンド端発光の長波長成分のみがα線照射面と反対側に透過するが、不純物としてCuをドープした実施例3では、バンド端発光の長波長成分は減少するが、520nmをピークとする可視域発光が発生する。この可視域発光がα線照射シンチレーション光の増加に寄与している。   The α-ray irradiation emission spectra of Example 3 and Comparative Example 1 are shown in FIG. In the non-doped ZnO single crystal (Comparative Example 1), only the long wavelength component of the band edge emission is transmitted to the side opposite to the α-irradiated surface, but in Example 3 doped with Cu as an impurity, the long wavelength of the band edge emission is long. Although the component decreases, visible light emission having a peak at 520 nm occurs. This visible light emission contributes to an increase in α-ray irradiation scintillation light.

<実施例7〜11、比較例4>
本実施例及び比較例では、溶媒としてPbOおよびBiを用いて、CdドープのZnO単結晶を液相エピタキシャル成長法で作製した。
<Examples 7 to 11 and Comparative Example 4>
In this example and comparative example, a Cd-doped ZnO single crystal was produced by a liquid phase epitaxial growth method using PbO and Bi 2 O 3 as solvents.

内径75mmφ、高さ75mmh、厚さ1mmの白金るつぼに、以下に示す表3の配合で原料を仕込んだ。溶媒組成はPbO:Bi=66.67mol%:33.33mol%、ZnOのみに換算した溶質濃度は約7.00mol%となる。CdO組成は、ZnOに対しノンドープ(上述した比較例1)、あるいは7.3mol%〜52mol%(それぞれ実施例7〜11、比較例4)となる。 Raw materials were charged in a platinum crucible having an inner diameter of 75 mmφ, a height of 75 mmh, and a thickness of 1 mm according to the formulation shown in Table 3 below. The solvent composition is PbO: Bi 2 O 3 = 66.67 mol%: 33.33 mol%, and the solute concentration converted to ZnO alone is about 7.00 mol%. The CdO composition is non-doped with ZnO (Comparative Example 1 described above), or 7.3 mol% to 52 mol% (Examples 7 to 11 and Comparative Example 4 respectively).

原料を仕込んだるつぼを図3に示す炉に設置し、るつぼ底温度約900℃で溶解させた。その後、同温度で3時間保持後、るつぼ底温度が約800℃になるまで降温してから、水熱合成法で育成した+C面方位でサイズが10mm×10mm×0.5mmtのZnO単結晶基板を接液し、石英製の引上軸を90rpmで回転させながら同温度で24時間成長させた。このとき、軸の回転方向は5分おきに反転させた。その後、石英製の引上軸を上昇させることで、融液から切り離し、200rpmで軸を回転させることで、融液成分を振り切り、無色透明のCdドープのZnO単結晶薄膜を得た。   The crucible charged with the raw material was placed in the furnace shown in FIG. 3 and melted at a crucible bottom temperature of about 900 ° C. After that, after holding at the same temperature for 3 hours, the temperature was lowered until the crucible bottom temperature reached about 800 ° C., and then a ZnO single crystal substrate having a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mmt in the + C plane orientation grown by the hydrothermal synthesis method And was grown at the same temperature for 24 hours while rotating the pulling shaft made of quartz at 90 rpm. At this time, the rotation direction of the shaft was reversed every 5 minutes. Thereafter, the quartz pull-up shaft was raised to separate it from the melt, and the shaft was rotated at 200 rpm to shake off the melt components, thereby obtaining a colorless and transparent Cd-doped ZnO single crystal thin film.

得られたノンドープまたはCdドープのZnO単結晶薄膜の成長時間、LPE膜厚、および成長速度の結果を表4に示す。得られたこれらのZnO膜の厚みは131〜155μmであった。また、LPE成長法は比較的成長速度が高く、成長速度は5.5〜6.5μm/hrであった。なお、CdO仕込み組成が50mol%を超える比較例4では、CdOが溶解せずLPE成長することができなかった。   Table 4 shows the results of growth time, LPE film thickness, and growth rate of the obtained non-doped or Cd-doped ZnO single crystal thin film. The thicknesses of these obtained ZnO films were 131 to 155 μm. The LPE growth method had a relatively high growth rate, and the growth rate was 5.5 to 6.5 μm / hr. In Comparative Example 4 in which the CdO charge composition exceeded 50 mol%, CdO did not dissolve and LPE could not be grown.

また、表4には、得られたZnO膜を研磨した後の(002)面のロッキングカーブ半値幅(結晶性の評価)、BGOの発光量を100としときの比およびエネルギー分解能を示す。研磨は、得られたZnO膜にラップとポリッシュを施し、表面を平坦化した。   Table 4 shows the ratio and energy resolution when the rocking curve half-value width (evaluation of crystallinity) of the (002) plane after polishing the obtained ZnO film and the amount of BGO light emission are 100. In the polishing, the obtained ZnO film was lapped and polished to flatten the surface.

シンチレータ特性としては、α線励起シンチレータ発光量測定を実施した。α線源として241Amを用いた。受光素子としてPMT(R7600:浜松ホトニクス製)を用い、研磨したLPE成長ZnO単結晶の5面をテフロン(登録商標)テープで覆い、シンチレーション光を1面のみから得られるようにした。その際、α線通過用に2mm角の窓を残した。シンチレーション光が出る面にPMTを設置し、PMTに高電圧をかけてシグナルを増幅して読み出しを行った。波高値はpre−ampで増幅し、Pulse shape ampで波形を整え、multi channel analyzerを経てコンピューターに信号として取得して波高分布を取得した。同波高分布にガウスフィッテングを施し、ガウスカーブのピークチャンネル数から発光量を、ピークチャンネル数とガウスカーブの半値幅からエネルギー分解能を算出した。 As the scintillator characteristics, α-ray excited scintillator light emission measurement was performed. 241 Am was used as the α-ray source. PMT (R7600: manufactured by Hamamatsu Photonics) was used as a light receiving element, and five surfaces of the polished LPE-grown ZnO single crystal were covered with Teflon (registered trademark) tape so that scintillation light could be obtained from only one surface. At that time, a 2 mm square window was left for passing α-rays. A PMT was installed on the surface where the scintillation light was emitted, and a high voltage was applied to the PMT to amplify the signal and read out. The wave height value was amplified by pre-amp, the waveform was adjusted by Pulse shape amp, and the wave height distribution was obtained by obtaining as a signal to a computer via multi channel analyzer. Gaussian fitting was applied to the same wave height distribution, the amount of luminescence was calculated from the number of peak channels of the Gaussian curve, and the energy resolution was calculated from the number of peak channels and the half width of the Gaussian curve.

実施例7〜11の結果から分かるように、熱平衡成長に近いLPE法を用いてCdドープのZnO膜を成長させると、(002)面ロッキングカーブ半値幅は36〜63arcsecであった。実施例7〜11に係るZnO膜の半値幅は、基板として用いた水熱合成基板の半値幅(20arcsec)と大差がないことから、実施例7〜11に係るZnO膜は高い結晶性を有することが明らかとなった。   As can be seen from the results of Examples 7 to 11, when the Cd-doped ZnO film was grown using the LPE method close to thermal equilibrium growth, the (002) plane rocking curve half width was 36 to 63 arcsec. Since the half width of the ZnO films according to Examples 7 to 11 is not significantly different from the half width (20 arcsec) of the hydrothermal synthesis substrate used as the substrate, the ZnO films according to Examples 7 to 11 have high crystallinity. It became clear.

また、CdO仕込み組成ごとのBGO比発光量とエネルギー分解能を、図9、10に示す。図からわかるようにCdO仕込み組成を7.3mol%から50mol%で成長したCdドープZnO単結晶はBGOを超える発光量を示し、BGOと同程度のエネルギー分解能を有することが明らかとなった。なお、図9に示したCdO仕込み組成1,3,5,7「mol%の発光量は、発明の名称を「積層型ZnO系単結晶シンチレータおよびその製造方法」とする特許出願(特願2009−135438)で開示したデータである。   9 and 10 show the BGO specific emission amount and energy resolution for each CdO charged composition. As can be seen from the figure, the Cd-doped ZnO single crystal grown with a CdO charge composition of 7.3 mol% to 50 mol% showed a light emission amount exceeding BGO, and was found to have the same energy resolution as BGO. Incidentally, the patent application (Japanese Patent Application No. 2009) with the title of the invention “Laminated ZnO-based single crystal scintillator and method for producing the same” is shown in FIG. -135438).

一例として、実施例9のα線照射発光スペクトルを図11に示す。不純物としてCdをドープした実施例9では、バンド端発光の長波長成分は減少するが、530nmをピークとする可視域発光が発生する。この可視域発光がα線照射シンチレーション光の増加に寄与している。   As an example, the α-ray irradiation emission spectrum of Example 9 is shown in FIG. In Example 9 in which Cd is doped as an impurity, the long wavelength component of the band edge emission is reduced, but visible light emission having a peak at 530 nm is generated. This visible light emission contributes to an increase in α-ray irradiation scintillation light.

<実施例12〜17、比較例5,6>
本実施例および比較例では、溶媒としてPbOおよびPbFを用いて、CuドープのZnO単結晶を液相エピタキシャル成長法で作製した。
<Examples 12 to 17, Comparative Examples 5 and 6>
In this example and comparative example, a Cu-doped ZnO single crystal was prepared by a liquid phase epitaxial growth method using PbO and PbF 2 as solvents.

内径75mmφ、高さ75mmh、厚さ1mmの白金るつぼに、以下に示す表5の配合で原料を仕込んだ。溶媒組成はPbO:PbF=50.00mol%:50.00mol%、ZnOのみに換算した溶質濃度は約5.00mol%となる。CuO組成は、ZnOに対しノンドープ(比較例5)、あるいは0.01mol%〜1.1mol%(それぞれ実施例12〜17、比較例6)となる。 Raw materials were charged in a platinum crucible having an inner diameter of 75 mmφ, a height of 75 mmh, and a thickness of 1 mm according to the formulation shown in Table 5 below. The solvent composition is PbO: PbF 2 = 50.00 mol%: 50.00 mol%, and the solute concentration converted to ZnO alone is about 5.00 mol%. The CuO composition is non-doped with ZnO (Comparative Example 5) or 0.01 mol% to 1.1 mol% (Examples 12 to 17 and Comparative Example 6 respectively).

原料を仕込んだるつぼを図3に示す炉に設置し、実施例1と同様の方法でCuドープZnO単結晶を得た。   The crucible charged with the raw material was placed in the furnace shown in FIG. 3, and a Cu-doped ZnO single crystal was obtained in the same manner as in Example 1.

得られたノンドープまたはCuドープのZnO単結晶薄膜の成長時間、LPE膜厚、および成長速度の結果を表6に示す。得られたこれらのZnO膜の厚みは108〜148μmであった。また、LPE成長法は比較的成長速度が高く、成長速度は3.0〜4.1μm/hrであった。   Table 6 shows the results of the growth time, LPE film thickness, and growth rate of the obtained non-doped or Cu-doped ZnO single crystal thin film. The thicknesses of these obtained ZnO films were 108 to 148 μm. The LPE growth method had a relatively high growth rate, and the growth rate was 3.0 to 4.1 μm / hr.

また、表6には、得られたZnO膜を研磨した後の(002)面のロッキングカーブ半値幅(結晶性の評価)、BGOの発光量を100としときの比およびエネルギー分解能を示す。研磨は、得られたZnO膜にラップとポリッシュを施し、表面を平坦化した。   Further, Table 6 shows the ratio and energy resolution when the rocking curve half-value width (evaluation of crystallinity) of the (002) plane after polishing the obtained ZnO film and the BGO emission amount as 100 are shown. In the polishing, the obtained ZnO film was lapped and polished to flatten the surface.

シンチレータ特性としては、波高値スペクトル測定を実施した。α線源として241Amを用いた。受光素子としてPMT(R7600:浜松ホトニクス製)を用い、研磨したLPE成長ZnO単結晶の5面をテフロン(登録商標)テープで覆い、シンチレーション光を1面のみから得られるようにした。その際、α線通過用に2mm角の窓を残した。シンチレーション光が出る面にPMTを設置し、PMTに高電圧をかけてシグナルを増幅して読み出しを行った。波高値はpre−ampで増幅し、Pulse shape ampで波形を整え、multi channel analyzerを経てコンピューターに信号として取得して波高スペクトルを取得した。同波高分布にガウスフィッテングを施し、ガウスカーブのピークチャンネル数から発光量を、ピークチャンネル数とガウスカーブの半値幅からエネルギー分解能を算出した。 As the scintillator characteristics, peak value spectrum measurement was performed. 241 Am was used as the α-ray source. PMT (R7600: manufactured by Hamamatsu Photonics) was used as a light receiving element, and five surfaces of the polished LPE-grown ZnO single crystal were covered with Teflon (registered trademark) tape so that scintillation light could be obtained from only one surface. At that time, a 2 mm square window was left for passing α-rays. A PMT was installed on the surface where the scintillation light was emitted, and a high voltage was applied to the PMT to amplify the signal and read out. The crest value was amplified by pre-amp, the waveform was adjusted by Pulse shape amp, the signal was obtained as a signal through a multi channel analyzer, and a crest spectrum was obtained. Gaussian fitting was applied to the same wave height distribution, the amount of luminescence was calculated from the number of peak channels of the Gaussian curve, and the energy resolution was calculated from the number of peak channels and the half width of the Gaussian curve.

実施例12〜17の結果から分かるように、熱平衡成長に近いLPE法を用いてCuドープのZnO膜を成長させると、(002)面ロッキングカーブ半値幅は35〜49arcsecであった。実施例12〜17に係るZnO膜のこの半値幅は、基板として用いた水熱合成基板の半値幅(20arcsec)と大差がないことから、実施例12〜17に係るZnO膜は高い結晶性を有することが明らかとなった。   As can be seen from the results of Examples 12 to 17, when a Cu-doped ZnO film was grown using the LPE method close to thermal equilibrium growth, the (002) plane rocking curve half width was 35 to 49 arcsec. Since the half width of the ZnO films according to Examples 12 to 17 is not significantly different from the half width (20 arcsec) of the hydrothermal synthesis substrate used as the substrate, the ZnO films according to Examples 12 to 17 have high crystallinity. It became clear to have.

また、CuO仕込み組成ごとのBGO比発光量とエネルギー分解能を、表6に示す。表からわかるようにCuO仕込み組成を0.01mol%から1.0mol%で成長したCuドープZnO単結晶はBGOを超える発光量を示し、BGOと同程度のエネルギー分解能を有することが明らかとなった。   Table 6 shows the BGO specific emission amount and energy resolution for each CuO preparation composition. As can be seen from the table, the Cu-doped ZnO single crystal grown at a CuO charge composition of 0.01 mol% to 1.0 mol% showed a light emission amount exceeding BGO and was found to have the same energy resolution as BGO. .

<実施例18〜22、比較例7>
本実施例及び比較例では、溶媒としてPbOおよびPbFを用いて、CdドープのZnO単結晶を液相エピタキシャル成長法で作製した。
<Examples 18 to 22, Comparative Example 7>
In this example and comparative example, a Cd-doped ZnO single crystal was prepared by a liquid phase epitaxial growth method using PbO and PbF 2 as solvents.

内径75mmφ、高さ75mmh、厚さ1mmの白金るつぼに、以下に示す表7の配合で原料を仕込んだ。溶媒組成はPbO:PbF=50.00mol%:50.00mol%、ZnOのみに換算した溶質濃度は約5.00mol%となる。CdO組成は、ZnOに対し7.31mol%〜53mol%(それぞれ実施例18〜22、比較例7)となる。 Raw materials were charged in a platinum crucible having an inner diameter of 75 mmφ, a height of 75 mmh, and a thickness of 1 mm according to the formulation shown in Table 7 below. The solvent composition is PbO: PbF 2 = 50.00 mol%: 50.00 mol%, and the solute concentration converted to ZnO alone is about 5.00 mol%. The CdO composition is 7.31 mol% to 53 mol% with respect to ZnO (Examples 18 to 22 and Comparative Example 7 respectively).

原料を仕込んだるつぼを図3に示す炉に設置し、実施例7と同様の方法でCdドープZnO単結晶を得た。   The crucible charged with the raw material was placed in the furnace shown in FIG. 3, and a Cd-doped ZnO single crystal was obtained in the same manner as in Example 7.

得られたノンドープまたはCdドープのZnO単結晶薄膜の成長時間、LPE膜厚、および成長速度の結果を表8に示す。得られたこれらのZnO膜の厚みは112〜144μmであった。また、LPE成長法は比較的成長速度が高く、成長速度は3.1〜4.0μm/hrであった。なお、CdO仕込み組成が50mol%を超える比較例7では、CdOが溶解せずLPE成長することができなかった。   Table 8 shows the results of growth time, LPE film thickness, and growth rate of the obtained non-doped or Cd-doped ZnO single crystal thin film. The thickness of these obtained ZnO films was 112 to 144 μm. The LPE growth method had a relatively high growth rate, and the growth rate was 3.1 to 4.0 μm / hr. In Comparative Example 7 where the CdO charge composition exceeded 50 mol%, CdO did not dissolve and LPE could not be grown.

また、表8には、得られたZnO膜を研磨した後の(002)面のロッキングカーブ半値幅(結晶性の評価)、BGOの発光量を100としときの比およびエネルギー分解能を示す。研磨は、得られたZnO膜にラップとポリッシュを施し、表面を平坦化した。   Table 8 shows the ratio and energy resolution when the rocking curve half-value width (evaluation of crystallinity) of the (002) plane after polishing the obtained ZnO film and the BGO emission amount as 100. In the polishing, the obtained ZnO film was lapped and polished to flatten the surface.

シンチレータ特性としては、α線励起シンチレータ発光量測定を実施した。α線源として241Amを用いた。受光素子としてPMT(R7600:浜松ホトニクス製)を用い、研磨したLPE成長ZnO単結晶の5面をテフロン(登録商標)テープで覆い、シンチレーション光を1面のみから得られるようにした。その際、α線通過用に2mm角の窓を残した。シンチレーション光が出る面にPMTを設置し、PMTに高電圧をかけてシグナルを増幅して読み出しを行った。波高値はpre−ampで増幅し、Pulse shape ampで波形を整え、multi channel analyzerを経てコンピューターに信号として取得して波高分布を取得した。同波高分布にガウスフィッテングを施し、ガウスカーブのピークチャンネル数から発光量を、ピークチャンネル数とガウスカーブの半値幅からエネルギー分解能を算出した。 As the scintillator characteristics, α-ray excited scintillator light emission measurement was performed. 241 Am was used as the α-ray source. PMT (R7600: manufactured by Hamamatsu Photonics) was used as a light receiving element, and five surfaces of the polished LPE-grown ZnO single crystal were covered with Teflon (registered trademark) tape so that scintillation light could be obtained from only one surface. At that time, a 2 mm square window was left for passing α-rays. A PMT was installed on the surface where the scintillation light was emitted, and a high voltage was applied to the PMT to amplify the signal and read out. The wave height value was amplified by pre-amp, the waveform was adjusted by Pulse shape amp, and the wave height distribution was obtained by obtaining as a signal to a computer via multi channel analyzer. Gaussian fitting was applied to the same wave height distribution, the amount of luminescence was calculated from the number of peak channels of the Gaussian curve, and the energy resolution was calculated from the number of peak channels and the half width of the Gaussian curve.

実施例18〜22の結果から分かるように、熱平衡成長に近いLPE法を用いてCdドープのZnO膜を成長させると、(002)面ロッキングカーブ半値幅は42〜69arcsecであった。実施例18〜22に係るZnO膜のこの半値幅は、基板として用いた水熱合成基板の半値幅(20arcsec)と大差がないことから、実施例18〜22に係るZnO膜は高い結晶性を有することが明らかとなった。   As can be seen from the results of Examples 18 to 22, when the Cd-doped ZnO film was grown using the LPE method close to thermal equilibrium growth, the (002) plane rocking curve half width was 42 to 69 arcsec. Since the half width of the ZnO films according to Examples 18 to 22 is not significantly different from the half width (20 arcsec) of the hydrothermal synthesis substrate used as the substrate, the ZnO films according to Examples 18 to 22 have high crystallinity. It became clear to have.

また、CdO仕込み組成ごとのBGO比発光量とエネルギー分解能を、表8に示す。表からわかるようにCdO仕込み組成を7mol%から50mol%で成長したCdドープZnO単結晶はBGOを超える発光量を示し、BGOと同程度のエネルギー分解能を有することが明らかとなった。   Table 8 shows the BGO specific emission amount and energy resolution for each CdO charged composition. As can be seen from the table, the Cd-doped ZnO single crystal grown with a CdO charge composition of 7 mol% to 50 mol% showed an emission amount exceeding BGO, and was found to have the same energy resolution as BGO.

1・・・上段ヒーター
2・・・中央部ヒーター
3・・・下段ヒーター
4・・・白金るつぼ
5・・・引上軸
6・・・基板ホルダー
7・・・基板
9・・・るつぼ台
11・・・炉心管
12・・・炉蓋
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Upper stage heater 2 ... Center part heater 3 ... Lower stage heater 4 ... Platinum crucible 5 ... Pulling up shaft 6 ... Substrate holder 7 ... Substrate 9 ... Crucible base 11 ... core tube 12 ... furnace lid

Claims (9)

溶質であるZnOおよびCuOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、ZnOに対し、CuOを0.01mol%〜1.0mol%混合することを特徴する、ZnOシンチレータの製造方法。   In a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a ZnO single crystal by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of ZnO and CuO as a solute and a solvent, 0.01 mol% of CuO with respect to ZnO A method for producing a ZnO scintillator, characterized by mixing ~ 1.0 mol%. 前記溶媒がPbFおよびPbOであり、前記溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であり、溶媒であるPbFとPbOとの混合比がPbF:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%である、請求項1に記載するZnOシンチレータの製造方法。 The solvent is PbF 2 and PbO, and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute in terms of only ZnO: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%, and the mixture of the solvent PbF 2 and PbO The method for producing a ZnO scintillator according to claim 1, wherein the ratio is PbF 2 : PbO = 20 to 80 mol%: 80 to 20 mol%. 前記溶媒がPbOおよびBiであり、前記溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であり、溶媒であるPbOとBiとの混合比がPbO:Bi=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%である、請求項1に記載するZnOシンチレータの製造方法。 The solvent is PbO and Bi 2 O 3 , and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute in terms of only ZnO: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%, and the solvents PbO and Bi 2 O 3 and the mixing ratio of PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol %: a 99.9~5mol%, the production method of the ZnO scintillator according to claim 1. 溶質であるZnOおよびCdOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を液相エピタキシャル成長させてZnOシンチレータを製造する方法において、ZnOに対し、CdOを7mol%〜50mol%混合することを特徴する、ZnOシンチレータの製造方法。   In a method for producing a ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth of a ZnO single crystal by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of ZnO and CdO as a solute and a solvent, 7 to 50 mol of CdO with respect to ZnO A method for producing a ZnO scintillator, characterized by comprising mixing at%. 前記溶媒がPbFおよびPbOであり、前記溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であり、溶媒であるPbFとPbOとの混合比がPbF:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%である、請求項4に記載するZnOシンチレータの製造方法。 The solvent is PbF 2 and PbO, and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute in terms of only ZnO: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%, and the mixture of the solvent PbF 2 and PbO ratio PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20mol%, the production method of the ZnO scintillator according to claim 4. 前記溶媒がPbOおよびBiであり、前記溶質と溶媒との混合比がZnOのみに換算した溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であり、溶媒であるPbOとBiとの混合比がPbO:Bi=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%である、請求項4に記載するZnOシンチレータの製造方法。 The solvent is PbO and Bi 2 O 3 , and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute in terms of only ZnO: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%, and the solvents PbO and Bi 2 O 3 and the mixing ratio of PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol %: a 99.9~5mol%, the production method of the ZnO scintillator according to claim 4. 請求項1ないし6のいずれかに記載の製造方法で製造されたZnOシンチレータを具備することを特徴とする放射線検出器。   A radiation detector comprising a ZnO scintillator manufactured by the manufacturing method according to claim 1. 請求項7に記載の放射線検出器を備えることを特徴とする放射線検査装置。 A radiation inspection apparatus comprising the radiation detector according to claim 7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の製造方法で製造されたZnOシンチレータを具備することを特徴とするα線カメラ。   An α-ray camera comprising a ZnO scintillator manufactured by the manufacturing method according to claim 1.
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