JP2016008170A - Chloride, bromide, and iodide scintillator doped with europium - Google Patents

Chloride, bromide, and iodide scintillator doped with europium Download PDF

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マリヤ、ジュラブリョーワ
Zhuravleva Mariya
ヤン、カン
Kan Yang
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    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09K11/00Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7728Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing europium
    • C09K11/7732Halogenides
    • C09K11/7733Halogenides with alkali or alkaline earth metals

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a halide scintillator material suitable for manufacturing a scintillation detector used in fields of medical imaging and national security.SOLUTION: A halide scintillator material is single crystalline and has a composition represented by general formula ABX(wherein A is an alkali; B is an alkaline earth; and X is a halide). Especially, a crystal represented by formula ACaEuI(wherein A=K, Rb, Cs) is doped with bivalent europium (wherein 0≤y≤1). The crystal is formed similarly to a crystal represented by formula CsAEuX(wherein A=Ca, Sr, Ba or a combination thereof; X=Cl, Br, I or a combination thereof). Eu doping is 1-10 mol%. The crystal grows in a furnace of a vertical temperature gradient coagulation method.

Description

(関連出願の相互参照)
本願は、2012年1月17日に出願され、現在は認可された米国特許出願第13/351,748号の一部係属出願であり、この出願は、2011年2月15日に出願された米国特許仮出願第61/443,076号、および2011年5月27日に出願された米国特許仮出願第61/491,074号の利益を主張し、また2010年5月10日に出願された米国特許仮出願第61/332,945号の利益を主張する2011年5月2日に出願された米国特許出願第13/098,654号(現在、2014年4月8日に発行された米国特許第8,692,203号)の一部係属出願であり、すべてZhuravleva et al.のものであり、すべての優先出願は、それらの全体の開示内容が参照により本明細書に組み込まれている。
(Cross-reference of related applications)
This application was filed on January 17, 2012, and is now a part of pending US Patent Application No. 13 / 351,748, which was filed on February 15, 2011. Claims the benefit of US Provisional Application No. 61 / 443,076 and US Provisional Application No. 61 / 491,074 filed May 27, 2011, and was filed on May 10, 2010. US Patent Application No. 13 / 098,654, filed May 2, 2011, which claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 332,945 (currently issued April 8, 2014) U.S. Patent No. 8,692,203), all pending, Zhuravleva et al., All priority applications are hereby incorporated by reference in their entirety. Yes.

(政府支援の記載)
本発明は、国土安全保障省によって授与された契約番号DHS−DNDO2009−DN−077−AR1031−03および米国エネルギー省によって授与されたDOE−NA22:DE−NA0000473の下で政府支援を得てなされた。政府は、本発明において一定の権利を有する。
(Statement of government support)
This invention was made with government support under contract number DHS-DNDO2009-DN-077-AR1031-03 awarded by the Department of Homeland Security and DOE-NA22: DE-NA0000473 awarded by the US Department of Energy. . The government has certain rights in the invention.

(技術分野)
本発明は、一般に、二価ユウロピウムをドープした、新たな塩化物、臭化物およびヨウ化物シンチレーター結晶に関し、より詳細には、次式:ACa1−yEu(式中、A=K、RbもしくはCs、またはそれらの組み合わせであり、0≦y≦1)およびCsA1−yEu(式中、A=Ca、Sr、Ba、またはそれらの組み合わせであり、0≦y≦1)のうちの1つによって表され、いずれの式においても、X=Cl、BrもしくはI、またはそれらの組み合わせである、ハロゲン化物シンチレーターに関する。
(Technical field)
The present invention relates generally to new chloride, bromide and iodide scintillator crystals doped with divalent europium, and more particularly to the following formula: ACa 1-y Eu y X 3 (where A = K, Rb or Cs, or a combination thereof, 0 ≦ y ≦ 1) and CsA 1-y Eu y X 3 (where A = Ca, Sr, Ba, or a combination thereof, 0 ≦ y ≦ 1) ), And in any of the formulas, relates to a halide scintillator where X = Cl, Br or I, or a combination thereof.

放射線検出用のハロゲン化物シンチレーターは、米国公開特許出願第2011/0272585号で記載され、そして放射線検出用の塩化物シンチレーターは、2011年11月10日に公開された米国公開出願第2011/0272586号で記載され、どちらもテネシー大学のZhuravleva et al.の公開出願である。ハロゲン化物シンチレーターは、単結晶性であり、式AMBr6(1−x)Cl6xまたはAMBr7(1−x)Cl7xの組成を有し、式中、Aは、Li、Na、K、Rb、Cs、またはこれらのいずれかの組み合わせからなり、M、Ce、Sc、Y、La、Lu、Gd、Pr、Tb、Yb、Nd、またはこれらのいずれかの組み合わせからなり、0≦x≦1である。塩化物シンチレーターも単結晶性であり、式AMClの組成を有し、AおよびMは前述の元素からなる。改良されたブリッジマン(Bridgman)の技術を使用して結晶が形成された。ブリッジマン法は、ブリッジマン法の理解に必須とみなされる任意の物質に関して本明細書中で参照により援用される他の公知指導書の中でも、Robertson J. M., 1986, Crystal Growth of Ceramics、 Bridgman-Stockbarger method in Bever、 1986 “Encyclopedia of Materials Science and Engineering,” Pergamon, Oxford pp. 963-964”に記載されている。 Halide scintillators for radiation detection are described in US Published Patent Application No. 2011/0272585, and chloride scintillators for radiation detection are disclosed in US Published Application No. 2011/0272586 published on Nov. 10, 2011. Both are published applications of Zhuravleva et al., University of Tennessee. Halide scintillators are monocrystalline and have a composition of the formula A 3 MBr 6 (1-x) Cl 6x or AM 2 Br 7 (1-x) Cl 7x , where A is Li, Na , K, Rb, Cs, or any combination thereof, M, Ce, Sc, Y, La, Lu, Gd, Pr, Tb, Yb, Nd, or any combination thereof, and 0 ≦ x ≦ 1. The chloride scintillator is also monocrystalline, has the composition of the formula AM 2 Cl 7 , and A and M are composed of the aforementioned elements. Crystals were formed using a modified Bridgman technique. The Bridgman method is among other known instructions incorporated herein by reference for any material deemed essential to understanding the Bridgman method, such as Robertson JM, 1986, Crystal Growth of Ceramics, Bridgman-Stockbarger. method in Bever, 1986 “Encyclopedia of Materials Science and Engineering,” Pergamon, Oxford pp. 963-964.

放射線検出用のヨウ化物シンチレーターは、2011年11月16日に公開された欧州特許出願第2387040号で記載され、2011年5月2日に出願された米国特許出願第13/098,654号および2010年5月10日に出願された米国特許仮出願第61/332,945号の優先権を主張し、これもまたテネシー大学のZhuravleva et al.のものである。開示されたヨウ化物シンチレーターは、式AM1−xEuI、A1−xEuおよびAM2(1−x)Eu2xの組成を有し、式中、Aはアルカリ元素(例えば、Li、Na、K、Rb、Cs)、またはこれらのいずれかの組み合わせから本質的になり、Mは、Sr、Ca、Ba、またはこれらのいずれかの組み合わせから本質的になり、0≦x≦1である。まず、上記組成の化合物を合成し、次いで、合成された化合物から、例えば、垂直式温度傾斜凝固法(Vertical Gradient Freeze method)によって単結晶を形成することによって、これらのヨウ化物シンチレーター結晶を作製した。特に、高純度の、複数の出発ヨウ化物(例えば、CsI、SrI、EuI、および希土類ヨウ化物)を、例えば、純粋な窒素雰囲気を有するグローブボックス中で取扱い、混合して溶融させ、シンチレーター材料の所望の組成の化合物を合成する。シンチレーター材料の単結晶を、合成された化合物からブリッジマン法または垂直式温度傾斜凝固(VGF)法によって成長させる。この方法では、合成された化合物を含有する密封されたアンプル(ampoule)を制御された温度勾配により高温域(hot zone)から低温域(cold zone)へ高速で輸送して、溶融合成化合物から単結晶性シンチレーターを形成する。アンプルは、約1×10−6ミリバールの真空を形成した後、水素トーチで密封してもよい。シンチレーター結晶を切断してもよく、紙やすりおよび鉱油を用いて研磨してもよく、場合によって、シンチレーターによって生じた光子を受容するように配置され、光子生成を示すシグナルを生成させる光電子増倍管(PMT)などの光子検出器に連結してもよい。典型的には、厚さが約1〜3mmのプレートをブール(boules)から切り出すことができ、光学的特性評価のために小さい試料(サンプル)を選択することができる。このシンチレーター結晶の研究は、テネシー州ノックスビルのテネシー大学シンチレーション材料研究所で続けられている。 Iodide scintillators for radiation detection are described in European Patent Application No. 2387040 published November 16, 2011, US Patent Application No. 13 / 098,654 filed May 2, 2011, and Claims priority of US Provisional Application No. 61 / 332,945, filed May 10, 2010, also from Zhuravleva et al., University of Tennessee. Disclosed iodide scintillator has a composition of the formula AM 1-x EuI 3, A 3 M 1-x Eu x I 5 and AM 2 (1-x) Eu 2x I 5, wherein, A is an alkali Consisting essentially of an element (eg Li, Na, K, Rb, Cs), or any combination thereof, and M consisting essentially of Sr, Ca, Ba, or any combination thereof, 0 ≦ x ≦ 1. First, compounds of the above composition were synthesized, and then, these iodide scintillator crystals were produced from the synthesized compounds by, for example, forming a single crystal by the vertical temperature gradient freeze method (Vertical Gradient Freeze method). . In particular, high purity, multiple starting iodides (eg, CsI, SrI 2 , EuI 2 , and rare earth iodides) are handled, mixed and melted, for example, in a glove box having a pure nitrogen atmosphere. A compound of the desired composition of the material is synthesized. A single crystal of scintillator material is grown from the synthesized compound by the Bridgman method or the vertical temperature gradient solidification (VGF) method. In this method, a sealed ampoule containing the synthesized compound is transported at high speed from a hot zone to a cold zone by a controlled temperature gradient, and is simply removed from the molten synthetic compound. Forms a crystalline scintillator. The ampoule may be sealed with a hydrogen torch after creating a vacuum of about 1 × 10 −6 mbar. The scintillator crystals may be cut, polished with sandpaper and mineral oil, and in some cases, photomultiplier tubes that are arranged to accept photons generated by the scintillator and generate a signal indicative of photon generation It may be coupled to a photon detector such as (PMT). Typically, a plate with a thickness of about 1-3 mm can be cut from the boules and a small sample can be selected for optical characterization. This scintillator crystal research continues at the University of Tennessee Scintillation Materials Laboratory in Knoxville, Tennessee.

また、2011年7月7日に公開された、米国出願公開公報第2011/0165422号によれば、補完的開発(complimentary development)として、ランタニドドープストロンチウムバリウム混合ハロゲン化物シンチレーター結晶、例えば、Sr0.2Ba0.75Eu0.05BrIに5%のEuを添加して、ブリッジマン成長技術も使用することがカリフォルニア大学で開発された。 Also, according to US Application Publication No. 2011/0165422 published July 7, 2011, as a complementary development, lanthanide doped strontium barium mixed halide scintillator crystals, such as Sr 0. It was developed at the University of California to add 5% Eu to 2 Ba 0.75 Eu 0.05 BrI and also use the Bridgeman growth technique.

Shah et alの2011年2月3日に公開された、米国特許出願公開公報第2011/0024635号によれば、リチウム含有ハロゲン化物シンチレーター組成物が開示される。このCsLiLn組成物は、マサチューセッツ州ウォータータウンのRadiation Monitoring Devices, Inc.で製造されている。   According to US Patent Application Publication No. 2011/0024635, published February 3, 2011 by Shah et al, lithium-containing halide scintillator compositions are disclosed. This CsLiLn composition is manufactured by Radiation Monitoring Devices, Inc., Watertown, Massachusetts.

近年、放射線検出物質(radiation detecting material)は、他の応用の中でも、国家安全保障、医用画像、X線検出、ガンマ線検出、油井探査(oil well logging:地質学的応用)、および高エネルギー物理学で応用するため、材料研究として最も要求がある。典型的には、上述の種類の結晶は、望ましくは、高い光収率、速いルミネッセンス減衰(例えば、1000ns未満)、良好な阻止能(good stopping power)、高密度、良好なエネルギー分解、成長の容易性、比例性および周囲条件下での安定性を示す。LaBr:Ce1−x(E. V. D. van Loef et al; Applied Physics Letters, 2007, 79, 1573)、およびSr:Eu1−x(N. Cherepy et al., Applied Physics Letters, 2007, 92, 083508)は所望の基準のいくつかを満足する今日の基準物質であるが、それらの適用は極端な吸湿性により限定される。商業的に入手可能な他の公知基準としては、多くの供給源から入手可能なゲルマニウム酸ビスマス(BGO)およびNaI:Tlが挙げられる。 In recent years, radiation detecting materials have become national security, medical images, X-ray detection, gamma ray detection, oil well logging, and high energy physics, among other applications. Therefore, there is the most demand for materials research. Typically, the above types of crystals desirably have a high light yield, fast luminescence decay (eg, less than 1000 ns), good stopping power, high density, good energy decomposition, and growth. Shows ease, proportionality and stability under ambient conditions. La x Br 3 : Ce 1-x (EVD van Loef et al ; Applied Physics Letters, 2007, 79, 1573), and Sr x I 2 : Eu 1-x (N. Cherepy et al., Applied Physics Letters, 2007 , 92, 083508) are today's reference materials that meet some of the desired criteria, but their application is limited by extreme hygroscopicity. Other known standards that are commercially available include bismuth germanate (BGO) and NaI: Tl, which are available from a number of sources.

当該技術分野では、上記のように適用するため、シンチレーター結晶材料のさらなる研究開発が依然として必要とされている。   There is still a need in the art for further research and development of scintillator crystal materials for application as described above.

この概要は、概念の選択のために提供される。これらの概念は、詳細な説明でさらに後述される。この概要は、請求される対象の重要な特徴、または基本的特徴を特定することを意図するものではなく、この概要は、請求される対象の範囲の決定を補助することを目的とするものでもない。   This summary is provided for concept selection. These concepts are further described below in the detailed description. This summary is not intended to identify key features or basic characteristics of the claimed subject matter, nor is this summary intended to assist in determining the scope of the claimed subject matter. Absent.

本発明は、次式:ACa1−yEu(式中、A=K、Rb、もしくはCs、またはこれらの組み合わせであり、X=Cl、Br、もしくはI、またはこれらの組み合わせであり、0≦y≦1)およびCsA1−yEu(式中、A=Ca、Sr、Ba、またはこれらの組み合わせであり、X=Cl、Br、もしくはI、またはこれらの組み合わせであり、0≦y≦1)のうちの1つによって表される二価ユウロピウムでドープされたハロゲン化物シンチレーターなどの無機シンチレーター結晶を提供することによって上記要求を満たす。一般に、1つの実施形態は、ABXを含んでなる(Aはアルカリであり、Bはアルカリ土類であり、Xはハロゲン化物である)。 The present invention has the following formula: ACa 1-y Eu y X 3 (wherein A = K, Rb, or Cs, or a combination thereof, and X = Cl, Br, or I, or a combination thereof) , 0 ≦ y ≦ 1) and CsA 1-y Eu y X 3 (where A = Ca, Sr, Ba, or a combination thereof; X = Cl, Br, or I, or a combination thereof) Satisfying the above requirements by providing an inorganic scintillator crystal such as a halide scintillator doped with a divalent europium represented by one of the following: 0 ≦ y ≦ 1). In general, one embodiment comprises ABX 3 (A is an alkali, B is an alkaline earth, and X is a halide).

1つの実施形態においては、無機単結晶シンチレーターは、式:ACa1−yEu(式中、A=K、Rb、もしくはCs、またはこれらの組み合わせであり、X=Cl、Br、もしくはI、またはこれらの組み合わせであり、0≦y≦l)を含んでなる。特に、KCaI:Euについては、例えば、200〜800℃の温度の間など種々の温度で、0%KIから100%CaIのモル濃度まででヨウ化カリウム(KI)およびヨウ化カルシウム(CaI)がプロットされた、公知のKI−CaI状態図を参照して結晶を形成させた(なお、状態図は、米国国立標準技術研究所(NIST)の提供している状態図データベースから入手可能である)。また、RbCaI、CsCaI、およびCsCaClについては、公知の状態図にしたがって、できる限り、高純度かつ無水の原材料を使用して、結晶を形成した。無水RbIは、一般的に入手できないため、公知技術を用いてRbI原料を精製した。垂直式温度勾配凝固法、または改良ブリッジマン法のうちの1つを用いて、これらの結晶を成長させた。チョクラルスキー(Czochralski)技術、または組み合わせブリッジマン/チョクラルスキー法を、シンチレーター結晶を成長させるための代替プロセスとして使用してもよい。 In one embodiment, the inorganic single crystal scintillator is of the formula: ACa 1-y Eu y X 3 , where A = K, Rb, or Cs, or combinations thereof, where X = Cl, Br, or I, or a combination thereof, comprising 0 ≦ y ≦ l). In particular, for KCaI 3 : Eu, potassium iodide (KI) and calcium iodide (CaI) at various temperatures, for example between 200 and 800 ° C., from 0% KI to 100% CaI 2 molarity. 2 ) were plotted, and crystals were formed with reference to the known KI-CaI 2 phase diagram (note that the phase diagram was obtained from the State Diagram database provided by the National Institute of Standards and Technology (NIST). Is possible). In addition, for RbCaI 3 , CsCaI 3 , and CsCaCl 3 , crystals were formed using raw materials that were as pure and anhydrous as possible according to a known phase diagram. Since anhydrous RbI is not generally available, the RbI raw material was purified using known techniques. These crystals were grown using one of the vertical temperature gradient solidification method or the modified Bridgman method. Czochralski technology, or a combined Bridgman / Czochralski method, may be used as an alternative process for growing scintillator crystals.

別の実施形態では、無機単結晶シンチレーターは、式:CsA1−yEu(式中、Aは、Ca、Sr、Ba、またはそれらの組み合わせであり、0≦y≦l、、Xは、Cl、Br、もしくはI、またはこれらの組み合わせである)を含んでなる。同様の成長技術を利用し、シンチレーターとしてこれらの特徴を研究した。 In another embodiment, the inorganic single crystal scintillator has the formula: CsA 1-y Eu y X 3 (wherein A is Ca, Sr, Ba, or combinations thereof, 0 ≦ y ≦ l, X Is Cl, Br, or I, or a combination thereof. Using similar growth techniques, we studied these characteristics as a scintillator.

本発明のさらなる特徴および利点、ならびに本発明の様々な態様の構造および操作を、添付の図面を参照して詳細に後述する。   Further features and advantages of the present invention, as well as the structure and operation of various embodiments of the present invention, are described in detail below with reference to the accompanying drawings.

本発明の特徴および利点は、図面とあわせた場合に後述の詳細な説明からさらに明らかになり、図中、同様の参照番号は、同一または機能的に類似した要素を示す。   The features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description set forth below when taken in conjunction with the drawings, in which like reference numbers identify identical or functionally similar elements.

図1、2および9は、米国国立標準技術研究所(KIST)の提供している状態図データベースによって得られる先行技術の状態図を含んでなり、当業者の実行可能性のためにここで再現される。   FIGS. 1, 2 and 9 comprise prior art state diagrams obtained by a state diagram database provided by the National Institute of Standards and Technology (KIST), reproduced here for the viability of those skilled in the art. Is done.

図1は、KI−CaI系の先行技術の状態図であり、KIは、左側に示され、CaIは、右側に0〜100%のモル濃度で示され、一方、温度は左側の縦軸に沿って200℃〜800℃で示される。図は、一致溶融化合物(congruently melting compound)KCaIの形成を示し、KCaIの結晶を溶融物から成長させることができるという事実を指摘する。FIG. 1 is a prior art phase diagram of the KI-CaI 2 system, where KI is shown on the left and CaI 2 is shown on the right with a molar concentration of 0-100%, while the temperature is Shown at 200-800 ° C. along the axis. The figure shows the formation of a congruently melting compound KCaI 3 and points out the fact that crystals of KCaI 3 can be grown from the melt.

図2は、KCaI、ならびにRbIからCaI、およびCsIからCaIに類似した系の、200℃〜800℃の先行技術の状態図である。3つの化合物、KCaI、CsCaIおよびRbCaIはすべて一致溶融化合物であり、これらの結晶を溶融物から成長させることができる。FIG. 2 is a prior art phase diagram from 200 ° C. to 800 ° C. for systems similar to KCaI 3 and RbI to CaI 2 and CsI to CaI 2 . The three compounds, KCaI 3 , CsCaI 3 and RbCaI 3 are all coincident molten compounds and these crystals can be grown from the melt.

図3は、上から下へ、高温域、断熱域および低温域を含んでなるブリッジマン装置の形態の典型的な概略図を示し、炉の中央は高温域のアンプルからの結晶成長方向を示す。FIG. 3 shows, from top to bottom, a typical schematic of a Bridgman apparatus configuration comprising a high temperature zone, an adiabatic zone and a low temperature zone, with the center of the furnace showing the crystal growth direction from the ampoule in the high temperature zone. .

図4は、フォトルミネッセンス発光のグラフ、ならびにCsCaI:EuおよびKCaI:Euの励起スペクトルを示し、図中、破線は広い励起帯を表し、実線は各結晶の発光帯を表す。FIG. 4 shows a graph of photoluminescence emission and excitation spectra of CsCaI 3 : Eu and KCaI 3 : Eu. In the figure, a broken line represents a wide excitation band, and a solid line represents an emission band of each crystal.

図5は、X線による励起下でEu2+の5dから4fへの発光を示す、CsCaI:Eu、KCaI:Eu、およびRbCaI:Euの各結晶の放射線ルミネッセンスのグラフを示す。FIG. 5 shows a graph of radioluminescence of CsCaI 3 : Eu, KCaI 3 : Eu, and RbCaI 3 : Eu crystals showing the emission of Eu 2+ from 5d to 4f under X-ray excitation.

図6は、チャンネル100でその光電ピークを有する基準ゲルマン酸ビスマス(BGO)標準試料に対して正規化された、CsCaI:Eu3%(上側の曲線)およびKCaI:Eu3%(下側の曲線)の662keVガンマ線光電ピークを有する137Csエネルギースペクトルを示す。FIG. 6 shows CsCaI 3 : Eu3% (upper curve) and KCaI 3 : Eu3% (lower curve) normalized to a reference bismuth germanate (BGO) standard with its photoelectric peak in channel 100. ) Shows a 137 Cs energy spectrum having a 662 keV gamma ray photopeak.

図7Aは、ナノ秒で測定された時間にわたる結晶KCaI:Eu1%についてのシンチレーション減衰(カウント)のグラフを示す。シンチレーション時間プロフィールは、137Csガンマ線源を用いて記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文で示す。FIG. 7A shows a graph of scintillation decay (count) for crystalline KCaI 3 : Eu 1% over time measured in nanoseconds. Scintillation time profiles were recorded using a 137 Cs gamma source. The scintillation decay constant resulting from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend. 図7Bは、ナノ秒で測定された時間にわたる結晶RbCaI:En1%についてのシンチレーション減衰(カウント)のグラフを示す。シンチレーション時間プロフィールは、137Csガンマ線源を用いて記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文で示す。FIG. 7B shows a graph of scintillation decay (count) for crystalline RbCaI 3 : En 1% over time measured in nanoseconds. Scintillation time profiles were recorded using a 137 Cs gamma source. The scintillation decay constant resulting from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend. 図7Cは、ナノ秒で測定された時間にわたる結晶CsCaI:Eu1%についてのシンチレーション減衰(カウント)のグラフを示す。シンチレーション時間プロフィールは、137Csガンマ線源を用いて記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文で示す。FIG. 7C shows a graph of scintillation decay (count) for crystalline CsCaI 3 : Eu 1% over time measured in nanoseconds. Scintillation time profiles were recorded using a 137 Cs gamma source. The scintillation decay constant resulting from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend.

図8Aは、定規と比較した、KCaI:Eu3%結晶の写真から作製した白黒図を示す。FIG. 8A shows a black and white view made from a photograph of a KCaI 3 : Eu 3 % crystal compared to a ruler. 図8Bは、定規と比較した、CsCaI:Eu3%結晶の写真から作製した白黒図を示す。FIG. 8B shows a black and white view made from a photograph of CsCaI 3 : Eu 3 % crystals compared to a ruler. 図8Cは、RbCaCl:Eu3%結晶の写真から作製した白黒図を示す。FIG. 8C shows a black and white view made from a photograph of RbCaCl 3 : Eu 3 % crystals.

図9Aは、CsCl−CaCl系の先行技術の状態図であり、CsClは左側に示され、CaClは右側に0〜100%のモル濃度で示され、温度は200℃〜800℃で左側の垂直軸に沿って示される。FIG. 9A is a prior art phase diagram of the CsCl—CaCl 2 system, where CsCl is shown on the left, CaCl 2 is shown on the right with a molar concentration of 0-100%, and the temperature is between 200 ° C. and 800 ° C. Is shown along the vertical axis. 図9Bは、CsCl−SrCl系の先行技術の状態であり、CsClは左側に示され、SrClは右側に0〜100%のモル濃度で示され、温度は200℃〜800℃で左側の垂直軸に沿って示される。FIG. 9B is a prior art state of the CsCl—SrCl 2 system, where CsCl is shown on the left, SrCl 2 is shown on the right in a 0-100% molar concentration, and the temperature is between 200 ° C. and 800 ° C. on the left. Shown along the vertical axis. 図9Cは、SrBr−CsBr系の先行技術の状態図であり、SrBrは左側に示され、CsBrは右側に0〜100%モル濃度で示され、温度は200℃〜800℃で左側の垂直軸に沿って示される。 3つの化合物、CsCaI、CsSrIおよびCsSrBrはすべて一致溶融化合物であり、これらの結晶を溶融物から成長させることができる。FIG. 9C is a prior art phase diagram of the SrBr 2 -CsBr system, where SrBr 2 is shown on the left side, CsBr is shown on the right side in 0-100% molarity, and the temperature is between 200 ° C. and 800 ° C. on the left side. Shown along the vertical axis. The three compounds, CsCaI 3 , CsSrI 3 and CsSrBr 3 are all coincident molten compounds and these crystals can be grown from the melt.

図10は、基準としてのCsLiYCl:Ce、およびNaI、ならびに以下の結晶:CsSrCl:Eu10%、CsSrBr:Eu10%、およびCsCaCl:Eu10%の水分吸収の経時的グラフであり、後者の2つの結晶は、ほとんどまたは全く水分吸収を示さない。測定は、同じ温度および湿度条件で実施した。FIG. 10 is a graph of moisture absorption over time for Cs 2 LiYCl 6 : Ce and NaI as references and the following crystals: CsSrCl 3 : Eu 10%, CsSrBr 3 : Eu 10%, and CsCaCl 3 : Eu 10%, The latter two crystals show little or no moisture absorption. Measurements were performed at the same temperature and humidity conditions.

図11は、CsCaCl:Eu10%、CsSrCl:Eu10%、およびCsSrBr:Eu10%の結晶の各々についてのフォトルミネッセンス発光および励起スペクトルグラフであり、図中、破線は広い励起帯を表し、実線は発光帯を表す。FIG. 11 is a photoluminescence emission and excitation spectrum graph for each of the crystals of CsCaCl 3 : Eu 10%, CsSrCl 3 : Eu 10%, and CsSrBr 3 : Eu 10%, in which the broken line represents a wide excitation band and a solid line Represents an emission band.

図12は、X線による励起下でEu2+5d−4fルミネッセンスを示す、CsCaCl:Eu10%、CsSrCl:Eu10%、およびCsSrBr:Eu10%の各結晶についての放射線ルミネッセンスのグラフを提供する。FIG. 12 provides a graph of radioluminescence for CsCaCl 3 : Eu 10%, CsSrCl 3 : Eu 10%, and CsSrBr 3 : Eu 10% crystals showing Eu 2+ 5d-4f luminescence under X-ray excitation.

図13Aは、各結晶、特に、CsCaCl:Eu10%について経時的シンチレーション減衰のグラフを表す。137Csガンマ線源を使用してシンチレーション時間プロフィールを記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文中に示す。FIG. 13A represents a graph of scintillation decay over time for each crystal, specifically CsCaCl 3 : Eu 10%. A scintillation time profile was recorded using a 137 Cs gamma source. The scintillation decay constant obtained from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend. 図13Bは、各結晶、特に、CsSiCl:Eu10%について経時的シンチレーション減衰のグラフを表す。137Csガンマ線源を使用してシンチレーション時間プロフィールを記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文中に示す。FIG. 13B represents a graph of scintillation decay over time for each crystal, in particular CsSiCl 3 : Eu 10%. A scintillation time profile was recorded using a 137 Cs gamma source. The scintillation decay constant obtained from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend. 図13Cは、各結晶、特に、CsSrBr:Eu10%について経時的シンチレーション減衰のグラフを表す。137Csガンマ線源を使用してシンチレーション時間プロフィールを記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文中に示す。FIG. 13C represents a graph of scintillation decay over time for each crystal, particularly CsSrBr 3 : Eu 10%. A scintillation time profile was recorded using a 137 Cs gamma source. The scintillation decay constant obtained from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend.

図14Aは、各結晶について、662keVガンマ線光電ピークを有する137Csエネルギースペクトルのグラフを表し、特に、チャンネル100でその光電ピークを有する基準ゲルマン酸ビスマス(BGO)標準試料に対して正規化したCsCaCl:Eu10%を表す。FIG. 14A represents a graph of the 137 Cs energy spectrum with a 662 keV gamma photopeak for each crystal, in particular CsCaCl 3 normalized to a reference bismuth germanate (BGO) standard with that photopeak in channel 100. : Eu 10%. 図14Bは、各結晶について、662keVガンマ線光電ピークを有する137Csエネルギースペクトルのグラフを表し、特に、チャンネル100でその光電ピークを有する基準ゲルマン酸ビスマス(BGO)標準試料に対して正規化したCsSrCl:Eu10%を表す。FIG. 14B represents a graph of the 137 Cs energy spectrum with a 662 keV gamma photopeak for each crystal, in particular CsSrCl 3 normalized to a reference bismuth germanate (BGO) standard sample with that photopeak in channel 100. : Eu 10%. 図14Cは、各結晶について、662keVガンマ線光電ピークを有する137Csエネルギースペクトルのグラフを表し、特に、チャンネル100でその光電ピークを有する基準ゲルマン酸ビスマス(BGO)標準試料に対して正規化したCsSrBr:Eu10%を表す。FIG. 14C represents a graph of the 137 Cs energy spectrum with a 662 keV gamma-ray photopeak for each crystal, in particular CsSrBr 3 normalized to a reference bismuth germanate (BGO) standard sample with that photopeak in channel 100. : Eu 10%.

図15Aは、エネルギーに対する相対的光出力比例性を示すグラフであり、図15Aは、CsSrBr:Eu10%を表す。FIG. 15A is a graph showing the relative light output proportionality to energy, and FIG. 15A represents CsSrBr 3 : Eu10%. 図15Bは、エネルギーに対する相対的光出力比例性を示すグラフであり、図15Bは、CsCaCl:Euについての同様のグラフである。FIG. 15B is a graph showing the relative light output proportionality to energy, and FIG. 15B is a similar graph for CsCaCl 3 : Eu.

図16Aは、結晶:CsSrCl:Eu10%の写真から作製される白黒図である。FIG. 16A is a black and white view made from a photograph of crystals: CsSrCl 3 : Eu 10%. 図16Bは、結晶:CsSrBr:Eu10%の写真から作製される白黒図である。FIG. 16B is a black and white view made from a photograph of crystals: CsSrBr 3 : Eu 10%. 図16Cは、結晶:CsCaCl:Eu10%の写真から作製される白黒図である。FIG. 16C is a black and white view made from a photograph of crystals: CsCaCl 3 : Eu 10%.

図17は、バリウム濃度がx=0.03からx=0.24まで増加し、y=1%である場合に水分吸収速度(MAR)において減少を示すCsBaSr1−x:yEu系中のバリウム濃度のグラフである。FIG. 17 shows that CsBa x Sr 1-x I 3 : yEu shows a decrease in moisture absorption rate (MAR) when the barium concentration increases from x = 0.03 to x = 0.24 and y = 1%. It is a graph of barium concentration in the system.

図18は、室温でCsSr1−xBa:1%Euの放射線ルミネッセンススペクトル、445nm〜450nmで出現する放出ピークを示すグラフの集まりである。FIG. 18 is a collection of graphs showing the emission peak appearing at 445 nm to 450 nm in the radioluminescence spectrum of CsSr 1-x Ba x I 3 : 1% Eu at room temperature.

本発明は、概して、概念ABXから得られる、新たな無機シンチレーター結晶に関するものであり、Aはアルカリであり、Bはアルカリ土類であり、Xは塩素、臭素およびヨウ素のうちの1つを含んでなるハロゲン化物である。また、例示的シンチレーター結晶を成長させて二価ユウロピウムドーピングのレベルを1%〜10%で調査し、それらの特性を記録した。また、本発明は、例えば、他の二価元素(Sr、CaおよびSrBaの組み合わせ)のうちの1つでの置換するために二価ユウロピウムでドープした、式CsSrX:Eu1〜10%、CsCaX:Eu1〜10%、またはCsSrBaX:Eu1〜10%のシンチレーター結晶を形成するためにセシウム、ストロンチウム、カルシウム、およびバリウムを組み合わせて使用する、組み合わせ無機結晶シンチレーターに関する。まず、二価ユウロピウムをドープしたACaI結晶の形成を一例として説明し、続いて組み合わせ結晶について説明する。 The present invention relates generally to new inorganic scintillator crystals derived from the concept ABX 3 , where A is alkali, B is alkaline earth, and X is one of chlorine, bromine and iodine. A halide comprising. Also, exemplary scintillator crystals were grown and the level of divalent europium doping was investigated from 1% to 10% and their properties were recorded. The present invention also includes, for example, the formula CsSrX 3 : Eu1-10%, CsCaX doped with divalent europium to replace one of the other divalent elements (a combination of Sr, Ca and SrBa) 3 relates to a combined inorganic crystal scintillator that uses a combination of cesium, strontium, calcium, and barium to form a scintillator crystal of Eu 1-10% or CsSrBaX 3 : Eu 1-10%. First, formation of an ACaI 3 crystal doped with divalent europium will be described as an example, and then a combination crystal will be described.

実施例1 ACaExample 1 ACa 1−y1-y EuEu y I 3 (式中、A=K、RbおよびCs)(Where A = K, Rb and Cs)

図1に、先行技術として、モル濃度と温度プロットとの関係を示す、典型的なヨウ化カリウムおよびヨウ化カルシウム系が示される。ハロゲン化物塩は、一般に急速に水分を吸収し、好ましくは水を含む結晶形態を予めとらないように乾燥状態に維持される。本明細書中で説明するように、これらのハロゲン化物塩の精製プロセスおよび取扱いは、純粋な無水塩を得るために保護的雰囲気下で、例えば、炉中の帯域精製技術、溶融−濾過、または他の公知技術を使用して最も良好に実施され、この場合、材料を石英アンプル中、真空下または窒素もしくはアルゴンガス下のいずれかで密封してもよい。   FIG. 1 shows a typical potassium iodide and calcium iodide system as a prior art showing the relationship between molar concentration and temperature plot. Halide salts generally absorb moisture quickly and are preferably kept dry so as not to assume a crystalline form containing water in advance. As described herein, the purification process and handling of these halide salts is carried out under a protective atmosphere to obtain pure anhydrous salts, for example, zone purification techniques in furnaces, melt-filtration, or Performed best using other known techniques, in which case the material may be sealed in a quartz ampoule either under vacuum or under nitrogen or argon gas.

図2は、それぞれルビジウムおよびセシウム、ならびに塩化カルシウムについての同様のプロットを示す。RbIは、現在、純粋な無水形態では入手できず、公知技術を用いて精製し、できるだけ無水にしなければならない。まず、図1より、KCaIは524℃の融点を有する一致溶融化合物である。 FIG. 2 shows similar plots for rubidium and cesium and calcium chloride, respectively. RbI is currently not available in pure anhydrous form and must be purified using known techniques to make it as anhydrous as possible. First, as shown in FIG. 1, KCaI 3 is a coincident molten compound having a melting point of 524 ° C.

下記先行技術の表1は、カリウム、ルビジウムおよびセシウムの各々について形成された各結晶についての詳細および公知式を用いて計算されたZeffを提供する。 Prior art Table 1 below provides details for each crystal formed for each of potassium, rubidium and cesium and Z eff calculated using known equations.

上記表1の概要から、3つの結晶すべてが斜方晶系結晶構造を示す。Eu3%の各結晶の精密な白黒図を図8に示す。融点はカリウムの524℃からセシウムの686℃まで変化する。カリウムまたはセシウムのいずれについても相転移は示されない。469℃または約470℃での相転移がルビジウムについて見られた。Zeffはそれほど変わらず、50.0から52.6までで変化した。密度はおよそ3.8〜4.1g/cmであった。 From the summary of Table 1 above, all three crystals have an orthorhombic crystal structure. A precise black and white view of each Eu 3% crystal is shown in FIG. The melting point varies from 524 ° C for potassium to 686 ° C for cesium. No phase transition is shown for either potassium or cesium. A phase transition at 469 ° C. or about 470 ° C. was seen for rubidium. Z eff did not change so much and varied from 50.0 to 52.6. The density was approximately 3.8 to 4.1 g / cm 2 .

図3で示される垂直式温度傾斜凝固法および改良ブリッジマン技術を使用して、その特性が表1に記載されている結晶を形成することができる。また、方法は、垂直式温度傾斜凝固(VGF)法とともに、またはその代替法として使用することもできる。チョクラルスキー技術または複合チョクラルスキー/ブリッジマン技術を代替法として使用してシンチレーター結晶を成長させてもよい。上述のように、ハロゲン化物塩は感湿性である。プロセス中の1つの段階は、CsI、KI、RbI、EuIおよびCaIなどの高純度無水出発ハロゲン化物を使用して化合物を合成することである。RbIの場合、公知技術を使用してグローブボックス中で塩を乾燥させ、精製した。乾燥塩原材料を図3のアンプルへ移す前はグローブボックス中で取り扱うことが推奨される。典型的なアンプルは、10-6の真空圧力で真空密封した石英アンプルである。並進モーター(translation motor)を有する、メレン(Mellen)製のエレクトロダイナミック勾配(Electro−Dymmic Gradient:EDG)炉を利用して、熱を発生させることができる。合成された材料は、フリットを通して濾過し、続いて数回帯域精製を実施することによってさらに精製することができる。成長パラメータは、次のように示唆されている。温度勾配は、結晶成長1インチあたり25〜75℃であり得る。並進速度は、1時間あたり1ミリメートルであり得る(1時間あたり0.5〜2mmの範囲)。典型的な冷却速度は、1時間あたり5℃であり得る。結晶成長結果は、図8に示すように、成長の長さを示す定規に対して示す。 Using the vertical temperature gradient solidification method and the improved Bridgman technique shown in FIG. 3, crystals whose properties are listed in Table 1 can be formed. The method can also be used with or as an alternative to the vertical temperature gradient coagulation (VGF) method. Scintillator crystals may be grown using Czochralski technology or composite Czochralski / Bridgeman technology as an alternative. As mentioned above, halide salts are moisture sensitive. One step in the process is to synthesize CsI, KI, RbI, compounds using high purity anhydrous starting halides such EuI 2 and CaI 2. In the case of RbI, the salt was dried and purified in a glove box using known techniques. It is recommended that the dried salt raw material be handled in a glove box before being transferred to the ampoule of FIG. A typical ampoule is a quartz ampoule that is vacuum sealed at a vacuum pressure of 10 −6 . Heat can be generated using an electro-dynamic gradient (EDG) furnace manufactured by Mellen with a translation motor. The synthesized material can be further purified by filtering through a frit followed by several zone purifications. The growth parameters are suggested as follows. The temperature gradient can be 25-75 ° C. per inch of crystal growth. The translation speed can be 1 millimeter per hour (range 0.5-2 mm per hour). A typical cooling rate can be 5 ° C. per hour. The crystal growth results are shown against a ruler indicating the length of the growth, as shown in FIG.

単結晶形態での成長に加えて、本明細書中で説明されているシンチレーター化合物は、微粒子粉末成分を化学量論比で混合し、融点より若干低い温度にて焼結することによって多結晶粉末として調製することができる。さらに、これらの組成物は、微粒子粉末の熱間等静圧圧縮によって多結晶セラミック形態で合成することができる。   In addition to growth in single crystal form, the scintillator compound described herein is a polycrystalline powder by mixing particulate powder components in a stoichiometric ratio and sintering at a temperature slightly below the melting point. Can be prepared as Furthermore, these compositions can be synthesized in the form of polycrystalline ceramics by hot isostatic pressing of particulate powder.

次に、図4に、285、290nm波長で励起(破線)および460nm波長で発光(実線)の各ピークを示すCsCaIおよびKCaIの各結晶のグラフを示す。強度レベルは、正規化された強度として垂直軸で示される。ホリバ・ジョバンイボン(horiba Jobin Yvon)の蛍光分光光度計(商品名「Flourolog 3」)を測定で使用した。発光および励起帯は、典型的には、Eu2+の5dから4fへの発光(Eu2+5d−4fルミネッセンス)である。Ca2+イオンは、Eu2+ドーピングのための置換部位を与える。特徴的データは、カルシウムの代替として、Eu2+が安定な二価状態で各結晶シンチレーターの格子中へ組み入れられることを裏付ける。さらに、Eu2+ドーピングは、通常の室温で優れた光度および高スペクトルエネルギー分解を示すことが確認される。CsCaClおよびCsCaIは、全体を参照することにより本明細書中で援用される、“Theoretical and experimental characterization of promising new scintillators: Eu2+ CsCaCl3 and CsCaI3,” J. App. Phys. 113, 203504 (2013) of Tyagi, Zhuravleva et al.、および“New single crystal scintillators: CsCaCl3:Eu and CsCaI3:Eu,” Journal of Crystal Growth 352 (2012) pp. 115-119でやや詳しく記載されている。 Next, FIG. 4 shows graphs of CsCaI 3 and KCaI 3 crystals showing respective peaks of excitation (broken line) at 285 and 290 nm wavelengths and emission (solid line) at 460 nm wavelengths. The intensity level is shown on the vertical axis as normalized intensity. A fluorescence spectrophotometer (trade name “Florolog 3”) from Horiba Jobin Yvon was used in the measurements. The emission and excitation bands are typically Eu 2+ 5d to 4f emission (Eu 2+ 5d-4f luminescence). Ca 2+ ions provide substitution sites for Eu 2+ doping. Characteristic data confirm that Eu 2+ is incorporated into each crystal scintillator lattice in a stable divalent state as an alternative to calcium. Furthermore, Eu 2+ doping is confirmed to show excellent luminous intensity and high spectral energy decomposition at normal room temperature. CsCaCl 3 and CsCaI 3 are described in “Theoretical and experimental characterization of promising new scintillators: Eu 2+ CsCaCl 3 and CsCaI 3 ,” J. App. Phys. 113, incorporated herein by reference in their entirety. 203504 (2013) of Tyagi, Zhuravleva et al. And “New single crystal scintillators: CsCaCl 3 : Eu and CsCaI 3 : Eu,” Journal of Crystal Growth 352 (2012) pp. 115-119 .

図5に、CsCaI:Eu、KCaI:Eu、およびRbCaI:Euの各結晶のX線放射線ルミネッセンススペクトルのグラフが示され、最大放出ピークは、それぞれ450、470および470nmであり、前述のように、正規化強度を垂直軸として示す。放射線ルミネッセンススペクトルを室温にてX線発生装置からの連続照射下(35kVおよび0.1mA)で測定した。また、発光帯は、Eu2+の5dから4fへの発光に特徴的である。発光は、例えば、Photonis社製のPMT(商品名:「XP2020Q」)および高速タイミングエレクトロニクス(fast timing electronics)などの光電子増倍管(PMI)などの当該技術分野で公知の従来型の光検出器とともに使用するのに適している。 FIG. 5 shows graphs of X-ray radioluminescence spectra of CsCaI 3 : Eu, KCaI 3 : Eu, and RbCaI 3 : Eu crystals, with maximum emission peaks at 450, 470 and 470 nm, respectively. Thus, the normalized intensity is shown as a vertical axis. The radioluminescence spectrum was measured at room temperature under continuous irradiation from an X-ray generator (35 kV and 0.1 mA). The emission band is characteristic for light emission from 5d to 4f of Eu 2+ . The light emission is, for example, a conventional photodetector known in the art such as PMT (trade name: “XP2020Q”) manufactured by Photonis and a photomultiplier tube (PMI) such as fast timing electronics. Suitable for use with.

次に、図6に、CsCaI:Euが3%およびKCaI:Euが3%の結晶の137Csガンマ線エネルギースペクトルを示す。光出力測定を、鉱油中で、光電子増倍管(PMT)に直接連結され、テフロンテープで覆われた試料に関して実施した。PMT(浜松ホトニクス製の「H3177−50」)を絶対光測定のために使用してもよい。6μ秒の成形時間で137Cs源を使用してガンマ線エネルギースペクトルを記録した。CsCaI:Eu 3%(一般に、上方、菱形で示す。)、およびKCaI:Eu3%(一般に、下方、下向きの三角形)のシンチレーター結晶スペクトルは、どちらも、チャンネル100でその光電ピークを有する基準ゲルマン酸ビスマス(BGO)結晶よりもはるかに高いチャンネル数で662keVガンマ線光電ピーク位置を示し、このことは、はるかに高い光出力を意味する。異なるEuドーピングを1〜10モル%で使用した場合、最適Eu2+アクチベータ濃度は3モル%であることが判明した。 Next, in FIG. 6, CsCaI 3: Eu 3% and KCaI 3: Eu indicates 137 Cs gamma-ray energy spectrum of 3% crystalline. Light output measurements were performed on samples that were directly connected to a photomultiplier tube (PMT) and covered with Teflon tape in mineral oil. PMT (“H3177-50” manufactured by Hamamatsu Photonics) may be used for absolute light measurement. Gamma-ray energy spectra were recorded using a 137 Cs source with a 6 μs molding time. The scintillator crystal spectra of CsCaI 3 : Eu 3% (generally, upper, indicated by diamonds) and KCaI 3 : Eu3% (generally, lower, downward triangles) are both standards having their photoelectric peak in channel 100 It shows a 662 keV gamma-ray photopeak position with a much higher channel number than bismuth germanate (BGO) crystals, which means a much higher light output. It was found that the optimal Eu 2+ activator concentration was 3 mol% when different Eu doping was used at 1-10 mol%.

図6中の光電ピークをガウス関数と適合させて、ピークの重心およびエネルギー分解を決定した。シンチレーターの発光スペクトルにしたがってPMTの積分量子効率を使用して、単位ガンマ線エネルギーあたりの光子中の光出力を評価した。下記表2は、NaI:Tl参考試料と比較した測定のために使用される特定の試料についての絶対光出力およびエネルギー分解を示す。662keVでのエネルギー分解を662keV光電ピークの半値全幅(FWHM)から決定した。   The photoelectric peak in FIG. 6 was fitted with a Gaussian function to determine the peak centroid and energy resolution. The integrated quantum efficiency of the PMT was used according to the emission spectrum of the scintillator to evaluate the light output in photons per unit gamma ray energy. Table 2 below shows the absolute light output and energy decomposition for the specific sample used for the measurement compared to the NaI: Tl reference sample. The energy resolution at 662 keV was determined from the full width at half maximum (FWHM) of the 662 keV photopeak.

表2からわかるように、RbCaI:Eu3%の試料は、分解されたガンマ線光電ピークを示さなかった。それに対し、KCaI:Eu3%の結晶は、NaI:Tlの38,000と比較して1MeVあたり60,000個の光子の光収率で基準NaI:Tl結晶を大きく上回り、一方、CsCaI:Eu3%結晶は一致しても一致しなくても、NaI:Tlの光収率を越えなかった。エネルギー分解に関して、KCaI:Eu3%およびCsCaI:Eu3%の結晶は、どちらも、662keVで5%(カリウムについて)〜7%(セシウムについて)に非常に許容される範囲を示した。 As can be seen from Table 2, the sample of RbCaI 3 : Eu 3 % did not show a resolved gamma ray photopeak. In contrast, the KCaI 3 : Eu 3 % crystal significantly outperforms the reference NaI: Tl crystal at a light yield of 60,000 photons per MeV compared to 38,000 for NaI: Tl, whereas CsCaI 3 : Eu3% crystals did not exceed the light yield of NaI: Tl, whether matched or not matched. In terms of energy decomposition, the crystals of KCaI 3 : Eu 3 % and CsCaI 3 : Eu 3 % both showed a very acceptable range from 5% (for potassium) to 7% (for cesium) at 662 keV.

各結晶のシンチレーション減衰を図7A〜7Cで示す。図7Aは、KCaI:Eu1%、図7Bは、RbCaI:Eu1%、図7Cは、CsCaI:Eu1%のシンチレーション減衰結果を経時的にカウントした結果を示す。時間相関のある単一光子カウンティング技術を使用すると共に、137Cs662keVガンマ線源を使用して、シンチレーション減衰を測定した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文で示す。1μ秒付近の一次減衰は、Eu2+の5dから4fへの発光に特徴的である。 The scintillation decay of each crystal is shown in FIGS. FIG. 7A shows the result of counting the scintillation decay results of KCaI 3 : Eu1%, FIG. 7B shows the RbCaI 3 : Eu1%, and FIG. 7C shows CsCaI 3 : Eu1% over time. Scintillation attenuation was measured using a time-correlated single photon counting technique and using a 137 Cs662 keV gamma source. The scintillation decay constant resulting from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend. The first-order decay around 1 μs is characteristic of Eu 2+ emission from 5d to 4f.

次に、図8Aに、目盛り付定規と比較したKCaI:Eu3%結晶の写真から作製した白黒図を示す。本明細書中の図面で示されるすべての単結晶は、亀裂が無く、一次元で0.1cmより大きい。縦の定規は、カリウム結晶が6cmを超える長さまで成長し、幅は約0.5cmと測定されたことを示す。次に、図8Bに、定規と比較したCsCaI:Eu3%結晶の写真から作製した白黒図を示す。CsCaI:Eu1%の単結晶は、その全体を参照することにより本明細書中で援用される、2011年2月15日に出願された米国特許出願第61/443,076号の図2として示されている。縦の定規(インチ)は、カリウム結晶が2インチを上回る長さまで成長し、幅が約0.5cmと測定されたことを示す。CsCaClおよびCsCaIは、全体を参照することにより本明細書中で援用される、Tyagi, Zhuravleva et al.の“Theoretical and experimental characterization of promising new scintillators: Eu2+ CsCaCl3 and CsCaI3,” J. App. Phys. 113, 203504 (2013)、および、また“New single crystal scintillators: CsCaCl3:Eu and CsCaI3:Eu,” Journal of Crystal Growth 352 (2012) pp. 115-119に説明されている。次に、図8Cに、RbCaI:Eu3%の結晶の写真から作製された白黒図を示す。 Next, FIG. 8A shows a black and white view prepared from a photograph of a KCaI 3 : Eu 3 % crystal compared with a scale ruler. All single crystals shown in the drawings herein are crack free and larger than 0.1 cm in one dimension. The vertical ruler indicates that the potassium crystals have grown to a length exceeding 6 cm and the width is measured to be about 0.5 cm. Next, FIG. 8B shows a black and white view prepared from a photograph of a CsCaI 3 : Eu 3 % crystal compared with a ruler. A single crystal of CsCaI 3 : Eu 1% is shown in FIG. 2 of US Patent Application No. 61 / 443,076, filed February 15, 2011, which is incorporated herein by reference in its entirety. It is shown. The vertical ruler (inch) indicates that the potassium crystals have grown to a length greater than 2 inches and the width was measured to be about 0.5 cm. CsCaCl 3 and CsCaI 3 are described in Tyagi, Zhuravleva et al., “Theoretical and experimental characterization of promising new scintillators: Eu 2+ CsCaCl 3 and CsCaI 3 ,” J, incorporated herein by reference in their entirety. App. Phys. 113, 203504 (2013), and also “New single crystal scintillators: CsCaCl 3 : Eu and CsCaI 3 : Eu,” Journal of Crystal Growth 352 (2012) pp. 115-119 . Next, FIG. 8C shows a black and white view made from a photograph of a crystal of RbCaI 3 : Eu 3 %.

以下の表3は、基準NaI:Tl結晶のものと比較したCsCaI:Eu3%、およびKCaI:Eu3%の結晶の結果の概要を示す。 Table 3 below, reference NaI: CsCaI was compared to that of Tl crystal 3: Eu3%, and KCaI 3: shows the summary of results Eu3% crystalline.

本実施例から、NaI:Tlに匹敵するほど実際に成長する結晶を妥当なコスト(一致溶融および許容される融点を含む)で得られる得ること示されている。結晶は吸湿性であるので、Photonis XP2020Q PMTおよび高速タイミングエレクトロニクスなどの光電増倍管などの従来型の光検出器を密封包装して使用してもよい。X線、ガンマ線および光学的励起が示された。結晶品質(原材料不純物の除去および改善された加工)が改善されれば、光出力およびエネルギー分解の両方が現在のレベルを超えて改善されることが期待される。   This example shows that crystals that actually grow to be comparable to NaI: Tl can be obtained at reasonable costs (including coincident melting and acceptable melting points). Since the crystals are hygroscopic, conventional photodetectors such as Photomultiplier tubes such as Phototonis XP2020Q PMT and high-speed timing electronics may be used in sealed packaging. X-rays, gamma rays and optical excitation were shown. If the crystal quality (removal of raw material impurities and improved processing) is improved, both light output and energy decomposition are expected to improve beyond current levels.

実施例2 二価ユウロピウムをドープ(0≦y≦1)したCsAExample 2 CsA doped with divalent europium (0 ≦ y ≦ 1) 1−y1-y EuEu y X 3 (式中、A=Ca、Sr、Ba、またはそれらの組み合わせであり、X=Cl、BrもしくはIまたはそれらの組み合わせ)(Wherein A = Ca, Sr, Ba, or a combination thereof, and X = Cl, Br, or I, or a combination thereof)

上記のように、1〜10モル%で調べた、二価ユウロピウムドーピングをドープした式CsAXの単結晶無機結晶シンチレーターを記載する。ここで、Aはカルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)もしくはバリウム(Ba)、またはこれらの組み合わせであり、Xは、塩素、臭素またはヨウ素から選択されるハロゲン化物である。特に、CsSrCl:Eu10%の結晶が、1MeVあたり約46,000光子の光収率および2.6μ秒でシンチレーション減衰を示し、そして優れたガンマ線およびX線検出特性を発揮することが示されるであろう。A2+格子部位はEu2+ドーピングの置換部位を与える。 A single crystal inorganic crystal scintillator of formula CsAX 3 doped with divalent europium doping, investigated at 1-10 mol% as described above, is described. Here, A is calcium (Ca), strontium (Sr) or barium (Ba), or a combination thereof, and X is a halide selected from chlorine, bromine or iodine. In particular, it has been shown that CsSrCl 3 : Eu 10% crystals show a light yield of about 46,000 photons per MeV and scintillation decay at 2.6 μsec, and exhibit excellent gamma and X-ray detection properties. I will. The A 2+ lattice site provides a substitution site for Eu 2+ doping.

図9A〜9Cに示すように、図9Aは、CsCl−CaCl系の先行技術の状態図を示し、CsClは左側に示され、CaClは右側に0〜100%モル濃度で示され、温度は200℃〜800℃で左の垂直軸に沿って示される。図9Bは、CsCl−SrCl系の類似した先行技術の状態図であり、CsClは左側に示され、SrClは右側に示される。図9Cは、SrBr−CsBr系の先行技術の状態図であり、SrBrは左側に示され、CsBrは右側に0〜100%モル濃度で示され、温度は200℃〜800℃で左側の垂直軸に沿って示される。二価ユウロピウムを、次のように、r(Eu2+)=1.20A(CN=7)、r(Sr2+)=1.21A、およびr(Ca2+)=1.06Aとして、主にドーピングのために使用した。ペロブスカイト型ABX化合物は、一致溶融により、そして前述および後述の方法にしたがった実際の結晶成長を伴って得られた。 As shown in FIGS. 9A-9C, FIG. 9A shows a prior art phase diagram of the CsCl—CaCl 2 system, where CsCl is shown on the left, CaCl 2 is shown on the right in 0-100% molarity, and temperature Is shown along the left vertical axis at 200-800 ° C. FIG. 9B is a similar prior art phase diagram of the CsCl—SrCl 2 system, with CsCl shown on the left and SrCl 2 shown on the right. FIG. 9C is a prior art phase diagram of the SrBr 2 -CsBr system, where SrBr 2 is shown on the left side, CsBr is shown on the right side in 0-100% molarity, and the temperature is between 200 ° C. and 800 ° C. on the left side. Shown along the vertical axis. Divalent europium is mainly doped with r (Eu 2+ ) = 1.20 A (CN = 7), r (Sr 2+ ) = 1.21 A, and r (Ca 2+ ) = 1.06 A as follows: Used for. The perovskite type ABX 3 compound was obtained by coincidence melting and with actual crystal growth according to the method described above and below.

下記表4(一部先行技術)は、各シンチレーター結晶の結晶成長の概要を示す。   Table 4 below (partly prior art) shows an overview of crystal growth of each scintillator crystal.

結晶成長の方法は、図3の説明に関して、すでに前述されている。ブリッジマン結晶成長は、無水99.99%の純粋な原材料を集めて含んでいてもよい。材料を真空乾燥および溶融濾過によってさらに精製してもよい。前述のように、高温域および低温域を有する石英アンプルを用いてもよく、それにより、結晶を真空シール下で成長させることができる。並進モーターを有する、メレン(Mellen)製のエレクトロダイナミック勾配(Electro−Dynamie Gradient:EDG)炉を用いて熱を発生させることができる。結晶成長パラメータは、前述と同じであり得る。75℃/インチの温度勾配、1インチあたり1ミリメートルの並進速度、1時間あたり5℃の冷却速度(典型例)。シンチレーター結晶を自発配向で成長させた。垂直式温度傾斜凝固法(VGF)、ブリッジマンおよび溶融合成ならびに前述の他の技術を使用して三元ハロゲン化物シンチレーターを合成することができる。   The method of crystal growth has already been described above with respect to the description of FIG. Bridgman crystal growth may include a collection of 99.99% anhydrous pure raw material. The material may be further purified by vacuum drying and melt filtration. As described above, a quartz ampule having a high temperature region and a low temperature region may be used, so that the crystal can be grown under a vacuum seal. Heat can be generated using an electro-dynamic gradient (EDG) furnace manufactured by Mellen with a translation motor. Crystal growth parameters may be the same as described above. Temperature gradient of 75 ° C./inch, translation rate of 1 millimeter per inch, cooling rate of 5 ° C. per hour (typical example). Scintillator crystals were grown with spontaneous orientation. Ternary halide scintillators can be synthesized using vertical temperature gradient solidification (VGF), Bridgman and melt synthesis and other techniques described above.

図10は、基準としてのCsLiYCl:CeおよびNaIならびに次の結晶:CsSrCl:Eu10%;CsSrBr:Eu10%およびCsCaCl:Eu10%の水分吸収の経時的なグラフであり、後者の2つの結晶は、ほとんどまたは全く水分吸収を示さない。CsSrBr:Eu10%、およびCsCaCl:Eu10%は、どちらも、250分(4時間超)の期間にわたって実質的に変化のない水分吸収を示す。さらに、CsSrClは、6.5%超でのNaIと比較して、4時間にわたって2%の大幅に改善された水分吸収を示す。試料を、室温にて制御された環境の閉鎖されたボックス中で測定した。すべての試料は、NaIおよびCLYCシンチレーターと比較して有意に低い感湿性を示した。 FIG. 10 is a graph of water absorption over time for Cs 2 LiYCl 6 : Ce and NaI as reference and the following crystals: CsSrCl 3 : Eu 10%; CsSrBr 3 : Eu 10% and CsCaCl 3 : Eu 10%. The two crystals show little or no moisture absorption. Both CsSrBr 3 : Eu 10% and CsCaCl 3 : Eu 10% show substantially unchanged moisture absorption over a period of 250 minutes (over 4 hours). Furthermore, CsSrCl 3 shows a significantly improved moisture absorption of 2% over 4 hours compared to NaI above 6.5%. Samples were measured in a closed box in a controlled environment at room temperature. All samples showed significantly lower moisture sensitivity compared to NaI and CLYC scintillators.

図11は、CsCaCl:10%、CsSrCl:Eu10%およびCsSrBr:Eu10%シンチレーター結晶の各々についてのフォトルミネッセンススペクトルを表し、図中、破線は、広い励起帯を表し、実線は、発光帯を表す。発光および励起帯は、Eu2+の5dから4fへの発光に特徴的である。結晶の安定な二価状態で光子構造中へEu2+が取り込まれることが、このように裏付けられる。フォトルミネッセンス励起および発光スペクトルは、Xeランプ励起源および走査モノクロメーターを使用する、Horiba製の蛍光分光光度計(商品名「Fluorolog−3」)で測定することができる。以下の表5は、励起(EXC)帯および発光(EM)帯の概要を示す。 11, CsCaCl 3: 10%, CsSrCl 3: Eu10% and CsSrBr 3: represents the photoluminescence spectra for each of the EU10% scintillator crystals, in the figure, the broken line represents a broad excitation band, solid lines, emission band Represents. The emission and excitation bands are characteristic for Eu 2+ emission from 5d to 4f. It is thus supported that Eu 2+ is incorporated into the photonic structure in the stable bivalent state of the crystal. Photoluminescence excitation and emission spectra can be measured with a Horiba fluorescence spectrophotometer (trade name “Fluorolog-3”) using an Xe lamp excitation source and a scanning monochromator. Table 5 below gives an overview of the excitation (EXC) and emission (EM) bands.

図12は、CsCaCl:10%、CsSrCl:Eu10%およびCsSrBr:Eu10%シンチレーター結晶のX線励起した種々のナノメートル波長に対する正規化された強度のグラフである。放射線ルミネッセンススペクトルをX線発生装置(0.1mA、35kV)からの連続照射下、室温にて測定した。Acton社製のモノクロメーターを使用して、波長の機能としてスペクトルを分散することができる。グラフは、X線による励起下での効率的な放射線ルミネッセンスの好結果を示す。発光帯は、Eu2+の5dから4fへの発光に特徴的である。発光帯は、Photonis社製のPMT(商品名:「XP2020Q」)および高速タイミングエレクトロニクスなどの光電子増倍管(PMT)などの従来型の光検出器を用いた捕捉に適した波長であった。測定された放出ピークは、次のとおりである。CsCaCl:Eu10%については、ピークは450nmであり,CsSrCl:Eu10%については、ピークは437nmであり、CsSrBr:Eu10%については、ピークは443nmであった。 12, CsCaCl 3: 10%, CsSrCl 3: Eu10% and CsSrBr 3: is a graph of the normalized intensity for various nanometer wavelengths X-ray excitation of the EU10% scintillator crystals. The radioluminescence spectrum was measured at room temperature under continuous irradiation from an X-ray generator (0.1 mA, 35 kV). A monochromator manufactured by Acton can be used to disperse the spectrum as a function of wavelength. The graph shows good results of efficient radioluminescence under X-ray excitation. The emission band is characteristic for emission of Eu 2+ from 5d to 4f. The emission band was a wavelength suitable for capture using conventional photodetectors such as PMT (trade name: “XP2020Q”) manufactured by Photonis and a photomultiplier tube (PMT) such as high-speed timing electronics. The measured release peaks are as follows. CsCaCl 3: For EU10%, the peak is 450nm, CsSrCl 3: For EU10%, the peak is 437nm, CsSrBr 3: For EU10%, the peak was 443 nm.

図13A〜13Cは各結晶についての経時的なシンチレーション減衰のグラフを表し、図13Aは、CsCaCl:Eu10%を表し、図13Bは、CsSrCl:Eu10%を表し、図13Cは、CsSrBr:Eu10%を表す。137Cs662keVガンマ線源を用いてシンチレーション時間プロフィールを記録した。曲線を指数関数と適合させることから得られるシンチレーション減衰定数を説明文中に示す。2〜4μ秒付近の一次減衰は、Eu2+の5dから4fへの発光に特徴的である。測定されたシンチレーション減衰時間は、次の通り測定された。CsCaCl:Eu10%については、減衰時間は4.1μ秒であり、CsSrCl:Eu10%については、減衰時間は2.6μ秒であり(最速)、CsSrBr:Eu10%については、減衰時間は3.5μ秒であった。 13A-13C represent scintillation decay graphs over time for each crystal, FIG. 13A represents CsCaCl 3 : Eu 10%, FIG. 13B represents CsSrCl 3 : Eu 10%, and FIG. 13C represents CsSrBr 3 : Eu represents 10%. Scintillation time profiles were recorded using a 137 Cs662 keV gamma source. The scintillation decay constant obtained from fitting the curve to an exponential function is shown in the legend. The primary decay around 2-4 μs is characteristic of Eu 2+ emission from 5d to 4f. The measured scintillation decay time was measured as follows. For CsCaCl 3 : Eu 10%, the decay time is 4.1 μs, for CsSrCl 3 : Eu 10%, the decay time is 2.6 μs (fastest), and for CsSrBr 3 : Eu 10%, the decay time is It was 3.5 μsec.

図14A〜14Cは、各結晶の137Csガンマ線発光スペクトルのグラフを表し、図14Aは、CsCaCl:Eu10%を表し、図14Bは、CsSrCl:Euを表し、図14Cは、CsSrBr:Euを表し、チャンネル100でその光電ピークを有する基準ゲルマニウム酸ビスマス(BGO)に対して正規化されている。効率的なシンチレーション特性は、3つの結晶すべてについて電離放射線による励起下で示された。以下の表6は、基準としてNaI:Tlと比較した各結晶についての光収率およびエネルギー分解を示す。 FIG 14A~14C represents a graph of 137 Cs gamma-ray emission spectrum of each crystal, Figure 14A, CsCaCl 3: represents EU10%, FIG. 14B, CsSrCl 3: represents Eu, Figure 14C, CsSrBr 3: Eu And normalized with respect to a reference bismuth germanate (BGO) having its photoelectric peak in channel 100. Efficient scintillation properties were shown for all three crystals under excitation with ionizing radiation. Table 6 below shows the light yield and energy decomposition for each crystal compared to NaI: Tl as a reference.

結果からわかるように、CsSrCl:Eu10%は、公知のNaI:Tlよりも光収率が改善されていることを示す。 As can be seen from the results, CsSrCl 3 : Eu 10% shows an improvement in light yield over the known NaI: Tl.

図15A、15Bは、光出力比例性を示すグラフであり、図15Aは、CsSrBr:Euについてのエネルギー(keV)に対する1keVあたりの光出力のグラフであり、図15Bは、CsCaCl:Euについての同様のグラフである。図15は、これらのグラフが10〜1000keVの広範囲のエネルギーレベルにわたって1keVあたりの光出力について良好な比例を示すように、良好な比例であれば、良好なエネルギー分解に寄与することの重要性を示す。 Figure 15A, 15B is a graph showing the optical output proportionality, FIG. 15A, CsSrBr 3: is a graph of light output per 1keV to the energy (keV) for Eu, FIG. 15B, CsCaCl 3: About Eu It is a similar graph. FIG. 15 illustrates the importance of contributing to good energy decomposition if these proportions are good, as these graphs show good proportions for light output per keV over a wide range of energy levels from 10 to 1000 keV. Show.

図16A〜16Cは、CsSrCl:Eu10%、CsSrBr、Eu10%、およびCsCaCl:Eu10%の各結晶の写真から作成した白黒図である。CsSrCl:Eu10%を約2インチの長さになるまで成長させた。しかしながら、相転移のためと思われるが、多少の亀裂がみられる可能性がある。1%Euでドーピングすることは、同じ発明者らにより、2011年5月27日に出願された米国特許出願第61/491,074号で研究され、その全内容が参照により本明細書中に組み込まれている。Eu1%がドーピングされた単結晶試料は、図1にCsSrBrのものが示され、図8ではEu1%がドーピングされたCsCaClのものが示される。それぞれのガンマ線およびX線のシンチレーション特性が付与される。結晶は、横断面で約1cmである。CsSrBr:Eu10%は、長さ約2cmになるまで成長し、比較的無色透明であり、亀裂がなかった。その円形横断面は、直径2cmより少し小さかった。CsCaCl:Eu10%を、3cmを超える長さまで成長させた。それも比較的無色透明で、亀裂がなかった。その円形横断面は、直径が約11/16インチと測定された。
表7は、基準NaI:Tlと比較した、次のような結晶についての総括表を示す。
FIGS. 16A to 16C are black and white diagrams prepared from photographs of CsSrCl 3 : Eu 10%, CsSrBr 3 , Eu 10%, and CsCaCl 3 : Eu 10% crystals. CsSrCl 3 : Eu 10% was grown to a length of about 2 inches. However, although it seems to be due to the phase transition, some cracks may be seen. Doping with 1% Eu was studied by the same inventors in US Patent Application No. 61 / 491,074, filed May 27, 2011, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. It has been incorporated. The single crystal sample doped with Eu 1% is shown in FIG. 1 for CsSrBr 3 , and in FIG. 8 is shown for CsCaCl 3 doped with Eu 1%. Each gamma ray and X-ray scintillation characteristic is given. The crystal is about 1 cm in cross section. CsSrBr 3 : Eu 10% grew to a length of about 2 cm, was relatively colorless and transparent, and had no cracks. Its circular cross section was slightly smaller than 2 cm in diameter. CsCaCl 3 : Eu 10% was grown to a length exceeding 3 cm. It was also relatively colorless and transparent with no cracks. Its circular cross section was measured to be about 11/16 inch in diameter.
Table 7 shows a summary table for the following crystals compared to the reference NaI: Tl.

表は、NaI:Tlと比較した場合、良好な透明性、低吸湿性から無吸湿性、良好な光出力および優れた比例性をはじめとする期待できる結果が、上述の新規無機単結晶について得られたことを示す。原材料の精製および成長パラメータの最適化でさらに改善すれば、さらに良好な結果が達成されることが予想される。 The table shows that when compared with NaI: Tl, the above-mentioned novel inorganic single crystal shows the expected results including good transparency, low hygroscopicity to no hygroscopicity, good light output and excellent proportionality. Indicates that It is expected that even better results will be achieved with further improvements in raw material purification and optimization of growth parameters.

CsSr1−xBa:Eu1%および3%を含んでなる複合結晶(combination crystal)を次に記載する。結晶をx=0.00、0.03、0.06、0.09、0.14および0.24で成長させた。例えば、Eu1モル%がドープされた結晶中のバリウムをストロンチウムに段階的に置換する目的は、置換がCsSrIの吸湿性に影響を及ぼすかどうかを調べることであった。後者は、シンチレーターとしてのその能力に悪影響を及ぼす水分の吸収体であるように思われる。全体を参照することにより本明細書中で援用される、本発明者らのPhys. Status Solidi RRL 5, No 1, pp. 43-45 (2011), “Crystal growth and characterization of CsSr1-xEuxI3 high light yield scintillators”で報告されているように、単結晶を成長させ、X線およびガンマ線のシンチレーションが見られた。x=0.08である場合、光収率は65000ph/MeVであった。さらに、出願人は、あるEuIII(対Eu2+)が表面で出現する可能性があり、酸化される可能性があることを見出した。一方、全内容を参照することにより本明細書中で援用される、2011年5月27日に出願された同じ発明者らの米国特許出願第61/491,074号(「‘仮074」)では、CsBaIは、Eu1、3および7モル%ドーピングレベルで研究された(全内容に関して参照することにより援用される、Zhuravleva et alのOptical Materials 36 (2014) pp. 670-674, “The Europium oxidation state in CsSrI3:Eu scintiallators measured by X-ray absorption spectroscopy”参照)。3つの試料の単結晶の写真は、Euが1、3および7モル%のドーピングレベル(各々約50mmの体積を有する)で’仮074の図12にて示されている。図13は、UV光で励起された3つの試料を示し、図14は、Eu7モル%ドーピングレベルでのガンマ線検出のためのデータを示す。さらに、バリウムをストロンチウムで部分的に置換すると、CsSrIの斜方晶系結晶構造および一致溶融特性が保存されることが予想され、証明された。0.03、0.06、0.09、0.14および0.24のx値を有するこれらの複合結晶のすべては、シンチレーターとして機能し、亀裂の無い単結晶として良好に製造された。しかしながら、その全体を参照することにより本明細書中で援用される、2013年9月18日に出版された本発明者らによるJournal of Crystal Growth 384 (2013)中、27−32で公開された、出願人の論文“Effect of Ba substitution in CsSrI3: Eu2+”(JCG2013論文)の図6から引用された図17に示すように、バリウム濃度の増加にともなって水分吸収速度は著しく減少していることが示された。図18は、室温でCsSr1−xBa:1%Euの放射線ルミネッセンススペクトル、445nm〜450nmで出現する放出ピークを示すグラフの集まりである。445〜450nmの範囲は公知の5dから4f転移に特徴がある。欠損発光の不純物は、観察されない。ピーク位置の小さなばらつきは、Ba濃度と相関しないようであり、結晶品質および光吸収における小さなばらつきによる可能性が高い。 A combination crystal comprising CsSr 1-x Ba x I 3 : Eu 1% and 3% is described below. Crystals were grown at x = 0.00, 0.03, 0.06, 0.09, 0.14 and 0.24. For example, the purpose of gradual substitution of barium in crystals doped with 1 mol% Eu with strontium was to determine whether the substitution affects the hygroscopicity of CsSrI 3 . The latter appears to be a moisture absorber that adversely affects its ability as a scintillator. Our Phys. Status Solidi RRL 5, No 1, pp. 43-45 (2011), “Crystal growth and characterization of CsSr 1-x Eu, incorporated herein by reference in its entirety. As reported in “ x I 3 high light yield scintillators”, single crystals were grown and X-ray and gamma-ray scintillations were observed. When x = 0.08, the light yield was 65000 ph / MeV. In addition, Applicants have found that certain EuIII (vs. Eu 2+ ) can appear on the surface and can be oxidized. On the other hand, US Patent Application No. 61 / 491,074 ("'provisional 074") of the same inventors filed on May 27, 2011, which is incorporated herein by reference in its entirety. CsBaI 3 was studied at Eu1, 3 and 7 mol% doping levels (Zhuravleva et al. Optical Materials 36 (2014) pp. 670-674, “The Europium, incorporated by reference in its entirety. oxidation state in CsSrI 3 : Eu scintiallators measured by X-ray absorption spectroscopy ”). Single crystal photographs of the three samples are shown in FIG. 12 of 'tentative 074' with doping levels of Eu of 1, 3 and 7 mol% (each having a volume of about 50 mm 3 ). FIG. 13 shows three samples excited with UV light, and FIG. 14 shows data for gamma ray detection at Eu 7 mol% doping level. Furthermore, when partially substituted barium strontium, it is expected that orthorhombic crystal structure and congruent melting characteristics of CsSrI 3 are stored, has been demonstrated. All of these composite crystals having x values of 0.03, 0.06, 0.09, 0.14 and 0.24 functioned as scintillators and were successfully produced as single crystals without cracks. However, published at 27-32 in the Journal of Crystal Growth 384 (2013) by the inventors published on 18 September 2013, which is incorporated herein by reference in its entirety. As shown in FIG. 17 quoted from FIG. 6 of the applicant's paper “Effect of Ba substitution in CsSrI 3 : Eu 2+ ” (JCG2013 paper), the water absorption rate markedly decreased with increasing barium concentration. It was shown that. FIG. 18 is a collection of graphs showing the emission peak appearing at 445 nm to 450 nm in the radioluminescence spectrum of CsSr 1-x Ba x I 3 : 1% Eu at room temperature. The range of 445 to 450 nm is characterized by the known 5d to 4f transition. Impurity of defect luminescence is not observed. Small variations in peak position do not appear to correlate with the Ba concentration and are likely due to small variations in crystal quality and light absorption.

JCG2013論文の図8は、0.03〜0.24のx値についての1%Euの発光および励起スペクトルを示す。バリウム濃度ゼロで0.10%/分から始まる図17中で示される水分吸収速度はわずか3%のバリウム濃度で35%改善され、14%のバリウム濃度で0.05%/分まで50%改善される。この吸湿性が改善されることは、重大であることは明らかである。下記表8は、バリウム濃度の増加に伴って増加する実効密度および実効原子番号の表を示す。   FIG. 8 of the JCG2013 paper shows the emission and excitation spectrum of 1% Eu for x values from 0.03 to 0.24. The water absorption rate shown in FIG. 17 starting at 0.10% / min at zero barium concentration is improved by 35% at only 3% barium concentration and improved by 50% to 0.05% / min at 14% barium concentration. The It is clear that this improvement in hygroscopicity is critical. Table 8 below shows a table of effective densities and effective atomic numbers that increase with increasing barium concentration.

密度および実効原子番号が増加すれば、X線およびガンマ線検出効率が増強されるという結果になる。改善されたシンチレーション特性の結果を表9で後述する。   Increasing the density and effective atomic number results in enhanced X-ray and gamma ray detection efficiency. The results of improved scintillation characteristics are described below in Table 9.

X線放射線ルミネッセンスは、445〜450um波長でピークを示した。発光帯は、Eu2+の5dから4fへの発光に特徴がある。発光は、光電子増倍管(PMT)などの従来型の光検出器を用いた使用に適した波長である。紫外線/可視光励起および発光を446nmでの放出ピークで測定した。xが3%、Eu1モル%である場合、最大光出力が測定され、1.9μ秒の減衰時間で1MeVあたり28,000個の光子と測定された。xが24%である場合、Euは3モル%であり、シンチレーション減衰時間が1.5μ秒であると、光出力は1MeVあたり21,000個の光子であったように、光出力はxの増加とともに減少する。 X-ray radioluminescence showed a peak at a wavelength of 445 to 450 um. The emission band is characterized by emission of Eu 2+ from 5d to 4f. The emission is at a wavelength suitable for use with a conventional photodetector such as a photomultiplier tube (PMT). UV / visible excitation and emission were measured with an emission peak at 446 nm. When x was 3% and Eu 1 mol%, the maximum light output was measured, measuring 28,000 photons per MeV with a decay time of 1.9 μs. When x is 24%, Eu is 3 mol%, and when the scintillation decay time is 1.5 μs, the light output is 21,000 photons per MeV, so that the light output is x Decreases with increase.

本発明の様々な態様を上述したが、それらは限定ではなく一例として提示されていると理解されるべきである。当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく形態および詳細において様々な変更をなすことができることは明らかであろう。したがって、本発明は前述の例示的態様のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびそれらと同様物によってのみ規定されるべきである。   While various aspects of the invention have been described above, it should be understood that they have been presented by way of example and not limitation. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and detail can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the present invention should not be limited by any of the above-described exemplary embodiments, but should be defined only in accordance with the following claims and their equivalents.

加えて、本発明の構造、方法、機能性および長所を強調する添付の図面は、例示目的のためだけに提示されると理解すべきである。本発明は、添付の図面で示される以外の方法で実施することができるように充分に柔軟に構成可能である。   In addition, it should be understood that the accompanying drawings, which highlight the structure, method, functionality, and advantages of the present invention, are presented for illustrative purposes only. The present invention can be configured with sufficient flexibility so that it can be implemented in ways other than those shown in the accompanying drawings.

さらに、要約書の目的は、米国国立標準技術研究ならびに特許用語もしくは法律用語または表現に精通していない国民一般ならびに特に関連分野の科学者、技術者および実行者が特にこの技術的開示の本質および特質を判断することが可能になるようにすることである。要約書は、本発明の範囲に関して決していかなる方法でも限定することを目的とするものではない。   In addition, the purpose of the abstract is to help the general public who is not familiar with U.S. national standard technical research and patent or legal terms or expressions, and especially scientists, engineers and practitioners in related fields, particularly the nature of this technical disclosure. It is to be able to judge the characteristics. The abstract is in no way intended to limit the scope of the invention in any way.

Claims (14)

ブリッジマン法、改良ブリッジマン法、チョクラルスキー法、複合チョクラルスキー/ブリッジマン法および垂直式温度傾斜凝固法のうちの1つによって成長させた、化学組成CsCaI:yEu(式中、yは0.01以上0.10以下である)を含んでなるシンチレーター。 Chemical composition CsCaI 3 : yEu (where y was grown by one of the Bridgman method, the modified Bridgman method, the Czochralski method, the composite Czochralski / Bridgeman method and the vertical temperature gradient solidification method) Is from 0.01 to 0.10). yが約0.01〜0.03である場合、一次元で0.1cmより大きな単結晶を含んでなる、請求項1に記載のシンチレーター。   The scintillator of claim 1, comprising a single crystal larger than 0.1 cm in one dimension when y is about 0.01 to 0.03. ブリッジマン法、改良ブリッジマン法、チョクラルスキー法、複合チョクラルスキー/ブリッジマン法および垂直勾配凍結法のうちの1つによって成長させた、化学組成RbCaI:yEu(式中、yは0.01以上0.03以下である)を含んでなるシンチレーター。 Chemical composition RbCaI 3 : yEu (where y is 0) grown by one of the Bridgman method, the modified Bridgman method, the Czochralski method, the composite Czochralski / Bridgeman method and the vertical gradient freezing method .01 or more and 0.03 or less). yが約0.03である場合、一次元で0.1cmより大きい単結晶を含んでなる、請求項3に記載のシンチレーター。   4. The scintillator of claim 3, comprising a single crystal that is larger than 0.1 cm in one dimension when y is about 0.03. ブリッジマン法、改良ブリッジマン法、チョクラルスキー法、複合チョクラルスキー/ブリッジマン法および垂直式温度傾斜凝固法のうちの1つによって成長させた、化学組成CsCaCl:yEu(式中、yは0.01以上0.10以下である)を含んでなるシンチレーター。 Chemical composition CsCaCl 3 : yEu (where y was grown by one of the Bridgman method, the modified Bridgman method, the Czochralski method, the composite Czochralski / Bridgeman method and the vertical temperature gradient solidification method) Is from 0.01 to 0.10). 一次元で0.1cmより大きな単結晶を含んでなる、請求項5に記載のシンチレーター。   6. A scintillator according to claim 5, comprising a single crystal larger than 0.1 cm in one dimension. ブリッジマン法、改良ブリッジマン法、チョクラルスキー法、複合チョクラルスキー/ブリッジマン法および垂直式温度傾斜凝固法のうちの1つによって成長させた、化学組成CsSrBr:yEtt(式中、yは0.01以上0.10以下である)を含んでなるシンチレーター。 Chemical composition CsSrBr 3 : yEtt (where y is the growth rate) grown by one of the Bridgeman method, the improved Bridgeman method, the Czochralski method, the composite Czochralski / Bridgeman method and the vertical temperature gradient solidification method. Is from 0.01 to 0.10). 一次元で0.1cmより大きな単結晶を含んでなる、請求項7に記載のシンチレーター。   The scintillator according to claim 7, comprising a single crystal larger than 0.1 cm in one dimension. ブリッジマン法、改良ブリッジマン法、チョクラルスキー法、複合チョクラルスキー/ブリッジマン法および垂直式温度傾斜凝固法のうちの1つによって成長させた、化学組成CsSrCl:yEti(式中、yは約0.10である)を含んでなるシンチレーター。 Chemical composition CsSrCl 3 : yEti (where y is the growth factor) grown by one of the Bridgman method, the modified Bridgman method, the Czochralski method, the composite Czochralski / Bridgeman method and the vertical temperature gradient solidification method. Is about 0.10). 一次元で0.1cmより大きな単結晶を含んでなる請求項9に記載のシンチレーター。   The scintillator according to claim 9, comprising a single crystal larger than 0.1 cm in one dimension. ブリッジマン法、改良ブリッジマン法、チョクラルスキー法、複合チョクラルスキー/ブリッジマン法および垂直式温度傾斜凝固法のうちの1つによって成長させた化学組成CsBaSr1−x:yEu(式中、yは約0.01〜0.03であり、xは0.00以上0.24以下である)を含んでなり、単結晶が形成され、バリウム濃度の増加とともに減少する吸湿性を示す、シンチレーター。 Chemical composition CsBa x Sr 1-x I 3 : yEu grown by one of Bridgman method, modified Bridgman method, Czochralski method, combined Czochralski / Bridgeman method and vertical temperature gradient solidification method (Wherein y is about 0.01 to 0.03 and x is not less than 0.00 and not more than 0.24), a single crystal is formed, and the hygroscopicity decreases with increasing barium concentration Showing the scintillator. 一次元で0.1cmを上回る単結晶を含んでなる、請求項11に記載のシンチレーター。   12. A scintillator according to claim 11, comprising a single crystal of more than 0.1 cm in one dimension. バリウム濃度がCsSrI:yEu(式中、yは約0.01〜0.03である)の吸湿特性を改善する、請求項11に記載のシンチレーター。 Barium concentration CsSrI 3: yEu (wherein, y is about a is 0.01 to 0.03) to improve the hygroscopic properties of the scintillator according to claim 11. x=0.03でCsSrI:yEuの水分吸収速度が1分あたり0.10から0.065%のレベルまで、すなわち約35%改善され、0.14より大きなxでは、水分吸収速度の改善が50%を上回る、請求項13に記載のシンチレーター。 When x = 0.03, the water absorption rate of CsSrI 3 : yEu is improved to a level of 0.10 to 0.065% per minute, that is, about 35%, and when x is larger than 0.14, the water absorption rate is improved. 14. The scintillator of claim 13, wherein is greater than 50%.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115216840B (en) * 2021-04-14 2023-10-13 中国科学院上海硅酸盐研究所 Method for preparing lithium thallium co-doped sodium iodide scintillation crystal by ion compensation method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115506007A (en) * 2021-06-23 2022-12-23 中国科学院上海硅酸盐研究所 Near-infrared luminous metal halide scintillation crystal and preparation method and application thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120273726A1 (en) * 2010-05-10 2012-11-01 University Of Tennessee Research Foundation Chloride, bromide and iodide scintillators with europium doping

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8486300B2 (en) 2010-01-06 2013-07-16 The Regents Of The University Of California Lanthanide doped strontium barium mixed halide scintillators
US8440980B2 (en) 2009-08-03 2013-05-14 Radiation Monitoring Devices, Inc. CsLiLn halide scintillator
US8692203B1 (en) 2010-05-10 2014-04-08 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Iodide scintillator for radiation detection
US8598530B2 (en) 2010-05-10 2013-12-03 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Chloride scintillator for radiation detection
US8912498B2 (en) 2010-05-10 2014-12-16 University Of Tennessee Research Foundation Halide scintillator for radiation detection

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120273726A1 (en) * 2010-05-10 2012-11-01 University Of Tennessee Research Foundation Chloride, bromide and iodide scintillators with europium doping

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.WEI ET AL.: "Effect of Ba substitution in CsSrI3:Eu2+", JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. vol.384, JPN6018026072, 2013, pages 27 - 32 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115216840B (en) * 2021-04-14 2023-10-13 中国科学院上海硅酸盐研究所 Method for preparing lithium thallium co-doped sodium iodide scintillation crystal by ion compensation method

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