JP2016056030A - ＥｕドープＳｒＩ２単結晶及び放射線検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶は４３０ｎｍ付近に鋭いピークを有するＥｕ由来の強い発光を有する。しかしながら、従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶は５５０ｎｍ付近に欠陥由来のブロードな発光も有する。４３０ｎｍ付近の発光に対する５５０ｎｍ付近の発光の強度比は５％以上である。本発明は欠陥由来の５５０ｎｍ付近のブロードな発光を減少させたＥｕドープＳｒＩ２単結晶を提供すること、及び、そのＥｕドープＳｒＩ２単結晶で形成されたシンチレーターを備える放射線検出器を提供することを目的とする。【解決手段】 波長１９３ｎｍの紫外光で励起した蛍光スペクトルにおいて、Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に対する欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光の強度比が３％以下であるＥｕドープＳｒＩ２単結晶、及び、そのＥｕドープＳｒＩ２単結晶で形成されたシンチレーターを備える放射線検出器。【選択図】図３

Description

本発明は、放射線検出器のシンチレーターに適するＥｕドープＳｒＩ２単結晶及び前記ＥｕドープＳｒＩ２単結晶をシンチレーターとして備える放射線検出器に関する。
放射線検出器のシンチレーターに適する材料としてＥｕドープＳｒＩ２単結晶が例えば以下の非特許文献１、非特許文献２に記載される。
B. W. Sturm et al.，「Characteristics of Undoped and Europium-doped SrI2Scintillator Detectors」，IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，２０１１，ｐ．７−１１ L. A. Boatner et al., 「Bridgman growth of large SrI2:Eu2+ single crystals: A high-performance scintillator for radiation detection applications」，Journal of Crystal Growth，２０１３，Ｖｏｌ．３７９，ｐ．６３−６８
非特許文献１にはアンドープＳｒＩ２単結晶の６６２ｋｅＶの放射線に対するエネルギー分解能は５．３％であるに対し、ＥｕドープＳｒＩ２単結晶のエネルギー分解能は３％未満に向上することが開示される。
図１に非特許文献１に開示される従来のアンドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトル１１と従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトル１２が示される。非特許文献１に詳細な測定条件は記載されていない。従来のアンドープＳｒＩ２単結晶は５５０ｎｍ付近にピークを有するブロードな発光を有する。この発光は結晶の欠陥に由来していると考えられる。
一方、従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶は４３０ｎｍ付近に鋭いピークを有する強い発光を有する。この発光はＥｕに由来し、発光強度は３３００超（任意単位）である。このＥｕ由来の強い発光によりＥｕドープＳｒＩ２単結晶のエネルギー分解能は向上すると考えられる。
しかしながら、従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶は５５０ｎｍ付近に欠陥由来のブロードな発光も有する。５５０ｎｍ付近の発光強度は２００程度（任意単位）と見積もられ、４３０ｎｍ付近の発光に対する５５０ｎｍ付近の発光の強度比は５％以上である。
非特許文献１には詳細なＥｕドープＳｒＩ２単結晶の製造方法は開示されていない。一方、非特許文献１と複数の著者が重複する非特許文献２にはＥｕドープＳｒＩ２単結晶の製造方法としてＥｕＩ２添加ＳｒＩ２出発原料がアンプルに装填され、真空乾燥され、真空下で密封され、ブリッジマン法により結晶成長されることが開示される。
真空中で結晶成長されるＥｕドープＳｒＩ２単結晶は、Ｉ−の脱離や水分の混入等により欠陥を包含すると考えられる。欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光にエネルギーが浪費され、Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光が弱められると考えられる。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、欠陥由来の５５０ｎｍ付近のブロードな発光を減少させたＥｕドープＳｒＩ２単結晶を提供すること、及び、前記ＥｕドープＳｒＩ２単結晶で形成されたシンチレーターを備える放射線検出器を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、波長１９３ｎｍの紫外光で励起した蛍光スペクトルにおいて、Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に対する欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光の強度比が３％以下であるＥｕドープＳｒＩ２単結晶である。
欠陥由来の５５０ｎｍ付近のブロードな発光が減少する。従来は欠陥由来の発光に消費されるエネルギーがＥｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に消費されるため、４３０ｎｍ付近の発光強度は増加すると考えられる。
本発明の他の態様は、前記発光強度比が３％以下のＥｕドープＳｒＩ２単結晶で形成されたシンチレーターと、前記シンチレーターからのシンチレーション光を電気信号に変換する光電変換器とを備える放射線検出器である。
シンチレーターの４３０ｎｍ付近の発光強度が増加し、放射線検出器のエネルギー分解能が向上すると考えられる。
従来のアンドープＳｒＩ２単結晶と従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトルの比較である。 本発明の一実施形態に係る放射線検出器を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトルである。 図３の５５０ｎｍ付近の発光を縦軸方向に１００倍拡大したＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトルである。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
図２は放射線検出器１３の構造を概略的に示す。放射線検出器１３は入射した放射線をシンチレーション光に変換するシンチレーター１４を備える。シンチレーター１４に使用される材料は目的や用途に応じて選択される。γ線に対する代表的な材料としてＥｕドープＳｒＩ２単結晶が知られる。
放射線検出器１３はシンチレーター１４からのシンチレーション光を電気信号に変換して出力する光電変換器１５を備える。光電変換器１５として光電子増倍管やフォトダイオード、ＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）等が知られる。図の光電変換器１５は光電子増倍管の概念を示すが、必要な感度を備えていれば公知のものを使用することができる。
放射線検出器１３のシンチレーター１４として、ＥｕドープＳｒＩ２単結晶を使用することができる。図３は本発明の一実施形態の１．５ｍｏｌ％ＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトルを示す。励起光はＡｒＦエキシマレーザー光（波長：１９３ｎｍ）である。測定は室温で実施される。
蛍光スペクトルは、図１の従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトル１２もそうであるように、Ｅｕ由来の発光と欠陥由来の発光の重ね合わせである。図３のＥｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光強度は４，２００超（任意単位）である。一方、欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光は微弱である。
欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光強度を見積もるために、図４に示すように図３破線内のスペクトルが縦軸方向に１００倍に拡大される。Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光の裾野を直線で近似すると、直線からの高さが欠陥由来の発光強度を示す。
欠陥由来の発光強度は３程度（任意単位）と見積もられる。即ち、本発明の一実施形態のＥｕドープＳｒＩ２単結晶は、波長１９３ｎｍの紫外光で励起した蛍光スペクトルにおいて、Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に対する欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光の強度比は０．１％以下であることを示す。
次に、ＥｕドープＳｒＩ２単結晶の製造方法を記述する。
純度４Ｎの炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）と純度３Ｎの酸化ユーロピウム（Ｅｕ２Ｏ３）とヨウ化水素酸（ＨＩ＋Ｈ２Ｏ）とを反応させ、真空乾燥させることにより出発原料が準備される。炭酸ストロンチウムと酸化ユーロピウムの量を調整することにより、Ｅｕ濃度は調整される。Ｅｕ濃度が１．５ｍｏｌ％の場合、炭酸ストロンチウムと酸化ユーロピウムのモル比は９９．２３４：０．７６６である。
この出発原料は石英管に装填され、電気炉内で真空乾燥される。真空乾燥は２００℃で１２時間実施される。乾燥時間は出発原料の量に応じて調整される。真空乾燥された原料に四ヨウ化ケイ素が導入され、約４５０℃に加熱されることにより、以下の反応が生じる。
ＳｉＩ４＋２Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２＋４ＨＩ
この反応により真空乾燥では除去されない水が結晶に悪影響を及ぼさない化合物に転換される。反応ガスが排気されることにより出発原料から水が除去されることができる。導入ガスはハロゲンを含有すればよく、例えばＩ２、ＨＩ、ＣＩ４、ＣＨ２Ｉ２等を使用することができる。このようにヨウ素等のハロゲン含有ガスを使用して出発原料から水を除去する処理は、フッ素、塩素、臭素またはヨウ素と金属との化合物である金属ハロゲン化物の単結晶の製造に以前から使われてきた処理であり、「ＲＡＰ処理」（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−ｇａｓ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）と呼ばれる。
ＲＡＰ処理された出発原料はヨウ素含有雰囲気の中で石英管に密封される。密封される雰囲気はハロゲンを含有すればよく、例えばＳｉＩ４、Ｉ２、ＨＩ、ＣＩ４、ＣＨ２Ｉ２等を使用することができる。雰囲気中にハロゲンが存在することによって結晶成長中に出発原料からＩ−が脱離することが抑制される。結晶成長は２ゾーンヒーター炉を用いた縦型ブリッジマン法で実施され、ＥｕドープＳｒＩ２単結晶が得られる。成長条件は温度勾配１５℃／ｃｍ、成長速度１ｍｍ／時間である。
得られたＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトルには欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光がほとんど認められない（図３）。
本発明と従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶の製造方法における最大の違いはＲＡＰ処理と結晶成長雰囲気である。したがって、欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光強度は、それらの条件によって調整することができる。
欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光は弱い方がよい。なぜならば、従来は欠陥由来の発光に消費されていたエネルギーがＥｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に消費されるため、４３０ｎｍ付近の発光強度は増加し、放射線検出器のエネルギー分解能が向上すると考えられるからである。したがって、波長１９３ｎｍの紫外光で励起した蛍光スペクトルにおいて、Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に対する欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光の強度比は３％以下が好ましく、１％以下がより好ましく、０．１％以下がさらに好ましい。
本発明の一実施形態のＥｕ濃度は１．５ｍｏｌ％である。しかし、前記強度比が３％以下であればＥｕ濃度は１．５ｍｏｌ％に限定されない。
１１ 従来のアンドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトル。１２ 従来のＥｕドープＳｒＩ２単結晶の蛍光スペクトル。１３ 放射線検出器。１４ シンチレーター。１５ 光電変換器。

Claims (2)

  1. 波長１９３ｎｍの紫外光で励起した蛍光スペクトルにおいて、Ｅｕ由来の４３０ｎｍ付近の発光に対する欠陥由来の５５０ｎｍ付近の発光の強度比が３％以下であることを特徴とするＥｕドープＳｒＩ２単結晶。
  2. 請求項１に記載のＥｕドープＳｒＩ２単結晶で形成されたシンチレーターと、前記シンチレーターからのシンチレーション光を電気信号に変換する光電変換器とを備えることを特徴とする放射線検出器。
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