JP2016164208A - Scintillator material, radiation detector, and radiation inspection device - Google Patents

Scintillator material, radiation detector, and radiation inspection device Download PDF

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真憲 碇
Masanori Ikari
真憲 碇
卓士 松本
Takushi Matsumoto
卓士 松本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scintillator material high in transmittance of scintillate light for a scintillator for an X-ray CT device, having an emission wavelength capable of photoelectric conversion with an Si photodiode, having a short decay time, capable of producing by heat treatment at 1,800°C or less, and suppressed in a production cost.SOLUTION: The scintillator material comprises a light-transmissive ceramic containing a complex oxide represented by following formula (1): (TbRCeQ)BO(1) as a principal constituent, or a single crystal of the complex oxide represented by the formula (1), where 0<x<1, 0.00001≤y≤0.015, 0.000002≤z≤0.02, x≥2y, x+y+z≤1, 1.76≤p≤2.00, 0.80≤p/q≤1.0, r is a positive number for keeping electric neutrality, R is at least one rare earth element selected from the group consisting of Y, Gd, Lu, La, Ho, Tm, and Dy, Q is Eu and/or Pr, and B is at least one element selected from the group consisting of Ti, Sn, Hf, Si, Ge, and Zr.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、X線を検出する放射線検出器及び/又はガンマ線を検出する放射線検出器に用いられるシンチレータ材料に関し、より詳細にはX線CT装置及び/又はガンマ線PET装置に用いられる放射線検出器に適用可能な複合酸化物を含む透光性セラミックス又は単結晶からなるシンチレータ材料、放射線検出器及び放射線検査装置に関する。   The present invention relates to a scintillator material used for a radiation detector for detecting X-rays and / or a radiation detector for detecting gamma rays, and more particularly to a radiation detector used for an X-ray CT apparatus and / or a gamma-ray PET apparatus. The present invention relates to a scintillator material, a radiation detector, and a radiation inspection apparatus made of translucent ceramics or a single crystal containing an applicable complex oxide.

X線やガンマ線などの放射線エネルギー(高エネルギー電磁フォトン)によって励起されると、可視及び/又は近可視域の光エネルギーを放出する固体のシンチレータ材料は、光信号を電気信号に変換する光電変換回路と組み合わせた放射線検出器として、従来から資源探索用、セキュリティー用、荷物や食品の検査用、高エネルギーの研究用などの様々な用途に用いられてきた。その中でも、上記、放射線エネルギーを可視及び/又は近可視域の光エネルギーに変換する固体のシンチレータ材料と、光エネルギーを電気信号に変換する光電変換回路、並びに出力された電気信号をデジタル化して計算処理して画像化するコンピューティドトモグラフィ(CT)システムと組み合わせた、X線CT装置やガンマ線PET(Positron Emission Tomography)装置は、近年の高齢化社会の進展に伴って、医療機関を中心として急速に普及が進んでいる。   A solid scintillator material that emits visible and / or near-visible light energy when excited by radiation energy (high energy electromagnetic photons) such as X-rays and gamma rays is a photoelectric conversion circuit that converts an optical signal into an electrical signal. As a radiation detector in combination with the above, it has been used for various purposes such as resource searching, security, luggage and food inspection, and high energy research. Among them, the above-mentioned solid scintillator material that converts radiation energy into visible and / or near-visible light energy, a photoelectric conversion circuit that converts light energy into an electrical signal, and the output electrical signal are digitized and calculated. X-ray CT devices and gamma-ray PET (Positron Emission Tomography) devices combined with computed tomography (CT) systems that process and image images are rapidly growing mainly in medical institutions as the aging society progresses in recent years. It is becoming popular.

X線CT装置とガンマ線PET装置とは、放出される放射線の波長も、得られる光信号並びにそれを処理するシステムも大きく異なり、それぞれ一長一短がある。例えばX線CT装置はガンマ線PET装置に比べ安価だが、被曝線量がガンマ線PET装置に比べて大きい。他方、ガンマ線PET装置は高速撮影が可能で、ガン細胞に特異に蓄積させた放射性同位元素を検出することでガンの位置を検出することに適しているが、非常に高価な装置である。そのため、いずれの装置も適宜住み分けをしながら共に普及が進んでいる。とはいえ、今後の高齢化社会に対応した放射線医療機器の益々の普及促進のためには、X線CT装置、ガンマ線PET装置いずれにおいても、被曝線量低減化に寄与する新たなシンチレータ材料の開発が求められている。   The X-ray CT apparatus and the gamma-ray PET apparatus are greatly different in the wavelength of the emitted radiation, the optical signal to be obtained and the system for processing it, and each has advantages and disadvantages. For example, an X-ray CT apparatus is less expensive than a gamma ray PET apparatus, but the exposure dose is larger than that of a gamma ray PET apparatus. On the other hand, the gamma-ray PET apparatus is capable of high-speed imaging and is suitable for detecting the position of the cancer by detecting the radioisotope specifically accumulated in the cancer cells, but is an extremely expensive apparatus. For this reason, both devices have been widely spread while being properly separated. Nonetheless, in order to further promote the spread of radiological medical devices to cope with the aging society in the future, development of new scintillator materials that contribute to the reduction of exposure dose in both X-ray CT equipment and gamma-ray PET equipment Is required.

X線CT装置用のシンチレータ材料としては、過半量のイットリア(Y23)、約50モル%までのガドリニア(Gd23)及び小活性量(典型的には約0.02モル%〜12モル%、好ましくは約1モル%〜6モル%、最も好ましくは約3モル%)の希土類活性剤酸化物であるユーロピウムを含んだ立方晶構造の透光性酸化物焼結体シンチレータが昔から知られている(米国特許第4,421,671号明細書(特許文献1))。このユーロピウム活性型のシンチレータは発光効率が高く、残光レベルが低く、また他の好ましい特性を有するため、従来から商用利用がなされていた。 Scintillator materials for X-ray CT apparatus include a majority amount of yttria (Y 2 O 3 ), up to about 50 mol% gadolinia (Gd 2 O 3 ), and a small amount of activity (typically about 0.02 mol%). A translucent oxide sintered scintillator having a cubic structure containing europium as a rare earth activator oxide (about 12 mol%, preferably about 1 mol% to 6 mol%, most preferably about 3 mol%). It has been known for a long time (US Pat. No. 4,421,671 (Patent Document 1)). This europium activated scintillator has been used for commercial use since it has high luminous efficiency, low afterglow level, and other desirable characteristics.

その他のX線CT装置用のシンチレータ材料としては、例えば特公平7−97139号公報(特許文献2)に放射線により発光する粉末シンチレータであり、一般式
(Ln1-x-yPrxCey22S:(X)
(但し、LnはGd、La及びYからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を表し、XはF及びClからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を表し、xは3×10-6≦x≦0.2の範囲の値、yは1×10-6≦x≦5×10-3の範囲の値、Xの量は2乃至1000ppmの範囲である)で表される粉末に焼結助剤を加えて、金属製の容器に詰めて真空封止して、熱間静水圧加圧し、更にアニールしてなる透光性焼結体シンチレータと、該シンチレータの発光を検知する光検出器とからなることを特徴とする放射線検出器が開示されており、発光効率の高いシンチレータ材料が得られている。
Other scintillator materials for X-ray CT apparatuses are, for example, powder scintillators that emit light by radiation in Japanese Patent Publication No. 7-97139 (Patent Document 2), and are represented by the general formula (Ln 1 -xy Pr x Ce y ) 2 O. 2 S: (X)
(However, Ln represents at least one element selected from the group consisting of Gd, La and Y, X represents at least one element selected from the group consisting of F and Cl, and x represents 3 × 10 −6. ≦ x ≦ 0.2, y is 1 × 10 −6 ≦ x ≦ 5 × 10 −3 and X is in the range of 2 to 1000 ppm). Adding a binder, filling in a metal container, vacuum-sealing, hot isostatic pressing, and annealing, and a light-transmitting sintered scintillator that detects the light emitted from the scintillator And a scintillator material with high luminous efficiency is obtained.

また、この系統の材料も、以前からX線CT装置用のシンチレータ材料として広く商用利用がなされており、例えば特許第3741302号公報(特許文献3)のように継続的に改良発明が提案されている。   In addition, the material of this system has been widely used as a scintillator material for an X-ray CT apparatus for a long time, and continuously improved inventions have been proposed as disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3741302 (Patent Document 3). Yes.

更に、他のX線CT装置用のシンチレータ材料として、特開2007−169647号公報(特許文献4)には、
「[請求項1]
焼鈍の前に、式A32312を有するガーネットを備えた焼結及び焼鈍を施したシンチレータ組成物であって、式中、AはTb、Ce及びLuからなる群の少なくとも一つの要素又はこれらの組み合わせを有する位置であり、Bは八面体位(Al)であり、Cは四面体位(やはりAl)であり、上記ガーネットは、
(1)上記式において、上記八面体位Bの0.05原子〜2原子までのAlをScで置き換えたもの、
(2)上記式において、0.005原子〜2原子までの酸素をフッ素で置き換え、且つ上記A位において同数のCa原子を置き換えたもの、
(3)上記式において、B位の0.005原子〜2原子をMgで置き換え、且つ同数の酸素原子をフッ素で置き換えたもの、
(4)上記式において、B位の0.005原子〜2原子までをMg/Si、Mg/Zr、Mg/Ti及びMg/Hfからなる群から選択される少なくとも一つの組み合わせの原子で置き換えたもの、
(5)上記式において、B位の0.005原子〜2原子までをLi/Nb、Li/Taからなる群から選択される少なくとも一つの組み合わせの原子で置き換えたもの、並びに
(6)上記式において、上記A位の0.005原子〜2原子までをCaで置き換え、且つ等しい数のB位又はC位をケイ素で置き換えたもの、
から成る群から選択される少なくとも一つの置換を有する、
シンチレータ組成物。」
が開示されており、公知のシンチレータ組成物よりも短い減衰時間と高エネルギー線での曝射時の損傷を低減することができるとされている。
Furthermore, as a scintillator material for other X-ray CT apparatuses, JP 2007-169647 A (Patent Document 4) includes:
“[Claim 1]
A sintered and annealed scintillator composition comprising a garnet having the formula A 3 B 2 C 3 O 12 prior to annealing, wherein A is at least one of the group consisting of Tb, Ce and Lu A position having one element or a combination thereof, B is octahedral (Al), C is tetrahedral (also Al), and the garnet is
(1) In the above formula, 0.05 to 2 atoms of Al in the octahedral position B are replaced with Sc,
(2) In the above formula, 0.005 atom to 2 atoms of oxygen is replaced with fluorine, and the same number of Ca atoms are replaced at the A position,
(3) In the above formula, 0.005 atom to 2 atom at the B position is replaced with Mg, and the same number of oxygen atoms are replaced with fluorine,
(4) In the above formula, 0.005 atoms to 2 atoms at the B position were replaced with at least one combination of atoms selected from the group consisting of Mg / Si, Mg / Zr, Mg / Ti, and Mg / Hf. thing,
(5) In the above formula, 0.005 atom to 2 atoms at the B position are replaced with at least one combination of atoms selected from the group consisting of Li / Nb and Li / Ta, and (6) the above formula Wherein 0.005 atom to 2 atom at the A position is replaced with Ca, and an equal number of B or C positions are replaced with silicon,
Having at least one substitution selected from the group consisting of:
A scintillator composition. "
Is disclosed, and it is said that damage during exposure with a high energy ray can be reduced with a shorter decay time than known scintillator compositions.

この系統のガーネット構造を持つシンチレータ材料は、新しく発明されたもので、最近盛んに類似の発明が提案されている(例えば、特開2012−72331号公報(特許文献5)、特開2012−184397号公報(特許文献6)など)。
最新のX線CT装置のフラッグシップ機種で、こうしたシンチレータ材料の搭載が進んでいる模様である。
A scintillator material having a garnet structure of this system has been newly invented, and recently, similar inventions have been actively proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-72331 (Patent Document 5) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-184397). Gazette (patent document 6) etc.).
It seems that such scintillator materials are being installed in the flagship model of the latest X-ray CT system.

他方、ガンマ線PET装置用のシンチレータ材料としては、古くからBi4Ge312単結晶(通称BGO)が利用されてきた。BGOは発光強度がある程度強く、減衰時間もある程度短いが融点が低く、製造コストが嵩まないため、比較的安価なPET装置用材料として需要がある。またその後、発光量も増し、減衰時間も飛躍的に短くなったGd2SiO5:Ce(通称GSO)単結晶が開発され、ガンマ線PET装置のハイエンド機種に採用されている(例えば、特公昭62−8472号公報(特許文献7))。
更にその後、発光量がより大きく、減衰時間も更に短いLu2SiO5:Ce(通称LSO)単結晶が開発され、現在でもガンマ線PET装置にフラッグシップ機に搭載されている(例えば、特開平9−118593号公報(特許文献8))。
On the other hand, Bi 4 Ge 3 O 12 single crystal (commonly known as BGO) has been used for a long time as a scintillator material for a gamma ray PET apparatus. BGO has a strong emission intensity to some extent and a short decay time, but has a low melting point and a low manufacturing cost. Therefore, BGO is in demand as a relatively inexpensive material for PET devices. Thereafter, a Gd 2 SiO 5 : Ce (commonly referred to as GSO) single crystal whose light emission amount has been increased and whose decay time has been drastically shortened has been developed and adopted in a high-end model of a gamma ray PET apparatus (for example, Japanese Patent Publication No. 62). No. 8472 (Patent Document 7)).
Thereafter, a Lu 2 SiO 5 : Ce (commonly referred to as LSO) single crystal having a larger light emission amount and a shorter decay time was developed, and is still mounted on a flagship machine in a gamma ray PET apparatus (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9). -118593 (patent document 8)).

米国特許第4,421,671号明細書US Pat. No. 4,421,671 特公平7−97139号公報Japanese Examined Patent Publication No. 7-97139 特許第3741302号公報Japanese Patent No. 3741302 特開2007−169647号公報JP 2007-169647 A 特開2012−72331号公報JP 2012-72331 A 特開2012−184397号公報JP 2012-18497A 特公昭62−8472号公報Japanese Examined Patent Publication No. 62-8472 特開平9−118593号公報JP-A-9-118593

しかしながら、X線CT装置に関して、上記特許文献1に開示されている(Y過半量Gd≦0.523:Eu系のシンチレータ材料は、減衰時間が長い点及び密度が6.0g/cm3未満と小さく、厚膜化して使用しなければならない点が問題となっていた。
また、上記特許文献2、3に開示されている(Gd1-x-yPrxCey22S系のシンチレータ材料は、単斜晶のためシンチレート光の透過率が30%程度と低い点、及び高エネルギー線での曝射時の損傷が比較的大きい点が問題となっていた。
また、上記特許文献4、5、6に開示されている(Tb1-x-yLuxCey3(Al1-zScz2Al312系のシンチレータ材料は、減衰時間も短く、立方晶のためシンチレート光の透過率も80%以上と高く、高エネルギー線での曝射時の損傷も非常に小さい特徴を持ち、X線CT装置用のシンチレータ材料としては極めて好適な物質である。ただし、非常に複雑な組成の複合酸化物を高温で処理・作製しなくてはならないため、極めて高価になるという問題があった。あるいは、組成によっては、焼結処理温度を下げられる実施例も開示されているが、構成元素の種類が多いため、所望の組成で製造しようとすると、かなり歩留りが下がるという問題もあった。
一方、ガンマ線PET装置に関して、BGO単結晶についてはその製造コストはリーズナブルであるものの、発光強度及び減衰時間については不十分であった。また、GSO単結晶、LSO単結晶については、発光強度も大きく、減衰時間も短いため、ガンマ線PET装置用のシンチレータ材料としては非常に好適な物質である。しかしながら、融点が2000℃前後と極めて高いため、他のシンチレータ材料と比較しても、格段に高価になるという問題があった。
However, with regard to the X-ray CT apparatus, the scintillator material based on (Y- major amount Gd ≦ 0.5 ) 2 O 3 : Eu based on the X-ray CT apparatus has a long decay time and a density of 6.0 g / cm 3. The problem was that the film had to be used in the form of a thicker film.
In addition, the (Gd 1-xy Pr x Ce y ) 2 O 2 S scintillator material disclosed in Patent Documents 2 and 3 has a monoclinic crystal and has a low scintillation light transmittance of about 30%. The point and the point at which the damage at the time of exposure with a high energy ray is comparatively large have been a problem.
Further, disclosed in Patent Document 4,5,6 (Tb 1-xy Lu x Ce y) 3 (Al 1-z Sc z) 2 Al 3 O 12 based scintillator material is shorter decay time, Because it is cubic, the transmittance of scintillate light is as high as 80% or more, and it has very little damage when exposed to high energy rays. It is a very suitable material as a scintillator material for X-ray CT equipment. is there. However, there is a problem that a complex oxide having a very complicated composition must be processed and produced at a high temperature, which makes it extremely expensive. Or although the Example which can lower | hang a sintering process temperature is also disclosed depending on a composition, since there are many kinds of constituent elements, there also existed a problem that a yield fell considerably when it was going to manufacture with a desired composition.
On the other hand, regarding the gamma ray PET apparatus, the production cost of the BGO single crystal is reasonable, but the emission intensity and the decay time are insufficient. Further, the GSO single crystal and the LSO single crystal have a high emission intensity and a short decay time, and thus are very suitable substances as a scintillator material for a gamma ray PET apparatus. However, since the melting point is as extremely high as about 2000 ° C., there is a problem that it is much more expensive than other scintillator materials.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、X線及び/又はガンマ線の励起によってSiフォトダイオードで光電変換可能な波長領域に発光ピーク波長を有するシンチレーション光を発し、該シンチレーション光の透過率が高く、また減衰時間も非常に短い複合酸化物を1800℃以下の熱処理で製造可能で製造コストも抑えられた、新規なシンチレータ材料、放射線検出器及び放射線検査装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and emits scintillation light having an emission peak wavelength in a wavelength region that can be photoelectrically converted by a Si photodiode by excitation of X-rays and / or gamma rays, and the transmittance of the scintillation light is It is an object of the present invention to provide a novel scintillator material, radiation detector, and radiation inspection apparatus capable of producing a complex oxide having a high decay time and a very short decay time by a heat treatment of 1800 ° C. or less and suppressing the production cost.

本発明は、上記目的を達成するため、下記のシンチレータ材料、放射線検出器及び放射線検査装置を提供する。
〔1〕 下記式(1)で表される複合酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式(1)で表される複合酸化物の単結晶からなることを特徴とするシンチレータ材料。
(Tbx1-x-yCeyzpqr (1)
(式中、0<x<1、0.00001≦y≦0.015、0.000002≦z≦0.02、x≧2y、x+y+z≦1、1.76≦p≦2.00、0.80≦p/q≦1.0、rは電気的中性を保つための正の数、Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素(ただし、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から2つ以上を選択しない)、Qはユーロピウム及び/又はプラセオジム、Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)である。)
〔2〕 X線及び/又はガンマ線で励起した場合に、540〜650nmの波長範囲に発光ピークを有する光を発する〔1〕記載のシンチレータ材料。
〔3〕 厚み1mmでの波長633nmの光の透過率が70%以上であることを特徴とする〔1〕又は〔2〕記載のシンチレータ材料。
〔4〕 パイロクロア格子を有する立方晶を主相とすることを特徴とする〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のシンチレータ材料。
〔5〕 〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のシンチレータ材料を搭載したことを特徴とする放射線検出器。
〔6〕 〔5〕記載の放射線検出器を搭載したことを特徴とする放射線検査装置。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following scintillator material, radiation detector and radiation inspection apparatus.
[1] A scintillator material comprising a translucent ceramic containing a complex oxide represented by the following formula (1) as a main component or a single crystal of a complex oxide represented by the following formula (1).
(Tb x R 1-xy Ce y Q z ) p B q Or (1)
(Where 0 <x <1, 0.00001 ≦ y ≦ 0.015, 0.000002 ≦ z ≦ 0.02, x ≧ 2y, x + y + z ≦ 1, 1.76 ≦ p ≦ 2.00, 0. 80 ≦ p / q ≦ 1.0, r is a positive number for maintaining electrical neutrality, R is at least one selected from the group consisting of yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, dysprosium Two rare earth elements (but not two or more selected from the group consisting of holmium, thulium, dysprosium), Q is europium and / or praseodymium, B is a group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, zirconium At least one selected element (except for silicon and germanium, which is not the only element))
[2] The scintillator material according to [1], which emits light having an emission peak in a wavelength range of 540 to 650 nm when excited with X-rays and / or gamma rays.
[3] The scintillator material according to [1] or [2], wherein the transmittance of light having a wavelength of 633 nm at a thickness of 1 mm is 70% or more.
[4] The scintillator material according to any one of [1] to [3], wherein the main phase is a cubic crystal having a pyrochlore lattice.
[5] A radiation detector comprising the scintillator material according to any one of [1] to [4].
[6] A radiation inspection apparatus comprising the radiation detector according to [5].

本発明によれば、セリウム及びユーロピウムとの共活性型、及び/又はセリウム及びプラセオジムとの共活性型で、ガーネット相とは別の立方晶希土類酸化物を主成分としたシンチレータ材料とすることにより、X線及び/又はガンマ線の励起によってSiフォトダイオードで光電変換可能な波長領域に発光ピーク波長を有するシンチレーション光を発し、かつ該シンチレーション光の透過率が高く、更に減衰時間も短くしつつ大きな光出力が得られ、製造温度が1800℃以下で可能なため製造コストも抑えられた、新規のシンチレータ材料を提供できる。   According to the present invention, a scintillator material mainly composed of a cubic rare earth oxide different from the garnet phase is co-active with cerium and europium and / or co-active with cerium and praseodymium. , Emits scintillation light having a light emission peak wavelength in a wavelength region that can be photoelectrically converted by a Si photodiode by excitation of X-rays and / or gamma rays, and has high transmittance while the scintillation light has a high transmittance and further has a short decay time. A novel scintillator material can be provided that can provide an output and can be manufactured at a manufacturing temperature of 1800 ° C. or lower, thereby reducing manufacturing costs.

本発明に係る放射線検出器の構成を示す概略図であり、(a)はその正面図、(b)は(a)におけるA−A断面図である。It is the schematic which shows the structure of the radiation detector concerning this invention, (a) is the front view, (b) is AA sectional drawing in (a). 実施例1−1の発光スペクトルの図である。It is a figure of the emission spectrum of Example 1-1. 実施例1−2の発光スペクトルの図である。It is a figure of the emission spectrum of Example 1-2.

[シンチレータ材料]
以下、本発明に係るシンチレータ材料について説明する。
本発明に係るシンチレータ材料は、下記式(1)で表される複合酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式(1)で表される複合酸化物の単結晶からなる。
(Tbx1-x-yCeyzpqr (1)
(式中、0<x<1、0.00001≦y≦0.015、0.000002≦z≦0.02、x≧2y、x+y+z≦1、1.76≦p≦2.00、0.80≦p/q≦1.0、rは電気的中性を保つための正の数、Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素(ただし、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から2つ以上を選択しない)、Qはユーロピウム及び/又はプラセオジム、Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)である。)
なお、Tb、R、Ce、Qを総称してAサイト位置の元素という。
[Scintillator materials]
Hereinafter, the scintillator material according to the present invention will be described.
The scintillator material according to the present invention is made of a translucent ceramic containing a composite oxide represented by the following formula (1) as a main component or a single crystal of the complex oxide represented by the following formula (1).
(Tb x R 1-xy Ce y Q z ) p B q Or (1)
(Where 0 <x <1, 0.00001 ≦ y ≦ 0.015, 0.000002 ≦ z ≦ 0.02, x ≧ 2y, x + y + z ≦ 1, 1.76 ≦ p ≦ 2.00, 0. 80 ≦ p / q ≦ 1.0, r is a positive number for maintaining electrical neutrality, R is at least one selected from the group consisting of yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, dysprosium Two rare earth elements (but not two or more selected from the group consisting of holmium, thulium, dysprosium), Q is europium and / or praseodymium, B is a group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, zirconium At least one selected element (except for silicon and germanium, which is not the only element))
Tb, R, Ce, and Q are collectively referred to as elements at the A site.

上記式(1)において、テルビウム(Tb)は、X線及び/又はガンマ線照射により効率よく励起される骨格材料であり、且つ、該励起エネルギーが、賦活材(活性剤)であるセリウムイオンに効率良くエネルギートランスファーさせられる励起準位を持っており、更に該エネルギートランスファーされたセリウムの励起エネルギーが、Siフォトダイオードで光電変換可能な波長領域に発光ピークを有する光で発光することのできる準位に調整できる元素であり、本発明においては必須の元素である。賦活材であるセリウムイオンに効率良くエネルギーをトランスファーできると発光強度が上がるため好ましい。また、Siフォトダイオードで光電変換ができると、光電子増倍管で受光するよりも遥かに低コストで放射線検出器が製造できるため好ましい。更に、従来よりも長波長側の可視光領域に発光ピークを有する光で発光できると、Siフォトダイオードを用いた放射線検出器においてバイアス電圧を下げることができるので回路の簡略化を図ることができ好ましい。   In the above formula (1), terbium (Tb) is a skeletal material that is efficiently excited by X-ray and / or gamma ray irradiation, and the excitation energy is efficient for cerium ions that are activators (activators). It has an excitation level that can be well transferred, and the excitation energy of the energy-transferred cerium is at a level that can emit light with a light emission peak in the wavelength region that can be photoelectrically converted by the Si photodiode. It is an element that can be adjusted, and is an essential element in the present invention. It is preferable that energy can be efficiently transferred to the cerium ion, which is an activator, because the emission intensity increases. In addition, it is preferable that photoelectric conversion can be performed with a Si photodiode because a radiation detector can be manufactured at a much lower cost than that received with a photomultiplier tube. Furthermore, if light can be emitted with light having an emission peak in the visible light region on the longer wavelength side than before, the bias voltage can be lowered in a radiation detector using a Si photodiode, so that the circuit can be simplified. preferable.

セリウム(Ce)は、テルビウム、及び更に別の1つ以上の希土類元素が吸収したX線及び/又はガンマ線のエネルギーを速やかに受け取って励起状態となり、速やかに低エネルギー状態に遷移する元素であり、本発明においては必須の別の元素である。セリウムを活性剤に利用すると、テルビウムだけの場合に比べ、減衰時間がはるかに短くなり好ましい。   Cerium (Ce) is an element that rapidly receives X-ray and / or gamma-ray energy absorbed by terbium and one or more other rare earth elements and enters an excited state, and quickly transitions to a low energy state. In the present invention, it is another essential element. Use of cerium as the activator is preferred because the decay time is much shorter than with terbium alone.

Qは、セリウムが励起状態となってから、速やかに低エネルギー状態に遷移すること、即ちセリウムが発光することを補助(アシスト)する元素群であり、作用としては減衰時間を長くさせることなく、発光量を増大させることができるものであって、本発明においては更に別の必須の元素である。   Q is an element group that assists in quickly transitioning to a low energy state after cerium is in an excited state, that is, cerium emits light, and as an effect, without increasing the decay time, The amount of light emission can be increased, and is another essential element in the present invention.

Qに入る元素(Q元素)としては、ユーロピウム(Eu)、プラセオジム(Pr)よりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素である。   The element entering Q (Q element) is at least one rare earth element selected from the group consisting of europium (Eu) and praseodymium (Pr).

また、Q元素の別の作用効果として、波長ロック効果がある。即ち、Q元素を含有することにより、紫外線、X線、ガンマ線の励起源の別なく、常に特定の波長、例えば590nm±7nm、615nm±6nm、630nm±5nm、640nm±5nmの中から選択される2又は3の波長域に強い発光ピークを有する光で発光するようになる。従って、本発明のシンチレータ材料によれば、強度の高い光が従来のシンチレータ材料が発する光の波長域よりも長波長側であって特定の広い波長域、例えば585〜635nmの波長域で得られる(図2参照)。なお、その発光波長域はSiフォトダイオードで光電変換可能な波長領域である。   Moreover, there exists a wavelength lock effect as another effect of Q element. That is, by containing Q element, it is always selected from specific wavelengths such as 590 nm ± 7 nm, 615 nm ± 6 nm, 630 nm ± 5 nm, and 640 nm ± 5 nm regardless of the excitation source of ultraviolet rays, X-rays and gamma rays. It emits light with a strong emission peak in the wavelength range of 2 or 3. Therefore, according to the scintillator material of the present invention, high-intensity light can be obtained in a specific wavelength region that is longer than the wavelength region of light emitted from the conventional scintillator material, for example, a wavelength region of 585 to 635 nm. (See FIG. 2). The emission wavelength range is a wavelength range that can be photoelectrically converted by the Si photodiode.

なお、上記特定の波長域は、上記Q元素とQ以外の元素の組み合わせやテルビウム及びQの量(モル比率)に基づく。また、上記波長ロック効果は他の希土類元素の有無にかかわらず発現するQ元素の作用効果であり、特にQ元素の含有量が少なくても得られる作用であり、あたかも主成分が別の元素であって(即ち、Aサイト位置のTb−R−Ce−Q系においてRのモル比が0.5以上になる場合であって)、Q元素が微量含まれる副成分であるかのように見える組成の酸化物であっても得られる作用効果である。   In addition, the said specific wavelength range is based on the quantity (molar ratio) of the combination of elements other than said Q element and Q, and terbium and Q. The wavelength locking effect is an effect of the Q element that appears regardless of the presence or absence of other rare earth elements, and is an effect that can be obtained even when the content of the Q element is small, as if the main component is a different element. (I.e., when the molar ratio of R is 0.5 or more in the Tb-R-Ce-Q system at the A site), and it appears as if it is a minor component containing a small amount of element Q This is an effect obtained even with an oxide having a composition.

なお、テルビウムもこのQ元素と同様に波長ロック効果を有する。この場合、テルビウムを含有することにより、紫外線、X線、ガンマ線の励起源の別なく、常に特定の波長、典型的には545nm±6nmの波長域に特に強い発光ピーク(最大の発光ピークであって他の発光ピークと比べて2倍以上の発光強度を有するピーク)を有する光で発光することができる。このときの発光スペクトルは波長545nm±6nmの波長域のみに発光ピークを有し、なおかつその発光スペクトルの半値幅は非常に狭く、例えば12〜20nmである。   Note that terbium also has a wavelength locking effect, like the Q element. In this case, by containing terbium, a particularly strong emission peak (the maximum emission peak is always present at a specific wavelength, typically 545 nm ± 6 nm, regardless of the excitation source of ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays). Thus, light having a peak having a light emission intensity that is twice or more that of other light emission peaks) can be emitted. The emission spectrum at this time has an emission peak only in the wavelength region of 545 nm ± 6 nm, and the half width of the emission spectrum is very narrow, for example, 12 to 20 nm.

この波長ロック効果については、上記式(1)の複合酸化物においてQ元素が支配的であって上記特定の波長域で強く発光するが、例えばQ元素の量が上記zの範囲の下限近くまで少なくなるとテルビウムが支配的になりテルビウムの波長ロック効果により545nm±6nmの波長域に発光ピークを有する光で発光するようになる。テルビウムは、様々な組成の酸化物群を作製する場合に、少なくとも545nm以上に発光ピークを有する酸化物であることを担保するためにも微量でも含有することが好ましく、重要で必須の元素である。   Regarding the wavelength locking effect, the element Q is dominant in the composite oxide of the above formula (1) and emits intensely in the specific wavelength range. For example, the amount of the element Q is close to the lower limit of the range of z. When the amount decreases, terbium becomes dominant, and light having an emission peak in a wavelength region of 545 nm ± 6 nm is emitted due to the wavelength locking effect of terbium. Terbium is an important and essential element that is preferably contained even in a trace amount in order to ensure that it is an oxide having an emission peak at least at 545 nm or more when producing oxide groups having various compositions. .

従って、本発明のシンチレータ材料は、波長540nm以上の特定の波長域において安定した発光強度で発光するものとなる。
なお、従来のシンチレータ材料が発する光の発光ピークは、幾つかの組成により異なるが、510〜590nmの波長範囲内にある。
Therefore, the scintillator material of the present invention emits light with a stable light emission intensity in a specific wavelength range of 540 nm or more.
In addition, although the light emission peak of the light which the conventional scintillator material emits changes with some compositions, it exists in the wavelength range of 510-590 nm.

なお、上記セリウムとQはいずれも微量で上記作用効果を発現することが可能な元素であり、本発明においては量的にみた場合に主成分とは言えないにも拘らず、必須で重要な元素群である。   Note that cerium and Q are both elements that can exhibit the above-described effects in a very small amount, and in the present invention, they are essential and important although they are not the main components when viewed quantitatively. Element group.

Rは、材料の密度を上げてX線及び/又はガンマ線エネルギーの吸収断面積を向上させる作用を持つ元素群であり、更に後述のBサイトの元素との組み合わせにより当該シンチレータ材料の結晶構造をパイロクロア型の立方晶に規定する作用を持つ元素群である。   R is an element group that has the effect of increasing the density of the material to improve the absorption cross-sectional area of X-ray and / or gamma ray energy. This is a group of elements that have the effect of defining cubic crystals.

そのような元素としては、イットリウム(Y)、ガドリニウム(Gd)、ルテチウム(Lu)、ランタン(La)、ホルミウム(Ho)、ツリウム(Tm)、ディスプロシウム(Dy)が挙げられる。特に、イットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタンは、紫外から赤外領域の広い波長範囲にかけて余計な吸収準位を持たない透明な元素群であるため、テルビウム、セリウム、ユーロピウム及び/又はプラセオジムからの発光を不必要に吸収して暗くしてしまう副作用を持たないため好ましい。   Examples of such elements include yttrium (Y), gadolinium (Gd), lutetium (Lu), lanthanum (La), holmium (Ho), thulium (Tm), and dysprosium (Dy). In particular, yttrium, gadolinium, lutetium, and lanthanum are transparent element groups that do not have excessive absorption levels over a wide wavelength range from the ultraviolet to the infrared region, and thus emit light from terbium, cerium, europium, and / or praseodymium. This is preferable because it does not have the side effect of unnecessarily absorbing and darkening.

また、各元素の電子軌道を見た場合、f軌道を占める電子の数が、ちょうどゼロ(f軌道に1つの電子も入らない場合)、全ての上向きのみを占める場合(7個)、上向きと下向きの全数を占める場合(14個)であると、ギブスの自由エネルギーが小さくなるため、紫外から赤外領域の広い波長範囲にかけ、余計な吸収準位を持たない透明な元素群となる。この条件に該当する元素群としてもイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタンが挙げられる。なお、いずれも透明元素であることには変わりなく、シンチレータにおける優劣はない。   Also, when looking at the electron orbit of each element, the number of electrons occupying the f orbit is exactly zero (when one electron does not enter the f orbit), when all the upwards are occupied (seven), If the total number is downward (14), the Gibbs free energy is small, so that the transparent element group does not have an extra absorption level over a wide wavelength range from ultraviolet to infrared. Examples of element groups that meet this condition include yttrium, gadolinium, lutetium, and lanthanum. All are transparent elements, and there is no superiority or inferiority in the scintillator.

一方、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムは前記のような電子状態ではないため、可視光領域にいくつかの吸収準位をもつ。そのため取扱いには若干の注意が必要であり、少なくとも1つの組成において、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から2つ以上を選択しないことが透明な材料を作る上で好ましい。   On the other hand, since holmium, thulium, and dysprosium are not in the electronic state as described above, they have several absorption levels in the visible light region. Therefore, some care is required for handling, and it is preferable that at least one composition should not select two or more from the group consisting of holmium, thulium and dysprosium in order to produce a transparent material.

なお、イットリウムは材料の融点を下げる作用があるため、目的とする材料の製造温度を下げるために好適に利用できる元素である。   Note that yttrium has an effect of lowering the melting point of the material, and is therefore an element that can be suitably used to lower the production temperature of the target material.

また、ガドリニウム、ルテチウム、ランタンは重い元素群であるため、目的とする材料の密度を上げるために好適に利用できる元素群である。   Further, gadolinium, lutetium, and lanthanum are heavy element groups, and thus are element groups that can be suitably used to increase the density of a target material.

Bは、当該シンチレータ材料の結晶構造をパイロクロア型の立方晶に規定する作用を持つ元素であり、本発明においては重要な元素である。この結果、本発明のシンチレータ材料は、パイロクロア格子を有する立方晶(パイロクロア型立方晶)を主相とするものとなり、好ましくはパイロクロア型立方晶からなるものとなる。なお、主相とするとは、結晶構造としてパイロクロア型立方晶が全体の90体積%以上、好ましくは95体積%以上、より好ましくは99体積%以上、特に好ましくは99.9体積%以上を占めることをいう。結晶構造が立方晶であると、複屈折による散乱の影響がなくなり、X線及び/又はガンマ線で励起した場合に出力されるシンチレーション光の透過率が向上し、厚み1mmでの波長633nmの光の透過率が70%以上となるため好ましい。   B is an element having an effect of defining the crystal structure of the scintillator material as a pyrochlore type cubic crystal, and is an important element in the present invention. As a result, the scintillator material of the present invention has a cubic crystal (pyrochlore type cubic crystal) having a pyrochlore lattice as a main phase, preferably a pyrochlore type cubic crystal. The main phase means that the pyrochlore type cubic crystal accounts for 90% by volume or more, preferably 95% by volume or more, more preferably 99% by volume or more, and particularly preferably 99.9% by volume or more as a whole. Say. When the crystal structure is a cubic crystal, the effect of scattering due to birefringence is eliminated, the transmittance of scintillation light that is output when excited by X-rays and / or gamma rays is improved, and light with a wavelength of 633 nm at a thickness of 1 mm is obtained. The transmittance is preferably 70% or more.

そのような元素としては、チタン(Ti)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)が好適に利用できる。ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く。
なお、この位置に入る元素を、Bサイト位置の元素という。即ち、本発明のシンチレータ材料は、A227タイプの複合酸化物を主成分とする。
As such an element, titanium (Ti), tin (Sn), hafnium (Hf), silicon (Si), germanium (Ge), or zirconium (Zr) can be suitably used. However, for silicon and germanium, the case where the element is used alone is excluded.
An element entering this position is referred to as an element at the B site. That is, the scintillator material of the present invention is mainly composed of an A 2 B 2 O 7 type composite oxide.

上記式(1)は、テルビウム及びセリウムと、Qとしてユーロピウム及び/又はプラセオジム、Rとしてイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素とを含み、Bとしてチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)を含むもので構成されているが、更に他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、イッテルビウムが例示でき、様々な不純物群として、カルシウム、アルミニウム、燐、タングステン、モリブデン等が典型的に例示できる。   In the formula (1), terbium and cerium, Q as europium and / or praseodymium, R as yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, dysprosium, and at least one rare earth element selected from the group consisting of And B includes at least one element selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium (however, silicon and germanium are not included in the case of the element alone). However, it may further contain other elements. As other elements, ytterbium can be exemplified, and calcium, aluminum, phosphorus, tungsten, molybdenum and the like can be typically exemplified as various impurity groups.

その他の元素の含有量は、Aサイト位置の元素の全量を100としたとき、10以下であることが好ましく、0.1以下であることが更に好ましく、0.001以下(実質的にゼロ)であることが特に好ましい。   The content of other elements is preferably 10 or less, more preferably 0.1 or less, and substantially 0.001 or less (substantially zero), assuming that the total amount of elements at the A site position is 100. It is particularly preferred that

式(1)中、テルビウムに関するxは0より大きく1未満の範囲であり、好ましくは0超0.8以下、より好ましくは0.001以上0.4以下、更に好ましくは0.001以上0.1以下、特に好ましくは0.002以上0.05以下である。xが1であるとセリウムに関するyを0.00001以上確保することができなくなり、吸収したX線及び/又はガンマ線のエネルギーを速やかに受け取って励起状態となり、速やかに低エネルギー状態に遷移する活性剤を添加することができなくなる。xが0.1以下の場合、発光量増加傾向が顕著となり好ましい。   In the formula (1), x related to terbium is in the range of more than 0 and less than 1, preferably more than 0 and 0.8 or less, more preferably 0.001 or more and 0.4 or less, and further preferably 0.001 or more and 0.00. 1 or less, particularly preferably 0.002 or more and 0.05 or less. An activator that, when x is 1, cannot secure y of 0.00001 or more related to cerium, promptly receives absorbed X-ray and / or gamma-ray energy, enters an excited state, and quickly transitions to a low energy state. Cannot be added. When x is less than or equal to 0.1, the tendency to increase the amount of emitted light becomes remarkable, which is preferable.

式(1)中、セリウムに関するyは0.00001以上0.015以下であり、0.0001以上0.015以下であることが好ましい。yが0.00001未満であると、吸収したX線及び/又はガンマ線のエネルギーを速やかに受け取って励起状態となり、速やかに低エネルギー状態に遷移する活性剤の濃度が薄すぎるため、発光強度が低下する、あるいは/及び、減衰時間が長くなる。またyが0.015超であると、再び発光強度が低下し始める。   In formula (1), y related to cerium is 0.00001 or more and 0.015 or less, and preferably 0.0001 or more and 0.015 or less. If y is less than 0.00001, the absorbed X-ray and / or gamma ray energy is promptly received to be in an excited state, and the concentration of the active agent that quickly transitions to the low energy state is too thin, resulting in a decrease in emission intensity. Or / and a longer decay time. On the other hand, if y exceeds 0.015, the emission intensity starts to decrease again.

式(1)中、Q元素に関するzは0.000002以上0.02以下であり、好ましくは0.00001以上0.01以下である。zが0.000002未満であると、減衰時間を長くさせることなく、セリウムの発光量を増大させる効果が得られなくなる。また、zが0.02超であると、発光量を増大させる効果は顕著であるものの、減衰時間が顕著に長くなる。   In the formula (1), z relating to the Q element is 0.000002 or more and 0.02 or less, preferably 0.00001 or more and 0.01 or less. If z is less than 0.000002, the effect of increasing the light emission amount of cerium cannot be obtained without increasing the decay time. If z is more than 0.02, the effect of increasing the amount of light emission is remarkable, but the decay time becomes significantly longer.

なお、xはyの2倍以上である(x≧2y)。x<2yでは、発光強度が低下する。また、x+y+z≦1である。   Note that x is at least twice y (x ≧ 2y). When x <2y, the emission intensity decreases. Further, x + y + z ≦ 1.

また、yとzの関係として、y>zであることが好ましい。セリウムがQに対してモル比として相対的に多くないと減衰時間が長くなってしまうおそれがある。   Moreover, it is preferable that y> z as a relationship between y and z. If cerium is not relatively large as a molar ratio with respect to Q, the decay time may be long.

更に、20z≧yであることが好ましい。20z<yではQによるセリウムの発光量を増大させる効果が得られなくなるおそれがある。   Furthermore, it is preferable that 20z ≧ y. If 20z <y, the effect of increasing the amount of cerium emitted by Q may not be obtained.

式(1)中、p、q、rはすべて正の数であり、pは1.76以上2.00以下、好ましくは1.76以上2.00未満、より好ましくは1.76以上1.98以下、更に好ましくは1.76以上1.90以下である。また、p/qは0.80以上1.0以下、好ましくは0.80以上1.0未満、より好ましくは0.80以上0.98以下、更に好ましくは0.80以上0.90以下である。更に、rは電気的中性を保つための正の数である。pが1.76未満、又はp/qが0.80未満の場合、パイロクロア型立方晶が主相とならず、セラミックスの場合は透光性が著しく低下するため好ましくない。また、p/qが1.0より大きい場合、Tbイオンと、R、Ce及びQの少なくともいずれかのイオンとがBサイト位置を占有し、Tb4価やCe4価等が生成し、結果として発光強度が低下するため好ましくない。なお、p+q=4であると立方晶型のパイロクロア相を主相とする結晶構造をもつシンチレータ材料を得やすくなり好ましい。   In formula (1), p, q, and r are all positive numbers, and p is 1.76 or more and 2.00 or less, preferably 1.76 or more and less than 2.00, more preferably 1.76 or more and 1. 98 or less, more preferably 1.76 or more and 1.90 or less. Further, p / q is 0.80 or more and 1.0 or less, preferably 0.80 or more and less than 1.0, more preferably 0.80 or more and 0.98 or less, and further preferably 0.80 or more and 0.90 or less. is there. Furthermore, r is a positive number for maintaining electrical neutrality. When p is less than 1.76 or p / q is less than 0.80, the pyrochlore cubic crystal is not the main phase, and in the case of ceramics, the translucency is remarkably lowered, which is not preferable. When p / q is larger than 1.0, Tb ions and at least one of R, Ce, and Q occupy the B site position, and Tb tetravalent, Ce tetravalent, etc. are generated, resulting in light emission. This is not preferable because the strength is lowered. It is preferable that p + q = 4 because a scintillator material having a crystal structure with a cubic pyrochlore phase as a main phase can be easily obtained.

このA227タイプの複合酸化物という組成全体で考えた場合には、Aサイト位置の元素群とBサイト位置の元素群の選択及びモル比をある適切な範囲に制御することで、より確実に立方晶型のパイロクロア相を主相とする結晶構造をもつシンチレータ材料を得ることができる。 When considering the overall composition of this A 2 B 2 O 7 type composite oxide, the selection and molar ratio of the element group at the A site and the element group at the B site can be controlled within a certain appropriate range. Thus, it is possible to obtain a scintillator material having a crystal structure having a cubic pyrochlore phase as a main phase more reliably.

そのような範囲としては、式(1)におけるp及びp/qに関する上記規定と共に、以下の式(2)、式(3)を同時に満たす範囲が挙げられる。

p×(92.3x+101y+94.7z1+99.7z2+90α+93.8β+86.1γ+105δ+90.1ε+88ζ+91.2η)+(q−4.58)×(60.5j+69k+71L+40m+54n+72o)≧0 (2)

(5.2−q)×(60.5j+69k+71L+40m+54n+72o)−p×(92.3x+101y+94.7z1+99.7z2+90α+93.8β+86.1γ+105δ+90.1ε+88ζ+91.2η)≧0 (3)

(式中、p、q、x、yは式(1)におけるp、q、x、yである。また、式(1)のAサイト位置の元素におけるモル比として、z1はユーロピウムの範囲、z2はプラセオジムの範囲、z1+z2=z、αはイットリウムの範囲、βはガドリニウムの範囲、γはルテチウムの範囲、δはランタンの範囲、εはホルミウムの範囲、ζはツリウムの範囲、ηはディスプロシウムの範囲であり、α+β+γ+δ+ε+ζ+η=1−x−y−zである。更に、式(1)のBサイト位置の元素におけるモル比として、jはチタンの範囲、kはスズの範囲、Lはハフニウムの範囲、mはシリコンの範囲、nはゲルマニウムの範囲、oはジルコニウムの範囲であり、j+k+L+m+n+o=1である。即ち、Bサイトのモル数はq×(j+k+L+m+n+o)=qとなる。)
As such a range, the range which satisfy | fills the following formula | equation (2) and Formula (3) simultaneously with the said prescription | regulation regarding p and p / q in Formula (1) is mentioned.

p × (92.3x + 101y + 94.7z1 + 99.7z2 + 90α + 93.8β + 86.1γ + 105δ + 90.1ε + 88ζ + 91.2η) + (q−4.58) × (60.5j + 69k + 71L + 40m + 54n + 72o) ≧ 0 (2)

(5.2-q) × (60.5j + 69k + 71L + 40m + 54n + 72o) −p × (92.3x + 101y + 94.7z1 + 99.7z2 + 90α + 93.8β + 86.1γ + 105δ + 90.1ε + 88ζ + 91.2η) ≧ 0 (3)

(In the formula, p, q, x and y are p, q, x and y in the formula (1). Moreover, as a molar ratio in the element at the A site position in the formula (1), z1 is a range of europium, z2 is the praseodymium range, z1 + z2 = z, α is the yttrium range, β is the gadolinium range, γ is the lutetium range, δ is the lanthanum range, ε is the holmium range, ζ is the thulium range, and η is the displo range Α + β + γ + δ + ε + ζ + η = 1−x−y−z, where j is the titanium range, k is the tin range, and L is the hafnium. , M is the silicon range, n is the germanium range, o is the zirconium range, and j + k + L + m + n + o = 1, that is, the number of moles of the B site is q × (j + k + L + m + n + o). A q.)

なお、式(1)においてR、Q、Bに入る元素群の選択数を増やせば増やすほど、減衰時間が短くなる作用があるため、実際に製造することの可能な範囲内で、適宜選択元素数を増やすことが好ましい。   In addition, since the attenuation time is shortened as the number of selected element groups entering R, Q, and B in the formula (1) is increased, the selected element is appropriately selected within the range that can be actually manufactured. It is preferable to increase the number.

本発明のシンチレータ材料は、上記式(1)で表される複合酸化物を主成分として含有する。即ち、本発明のシンチレータ材料は、上記式(1)で表される複合酸化物を主成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として含有していてもよい。   The scintillator material of the present invention contains the composite oxide represented by the above formula (1) as a main component. That is, the scintillator material of the present invention may contain the composite oxide represented by the above formula (1) as a main component, and may contain other components as subcomponents.

ここで、主成分として含有するとは、上記式(1)で表される複合酸化物を50質量%以上含有することを意味する。式(1)で表される複合酸化物の含有量は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、99質量%以上であることが更に好ましく、99.9質量%以上であることが特に好ましい。   Here, containing as a main component means containing 50 mass% or more of complex oxide represented by the said Formula (1). The content of the composite oxide represented by the formula (1) is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, still more preferably 99% by mass or more, and 99.9 It is particularly preferable that the content is at least mass%.

一般的に例示される、その他の副成分としては、単結晶育成の際にドープされるドーパントやフラックス、セラミックス製造の際に添加される焼結助剤等がある。   Other subcomponents that are generally exemplified include dopants and fluxes doped during single crystal growth, and sintering aids added during ceramic production.

本発明のシンチレータ材料の製造方法としては、フローティングゾーン法、マイクロ引下げ法などの単結晶製造方法、並びにセラミックス製造法があり、いずれの製法を用いても構わない。ただし、一般に単結晶製造方法では固溶体の濃度比の設計に一定程度の制約があり、セラミックス製造法の方が本発明ではより好ましい。   As a manufacturing method of the scintillator material of the present invention, there are a single crystal manufacturing method such as a floating zone method and a micro pull-down method, and a ceramic manufacturing method, and any manufacturing method may be used. However, in general, the single crystal manufacturing method has a certain degree of restriction in the design of the concentration ratio of the solid solution, and the ceramic manufacturing method is more preferable in the present invention.

以下、本発明のシンチレータ材料の製造方法の例としてセラミックス製造法について更に詳述するが、本発明の技術的思想を踏襲した単結晶製造方法を排除するものではない。   Hereinafter, the ceramic production method will be described in more detail as an example of the production method of the scintillator material of the present invention, but the single crystal production method that follows the technical idea of the present invention is not excluded.

《セラミックス製造法》
[原料]
本発明で用いる原料としては、セリウム及びテルビウム、並びに希土類元素Q(Qはユーロピウム、プラセオジムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素である)、希土類元素R(Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素である)、更にB元素(Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素である)からなる本発明のシンチレータ材料の構成元素となる金属粉末、ないしは硝酸、硫酸、尿酸等の水溶液、あるいは上記元素の複合酸化物粉末等が好適に利用できる。特に、上記各元素の各酸化物粉末は安定で安全なため取扱いが容易となるため好ましい。なお、これら原料の純度は99.9質量%以上が好ましい。
《Ceramics manufacturing method》
[material]
As raw materials used in the present invention, cerium and terbium, and rare earth element Q (Q is at least one rare earth element selected from the group consisting of europium and praseodymium), rare earth element R (R is yttrium, gadolinium, lutetium, Is at least one rare earth element selected from the group consisting of lanthanum, holmium, thulium, dysprosium), and further B element (B is at least selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, zirconium) A metal powder which is a constituent element of the scintillator material of the present invention comprising one element), an aqueous solution of nitric acid, sulfuric acid, uric acid or the like, or a composite oxide powder of the above elements can be suitably used. In particular, each oxide powder of each element is preferable because it is stable and safe and easy to handle. The purity of these raw materials is preferably 99.9% by mass or more.

また、上記原料の粉末形状については特に限定されず、例えば角状、球状、板状の粉末が好適に利用できる。また、二次凝集している粉末であっても好適に利用できるし、スプレードライ処理等の造粒処理によって造粒された顆粒状粉末であっても好適に利用できる。更に、これらの原料粉末の調製工程については特に限定されない。共沈法、粉砕法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法、その他あらゆる合成方法で作製された原料粉末が好適に利用できる。また、得られた原料粉末を適宜湿式ボールミル、ビーズミル、ジェットミルや乾式ジェットミル、ハンマーミル等によって処理してもよい。   Moreover, it does not specifically limit about the powder shape of the said raw material, For example, square, spherical, and plate-shaped powder can be utilized suitably. Moreover, it can use suitably even if it is the powder which carried out secondary aggregation, and it can use suitably also if it is the granular powder granulated by granulation processes, such as a spray-dry process. Furthermore, the preparation process of these raw material powders is not particularly limited. A raw material powder produced by a coprecipitation method, a pulverization method, a spray pyrolysis method, a sol-gel method, an alkoxide hydrolysis method, or any other synthesis method can be suitably used. Further, the obtained raw material powder may be appropriately treated by a wet ball mill, a bead mill, a jet mill, a dry jet mill, a hammer mill or the like.

本発明で用いる複合酸化物粉末原料中には、適宜焼結抑制助剤(焼結助剤)を添加してもよい。特に高い透光性を得るためには、しばしばホスト材料に見合った好適な焼結抑制助剤を添加することが好ましい。ただし、その純度は99.9質量%以上が好ましい。なお、焼結抑制助剤を添加しない場合には、使用する原料粉末についてその一次粒子の粒径がナノサイズであって焼結活性が極めて高いものを選定するとよい。こうした選択は適宜なされてよい。   In the composite oxide powder raw material used in the present invention, a sintering suppression aid (sintering aid) may be appropriately added. In particular, in order to obtain a high translucency, it is often preferable to add a suitable sintering inhibitor that is suitable for the host material. However, the purity is preferably 99.9% by mass or more. In addition, when a sintering inhibitor is not added, it is preferable to select a raw material powder that has a primary particle size of nano-size and extremely high sintering activity. Such a selection may be made as appropriate.

更に製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。   Furthermore, various organic additives may be added for the purpose of improving the quality stability and the yield in the manufacturing process. In the present invention, these are not particularly limited. That is, various dispersants, binders, lubricants, plasticizers, and the like can be suitably used.

[製造工程]
本発明では、上記原料粉末を用いて、所定形状にプレス成形した後に脱脂を行い、次いで焼結して、相対密度が最低でも95%以上に緻密化した焼結体を作製する。その後工程として熱間等方圧プレス(HIP)処理を行うことが好ましい。
[Manufacturing process]
In the present invention, the above raw material powder is pressed into a predetermined shape, degreased, and then sintered to produce a sintered body with a relative density of at least 95% or more. It is preferable to perform a hot isostatic pressing (HIP) process as a subsequent process.

(成形)
本発明の製造方法においては、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、原料粉末を型に充填して一定方向から加圧するプレス工程や変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧するCIP(Cold Isostatic Pressing)工程が利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のCIP装置で対応可能な300MPa以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。更に、プレス成形法ではなく、鋳込み成形法による成形体の作製も可能である。加圧鋳込み成形や押出し成形等の成形法も、出発原料である酸化物粉末の形状やサイズと各種の有機添加剤との組み合わせを最適化することで、採用可能である。
(Molding)
In the production method of the present invention, a normal press molding process can be suitably used. That is, it is possible to use a very general pressing process in which raw material powder is filled in a mold and pressurized from a certain direction, or a CIP (Cold Isostatic Pressing) process in which the raw material powder is sealed in a deformable waterproof container and pressurized with hydrostatic pressure. The applied pressure may be appropriately adjusted while confirming the relative density of the obtained molded body, and is not particularly limited. For example, if the pressure is controlled within a pressure range of about 300 MPa or less that can be handled by a commercially available CIP device, the manufacturing cost can be suppressed. It's okay. Alternatively, not only a molding process but also a hot press process, a discharge plasma sintering process, a microwave heating process, and the like that can be performed all at once at the time of molding can be suitably used. Furthermore, it is possible to produce a molded body by a cast molding method instead of the press molding method. Molding methods such as pressure casting molding and extrusion molding can also be employed by optimizing the combination of the shape and size of the oxide powder as a starting material and various organic additives.

(脱脂)
本発明の製造方法においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解消去できる温度まで昇温することが好ましい。
(Degreasing)
In the production method of the present invention, a normal degreasing step can be suitably used. That is, it is possible to go through a temperature rising degreasing process by a heating furnace. Also, the type of atmospheric gas at this time is not particularly limited, and air, oxygen, hydrogen, and the like can be suitably used. The degreasing temperature is not particularly limited, but when a raw material mixed with an organic additive is used, it is preferable to raise the temperature to a temperature at which the organic component can be decomposed and eliminated.

(焼結)
本発明の製造方法においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されないが、不活性ガス、酸素、水素、真空等が好適に利用できる。
(Sintering)
In the production method of the present invention, a general sintering process can be suitably used. That is, a heating and sintering process such as a resistance heating method or an induction heating method can be suitably used. The atmosphere at this time is not particularly limited, but an inert gas, oxygen, hydrogen, vacuum, or the like can be suitably used.

本発明の焼結工程における焼結温度は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には選択された出発原料を用いて、製造しようとする各種複合酸化物焼結体の融点よりも数10℃から100℃乃至は200℃程度低温側の温度が好適に選定される。また、選定される温度の近傍に立方晶以外の相に相変化する温度帯が存在するパイロクロア型複合酸化物焼結体を製造しようとする際には、厳密にその温度帯を外した条件となるように管理して焼結すると、立方晶以外の相の混入を抑制でき、複屈折性の散乱を低減できるメリットがある。   The sintering temperature in the sintering step of the present invention is appropriately adjusted depending on the starting material selected. In general, using a selected starting material, a temperature that is several tens of degrees Celsius to 100 degrees Celsius or 200 degrees Celsius lower than the melting point of various composite oxide sintered bodies to be produced is suitably selected. In addition, when trying to produce a pyrochlore-type composite oxide sintered body in which there is a temperature zone in which a phase change to a phase other than a cubic crystal exists in the vicinity of the selected temperature, the conditions under which the temperature zone is strictly excluded and If controlled and sintered, the mixture of phases other than cubic crystals can be suppressed, and birefringence scattering can be reduced.

本発明の焼結工程における焼結保持時間は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には数時間程度で十分な場合が多い。ただし、焼結工程後の複合酸化物焼結体の相対密度は最低でも95%以上に緻密化されていなければならない。   The sintering holding time in the sintering process of the present invention is appropriately adjusted depending on the starting material selected. In general, a few hours is often sufficient. However, the relative density of the composite oxide sintered body after the sintering process must be densified to at least 95%.

(熱間等方圧プレス(HIP))
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス(HIP(Hot Isostatic Pressing))処理を行う工程を設けることができる。
(Hot isostatic pressing (HIP))
In the production method of the present invention, after the sintering process, an additional step of performing a hot isostatic pressing (HIP (Hot Isostatic Pressing) process) can be provided.

なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はAr−O2が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、50〜300MPaが好ましく、100〜300MPaがより好ましい。圧力50MPa未満では透光性改善効果が得られない場合があり、300MPa超では圧力を増加させてもそれ以上の透光性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のHIP装置で処理できる196MPa以下であると簡便で好ましい。 Incidentally, the pressurized gas medium type in this case, argon, an inert gas such as nitrogen or Ar-O 2 can be used suitably. The pressure applied by the pressurized gas medium is preferably 50 to 300 MPa, and more preferably 100 to 300 MPa. If the pressure is less than 50 MPa, the translucency improvement effect may not be obtained. If the pressure exceeds 300 MPa, no further improvement in translucency can be obtained even if the pressure is increased, and the load on the device may be excessive and damage the device. There is. The applied pressure is preferably 196 MPa or less, which can be processed with a commercially available HIP device, for convenience and convenience.

また、その際の処理温度(所定保持温度)は材料の種類及び/又は焼結状態により適宜設定すればよく、例えば1000〜2000℃、好ましくは1300〜1800℃の範囲で設定される。このとき、焼結工程の場合と同様に焼結体を構成する複合酸化物の融点以下及び/又は相転移点以下とすることが必須であり、熱処理温度が2000℃超では本発明で想定している複合酸化物焼結体が融点を超えるか相転移点を超えてしまい、適正なHIP処理を行うことが困難となる。また、熱処理温度が1000℃未満では焼結体の透光性改善効果が得られない。なお、熱処理温度の保持時間については特に制限されないが、焼結体を構成する複合酸化物の特性を見極めながら適宜調整するとよい。   Further, the treatment temperature (predetermined holding temperature) at that time may be appropriately set depending on the type of material and / or the sintering state, and is set in the range of, for example, 1000 to 2000 ° C, preferably 1300 to 1800 ° C. At this time, as in the case of the sintering step, it is essential that the temperature be below the melting point and / or the phase transition point of the composite oxide constituting the sintered body. The composite oxide sintered body exceeds the melting point or exceeds the phase transition point, making it difficult to perform an appropriate HIP treatment. Moreover, if the heat treatment temperature is less than 1000 ° C., the effect of improving the translucency of the sintered body cannot be obtained. In addition, although there is no restriction | limiting in particular about the holding time of heat processing temperature, It is good to adjust suitably, checking the characteristic of the complex oxide which comprises a sintered compact.

なお、HIP処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、モリブデン(Mo)又はタングステン(W)が好適に利用できる。   In addition, the heater material, heat insulating material, and processing container for HIP processing are not particularly limited, but graphite, molybdenum (Mo), or tungsten (W) can be suitably used.

(光学研磨)
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た透光性複合酸化物焼結体(透光性セラミックス)について、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は測定波長λ=633nmの場合、λ/4以下が好ましく、λ/8以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(Optical polishing)
In the manufacturing method of the present invention, both ends of the light-transmitting composite oxide sintered body (translucent ceramic) that has undergone the above-described series of manufacturing steps on the optically utilized axis can be optically polished. preferable. The optical surface accuracy at this time is preferably λ / 4 or less, particularly preferably λ / 8 or less, when the measurement wavelength λ = 633 nm. Note that it is possible to further reduce the optical loss by appropriately forming an antireflection film on the optically polished surface.

以上のようにして得られる本発明のシンチレータ材料は、パイロクロア格子を有する立方晶が主相であって、X線及び/又はガンマ線で励起した場合に、Siフォトダイオードで光電変換可能な波長領域に発光ピークを有するシンチレーション光、例えば好ましくは波長範囲540〜700nm、より好ましくは540〜650nmに発光ピークを有し、特に好ましくはこれらの波長範囲に最強の発光ピークを有する光を発する。また、その厚みを1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が70%以上のものとなる。   The scintillator material of the present invention obtained as described above has a cubic crystal having a pyrochlore lattice as a main phase, and when excited by X-rays and / or gamma rays, it has a wavelength region that can be photoelectrically converted by a Si photodiode. Scintillation light having an emission peak, for example, preferably emits light having an emission peak in the wavelength range of 540 to 700 nm, more preferably 540 to 650 nm, and particularly preferably having the strongest emission peak in these wavelength ranges. Further, the transmittance of light having a wavelength of 633 nm when the thickness is 1 mm is 70% or more.

[放射線検出器]
本発明のシンチレータ材料は、X線CT装置用途及び/又はガンマ線PET装置用途に好適であり、該装置内にアレイ状に多数配置されて、X線照射及び/又はガンマ線照射により励起される放射線検出器用として好適である。なお、本発明で想定しているX線及びガンマ線としては、例えばタングステン又はタングステン合金(Re−W合金)からなる電子線照射面を有するターゲットを用いたX線管で発生するX線、放射性同位体コバルト60のガンマ線源から発生するガンマ線が挙げられる。
[Radiation detector]
The scintillator material of the present invention is suitable for X-ray CT apparatus applications and / or gamma-ray PET apparatus applications. A large number of arrays are arranged in the apparatus, and the radiation detection is excited by X-ray irradiation and / or gamma irradiation. Suitable for dexterity. Note that X-rays and gamma rays assumed in the present invention include, for example, X-rays generated in an X-ray tube using a target having an electron beam irradiation surface made of tungsten or a tungsten alloy (Re-W alloy), and radioisotopes. Examples include gamma rays generated from a gamma ray source of body cobalt 60.

本発明の放射線検出器は、本発明のシンチレータ材料からなるプレートと、その後段のSiフォトダイオードなどの受光素子とからなる。その構成例を図1に示す。本発明の放射線検出器10は、本発明のシンチレータ材料からなるシンチレータプレート11が反射材12で仕切られて縦6行、横6列の36素子に配置され、更に各シンチレータプレート11の後段に受光素子13を配置して容器14に収納したものである。この放射線検出器10は、前方から入射してきたX線及び/又はガンマ線によってシンチレータプレート11が励起され、該シンチレータプレート11から出力される発光エネルギーを受光素子13によって電気信号に変換し、増幅して出力する構成となっている。   The radiation detector of the present invention comprises a plate made of the scintillator material of the present invention and a light receiving element such as a Si photodiode at the subsequent stage. An example of the configuration is shown in FIG. In the radiation detector 10 of the present invention, a scintillator plate 11 made of the scintillator material of the present invention is partitioned by a reflector 12 and arranged in 36 elements in 6 rows and 6 columns, and further receives light at the subsequent stage of each scintillator plate 11. The element 13 is arranged and stored in the container 14. In this radiation detector 10, the scintillator plate 11 is excited by X-rays and / or gamma rays incident from the front, and the light emission energy output from the scintillator plate 11 is converted into an electric signal by the light receiving element 13 and amplified. It is configured to output.

なお、受光素子13は、本発明のシンチレータ材料の発光ピーク波長の領域の光を検出できるものであり、またX線CT装置やガンマ線PET装置に搭載される放射線検出器に用いられる一般的なものであり、Siフォトダイオード(PD)、Si−APD(Avalanche Photodiode)、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、光電子増倍管(PMT)などが挙げられる。受光素子13として、例えば、感度波長範囲450〜1050nm、最大感度波長が550nm以上、好ましくは感度波長範囲450〜800nm、最大感度波長が590nm以上のSi−APD(Avalanche Photodiode)が好ましい。   The light receiving element 13 can detect light in the region of the emission peak wavelength of the scintillator material of the present invention, and is a general element used for a radiation detector mounted on an X-ray CT apparatus or a gamma ray PET apparatus. Si photodiode (PD), Si-APD (Avalanche Photodiode), CCD (Charge Coupled Device) image sensor, photomultiplier tube (PMT), and the like. As the light receiving element 13, for example, Si-APD (Avalanche Photodiode) having a sensitivity wavelength range of 450 to 1050 nm and a maximum sensitivity wavelength of 550 nm or more, preferably a sensitivity wavelength range of 450 to 800 nm and a maximum sensitivity wavelength of 590 nm or more is preferable.

このようにアレイ状に配置された本発明の放射線検出器10と、放射線検出器10から出力される電気信号をデジタル化して計算処理して画像化するコンピューティドトモグラフィ(CT)システムとを組み合わせて、X線CT装置やガンマ線PET装置の放射線検査装置が作製される。   A combination of the radiation detector 10 of the present invention arranged in an array in this way and a computed tomography (CT) system that digitizes an electrical signal output from the radiation detector 10 and calculates and images it. Thus, a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma ray PET apparatus is manufactured.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、原料粉末の一次粒径は、レーザ光回折法による重量平均値として求めた。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the examples. In addition, the primary particle diameter of the raw material powder was calculated | required as a weight average value by a laser beam diffraction method.

[実施例1、比較例1]
上記式(1)において、p=2、q=2(即ち、p/q=1.0)であって、セリウムとユーロピウム又はプラセオジムとを共添加させた組成についてテルビウム、セリウムの濃度を固定し、Bサイト位置の元素としてチタン、スズ、ハフニウム又はジルコニウムを選択した例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ユーロピウム粉末、酸化プラセオジム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ランタン粉末、酸化ガドリニウム粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製の酸化チタン粉末、酸化第2スズ粉末、及びAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末、並びに第一稀元素化学工業(株)製酸化ジルコニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表1のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、Q元素、R元素のモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、チタン、スズ、ハフニウム又はジルコニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが等量モル比率となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて12種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、いずれの焼成原料についても、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料となっていることが確認された。
得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 1, Comparative Example 1]
In the above formula (1), p = 2 and q = 2 (that is, p / q = 1.0), and the concentration of terbium and cerium is fixed for the composition in which cerium and europium or praseodymium are co-added. An example in which titanium, tin, hafnium or zirconium is selected as the element at the B site will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, europium oxide powder, praseodymium oxide powder, yttrium oxide powder, lanthanum oxide powder, and gadolinium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, titanium oxide powder, stannic oxide powder, Hafnium oxide powder manufactured by American Elements, and zirconium oxide powder manufactured by Daiichi Elemental Chemical Co., Ltd. were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio as shown in Table 1 having a final composition was produced. That is, the final sum of the molar ratios of terbium, cerium, Q element, and R element (that is, the number of moles of the element at the A site position) and the number of moles of titanium, tin, hafnium, or zirconium (that is, the B site position). Each of the mixed powders weighed so as to have an equimolar molar ratio of the number of moles of the element) was prepared. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high temperature muffle furnace to obtain 12 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that any of the fired raw materials was an oxide raw material having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure.
The obtained various raw materials were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill apparatus. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が95%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 95% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.

こうして得られた各セラミックス焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理してシンチレータプレートとした。次いで、シンチレータプレート同士の間に反射材(シリコーンペースト中に分散させた酸化マグネシウム粉末からなり、乾燥により接着させたもの)を設けて縦6行、横6列の36素子に仕切った後、このサンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて以下の要領で透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
Each ceramic sintered body thus obtained was cut, ground, and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm to obtain a scintillator plate. Next, a reflector (made of magnesium oxide powder dispersed in a silicone paste and bonded by drying) is provided between the scintillator plates and partitioned into 36 elements in 6 rows and 6 columns. The optical end surfaces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when the measurement wavelength was λ = 633 nm).
About each obtained scintillator plate, the transmittance | permeability was measured in the following ways using HeNe laser (wavelength 633nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.

(透過率の測定方法)
透過率は、波長633nmの光を透過させたときの光の強度により測定され、以下の式に基づいて求めた。
透過率=I/Io×100
(式中、Iは透過光強度(厚み1mmのサンプルを透過した光の強度)、Ioは入射光強度を示す。)
(Measurement method of transmittance)
The transmittance was measured by the intensity of light when light having a wavelength of 633 nm was transmitted, and was determined based on the following equation.
Transmittance = I / Io × 100
(In the formula, I represents transmitted light intensity (intensity of light transmitted through a sample having a thickness of 1 mm), and Io represents incident light intensity.)

その後、各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、この放射線検出器10と、タングステンターゲットのX線管とを組み合わせて作製した光出力測定装置を用いて、X線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。なお、受光素子13として、Si−APD(浜松ホトニクス(株)製短波長型、型番S5343、感度波長範囲450〜800nm、最大感度波長590nm)を用いた。また、このSi−APDの波長540nm(基準サンプルのCdWO4単結晶(CWO単結晶)シンチレータの発光ピーク波長)における感度と波長580〜650nm(実施例サンプルが強く発光する波長域に相当する範囲)における感度は同程度である。
このとき、以下のようにシンチレータプレート11の発光波長域及び最大発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 to produce the radiation detector 10 of FIG. Next, using a light output measuring device manufactured by combining the radiation detector 10 and an X-ray tube of a tungsten target, the scintillator plate 11 is irradiated with X-rays at a tube voltage of the X-ray tube of 120 kV, and the light receiving element 13 is irradiated. The value of the flowing current was obtained as the light output. In addition, Si-APD (Hamamatsu Photonics Co., Ltd. short wavelength type, model number S5343, sensitivity wavelength range 450 to 800 nm, maximum sensitivity wavelength 590 nm) was used as the light receiving element 13. In addition, the sensitivity and wavelength of this Si-APD at a wavelength of 540 nm (emission peak wavelength of CdWO 4 single crystal (CWO single crystal) scintillator as a reference sample) and a wavelength of 580 to 650 nm (a range corresponding to a wavelength range in which the example sample emits strongly) The sensitivity at is similar.
At this time, the emission wavelength range, maximum emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were determined as follows.

(最大発光ピーク波長及び発光波長域の測定方法)
前記X線照射評価系で光出力を評価する前に、蛍光寿命測定装置(浜松ホトニクス(株)製Quantaurus−Tau:型番C11367−1)でフォトルミネッセンス(PL)測定し、その結果から発光ピーク波長を求めた。即ち、励起波長280nmの光で励起して、出てきた蛍光をグレーティングによる分光を経て、CCDカメラで蛍光波長スペクトル(発光スペクトル)を検出し、蛍光出力が最大となった波長をX線照射時の最大発光ピーク波長とみなし、発光スペクトルにおいてこの最大発光ピークを基準としてその発光強度が半値となるまでの波長範囲を発光波長域として求めた。なお、励起波長280nmの光は、蛍光寿命測定装置で入射可能な最短波長の、つまり最大のエネルギーを持つ紫外線であり、X線照射時のような骨格材の振動を起こさないが、シンチレータプレートを励起させた場合に順次緩和してきた励起エネルギーが最後に発光する波長を確認するには十分な励起波長であり、X線照射時の発光ピーク波長の測定のためのX線の代用の励起光として用いることができる。
(Measurement method of maximum emission peak wavelength and emission wavelength range)
Before the light output is evaluated by the X-ray irradiation evaluation system, photoluminescence (PL) measurement is performed with a fluorescence lifetime measuring apparatus (Quantaurus-Tau: model number C11367-1 manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.), and the emission peak wavelength is determined from the result. Asked. That is, excitation is performed with light having an excitation wavelength of 280 nm, the emitted fluorescence is subjected to spectroscopy by a grating, a fluorescence wavelength spectrum (emission spectrum) is detected by a CCD camera, and the wavelength at which the fluorescence output is maximized is irradiated with X-rays. The wavelength range until the emission intensity becomes half value with respect to the maximum emission peak in the emission spectrum was determined as the emission wavelength region. The light having an excitation wavelength of 280 nm is ultraviolet light having the shortest wavelength that can be incident on the fluorescence lifetime measuring apparatus, that is, the maximum energy, and does not cause vibration of the skeleton material during X-ray irradiation. The excitation energy that has been gradually relaxed when excited is an excitation wavelength sufficient to confirm the wavelength at which light is finally emitted, and is used as a substitute for X-rays for measuring the emission peak wavelength during X-ray irradiation. Can be used.

なお、このときの発光スペクトル例として、図2に実施例1−1の発光スペクトル、図3に実施例1−2の発光スペクトルを示す。実施例1−1では波長590、615、630nmにそれぞれ強い発光ピークが認められ、実施例1−2では波長615、640nmにそれぞれ強い発光ピークが認められた。
なお、このほかの実施例(ただし、x>0.5となる実施例、即ち実施例2−3,2−6,2−9,2−12を除く)の発光スペクトルのパターンは発光ピーク波長及び発光強度を除き実施例1−1又は実施例1−2のものと同様に、特定の波長に強い発光ピークを示した。具体的には、590nm±7nm、615nm±6nm、630nm±5nm、640nm±10nmの中から選択される2又は3の波長域に強い発光ピークを示した。
As an example of the emission spectrum at this time, FIG. 2 shows the emission spectrum of Example 1-1, and FIG. 3 shows the emission spectrum of Example 1-2. In Example 1-1, strong emission peaks were observed at wavelengths of 590, 615, and 630 nm, respectively, and in Example 1-2, strong emission peaks were observed at wavelengths of 615 and 640 nm, respectively.
In addition, the pattern of the emission spectrum of the other examples (however, examples in which x> 0.5, that is, excluding Examples 2-3, 2-6, 2-9, and 2-12) are emission peak wavelengths. Except for the luminescence intensity and the luminescence intensity, a strong luminescence peak at a specific wavelength was exhibited in the same manner as in Example 1-1 or Example 1-2. Specifically, strong emission peaks were exhibited in two or three wavelength regions selected from 590 nm ± 7 nm, 615 nm ± 6 nm, 630 nm ± 5 nm, and 640 nm ± 10 nm.

(光出力の測定方法)
ここでは、比較を容易にする目的で、放射線検出器10において別途入手したCdWO4単結晶(CWO単結晶)シンチレータをシンチレータプレート11の代わりに配置し、前記光出力測定装置を用いた評価法によりこの場合の光出力を求め、その値を「1.0」とした場合のサンプルの光出力の比率(対CWO比)を各サンプルの光出力の値として示した。なお、ここでいう光出力は波長450〜800nmにおける光出力強度の積分値である。
(Measurement method of light output)
Here, for the purpose of facilitating the comparison, a CdWO 4 single crystal (CWO single crystal) scintillator separately obtained in the radiation detector 10 is arranged in place of the scintillator plate 11, and an evaluation method using the light output measuring device is used. The light output in this case was obtained, and the ratio of the light output of the sample (vs. CWO ratio) when the value was “1.0” was shown as the value of the light output of each sample. The light output here is an integrated value of the light output intensity at a wavelength of 450 to 800 nm.

(減衰時間の測定方法)
前記光出力測定装置を用いて前記のようにX線を照射して各サンプルの光出力が安定した状態を100%とし、次いでX線照射を停止し、停止してから各サンプルの光出力強度が安定状態の5%に減衰するまでの時間を測定した(X線照射時の減衰時間)。
また、前記蛍光寿命測定装置を用いて前記のように励起波長280nmの光を照射して各サンプルの光出力が安定した状態を100%とし、次いで光照射を停止し、停止してから各サンプルの光出力強度が安定状態の5%に減衰するまでの時間を測定した(紫外線照射時の減衰時間)。
以上の一連の評価結果をまとめて表2に示す。
(Measurement method of decay time)
As described above, the state in which the light output of each sample is stabilized by irradiating the X-ray with the light output measuring apparatus is set to 100%, then the X-ray irradiation is stopped, and the light output intensity of each sample is stopped. Was measured until the time of decay to 5% of the stable state (decay time during X-ray irradiation).
In addition, as described above, the fluorescence lifetime measurement apparatus is used to irradiate light with an excitation wavelength of 280 nm so that the light output of each sample is stabilized to 100%, and then the light irradiation is stopped. The time until the light output intensity of the light was attenuated to 5% of the stable state was measured (attenuation time during ultraviolet irradiation).
Table 2 summarizes the above series of evaluation results.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が77%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合の最強の発光ピーク波長が545nm以上であるため、受光素子としてSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができ、更にまた、光出力も従来材料と比べて2倍以上と大きく、その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が7ms以下と短い。また、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間はすべて10ns以下で、組成によっては測定下限レベル(装置性能限界)の1nmであった。なお、ユーロピウムを共添加した場合には、X線で励起した場合の強い発光ピークが波長590、615、630nmにロックされ、プラセオジムを共添加した場合には、これが615、640nmにロックされる波長ロック効果も確認された。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、活性剤としてセリウムのみを用いた組成の比較例では、ユーロピウム、プラセオジムとの共添加組成に比べて出力がやや低下し、CWO単結晶に対する光出力比が1.5以下である。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore type complex oxides of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 77% or more. Because the light emitted as a scintillator material is not scattered and lost in the interior, and the strongest emission peak wavelength when excited by X-rays is 545 nm or more, photoelectric conversion is a problem with a Si photodiode as a light receiving element. Furthermore, the light output is twice as large as that of the conventional material, and furthermore, the decay time at 5% afterglow output by X-ray irradiation is as short as 7 ms or less. Further, the decay time when the afterglow output was 5% due to ultraviolet irradiation was 10 ns or less, depending on the composition, it was 1 nm which is the measurement lower limit level (apparatus performance limit). When europium is co-added, the strong emission peak when excited by X-rays is locked at wavelengths of 590, 615, and 630 nm, and when praseodymium is co-added, the wavelength is locked at 615 and 640 nm. The locking effect was also confirmed. As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
In the comparative example of the composition using only cerium as the activator, the output is slightly lower than that of the co-added composition with europium and praseodymium, and the light output ratio with respect to the CWO single crystal is 1.5 or less.

[実施例2]
上記式(1)において、p=2、q=2(即ち、p/q=1.0)であって、テルビウムの量を変化させた例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ユーロピウム粉末、酸化プラセオジム粉末、酸化ルテチウム粉末、酸化ランタン粉末、酸化ガドリニウム粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製の酸化チタン粉末、酸化第2スズ粉末、及びAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末、並びに第一稀元素化学工業(株)製酸化ジルコニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表3のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、Q元素、R元素のモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、チタン、スズ、ハフニウム又はジルコニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが等量モル比率となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、12種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、いずれの焼成原料についても、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料となっていることが確認された。
こうして得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 2]
In the above formula (1), an example in which p = 2 and q = 2 (that is, p / q = 1.0) and the amount of terbium is changed will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, europium oxide powder, praseodymium oxide powder, lutetium oxide powder, lanthanum oxide powder, and gadolinium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, titanium oxide powder, stannic oxide powder, Hafnium oxide powder manufactured by American Elements, and zirconium oxide powder manufactured by Daiichi Elemental Chemical Co., Ltd. were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio having a final composition as shown in Table 3 was produced. That is, the final sum of the molar ratios of terbium, cerium, Q element, and R element (that is, the number of moles of the element at the A site position) and the number of moles of titanium, tin, hafnium, or zirconium (that is, the B site position). Each of the mixed powders weighed so as to have an equimolar molar ratio of the number of moles of the element) was prepared. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high temperature muffle furnace to obtain 12 kinds of firing raw materials. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that any of the fired raw materials was an oxide raw material having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure.
Various raw materials thus obtained were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が95%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
続いて、得られた各セラミックス焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理した。次いでそれらを、反射材を介して6×6の36素子からなるシンチレータ材に加工後、サンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
その後、実施例1と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光波長域及び最大発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表4に示す。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 95% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.
Subsequently, each ceramic sintered body obtained was cut, ground, and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm. Next, they were processed into a scintillator material consisting of 36 elements of 6 × 6 via a reflective material, and the optical end faces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when measurement wavelength λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 in the same manner as in Example 1 to produce the radiation detector 10 of FIG. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, in the same manner as in Example 1, the emission wavelength region, maximum emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were obtained.
Table 4 summarizes the above series of evaluation results.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が76%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合の強い発光ピークの波長がいずれも590nm以上であって、受光素子としてSiフォトダイオードを用い、しかもバイアス電圧を従来材料(CWO単結晶)の場合ほど上げる必要もなく光電変換を行うことができる。更に、光出力も従来材料と比べて大きく、特にテルビウムの含有量が少ない場合、例えばx≦0.8では従来材料の1.8倍以上の光出力(光量)、x≦0.4では従来材料の約2倍以上の光出力が得られる。その上、いずれの実施例もX線照射による残光出力5%時の減衰時間が7ms以下と非常に短い。また、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は10ns以下である。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
ちなみに、テルビウムの含有量がx≦0.5の場合にはユーロピウム又はプラセオジムの発光波長の波長ロック効果、即ち波長590、615、630、640nmのうちのいずれか2つ乃至は3つに特に強い発光ピークをもつ発光が確認された。また、テルビウムの含有量がx>0.5の場合には最も強い発光ピークの波長の長波長側シフトが確認されると共に、広範囲の波長領域においてある程度の強度をもつ発光が確認された。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore type complex oxides of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 76% or more. The light emitted as the scintillator material does not wastefully scatter inside, and the wavelength of the strong emission peak when excited with X-rays is 590 nm or more, and a Si photodiode is used as the light receiving element. In addition, photoelectric conversion can be performed without the need to increase the bias voltage as in the case of the conventional material (CWO single crystal). Furthermore, the light output is larger than that of the conventional material. Particularly, when the terbium content is small, for example, when x ≦ 0.8, the light output (light quantity) is 1.8 times or more that of the conventional material. The light output is about twice or more that of the material. In addition, in any of the examples, the decay time when the afterglow output is 5% by X-ray irradiation is as short as 7 ms or less. Further, the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 10 ns or less. As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
By the way, when the terbium content is x ≦ 0.5, the wavelength locking effect of the emission wavelength of europium or praseodymium, ie, any two or three of wavelengths 590, 615, 630, 640 nm is particularly strong. Light emission having an emission peak was confirmed. Further, when the terbium content was x> 0.5, a long wavelength side shift of the wavelength of the strongest emission peak was confirmed, and light emission having a certain intensity was confirmed in a wide wavelength range.

[実施例3、比較例3]
上記式(1)において、p=2、q=2(即ち、p/q=1.0)であって、セリウム及びQ元素の量を変化させた例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ユーロピウム粉末、酸化プラセオジム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ランタン粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製の酸化チタン粉末、及びAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表5のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、Q元素、R元素のモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、チタン、ハフニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが等量モル比率となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて18種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、いずれの焼成原料についても、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料となっていることが確認された。
こうして得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 3, Comparative Example 3]
In the above formula (1), an example in which p = 2 and q = 2 (that is, p / q = 1.0) and the amounts of cerium and the Q element are changed will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, europium oxide powder, praseodymium oxide powder, yttrium oxide powder, and lanthanum oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, titanium oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. and hafnium oxide powder manufactured by American Elements were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio having a final composition as shown in Table 5 was produced. That is, the final sum of the molar ratios of terbium, cerium, Q element, and R element (that is, the number of moles of the element at the A site) and the number of moles of titanium and hafnium (that is, the number of moles of the element at the B site) ) And the mixed powders weighed so as to have an equimolar molar ratio. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high temperature muffle furnace to obtain 18 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that any of the fired raw materials was an oxide raw material having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure.
Various raw materials thus obtained were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が95%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
続いて、得られた各セラミックス焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理した。次いでそれらを、反射材を介して6×6の36素子からなるシンチレータ材に加工後、サンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
その後、実施例1、2と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光波長域及び最大発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表6に示す。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 95% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.
Subsequently, each ceramic sintered body obtained was cut, ground, and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm. Next, they were processed into a scintillator material consisting of 36 elements of 6 × 6 via a reflective material, and the optical end faces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when measurement wavelength λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 in the same manner as in Examples 1 and 2, and the radiation detector 10 of FIG. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, in the same manner as in Example 1, the emission wavelength region, maximum emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were obtained.
The series of evaluation results described above are summarized in Table 6.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が76%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合にSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができる波長帯に最強の発光ピーク波長があり、更にまた、光出力も従来材料と比べて大きく、その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が13ms以下、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は3000ns以下である。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、個別に詳細をみると、実施例3−2、3−7のようにユーロピウム又はプラセオジムの含有量がセリウムの含有量よりも多いと(y<z)、光出力が十分大きく、波長ロック効果も得られるが、減衰時間が長くなる。また、実施例3−11、3−12のようにユーロピウムやプラセオジムの含有量が多くなると(z=0.02)、光出力が十分大きく、波長ロック効果も得られるが、減衰時間が長くなる。
実施例3−3、3−8のようにセリウム及び、ユーロピウム又はプラセオジムの含有量が共に少ないと(y=0.00001、z=0.000005)、光出力が減少する傾向がある。また、実施例3−4、3−9のように、ユーロピウム又はプラセオジムの含有量が少なく(z=0.000005)、セリウム含有量に対するユーロピウム又はプラセオジムの含有量の関係がy>20zとなる場合、ユーロピウム又はプラセオジムの光出力の際における波長ロック効果が失われ、テルビウムの波長ロック効果が発現し、最大発光ピーク波長545nmの光が出力される。ちなみに、その他の実施例3−1〜3−3、3−5〜3−8、3−10〜3−12ではユーロピウム又はプラセオジムの発光波長の波長ロック効果が確認された。
また、比較例3−1、3−3のようにセリウムの含有量が多すぎると(y=0.03)、光出力が低下する。逆に、比較例3−2、3−4のようにセリウムを含有しない場合でも光出力は低下する。更に、比較例3−5、3−6にようにテルビウムの含有量とセリウムの含有量との関係がx<2yとなる場合には光出力が急激に低下する。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore type complex oxides of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 76% or more. As a scintillator material, there is a strongest emission peak wavelength in the wavelength band where light emitted without scintillation loss inside it can be performed without problems with Si photodiodes when excited by X-rays. Furthermore, the light output is also larger than that of the conventional material. In addition, the decay time when the afterglow output is 5% due to X-ray irradiation is 13 ms or less, and the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 3000 ns or less. is there. As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
In addition, when details are individually seen, when the content of europium or praseodymium is larger than the content of cerium (y <z) as in Examples 3-2 and 3-7, the light output is sufficiently large, and the wavelength lock Although the effect can be obtained, the decay time becomes longer. Further, when the content of europium or praseodymium increases as in Examples 3-11 and 3-12 (z = 0.02), the light output is sufficiently large and the wavelength lock effect is obtained, but the decay time becomes long. .
When both the contents of cerium and europium or praseodymium are small as in Examples 3-3 and 3-8 (y = 0.00001, z = 0.000005), the light output tends to decrease. Further, as in Examples 3-4 and 3-9, when the content of europium or praseodymium is small (z = 0.000005), the relationship between the content of europium or praseodymium with respect to the cerium content is y> 20z. In addition, the wavelength lock effect at the time of light output of europium or praseodymium is lost, the wavelength lock effect of terbium is expressed, and light having a maximum emission peak wavelength of 545 nm is output. Incidentally, in Examples 3-1 to 3-3, 3-5 to 3-8, and 3-10 to 3-12, the wavelength locking effect of the emission wavelength of europium or praseodymium was confirmed.
Moreover, when there is too much content of cerium like Comparative Examples 3-1 and 3-3 (y = 0.03), an optical output will fall. On the contrary, the light output decreases even when cerium is not contained as in Comparative Examples 3-2 and 3-4. Furthermore, as in Comparative Examples 3-5 and 3-6, when the relationship between the terbium content and the cerium content is x <2y, the light output is drastically decreased.

[実施例4、比較例4]
上記式(1)において、p=2、q=2(即ち、p/q=1.0)であって、R元素を変えた例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ユーロピウム粉末、酸化プラセオジム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ルテチウム粉末、酸化ランタン粉末、酸化ガドリニウム粉末、酸化ディスプロシウム粉末、酸化ホルミウム粉末、酸化ツリウムを入手した。また、(株)高純度化学研究所製の酸化チタン粉末、及びAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表7のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、Q元素、R元素のモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、チタン、ハフニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが等量モル比率となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて8種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、いずれの焼成原料についても、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料となっていることが確認された。
こうして得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 4, Comparative Example 4]
In the above formula (1), an example in which p = 2 and q = 2 (ie, p / q = 1.0) and the R element is changed will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, europium oxide powder, praseodymium oxide powder, yttrium oxide powder, lutetium oxide powder, lanthanum oxide powder, gadolinium oxide powder, dysprosium oxide powder, holmium oxide powder, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Thulium oxide was obtained. In addition, titanium oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. and hafnium oxide powder manufactured by American Elements were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio as shown in Table 7 having a final composition was produced. That is, the final sum of the molar ratios of terbium, cerium, Q element, and R element (that is, the number of moles of the element at the A site) and the number of moles of titanium and hafnium (that is, the number of moles of the element at the B site) ) And the mixed powders weighed so as to have an equimolar molar ratio. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high-temperature muffle furnace to obtain 8 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that any of the fired raw materials was an oxide raw material having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure.
Various raw materials thus obtained were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が95%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
続いて、得られた各セラミックス焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理した。次いでそれらを、反射材を介して6×6の36素子からなるシンチレータ材に加工後、サンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
その後、実施例1、2、3と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光波長域及び最大発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表8に示す。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 95% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.
Subsequently, each ceramic sintered body obtained was cut, ground, and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm. Next, they were processed into a scintillator material consisting of 36 elements of 6 × 6 via a reflective material, and the optical end faces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when measurement wavelength λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 in the same manner as in Examples 1, 2, and 3, and the radiation detector 10 of FIG. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, in the same manner as in Example 1, the emission wavelength region, maximum emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were obtained.
Table 8 summarizes the series of evaluation results described above.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が76%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、X線で励起した場合にSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができる波長帯に最強の発光ピーク波長があり、更にまた光出力も従来材料と比べて遜色がない。その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が6ms以下と非常に短い。また、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は10ns以下となる。それ以外の特記事項としては、ユーロピウム、プラセオジムをそれぞれわずかに加えたことにより、波長590、615、630、640nmのうちのいずれか2つ乃至は3つに特に強い発光ピークをもつ発光が確認された(波長ロック効果)。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、比較例4−1、4−2の組成では、ディスプロシウム、ホルミウム、ツリウムという若干吸収のある元素を複数同時に混合したことでトータル吸収量が累積し、光出力が低下している。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore type complex oxides of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 76% or more. The light emission as the scintillator material has the strongest emission peak wavelength in the wavelength band in which photoelectric conversion can be performed without problems with the Si photodiode when excited with X-rays without wasteful scattering loss inside the material, Furthermore, the light output is not inferior to conventional materials. In addition, the decay time when the afterglow output is 5% due to X-ray irradiation is as short as 6 ms or less. In addition, the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 10 ns or less. As other special notes, emission with particularly strong emission peaks at any two or three of the wavelengths 590, 615, 630, and 640 nm was confirmed by adding europium and praseodymium slightly. (Wavelength lock effect). As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
In the compositions of Comparative Examples 4-1 and 4-2, the total absorption amount is accumulated and the light output is reduced by simultaneously mixing a plurality of slightly absorbing elements such as dysprosium, holmium, and thulium.

[実施例5、比較例5]
上記式(1)において、p=2、q=2(即ち、p/q=1.0)であって、Bサイト位置の元素としてシリコン、ゲルマニウム、ジルコニウム、ハフニウムよりなる群から選択した例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ユーロピウム粉末、酸化プラセオジム粉末、酸化ルテチウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ガドリニウム粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製のシリカ粉末、酸化ゲルマニウム粉末、並びに第一稀元素化学工業(株)製酸化ジルコニウム粉末、及びAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表9のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、ユーロピウム又はプラセオジム、及びルテチウム、イットリウム又はガドリニウムのモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、シリコン及びジルコニウムないしはハフニウム、又はゲルマニウム及びジルコニウムないしはハフニウムのモル比率の合計、あるいはシリコン、ゲルマニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが、等量モル比率となるよう秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて8種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、実施例についてはすべて結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料と確認できた。また、パイロクロア型ではあったものの、結晶系が斜方晶になっていた原料が比較例5−1と5−2の群であった。
こうして得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 5, Comparative Example 5]
In the above formula (1), p = 2, q = 2 (that is, p / q = 1.0), and the element at the B site position is selected from the group consisting of silicon, germanium, zirconium, and hafnium. explain.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, europium oxide powder, praseodymium oxide powder, lutetium oxide powder, yttrium oxide powder, and gadolinium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, silica powder, germanium oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., zirconium oxide powder manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industry Co., Ltd., and hafnium oxide powder manufactured by American Elements were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio with a final composition as shown in Table 9 was produced. That is, the sum of the final molar ratios of terbium, cerium, europium or praseodymium and lutetium, yttrium or gadolinium (ie, the number of moles of the element at the A site) and silicon and zirconium or hafnium, or germanium and zirconium or hafnium. The mixed powders weighed so that the sum of the molar ratios or the number of moles of silicon and germanium (that is, the number of moles of the element at the B site) were the same molar ratio were prepared. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high-temperature muffle furnace to obtain 8 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, all examples were confirmed to be oxide raw materials having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure. Moreover, although it was a pyrochlore type, the raw materials in which the crystal system was orthorhombic were the groups of Comparative Examples 5-1 and 5-2.
Various raw materials thus obtained were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が95%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
続いて、得られた各セラミックス焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理した。次いでそれらを、反射材を介して6×6の36素子からなるシンチレータ材に加工後、サンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
その後、実施例1〜4と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光波長域及び最大発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表10に示す。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 95% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.
Subsequently, each ceramic sintered body obtained was cut, ground, and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm. Next, they were processed into a scintillator material consisting of 36 elements of 6 × 6 via a reflective material, and the optical end faces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when measurement wavelength λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.
Then, each scintillator plate 11 was arrange | positioned on the light receiving element 13 similarly to Examples 1-4, and the radiation detector 10 of FIG. 1 was produced. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, in the same manner as in Example 1, the emission wavelength region, maximum emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were obtained.
The series of evaluation results described above are summarized in Table 10.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が78%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合にSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができる波長帯に最強の発光ピーク波長があり、更にまた光出力も従来材料と比べて2倍以上となる。その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が7ms以下と非常に短い。また、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は20ns以下である。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、比較例5−1及び5−2の組成では、結晶系が斜方晶のため透過率が低下し、これにより光出力が低下してしまった。
From the above results, scintillator materials mainly composed of pyrochlore type complex oxides consisting of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 78% or more. As a scintillator material, there is a strongest emission peak wavelength in the wavelength band where light emitted without scintillation loss inside it can be performed without problems with Si photodiodes when excited by X-rays. Furthermore, the light output is more than twice that of the conventional material. In addition, the decay time when the afterglow output is 5% due to X-ray irradiation is as short as 7 ms or less. Further, the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 20 ns or less. As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
In the compositions of Comparative Examples 5-1 and 5-2, the crystal system was orthorhombic, so that the transmittance was lowered, thereby reducing the light output.

[実施例6、比較例6]
上記式(1)において、Q元素としてユーロピウム又はプラセオジムを選択し、R元素としてルテチウム、イットリウム又はランタンを選択し、Bサイト位置の元素としてハフニウム、シリコン、ゲルマニウム及びジルコニウムよりなる群から選択した上で、pとqの比率(p/q)を変化させた例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ユーロピウム粉末、酸化プラセオジム粉末、酸化ルテチウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ランタン粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製のシリカ粉末、酸化ゲルマニウム粉末、並びに第一稀元素化学工業(株)製酸化ジルコニウム粉末、及びAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表11のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、ユーロピウム又はプラセオジム、及びRサイト位置の元素のモル数の合計p(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、シリコン及びハフニウム、ゲルマニウム及びハフニウム、シリコン及びジルコニウム、又はゲルマニウム及びジルコニウムのモル数の合計、あるいはハフニウム又はシリコンのモル数q(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが、p/q=1.00、0.80、又は0.33となるよう秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。なお、p/qの数値は組成のモル比に基づき小数点以下3位で四捨五入している。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて11種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料と確認できたものが全実施例(実施例6−1〜6−8)の群であった。また、パイロクロア型立方晶の他にフローライト型正方晶が混在していた原料が比較例6−1、6−2の群であった。更に、パイロクロア型ではあったものの、結晶系が斜方晶になっていた原料が比較例6−3であった。
こうして得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 6, Comparative Example 6]
In the above formula (1), europium or praseodymium is selected as the Q element, lutetium, yttrium or lanthanum is selected as the R element, and the element at the B site is selected from the group consisting of hafnium, silicon, germanium and zirconium. An example in which the ratio of p to q (p / q) is changed will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, europium oxide powder, praseodymium oxide powder, lutetium oxide powder, yttrium oxide powder, and lanthanum oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, silica powder, germanium oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., zirconium oxide powder manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industry Co., Ltd., and hafnium oxide powder manufactured by American Elements were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio having a final composition as shown in Table 11 was produced. That is, the final total p of terbium, cerium, europium or praseodymium, and the number of moles of the element at the R site (that is, the number of moles of the element at the A site), silicon and hafnium, germanium and hafnium, silicon and zirconium Or the total number of moles of germanium and zirconium, or the number of moles of hafnium or silicon q (that is, the number of moles of the element at the B site) is p / q = 1.00, 0.80, or 0.33 Each of the mixed powders weighed so that In addition, the numerical value of p / q is rounded off to two decimal places based on the molar ratio of the composition. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put into an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high-temperature muffle furnace to obtain 11 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, a group of all Examples (Examples 6-1 to 6-8) was confirmed as an oxide raw material having a pyrochlore type cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure. It was. Moreover, the raw material in which the fluorite type tetragonal crystal was mixed in addition to the pyrochlore type cubic crystal was the group of Comparative Examples 6-1 and 6-2. Furthermore, although it was a pyrochlore type, the raw material in which the crystal system was orthorhombic was Comparative Example 6-3.
Various raw materials thus obtained were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が95%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
続いて、得られた各セラミックス焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理した。次いでそれらを、反射材を介して6×6の36素子からなるシンチレータ材に加工後、サンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
その後、実施例1〜5と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光波長域及び最大発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表12に示す。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 95% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.
Subsequently, each ceramic sintered body obtained was cut, ground, and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm. Next, they were processed into a scintillator material consisting of 36 elements of 6 × 6 via a reflective material, and the optical end faces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when measurement wavelength λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.
Then, each scintillator plate 11 was arrange | positioned on the light receiving element 13 similarly to Examples 1-5, and the radiation detector 10 of FIG. 1 was produced. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, in the same manner as in Example 1, the emission wavelength region, maximum emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were obtained.
The series of evaluation results described above are summarized in Table 12.

Figure 2016164208
Figure 2016164208

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が77%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合にSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができる波長帯に最強の発光ピーク波長があり、更に光出力も従来材料と比べて2倍以上となる。その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が7ms以下と非常に短い。また、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は20ns以下である。また、ユーロピウムを共添加した場合には、X線で励起した場合の強い発光ピークが波長590、615、630nmにロックされ、プラセオジムを共添加した場合には、これが615、640nmにロックされる波長ロック効果も確認された。より詳細に比較すると、Aサイト位置の元素及びBサイト位置の元素が同じ組成群同士では、p/qを1.00から0.80に低下させると光出力が顕著に増大している。実施例6−1、6−2はp/qが1.00、即ち化学量論組成のパイロクロア型酸化物組成となっているところ、実施例6−2、6−4ではこの化学量論組成からqが増え、pが減る方向に組成比をずらすことで、化学量論組成のシンチレータ材料よりも大きな光出力が得られる。ただし、比較例6−1、6−2に示すように、p/qを小さくしすぎると、即ちqを減らしすぎたり、pを増やしすぎたりすると、光出力の大幅低下と減衰時間の増加が生じてしまう。比較例6−3では結晶系が斜方晶のため透過率が低下し、これにより光出力が低下している。
本発明によれば、テルビウムを含有し、セリウム及びユーロピウムとの共活性型、及び/又はセリウム及びプラセオジムとの共活性型で、ガーネット相とは別の立方晶希土類酸化物を主成分とし、更に化学量論組成からAサイト位置の元素とBサイト位置の元素との組成比(モル比)をわずかにずらしたシンチレータ材料とすることにより、X線及び/又はガンマ線の励起によってSiフォトダイオードで光電変換可能な波長領域に発光ピーク波長を有するシンチレーション光を発し、かつ該シンチレーション光の透過率が高く、更に減衰時間も短くしつつ化学量論組成のシンチレータ材料よりも大きな光出力が得られ、製造温度が1800℃以下で可能なため製造コストも抑えられた新規のシンチレータ材料を提供できる。
以上のように、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore type complex oxides of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 77% or more. As a scintillator material, there is a strongest emission peak wavelength in the wavelength band where light emitted without scintillation loss inside it can be performed without problems with Si photodiodes when excited by X-rays. Furthermore, the light output is more than twice that of the conventional material. In addition, the decay time when the afterglow output is 5% due to X-ray irradiation is as short as 7 ms or less. Further, the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 20 ns or less. When europium is co-added, the strong emission peak when excited by X-rays is locked at wavelengths of 590, 615, and 630 nm, and when praseodymium is co-added, the wavelength is locked at 615 and 640 nm. The locking effect was also confirmed. Comparing in more detail, in the composition group in which the element at the A site and the element at the B site are the same, the light output is remarkably increased when the p / q is decreased from 1.00 to 0.80. In Examples 6-1 and 6-2, p / q is 1.00, that is, a pyrochlore oxide composition having a stoichiometric composition. In Examples 6-2 and 6-4, this stoichiometric composition is used. By shifting the composition ratio in the direction in which q increases and p decreases, a light output greater than that of a scintillator material having a stoichiometric composition can be obtained. However, as shown in Comparative Examples 6-1 and 6-2, if p / q is too small, that is, if q is excessively decreased or p is excessively increased, the light output is significantly decreased and the decay time is increased. It will occur. In Comparative Example 6-3, since the crystal system is orthorhombic, the transmittance is reduced, thereby reducing the light output.
According to the present invention, it contains terbium, a co-active type with cerium and europium, and / or a co-active type with cerium and praseodymium, and a cubic rare earth oxide different from the garnet phase as a main component, By using a scintillator material in which the composition ratio (molar ratio) of the element at the A site and the element at the B site is slightly shifted from the stoichiometric composition, photoelectric conversion is performed with the Si photodiode by excitation of X-rays and / or gamma rays. Produces scintillation light having an emission peak wavelength in a convertible wavelength range, and has a high light output than a scintillator material having a stoichiometric composition while having a high transmittance of the scintillation light and further shortening the decay time. A novel scintillator material with reduced manufacturing cost can be provided because the temperature is 1800 ° C. or lower.
As described above, when the scintillator material of the present invention is used for a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be accelerated, so that the operability and safety of a low exposure dose are reduced in a short time. It is possible to finish the radiation inspection apparatus excellent in.

以上、本発明を実施形態をもって説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。   The present invention has been described with the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and other embodiments, additions, modifications, deletions, and the like can be conceived by those skilled in the art. As long as the effects of the present invention are exhibited in any aspect, the present invention is included in the scope of the present invention.

10 放射線検出器
11 シンチレータプレート
12 反射材
13 受光素子
14 容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Radiation detector 11 Scintillator plate 12 Reflector 13 Light receiving element 14 Container

Claims (6)

下記式(1)で表される複合酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式(1)で表される複合酸化物の単結晶からなることを特徴とするシンチレータ材料。
(Tbx1-x-yCeyzpqr (1)
(式中、0<x<1、0.00001≦y≦0.015、0.000002≦z≦0.02、x≧2y、x+y+z≦1、1.76≦p≦2.00、0.80≦p/q≦1.0、rは電気的中性を保つための正の数、Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素(ただし、ホルミウム、ツリウム、ディスプロシウムよりなる群から2つ以上を選択しない)、Qはユーロピウム及び/又はプラセオジム、Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)である。)
A scintillator material comprising a translucent ceramic containing a complex oxide represented by the following formula (1) as a main component or a single crystal of a complex oxide represented by the following formula (1).
(Tb x R 1-xy Ce y Q z ) p B q Or (1)
(Where 0 <x <1, 0.00001 ≦ y ≦ 0.015, 0.000002 ≦ z ≦ 0.02, x ≧ 2y, x + y + z ≦ 1, 1.76 ≦ p ≦ 2.00, 0. 80 ≦ p / q ≦ 1.0, r is a positive number for maintaining electrical neutrality, R is at least one selected from the group consisting of yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, dysprosium Two rare earth elements (but not two or more selected from the group consisting of holmium, thulium, dysprosium), Q is europium and / or praseodymium, B is a group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, zirconium At least one selected element (except for silicon and germanium, which is not the only element))
X線及び/又はガンマ線で励起した場合に、540〜650nmの波長範囲に発光ピークを有する光を発する請求項1記載のシンチレータ材料。   The scintillator material according to claim 1, which emits light having an emission peak in a wavelength range of 540 to 650 nm when excited by X-rays and / or gamma rays. 厚み1mmでの波長633nmの光の透過率が70%以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のシンチレータ材料。   The scintillator material according to claim 1 or 2, wherein the transmittance of light having a wavelength of 633 nm at a thickness of 1 mm is 70% or more. パイロクロア格子を有する立方晶を主相とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のシンチレータ材料。   The scintillator material according to any one of claims 1 to 3, wherein the main phase is a cubic crystal having a pyrochlore lattice. 請求項1〜4のいずれか1項記載のシンチレータ材料を搭載したことを特徴とする放射線検出器。   A radiation detector comprising the scintillator material according to claim 1. 請求項5記載の放射線検出器を搭載した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 5.
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