JP2021098820A - Ceramic composition for scintillator, scintillator, and radiation detector - Google Patents

Ceramic composition for scintillator, scintillator, and radiation detector Download PDF

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健之 柳田
Takeyuki Yanagida
健之 柳田
範明 河口
Noriaki Kawaguchi
範明 河口
泰輝 小川
Yasuteru Ogawa
泰輝 小川
文耶 中村
Fumiya Nakamura
文耶 中村
康武 早川
Yasutake Hayakawa
康武 早川
大平 晃也
Akinari Ohira
晃也 大平
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Abstract

To provide a novel material that can be used suitably as a scintillator material.SOLUTION: A ceramic composition for a scintillator is represented by a general formula A14-xSi2O7 N2:xA2, where A1 and A2 are different from each other; A1 represents at least one kind selected from a group consisting of Y, La, Gd, Tb and Lu; A2 represents Ce or Tb; and x satisfies 0.001<x<1.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、シンチレータ用セラミックス組成物、シンチレータ及びそれを備える放射線検出装置に関するものである。 The present invention relates to a ceramic composition for a scintillator, a scintillator, and a radiation detection device including the scintillator.

シンチレータは、放射線の照射によって励起されることにより蛍光(例えば可視光)を発する材料からなる。シンチレータは、放射線検出装置の検出素子として用いられている。放射線検出素子としてのシンチレータは、検出感度を高めるうえで、粉末状の形態を有しているよりも、一定のサイズを有する成形体(バルク体)であることが望まれる。 The scintillator is made of a material that emits fluorescence (for example, visible light) when excited by irradiation with radiation. The scintillator is used as a detection element of a radiation detection device. The scintillator as a radiation detecting element is desired to be a molded body (bulk body) having a certain size rather than having a powdery form in order to increase the detection sensitivity.

バルク体のシンチレータとしては、CsI:Tl、CdWO、NaI:Tl、BiGe12等からなる単結晶シンチレータが従来公知である。また、特許第4959877号(特許文献1)には、プラセオジムを含有する酸硫化ガドリニウム蛍光体の焼結体からなるセラミックスシンチレータが記載されている。しかしながら、これら既存のシンチレータは、機械的特性が十分でないものが多く、良好な機械的特性を備えたシンチレータの豊富化が望まれている。さらに、特開2018-178070号公報(特許文献2)には、良好な機械的特性を備えたシンチレータとして、希土類添加Siが挙げられているが、それらは実効原子番号が小さく、X線やγ線の吸収効率が十分ではない場合がある。 As a bulk scintillator, a single crystal scintillator composed of CsI: Tl, CdWO 4 , NaI: Tl, Bi 4 Ge 3 O 12, and the like is conventionally known. Further, Patent No. 4959877 (Patent Document 1) describes a ceramic scintillator made of a sintered body of a gadolinium acid sulfide phosphor containing praseodymium. However, many of these existing scintillators do not have sufficient mechanical properties, and it is desired to enrich scintillators having good mechanical properties. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-178070 (Patent Document 2) lists rare earth-added Si 3 N 4 as scintillators having good mechanical properties, but they have a small effective atomic number and X. The absorption efficiency of rays and γ-rays may not be sufficient.

特許第4959877号Patent No. 4959877 特開2018-178070号公報JP-A-2018-178070

本発明の目的は、シンチレータ用材料として好適に用いることができる新規材料を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記シンチレータ用材料から形成されるシンチレータおよびこれを含む放射線検出装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a novel material that can be suitably used as a material for a scintillator.
Another object of the present invention is to provide a scintillator formed from the above scintillator material and a radiation detection device including the scintillator.

本発明は、以下に示すシンチレータ用セラミックス組成物、シンチレータおよび放射線検出装置を提供する。
[1] 下記一般式(1):
4-xSi:xA (1)
[式中、
およびAは互いに異なり、
は、Y、La、Gd、TbおよびLuからなる群から選択される少なくとも1種を表し、
は、CeまたはTbを表す。
xは、0.001<x<1を満たす。]
で表される、シンチレータ用セラミックス組成物。
[2] [1]に記載のシンチレータ用セラミックス組成物の焼結体を含むシンチレータ。
[3] 前記シンチレータ用セラミックス組成物を含む成形体の焼結物である、[2]に記載のシンチレータ。
[4] [2]または[3]に記載のシンチレータと、前記シンチレータから出射される光を検出するための光検出器とを含む、放射線検出装置。
The present invention provides the following ceramic compositions for scintillators, scintillators and radiation detectors.
[1] The following general formula (1):
A 1 4-x Si 2 O 7 N 2 : xA 2 (1)
[During the ceremony,
A 1 and A 2 are different from each other
A 1 represents at least one selected from the group consisting of Y, La, Gd, Tb and Lu.
A 2 represents Ce or Tb.
x satisfies 0.001 <x <1. ]
Ceramic composition for scintillator represented by.
[2] A scintillator containing a sintered body of the ceramic composition for a scintillator according to [1].
[3] The scintillator according to [2], which is a sintered body of a molded product containing the ceramic composition for a scintillator.
[4] A radiation detection device including the scintillator according to [2] or [3] and a photodetector for detecting light emitted from the scintillator.

シンチレータ用材料として好適に用いることができる新規材料を提供することができる。また、上記シンチレータ用材料から形成されるシンチレータおよびこれを含む放射線検出装置を提供することができる。本発明のシンチレータは高い機械的特性を有しながら、希土類添加Siと比較して実効原子番号が大きく、X線やγ線をより効率良く吸収できる。 It is possible to provide a new material that can be suitably used as a material for a scintillator. Further, it is possible to provide a scintillator formed from the above scintillator material and a radiation detection device including the scintillator. Although the scintillator of the present invention has high mechanical properties, it has a large effective atomic number as compared with the rare earth-added Si 3 N 4, and can absorb X-rays and γ-rays more efficiently.

実験例31のシンチレータにX線を照射したときの発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum when the scintillator of Experimental Example 31 is irradiated with X-rays. 実験例59のシンチレータにX線を照射したときの発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum when the scintillator of Experimental Example 59 was irradiated with X-rays.

本明細書において、下記の用語の意味は下記のとおりである。
「セラミックス」とは、無機化合物の焼結物、または無機化合物の成形体の焼結物をいう。
「シンチレータ用材料」とは、シンチレータの形成に用いられる材料をいう。
「シンチレータ」とは、放射線の照射によって励起されることにより蛍光(例えば可視光)を発する物質(材料)で構成される部材、部品または素子等のバルク体をいう。
「放射線」とは、X線、ガンマ線、アルファ線、ベータ線、中性子線等をいう。
「焼結性」とは、より低い焼結温度でも緻密な焼結体ができやすい性質、または同じ焼結温度でもより緻密な焼結体ができやすい性質をいう。
「シンチレータ性能」とは、シンチレータとしての性能を意味し、例えば、シンチレータに放射線を照射したときに、より高い発光強度で蛍光を発することができる性質をいう。
In the present specification, the meanings of the following terms are as follows.
"Ceramics" refers to a sintered product of an inorganic compound or a sintered product of a molded product of an inorganic compound.
"Material for scintillator" means a material used for forming a scintillator.
The "scintillator" refers to a bulk body such as a member, a component, or an element composed of a substance (material) that emits fluorescence (for example, visible light) when excited by irradiation with radiation.
"Radiation" refers to X-rays, gamma rays, alpha rays, beta rays, neutron rays and the like.
The “sinterability” refers to a property that a dense sintered body is easily formed even at a lower sintering temperature, or a property that a denser sintered body is easily formed even at the same sintering temperature.
"Scintillator performance" means the performance as a scintillator, and refers to, for example, the property of being able to emit fluorescence with a higher emission intensity when the scintillator is irradiated with radiation.

<シンチレータ用セラミックス組成物>
本発明に係るシンチレータ用セラミックス組成物はシンチレータ用材料であり、下記一般式(1):
4-xSi:xA (1)
[式中、
およびAは互いに異なり、
は、Y、La、Gd、TbおよびLuからなる群から選択される少なくとも1種を表し、
は、CeまたはTbを表す。
xは、0.001<x<1を満たす。]
で表される。Aは、付活剤としての役割を担う。該組成物から形成されるシンチレータは、放射線照射によりCe3+イオンの5d−4f電子軌道遷移に伴う蛍光またはTb3+イオンの4f−4f電子軌道遷移に伴う蛍光を発することができる。
<Ceramics composition for scintillators>
The ceramic composition for a scintillator according to the present invention is a material for a scintillator, and has the following general formula (1):
A 1 4-x Si 2 O 7 N 2 : xA 2 (1)
[During the ceremony,
A 1 and A 2 are different from each other
A 1 represents at least one selected from the group consisting of Y, La, Gd, Tb and Lu.
A 2 represents Ce or Tb.
x satisfies 0.001 <x <1. ]
It is represented by. A 2 plays a role as an activator. The scintillator formed from the composition can emit fluorescence associated with the 5d-4f electron orbit transition of Ce 3+ ions or fluorescence associated with the 4f-4f electron orbit transition of Tb 3+ ions by irradiation.

、SiおよびA元素はそれぞれ、最終的な組成がA 4-xSi:xAになるように、酸化物、窒化物および/または金属として、シンチレータ用セラミックス組成物に含有させることができる。 Ceramic compositions for scintillators as oxides, nitrides and / or metals so that the final composition of the A 1 , Si and A 2 elements is A 1 4-x Si 2 O 7 N 2 : xA 2, respectively. It can be contained in a product.

シンチレータ用セラミックス組成物は、A、SiおよびA元素以外の他の成分を含むことができる。他の成分としては、生産プロセス上、意図せずに含有されてしまう不可避不純物や、意図的に添加する添加剤等が挙げられる。不可避不純物や添加剤は、炭素(C)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)等の不純物元素を含むものであってもよい。
シンチレータ性能の観点から、シンチレータ用セラミックス組成物における不純物元素の含有量は、A 4-xSi:xAの合計量100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましい。
シンチレータ用セラミックス組成物に上記不純物元素が含有されることによって、焼結性等の性能が向上することがある。ただし、上記不純物元素を過剰に含有させると、シンチレータ性能が低下しやすい。したがって、不純物元素の含有量は、A 4-xSi:xAの合計量100質量部に対して、より好ましくは10質量部以下であり、さらに好ましくは5質量部以下である。
Ceramic compositions for scintillators can contain components other than the A 1 , Si and A 2 elements. Examples of other components include unavoidable impurities that are unintentionally contained in the production process, additives that are intentionally added, and the like. The unavoidable impurities and additives may contain impurity elements such as carbon (C), aluminum (Al), and magnesium (Mg).
From the viewpoint of scintillator performance, the content of impurity elements in the scintillator ceramic composition shall be 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total amount of A 14 -x Si 2 O 7 N 2 : xA 2. Is preferable.
By containing the above-mentioned impurity element in the ceramic composition for scintillator, performance such as sinterability may be improved. However, if the above impurity elements are excessively contained, the scintillator performance tends to deteriorate. Therefore, the content of the impurity element is more preferably 10 parts by mass or less, still more preferably 5 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the total amount of A 14 -x Si 2 O 7 N 2 : xA 2. Is.

上記添加剤としては、焼結性を向上させるための焼結助剤が挙げられる。シンチレータ用セラミックス組成物は、1種または2種以上の焼結助剤を含むことができる。焼結助剤としては、Al、MgO等の公知の焼結助剤が挙げられる。
但し、シンチレータ用セラミックス組成物がランタノイド化合物(例えばランタノイド酸化物)を含む場合には、焼結助剤をさらに含有させなくても良好な焼結性が得られる傾向にある。
Examples of the additive include a sintering aid for improving the sinterability. The ceramic composition for scintillators can contain one or more sintering aids. Examples of the sintering aid include known sintering aids such as Al 2 O 3 and Mg O.
However, when the ceramic composition for scintillator contains a lanthanoid compound (for example, a lanthanoid oxide), good sinterability tends to be obtained without further containing a sintering aid.

<シンチレータ>
本発明に係るシンチレータは、上記シンチレータ用セラミックス組成物の焼結体であり、好ましくは上記シンチレータ用セラミックス組成物を含む成形体の焼結物(焼結バルク体)である。
<Scintillator>
The scintillator according to the present invention is a sintered body of the ceramic composition for a scintillator, and preferably a sintered body (sintered bulk body) of a molded product containing the ceramic composition for a scintillator.

本発明に係るシンチレータは、上記式(1)で表されるシンチレータ用セラミックス組成物から形成されているので、良好なシンチレータ性能を示すことができる。 Since the scintillator according to the present invention is formed from the ceramic composition for a scintillator represented by the above formula (1), good scintillator performance can be exhibited.

上記式(1)においてAがCeである場合、シンチレータにおいて、xは、通常0.0001〜1であり、シンチレータ性能を高める観点から好ましくは0.001〜0.1である。上記式(1)においてAがTbである場合、シンチレータにおいて、xは、通常0.0001〜1であり、シンチレータ性能を高める観点から好ましくは0.001〜0.5である。 When A 2 is Ce in the above formula (1), x is usually 0.0001 to 1 in the scintillator, and is preferably 0.001 to 0.1 from the viewpoint of enhancing the scintillator performance. When A 2 is Tb in the above formula (1), x is usually 0.0001 to 1 in the scintillator, and is preferably 0.001 to 0.5 from the viewpoint of enhancing the scintillator performance.

<シンチレータの製造方法>
シンチレータは、例えば、次の工程を含む方法によって製造することができる。
シンチレータ用セラミックス組成物を用意する工程(第1工程)、
シンチレータ用セラミックス組成物を成形して成形体を得る工程(第2工程)、および
成形体を焼結する工程(第3工程)。
<Manufacturing method of scintillator>
The scintillator can be manufactured, for example, by a method including the following steps.
Step of preparing ceramic composition for scintillator (first step),
A step of molding a ceramic composition for a scintillator to obtain a molded product (second step), and a step of sintering the molded product (third step).

(1)第1工程
シンチレータ用セラミックス組成物は、一般式(1)で表される組成物であり、A、SiおよびA元素の供給源として、最終的な組成がA 4-xSi:xAになるように、それぞれの酸化物、窒化物および/または金属とを混合することによって調製することができる。A、SiおよびA元素の供給源は、それぞれ粉末体であってよい。
(1) First Step scintillating ceramic composition is a composition represented by the general formula (1), as a source of A 1, Si and A 2 elements, the final composition A 1 4-x It can be prepared by mixing each oxide, nitride and / or metal so as to be Si 2 O 7 N 2 : xA 2. The sources of the A 1 , Si and A 2 elements may be powders, respectively.

シンチレータ用セラミックス組成物の焼結性を高めるために、原料粉末(A、Si、Aおよび/または焼結助剤等の添加剤)の粒径や粒子形状を調整してもよい。調整方法としては、粉砕や造粒等が挙げられる。粉砕方法や造粒方法は任意の方法であってよい。 In order to improve the sinterability of the scintillator ceramic composition, the particle size and particle shape of the raw material powder (additives such as A 1 , Si, A 2 and / or a sintering aid) may be adjusted. Examples of the adjusting method include crushing and granulation. The pulverization method and the granulation method may be any method.

(2)第2工程
本工程は、必要に応じて設けられる任意の工程であるが、シンチレータ用セラミックス組成物の高密度化によりその焼結性を向上させることができることから、シンチレータ用セラミックス組成物を成形する本工程を設けることが好ましい。
(2) Second Step This step is an arbitrary step provided as needed, but since the sinterability of the scintillator ceramic composition can be improved by increasing the density of the scintillator ceramic composition, the scintillator ceramic composition can be improved. It is preferable to provide this step of molding.

成形体は、例えば、機械プレス、水圧プレス、油圧プレス、冷間等方圧プレス(CIP)等によりシンチレータ用セラミックス組成物をプレス成形(加圧成形)することによって得ることができる。成形方法はプレス成形に限定されるものではなく、射出成形やテープ成形等の一般的なセラミックスの成形法を用いてもよい。 The molded product can be obtained by press-molding (press-molding) the ceramic composition for a scintillator by, for example, a mechanical press, a hydraulic press, a hydraulic press, a cold isotropic press (CIP), or the like. The molding method is not limited to press molding, and a general ceramic molding method such as injection molding or tape molding may be used.

プレス成形におけるプレス条件は特に限定されないが、金型を用いた機械プレス成形の場合、例えば、約150〜200kgf/cmの条件で行うことができる。冷間等方圧プレス(CIP)の場合、例えば、1000〜2000kgf/cmの条件で行うことができる。 The press conditions in the press molding are not particularly limited, but in the case of mechanical press molding using a die, for example, the conditions can be about 150 to 200 kgf / cm 2. In the case of a cold isotropic press (CIP), for example, it can be performed under the condition of 1000 to 2000 kgf / cm 2.

(3)第3工程
本工程は、シンチレータ用セラミックス組成物の成形体を焼結する工程である。焼結方法は、常圧焼結、ガス圧焼結、ホットプレス焼結、熱間静水圧加圧焼結、パルス通電加圧焼結等の任意のセラミックス焼結方法であってよい。
(3) Third Step This step is a step of sintering a molded product of a ceramic composition for a scintillator. The sintering method may be any ceramic sintering method such as normal pressure sintering, gas pressure sintering, hot press sintering, hot hydrostatic pressure pressure sintering, and pulse energization pressure sintering.

ガス圧焼結の条件は、成形体の組成および使用する焼結装置に応じて適切に設定されることが好ましい。ガス圧焼結の条件は、例えば、50〜300MPaの窒素雰囲気中、焼結温度1700〜1800℃、焼結時間0.5〜2時間である。 The conditions for gas pressure sintering are preferably set appropriately according to the composition of the molded product and the sintering apparatus used. The conditions for gas pressure sintering are, for example, a sintering temperature of 1700 to 1800 ° C. and a sintering time of 0.5 to 2 hours in a nitrogen atmosphere of 50 to 300 MPa.

常圧焼結の条件は、成形体の組成および使用する焼結装置に応じて適切に設定されることが好ましい。常圧焼結の条件は、例えば、0.2〜5MPa(例えば0.8MPa)の窒素雰囲気中、焼結温度1700〜1800℃、焼結時間1〜10時間(例えば約6時間)である。 The conditions for atmospheric pressure sintering are preferably set appropriately according to the composition of the molded product and the sintering apparatus used. The conditions for atmospheric sintering are, for example, a sintering temperature of 1700 to 1800 ° C. and a sintering time of 1 to 10 hours (for example, about 6 hours) in a nitrogen atmosphere of 0.2 to 5 MPa (for example, 0.8 MPa).

焼結工程によって得られた焼結体(バルク体のシンチレータ)に対して加工処理を施してもよい。加工処理としては、切断処理や、研磨処理等の形状調整処理が挙げられる。 The sintered body (bulk scintillator) obtained by the sintering step may be processed. Examples of the processing process include a cutting process and a shape adjusting process such as a polishing process.

上述のように、本発明に係るシンチレータ用セラミックス組成物によれば、該組成物がランタノイド化合物(例えばランタノイド酸化物)を含む場合、焼結助剤をさらに含有させなくても良好な焼結性が得られる傾向にある。ランタノイド化合物が焼結助剤と同様の機能を果たしていると推定される。
焼結助剤をさらに含有させる必要のないことは、シンチレータ性能を高めるうえで有利である。シンチレータ性能は、発光中心元素以外の不純物を添加すると低下することがあるためである。
As described above, according to the ceramic composition for scintillators according to the present invention, when the composition contains a lanthanoid compound (for example, a lanthanoid oxide), good sinterability without further addition of a sintering aid is required. Tends to be obtained. It is presumed that the lanthanoid compound functions in the same manner as the sintering aid.
The fact that it is not necessary to further contain the sintering aid is advantageous in improving the scintillator performance. This is because the scintillator performance may be deteriorated when impurities other than the luminescent center element are added.

以上の方法によれば、バルク体であるシンチレータを効率良く製造することができる。
これに対して、単結晶シンチレータが従来公知であるが、単結晶の生成には時間を要するため製造効率に劣り、またシンチレータの形状自由度に劣る。
セラミックスシンチレータとしては、酸化物、酸硫化物、ハロゲン化物が知られている。しかし、酸化物、酸硫化物は還元雰囲気では酸素欠陥を生じやすく、ハロゲン化物は潮解性が高いものが多い等、それぞれ固有の問題を有している。
酸硫化物である特許文献1に記載のセラミックスシンチレータは、陰イオンとして酸素および硫黄、付活剤としてPrおよびCeを含有するところ、これらの複数の元素を所定の濃度で再現性良く含有させることが容易でないという製造上の課題がある。
According to the above method, a bulk scintillator can be efficiently manufactured.
On the other hand, although a single crystal scintillator is conventionally known, the production efficiency is inferior because it takes time to generate a single crystal, and the shape freedom of the scintillator is inferior.
Oxides, acid sulfides, and halides are known as ceramic scintillators. However, oxides and acid sulfides are prone to oxygen defects in a reducing atmosphere, and many halides have unique problems such as high deliquescent properties.
The ceramic scintillator described in Patent Document 1, which is an acid sulfide, contains oxygen and sulfur as anions and Pr and Ce as activators, and these plurality of elements are contained at a predetermined concentration with good reproducibility. There is a manufacturing problem that it is not easy.

<放射線検出装置>
本発明に係るシンチレータは、放射線検出装置に好適に適用することができる。
放射線検出装置は、本発明に係るシンチレータと、このシンチレータから出射される光を検出するための光検出器とを含むものであることができる。
光検出器としては、光電子増倍管、半導体受光素子等が挙げられる。中でも、製造コストの観点から、光検出器は、シリコン受光素子であることが好ましい。
<Radiation detector>
The scintillator according to the present invention can be suitably applied to a radiation detection device.
The radiation detection device can include a scintillator according to the present invention and a photodetector for detecting light emitted from the scintillator.
Examples of the photodetector include a photomultiplier tube and a semiconductor light receiving element. Above all, from the viewpoint of manufacturing cost, the photodetector is preferably a silicon light receiving element.

シンチレータを備える放射線検出装置の用途は多岐にわたる。該用途の例は、空港での手荷物検査や医療用画像診断等である。光検出器として位置敏感型の受光素子を用いれば、放射線透過像の撮像装置としても使用することができる。 Radiation detectors equipped with scintillators have a wide range of uses. Examples of such applications are baggage inspection at airports, medical diagnostic imaging and the like. If a position-sensitive light receiving element is used as a photodetector, it can also be used as an image pickup device for a radiation transmission image.

以下、実験例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples, but the present invention is not limited to these examples.

<実験例1〜35>
(1)シンチレータ用セラミックス組成物の調製
原料粉末として、デンカ株式会社製のSi(商品名:SN−9FWS)、株式会社高純度化学研究所製のSiO(純度99.9質量%)、株式会社高純度化学研究所製の各種A酸化物(Y、La、Gd、Tb、Lu、いずれも純度99.9質量%)、及び株式会社高純度化学研究所製のCeO(純度99.9質量%)を用意した。
<Experimental Examples 1-35>
(1) Preparation of ceramic composition for scintillator As raw material powder, Si 3 N 4 (trade name: SN-9FWS) manufactured by Denka Co., Ltd. and SiO 2 (purity 99.9% by mass) manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. ), Various A 1 oxides (Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Lu 2 O 3 ) manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., all having a purity of 99.9% by mass. ) And CeO 2 (purity 99.9% by mass) manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. were prepared.

Si、SiO、CeO粉末と上記A酸化物粉末のいずれかとを、最終的な組成がA 4-xSi:xCe(x=0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1)になるように、混合した後、粒径10mmの窒化ケイ素ボールを原料粉末と同じ体積になるように加え、さらにエタノールを全体で原料粉末の約1.5倍の体積となるように加え、ボールミルにより60時間混合した。得られたスラリーをエバポレータで乾燥後、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。その後、目開き425μmのふるいを通して分級することによって、シンチレータ用セラミックス組成物を得た。 The final composition of Si 3 N 4 , SiO 2 , CeO 2 powder and any of the above A 1 oxide powders is A 1 4-x Si 2 O 7 N 2 : xCe (x = 0.001, 0. After mixing so as to be 005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1), silicon nitride balls having a particle size of 10 mm are added so as to have the same volume as the raw material powder, and further ethanol is added. Was added so as to have a volume about 1.5 times that of the raw material powder as a whole, and mixed by a ball mill for 60 hours. The obtained slurry was dried by an evaporator and then pulverized using a mortar and a pestle. Then, the ceramic composition for a scintillator was obtained by classifying through a sieve having an opening of 425 μm.

(2)シンチレータ(焼結体)の作製
シンチレータ用セラミックス組成物を、200kgf/cmの条件でプレス成形して、円柱形状(直径10mm×高さ4mm)の成形体を得た。
得られた成形体を、窒素雰囲気中、0.9MPa、1725℃、4時間の条件で常圧焼結して、円柱形状のシンチレータ(焼結体)を得た。
得られた焼結体は、シンチレータ性能を評価するのに十分な機械的強度を有していた。
(2) Preparation of Scintillator (Sintered Body) The ceramic composition for scintillator was press-molded under the condition of 200 kgf / cm 2 to obtain a molded body having a cylindrical shape (diameter 10 mm × height 4 mm).
The obtained molded product was sintered under normal pressure under the conditions of 0.9 MPa, 1725 ° C., and 4 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a cylindrical scintillator (sintered product).
The obtained sintered body had sufficient mechanical strength to evaluate the scintillator performance.

(3)シンチレータの評価
上で得られたシンチレータについて、シンチレータ性能を評価した。シンチレータ性能は、シンチレータへのX線照射によって生じる蛍光の発光強度を測定することによって評価した。具体的には次のとおりである。
(3) Evaluation of scintillator The scintillator performance of the scintillator obtained above was evaluated. The scintillator performance was evaluated by measuring the emission intensity of fluorescence generated by irradiating the scintillator with X-rays. Specifically, it is as follows.

放射線源としてX線発生器(Spellman社製、Monoblock XRB80P & N200X4550)を用い、管電圧を80kV、管電流を1.2mAとし、X線をシンチレータに60秒間照射した。
シンチレータからの発光を、X線を照射した面とは反対側の面から、光ファイバー(三菱電線社製、材質STU)により伝搬させ、分光器(ANDOR社製、SR163i−UV)、シリコン受光素子からなるCCD(ANDOR社製、DU920P−BU2NC型)を用いて波長分解して受光することによって、測定波長範囲を200〜700nm、波長ステップを0.5nmとする発光スペクトルを測定した。
得られた発光スペクトルから、測定時間1秒あたりのカウント値(単位:counts per second、cps)を200〜700nmの範囲で積算し、これを発光強度とした。実験例1〜35のシンチレータの発光強度を表1に示す。
An X-ray generator (Monoblock XRB80P & N200X4550 manufactured by Spellman) was used as a radiation source, the tube voltage was 80 kV, the tube current was 1.2 mA, and the scintillator was irradiated with X-rays for 60 seconds.
The light emitted from the scintillator is propagated by an optical fiber (manufactured by Mitsubishi Electric Wire Co., Ltd., material STU) from the surface opposite to the surface irradiated with X-rays, and from a spectroscope (manufactured by ANDOR Co., Ltd., SR163i-UV) and a silicon light receiving element. The emission spectrum was measured with a measurement wavelength range of 200 to 700 nm and a wavelength step of 0.5 nm by wavelength-resolving and receiving light using a CCD (DU920P-BU2NC type manufactured by ANDOR).
From the obtained emission spectrum, a count value (unit: counts per second, cps) per second of measurement time was integrated in the range of 200 to 700 nm, and this was taken as the emission intensity. Table 1 shows the emission intensities of the scintillators of Experimental Examples 1 to 35.

上記と同じ測定条件で、シンチレータを設置せずにスペクトルを測定し、約200〜700nmの波長範囲で波長ごとのカウント値を積算した。この測定を合計10回行い、10個の積算値の平均値を計算したところ、約10cpsであった。そのため、10cpsをバックグラウンドレベルとし、このバックグラウンドレベルに対して十分に高い発光強度が得られているかどうかによって、シンチレータ性能を評価した。 Under the same measurement conditions as above, the spectrum was measured without installing a scintillator, and the count values for each wavelength were integrated in the wavelength range of about 200 to 700 nm. When this measurement was performed 10 times in total and the average value of the 10 integrated values was calculated, it was about 10 cps. Therefore, 10 cps was set as the background level, and the scintillator performance was evaluated based on whether or not a sufficiently high emission intensity was obtained with respect to this background level.

Figure 2021098820
Figure 2021098820

表1より、実験例1〜35のシンチレータはいずれも、バックグランドレベル(10cps)よりも有意に高い発光強度を示すことがわかる。 From Table 1, it can be seen that all the scintillators of Experimental Examples 1 to 35 show significantly higher emission intensity than the background level (10 cps).

図1は、実験例31のシンチレータにX線を照射したときの発光スペクトルを示す図である。図1より、実験例31のシンチレータは、X線照射により、ピーク波長約505nmで発光していることがわかる。 FIG. 1 is a diagram showing an emission spectrum when the scintillator of Experimental Example 31 is irradiated with X-rays. From FIG. 1, it can be seen that the scintillator of Experimental Example 31 emits light at a peak wavelength of about 505 nm by X-ray irradiation.

<実験例36〜39>
4-xSi:xCeの100質量部に対して、5質量部(実験例36)、10質量部(実験例37)、20質量部(実験例38)又は25質量部(実験例39)のAl(焼結助剤)をさらに添加したこと以外は実験例31と同様にしてシンチレータ用セラミックス組成物を調製し、これを用いること以外は実験例31と同様にして、円柱形状のシンチレータ(焼結体)を得た。
<Experimental Examples 36-39>
5 parts by mass (Experimental Example 36), 10 parts by mass (Experimental Example 37), 20 parts by mass (Experimental Example 38) or 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of A 1 4-x Si 2 O 7 N 2: xCe. A ceramic composition for a scintillator was prepared in the same manner as in Experimental Example 31 except that Al 2 O 3 (sintering aid) of Part (Experimental Example 39) was further added, and the same as in Experimental Example 31 except that this was used. Similarly, a cylindrical scintillator (sintered body) was obtained.

実験例36〜39のシンチレータについて、上記と同様にして、X線を照射したときの発光強度を測定した。結果を表2に示す。 For the scintillators of Experimental Examples 36 to 39, the emission intensity when irradiated with X-rays was measured in the same manner as above. The results are shown in Table 2.

Figure 2021098820
Figure 2021098820

表2より、発光強度の値はそれぞれ、401000、380201、358506、332565cpsであり、大幅なシンチレーション強度の減少は見られなかった。 From Table 2, the emission intensity values were 401000, 380201, 358506, and 332565 cps, respectively, and no significant decrease in scintillation intensity was observed.

<実験例40〜67>
(1)シンチレータ用セラミックス組成物の調製
原料粉末として、デンカ株式会社製のSi(商品名:SN−9FWS)、株式会社高純度化学社製のSiO(純度99.9質量%)、株式会社高純度化学研究所製の各種A酸化物(Y、La、Gd、Lu、いずれも純度99.9質量%)、及び株式会社高純度化学研究所製のTb(純度99.9質量%)を用意した。
<Experimental Examples 40-67>
(1) Preparation of ceramic composition for scintillator As raw material powder, Si 3 N 4 (trade name: SN-9FWS) manufactured by Denka Co., Ltd. and SiO 2 (purity 99.9% by mass) manufactured by High Purity Chemical Co., Ltd. , Various A 1 oxides manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. (Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Lu 2 O 3 , all with a purity of 99.9% by mass), and Taka Co., Ltd. Tb 4 O 7 (purity 99.9% by mass) manufactured by Purity Chemistry Laboratory was prepared.

Si、SiO、Tb粉末と上記A酸化物粉末のいずれかとを、最終的な組成がA 4-xSi:xTb(x=0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1)になるように、混合した後、粒径10mmの窒化ケイ素ボールを原料粉末と同じ体積になるように加え、さらにエタノールを全体で原料粉末の約1.5倍の体積となるように加え、ボールミルにより60時間混合した。得られたスラリーをエバポレータで乾燥後、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。その後、目開き425μmのふるいを通して分級することによって、シンチレータ用セラミックス組成物を得た。 The final composition of Si 3 N 4 , SiO 2 , Tb 4 O 7 powder and any of the above A 1 oxide powders is A 1 4-x Si 2 O 7 N 2 : xTb (x = 0.001, After mixing so as to be 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1), silicon nitride balls having a particle size of 10 mm were added so as to have the same volume as the raw material powder. Further, ethanol was added so as to have a volume about 1.5 times that of the raw material powder as a whole, and the mixture was mixed by a ball mill for 60 hours. The obtained slurry was dried by an evaporator and then pulverized using a mortar and a pestle. Then, the ceramic composition for a scintillator was obtained by classifying through a sieve having an opening of 425 μm.

(2)シンチレータ(焼結体)の作製
上述の実験例1〜35におけるシンチレータ(焼結体)の作製手順と同様にして実験例40〜67のシンチレータ(焼結体)を作製した。得られた焼結体は、シンチレータ性能を評価するのに十分な機械的強度を有していた。
(2) Preparation of Scintillator (Sintered Body) Scintillators (sintered body) of Experimental Examples 40 to 67 were produced in the same manner as in the procedure for producing the scintillator (sintered body) in Experimental Examples 1 to 35 described above. The obtained sintered body had sufficient mechanical strength to evaluate the scintillator performance.

(3)シンチレータの評価
上述の実験例1〜35におけるシンチレータの評価と同様にして実験例40〜67のシンチレータについて評価を行った。結果を表3に示す。
(3) Evaluation of scintillators The scintillators of Experimental Examples 40 to 67 were evaluated in the same manner as the evaluation of the scintillators in Experimental Examples 1 to 35 described above. The results are shown in Table 3.

Figure 2021098820
Figure 2021098820

表3より、実験例40〜67のシンチレータはいずれも、バックグランドレベル(10cps)よりも有意に高い発光強度を示すことがわかる。 From Table 3, it can be seen that all the scintillators of Experimental Examples 40 to 67 show significantly higher emission intensity than the background level (10 cps).

図2は、実験例59のシンチレータにX線を照射したときの発光スペクトルを示す図である。図2より、実験例59のシンチレータは、X線照射により、ピーク波長約535nmで発光していることがわかる。 FIG. 2 is a diagram showing an emission spectrum when the scintillator of Experimental Example 59 is irradiated with X-rays. From FIG. 2, it can be seen that the scintillator of Experimental Example 59 emits light at a peak wavelength of about 535 nm by X-ray irradiation.

<実験例68〜71>
4-xSi:xTbの100質量部に対して、5質量部(実験例68)、10質量部(実験例69)、20質量部(実験例70)又は25質量部(実験例71)のAl(焼結助剤)をさらに添加したこと以外は実験例59と同様にしてシンチレータ用セラミックス組成物を調製し、これを用いること以外は実験例59と同様にして、円柱形状のシンチレータ(焼結体)を得た。
<Experimental Examples 68-71>
5 parts by mass (Experimental Example 68), 10 parts by mass (Experimental Example 69), 20 parts by mass (Experimental Example 70) or 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of A 1 4-x Si 2 O 7 N 2: xTb. A ceramic composition for a scintillator was prepared in the same manner as in Experimental Example 59 except that Al 2 O 3 (sintering aid) of Part (Experimental Example 71) was further added, and the same as Experimental Example 59 except that this was used. Similarly, a cylindrical scintillator (sintered body) was obtained.

実験例68〜71のシンチレータについて、上記と同様にして、X線を照射したときの発光強度を測定した。結果を表4に示す。 For the scintillators of Experimental Examples 68 to 71, the emission intensity when irradiated with X-rays was measured in the same manner as above. The results are shown in Table 4.

Figure 2021098820
Figure 2021098820

表4より、発光強度の値はそれぞれ、15623、13561、11026、8562cpsであり、大幅なシンチレーション強度の減少は見られなかった。 From Table 4, the emission intensity values were 15623, 13651, 11026, and 8562 cps, respectively, and no significant decrease in scintillation intensity was observed.

本発明に係るシンチレータは、単結晶シンチレータ等の従来のシンチレータに代わる、良好なシンチレータ性能及び良好な生産性を有し得る新たなシンチレータとして期待される。本発明に係るシンチレータは、放射線検出装置に搭載するシンチレータとして好適である。 The scintillator according to the present invention is expected as a new scintillator capable of having good scintillator performance and good productivity in place of the conventional scintillator such as a single crystal scintillator. The scintillator according to the present invention is suitable as a scintillator mounted on a radiation detection device.

Claims (4)

下記一般式(1):
4-xSi:xA (1)
[式中、
およびAは互いに異なり、
は、Y、La、Gd、TbおよびLuからなる群から選択される少なくとも1種を表し、
は、CeまたはTbを表す。
xは、0.001<x<1を満たす。]
で表される、シンチレータ用セラミックス組成物。
The following general formula (1):
A 1 4-x Si 2 O 7 N 2 : xA 2 (1)
[During the ceremony,
A 1 and A 2 are different from each other
A 1 represents at least one selected from the group consisting of Y, La, Gd, Tb and Lu.
A 2 represents Ce or Tb.
x satisfies 0.001 <x <1. ]
Ceramic composition for scintillator represented by.
請求項1に記載のシンチレータ用セラミックス組成物の焼結体を含むシンチレータ。 A scintillator containing a sintered body of the ceramic composition for a scintillator according to claim 1. 前記シンチレータ用セラミックス組成物を含む成形体の焼結物である、請求項2に記載のシンチレータ。 The scintillator according to claim 2, which is a sintered product of a molded product containing the ceramic composition for a scintillator. 請求項2または3に記載のシンチレータと、前記シンチレータから出射される光を検出するための光検出器とを含む、放射線検出装置。 A radiation detection apparatus comprising the scintillator according to claim 2 or 3 and a photodetector for detecting light emitted from the scintillator.
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