JP2021130593A - Method for growing single crystal ingot, and single crystal sample - Google Patents

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Abstract

To provide a method for growing a new single crystal ingot in order to grow a single crystal including an inclusion reduced as compared with conventional one, having a high light emission amount and having a size practically necessary as radiation detection applications.SOLUTION: A method for growing a single crystal ingot having a composition represented by (A1-xBx)2Si2O7 (A is at least one kind selected from a group consisting of Y, La and Gd, B is at least one kind selected from a group consisting of rare earth elements except Y, La and Gd, and x satisfies 0.005<x<0.30.) comprises: a melting step of obtaining a melt in the state of melting a single crystal raw material in a crucible on the basis of a fusion method; and a cooling and solidification step of growing a crystal along a predetermined crystal plane orientation of a seed crystal by dipping at least a part of the seed crystal in the melt and cooling and solidifying the melt having the dipped seed crystal to obtain a single crystal ingot. The fusion method is the rotating Czochralski method, and a pulling speed is less than 0.3 mm/h.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は、X線、γ線等の放射線を検出するために用いられる単結晶インゴットの育成方法、及び当該育成方法により得られる単結晶試料に関する。 The present invention relates to a method for growing a single crystal ingot used for detecting radiation such as X-rays and γ-rays, and a single crystal sample obtained by the growing method.

GdSi系の単結晶(以下、「GPS単結晶」と称する場合がある。)を放射線検出用途に用いると、GdSiO系の単結晶(以下、「GSO単結晶」と称する場合がある。)と比較して、遙かに優れた発光量、温度特性を示すことが知られている(例えば、特許文献1)。 When a Gd 2 Si 2 O 7 series single crystal (hereinafter, may be referred to as “GPS single crystal”) is used for radiation detection, it is referred to as a Gd 2 SiO 5 series single crystal (hereinafter, “GSO single crystal”). It is known that it exhibits far superior light emission amount and temperature characteristics as compared with (for example, Patent Document 1).

特許第6303146号公報Japanese Patent No. 6303146

しかしながら、このように特性の優れたGPS単結晶でも、放射線検出用の単結晶としてこれまでに報告がなされているのは、透明度の高い単結晶として5mm×5mm×5mm程度のサイズのものである。より大きな単結晶試料を切り出そうとすると、クラック及び気泡等が内包され易くなり、全体として透過率の低い単結晶試料が得られ易くなる傾向がある。 However, even with such a GPS single crystal having excellent characteristics, what has been reported so far as a single crystal for radiation detection is a single crystal having a high transparency having a size of about 5 mm × 5 mm × 5 mm. .. When an attempt is made to cut out a larger single crystal sample, cracks, bubbles, and the like are likely to be included, and a single crystal sample having a low transmittance as a whole tends to be easily obtained.

石油掘削等の現場において、信号強度が小さく、高温環境(150〜250℃程度)にて検出器として使用するには、直径1インチ×長さ2インチ程度の検出素子(単結晶試料)が採取できる単結晶インゴットを育成する技術が必要となるが、このサイズで実用上必要な無色透明な単結晶インゴットが得られたという報告はなされていない。 At sites such as oil drilling, a detection element (single crystal sample) with a diameter of about 1 inch and a length of about 2 inches is collected for use as a detector in a high temperature environment (about 150 to 250 ° C) with low signal strength. A technique for growing a single crystal ingot that can be produced is required, but it has not been reported that a colorless and transparent single crystal ingot that is practically necessary for this size has been obtained.

そこで本発明は、従来に比べて包有物が低減されており、発光量が高く、放射線検出用途として実用上必要な寸法を有する単結晶インゴットを育成するための、新たな単結晶インゴットの育成方法を提供することを目的とする。本発明はまた、当該育成方法により得られる単結晶試料を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, inventing a new single crystal ingot for growing a single crystal ingot having reduced inclusions, a high amount of light emission, and practically necessary dimensions for radiation detection applications. The purpose is to provide a method. Another object of the present invention is to provide a single crystal sample obtained by the growing method.

本発明は、下記一般式(1)で表される組成を有する単結晶インゴットの育成方法を提供する。
(A1−xSi・・・(1)
[式(1)中、AはY、La及びGdからなる群より選択される少なくとも1種であり、BはY、La及びGdを除く希土類元素からなる群より選択される少なくとも1種であり、xは0.005<x<0.30を満たす。]
本発明の育成方法は、溶融法に基づき単結晶の原料をるつぼ内で溶融状態とした溶融液を得る溶融工程と、溶融液に種結晶の少なくとも一部を浸漬し、種結晶を浸漬した溶融液を冷却固化させることにより、種結晶の結晶面に沿って結晶を育成して単結晶インゴットを得る冷却固化工程と、を備え、溶融法が回転式引き上げ法であり、引き上げ速度が0.3mm/h未満である、育成方法である。
The present invention provides a method for growing a single crystal ingot having a composition represented by the following general formula (1).
(A 1-x B x ) 2 Si 2 O 7 ... (1)
[In formula (1), A is at least one selected from the group consisting of Y, La and Gd, and B is at least one selected from the group consisting of rare earth elements excluding Y, La and Gd. , X satisfies 0.005 <x <0.30. ]
The growing method of the present invention includes a melting step of obtaining a molten liquid in which a single crystal raw material is melted in a pot based on a melting method, and melting in which at least a part of a seed crystal is immersed in the molten liquid and the seed crystal is immersed. It is equipped with a cooling and solidification step in which crystals are grown along the crystal plane of the seed crystal to obtain a single crystal ingot by cooling and solidifying the liquid. It is a breeding method that is less than / h.

本発明の育成方法により、従来に比べて包有物が低減されており、発光量とエネルギー分解能が高く、放射線検出用途として必要な寸法を有する単結晶試料を得ることができる。 According to the growing method of the present invention, inclusions are reduced as compared with the conventional one, the amount of light emitted and the energy resolution are high, and a single crystal sample having dimensions required for radiation detection can be obtained.

本発明の育成方法において、上記式(1)中、BがCeであることが好ましく、また、上記式(1)中、AがGdであることが好ましい。これにより、発光量をより高めることができる。 In the growing method of the present invention, B is preferably Ce in the above formula (1), and A is preferably Gd in the above formula (1). Thereby, the amount of light emission can be further increased.

本発明の育成方法において、回転式引き上げ法における種結晶の回転速度が0.5〜9rpmであり、るつぼの回転速度が1〜6rpmであることが好ましい。これにより、発光量とエネルギー分解能をより高めることができる。 In the growing method of the present invention, the rotation speed of the seed crystal in the rotary pulling method is preferably 0.5 to 9 rpm, and the rotation speed of the crucible is preferably 1 to 6 rpm. As a result, the amount of light emitted and the energy resolution can be further increased.

本発明は、下記一般式(1)で表される組成を有し、厚みが12mmのときの、波長600nmの光に対する厚み方向の透過率が75%以上である、単結晶試料を提供する。
(A1−xSi・・・(1)
[式(1)中、AはY、La及びGdからなる群より選択される少なくとも1種であり、BはY、La及びGdを除く希土類元素からなる群より選択される少なくとも1種であり、xは0.005<x<0.30を満たす。]
The present invention provides a single crystal sample having a composition represented by the following general formula (1) and having a thickness direction of 75% or more with respect to light having a wavelength of 600 nm when the thickness is 12 mm.
(A 1-x B x ) 2 Si 2 O 7 ... (1)
[In formula (1), A is at least one selected from the group consisting of Y, La and Gd, and B is at least one selected from the group consisting of rare earth elements excluding Y, La and Gd. , X satisfies 0.005 <x <0.30. ]

本発明の単結晶試料は、従来に比べて包有物が低減されており、発光量とエネルギー分解能が高く、放射線検出用途として必要な寸法を有している。 The single crystal sample of the present invention has reduced inclusions, high emission amount and energy resolution, and has dimensions necessary for radiation detection applications.

本発明によれば、従来に比べて包有物が低減されており、発光量とエネルギー分解能が高く、放射線検出用途として実用上必要な寸法及び形状(例えば、いずれか一辺の長さが12mm以上の直方体や、直径が12mm以上かつ長さが12mm以上の円柱)を有する単結晶試料を得られる単結晶インゴットを育成するための、新たな単結晶インゴットの育成方法を提供することができる。また、本発明によれば、多結晶部分、小さな粒界、クラック等の見られない、無色透明な良質な単結晶試料を提供することができる。そのような単結晶試料はすなわち、従来に比べて包有物が低減されており、発光量とエネルギー分解能が高く、放射線検出用途として実用上必要な寸法を有する単結晶試料であると言える。 According to the present invention, inclusions are reduced as compared with the conventional case, the amount of light emitted and the energy resolution are high, and the dimensions and shape (for example, the length of any one side is 12 mm or more) practically necessary for radiation detection applications. It is possible to provide a new method for growing a single crystal ingot for growing a single crystal ingot capable of obtaining a single crystal sample having a rectangular parallelepiped or a cylinder having a diameter of 12 mm or more and a length of 12 mm or more. Further, according to the present invention, it is possible to provide a colorless and transparent high-quality single crystal sample in which polycrystalline portions, small grain boundaries, cracks and the like are not observed. It can be said that such a single crystal sample is a single crystal sample in which inclusions are reduced as compared with the conventional one, the amount of light emitted and the energy resolution are high, and the dimensions are practically necessary for radiation detection applications.

なお、本発明の単結晶試料は、室温から高温にかけての幅広い温度範囲で優れた検出特性を有している。そのような単結晶試料であれば、従来の放射線検出器では不可能であった、室温から高温環境にかけての高精度の放射線検出を可能とする。 The single crystal sample of the present invention has excellent detection characteristics in a wide temperature range from room temperature to high temperature. With such a single crystal sample, it is possible to detect radiation with high accuracy from room temperature to a high temperature environment, which was not possible with a conventional radiation detector.

図1は、結晶育成装置の基本構成の一例を示す模式断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of the crystal growing apparatus. 図2は、実施例1にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。FIG. 2 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Example 1. 図3は、実施例1にて得られた単結晶のXRD回折パターンを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an XRD diffraction pattern of the single crystal obtained in Example 1. 図4は、実施例1にて得られた単結晶試料の外観写真である。FIG. 4 is an external photograph of the single crystal sample obtained in Example 1. 図5は、単結晶試料のパルス波高スペクトルを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a pulse wave height spectrum of a single crystal sample. 図6は、単結晶試料の透過率曲線を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a transmittance curve of a single crystal sample. 図7は、実施例4にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。FIG. 7 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Example 4. 図8は、実施例5にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。FIG. 8 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Example 5. 図9は、実施例5にて得られた単結晶インゴット内部の包有物及びその分布を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing inclusions inside the single crystal ingot obtained in Example 5 and their distribution. 図10は、比較例1にて得られた単結晶インゴット内部の包有物及びその分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing inclusions inside the single crystal ingot obtained in Comparative Example 1 and their distribution. 図11は、比較例3にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。FIG. 11 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Comparative Example 3. 図12は、引き上げ速度と波長600nmの光に対する平均透過率との関係を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the pulling speed and the average transmittance for light having a wavelength of 600 nm.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as necessary. Unless otherwise specified, the positional relationship such as up, down, left, and right shall be based on the positional relationship shown in the drawings. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the ratios shown.

[単結晶試料]
本発明の好適な実施形態に係る単結晶試料は、下記一般式(1)で表される組成を有する。
(A1−xSi・・・(1)
式(1)中、AはY、La及びGdからなる群より選択される少なくとも1種であり、BはY、La及びGdを除く希土類元素からなる群より選択される少なくとも1種であり、xは0.005<x<0.30を満たす。
[Single crystal sample]
The single crystal sample according to the preferred embodiment of the present invention has a composition represented by the following general formula (1).
(A 1-x B x ) 2 Si 2 O 7 ... (1)
In formula (1), A is at least one selected from the group consisting of Y, La and Gd, and B is at least one selected from the group consisting of rare earth elements excluding Y, La and Gd. x satisfies 0.005 <x <0.30.

ここで、上記式中、高い発光量を得易いという観点から、Aは結晶中で着色しない元素であることが好ましく、Gdであることがより好ましい。同様の観点から、Bは発光効率の高い元素であることが好ましく、Ceであることがより好ましい。なお、無色透明で欠陥の少ない良質な単結晶試料を得易いという観点から、xは、0.005<x<0.30であることが好ましく、0.01<x<0.10であることがより好ましく、0.015<x<0.05であることがさらに好ましく、0.015<x<0.03であることが極めて好ましい。 Here, in the above formula, from the viewpoint that a high amount of light emission can be easily obtained, A is preferably an element that is not colored in the crystal, and more preferably Gd. From the same viewpoint, B is preferably an element having high luminous efficiency, and more preferably Ce. From the viewpoint that it is easy to obtain a high-quality single crystal sample that is colorless and transparent and has few defects, x is preferably 0.005 <x <0.30, and 0.01 <x <0.10. Is more preferable, 0.015 <x <0.05 is further preferable, and 0.015 <x <0.03 is extremely preferable.

このような単結晶試料は、放射線の入射により蛍光を発するため、放射線検出用途、すなわちシンチレータ用途に活用することができる。本実施形態の単結晶試料では、蛍光の強度スペクトルにおいて、最大ピーク波長が430nm周辺に観察される。 Since such a single crystal sample emits fluorescence when exposed to radiation, it can be used for radiation detection applications, that is, for scintillator applications. In the single crystal sample of the present embodiment, the maximum peak wavelength is observed around 430 nm in the fluorescence intensity spectrum.

ここで、「放射線」とは、原子あるいは分子をイオン化させるのに十分なエネルギーをもった粒子線や電磁波(α線、β線、γ線、X線等)を示す。 Here, "radiation" refers to particle rays or electromagnetic waves (α-rays, β-rays, γ-rays, X-rays, etc.) having sufficient energy to ionize atoms or molecules.

本実施形態の単結晶試料は、室温(25℃)〜高温(300℃)において好適な発光特性を有している。特に高温領域における発光特性に優れており、例えば、本実施形態の単結晶に対して662keVのγ線を照射したときの、150℃における発光量を室温における発光量より高くすることができる。同様に、662keVのγ線を照射したときの、200℃における発光量を室温における発光量より高くすることができる。高温領域の発光特性は、単結晶試料の組成を適宜変更することにより調整することができる。このように、本実施形態の単結晶試料は、室温から高温にかけての幅広い温度範囲において好適に用いることができる。 The single crystal sample of the present embodiment has suitable light emission characteristics at room temperature (25 ° C.) to high temperature (300 ° C.). In particular, it is excellent in light emission characteristics in a high temperature region. For example, when the single crystal of the present embodiment is irradiated with 662 keV γ-rays, the light emission amount at 150 ° C. can be made higher than the light emission amount at room temperature. Similarly, the amount of light emitted at 200 ° C. when irradiated with 662 keV γ-rays can be made higher than the amount of light emitted at room temperature. The emission characteristics in the high temperature region can be adjusted by appropriately changing the composition of the single crystal sample. As described above, the single crystal sample of the present embodiment can be suitably used in a wide temperature range from room temperature to high temperature.

本実施形態の単結晶試料は、放射線検出用途としての実用上必要な寸法であっても、極めて優れた透過率を備えている。例えば、単結晶インゴットを、厚みが12mmとなるように切り出したサンプルにおいて、波長600nmの光に対する厚み方向の透過率(25℃)を75%以上とすることができる。同透過率(25℃)は、80%以上であってよい。同透過率の理想的な上限値は結晶の屈折率を考慮すると85%である。単結晶試料の透過率は、例えばU4100 Spectrophotometer(日立ハイテクサイエンス株式会社製)を用いて測定することができる。 The single crystal sample of the present embodiment has extremely excellent transmittance even if the dimensions are practically necessary for radiation detection applications. For example, in a sample obtained by cutting a single crystal ingot so as to have a thickness of 12 mm, the transmittance (25 ° C.) in the thickness direction with respect to light having a wavelength of 600 nm can be 75% or more. The same transmittance (25 ° C.) may be 80% or more. The ideal upper limit of the same transmittance is 85% when the refractive index of the crystal is taken into consideration. The transmittance of a single crystal sample can be measured using, for example, a U4100 Spectrophotometer (manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.).

切り出されたサンプルの寸法及び形状は、例えば放射線検出用途としての実用上必要な寸法及び形状であれば特に制限されない。例えば、いずれか一辺の長さが12mm以上、好ましくは25mm以上である直方体や立方体、直径が12mm以上、好ましくは25mm以上でありかつ長さが12mm以上、好ましくは25mm以上の円柱等が挙げられる。このような寸法及び形状を有するサンプル(単結晶試料)であれば十分な性能を示すが、これ以下の寸法やこれ以外の形状での使用を制限するものではない。 The dimensions and shape of the cut-out sample are not particularly limited as long as they are practically necessary dimensions and shapes for, for example, radiation detection applications. For example, a rectangular parallelepiped or cube having a side length of 12 mm or more, preferably 25 mm or more, a cylinder having a diameter of 12 mm or more, preferably 25 mm or more and a length of 12 mm or more, preferably 25 mm or more can be mentioned. .. A sample having such dimensions and shape (single crystal sample) exhibits sufficient performance, but it does not limit its use in dimensions smaller than this or in other shapes.

透過率に優れる本実施形態の単結晶試料は、例えば直径が12mmであり長さが12mmである円柱状のサンプルとしたとき、662keVのγ線に対するエネルギー分解能を7%以下とすることができる。すなわち、当該サンプルを用いることで、極めて高精度の放射線検出能を実現することが可能である。同エネルギー分解能は、6%以下又は5%以下であってよい。エネルギー分解能は、例えばUniversal Computer Spectrometer UCS30(Spectrum Technique製)を用いて測定することができる。 The single crystal sample of the present embodiment having excellent transmittance can have an energy resolution of 662 keV for γ-rays of 7% or less when, for example, a columnar sample having a diameter of 12 mm and a length of 12 mm is used. That is, by using the sample, it is possible to realize extremely high-precision radiation detection ability. The energy resolution may be 6% or less or 5% or less. The energy resolution can be measured using, for example, the Universal Computer Spectrometer UCS30 (manufactured by Spectrometer Spectrometer).

<単結晶インゴットの育成方法>
本実施形態の単結晶インゴットの育成方法は、上記一般式(1)で表される組成を有する単結晶の育成方法である。当該育成方法は、溶融法に基づき単結晶の原料をるつぼ内で溶融状態とした溶融液を得る溶融工程と、溶融液に種結晶の少なくとも一部を浸漬し、種結晶を浸漬した溶融液を冷却固化させることにより、種結晶の所定の結晶面方位に沿って結晶を育成して単結晶インゴットを得る冷却固化工程と、を少なくとも備える。当該育成方法は、得られた単結晶インゴットを所望の形状及び大きさに切り出す切断工程をさらに有してよい。
<How to grow a single crystal ingot>
The method for growing a single crystal ingot of the present embodiment is a method for growing a single crystal having a composition represented by the above general formula (1). The growing method includes a melting step of obtaining a molten liquid in which a single crystal raw material is melted in a pot based on the melting method, and a molten liquid in which at least a part of the seed crystal is immersed in the molten liquid and the seed crystal is immersed. At least a cooling solidification step of growing a crystal along a predetermined crystal plane orientation of the seed crystal to obtain a single crystal ingot by cooling and solidifying is provided. The growing method may further include a cutting step of cutting the obtained single crystal ingot into a desired shape and size.

(溶融工程)
結晶性のよい単結晶インゴットをより確実に得る観点から、溶融工程における溶融法はチョクラルスキー法、TSSG法(Top Seeded Solution Growth Method)等の回転式引き上げ法である。具体的には、図1に示されるような構成を有する引き上げ装置10を用いて溶融工程及び冷却固化工程における作業を行うことが好ましい。
(Melting process)
From the viewpoint of more reliably obtaining a single crystal ingot having good crystallinity, the melting method in the melting step is a rotary pulling method such as the Czochralski method and the TSSG method (Top Seeded Solution Growth Method). Specifically, it is preferable to perform the work in the melting step and the cooling solidification step by using the pulling device 10 having the structure shown in FIG.

図1は、結晶製造装置の基本構成の一例を示す模式断面図である。図1に示す引き上げ装置10は、耐火物製の炉本体14と、炉本体14上に設けられる中心に穴の開いた耐火物製の蓋13を備えている。この炉本体14は、先に述べた溶融工程及び冷却固化工程における作業を連続的に行うためのものである。また、耐火物製の蓋13は育成する単結晶インゴットのクラックを防止するために、単結晶インゴット周囲の温度勾配を調整するために使用する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a crystal manufacturing apparatus. The lifting device 10 shown in FIG. 1 includes a refractory furnace body 14 and a refractory lid 13 provided on the refractory body 14 with a hole in the center. The furnace body 14 is for continuously performing the operations in the melting step and the cooling solidification step described above. Further, the refractory lid 13 is used to adjust the temperature gradient around the single crystal ingot in order to prevent cracks in the growing single crystal ingot.

この炉本体14は耐火性を有する、側壁が筒状の有底容器である。有底容器の形状自体は公知の回転式引き上げ法に基づく結晶製造に使用されるものと同様である。この炉本体14の底部の外側面には高周波誘導コイル15が巻回されている。そして、炉本体14の内部の底面上には、るつぼ17(例えば、Ir(イリジウム)製のるつぼ)が配置されている。このるつぼ17は、高周波誘導加熱ヒーターを兼ねている。るつぼ17中に、単結晶インゴットの原料を投入し、高周波誘導コイル15に高周波電流を流すと、発生する誘導電流によりるつぼ17が加熱され、単結晶インゴットの原料が溶融状態となった溶融液18がるつぼ17内に得られる。 The furnace body 14 is a bottomed container having a cylindrical side wall and having fire resistance. The shape of the bottomed container itself is similar to that used for crystal production based on the known rotary pulling method. A high frequency induction coil 15 is wound around the outer surface of the bottom of the furnace body 14. A crucible 17 (for example, a crucible made of Ir (iridium)) is arranged on the bottom surface inside the furnace body 14. The crucible 17 also serves as a high-frequency induction heater. When the raw material of the single crystal ingot is put into the crucible 17 and a high frequency current is passed through the high frequency induction coil 15, the crucible 17 is heated by the generated induction current, and the melt 18 in which the raw material of the single crystal ingot is in a molten state. Obtained in the crucible 17.

炉本体14の底部中央には貫通孔(図示せず)が設けられており、この孔に外部からるつぼ支持棒16が挿入されている。このるつぼ支持棒16を回転させることにより、炉本体14中において、るつぼ17を回転させることができる。引き上げ装置10は気密性の容器(図示せず)により大気から隔離され、育成雰囲気は大気より保護される。 A through hole (not shown) is provided in the center of the bottom of the furnace body 14, and a crucible support rod 16 is inserted into this hole from the outside. By rotating the crucible support rod 16, the crucible 17 can be rotated in the furnace body 14. The pulling device 10 is isolated from the atmosphere by an airtight container (not shown), and the growing atmosphere is protected from the atmosphere.

次に、引き上げ装置10を用いたより具体的な製造方法について説明する。なお、後述する工程において、単結晶インゴット育成時のるつぼの回転速度、引き上げ棒の回転速度、引き上げ速さ、育成雰囲気、炉本体の構造等を変更することで、得られる単結晶の透過率等の特性を調整することが可能である。 Next, a more specific manufacturing method using the pulling device 10 will be described. In the process described later, the transmittance of the single crystal obtained by changing the rotation speed of the crucible at the time of growing the single crystal ingot, the rotation speed of the pulling rod, the pulling speed, the growing atmosphere, the structure of the furnace body, etc. It is possible to adjust the characteristics of.

溶融工程では、るつぼ17中に、単結晶インゴットの各原料を所望の結晶組成が得られるように投入し、高周波誘導コイル15に高周波電流を流すことによりるつぼ17を加熱し、単結晶インゴットの構成材料からなる溶融液18を得る。単結晶インゴットの各原料としては、上記一般式(1)で表される組成を有する単結晶インゴットが得られるものであれば特に限定されず、例えば、単結晶インゴットを構成するY、La、Gd、Ce等の希土類元素の単独酸化物、Siの単独酸化物などを用いることができる。なお、結晶組成に準じた原料組成にて単結晶インゴットを育成しようとすると、初晶にアパタイト型化合物が析出する場合があるため、溶融組成を変えて晶析実験を繰り返し、育成原料組成を決定することが好ましい。 In the melting step, each raw material of the single crystal ingot is put into the crucible 17 so as to obtain a desired crystal composition, and the crucible 17 is heated by passing a high frequency current through the high frequency induction coil 15 to form the single crystal ingot. A melt 18 made of the material is obtained. The raw materials of the single crystal ingot are not particularly limited as long as the single crystal ingot having the composition represented by the above general formula (1) can be obtained, and for example, Y, La, and Gd constituting the single crystal ingot are not particularly limited. , Ce and other rare earth element single oxides, Si single oxides and the like can be used. If an attempt is made to grow a single crystal ingot with a raw material composition similar to the crystal composition, an apatite-type compound may precipitate in the primary crystal. Therefore, the melt composition is changed and the crystallization experiment is repeated to determine the raw material composition for growing. It is preferable to do so.

(冷却固化工程)
次に、冷却固化工程において溶融液を冷却固化させることにより、単結晶インゴット1を得る。冷却固化工程は、後述する育成工程と、冷却工程の2つの工程に分けて作業が進行する。
(Cooling and solidification process)
Next, the single crystal ingot 1 is obtained by cooling and solidifying the melt in the cooling and solidifying step. The cooling and solidifying step is divided into two steps, a growing step and a cooling step, which will be described later, and the work proceeds.

育成工程では、炉本体14の上部から、種結晶2を下部先端に固定した引き上げ棒12を溶融液18中に浸漬する。次いで、引き上げ棒12を引き上げながら、単結晶インゴット1を育成する。このとき、育成工程では、高周波誘導コイル15の高周波出力を調節し、溶融液18から引き上げられる単結晶インゴット1を、その断面が所定の直径となるまで育成する。なお、所望の単結晶インゴットをより確実に得る観点から、単結晶インゴット1の核となる種結晶2は、上記一般式(1)で示されるような単結晶(例えばGPS単結晶等)であることが好ましい。 In the growing step, a pulling rod 12 having the seed crystal 2 fixed to the lower tip is immersed in the melt 18 from the upper part of the furnace body 14. Next, the single crystal ingot 1 is grown while pulling up the pulling rod 12. At this time, in the growing step, the high frequency output of the high frequency induction coil 15 is adjusted, and the single crystal ingot 1 pulled up from the molten liquid 18 is grown until its cross section has a predetermined diameter. From the viewpoint of more reliably obtaining a desired single crystal ingot, the seed crystal 2 that is the core of the single crystal ingot 1 is a single crystal (for example, GPS single crystal or the like) as represented by the above general formula (1). Is preferable.

育成工程では、るつぼ支持棒16によりるつぼ17を所定速度(例えば、1〜6rpm)で回転させながら、引き上げ棒12により種結晶2をるつぼ17の回転方向とは逆方向に回転させながら引き上げる。両者を逆方向に回転させることにより、結晶析出界面近傍の熱、原子の流れがスムーズになり、結晶内の欠陥が減少する効果がある。種結晶の回転速度は、単結晶インゴットの組成や引き上げ速度(育成速度)に応じて適宜調整することができるが、より優れた単結晶インゴットを得る観点から、0.5〜9rpmであることが好ましく、2〜6rpmであることがより好ましい。一方、引き上げ速度は、従来に比べて包有物が低減されており、発光量とエネルギー分解能が高く、放射線検出用途として必要な寸法を有する単結晶試料を得る観点から、0.3mm/h未満であり、好ましくは0.25mm/h以下、0.2mm/h以下、0.15mm/h以下、又は0.1mm/h以下であってよい。引き上げ速度の下限は特に限定されないが、コスト及び育成効率の観点から0.01mm/h又は0.05mm/hとすることができる。 In the growing step, the crucible support rod 16 rotates the crucible 17 at a predetermined speed (for example, 1 to 6 rpm), and the pulling rod 12 pulls up the seed crystal 2 while rotating it in the direction opposite to the rotation direction of the crucible 17. By rotating both in opposite directions, the heat and atom flow near the crystal precipitation interface becomes smooth, and there is an effect of reducing defects in the crystal. The rotation speed of the seed crystal can be appropriately adjusted according to the composition of the single crystal ingot and the pulling speed (growth speed), but from the viewpoint of obtaining a better single crystal ingot, it may be 0.5 to 9 rpm. It is preferably 2 to 6 rpm, more preferably 2 to 6 rpm. On the other hand, the pulling speed is less than 0.3 mm / h from the viewpoint of obtaining a single crystal sample having reduced inclusions, high light emission amount and energy resolution, and dimensions required for radiation detection applications. It is preferably 0.25 mm / h or less, 0.2 mm / h or less, 0.15 mm / h or less, or 0.1 mm / h or less. The lower limit of the pulling speed is not particularly limited, but may be 0.01 mm / h or 0.05 mm / h from the viewpoint of cost and growing efficiency.

種結晶の結晶面は、成長させたい結晶方位に応じて適宜選択することができる。当該結晶面は、例えば、<100>、<010>、<001>方位を有することができる。また、本実施形態の育成方法は、単結晶をほぼ任意の方位に育成することができる。したがって、種結晶の結晶面は、上記の<100>、<010>、<001>等の方位から所定角度(例えば10〜20度)傾斜した方位を有していてもよい。 The crystal plane of the seed crystal can be appropriately selected according to the crystal orientation to be grown. The crystal plane can have, for example, <100>, <010>, <001> orientations. In addition, the growing method of the present embodiment can grow a single crystal in almost any direction. Therefore, the crystal plane of the seed crystal may have an orientation inclined by a predetermined angle (for example, 10 to 20 degrees) from the orientations such as <100>, <010>, and <001> described above.

次に、冷却工程では高周波誘導コイル15の高周波出力を調節し、育成工程後に得られる育成後の単結晶インゴットを冷却する。冷却工程が完了した後、単結晶インゴットを引き上げ装置10から取り出す。 Next, in the cooling step, the high frequency output of the high frequency induction coil 15 is adjusted to cool the grown single crystal ingot obtained after the growing step. After the cooling step is completed, the single crystal ingot is taken out from the pulling device 10.

(切断工程)
切断工程において、単結晶インゴットから所望の寸法及び形状を有する単結晶試料を切り出す。切り出されたサンプルの寸法及び形状は、上記のとおり例えば放射線検出用途としての実用上必要な寸法及び形状を有することができる。
(Cutting process)
In the cutting step, a single crystal sample having a desired size and shape is cut out from the single crystal ingot. As described above, the dimensions and shape of the cut-out sample can have the dimensions and shape practically necessary for, for example, radiation detection applications.

<放射線検出器>
放射線検出器は、このように切り出された単結晶試料と、当該単結晶試料からの発光を検出する光検出装置とを備えている。光検出装置としては、例えばフォトマルH7195(浜松ホトニクス株式会社製)が挙げられる。このような検出器は、本実施形態の単結晶試料を備えていることにより、放射線検出能に優れている。
<Radiation detector>
The radiation detector includes a single crystal sample cut out in this way and a light detection device for detecting light emission from the single crystal sample. Examples of the photodetector include Photomultiplier H7195 (manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.). Such a detector is excellent in radiation detection ability because it includes the single crystal sample of the present embodiment.

<放射線検出器の使用方法>
本実施形態の単結晶試料は、室温から高温にかけて幅広い温度範囲で優れた発光特性を有する。したがって、例えば従来十分な検出精度を得ることができなかった温度領域(例えば150℃以上、200℃以上、又は300℃以上の環境)において、本実施形態の単結晶試料を備える放射線検出器を好適に使用することができる。
<How to use the radiation detector>
The single crystal sample of the present embodiment has excellent luminescence characteristics in a wide temperature range from room temperature to high temperature. Therefore, for example, a radiation detector provided with the single crystal sample of the present embodiment is suitable in a temperature range (for example, an environment of 150 ° C. or higher, 200 ° C. or higher, or 300 ° C. or higher) in which sufficient detection accuracy has not been obtained in the past. Can be used for.

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

[実施例1]:GPS:Ce2.5% 0.1mm/h−<001>の作製と評価
下記一般式(1)において、A=Gd、B=Ce、及びx=0.025の組成、すなわち(Gd0.975Ce0.025Siの組成を有する単結晶試料を得ることを目標に、以下の方法により単結晶インゴットを作製した。
(A1−xSi・・・(1)
[Example 1]: Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.1 mm / h- <001> In the following general formula (1), the composition of A = Gd, B = Ce, and x = 0.025, That is, a single crystal ingot was prepared by the following method with the goal of obtaining a single crystal sample having a composition of (Gd 0.975 Ce 0.025 ) 2 Si 2 O 7.
(A 1-x B x ) 2 Si 2 O 7 ... (1)

具体的には、酸化ガドリニウム(Gd、純度4N)、酸化ケイ素(SiO2、純度5N)、及び酸化セリウム(CeO、純度4N)の原料粉末を1000度程度で加熱し、その後の重量減少量から、試薬中における有効成分の真の値を計測し、その値を以て補正し、上記化学式になるように原料を秤量した。上記化合物は分解溶融化合物であり、結晶組成の原料を溶融して上記化合物を育成すると初晶にアパタイト型化合物が析出したため、溶融組成を変えて何回かの晶析実験を行い、育成原料組成を決定した。育成原料組成としては0.32(Gd0.975Ce0.025・0.68Siを選択した。 Specifically, the raw material powders of gadolinium oxide (Gd 2 O 3 , purity 4N), silicon oxide (SiO 2, purity 5N), and cerium oxide (CeO 2 , purity 4N) are heated at about 1000 degrees, and then. From the amount of weight loss, the true value of the active ingredient in the reagent was measured, corrected by that value, and the raw materials were weighed so as to have the above chemical formula. The above compound is a decomposition melt compound, and when the raw material having a crystal composition is melted to grow the above compound, an apatite type compound is precipitated in the primary crystal. It was determined. The growth material composition was selected 0.32 (Gd 0.975 Ce 0.025) 2 O 3 · 0.68Si 2 O 2.

結晶育成には図1に示す結晶育成装置を用いた。上記のとおり秤量した原料を混合機で混合し、成型して1600℃で12時間反応後、育成原料とした。高周波チョクラルスキー炉内に設置したIrるつぼに育成原料を充填し、高周波誘導コイルに高周波電圧を印加して育成原料を融解した。必要に応じて同様の手順を繰り返し、約4400gの育成原料をIrるつぼに充填した。この時の融液の体積はるつぼ体積の75%程度であった。 The crystal growth apparatus shown in FIG. 1 was used for crystal growth. The raw materials weighed as described above were mixed with a mixer, molded, reacted at 1600 ° C. for 12 hours, and then used as a growing raw material. The Ir pot installed in the high-frequency Czochralski furnace was filled with the growing material, and a high-frequency voltage was applied to the high-frequency induction coil to melt the growing material. The same procedure was repeated as needed, and about 4400 g of the growing material was filled in the Ir crucible. The volume of the melt at this time was about 75% of the volume of the crucible.

種結晶として、別途引き上げ法で作製したGPS:Ce2.5%の単結晶から<001>方位に切り出したものを準備した。るつぼ中の融液温度を調整して、種結晶を融液に浸漬し、高周波電力を制御することにより温度を調整しながら、種結晶を回転させつつ引き上げた。種結晶の回転速度(回転数)は3rpmとし、るつぼを3rpmで反対方向に回転させた。また、引き上げ速度は0.1mm/hとした。窒素雰囲気中で単結晶インゴットの育成を行った。 As a seed crystal, a single crystal of GPS: Ce 2.5%, which was separately prepared by a pulling method, was cut out in the <001> direction and prepared. The temperature of the melt in the crucible was adjusted, the seed crystal was immersed in the melt, and the seed crystal was pulled up while rotating while adjusting the temperature by controlling the high frequency power. The rotation speed (rotation speed) of the seed crystal was 3 rpm, and the crucible was rotated at 3 rpm in the opposite direction. The pulling speed was 0.1 mm / h. Single crystal ingots were grown in a nitrogen atmosphere.

図2は、実施例1にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。得られた単結晶インゴットは、従来課題であったクラック及び白濁のない微黄色透明な良質な結晶であり、寸法は直径が約35mm、長さが約40mmの円柱状であった。 FIG. 2 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Example 1. The obtained single crystal ingot was a high-quality crystal that was slightly yellow and transparent without cracks and white turbidity, which had been a problem in the past, and had a columnar size of about 35 mm in diameter and about 40 mm in length.

[結晶組成の決定]
前述したようにこの結晶は分解溶融する。そのため、溶融原料組成と晶析した結晶の組成は異なる。得られた結晶の一部をICP分析したところ、結晶組成は(Gd0.983Ce0.017Siであった。
[Determination of crystal composition]
As described above, this crystal decomposes and melts. Therefore, the composition of the molten raw material and the composition of the crystallized crystals are different. When a part of the obtained crystal was subjected to ICP analysis, the crystal composition was (Gd 0.983 Ce 0.017 ) 2 Si 2 O 7 .

[結晶構造の同定]
得られた単結晶試料の一部を粉砕し、粉末X線回折法を用いて結晶構造を同定した。X線回折装置としては粉末X線回折装置(株式会社リガク、MiniFlexII)を用い、回折パターンを結晶構造データベース(Joint Committee on Powder Diffraction Standards,JCPDS)と比較することで構造同定を行った。図3は、実施例1にて得られた単結晶試料のXRD回折パターンを示す図である。同定の結果、実施例1にて得られた単結晶試料は斜方晶(空間群Pna21)構造であることが分かった。
[Identification of crystal structure]
A part of the obtained single crystal sample was pulverized, and the crystal structure was identified by powder X-ray diffraction method. A powder X-ray diffractometer (Rigaku Co., Ltd., MiniFlexII) was used as the X-ray diffractometer, and the structure was identified by comparing the diffraction pattern with the crystal structure database (Joint Committee on Power Diffraction Standards, JCPDS). FIG. 3 is a diagram showing an XRD diffraction pattern of the single crystal sample obtained in Example 1. As a result of the identification, it was found that the single crystal sample obtained in Example 1 had an orthorhombic (space group Pna21) structure.

[発光特性評価]
シンチレータとしての発光特性評価のため、得られた単結晶インゴットから直径12mm長さ12mm程度の円柱状の単結晶試料を切り出し、全面に機械研磨を施した。その後、単結晶試料に対し、アニール炉を用いて窒素雰囲気中1450℃で144時間のアニールを行った。図4は、実施例1にて得られた単結晶試料の外観写真である。図4に示されるように、本試料は多結晶部分、小さな粒界、クラック、包有物等を全く含まない、無色透明な良質な単結晶であることが分かった。得られた単結晶試料を、「GPS 0.1mm/h」という。
[Evaluation of light emission characteristics]
In order to evaluate the luminescence characteristics of the scintillator, a columnar single crystal sample having a diameter of about 12 mm and a length of about 12 mm was cut out from the obtained single crystal ingot and mechanically polished on the entire surface. Then, the single crystal sample was annealed in a nitrogen atmosphere at 1450 ° C. for 144 hours using an annealing furnace. FIG. 4 is an external photograph of the single crystal sample obtained in Example 1. As shown in FIG. 4, it was found that this sample was a colorless and transparent high-quality single crystal containing no polycrystalline parts, small grain boundaries, cracks, inclusions and the like. The obtained single crystal sample is referred to as "GPS 0.1 mm / h".

「GPS 0.1mm/h」のシンチレータ特性の評価を目的に、137Csからの662keVのγ線に対するパルス波高スペクトル測定を行った。光検出器にはフォトマルH7195(浜松ホトニクス株式会社製、製品名)を用い、印加電圧は−1600Vとした。図5は、単結晶試料のパルス波高スペクトルを示す図である。図5には、育成速度の異なる単結晶試料「GPS 0.1mm/h」(実施例1)及び単結晶試料「GPS 0.3mm/h」(比較例1)、並びに比較のために測定した標準試料「GSO standard」のパルス波高スペクトルの測定結果が示されている。 For the purpose of evaluating the scintillator characteristics of "GPS 0.1 mm / h", pulse wave height spectrum measurement was performed for 662 keV γ-rays from 137 Cs. Photomultiplier H7195 (manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd., product name) was used as the photodetector, and the applied voltage was -1600 V. FIG. 5 is a diagram showing a pulse wave height spectrum of a single crystal sample. In FIG. 5, single crystal samples “GPS 0.1 mm / h” (Example 1) and single crystal samples “GPS 0.3 mm / h” (Comparative Example 1) having different growth rates, and measurements were taken for comparison. The measurement result of the pulse wave height spectrum of the standard sample "GSO crystal" is shown.

発光量に比例した電流信号が光電子増倍管から得られるので、マルチチャンネルアナライザUSC30(Spectrum Techniques,LLC製、製品名)を接続してパルス波高分布を測定し、光電ピーク位置を比較することにより、標準試料に対するシンチレータの発光量の相対評価ができる。また、光電ピークの半値全幅と位置の比がエネルギー分解能となる。単結晶試料「GPS 0.1mm/h」の発光の光電ピーク位置は1440ch、エネルギー分解能は4.4%と非常に優れた結果が得られた。また、標準試料として測定した「GSO standard」のエネルギー分解能は9.4%であるので、「GPS 0.1mm/h」のエネルギー分解能は2倍以上であるという優れた結果を得た。また、比較例1で作製した単結晶試料「GPS 0.3mm/h」では、光電ピーク位置は760ch程度であり、エネルギー分解能は8%程度と「GPS 0.1mm/h」の半分程度であった。単結晶「GPS 0.3mm/h」には結晶中に白濁した包有物が存在するので、それにより発光が阻害されたと考えられる。 Since a current signal proportional to the amount of light emitted can be obtained from a photomultiplier tube, a multi-channel analyzer USC30 (Spectrum Techniques, manufactured by LLC, product name) is connected to measure the pulse wave height distribution and compare the photoelectric peak positions. , It is possible to evaluate the amount of light emitted by the scintillator relative to the standard sample. The energy resolution is the ratio of the full width at half maximum of the photoelectric peak to the position. The photoelectric peak position of the light emission of the single crystal sample "GPS 0.1 mm / h" was 1440 ch, and the energy resolution was 4.4%, which were very excellent results. Moreover, since the energy resolution of "GSO standard" measured as a standard sample is 9.4%, an excellent result that the energy resolution of "GPS 0.1 mm / h" is more than doubled was obtained. Further, in the single crystal sample "GPS 0.3 mm / h" prepared in Comparative Example 1, the photoelectric peak position is about 760 ch, and the energy resolution is about 8%, which is about half of "GPS 0.1 mm / h". rice field. Since the single crystal "GPS 0.3 mm / h" has white turbid inclusions in the crystal, it is considered that the light emission was inhibited by the inclusions.

図5の波高スペクトルからわかるように、「GPS 0.1mm/h」では光電ピークとコンプトンピークとの間の谷となるチャンネル数がゼロに近い。この結果は、「GPS 0.1mm/h」が放射線吸収能に優れる実用的なシンチレータであることを示している。一方、「GPS 0.3mm/h」ではコンプトンピークと光電ピークの距離が近接することにより、その谷が「GPS 0.1mm/h」と比較して高かった。 As can be seen from the wave height spectrum of FIG. 5, in "GPS 0.1 mm / h", the number of channels forming a valley between the photoelectric peak and the Compton peak is close to zero. This result shows that "GPS 0.1 mm / h" is a practical scintillator having excellent radiation absorption ability. On the other hand, at "GPS 0.3 mm / h", the valley was higher than that at "GPS 0.1 mm / h" due to the close distance between the Compton peak and the photoelectric peak.

[透過率測定]
試料の透過率は試料内部のクラック、包有物等により非常に大きく影響される。また、クラック、包有物等の存在量は前述の波高スペクトルの値にも大きな影響を与えていることが知られている。したがって、育成した結晶の性能評価に透過率を利用した。
[Transmittance measurement]
The transmittance of a sample is greatly affected by cracks and inclusions inside the sample. It is also known that the abundance of cracks, inclusions and the like has a great influence on the above-mentioned value of the wave height spectrum. Therefore, the transmittance was used to evaluate the performance of the grown crystals.

得られた単結晶インゴットから、厚みが12mmとなるように単結晶試料を切り出し、両面を鏡面研磨して評価サンプルとし、その透過率を測定した。透過率の測定には、U−4100 Spectrophotometer(日立ハイテクサイエンス株式会社、製品名)を用いた。 From the obtained single crystal ingot, a single crystal sample was cut out so as to have a thickness of 12 mm, and both sides were mirror-polished to prepare an evaluation sample, and the transmittance thereof was measured. A U-4100 Spectrophotometer (Hitachi High-Tech Science Co., Ltd., product name) was used for the measurement of the transmittance.

図6は、単結晶試料の透過率曲線を示す図である。図6には、実施例1にて得られた「GPS 0.1mm/h」の透過率と、比較例1にて得られた「GPS 0.3mm/h」の透過率が示されている。図6から分かるように、「GPS 0.1mm/h」(厚み12mm)は、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約85%と非常に高い透過率を示した。また、透過率は600nmから370nm付近まで直線で変化し、吸収端近傍の370nmにおいても80%以上の透過率を保持しており、非常に良好な吸収特性を示していた。一方、「GPS 0.3mm/h」の透過率は内在する包有物の影響を受け、50%程度であった。また、その透過率曲線は600から500nmまでは直線状に変化しているが、500nmから吸収端までなだらかに透過率が低下していた。 FIG. 6 is a diagram showing a transmittance curve of a single crystal sample. FIG. 6 shows the transmittance of "GPS 0.1 mm / h" obtained in Example 1 and the transmittance of "GPS 0.3 mm / h" obtained in Comparative Example 1. .. As can be seen from FIG. 6, "GPS 0.1 mm / h" (thickness 12 mm) had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 85% with respect to light having a wavelength of 600 nm. Further, the transmittance changed linearly from 600 nm to around 370 nm, and maintained a transmittance of 80% or more even at 370 nm near the absorption edge, showing very good absorption characteristics. On the other hand, the transmittance of "GPS 0.3 mm / h" was about 50% due to the influence of inclusions. Further, the transmittance curve changed linearly from 600 nm to 500 nm, but the transmittance gradually decreased from 500 nm to the absorption edge.

[実施例2]GPS:Ce2.5% 0.1mm/h−<100>の作製と評価
種結晶として、別途引き上げ法で作製したGPS:Ceの単結晶から<100>方位に切り出したものを準備したこと以外は、実施例1と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットは、多結晶部分、小さな粒界、クラック、包有物等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 2] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.1 mm / h- <100> As a seed crystal, a single crystal of GPS: Ce separately prepared by a pulling method was cut out in the <100> direction. The single crystal ingot was grown in substantially the same manner as in Example 1 except that it was prepared. The obtained single crystal ingot did not contain polycrystalline portions, small grain boundaries, cracks, inclusions, etc., was pale yellow transparent, and had a circular cross section perpendicular to the growing direction.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約85%と非常に高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 85% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

[実施例3]GPS:Ce2.5%−0.1mm/h−<010>の作製と評価
種結晶として、別途引き上げ法で作製したGPS:Ceの単結晶から<010>方位に切り出したものを準備したこと以外は、実施例1と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットは、多結晶部分、小さな粒界、クラック、包有物等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 3] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% -0.1 mm / h- <010> As a seed crystal, a single crystal of GPS: Ce separately prepared by a pulling method was cut out in the <010> direction. The single crystal ingot was grown in substantially the same manner as in Example 1 except that the above was prepared. The obtained single crystal ingot did not contain polycrystalline portions, small grain boundaries, cracks, inclusions, etc., was pale yellow transparent, and had a circular cross section perpendicular to the growing direction.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約84%と非常に高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 84% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

[実施例4]GPS:Ce2.5% 0.1mm/h−<010>15度オフの作製と評価
種結晶として、別途引き上げ法で作製したGPS:Ceの単結晶から、<010>方位から<001>軸を回転軸として<010>方位を約15度傾斜させた方位に切り出したものを準備したこと以外は、実施例1と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。図7は、実施例4にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。得られた単結晶インゴットは、多結晶部分、小さな粒界、クラック、包有物等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 4] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.1 mm / h- <010> 15 degrees off As a seed crystal, from a GPS: Ce single crystal separately prepared by a pulling method, from the <010> direction. The single crystal ingot was grown in substantially the same manner as in Example 1 except that the one cut out with the <001> axis as the rotation axis and the <010> direction tilted by about 15 degrees was prepared. .. FIG. 7 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Example 4. The obtained single crystal ingot did not contain polycrystalline portions, small grain boundaries, cracks, inclusions, etc., was pale yellow transparent, and had a circular cross section perpendicular to the growing direction.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約83%と非常に高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 83% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

引き上げ速度を0.1mm/hとした上記例における、波長600nmの光に対する透過率の平均値(平均透過率)は84.1%であり、その標準偏差は0.653であった。この物質の反射による光の伝搬ロスを考慮した透過率が85%程度であること、及び透過率が600〜380nm辺りまで直線的に変化していることを考慮すると、上記結果はシンチレータの発光中心波長付近である430nmにおける吸収がほとんどないことを示しており、上記例により得られた単結晶はシンチレータとして用いられる場合に理想的な透過率を持っているといえる。 In the above example where the pulling speed was 0.1 mm / h, the average value (average transmittance) of the transmittance for light having a wavelength of 600 nm was 84.1%, and the standard deviation was 0.653. Considering that the transmittance considering the light propagation loss due to the reflection of this substance is about 85% and that the transmittance changes linearly from around 600 to 380 nm, the above result is the emission center of the scintillator. It shows that there is almost no absorption at 430 nm, which is near the wavelength, and it can be said that the single crystal obtained by the above example has an ideal transmittance when used as a scintillator.

[実施例5]GPS:Ce2.5% 0.2mm/h−<100>の作製と評価
引き上げ速度を0.2mm/hとしたこと以外は、実施例2と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。図8は、実施例5にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。図9は、実施例5にて得られた単結晶インゴット内部の包有物及びその分布を示す図である。図9に示すように、得られた単結晶インゴットは、小さな包有物を僅かに含んでいたが、多結晶部分、小さな粒界、クラック等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 5] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.2 mm / h- <100> In substantially the same manner as in Example 2 except that the pulling speed was set to 0.2 mm / h. Crystal ingots were cultivated. FIG. 8 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Example 5. FIG. 9 is a diagram showing inclusions inside the single crystal ingot obtained in Example 5 and their distribution. As shown in FIG. 9, the obtained single crystal ingot contained a small amount of small inclusions, but did not contain polycrystalline parts, small grain boundaries, cracks, etc., and was pale yellow transparent and in the growing direction. It was a crystal with a circular vertical cross section.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約79%と高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a high transmittance of about 79% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

[実施例6]GPS:Ce2.5% 0.2mm/h−<001>の作製と評価
引き上げ速度を0.2mm/hとしたこと以外は、実施例1と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットは、小さな包有物を僅かに含んでいたが、多結晶部分、小さな粒界、クラック等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 6] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.2 mm / h- <001> In substantially the same manner as in Example 1 except that the pulling speed was set to 0.2 mm / h. Crystal ingots were cultivated. The obtained single crystal ingot contained a small amount of small inclusions, but did not contain polycrystalline parts, small grain boundaries, cracks, etc., was pale yellow transparent, and had a circular cross section perpendicular to the growing direction. Met.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約81%と非常に高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 81% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

[実施例7]GPS:Ce2.5% 0.2mm/h−<010>の作製と評価
引き上げ速度を0.2mm/hとしたこと以外は、実施例3と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットは、小さな包有物を僅かに含んでいたが、多結晶部分、小さな粒界、クラック等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 7] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.2 mm / h- <010> In substantially the same manner as in Example 3 except that the pulling speed was set to 0.2 mm / h. Crystal ingots were cultivated. The obtained single crystal ingot contained a small amount of small inclusions, but did not contain polycrystalline parts, small grain boundaries, cracks, etc., was pale yellow transparent, and had a circular cross section perpendicular to the growing direction. Met.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約81%と非常に高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 81% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

[実施例8]GPS:Ce2.5% 0.2mm/h−<010>15度オフの作製と評価
引き上げ速度を0.2mm/hとしたこと以外は、実施例4と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットは、小さな包有物を僅かに含んでいたが、多結晶部分、小さな粒界、クラック等を含まず、淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面が円形の結晶であった。
[Example 8] GPS: Ce2.5% 0.2 mm / h- <010> 15 degree off production and evaluation Except that the pulling speed was set to 0.2 mm / h, it was substantially the same as in Example 4. Then, the single crystal ingot was cultivated. The obtained single crystal ingot contained a small amount of small inclusions, but did not contain polycrystalline parts, small grain boundaries, cracks, etc., was pale yellow transparent, and had a circular cross section perpendicular to the growing direction. Met.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対して約82%と非常に高い透過率を示した。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm and showed a very high transmittance of about 82% with respect to light having a wavelength of 600 nm.

引き上げ速度を0.2mm/hとした上記例における、波長600nmの光に対する透過率の平均値は79.9%であり、その標準偏差は1.88であった。0.2mm/hで育成した結晶では、存在する小さな包有物の量と分布の違いによりやや測定値がばらつき、その影響が標準偏差の値に表れている。 In the above example where the pulling speed was 0.2 mm / h, the average value of the transmittance for light having a wavelength of 600 nm was 79.9%, and the standard deviation was 1.88. In the crystals grown at 0.2 mm / h, the measured values vary slightly due to the difference in the amount and distribution of small inclusions present, and the effect appears in the standard deviation value.

[比較例1]GPS:Ce2.5% 0.3mm/h−<001>の作製と評価
引き上げ速度を0.3mm/hとしたこと以外は、実施例1と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。図10は、比較例1にて得られた単結晶インゴット内部の包有物及びその分布を示す図である。得られた単結晶インゴットには、クラックはないが、白い包有物が結晶軸を中心に分布していた。単結晶インゴットの色は淡黄色透明であり、育成軸と平行に{100}ファセットが表れた。
[Comparative Example 1] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.3 mm / h- <001> In substantially the same manner as in Example 1 except that the pulling speed was set to 0.3 mm / h. Crystal ingots were cultivated. FIG. 10 is a diagram showing inclusions inside the single crystal ingot obtained in Comparative Example 1 and their distribution. The obtained single crystal ingot had no cracks, but white inclusions were distributed around the crystal axis. The color of the single crystal ingot was pale yellow and transparent, and {100} facets appeared parallel to the growth axis.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対する透過率は約71%であった。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm, and had a transmittance of about 71% for light having a wavelength of 600 nm.

[比較例2]GPS:Ce2.5% 0.3mm/h−<100>の作製と評価
引き上げ速度を0.3mm/hとしたこと以外は、実施例2と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットには、クラックはないが、白い包有物が育成軸に垂直に層状に分布していた。単結晶インゴットの色は淡黄色透明であり、育成方向に垂直な断面がほぼ円形の結晶であった。
[Comparative Example 2] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.3 mm / h- <100> In substantially the same manner as in Example 2 except that the pulling speed was set to 0.3 mm / h. Crystal ingots were cultivated. The obtained single crystal ingot had no cracks, but white inclusions were distributed in layers perpendicular to the growth axis. The color of the single crystal ingot was pale yellow and transparent, and the cross section perpendicular to the growing direction was a crystal having a substantially circular shape.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対する透過率は約54%であった。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm, and had a transmittance of about 54% for light having a wavelength of 600 nm.

[比較例3]GPS:Ce2.5%0.3mm/h−<010>の作製と評価
引き上げ速度を0.3mm/hとしたこと以外は、実施例3と実質的に同様にして、単結晶インゴットの育成を行った。得られた単結晶インゴットには、クラックはないが、白い包有物が結晶軸を中心に分布していた。単結晶インゴットの色は淡黄色透明で、{100}ファセットが表れた。図11は、比較例3にて得られた単結晶インゴットの外観写真である。同図に示されるように、ファセット面を通して、結晶内部に存在する包有物が観察される。
[Comparative Example 3] Preparation and evaluation of GPS: Ce2.5% 0.3 mm / h- <010> In substantially the same manner as in Example 3 except that the pulling speed was set to 0.3 mm / h. Crystal ingots were cultivated. The obtained single crystal ingot had no cracks, but white inclusions were distributed around the crystal axis. The color of the single crystal ingot was pale yellow and transparent, and {100} facets appeared. FIG. 11 is an external photograph of the single crystal ingot obtained in Comparative Example 3. As shown in the figure, inclusions existing inside the crystal are observed through the faceted plane.

上記単結晶インゴットから円柱状の単結晶試料を切り出し、実施例1と同様にして透過率を測定した。得られた評価サンプルは、波長350nm付近に吸収端があり、波長600nmの光に対する透過率は約29%であった。 A columnar single crystal sample was cut out from the above single crystal ingot, and the transmittance was measured in the same manner as in Example 1. The obtained evaluation sample had an absorption edge near a wavelength of 350 nm, and had a transmittance of about 29% for light having a wavelength of 600 nm.

引き上げ速度を0.3mm/hとした上記例における、波長600nmの光に対する透過率の平均値は51.5%であり、その標準偏差は18.5%であった。引き上げ速度を0.3mm/hとした例では、図10に示すように、結晶中に存在する包有物の分布の程度により、測定値のばらつきが大きくなった。それに従って標準偏差も大きくなった。評価サンプル中には、透過率が10%以下の部分も現れた。引き上げ速度を0.3mm/hとして育成した単結晶インゴットからは、直径12mmかつ長さ12mmの円柱のような大型の単結晶を切り出すことは難しい。 In the above example where the pulling speed was 0.3 mm / h, the average value of the transmittance for light having a wavelength of 600 nm was 51.5%, and the standard deviation was 18.5%. In the example where the pulling speed was 0.3 mm / h, as shown in FIG. 10, the variation in the measured values became large depending on the degree of distribution of inclusions present in the crystal. The standard deviation increased accordingly. In the evaluation sample, a portion having a transmittance of 10% or less also appeared. It is difficult to cut out a large single crystal such as a cylinder having a diameter of 12 mm and a length of 12 mm from a single crystal ingot grown at a pulling speed of 0.3 mm / h.

図12は、引き上げ速度と波長600nmの光に対する平均透過率との関係を示す図である。図横軸は引き上げ速度、縦軸は各結晶の平均透過率を表す。図中のエラーバーは3σの値を示す。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the pulling speed and the average transmittance for light having a wavelength of 600 nm. The horizontal axis of the figure represents the pulling speed, and the vertical axis represents the average transmittance of each crystal. Error bars in the figure indicate values of 3σ.

1…単結晶インゴット、2…種結晶、10…引き上げ装置、12…引き上げ棒、13…蓋、14…炉本体、15…高周波誘導コイル、16…るつぼ支持棒、17…るつぼ、18…溶融液(融液)。 1 ... Single crystal ingot, 2 ... Seed crystal, 10 ... Pulling device, 12 ... Pulling rod, 13 ... Lid, 14 ... Furnace body, 15 ... High frequency induction coil, 16 ... Crucible support rod, 17 ... Crucible, 18 ... Melt (Melting).

Claims (5)

下記一般式(1)で表される組成を有する単結晶の育成方法であって、
溶融法に基づき前記単結晶の原料をるつぼ内で溶融状態とした溶融液を得る溶融工程と、
前記溶融液に種結晶の少なくとも一部を浸漬し、前記種結晶を浸漬した前記溶融液を冷却固化させることにより、前記種結晶の結晶面方位に沿って結晶を育成して単結晶インゴットを得る冷却固化工程と、を備え、
前記溶融法が回転式引き上げ法であり、引き上げ速度が0.3mm/h未満である、単結晶インゴットの育成方法。
(A1−xSi・・・(1)
[式(1)中、AはY、La及びGdからなる群より選択される少なくとも1種であり、BはY、La及びGdを除く希土類元素からなる群より選択される少なくとも1種であり、xは0.005<x<0.30を満たす。]
A method for growing a single crystal having a composition represented by the following general formula (1).
A melting step of obtaining a molten liquid in which the raw material of the single crystal is melted in a crucible based on the melting method, and
By immersing at least a part of the seed crystal in the melt and cooling and solidifying the melt in which the seed crystal is immersed, crystals are grown along the crystal plane orientation of the seed crystal to obtain a single crystal ingot. With a cooling and solidification process,
A method for growing a single crystal ingot in which the melting method is a rotary pulling method and the pulling speed is less than 0.3 mm / h.
(A 1-x B x ) 2 Si 2 O 7 ... (1)
[In formula (1), A is at least one selected from the group consisting of Y, La and Gd, and B is at least one selected from the group consisting of rare earth elements excluding Y, La and Gd. , X satisfies 0.005 <x <0.30. ]
前記式(1)中、BがCeである、請求項1に記載の育成方法。 The breeding method according to claim 1, wherein B is Ce in the formula (1). 前記式(1)中、AがGdである、請求項1又は2に記載の育成方法。 The breeding method according to claim 1 or 2, wherein A is Gd in the formula (1). 前記回転式引き上げ法における前記種結晶の回転速度が0.5〜9rpmであり、前記るつぼの回転速度が1〜6rpmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の育成方法。 The growing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the rotation speed of the seed crystal in the rotary pulling method is 0.5 to 9 rpm, and the rotation speed of the crucible is 1 to 6 rpm. 下記一般式(1)で表される組成を有し、厚みが12mmのときの、波長600nmの光に対する厚み方向の透過率が75%以上である、単結晶試料。
(A1−xSi・・・(1)
[式(1)中、AはY、La及びGdからなる群より選択される少なくとも1種であり、BはY、La及びGdを除く希土類元素からなる群より選択される少なくとも1種であり、xは0.005<x<0.30を満たす。]

A single crystal sample having a composition represented by the following general formula (1) and having a thickness of 12 mm and a transmittance of 75% or more in the thickness direction with respect to light having a wavelength of 600 nm.
(A 1-x B x ) 2 Si 2 O 7 ... (1)
[In formula (1), A is at least one selected from the group consisting of Y, La and Gd, and B is at least one selected from the group consisting of rare earth elements excluding Y, La and Gd. , X satisfies 0.005 <x <0.30. ]

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