JP2021143288A - Scintillator, radiation detector, and radiation imaging system - Google Patents

Scintillator, radiation detector, and radiation imaging system Download PDF

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JP2021143288A
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明博 深堀
Akihiro Fukabori
明博 深堀
圭二 山原
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圭二 山原
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Abstract

To provide a scintillator material that has an emission peak wavelength appropriate to an optical receiver, a short DT, and an improved emission amount.SOLUTION: The problem is solved by using a scintillator material containing a scintillator satisfying the following general formula (1). (A1-a-bM1aM2b)x(Al1-cM3c)yOz (1) (In the formula (1), A contains at least one selected from the group consisting of Gd, Y, Lu and La, M1 represents an activator element different from A, M2 is different from A, M1, and contains at least one kind selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Y, La, Sm, Gd, Dy, Ho and Lu, M3 contains at least Ga, Sc or In, and x, y, z, a, b, c independently satisfies 0.5≤x≤1.5, 0.5≤y≤1.5, 2≤z≤4, 0<a≤0.5, 0≤b≤0.9, 0<C≤0.8, respectively.)SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、放射線を光に変換するシンチレータ材料、及びこのシンチレータ材料を用いた放射線検知器、並びに放射線画像システムに関する。 The present invention relates to a scintillator material that converts radiation into light, a radiation detector using this scintillator material, and a radiation imaging system.

放射線検査装置は、被写体にγ線、X線、中性子線等の放射線を照射し、透過した放射線を直接または間接的に電気信号に変換し、画像化等を行う装置である。放射線検査装置は、非破壊検査用検出器、資源探査用検出器、高エネルギー物理用検出器などの非破壊検査用の検査装置、又は医用画像処理装置などの診断装置など、様々な分野及び態様で使用されている。 The radiation inspection device is a device that irradiates a subject with radiation such as γ-rays, X-rays, and neutron rays, directly or indirectly converts the transmitted radiation into an electric signal, and performs imaging and the like. Radiation inspection equipment includes various fields and modes such as non-destructive inspection detectors such as non-destructive inspection detectors, resource exploration detectors, high-energy physical detectors, and diagnostic equipment such as medical image processing equipment. Used in.

中でも医療分野においては、被写体の放射線被爆量を低減するため、少ない照射量でより明るく、鮮明な画像を得られる放射線検出器が求められている。 In particular, in the medical field, in order to reduce the radiation exposure dose of a subject, there is a demand for a radiation detector that can obtain a brighter and clearer image with a smaller irradiation dose.

現在の医療診断分野においてX線CTは根幹をなす需要な役割を担っている。現行のX線CTは、エネルギー積分型CTであり、一定時間電荷を蓄積した後に電流値として読み出すために、エネルギー情報が獲得できない。ゆえに、得られる画像はモノクロ画像で、CT値(線減弱係数)が同じ物質の弁別が出来ない。更に、1回の測定で10mSVものX線を浴び、被爆の問題も存在する。一方の次世代X線CTとして期待されているのが、フォトンカウンティングCT(PCCT)であり、フォトンカウンティングによりエネルギー情報を獲得でき、エネルギー弁別が可能になる。また、マルチピクセルフォトンカウンタ(MPPC)を受光器として使うことにより1回の撮影の被ばく量を0.1mSVと大幅に減らすことができる。しかしながら、高精細な画像を得るために、107〜8/counts/s/mm2のカウントレートが必要であり、この逆数である10〜100nsという高速の蛍光寿命(シンチレーションディケイタイム、以下単にDTと記載することもある)が要求される。 X-ray CT plays a fundamental and demanding role in the current medical diagnostic field. The current X-ray CT is an energy-integrated CT, and since it is read out as a current value after accumulating charges for a certain period of time, energy information cannot be obtained. Therefore, the obtained image is a monochrome image, and it is not possible to discriminate substances having the same CT value (line attenuation coefficient). Furthermore, there is a problem of exposure to X-rays of 10 mSV in one measurement. On the other hand, what is expected as the next-generation X-ray CT is photon counting CT (PCCT), which can acquire energy information by photon counting and enable energy discrimination. Further, by using the multi-pixel photon counter (MPPC) as a receiver, the exposure dose of one shooting can be significantly reduced to 0.1 mSV. However, in order to obtain a high-definition image, a count rate of 107 to 8 / counts / s / mm2 is required, and the reciprocal of this is a high fluorescence lifetime of 10 to 100 ns (scintillation decay time, hereinafter simply referred to as DT). May be stated) is required.

放射線検知器は、放射線を光に変換するシンチレータと、シンチレータから放出された光を電気信号に変換するCCDやフォトディテクタ(PD)、アバランシェフォトダイオード(APD), マルチピクセルフォトンカウンタ(MPPC)等の受光器とを含む。 The radiation detector is a scintillator that converts radiation into light, and receives light from CCDs, photodetectors (PD), avalanche photodiodes (APD), multipixel photon counters (MPPC), etc. that convert the light emitted from the scintillator into electrical signals. Including vessels.

X線、γ線などの放射線を光に変換するシンチレータ材料は、代表的なものとして、GdS:Pr3+、Ce3+(GOS)、CsI:Tl、LuSiO:Ce3+(LSO)、(Lu、Y)SiO:Ce3+(LYSO)、Gd(Al、Ga)12(GAGG)、Gemstone(商標)などが知られている。
これらの材料はいずれも十分な発光量(10000MeV以上)を示し、放射線阻止能も十分に高い。なお、Lu含有原料は高価である。
Typical scintillator materials that convert radiation such as X-rays and γ-rays into light are Gd 2 O 2 S: Pr 3+ , Ce 3+ (GOS), CsI: Tl + , Lu 2 SiO 5 : Ce 3+. (LSO), (Lu, Y) 2 SiO 5 : Ce 3+ (LYSO), Gd 3 (Al, Ga) 5 O 12 (GAGG), Gemstone ™ and the like are known.
All of these materials exhibit a sufficient amount of light emission (10000 MeV or more) and have sufficiently high radiation stopping power. The Lu-containing raw material is expensive.

近年医療分野においては、MPPCを使用することで被写体の被爆量を大幅に低減するフォトンカウンティングCTが注目されている。フォトンカウンティングCTにおいては、高精細な画像を得かつ照射量を減らすために、非常に短いDTを示すシンチレータ材料が求められているが、上述した従来のシンチレータ材料のDTはいずれも30ns以上であるため、より短いDTを示すシンチレータ材料が求められている。また、Luを用いたものは高価であるため、安価に製造できるシンチレータ材料が求められている。 In recent years, in the medical field, photon counting CT, which significantly reduces the exposure dose of a subject by using MPPC, has attracted attention. In photon counting CT, a scintillator material showing a very short DT is required in order to obtain a high-definition image and reduce the irradiation amount, but the DT of the above-mentioned conventional scintillator materials is 30 ns or more. Therefore, there is a need for a scintillator material that exhibits a shorter DT. Further, since those using Lu are expensive, there is a demand for a scintillator material that can be manufactured at low cost.

こうした中、医療用途のシンチレータ材料として、YAlOで表されるイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト(YAP)が試されている。このシンチレータのDTは25ns前後である(非特許文献1)。
しかし、YAPはイットリウム(Y)が軽い元素であるため化合物全体の有効原子番号Zeffは32程度と低く、X線阻止能が低い。十分なX線阻止能を得るためにはシンチレータブロックを大型化せざるを得ず、散乱により効率が低下するなどの課題があった。
Under these circumstances, yttrium aluminum perovskite (YAP) represented by YAlO 3 has been tried as a scintillator material for medical use. The DT of this scintillator is around 25 ns (Non-Patent Document 1).
However, since yttrium (Y) is a light element in YAP, the effective atomic number Z eff of the entire compound is as low as about 32, and the X-ray stopping power is low. In order to obtain sufficient X-ray stopping power, the scintillator block must be enlarged, and there are problems such as a decrease in efficiency due to scattering.

これに対し、YAPの賦活元素を変更した組成の材料を用い、またはX線阻止能の高いルテチウム(Lu)とY若しくはGdを併用した(Lu/Y)AlO(LYAP)及び(Lu/Gd)AlO(LGAP)を用いる試みも報告されており、これらのシンチレータは高い発光量を実現している(特許文献1)。
また、YAPにおいてYの一部をGdに置換した組成(Y/GAP)、及び賦活元素を2種以上(PrとTb)用いる手法を組み合わせ、DTを7〜11nsに短縮したシンチレータに関する報告もなされている(特許文献2)。
しかし、特許文献、非特許文献に記載されたDTの短いシンチレータは、発光ピーク波長が記載されているものについてはいずれも発光ピーク波長が230〜285nmであり、MPPC等の受光器の高量子効率から大きく外れている。また、両文献にはDTが25ns以下と短く、かつ発光ピーク波長が長いシンチレータを得ることについて何ら記載が無い。
On the other hand, (Lu / Y) AlO 3 (LYAP) and (Lu / Gd) using a material having a composition in which the activating element of YAP was changed, or using lutetium (Lu) having a high X-ray stopping power in combination with Y or Gd. ) Attempts to use AlO 3 (LGAP) have also been reported, and these scintillators have achieved high luminescence (Patent Document 1).
There is also a report on a scintillator in which DT is shortened to 7 to 11 ns by combining a composition (Y / GAP) in which a part of Y is replaced with Gd in YAP and a method using two or more kinds of activating elements (Pr and Tb). (Patent Document 2).
However, the short DT scintillators described in the patent documents and non-patent documents have an emission peak wavelength of 230 to 285 nm for all of the scintillators in which the emission peak wavelength is described, and the high quantum efficiency of the receiver such as MPPC. It is far from. Further, there is no description in both documents about obtaining a scintillator having a short DT of 25 ns or less and a long emission peak wavelength.

特開2012−149223号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-149223 特表2018−536153号公報Special Table 2018-536153

IEEE TransaCTions on Nuclear Science, 47:860−864, 2000.IEEE Transitions on Nuclear Science, 47: 860-864, 2000.

以上挙げた通り、PCCT等に適用可能な、短いDTを示す従来のシンチレータ材料は、発光ピーク波長が一般に長くても350nm程度であり、該波長帯の光はCCDやMPPC等の受光器において効率よく電気信号に変換されないため、放射線検知器に利用した際に総合的な検出効率が低いという課題があった。また、YAPおよびGAPは発光量がそれぞれ18000Ph/MeV、9000Ph/MeV程度と低く、より高い発光量を示すシンチレータ材料が求められている。 As described above, the conventional scintillator material showing a short DT applicable to PCCT and the like generally has an emission peak wavelength of about 350 nm at the longest, and light in this wavelength band is efficient in a receiver such as a CCD or MPPC. Since it is not often converted into an electric signal, there is a problem that the overall detection efficiency is low when it is used as a radiation detector. Further, YAP and GAP have low emission amounts of about 18,000 Ph / MeV and 9000 Ph / MeV, respectively, and there is a demand for a scintillator material showing a higher emission amount.

すなわち、本発明が解決しようとする課題は、DTが短く、高い発光量を示し、かつ発光ピーク波長の長いシンチレータ材料を提供することにある。 That is, an object to be solved by the present invention is to provide a scintillator material having a short DT, a high emission amount, and a long emission peak wavelength.

本発明者は上記課題に鑑み鋭意検討した結果、GAPのAlの一部を別元素で置換したシンチレータを用いることで上記課題を解決できることを見出し、本発明の完成に至った。
本発明は、1実施形態において、以下の内容を含む。
[1]:一般式(1)を満たす組成のシンチレータを含む、シンチレータ。
(A1―a−b (Al1−c ・・・(1)
(式(1)中、AはGd、Y、Lu及びLaからなる群より選択される少なくとも一種を含み、MはAと異なる賦活元素を表し、MはA、Mと異なる元素であってCa、Sr、Ba、Y、La、Sm、Gd、Dy、Ho、Luからなる群より選択される少なくとも一種を含み、Mは少なくともGa、Sc又はInを含み、x、y、z、a、b、cはそれぞれ独立に0.5≦x≦1.5、0.5≦y≦1.5、2≦z≦4、0<a≦0.5、0≦b≦0.9、0<c≦0.8を満たす。)
[2]:一般式(1)において、MがCe、Pr,Tbのいずれか1つ以上を含む、[1]に記載のシンチレータ。
[3]:一般式(1)において、0.0001≦a≦0.2である、[1]又は[2]に記載のシンチレータ。
[4]:一般式(1)において、0.1≦c≦0.5である、[1]から[3]のいずれか1つに記載のシンチレータ。
[5]:一般式(1)において、MがGaまたはScを含む、[1]から[4]のいずれか1つに記載のシンチレータ。
[6]:Cs137−放射線で励起した際の蛍光寿命(DT)が25ns以下である、[1]から[5]のいずれか1つに記載のシンチレータ。
[7]:発光ピーク波長が363nm以上である、[1]から[6]のいずれか1つに記載のシンチレータ。
[8]:粉末X線回折ピークに対しリートベルト解析を行った際に、ペロブスカイト相の割合が50質量%以上である、[1]から[7]のいずれか1つに記載のシンチレータ。
[9]:[1]から[8]のいずれか1つに記載されたシンチレータ材料を含む、放射線検知器。
[10]:[9]に記載の放射線検知器を含む、放射線検査装置。
[11]:少なくとも以下のステップを含む、[1]から[8]いずれか1つに記載のシンチレータ材料の製造方法;
a)原料を混合するステップ、
b)混合した原料を含む粉末または成形体を800℃以上2000℃以下、0.01MPa以上1000MPa以下、1時間以上24時間以下の条件で焼成するステップ。
[12]:さらに、下記のステップc)またはd)を含む、[11]に記載のシンチレータ材料の製造方法。
c)得られた焼結体を粉砕して粉末を得るステップ、
d)得られた焼結体を溶融し、得られた融液から単結晶を成長させるステップ。
[13]:少なくとも下記のステップを含む、[1]から[8]のいずれか1つに記載のシンチレータ材料の製造方法。
e)下記e−1)又はe−2)を含むステップ;
e−1)各原料を混合した後、原料混合物を溶融して融液を得るステップ、
e−2)各原料を溶融させた上で、得られた融液を混合して融液を得るステップ、
f)e)で得られた融液から単結晶を成長させるステップ。
As a result of diligent studies in view of the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by using a scintillator in which a part of Al of GAP is replaced with another element, and the present invention has been completed.
The present invention includes the following contents in one embodiment.
[1]: A scintillator including a scintillator having a composition satisfying the general formula (1).
(A 1-ab M 1 a M 2 b ) x (Al 1-c M 3 c ) y Oz ... (1)
(In the formula (1), A contains at least one selected from the group consisting of Gd, Y, Lu and La, M 1 represents an activating element different from A, and M 2 is an element different from A and M 1. At least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Y, La, Sm, Gd, Dy, Ho, Lu, M 3 contains at least Ga, Sc or In, x, y, z. , A, b, and c are independently 0.5 ≦ x ≦ 1.5, 0.5 ≦ y ≦ 1.5, 2 ≦ z ≦ 4, 0 <a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0. 9, 0 <c ≦ 0.8 is satisfied.)
[2]: The scintillator according to [1], wherein in the general formula (1), M 1 contains any one or more of Ce, Pr, and Tb.
[3]: The scintillator according to [1] or [2], wherein 0.0001 ≦ a ≦ 0.2 in the general formula (1).
[4]: The scintillator according to any one of [1] to [3], wherein in the general formula (1), 0.1 ≦ c ≦ 0.5.
[5]: The scintillator according to any one of [1] to [4] , wherein M 3 contains Ga or Sc in the general formula (1).
[6]: The scintillator according to any one of [1] to [5], which has a fluorescence lifetime (DT) of 25 ns or less when excited by Cs137-radiation.
[7]: The scintillator according to any one of [1] to [6], wherein the emission peak wavelength is 363 nm or more.
[8]: The scintillator according to any one of [1] to [7], wherein the ratio of the perovskite phase is 50% by mass or more when Rietveld analysis is performed on the powder X-ray diffraction peak.
[9]: A radiation detector comprising the scintillator material according to any one of [1] to [8].
[10]: A radiation inspection apparatus including the radiation detector according to [9].
[11]: The method for producing a scintillator material according to any one of [1] to [8], which comprises at least the following steps;
a) Steps to mix the ingredients,
b) A step of firing a powder or a molded product containing the mixed raw materials under the conditions of 800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower, 0.01 MPa or higher and 1000 MPa or lower, and 1 hour or longer and 24 hours or shorter.
[12]: The method for producing a scintillator material according to [11], further comprising the following steps c) or d).
c) Step of crushing the obtained sintered body to obtain a powder,
d) A step of melting the obtained sintered body and growing a single crystal from the obtained melt.
[13]: The method for producing a scintillator material according to any one of [1] to [8], which comprises at least the following steps.
e) Steps including the following e-1) or e-2);
e-1) After mixing each raw material, the step of melting the raw material mixture to obtain a melt,
e-2) A step of melting each raw material and then mixing the obtained melts to obtain a melt.
f) A step of growing a single crystal from the melt obtained in e).

本発明は、DTが短く、高い発光量を示し、かつ発光ピーク波長の長いシンチレータ材料を提供できる。 The present invention can provide a scintillator material having a short DT, a high emission amount, and a long emission peak wavelength.

また、前記シンチレータ材料を用いることで、少ない線量で、感度良く放射線を検知する放射線検知器並びに検査装置を提供することができる。
Further, by using the scintillator material, it is possible to provide a radiation detector and an inspection device that detect radiation with high sensitivity with a small dose.

実施例4の発光スペクトル及び吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum and absorption spectrum of Example 4. 実施例7の発光スペクトル及び吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum and absorption spectrum of Example 7. 比較例1の発光スペクトル及び吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum and absorption spectrum of Comparative Example 1.

以下、本発明の実施形態を例示するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の本質を損ねない範囲で変更を加えることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be illustrated, but the present invention is not limited to the following embodiments, and modifications can be made as long as the essence of the present invention is not impaired.

本発明に係るシンチレータ(以下、単に「シンチレータ」と記載する場合もある)は、下記式(1)を満たす。
(A1―a−b (Al1−c ・・・(1)
(式(1)中、AはGd、Y、Lu及びLaからなる群より選択される少なくとも一種を含み、MはAと異なる賦活元素を表し、MはA、Mと異なる元素であってCa、Sr、Ba、Y、La、Sm、Gd、Dy、Ho、Luからなる群より選択される少なくとも一種を含み、Mは少なくともGa、Sc又はInを含み、x、y、z、a、b、cはそれぞれ独立に0.5≦x≦1.5、0.5≦y≦1.5、2≦z≦4、0<a≦0.5、0≦b≦0.9、0<c≦0.8を満たす。)
The scintillator according to the present invention (hereinafter, may be simply referred to as “scintillator”) satisfies the following formula (1).
(A 1-ab M 1 a M 2 b ) x (Al 1-c M 3 c ) y Oz ... (1)
(In the formula (1), A contains at least one selected from the group consisting of Gd, Y, Lu and La, M 1 represents an activating element different from A, and M 2 is an element different from A and M 1. At least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Y, La, Sm, Gd, Dy, Ho, Lu, M 3 contains at least Ga, Sc or In, x, y, z. , A, b, and c are independently 0.5 ≦ x ≦ 1.5, 0.5 ≦ y ≦ 1.5, 2 ≦ z ≦ 4, 0 <a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0. 9, 0 <c ≦ 0.8 is satisfied.)

前記一般式(1)中、Aは好ましくはGdを含む。安価で原子番号の大きいGdを用いることで、シンチレータのX線阻止能を高め、シンチレータブロックを小型化することができ、散乱低減による発光量の増加が可能となり、更に、安価に製造可能なシンチレータを得ることができる。 In the general formula (1), A preferably contains Gd. By using Gd, which is inexpensive and has a large atomic number, the X-ray stopping power of the scintillator can be enhanced, the scintillator block can be miniaturized, the amount of light emitted can be increased by reducing scattering, and the scintillator can be manufactured at low cost. Can be obtained.

前記一般式(1)中、Mは賦活元素を表し、例えば希土類元素を用いることができる。短いDTと高い発光量を得る観点から好ましくはCe、Pr、Tb、Euの内少なくとも1つ以上を含み、長い発光ピーク波長を示し、かつDTの短いシンチレータを得る観点から、より好ましくはCeを含む。Mの含有量を示すaは、下限は特に制限されないが通常0.000001以上、好ましくは0.00001以上、より好ましくは0.0001以上、特に好ましくは0.001以上であり、通常0.7以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.3以下、さらに好ましくは0.2以下、特に好ましくは0.1以下、殊更に好ましくは0.06以下である。 In the general formula (1), M 1 represents an activating element, and for example, a rare earth element can be used. From the viewpoint of obtaining a short DT and a high amount of light emission, it is preferable to use Ce from the viewpoint of obtaining at least one of Ce, Pr, Tb and Eu, exhibiting a long emission peak wavelength, and obtaining a scintillator having a short DT. include. The lower limit of a indicating the content of M 1 is not particularly limited, but is usually 0.000001 or more, preferably 0.00001 or more, more preferably 0.0001 or more, particularly preferably 0.001 or more, and usually 0. It is 7 or less, preferably 0.5 or less, more preferably 0.3 or less, still more preferably 0.2 or less, particularly preferably 0.1 or less, and particularly still more preferably 0.06 or less.

前記一般式(1)中、Aは上述した元素のみで用いても良く、他の元素で置換されていても良い。Mは該置換元素を表し、シンチレータがMを含む場合、Mは例えばアルカリ土類元素、希土類元素などを用いることができる。好ましくはCa、Sr、Ba、Y、La、Sm、Gd、Dy、Ho、Luの内少なくとも1つ以上を含む。Mの含有量を示すbは通常0.9以下であり、好ましくは0.7以下、より好ましくは0.6以下、さらに好ましくは0.5以下、特に好ましくは0.4以下であり、下限は特に制限されず、使用する場合は少なければ少ないほど好ましい。Mを適切な種類および含有量で用いることで、発光ピーク波長が長く、DTが短く、発光量の高いシンチレータを得ることができる。 In the general formula (1), A may be used only with the above-mentioned elements, or may be substituted with other elements. M 2 represents the substituting element, if the scintillator including the M 2, M 2 can be used such as alkaline earth elements, and rare earth elements. It preferably contains at least one or more of Ca, Sr, Ba, Y, La, Sm, Gd, Dy, Ho and Lu. The b indicating the content of M 2 is usually 0.9 or less, preferably 0.7 or less, more preferably 0.6 or less, still more preferably 0.5 or less, and particularly preferably 0.4 or less. The lower limit is not particularly limited, and the smaller the number is, the more preferable it is when used. By using M 2 in an appropriate type and content, a scintillator having a long emission peak wavelength, a short DT, and a high emission amount can be obtained.

前記一般式(1)中、MはGa,Sc,In等を含んでいてよく、好ましくはGa又はScを含み、より好ましくはGaを含む。Mの含有量を示すcは通常0.8以下であり、好ましくは0.7以下、より好ましくは0.5以下、さらに好ましくは0.4以下、特に好ましくは0.35以下である。下限は特に制限されないが、通常0.00001以上であり、好ましくは0.001以上、より好ましくは0.05以上、さらに好ましくは0.1以上である。適切な量のMを含有することで、発光量が大幅に改善するとともに、発光ピーク波長が長波長側にシフトする効果を得られる。なお、MがGa、Sc、Inである時、シンチレータをそれぞれGAGP、GASP、GAIPと記載する場合がある。 In the general formula (1), M 3 may contain Ga, Sc, In and the like, preferably containing Ga or Sc, and more preferably containing Ga. The c indicating the content of M 3 is usually 0.8 or less, preferably 0.7 or less, more preferably 0.5 or less, still more preferably 0.4 or less, and particularly preferably 0.35 or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually 0.00001 or more, preferably 0.001 or more, more preferably 0.05 or more, and further preferably 0.1 or more. By containing an appropriate amount of M 3 , the amount of light emitted can be significantly improved, and the effect of shifting the emission peak wavelength to the longer wavelength side can be obtained. When M 3 is Ga, Sc, and In, the scintillators may be described as GAGP, GASP, and GAIP, respectively.

前記一般式(1)中、xはシンチレータ全体におけるA、M及びMのモル比の合計を表し、xは通常0.5以上、好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上であり、通常1.5以下、好ましくは1.3以下、より好ましくは1.1以下である。yはシンチレータ全体におけるAl及びMのモル比の合計を示し、yは通常0.5以上、好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上であり、通常1.5以下、好ましくは1.3以下、より好ましくは1.1以下である。zはシンチレータ全体における酸素(O)のモル比を表し、zは通常2以上、好ましくは2.5以上、より好ましくは2.7以上、通常4以下、好ましくは3.5以下、より好ましくは3.3以下である。x、y、zが適切な範囲にあることで、好ましい結晶構造を取ることができる。 In the general formula (1), x represents the total molar ratio of A, M 1 and M 2 in the entire scintillator, and x is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more. It is usually 1.5 or less, preferably 1.3 or less, and more preferably 1.1 or less. y indicates the total molar ratio of Al and M 3 in the entire scintillator, y is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more, usually 1.5 or less, preferably 1.5 or less. It is 1.3 or less, more preferably 1.1 or less. z represents the molar ratio of oxygen (O) in the entire scintillator, where z is usually 2 or more, preferably 2.5 or more, more preferably 2.7 or more, usually 4 or less, preferably 3.5 or less, more preferably. It is 3.3 or less. When x, y, and z are in an appropriate range, a preferable crystal structure can be obtained.

シンチレータの結晶構造は特に限定されないが、ガーネット、パイロクロア、ペロブスカイトなどでよく、好ましくは、ペロブスカイト相の割合が一定以上を占める。前記ペロブスカイト相の割合(相含有率)は通常40質量%以上であり、好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上、さらに好ましくは75質量%以上、特に好ましくは80%以上、殊更に好ましくは85質量%以上、最も好ましくは90質量%以上であり、上限は特に制限されず、100%であってもよい。当該領域のペロブスカイト相の割合が十分に高く、ペロブスカイト相が主成分であることで、他の相の割合に関わらず、ペロブスカイト相の特性が支配的となり、高い発光量と共に、非常に短いDTを示すシンチレータ材料を得ることができる。
なお、前記結晶構造および各結晶構造相の相含有率は、粉末状のシンチレータを用いて粉末X線回折ピークを測定して相を同定した後、得られた粉末X線回折ピークに対し、各相のピークを用いてリートベルト解析を行うことで、求めることができる。なお、シンチレータが粉末以外の形状である場合は、粉砕して粉末を得た後に前記粉末X線回析ピーク測定を行うことができる。
The crystal structure of the scintillator is not particularly limited, but garnet, pyrochlore, perovskite and the like may be used, and the proportion of the perovskite phase preferably occupies a certain level or more. The ratio (phase content) of the perovskite phase is usually 40% by mass or more, preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, still more preferably 75% by mass or more, particularly preferably 80% or more, particularly. It is preferably 85% by mass or more, most preferably 90% by mass or more, and the upper limit is not particularly limited and may be 100%. Since the proportion of the perovskite phase in the region is sufficiently high and the perovskite phase is the main component, the characteristics of the perovskite phase dominate regardless of the proportion of other phases, and a very short DT is produced with a high emission amount. The scintillator material shown can be obtained.
The phase content of the crystal structure and each crystal structure phase was determined with respect to the obtained powder X-ray diffraction peak after measuring the powder X-ray diffraction peak using a powdery scintillator to identify the phase. It can be obtained by performing Rietveld analysis using the peaks of the phase. When the scintillator has a shape other than powder, the powder X-ray diffraction peak measurement can be performed after pulverizing to obtain powder.

シンチレータの有効原子番号Zeffは、通常40以上であり、好ましくは45以上、より好ましくは50以上、さらに好ましくは55以上である。Zeffが高いことで高いX線阻止能を示すシンチレータ材料を提供できる。 The effective atomic number Z eff of the scintillator is usually 40 or more, preferably 45 or more, more preferably 50 or more, and further preferably 55 or more. It is possible to provide a scintillator material showing a high X-ray stopping power due to a high Z eff.

シンチレータは、電離放射線の照射により励起され、発光する。発光スペクトルにおいて最も発光が強く、波形上でピークとなる波長(発光ピーク波長)は通常350nm以上であり、好ましくは360nm以上、より好ましくは363nm以上、さらに好ましくは365nm以上、特に好ましくは370nm以上であり、通常700nm以下、好ましくは600nm以下である。電離放射線としてはX線、γ線、α線、中性子線等が挙げられる。発光ピーク波長がこの範囲にあることで、受光器にて効率的に電気信号に変換される光を放出できるシンチレータを得ることができる。発光ピーク波長を測定するに当たっては放射線照射、または紫外線照射などを用いることができる。本明細書においては、後述する実施例の方法で光励起を行い、励起効率の高い励起波長における発光スペクトルを観察し、該スペクトルにおけるピーク波長をシンチレータの発光ピーク波長として評価した。 The scintillator is excited by irradiation with ionizing radiation and emits light. The wavelength that emits the strongest light in the emission spectrum and peaks on the waveform (emission peak wavelength) is usually 350 nm or more, preferably 360 nm or more, more preferably 363 nm or more, still more preferably 365 nm or more, and particularly preferably 370 nm or more. Yes, usually 700 nm or less, preferably 600 nm or less. Examples of ionizing radiation include X-rays, γ-rays, α-rays, and neutron rays. When the emission peak wavelength is in this range, it is possible to obtain a scintillator capable of emitting light that is efficiently converted into an electric signal by the receiver. Irradiation, ultraviolet irradiation, or the like can be used to measure the emission peak wavelength. In the present specification, photoexcitation is performed by the method of Examples described later, an emission spectrum at an excitation wavelength with high excitation efficiency is observed, and the peak wavelength in the spectrum is evaluated as the emission peak wavelength of the scintillator.

本発明に係るシンチレータの蛍光寿命(シンチレーションディケイタイム、DT)は通常30ns以下、好ましくは25ns以下、より好ましくは20ns以下、さらに好ましくは15ns以下である。下限は特に制限されないが、通常1ns以上である。受光器にMPPCを用いる場合、好ましくは10ns以上である。DTがこの範囲に在ることで、時間分解能の高い放射線変換を可能にするシンチレータを提供できる。
DTの測定方法を例示する。シンチレータに対して放射線を照射し、シンチレータが放出した光を受光器で電荷へと変換した後、オシロスコープを用いてシグナルを出力する。シンチレータに対して放射線の照射を止めた時間をt=0とすると、シグナル強度は放射線照射を止めた後、通常、時間経過に伴い指数関数的に減衰する。本明細書では、前記方法で出力されるシグナルをシグナル強度と時間を軸にプロットし、二次の指数関数を用いたフィッティングを行い、シグナル強度と時間の関係を表す式を導き出す。前記式からシグナル強度が最大強度の1/eに減衰する時間tを算出し、当該時間tを蛍光寿命(DT)とする。
The fluorescence lifetime (scintillation decay time, DT) of the scintillator according to the present invention is usually 30 ns or less, preferably 25 ns or less, more preferably 20 ns or less, still more preferably 15 ns or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually 1 ns or more. When MPPC is used as the receiver, it is preferably 10 ns or more. Having the DT in this range can provide a scintillator that enables radiation conversion with high time resolution.
A method of measuring DT will be illustrated. The scintillator is irradiated with radiation, the light emitted by the scintillator is converted into electric charges by a receiver, and then a signal is output using an oscilloscope. Assuming that the time when the irradiation of the scintillator is stopped is t = 0, the signal intensity usually decreases exponentially with the passage of time after the irradiation is stopped. In the present specification, the signal output by the above method is plotted on the axis of signal intensity and time, and fitting using a quadratic exponential function is performed to derive an equation expressing the relationship between signal intensity and time. From the above equation, the time t at which the signal intensity decays to 1 / e of the maximum intensity is calculated, and the time t is defined as the fluorescence lifetime (DT).

シンチレータからの蛍光がDTの異なる複数の成分を有する場合、前記プロットは複数の成分に相当する波形が合成されたものとなるが、前記フィッティングを行うことで各成分を分解して把握することができる。本明細書においては便宜上、各成分をDTが短いものから順に1st成分、2nd成分、・・と呼称する。
また、各成分について、前記シグナル強度と時間を軸にしたプロットにおいてシグナル強度を時間で積分した値を求め、各成分の積分値の合計を100%とした時の各成分の積分値を、該成分の相対率として評価することができる。
When the fluorescence from the scintillator has a plurality of components having different DTs, the plot is a composite of waveforms corresponding to the plurality of components, but each component can be decomposed and grasped by performing the fitting. can. In the present specification, for convenience, each component is referred to as a 1st component, a 2nd component, and so on in order from the one having the shortest DT.
Further, for each component, the value obtained by integrating the signal intensity with time in the plot centered on the signal intensity and time is obtained, and the integrated value of each component is obtained when the total of the integrated values of each component is 100%. It can be evaluated as the relative ratio of the components.

本発明にかかるシンチレータの発光量は通常10,000Ph/MeV以上、より好ましくは20,000Ph/MeV以上である。 The amount of light emitted from the scintillator according to the present invention is usually 10,000 Ph / MeV or more, more preferably 20,000 Ph / MeV or more.

本発明に係るシンチレータにX線を照射し、発光強度が最大値になった時間から20ms後の発光強度(以下、残光強度と記載することもある)は、発光強度の最大値を1として通常2000ppm以下、好ましくは1500ppm以下、より好ましくは1000ppm以下であり、下限値は特に制限されず、小さければ小さいほど好ましい。また、40ms後の発光強度(残光強度)は、発光強度の最大値を1として通常600ppm以下、好ましくは500ppm以下、より好ましくは400ppm以下、さらに好ましくは300ppm以下、特に好ましくは200ppm以下であり、下限値は特に制限されず、小さければ小さいほど好ましい。残光強度が十分低いと、より時間分解能が高く、かつ鮮鋭な放射線画像を提供するシンチレータを得ることができる。なお、発光強度は、実施例に記載のフォトンカウンティングの手法で求めることができる。 The scintillator according to the present invention is irradiated with X-rays, and the light emission intensity 20 ms after the time when the light emission intensity reaches the maximum value (hereinafter, may be referred to as afterglow intensity) is set to 1 with the maximum value of the light emission intensity as 1. It is usually 2000 ppm or less, preferably 1500 ppm or less, more preferably 1000 ppm or less, and the lower limit is not particularly limited, and the smaller the value, the more preferable. The emission intensity (afterglow intensity) after 40 ms is usually 600 ppm or less, preferably 500 ppm or less, more preferably 400 ppm or less, still more preferably 300 ppm or less, and particularly preferably 200 ppm or less, with the maximum value of the emission intensity as 1. The lower limit is not particularly limited, and the smaller the value, the more preferable. When the afterglow intensity is sufficiently low, a scintillator having a higher time resolution and providing a sharp radiographic image can be obtained. The emission intensity can be determined by the photon counting method described in the examples.

以下、本発明に係るシンチレータに用いる原料について例示する。
用いる原料は本発明に係るシンチレータが得られる限り特に制限はないが、例えば各々の構成原子の酸化物、ハロゲン化物、無機酸塩などを用いることができる。例えばGd、Y、Lu、La、Al、Ga、Scに関しては、それぞれGd、Y、Lu、LaあるいはLa(OH)、Al、Ga、Scなどを用いることができる。各原料の純度は通常90質量%以上、好ましくは99質量%以上であり、上限は特に制限されない。Oは各元素の酸化物に含まれるO原子を用いてもよい。
また、原料の態様は、本発明に係るシンチレータが得られる限り特に制限されないが、例えば粉末状の物を用いることができる。
Hereinafter, the raw materials used for the scintillator according to the present invention will be illustrated.
The raw material used is not particularly limited as long as the scintillator according to the present invention can be obtained, and for example, oxides, halides, inorganic acid salts and the like of each constituent atom can be used. For example, regarding Gd, Y, Lu, La, Al, Ga, and Sc, Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , La 2 O 3 or La (OH) 3 , Al 2 O 3 , Ga, respectively. 2 O 3 , Sc 2 O 3, and the like can be used. The purity of each raw material is usually 90% by mass or more, preferably 99% by mass or more, and the upper limit is not particularly limited. As O, an O atom contained in the oxide of each element may be used.
The mode of the raw material is not particularly limited as long as the scintillator according to the present invention can be obtained, but for example, a powdery material can be used.

次に、本発明に係るシンチレータを製造する方法を例示する。目的とする組成が得られるように原料を秤量し、十分混合したのち、耐熱容器に設置した後、所定温度、雰囲気下で焼成することで所望の粉末を得ることができる。焼成後に、欠陥除去、酸素欠損への酸素充填又はCeの価数調整を目的として、アニールを行うこともある。 Next, a method for manufacturing the scintillator according to the present invention will be illustrated. The raw materials are weighed so as to obtain the desired composition, mixed sufficiently, placed in a heat-resistant container, and then fired at a predetermined temperature and in an atmosphere to obtain a desired powder. After firing, annealing may be performed for the purpose of removing defects, filling oxygen deficiencies with oxygen, or adjusting the valence of Ce.

<原料の混合工程>
原料を混合する方法は特に限定はされず、一般的に用いられている方法が適用可能であり、乾式混合法、湿式混合法のいずれであってもよい。
乾式混合法としては、例えば、ボールミルなどを用いた混合が挙げられる。乳鉢と乳棒を使用して混合してもよい。
湿式混合法としては、例えば、原料に水等の溶媒又は有機溶媒を加え、乳鉢と乳棒を用いて混合し分散溶液又はスラリーの状態とした上で、噴霧乾燥、加熱乾燥又は自然乾燥等により乾燥させる方法が挙げられる。有機溶媒は特に制限されないが、例えばアセトン、エタノールなどを用いることができる。
<Raw material mixing process>
The method of mixing the raw materials is not particularly limited, and a generally used method can be applied, and either a dry mixing method or a wet mixing method may be used.
Examples of the dry mixing method include mixing using a ball mill or the like. You may mix using a mortar and pestle.
As a wet mixing method, for example, a solvent such as water or an organic solvent is added to the raw material, mixed using a milk bowl and a milk stick to prepare a dispersion solution or a slurry, and then dried by spray drying, heat drying, natural drying or the like. There is a way to make it. The organic solvent is not particularly limited, but for example, acetone, ethanol and the like can be used.

<焼成工程>
原料混合物は、通常粉末状で得られる(混合粉末)。前記混合物は、粉末のまま焼成することもできる。または、粉末を成形した後に、得られた成形体を焼成する方法でもよい。本明細書においては便宜上、粉末のまま焼成した場合に得られる物を焼成粉末、焼成前に成形を行った後、成形体を焼成して得られる物を焼結体と呼ぶ。
本工程で得られた焼成粉末は、焼結体を得るために利用してもよく、そのまま完成したシンチレータとして利用することもできる。または、単結晶育成の出発原料としても利用できる。
粉末を焼成する前に成形する場合、成形方法は特に制限されないが、例えば油圧プレスと金型を用いた一軸成型、冷間等方圧加圧法(CIP)などを用いることができる。成形を行うことで、粉末の粒子同士の接触面積が増し、高い密度の焼成体を得ることができる。
<Baking process>
The raw material mixture is usually obtained in the form of a powder (mixed powder). The mixture can also be calcined as a powder. Alternatively, a method may be used in which the obtained molded product is fired after molding the powder. In the present specification, for convenience, a product obtained by firing as a powder is referred to as a fired powder, and a product obtained by firing a molded product after molding before firing is referred to as a sintered body.
The calcined powder obtained in this step may be used to obtain a sintered body, or may be used as it is as a completed scintillator. Alternatively, it can be used as a starting material for growing a single crystal.
When molding the powder before firing, the molding method is not particularly limited, and for example, uniaxial molding using a hydraulic press and a mold, cold isotropic pressure pressing method (CIP), and the like can be used. By performing the molding, the contact area between the powder particles is increased, and a fired body having a high density can be obtained.

焼成の温度、圧力及び時間については、本発明に係るシンチレータが得られる限り特に制限はなく、混合した各原料が充分に反応する温度、時間とすることが好ましいが、温度は通常800℃以上、好ましくは1000℃以上、より1200℃以上であり、通常2000℃以下、好ましくは1800℃以下、より好ましくは1600℃以下である。また、圧力は通常0.01MPa以上、1000MPa以下である。また、時間は通常1時間以上、好ましくは2時間以上であり、通常24時間以下、好ましくは18時間以下である。合成の温度が低すぎ、或いは時間が短すぎる場合は合成が十分に進まず、逆に合成の温度が高すぎ、或いは時間が長すぎる場合は好ましくない反応が起き、或いは酸素など蒸発しやすい元素が脱離する場合がある。 The firing temperature, pressure, and time are not particularly limited as long as the scintillator according to the present invention can be obtained, and it is preferable that the temperature and time are such that the mixed raw materials sufficiently react, but the temperature is usually 800 ° C. or higher. It is preferably 1000 ° C. or higher, more 1200 ° C. or higher, usually 2000 ° C. or lower, preferably 1800 ° C. or lower, and more preferably 1600 ° C. or lower. The pressure is usually 0.01 MPa or more and 1000 MPa or less. The time is usually 1 hour or more, preferably 2 hours or more, usually 24 hours or less, preferably 18 hours or less. If the synthesis temperature is too low or the time is too short, the synthesis will not proceed sufficiently. Conversely, if the synthesis temperature is too high or the time is too long, an unfavorable reaction will occur, or an element that easily evaporates, such as oxygen. May be detached.

焼成時の雰囲気については、本発明に係るシンチレータが得られる限り特に制限はないが、材料、反応容器及び炉材などの安定性を考慮し、適宜適した雰囲気下で焼成を行うことが好ましい。例えば大気中雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気が挙げられる。焼成に用いる耐熱容器の材料は特に制限されないが、原料およびシンチレータ材料と反応しない不活性な材質のものが好ましい。例えばアルミナ、BN、Moなどを用いることができる。 The atmosphere at the time of firing is not particularly limited as long as the scintillator according to the present invention can be obtained, but it is preferable to perform firing in an appropriately suitable atmosphere in consideration of the stability of the material, reaction vessel, furnace material and the like. For example, an atmospheric atmosphere, an argon atmosphere, and a nitrogen atmosphere can be mentioned. The material of the heat-resistant container used for firing is not particularly limited, but an inert material that does not react with the raw material and the scintillator material is preferable. For example, alumina, BN, Mo and the like can be used.

<アニール工程>
本発明に係る焼成粉末を得るにあたっては、焼成後に欠陥修復や酸素欠損への酸素充填、賦活元素の価数調整の目的でアニールを行ってもよい。アニール工程における温度、圧力、雰囲気などの諸条件は、本発明に係るシンチレータが得られる限り特に制限はないが、温度は通常500℃以上、好ましくは600℃以上、より好ましくは700℃以上であり、通常2000℃以下、好ましくは1800℃以下、より好ましくはで1600℃以下である。圧力は通常0.01MPa以上1000MPa以下である。雰囲気は特に制限されず、例えば大気を用いることもでき、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いることもでき、各種元素を混合したガスを用いることもできる。酸素欠損への酸素充填の観点から、好ましくは酸素を含む。本工程を経ることで欠陥による光吸収を低減することができる。
<Annealing process>
In obtaining the calcined powder according to the present invention, annealing may be performed after calcining for the purpose of repairing defects, filling oxygen deficiencies with oxygen, and adjusting the valence of the activating element. Various conditions such as temperature, pressure, and atmosphere in the annealing step are not particularly limited as long as the scintillator according to the present invention can be obtained, but the temperature is usually 500 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher, more preferably 700 ° C. or higher. , Usually 2000 ° C. or lower, preferably 1800 ° C. or lower, more preferably 1600 ° C. or lower. The pressure is usually 0.01 MPa or more and 1000 MPa or less. The atmosphere is not particularly limited, and for example, the atmosphere can be used, an inert gas such as nitrogen or argon can be used, or a gas in which various elements are mixed can be used. From the viewpoint of filling oxygen deficiency with oxygen, oxygen is preferably contained. By going through this step, light absorption due to defects can be reduced.

シンチレータを単結晶として得る場合は、例えば上記焼成により得られた焼成粉末、又は前記焼結体を粉砕して得られた粉末を加熱により溶融し、融液から単結晶を成長させることで得ることができる。単結晶作製時の容器や雰囲気は、焼結体の製造と同様の観点で適宜選択することができる。または、焼成工程を経ずに、各出発原料を加熱により溶融した上で混合し、或いは各出発原料を混合した上で加熱により溶融することで融液を作製し、前記融液を用いて単結晶を成長させることで得ることもできる。単結晶を成長させる方法には特に制限はなく、一般的なチョクラルスキー法、ブリッジマン法、マイクロ引下げ法、EFG法、ゾーンメルト法、Fz法、スカルメルト法などを用いることができる。融点を下げる目的では、フラックス法などを用いることもできる。大型の結晶を成長させる場合は、チョクラルスキー法、ブリッジマン法が好ましい。 When the scintillator is obtained as a single crystal, for example, it is obtained by melting the fired powder obtained by the above-mentioned firing or the powder obtained by crushing the sintered body by heating and growing the single crystal from the melt. Can be done. The container and atmosphere at the time of producing the single crystal can be appropriately selected from the same viewpoint as in the production of the sintered body. Alternatively, a melt is prepared by melting each starting material by heating and then mixing it without going through a firing step, or by mixing each starting material and melting it by heating, and using the melt alone. It can also be obtained by growing crystals. The method for growing a single crystal is not particularly limited, and a general Czochralski method, Bridgeman method, micro-pulling method, EFG method, zone melt method, Fz method, skull melt method and the like can be used. For the purpose of lowering the melting point, the flux method or the like can also be used. When growing large crystals, the Czochralski method and the Bridgeman method are preferable.

本発明に係るシンチレータを粉末として得る場合、方法は特に制限されないが、例えば上記焼成により得られた焼成粉末をそのまま粉末状のシンチレータとして使用してもよく、成形後に焼成して得られた焼結体を粉砕して得てもよい。 When the scintillator according to the present invention is obtained as a powder, the method is not particularly limited. For example, the calcined powder obtained by the above firing may be used as it is as a powder scintillator, or the sintered obtained by calcining after molding. You may obtain it by crushing the body.

シンチレータは、シンチレータが放出する光を電気信号へと変換する受光器と組み合わせることで、放射線検知器としての使用が可能となる。放射線検知器の用途に用いる際、シンチレータは、粉末、焼結体、単結晶のいずれの形態でもよい。放射線検知器において使用される受光器としては、光電子増倍管(PMT)、フォトダイオード(PD)またはアバランシェフォトダイオード(APD)、マルチピクセルフォトンカウンタ(MPPC)(別名:シリコンフォトマルチプライヤー(Si−PM))を用いたものが挙げられる。 The scintillator can be used as a radiation detector by combining it with a receiver that converts the light emitted by the scintillator into an electric signal. When used in radiation detector applications, the scintillator may be in the form of powder, sintered body, or single crystal. Photomultiplier tubes (PMTs), photodiodes (PDs) or avalanche photodiodes (APDs), multipixel photon counters (MPPCs) (also known as silicon photomultipliers (Si-)) are used in radiation detectors. PM))) is used.

さらに、これらの放射線検知器を備えることで、放射線検査システムまたは検査装置としても使用可能である。放射線検査装置としては、非破壊検査用検出器、資源探査用検出器、高エネルギー物理用検出器などの非破壊検査用の検査装置、又は医用画像処理装置などの診断装置が挙げられる。医用画像処理装置の例としては、X線CTやPET(陽電子放射断層撮影)、SPECT(単一光子放射断層撮影)といった装置が挙げられる。X線CTは、既存のX線CTからデュアルエナジーCTへ発展して、次世代のCTとしてフォトンカウンティングCTが期待されている。 Furthermore, by providing these radiation detectors, it can also be used as a radiation inspection system or inspection device. Examples of the radiation inspection device include a non-destructive inspection detector such as a non-destructive inspection detector, a resource exploration detector, a high-energy physical detector, and a diagnostic device such as a medical image processing device. Examples of medical image processing devices include devices such as X-ray CT, PET (positron emission tomography), and SPECT (single photon emission tomography). X-ray CT has evolved from existing X-ray CT to dual energy CT, and photon counting CT is expected as a next-generation CT.

シンチレータの形態には特に制限がなく、粉末、焼結体、単結晶のいずれでもよく、各々の用途、目的に合わせた形態が好ましい。例えば、X線CT装置では単結晶、または、焼結体のブロックが考えられる。 The form of the scintillator is not particularly limited, and may be powder, sintered body, or single crystal, and a form suitable for each application and purpose is preferable. For example, in an X-ray CT apparatus, a single crystal or a sintered block can be considered.

以下、本発明について、実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

<実施例1〜7><比較例1>
Gd(純度99.99質量%)、Al(純度99.99質量%)、Ga(純度99.99質量%)、Sc(純度99.99質量%)、CeO(純度99.99質量%)を原料に用い、Gd、Ce、Al、Ga、Sc各元素のモル比が下記表1の通りになる様に、粉末状の各原料をエタノール中で混合した。得られた粉末状の原料混合物を100MPaで一軸加圧プレスしてペレット状に成形した。成形体を大気下、常圧、1500℃、4hの条件で焼成して焼結体を得た。その後、乳鉢と乳棒にて焼結体を粉砕し、粉末状のシンチレータサンプル(以下、粉末サンプルと記載することもある)を得た。
<Examples 1 to 7><Comparative example 1>
Gd 2 O 3 (purity 99.99% by mass), Al 2 O 3 (purity 99.99% by mass), Ga 2 O 3 (purity 99.99% by mass), Sc 2 O 3 (purity 99.99% by mass) ), CeO 2 (purity 99.99% by mass) is used as a raw material, and each powdered raw material is contained in ethanol so that the molar ratio of each element of Gd, Ce, Al, Ga, Sc is as shown in Table 1 below. Mixed in. The obtained powdery raw material mixture was uniaxially pressure-pressed at 100 MPa to form pellets. The molded product was fired in the atmosphere at normal pressure at 1500 ° C. for 4 hours to obtain a sintered body. Then, the sintered body was crushed with a mortar and a pestle to obtain a powdery scintillator sample (hereinafter, also referred to as a powder sample).

<有効原子番号Zeffの算出方法>
x=1、y=1、z=3として、表1における元素比におけるZeffを算出した。算出においては、下記式(3)で表される化合物のZeffを、下記式(4)及び式(5)に基づき、係数k=4として算出した。なお、下記各式および式の説明において、”*”は左右の値の積算を行うことを意味する記号である。
結果を表1に示す。
<Calculation method of effective atomic number Z eff>
Z eff in the element ratio in Table 1 was calculated with x = 1, y = 1, and z = 3. In the calculation, the Z eff of the compound represented by the following formula (3) was calculated with a coefficient k = 4 based on the following formulas (4) and (5). In the following formulas and explanations of the formulas, "*" is a symbol meaning that the left and right values are integrated.
The results are shown in Table 1.

AaBbCcDd・・・(3)
(式中、A,B,C,Dはそれぞれ化合物を構成する第1の元素から第4の元素を示し、a、b、c、dはそれぞれ、化合物における元素A、B、C、Dのモル比を示す。この式では構成元素が4種の例を示したが、構成元素が3種以下又は5種以上の化合物に関しても、異なるアルファベットを用いて同様に記載することができる。また、A,B,C,D等の代わりに化合物に含まれる任意の元素をM、a,b,c,d等の代わりに前記M元素のモル比をmで示すこともできる。)
AaBbCcDd ... (3)
(In the formula, A, B, C and D represent the first to fourth elements constituting the compound, respectively, and a, b, c and d are the elements A, B, C and D in the compound, respectively. The molar ratio is shown. In this formula, an example of four kinds of constituent elements is shown, but compounds having three or less kinds of constituent elements or five or more kinds of constituent elements can be similarly described using different alphabets. Any element contained in the compound instead of A, B, C, D, etc. can be indicated by m instead of M, a, b, c, d, etc.).

=X(M)*m/Σ(X(M)*m)・・・(4)
(式(4)中、Mは式(3)で表される化合物における任意の元素M、mは前記元素Mのモル比mを示し、X(M)は元素Mの原子量を示す。また、Σ(X(M)*m)とは、式(3)で表される化合物に含まれる全ての元素Mにおける(X(M)*m)の値を合計することを示す。)例えば化合物がAaBbCcDdで表されるとき、w={(Aの原子量)*a}/{(Aの原子量)*a+(Bの原子量)*b+(Cの原子量)*c+(Dの原子量)*d }である。
w m = X (M) * m / Σ (X (M) * m) ... (4)
(In the formula (4), M represents an arbitrary element M in the compound represented by the formula (3), m represents the molar ratio m of the element M, and X (M) represents the atomic weight of the element M. Σ (X (M) * m) indicates that the values of (X (M) * m) in all the elements M contained in the compound represented by the formula (3) are totaled.) For example, the compound is When represented by AaBbCcDd, w a = {(atomic weight of A) * a} / {(atomic weight of A) * a + (atomic weight of B) * b + (atomic weight of C) * c + (atomic weight of D) * d} Is.

eff=[Σ{w*(Z}](1/K)・・・(5)
(式(5)中、wは式(3)で表される任意の元素Mに対する式(4)で表されるwを示す。また、Zは前記元素Mの原子番号を示す。また、Σ[w*Z^k]とは、式(3)で表される化合物に含まれる全ての元素Mに対する[w*Z^k]の値を合計することを意味する。
Z eff = [Σ {w m * (Z M ) k }] (1 / K)・ ・ ・ (5)
(In the formula (5), w m represents w m represented by the formula (4) with respect to any element M represented by the formula (3), and Z M represents the atomic number of the element M. Further, Σ [w m * Z M ^ k] means to sum the values of [w m * Z M ^ k] for all the elements M contained in the compound represented by the formula (3). ..

<X線励起時発光強度の測定>
粉末サンプル200mgをΦ14.8mm、負荷さ8mmの合成石英製シャーレの底に均等に敷き詰めた後、粉末サンプルに対してパルスX線を照射し、フォトンカウンティングの手法で発光強度を測定した。具体的には、X線管球(タングステン)に100kV, 0.5mAを印加することによりX線を発生させた。粉末サンプルにX線を照射後、光電子増倍管H13126で発生した微弱光を検出し、浜松ホトニクスC12918インターフェイスを使ってモニタリングした。後述する比較例1の粉末サンプルの発光量を1として、各実施例に係る粉末サンプルの相対的な発光強度を求めた。結果を表1に示す。
<Measurement of emission intensity when excited by X-rays>
After 200 mg of the powder sample was evenly spread on the bottom of a synthetic quartz petri dish having a diameter of 14.8 mm and a load of 8 mm, the powder sample was irradiated with pulse X-rays and the emission intensity was measured by a photon counting method. Specifically, X-rays were generated by applying 100 kV, 0.5 mA to an X-ray tube (tungsten). After irradiating the powder sample with X-rays, the weak light generated by the photomultiplier tube H13126 was detected and monitored using the Hamamatsu Photonics C12918 interface. The relative emission intensity of the powder sample according to each example was determined by setting the emission amount of the powder sample of Comparative Example 1 described later to 1. The results are shown in Table 1.

<残光強度>
医療用小型・軽量ポータブルX線撮影装置PORTAをX線源とし、100kV、20mAs、16mGy/sの条件でX線を粉末サンプルに照射し、20ms及び40ms後の発光強度(残光強度)を評価した。結果を表3に示す。
<Afterglow intensity>
Using the medical compact and lightweight portable X-ray imaging device PORTA as the X-ray source, the powder sample is irradiated with X-rays under the conditions of 100 kV, 20 mAs, and 16 mGy / s, and the emission intensity (afterglow intensity) after 20 ms and 40 ms is evaluated. bottom. The results are shown in Table 3.

<発光ピーク波長の測定>
F−7000(日立製作所)分光器を用い、粉末サンプルに対して220〜500nmの光を照射し、発光スペクトルおよび励起スペクトルを観察し、発光ピーク波長を求めた。結果を表1および図1〜3に示す。
図1〜3において点線は各シンチレータの励起スペクトルを、実線は290nmの光を吸収した際の発光スペクトルを示す。例えば、em371nmとは、点線で示す励起スペクトルを示した時の発光ピーク波長が371nmであることを意味し、例えばex290nmとは、実線で示した発光スペクトルが、波長290nmの光で励起されたものであることを意味する。
<Measurement of emission peak wavelength>
Using an F-7000 (Hitachi, Ltd.) spectroscope, the powder sample was irradiated with light of 220 to 500 nm, the emission spectrum and the excitation spectrum were observed, and the emission peak wavelength was determined. The results are shown in Table 1 and FIGS.
In FIGS. 1 to 3, the dotted line shows the excitation spectrum of each scintillator, and the solid line shows the emission spectrum when light of 290 nm is absorbed. For example, em371 nm means that the emission peak wavelength when the excitation spectrum shown by the dotted line is shown is 371 nm. For example, ex290 nm means that the emission spectrum shown by the solid line is excited by light having a wavelength of 290 nm. Means that

<蛍光寿命(DT)>
得られた粉末サンプルを数十秒間、常温で油圧プレスにより100MPa下で一軸成型により圧粉状のペレットに加工した後、大気下、常圧下、1000℃、2時間の条件で再度焼結し、焼結体サンプルを得た。得られた焼結体サンプルを用いて、ガンマ線励起時の蛍光寿命(DT)を評価した。信越化学工業社製オプトシールを用い、浜松ホトニクス社製H7195光電子増倍管に焼結体サンプルを密着させた。Cs−137を励起源として前記焼結体サンプルにγ線を照射し、テクトロニクス社製MSO54 5−BW−1000オシロスコープを用い、γ線照射時および照射後の蛍光に基づくシグナル強度を測定した。前記シグナル強度に基づき、二次の指数関数を用いてフィッティングすることで複数の成分を分離し、各成分の蛍光寿命(DT)を算出した。
その結果、各焼結体サンプルの蛍光は、DTの異なる2成分から成ることが分かったため、先述の方法で2成分の相対率を求めた。結果を表2に示す。DTの短い成分を1st成分、長い成分を2nd成分とし、1st成分を各シンチレータのDTとして評価した。
<Fluorescence life (DT)>
The obtained powder sample was processed into powdery pellets by uniaxial molding under 100 MPa with a hydraulic press at room temperature for several tens of seconds, and then resintered under the conditions of air, normal pressure, 1000 ° C., and 2 hours. A sintered sample was obtained. The obtained sintered body sample was used to evaluate the fluorescence lifetime (DT) at the time of gamma ray excitation. A sintered sample was brought into close contact with a H7195 photomultiplier tube manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. using an opt seal manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. The sintered body sample was irradiated with γ-rays using Cs-137 as an excitation source, and the signal intensity based on fluorescence during and after γ-ray irradiation was measured using an MSO54 5-BW-1000 oscilloscope manufactured by Tektronix. Based on the signal intensity, a plurality of components were separated by fitting using a quadratic exponential function, and the fluorescence lifetime (DT) of each component was calculated.
As a result, it was found that the fluorescence of each sintered sample was composed of two components having different DTs, so the relative ratio of the two components was determined by the method described above. The results are shown in Table 2. The short component of DT was evaluated as the 1st component, the long component was defined as the 2nd component, and the 1st component was evaluated as the DT of each scintillator.

<結晶構造と割合の特定>
得られた粉末サンプルの粉末X線回折ピークを測定し、相を同定した。その結果、得られたシンチレータはGdAl(Ga)O(GA(G)P、ペロブスカイト)相、GdAl相、GdAlGa12(GAGG、ガーネット)相の3相から構成されることがわかった。得られた粉末X線回折ピークに対し、前記3相のピークを用いてリートベルト解析を行い、各相の相含有率(質量%)を求めた。結果を表2に示す。
<Specification of crystal structure and proportion>
The powder X-ray diffraction peak of the obtained powder sample was measured to identify the phase. As a result, the scintillators obtained were three phases: GdAl (Ga) O 3 (GA (G) P, perovskite) phase, Gd 4 Al 2 O 9 phase, and Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 (GAGG, garnet) phase. It was found that it was composed of. Rietveld analysis was performed on the obtained powder X-ray diffraction peak using the peaks of the three phases, and the phase content (mass%) of each phase was determined. The results are shown in Table 2.

<実施例8〜15>
各元素の原料混合時のモル比を表4に示す通りにした以外は、実施例1と同様にしてシンチレータサンプルを得た。原料混合時のモル比から計算上のZeffを求めた。また、得られた各シンチレータサンプルについて、実施例1と同様に発光強度を測定した。結果を表4に示す。





























<Examples 8 to 15>
A scintillator sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of each element at the time of mixing the raw materials was as shown in Table 4. The calculated Z eff was obtained from the molar ratio when the raw materials were mixed. In addition, the emission intensity of each of the obtained scintillator samples was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 4.





























Figure 2021143288
Figure 2021143288

Figure 2021143288

※”N.D.”は”検出下限以下またはベースライン以下”を意味する。














Figure 2021143288

* "ND" means "below the detection limit or below the baseline".














Figure 2021143288
Figure 2021143288


Figure 2021143288
Figure 2021143288

実施例に係るシンチレータの計算上のZeffはいずれも57〜58と高く、結晶相は主にペロブスカイト相を示した。また、ペロブスカイト相以外の相の含有率に関わらず、20ns以下と非常に短いDTを示した。また、実施例1から7に示されるように、実施例に係るシンチレータはAlサイトの元素を一部他の元素に置換することで、前記置換を行っていない比較例1に比べ、発光強度が飛躍的に向上したほか、発光ピーク波長が比較例1の361nmと比べ、Gaを用いた場合は最大371nm、Scを用いた場合は373nmまで長波長側にシフトした。
なお、受光器にMPPCを用いる場合シンチレータのDTは10ns以上であることが好ましいが、実施例に係るシンチレータはいずれもこの条件を満たすものであった。
The calculated Z eff of the scintillators according to the examples was as high as 57 to 58, and the crystal phase mainly showed a perovskite phase. Moreover, regardless of the content of the phase other than the perovskite phase, the DT was as short as 20 ns or less. Further, as shown in Examples 1 to 7, the scintillator according to the example replaces a part of the element of Al site with another element, so that the emission intensity is higher than that of Comparative Example 1 in which the substitution is not performed. In addition to the dramatic improvement, the emission peak wavelength was shifted to the long wavelength side up to 371 nm when Ga was used and 373 nm when Sc was used, as compared with 361 nm in Comparative Example 1.
When MPPC is used as the receiver, the DT of the scintillator is preferably 10 ns or more, but all the scintillators according to the examples satisfy this condition.

以上に示す通り、本発明は、DTが短く、発光量が高く、かつ発光ピーク波長が長いシンチレータ材料を提供できる。 As described above, the present invention can provide a scintillator material having a short DT, a high emission amount, and a long emission peak wavelength.

また、本発明は上記の特性を満たすシンチレータを用いることで、線量が低く感度の高い放射線検知器ならびに放射線検査装置を提供できる。 Further, the present invention can provide a radiation detector and a radiation inspection device having a low dose and high sensitivity by using a scintillator satisfying the above characteristics.

Claims (13)

一般式(1)を満たす組成のシンチレータを含む、シンチレータ。
(A1―a−b (Al1−c ・・・(1)
(式(1)中、AはGd、Y、Lu及びLaからなる群より選択される少なくとも一種を含み、MはAと異なる賦活元素を表し、MはA、Mと異なる元素であってCa、Sr、Ba、Y、La、Sm、Gd、Dy、Ho、Luからなる群より選択される少なくとも一種を含み、Mは少なくともGa、Sc又はInを含み、x、y、z、a、b、cはそれぞれ独立に0.5≦x≦1.5、0.5≦y≦1.5、2≦z≦4、0<a≦0.5、0≦b≦0.9、0<c≦0.8を満たす。)
A scintillator comprising a scintillator having a composition satisfying the general formula (1).
(A 1-ab M 1 a M 2 b ) x (Al 1-c M 3 c ) y Oz ... (1)
(In the formula (1), A contains at least one selected from the group consisting of Gd, Y, Lu and La, M 1 represents an activating element different from A, and M 2 is an element different from A and M 1. At least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Y, La, Sm, Gd, Dy, Ho, Lu, M 3 contains at least Ga, Sc or In, x, y, z. , A, b, and c are independently 0.5 ≦ x ≦ 1.5, 0.5 ≦ y ≦ 1.5, 2 ≦ z ≦ 4, 0 <a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0. 9, 0 <c ≦ 0.8 is satisfied.)
一般式(1)において、MがCe、Pr,Tbのいずれか1つ以上を含む、請求項1に記載のシンチレータ。 The scintillator according to claim 1, wherein in the general formula (1), M 1 contains any one or more of Ce, Pr, and Tb. 一般式(1)において、0.0001≦a≦0.2である、請求項1又は2に記載のシンチレータ。 The scintillator according to claim 1 or 2, wherein in the general formula (1), 0.0001 ≦ a ≦ 0.2. 一般式(1)において、0.1≦c≦0.5である、請求項1から3のいずれか1項に記載のシンチレータ。 The scintillator according to any one of claims 1 to 3, wherein in the general formula (1), 0.1 ≦ c ≦ 0.5. 一般式(1)において、MがGaまたはScを含む、請求項1から4のいずれか1項に記載のシンチレータ。 The scintillator according to any one of claims 1 to 4, wherein in the general formula (1), M 3 contains Ga or Sc. Cs137−放射線で励起した際の蛍光寿命(DT)が25ns以下である、請求項1から5のいずれか1項に記載のシンチレータ。 Cs137-The scintillator according to any one of claims 1 to 5, which has a fluorescence lifetime (DT) of 25 ns or less when excited by radiation. 発光ピーク波長が363nm以上である、請求項1から6のいずれか1項に記載のシンチレータ。 The scintillator according to any one of claims 1 to 6, wherein the emission peak wavelength is 363 nm or more. 粉末X線回折ピークに対しリートベルト解析を行った際に、ペロブスカイト相の割合が50質量%以上である、請求項1から7のいずれか1項に記載のシンチレータ。 The scintillator according to any one of claims 1 to 7, wherein the ratio of the perovskite phase is 50% by mass or more when Rietveld analysis is performed on the powder X-ray diffraction peak. 請求項1から8のいずれか1項に記載されたシンチレータ材料を含む、放射線検知器。 A radiation detector comprising the scintillator material according to any one of claims 1 to 8. 請求項9に記載の放射線検知器を含む、放射線検査装置。 A radiation inspection apparatus including the radiation detector according to claim 9. 少なくとも以下のステップを含む、請求項1から8のいずれか1項に記載のシンチレータ材料の製造方法;
a)原料を混合するステップ、
b)混合した原料を含む粉末または成形体を800℃以上2000℃以下、0.01MPa以上1000MPa以下、1時間以上24時間以下の条件で焼成するステップ。
The method for producing a scintillator material according to any one of claims 1 to 8, which comprises at least the following steps;
a) Steps to mix the ingredients,
b) A step of firing a powder or a molded product containing the mixed raw materials under the conditions of 800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower, 0.01 MPa or higher and 1000 MPa or lower, and 1 hour or longer and 24 hours or shorter.
さらに、下記のステップc)またはd)を含む請求項11に記載のシンチレータ材料の製造方法。
c)得られた焼結体を粉砕して粉末を得るステップ、
d)得られた焼結体を溶融し、得られた融液から単結晶を成長させるステップ。
The method for producing a scintillator material according to claim 11, further comprising the following steps c) or d).
c) Step of crushing the obtained sintered body to obtain a powder,
d) A step of melting the obtained sintered body and growing a single crystal from the obtained melt.
少なくとも下記のステップを含む、請求項1から8のいずれか1項に記載のシンチレータ材料の製造方法。
e)下記e−1)又はe−2)を含むステップ;
e−1)各原料を混合した後、原料混合物を溶融して融液を得るステップ、
e−2)各原料を溶融させた上で、得られた融液を混合して融液を得るステップ、
f)e)で得られた融液から単結晶を成長させるステップ。
The method for producing a scintillator material according to any one of claims 1 to 8, which comprises at least the following steps.
e) Steps including the following e-1) or e-2);
e-1) After mixing each raw material, the step of melting the raw material mixture to obtain a melt,
e-2) A step of melting each raw material and then mixing the obtained melts to obtain a melt.
f) A step of growing a single crystal from the melt obtained in e).
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