JP5455881B2 - Fluoride single crystal, vacuum ultraviolet light emitting device and scintillator - Google Patents
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Description
本発明は、新規なフッ化物単結晶、並びに当該フッ化物単結晶からなる真空紫外発光素子及びシンチレーターに関する。当該真空紫外発光素子はフォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療(眼科治療、DNA切断)等に用いられる真空紫外発光素子として好適に使用できる。また、本発明のシンチレーターは、PETによる癌診断やX線CTに用いられる放射線検出器用シンチレーターとして好適に使用できる。 The present invention relates to a novel fluoride single crystal, and a vacuum ultraviolet light emitting device and a scintillator comprising the fluoride single crystal. The vacuum ultraviolet light-emitting device can be suitably used as a vacuum ultraviolet light-emitting device used for photolithography, semiconductor or liquid crystal substrate cleaning, sterilization, next-generation large-capacity optical disk, medical treatment (ophthalmic treatment, DNA cutting), and the like. The scintillator of the present invention can be suitably used as a scintillator for radiation detectors used for cancer diagnosis by PET or X-ray CT.
高輝度紫外発光素子は、半導体分野、情報分野、医療分野等における先端技術を支える材料であり、近年では、記録媒体への記録密度の向上を始めとする多くの需要に応えるべく、より短波長で発光する紫外発光素子の開発が進められている。短波長で発光する紫外発光素子としては、GaN等の紫外発光材料による発光波長約360nmのLEDが市販されている。 High-intensity ultraviolet light-emitting devices are materials that support advanced technologies in the semiconductor field, information field, medical field, etc. In recent years, in order to respond to many demands such as an increase in recording density on recording media, a shorter wavelength is required. Development of ultraviolet light-emitting elements that emit light at room temperature is underway. As an ultraviolet light emitting element that emits light at a short wavelength, an LED having an emission wavelength of about 360 nm using an ultraviolet light emitting material such as GaN is commercially available.
より短波長の発光波長200nm以下の真空紫外発光材料は、真空紫外発光素子として、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌等にも好適に使用できるため、開発が望まれているが、かかる真空紫外発光素子を得ることは容易ではなく、わずかな例しか知られていないのが現状である。 Although a vacuum ultraviolet light emitting material having a shorter wavelength of 200 nm or less can be suitably used for photolithography, semiconductor or liquid crystal substrate cleaning, sterilization, etc. as a vacuum ultraviolet light emitting element, development is desired. It is not easy to obtain a vacuum ultraviolet light emitting element, and only a few examples are known at present.
真空紫外発光材料の開発が困難である要因としては、真空紫外線は多くの物質に吸収されてしまうため、自己吸収を起こさない物質が限られる点が挙げられる。 A factor that makes it difficult to develop a vacuum ultraviolet light emitting material is that vacuum ultraviolet rays are absorbed by many substances, so that substances that do not cause self-absorption are limited.
さらに、真空紫外領域における発光特性は、材料中の不純物の影響を受けやすく、また、たとえ真空紫外領域に発光のエネルギー準位を有する材料であっても、より低いエネルギー準位に基づく長波長の発光が支配的であったり、非輻射遷移による損失が甚大であったりする等の理由により、所望の真空紫外発光を得られない場合が多い。 Furthermore, the emission characteristics in the vacuum ultraviolet region are easily affected by impurities in the material, and even a material having an emission energy level in the vacuum ultraviolet region has a long wavelength based on a lower energy level. In many cases, the desired vacuum ultraviolet light emission cannot be obtained due to reasons such as light emission being dominant or loss due to non-radiative transition being significant.
したがって、真空紫外領域における発光特性を予め予測することは極めて困難であり、このことが真空紫外発光素子の開発における大きな障壁となっている。 Therefore, it is extremely difficult to predict the light emission characteristics in the vacuum ultraviolet region in advance, and this is a big barrier in the development of vacuum ultraviolet light emitting elements.
一方、放射線の照射によって発光する単結晶はシンチレーターとして用いることができる。 On the other hand, a single crystal that emits light when irradiated with radiation can be used as a scintillator.
PETによる癌診断やX線CTに用いられる放射線検出器は、シンチレーターという放射線が照射された際に発光する材料と、光電子増倍管や半導体受光素子などの微弱光検出器を組み合わせて構成される。 A radiation detector used for cancer diagnosis by PET or X-ray CT is composed of a material called a scintillator that emits light when irradiated with a weak light detector such as a photomultiplier tube or a semiconductor light receiving element. .
当該シンチレーターとしては、有効原子番号及び密度が高いものがγ線やX線に対する検出感度が高く、好適であり、かかる要件を満たすシンチレーターとして、非特許文献1に開示されているBaLu2F8が挙げられる。 As the scintillator, those having a high effective atomic number and high density are preferable because they have high detection sensitivity for γ-rays and X-rays, and BaLu 2 F 8 disclosed in Non-Patent Document 1 is used as a scintillator satisfying such requirements. Can be mentioned.
単結晶を効率よく製造する方法としては、融液成長法が挙げられるが、本発明者らの検討において、前記BaLu2F8を従来公知の融液成長法で製造した場合には、BaLu2F8は融液から結晶化した後、室温まで冷却する過程において斜方晶型結晶構造から単斜晶型結晶構造へ相変態を起こすため、結晶にクラックが生じるという問題があった。 As a method for efficiently producing a single crystal, there is a melt growth method. In the study by the present inventors, when the BaLu 2 F 8 is produced by a conventionally known melt growth method, BaLu 2 is used. F 8 crystallizes from the melt and then undergoes a phase transformation from the orthorhombic crystal structure to the monoclinic crystal structure in the process of cooling to room temperature, thus causing a problem of cracking in the crystal.
かかる相変態を起こす結晶の製造においては、相変態が起こる温度、すなわち相転移点以下で結晶化させる方法が有効であり、例えば、相転移点以下で原料溶液から結晶化させる溶液成長法等が一般的であった。しかしながら、かかる溶液成長法では一般に結晶の製造に膨大な時間がかかるため、結晶を効率よく製造することは困難であった。 In the production of a crystal that causes such a phase transformation, a method of crystallizing at a temperature at which the phase transformation occurs, that is, a phase transition point or lower is effective. For example, a solution growth method that crystallizes from a raw material solution below a phase transition point or the like. It was general. However, such a solution growth method generally takes enormous time to produce crystals, and thus it has been difficult to produce crystals efficiently.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、BaLu2F8単結晶と同等の有効原子番号及び密度を有し、且つ、斜方晶型結晶構造から単斜晶型結晶構造への相変態を起こさず、融液成長法によって効率よく製造することが可能なフッ化物単結晶を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has an effective atomic number and density equivalent to those of a BaLu 2 F 8 single crystal, and from an orthorhombic crystal structure to a monoclinic crystal structure. An object of the present invention is to provide a fluoride single crystal that can be efficiently produced by a melt growth method without causing phase transformation.
本発明者等は、融液成長法によってBaLu2F8型単結晶を製造するにあたって、斜方晶型結晶構造から単斜晶型結晶構造への相変態を起こすことなく、クラックのない単斜晶型結晶構造を有するBaLu2F8型単結晶を得る方法について種々検討した。その結果、Luの一部をY、及び/又は、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及びYbから選ばれる少なくとも1種の元素(以下、Mという)で置換し、当該Lu、Y及びMの平均イオン半径を所定の範囲に調整することによって、前記相変態を回避することができ、したがってクラックの無いBaLu2F8型単結晶を融液から直接成長できることを見出した。 When manufacturing BaLu 2 F 8 type single crystal by the melt growth method, the present inventors do not cause a phase transformation from an orthorhombic crystal structure to a monoclinic crystal structure, and are free from cracks. Various methods for obtaining a BaLu 2 F 8 type single crystal having a crystal type crystal structure were studied. As a result, a part of Lu is at least one element selected from Y and / or Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Yb (hereinafter referred to as M). ) And adjusting the average ionic radii of the Lu, Y, and M to a predetermined range, the phase transformation can be avoided, and thus a crack-free BaLu 2 F 8 type single crystal is removed from the melt. I found that I could grow directly.
また、かかるBaLu2F8型単結晶は真空紫外発光素子ならびシンチレーターとして好適に使用できることを見出し、本発明を完成するに至った。 Further, the inventors have found that such BaLu 2 F 8 type single crystal can be suitably used as a vacuum ultraviolet light emitting device and a scintillator, and have completed the present invention.
即ち、本発明は、化学式Ba(MxYyLu1−x−y)2F8(ただし、MはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及びYbから選ばれる少なくとも1種の元素を表わし、xは0〜0.5の範囲であり、yは0〜0.8の範囲であり、かつx、yが共に0の場合を除く)で表わされ、単斜晶型結晶構造を有するフッ化物単結晶であり、かつ元素M、Y及びLuの平均イオン半径が98.5〜102.5pmであることを特徴とするフッ化物単結晶、並びに該単結晶からなる真空紫外発光素子及びシンチレーターである。 That is, the present invention has the formula Ba (M x Y y Lu 1 -x-y) 2 F 8 ( although, M is Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Yb represents at least one element selected from Yb, x is in the range of 0 to 0.5, y is in the range of 0 to 0.8, and x and y are both 0. A fluoride single crystal having a monoclinic crystal structure and having an average ionic radius of the elements M, Y and Lu of 98.5 to 102.5 pm, and The vacuum ultraviolet light emitting element and scintillator made of the single crystal.
本発明のフッ化物単結晶によれば、真空紫外領域における高輝度な発光を得ることができ、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療(眼科治療、DNA切断)等に好適に使用することができる。また、本発明のフッ化物単結晶は放射線に対しても良好な応答性を有するため、シンチレーターとして好適に使用できる。 According to the fluoride single crystal of the present invention, high-luminance light emission in the vacuum ultraviolet region can be obtained, and photolithography, semiconductor and liquid crystal substrate cleaning, sterilization, next-generation large-capacity optical discs, and medical treatment (ophthalmic treatment, DNA For example, it can be suitably used for cutting). Moreover, since the fluoride single crystal of the present invention has a good response to radiation, it can be suitably used as a scintillator.
以下、本発明のフッ化物単結晶について詳細に説明する。本発明のフッ化物単結晶は、化学式Ba(MxYyLu1−x−y)2F8(ただし、MはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及びYbから選ばれる少なくとも1種の元素を表わし、xは0〜0.5の範囲であり、yは0〜0.8の範囲であり、かつx、yが共に0の場合を除く)で表わされ、単斜晶型結晶構造を有するフッ化物単結晶であって、M、Y及びLuの平均イオン半径が98.5〜102.5pmである。 Hereinafter, the fluoride single crystal of the present invention will be described in detail. Fluoride single crystal of the present invention has the formula Ba (M x Y y Lu 1 -x-y) 2 F 8 ( although, M is Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er Represents at least one element selected from Tm and Yb, x is in the range of 0 to 0.5, y is in the range of 0 to 0.8, and x and y are both 0. ) And having a monoclinic crystal structure, the average ionic radius of M, Y and Lu is 98.5 to 102.5 pm.
本発明のフッ化物単結晶は、単斜晶系、空間群C2/mに属するBaLu2F8を基本構造とし、かかるBaLu2F8のLuの一部をM及びYで置換したものである。前記化学式中のx及びyは、それぞれM及びYでLuを置換する際の置換比率を表わし、当該x又はyが0の場合には、LuをM又はYで置換しないことを表わす。 The fluoride single crystal of the present invention has a monoclinic system, BaLu 2 F 8 belonging to the space group C2 / m as a basic structure, and a part of Lu of the BaLu 2 F 8 is substituted with M and Y. . In the chemical formulas, x and y represent substitution ratios when Lu is substituted with M and Y, respectively, and when x or y is 0, Lu is not substituted with M or Y.
かかるBaLu2F8を基本構造とするフッ化物単結晶はバンドギャップが大きく、真空紫外線を吸収しないため、真空紫外発光素子として好適に使用できる。なお、本発明において真空紫外とは200nm以下の波長領域のことを言う。 Such a fluoride single crystal having a basic structure of BaLu 2 F 8 has a large band gap and does not absorb vacuum ultraviolet rays, and therefore can be suitably used as a vacuum ultraviolet light emitting device. In the present invention, vacuum ultraviolet means a wavelength region of 200 nm or less.
また、本発明のフッ化物単結晶の密度及び有効原子番号は、前記Mの種類ならびにx及びyの値によって異なるが、それぞれ約5.4〜7.0g/cm3及び約51〜62と大きい。したがって、γ線やX線に対する検出感度が高く、シンチレーターとして好適に使用できる。 Further, the density and effective atomic number of the fluoride single crystal of the present invention vary depending on the kind of M and the values of x and y, but are large as about 5.4 to 7.0 g / cm 3 and about 51 to 62, respectively. . Therefore, the detection sensitivity to γ rays and X rays is high, and it can be suitably used as a scintillator.
なお、本発明において、有効原子番号とは、下式で定義される指標である。 In the present invention, the effective atomic number is an index defined by the following formula.
有効原子番号=(ΣWiZi 4)1/4
(式中、Wi及びZiは、それぞれフッ化物単結晶を構成する元素のうちのi番目の元素の質量分率及び原子番号である)
Effective atomic number = (ΣW i Z i 4 ) 1/4
(Wherein W i and Z i are the mass fraction and atomic number of the i-th element among the elements constituting the fluoride single crystal, respectively)
本発明のフッ化物単結晶は、価電子帯とバリウムの内核準位との間での電子遷移に基づくcore−valence発光(以下、CVLともいう)を示し、当該CVLの発光波長は180〜210nmと極めて短いため、真空紫外発光素子として好適に用いることができる。なお、CVLの発光強度を高めるためには、xを小さくすることが好ましく、0とすることが最も好ましい。 The fluoride single crystal of the present invention exhibits core-valence emission (hereinafter also referred to as CVL) based on electronic transition between the valence band and the inner core level of barium, and the emission wavelength of the CVL is 180 to 210 nm. Therefore, it can be suitably used as a vacuum ultraviolet light emitting device. In order to increase the emission intensity of CVL, it is preferable to reduce x, and most preferably 0.
本発明のフッ化物単結晶において、xが0より大きい場合、すなわち、Luの一部がM(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及びYbから選ばれる少なくとも1種の元素)で置換されている場合には、前記CVLに加え、当該Mに基づく発光を得ることができるので、シンチレーターとして特に好適に使用できる。 In the fluoride single crystal of the present invention, when x is larger than 0, that is, a part of Lu is selected from M (Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb. In addition to the CVL, light emission based on the M can be obtained, so that it can be particularly preferably used as a scintillator.
本発明において、xの上限は0.5である。xが0.5を超える場合、異種の結晶相が析出することによって、結晶が白濁するという問題が生じる。なお、複数種のMを用いる場合には、各々のMでLuを置換する際の置換の割合の総和をxとする。 In the present invention, the upper limit of x is 0.5. When x exceeds 0.5, a problem arises in that the crystal becomes cloudy due to the precipitation of different crystal phases. In addition, when using multiple types of M, let x be the total sum of the ratios of substitution when Lu is replaced by each M.
前記Mに基づく発光の発光強度を高めるためには、Mの種類によって異なるが、xを0.0005以上とすることが好ましい。一方、濃度消光による発光強度の減弱を回避するためには、xを0.1以下とすることが好ましい。 In order to increase the light emission intensity of light emission based on M, x is preferably 0.0005 or more, although it varies depending on the type of M. On the other hand, in order to avoid a decrease in emission intensity due to concentration quenching, x is preferably 0.1 or less.
かかるLuの一部をMで置換してなるシンチレーターの発光波長は、Mの種類に応じて真空紫外から赤外領域まで多岐にわたるため、放射線検出器を構成する際に用いる光電子増倍管や半導体受光素子などの微弱光検出器の波長感度特性に合わせて、元素を適宜選択して用いることができる。 Since the emission wavelength of the scintillator formed by substituting part of Lu with M varies from the vacuum ultraviolet to the infrared region depending on the type of M, a photomultiplier tube or a semiconductor used for constituting a radiation detector Elements can be appropriately selected and used in accordance with the wavelength sensitivity characteristics of a weak light detector such as a light receiving element.
なお、前記MがNd、Er及びTmから選ばれる少なくとも1種の元素である場合には、前記CVLに加えて、当該Mの作用によって真空紫外領域で発光するため、真空紫外領域における発光強度が向上し、したがって真空紫外発光素子として特に好適に使用できる。 In addition, when M is at least one element selected from Nd, Er, and Tm, light is emitted in the vacuum ultraviolet region by the action of M in addition to the CVL. Therefore, the emission intensity in the vacuum ultraviolet region is high. Therefore, it can be used particularly suitably as a vacuum ultraviolet light emitting device.
前記、密度および有効原子番号の特性に加えて、真空紫外領域で発光する点も併せて考慮すると、例えば特開2008−202977号公報に記載されている放射線検出器のような、シンチレーターとガスカウンターとを組み合わせた放射線検出器において特に好適に適用できる。 In addition to the characteristics of density and effective atomic number, considering the point of emission in the vacuum ultraviolet region, for example, a scintillator and a gas counter such as a radiation detector described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-202977 It can apply especially suitably in the radiation detector which combined.
また、前記MがCe、Pr及びNdから選ばれる少なくとも1種の元素であるシンチレーターは、蛍光寿命が短いため、時間分解能や高計数率特性を要求される放射線検出器において好適に使用できる。 Further, the scintillator in which M is at least one element selected from Ce, Pr and Nd has a short fluorescence lifetime, and therefore can be suitably used in a radiation detector that requires time resolution and high count rate characteristics.
本発明のフッ化物単結晶は、M、Y及びLuの平均イオン半径(以下、ravgという)を98.5〜102.5pmとすることを最大の特徴とする。本発明において、当該ravgは、下式で算出される。 Fluoride single crystal of the present invention, M, average ionic radius of Y and Lu (hereinafter referred to as r avg) is the largest, characterized in that the 98.5~102.5pm a. In the present invention, the r avg is calculated by the following equation.
ravg = xrM + yrY + (1−x−y)rLu
(ただし、rM、rY及びrLuは、それぞれM、Y及びLuのイオン半径である。)
r avg = xr M + yr Y + (1−xy) r Lu
(Where r M , r Y and r Lu are the ionic radii of M, Y and Lu, respectively)
なお、複数種のMを用いる場合には、各々のMの元素分率及びイオン半径を、それぞれx1、x2、・・・、xi及びrM1、rM2、・・・、rMiとして、ΣxirMiを求め、当該ΣxirMiを前記式中のxrMに替えて用いることによってravgを算出できる。 When a plurality of types of M are used, the element fraction and the ionic radius of each M are set to x 1 , x 2 ,..., X i and r M1 , r M2 ,. as a seek? x i r Mi, can be calculated r avg by using instead the? x i r Mi to xr M in formula.
前記ravgの算出において、計算の基礎となる各元素のイオン半径は、既報値(R.D. Shannon, “Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides” Acta Crystallographica Section A 32 (1976) 751.)を採用した。当該各元素のイオン半径を表1に示した。 In the calculation of the r avg, ionic radii of the elements underlying the calculations, the previously reported values (R.D. Shannon, "Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides" Acta Crystallographica Section A 32 ( 1976) 751.) was adopted. Table 1 shows the ionic radius of each element.
本発明者らの検討によれば、前記ravgが98.5pm未満である場合には、斜方晶型結晶構造から単斜晶型結晶構造への相変態が起こり、融液成長法で製造した単結晶にクラックが生じる。一方、前記ravgが102.5pmを超える場合には、複数種の結晶相が混合した多結晶が得られ、単一の結晶相からなる透明な単結晶が得られないという問題が生じる。なお、単一の結晶相からなる透明な単結晶を、相変態を起こすことなく製造するためには、ravgを99.0〜102.0pmとすることが特に好ましい。 According to the study by the present inventors, when the r avg is less than 98.5 pm, a phase transformation from an orthorhombic crystal structure to a monoclinic crystal structure occurs, and is produced by a melt growth method. Cracks occur in the single crystal. On the other hand, when r avg exceeds 102.5 pm, a polycrystal in which a plurality of types of crystal phases are mixed is obtained, and there is a problem that a transparent single crystal composed of a single crystal phase cannot be obtained. In order to produce a transparent single crystal composed of a single crystal phase without causing phase transformation, it is particularly preferable that r avg is 99.0 to 102.0 pm.
本発明において、平均イオン半径を前記範囲に調整するために、Luの一部をYで置換する。yは、かかる置換の割合を表わし、上限は0.8である。yが0.8を超える場合には、得られるフッ化物単結晶の密度及び有効原子番号が低下し、したがってγ線やX線に対する検出感度が低下するという問題が生じる。なお、γ線やX線に対する検出感度を向上させるため、yを0.6以下とすることが特に好ましい。 In the present invention, in order to adjust the average ionic radius to the above range, a part of Lu is replaced with Y. y represents the ratio of such substitution, and the upper limit is 0.8. When y exceeds 0.8, the density and effective atomic number of the resulting fluoride single crystal are lowered, so that the detection sensitivity to γ rays and X rays is lowered. In order to improve the detection sensitivity for γ rays and X rays, y is particularly preferably 0.6 or less.
なお、Luの一部をMで置換することによって、前記ravgが所期の範囲となる場合には、Luの一部をYで置換する必要は無く、したがって、yは0でも良い。 When r avg falls within the intended range by replacing part of Lu with M, it is not necessary to replace part of Lu with Y. Therefore, y may be 0.
本発明のフッ化物単結晶は無色ないしはわずかに着色した透明な固体であり、良好な化学的安定性を有しており、通常の使用においては短期間での性能の劣化は認められない。更に、機械的強度及び加工性も良好であり、所望の形状に加工して用いることが容易である。 The fluoride single crystal of the present invention is a colorless or slightly colored transparent solid, has good chemical stability, and performance degradation in a short period is not observed in normal use. Furthermore, mechanical strength and workability are also good, and it is easy to process and use it in a desired shape.
本発明において、フッ化物単結晶の製造方法は特に限定されないが、チョクラルスキー法やマイクロ引き下げ法に代表される従来公知の融液成長法によって製造することができる。 In the present invention, the production method of the fluoride single crystal is not particularly limited, but it can be produced by a conventionally known melt growth method represented by the Czochralski method or the micro pulling down method.
マイクロ引き下げ法とは、図1に示すような装置を用いて、坩堝5の底部に設けた穴より原料融液を引き出して結晶を製造する方法である。
The micro pulling-down method is a method for producing a crystal by drawing a raw material melt from a hole provided in the bottom of the
以下、マイクロ引き下げ法によって本発明のフッ化物単結晶を製造する際の、一般的な方法について説明する。 Hereinafter, a general method for producing the fluoride single crystal of the present invention by the micro pull-down method will be described.
まず、所定量の原料を、底部に孔を設けた坩堝5に充填する。坩堝底部に設ける孔の形状は、特に限定されないが、直径が0.5〜4mm、長さが0〜2mmの円柱状とすることが好ましい。
First, a predetermined amount of raw material is filled into a
本発明において原料は特に限定されないが、純度がそれぞれ99.99%以上のフッ化物粉末を混合した混合原料を用いることが好ましい。かかる混合原料を用いることにより、結晶の純度を高めることができ、発光強度等の特性が向上する。混合原料は、混合後に焼結或いは溶融固化させてから用いても良い。 In the present invention, the raw material is not particularly limited, but it is preferable to use a mixed raw material in which fluoride powders each having a purity of 99.99% or more are mixed. By using such a mixed raw material, the purity of the crystal can be increased, and characteristics such as emission intensity are improved. The mixed raw material may be used after being sintered or melted and solidified after mixing.
次いで、上記原料を充填した坩堝5、アフターヒーター1、ヒーター2、断熱材3、及びステージ4を図1に示すようにセットする。真空排気装置を用いて、チャンバー6内を1.0×10−3Pa以下まで真空排気した後、高純度アルゴン等の不活性ガスをチャンバー6内に導入してガス置換を行う。ガス置換後のチャンバー内の圧力は特に限定されないが、大気圧が一般的である。
Next, the
該ガス置換操作によって、原料或いはチャンバー内に付着した水分を除去することができ、かかる水分に由来する結晶の劣化を妨げることができる。上記ガス置換操作によっても除去できない水分による影響を避けるため、フッ化亜鉛等の固体スカベンジャー或いは四フッ化メタン等の気体スカベンジャーを用いることが好ましい。固体スカベンジャーを用いる場合には原料中に予め混合しておく方法が好適であり、気体スカベンジャーを用いる場合には上記不活性ガスに混合してチャンバー内に導入する方法が好適である。 By the gas replacement operation, moisture attached to the raw material or the chamber can be removed, and deterioration of crystals derived from the moisture can be prevented. In order to avoid the influence of moisture that cannot be removed by the gas replacement operation, it is preferable to use a solid scavenger such as zinc fluoride or a gas scavenger such as tetrafluoromethane. When using a solid scavenger, a method of mixing in the raw material in advance is preferable, and when using a gas scavenger, a method of mixing with the above inert gas and introducing it into the chamber is preferable.
ガス置換操作を行った後、高周波コイル7で原料を加熱して溶融せしめ、溶融した原料融液を坩堝底部の孔から引き出して、結晶の製造を開始する。
After performing the gas replacement operation, the raw material is heated and melted by the high-
ここで、金属ワイヤーを引き下げロッドの先端に設け、該金属ワイヤーを坩堝底部の孔から坩堝内部に挿入し、該金属ワイヤーに原料融液を付着せしめた後、原料融液を金属ワイヤーと共に引き下げることによって結晶の製造が可能となる。該金属ワイヤーの材質は、原料融液と実質的に反応しない材質であれば制限無く使用できるが、W−Re合金等の高温における耐食性に優れた材質が好適である。 Here, the metal wire is provided at the tip of the pull-down rod, the metal wire is inserted into the crucible through the hole at the bottom of the crucible, the raw material melt is attached to the metal wire, and then the raw material melt is pulled down together with the metal wire. Makes it possible to produce crystals. The material of the metal wire can be used without limitation as long as it is a material that does not substantially react with the raw material melt, but a material excellent in corrosion resistance at high temperatures such as a W-Re alloy is preferable.
上記金属ワイヤーによる原料融液の引き出しを行った後、一定の引き下げ速度で連続的に引き下げることにより、結晶を得ることができる。 After pulling out the raw material melt with the metal wire, the crystal can be obtained by continuously pulling it down at a constant pulling rate.
該引き下げ速度は、特に限定されないが、速過ぎると結晶性が悪くなりやすく、遅過ぎると、結晶性は良くなるものの、製造に必要な時間が膨大になってしまうため、0.5〜50mm/hrの範囲とすることが好ましい。 The pulling speed is not particularly limited, but if it is too fast, the crystallinity tends to be poor, and if it is too slow, the crystallinity is improved, but the time required for production becomes enormous. The range of hr is preferable.
なお、フッ化物単結晶の製造において、熱歪に起因する結晶欠陥を除去する目的で、結晶の製造後にアニール操作を行っても良い。 In the production of a fluoride single crystal, an annealing operation may be performed after the production of the crystal for the purpose of removing crystal defects caused by thermal strain.
本発明のフッ化物単結晶は所望の形状に加工して使用できる。加工に際しては、公知のブレードソー、ワイヤーソー等の切断機、研削機、或いは研磨盤を何ら制限無く用いることができる。 The fluoride single crystal of the present invention can be used after being processed into a desired shape. In processing, a known cutting machine such as a blade saw or wire saw, a grinding machine, or a polishing machine can be used without any limitation.
本発明のフッ化物単結晶からなる真空紫外発光素子は、電子線或いはF2レーザー等の適当な励起源と組み合わせることにより、真空紫外光発生装置とすることができる。かかる真空紫外光発生装置は、フォトリソグラフィー、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療(眼科治療、DNA切断)等の分野において、好適に使用される。 The vacuum ultraviolet light emitting device comprising the fluoride single crystal of the present invention can be made into a vacuum ultraviolet light generator by combining with an appropriate excitation source such as an electron beam or an F 2 laser. Such a vacuum ultraviolet light generator is suitably used in fields such as photolithography, sterilization, next-generation large-capacity optical disks, and medicine (ophthalmic treatment, DNA cutting).
また、本発明のフッ化物単結晶からなるシンチレーターは、光電子増倍管や半導体受光素子などの微弱光検出器と組み合わせて、放射線検出器として好適に使用できる。 Moreover, the scintillator comprising the fluoride single crystal of the present invention can be suitably used as a radiation detector in combination with a weak light detector such as a photomultiplier tube or a semiconductor light receiving element.
本発明のフッ化物単結晶からなるシンチレーターは、検出対象とする放射線に制限は無く、X線、α線、β線、或いはγ線等の放射線の検出に用いることができるが、有効原子番号及び密度がそれぞれ大きいため、放射線の中でも、硬X線或いはγ線等の高エネルギーの光子の検出において、最大の効果を発揮する。 The scintillator comprising the fluoride single crystal of the present invention is not limited to radiation to be detected, and can be used for detection of radiation such as X-rays, α-rays, β-rays, or γ-rays. Since each density is large, the maximum effect is exhibited in the detection of high energy photons such as hard X-rays or γ-rays.
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1〜6、比較例1〜3
(結晶の製造)
図1に示す結晶製造装置を用いて、実施例1〜6及び比較例1〜3のフッ化物結晶を製造した。
Examples 1-6, Comparative Examples 1-3
(Crystal production)
Fluoride crystals of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were manufactured using the crystal manufacturing apparatus shown in FIG.
原料としては、純度が99.99%のBaF2、NdF3、ErF3、TmF3、YF3及びLuF3を用いた。アフターヒーター1、ヒーター2、断熱材3、ステージ4、及び坩堝5は、高純度カーボン製のものを使用し、坩堝底部に設けた孔の形状は直径2.2mm、長さ0.5mmの円柱状とした。
As raw materials, BaF 2 , NdF 3 , ErF 3 , TmF 3 , YF 3 and LuF 3 having a purity of 99.99% were used. The after heater 1, the heater 2, the heat insulating material 3, the stage 4, and the
まず、各原料を表2に示すとおりそれぞれ秤量し、よく混合して混合原料を調製し、当該混合原料を坩堝5に充填した。なお、表2には使用したMの種類、xの値及びyの値、並びにかかる条件における平均イオン半径、有効原子番号及び密度も併せて示す。
First, each raw material was weighed as shown in Table 2, mixed well to prepare a mixed raw material, and the mixed raw material was filled in the
原料を充填した坩堝5を、アフターヒーター1の上部にセットし、その周囲にヒーター2、及び断熱材3を順次セットした。次いで、油回転ポンプ及び油拡散ポンプからなる真空排気装置を用いて、チャンバー6内を9.0×10−4Paまで真空排気した後、アルゴン90%−四フッ化メタン10%混合ガスをチャンバー6内に導入してガス置換を行った。
The
高周波コイル7に高周波電流を印加し、誘導加熱によって原料を約1000度まで加熱して溶融せしめ、引き下げロッド8の先端に設けたW−Reワイヤーを、坩堝5底部の孔上記孔に挿入し、原料の融液を上記孔より引き下げ、結晶化を開始した。高周波の出力を調整しながら、3mm/hrの速度で連続的に引き下げ、フッ化物結晶を得た。該結晶は直径が2.2mm、長さが40mmであった。実施例1〜6で作製した本発明のフッ化物単結晶は、白濁やクラックの無い良質な単結晶であったのに対し、比較例1〜3の結晶にはクラックが生じた。
A high frequency current is applied to the
(結晶相の同定)
前記結晶の製造によって得られた結晶の同定を下記の方法で行った。
(Identification of crystal phase)
The crystal obtained by the production of the crystal was identified by the following method.
得られた結晶の一部を粉砕して粉末にして、粉末X線回折測定を行った。測定装置にはBruker AXS社製、D8 DISCOVERを用いた。粉末X線回折法による回折パターンを解析した結果から、実施例1〜6及び比較例1〜3のフッ化物結晶は、単斜晶系、空間群C2/mに属するBaLu2F8型結晶構造を有することが分かった。 Part of the obtained crystal was pulverized into powder, and powder X-ray diffraction measurement was performed. As a measuring device, D8 DISCOVER manufactured by Bruker AXS was used. From the result of analyzing the diffraction pattern by the powder X-ray diffraction method, the fluoride crystals of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are monoclinic, BaLu 2 F 8 type crystal structure belonging to the space group C2 / m. It was found to have
(発光特性の評価)
得られた実施例1〜6の結晶を、ワイヤーソーによって約10mmの長さに切断し、側面を研削して長さ10mm、幅約2mm、厚さ1mmの形状に加工した後、長さ約10mm、幅約2mmの面の両面を鏡面研磨して、本発明の真空紫外発光素子を得た。
(Evaluation of luminous characteristics)
The obtained crystals of Examples 1 to 6 were cut into a length of about 10 mm with a wire saw, the side surfaces were ground and processed into a shape having a length of 10 mm, a width of about 2 mm, and a thickness of 1 mm. Both surfaces of a surface having a width of 10 mm and a width of about 2 mm were mirror-polished to obtain a vacuum ultraviolet light emitting device of the present invention.
本発明の真空紫外発光素子について、X線励起下での真空紫外発光特性を、図2に示す装置を用いて評価した。装置内の所定の位置に本発明の真空紫外発光素子9をセットし、装置内部全体を窒素ガスで置換した。X線管10(リガク製 タングステンターゲット、管電圧 60kV、管電流 35mA)からのX線を真空紫外発光素子9に照射した。真空紫外発光素子9からの発光を発光分光器11(分光計器製、KV201型極紫外分光器)で分光し、各波長における発光強度をCCD検出器12で記録して、X線励起発光スペクトルを得た。
About the vacuum ultraviolet light emitting element of this invention, the vacuum ultraviolet light emission characteristic under X-ray excitation was evaluated using the apparatus shown in FIG. The vacuum ultraviolet
得られたX線励起発光スペクトルを図3〜5に示す。図3より実施例1のフッ化物単結晶は、CVLによって真空紫外領域で発光し、真空紫外発光素子として有用であることが分かる。また、図4より、MとしてそれぞれNd、Er及びTmを添加した実施例2、実施例3及び実施例4のフッ化物単結晶は、前記CVLに加えてMに由来する真空紫外発光を示すことから、真空紫外発光素子として特に有用であることが分かる。図5は、MとしてNdを用い、yを変化させた場合の比較を示す図である。図5より、yの値が小さいほど、高輝度の発光が得られることが分かる。 The obtained X-ray excitation emission spectrum is shown in FIGS. FIG. 3 shows that the fluoride single crystal of Example 1 emits light in the vacuum ultraviolet region by CVL, and is useful as a vacuum ultraviolet light emitting device. Moreover, from FIG. 4, the fluoride single crystals of Example 2, Example 3, and Example 4 to which Nd, Er, and Tm are added as M, respectively, exhibit vacuum ultraviolet emission derived from M in addition to the CVL. Thus, it can be seen that it is particularly useful as a vacuum ultraviolet light emitting device. FIG. 5 is a diagram showing comparison when Nd is used as M and y is changed. From FIG. 5, it can be seen that the smaller the value of y, the higher the luminance is obtained.
また、本発明の実施例1〜6のフッ化物単結晶は、いずれもX線の入射によって発光することから、シンチレーターとして有用であることが分かる。
Moreover, since all the fluoride single crystals of Examples 1 to 6 of the present invention emit light upon incidence of X-rays, it is understood that they are useful as scintillators.
1 アフターヒーター
2 ヒーター
3 断熱材
4 ステージ
5 坩堝
6 チャンバー
7 高周波コイル
8 引き下げロッド
9 フッ化物単結晶
10 X線管
11 発光分光器
12 CCD検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 After heater 2 Heater 3 Heat insulating material 4
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