JP5904538B2 - Scintillator material and X-ray detector - Google Patents
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Description
本発明は、シンチレータ材料及びX線検出器に関するものである。 The present invention relates to scintillator materials and X-ray detectors.
近年、X線検出器は、様々な業種において利用されている。X線検出器とは、測定物にX線を照射して、測定物内を透視したり、測定物の断層写真を撮影する機器のことであり、具体的には、X線透過検査システムやX線異物検出機、非破壊検査、X線CT(CT:Computed Tomography:コンピュータ断層撮影)装置等として応用されている。 In recent years, X-ray detectors are used in various industries. An X-ray detector is a device that irradiates a measurement object with X-rays and sees through the measurement object or takes a tomographic image of the measurement object. It is applied as an X-ray foreign object detector, non-destructive inspection, X-ray CT (CT: Computed Tomography) apparatus and the like.
X線異物検出機は、測定物にX線を照射し、測定物内の金属片、ガラス片、石片等の異物を検出する機器である。また、X線CTは物体を様々な角度からX線で撮影し、コンピュータ上で再構成処理を行うことで、物体の内部構造を可視化する装置である。X線異物検出機やX線CTでは、X線などの放射線を光に換える機能を持つ材料からなるシンチレータが配置されており、測定物を透過させた放射線をシンチレータで光に変えてから、その光強度等をフォトダイオードで検出することにより、透過放射線量等を算出している。 The X-ray foreign matter detector is a device that irradiates a measurement object with X-rays and detects foreign matters such as metal pieces, glass pieces, stone pieces and the like in the measurement object. X-ray CT is a device that images an object with X-rays from various angles and visualizes the internal structure of the object by performing reconstruction processing on a computer. In the X-ray foreign object detector and X-ray CT, a scintillator made of a material having a function of converting radiation such as X-rays into light is arranged. After the radiation transmitted through the measurement object is converted into light with the scintillator, The amount of transmitted radiation and the like are calculated by detecting light intensity and the like with a photodiode.
X線検出器のシンチレータ材料として、CdWO4(CWO)が使用されている。この材料は、X線励起により青緑色光を発光し、発光量が高く、化学的に安定であり、加工性に優れ、残光が少ないためである。しかし、有害なCdが含まれている。そのため、安全な代替物質の開発が望まれていた。 CdWO 4 (CWO) is used as a scintillator material for the X-ray detector. This is because this material emits blue-green light by X-ray excitation, has a high light emission amount, is chemically stable, has excellent workability, and has little afterglow. However, harmful Cd is contained. Therefore, the development of safe alternative substances has been desired.
ポジトロン断層法(Positron emission tomography:PET)用のシンチレータ材料には、Bi4Ge3O12(BGO)、Ce:Lu2SiO5(LSO)、Ce:(Lu1−xYx)2SiO5(LYSO)、Ce:(Lu1−xGdx)2SiO5(LGSO)が知られている(例えば、特許文献1〜3を参照、非特許文献1〜5を参照)。BGOは古くから使われてきたシンチレータである。しかし、発光量が少ないため、現在、市場はLSO、LYSO、LGSOがこれにとってかわっている。しかし、これらの材料は放射性同位元素を含むLuを含有しているため、残光特性がよくなく、CWOの代替としては利用できていない。 Examples of scintillator materials for positron emission tomography (PET) include Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), Ce: Lu 2 SiO 5 (LSO), and Ce: (Lu 1-x Y x ) 2 SiO 5. (LYSO), Ce: (Lu 1-x Gd x ) 2 SiO 5 (LGSO) is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3, and Non-Patent Documents 1 to 5). BGO is a scintillator that has been used for a long time. However, since the amount of emitted light is small, LSO, LYSO, and LGSO are currently replaced by this market. However, since these materials contain Lu containing a radioisotope, the afterglow characteristics are not good and cannot be used as a substitute for CWO.
このように、シンチレータ材料として、CWOの安全な代替物質となりうる材料として適当なものはなかった。 Thus, there was no suitable scintillator material that could be a safe alternative to CWO.
本発明の課題は、CWOの安全な代替物質となりえる量子効率の高いシンチレータ材料及びX線検出器を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a high quantum efficiency scintillator material and X-ray detector that can be a safe substitute for CWO.
本発明者は、上記事情を鑑み、試行錯誤して、希土類元素及び第2族元素を含有するフッ化物単結晶を作製することに成功し、本研究を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。
In view of the above circumstances, the present inventor succeeded in producing a fluoride single crystal containing a rare earth element and a Group 2 element by trial and error, and completed this research.
The present invention has the following configuration.
(1)化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物単結晶からなり、前記化学式でMがBe、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される1又は2以上の第2族金属元素であり、REが希土類元素であり、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5であることを特徴とするシンチレータ材料。 (1) a formula M 1-x RE x F 2 + x-w represented by the fluoride single crystal, M in Formula is Be, Mg, Ca, Sr, 1 or 2 or more selected from the group of Ba A scintillator material which is a Group 2 metal element, RE is a rare earth element, 0 <x ≦ 0.4, and 0 ≦ w ≦ 0.5.
(2)MがBaであり、REがEuであることを特徴とする(1)に記載のシンチレータ材料。
(3)0.05≦x≦0.3であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のシンチレータ材料。
(4)Mの一部が第3族金属元素、第4族金属元素、第5族金属元素、第13族金属元素、第14族金属元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素で置換されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のシンチレータ材料。
(2) The scintillator material according to (1), wherein M is Ba and RE is Eu.
(3) The scintillator material according to (1) or (2), wherein 0.05 ≦ x ≦ 0.3.
(4) One or two or more of M is selected from the group consisting of Group 3 metal elements, Group 4 metal elements, Group 5 metal elements, Group 13 metal elements, and Group 14 metal elements The scintillator material according to any one of (1) to (3), wherein the scintillator material is substituted with an element.
(5)REの一部がSc、Y及び希土類元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のシンチレータ材料。
(6)Fの一部がCl、Br、Iの郡から選択されるいずれか1又は2以上の元素であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のシンチレータ材料。
(7)板状、立方体状、線状又は円柱状のいずれかの形状とされていることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載のシンチレータ材料。
(5) A scintillator material according to any one of (1) to (4), wherein a part of RE is any one or more elements selected from the group of Sc, Y and rare earth elements .
(6) The scintillator material according to any one of (1) to (5), wherein a part of F is any one or more elements selected from the group of Cl, Br, and I.
(7) The scintillator material according to any one of (1) to (6), wherein the scintillator material has any one of a plate shape, a cubic shape, a linear shape, and a cylindrical shape.
(8)(1)〜(7)のいずれかに記載のシンチレータ材料と、フォトダイオードと、を有することを特徴とするX線検出器。 (8) An X-ray detector comprising the scintillator material according to any one of (1) to (7) and a photodiode.
本発明のシンチレータ材料は、化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物単結晶からなり、前記化学式でMがBe、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される1又は2以上の第2族金属元素であり、REが希土類元素であり、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5である構成なので、高い発光量をもち、放射性同位体を含まず、かつ残光を小さくできる。これにより、CWOの安全な代替物質となりえるX線検出器のシンチレータ材料として用いることができる。 The scintillator material of the present invention comprises a fluoride single crystal represented by the chemical formula M 1-x RE x F 2 + x-w , wherein M is selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. Or a group 2 or more group 2 metal element, RE is a rare earth element, 0 <x ≦ 0.4, and 0 ≦ w ≦ 0.5. And afterglow can be reduced. Thus, it can be used as a scintillator material for an X-ray detector that can be a safe substitute for CWO.
また、本発明のX線検出器は、本発明のシンチレータ材料と、フォトダイオードと、を有する構成なので、赤色光の吸光度が高いフォトダイオードで、X線励起によりシンチレータを高輝度で発光させた赤色光を効率よく受光させることができ、X線検出効率を高めることができる。 Moreover, since the X-ray detector of the present invention has the scintillator material of the present invention and a photodiode, it is a photodiode having a high absorbance of red light, and the scintillator emits light with high brightness by X-ray excitation. Light can be received efficiently and X-ray detection efficiency can be increased.
(本発明の実施形態)
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるシンチレータ材料及びX線検出器について説明する。
(Embodiment of the present invention)
Hereinafter, a scintillator material and an X-ray detector which are embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<シンチレータ材料>
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物単結晶であって、MがBe、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される一又は二以上の第2族金属元素であり、REが希土類元素であり、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5である。
<Scintillator materials>
Scintillator material which is an embodiment of the invention, a formula M 1-x RE x F 2 + x-w represented by the fluoride single crystal, M is selected Be, Mg, Ca, Sr, from the group of Ba One or two or more Group 2 metal elements, RE is a rare earth element, 0 <x ≦ 0.4, and 0 ≦ w ≦ 0.5.
MがBaであり、REがEuであることが好ましい。これにより、X線励起により効率よく赤色発光し、シンチレーション特性を示す材料とすることができる。 It is preferable that M is Ba and RE is Eu. Thereby, it can be set as the material which emits red light efficiently by X-ray excitation, and shows a scintillation characteristic.
Mの一部が第3族金属元素、第4族金属元素、第5族金属元素、第13族金属元素、第14族金属元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素で置換されていてもよい。
また、REの一部がSc、Y及び希土類元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素であってもよい。
更にまた、Fの一部がCl、Br、Iの郡から選択されるいずれか1又は2以上の元素であってもよい。
これらの構成としても、高量子効率で赤色発光させることができ、また、大径化した単結晶を生成できる。
Part of M is replaced with one or more elements selected from the group consisting of Group 3 metal elements, Group 4 metal elements, Group 5 metal elements, Group 13 metal elements, and Group 14 metal elements May be.
Further, a part of RE may be any one or more elements selected from the group of Sc, Y and rare earth elements.
Furthermore, a part of F may be any one or two or more elements selected from the group of Cl, Br, and I.
Even with these configurations, red light can be emitted with high quantum efficiency, and a single crystal with a large diameter can be generated.
シンチレータ材料は、板状、立方体状、線状又は円柱状のいずれかの形状とすることが好ましい。これにより、様々な機器への搭載を容易にできる。 The scintillator material is preferably in the shape of a plate, a cube, a line, or a column. Thereby, mounting to various apparatuses can be facilitated.
<シンチレータ材料の製造方法>
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、溶融凝固法により、例えば、次にようにして、成長させることができる。
まず、所定の材料を所定のモル比で量りとる。
次に、秤量した材料を、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後CF4(>99.99%)雰囲気とし、徐々に溶解させた後、徐々に冷却する。
以上の工程により、本発明の実施形態である化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物の単結晶体からなるシンチレータ材料を製造することができる。
<Method for producing scintillator material>
The scintillator material according to the embodiment of the present invention can be grown by a melt solidification method, for example, as follows.
First, a predetermined material is weighed at a predetermined molar ratio.
Next, the weighed materials are mixed in a crucible, evacuated with a vacuum pump, then in a CF 4 (> 99.99%) atmosphere, gradually dissolved, and then gradually cooled.
Through the above steps, it is possible to produce a formula M 1-x RE x F 2 + x-w scintillator material comprising a single crystal of fluoride which is represented by an embodiment of the present invention.
また、チョクラルスキー(以下、Cz)法により、例えば、次にようにして、成長させることができる。
まず、所定の材料を所定のモル比で量りとり、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後、CF4(>99.99%)雰囲気とし、徐々に溶解させた後、徐々に冷却して、略円板状の単結晶を形成する。
次に、前記単結晶から棒状の種結晶を切り出す。
Further, it can be grown by the Czochralski (hereinafter, Cz) method, for example, as follows.
First, a predetermined material is weighed at a predetermined molar ratio, mixed in a crucible, and evacuated with a vacuum pump. After that, a CF 4 (> 99.99%) atmosphere is gradually dissolved and gradually dissolved. Cooling to form a substantially disc-shaped single crystal.
Next, a rod-shaped seed crystal is cut out from the single crystal.
次に、前記同様に所定材料を所定モル比で量りとり、るつぼの中で混合した後、るつぼをチャンバ内に配置してから、真空ポンプで高真空にすることでチャンバ内の酸素を効率的に除去した後、CF4(>99.99%)雰囲気とする。
次に、高周波発振器(30kW)に接続された高周波コイルにより、るつぼを加熱して、るつぼ内で混合材料をゆっくり溶融する。
Next, after measuring a predetermined material at a predetermined molar ratio and mixing it in the crucible in the same manner as described above, the crucible is placed in the chamber, and then the vacuum in the chamber is made high vacuum to efficiently reduce the oxygen in the chamber. Then, the atmosphere is CF 4 (> 99.99%).
Next, the crucible is heated by the high frequency coil connected to the high frequency oscillator (30 kW), and the mixed material is slowly melted in the crucible.
次に、るつぼ中の溶液に前記棒状の種結晶を一端側から接触させてから、棒の中心軸周りに回転させながら、棒の他端側方向に引き上げることにより、棒状の種結晶の溶液側に単結晶を成長させる。例えば、回転速度は1〜50rpmとし、引上げ速度は0.1〜10mm/hとする。
これにより、棒の一端側から棒の周りに単結晶を形成することができる。
Next, the rod-shaped seed crystal is brought into contact with the solution in the crucible from one end side, and then rotated around the central axis of the rod while being pulled up in the direction of the other end of the rod. A single crystal is grown. For example, the rotation speed is 1 to 50 rpm, and the pulling speed is 0.1 to 10 mm / h.
Thereby, a single crystal can be formed around the rod from one end side of the rod.
次に、前記単結晶から所定の形状に切り出す。例えば、略円柱状とする。
次に、略円柱状とした単結晶の所定の面を所定の方法により研磨する。
以上の工程により、本発明の実施形態である化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物の単結晶体からなるシンチレータ材料を製造することができる。
Next, the single crystal is cut into a predetermined shape. For example, a substantially cylindrical shape is used.
Next, a predetermined surface of the single crystal having a substantially cylindrical shape is polished by a predetermined method.
Through the above steps, it is possible to produce a formula M 1-x RE x F 2 + x-w scintillator material comprising a single crystal of fluoride which is represented by an embodiment of the present invention.
前記単結晶は、ブリッジマン(Bridgman)法を用いての製造も可能である。
ブリッジマン法による結晶育成は例えば以下のようである。
るつぼ内に所定の材料を所定のモル比で量りとり、るつぼの中で撹拌した後、チャンバ内にるつぼを設置する。
その後真空ポンプにより高真空にすることで効率的に水分を除去し、その高真空を保ったまま、るつぼ周囲に配置された抵抗加熱型の加熱源に通電し、るつぼ内の材料を溶解する。なお、前記加熱源は上方が材料の融点より温度が高く下方が材料の融点より温度が低い温度勾配を有している。
材料が溶解した後、融点より温度が高い上方から融点より温度の低い下方に向かいるつぼを移動させる。この際、融点、あるいはそれよりも温度が低い所に来た溶液が単結晶化し、これを連続的に行うことで単結晶を連続的に育成することができる。
The single crystal can also be manufactured using a Bridgman method.
Crystal growth by the Bridgman method is, for example, as follows.
A predetermined material is weighed in a predetermined molar ratio in the crucible and stirred in the crucible, and then the crucible is placed in the chamber.
Thereafter, moisture is efficiently removed by making a high vacuum with a vacuum pump, and a resistance heating type heating source disposed around the crucible is energized while the high vacuum is maintained, thereby melting the material in the crucible. The heating source has a temperature gradient in which the upper side is higher than the melting point of the material and the lower side is lower than the melting point of the material.
After the material is dissolved, the crucible is moved from above the temperature higher than the melting point to below the temperature lower than the melting point. At this time, the solution having a melting point or a temperature lower than that becomes a single crystal, and the single crystal can be continuously grown by performing this continuously.
これら溶融凝固法、Cz法又はブリッジマン法により、本発明の実施形態であるシンチレータ材料を製造することが好ましい。容易にかつ安定した特性を有する単結晶が得られるためである。
また、これらの製造方法で成長させる単結晶体は安定性が高く相転移もないので、単結晶体の切り出し時におけるクラックを十分に抑制でき、第2相の発生も抑制できるため大型単結晶化が可能である。また、前記単結晶は、比較的低温で結晶成長させることが可能であるとともに、その製造コストも低くすることができる。
It is preferable to manufacture the scintillator material according to the embodiment of the present invention by the melt solidification method, the Cz method, or the Bridgman method. This is because a single crystal having easy and stable characteristics can be obtained.
In addition, since single crystals grown by these manufacturing methods have high stability and no phase transition, large single crystallization can be achieved because cracks during the cutting of the single crystal can be sufficiently suppressed, and generation of the second phase can also be suppressed. Is possible. In addition, the single crystal can be grown at a relatively low temperature, and the manufacturing cost can be reduced.
しかし、製造方法はこれらの方法に限られるものではなく、浮遊帯域法(FZ:floating zone法)、マイクロ引き下げ法(μ−PD法:μ−Pulling Down法)、帯溶融法(Zone melting法)等の方法を用いても良い。 However, the production method is not limited to these methods, and the floating zone method (FZ: floating zone method), the micro pulling down method (μ-PD method: μ-Pulling Down method), the zone melting method (Zone melting method) Etc. may be used.
<X線検出器>
本発明の実施形態であるX線検出器は、本発明の実施形態であるシンチレータ材料と、フォトダイオードと、を有する。これにより、X線励起により、高輝度赤色発光させることができるシンチレータ材料と、赤色波長領域を効率よく吸収するフォトダイオードと、を有し、高感度なX線検出器とすることができる。
<X-ray detector>
An X-ray detector according to an embodiment of the present invention includes a scintillator material according to an embodiment of the present invention, and a photodiode. Thereby, it is possible to provide a highly sensitive X-ray detector having a scintillator material capable of emitting high-luminance red light by X-ray excitation and a photodiode that efficiently absorbs the red wavelength region.
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物単結晶からなり、前記化学式でMがBe、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される1又は2以上の第2族金属元素であり、REが希土類元素であり、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5である構成なので、前記単結晶体はX線励起により赤色光〜近赤外光の波長領域で、高量子効率で発光するX線検出器のシンチレータ材料として用いることができ、X線の高感度の検出が可能となる。更に、前記単結晶体は安定性が高く相転移もないので、単結晶体の切り出し時におけるクラックを十分に抑制でき、第2相の発生も抑制できるため大型単結晶化が可能である。高い発光量をもち、放射性同位体を含まず、かつ残光を小さくできる。これにより、CWOの安全な代替物質となりえるX線検出器のシンチレータ材料として用いることができる。 Scintillator material is an embodiment of the present invention consists of the formula M 1-x RE x F 2 + x-w represented by the fluoride single crystal, M in Formula is Be, Mg, Ca, Sr, from the group of Ba One or more selected Group 2 metal elements, RE is a rare earth element, 0 <x ≦ 0.4, and 0 ≦ w ≦ 0.5. It can be used as a scintillator material for an X-ray detector that emits light with high quantum efficiency in the wavelength region of red light to near-infrared light by X-ray excitation, and high-sensitivity detection of X-rays becomes possible. Furthermore, since the single crystal body has high stability and no phase transition, cracks at the time of cutting out the single crystal body can be sufficiently suppressed, and generation of the second phase can be suppressed, so that a large single crystal can be formed. It has a high light emission amount, does not contain radioactive isotopes, and can reduce the afterglow. Thus, it can be used as a scintillator material for an X-ray detector that can be a safe substitute for CWO.
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、MがBaであり、REがEuである構成なので、X線励起により赤色光〜近赤外光の波長領域で、高量子効率で発光させることができる。 Since the scintillator material according to the embodiment of the present invention has a structure in which M is Ba and RE is Eu, it can emit light with high quantum efficiency in the wavelength region of red light to near infrared light by X-ray excitation. .
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、0.05≦x≦0.3である構成なので、X線励起により赤色光〜近赤外光の波長領域で、高量子効率で発光させることができる。 Since the scintillator material according to the embodiment of the present invention has a configuration of 0.05 ≦ x ≦ 0.3, it can emit light with high quantum efficiency in the wavelength region of red light to near infrared light by X-ray excitation. .
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、Mの一部が第3族金属元素、第4族金属元素、第5族金属元素、第13族金属元素、第14族金属元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素で置換されている構成なので、クラックを十分に抑制でき、第2相の発生も抑制できるため大型単結晶化が可能である。 In the scintillator material according to the embodiment of the present invention, a part of M is selected from the group consisting of Group 3 metal elements, Group 4 metal elements, Group 5 metal elements, Group 13 metal elements, and Group 14 metal elements. Therefore, cracks can be sufficiently suppressed, and generation of the second phase can also be suppressed, so that large-scale single crystallization can be achieved.
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、REの一部がSc、Y及び希土類元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素である構成なので、クラックを十分に抑制でき、第2相の発生も抑制できるため大型単結晶化が可能である。 Since the scintillator material according to the embodiment of the present invention has a configuration in which a part of RE is any one or more elements selected from the group of Sc, Y, and rare earth elements, cracks can be sufficiently suppressed. Since the generation of phases can be suppressed, large single crystallization is possible.
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、Fの一部がCl、Br、Iの郡から選択されるいずれか1又は2以上の元素である構成なので、クラックを十分に抑制でき、第2相の発生も抑制できるため大型単結晶化が可能である。 Since the scintillator material according to the embodiment of the present invention has a configuration in which a part of F is one or more elements selected from the group of Cl, Br, and I, the second phase can be sufficiently suppressed. Therefore, large single crystallization is possible.
本発明の実施形態であるシンチレータ材料は、板状、立方体状、線状又は円柱状のいずれかの形状とされている構成なので、X線検出器に容易に搭載できる。 Since the scintillator material according to the embodiment of the present invention has a plate shape, a cubic shape, a linear shape, or a cylindrical shape, it can be easily mounted on an X-ray detector.
本発明の実施形態であるX線検出器は、先に記載のシンチレータ材料と、フォトダイオードと、を有する構成なので、赤色光〜近赤外光の波長領域で発光するシンチレータ材料と、赤〜近赤外の光感度の高いSiフォトダイオードを組み合わせることにより、検出効率の高いX線検出器とすることができる。 Since the X-ray detector according to the embodiment of the present invention has the scintillator material described above and a photodiode, the scintillator material that emits light in the wavelength region of red light to near infrared light, and red to near By combining a Si photodiode with high infrared light sensitivity, an X-ray detector with high detection efficiency can be obtained.
本発明の実施形態であるシンチレータ材料及びX線検出器は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The scintillator material and the X-ray detector which are embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
<実施例1、比較例1〜3サンプル作製>
(実施例1)
まず、BaF2(形状:粉末、純度:99.99%以上)と、EuF3(形状:粉末、純度:99.99%以上)とを原料として準備した。
<Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 Sample Preparation>
(Example 1)
First, BaF 2 (shape: powder, purity: 99.99% or more) and EuF 3 (shape: powder, purity: 99.99% or more) were prepared as raw materials.
次に、BaF2およびEuF3を秤量した。この際、BaF2:EuF3(モル比)を、87.5:12.5とした。
次に、秤量したBaF2およびEuF3を、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後CF4(>99.99%)雰囲気とし、徐々に溶解させた後、徐々に冷却して、溶融凝固法により円板状の単結晶(実施例1サンプル)を作製した。
図1は、実施例1サンプルを示す写真である。
図1に示すように、実施例1サンプルの単結晶の直径は4cmであった。また、厚さは0.5cmであった。
Next, BaF 2 and EuF 3 were weighed. At this time, BaF 2 : EuF 3 (molar ratio) was set to 87.5: 12.5.
Next, the weighed BaF 2 and EuF 3 were mixed in a crucible, evacuated with a vacuum pump, then made into a CF 4 (> 99.99%) atmosphere, gradually dissolved, and then gradually cooled. Then, a disk-like single crystal (Example 1 sample) was produced by the melt solidification method.
FIG. 1 is a photograph showing a sample of Example 1.
As shown in FIG. 1, the diameter of the single crystal of the sample of Example 1 was 4 cm. The thickness was 0.5 cm.
実施例1サンプルの粉末X線回折測定をしたところ、単相であり、Ba0.875Eu0.125F2.125(仕込み組成)で表されると同定された。なお、以下、これを単にBaEuFと記載する場合がある。また、残留するBaF2およびEuF3がないことも確認された。 When the powder X-ray diffraction measurement of the sample of Example 1 was performed, it was identified as being single phase and represented by Ba 0.875 Eu 0.125 F 2.125 (charge composition). Hereinafter, this may be simply referred to as BaEuF. It was also confirmed that there was no residual BaF 2 and EuF 3 .
次に、得られた単結晶から1.5×1.5×4.5mm3の大きさの試料を切り出した。
次に、切り出した試料の全面を鏡面研磨して、特性評価用の実施例1サンプルとした。
Next, a sample having a size of 1.5 × 1.5 × 4.5 mm 3 was cut out from the obtained single crystal.
Next, the entire surface of the cut sample was mirror-polished to obtain Example 1 sample for property evaluation.
(比較例1〜3)
従来のシンチレータ材料であるBGO(比較例1サンプル)、PET用シンチレータ材料であるLGSO(比較例2サンプル)、LYSO(比較例3サンプル)を準備し、実施例1と同様に、1.5×1.5×4.5mm3の大きさの試料を切り出してから、切り出した試料の全面を鏡面研磨して、それぞれ特性評価用の比較例1〜3サンプルとした。
(Comparative Examples 1-3)
A conventional scintillator material BGO (Comparative Example 1 sample), PET scintillator material LGSO (Comparative Example 2 sample), and LYSO (Comparative Example 3 sample) were prepared. After a sample having a size of 1.5 × 4.5 mm 3 was cut out, the entire surface of the cut out sample was mirror-polished to obtain Comparative Examples 1 to 3 samples for characteristic evaluation, respectively.
<実施例1、比較例1〜3サンプルの特性評価>
次に、実施例1サンプルの透過スペクトルを測定した。
図2は、実施例1サンプルの透過スペクトルを示すグラフである。
400〜1800nmの波長領域で約90%の透過率(transmittance)であった。可視光から近赤外の領域の光の透過率が高かった。
<Characteristic evaluation of Example 1 and Comparative Examples 1-3>
Next, the transmission spectrum of the sample of Example 1 was measured.
FIG. 2 is a graph showing a transmission spectrum of the sample of Example 1.
The transmittance was about 90% in the wavelength region of 400 to 1800 nm. The transmittance of light from visible light to near infrared region was high.
次に、実施例1、比較例3サンプルのUV光励起の発光スペクトル(励起波長は実施例1:391nm、比較例3:358nm)を測定した。
図3は、実施例1、比較例3サンプルの発光スペクトルである。
LYSO(比較例3サンプル)が410nmの発光ピーク波長を有する青〜紫色の発光を示したのに対し、実施例1サンプルは、700nm付近の第1の発光ピーク波長、590nm付近の第2の発光ピーク波長、690nm付近の第3の発光ピーク波長、620nm付近の第4の発光ピーク波長及び645nm付近の第5の発光ピーク波長を有する赤色の発光を示した。
Next, the emission spectrum of UV light excitation of the samples of Example 1 and Comparative Example 3 (excitation wavelengths were Example 1: 391 nm and Comparative Example 3: 358 nm) was measured.
FIG. 3 is an emission spectrum of the sample of Example 1 and Comparative Example 3.
LYSO (Comparative Example 3 sample) showed blue to purple emission having an emission peak wavelength of 410 nm, whereas Example 1 sample had a first emission peak wavelength around 700 nm and a second emission around 590 nm. Red light was emitted having a peak wavelength, a third emission peak wavelength near 690 nm, a fourth emission peak wavelength near 620 nm, and a fifth emission peak wavelength near 645 nm.
次に、実施例1サンプルのX線励起の発光スペクトルを測定した。ターゲットとしてCuを用い、100mAの条件とした。
図4は、実施例1サンプルのX線励起の発光スペクトルを示すグラフである。
Ba0.875Eu0.125F2.125(実施例1サンプル)は、595nm付近の第1の発光ピーク波長、702nm付近の第2の発光ピーク波長、624nm付近の第3の発光ピーク波長、694nm付近の第4の発光ピーク波長及び655nm付近の第5の発光ピーク波長を有する赤色の発光を示した。
Next, the emission spectrum of the X-ray excitation of the sample of Example 1 was measured. Cu was used as a target, and the condition was 100 mA.
FIG. 4 is a graph showing an emission spectrum of X-ray excitation of the sample of Example 1.
Ba 0.875 Eu 0.125 F 2.125 (Example 1 sample) is a first emission peak wavelength near 595 nm, a second emission peak wavelength near 702 nm, a third emission peak wavelength near 624 nm, It showed red emission having a fourth emission peak wavelength near 694 nm and a fifth emission peak wavelength near 655 nm.
次に、実施例1、比較例1〜3サンプルにそれぞれ表3に示す所定の励起波長を照射し、得られた発光の光強度と、照射した励起光の光強度の比から、各サンプルの量子効率を算出した。
実施例1、比較例1〜3サンプルの量子効率は、表1に示す結果となった。実施例1サンプル(BaEuF)の量子効率が0.943と最も良かった。
Next, each of the samples of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 was irradiated with a predetermined excitation wavelength shown in Table 3, and the ratio of the obtained light intensity of the emitted light to the light intensity of the irradiated excitation light Quantum efficiency was calculated.
The quantum efficiency of the sample of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 was as shown in Table 1. The quantum efficiency of the sample of Example 1 (BaEuF) was 0.943, which was the best.
図5は、Siフォトダイオードの量子効率(Quantum Efficiency)及び反射率(Reflectance)の一例を示すグラフである。
波長350nmで約42%の反射率は、長波長化するに従い、減少し、610nmでほぼ0%の反射率となった。さらに長波長化すると、増加し、1100nmで約18%の反射率となった。
量子効率は、波長350nmで約50%であり、長波長化するに従い、増加し、640nmで約95%となった。さらに長波長化すると、減少し、1100nmで約5%となった。
FIG. 5 is a graph showing an example of quantum efficiency and reflectance of a Si photodiode.
The reflectance of about 42% at a wavelength of 350 nm decreased as the wavelength increased, and the reflectance was almost 0% at 610 nm. When the wavelength was further increased, the reflectance increased and the reflectance was about 18% at 1100 nm.
The quantum efficiency is about 50% at a wavelength of 350 nm, and increases as the wavelength increases, and reaches about 95% at 640 nm. When the wavelength was further increased, it decreased and became about 5% at 1100 nm.
よって、図3、4に示したように、実施例1サンプル(BaEuF)は、Siフォトダイオードの反射率がほぼ0%で、量子効率が90%以上である580nm〜710nmの波長領域で発光するので、実施例1サンプル(BaEuF)とSiフォトダイオードを組み合わせることにより、実施例1サンプル(BaEuF)で発光した光をSiフォトダイオードで高効率に電気に変換させることができ、高感度のX線検出器とすることができる。 Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the sample of Example 1 (BaEuF) emits light in the wavelength region of 580 nm to 710 nm where the reflectance of the Si photodiode is almost 0% and the quantum efficiency is 90% or more. Therefore, by combining the sample 1 sample (BaEuF) and the Si photodiode, the light emitted from the sample 1 sample (BaEuF) can be converted into electricity with high efficiency by the Si photodiode, and high sensitivity X-rays can be obtained. It can be a detector.
本発明のシンチレータ材料は、X線検出器のシンチレータであるCWOの安全な代替物質となり、X線異物検出機及びX線CT等のX線検出器に応用でき、放射線技術産業等において利用可能性がある。
The scintillator material of the present invention is a safe substitute for CWO, which is a scintillator for X-ray detectors, and can be applied to X-ray foreign matter detectors and X-ray detectors such as X-ray CT and can be used in the radiation technology industry. There is.
Claims (4)
The scintillator material according to any one of claims 1 to 3, wherein the scintillator material has a plate shape, a cubic shape, a linear shape, or a cylindrical shape.
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