JP6037025B2 - Scintillator material, radiation detector and radiation inspection apparatus - Google Patents

Scintillator material, radiation detector and radiation inspection apparatus Download PDF

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Description

本発明は、X線を検出する放射線検出器及び/又はガンマ線を検出する放射線検出器に用いられるシンチレータ材料に関し、より詳細にはX線CT装置及び/又はガンマ線PET装置に用いられる放射線検出器に適用可能な複合酸化物を含む透光性セラミックス又は単結晶からなるシンチレータ材料、放射線検出器及び放射線検査装置に関する。   The present invention relates to a scintillator material used for a radiation detector for detecting X-rays and / or a radiation detector for detecting gamma rays, and more particularly to a radiation detector used for an X-ray CT apparatus and / or a gamma-ray PET apparatus. The present invention relates to a scintillator material, a radiation detector, and a radiation inspection apparatus made of translucent ceramics or a single crystal containing an applicable complex oxide.

X線やガンマ線などの放射線エネルギー(高エネルギー電磁フォトン)によって励起されると、可視及び/又は近可視域の光エネルギーを放出する固体のシンチレータ材料は、光信号を電気信号に変換する光電変換回路と組み合わせた放射線検出器として、従来から資源探索用、セキュリティー用、荷物や食品の検査用、高エネルギーの研究用などの様々な用途に用いられてきた。その中でも、上記、放射線エネルギーを可視及び/又は近可視域の光エネルギーに変換する固体のシンチレータ材料と、光エネルギーを電気信号に変換する光電変換回路、並びに出力された電気信号をデジタル化して計算処理して画像化するコンピューティドトモグラフィ(CT)システムと組み合わせた、X線CT装置やガンマ線PET(Positron Emission Tomography)装置は、近年の高齢化社会の進展に伴って、医療機関を中心として急速に普及が進んでいる。   A solid scintillator material that emits visible and / or near-visible light energy when excited by radiation energy (high energy electromagnetic photons) such as X-rays and gamma rays is a photoelectric conversion circuit that converts an optical signal into an electrical signal. As a radiation detector in combination with the above, it has been used for various purposes such as resource searching, security, luggage and food inspection, and high energy research. Among them, the above-mentioned solid scintillator material that converts radiation energy into visible and / or near-visible light energy, a photoelectric conversion circuit that converts light energy into an electrical signal, and the output electrical signal are digitized and calculated. X-ray CT devices and gamma-ray PET (Positron Emission Tomography) devices combined with computed tomography (CT) systems that process and image images are rapidly growing mainly in medical institutions as the aging society progresses in recent years. It is becoming popular.

X線CT装置とガンマ線PET装置とは、放出される放射線の波長も、得られる光信号並びにそれを処理するシステムも大きく異なり、それぞれ一長一短がある。例えばX線CT装置はガンマ線PET装置に比べ安価だが、被曝線量がガンマ線PET装置に比べて大きい。他方、ガンマ線PET装置は高速撮影が可能で、ガン細胞に特異に蓄積させた放射性同位元素を検出することでガンの位置を検出することに適しているが、非常に高価な装置である。そのため、いずれの装置も適宜住み分けをしながら共に普及が進んでいる。とはいえ、今後の高齢化社会に対応した放射線医療機器の益々の普及促進のためには、X線CT装置、ガンマ線PET装置いずれにおいても、被曝線量低減化に寄与する新たなシンチレータ材料の開発が求められている。   The X-ray CT apparatus and the gamma-ray PET apparatus are greatly different in the wavelength of the emitted radiation, the optical signal to be obtained and the system for processing it, and each has advantages and disadvantages. For example, an X-ray CT apparatus is less expensive than a gamma ray PET apparatus, but the exposure dose is larger than that of a gamma ray PET apparatus. On the other hand, the gamma-ray PET apparatus is capable of high-speed imaging and is suitable for detecting the position of the cancer by detecting the radioisotope specifically accumulated in the cancer cells, but is an extremely expensive apparatus. For this reason, both devices have been widely spread while being properly separated. Nonetheless, in order to further promote the spread of radiological medical devices to cope with the aging society in the future, development of new scintillator materials that contribute to the reduction of exposure dose in both X-ray CT equipment and gamma-ray PET equipment Is required.

X線CT装置用のシンチレータ材料としては、過半量のイットリア(Y23)、約50モル%までのガドリニア(Gd23)及び小活性量(典型的には約0.02モル%〜12モル%、好ましくは約1モル%〜6モル%、最も好ましくは約3モル%)の希土類活性剤酸化物であるユーロピウムを含んだ立方晶構造の透光性酸化物焼結体シンチレータが昔から知られている(米国特許第4,421,671号明細書(特許文献1))。このユーロピウム活性型のシンチレータは発光効率が高く、残光レベルが低く、また他の好ましい特性を有するため、従来から商用利用がなされていた。Scintillator materials for X-ray CT apparatus include a majority amount of yttria (Y 2 O 3 ), up to about 50 mol% gadolinia (Gd 2 O 3 ), and a small amount of activity (typically about 0.02 mol%). A translucent oxide sintered scintillator having a cubic structure containing europium as a rare earth activator oxide (about 12 mol%, preferably about 1 mol% to 6 mol%, most preferably about 3 mol%). It has been known for a long time (US Pat. No. 4,421,671 (Patent Document 1)). This europium activated scintillator has been used for commercial use since it has high luminous efficiency, low afterglow level, and other desirable characteristics.

その他のX線CT装置用のシンチレータ材料としては、例えば特公平7−97139号公報(特許文献2)に放射線により発光する粉末シンチレータであり、一般式
(Ln1-x-yPrxCey22S:(X)
(但し、LnはGd、La及びYからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を表し、XはF及びClからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を表し、xは3×10-6≦x≦0.2の範囲の値、yは1×10-6≦x≦5×10-3の範囲の値、Xの量は2乃至1000ppmの範囲である)で表わされる粉末に焼結助剤を加えて、金属製の容器に詰めて真空封止して、熱間静水圧加圧し、更にアニールしてなる透光性焼結体シンチレータと、該シンチレータの発光を検知する光検出器とからなることを特徴とする放射線検出器が開示されており、発光効率の高いシンチレータ材料が得られている。
Other scintillator materials for X-ray CT apparatuses are, for example, powder scintillators that emit light by radiation in Japanese Patent Publication No. 7-97139 (Patent Document 2), and are represented by the general formula (Ln 1 -xy Pr x Ce y ) 2 O. 2 S: (X)
(However, Ln represents at least one element selected from the group consisting of Gd, La and Y, X represents at least one element selected from the group consisting of F and Cl, and x represents 3 × 10 −6. ≦ x ≦ 0.2, y is 1 × 10 −6 ≦ x ≦ 5 × 10 −3 and X is in the range of 2 to 1000 ppm) Translucent sintered scintillator formed by adding an auxiliary agent, filling in a metal container, vacuum-sealing, hot isostatic pressing, and further annealing, and photodetector for detecting light emission of the scintillator A radiation detector characterized by comprising: a scintillator material with high luminous efficiency is obtained.

また、この系統の材料も、以前からX線CT装置用のシンチレータ材料として広く商用利用がなされており、例えば特許第3741302号公報(特許文献3)のように継続的に改良発明が提案されている。   In addition, the material of this system has been widely used as a scintillator material for an X-ray CT apparatus for a long time, and continuously improved inventions have been proposed as disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3741302 (Patent Document 3). Yes.

更に、他のX線CT装置用のシンチレータ材料として、特開2007−169647号公報(特許文献4)には、
「[請求項1]
焼鈍の前に、式A32312を有するガーネットを備えた焼結及び焼鈍を施したシンチレータ組成物であって、式中、AはTb、Ce及びLuからなる群の少なくとも一つの要素又はこれらの組み合わせを有する位置であり、Bは八面体位(Al)であり、Cは四面体位(やはりAl)であり、上記ガーネットは、
(1)上記式において、上記八面体位Bの0.05原子〜2原子までのAlをScで置き換えたもの、
(2)上記式において、0.005原子〜2原子までの酸素をフッ素で置き換え、且つ上記A位において同数のCa原子を置き換えたもの、
(3)上記式において、B位の0.005原子〜2原子をMgで置き換え、且つ同数の酸素原子をフッ素で置き換えたもの、
(4)上記式において、B位の0.005原子〜2原子までをMg/Si、Mg/Zr、Mg/Ti及びMg/Hfからなる群から選択される少なくとも一つの組み合わせの原子で置き換えたもの、
(5)上記式において、B位の0.005原子〜2原子までをLi/Nb、Li/Taからなる群から選択される少なくとも一つの組み合わせの原子で置き換えたもの、並びに
(6)上記式において、上記A位の0.005原子〜2原子までをCaで置き換え、且つ等しい数のB位又はC位をケイ素で置き換えたもの、
から成る群から選択される少なくとも一つの置換を有する、
シンチレータ組成物。」
が開示されており、公知のシンチレータ組成物よりも短い減衰時間と高エネルギー線での曝射時の損傷を低減することができるとされている。
Furthermore, as a scintillator material for other X-ray CT apparatuses, JP 2007-169647 A (Patent Document 4) includes:
“[Claim 1]
A sintered and annealed scintillator composition comprising a garnet having the formula A 3 B 2 C 3 O 12 prior to annealing, wherein A is at least one of the group consisting of Tb, Ce and Lu A position having one element or a combination thereof, B is octahedral (Al), C is tetrahedral (also Al), and the garnet is
(1) In the above formula, 0.05 to 2 atoms of Al in the octahedral position B are replaced with Sc,
(2) In the above formula, 0.005 atom to 2 atoms of oxygen is replaced with fluorine, and the same number of Ca atoms are replaced at the A position,
(3) In the above formula, 0.005 atom to 2 atom at the B position is replaced with Mg, and the same number of oxygen atoms are replaced with fluorine,
(4) In the above formula, 0.005 atoms to 2 atoms at the B position were replaced with at least one combination of atoms selected from the group consisting of Mg / Si, Mg / Zr, Mg / Ti, and Mg / Hf. thing,
(5) In the above formula, 0.005 atom to 2 atoms at the B position are replaced with at least one combination of atoms selected from the group consisting of Li / Nb and Li / Ta, and (6) the above formula Wherein 0.005 atom to 2 atom at the A position is replaced with Ca, and an equal number of B or C positions are replaced with silicon,
Having at least one substitution selected from the group consisting of:
A scintillator composition. "
Is disclosed, and it is said that damage during exposure with a high energy ray can be reduced with a shorter decay time than known scintillator compositions.

この系統のガーネット構造を持つシンチレータ材料は、新しく発明されたもので、最近盛んに類似の発明が提案されている(例えば、特開2012−72331号公報(特許文献5)、特開2012−184397号公報(特許文献6)など)。
最新のX線CT装置のフラッグシップ機種で、こうしたシンチレータ材料の搭載が進んでいる模様である。
A scintillator material having a garnet structure of this system has been newly invented, and recently, similar inventions have been actively proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-72331 (Patent Document 5) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-184397). Gazette (patent document 6) etc.).
It seems that such scintillator materials are being installed in the flagship model of the latest X-ray CT system.

他方、ガンマ線PET装置用のシンチレータ材料としては、古くからBi4Ge312単結晶(通称BGO)が利用されてきた。BGOは発光強度がある程度強く、減衰時間もある程度短いが融点が低く、製造コストが嵩まないため、比較的安価なPET装置用材料として需要がある。またその後、発光量も増し、減衰時間も飛躍的に短くなったGd2SiO5:Ce(通称GSO)単結晶が開発され、ガンマ線PET装置のハイエンド機種に採用されている(例えば、特公昭62−8472号公報(特許文献7))。
更にその後、発光量がより大きく、減衰時間も更に短いLu2SiO5:Ce(通称LSO)単結晶が開発され、現在でもガンマ線PET装置にフラッグシップ機に搭載されている(例えば、特開平9−118593号公報(特許文献8))。
On the other hand, Bi 4 Ge 3 O 12 single crystal (commonly known as BGO) has been used for a long time as a scintillator material for a gamma ray PET apparatus. BGO has a strong emission intensity to some extent and a short decay time, but has a low melting point and a low manufacturing cost. Therefore, BGO is in demand as a relatively inexpensive material for PET devices. Thereafter, a Gd 2 SiO 5 : Ce (commonly referred to as GSO) single crystal whose light emission amount has been increased and whose decay time has been drastically shortened has been developed and adopted in a high-end model of a gamma ray PET apparatus (for example, Japanese Patent Publication No. 62). No. 8472 (Patent Document 7)).
Thereafter, a Lu 2 SiO 5 : Ce (commonly referred to as LSO) single crystal having a larger light emission amount and a shorter decay time was developed, and is still mounted on a flagship machine in a gamma ray PET apparatus (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9). -118593 (patent document 8)).

米国特許第4,421,671号明細書US Pat. No. 4,421,671 特公平7−97139号公報Japanese Examined Patent Publication No. 7-97139 特許第3741302号公報Japanese Patent No. 3741302 特開2007−169647号公報JP 2007-169647 A 特開2012−72331号公報JP 2012-72331 A 特開2012−184397号公報JP 2012-18497A 特公昭62−8472号公報Japanese Examined Patent Publication No. 62-8472 特開平9−118593号公報JP-A-9-118593

しかしながら、X線CT装置に関して、上記特許文献1に開示されている(Y過半量Gd≦0.523:Eu系のシンチレータ材料は、減衰時間が長い点及び密度が6.0g/cm3未満と小さく、厚膜化して使用しなければならない点が問題となっていた。
また、上記特許文献2、3に開示されている(Gd1-x-yPrxCey22S系のシンチレータ材料は、単斜晶のためシンチレート光の透過率が30%程度と低い点、及び高エネルギー線での曝射時の損傷が比較的大きい点が問題となっていた。
また、上記特許文献4、5、6に開示されている(Tb1-x-yLuxCey3(Al1-zScz2Al312系のシンチレータ材料は、減衰時間も短く、立方晶のためシンチレート光の透過率も80%以上と高く、高エネルギー線での曝射時の損傷も非常に小さい特徴を持ち、X線CT装置用のシンチレータ材料としては極めて好適な物質である。ただし、非常に複雑な組成の複合酸化物を高温で処理・作製しなくてはならないため、極めて高価になるという問題があった。あるいは、組成によっては、焼結処理温度を下げられる実施例も開示されているが、構成元素の種類が多いため、所望の組成で製造しようとすると、かなり歩留りが下がるという問題もあった。
一方、ガンマ線PET装置に関して、BGO単結晶についてはその製造コストはリーズナブルであるものの、発光強度及び減衰時間については不十分であった。また、GSO単結晶、LSO単結晶については、発光強度も大きく、減衰時間も短いため、ガンマ線PET装置用のシンチレータ材料としては非常に好適な物質である。しかしながら、融点が2000℃前後と極めて高いため、他のシンチレータ材料と比較しても、格段に高価になるという問題があった。
However, with regard to the X-ray CT apparatus, the scintillator material based on (Y- major amount Gd ≦ 0.5 ) 2 O 3 : Eu based on the X-ray CT apparatus has a long decay time and a density of 6.0 g / cm 3. The problem was that the film had to be used in the form of a thicker film.
In addition, the (Gd 1-xy Pr x Ce y ) 2 O 2 S scintillator material disclosed in Patent Documents 2 and 3 has a monoclinic crystal and has a low scintillation light transmittance of about 30%. The point and the point at which the damage at the time of exposure with a high energy ray is comparatively large have been a problem.
Further, disclosed in Patent Document 4,5,6 (Tb 1-xy Lu x Ce y) 3 (Al 1-z Sc z) 2 Al 3 O 12 based scintillator material is shorter decay time, Because it is cubic, the transmittance of scintillate light is as high as 80% or more, and it has very little damage when exposed to high energy rays. It is a very suitable material as a scintillator material for X-ray CT equipment. is there. However, there is a problem that a complex oxide having a very complicated composition must be processed and produced at a high temperature, which makes it extremely expensive. Or although the Example which can lower | hang a sintering process temperature is also disclosed depending on a composition, since there are many kinds of constituent elements, there also existed a problem that a yield fell considerably when it was going to manufacture with a desired composition.
On the other hand, regarding the gamma ray PET apparatus, the production cost of the BGO single crystal is reasonable, but the emission intensity and the decay time are insufficient. Further, the GSO single crystal and the LSO single crystal have a high emission intensity and a short decay time, and thus are very suitable substances as a scintillator material for a gamma ray PET apparatus. However, since the melting point is as extremely high as about 2000 ° C., there is a problem that it is much more expensive than other scintillator materials.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、X線及び/又はガンマ線の励起によって従来よりも長波長側の可視光領域に発光ピーク波長を有するシンチレーション光を発し、該シンチレーション光の透過率が高く、また減衰時間も短く、比較的単純な組成の複合酸化物を1800℃以下の熱処理で製造可能で製造コストも抑えられた、新規なシンチレータ材料、放射線検出器及び放射線検査装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and emits scintillation light having an emission peak wavelength in the visible light region on the longer wavelength side than before by excitation of X-rays and / or gamma rays, and the transmittance of the scintillation light is To provide a novel scintillator material, a radiation detector, and a radiation inspection apparatus capable of producing a complex oxide having a high and short decay time and a relatively simple composition by a heat treatment of 1800 ° C. or less and suppressing the production cost. With the goal.

本発明は、上記目的を達成するため、下記のシンチレータ材料、放射線検出器及び放射線検査装置を提供する。
〔1〕 下記式(1)で表わされる複合酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式(1)で表わされる複合酸化物の単結晶からなることを特徴とするシンチレータ材料。
(Tbx1-x-yCey227 (1)
(式中、xは0.2以上1未満の範囲、yは0.00001以上0.01以下の範囲、x+y≦1、Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム、プラセオジムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素、Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)である。)
〔2〕 X線及び/又はガンマ線で励起した場合に、610〜700nmの波長範囲に発光ピークを有する光を発する〔1〕記載のシンチレータ材料。
〔3〕 厚み1mmでの波長633nmの光の透過率が70%以上であることを特徴とする〔1〕又は〔2〕記載のシンチレータ材料。
〔4〕 パイロクロア格子を有する立方晶を主相とす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。
〔5〕 〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のシンチレータ材料を搭載したことを特徴とする放射線検出器。
〔6〕 〔5〕記載の放射線検出器を搭載したことを特徴とする放射線検査装置。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following scintillator material, radiation detector and radiation inspection apparatus.
[1] A scintillator material comprising a translucent ceramic containing a complex oxide represented by the following formula (1) as a main component or a single crystal of a complex oxide represented by the following formula (1).
(Tb x R 1-xy Ce y ) 2 B 2 O 7 (1)
(Wherein x is in the range of 0.2 to less than 1, y is in the range of 0.00001 to 0.01, x + y ≦ 1, R is yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, europium, displo. At least one rare earth element selected from the group consisting of silicon and praseodymium, and B is at least one element selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium (however, for silicon and germanium, this element Except when it is alone)
[2] The scintillator material according to [1], which emits light having an emission peak in a wavelength range of 610 to 700 nm when excited with X-rays and / or gamma rays.
[3] The scintillator material according to [1] or [2], wherein the transmittance of light having a wavelength of 633 nm at a thickness of 1 mm is 70% or more.
[4] The scintillator material according to any one of [1] to [3], wherein the main phase is a cubic crystal having a pyrochlore lattice.
[5] A radiation detector comprising the scintillator material according to any one of [1] to [4].
[6] A radiation inspection apparatus comprising the radiation detector according to [5].

本発明によれば、テルビウムを含有し、セリウム活性型で、ガーネット相とは別の立方晶希土類酸化物を主成分としたシンチレータ材料とすることにより、X線及び/又はガンマ線の励起によって従来よりも長波長側の可視光領域に発光ピーク波長を有するシンチレーション光を発し、且つ該シンチレーション光の透過率が高く、更に減衰時間も短く、製造温度が1800℃以下で可能なため製造コストも抑えられた、新規のシンチレータ材料を提供できる。   According to the present invention, a scintillator material containing terbium, a cerium active type, and a cubic rare earth oxide different from the garnet phase as a main component can be used by conventional excitation by X-rays and / or gamma rays. In addition, it emits scintillation light having an emission peak wavelength in the visible light region on the long wavelength side, has high transmittance of the scintillation light, has a short decay time, and can be manufactured at a manufacturing temperature of 1800 ° C. or lower, thereby reducing manufacturing costs. In addition, a novel scintillator material can be provided.

本発明に係る放射線検出器の構成を示す概略図であり、(a)はその正面図、(b)は(a)におけるA−A断面図である。It is the schematic which shows the structure of the radiation detector concerning this invention, (a) is the front view, (b) is AA sectional drawing in (a).

[シンチレータ材料]
以下、本発明に係るシンチレータ材料について説明する。
本発明に係るシンチレータ材料は、下記式(1)で表わされる複合酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式(1)で表わされる複合酸化物の単結晶からなる。
(Tbx1-x-yCey227 (1)
(式中、xは0.2以上1未満の範囲、yは0.00001以上0.01以下の範囲、x+y≦1、Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム、プラセオジムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素、Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)である。)
[Scintillator materials]
Hereinafter, the scintillator material according to the present invention will be described.
The scintillator material according to the present invention is made of a translucent ceramic containing a composite oxide represented by the following formula (1) as a main component or a single crystal of the complex oxide represented by the following formula (1).
(Tb x R 1-xy Ce y ) 2 B 2 O 7 (1)
(Wherein x is in the range of 0.2 to less than 1, y is in the range of 0.00001 to 0.01, x + y ≦ 1, R is yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, europium, displo. At least one rare earth element selected from the group consisting of silicon and praseodymium, and B is at least one element selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium (however, for silicon and germanium, this element Except when it is alone)

上記式(1)において、テルビウムは、X線及び/又はガンマ線照射により効率よく励起される骨格材料であり、且つ、該励起エネルギーが、賦活材であるセリウムイオンに効率良くエネルギートランスファーさせられる励起準位を持っており、更に該エネルギートランスファーされたセリウムの励起エネルギーが、Siフォトダイオードで光電変換可能な波長の光であって、従来よりも長波長側の可視光領域に発光ピークを有する光で発光することのできる準位に調整できる元素であり、本発明においては必須の元素である。賦活材であるセリウムイオンに効率良くエネルギーをトランスファーできると発光強度が上がるため好ましい。また、Siフォトダイオードで光電変換ができると、光電子増倍管で受光するよりも遥かに低コストで放射線検出器が製造できるため好ましい。更に、従来よりも長波長側の可視光領域に発光ピークを有する光で発光できると、Siフォトダイオードを用いた放射線検出器においてバイアス電圧を下げることができるので回路の簡略化を図ることができ好ましい。
なお、従来のシンチレータ材料が発する光の発光ピークは、幾つかの組成により異なるが、510〜590nmの波長範囲内にある。
In the above formula (1), terbium is a skeletal material that is efficiently excited by irradiation with X-rays and / or gamma rays, and the excitation energy is such that the excitation energy is efficiently transferred to the cerium ions that are activators. Furthermore, the excitation energy of the energy-transferred cerium is light having a wavelength that can be photoelectrically converted by the Si photodiode, and having a light emission peak in the visible light region longer than the conventional one. It is an element that can be adjusted to a level capable of emitting light, and is an essential element in the present invention. It is preferable that energy can be efficiently transferred to the cerium ion, which is an activator, because the emission intensity increases. In addition, it is preferable that photoelectric conversion can be performed with a Si photodiode because a radiation detector can be manufactured at a much lower cost than that received with a photomultiplier tube. Furthermore, if light can be emitted with light having an emission peak in the visible light region on the longer wavelength side than before, the bias voltage can be lowered in a radiation detector using a Si photodiode, so that the circuit can be simplified. preferable.
In addition, although the light emission peak of the light which the conventional scintillator material emits changes with some compositions, it exists in the wavelength range of 510-590 nm.

セリウムは、テルビウム、及び更に別の1つ以上の希土類元素が吸収したX線及び/又はガンマ線エネルギーを速やかに受け取って励起状態となり、速やかに低エネルギー状態に遷移する元素であり、本発明においては必須の別の元素である。セリウムを活性剤に利用すると、ユーロピウム等の他の活性剤に比べ、減衰時間が短くなり好ましい。   Cerium is an element that promptly receives X-ray and / or gamma ray energy absorbed by terbium and one or more other rare earth elements and enters an excited state and quickly transitions to a low energy state. It is another essential element. Use of cerium as an activator is preferable because the decay time is shorter than other activators such as europium.

Rは、材料の密度を上げてX線及び/又はガンマ線エネルギーの吸収断面積を向上させる作用を持つ元素群であり、更にセリウムの電子遷移状態と共鳴して発光効率を向上させる作用を持つ元素群もここに含まれる。   R is an element group having an action of increasing the density of the material to improve the absorption cross section of X-ray and / or gamma ray energy, and further, an element having an action of improving luminous efficiency by resonating with an electronic transition state of cerium. Groups are also included here.

そのような元素としては、イットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム、プラセオジムが好適に利用できる。
なお、Tb、Ce、Rを総称してAサイト位置の元素という。
As such an element, yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, europium, dysprosium, and praseodymium can be suitably used.
Tb, Ce, and R are collectively referred to as elements at the A site.

Bは、当該シンチレータ材料の結晶構造をパイロクロア型の立方晶に規定する作用を持つ元素であり、本発明においては重要な元素である。この結果、本発明のシンチレータ材料は、パイロクロア格子を有する立方晶(パイロクロア型立方晶)を主相とするものとなり、好ましくはパイロクロア型立方晶からなるものとなる。なお、主相とするとは、結晶構造としてパイロクロア型立方晶が全体の90体積%以上、好ましくは95体積%以上、より好ましくは99体積%以上、特に好ましくは99.9体積%以上を占めることをいう。結晶構造が立方晶であると、複屈折による散乱の影響がなくなり、X線及び/又はガンマ線で励起した場合に出力されるシンチレーション光の透過率が向上し、厚み1mmでの波長633nmの光の透過率が70%以上となるため好ましい。
そのような元素としては、チタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムが好適に利用できる。ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く。
なお、この位置に入る元素を、Bサイト位置の元素という。また、上記Tb、Ce、Rを総称してAサイト位置の元素という。即ち、本発明のシンチレータ材料は、A227タイプの複合酸化物を主成分とする。
B is an element having an effect of defining the crystal structure of the scintillator material as a pyrochlore type cubic crystal, and is an important element in the present invention. As a result, the scintillator material of the present invention has a cubic crystal (pyrochlore type cubic crystal) having a pyrochlore lattice as a main phase, preferably a pyrochlore type cubic crystal. The main phase means that the pyrochlore type cubic crystal accounts for 90% by volume or more, preferably 95% by volume or more, more preferably 99% by volume or more, and particularly preferably 99.9% by volume or more as a whole. Say. When the crystal structure is a cubic crystal, the effect of scattering due to birefringence is eliminated, the transmittance of scintillation light that is output when excited by X-rays and / or gamma rays is improved, and light with a wavelength of 633 nm at a thickness of 1 mm is obtained. The transmittance is preferably 70% or more.
As such an element, titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium can be suitably used. However, for silicon and germanium, the case where the element is used alone is excluded.
An element entering this position is referred to as an element at the B site. The Tb, Ce, and R are collectively referred to as elements at the A site. That is, the scintillator material of the present invention is mainly composed of an A 2 B 2 O 7 type composite oxide.

上記式(1)は、テルビウム及びセリウムと、Rとしてイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム、プラセオジムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素とを含み、Bとしてチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)を含むもので構成されているが、更に他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、イッテルビウムが例示でき、様々な不純物群として、カルシウム、アルミニウム、燐、タングステン、モリブデン等が典型的に例示できる。   The above formula (1) includes terbium and cerium, and at least one rare earth element selected from the group consisting of yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, europium, dysprosium, and praseodymium as R, and B It is composed of at least one element selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium (provided that silicon and germanium are not included in the case of the element alone), Furthermore, other elements may be contained. As other elements, ytterbium can be exemplified, and calcium, aluminum, phosphorus, tungsten, molybdenum and the like can be typically exemplified as various impurity groups.

その他の元素の含有量は、テルビウムの全量を100としたとき、10以下であることが好ましく、0.1以下であることが更に好ましく、0.001以下(実質的にゼロ)であることが特に好ましい。   The content of other elements is preferably 10 or less, more preferably 0.1 or less, and 0.001 or less (substantially zero) when the total amount of terbium is 100. Particularly preferred.

式(1)中、xは0.2以上1.0未満である。式(1)中、xが0.2未満であると、X線及び/又はガンマ線で励起した場合の最強のピーク波長が本発明で想定している波長範囲の中では短波長側になり、且つ発光波長が短波長側にずれるにつれて減衰時間も遅くなる傾向があるため好ましくない。逆に、xが0.2以上1.0未満であると、X線及び/又はガンマ線で励起した場合の最強のピーク波長を本発明で想定している波長範囲内に入れることができ、減衰時間も速くなるため好ましい。   In formula (1), x is 0.2 or more and less than 1.0. In the formula (1), when x is less than 0.2, the strongest peak wavelength when excited by X-rays and / or gamma rays is on the short wavelength side in the wavelength range assumed in the present invention, In addition, the decay time tends to be delayed as the emission wavelength shifts to the short wavelength side, which is not preferable. On the contrary, when x is 0.2 or more and less than 1.0, the strongest peak wavelength when excited by X-rays and / or gamma rays can be included in the wavelength range assumed in the present invention, and attenuation This is preferable because the time is also fast.

式(1)中、yは0.00001以上0.01以下であり、0.0001以上0.01以下であることが好ましい。yが0.00001未満であると、吸収したX線エネルギー及び/又はガンマ線を速やかに受け取って励起状態となり、速やかに低エネルギー状態に遷移する活性剤の濃度が薄すぎるため、発光強度が低下し、減衰時間が長くなるため好ましくない。またyが0.01超であると、再び発光強度が低下し始めるため好ましくない。また、x+y≦1である。   In formula (1), y is 0.00001 or more and 0.01 or less, and preferably 0.0001 or more and 0.01 or less. If y is less than 0.00001, the absorbed X-ray energy and / or gamma rays are promptly received to be in an excited state, and the concentration of the activator that quickly transitions to the low energy state is too thin. This is not preferable because the decay time becomes long. If y is more than 0.01, the emission intensity starts to decrease again, which is not preferable. Further, x + y ≦ 1.

本発明のシンチレータ材料は、上記式(1)で表わされる複合酸化物を主成分として含有する。即ち、本発明のシンチレータ材料は、上記式(1)で表わされる複合酸化物を主成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として含有していてもよい。   The scintillator material of the present invention contains a composite oxide represented by the above formula (1) as a main component. That is, the scintillator material of the present invention may contain the composite oxide represented by the above formula (1) as a main component, and may contain other components as subcomponents.

ここで、主成分として含有するとは、上記式(1)で表わされる複合酸化物を50質量%以上含有することを意味する。式(1)で表わされる複合酸化物の含有量は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、99質量%以上であることが好ましく、99.9質量%以上であることが特に好ましい。   Here, containing as a main component means containing 50 mass% or more of complex oxide represented by the said Formula (1). The content of the composite oxide represented by the formula (1) is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, preferably 99% by mass or more, and 99.9% by mass. The above is particularly preferable.

一般的に例示される、その他の副成分としては、単結晶育成の際にドープされるドーパント、フラックス、セラミック製造の際に添加される焼結助剤等がある。   Other subcomponents that are generally exemplified include dopants doped during single crystal growth, flux, and sintering aids added during ceramic production.

本発明のシンチレータ材料の製造方法としては、フローティングゾーン法、マイクロ引下げ法などの単結晶製造方法、並びにセラミックス製造法があり、いずれの製法を用いても構わない。ただし、一般に単結晶製造方法では固溶体の濃度比の設計に一定程度の制約があり、セラミック製造法の方が本発明ではより好ましい。   As a manufacturing method of the scintillator material of the present invention, there are a single crystal manufacturing method such as a floating zone method and a micro pull-down method, and a ceramic manufacturing method, and any manufacturing method may be used. However, in general, the single crystal manufacturing method has a certain degree of restriction in the design of the concentration ratio of the solid solution, and the ceramic manufacturing method is more preferable in the present invention.

以下、本発明のシンチレータ材料の製造方法の例としてセラミックス製造法について更に詳述するが、本発明の技術的思想を踏襲した単結晶製造方法を排除するものではない。   Hereinafter, the ceramic production method will be described in more detail as an example of the production method of the scintillator material of the present invention, but the single crystal production method that follows the technical idea of the present invention is not excluded.

《セラミックス製造法》
[原料]
本発明で用いる原料としては、テルビウム及びセリウム、並びに希土類元素R(Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム、プラセオジムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素である)、更にB元素(Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素である)からなる本発明のシンチレータ材料の構成元素となる金属粉末、ないしは硝酸、硫酸、尿酸等の水溶液、あるいは上記元素の複合酸化物粉末等が好適に利用できる。特に、上記各元素の各酸化物粉末は安定で安全なため取扱いが容易となるため好ましい。なお、これら原料の純度は99.9質量%以上が好ましい。
《Ceramics manufacturing method》
[material]
As raw materials used in the present invention, terbium and cerium, and a rare earth element R (R is at least one rare earth element selected from the group consisting of yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, europium, dysprosium, and praseodymium) A metal powder that is a constituent element of the scintillator material of the present invention, further comprising B element (B is at least one element selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium), Or an aqueous solution of nitric acid, sulfuric acid, uric acid or the like, or a complex oxide powder of the above elements can be suitably used. In particular, each oxide powder of each element is preferable because it is stable and safe and easy to handle. The purity of these raw materials is preferably 99.9% by mass or more.

また、上記原料の粉末形状については特に限定されず、例えば角状、球状、板状の粉末が好適に利用できる。また、二次凝集している粉末であっても好適に利用できるし、スプレードライ処理等の造粒処理によって造粒された顆粒状粉末であっても好適に利用できる。更に、これらの原料粉末の調整工程については特に限定されない。共沈法、粉砕法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法、その他あらゆる合成方法で作製された原料粉末が好適に利用できる。また、得られた原料粉末を適宜湿式ボールミル、ビーズミル、ジェットミルや乾式ジェットミル、ハンマーミル等によって処理してもよい。   Moreover, it does not specifically limit about the powder shape of the said raw material, For example, square, spherical, and plate-shaped powder can be utilized suitably. Moreover, it can use suitably even if it is the powder which carried out secondary aggregation, and it can use suitably also if it is the granular powder granulated by granulation processes, such as a spray-dry process. Furthermore, there are no particular limitations on the process of adjusting these raw material powders. A raw material powder produced by a coprecipitation method, a pulverization method, a spray pyrolysis method, a sol-gel method, an alkoxide hydrolysis method, or any other synthesis method can be suitably used. Further, the obtained raw material powder may be appropriately treated by a wet ball mill, a bead mill, a jet mill, a dry jet mill, a hammer mill or the like.

本発明で用いる複合酸化物粉末原料中には、適宜焼結抑制助剤(焼結助剤)を添加してもよい。特に高い透光性を得るためには、しばしばホスト材料に見合った好適な焼結抑制助剤を添加することが好ましい。ただし、その純度は99.9質量%以上が好ましい。なお、焼結抑制助剤を添加しない場合には、使用する原料粉末についてその一次粒子の粒径がナノサイズであって焼結活性が極めて高いものを選定するとよい。こうした選択は適宜なされてよい。   In the composite oxide powder raw material used in the present invention, a sintering suppression aid (sintering aid) may be appropriately added. In particular, in order to obtain a high translucency, it is often preferable to add a suitable sintering inhibitor that is suitable for the host material. However, the purity is preferably 99.9% by mass or more. In addition, when a sintering inhibitor is not added, it is preferable to select a raw material powder that has a primary particle size of nano-size and extremely high sintering activity. Such a selection may be made as appropriate.

更に製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。   Furthermore, various organic additives may be added for the purpose of improving the quality stability and the yield in the manufacturing process. In the present invention, these are not particularly limited. That is, various dispersants, binders, lubricants, plasticizers, and the like can be suitably used.

[製造工程]
本発明では、上記原料粉末を用いて、所定形状にプレス成形した後に脱脂を行い、次いで焼結して、相対密度が最低でも92%以上に緻密化した焼結体を作製する。その後工程として熱間等方圧プレス(HIP)処理を行うことが好ましい。
[Manufacturing process]
In the present invention, the above raw material powder is pressed into a predetermined shape, degreased, and then sintered to produce a sintered body with a relative density of at least 92% or more. It is preferable to perform a hot isostatic pressing (HIP) process as a subsequent process.

(プレス成形)
本発明の製造方法においては、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、原料粉末を型に充填して一定方向から加圧するプレス工程や変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧するCIP(Cold Isostatic Pressing)工程が利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のCIP装置で対応可能な300MPa以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。
(Press molding)
In the production method of the present invention, a normal press molding process can be suitably used. That is, it is possible to use a very general pressing process in which raw material powder is filled in a mold and pressurized from a certain direction, or a CIP (Cold Isostatic Pressing) process in which the raw material powder is sealed in a deformable waterproof container and pressurized with hydrostatic pressure. The applied pressure may be appropriately adjusted while confirming the relative density of the obtained molded body, and is not particularly limited. For example, if the pressure is controlled within a pressure range of about 300 MPa or less that can be handled by a commercially available CIP device, the manufacturing cost can be suppressed. It's okay. Alternatively, not only a molding process but also a hot press process, a discharge plasma sintering process, a microwave heating process, and the like that can be performed all at once at the time of molding can be suitably used.

(脱脂)
本発明の製造方法においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解消去できる温度まで昇温することが好ましい。
(Degreasing)
In the production method of the present invention, a normal degreasing step can be suitably used. That is, it is possible to go through a temperature rising degreasing process by a heating furnace. Also, the type of atmospheric gas at this time is not particularly limited, and air, oxygen, hydrogen, and the like can be suitably used. The degreasing temperature is not particularly limited, but when a raw material mixed with an organic additive is used, it is preferable to raise the temperature to a temperature at which the organic component can be decomposed and eliminated.

(焼結)
本発明の製造方法においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されないが、不活性ガス、酸素、水素、真空等が好適に利用できる。
(Sintering)
In the production method of the present invention, a general sintering process can be suitably used. That is, a heating and sintering process such as a resistance heating method or an induction heating method can be suitably used. The atmosphere at this time is not particularly limited, but an inert gas, oxygen, hydrogen, vacuum, or the like can be suitably used.

本発明の焼結工程における焼結温度は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には選択された出発原料を用いて、製造しようとする各種複合酸化物焼結体の融点よりも数10℃から100℃乃至は200℃程度低温側の温度が好適に選定される。また、選定される温度の近傍に立方晶以外の相に相変化する温度帯が存在するパイロクロア型複合酸化物焼結体を製造しようとする際には、厳密にその温度帯を外した条件となるように管理して焼結すると、立方晶以外の相の混入を抑制でき、複屈折性の散乱を低減できるメリットがある。   The sintering temperature in the sintering step of the present invention is appropriately adjusted depending on the starting material selected. In general, using a selected starting material, a temperature that is several tens of degrees Celsius to 100 degrees Celsius or 200 degrees Celsius lower than the melting point of various composite oxide sintered bodies to be produced is suitably selected. In addition, when trying to produce a pyrochlore-type composite oxide sintered body in which there is a temperature zone in which a phase change to a phase other than a cubic crystal exists in the vicinity of the selected temperature, the conditions under which the temperature zone is strictly excluded and If controlled and sintered, the mixture of phases other than cubic crystals can be suppressed, and birefringence scattering can be reduced.

本発明の焼結工程における焼結保持時間は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には数時間程度で十分な場合が多い。ただし、焼結工程後の複合酸化物焼結体の相対密度は最低でも92%以上に緻密化されていなければならない。   The sintering holding time in the sintering process of the present invention is appropriately adjusted depending on the starting material selected. In general, a few hours is often sufficient. However, the relative density of the composite oxide sintered body after the sintering process must be densified to at least 92%.

(熱間等方圧プレス(HIP))
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス(HIP(Hot Isostatic Pressing))処理を行う工程を設けることができる。
(Hot isostatic pressing (HIP))
In the production method of the present invention, after the sintering process, an additional step of performing a hot isostatic pressing (HIP (Hot Isostatic Pressing) process) can be provided.

なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はAr−O2が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、50〜300MPaが好ましく、100〜300MPaがより好ましい。圧力50MPa未満では透光性改善効果が得られない場合があり、300MPa超では圧力を増加させてもそれ以上の透光性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のHIP装置で処理できる196MPa以下であると簡便で好ましい。Incidentally, the pressurized gas medium type in this case, argon, an inert gas such as nitrogen or Ar-O 2 can be used suitably. The pressure applied by the pressurized gas medium is preferably 50 to 300 MPa, and more preferably 100 to 300 MPa. If the pressure is less than 50 MPa, the translucency improvement effect may not be obtained. If the pressure exceeds 300 MPa, no further improvement in translucency can be obtained even if the pressure is increased, and the load on the device may be excessive and damage the device. There is. The applied pressure is preferably 196 MPa or less, which can be processed with a commercially available HIP device, for convenience and convenience.

また、その際の処理温度(所定保持温度)は材料の種類及び/又は焼結状態により適宜設定すればよく、例えば1000〜2000℃、好ましくは1300〜1800℃の範囲で設定される。このとき、焼結工程の場合と同様に焼結体を構成する複合酸化物の融点以下及び/又は相転移点以下とすることが必須であり、熱処理温度が2000℃超では本発明で想定している複合酸化物焼結体が融点を超えるか相転移点を超えてしまい、適正なHIP処理を行うことが困難となる。また、熱処理温度が1000℃未満では焼結体の透光性改善効果が得られない。なお、熱処理温度の保持時間については特に制限されないが、焼結体を構成する複合酸化物の特性を見極めながら適宜調整するとよい。   Further, the treatment temperature (predetermined holding temperature) at that time may be appropriately set depending on the type of material and / or the sintering state, and is set in the range of, for example, 1000 to 2000 ° C, preferably 1300 to 1800 ° C. At this time, as in the case of the sintering step, it is essential that the temperature be below the melting point and / or the phase transition point of the composite oxide constituting the sintered body. The composite oxide sintered body exceeds the melting point or exceeds the phase transition point, making it difficult to perform an appropriate HIP treatment. Moreover, if the heat treatment temperature is less than 1000 ° C., the effect of improving the translucency of the sintered body cannot be obtained. In addition, although there is no restriction | limiting in particular about the holding time of heat processing temperature, It is good to adjust suitably, checking the characteristic of the complex oxide which comprises a sintered compact.

なお、HIP処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、ないしはモリブデン(Mo)が好適に利用できる。   In addition, the heater material, the heat insulating material, and the processing container for HIP processing are not particularly limited, but graphite or molybdenum (Mo) can be suitably used.

(光学研磨)
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た透光性複合酸化物焼結体(透光性セラミックス)について、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は測定波長λ=633nmの場合、λ/4以下が好ましく、λ/8以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(Optical polishing)
In the manufacturing method of the present invention, both ends of the light-transmitting composite oxide sintered body (translucent ceramic) that has undergone the above-described series of manufacturing steps on the optically utilized axis can be optically polished. preferable. The optical surface accuracy at this time is preferably λ / 4 or less, particularly preferably λ / 8 or less, when the measurement wavelength λ = 633 nm. Note that it is possible to further reduce the optical loss by appropriately forming an antireflection film on the optically polished surface.

以上のようにして得られる本発明のシンチレータ材料は、パイロクロア格子を有する立方晶が主相であって、X線及び/又はガンマ線で励起した場合に、従来のシンチレータ材料が発するシンチレーション光よりも長波長側の可視光領域に発光ピークを有するシンチレーション光、例えば好ましくは波長範囲610〜700nm、より好ましくは630〜670nmに発光ピークを有し、特に好ましくはこれらの波長範囲に最強の波長ピークを有する光を発する。また、その厚みを1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が70%以上のものとなる。   The scintillator material of the present invention obtained as described above has a cubic crystal having a pyrochlore lattice as the main phase, and is longer than the scintillation light emitted by the conventional scintillator material when excited by X-rays and / or gamma rays. Scintillation light having an emission peak in the visible light region on the wavelength side, for example, preferably has an emission peak in the wavelength range of 610 to 700 nm, more preferably 630 to 670 nm, and particularly preferably has the strongest wavelength peak in these wavelength ranges Emits light. Further, the transmittance of light having a wavelength of 633 nm when the thickness is 1 mm is 70% or more.

[放射線検出器]
本発明のシンチレータ材料は、X線CT装置用途及び/又はガンマ線PET装置用途に好適であり、該装置内にアレイ状に多数配置されて、X線照射及び/又はガンマ線照射により励起される放射線検出器用として好適である。なお、本発明で想定しているX線及びガンマ線としては、例えばタングステン又はタングステン合金(Re−W合金)からなる電子線照射面を有するターゲットを用いたX線管で発生するX線、放射性同位体コバルト60のガンマ線源から発生するガンマ線が挙げられる。
[Radiation detector]
The scintillator material of the present invention is suitable for X-ray CT apparatus applications and / or gamma-ray PET apparatus applications. A large number of arrays are arranged in the apparatus, and the radiation detection is excited by X-ray irradiation and / or gamma irradiation. Suitable for dexterity. Note that X-rays and gamma rays assumed in the present invention include, for example, X-rays generated in an X-ray tube using a target having an electron beam irradiation surface made of tungsten or a tungsten alloy (Re-W alloy), and radioisotopes. Examples include gamma rays generated from a gamma ray source of body cobalt 60.

本発明の放射線検出器は、本発明のシンチレータ材料からなるプレートと、その後段のSiフォトダイオードなどの受光素子とからなる。その構成例を図1に示す。本発明の放射線検出器10は、本発明のシンチレータ材料からなるシンチレータプレート11が反射材12で仕切られて縦6行、横6列の36素子に配置され、更に各シンチレータプレート11の後段に受光素子13を配置して容器14に収納したものである。この放射線検出器10は、前方から入射してきたX線及び/又はガンマ線によってシンチレータプレート11が励起され、該シンチレータプレート11から出力される発光エネルギーを受光素子13によって電気信号に変換し、増幅して出力する構成となっている。
なお、受光素子13は、本発明のシンチレータ材料の発光ピーク波長の領域の光を検出できるものであり、またX線CT装置やガンマ線PET装置に搭載される放射線検出器に用いられる一般的なものであり、Siフォトダイオード(PD)、Si−APD(Avalanche Photodiode)、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、光電子増倍管(PMT)などが挙げられる。受光素子13として、例えば、感度波長範囲450〜1050nm、最大感度波長が550nm以上、好ましくは感度波長範囲450〜800nm、最大感度波長が590nm以上のSi−APD(avalanche photodiode)が好ましい。
The radiation detector of the present invention comprises a plate made of the scintillator material of the present invention and a light receiving element such as a Si photodiode at the subsequent stage. An example of the configuration is shown in FIG. In the radiation detector 10 of the present invention, a scintillator plate 11 made of the scintillator material of the present invention is partitioned by a reflector 12 and arranged in 36 elements in 6 rows and 6 columns, and further receives light at the subsequent stage of each scintillator plate 11. The element 13 is arranged and stored in the container 14. In this radiation detector 10, the scintillator plate 11 is excited by X-rays and / or gamma rays incident from the front, and the light emission energy output from the scintillator plate 11 is converted into an electric signal by the light receiving element 13 and amplified. It is configured to output.
The light receiving element 13 can detect light in the region of the emission peak wavelength of the scintillator material of the present invention, and is a general element used for a radiation detector mounted on an X-ray CT apparatus or a gamma ray PET apparatus. Si photodiode (PD), Si-APD (Avalanche Photodiode), CCD (Charge Coupled Device) image sensor, photomultiplier tube (PMT), and the like. As the light receiving element 13, for example, a Si-APD (avalanche photodiode) having a sensitivity wavelength range of 450 to 1050 nm and a maximum sensitivity wavelength of 550 nm or more, preferably a sensitivity wavelength range of 450 to 800 nm and a maximum sensitivity wavelength of 590 nm or more is preferable.

このようにアレイ状に配置された本発明の放射線検出器10と、放射線検出器10から出力される電気信号をデジタル化して計算処理して画像化するコンピューティドトモグラフィ(CT)システムとを組み合わせて、X線CT装置やガンマ線PET装置の放射線検査装置が作製される。   A combination of the radiation detector 10 of the present invention arranged in an array in this way and a computed tomography (CT) system that digitizes an electrical signal output from the radiation detector 10 and calculates and images it. Thus, a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma ray PET apparatus is manufactured.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、原料粉の一次粒径は、レーザ光回折法による重量平均値として求めた。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the examples. The primary particle diameter of the raw material powder was determined as a weight average value by a laser light diffraction method.

[実施例1、比較例1]
上記式(1)において、Bサイト位置の元素としてチタン、スズ又はハフニウムを選択した例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ガドリニウム粉末、酸化ルテチウム粉末、酸化ランタン粉末、酸化ホルミウム粉末、酸化ツリウム、酸化ユーロピウム、酸化ディスプロシウム及び酸化プラセオジム粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製の酸化チタン粉末、酸化第2スズ粉末、並びにAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表1のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、R元素のモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、チタン、スズ、又はハフニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが等量モル比率となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて28種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、いずれの焼成原料についても、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料となっていることが確認された。
得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 1, Comparative Example 1]
An example in which titanium, tin, or hafnium is selected as the element at the B site in the above formula (1) will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, yttrium oxide powder, gadolinium oxide powder, lutetium oxide powder, lanthanum oxide powder, holmium oxide powder, thulium oxide, europium oxide, dysprosium oxide and praseodymium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Was obtained. In addition, titanium oxide powder, stannic oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., and hafnium oxide powder manufactured by American Elements were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio as shown in Table 1 having a final composition was produced. That is, the final sum of the molar ratios of terbium, cerium, and R elements (that is, the number of moles of elements at the A site) and the number of moles of titanium, tin, or hafnium (that is, the number of moles of elements at the B site) ) And the mixed powders weighed so as to have an equimolar molar ratio. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm. Furthermore, these powders were put into an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high-temperature muffle furnace to obtain 28 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that any of the fired raw materials was an oxide raw material having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure.
The obtained various raw materials were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill apparatus. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 0006037025
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次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が92%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 92% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.

こうして得られた各セラミック焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理してシンチレータプレートとした。次いで、シンチレータプレート同士の間に反射材(シリコーンペースト中に分散させた酸化マグネシウム粉末からなり、乾燥により接着させたもの)を設けて縦6行、横6列の36素子に仕切った後、このサンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて以下の要領で透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
Each ceramic sintered body thus obtained was cut, ground and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm to obtain a scintillator plate. Next, a reflector (made of magnesium oxide powder dispersed in a silicone paste and bonded by drying) is provided between the scintillator plates and partitioned into 36 elements in 6 rows and 6 columns. The optical end surfaces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when the measurement wavelength was λ = 633 nm).
About each obtained scintillator plate, the transmittance | permeability was measured in the following ways using HeNe laser (wavelength 633nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.

(透過率の測定方法)
透過率は、波長633nmの光を透過させたときの光の強度により測定され、以下の式に基づいて求めた。
透過率(%)=I/Io×100
(式中、Iは透過光強度(厚み1mmのサンプルを透過した光の強度)、Ioは入射光強度を示す。)
(Measurement method of transmittance)
The transmittance was measured by the intensity of light when light having a wavelength of 633 nm was transmitted, and was determined based on the following equation.
Transmittance (%) = I / Io × 100
(In the formula, I represents transmitted light intensity (intensity of light transmitted through a sample having a thickness of 1 mm), and Io represents incident light intensity.)

その後、各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、この放射線検出器10と、タングステンターゲットのX線管とを組み合わせて作製した光出力測定装置を用いて、X線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。なお、受光素子13として、Si−APD(浜松ホトニクス(株)製短波長型、型番S5343、感度波長範囲550〜800nm、最大感度波長590nm)を用いた。また、このSi−APDの波長540nm(基準サンプルのCdWO4単結晶(CWO単結晶)シンチレータの発光ピーク波長)における感度と波長650nm(実施例サンプルの発光ピーク波長相当)における感度は同程度である。
このとき、以下のようにシンチレータプレート11の発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 to produce the radiation detector 10 of FIG. Next, using a light output measuring device manufactured by combining the radiation detector 10 and an X-ray tube of a tungsten target, the scintillator plate 11 is irradiated with X-rays at a tube voltage of the X-ray tube of 120 kV, and the light receiving element 13 is irradiated. The value of the flowing current was obtained as the light output. In addition, Si-APD (Hamamatsu Photonics Co., Ltd. short wavelength type, model number S5343, sensitivity wavelength range 550 to 800 nm, maximum sensitivity wavelength 590 nm) was used as the light receiving element 13. In addition, the sensitivity of this Si-APD at a wavelength of 540 nm (emission peak wavelength of the CdWO 4 single crystal (CWO single crystal) scintillator of the reference sample) is similar to that at a wavelength of 650 nm (equivalent to the emission peak wavelength of the example sample). .
At this time, the emission peak wavelength, light output, and decay time of the scintillator plate 11 were determined as follows.

(発光ピーク波長の測定方法)
前記X線照射評価系で光出力を評価する前に、蛍光寿命測定装置(浜松ホトニクス(株)製Quantaurus−Tau:型番C11367−1)でフォトルミネッセンス(PL)測定し、その結果から発光ピーク波長を求めた。即ち、励起波長280nmの光で励起して、出てきた蛍光をグレーティングによる分光を経て、CCDカメラで蛍光波長スペクトルを検出し、蛍光出力が最大となった波長をX線照射時の発光ピーク波長とみなした。なお、励起波長280nmの光は、蛍光寿命測定装置で入射可能な最短波長の、つまり最大のエネルギーを持つ紫外線であり、X線照射時のような骨格材の振動を起こさないが、シンチレータプレートを励起させた場合に順次緩和してきた励起エネルギーが最後に発光する波長を確認するには十分な励起波長であり、X線照射時の発光ピーク波長の測定のためのX線の代用の励起光として用いることができる。
(Measurement method of peak emission wavelength)
Before the light output is evaluated by the X-ray irradiation evaluation system, photoluminescence (PL) measurement is performed with a fluorescence lifetime measuring apparatus (Quantaurus-Tau: model number C11367-1 manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.), and the emission peak wavelength is determined from the result. Asked. In other words, it is excited with light having an excitation wavelength of 280 nm, the emitted fluorescence is subjected to spectroscopy by a grating, the fluorescence wavelength spectrum is detected by a CCD camera, and the wavelength at which the fluorescence output is maximized is the emission peak wavelength during X-ray irradiation. Considered. The light having an excitation wavelength of 280 nm is ultraviolet light having the shortest wavelength that can be incident on the fluorescence lifetime measuring apparatus, that is, the maximum energy, and does not cause vibration of the skeleton material during X-ray irradiation. The excitation energy that has been gradually relaxed when excited is an excitation wavelength sufficient to confirm the wavelength at which light is finally emitted, and is used as a substitute for X-rays for measuring the emission peak wavelength during X-ray irradiation. Can be used.

(光出力の測定方法)
ここでは、比較を容易にする目的で、放射線検出器10において別途入手したCdWO4単結晶(CWO単結晶)シンチレータをシンチレータプレート11の代わりに配置し、前記光出力測定装置を用いた評価法によりこの場合の光出力を求め、その値を「1」とした場合のサンプルの光出力の比率(対CWO比)を各サンプルの光出力の値として示した。
(Measurement method of light output)
Here, for the purpose of facilitating the comparison, a CdWO 4 single crystal (CWO single crystal) scintillator separately obtained in the radiation detector 10 is arranged in place of the scintillator plate 11, and an evaluation method using the light output measuring device is used. The light output in this case was obtained, and the light output ratio (to CWO ratio) of the sample when the value was “1” was shown as the light output value of each sample.

(減衰時間の測定方法)
前記光出力測定装置を用いて前記のようにX線を照射して各サンプルの光出力が安定した状態を100%とし、次いでX線照射を停止し、停止してから各サンプルの光出力強度が安定状態の5%に減衰するまでの時間を測定した(X線照射時の減衰時間)。
また、前記蛍光寿命測定装置を用いて前記のように励起波長280nmの光を照射して各サンプルの光出力が安定した状態を100%とし、次いで光照射を停止し、停止してから各サンプルの光出力強度が安定状態の5%に減衰するまでの時間を測定した(紫外線照射時の減衰時間)。
以上の一連の評価結果をまとめて表2に示す。
(Measurement method of decay time)
As described above, the state in which the light output of each sample is stabilized by irradiating the X-ray with the light output measuring apparatus is set to 100%, then the X-ray irradiation is stopped, and the light output intensity of each sample is stopped. Was measured until the time of decay to 5% of the stable state (decay time during X-ray irradiation).
In addition, as described above, the fluorescence lifetime measurement apparatus is used to irradiate light with an excitation wavelength of 280 nm so that the light output of each sample is stabilized to 100%, and then the light irradiation is stopped. The time until the light output intensity of the light was attenuated to 5% of the stable state was measured (attenuation time during ultraviolet irradiation).
Table 2 summarizes the above series of evaluation results.

Figure 0006037025
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上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が70%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合の最強の発光ピーク波長が638〜661nmの波長範囲にあるため、受光素子としてSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができ、更にまた、光出力も従来材料と比べて遜色がなく、その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が5ms以下と非常に短い。なお、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は測定下限レベル(装置性能限界)の1nsである。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、比較例1−1〜1−3の組成では、X線で励起した場合の最強の発光ピーク波長が600nm未満の短波長側にシフトしてしまうため、Siフォトダイオードで光電変換効率が低下してしまう。また、比較例1−4の組成では、活性剤であるセリウムの濃度が低すぎるため、光出力が低い。逆に、比較例1−5の組成では、活性剤であるセリウムの濃度が高すぎるため、濃度消光現象が発生して光出力が低下している。
From the above results, scintillator materials mainly composed of pyrochlore type composite oxides of the group of examples are transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, which is 70% or more. The light emitted as the scintillator material does not wastefully scatter inside, and the strongest emission peak wavelength when excited by X-rays is in the wavelength range of 638 to 661 nm. Photoelectric conversion can be performed without any problem, and the light output is not inferior to that of the conventional material. Moreover, the decay time when the afterglow output is 5% due to X-ray irradiation is as short as 5 ms or less. The decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 1 ns, which is the measurement lower limit level (apparatus performance limit). As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
In the compositions of Comparative Examples 1-1 to 1-3, the strongest emission peak wavelength when excited by X-rays is shifted to the short wavelength side of less than 600 nm, so that the photoelectric conversion efficiency is reduced by the Si photodiode. Resulting in. In the composition of Comparative Example 1-4, the light output is low because the concentration of cerium, which is the activator, is too low. On the contrary, in the composition of Comparative Example 1-5, the concentration of cerium, which is the activator, is too high, so that a concentration quenching phenomenon occurs and the light output decreases.

[実施例2、比較例2]
上記式(1)において、Bサイト位置の元素としてシリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択した例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ガドリニウム粉末を入手した。また、(株)高純度化学研究所製のシリカ粉末、酸化ゲルマニウム粉末、並びに第一稀元素化学工業(株)製酸化ジルコニウム粉末を入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表3のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、及びイットリウム又はガドリニウムのモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、シリコン及びジルコニウム、又はゲルマニウム及びジルコニウムのモル比率の合計、あるいはシリコン、ゲルマニウム又はジルコニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが、等量モル比率となるよう秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて7種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料と確認できたものが実施例2−1、2−2、2−3、2−4の群であった。また、パイロクロア型ではあったものの、結晶系が斜方晶になっていた原料が比較例2−1と2−2の群であった。更に、パイロクロア型立方晶の他にフローライト型正方晶が混在していた原料が実施例2−5であった。
こうして得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 2, Comparative Example 2]
In the above formula (1), an example where the element at the B site position is selected from the group consisting of silicon, germanium, and zirconium will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, yttrium oxide powder, and gadolinium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, silica powder, germanium oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., and zirconium oxide powder manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industries, Ltd. were obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio having a final composition as shown in Table 3 was produced. That is, the sum of the final molar ratios of terbium, cerium, and yttrium or gadolinium (ie, the number of moles of the element at the A site) and the total molar ratio of silicon and zirconium, or germanium and zirconium, or silicon, germanium Alternatively, each of the mixed powders weighed so that the number of moles of zirconium (that is, the number of moles of the element at the B site position) was an equimolar mole ratio was prepared. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high-temperature muffle furnace to obtain seven kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that the crystal structure was an oxide raw material having pyrochlore cubic crystals (cubic crystals having pyrochlore lattices) as the main phase in Examples 2-1, 2-2, 2-3, 2-4. It was a group. Moreover, although it was a pyrochlore type, the raw materials in which the crystal system was orthorhombic were the groups of Comparative Examples 2-1 and 2-2. Furthermore, Example 2-5 was a raw material in which fluorite-type tetragonal crystals were mixed in addition to pyrochlore-type cubic crystals.
Various raw materials thus obtained were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 0006037025
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次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1500〜1700℃まで昇温し、3時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が92%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間3時間のHIP処理を行った。
続いて、得られた各セラミック焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理した。次いでそれらを、反射材を介して6×6の36素子からなるシンチレータ材に加工後、サンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1500-1700 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 92% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for a holding time of 3 hours.
Subsequently, the obtained ceramic sintered bodies were cut, ground, and polished so as to be 2 mm × 2 mm in length and width and 1 mm in thickness. Next, they were processed into a scintillator material consisting of 36 elements of 6 × 6 via a reflective material, and the optical end faces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when measurement wavelength λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.

その後、実施例1と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光ピーク波長、光出力及び減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表4に示す。
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 in the same manner as in Example 1 to produce the radiation detector 10 of FIG. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, the emission peak wavelength, light output and decay time of the scintillator plate 11 were determined in the same manner as in Example 1.
Table 4 summarizes the above series of evaluation results.

Figure 0006037025
Figure 0006037025

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が65%以上、特に実施例2−1〜2−4では79%以上と透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、またX線で励起した場合の最強の発光ピーク波長が656〜661nmの波長範囲にあるため、受光素子としてSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができ、更にまた、光出力も従来材料と比べて遜色がなく、その上、X線照射による残光出力5%時の減衰時間が6ms以下と非常に短い。また、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間は測定下限レベル(装置性能限界)の1nmである。なお、実施例2−5では他の実施例に比べて光出力が若干低下しているが、これは実施例2−5の組成ではパイロクロア型立方晶の他にフローライト型正方晶の相が混在することによって光散乱が増加しているためである。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、比較例2−1及び2−2の組成では、結晶系が斜方晶のため透過率が低下し、これにより光出力が低下してしまった。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore-type composite oxides consisting of the group of examples have a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm, particularly 65% or more. Since -1 to 2-4 is transparent at 79% or more, the light emitted as the scintillator material does not scatter wastefully in the interior, and the strongest emission peak wavelength when excited by X-ray is 656 to Since it is in the wavelength range of 661 nm, it is possible to perform photoelectric conversion with a Si photodiode as a light receiving element without any problem. Furthermore, the optical output is comparable to that of conventional materials, and the afterglow output by X-ray irradiation. The decay time at 5% is as short as 6 ms or less. Further, the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 1 nm, which is the measurement lower limit level (apparatus performance limit). In Example 2-5, the light output is slightly lower than in the other examples. This is because the composition of Example 2-5 has a phase of a fluorite-type tetragonal crystal in addition to a pyrochlore-type cubic crystal. This is because the light scattering increases due to the mixture. As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be speeded up, so that the operability and safety of a low exposure dose are excellent. It is possible to finish the radiation inspection apparatus.
In the compositions of Comparative Examples 2-1 and 2-2, the crystal system was orthorhombic, so that the transmittance was lowered, thereby reducing the light output.

[実施例3、比較例3]
上記式(1)において、Bサイト位置の元素としてジルコニウム又はハフニウムを選択し、焼結温度を調整して作製した例について説明する。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化セリウム粉末、酸化ガドリニウム粉末、酸化ランタン粉末を入手した。また、第一稀元素化学工業(株)製酸化ジルコニウム粉末、並びにAmerican Elements社製の酸化ハフニウム粉末も入手した。純度はいずれも99.9質量%以上であった。
上記原料を用いて、表5のような最終組成となる混合比率の各混合酸化物原料を作製した。即ち、最終的なテルビウム、セリウム、R元素のモル比率の合計(つまり、Aサイト位置の元素のモル数)と、ジルコニウム又はハフニウムのモル数(つまり、Bサイト位置の元素のモル数)とが等量モル比率となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、互いの試験サンプル同士の混入を防止しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。更に、これらの粉末をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて1600℃、3時間で焼成処理し、比較例を含めて12種類の焼成原料を得た。得られた各焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した。その結果、いずれの焼成原料についても、結晶構造としてパイロクロア型立方晶(パイロクロア格子を有する立方晶)を主相とする酸化物原料となっていることが確認された。
得られた各種原料を再度エタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。この際、適宜有機分散剤と有機結合剤を添加した。処理時間は40時間であった。その後再びスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状パイロクロア型酸化物原料(出発原料)を作製した。
[Example 3, Comparative Example 3]
An example in which zirconium or hafnium is selected as the element at the B site in the above formula (1) and the sintering temperature is adjusted will be described.
Terbium oxide powder, cerium oxide powder, gadolinium oxide powder, and lanthanum oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, zirconium oxide powder manufactured by Daiichi Elemental Chemical Co., Ltd. and hafnium oxide powder manufactured by American Elements were also obtained. All the purity was 99.9 mass% or more.
Using the raw materials, each mixed oxide raw material having a mixing ratio having a final composition as shown in Table 5 was produced. That is, the final sum of the molar ratios of terbium, cerium, and R elements (that is, the number of moles of the element at the A site) and the number of moles of zirconium or hafnium (that is, the number of moles of the element at the B site). Each of the mixed powders weighed so as to have an equimolar molar ratio was prepared. Subsequently, the mixture was dispersed and mixed in a zirconia ball mill apparatus in ethanol while preventing mixing of the test samples. The treatment time was 24 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm. Furthermore, these powders were put in an iridium crucible and fired at 1600 ° C. for 3 hours in a high temperature muffle furnace to obtain 12 kinds of firing raw materials including comparative examples. Each obtained firing raw material was subjected to diffraction pattern analysis by a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalytical. As a result, it was confirmed that any of the fired raw materials was an oxide raw material having a pyrochlore cubic crystal (cubic crystal having a pyrochlore lattice) as a main phase as a crystal structure.
The obtained various raw materials were again dispersed and mixed in ethanol in a zirconia ball mill apparatus. At this time, an organic dispersant and an organic binder were appropriately added. The processing time was 40 hours. Thereafter, spray drying treatment was performed again to produce granular pyrochlore oxide raw materials (starting raw materials) having an average particle diameter of 20 μm.

Figure 0006037025
Figure 0006037025

次に、得られた出発原料を直径40mmの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ6mmのロッド状に仮成形した後、198MPaの圧力で、静水圧プレスしてCIP成形体を得た。続いて得られたCIP成形体をマッフル炉に入れ、大気中800℃で3時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、100℃/hの昇温レートで1650〜1750℃まで昇温し、10時間保持してから600℃/hの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が99.2%以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてArガスを用いて、HIP熱処理温度1500〜1750℃、圧力190MPaで保持時間1時間のHIP処理を行った。
Next, the obtained starting material is filled into a 40 mm diameter mold, temporarily formed into a 6 mm thick rod with a uniaxial press molding machine, and then hydrostatically pressed at a pressure of 198 MPa to obtain a CIP compact. It was. Subsequently, the obtained CIP compact was put into a muffle furnace, and degreased by heat treatment in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours.
Next, the obtained degreased molded body was charged into a vacuum heating furnace, heated to 1650-1750 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./h, held for 10 hours, and then cooled at a temperature decrease rate of 600 ° C./h. Thus, a sintered body was obtained. At this time, the sintering temperature and the holding time were adjusted so that the sintered relative density of the sample was 99.2% or more.
Further, the sintered body was subjected to HIP treatment using an Ar gas as a pressure medium at a HIP heat treatment temperature of 1500 to 1750 ° C. and a pressure of 190 MPa for 1 hour.

こうして得られた各セラミック焼結体につき、縦横2mm×2mm、厚み1mmになるように切断、研削及び研磨処理してシンチレータプレートとした。次いで、シンチレータプレート同士の間に反射材(シリコーンペースト中に分散させた酸化マグネシウム粉末からなり、乾燥により接着させたもの)を設けて縦6行、横6列の36素子に仕切った後、このサンプルの光学両端面を光学面精度λ/4(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
得られた各シンチレータプレートについてHeNeレーザ(波長633nm)を用いて実施例1と同様にして透過率を測定した。この際、レーザ光がシンチレータプレートとシンチレータプレートとの間の反射材に当らないよう注意した。
Each ceramic sintered body thus obtained was cut, ground and polished so as to have a length and width of 2 mm × 2 mm and a thickness of 1 mm to obtain a scintillator plate. Next, a reflector (made of magnesium oxide powder dispersed in a silicone paste and bonded by drying) is provided between the scintillator plates and partitioned into 36 elements in 6 rows and 6 columns. The optical end surfaces of the sample were subjected to final optical polishing with an optical surface accuracy of λ / 4 (when the measurement wavelength was λ = 633 nm).
The transmittance of each scintillator plate obtained was measured in the same manner as in Example 1 using a HeNe laser (wavelength 633 nm). At this time, care was taken so that the laser beam did not strike the reflective material between the scintillator plate and the scintillator plate.

その後、実施例1と同様に各シンチレータプレート11を受光素子13上に配置して図1の放射線検出器10を作製した。次いで、実施例1と同様に光出力測定装置を作製し、タングステンターゲットのX線管の管電圧120kVでシンチレータプレート11にX線照射し、受光素子13に流れる電流値を光出力として求めた。このとき、実施例1と同様にしてシンチレータプレート11の発光ピーク波長、光出力及び紫外線照射時の減衰時間を求めた。
以上の一連の評価結果をまとめて表6に示す。
Thereafter, each scintillator plate 11 was placed on the light receiving element 13 in the same manner as in Example 1 to produce the radiation detector 10 of FIG. Next, a light output measuring device was produced in the same manner as in Example 1, and the scintillator plate 11 was irradiated with X-rays at a tube voltage of 120 kV of an X-ray tube of a tungsten target, and the current value flowing through the light receiving element 13 was obtained as the light output. At this time, in the same manner as in Example 1, the emission peak wavelength of the scintillator plate 11, the light output, and the decay time at the time of ultraviolet irradiation were obtained.
The series of evaluation results described above are summarized in Table 6.

Figure 0006037025
Figure 0006037025

上記結果より、実施例の群からなるパイロクロア型の複合酸化物を主成分とするシンチレータ材料は、いずれも厚さ1mmとした場合の波長633nmの光の透過率が80%以上と高度に透明であるため、シンチレータ材料として発光した光がその内部で無駄に散乱損失することなく、また紫外線で励起した場合の最強の発光ピーク波長が649〜656nmの波長範囲にあるため、受光素子としてSiフォトダイオードで光電変換を問題なく行うことができ、更にまた、光出力も従来材料と比べて遜色がなく、その上、紫外線照射による残光出力5%時の減衰時間が実施例3−8が15ns、それ以外の実施例が測定下限レベル(装置性能限界)と極めて短い。この減衰時間についてはX線照射やガンマ線照射の場合でも少なくとも実施例1,2と同等程度に小さい値を示すと予想される。これにより、本発明のシンチレータ材料をX線CT装置やガンマ線PET装置などの放射線検査装置に利用した場合に、スイッチングサイクルが大幅に高速化できるため、短時間、低被曝線量の操作性、安全性に優れた放射線検査装置に仕上げることが可能となる。
なお、比較例3−1、3−2の組成では、活性剤であるセリウムの濃度が低すぎるため、光出力が低い。
From the above results, the scintillator materials mainly composed of pyrochlore type composite oxides of the group of examples are highly transparent with a light transmittance of 633 nm when the thickness is 1 mm. Therefore, the light emitted as the scintillator material is not scattered and lost in the interior, and the strongest emission peak wavelength when excited with ultraviolet rays is in the wavelength range of 649 to 656 nm. In addition, the photoelectric conversion can be performed without any problem, and the light output is not inferior to that of the conventional material. In addition, the decay time when the afterglow output is 5% due to ultraviolet irradiation is 15 ns in Example 3-8. Other examples are extremely short with a measurement lower limit level (apparatus performance limit). The decay time is expected to be at least as small as in Examples 1 and 2 even in the case of X-ray irradiation and gamma-ray irradiation. As a result, when the scintillator material of the present invention is used in a radiation inspection apparatus such as an X-ray CT apparatus or a gamma-ray PET apparatus, the switching cycle can be greatly accelerated, so that the operability and safety of a low exposure dose are reduced in a short time. It is possible to finish the radiation inspection apparatus excellent in.
In the compositions of Comparative Examples 3-1 and 3-2, the light output is low because the concentration of cerium as the activator is too low.

以上、本発明を実施形態をもって説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。   The present invention has been described with the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and other embodiments, additions, modifications, deletions, and the like can be conceived by those skilled in the art. As long as the effects of the present invention are exhibited in any aspect, the present invention is included in the scope of the present invention.

10 放射線検出器
11 シンチレータプレート
12 反射材
13 受光素子
14 容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Radiation detector 11 Scintillator plate 12 Reflector 13 Light receiving element 14 Container

Claims (6)

下記式(1)で表わされる複合酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式(1)で表わされる複合酸化物の単結晶からなることを特徴とするシンチレータ材料。
(Tbx1-x-yCey227 (1)
(式中、xは0.2以上1未満の範囲、yは0.00001以上0.01以下の範囲、x+y≦1、Rはイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、ランタン、ホルミウム、ツリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム、プラセオジムよりなる群から選択された少なくとも1つの希土類元素、Bはチタン、スズ、ハフニウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも1つの元素(ただし、シリコン及びゲルマニウムについては当該元素単独である場合を除く)である。)
A scintillator material comprising a translucent ceramic containing a composite oxide represented by the following formula (1) as a main component or a single crystal of a composite oxide represented by the following formula (1).
(Tb x R 1-xy Ce y ) 2 B 2 O 7 (1)
(Wherein x is in the range of 0.2 to less than 1, y is in the range of 0.00001 to 0.01, x + y ≦ 1, R is yttrium, gadolinium, lutetium, lanthanum, holmium, thulium, europium, displo. At least one rare earth element selected from the group consisting of silicon and praseodymium, and B is at least one element selected from the group consisting of titanium, tin, hafnium, silicon, germanium, and zirconium (however, for silicon and germanium, this element Except when it is alone)
X線及び/又はガンマ線で励起した場合に、610〜700nmの波長範囲に発光ピークを有する光を発する請求項1記載のシンチレータ材料。   The scintillator material according to claim 1, which emits light having an emission peak in a wavelength range of 610 to 700 nm when excited with X-rays and / or gamma rays. 厚み1mmでの波長633nmの光の透過率が70%以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のシンチレータ材料。   The scintillator material according to claim 1 or 2, wherein the transmittance of light having a wavelength of 633 nm at a thickness of 1 mm is 70% or more. パイロクロア格子を有する立方晶を主相とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のシンチレータ材料。   The scintillator material according to any one of claims 1 to 3, wherein the main phase is a cubic crystal having a pyrochlore lattice. 請求項1〜4のいずれか1項記載のシンチレータ材料を搭載したことを特徴とする放射線検出器。   A radiation detector comprising the scintillator material according to claim 1. 請求項5記載の放射線検出器を搭載したことを特徴とする放射線検査装置。   A radiation inspection apparatus comprising the radiation detector according to claim 5.
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