JPWO2015037726A1 - Scintillator crystal material, single crystal scintillator, radiation detector, imaging device and non-destructive inspection device - Google Patents

Scintillator crystal material, single crystal scintillator, radiation detector, imaging device and non-destructive inspection device Download PDF

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Abstract

(Gd1−x−yLaxCey)2Si2O7で表され、xの範囲が0.2≦x≦0.45、yの範囲が0.0001≦y≦0.05であるシンチレータ結晶材料。【選択図】図10A scintillator crystal material represented by (Gd1-x-yLaxCey) 2Si2O7, wherein x ranges from 0.2 ≦ x ≦ 0.45, and y ranges from 0.0001 ≦ y ≦ 0.05. [Selection] Figure 10

Description

本発明は、シンチレータ結晶材料、単結晶シンチレータ、放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置に関する。   The present invention relates to a scintillator crystal material, a single crystal scintillator, a radiation detector, an imaging device, and a nondestructive inspection device.

シンチレータとは、アルファ線、ガンマ線、エックス線もしくは中性子線などの、電離作用を起こす程度のエネルギーを持つ放射線を照射することによりシンチレーション光を発する物質で、これらは光検出器と組み合わせて放射線検出器として用いられる。このような放射線検出器は核医学分野での例として陽電子放射断層撮影(Positron Emission Tomography:PET)装置や単一光放射断層撮像(Single Photon Emission Computed Tomography:SPECT)、高エネルギー物理分野における各種放射線計測装置、および資源探査装置などに広く利用されている。   A scintillator is a substance that emits scintillation light by irradiating radiation with an energy that causes ionization, such as alpha rays, gamma rays, X-rays, or neutron rays, and these are combined with a photodetector as a radiation detector. Used. Examples of such a radiation detector include a positron emission tomography (PET) apparatus, a single photon emission tomography (SPECT), and various types of radiation in the field of high energy physics. Widely used in measuring devices and resource exploration devices.

例えば、高エネルギー物理やPETイメージングシステムでは、シンチレータと、放射性壊変によって発生する放射線との相互作用に基づいて画像が作成される。ここでPETイメージングシステムでは、被検体内の陽電子(ポジトロン)と対応する電子との相互作用から生じるガンマ線がシンチレータに入射し、光検出器によって検出することのできる光子に変換される。シンチレータから放出された光子はフォト・ダイオード(Photodiode:PD)、シリコンフォトマルチプライヤー(Si−Photomultiplier:Si−PM)、もしくは、光電子増倍管(Photomultiplier Tube:PMT)、または他の光検出器を使用して検出することができる。   For example, in high energy physics and PET imaging systems, images are created based on the interaction between scintillators and radiation generated by radioactive decay. Here, in the PET imaging system, gamma rays resulting from the interaction of positrons in the subject and the corresponding electrons are incident on the scintillator and converted into photons that can be detected by the photodetector. The photons emitted from the scintillator are supplied by a photodiode (PD), a silicon photomultiplier (Si-Photomultiplier: Si-PM), a photomultiplier tube (Photomultiplier tube: PMT), or other photodetector. Can be detected using.

PMTは400nm付近の波長域に高い量子効率(光子を電子(電流信号)に変換する効率)を有し、主に、400nm付近に発光ピーク波長を有するシンチレータと組合せて使用されている。シンチレータをアレー状に配列したシンチレータアレーに対しては、位置敏感型PMT(PS−PMT)などを組み合わせて用いる。これによって、重心演算から、光子がシンチレータアレーのどのピクセルで検出されたかを突き止めることができる。   PMT has high quantum efficiency (efficiency for converting photons into electrons (current signals)) in a wavelength region near 400 nm, and is mainly used in combination with a scintillator having an emission peak wavelength near 400 nm. For the scintillator array in which the scintillators are arranged in an array, a position sensitive PMT (PS-PMT) or the like is used in combination. Accordingly, it is possible to determine in which pixel of the scintillator array the photon is detected from the centroid calculation.

一方、フォト・ダイオード、アバランシェ・フォト・ダイオード(Avalanche Photodiode:APD)やシリコンフォトマルチプライヤーといった半導体検出器は、特に放射線検出器やイメージング機器において、広範な用途を有する。様々な半導体光検出器が知られている。   On the other hand, semiconductor detectors such as photo diodes, avalanche photo diodes (APDs), and silicon photomultipliers have a wide range of applications, particularly in radiation detectors and imaging devices. Various semiconductor photodetectors are known.

たとえば、シリコン半導体から構成されるAPDは、量子効率が350nmから900nmまでの波長帯域において50%を超えているものもあり、PMTの量子効率が最大で45%であるのに対して、量子効率が高い。上記波長帯域の中で感度の高い波長帯域は500nm〜700nmであり、600nm付近で最も感度が高く、量子効率は80%程度になる。   For example, some APDs composed of silicon semiconductors have quantum efficiencies exceeding 50% in the wavelength band from 350 nm to 900 nm, whereas the quantum efficiency of PMT is 45% at the maximum. Is expensive. Among the above wavelength bands, the wavelength band with high sensitivity is 500 nm to 700 nm, and the sensitivity is highest around 600 nm, and the quantum efficiency is about 80%.

そのため、これらの半導体光検出器は、600nm付近を中心に350nmから900nmまでの間に発光ピーク波長を有するシンチレータと組合わせて使用されている。PMTと同様に、PD、APD、Si−PMに関しても、位置検出感度を持つPDアレー、位置検知性アバランシェ・フォトダイオード(PSAPD)、およびSi−PMアレーが存在する。   Therefore, these semiconductor photodetectors are used in combination with a scintillator having an emission peak wavelength between 350 nm and 900 nm centering around 600 nm. Similar to PMT, PD, APD, and Si-PM also have a PD array having position detection sensitivity, a position-sensitive avalanche photodiode (PSAPD), and an Si-PM array.

これらの素子でも、光子がシンチレータアレーのどのピクセルで検出されたかを突き止めることができる。さらに350nm以下の短波長発光シンチレータに関しても、波長変換素子を使用するなどして、シンチレータ光をシリコン半導体が感度を有する波長領域の光に変換することで、シリコン半導体による読み出しを行なう放射線検出器が実現可能である。   These elements can also determine in which pixel of the scintillator array the photons were detected. Furthermore, for short-wavelength light emitting scintillators of 350 nm or less, there is a radiation detector that performs readout by a silicon semiconductor by converting the scintillator light into light in a wavelength region where the silicon semiconductor is sensitive, such as by using a wavelength conversion element. It is feasible.

これらの放射線検出器に適するシンチレータには、検出効率の点から密度が高く、原子番号が大きいこと(光電吸収比が高いこと)、高エネルギー分解能の点から発光量が高く、高速応答の必要性から、蛍光寿命(蛍光減衰時間)が短いことが望まれる。   Scintillators suitable for these radiation detectors have high density from the point of detection efficiency, high atomic number (high photoelectric absorption ratio), high light emission from the point of high energy resolution, and the need for high-speed response Therefore, it is desired that the fluorescence lifetime (fluorescence decay time) is short.

加えて、近年のシステムでは多層化、高分解能化のため、多数のシンチレータを細長い形状(例えばPETでは5mm×5mm×30mm程度)で緻密に並べる必要から、取り扱い易さ、加工性、大型結晶作製が可能なこと、さらには価格も重要な選定要因となっている。また、シンチレータの発光波長が光検出器の検出感度の高い波長域と一致することも重要である。   In addition, in recent systems, multiple scintillators need to be closely arranged in a long and narrow shape (for example, about 5 mm x 5 mm x 30 mm for PET) to increase the number of layers and increase the resolution. The price is also an important selection factor. It is also important that the emission wavelength of the scintillator matches the wavelength range where the detection sensitivity of the photodetector is high.

現在、各種放射線検出器へ応用される好ましいシンチレータとして、パイロシリケート系のシンチレータCe:GdSiがある。当該シンチレータは化学的に安定で、へき開性や潮解性が無く、加工性に優れ、発光量が高いという利点がある。例えば、非特許文献1に記載の、Ce3+の4f5d準位からの発光を利用するパイロシリケート系のシンチレータは、蛍光寿命が80ns程度以下と短く、発光量も高い。Currently, a preferred scintillator applied to various radiation detectors is a pyrosilicate scintillator Ce: Gd 2 Si 2 O 7 . The scintillator has the advantages that it is chemically stable, has no cleavage or deliquescence, is excellent in workability, and has a high light emission amount. For example, a pyrosilicate scintillator described in Non-Patent Document 1 using light emission from the Ce 3+ 4f5d level has a short fluorescence lifetime of about 80 ns or less and a high light emission amount.

しかしながら、一方で非特許文献1に記載の通り、相図上、包晶組成であるため、融液からの単結晶成長ができず、大きな透明体を得ることが困難であるという問題を有する。そのため、特許文献1に記載されているように、以前は、パイロシリケート系のシンチレータをガラス等のマトリックス中に少量含んだものとして利用されることを前提としていた。   However, on the other hand, as described in Non-Patent Document 1, because of the peritectic composition in the phase diagram, there is a problem that it is difficult to obtain a large transparent body because single crystal growth from the melt cannot be performed. Therefore, as described in Patent Document 1, it was previously assumed that a small amount of pyrosilicate scintillator was contained in a matrix such as glass.

また、特許文献2や非特許文献2に記載のパイロシリケート系のシンチレータでは、Ceを希土類元素のサイトに置換することで、調和溶融組成にするという試みがなされている。これにより、この結晶はフローティングゾーン法、チョクラルスキー法(引き上げ法)、マイクロ引下げ法、ブリッジマン法などの融液成長法により大型単結晶作製が可能となる。しかしながら、希土類元素のサイトにCeを増やすと、発光量が激減してしまうという問題(濃度消光)が生じる。   In the pyrosilicate scintillator described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2, attempts have been made to obtain a harmonic melt composition by replacing Ce with a site of a rare earth element. This makes it possible to produce a large single crystal by a melt growth method such as the floating zone method, the Czochralski method (pulling method), the micro pulling method, or the Bridgman method. However, when Ce is increased at the rare earth element site, there is a problem (concentration quenching) that the amount of light emission is drastically reduced.

特許文献2に記載の(Gd1−x CeSiでは、安定な結晶成長などの観点から、発光量は落ちるものの、0.1<x<0.3が望ましいとしているが、それでも多結晶化した中から単結晶を取り出している実施例が記載されている。In (Gd 1-x Ce x ) 2 Si 2 O 7 described in Patent Document 2, it is said that 0.1 <x <0.3 is desirable from the viewpoint of stable crystal growth, although the light emission amount is reduced. Still, an example is described in which a single crystal is taken out of the polycrystallized material.

非特許文献3では、CeをLaに代替することで、発光量の激減(濃度消光)を抑制し、かつ調和溶融組成とすることでフローティングゾーン法により単結晶を取り出すことに成功した例が記載されている。しかしながら、単結晶が得られるものの、その育成は依然として難しく、工業分野での結晶生産に適用されている生産手法に応用するための、大きいサイズの単結晶を育成することが課題であった。   Non-Patent Document 3 describes an example of succeeding in taking out a single crystal by a floating zone method by substituting Ce for La to suppress a drastic decrease in light emission (concentration quenching) and by using a harmonic melting composition. Has been. However, although a single crystal can be obtained, its growth is still difficult, and it has been a challenge to grow a single crystal having a large size for application to a production method applied to crystal production in the industrial field.

特許3870418号公報Japanese Patent No. 3870418 特開2009−074039号公報JP 2009-074039 A

S.Kawamura, J.H.Kaneko, M.Higuchi, T.Yamaguchi, J.Haruna, Y,Yagi, K.Susa, F.Fujita, A.Homma, S.Nishiyama, H.Ishibashi, K.Kurashige and M.Furusaka, IEEE Nuculear Science Symposium Conference Record, San Diego, USA, 29 October −5 November 2006, pp.1160−1163.S. Kawamura, JHKaneko, M. Higuchi, T. Yamaguchi, J. Haruna, Y, Yagi, K. Susa, F. Fujita, A. Homma, S. Nishiyama, H. Ishibashi, K. Kurashige and M. Furusaka , IEEE Nuculear Science Symposium Conference Record, San Diego, USA, 29 October −5 November 2006, pp. 1160-1163. Sohan.Kawamura, Junichi H.Kaneko, Mikio Higuchi, Jun Haruna, Shohei Saeki, Fumiyuki Fujita, Akira Homma, Shusuke Nishiyama, Shunsuke Ueda, Kazuhisa Kurashige, Hiroyuki Ishibashi, and Michihiro Furusaka, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE , VOL. 56, NO. 1, FEBRUARY 2009.Sohan.Kawamura, Junichi H.Kaneko, Mikio Higuchi, Jun Haruna, Shohei Saeki, Fumiyuki Fujita, Akira Homma, Shusuke Nishiyama, Shunsuke Ueda, Kazuhisa Kurashige, Hiroyuki Ishibashi, and Michihiro Furusaka, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 56, NO. 1, FEBRUARY 2009. Akira Suzuki, Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Jan Pejchal, Yuui Yokota, Yoshisuke Futami, and Akira Yoshikawa, Applied Physics Express 5 (2012) 102601−1 −102601−3.Akira Suzuki, Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Jan Pejchal, Yuui Yokota, Yoshisuke Futami, and Akira Yoshikawa, Applied Physics Express 5 (2012) 102601-1 −102601-3.

シンチレータとして用いられる結晶材料は、発光量が高いことや、蛍光寿命が短いことが求められる他、広く社会に応用されるためにはコストの観点から、へき開性や、潮解性がないこと、すなわち、易加工性を持ち、量産性があること等も求められる。   The crystal material used as a scintillator is required to have a high light emission amount and a short fluorescence lifetime, and from the viewpoint of cost to be widely applied to society, it has no cleaving property or deliquescence, that is, It is also required to have easy processability and mass productivity.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発光量が高く、蛍光寿命が短い、シンチレータ結晶材料、このシンチレータ結晶材料を利用したへき開性や潮解性のない単結晶シンチレータ、ならびにこれらを用いた放射線検出器、撮像装置および非破壊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, and is a scintillator crystal material having a high light emission amount and a short fluorescence lifetime, a single crystal scintillator having no cleavage and deliquescence using the scintillator crystal material, and It is an object of the present invention to provide a radiation detector, an imaging device, and a nondestructive inspection device that are used.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、発明者らは、これまでに鋭意努力を続け、検討を行ない、次の発明に至った。すなわち、本発明に係るシンチレータ結晶材料は、(Gd1−x−y LaCeSiで表され、xの範囲が0.2≦x≦0.45、yの範囲が0.0001≦y≦0.05であるシンチレータ結晶材料であることを特徴とする。In order to solve the above-described problems and achieve the object, the inventors have made intensive efforts so far and have studied and led to the next invention. That is, the scintillation counter crystal material according to the present invention are represented by (Gd 1-x-y La x Ce y) 2 Si 2 O 7, the range of x is 0.2 ≦ x ≦ 0.45, the range of y It is a scintillator crystal material satisfying 0.0001 ≦ y ≦ 0.05.

また、本発明に係るシンチレータ結晶材料はさらに、xの範囲が0.22≦x≦0.35、yの範囲が0.0005≦y≦0.02であることが好ましい。   In the scintillator crystal material according to the present invention, it is further preferable that the range of x is 0.22 ≦ x ≦ 0.35 and the range of y is 0.0005 ≦ y ≦ 0.02.

また、本発明に係るシンチレータ結晶材料は、上記発明において、放射線の照射によってシンチレーション光を発し、前記シンチレーション光に含まれる所定の蛍光成分は、蛍光波長が200nm以上900nm以下であり、かつその蛍光寿命が1000ナノ秒以下であることを特徴とする。   The scintillator crystal material according to the present invention, in the above invention, emits scintillation light by irradiation of radiation, and the predetermined fluorescent component contained in the scintillation light has a fluorescence wavelength of 200 nm to 900 nm and its fluorescence lifetime Is 1000 nanoseconds or less.

また、本発明に係るシンチレータ結晶材料は、上記発明において、放射線の照射によってシンチレーション光を発し、前記シンチレーション光に含まれる所定の蛍光成分は、蛍光波長が300nm以上700nm以下であり、かつその蛍光寿命が80ナノ秒以下であることを特徴とする。   In the scintillator crystal material according to the present invention, the scintillator crystal material emits scintillation light by irradiation of radiation in the above invention, and the predetermined fluorescent component contained in the scintillation light has a fluorescence wavelength of 300 nm to 700 nm and its fluorescence lifetime. Is 80 nanoseconds or less.

また、本発明に係る単結晶シンチレータは、上記発明に係るシンチレータ結晶材料からなることを特徴とする。   The single crystal scintillator according to the present invention is characterized by comprising the scintillator crystal material according to the present invention.

また、本発明に係る放射線検出器は、上記発明のシンチレータ結晶材料もしくは単結晶シンチレータから構成されるシンチレータと、前記シンチレータからのシンチレーション光を受光する光検出器と、を備えることを特徴とする。   A radiation detector according to the present invention includes the scintillator made of the scintillator crystal material or the single crystal scintillator of the present invention, and a photodetector that receives the scintillation light from the scintillator.

また、本発明に係る撮像装置は、上記発明の放射線検出器を備えることを特徴とする。   An imaging apparatus according to the present invention includes the radiation detector according to the above invention.

また、本発明に係る非破壊検査装置は、上記発明の放射線検出器を備えることを特徴とする。   In addition, a nondestructive inspection apparatus according to the present invention includes the radiation detector according to the above invention.

本発明によれば、高い発光量、蛍光寿命を持ち、単結晶育成が容易なシンチレータ結晶材料、およびこれを用いた放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a scintillator crystal material that has a high light emission amount and a fluorescence lifetime and is easy to grow a single crystal, and a radiation detector, an imaging device, and a nondestructive inspection device using the same.

図1は、実施例1の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 1 is a view showing a photograph of Example 1 after crystal growth. 図2は、実施例2の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 2 is a view showing a photograph of Example 2 after crystal growth. 図3は、実施例3の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 3 is a view showing a photograph of Example 3 after crystal growth. 図4は、実施例4の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 4 is a view showing a photograph of Example 4 after crystal growth. 図5は、実施例5の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 5 is a view showing a photograph of Example 5 after crystal growth. 図6は、実施例6の結晶育成後の写真を示す図である。6 is a view showing a photograph of Example 6 after crystal growth. 図7は、比較例1の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 7 is a view showing a photograph of the first comparative example after crystal growth. 図8は、比較例2の結晶育成後の写真を示す図である。FIG. 8 is a view showing a photograph of the comparative example 2 after crystal growth. 図9は、ラジオルミネッセンスの発光特性プロファイルを示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a light emission characteristic profile of radioluminescence. 図10は、 137Csガンマ線(662keV)を照射して得られた波高分布スペクトルを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a pulse height distribution spectrum obtained by irradiation with 137 Cs gamma rays (662 keV). 図11は、実施例1の蛍光減衰曲線プロファイルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a fluorescence decay curve profile of Example 1. FIG.

以下に、本発明に係るシンチレータ結晶材料、単結晶シンチレータ、放射線検出器、撮像装置および非破壊検査装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of a scintillator crystal material, a single crystal scintillator, a radiation detector, an imaging device, and a nondestructive inspection device according to the present invention will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

本発明の実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、(Gd1−x−y LaCeSiで表され、xの範囲が0.2≦x≦0.45、yの範囲が0.0001≦y≦0.05である。Scintillator crystal material according to the embodiment of the present invention are represented by (Gd 1-x-y La x Ce y) 2 Si 2 O 7, the range of x is 0.2 ≦ x ≦ 0.45, the y The range is 0.0001 ≦ y ≦ 0.05.

前記シンチレータ結晶材料はさらに、xの範囲が0.22≦x≦0.35、yの範囲が0.0005≦y≦0.02であることが好ましい。   The scintillator crystal material preferably further has an x range of 0.22 ≦ x ≦ 0.35 and a y range of 0.0005 ≦ y ≦ 0.02.

これにより、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、放射線の照射により発生するシンチレーション光の発光量が高く、蛍光寿命の短い結晶材料となる。   As a result, the scintillator crystal material according to the present embodiment is a crystal material having a high emission amount of scintillation light generated by radiation irradiation and a short fluorescence lifetime.

なお、公知のパイロシリケート系のシンチレータは、高い発光量が期待されるものの、CeやLaを希土類元素のサイトに置換しないと調和溶融組成にならないため、透明バルク体を作製することが非常に困難となってしまうという課題がある。しかしながら、一方で、希土類元素のサイトにLaが増えることで有効原子番号Zeff が低くなるという課題がある。これに対して、本実施の形態に係る結晶材料は、これらの課題を解決でき、マイクロ引下げ法やチョクラルスキー法などの工業分野の結晶生産に適用されている生産手法に応用できる。In addition, although a known pyrosilicate scintillator is expected to have a high light emission amount, it does not become a harmonic melt composition unless Ce or La are replaced with sites of rare earth elements, so that it is very difficult to produce a transparent bulk body. There is a problem of becoming. However, on the other hand, there is a problem that the effective atomic number Z eff is lowered by increasing La at the site of the rare earth element. On the other hand, the crystal material according to the present embodiment can solve these problems and can be applied to a production method applied to crystal production in an industrial field such as a micro-pulling-down method or a Czochralski method.

また、有効原子番号Zeff が低くなるという課題に対して、パイロシリケートのSiサイトにおいては、Siのみに限定されず、GeやHfなどに置換した、他のパイロクロア型酸化物にするといった事も考えられ得るが、その場合においても本発明の実施に係る効果と同様の効果が期待される。In addition, in response to the problem that the effective atomic number Z eff is low, the pyrosilicate Si site is not limited to only Si, but may be replaced with another pyrochlore oxide substituted with Ge, Hf, or the like. In this case, the same effect as that according to the present invention is expected.

さらに、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、容易に単結晶を育成することができ、単結晶シンチレータとシンチレーション光を受光できる光検出器と組み合わせることで、放射線検出器としての使用が可能となる。さらに、これらの放射線検出器を放射線検出器として備えた非破壊検査装置としての放射線計測装置や資源探査装置としても使用可能である。   Furthermore, the scintillator crystal material according to the present embodiment can easily grow a single crystal, and can be used as a radiation detector by combining a single crystal scintillator with a photodetector capable of receiving scintillation light. Become. Furthermore, it can be used as a radiation measuring apparatus or a resource exploration apparatus as a nondestructive inspection apparatus provided with these radiation detectors as radiation detectors.

また、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料およびその単結晶について、そのシンチレーション光に含まれる所定の蛍光成分は、蛍光波長が200nm以上900nm以下であり、かつその蛍光寿命が1000ナノ秒以下の範囲とすることができる。このように、蛍光寿命が短いので、蛍光測定のためのサンプリング時間が短くて済み、高時間分解能、すなわちサンプリング間隔を低減することができる。また、高時間分解能が実現されることにより、単位時間でのサンプリング数を増加させることが可能になる。このような短寿命の発光を有する結晶材料は、撮像装置であるPET、SPECTおよびCT用の高速応答の放射線検出のためのシンチレータとして好適に利用できる。   In addition, for the scintillator crystal material and the single crystal thereof according to the present embodiment, the predetermined fluorescent component contained in the scintillation light has a fluorescence wavelength of 200 nm to 900 nm and a fluorescence lifetime of 1000 nanoseconds or less. It can be. As described above, since the fluorescence lifetime is short, the sampling time for fluorescence measurement can be shortened, and the high time resolution, that is, the sampling interval can be reduced. In addition, by realizing high time resolution, the number of samplings per unit time can be increased. Such a crystal material having a short-lived emission can be suitably used as a scintillator for detecting radiation with a high-speed response for PET, SPECT and CT which are imaging devices.

また、蛍光成分の蛍光ピーク波長が250nm以上900nm以下の範囲であるので、シリコン半導体から構成されるPD、APD、またはSi−PMなどの半導体光検出器と組合わせて検出できるものである。特に、蛍光成分の蛍光ピーク波長が400nm以下の場合、波長変換素子を用いて300nm以上900nm以下の波長、すなわち上述の光検出器の波長感度が十分ある領域の波長に変換することが有効である。   In addition, since the fluorescence peak wavelength of the fluorescence component is in the range of 250 nm to 900 nm, it can be detected in combination with a semiconductor photodetector such as PD, APD, or Si-PM composed of a silicon semiconductor. In particular, when the fluorescence peak wavelength of the fluorescent component is 400 nm or less, it is effective to use a wavelength conversion element to convert the wavelength to a wavelength of 300 nm to 900 nm, that is, a wavelength in a region where the wavelength sensitivity of the above-described photodetector is sufficient. .

波長変換素子としては、たとえばプラスチック製の波長変換用光ファイバ(たとえばクラレ社製Y11(200)M−S)等を用いたものが利用できる。また、組合わせる光検出器の種類は蛍光ピーク波長等に合わせて適宜利用でき、例えばPMTやPS−PMTを利用してもよい。   As the wavelength conversion element, for example, one using a plastic wavelength conversion optical fiber (for example, Y11 (200) MS manufactured by Kuraray Co., Ltd.) can be used. Further, the type of the photodetector to be combined can be appropriately used according to the fluorescence peak wavelength or the like. For example, PMT or PS-PMT may be used.

また、本実施の形態に係る結晶材料において、シンチレーション光に含まれる蛍光成分の蛍光寿命が80ナノ秒以下であり、かつ、蛍光ピーク波長が300nm以上700nm以下の範囲であれば、更なる高分解能かつ高感度でのシンチレーション光の検出を実現できる。蛍光寿命および蛍光ピーク波長の調整は、結晶材料の組成を調整することによって実現することができる。例えば、Ce濃度を高くすると蛍光寿命を短くできる。   Further, in the crystal material according to the present embodiment, if the fluorescence lifetime of the fluorescent component contained in the scintillation light is 80 nanoseconds or less and the fluorescence peak wavelength is in the range of 300 nm to 700 nm, further high resolution In addition, it is possible to detect scintillation light with high sensitivity. Adjustment of the fluorescence lifetime and the fluorescence peak wavelength can be realized by adjusting the composition of the crystal material. For example, the fluorescence lifetime can be shortened by increasing the Ce concentration.

また、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料では、環境温度が摂氏0度の場合の蛍光成分の発光量を基準とした場合に、環境温度が室温から摂氏150度の範囲における蛍光成分の発光量の前記基準からの減衰割合を20%未満とすることができる。したがって、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、高温環境下でも発光量の減衰を少なくできるので、高温環境下で使用されるシンチレータ結晶材料として非常に有用である。   Further, in the scintillator crystal material according to the present embodiment, the light emission amount of the fluorescent component in the range of the ambient temperature from room temperature to 150 degrees Celsius when the light emission amount of the fluorescent component when the ambient temperature is 0 degrees Celsius is used as a reference. The attenuation ratio from the reference can be less than 20%. Therefore, the scintillator crystal material according to the present embodiment can be very useful as a scintillator crystal material used in a high-temperature environment because the attenuation of light emission can be reduced even in a high-temperature environment.

本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法について、以下に説明する。いずれの組成の単結晶の製造方法においても、出発原料としては、一般的な酸化物原料が使用可能であるが、シンチレータ用単結晶として使用する場合、99.99%(4N)以上の高純度原料を用いることが特に望ましい。これらの出発原料を、融液形成時に目的の組成となるように秤量、混合したものを結晶育成原料として用いる。   A method for manufacturing a single crystal crystal material according to the present embodiment will be described below. In any method for producing a single crystal, a general oxide raw material can be used as a starting material, but when used as a single crystal for a scintillator, it has a high purity of 99.99% (4N) or more. It is particularly desirable to use raw materials. These starting materials are weighed and mixed so as to have a target composition at the time of melt formation, and used as a crystal growth material.

さらにこれらの出発原料中には、目的とする組成以外の不純物が極力少ないものが特に好ましい。特に当該結晶材料のシンチレーション光の波長付近に発光を有する元素や価数の変化しやすい元素を極力含まない出発原料を用いることが好ましい。   Further, among these starting materials, those starting with as few impurities as possible other than the intended composition are particularly preferred. In particular, it is preferable to use a starting material that contains as little as possible an element that emits light in the vicinity of the scintillation light wavelength of the crystalline material or an element that easily changes its valence.

結晶の育成は、例えばAr,Nなどの不活性ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。または、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを使用してもよい。ただし、この混合ガスの雰囲気下で結晶の育成を行なう場合、るつぼの酸化を防ぐ目的で、酸素分圧は2%以下であることが好ましい。Crystal growth is preferably performed in an inert gas atmosphere such as Ar or N 2 . Alternatively, a mixed gas of an inert gas and oxygen gas may be used. However, when the crystal is grown in the mixed gas atmosphere, the oxygen partial pressure is preferably 2% or less for the purpose of preventing the crucible from being oxidized.

ただし、フローティングゾーン法の様にるつぼを使用しない作製法を用いる場合には、酸素分圧は100%まで設定可能である。なお、結晶成長後のアニールなどの後工程においては、酸素ガス、不活性ガス、および、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。後工程においては、混合ガスを用いる場合、酸素分圧は2%以下という制限は受けず、酸素分圧0%から100%までいずれの混合比のものを使用してもよい。   However, when a production method that does not use a crucible, such as the floating zone method, is used, the oxygen partial pressure can be set up to 100%. Note that oxygen gas, inert gas, and a mixed gas of oxygen gas and inert gas can be used in a subsequent process such as annealing after crystal growth. In the subsequent process, when a mixed gas is used, the oxygen partial pressure is not limited to 2% or less, and any mixture ratio from 0% to 100% oxygen partial pressure may be used.

本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法としては、マイクロ引下げ法に加え、チョクラルスキー法(引き上げ法)、ブリッジマン法、帯溶融法(ゾーンメルト法)、および縁部限定薄膜供給結晶成長(EFG)法、フローティングゾーン法などが挙げられるが、これらに限定されず、各種結晶育成方法を用いることができる。   As a method for producing a single crystal of a crystal material according to the present embodiment, in addition to the micro pulling method, the Czochralski method (pulling method), the Bridgman method, the band melting method (zone melt method), and the edge limited thin film Examples thereof include a supply crystal growth (EFG) method and a floating zone method, but are not limited thereto, and various crystal growth methods can be used.

なお、大型単結晶を得るためには、チョクラルスキー法またはブリッジマン法が好ましい。大型単結晶を用い得ることにより、単結晶の歩留りを向上させ、相対的には加工ロスを軽減することができる。したがって特許文献2に記載のような、多結晶化した中から単結晶を取り出す方法と比較して、低コストかつ高品質の結晶材料を得ることができる。ただし、本実施の形態に係るシンチレータ結晶材料は、単結晶に限定されず、セラミックスなどの多結晶の焼結体でもよい。   In order to obtain a large single crystal, the Czochralski method or the Bridgman method is preferable. By using a large single crystal, it is possible to improve the yield of the single crystal and relatively reduce the processing loss. Therefore, compared with the method of taking out a single crystal from polycrystallized as described in Patent Document 2, a low-cost and high-quality crystal material can be obtained. However, the scintillator crystal material according to the present embodiment is not limited to a single crystal, and may be a polycrystalline sintered body such as ceramics.

一方、シンチレータ用単結晶として小型の単結晶のみを使用するのであれば、後加工の必要が無いかあるいは少ないことから、フローティングゾーン法、ゾーンメルト法、EFG法、マイクロ引下げ法、またはチョクラルスキー法が好ましく、るつぼとの濡れ性などの理由から、マイクロ引下げ法、またはゾーンメルト法が特に好ましい。   On the other hand, if only a small single crystal is used as the scintillator single crystal, there is no or little post-processing, so the floating zone method, the zone melt method, the EFG method, the micro pull-down method, or the Czochralski The method is preferred, and the micro-pulling method or the zone melt method is particularly preferred for reasons such as wettability with a crucible.

さらに、シンチレータ用単結晶として小型の単結晶を工業量産する観点から見ると、高速な単結晶育成ができ、育成中に形状制御をすることが容易であるという特徴を持つ、マイクロ引下げ法がより好ましい。   Furthermore, from the viewpoint of industrial mass production of small single crystals as single crystals for scintillators, the micro pull-down method has the feature that it can grow single crystals at high speed and is easy to control the shape during growth. preferable.

また、使用できるるつぼおよびアフターヒータの材料としては、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金が挙げられる。   Examples of the crucible and afterheater material that can be used include platinum, iridium, rhodium, rhenium, and alloys thereof.

シンチレータ用単結晶の製造においては、さらに高周波発振器、集光加熱器、および抵抗加熱機を使用してもよい。   In manufacturing a scintillator single crystal, a high-frequency oscillator, a condenser heater, and a resistance heater may be further used.

以下に、本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法の例として、チョクラルスキー法およびマイクロ引下げ法を用いた単結晶製造法を示すが、本実施の形態に係る結晶材料の単結晶の製造方法はこれに限定されるものではない。   Hereinafter, a single crystal manufacturing method using the Czochralski method and the micro-pulling-down method will be described as an example of a method for manufacturing a single crystal of the crystal material according to the present embodiment. The method for producing the crystal is not limited to this.

チョクラルスキー法(引き上げ)法については、公知の高周波誘導加熱による雰囲気制御型の単結晶引き上げ装置を用いて行なうことができる。単結晶引き上げ装置は、原料融液を充填するるつぼと、るつぼを遠隔過熱する誘導加熱手段(例えば高周波誘導加熱コイル)と、るつぼ上部に設けた種結晶保持具と、種結晶保持具を上方に引き上げる移動機構と、種結晶保持具の軸を中心に回転させる回転機構から構成される。   The Czochralski method (pulling) method can be carried out using a known single crystal pulling apparatus of an atmosphere control type by high frequency induction heating. The single crystal pulling apparatus includes a crucible filled with a raw material melt, induction heating means for remotely heating the crucible (for example, a high frequency induction heating coil), a seed crystal holder provided on the crucible, and a seed crystal holder upward. It consists of a moving mechanism that pulls up and a rotating mechanism that rotates around the axis of the seed crystal holder.

るつぼに結晶原料を充填し、高周波加熱法や抵抗加熱法によりるつぼを加熱し、結晶原料を融解する。原料が融解して原料融液となったところで、あらかじめ定められた結晶方位に切り出された種結晶を原料融液表面に接触させ、種結晶を所定の回転速度で回転させながら、所定の速度で引き上げることで単結晶を成長させる。   The crucible is filled with a crystal material, and the crucible is heated by a high-frequency heating method or a resistance heating method to melt the crystal material. When the raw material is melted to become a raw material melt, the seed crystal cut in a predetermined crystal orientation is brought into contact with the surface of the raw material melt, and the seed crystal is rotated at a predetermined rotational speed. A single crystal is grown by pulling up.

マイクロ引下げ法については、公知の高周波誘導加熱による雰囲気制御型マイクロ引下げ装置を用いて行なうことができる。マイクロ引下げ装置は、例えば、原料融液を収容するるつぼと、るつぼ底部に設けた微細孔から流出する原料融液に接触させる種結晶を保持する種結晶保持具と、種結晶保持具を下方に移動させる移動機構と、移動機構の速度を制御する移動速度制御装置と、るつぼを遠隔加熱する誘導加熱手段(例えば高周波誘導加熱コイル)とを具備した単結晶製造装置である。このような単結晶製造装置によれば、るつぼ直下に固液界面を形成し、下方向に種結晶を移動させることで、単結晶を作製することができる。   The micro pull-down method can be performed using a known atmosphere control type micro pull-down apparatus using high-frequency induction heating. The micro-pulling device is, for example, a crucible for containing a raw material melt, a seed crystal holder for holding a seed crystal to be brought into contact with the raw material melt flowing out from a fine hole provided at the bottom of the crucible, and a seed crystal holder downward A single crystal manufacturing apparatus including a moving mechanism for moving, a moving speed control device for controlling the speed of the moving mechanism, and induction heating means (for example, a high frequency induction heating coil) for remotely heating the crucible. According to such a single crystal production apparatus, a single crystal can be produced by forming a solid-liquid interface immediately below the crucible and moving the seed crystal downward.

上記の単結晶引き上げ装置およびマイクロ引下げ法装置において、るつぼは、カーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金製である。また、マイクロ引き下げ法においては、るつぼ底部外周にカーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、またはこれらの合金からなる発熱体であるアフターヒータが配置される。るつぼおよびアフターヒータのそれぞれの誘導加熱手段の出力調整により、発熱量を調整することによって、るつぼ底部に設けた微細孔から引き出される原料融液の固液境界領域の温度およびその分布を制御することができる。   In the single crystal pulling apparatus and the micro pulling method apparatus described above, the crucible is made of carbon, platinum, iridium, rhodium, rhenium, or an alloy thereof. In the micro pull-down method, an after heater, which is a heating element made of carbon, platinum, iridium, rhodium, rhenium, or an alloy thereof, is disposed on the outer periphery of the crucible bottom. Controlling the temperature and distribution of the solid-liquid boundary region of the raw material melt drawn from the fine holes provided at the bottom of the crucible by adjusting the heat output by adjusting the output of each induction heating means of the crucible and after-heater Can do.

上記の雰囲気制御型単結晶引き上げ装置および雰囲気制御型マイクロ引下げ装置は、チャンバーの材質にはステンレス鋼(SUS)、窓材には石英を採用し、かつ、雰囲気制御を可能にするためのロータリーポンプを具備し、ガス置換前において、内部の真空度を1×10−3Torr以下にすることを可能にした装置である。また、チャンバーへは、付随するガスフローメータにより精密に調整された流量で、Ar、N、H、Oガス等を導入できるものである。The atmosphere control type single crystal pulling device and the atmosphere control type micro pulling device described above employ stainless steel (SUS) as the material of the chamber, quartz as the window material, and a rotary pump for enabling atmosphere control. And the internal vacuum degree can be reduced to 1 × 10 −3 Torr or less before gas replacement. In addition, Ar, N 2 , H 2 , O 2 gas, etc. can be introduced into the chamber at a flow rate precisely adjusted by an accompanying gas flow meter.

この装置を用いて、上述の方法にて準備した結晶育成原料をるつぼに入れ、炉内を排気して高真空にした後、Nガス、ArガスもしくはArガスとOガスとの混合ガスを炉内に導入することにより、炉内を不活性ガス雰囲気もしくは低酸素分圧雰囲気とする。次に、高周波誘導加熱コイルに高周波電力を徐々に印加することによりるつぼをゆっくりと加熱して、るつぼ内の原料を完全に融解する。Using this apparatus, the crystal growth raw material prepared by the above method is put into a crucible, the inside of the furnace is evacuated to a high vacuum, and then N 2 gas, Ar gas, or a mixed gas of Ar gas and O 2 gas is used. Is introduced into the furnace to make the inside of the furnace an inert gas atmosphere or a low oxygen partial pressure atmosphere. Next, the crucible is slowly heated by gradually applying high-frequency power to the high-frequency induction heating coil to completely melt the raw material in the crucible.

マイクロ引き下げ法においては、種結晶保持具に保持された種結晶を移動機構によって所定の速度で徐々に上昇させる。そして、種結晶の先端をるつぼ下端の微細孔に接触させて充分になじませたら、融液温度を調整しつつ、種結晶を降下させることで結晶を成長させる。   In the micro pull-down method, the seed crystal held by the seed crystal holder is gradually raised at a predetermined speed by a moving mechanism. Then, when the tip of the seed crystal is brought into contact with the fine hole at the lower end of the crucible and sufficiently blended, the crystal is grown by lowering the seed crystal while adjusting the melt temperature.

種結晶としては、結晶成長対象物と同等ないしは、構造、組成ともに近いものを使用することが好ましいが、これに限定されない。また、種結晶として結晶方位の明確なものを使用することが好ましい。   As the seed crystal, it is preferable to use a seed crystal that is equivalent to or similar in structure and composition to the crystal growth object, but is not limited thereto. Moreover, it is preferable to use a crystal with a clear crystal orientation as a seed crystal.

準備した結晶育成原料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了となる。一方、育成する結晶の組成を均一に保つ目的および長尺化の目的で、結晶育成原料の連続チャージ用機器を取り入れてもよい。これによって、結晶育成原料をチャージしながら結晶を育成することができる。   Crystal growth is completed when all of the prepared crystal growth raw materials are crystallized and the melt is exhausted. On the other hand, for the purpose of keeping the composition of the crystal to be grown uniform and for the purpose of lengthening it, a device for continuously charging the crystal growth raw material may be incorporated. Thereby, the crystal can be grown while charging the crystal growth raw material.

以下、本発明の実施例および比較例について、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。なお、以下の実施例では、Ce濃度は、特定の結晶中における濃度か、融液、(仕込み)における濃度かのいずれかの記載となっているが、各実施例において、結晶中の濃度1に対して仕込み時の濃度1〜10程度となるような関係があった。   Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. In the following examples, the Ce concentration is either a concentration in a specific crystal or a concentration in a melt or (preparation). In each example, the concentration in the crystal is 1 In contrast, there was a relationship such that the concentration at the time of charging was about 1 to 10.

(実施例1)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.44Gd0.55Siの組成(x=0.44、y=0.01)で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図1は育成した(Ce0.01La0.44Gd0.55Si結晶の写真を示す図である。図1に示すように、育成した結晶は、部分的に透明な結晶が得られた。透明な結晶は、その下の模様が透けて見えており、透明バルク体であった。また、この結晶は、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
Example 1
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.44 Gd 0.55 ) 2 Si 2 O 7 (x = 0.44, y = 0.01) was grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 1 is a view showing a photograph of a grown (Ce 0.01 La 0.44 Gd 0.55 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 1, the grown crystal was partially transparent. The transparent crystal had a transparent bulk body, and the pattern under it was seen through. Moreover, it was confirmed that this crystal is a single crystal without cleaving or deliquescence.

(実施例2)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.34Gd0.65Siの組成(x=0.34、y=0.01)で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図2は育成した(Ce0.01La0.34Gd0.65Si結晶の写真を示す図である。図2に示すように、育成した結晶は、部分的に透明な結晶が得られた。透明な結晶は、その下の模様が透けて見えており、透明バルク体であった。また、この結晶は、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
(Example 2)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.34 Gd 0.65 ) 2 Si 2 O 7 (x = 0.34, y = 0.01) was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 2 is a view showing a photograph of the grown (Ce 0.01 La 0.34 Gd 0.65 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 2, the grown crystal was partially transparent. The transparent crystal had a transparent bulk body, and the pattern under it was seen through. Moreover, it was confirmed that this crystal is a single crystal without cleaving or deliquescence.

(実施例3)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.29Gd0.7Siの組成(x=0.29、y=0.01)で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図3は育成した(Ce0.01La0.29Gd0.7 Si結晶の写真を示す図である。図3に示すように、育成した結晶は、部分的に透明な結晶が得られた。透明な結晶は、その下の模様が透けて見えており、透明バルク体であった。また、この結晶は、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
(Example 3)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.29 Gd 0.7 ) 2 Si 2 O 7 (x = 0.29, y = 0.01) was grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 3 is a view showing a photograph of the grown (Ce 0.01 La 0.29 Gd 0.7 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 3, a partially transparent crystal was obtained from the grown crystal. The transparent crystal had a transparent bulk body, and the pattern under it was seen through. Moreover, it was confirmed that this crystal is a single crystal without cleaving or deliquescence.

(実施例4)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.22Gd0.77Siの組成(x=0.22、y=0.01)で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図4は育成した(Ce0.01La0.22Gd0.77Si結晶の写真を示す図である。図4に示すように、育成した結晶は、部分的に透明な結晶が得られた。透明な結晶は、その下の模様が透けて見えており、透明バルク体であった。また、この結晶は、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
Example 4
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.22 Gd 0.77 ) 2 Si 2 O 7 (x = 0.22, y = 0.01) was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 4 is a photograph showing a grown (Ce 0.01 La 0.22 Gd 0.77 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 4, the grown crystal was partially transparent. The transparent crystal had a transparent bulk body, and the pattern under it was seen through. Moreover, it was confirmed that this crystal is a single crystal without cleaving or deliquescence.

(実施例5)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.005 La0.30Gd0.695 Siの組成(x=0.30、y=0.005)で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図5は育成した(Ce0.005 La0.30Gd0.695 Si結晶の写真を示す図である。図5に示すように、育成した結晶は、部分的に透明な結晶が得られた。透明な結晶は、その下の模様が透けて見えており、透明バルク体であった。また、この結晶は、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
(Example 5)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.005 La 0.30 Gd 0.695 ) 2 Si 2 O 7 (x = 0.30, y = 0.005) was grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 5 is a view showing a photograph of the grown (Ce 0.005 La 0.30 Gd 0.695 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 5, the grown crystal was partially transparent. The transparent crystal had a transparent bulk body, and the pattern under it was seen through. Moreover, it was confirmed that this crystal is a single crystal without cleaving or deliquescence.

(実施例6)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.03La0.30Gd0.67Siの組成(x=0.30、y=0.03)で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図6は育成した(Ce0.03La0.30Gd0.67Si結晶の写真を示す図である。図6に示すように、育成した結晶は、部分的に透明な結晶が得られた。透明な結晶は、その下の模様が透けて見えており、透明バルク体であった。また、この結晶は、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
(Example 6)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.03 La 0.30 Gd 0.67 ) 2 Si 2 O 7 (x = 0.30, y = 0.03) was grown by the micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 6 is a photograph showing a grown (Ce 0.03 La 0.30 Gd 0.67 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 6, the grown crystal was partially transparent. The transparent crystal had a transparent bulk body, and the pattern under it was seen through. Moreover, it was confirmed that this crystal is a single crystal without cleaving or deliquescence.

(比較例1)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.49Gd0.50Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図7は育成した(Ce0.01La0.49Gd0.50Si結晶の写真を示す図である。図7に示すように、育成した結晶は、全体的にクラックが入り、もろい結晶体であった。
(Comparative Example 1)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.49 Gd 0.50 ) 2 Si 2 O 7 was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 7 is a view showing a photograph of the grown (Ce 0.01 La 0.49 Gd 0.50 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 7, the grown crystal was cracked as a whole and was a brittle crystal.

(比較例2)
マイクロ引下げ法により、(Ce0.01La0.19Gd0.80Siの組成で表される結晶を育成した。この結晶はAで表されるパイロクロア型酸化物の一種であるパイロシリケート結晶である。図8は育成した(Ce0.01La0.19Gd0.80Si結晶の写真を示す図である。図8に示すように、育成した結晶は、育成方向に対し、一定方向にクラックが入り、へき開が生じた。
(Comparative Example 2)
A crystal represented by a composition of (Ce 0.01 La 0.19 Gd 0.80 ) 2 Si 2 O 7 was grown by a micro-pulling down method. This crystal is a pyrosilicate crystal which is a kind of pyrochlore type oxide represented by A 2 B 2 O 7 . FIG. 8 is a photograph showing a grown (Ce 0.01 La 0.19 Gd 0.80 ) 2 Si 2 O 7 crystal. As shown in FIG. 8, the grown crystal was cracked in a certain direction with respect to the growing direction, and cleavage occurred.

(比較例3)
公知の単結晶シンチレータの比較例として、市販されている5mm×5mm×5mmサイズの(Ce0.01Gd0.99SiO(Ce1%:GSO)結晶を用いた。
(Comparative Example 3)
As a comparative example of a known single crystal scintillator, a commercially available (Ce 0.01 Gd 0.99 ) 2 SiO 5 (Ce 1%: GSO) crystal having a size of 5 mm × 5 mm × 5 mm was used.

実施例1から実施例6まで実施したところ、透明なバルク体を安定して育成することができたのに対して、比較例1および比較例2は、安定して育成することができなかった。比較例1はLaが多い場合であるが、GdとLaのイオン半径(シャノンのイオン半径)がそれぞれ0.94オングストローム、1.03オングストロームと異なり、Laが多いと、育成した結晶の格子の歪が大きくなり、割れやすくなる。比較例2はLaが少ない場合であるが、調和溶融組成に近いものの、この組成では、GdSiの不安定な包晶組成に近づくため、結晶育成が不安定になる。When Example 1 to Example 6 were carried out, a transparent bulk body could be stably grown, whereas Comparative Example 1 and Comparative Example 2 could not be stably grown. . Comparative Example 1 is a case where La is large, but the ionic radii of Gd and La (Shannon's ionic radius) are different from 0.94 angstrom and 1.03 angstrom, respectively. Becomes larger and more easily broken. Although Comparative Example 2 is a case where La is small, although it is close to the harmonic melt composition, this composition approaches the unstable peritectic composition of Gd 2 Si 2 O 7 , so that crystal growth becomes unstable.

育成した実施例1〜実施例6および比較例3の結晶について、各々のシンチレーション光の発光特性を、放射線励起による発光(ラジオルミネッセンス)にて測定した。発光測定にはEdingurg社の分光器(型式:Instrument FSL920)を用いた。励起に用いた放射線源には、5.5MeVのアルファ線源である 241Am(放射能:1MBq)を使用した。For the grown crystals of Examples 1 to 6 and Comparative Example 3, the light emission characteristics of each scintillation light were measured by light emission (radioluminescence) by radiation excitation. A spectroscope (type: Instrument FSL920) manufactured by Edingur was used for the luminescence measurement. As a radiation source used for excitation, 241 Am (radioactivity: 1 MBq) which is an alpha ray source of 5.5 MeV was used.

図9は得られた実施例1および実施例2および実施例3のプロファイルを示す図である。なお、図9において、横軸は発光波長、縦軸は各々のピークの最大値を1で規格化したカウント数(normalized)であり、発光強度を表す。図9に示すように、実施例の結晶は、どれも300nm〜400nmの範囲で発光ピーク波長を有するものであった。   FIG. 9 is a diagram showing the obtained profiles of Example 1, Example 2, and Example 3. In FIG. 9, the horizontal axis represents the emission wavelength, and the vertical axis represents the count number (normalized) in which the maximum value of each peak is normalized by 1, which represents the emission intensity. As shown in FIG. 9, all of the crystals of the examples had emission peak wavelengths in the range of 300 nm to 400 nm.

さらに、実施例1〜実施例6で得られた結晶の発光量を見積もった。ここでそれぞれの結晶は、光学グリース(応用光研社製6262A)にて光検出器である光電子増倍管(浜松ホトニクス社製R7600−200)に光学装着し、1MBqの放射能を有する 137Cs密封線源(ガンマ線源)または 241Amを用い、ガンマ線を照射して励起、発光させた。Furthermore, the light emission amount of the crystals obtained in Examples 1 to 6 was estimated. Here, each crystal is optically mounted on a photomultiplier tube (R7600-200 manufactured by Hamamatsu Photonics), which is a photodetector, with optical grease (Applied Koken 6262A) and 137 Cs having a radioactivity of 1 MBq. A sealed ray source (gamma ray source) or 241 Am was used to excite and emit light by irradiating gamma rays.

なお、光電子増倍管には650V〜700Vを印加し、シンチレーション光を電気信号に変換した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、受光したシンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表す。このようにして光電子増倍管から出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器(マルチチャンネルアナライザー:MCA)に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。なお、比較例3の結晶についても同様に波高分布スペクトルを作成した。   Note that 650 V to 700 V was applied to the photomultiplier tube to convert the scintillation light into an electrical signal. Here, the electric signal output from the photomultiplier tube is a pulse-like signal reflecting the received scintillation light, and the pulse height represents the emission intensity of the scintillation light. The electric signal output from the photomultiplier tube was shaped and amplified by a shaping amplifier in this way, and then input to a multi-wave height analyzer (multi-channel analyzer: MCA) for analysis to create a wave height distribution spectrum. A wave height distribution spectrum was similarly created for the crystal of Comparative Example 3.

図10は、上記 137Csによるガンマ線(662keV)を照射して得られた波高分布スペクトル(実施例1、実施例3、実施例5、実施例6、比較例3)を示す図である。図10において、横軸はMCAのチャンネル番号であり、信号の大きさを表している。横軸については、662keVのガンマ線に由来する光電吸収ピークが、図中の右側にあるほど発光量が高いことを表す。FIG. 10 is a diagram showing wave height distribution spectra (Example 1, Example 3, Example 5, Example 6, and Comparative Example 3) obtained by irradiating the above-mentioned 137 Cs with gamma rays (662 keV). In FIG. 10, the horizontal axis represents the channel number of the MCA and represents the signal magnitude. Regarding the horizontal axis, the photoelectric absorption peak derived from the 662 keV gamma ray is higher on the right side in the figure, indicating that the light emission amount is higher.

図10からわかるように、実施例の結晶は比較例の結晶よりも発光量が高かった。なお、図10において、実施例1の発光量は39,000photon/MeVであった。なお、発光量が30,000photon/MeV以上となるものを良好な特性とする。実施例1〜実施例6まで、全て良好であった。   As can be seen from FIG. 10, the crystal of the example had higher light emission than the crystal of the comparative example. In FIG. 10, the light emission amount of Example 1 was 39,000 photon / MeV. A light emission amount of 30,000 photon / MeV or more is regarded as a good characteristic. From Example 1 to Example 6 were all good.

次に、実施例1〜実施例6の結晶のシンチレーション光の減衰時間を求めた。ここで結晶は上記光学グリースにて上記光電子増倍管に光学接着し、上記 137Csによるガンマ線を用い、ガンマ線を照射して励起、発光させた。そして、光電子増倍管からの信号をオシロスコープ(Tektronix社製TDS 3034B)で信号の時間分布を測定することで、減衰時間を求めた。ここで、1000ナノ秒以下を良好、80ナノ秒以下を特に良好とする。Next, the decay time of scintillation light of the crystals of Examples 1 to 6 was determined. Here, the crystal was optically bonded to the photomultiplier tube with the optical grease, and was excited and emitted by irradiating the gamma ray with the 137 Cs gamma ray. Then, the time distribution of the signal from the photomultiplier tube was measured with an oscilloscope (Tektronix TDS 3034B) to determine the decay time. Here, 1000 nanoseconds or less is good, and 80 nanoseconds or less is particularly good.

図11は、実施例1の結晶の蛍光減衰曲線のプロファイルを示す図である。図11において、横軸は時間を表し、縦軸は発光強度に対応する電圧を表している。灰色の線は実測であり、黒線は減衰定数(蛍光寿命)を求めるために時間tを変数とする次の関数I(t)でフィッティングを行なった結果である。   FIG. 11 is a graph showing a fluorescence decay curve profile of the crystal of Example 1. FIG. In FIG. 11, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage corresponding to the emission intensity. The gray line is the actual measurement, and the black line is the result of fitting with the following function I (t) with the time t as a variable in order to obtain the attenuation constant (fluorescence lifetime).

I(t)=A×exp(−t/τ(ns))+A×exp(−t/τ(ns))+cI (t) = A 1 × exp (−t / τ 1 (ns)) + A 2 × exp (−t / τ 2 (ns)) + c

ここで、実施例1の測1定結果をフィッティングすると、結晶の高速度成分蛍光寿命τは75ナノ秒であり、高速シンチレータを構成できるものであった。また、実施例2〜実施例6まで全ての実施例で80ナノ秒以下であり、特に良好であった。Here, when the measurement result of Example 1 was fitted, the high-speed component fluorescence lifetime τ 1 of the crystal was 75 nanoseconds, and a high-speed scintillator could be constructed. Moreover, it was 80 nanoseconds or less in all Examples from Example 2 to Example 6, and was especially favorable.

実施例1〜6の結果から、(Gd1−x−y LaCeSiで表されたシンチレータ結晶材料において、x=0.2〜0.45、好ましくは0.22〜0.35、さらに好ましくは0.22〜0.34と設定することで、300〜400nmの範囲の発光ピーク波長を持ち、蛍光寿命が80ナノ秒以下の好ましい特性を有する結晶材料が得られることが確認できた。From the results of Examples 1 to 6, in the scintillator crystal material represented by (Gd 1-xy La x Ce y ) 2 Si 2 O 7 , x = 0.2 to 0.45, preferably 0.22 By setting to ˜0.35, more preferably 0.22 to 0.34, a crystalline material having an emission peak wavelength in the range of 300 to 400 nm and a preferable characteristic of a fluorescence lifetime of 80 nanoseconds or less can be obtained. I was able to confirm.

(実施例7)
(Gd1−x−y LaCeSiで表されたシンチレータ結晶材料において、yを0.0001〜0.05と変化させた以外は、実施例1〜6と同様にして、シンチレータ結晶材料を作成し、同様な試験を行った。実施例7においても、実施例1〜6と同様に、部分的に透明な結晶が得られ、へき開性や潮解性のない単結晶であることが確認された。
(Example 7)
In the scintillator crystal material represented by (Gd 1-xy La x Ce y ) 2 Si 2 O 7 , the same as in Examples 1 to 6 except that y was changed to 0.0001 to 0.05. A scintillator crystal material was prepared and subjected to the same test. In Example 7, as in Examples 1 to 6, a partially transparent crystal was obtained, and it was confirmed that the crystal was a single crystal having no cleavage or deliquescence.

また、実施例7においては、yを0.0001〜0.05の範囲とすることで、蛍光波長が200nm以上900nm以下であり、かつその蛍光寿命が1000ナノ秒以下のシンチレータ結晶材料が得られることが確認できた。さらに、yを0.0005〜0.02の範囲とすることで、蛍光波長が300nm以上700nm以下であり、かつその蛍光寿命が80ナノ秒以下のシンチレータ結晶材料が得られることが確認できた。   In Example 7, by setting y within the range of 0.0001 to 0.05, a scintillator crystal material having a fluorescence wavelength of 200 nm to 900 nm and a fluorescence lifetime of 1000 nanoseconds or less can be obtained. I was able to confirm. Furthermore, it was confirmed that by setting y in the range of 0.0005 to 0.02, a scintillator crystal material having a fluorescence wavelength of 300 nm to 700 nm and a fluorescence lifetime of 80 nanoseconds or less can be obtained.

以上のように、本発明に係るシンチレータ結晶材料、単結晶シンチレータは、特にチョクラルスキー法やマイクロ引下げ法といった、工業用途としての生産方法に向いており、有用である。   As described above, the scintillator crystal material and the single crystal scintillator according to the present invention are particularly useful for industrial production methods such as the Czochralski method and the micro pull-down method.

Claims (8)

(Gd1−x−y LaCeSiで表され、xの範囲が0.2≦x≦0.45、yの範囲が0.0001≦y≦0.05であるシンチレータ結晶材料。Is represented by (Gd 1-x-y La x Ce y) 2 Si 2 O 7, the range of x is 0.2 ≦ x ≦ 0.45, the range of y is at 0.0001 ≦ y ≦ 0.05 Scintillator crystal material. さらに、xの範囲が0.22≦x≦0.35、yの範囲が0.0005≦y≦0.02である請求項1に記載のシンチレータ結晶材料。   2. The scintillator crystal material according to claim 1, wherein the range of x is 0.22 ≦ x ≦ 0.35 and the range of y is 0.0005 ≦ y ≦ 0.02. 前記シンチレータ結晶材料は放射線の照射によってシンチレーション光を発し、前記シンチレーション光に含まれる所定の蛍光成分は、蛍光波長が200nm以上900nm以下であり、かつその蛍光寿命が1000ナノ秒以下である請求項1または請求項2に記載のシンチレータ結晶材料。   The scintillator crystal material emits scintillation light when irradiated with radiation, and the predetermined fluorescent component contained in the scintillation light has a fluorescence wavelength of 200 nm to 900 nm and a fluorescence lifetime of 1000 nanoseconds or less. Or the scintillator crystal material of Claim 2. 前記シンチレータ結晶材料は放射線の照射によってシンチレーション光を発し、前記シンチレーション光に含まれる所定の蛍光成分は、蛍光波長が300nm以上700nm以下であり、かつその蛍光寿命が80ナノ秒以下である請求項1から請求項3のいずれかに記載のシンチレータ結晶材料。   The scintillator crystal material emits scintillation light when irradiated with radiation, and the predetermined fluorescent component contained in the scintillation light has a fluorescence wavelength of 300 nm to 700 nm and a fluorescence lifetime of 80 nanoseconds or less. The scintillator crystal material according to claim 3. 請求項1から請求項4のいずれかに記載のシンチレータ結晶材料からなる単結晶シンチレータ。   A single crystal scintillator made of the scintillator crystal material according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載のシンチレータ結晶材料もしくは請求項5に記載の単結晶シンチレータから構成されるシンチレータと、前記シンチレータからのシンチレーション光を受光する光検出器と、を備えることを特徴とする放射線検出器。   A scintillator composed of the scintillator crystal material according to any one of claims 1 to 4 or the single crystal scintillator according to claim 5, and a photodetector that receives scintillation light from the scintillator. A radiation detector characterized by. 請求項6に記載の放射線検出器を備えることを特徴とする撮像装置。   An imaging apparatus comprising the radiation detector according to claim 6. 請求項6に記載の放射線検出器を備えることを特徴とする非破壊検査装置。   A nondestructive inspection apparatus comprising the radiation detector according to claim 6.
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