KR101311695B1 - 고광산출량의 고속 섬광체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학식이 Pr_(1-x-y)Ln_yCe_xX₃ (여기서, - Ln은 La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Y의 군으로부터 선택된 원소 또는 둘 이상의 원소로 이루어진 혼합물이고, - X는 Cl, Br, I의 군으로부터 선택된 할라이드 또는 둘 이상의 할라이드의 혼합물이고, - x는 0.0005 초과이며 1 미만이고, - y는 0부터 1 미만이고, - (x+y)가 1 미만임)인 화합물을 포함하는 물질, 및 그것의 섬광검출기로서의 용도, 예를 들어, 비행능력 시간을 가진 PET 스캐너로서의 용도에 관한 것이다.

섬광물질, 섬광물질을 단결정으로 제조하는 공정, 섬광체, 섬광검출기

Description

고광산출량의 고속 섬광체{HIGH LIGHT YIELD FAST SCINTILLATOR}

본 발명은 특히 단결정형태인 새로운 섬광물질, 섬광물질을 단결정으로 제조하는 공정, 및 X-선 및/또는 감마선의 복사선들을 검출 및/또는 인지하는 그의 용도에 관한 것이다.

섬광물질은 하기에서 "복사선"으로 총칭한 1 keV 이하까지 내려가는 매우 낮은 에너지의 감마선, X-선, 우주선 및 입자 또는 전자기파의 검출에 광범위하게 사용된다.

섬광 메커니즘은 유입 광자 또는 입자의 고에너지를 가시광선의 범위 내 또는 가시광선에 근접한 범위의 광으로 근본적으로 전환하는 많은 물리적 원리들에 의존하고, 이에 따라 표준 광검출기들에 의해 검출될 수 있다. 섬광체의 단결정 형태들, 즉, 사용 단위에서 하나의 (수 개 이하의) 결정으로 이루어진 단편이 특히 관심사이다. 단결정 (monocrystal) 배열은 다결정질 물질들 중에 존재하는 경향이 있는 결정입계, 이질성분들 및 다른 결함들을 통한 내부 확산의 결여 덕분에 두꺼운 치수 너머로 방출된 광의 추출이 더욱 용이해지게 한다. 결정질 구조 (원자의 관점에서)는 섬광 메커니즘을 결정하는 데 있어 필요하다: 물질의 유리질, 비정질 상태가 상이한 섬광 특성을 산출하는 경향이 크다. 그 다음 추출된 광을 광증배기 튜브, 광다이오드 등과 같은 당업자에게 잘 알려진 다양한 장치들로 수집한다. 다른 배열은 여전히 물질의 결정질 구조를 유지하고, 여전히 광 추출을 가능하게 하는 방식으로 결합재와 혼합되거나 소결되거나 충전된 분말 형태로 사용된다. 이러한 배열들은 보통 충분한 유입 입자 또는 광자를 중지시키기에 충분하지 않을지 모르는 수 밀리미터 초과의 두께일 때, 과하게 불투명하다. 또한, 가능하고 비용이 효율적인 경우에는 언제나 단결정이 바람직하다.

복사선 검출은 핵의학, 기초 물리학, 산업용 게이징, 수하물 스캐너, 유정 검측 등 수많은 분야들에서 주된 관심사이다. 이 분야들에서, 검출기에 도달할 수도 있는 복사선들을 고계수율로 식별하는 것이 종종 요구되고, 섬광검출기는 복사선의 유형에 따라 상이한 발광 신호들을 생성하는 것이 가능해야 한다 (문헌 [G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurements (Wiley, New York, 2000)] 참조).

수 개의 기준이 양호한 X-선 또는 감마선 검출기를 구성하는데 필요하다.

당업자에게 잘 알려진 방식으로, 유입 복사선하의 섬광체의 에너지 스펙트럼을 그리고, 이에 의해 결과들을 막대그래프 (x-축은 에너지이고, y-축은 계수) 상에 표시하였다. 획득 프로토콜에서, "채널"은 특정 에너지 범위 내에서의 신호를 수집하는 것으로 정의된다.

양호한 (낮은) 에너지 해상도는 유입 복사선의 에너지 피크의 양호한 인지를 위해 필요하다. 주어진 에너지에서의 주어진 검출기에 대한 에너지 해상도는 보통 에너지 스펙트럼 상의 피크의 최대에너지의 절반에서의 전체 너비를 피크의 중심에서의 에너지에 의해 나누어 결정한다 (문헌 [G. F Knoll, "Radiation Detection and Measurement", John Wiley and Sons, Inc, 2nd edition, p 114] 참조).

다른 매우 중요한 파라미터는 특히 W.W Moses (문헌 [Nucl. lnstr and Meth. A336 (1993) 253]))에 의해 기재된 붕괴시간 상수이다. 고속붕괴시간은 고속분석을 가능하게 한다. 일반적으로, 복사선 하에서 섬광체로부터 수집된 신호의 시간 스펙트럼은 각각 붕괴시간 상수를 특징으로 하는 지수들의 합에 의해 맞추어질 수 있다. 섬광체의 질은 근본적으로 가장 고속 방출 성분의 기여도에 의해 결정된다. 이것이 본 원에서 추가로 기재한 수이다.

널리 사용되어온 공지된 섬광체 결정의 족은 탈륨으로 도핑된 요오드화 나트륨 Tl:NaI 유형이다. 현대 섬광체들의 기초를 형성한 이 섬광물질은 1948년에 로버트 호프스태터(Robert Hofstadter)에 의해 발견되었고, 다른 물질들에 대한 60여년의 연구에도 불구하고 이 분야에서 여전히 지배적인 물질로 남아있다. 그러나 이들 결정의 섬광 붕괴가 매우 빠르지 않다.

상당한 개발을 겪어온 섬광체 결정 중의 하나의 족은 게르마늄산비스무스 (BGO) 유형이다. BGO 족의 결정은 이러한 결정의 사용을 낮은 계수율로 제한하는 고붕괴시간 상수를 가진다.

최근, 섬광물질들은 오. 귈롯-노엘(O. Guillot-Noel) 등에 의해 (문헌 [Optical and scintillation properties of cerium-doped LaCl₃, LuBr₃ and LuCl₃" in Journal of Luminescence 85 (1999) 21-35]) 기술되었다. 이 문헌은 0.57 몰% 의 Ce으로 도핑된 LaCl₃; 0.021 몰%, 0.46% 몰% 및 0.76 몰%의 Ce으로 도핑된 LuBr₃; 0.45 몰%의 Ce으로 도핑된 LuCl₃와 같이 세륨으로 도핑된 화합물들의 섬광 특성을 기재하고 있다. 이러한 섬광물질은 약 7%의 상당히 유용한 에너지 해상도 및 고속 섬광성분의 특히 25 및 50 ns 사이의 상당히 낮은 붕괴시간상수를 가진다. 그러나 이들 물질의 고속 성분의 강도는 특히 MeV 당 약 1000 내지 2000 광자로 상당히 낮아서, 고성능 검출기의 성분으로 사용될 수 없음을 의미한다.

본 발명은 할로겐화 프라세오디뮴 및 할로겐화 세륨을 함유하고, 상당히 낮은 붕괴시간 (종종 τ로 쓰이는)을 보이는 새로운 물질에 관한 것이다. 본 발명의 물질은 화학식 Pr_(1-x-y)Ln_yCe_xX₃의 화합물을 포함하는데, 여기서

- Ln은 La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Y 또는 그들 (La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Y) 중 둘 이상의 혼합물로부터 선택되고,

- x는 0.0005 초과 및 1 미만;

- x는 바람직하게는 0.005 초과;

- x는 바람직하게는 0.9 미만 (= 90 몰% 미만)이고, 바람직하게는 0.4 미만;

- X는 할라이드 Cl, Br, I 또는 Cl, Br, I의 군으로부터의 둘 이상의 할라이드의 혼합물로부터 선택되고,

- y는 0 및 0에서 1 미만까지 갈 수 있고, 바람직하게는 0.9 이하, 바람직하게는 (1-x)/2 미만일 수 있고,

- (x+y)는 1 미만이다.

바람직하게는, X가 I (요오드) 또는 50 몰% 이상의 할라이드 I를 함유하는 할라이드의 혼합물인 경우, Ln은 La, Nd, 또는 양자의 혼합물인 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, X가 할라이드 I (요오드)를 50 몰% 미만으로 함유하는 경우, Ln 은 La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Y 또는 그들 중 둘 이상의 혼합물인 군으로부터 선택된다.

본 발명은 주로 화학식 Pr_(1-x-y)Ln_yCe_xX₃의 화합물로 이루어진 물질 및 화학식 Pr_(1-x-y)Ln_yCe_xX₃의 화합물로 이루어진 물질에 특히 더 관심을 둔다.

화합물 Pr_(1-X)Ce_xX₃ (여기서, x 및 X는 상기에서 설명한 것과 동일한 의미이고, y는 0이다)는 특히 더 관심을 끈다. 특히, 화합물 Pr_(1-X)Ce_xBr₃ (여기서 x는 상기에서 설명한 것과 동일한 의미이고, y는 0이다)가 바람직하다.

값 x는 세륨으로 Pr을 대체하는 몰 양으로, 하기에서 "세륨 함량"이라 부른다. 값 x가 0.0005 초과이면, x는 또한 0.05 몰% 초과라고 말할 수 있다. 두 용어는 동일하다. 예를 들어, x가 0.05이고 y가 0이면, 관심 화합물은 PrBr₃:5%Ce이라고 기재될 수 있다. 그러한 용어는 당업자에 의해 자주 사용된다.

값 y는 Ln으로 Pr을 대체하는 몰 양이다.

본 발명에 따른 무기 섬광물질은 실질적으로 Pr_(1-x)Ce_xX₃로 이루어지고, 본 발명의 기술 영역에서 통상적인 불순물들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 통상적 불순물들은 불순물들이 특히 1 몰% 미만, 또는 심지어 0.1 몰% (용해된 불순물들의 경우) 미만의 함량인 원료로부터 나온다. 원하지 않는 상의 경우, 이러한 원하지 않는 상은 특히 1 부피% 미만이다.

본 발명의 섬광물질은 단결정의 형태로 제조될 수 있다. 이 경우에 있어서, 이것의 체적은 일반적으로 10 mm³ 이상이다. 물질은 가능한 경우 결합재와 혼합되거나 소결되거나 충전된, 분말의 형태 (다결정질)로 또한 사용될 수 있다.

실시예 중의 화합물들은 수직 브릿지만법(Bridgman technique)에 의해 단결정으로 성장된다. 화합물들이 흡습성이므로, 실험은 석영 앰플에 밀봉된 샘플들에 행해진다. 물질이 물 및 산소와의 반응으로부터 알맞게 보호되는 경우, 초크랄스키(Czochralski) 또는 키로풀로스(Kyropoulos)법과 같은 당업자에게 알려진, 다른 결정성장법을 사용할 수 있다. 실시예 중의 단결정 샘플은 체적이 약 10 mm³이다.

PrBr₃:Ce^{3 +}의 특성들은 감마선 검출 분야에서 이미 공지 섬광체들의 특성과 함께, 하기의 표 1에 주어졌다.

표 1: PrBr₃:Ce^{3 +} 및 다른 감마선 섬광체들의 비교 특성들

하기 약어들이 표 1에 사용되었다:

- LY = 광 산출량

- R = 에너지 해상도

- τ = 붕괴시간

- λ_em = 광방출의 주요 피크의 파장

- 5%Ce은 일반식에서 x = 0.05, 실제로는 Pr_{0 .95}Ce_{0 .05}Br₃이다.

PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}를 단광자계수법을 사용하여 상온에서 ¹³⁷Cs γ-선 들뜸하에 기록한 섬광 붕괴시간 분포는 도 1에서 보여주고 있다. 이 도면상에서, 상온에서의 (a) PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 (b) PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 섬광 붕괴 곡선들을 볼 수 있다. 이 스펙트럼들은 단광자계수법을 사용하여 측정한다. 데이터 내의 직선은 단일지수 피트이다. 비교를 위해, LaBr₃:5%Ce^{3 +}의 섬광 붕괴 스펙트럼이 또한 플롯되었다.

5 몰% 세륨으로 도핑된 PrBr₃에 있어 보고된 고속 성분은 방출광의 90%로 매우 높은 수에 상당하여, 다른 감마선 검출기에 비해 섬광체 물질의 고속 성분에 대한 장점이 증가한다.

도 2는 662 keV γ-선에 있어서, (a) PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 (b) PrBr₃:20%Ce^{3 +}와 함께 기록된 ¹³⁷Cs의 공급원으로부터의 복사선의 파고 스펙트럼을 보여준다.

당업자에게 결정의 섬광 특성이 결정의 구조 ("공간군"으로 알려진)와 관련성이 높다는 것이 공지되어 있다. 동일한 공간군을 가지는 결정이 결정질의 고체 용액을 용이하게 혼합 및 형성할 수 있다는 것 또한 당업자에게 알려져 있다. PrCl₃ 및 PrBr₃의 공간군은 P6₃/m이다. 이것은 X가 Cl 또는 Br 또는 양자의 혼합물인 LaX₃, CeX₃, NdX₃, PmX₃, SmX₃, EuX₃ 및 GdX₃와 동일한 공간군이다. PrI₃의 공간군은 Cmcm이다. 이것은 LaI₃, CeI₃, NdI₃와 동일한 공간군이다.

본 발명의 물질이, 감마선 검출의 분야에서 공지된 LaBr₃:Ce보다 덜 밝고 에너지 해상도는 열등하지만 훨씬 고속붕괴를 하는 관심 감마선 검출기를 구성한다는 것을 보인다. 청구항의 조성물에 대한 근본적인 한계를 구성하지 않는 본 발명의 샘플에 대해 주어진 에너지 해상도 도면들은 첨부할 가치가 있다. 에너지 해상도가 양호한 결정질 및 균질성의 결정들로 향상될 수 있음이 당업자에게 잘 알려져 있다. Ce 함량의 균질성, 낮은 봉입량 및 결함량이 바람직하다. 균일 결정을 얻는 데 있어 당업자에게 잘 알려져 있는 열 조건, 고체/액체 계면에서의 열 구배 및 성장 속도 피드백 고리의 적절한 선택으로, 예를 들어, 적절하게 조절된 노에서 상기 결정을 얻을 수 있다.

그러한 매우 빠른 붕괴는 검출할 유입 광자 수가 100 kilocounts/초 (kcps) 초과, 또는 심지어 1 Mcps 초과로 극히 높은 고계수율의 적용에 있어 특별한 관심사이다. 이것은 분광법 분석 (샘플이 X-선의 고환류에 의해 의도적으로 충돌되는), 또는 PET (양전자단층촬영(Positron Emission Tomography)) 스캐너에서 특정 관심사이지만 전적이지는 않다. 극히 고속인 시간 특성들을 요구하는 스캐너 비행 시간(Time of Flight) 능력을 갖는 PET 스캐너는 본 발명의 생성물을 유리하게 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 본 발명의 물질을 함유하는 섬광검출기 (섬광체)에 관한 것이다.

본 발명은 또한 하기에 기재되었고, 챕터 1 내지 5로 나타내었다:

1. 서론

더 나은 섬광체들을 찾는 데 있어, Ce³⁺로 도핑된 란탄족 트리할라이드 섬광체 (REX₃:Ce³⁺, 여기서, RE = La, Gd, Lu, Y 및 X = F, Cl, Br, I)가 최근 조사되고 있다. LaCl₃:Ce³⁺, LaBr₃:Ce³⁺ 및 LuI₃:Ce³⁺는 고광산출량, 양호한 에너지 해상도, 및 고속 붕괴시간을 포함하는 우수한 섬광 특성들을 가진다 [1-4]. 이러한 성과에도 불구하고, 여전히 더 나은 섬광체를 찾으려 노력하고 있다.

Ce³⁺ 외에도, Pr³⁺를 화합물 중의 활성재로 도입하려고 노력하고 있다 [5]. 이론적으로, Ce³⁺에 비해 Pr³⁺의 더 높은 에너지의 5d → 4f 방출 때문에, Pr³⁺ 에서의 5d → 4f 방출은 Ce³⁺ 보다 2 내지 3배 더 빨라져야만 한다 [6]. 불행하게도, LaBr₃:Pr³⁺의 새로운 고속 섬광체로서의 개발은 성공적이지 못하다. 예상된 5d → 4f 방출을 보이지 않았고; 대신 저속의 4f → 4f 방출이 관찰되었다. 원자가 전자대로부터 Pr³⁺로의 전하 전이는 5d → 4f 방출의 에너지 미만의 에너지에서 일어나고, 이것은 Ce³⁺ 방출을 억제한다 [7].

이 작업에서, PrBr₃:Ce^{3 +}의 섬광 특성들을 보고하였다. 이것의 16,000 및 21,000 광자/MeV의 광산출량은 LaBr₃:Ce^{3 +}의 광산출량의 4배 미만이다. 반면, PrBr₃:Ce³⁺의 RT에서의 5.6 ns인 Ce^{3 +} 방출의 붕괴시간은 LaBr₃:Ce^{3 +}의 붕괴시간보다 3배 더 빠르다. PrBr₃: Ce^{3 +}의 분광학을 또한 나타내었다.

2. 실험 절차

상대적으로 작은 (5 x 3 x 2 mm³) PrBr₃:5%Ce³⁺ 및 PrBr₃:20%Ce³⁺의 단결정을 브릿지만법에 의해 PrBr₃ 및 CeBr₃ 분말로부터 성장한 원래의 결정 보울(Boule)로부터 절단하였다. 초기 물질들은 Pr₂O₃ (헤라우스(Heraeus), 99.999%), NH₄Br (메르케(Merck), > 99.9%), 및 HBr (47% 메르케, 우선 분석(proanalysis))로부터 할로겐화 암모늄 방법에 의해 제조되었다 [8,9]. PrBr₃는 공간군 P6₃/m (no. 176)로 UCl₃ 유형의 구조중에 결정화된다 [10]. 이것의 구조 및 격자 파라미터들에 기초하여, PrBr₃는 5.27 g/cm³의 계산된 밀도 ρ_r 및 48.27의 유효원자번호 Z_eff를 가진다. 실험 조건에 대한 자세한 사항은 참고문헌 [4]에서 알 수 있다.

3. 결과 및 토의

RT에서 기록된 PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 X-선 들뜸 방출 스펙트럼을 도 3에서 보여준다. 각 스펙트럼은 시스템의 전이에 대해 보정되었고, 모든 파장의 총합이 10 μs의 형성시간으로 기록한 파고 스펙트럼으로부터 획득한 광자/MeV 단위의 절대 광산출량과 같도록 하는 방식으로 표준화한다.

스펙트럼은 Ce³⁺ 방출 때문에 365 및 395 nm에서 피크를 갖는 오버랩된 두 주요 흡수띠에 의해 지배된다. 상기 Ce³⁺ 방출 위치는 LaBr₃:Ce³⁺의 방출위치와 유사하다[11]. Ce³⁺ 농도가 증가할 때, Ce³⁺ 방출의 평균은 더 긴 파장으로 약간 이동하고, Ce³⁺ 흡수띠의 강도는 증가한다. 500 및 750 nm 사이에 위치한 4f²→4f² Pr³⁺ 라인의 강도는 Ce³⁺ 방출의 것과 비교하면 훨씬 더 약하다. PrBr₃:5%Ce³⁺ 방출 스펙트럼 중의 이러한 라인들은 PrBr₃:20%Ce³⁺ 방출 스펙트럼 중의 라인들과 오버랩된다.

도 4는 PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}와 함께 기록된 ¹³⁷Cs 공급원으로부터의 복사선의 파고 스펙트럼을 보여준다. 더 낮은 에너지에서의 광피크를 동반하는 부수적인 피크가 Pr의 Kα, Kβ X-선의 특성에서 벗어나는 것에 기인하여 스펙트럼에서 관찰되지 않는다.

하마마쯔(Hamamatsu) R1791 PMT로 측정된 파고 스펙트럼들로부터 도출된 광산출량 및 에너지 해상도는 표 2에 기재되었다. 최고 광산출량은 PrBr₃:20%Ce^{3 +}에서 획득되었다.

표 2 : 0.5, 3, 및 10 μs의 형성시간을 사용하여 하마마쯔 R1791 PMT로 측정된 662 keV γ-선 들뜸하에서의 PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 파고 스펙트럼으로부터 도출된 광산출량 및 에너지 해상도.

상온에서 ¹³⁷Cs γ-선 들뜸하에 단광자계수법을 사용하여 기록한 PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 섬광 붕괴시간 스펙트럼은 도 5에서 보여진다. 붕괴 커브 내에 저속 성분이 관측되지 않았다. PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 붕괴시간 스펙트럼은 10 ± 1 ns의 단일지수 붕괴로 맞추어진다. 이 붕괴시간은 비자리(Bizarri) 등 [12]에 의해 이전에 보고된 LaBr₃:5%Ce^{3 +}의 섬광 붕괴시간 (~16 ns)보다 빠르다.

PrBr₃:5%Ce^{3 +}의 들뜸 및 방출 스펙트럼들은 도 6에서 보여준다. 10 K에서 기록된 380 nm의 Ce^{3 +} 방출을 관측한 들뜸 스펙트럼은 수 개의 흡수띠를 보인다. 277, 288, 299, 312, 및 328 nm에서의 다섯 개의 흡수띠는 Ce^{3 +} 4f → 5d 전이에 관한 것이다. 이러한 흡수띠는 LaBr₃:Ce^{3 +}의 흡수띠와 동일한 위치를 가진다[7]. 240 nm에서의 낮은 강도의 흡수띠는 이전에 LaBr₃:Pr^{3 +}에서 관찰되었고, Br^-로부터 Pr³⁺로의 전하 전이 (CT) 흡수띠에 기인하였다[7]. 240 nm에서의 Pr^{3 +}의 CT 흡수띠에서 들뜬 방출 스펙트럼은 5d → 4f Ce^{3 +} [²F_5/2, ²F_7/2] 이중선 방출 및 Pr^{3 +} 4f² → 4f² 전이 라인들을 나타낸다. Pr^{3 +}의 CT 흡수띠에서 들뜰 때, Ce^{3 +}의 이중선 방출의 존재는 Ce^{3 +}으로의 에너지 전환이 중간상으로서의 Pr^{2 +}를 포함함을 보여준다. Pr^{3 +}의 4f² → 4f² 전이 라인들은 ³P_o상태로부터 기원한다. ³P₁ 상으로부터의 전이 결핍은 이웃 Pr^{3 +} 이온과의 에너지 교환에 의해 야기될 수도 있다[13].

도 7은 10 K 및 RT에서 기록된 250 nm에서의 Pr^{3 +}의 CT 흡수띠 중의 들뜸 및 300 nm에서의 Ce^{3 +}의 4f → 5d 전이 중의 들뜸 시에 PrBr₃:5%Ce^{3 +}의 366 nm에서의 Ce³⁺ 방출의 붕괴시간 스펙트럼들을 보여준다.

붕괴시간 스펙트럼들은 단일지수에 맞추어진다. 10 K 및 RT에서 기록된, 300 nm에서 들뜬 Ce^{3 +} 방출의 붕괴시간은, 각각, 10.0 ± 1.0 및 5.6 ± 0.6 ns이다 (도 7a 참조). 이것은 RT에서 Ce^{3 +} 방출이 억제됨을 보인다. 10 K 및 RT에서 기록된, 250 nm에서의 Pr^{3 +}의 CT 흡수띠를 통해 광학적으로 들뜬 Ce^{3 +} 방출의 붕괴시간 은, 각각, 11.1 ± 1.1 및 6.0 ± 0.6 ns이다 (도 7b 참조). 이러한 붕괴시간은 Ce³⁺의 들뜸 상태의 수명의 특성과 유사하고, 따라서 상기에서 언급한 Ce^{3 +}로의 에너지 전이는 매우 빠르다 (~1 ns). 이것은 0.5 μs내에 총광산출량의 약 90%에 해당하는 광산출량에 상응한다. 그러나, Ce^{3 +} 방출의 붕괴시간은 섬광 붕괴시간보다 4-5 ns 더 고속이다 (도 5 참조). 섬광 과정이 이 차이를 설명할 수 있다.

도 3: RT에서 기록된 PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 X-선 들뜸 방출 스펙트럼이다. y-축은 파고 스펙트럼으로부터 도출된 광산출량을 사용하여 눈금을 정했다. 500 내지 750 nm를 범위로 하는 스펙트럼은 그들의 실제 강도로부터 20배 커진다.

도 4는 662 keV γ-선에 있어서의 (a) PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 (b) PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 파고 스펙트럼들이다. 스펙트럼들은 하마마쯔 R1791 PMT로 측정되었다.

도 5는 상온에서의 (a) PrBr₃:5%Ce^{3 +} 및 (b) PrBr₃:20%Ce^{3 +}의 섬광 붕괴곡선이다. 이들 스펙트럼들은 단광자계수법을 사용하여 기록된다. 데이터의 직선은 단일지수 피트이다. 비교를 위해, 참고문헌 [12]로부터 취해진 LaBr₃:5%Ce^{3 +}의 섬광 붕괴 스펙트럼이 또한 플롯되었다.

도 6은 (a) 10 K에서의 380 nm 방출을 관측하는 PrBr₃:5%Ce^{3 +}의 들뜸 스펙트 럼 및 (b) RT에서 240 nm에서 들뜬 PrBr₃:5%Ce^{3 +}의 로그 단위의 방출 스펙트럼이다. (a) 중에 다섯 가우시안 피트는 다섯 Ce^{3 +} 4f → 5d 들뜸 흡수띠를 결정하는데 사용된다.

도 7은 (i) 10 K 및 (ii) RT에서 기록된 (a) 300 nm에서의 Ce^{3 +}의 4f → 5d 전이 및 (b) 250 nm에서의 Pr^{3 +}의 CT 흡수띠를 통해 들뜬 PrBr₃:5%Ce^{3 +}의 366 nm Ce^{3 +} 방출의 로그 단위의 붕괴시간 스펙트럼들이다. 데이터에서 그려진 직선들은 단일지수 피트이다.

4. 결론

γ-선 검출을 위해, 우리는 PrBr₃:Ce³⁺라는 새로운 섬광체를 소개하였다. LaBr₃:Ce³⁺의 것보다 더 낮은 광산출량 (~16,000 - 21,000 광자/MeV) 및 더 고속인 섬광 붕괴시간 (~10 ns)이 기록되었다. 고속 에너지 전이가 제안되었고, 10 K 및 RT에서 기록된 Ce³⁺ 방출의 붕괴시간은, RT에서 Ce³⁺ 방출이 억제되는 것을 보인다.

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[7] P. Dorenbos, E. V. D. van Loef, A. J. P. Vink, E. van der KoIk, C. W. E. van Eijk, K. W. Kraemer, H. U. Guedel, W. M. Higgins, K. S. Shah, Journal of Luminescence xx (20Ox) in publication.

[8] J. B. Reed, B. S. Hopkins, L. F. Audrieth, Inorg . Synth..1 (1936) 28.

[9] G. Meyer, Inorg . Synth . 25 (1989) 146.

[10] B. Schmid, B. Haelg, A. Furrer, W. Urland, R. Kremer, J. Appl . Phys. 61 (1987) 3426.

[11] E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K. W. Kraemer, H. U. Guedel, Nucl . Instr . Meth . Phys . Res . A 486 (2002) 254.

[12] G. Bizarri, J. T. M. de Haas, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, IEEE Trans. Nucl . Sci . xx (20Ox) in publication

[13] K. R. German, A. Kiel, Phys . Rev . B 8 (1973) 1846

Claims (23)

1. 화학식이 Pr_(1-x-y)Ln_yCe_xX₃ (여기서, Ln은 La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Y의 군으로부터 선택된 원소 또는 둘 이상의 원소들로 이루어진 혼합물이고, X는 Cl, Br, I의 군으로부터 선택된 할라이드 또는 둘 이상의 할라이드의 혼합물이고, x는 0.0005 초과이며 0.9 미만이고, y는 0 내지 (1-x)/2 미만이고, (x+y)는 1 미만임)인 화합물을 포함하는 물질.
2. 제1항에 있어서, 상기 x가 0.005 초과인 물질.
3. 제1항에 있어서, 상기 x가 0.4 미만인 물질.
4. 제1항에 있어서, 화학식이 Pr_(1-x-y)Ln_yCe_xX₃인 화합물로 이루어진 물질.
5. 제1항에 있어서, 상기 y가 0인 물질.
6. 제1항에 있어서, 상기 X가 Br인 물질.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 X가 I (요오드) 또는 50 몰% 이상의 할라이드 I를 함유하는 할라이드의 혼합물이고, Ln은 La, Nd, 또는 양자의 혼합물의 군으로부터 선택된 것인 물질.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 X가 50 몰% 미만의 I (요오드)를 함유하는 물질.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단결정 형태인 물질.
10. 제9항에 있어서, 상기 단결정의 체적이 10 mm³ 이상인 물질.
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 분말형태인 물질.
12. 제11항에 있어서, 결합재와 혼합되거나 소결되거나 충전된 물질.
13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 물질을 함유하는 섬광검출기.
14. 제13항의 섬광검출기를 포함하는 PET 스캐너.
15. 제14항에 있어서, 비행 시간(Time of Flight) 능력을 가지는 PET 스캐너.
16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 감마선, X-선 및 우주선(cosmic ray) 검출 중 하나 이상에 사용되는 물질.
17. 제16항에 있어서, 100 kcps 초과의 계수율로 검출에 사용되는 물질.
18. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 물질을 감마선, X-선 및 우주선 검출 중 하나 이상에 사용하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 물질을 100 kcps 초과의 계수율로 검출에 사용하는 방법.
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