KR20070018764A - 신틸레이터 및 방사선 검출기 그리고 방사선 검사장치 - Google Patents

Abstract

발광 강도나 감쇠 속도에 대하여 성능이 높고, 게다가 결정 육성이 비교적 용이한 신틸레이터 재료를 제공하는 것. Pr_{1 - x}Ce_xF₃ (0＜x＜0.5) 로 이루어지는 결정으로서, 광이나 방사선에 의해 자외 및 가시역에서 발광하는 신틸레이터.

Description

신틸레이터 및 방사선 검출기 그리고 방사선 검사장치{SCINTILLATOR AND RADIATION DETECTOR, AND RADIATION INSPECTING DEVICE}

본 발명은 각종 방사선 검출기의 신틸레이터 및 방사선 검출기 그리고 방사선 검사장치에 관한 것이다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 평5-87934호 공보

신틸레이터 결정은 X선이나 γ선 등의 여러 가지 방사선 검출기로서 다방면에 사용되고 있다. 신틸레이터 결정에 요구되는 특성은 용도에 따라 다소 상이하지만, 일반적으로 다음과 같은 것을 들 수 있다.

밀도가 무거울 것.

방사선에 의한 형광 출력이 클 것.

형광의 감쇠 속도가 빠를 것.

방사선 내성이 양호할 것.

결정에 조해성(潮解性)이나 벽개성(劈開性)이 없어 가공하기 쉬울 것.

최근에는 이들을 고려한 것으로서, 감쇠 속도가 빠른 (20~60㎱) Ce 활성체를 사용한 것이 많이 사용되고 있다. 예를 들어, PET (양전자 방출핵 종단층 촬영 장치) 등의 의료진단장치로서 Gd₂SiO₅:Ce(GSO) 나 Lu₂SiO₅:Ce(LSO) 등이 사용되고 있으나, 상기의 요구하는 특성을 만족시킨다고는 단정할 수 없으며, GSO 에서는 결정이방성이 강하기 때문에 결정 육성에 기술을 요하여 비용 저감에 저해가 되거나, LSO 에서는 시료에 의한 형광 출력에 편차가 있는 등 문제를 안고 있다.

또, Pr, Ce, F 를 사용한 것으로는, 특허문헌 1 에 Gd₂O₂:Pr, Ce, F 로 이루어지는 신틸레이터가 알려져 있다.

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 신틸레이터에서도 안정된 특성 (특히, 형광 출력) 을 갖는 신틸레이터는 얻어지지 않고 있다.

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 형광 출력이 높고 또한 안정되어 있으며, 또 결정 육성이 비교적 용이한 신틸레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 검출 감도가 높고 또한 안정되어 있는 방사선 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 고해상도의 촬영 화상을 얻을 수 있는 방사선 진단장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은 고밀도인 희토류 플루오르화물에 착안하여, 그 중에서도 짧은 감쇠 속도 (50㎱ 이하) 의 발광이 기대되는 Ce^{3 +} 를 함유하는 CeF₃ 와 그보다 고밀도이면서 또한 CeF₃ 와, 동일한 결정 구조 (tysonite 형) 이기 때문에 용이하게 고용하고 결정 육성도 용이한 PrF₃ 을 조합함으로써, CeF₃ 보다 형광 출력이 높고 또한 고밀도 (~6.28g/㎤) 이며, GSO (56㎱) 나 LSO (47㎱) 보다 감쇠 속도가 짧고, 결정 구조가 동일한데다가 고용함으로써 균일한 Ce 농도가 달성되어 형광 출력에 편차가 없는 안정된 신틸레이터를 발견하기에 이르렀다. 또한, 발명자에 의해 예의 연구한 결과, 모결정인 PrF₃ 에서 Ce^{3 +} 로의 에너지 천이에 의한 상기 발광 출력의 증대가 야기된다는 것을 발견했다.

구체적으로 말하면, 본 발명의 신틸레이터는 Pr_{1 - x}Ce_xF₃ (0＜x＜0.5) 의 결정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

특히, 0.03＜x＜0.2 가 바람직하다.

본 발명의 방사선 검출기는 상기 신틸레이터와 광응답 수단을 조합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방사선 검사장치는 상기 방사선 검출기를 방사선 검출기로서 구비한 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

본 발명에 의해, 발광 강도나 감쇠 속도에 대하여 성능이 높고, 구체적으로 말하면, CeF₃ 보다 발광 강도가 강하고 고밀도이며, GSO 나 LSO 보다도 감쇠 속도가 짧고, 게다가 결정 육성이 비교적 용이한 신틸레이터를 제공하는 것이 가능해졌다다.

검출 감도가 높고, 또한 형광 출력이 안정되어 있는 방사선 검출기를 제공하는 것이 가능해졌다.

고해상도의 촬영 화상을 얻을 수 있는 방사선 검사장치를 제공하는 것이 가능해졌다. 방사선 검사장치로는 예를 들어, PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 가 적합하다. 또, PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 는 2 차원형 PET, 3 차원형 PET, 타임·오프·플라이트 (TOF) 형 PET, 깊이 검출 (DOI) 형 PET, 또는 이들의 조합이라면 보다 바람직하다. 또한, PET 장치는 단체(單體) 또는 MRI, CT, SPECT 중 어느 하나, 또는 쌍방의 조합인 것이 바람직하다.

도 1 은 분위기 제어 고주파 가열형 마이크로 인하장치의 모식도이다.

* 부호의 설명 *

1 : SUS 챔버 2 : 종 결정

3 : 스테이지 4 : 육성 결정

5 : 애프터 히터 6 : 워크코일

7 : 도가니 8 : 단열재

9 : 배기장치 10 : 융액

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

(신틸레이터 조성 : Pr_{1 - x}Ce_xF₃)

신틸레이터는 광이나 방사선에 대해 자외, 가시역에서 발광한다.

본 발명의 신틸레이터는 Pr_{1 - x}Ce_xF₃ 인 조성을 갖는 결정으로 이루어진다. 단, 0＜X＜0.5이다.

플루오르화프라세오디뮴에 세륨을 첨가하지 않는 경우 (x=0 인 경우), 여기에 X선을 조사하면, Pr^{3 +} 에 기인하는 발광이 400㎚ 로 관찰되지만, 이 감쇠 속도는 약 600㎱ 로 매우 느리다. 그런데, 세륨을 도핑하면, Pr^{3 +} 에 기인하는 400㎚ 의 발광은 감소하고, 그 대신 Ce^{3 +} 에 기인하는 발광이 290 ㎚ 부근에 나타난다. 이 감쇠 속도는 17~17.5㎱ 에서 고에너지 감마선의 에너지 측정 등에 사용되는 CeF₃ 의 27㎱ 보다 빠르다. 또, 세륨의 첨가 농도를 증가해 가면 290㎚ 의 발광 강도는 더욱 증대되고, 400㎚ 의 발광은 강도가 소멸해 간다.

특히, 0.03＜x＜0.2 의 경우, 290㎚ 에서의 발광 강도가 커지고, 플루오르화물 중에서는 발광 강도가 비교적 강한 CeF₃ 과 비교하여 동등 또는 그 이상의 발광강도가 얻어진다.

단, x 가 0.5 이상인 경우에는, 290㎚ 에서의 발광 강도가 감소한다.

(신틸레이터의 제조 방법)

상기 조성의 신틸레이터 결정의 육성법은, 마이크로 인하법이나 일반적인 결정 육성법인 쵸크랄스키법이나 브릿지만법 또는 플로팅존법으로 육성하는 것이 바람직하지만, 특별히 한정되지 않는다.

그 중에서도 마이크로 인하법은, 통상의 융액 성장법과 비교하여 1 자리 내지 2 자리 높은 속도로 결정 성장이 가능하다. 따라서, 육성에 요하는 시간이 짧아, 소량의 원료로 유의한 크기·품질의 단결정을 얻을 수 있다.

예를 들어, x 의 제어는 원재료에 의해 실시할 수 있다. 원재료인 PrF₃ 와 CeF₃ 을 소정의 x 가 얻어지도록 계산에 의해 구하면 된다. 소정 비율의 PrF₃ 와 CeF₃ 를 혼합하고, 도가니 내에서 용융하면 된다.

종래의 신틸레이터는 주로 소결에 의해 제조되어 있기 때문에 조성 제어가 곤란했지만, 상기 결정 육성법에 의해 신틸레이터를 제조함으로써 조성이 충분히 제어된 결정을 제조할 수 있게 된다.

(방사선 검출기)

본 발명의 방사선 검출기는 신틸레이터와 광응답 수단을 조합하여 이루어진다.

광응답 수단은 신틸레이터에서의 발광을 전기 신호로 변환한다. 예를 들어, 포토다이오드 등의 광전변환소자를 사용하면 된다. 또, 광전자 증배 소자를 형성해 두어도 된다.

(방사선 검사장치)

방사선 검출기를 방사선 검출기로서 구비함으로써 각종 분야에 있어서의 방사선 검출에 유효한 장치가 된다.

X선, 중성자선, 감마선 등의 각종 방사선을 피검체에 조사하고, 피검체를 투과한 방사선의 강도 분포를 방사선 검출기에 의해 측정하여 피검체의 구조적 또는 조성적 정보를 이차원 화상으로 얻는 방법 (라디오그래피) 이 의료용의 X선 진단장치나 수하물의 위험물 검출장치, 각종 구조물의 비파괴 검사장치로서 널리 이용할 수 있다.

예를 들어, PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 는 핵의학 진단에서 사용되고 있는 단층 촬영법의 하나로서, 양전자 방출핵종으로 표식한 방사성 약제를 피검자에게 투여하고, 체내로부터 방출되는 소멸 방사선을 체외 검출하여 약제의 농도 분포를 단층상으로서 얻는 것이다. 혈류량이나 포도당의 대사 활동 등의 생체 기능을 실시간으로 조사하는 것이 가능하기 때문에, 뇌의 복잡한 기능 연구나 암이나 치매증 등의 조기 발견에 유효하다.

또, 중성자 라디오그래피는 피검체를 투과하여 감쇠한 열중성자선의 강도 분포를 검출함으로써, 피검체의 구조적 또는 조성적 정보를 이차원 화상으로서 얻는 방법으로, X선이나 γ선에서의 검사가 곤란한 수소 함유 화합물이나 금속과 경(輕)원소 물질로 이루어지는 복합 재료의 검사에 유효하고, 플랜트 기기, 항공기나 자동차 부품 등의 넓은 분야에서 유효한 검사법으로 이용되고 있다.

또, X선 진단 장치 (CT 스캐너) 는 피검체로서의 환자의 주위에 다수의 X선 검출기를 배치하고, 이들 검출기로 수신한 투과 X선의 신호를 계산기로 연산 처리 하여 단층상으로서 재구성하여 CRT 등의 표시 장치에 표시하거나 사진으로 얻는 것이다. 이 X선 진단 장치에 의한 단층상은 통상의 뢴트겐 사진 등과 달리 인체를 단면상으로 얻을 수 있기 때문에, 내장 등 인체 심부(深部)의 질환을 보다 고정밀도로 진단하는 것이 가능해진다.

또, 이 방사선 검출을 실시하는 환경 측정 장치나 각종 계산기 처리 라디오그래피 분야에서도 본 발명의 방사선 검출기를 적용할 수 있다.

비교예 1

본 발명의 결정체 Pr_{1 - x}Ce_xF₃ 에서 x=0.01 인 것을 플루오르화물 마이크로 PD법으로 육성하였다. 원료는 고순도의 PrF₃ 및 CeF₃ 를 칭량 혼합하여, 도가니 바닥부에 세공을 형성한 고순도의 백금 도가니에 충전하였다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 종(種), 스테이지, 애프터 히터, 단열재 및 원료 충전이 완료된 도가니를 세팅하고 유(油) 회전 펌프 및 유(油) 확산 펌프로 1×10^-3Pa 정도까지 진공 배기하면서 700℃ 까지 가열한다. 그 후, 챔버 안을 Ar 가스에 의해 치환한다. 다시 고주파 코일로 1450℃ 정도로 가열하여 시료를 용융시킨다. 도가니 바닥부를 CCD 카메라로 모니터하여, 도가니 바닥부 세공에 나타난 융액에 대해 종 결정을 부착하고, 0.05-0.5mm/min 로 인하하면서 고화시켰다. 그 결과, 직경 3mm, 길이 50mm 의 녹색 투명한 결정이 얻어졌다. 얻어진 결정에 실온에서 X선을 조사한 결과, 290㎚ 에 강한 발광이 관찰되고, 400㎚ 에서도 관찰되었다.

실시예 1

본 발명의 결정체 Pr_{1 - x}Ce_xF₃ 에서 x=0.03 인 것을 플루오르화물 마이크로 PD 법으로 육성하였다. 비교예 1 과 동일하게 결정을 육성 하여, 길이 50mm 의 녹색 투명한 결정을 얻었다. 얻어진 결정을 실온에서 X선을 조사한 결과, 290㎚ 강한 발광이 관찰되고, 이것은 실시예 1 의 경우보다도 강했다. 또, 400㎚ 에서도 관찰되었으나 실시예 1 보다도 작았다. 이로부터, 세륨의 첨가 농도를 상승시켰을 때의 영향이 관찰되었다. 또, 290mn 에서의 발광에 대하여, 자외선 여기에 의한 감쇠 시간을 측정한 결과 17~17.5㎱ 이었다. 또, X선 여기에 의한 감쇠 시간을 측정한 결과 20.5㎱ 이었다.

실시예 2

본 예에서는 x 를 추가로 0, 0.001, 0.01, 0.03, 0.06, 0.1, 0.2 의 범위에서 변화시켰다. 비교예 1 과 동일하게 결정을 육성 하여, 길이 20-50mm 의 녹색 투명한 결정을 얻었다.

이상의 발광 데이터를 표 1 에 나타냈다.

X(Pr1 - xCexF3 에 있어서)	290㎚ (Ce3 + 에 기인) 의 발광 강도※1	400㎚(Pr3 +에 기인) 의 발광 강도※2
0	0	100
0.001	10	90
0.01	50	30
0.03	70	15
0.06	100	0
0.1	120	0
0.2	100	0
0.5	20	0
0.6	5	0

※1 : CeF₃ 을 100 으로 하여

※2 : PrF₃ 을 100 으로 하여

실시예 3

본 예에서는, Pr_{1 - x}Ce_xF₃ 에서 x=0.1 인 것을 쵸크랄스키법으로 육성하였다. 원료는 고순도 PrF₃ 및 CeF₃ 를 칭량 혼합하여, 카본 도가니에 충전하였다. 이것을 육성로 내에 설치하고, 유 회전 펌프 및 유 확산 펌프에서 1×10^-3 Pa 정도까지 진공 배기하면서 700℃ 까지 가열한다. 그 후, 챔버 안을 Ar 가스에 의해 치환한다. 다시 고주파 코일로 1450℃ 정도로 가열하여 시료를 용융시킨다. 온도가 안정되었을 때 종 결정을 접촉시켜 인상 속도 1mm/h 에서 회전수 10-20rpm 으로 결정을 육성시켜, 직경 50mm, 길이 150mm 정도의 크랙이 없는 녹색 투명한 결정을 얻었다. 얻어진 결정을 실온에서 X선을 조사한 결과, 290㎚ 에 강한 발광이 관찰되어, 실시예 2 와 동일한 결과를 얻었다.

이로부터, 본 발명의 Pr_{1 - x}Ce_xF₃ (0＜x＜0.5) 는 CeF₃ (6.16g/㎤) 보다 고밀도이고, 발광 강도도 동일한 정도 이상을 나타내며 형광 수명도 Ce 를 사용한 GSO (56㎱), LSO(47㎱) 보다도 빨리, 우수한 신틸레이터 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의해, 발광 강도나 감쇠 속도에 대하여 성능이 높고, 구체적으로 말하면, CeF₃ 보다 발광 강도가 강하고, 고밀도이며, GSO 나 LSO 보다도 감쇠 속도 가 짧은 데다가, 결정 육성이 비교적 용이한 신틸레이터를 제공하는 것이 가능해졌다.

검출 감도가 높고, 또한 형광 출력이 안정되어 있는 방사선 검출기를 제공하는 것이 가능해졌다.

고해상도의 촬영 화상을 얻을 수 있는 방사선 검사장치를 제공하는 것이 가능해졌다. 방사선 검사장치로는 예를 들어, PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 가 적합하다. 또, PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 는 2 차원형 PET, 3 차원형 PET, 타임·오프·플라이트 (TOF) 형 PET, 깊이 검출 (DOI) 형 PET, 또는 이들의 조합이라면 보다 바람직하다. 또한, PET 장치는 단체, 또는 MRI, CT, SPECT 중 어느 하나, 또는 쌍방의 조합인 것이 바람직하다.

Claims (9)

1. Pr_{1 - x}Ce_xF₃ (0＜x＜0.5) 의 결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
2. 제 1 항에 있어서, 0.03＜x＜0.2 인 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 결정은 마이크로 인하법, 쵸크랄스키법, 플로팅존법 또는 브릿지만법에 의해 육성된 것인 것을 특징으로 하는 신틸레이터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 신틸레이터와 광응답 수단을 조합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
5. 제 4 항에 기재된 방사선 검출기를 방사선 검출기로서 구비한 것을 특징으로 하는 방사선 검사장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 방사선 검사장치는 X선 CT 스캔인 것을 특징으로 하는 방사선 검사장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 방사선 검사장치는 PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 인 것을 특징으로 하는 방사선 검사장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 PET (양전자 방출핵 종단층 촬영장치) 는 2 차원형 PET, 3 차원형 PET, 타임·오프·플라이트 (TOF) 형 PET, 깊이 검출 (DOI) 형 PET, 또는 이들의 조합형인 것을 특징으로 하는 방사선 검사장치.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 방사선 검사장치는 단체(單體), 또는 MRI, CT, SPECT 중 어느 하나, 또는 쌍방의 조합형인 것을 특징으로 하는 방사선 검사장치.

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