KR20200024205A - 신틸레이션 계수기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정 및 그 제조 방법 - Google Patents

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올레그 알렉세예비치 부자노프
알렉세이 에피모비치 도소비츠키
게오르기 알렉세예비치 도소비츠키
미하일 바실예비치 코르지크
안드레이 아나톨리예비치 페도로프
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Abstract

본 발명은 가넷 구조를 갖는 신틸레이션 무기 산화물 단결정에 관한 것이며, 이는 세륨을 포함하고, 티탄늄 및 2족 원소와 공합금화(co-alloyed)된다. 본 발명은 감마선 양자 등록 시에 신틸레이션 출력을 증가시키고, 신틸레이션 검출기의 에너지 분해능을 향상시킬 수 있다. 기술적인 결과는 세륨, 티타늄 및 2족 원소와 공합금화되는 가넷 구조를 갖는 단결정에 의해 달성된다. 이 단결정은 초크랄스키법에 의해 제조된다.

Description

신틸레이션 계수기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정 및 그 제조 방법
본 발명은 가넷(garnet) 구조를 갖는 신틸레이션 단결정, 즉 희토류 원소 세륨 Ce의 이온으로 도핑된 무기 단결정에 관한 것으로, 이는 이온화된 방사선의 영향으로 신틸레이션의 섬광이 발생하며, 의료 진단, 생태 모니터링, 비파괴 시험 및 광물 탐사, 실험 물리학, 우주 공간 측정 장치의 업무에서의 이온화 방사선 검출기를 위해 의도된 것이다. 본 발명은 또한 단결정의 신틸레이션 특성의 변형을 위해 2족 원소 Mg, Ca, Sr, Ba의 이온 및 티타늄 Ti의 이온과 공합금화(co-alloyed)된 가넷 구조를 갖는 신틸레이션 단결정을 제조하는 기술에 관한 것이다.
발광단은 각종 에너지를 광 에너지로 전환하기 위해 사용된다. 신틸레이터는 방사선을 이온화하는 작용 하에서 단기 섬광, 신틸레이션(발광의 섬광)이 발생하는 발광단이다. 신틸레이터의 원자 또는 분자는 하전 입자의 에너지로 인해 여기 상태에 들어가고, 여기 상태에서 정상 상태로의 후속 전이에는 광의 방출, 신틸레이션이 수반된다. 신틸레이션의 메커니즘, 그 방사선 스펙트럼 및 발광 지속 시간은 물질의 특성에 따라 다르다.
방출된 광자의 수는 흡수된 에너지에 비례하며, 이는 방사선의 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있게 한다. 신틸레이션 검출기에서, 신틸레이션 시에 방출된 광은 광 검출기에서 수집되어 전기 신호로 전환되며, 이는 특정 기록 시스템에 의해 증폭 및 기록된다. 신틸레이션 물질의 발광 스펙트럼은 사용되는 광 검출기의 스펙트럼 감도와 최적으로 일치해야 한다. 검출기의 스펙트럼 감도와 일치하지 않으면, 신틸레이션 물질의 발광 스펙트럼은 신틸레이션 검출기의 에너지 분해능을 저하시킨다.
신틸레이터의 발광은 기재(base material)의 특성과 혼화제, 도펀트의 존재로 인한 것일 수 있다. 도핑 없이 빛나는 신틸레이터는 자체 활성화된 것으로 언급된다. 광 출력, 즉 특정한 양의 에너지를 흡수할 때에 신틸레이터에 의해 방출되는 광자의 수를 증가시키기 위해, 소위 도펀트가 결정으로 도입된다. 도펀트는 기재(베이스)에서 발광의 중심을 형성한다.
결정 신틸레이터는 하기의 특성에 의해 특징지어진다: 발광 스펙트럼의 최대값에 상응하는 파장(λmax); 파장역(λmax)에서의 신틸레이터 투명도 범위; 발광 시간 상수(τ); 밀도; 유효 원자 번호(Zeff); 작동 온도; 굴절률; 광 출력.
신틸레이션 검출기는 이온화 방사선 및 기본 입자(양성자, 중성자, 전자, γ선 양자 등)를 기록하기 위한 장치이며, 그 주요 요소는 하전 입자(신틸레이터) 및 광 검출기의 작용 하에서 발광하는 물질이다. 중성 입자(중성자, γ 양자)의 검출은 중성자 및 γ선 양자와 신틸레이터 원자와의 상호 작용에 의해 형성되는 2차 하전 입자에 의해 발생한다.
γ선 양자 및 고에너지 전자의 분광 분석에는 고밀도 및 높은 유효 원자 번호를 가진 물질이 사용된다. 감마선 양자 등록의 효율성은 물질의 밀도 및 화합물의 유효 전하 Zeff(LECOQ P. 외, 검출기 시스템용 무기 신틸레이터, 2017, 40쪽 참조)에 의해 결정되고, 중성자의 등록 효율성은 흡수 단면에 의해 결정된다. 신틸레이션 출력은 감마선 양자 및 중성자의 등록 시에 에너지 분해능을 결정한다. 등록 효율과 에너지 분해능은 함께 이온화 방사선의 등록을 위한 신틸레이션 물질의 응용 가능성 및 범위를 결정한다.
이온화 방사선 등록의 효율이 높은, Bi4Ge3O12, CdWO4, PbWO4의 자체 활성화 신틸레이션 단결정이 알려져 있지만, Bi4Ge3O12, CdWO4의 결정은 신틸레이션이 서서히 쇠퇴하는 반면, PbWO4의 결정은 신틸레이션 출력이 낮다(US 7279120 B2, 09.10.2007, RU 2031987 C1, 27.03.1995, 또한 RU 2132417 C1, 27.06.1999). 광 출력을 증가시키기 위해, 자체 활성화 신틸레이션 결정은 냉각되고, 이는 이러한 유형의 결정에서 잘 작동하며, 구조 단위(옥시-음이온 착물)가 현저하게 온도 냉각된 발광을 갖는다. PbWO4 결정에서, -25℃의 온도로 냉각하면, 짧은 발광 시간을 유지하면서 광 출력이 3배가 되지만, 1MeV 미만의 에너지 범위에서의 감마선 양자의 등록 시에 허용 가능한 에너지 분해능을 제공하지 않으며, 이는 의료 진단 장치에 사용하기에 부적합하다.
베이스의 도펀트 및 조성을 변화시킴으로써, 결정 형광체로부터 가장 다양한 파라미터를 얻을 수 있다(WO 2001060945 A2, 23.08.2001). 세륨 Ce 이온으로 도핑된 신틸레이션 단결정(결정 매트릭스 중의 도펀트 함량은 10분의 1% 레벨)이 알려져 있으며, 이는 가장 큰 신틸레이션 출력 중 하나를 갖는다(예를 들어, US 7250609 B2, 31.07.2017 참조). 세륨 이온으로 도핑된 신틸레이션 물질은 높은 신틸레이션 출력에 더하여, 짧은 발광 시간을 갖는다. 세륨 이온으로 도핑된 신틸레이션 결정 중에서, 입방체 공간 대칭군을 갖는 가넷 구조를 갖는 물질이 있다. 이들 결정은 기술적으로 가장 진보되어, 신틸레이션 검출기에 사용하기 위한 광범위의 조성물을 얻을 수 있게 한다.
자체 활성화된 신틸레이션 결정과 달리, 세륨 이온으로 도핑된 신틸레이션 단결정의 발광은 양자 출력이 높고 실온 근처에서 무시할 수 있는 담금질 효과를 갖는 상호 구성(inter-configuration) d-f 발광에 기인한다. 세륨으로 도핑된 결정에서는, 결정의 온도가 감소함에 따라 광 출력이 증가하지 않는다. 또한, 일부 세륨 도핑된 산화물 신틸레이터, 특히 YAlO3, LuAlO3와 같은 페로브스카이트 및 그 고용체는, 온도가 실온에서 -20℃로 떨어질 때에 광 출력이 10~20% 감소한다.
자체 활성화된 신틸레이터와 달리, 세륨 도핑된 결정에 기반한 신틸레이터에서는, 온도가 +/-50℃의 범위의 실온에서 벗어날 때에 신틸레이션의 동력학(kinetics)이 온도에 약하게 의존한다. 그러나, 온도가 감소하면, 점결함에 기초하여 결정 내에 형성된 작은 전자 트랩은 신틸레이션에서 추가의 느린 성분뿐만 아니라, 인광을 제공하며, 이는 결정에서의 잔광 레벨의 증가를 야기한다.
루테튬 및 가돌리늄과 같은 신틸레이션 물질의 결정 매트릭스를 형성하기 위해 희토류 이온을 사용하면, 고밀도 물질, 예를 들어 Gd2SiO5, Lu2SiO5, Lu3Al5O12를 생성할 수 있으며, 세륨 Ce 이온으로 도핑된 경우, 1MeV당 10,000광자를 초과하여, 높은 물질 밀도와 높은 신틸레이션 출력을 결합할 수 있다. 그러나, 루테튬계 물질은 자연 방사능을 가지며, 어떤 경우에는 그 사용이 제한된다. Gd2SiO5의 결정은 상기 물질 중에서 가장 낮은 신틸레이션 출력을 갖는다.
화합물이 세륨 이온으로 도핑되면 혼합 가넷(가돌리늄 이온, 알루미늄 이온 및 갈륨을 기초로 함)에서 무기 가돌리늄계 물질의 신틸레이션 출력의 증가가 달성된다(WO 2012105202 A1, 09.08.2012). US 20150353822 A1, 10.12.2015에는 방사선 검출기용 Gd3Ga3Al2O12의 신틸레이션 단결정 및 혼합물과의 공합금화에 의해 이를 얻는 방법이 개시되어 있다. 공지된 물질은 높은 신틸레이션 출력을 가지며, γ선 양자 및 중성자의 등록에 사용할 수 있다.
천연 가돌리늄은 6개의 안정적인 동위 원소, 154Gd(2.18%), 155Gd(14.8%), 156Gd(20.5%), 157Gd(15.7%), 158Gd(24.8%) 및 160Gd(21.9%)의 혼합물이며, 이들 중 155Gd 및 157Gd 2개는 각각 61,000반(barn) 및 254,000반으로, 모든 공지된 안정적인 동위 원소 중에서 가장 큰 열 중성자 포획 단면을 갖는다. 중성자 포획은 약 8MeV의 총 에너지를 갖는 γ선 양자의 방출을 수반한다:
n+155Gd→156Gd+γ(8.5MeV)
n+157Gd→158Gd+γ(7.9MeV).
상호 작용으로 인해 방출된 γ선 양자 중에서 가장 높은 출력은 76keV 및 179keV의 에너지를 갖는 양자에 의해 나타내어진다. 이러한 에너지 방출뿐만 아니라, 개별적인 γ선 양자는 상호 작용이 발생하는 동일한 결정에 의해 등록될 수 있다. 따라서, 공지된 물질은 중성자의 넓은 에너지 범위에서 중성자 등록을 위한 가능성을 확장시킬 수 있다.
그러나, 가돌리늄, 갈륨 및 알루미늄 이온을 포함하는 공지된 신틸레이션 결정, 예를 들어 Gd3Ga3Al2O12의 복합 조성 및 구조뿐만 아니라, 주성분 중 하나-갈륨-가 용융물로부터 증발하는 경향은, 증가된 결함의 농도, 특히 산소 결핍을 미리 결정한다(Lamoreaux R H., 외. "산화물의 고온 증발 거동 II. Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Zn, Cd, 및 Hg의 산화물" J. Phys. Chem. Ref, 1987, 데이터 16 419-43 참조). 산소 결핍은 전자 포획 중심이며, 이는 발광 중심, 3가의 세륨 이온 Ce3+을 향한 전자의 터널링에 의해 신틸레이션 물질에서 인광을 야기한다. 산소 결핍의 부정적인 영향을 제거하기 위해, 2족의 이온, 비등가적으로(non-isovalently) 치환하는 가돌리늄 Gd 이온이 추가적으로 결정에 도입된다. 이 비공유 치환에 의해, 가넷 결정 매트릭스에 깊은 전자 포획 중심이 형성되며, 이는 보다 작은 레벨에서 포획된 캐리어의 신속한 재포획을 보장함으로써, 작은 트랩으로부터 세륨 Ce3+ 및 가돌리늄 Gd3+의 이온으로의 터널링 캐리어에 의한 상호 작용을 방지한다. 깊은 레벨에 의해 포획된 전자는 비방사성 채널을 따라 재결합한다.
특허문헌 JP 2013043960 A, 04.03.2013에는 감마선 양자의 등록을 위한 알루미늄-루테튬 가넷 Lu3Al5O12의 신틸레이션 결정이 개시되어 있다. 단결정 형태에서, 결정은 6.7g/cm3의 최대 밀도 및 유효 전하 Zeff=63을 가지며, 이는 광범위한 에너지에서 감마선 양자의 효과적인 등록을 제공한다. 그러나, 이러한 물질의 신틸레이션 출력은 15,000포트(phot)/MeV를 초과하지 않으며, 이는 광범위한 에너지에서의 감마선 양자의 분광 측정에 적합하지 않게 한다.
화합물이 세륨 이온으로 도핑되면, 이트륨 또는 루테튬 이온을 가돌리늄 이온으로 대체하고(예를 들어, US 9193903 B2, 24.11.2015 및 JP 2014094996 A, 22.05.2014 참조), 알루미늄 이온을 한쌍의 이온: 알루미늄과 갈륨으로 대체함으로써 가넷 구조를 갖는 무기 물질에서의 신틸레이션 출력의 증가가 달성된다. 세륨 이온으로 도핑된 구조식 Gd3Al2Ga3O12를 갖는 가돌리늄-알루미늄-갈륨 가넷의 단결정은 높은 신틸레이션 출력, 밀도 6.67g/cm3, 유효 전하 Zeff=51을 가지며, 높은 에너지 분해능을 제공한다(예를 들어, US 8969812 A1, 21.11.2013 및 US 2016017223 A1, 21.01.2016 참조). 공지된 신틸레이션 결정의 단점은 신틸레이션 및 인광에서 느린 성분이 있다는 것이다. 신틸레이션 물질의 인광은 광 검출기의 추가적인 부하를 제공하며, 이는 신틸레이션 검출기 등록의 데드 타임을 증가시키고, 신호 대 잡음비 및 에너지 분해능을 저하시킬 수있다.
신틸레이션의 동력학에서의 느린 성분과 세륨 이온으로 도핑된 신틸레이션 물질의 인광의 비율은 Mg, Ca, Sr, Ba의 2가의 이온과의 신틸레이션 물질의 공활성화(co-activation)에 의해 현저히 감소된다. Gd3Al2Ga3O12의 공지된 신틸레이션 물질은 세륨 이온으로 도핑되어 마그네슘 Mg 또는 칼슘 Ca 이온과 공활성화된다(예를 들어, US 20150353822 A1, 10.12.2015 참조). 그러나, Mg 또는 Ca 이온과의 추가적인 공활성화는 신틸레이션 출력의 감소를 야기한다. 신틸레이션 출력의 감소는 Ce3+의 3가 상태에서 세륨 이온의 함량이 감소하기 때문이다. 예를 들어, 마그네슘 이온의 함량이 0.4%로 증가하면, Gd3Al2Ga3O12의 단결정에서의 신틸레이션 출력이 절반으로 감소한다. 따라서, 세륨의 이온 Ce3+로 도핑되고 Mg 또는 Ca와 공활성화된 Gd3Al2Ga3O12의 공지된 신틸레이션 물질의 단점은 세륨 이온으로 도핑된 Gd3Al2Ga3O12의 신틸레이션 물질에 비해 신틸레이션 출력이 감소된다는 것이다.
감마선 양자의 등록을 위해 세륨의 이온 Ce3+가 도핑된 Y3Al5O12의 알루미늄-이트륨 가넷 형태의 신틸레이션 물질이 알려져 있다(WO 2006068130 A1, 29.06.2006). 단결정 형태에서, 물질은 4.55g/cm3의 최대 밀도 및 유효 전하 Zeff=32를 가지며, 이는 저에너지 감마선 양자 및 전자의 효과적인 등록을 제공하지만, 이 물질은 여전히, 예를 들어 양전자 방출 단층 촬영기에서 사용되는 500keV 초과의 에너지로 감마선을 등록하는데 사용하기에 비효율적이다. 이러한 물질의 신틸레이션 출력은 20,000포트/MeV를 초과하지 않으며, 이는 낮은 Zeff와 결합하여, 광범위한 에너지에서 감마선 양자의 분광 측정에 적합하지 않게 한다.
특허 및 과학 및 공학 문헌의 분석은, 현재 상기 문제를 해결하기 위한 최적의 파라미터 세트를 갖는 신틸레이션 물질이 없음을 나타낸다. 종래 기술에서는, -50℃ 내지 +20℃의 넓은 온도 범위에서의 높은 신틸레이션 출력, 높은 이온화 방사선 등록 효율 및 물질의 잔광의 최소 레벨을 갖는 짧은 신틸레이션 발광 시간을 결합하는 신틸레이션 물질이 요구되고 있다.
물질의 신틸레이션 특성은 주로 그 제조 방법에 달려 있다. 상이한 방법으로 얻어진 물질의 발광 및 신틸레이션 특성은 동일하지 않다. 결정의 광학적 특성에서 관찰되는 차이는 주로 가넷 구조에서 주요 유형의 결함의 농도 차이와 관련이 있으며, 이는 가넷의 단결정에 대해서, 포화 증기압의 값이 높은 휘발성 성분, 예를 들어 갈륨 Ga3+ 또는 알루미늄 Al3+의 각종 아산화물의 해리 증발로 인한 가넷 구조 중의 산소 결핍을 포함한 상이한 유형의 결핍뿐만이 아닌, 주성분의 재분배이다. 이러한 결함의 발생은 용융물로부터 벌크 가넷 결정의 성장 온도가 높을 때(~2000℃) 불가피한 결과이다. 희토류 이온으로 도핑된 가넷 결정에서 이러한 결함의 농도는 도펀트 이온의 농도와 비슷하다. 결정 성장을 위해 산소 분압이 상이한 기체 매체를 사용할 때, 이들은 또한 결핍 결함, 주로 산소 결핍의 농도에서 상당한 차이를 나타낸다.
본 출원의 체계 내에서, 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정을 얻는 복잡한 문제가 해결되며, 이는 신틸레이션 동력학의 주성분의 지속 시간과 최소 잔광 레벨을 유지하면서, -50℃에서 +20℃까지 확장된 온도 범위에서 가장 높은 신틸레이션 출력을 얻을 수 있게 한다. 감마선 양자의 등록에 있어서 에너지 분해능을 증가시키는 문제 또한 해결된다.
또한, 티타늄 및 2족 원소와의 공합금화에 의한 신틸레이션 및 광학적 특성의 변형을 위해 가넷 구조를 갖는 이러한 산화물 단결정을 얻는 방법을 개발하는 문제가 해결된다.
신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정이 식 ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyTiq)5+zO12로 기재되는 화합물이라는 사실에 기초하여 문제가 해결되며, 여기서 q는 0.00003 내지 0.02의 범위에 있고; r은 0 내지 1의 범위에 있으며; x는 0.001 내지 0.01의 범위에 있고; y는 0.2 내지 0.6의 범위에 있으며; z는 -0.1 내지 0.1의 범위에 있고; s는 0.0001 내지 0.1의 범위에 있으며, Me는 Mg, Ca, Sr, Ba를 포함하는 계열로부터의 하나 이상의 원소를 나타낸다.
또한, 가넷 구조를 갖는 단결정의 형광 성분은, 감마선 양자로 조사될 때, 490 내지 650nm 범위의 파장의 방사선을 발생시킨다. 20℃의 온도에서의 광 출력은 45000포트/MeV 이상이다. -50℃의 온도에서의 광 출력은 54,000포트/MeV 이상이다.
형광 성분은 신틸레이션 동력학의 주성분의 시간 상수로 특징지어지며, 이는 50나노초 이하이다.
바람직하게는, 신틸레이션 동력학의 주성분에서의 신틸레이션 광자의 비율(주성분의 비율)은 75% 이상이고; 100초 후의 인광 레벨은 0.7% 이하이다.
바람직하게는, 비율 "-50℃에서의 광 출력/20℃에서의 광 출력"은 1.2 이상이다.
신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정을 얻는 방법은, Gd, Y, Ga, Al, Ni의 산화물의 혼합물의 화학량론적 조성의 장입물(charge)의 사전 제조, 가넷의 결정질 매트릭스, 세륨 Ce, 티타늄 및 Mg, Ca, Sr, Ba를 포함하는 계열로부터 취한 하나 이상의 첨가제의 화합물을 형성하는 단계, 0.0001 내지 5체적% 범위의 농도로 산소를 첨가한, 아르곤 또는 질소 기반의 차폐 분위기에서 초크랄스키법(Czochralski process)에 의해, 제조된 단결정의 장입물의 차후 성장을 포함한다는 점에서 문제들이 해결된다.
바람직하게는, 도핑 세륨 첨가제는 하기의 계열: 산화물, 불화물, 염화물로부터 취한 화합물의 형태로 도입되고, 합금화 티타늄 첨가제는 산화물의 형태로 도입된다.
성장 후, 얻어진 단결정 조성물에는, 공기 중에서 또는 불활성 가스 분위기에서, 또는 진공에서, 500 내지 950℃ 범위의 온도에서 1분 내지 100시간 범위에서 취한 시간 간격 동안에, 등온 풀림(isothermal annealing)이 실시되는 것이 적절하다.
본 발명의 본질은 그 구현의 비제한적 실시예뿐만 아니라, 표 1 및 2에 의해 설명된다. 표 1에는 공지된 신틸레이션 물질의 주요 파라미터를 열거한다.
물질 밀도, g/cm3 Zeff/511keV에서의 광 흡착 계수, cm-1 /복사 길이 Х0, cm 신틸레이션 출력, 포트/MeV 신틸레이션 동력학의 시간 상수, 나노초 λmax, nm
Gd3Al2Ga2O12:Ce 6.67 50.6/0.12/1.61 46,000 80, 800 520
(Gd-Y)3(Al-Ga)5O12:Ce 5.8 45/0.08/1.94 60,000 100, 600 560
Y3Al5O12:Ce 4.55 32.6/0.017/3.28 11 000 70 550
Lu3Al5O12:Ce 6.7 62.9/0.205/1.41 14 000 100 520
YAlO3:Ce 5.35 32/0.019/2.2 16 200 30 347
(Y0.3-Lu0.7)AlO3:Ce 7.1 60/0.21/1.3 13 000 18/80/450 375
Gd2SiO5:Ce 6.71 59.4/0.175/1.36 12 500 60, 600 430
Lu2SiO5:Ce 7.4 66/0.28/1.1 27 000 40 420
CdWO4 7.9 64.2/06.262/1.2 19 700 2000 495
PbWO4 8.28 75.6/0.485/0.89 100 6 420
Bi3Ge4O12 7.13 75.2/0.336/1.12 8200 300 505
표 2는 본 출원에 따른 신틸레이션 결정의 실험 샘플의 조성 및 특징을 나타낸다.
신틸레이션 및 광학 특성의 변형을 위한 공합금화 혼합물군을 함유하는 청구된 식의 가넷 구조를 갖는 이들 단결정은 청구된 방법에 따른 초크랄스키법에 의해 용융물로부터 성장시킴으로써 얻어진다. 이 방법은 사전 합성된 장입물을 도가니에 올려놓는 단계를 포함하고, 장입물의 조성은 식 ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyTiq)5+zO12로 기재되는 화합물의 조성에 상응하며, 여기서 q는 0.00003 내지 0.02의 범위에 있고; r은 0 내지 1의 범위에 있으며; x는 0.001 내지 0.01의 범위에 있고; y는 0.2 내지 0.6의 범위에 있으며; z는 -0.1 내지 0.1의 범위에 있고; s는 0.0001 내지 0.1의 범위에 있으며, 여기서 Me는 Mg, Ca, Sr, Ba를 포함하는 계열 중 하나 이상의 원소를 나타내는데, 이는 차폐 분위기를 생성하며, 이어서 물질을 용융시키고, 회전하는 시드 배향된 결정을 용융물 표면과 접촉시켜 도입하며, 배향된 결정을 용융물의 바깥으로 잡아당긴다. 조성의 관점에서 성장될 결정에 가장 가까운, 가넷 결정이 시드 배향 결정으로서 사용된다.
초기 장입물의 제조를 위해, 초기 성분은 99.99% 이상의 초기 순도의 산화물 또는 탄화물의 형태로 사용된다. 이들 산화물의 불순물 함량은 최소로 유지되어야 하고, 임의의 불순물 원소에 대해 1ppm을 초과해서는 안된다. 사전 건조된 초기 산화물 또는 탄화물은 합성되는 결정의 화학식에 따라 칭량되고, 1400℃ 이상의 온도에서 8시간 이상 동안 완전히 혼합 및 합성된다. 얻어진 물질을 이리듐 도가니에 올려놓고, 단결정을 성장시키기 위해 설비의 성장 챔버에 놓는다.
성장된 단결정의 성장 및 보존을 위해 도가니의 단열 및 최적의 온도 조건을 제공하도록 단열 세라믹을 도가니 주변에 놓는다. 또한, 가돌리늄-알루미늄-갈륨 가넷으로 만들어진 사전 배향된 시드 결정을 갖는 시드 홀더는 결정 성장 설비의 상부 작동 로드에 고정된다. 이어서, 설비를 닫아 비운 후, 0.0001 내지 5체적%의 농도로 산소를 약간 첨가한, 아르곤 또는 질소 기반의 차폐 분위기를 도입했다. 그 후, 초기 장입물의 용융까지 소정 속도로 가열하고, 1분 내지 수시간의 일정 시간 동안 용융물을 노출시킴으로써 용융물을 균질화한 후, 시딩한다. 시딩은 시드 결정과 용융물의 표면을 접촉시키는 공정이다.
한편, 시드 결정은 5 내지 30분-1 범위의 주파수로 회전한다. 시딩 후, 상부 작동 로드는 0.1 내지 5mm/시간 범위에서 특정 속도로 위를 향해 이동하기 시작한다. 그 후, 특정 성장 프로그램에 따라, 특정 무게에 도달하면, 상부 작동 로드의 가속된 이동에 의해, 또는 용융물의 추가 가열에 의해 용융물로부터 분리되는 단결정이 형성된다. 성장된 단결정은 시간당 10 내지 100도 범위의 속도로 실온으로 냉각된다.
얻어진 결정은 500 내지 950℃ 범위의 온도에서 1분 내지 100시간의 시간 간격 동안에 공기 중에서, 불활성 가스 분위기에서 또는 진공에서 풀림된다.
실시예 1. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.9681Ce0.03Mg0.0019Ga2.9998Al2Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 2. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.74Ce0.03Mg0.23Ga2.903Al2Ti0.097O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 3. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.9688Ce0.03Ca0.0012Ga2.9998Al2Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2 및 탄산칼슘 CaCO3의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 4. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.74Ce0.03Ca0.23Ga2.903Al2Ti0.097O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2 및 탄산칼슘 CaCO3의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 5. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2,9695Ce0,03Sr0,0005Ga2.9998Al2Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2 및 탄산스트론튬 SrCO3의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 6. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.86Ce0.03Sr0.11Ga2.903Al2Ti0.097O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2 및 탄산스트론튬 SrCO3의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 7. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.9697Ce0.03Ba0.0003Ca2.9998Al2Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2,TiO2 및 탄산바륨 BaCO3의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 8. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.902Ce0.03Ba0.068Ga2.903Al2Ti0.097O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2,TiO2 및 탄산바륨 BaCO3의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 9. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.9888Ce0.01Mg0.0012Ga2.9998Al2Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 10. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.968Ce0.03Mg0.002Ga3.9998Al1Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 11. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.9682Ce0.03Mg0.0018Ga1.9998Al3Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 12. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Y2.9685Ce0.03Mg0.0015Ga2.99985Al2Ti0.00015O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Y2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 13. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.8681Y0.1Ce0.03Mg0.0019Ga2.9998Al2Ti0.0002O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Y2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 14. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.906Ce0.03Mg0.064Ga2.9956Al2Ti0.0044O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 15. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.922Ce0.03Mg0.048Ga2.9968Al2Ti0.0032O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 16. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.952Ce0.01Mg0.038Ga2.5975Al2.4Ti0.0025O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
실시예 17. 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키기 위해, 하기 조성: Gd2.824Y0.1Ce0.03Mg0.046Ga2.9972Al2Ti0.0028O12에 상응하는 초기 장입물을 사용하여, 산화물 Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2, TiO2, MgO의 혼합물로부터 합성했다.
직경이 25mm이고 두께가 7mm인 디스크 형태의 측정용 샘플을 성장된 단결정으로 제조했다.
단결정 형태의 신틸레이션 물질 20℃/-45℃에서의 신틸레이션 출력, 포트/MeV 신틸레이션 동력학의 주성분의 지속 시간, 나노초 신틸레이션 동력학의 주성분의 비율, % 100초 후의 잔광 레벨, %
1 Gd2.9681Ce0.03Mg0.0019Ga2.9998Al2Ti0.0002O12 38000/45000 49 78 0.69
2 Gd2.74Ce0.03Mg0.23Ga2.903Al2Ti0.097O12 28000/38000 40 88 0.49
3 Gd2.9688Ce0.03Ca0.0012Ga2.9998Al2Ti0.0002O12 39000/45500 49 78 0.69
4 Gd2.74Ce0.03Ca0.23Ga2.903Al2Ti0.097O12 24000/31000 42 82 0.57
5 Gd2,9695Ce0,03Sr0,0005Ga2.9998Al2Ti0.0002O12 40000/44200 50 76 0.68
6 Gd2.86Ce0.03Sr0.11Ga2.903Al2Ti0.097O12 32000/36800 48 76 0.67
7 Gd2.9697Ce0.03Ba0.0003Ca2.9998Al2Ti0.0002O12 40200/44950 47 76 0.48
8 Gd2.902Ce0.03Ba0.068Ga2.903Al2Ti0.097O12 22000/28700 37 86 0.44
9 Gd2.9888Ce0.01Mg0.0012Ga2.9998Al2Ti0.0002O12 39000/46200 49 75 0.62
10 Gd2.968Ce0.03Mg0.002Ga3.9998Al1Ti0.0002O12 18000/21000 36 77 0.39
11 Gd2.9682Ce0.03Mg0.0018Ga1.9998Al3Ti0.0002O12 29200/36400 49 75 0.62
12 Y2.9685Ce0.03Mg0.0015Ga2.99985Al2Ti0.00015O12 33200/41500 49 75 0.62
13 Gd2.8681Y0.1Ce0.03Mg0.0019Ga2.9998Al2Ti0.0002O12 44000/48340 49 80 0.71
14 Gd2.906Ce0.03Mg0.064Ga2.9956Al2Ti0.0044O12 39800/46300 47 84 0.44
15 Gd2.922Ce0.03Mg0.048Ga2.9968Al2Ti0.0032O12 46000/55500 44 88 0.67
16 Gd2.952Ce0.01Mg0.038Ga2.5975Al2.4Ti0.0025O12 41000/49000 46 85 0.55
17 Gd2.824Y0.1Ce0.03Mg0.046Ga2.9972Al2Ti0.0028O12 43000/51800 48 83 0.70
신틸레이션 출력의 측정은 표준 감마선 분광법에 의해 행해졌다. 샘플을 광학 침지 윤활제를 통해 PHILIPS XP2020 광 전자 배율기에 탑재하고, 반사체로 덮어, 662keV의 감마선 양자 에너지를 갖는 감마선원 Cs-137로 조사했다. 진폭 스펙트럼은 다중 채널 진폭 분석기에 축적되었다. 서로에 대한 샘플의 신틸레이션 출력은 진폭 분석기의 눈금 662keV에서 감마선 양자의 총 흡수의 피크 위치의 비로 결정되었다.
신틸레이션 동력학의 측정은 지연 일치법(delayed coincidence method)에 의해 행해졌다. 측정을 위해, 소멸 감마선 양자 Na-22의 원천에 기반한 측정 스탠드, CsF 신틸레이션 결정에 기반한 "시작" 채널을 갖는 2채널 측정 설비, 및 광 전자 배율기 PHILIPS XP2020Q에 기반한 "정지" 채널을 갖는 광 전자 배율기 PHILIPS XP2020을 사용했다. 광 전자 배율기의 신호에 바인딩된 타이밍은 2개의 트래킹 임계값에 의해 시작되었으며, 이 신호는 시작 및 정지 신호의 도착 시간의 차이를 이 차이에 비례하는 진폭을 갖는 출력 전압 펄스로 변환하는 시간 진폭 변환기로 들어가며, 그런 다음 다중 채널 진폭 분석기로 들어간다. 신틸레이션 동력학의 측정된 스펙트럼을 소프트웨어 패키지 ROOT V. 5.26에서 처리하고, 신틸레이션 동력학에서 발광의 주성분의 시간 상수 및 그의 중량(분율)을 측정했다.
잔광은 [K. Kamada 외, Ce 도핑된 Gd3Al2Ga3O12 신틸레이터의 발광 및 신틸레이션 특성에 대한 알칼리 토류 공동 도핑 효과, Opt. Mater. (Amst). 41 (2015) 63-66. doi: 10.1016 / j. optmat. 2014.10.008]에 기재된 것과 유사한 방법으로 측정했다. a) 15분 동안 x선원에 의한 샘플의 조사 종료 후 100초 Sa, b) 샘플의 조사 종료 직전의 계수율을 측정하는 단계 Sb, 및 c) 광 전자 배율기 상에 탑재된 샘플 없이 "어두운" 계수율을 측정하는 단계 Sc 후에, PHILIPS XP2020 광 전자 배율기로부터 계수율을 측정함으로써 광자 계수 모드에서 측정을 행했다. 최대 계수율을 줄이고 샘플의 조사시 계수율을 정함에 있어서 펄스의 통과를 방지하기 위해 직경 1mm의 광학 다이어프램을 통해 광 전자 배율기에 샘플을 탑재했다. 계수율은 계수형 주파수계를 사용하여 측정했다. 주파수계의 판별역은 광 전자 배율기의 단일 전자 피크에서 대부분의 샘플을 포획할 수 있도록 낮게 설정되었지만, 동시에 저진폭 전자 노이즈의 기록을 피했다. 인광 레벨은 백분율로 표현된 계수율의 비 (Sa-Sc)/(Sb-Sc)로 구했다.
본 발명의 사용은 -50℃ 내지 +20℃의 온도 범위에서 하기의 특징을 갖는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정을 얻을 수 있게 한다:
- T 20℃에서의 광 출력이 45,000포트/MeV 이상;
- T -50℃에서의 광 출력이 54,000포트/MeV 이상;
- 신틸레이션 동력학의 주성분의 지속 시간이 50나노초 이하;
- 신틸레이션 동력학의 주성분의 비율이 75% 이하;
- 100초 후의 인광 레벨이 0.7% 이하
- 비율 (T -50℃에서의 광 출력/T 20℃에서의 광 출력)이 1.2 이상.
본 발명의 이점은 티타늄 이온과의 공활성화의 결과로서, +20℃에서 -50℃의 넓은 온도 범위에서 신틸레이션 출력이 증가하고, 결과적으로 감마선 양자의 등록에서의 에너지 분해능이 향상되었다. 이는 냉각으로 인한 노이즈 특징의 최소값을 달성하는 각종 광 검출기, 예를 들어 실리콘 광 배율기와 함께 신틸레이션 물질을 사용할 가능성을 확장 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 신틸레이션 검출기를 위한 가넷(garnet) 구조를 갖는 단결정으로서,
    이는 식 ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyTiq)5+zO12로 기재되는 화합물이며, 여기서 q는 0.00003 내지 0.02의 범위에 있고; r은 0 내지 1의 범위에 있으며; x는 0.001 내지 0.01의 범위에 있고; y는 0.2 내지 0.6의 범위에 있으며; z는 -0.1 내지 0.1의 범위에 있고; s는 0.0001 내지 0.1의 범위에 있으며, Me는 Mg, Ca, Sr, Ba를 포함하는 계열로부터의 하나 이상의 원소를 나타내는, 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화합물이 감마선 양자로 조사되면, 형광 성분이 490 내지 650nm 범위의 파장의 방사선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    20℃의 온도에서의 광 출력이 45,000포트(phot)/MeV 이상인 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    -50℃의 온도에서 662keV의 감마선 양자 에너지를 갖는 감마선원 Cs-137에 의한 조사에서의 광 출력이 54,000포트/MeV 이상인 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    신틸레이션 동력학(kinetics)의 주성분의 지속 시간이 50나노초 이하인 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    신틸레이션 동력학의 주성분의 비율이 75% 이상이며; 100초 후의 인광 레벨이 0.7% 이하인 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    +20℃의 온도에서의 단결정의 광 출력값에 대한, -50℃의 온도에서의 단결정의 광 출력값의 비가 1.2 이상인 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정.
  8. 청구항 1에 기재된 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정의 제조 방법으로서,
    Gd, Y, Ga, Al, Ti, Mg의 산화물의 혼합물로부터의 청구항 1에 기재된 화합물의 화학식에 따른 화학량론적 조성의 장입물(charge)의 예비 조제,
    산화물, 또는 불화물, 또는 염화물을 포함하는 계열로부터 취한 화합물 형태의 세륨; 탄화물 형태의 Ba, 또는 Sr, 또는 Ca의 도입, 및
    그 다음, 초크랄스키법(Czochralski process)에 의해 얻어진 장입물로부터의 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는, 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    0.0001 내지 5체적% 범위의 농도로 산소를 첨가한 아르곤 또는 질소 기반의 차폐 분위기에서 초크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키는 단계가 행해지는 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정의 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    성장된 단결정에, 공기 중에서, 불활성 가스 분위기에서, 또는 진공에서 1분 내지 100시간의 범위에서 선택된 시간 동안에 500 내지 950℃ 범위의 온도에서 등온 풀림(isothermal annealing)이 실시되는 것을 특징으로 하는 신틸레이션 검출기를 위한 가넷 구조를 갖는 단결정의 제조 방법.
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