TWI722011B - 使用閃爍體測量帶電粒子放射線之方法及帶電粒子放射線測量裝置 - Google Patents
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Abstract
提供一種具有高度耐熱性及耐放射線照射性的放射線測量裝置。
提供一種帶電粒子放射線測量方法及帶電粒子放射線測量裝置，其所使用的閃爍體包含以SiAlON螢光體為主成分之螢光體。
Description
本發明係關於帶電粒子放射線測量方法及帶電粒子放射線測量裝置。
在使用重粒子束治療裝置等放射線產生裝置的先進醫療、或加速器相關設施的基礎實驗中，必須在高照射密度條件下正確且連續的測量帶電粒子的照射量或能量。另一方面，在利用核分裂的核能發電廠等核能設施發生事故時、以及近年來正進行開發中的核融合爐的爐內環境中，必須在高溫-高環境負載以及高放射線照射環境下設置放射線測量裝置，並進行測量。
從加速器設施產生的離子束或從核能設施發出的放射線一般而言係屬於高密度，而在帶電粒子照射環境下且周邊環境屬於高溫的情況中，多數放射線測量裝置都必須具有高度可靠性。
在這些測量中，雖可使用利用閃爍體的閃爍型檢測器，但將放射線轉換成光的發光材料部分的耐受性或發光效率極為重要。所謂閃爍體係為放射線射入時會發光的物質，在前述放射線測量用途-重粒子束治療等加速器設施之外，也使用於正電子放射斷層掃描(PET)裝置或產業用途。現在的α線測量機器中，即著眼
於其發光效率而廣泛使用ZnS：Ag、Cu等材料(參佐專利文獻1、專利文獻2或非專利文獻1)。
然而，現在所使用的ZnS：Ag、Cu等閃爍體材料，並不推薦使用於100℃左右的溫度區域以上。因此，其材料特性並不適用於預想使用在高溫環境下的核能設施的放射線測量。
另一方面，ZnS：Ag、Cu等會有因高密度的放射線而致其發光強度顯著劣化的問題，更換頻率必須很高。
專利文獻1 日本特開2007-70496號公報
專利文獻2 日本特開2010-127862號公報
非專利文獻1 Transactions of the Materials Research Society of Japan Vol. 38, No. 3; 2013 p443-446
核能設施中，因放射線所致的劣化對其放射線量測定會有不良影響，在可靠性方面會造成問題。再者，在加速器設施以及使用此裝置的重粒子束治療設施等醫療用設備中，也預想使用高密度的帶電粒子照射。這些機器的射束品質的性能確保、或因更換程序而
帶來的作業效率劣化，在顯著阻礙加速器裝置的運轉效率方面，利用既有閃爍體的放射線測量裝置仍然留有問題點。
在廣泛使用於傳統閃爍體型帶電粒子(α線)檢測器的既有閃爍體材料(ZnS：Ag、Cu)中，經長時間設置於超過百數十度(℃)的高溫環境下時，有帶電粒子所產生的線量無法長時間正確測量，而且，也有對所測定的線量無法正確量測的問題。
另一方面，在從加速器設施產生的帶電粒子束等的射束監測器測量的用途上，係預想有高密度的離子流，且既有閃爍體材料(ZnS：Ag、Cu)發光量的衰減顯著，例如每1平方cm超過1015個離子(以下，標記為1015[ions/cm2])的累計量時就必須更換。此外，即使在以前的測定中，要從發光量求得照射線量必須考量發光效率的劣化，故有無法進行正確測量的問題。
這些現象，從以核能設施所利用的α線作為測量對象的放射線測量裝置、重粒子束治療裝置等利用放射線發生裝置的先進醫療裝置設備、或其他利用帶電粒子的相關加速器設施中的基礎-應用物理領域來看，係屬於具有像離子注入裝置之類的小型加速機構的產業機器領域的相關課題。
本發明係為有鑒於上述背景而研發者，其目的在提供一種具有高度耐熱性及耐放射線照射性的放射線測量裝置。
若依本發明，係提供一種帶電粒子放射線測量方法，其係使用閃爍體，該閃爍體包含以SiAlON螢光體為主成分的螢光體。
若依本發明，係提供一種帶電粒子放射線測量裝置，其包括：閃爍體，包含以SiAlON螢光體為主成分的螢光體；光學元件，將自閃爍體發出的光作選擇性聚集；及測量部，讀取因放射線所產生的光。
在本發明的一個態樣中，上述SiAlON螢光體係為以通式：EuxSi6-zAlzOzN8-z表示，且0.01≦x≦0.5、0<z≦4.2，並以含有發光中心Eu的β型SiAlON為主成分的螢光體。
在本發明的一個態樣中，上述SiAlON螢光體係為以通式：MySi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n(M包含選自Li、Ca、Mg、Y及鑭系元素(除了La和Ce外)的至少1種元素及選自Eu、Ce、Tb、Yb、Sm、Dy、Er、Pr的至少1種的發光中心，且y=m/p(p：M的原子價))表示，且以0.3<m<4.5、0≦n<2.5範圍的α型SiAlON為主成分的螢光體。
若依本發明，可提供具有高度耐熱性及耐放射線照射性的放射線測量裝置。
圖1為本發明一實施形態的放射線量測定裝置的概略構成圖。
圖2為實施例的放射線量測定裝置中的射束測量例。
圖3為實施例的放射線量測定裝置中的波長測量例。
圖4為以高密度放射線試驗放射線量測定裝置的耐放射線性的例子。
以下，參佐附圖就用以實施本發明的帶電粒子放射線測量方法及帶電粒子放射線測量裝置加以說明。然而，本發明並不限定於這些實施形態應無庸贅言。
在本實施形態的帶電粒子放射線測量方法及帶電粒子放射線測量裝置中，係採用以SiAlON螢光體為主成分的螢光體作為閃爍體材料。
SiAlON螢光體係為代表性的氮氧化物螢光體，其為使用已開發作為高溫下維持高度機械特性的工程陶瓷的SiAlON作主結晶以活化發光中心的螢光體，且該螢光體有二種不同的結晶構造。
β型SiAlON係為以通式：EuxSi6-zAlzOzN8-z表示，且含有0.01≦x≦0.5、0<z≦4.2之發光中心Eu的綠色發光螢光體。
α型SiAlON則為以通式：MySi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n(M為包含選自Li、Ca、Mg、Y及鑭系元素(除La和Ce外)的至少1種元素及選自Eu、Ce、Tb、Yb、Sm、Dy、Er、Pr的至少1種之發光中心。以y=m/p(p：M的
原子價))表示，且在0.3<m<4.5、0≦n<2.5範圍的螢光體。
這些SiAlON螢光體，以作為藉藍色LED晶粒的藍色光進行激發發光的白色LED裝置用螢光體而言，已知即使環境溫度上升至300℃也不太會發生發光強度降低的情形、或放置在高溫耐濕(85℃、85%相對濕度)的環境下也看不出有劣化的情形。
本案發明人等發現，和ZnS：Ag、Cu螢光體等既有閃爍體材料比較，SiAlON螢光體極不易因高溫環境或高密度放射線照射而產生劣化，從而完成了本發明。
本實施形態的放射線測量裝置中，較佳為將因放射線而產生自高度耐熱性及耐放射線照射性的SiAlON螢光體的發光光譜調整為以光感測器中量子效率較高的波長作為峰值波長。
本實施形態的帶電粒子放射線測量裝置包含：閃爍體，包含以SiAlON螢光體為主成分的螢光體；光學元件，將閃爍體的光作選擇性聚集；及測量部，讀取因放射線而產生的光。
本實施形態的放射線測量裝置可透過將：用以保持固定具有粉末、燒結體、單結晶、薄膜等形狀的SiAlON螢光體的支撐座等其他機構元件；將因放射線而產生自閃爍體的光作選擇性聚集的光學元件；以及讀取因1次放射線而產生之光子的照相機裝置、突崩光二極體(Avalanche Photo-Diode，APD)、光電倍增管
(Photomultiplier，PMT)、CCD元件、光電二極體(Photodiode：PD)等測量部組合構成本裝置。
圖1為顯示放射線測量裝置的概略構成圖例。其係將來自加速器設施的放射線使用作為1次放射線。
發光波長可藉由構成閃爍體的SiAlON螢光體的組成而加以調整，藉此特點，可以改善測量裝置的讀取效率。
環境放射線等α線中，放射線發生源並不是只有1點，而是以包圍閃爍體材料的形態來自四方，閃爍體材料及其附隨的機構元件、光學元件、測量部也可採用和圖1相同的構成。
再者，因機構元件、光學元件、以及測量部必須進行適於測定對象的幾何學構造、配置，故其構造可依據目的而有種種形態。測量部透過使用1維、2維的測量機器，可以變更觀察樣式。
若依本發明，對於放射線發生裝置之外的放射線源的放射線測量，雖然放射線測量裝置構造不同，但基本上可藉由相同構成元件在高溫-高負載環境下進行帶電粒子測量。
雖然使用於測量機器的組件的耐熱性能會構成問題，但SiAlON螢光體即使在高溫下也不會產生構造變化，所以藉由和適當的構造材料以及光學元件、測量部組合，可以改善具有較以往更高耐放射線性的放射線測量裝置的動作溫度範圍。藉此，可以實現並提供
以通常的放射能污染檢査為目的的α線測量機器的高壽命化、或需要耐高溫性的核能設施內部之外的α線測量用放射線測量裝置。
本實施形態的帶電粒子放射線測量方法及帶電粒子放射線測量裝置可以使用於：(甲).在以使用於核能設施的α線為測量對象的放射線測量裝置中，以閃爍方式進行測量者、(乙).重粒子束或質子束治療裝置等放射線發生裝置(加速器)的射束品質測量用射束監測器-放射線測定器、(丙).其他帶電粒子利用加速器相關設施、以及具有如產業用離子注入裝置之類的小型加速機構的產業機器的射束品質測量裝置等。
本實施形態的帶電粒子放射線測量裝置，可藉由使用以SiAlON螢光體為主成分的螢光體作為新穎閃爍體材料(其屬於放射線-光變換材料)，而提供具有高度耐熱性及耐放射線照射性的放射線測量裝置，而該放射線測量裝置係由：閃爍體材料、保持固定該閃爍體材料的機構元件以及將來自閃爍體的光作選擇性聚集的光學元件；及讀取因放射線所生之光的測量部所構成。
如以上所述，藉由本實施形態的帶電粒子放射線測量方法及帶電粒子放射線測量裝置，可以提供一種放射線測定器，其在難以利用傳統帶電粒子放射線測量裝置的數百度(℃)左右溫度或在集束帶電粒子照射環境等高放射線照射量的條件中，不管其狀況如何都可測量帶電粒子的照射量，且可使用壽命較以往更長。
以下，說明本發明的實施例。
將β型SiAlON：Eu粉末(電氣化學(股)製GR-200等級、β型SiAlON，平均粒徑：21μm)分散於水玻璃，並以塗膜厚度10μm以下塗布並均勻固定在碳材製板上，而製得閃爍體。將該閃爍體安裝於如圖1所示的放射線測量裝置，並進行帶電粒子照射試驗。
從鄰接的加速器設施將3MeV的H+(質子)集束離子束向局部性(400μm×400μm)標靶連續照射。
本發明的放射線測量裝置中，藉由光的空間分布或波長分布，可以測定1次放射線的分布或強度。此處，圖2為放射線測量裝置的射束測量例。圖3為顯示試驗開始時因帶電粒子而激發發光的光譜-發光強度的測量結果。
使用α型SiAlON：Eu粉末(電氣化學(股)製YL-600A等級、α型SiAlON、平均粒徑：15μm)，以和實施例1同樣的方法製得閃爍體，並進行帶電粒子的照射試驗。
使用ZnS：Ag螢光體粉末取代上述β型SiAlON：Eu粉末作為比較例1，並以和實施例1同樣的條件進行帶電粒子的照射試驗。
圖3顯示實施例1、2及比較例1開始試驗時的光譜-發光強度的測量結果。在相同照射量下，試驗開始時，使用β型SiAlON：Eu螢光體的實施例1中，相較於使用ZnS：Ag的比較例1，在稍長波長側可觀察到相同程度發光強度的帶電粒子激發發光。相較於ZnS：Ag的發光波長，β型SiAlON：Eu螢光體的發光波長在光感測器的量子效率較高，很有利。
再者，在使用α型SiAlON的實施例2中，相較於β型SiAlON，在長波長側可觀察到帶電粒子激發發光。α型SiAlON的發光強度的高度雖然較β型SiAlON為低，但將發光光譜積分所得的發光強度中，可以得到相同程度的值。
圖4顯示放射線測量裝置的實施例1、2及比較例1的高密度照射試驗結果。其橫軸方向表示帶電粒子的照射量，縱軸方向表示相同放射線照射強度的發光強度。
由該圖可知，在帶電粒子照射量增加的同時，使用ZnS：Ag的比較例1的發光強度正顯著衰減。另一方面，使用β型SiAlON：Eu螢光體的實施例1的情況中，可確認看不到發光強度的衰減，也不會因高密度照射而使螢光特性劣化。在使用α型SiAlON：Eu螢光體的實施例2中則可知，雖可觀察到發光強度的衰減，但和使用ZnS：Ag的比較例1相比，衰減較小。
由以上結果可知，使用本發明的SiAlON螢光體的帶電粒子放射線測量方法，可充分使用於具高
度耐熱性及耐放射線照射性的放射線測定器。藉此特點，由使用SiAlON螢光體的放射線測定器的測量部輸出，可以長時間進行來自發光強度的放射線照射強度或照射量的測定。
而且，如圖2所示，可進行射束點的2維測量，也可測量一次放射線的分布。
在本例中，因係以來自加速器設施的放射線作為放射線源，所以雖是測量時間達數小時左右的顯著加速試驗，但以環境放射線等的α線而言，這些特點意味著對於長年的劣化具有高度的耐受性。此外，即使在帶電粒子局部持續加熱的條件下，SiAlON也能維持其螢光特性，所以就算在數百度(℃)程度的高溫環境下也可加以利用。
1‧‧‧光譜的測量
2‧‧‧發光強度的測量
Claims (6)
- 一種使用閃爍體測量帶電粒子放射線之方法，其中，該閃爍體包含以SiAlON螢光體為主成分之螢光體，該帶電粒子放射線係選自於由α線、β線、質子及重粒子束所構成的群組之至少一者。
- 如請求項1之使用閃爍體測量帶電粒子放射線之方法，其中，SiAlON螢光體係為以通式：EuxSi6-zAlzOzN8-z表示，且0.01≦x≦0.5、0<z≦4.2，並以含有發光中心Eu的β型SiAlON為主成分的螢光體。
- 如請求項1之使用閃爍體測量帶電粒子放射線之方法，其中，SiAlON螢光體係為以通式：MySi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n(M包含選自Li、Ca、Mg、Y及鑭系元素(La和Ce除外)的至少1種元素、及選自Eu、Ce、Tb、Yb、Sm、Dy、Er、Pr的至少1種的發光中心，且y=m/p(p：M的原子價))表示，並以0.3<m<4.5、0≦n<2.5之範圍的α型SiAlON為主成分的螢光體。
- 一種帶電粒子放射線測量裝置，包含：閃爍體，包含以SiAlON螢光體為主成分的螢光體；光學元件，將來自閃爍體的光選擇性聚光；及測量部，讀取因放射線而產生的光，該帶電粒子放射線係選自於由α線、β線、質子及重粒子束所構成的群組之至少一者。
- 如請求項4之帶電粒子放射線測量裝置，其中，SiAlON螢光體係為以通式：EuxSi6-zAlzOzN8-z表示，且0.01 ≦x≦0.5、0<z≦4.2，並以含有發光中心Eu的β型SiAlON為主成分的螢光體。
- 如請求項4之帶電粒子放射線測量裝置，其中，SiAlON螢光體係為以通式：MySi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n(M包含選自Li、Ca、Mg、Y及鑭系元素(La和Ce除外)的至少1種元素、及選自Eu、Ce、Tb、Yb、Sm、Dy、Er、Pr的至少1種的發光中心，且y=m/p(p：M的原子價))表示，並以0.3<m<4.5、0≦n<2.5之範圍的α型SiAlON為主成分的螢光體。
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| Yu. F. Kargina et al., Synthesis and cathodoluminescence characteristics of Europium-Doped Ca-Sialons, Inorganic Materials, Pleiades Publishing, Ltd., 2012年, Vol. 48, No. 8, pp. 827-831。 |
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