放射線検出器
【課題】高い光透過率および高い発光量を有するシンチレータアレイを提供するとともに、当該シンチレータアレイを用いた検出感度の高い放射線検出器を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、放射線を吸収して発光する複数の柱状のシンチレータからなるシンチレータアレイと、前記シンチレータの発光を検知する受光器とを備える放射線検出器であって、前記複数の柱状のシンチレータは、その長手方向に前記放射線が入射するように、複数の行・列に二次元配列され、前記シンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶であり、前記シンチレータは、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下である、放射線検出器が提供される。
【解決手段】本発明によれば、放射線を吸収して発光する複数の柱状のシンチレータからなるシンチレータアレイと、前記シンチレータの発光を検知する受光器とを備える放射線検出器であって、前記複数の柱状のシンチレータは、その長手方向に前記放射線が入射するように、複数の行・列に二次元配列され、前記シンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶であり、前記シンチレータは、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下である、放射線検出器が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出器に関する。より詳細には、ガーネット型シンチレータ結晶を用いた放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線検出器は、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）装置やＸ線コンピュータ断層装置（ＣＴ装置）などの医療画像装置、高エネルギー物理分野における各種放射線計測装置、資源探査装置などに幅広く応用されている。一般に、放射線検出器は、γ線、Ｘ線、α線、中性子線を吸収し、シンチレーション光に変換するシンチレータと、シンチレータ光を受光し、電気信号等に変換する受光素子から構成される。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、核崩壊によって発生する放射線との衝突に基づいて画像が作成される。また、陽電子放射断層撮影法において、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の中へ入って、光検出器によって検出することのできるフォトンに変換される。例えば、被検体内の特定の位置から放出されたフォトンはフォトダイオード（ＰＤ）、シリコンフォトマルチプライヤー（Ｓｉ−ＰＭ）、若しくは光電子増倍管（ＰＭＴ）、又は他の光検出器を使用して、検出することができる。
【０００３】
ＰＤやＳｉ−ＰＭ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ＰＤが知られており、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭは、感度の高い波長が４５０〜７００ｎｍであり、６００ｎｍ付近で最も感度が高くなる。そのため、６００ｎｍ付近に発光ピーク波長を有するシンチレータと組み合わせて使用されている。一般に、ＰＤアレイ、位置検知性アバランシェ・フォトダイオード（ＰＳＡＰＤ）から構成されるアバランシェ・フォトダイオード・アレイ（ＡＰＤアレイ）と称される一形式フォトダイオード、及びＳｉ−ＰＭアレイでは、フォトンを検出して、このフォトンがアレイに衝突する位置を突き止めることができる。
【０００４】
そこで、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）、高速応答の必要性や高エネルギー分解能の点から発光量が多く、蛍光寿命（蛍光減衰時間）が短いことが望まれる。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。また、放射線をシンチレーション光に変換するシンチレータは、その変換効率を高めるために、放射線が透過する方向の寸法が長いことが望まれる。そのため、シンチレータ結晶は、大型の結晶として得られることが望まれる。
【０００５】
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、ガーネット構造を有するシンチレータがある。ガーネット構造を有するシンチレータは、化学的に安定で、劈開性や潮解性が無く、加工性に優れるという利点がある。例えば、特許文献１に記載の、Ｐｒ３＋の４ｆ５ｄ準位からの発光を利用するガーネット構造を持つシンチレータは、蛍光寿命が４０ｎｓ程度以下と短いものの、発光ピーク波長が３５０ｎｍ以下と短波長であり、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長とは一致しない。
【０００６】
また、特許文献２及び非特許文献１には、発光ピーク波長が５５０ｎｍ程度であり、シリコン半導体から構成されるＰＤの感度の高い波長と一致する発光ピーク波長を有する（ＹＧｄ）３Ａｌ５Ｏ１２の多結晶ガーネットシンチレータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／０４９２８４号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−１８１０４３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ，５７９（２００７）２３−２６，"Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃ ＹＡＧ（Ｃｅ）Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓ ｔｏ （ＹＧｄ）３Ａｌ５Ｏ１２（Ｃｅ） ｆｏｒ ｇａｍｍａ−ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１に記載の結晶は、５ｍｍ厚の結晶において波長５６０ｎｍの透過率は、２０％程度と低く、十分な発光量が得られていない。また、一般に、放射線検出器に用いられるシンチレータは、複数の柱状シンチレータをマトリクス状に組み合わせたシンチレータアレイとして使用して、十分な発光量を確保している。柱状のシンチレータは、その長手方向が放射線の入射方向に対して平行となるように配置されるため、シンチレータの長手方向の寸法が大きい場合、十分な発光量を得るためには、シンチレータの透過率を低減させることが望まれる。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い光透過率および高い発光量を有するシンチレータアレイを提供するとともに、当該シンチレータアレイを用いた検出感度の高い放射線検出器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明によれば、放射線を吸収して発光する複数の柱状のシンチレータからなるシンチレータアレイと、上記シンチレータの発光を検知する受光器とを備える放射線検出器であって、上記複数の柱状のシンチレータは、その長手方向に前記放射線が入射するように、複数の行・列に二次元配列され、上記シンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶であり、上記シンチレータは、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下である放射線検出器が提供される。
【００１２】
本発明の放射線検出器に用いられるシンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶からなる。本発明のシンチレータは、波長５５０ｎｍの光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下のガーネット型シンチレータ結晶であるため、光透過率が高く、照射したエネルギー線を良好に透過させることができる。そのため、照射したエネルギー線を効率よくＣｅの発光エネルギーに変換させて、高い発光量を得ることができる。また、発光ピーク波長が光検出器の検出感度の波長域と一致する蛍光成分を発光することができる。したがって、検出感度の高い放射線検出器を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出感度の高い放射線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に従う放射線検出器を示す図である。
【図２】発光量及び蛍光寿命の測定する装置を模式的に示す図である。
【図３】実施例の結晶の透明性を示す図である。
【図４】実施例の結晶の透明性を示す図である。
【図５】実施例の結晶の透過スペクトルを示す図である。
【図６】実施例の結晶の励起・発光スペクトルを示す図である。
【図７】実施例の結晶の励起・発光スペクトルを示す図である。
【図８】実施例の結晶のγ線励起エネルギースペクトルを示す図である。
【図９】実施例の結晶の紫外線励起による蛍光寿命を示す図である。
【図１０】実施例の結晶のγ線励起による蛍光寿命を示す図である。
【図１１】Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２を光電子増倍管に接着し，２５２Ｃｆ中性子線を照射して得られたエネルギースペクトルである。
【図１２】実施例のシンチレータアレイの写真を示す図である。
【図１３】実施例のシンチレータアレイの二次元マップを示す図である。
【図１４】比較例のシンチレータアレイの写真を示す図である。
【図１５】比較例のシンチレータアレイの二次元マップを示す図である。
【図１６】実施例および比較例のγ線励起エネルギースペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る放射線検出器を示す。放射線検出器１００は、シンチレータアレイ１１１と、シンチレータアレイ１１１の発光を検知する受光器１１２とを備える。
シンチレータアレイ１１１は、柱状の細長形状の複数のシンチレータ１１１ａから構成される。柱状のシンチレータ１１１ａの形状としては、例えば、角柱状、円柱状等が挙げられる。本実施形態において、シンチレータ１１１ａは、細長形状の直方体であり、その長手方向に放射線が入射するように、複数の行・列の二次元配列されている。すなわち、シンチレータは、放射線の入射方向に対して長手方向と直交する方向に二次元状に配列されている。シンチレータアレイ１１１を構成するシンチレータ１１１ａは、複数列のマトリクス状に配置されることが好ましい。シンチレータ１１１ａは、放射線の入射に伴って発光し、放射線を光に変換する。放射線検出器１００は、シンチレータ１１１ａの発光を検知する受光器１１２を備える。受光器１１２としては、当該分野で通常使用される光検出素子を使用することができ、例としては、フォトダイオード（ＰＤ）、シリコンフォトマルチプライヤー（Ｓｉ−ＰＭ）、および光電子増倍管（ＰＭＴ）等が挙げられる。本発明の放射線検出器は、受光器１１２に接続され、受光器１１２から出力された電気信号に基づいて、放射線検出器１００における放射線吸収位置等を求める演算処理を行う処理ユニット（不図示）をさらに備え得る。
【００１６】
シンチレータアレイ１１１ａは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶である。このようなガーネット型シンチレータ結晶は、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下であり、好ましくは、０．００３ｍｍ−１以下であり、より好ましくは、０．００１５ｍｍ−１以下である。こうすることで、厚さ５ｍｍの結晶において、波長５５０ｎｍの光の透過率を８０％以上とすることができる。
【００１７】
なお、本明細書において、吸光係数とは、厚み１ｍｍの結晶と厚み５ｍｍの結晶とを用意し、波長５５０ｎｍの光を照射したときの透過率（％）を測定し、下記式（２）により求められるものである。
Ｔ＝（１−Ｒ）２ｅ−２αＬ／（１−Ｒ２ｅ−２αＬ）・・・（２）
〔式（２）中、αが吸光係数（ｍｍ−１）であり、Ｔが波長５５０ｎｍの光に対する透過率（％）であり、Ｒが反射率であり、Ｌが試料の厚さ（ｍｍ）である。〕
【００１８】
波長５５０ｎｍの光の透過率は、７０％以上が好ましく、７５％以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。なお、この透過率は、厚み５ｍｍの結晶を波長５５０ｎｍで測定したものである。
【００１９】
好ましくは、本発明のシンチレータに用いられるガーネット型シンチレータ結晶は、以下の式（１）で表される組成を有する。
Ｇｄ３−ｘ−ｙＣｅｘＲＥｙＡｌ５−ｚＭｚＯ１２ （１）
【００２０】
上記一般式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．９、０≦ｚ≦４．８であり、ＭはＧａ及びＳｃから選択される少なくとも１種であり、ＲＥはＹ、Ｙｂ及びＬｕから選択される少なくとも１種である。
【００２１】
また、上記一般式（１）においてＲＥをＬｕ、Ｙとし、０≦ｚ＜１とした場合、ｙの下限を１．８≦ｙとすることが好ましく、さらにｙの下限を２．２≦ｙとするとより好ましい。こうすることで、波長５５０ｎｍの透過率を高めることができる。
【００２２】
また、上記一般式（１）においてＭをＧａとし０≦ｙ＜０．１とした場合、ｚの下限を１≦ｚとすることが好ましく、さらにｚの下限を２≦ｚとするとより好ましい。こうすることで、波長５５０ｎｍの透過率を高めることができる。
【００２３】
本実施形態のガーネット型シンチレータ結晶において、Ｃｅの濃度ｘは、０．０００１≦ｘ≦０．１５であり、好ましくは、０．００１≦ｘ≦０．１５であり、より好ましくは、０．００６≦ｘ≦０．１５である。このように、上記一般式（１）において好適なＣｅの値をとることで、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。
【００２４】
本実施の形態に係るガーネット型シンチレータ結晶は、γ線で励起させることができ、これにより、蛍光発光させることが可能になる。その発光ピーク波長は、４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下とすることができ、好ましくは、４６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下とすることができる。そのため、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長と一致させることができる。
【００２５】
本実施形態に係るガーネット型シンチレータ結晶は、単結晶であることが好ましい。単結晶とすることにより、粒界が存在しないか、あるいは、非常に少なく、均一な結晶軸方位をとることができる。そのため、結晶内部における応力や歪みの発生を少なくでき、Ｃｅ本来の発光特性が引き出され、高い発光量を得ることができる。例えば、γ線励起による蛍光発光の発光量を２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上とすることができ、好ましくは、４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上とすることができ、より好ましくは、５００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上とすることができる。
【００２６】
本明細書において、発光量とは、φ３ｍｍ×２ｍｍサイズの結晶を２５℃で測定したものをいい、例えば、図２のような測定装置を用いて測定することができる。この測定装置では、暗箱１０内に、Ｃｓ１３７γ線源１１と、測定サンプルであるシンチレータ１２と、光電子増倍管１４とが備えられている。シンチレータ１２は、光電子増倍管１４に、テフロン（登録商標）テープ１３を用いて物理的に固着されるとともに、光学接着剤等により光学接着されている。そして、Ｃｓ１３７γ線源１１から、６２２ｋｅＶのγ線をシンチレータ１２に照射し、光電子増倍管１４より出力される、パルス信号を前置増幅器１５、波形整形増幅器１６へと入力し、増幅・波形整形し、さらにマルチチャンネルアナライザ１７へと入力し、パーソナルコンピュータ１８を用いてＣｓ１３７γ線励起のエネルギースペクトルを取得する。得られたエネルギースペクトル中の光電吸収ピークの位置を既知のシンチレータであるＣｅ：ＬＹＳＯ（発光量：３３０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ）と比較し、光電子増倍管１４の波長感度をそれぞれ考慮し、発光量を最終的に算出する。
【００２７】
この測定方法では、シンチレーションカウンティング法による発光量を測定しており、放射線に対する光電変換効率を求めることができる。そのため、シンチレータが持つ固有の発光量を測定することができる。
【００２８】
本実施の形態のガーネット型結晶では上記一般式（１）において好適なｘ、ｙ、ｚの値をとることで液相からの単結晶育成を可能にし、大型で、高品質の単結晶を育成することができる。
【００２９】
また、一般式（１）において好適なＧａ及びＳｃの値をとることで、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。
【００３０】
さらに、上記一般式（１）において好適なＣｅの値をとることで、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。
【００３１】
具体的には、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、例えば、式中０．００６≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹ、ＭがＧａとすることで、発光量が３００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。また、さらに、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３２】
また、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、式中、例えば、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＬｕ、ＭがＧａとすることで、発光量が２５０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。また、さらに、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量を４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３３】
また、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、式中、例えば、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦３であり、ＲＥがＹ、ＭがＳｃであり、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３４】
また、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、式中、例えば、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦２．５であり、ＲＥがＬｕ、ＭがＳｃであり、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が３００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３５】
また、上記一般式（１）において、式中０．００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１、２．０≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹ、Ｌｕであり、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３６】
本実施の形態に係るガーネット型結晶の蛍光寿命（蛍光減衰時間）は、１００ナノ秒以下とすることができ、より好ましくは、８０ナノ秒以下、さらに好ましくは、７０ナノ秒以下とすることができる。したがって、本発明の放射線検出器を用いて蛍光を測定する場合、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。なお、本発明において、γ線励起による蛍光発光の蛍光減衰時間は、例えば、上述の図２で示す測定装置を用いて測定することができる。具体的には、Ｃｓ１３７γ線源１１からγ線をシンチレータ１２に照射し、デジタルオシロスコープ１９を用いて、光電子増倍管１４より出力されるパルス信号を取得し、蛍光減衰成分を解析することで、各蛍光減衰成分の蛍光減衰時間、及び、蛍光寿命成分全体の強度に対する各蛍光減衰成分の強度の割合を算出することができる。
【００３７】
このように、本実施の形態に係るガーネット型シンチレータ結晶から構成されるシンチレータアレイは、エネルギー分解能にも優れることから、放射線検出器に用いた場合に高精度な放射線検出が可能となる。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。
【００３８】
本実施の形態に係るシンチレータ用ガーネット型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％以上（４Ｎ以上）の高純度原料を用いることが特に好ましく、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、混合したものを用いる。さらにこれらの原料中には、特に目的とする組成以外の不純物が極力少ない（例えば、１ｐｐｍ以下）ものが特に好ましい。特に発光波長付近に発光を有する元素（例えば、Ｔｂなど）を極力含まない原料を用いることが好ましい。
【００３９】
結晶の育成は、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）雰囲気下で行うことが好ましい。又は、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）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う場合、坩堝の酸化を防ぐ目的で、酸素の分圧は２％以下であることが好ましい。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（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）、及び、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）と酸素ガスとの混合ガスを用いることができる。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。
【００４０】
本実施の形態の酸化物のガーネット型結晶の製造方法としては、マイクロ引き下げ法に加え、チョコラルスキー法（引き上げ法）、ブリッジマン法、帯溶融法（ゾーンメルト法）、及び縁部限定薄膜供給結晶成長（ＥＦＧ法）及び熱間静水圧プレス燒結法等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４１】
また、使用できる坩堝及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、又はこれらの合金が挙げられる。
【００４２】
シンチレータ用結晶の製造においては、さらに高周波発振機、集光加熱器、及び抵抗加熱機を使用してもよい。
【００４３】
以下に本実施形態の酸化物のガーネット型シンチレータ結晶の製造方法について、マイクロ引き下げ法を用いた結晶製造法を一例として示すが、これに限定されるものではない。
【００４４】
マイクロ引き下げ法については、高周波誘導加熱による雰囲気制御型マイクロ引き下げ装置を用いて行うことができる。マイクロ引き下げ装置は、坩堝と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる種を保持する種保持具と、種保持具を下方に移動させる移動機構と、移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱手段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、坩堝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。
【００４５】
上記のマイクロ引き下げ装置において、坩堝は、カーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、又はこれらの合金製である。また、坩堝底部外周にカーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、又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。坩堝及びアフターヒータ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、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液の固液境界領域の温度及びその分布を制御することができる。
【００４６】
上記の雰囲気制御型マイクロ引き下げ装置は、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、雰囲気制御を可能にするため、ロータリーポンプを具備し、ガス置換前において、真空度が０．１３Ｐａ（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、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２ガス等を導入できるものである。
【００４７】
この装置を用いて、上述の方法にて準備した原料を坩堝に入れ、炉内を排気して高真空にした後、Ａｒガス又はＡｒガスとＯ２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又は低酸素分圧雰囲気とし、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坩堝を加熱して、坩堝内の原料を完全に融解する。
【００４８】
続いて、種結晶を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の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、引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させる。
【００４９】
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。また種結晶として方位の明確なものを使用することが好ましい。
【００５０】
準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了となる。一方、組成を均一に保つ目的及び長尺化の目的で、原料の連続チャージ用機器を取り入れてもよい。
【００５１】
上記のようにして得られたガーネット型シンチレータ結晶は、切削・研磨することにより、所望の形状のシンチレータとすることができる。得られた複数個のシンチレータは、硫酸バリウム等の反射材を用いて、当該分野で公知の方法により、シンチレータアレイとすることができる。シンチレータアレイの形状は柱状であり、好ましくは、角柱状または円柱状である。本発明の好ましい実施形態において、シンチレータアレイは直方体である。
【００５２】
上記方法で得られるガーネット型シンチレータ結晶は、大型結晶とすることができる。このため、本発明のシンチレータは、長手方向の厚みを、１ｍｍ以上とすることができる。また、放射線検出器に用いるために、長手方向の厚みを１５ｍｍ、またはそれ以上の厚みとすることができる。本発明のシンチレータは、ガーネット型シンチレータ結晶を切削・研磨することにより、所望の発光量を得るのに好適な寸法とすることができる。
【００５３】
本発明のシンチレータアレイは、放射線により励起されると、４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光ピーク波長で発光することができる。したがって、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長と一致させることができる。また、このとき、２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上の発光量で発光できるため、高い位置分解能かつ高いＳ／Ｎを持つ放射線検出器を実現することができる。
【００５４】
また、本発明のシンチレータアレイは、蛍光寿命（蛍光減衰時間）が１００ナノ秒以下の蛍光成分を発光し、蛍光寿命が１００ナノ秒を超える長寿命成分の強度を、蛍光成分全体の強度に対して２０％以下にすることができる。したがって、本発明のシンチレータアレイを備えた放射線検出器は、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。
【００５５】
また、本発明のシンチレータアレイでは、６６２ｋｅＶでのエネルギー分解能を１０％以下とすることができる。したがって、本発明のシンチレータアレイを備えた放射線検出器では、高精度な放射線検出が可能となる。
【００５６】
また、本発明のガーネット型シンチレータ結晶の密度は、６．５〜７．１ｇ／ｃｍ３の範囲とすることができる。したがって、シンチレータアレイおよびこれを用いる放射線検出器を小型化することができる。
【００５７】
このように、本発明のシンチレータアレイは、高発光量、高いエネルギー分解能、高密度かつ短寿命の発光を有するため、本発明のシンチレータアレイを備える放射線検査装置では、高感度かつ高速応答の放射線検出が可能となる。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明の具体例について、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。また、実施例及び比較例においてマイクロ引下げ法は、坩堝をイリジウムとし、育成雰囲気は酸素１％含有アルゴン、育成温度は、０．０５ｍｍ／分とした。
【００５９】
（実施例１）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６０】
（実施例２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６１】
（実施例３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６２】
（実施例４）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ４Ａｌ１Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６３】
（実施例５）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６４】
（実施例６）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６５】
（実施例７）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６６】
（実施例８）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６７】
（実施例９）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６８】
（実施例１０）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６９】
（実施例１１）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７０】
（実施例１２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７１】
（実施例１３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７２】
（実施例１４）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７３】
（実施例１５）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７４】
（実施例１６）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７５】
（実施例１７）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７６】
（実施例１８）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｓｃ０．５Ａｌ４．５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７７】
（実施例１９）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７８】
（実施例２０）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２９７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．００３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７９】
（実施例２１）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２９７Ｌｕ２．５５Ｃｅ０．１５Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８０】
（実施例２２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８１】
（実施例２３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９９５Ｃｅ０．００５Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８２】
（実施例２４）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８３】
（比較例１）
熱間静水圧プレス燒結法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表される透明セラミックスを作製した。
なお、熱間静水圧プレス燒結法を用いた透明セラミックスの作製方法は以下の通りである。はじめに、各粉末原料をアルミナ坩堝に入れ、アルミナの蓋をした後、１５００℃で２時間仮焼した。冷却後、純水で洗浄し乾燥したシンチレータ粉末を、２４時間ボールミル粉砕し、粒径１〜２μｍのシンチレータ粉砕粉を得る。ついで、この粉砕紛に、純水を５重量％添加し、５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で一軸プレス成形し、その後、加圧力３ｔｏｎ／ｃｍ２で冷間静水圧プレスを行って、理論密度に対し６４％程度の成形体を得た。その後、得られた成形体をこう鉢に入れ、フタをして、１７５０℃、３時間の一次燒結を行い、理論密度に対し、９８．５％以上の燒結体を得た。
【００８４】
（比較例２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００８５】
（比較例３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．６７Ｙ０．3Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００８６】
（比較例４）
【００８７】
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．67Ｌｕ０．3Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は不透明な多結晶であった。
【００８８】
（比較例５）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．6７Ｙ０．3Ｃｅ０．０３Ｓｃ１Ａｌ４Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００８９】
（比較例６）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ２．６７Ｇｄ０．３Ｃｅ０．０３Ｓｃ３Ａｌ２Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００９０】
各々の光学特性評価及びシンチレータ特性を評価した。なお、特に明示しない限り、実施例１〜２４、比較例１〜６で得られた結晶をφ３ｍｍ×２ｍｍサイズに加工し、φ３ｍｍ面を両面光学研磨して評価した。
１．透過率（Ｔ）
実施例１〜２４、比較例１〜６で得られた結晶をφ３ｍｍ×５ｍｍサイズに加工し、φ３ｍｍ面を両面光学研磨し、分光光度計（Ｕ４０００、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて５５０ｎｍにおける透過率を測定した。
２．吸光係数（α）
実施例１〜２４、比較例１〜６で得られた結晶について、φ３×１ｍｍサイズ及びφ３ｍｍ×１５ｍｍサイズに加工研磨したものも用意し、発光ピーク波長における透過率をそれぞれ測定し、上記式（２）を用いて、吸光係数α（ｍｍ−１）を求めた。
３．励起・発光スペクトル測定
分光蛍光光度計（Ｆ−７０００、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて、フォトルミネセンス法（Ｘ線励起：ＣｕＫα）により励起・発光スペクトルを測定した。
４．γ線励起発光量、エネルギー分解能
図２に示す装置を用いて、φ３×２ｍｍサイズに加工研磨した結晶に１３７Ｃｓからのγ線を照射し発光量を測定した。光電子倍増管として、浜松ホトニクス社製のＰＭＴ−Ｒ７６００Ｕを用いた。得られたエネルギースペクトル中の光電吸収ピークの位置を既知のシンチレータであるＣｅ：ＬＹＳＯ（発光量：３３０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ）と比較し、光電子増倍管の波長感度をそれぞれ考慮し、発光量を算出した。測定温度は２５℃とした。エネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ）は、６６２ｋｅＶ（Ｅ）を基準とした反値幅（ＦＷＨＭ、ΔＥ）から算出した。
５．紫外線蛍光寿命測定
２５０ｎｍ紫外線励起（Ｘ線励起：ＣｕＫα）して生じた発光波長５３０ｎｍの蛍光成分の蛍光減衰時間を測定した。
６．γ線蛍光寿命測定
図２に示す装置を用いて、１３７Ｃｓからのγ線を照射し蛍光減衰時間を測定した。光電子倍増管として、浜松ホトニクス社製のＰＭＴ−Ｒ７６００Ｕを用いた。測定温度は２５℃とした。
【００９１】
図３は、実施例１〜５の結晶を示す図である。図３（ａ）が実施例１の結晶を示し、図３（ｂ）が実施例２の結晶を示し、図３（ｃ）が実施例３の結晶を示し、図３（ｄ）が実施例４の結晶を示し、図３（ｅ）が実施例５の結晶を示す。図４は、実施例２２および実施例２３の結晶を示す図であり、図４（ａ）が実施例２２の結晶を示し、図４（ｂ）が実施例２３の結晶を示す。いずれも黄色又は橙色透明な結晶であった。
【００９２】
密度、結晶の状態、発光ピーク波長、５５０ｎｍにおける透過率（Ｔ（％））、及び、吸光係数（α（ｍｍ−１））の結果を表１および表２に示す。また、実施例３の透過スペクトルを図５に示す。
【００９３】
【表１】
【００９４】
【表２】
【００９５】
表１で示すように、実施例におけるセリウム付活ガーネット型結晶は、発光量４６０〜５５０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有することから、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭ等の４８０〜７００ｎｍに感度の高い波長を有する受光器との組み合わせに適していることがわかる。
【００９６】
実施例１〜２４で得られた結晶に関する諸特性を表３にまとめる。図６は、実施例１３で得られた結晶の励起・発光スペクトルを示す図であり、図７は、実施例１５で得られた結晶の励起・発光スペクトルを示す図であり、図６、７において、横軸は発光波長（ｎｍ）、縦軸は励起波長（ｎｍ）を表す。また、図８は、実施例３で得られたγ線励起エネルギースペクトルを示す。図９は、実施例５〜７で得られた紫外線励起蛍光寿命のスペクトルを示す。図１０は、実施例１５、２０および２１で得られたγ励起蛍光寿命のスペクトルを示す。図１１は、実施例３の結晶を光電子増倍管に接着し，２５２Ｃｆ中性子線を照射して得られたエネルギースペクトルである。
【００９７】
【表３】
【００９８】
表３で示すように、本実施例におけるガーネット型シンチレータ結晶は、放射線検出器に用いるシンチレータとしての性能が非常に優れていることが分かる。さらに、好適なＣｅ濃度、Ｇａ濃度をとることで、高発光量かつエネルギー分解能も高くなることが分かる。また、蛍光寿命の単寿命化及び長寿命成分も低減することができることが分かった。また、蛍光寿命は、３０〜９５ナノ秒程度であり、シンチレータ材料として非常に優れていることが分かった。
【００９９】
特に、実施例１５、２０、および２１で得られた結晶について１３７Ｃｓからのγ線を照射し蛍光減衰時間及び発光量を測定した結果、Ｃｅ濃度が増加するに従い、蛍光寿命は短くなった。また、実施例２０において確認された３８５ｎｓの長寿命成分は、Ｃｅ濃度が増加すると減少した。当該長寿命成分はＧｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移の結果生じるものと考えられ、Ｃｅ濃度が増加すると、エネルギー遷移の確立が増加し、長寿命成分が減少すると考えられる。同時に発光量も向上し、実施例１５で最大となった。この測定結果からもＧｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移現象の存在が確認できる。
【０１００】
図６において、実施例１３の結晶は発光波長５１０ｎｍ付近にＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光ピークが確認され、発光波長３１２ｎｍ付近にＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光由来の発光ピークが確認された。Ｇｄ３＋の４ｆ４ｆ発光由来の発光の励起波長は２６０ｎｍ付近であったが、２６０ｎｍ励起においてＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光も生じることが分かる。このことから、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移現象の存在が確認できる。一方、図７の実施例１５で得られた結晶では、Ｃｅ３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光ピークは確認されなかった。
【０１０１】
また、図８で示すエネルギースペクトルから、実施例３のエネルギー分解能は３．６％であった。
【０１０２】
また、図９で示すように、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶（実施例５）の紫外線励起では、５２０ｎｍの蛍光成分は、８２ｎｓの蛍光寿命と１１２ｎｓの長寿命成分を示した。また、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２結晶（実施例７）では、長寿命成分が無くなり１３ｎｓ（１４％）、４５ｎｓ（８６％）の蛍光寿命を示した。このように、Ｇａ濃度の増加に伴い、蛍光寿命が短寿命化するのが示された。なお、γ線励起蛍光寿命が紫外線励起に比べて長寿命なのは、γ線励起の場合、Ｇｄ３＋の各エネルギー準位を経由してＣｅ３＋４ｆ５ｄ発光に至るためと考えられる。
【０１０３】
図１１のエネルギースペクトルでは、実施例３の結晶中に含まれるＧｄと中性子との（ｎ，γ）反応により放出されるγ線がＧｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２に吸収されることで生じるフォトピークを確認した。
【０１０４】
さらに、実施例１３〜１６及び１８、１９で得られた結晶の蛍光減衰曲線を、フォトルミネッセンスにて観測し、発光波長５３０ｎｍのＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光及び発光波長３１２ｎｍのＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光についてそれぞれ蛍光寿命（蛍光減衰時間）を測定した。結果を、表４に示す。発光波長５３０ｎｍのＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光を励起波長４５０ｎｍで直接励起した場合には、３２〜５１ｎｓの蛍光寿命を示し、Ｇａ及びＳｃ濃度の増加とともに、蛍光寿命が短くなった。また、発光波長５３０ｎｍのＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光をＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光の励起波長である励起波長２５０ｎｍで励起した場合には、９２〜１０２ｎｓの長寿命成分が確認された。さらに、発光波長３１２ｎｍのＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光を２５０ｎｍで励起した場合には、数μｓ〜１２７ｎｓの蛍光寿命が得られ、Ｇａ及びＳｃ濃度の増加とともに、蛍光寿命が短くなった。以上の測定結果からもＧｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移現象の存在が確認できる。
【０１０５】
【表４】
【０１０６】
（実施例２５）
実施例２４で得られたガーネット型シンチレータ単結晶を、２．１ｍｍ×２．１ｍｍ×１５ｍｍのサイズに切削・研磨して、直方体のシンチレータを得た。得られたシンチレータ１００個を、図１に示すように、長手方向に直行する方向に配列し、硫酸バリウム反射材を用いてシンチレータアレイを作製した。シンチレータアレイの写真を図１２に示す。このシンチレータアレイを、位置分解型光電子倍増管Ｈ８５００上に接着し、１３７Ｃｓγ線を照射して、二次元マップを測定した。二次元マップを測定した図を、図１３に示す。二次元マップ測定では、シンチレータアレイの各ピクセル（シンチレータ）に、γ線が入射した場合に各ピクセルに対応するスポットが観察される。このスポットの径が小さくかつスポット間の幅が大きいほど、シンチレータアレイの位置分解能が高いことを示す。実施例２４で得られたガーネット型シンチレータ単結晶を用いた本実施例では、シンチレータアレイの各ピクセルにγ線が入射したことを示すスポットの径が小さく、スポットの幅が大きい。また、本実施例のシンチレータアレイに、１３７Ｃｓγ線を照射し、その際のエネルギースペクトルを測定した。結果を図１６に示す。
【０１０７】
（比較例７）
比較例１で得られた透明セラミックスを用いて、実施例２５に記載の方法と同様にして、シンチレータアレイを作製した。シンチレータアレイの写真を図１４に示す。このシンチレータアレイを、位置分解型光電子倍増管Ｈ８５００上に接着し、１３７Ｃｓγ線を照射して、二次元マップを測定した。二次元マップを測定した図を、図１５に示す。二次元マップ測定では、スポットの径が大きく、スポット間の幅が小さいことがわかる。また、本比較例のシンチレータアレイに、１３７Ｃｓγ線を照射し、その際のエネルギースペクトルを測定した。結果を図１６に示す。
【０１０８】
図１６のエネルギースペクトル図からわかるように、比較例７（比較例１）の透明セラミックスの発光量は、実施例２５（実施例２４）のシンチレータの約４分の１程度である。このため、図１５に示す比較例７のシンチレータアレイの二次元マップは、各スポット間の幅が小さい、すなわち、スポットの分解が悪いと考えられる。また、実施例２５のシンチレータの吸光係数は０．０００９ｍｍ−１であるのに対し、比較例７のシンチレータの吸光係数は０．０２ｍｍ−１である。比較例７の透明セラミックスは、吸光係数が大きいため、２×２×１５ｍｍの寸法のような縦長の形状をとった場合、長手方向の光の吸収が大きくなり、二次元マップのスポットの分離が悪くなると考えられる。一方、実施例２５のシンチレータアレイは、二次元マップのスポットの分離が良好であり、その結果、放射線検出器に用いた場合に、検出器の検出感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０ 暗箱
１１ Ｃｓ１３７γ線源
１２ シンチレータ
１３ テフロン（登録商標）テープ
１４ 光電子増倍管
１５ 前置増幅器
１６ 波形整形増幅器
１７ マルチチャンネルアナライザ
１８ パーソナルコンピュータ
１９ デジタルオシロスコープ
１００ 放射線検出器
１１１ シンチレータアレイ
１１１ａ シンチレータ
１１２ 受光器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出器に関する。より詳細には、ガーネット型シンチレータ結晶を用いた放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線検出器は、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）装置やＸ線コンピュータ断層装置（ＣＴ装置）などの医療画像装置、高エネルギー物理分野における各種放射線計測装置、資源探査装置などに幅広く応用されている。一般に、放射線検出器は、γ線、Ｘ線、α線、中性子線を吸収し、シンチレーション光に変換するシンチレータと、シンチレータ光を受光し、電気信号等に変換する受光素子から構成される。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、核崩壊によって発生する放射線との衝突に基づいて画像が作成される。また、陽電子放射断層撮影法において、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の中へ入って、光検出器によって検出することのできるフォトンに変換される。例えば、被検体内の特定の位置から放出されたフォトンはフォトダイオード（ＰＤ）、シリコンフォトマルチプライヤー（Ｓｉ−ＰＭ）、若しくは光電子増倍管（ＰＭＴ）、又は他の光検出器を使用して、検出することができる。
【０００３】
ＰＤやＳｉ−ＰＭ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ＰＤが知られており、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭは、感度の高い波長が４５０〜７００ｎｍであり、６００ｎｍ付近で最も感度が高くなる。そのため、６００ｎｍ付近に発光ピーク波長を有するシンチレータと組み合わせて使用されている。一般に、ＰＤアレイ、位置検知性アバランシェ・フォトダイオード（ＰＳＡＰＤ）から構成されるアバランシェ・フォトダイオード・アレイ（ＡＰＤアレイ）と称される一形式フォトダイオード、及びＳｉ−ＰＭアレイでは、フォトンを検出して、このフォトンがアレイに衝突する位置を突き止めることができる。
【０００４】
そこで、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）、高速応答の必要性や高エネルギー分解能の点から発光量が多く、蛍光寿命（蛍光減衰時間）が短いことが望まれる。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。また、放射線をシンチレーション光に変換するシンチレータは、その変換効率を高めるために、放射線が透過する方向の寸法が長いことが望まれる。そのため、シンチレータ結晶は、大型の結晶として得られることが望まれる。
【０００５】
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、ガーネット構造を有するシンチレータがある。ガーネット構造を有するシンチレータは、化学的に安定で、劈開性や潮解性が無く、加工性に優れるという利点がある。例えば、特許文献１に記載の、Ｐｒ３＋の４ｆ５ｄ準位からの発光を利用するガーネット構造を持つシンチレータは、蛍光寿命が４０ｎｓ程度以下と短いものの、発光ピーク波長が３５０ｎｍ以下と短波長であり、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長とは一致しない。
【０００６】
また、特許文献２及び非特許文献１には、発光ピーク波長が５５０ｎｍ程度であり、シリコン半導体から構成されるＰＤの感度の高い波長と一致する発光ピーク波長を有する（ＹＧｄ）３Ａｌ５Ｏ１２の多結晶ガーネットシンチレータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／０４９２８４号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−１８１０４３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ，５７９（２００７）２３−２６，"Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃ ＹＡＧ（Ｃｅ）Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓ ｔｏ （ＹＧｄ）３Ａｌ５Ｏ１２（Ｃｅ） ｆｏｒ ｇａｍｍａ−ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１に記載の結晶は、５ｍｍ厚の結晶において波長５６０ｎｍの透過率は、２０％程度と低く、十分な発光量が得られていない。また、一般に、放射線検出器に用いられるシンチレータは、複数の柱状シンチレータをマトリクス状に組み合わせたシンチレータアレイとして使用して、十分な発光量を確保している。柱状のシンチレータは、その長手方向が放射線の入射方向に対して平行となるように配置されるため、シンチレータの長手方向の寸法が大きい場合、十分な発光量を得るためには、シンチレータの透過率を低減させることが望まれる。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い光透過率および高い発光量を有するシンチレータアレイを提供するとともに、当該シンチレータアレイを用いた検出感度の高い放射線検出器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明によれば、放射線を吸収して発光する複数の柱状のシンチレータからなるシンチレータアレイと、上記シンチレータの発光を検知する受光器とを備える放射線検出器であって、上記複数の柱状のシンチレータは、その長手方向に前記放射線が入射するように、複数の行・列に二次元配列され、上記シンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶であり、上記シンチレータは、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下である放射線検出器が提供される。
【００１２】
本発明の放射線検出器に用いられるシンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶からなる。本発明のシンチレータは、波長５５０ｎｍの光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下のガーネット型シンチレータ結晶であるため、光透過率が高く、照射したエネルギー線を良好に透過させることができる。そのため、照射したエネルギー線を効率よくＣｅの発光エネルギーに変換させて、高い発光量を得ることができる。また、発光ピーク波長が光検出器の検出感度の波長域と一致する蛍光成分を発光することができる。したがって、検出感度の高い放射線検出器を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出感度の高い放射線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に従う放射線検出器を示す図である。
【図２】発光量及び蛍光寿命の測定する装置を模式的に示す図である。
【図３】実施例の結晶の透明性を示す図である。
【図４】実施例の結晶の透明性を示す図である。
【図５】実施例の結晶の透過スペクトルを示す図である。
【図６】実施例の結晶の励起・発光スペクトルを示す図である。
【図７】実施例の結晶の励起・発光スペクトルを示す図である。
【図８】実施例の結晶のγ線励起エネルギースペクトルを示す図である。
【図９】実施例の結晶の紫外線励起による蛍光寿命を示す図である。
【図１０】実施例の結晶のγ線励起による蛍光寿命を示す図である。
【図１１】Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２を光電子増倍管に接着し，２５２Ｃｆ中性子線を照射して得られたエネルギースペクトルである。
【図１２】実施例のシンチレータアレイの写真を示す図である。
【図１３】実施例のシンチレータアレイの二次元マップを示す図である。
【図１４】比較例のシンチレータアレイの写真を示す図である。
【図１５】比較例のシンチレータアレイの二次元マップを示す図である。
【図１６】実施例および比較例のγ線励起エネルギースペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る放射線検出器を示す。放射線検出器１００は、シンチレータアレイ１１１と、シンチレータアレイ１１１の発光を検知する受光器１１２とを備える。
シンチレータアレイ１１１は、柱状の細長形状の複数のシンチレータ１１１ａから構成される。柱状のシンチレータ１１１ａの形状としては、例えば、角柱状、円柱状等が挙げられる。本実施形態において、シンチレータ１１１ａは、細長形状の直方体であり、その長手方向に放射線が入射するように、複数の行・列の二次元配列されている。すなわち、シンチレータは、放射線の入射方向に対して長手方向と直交する方向に二次元状に配列されている。シンチレータアレイ１１１を構成するシンチレータ１１１ａは、複数列のマトリクス状に配置されることが好ましい。シンチレータ１１１ａは、放射線の入射に伴って発光し、放射線を光に変換する。放射線検出器１００は、シンチレータ１１１ａの発光を検知する受光器１１２を備える。受光器１１２としては、当該分野で通常使用される光検出素子を使用することができ、例としては、フォトダイオード（ＰＤ）、シリコンフォトマルチプライヤー（Ｓｉ−ＰＭ）、および光電子増倍管（ＰＭＴ）等が挙げられる。本発明の放射線検出器は、受光器１１２に接続され、受光器１１２から出力された電気信号に基づいて、放射線検出器１００における放射線吸収位置等を求める演算処理を行う処理ユニット（不図示）をさらに備え得る。
【００１６】
シンチレータアレイ１１１ａは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶である。このようなガーネット型シンチレータ結晶は、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下であり、好ましくは、０．００３ｍｍ−１以下であり、より好ましくは、０．００１５ｍｍ−１以下である。こうすることで、厚さ５ｍｍの結晶において、波長５５０ｎｍの光の透過率を８０％以上とすることができる。
【００１７】
なお、本明細書において、吸光係数とは、厚み１ｍｍの結晶と厚み５ｍｍの結晶とを用意し、波長５５０ｎｍの光を照射したときの透過率（％）を測定し、下記式（２）により求められるものである。
Ｔ＝（１−Ｒ）２ｅ−２αＬ／（１−Ｒ２ｅ−２αＬ）・・・（２）
〔式（２）中、αが吸光係数（ｍｍ−１）であり、Ｔが波長５５０ｎｍの光に対する透過率（％）であり、Ｒが反射率であり、Ｌが試料の厚さ（ｍｍ）である。〕
【００１８】
波長５５０ｎｍの光の透過率は、７０％以上が好ましく、７５％以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。なお、この透過率は、厚み５ｍｍの結晶を波長５５０ｎｍで測定したものである。
【００１９】
好ましくは、本発明のシンチレータに用いられるガーネット型シンチレータ結晶は、以下の式（１）で表される組成を有する。
Ｇｄ３−ｘ−ｙＣｅｘＲＥｙＡｌ５−ｚＭｚＯ１２ （１）
【００２０】
上記一般式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．９、０≦ｚ≦４．８であり、ＭはＧａ及びＳｃから選択される少なくとも１種であり、ＲＥはＹ、Ｙｂ及びＬｕから選択される少なくとも１種である。
【００２１】
また、上記一般式（１）においてＲＥをＬｕ、Ｙとし、０≦ｚ＜１とした場合、ｙの下限を１．８≦ｙとすることが好ましく、さらにｙの下限を２．２≦ｙとするとより好ましい。こうすることで、波長５５０ｎｍの透過率を高めることができる。
【００２２】
また、上記一般式（１）においてＭをＧａとし０≦ｙ＜０．１とした場合、ｚの下限を１≦ｚとすることが好ましく、さらにｚの下限を２≦ｚとするとより好ましい。こうすることで、波長５５０ｎｍの透過率を高めることができる。
【００２３】
本実施形態のガーネット型シンチレータ結晶において、Ｃｅの濃度ｘは、０．０００１≦ｘ≦０．１５であり、好ましくは、０．００１≦ｘ≦０．１５であり、より好ましくは、０．００６≦ｘ≦０．１５である。このように、上記一般式（１）において好適なＣｅの値をとることで、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。
【００２４】
本実施の形態に係るガーネット型シンチレータ結晶は、γ線で励起させることができ、これにより、蛍光発光させることが可能になる。その発光ピーク波長は、４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下とすることができ、好ましくは、４６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下とすることができる。そのため、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長と一致させることができる。
【００２５】
本実施形態に係るガーネット型シンチレータ結晶は、単結晶であることが好ましい。単結晶とすることにより、粒界が存在しないか、あるいは、非常に少なく、均一な結晶軸方位をとることができる。そのため、結晶内部における応力や歪みの発生を少なくでき、Ｃｅ本来の発光特性が引き出され、高い発光量を得ることができる。例えば、γ線励起による蛍光発光の発光量を２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上とすることができ、好ましくは、４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上とすることができ、より好ましくは、５００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上とすることができる。
【００２６】
本明細書において、発光量とは、φ３ｍｍ×２ｍｍサイズの結晶を２５℃で測定したものをいい、例えば、図２のような測定装置を用いて測定することができる。この測定装置では、暗箱１０内に、Ｃｓ１３７γ線源１１と、測定サンプルであるシンチレータ１２と、光電子増倍管１４とが備えられている。シンチレータ１２は、光電子増倍管１４に、テフロン（登録商標）テープ１３を用いて物理的に固着されるとともに、光学接着剤等により光学接着されている。そして、Ｃｓ１３７γ線源１１から、６２２ｋｅＶのγ線をシンチレータ１２に照射し、光電子増倍管１４より出力される、パルス信号を前置増幅器１５、波形整形増幅器１６へと入力し、増幅・波形整形し、さらにマルチチャンネルアナライザ１７へと入力し、パーソナルコンピュータ１８を用いてＣｓ１３７γ線励起のエネルギースペクトルを取得する。得られたエネルギースペクトル中の光電吸収ピークの位置を既知のシンチレータであるＣｅ：ＬＹＳＯ（発光量：３３０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ）と比較し、光電子増倍管１４の波長感度をそれぞれ考慮し、発光量を最終的に算出する。
【００２７】
この測定方法では、シンチレーションカウンティング法による発光量を測定しており、放射線に対する光電変換効率を求めることができる。そのため、シンチレータが持つ固有の発光量を測定することができる。
【００２８】
本実施の形態のガーネット型結晶では上記一般式（１）において好適なｘ、ｙ、ｚの値をとることで液相からの単結晶育成を可能にし、大型で、高品質の単結晶を育成することができる。
【００２９】
また、一般式（１）において好適なＧａ及びＳｃの値をとることで、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。
【００３０】
さらに、上記一般式（１）において好適なＣｅの値をとることで、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移が促進され、結果として蛍光寿命が短くなり、長寿命発光成分が減少するとともに、発光量が高くなる。
【００３１】
具体的には、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、例えば、式中０．００６≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹ、ＭがＧａとすることで、発光量が３００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。また、さらに、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３２】
また、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、式中、例えば、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＬｕ、ＭがＧａとすることで、発光量が２５０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。また、さらに、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量を４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３３】
また、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、式中、例えば、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦３であり、ＲＥがＹ、ＭがＳｃであり、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３４】
また、上記一般式（１）で表されるガーネット型結晶において、式中、例えば、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦２．５であり、ＲＥがＬｕ、ＭがＳｃであり、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が３００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３５】
また、上記一般式（１）において、式中０．００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１、２．０≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹ、Ｌｕであり、吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下の結晶にすることで、発光量が４００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上のガーネット型結晶とすることができる。
【００３６】
本実施の形態に係るガーネット型結晶の蛍光寿命（蛍光減衰時間）は、１００ナノ秒以下とすることができ、より好ましくは、８０ナノ秒以下、さらに好ましくは、７０ナノ秒以下とすることができる。したがって、本発明の放射線検出器を用いて蛍光を測定する場合、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。なお、本発明において、γ線励起による蛍光発光の蛍光減衰時間は、例えば、上述の図２で示す測定装置を用いて測定することができる。具体的には、Ｃｓ１３７γ線源１１からγ線をシンチレータ１２に照射し、デジタルオシロスコープ１９を用いて、光電子増倍管１４より出力されるパルス信号を取得し、蛍光減衰成分を解析することで、各蛍光減衰成分の蛍光減衰時間、及び、蛍光寿命成分全体の強度に対する各蛍光減衰成分の強度の割合を算出することができる。
【００３７】
このように、本実施の形態に係るガーネット型シンチレータ結晶から構成されるシンチレータアレイは、エネルギー分解能にも優れることから、放射線検出器に用いた場合に高精度な放射線検出が可能となる。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。
【００３８】
本実施の形態に係るシンチレータ用ガーネット型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％以上（４Ｎ以上）の高純度原料を用いることが特に好ましく、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、混合したものを用いる。さらにこれらの原料中には、特に目的とする組成以外の不純物が極力少ない（例えば、１ｐｐｍ以下）ものが特に好ましい。特に発光波長付近に発光を有する元素（例えば、Ｔｂなど）を極力含まない原料を用いることが好ましい。
【００３９】
結晶の育成は、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）雰囲気下で行うことが好ましい。又は、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）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う場合、坩堝の酸化を防ぐ目的で、酸素の分圧は２％以下であることが好ましい。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（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）、及び、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）と酸素ガスとの混合ガスを用いることができる。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。
【００４０】
本実施の形態の酸化物のガーネット型結晶の製造方法としては、マイクロ引き下げ法に加え、チョコラルスキー法（引き上げ法）、ブリッジマン法、帯溶融法（ゾーンメルト法）、及び縁部限定薄膜供給結晶成長（ＥＦＧ法）及び熱間静水圧プレス燒結法等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４１】
また、使用できる坩堝及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、又はこれらの合金が挙げられる。
【００４２】
シンチレータ用結晶の製造においては、さらに高周波発振機、集光加熱器、及び抵抗加熱機を使用してもよい。
【００４３】
以下に本実施形態の酸化物のガーネット型シンチレータ結晶の製造方法について、マイクロ引き下げ法を用いた結晶製造法を一例として示すが、これに限定されるものではない。
【００４４】
マイクロ引き下げ法については、高周波誘導加熱による雰囲気制御型マイクロ引き下げ装置を用いて行うことができる。マイクロ引き下げ装置は、坩堝と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる種を保持する種保持具と、種保持具を下方に移動させる移動機構と、移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱手段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、坩堝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。
【００４５】
上記のマイクロ引き下げ装置において、坩堝は、カーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、又はこれらの合金製である。また、坩堝底部外周にカーボン、白金、イリジウム、ロジウム、レニウム、又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。坩堝及びアフターヒータ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、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液の固液境界領域の温度及びその分布を制御することができる。
【００４６】
上記の雰囲気制御型マイクロ引き下げ装置は、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、雰囲気制御を可能にするため、ロータリーポンプを具備し、ガス置換前において、真空度が０．１３Ｐａ（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、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２ガス等を導入できるものである。
【００４７】
この装置を用いて、上述の方法にて準備した原料を坩堝に入れ、炉内を排気して高真空にした後、Ａｒガス又はＡｒガスとＯ２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又は低酸素分圧雰囲気とし、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坩堝を加熱して、坩堝内の原料を完全に融解する。
【００４８】
続いて、種結晶を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の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、引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させる。
【００４９】
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。また種結晶として方位の明確なものを使用することが好ましい。
【００５０】
準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了となる。一方、組成を均一に保つ目的及び長尺化の目的で、原料の連続チャージ用機器を取り入れてもよい。
【００５１】
上記のようにして得られたガーネット型シンチレータ結晶は、切削・研磨することにより、所望の形状のシンチレータとすることができる。得られた複数個のシンチレータは、硫酸バリウム等の反射材を用いて、当該分野で公知の方法により、シンチレータアレイとすることができる。シンチレータアレイの形状は柱状であり、好ましくは、角柱状または円柱状である。本発明の好ましい実施形態において、シンチレータアレイは直方体である。
【００５２】
上記方法で得られるガーネット型シンチレータ結晶は、大型結晶とすることができる。このため、本発明のシンチレータは、長手方向の厚みを、１ｍｍ以上とすることができる。また、放射線検出器に用いるために、長手方向の厚みを１５ｍｍ、またはそれ以上の厚みとすることができる。本発明のシンチレータは、ガーネット型シンチレータ結晶を切削・研磨することにより、所望の発光量を得るのに好適な寸法とすることができる。
【００５３】
本発明のシンチレータアレイは、放射線により励起されると、４６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光ピーク波長で発光することができる。したがって、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭの感度の高い波長と一致させることができる。また、このとき、２００００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ以上の発光量で発光できるため、高い位置分解能かつ高いＳ／Ｎを持つ放射線検出器を実現することができる。
【００５４】
また、本発明のシンチレータアレイは、蛍光寿命（蛍光減衰時間）が１００ナノ秒以下の蛍光成分を発光し、蛍光寿命が１００ナノ秒を超える長寿命成分の強度を、蛍光成分全体の強度に対して２０％以下にすることができる。したがって、本発明のシンチレータアレイを備えた放射線検出器は、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。
【００５５】
また、本発明のシンチレータアレイでは、６６２ｋｅＶでのエネルギー分解能を１０％以下とすることができる。したがって、本発明のシンチレータアレイを備えた放射線検出器では、高精度な放射線検出が可能となる。
【００５６】
また、本発明のガーネット型シンチレータ結晶の密度は、６．５〜７．１ｇ／ｃｍ３の範囲とすることができる。したがって、シンチレータアレイおよびこれを用いる放射線検出器を小型化することができる。
【００５７】
このように、本発明のシンチレータアレイは、高発光量、高いエネルギー分解能、高密度かつ短寿命の発光を有するため、本発明のシンチレータアレイを備える放射線検査装置では、高感度かつ高速応答の放射線検出が可能となる。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明の具体例について、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。また、実施例及び比較例においてマイクロ引下げ法は、坩堝をイリジウムとし、育成雰囲気は酸素１％含有アルゴン、育成温度は、０．０５ｍｍ／分とした。
【００５９】
（実施例１）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６０】
（実施例２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６１】
（実施例３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６２】
（実施例４）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ４Ａｌ１Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６３】
（実施例５）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６４】
（実施例６）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６５】
（実施例７）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６６】
（実施例８）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６７】
（実施例９）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６８】
（実施例１０）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００６９】
（実施例１１）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７０】
（実施例１２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ１．９７Ｌｕ１Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７１】
（実施例１３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７２】
（実施例１４）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｇａ１Ａｌ４Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７３】
（実施例１５）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７４】
（実施例１６）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７５】
（実施例１７）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７６】
（実施例１８）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｓｃ０．５Ａｌ４．５Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７７】
（実施例１９）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．０３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７８】
（実施例２０）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２９７Ｌｕ２．７Ｃｅ０．００３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００７９】
（実施例２１）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ０．２９７Ｌｕ２．５５Ｃｅ０．１５Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８０】
（実施例２２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８１】
（実施例２３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９９５Ｃｅ０．００５Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８２】
（実施例２４）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表されるガーネット型単結晶を作製した。得られた単結晶は、透明であった。
【００８３】
（比較例１）
熱間静水圧プレス燒結法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２の組成で表される透明セラミックスを作製した。
なお、熱間静水圧プレス燒結法を用いた透明セラミックスの作製方法は以下の通りである。はじめに、各粉末原料をアルミナ坩堝に入れ、アルミナの蓋をした後、１５００℃で２時間仮焼した。冷却後、純水で洗浄し乾燥したシンチレータ粉末を、２４時間ボールミル粉砕し、粒径１〜２μｍのシンチレータ粉砕粉を得る。ついで、この粉砕紛に、純水を５重量％添加し、５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で一軸プレス成形し、その後、加圧力３ｔｏｎ／ｃｍ２で冷間静水圧プレスを行って、理論密度に対し６４％程度の成形体を得た。その後、得られた成形体をこう鉢に入れ、フタをして、１７５０℃、３時間の一次燒結を行い、理論密度に対し、９８．５％以上の燒結体を得た。
【００８４】
（比較例２）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．９７Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００８５】
（比較例３）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．６７Ｙ０．3Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００８６】
（比較例４）
【００８７】
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．67Ｌｕ０．3Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は不透明な多結晶であった。
【００８８】
（比較例５）
マイクロ引下げ法により、Ｇｄ２．6７Ｙ０．3Ｃｅ０．０３Ｓｃ１Ａｌ４Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００８９】
（比較例６）
マイクロ引下げ法により、Ｌｕ２．６７Ｇｄ０．３Ｃｅ０．０３Ｓｃ３Ａｌ２Ｏ１２結晶の組成で表されるガーネット型結晶を作製した。得られた結晶は、不透明な多結晶であった。
【００９０】
各々の光学特性評価及びシンチレータ特性を評価した。なお、特に明示しない限り、実施例１〜２４、比較例１〜６で得られた結晶をφ３ｍｍ×２ｍｍサイズに加工し、φ３ｍｍ面を両面光学研磨して評価した。
１．透過率（Ｔ）
実施例１〜２４、比較例１〜６で得られた結晶をφ３ｍｍ×５ｍｍサイズに加工し、φ３ｍｍ面を両面光学研磨し、分光光度計（Ｕ４０００、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて５５０ｎｍにおける透過率を測定した。
２．吸光係数（α）
実施例１〜２４、比較例１〜６で得られた結晶について、φ３×１ｍｍサイズ及びφ３ｍｍ×１５ｍｍサイズに加工研磨したものも用意し、発光ピーク波長における透過率をそれぞれ測定し、上記式（２）を用いて、吸光係数α（ｍｍ−１）を求めた。
３．励起・発光スペクトル測定
分光蛍光光度計（Ｆ−７０００、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて、フォトルミネセンス法（Ｘ線励起：ＣｕＫα）により励起・発光スペクトルを測定した。
４．γ線励起発光量、エネルギー分解能
図２に示す装置を用いて、φ３×２ｍｍサイズに加工研磨した結晶に１３７Ｃｓからのγ線を照射し発光量を測定した。光電子倍増管として、浜松ホトニクス社製のＰＭＴ−Ｒ７６００Ｕを用いた。得られたエネルギースペクトル中の光電吸収ピークの位置を既知のシンチレータであるＣｅ：ＬＹＳＯ（発光量：３３０００ｐｈｏｔｏｎ／ＭｅＶ）と比較し、光電子増倍管の波長感度をそれぞれ考慮し、発光量を算出した。測定温度は２５℃とした。エネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ）は、６６２ｋｅＶ（Ｅ）を基準とした反値幅（ＦＷＨＭ、ΔＥ）から算出した。
５．紫外線蛍光寿命測定
２５０ｎｍ紫外線励起（Ｘ線励起：ＣｕＫα）して生じた発光波長５３０ｎｍの蛍光成分の蛍光減衰時間を測定した。
６．γ線蛍光寿命測定
図２に示す装置を用いて、１３７Ｃｓからのγ線を照射し蛍光減衰時間を測定した。光電子倍増管として、浜松ホトニクス社製のＰＭＴ−Ｒ７６００Ｕを用いた。測定温度は２５℃とした。
【００９１】
図３は、実施例１〜５の結晶を示す図である。図３（ａ）が実施例１の結晶を示し、図３（ｂ）が実施例２の結晶を示し、図３（ｃ）が実施例３の結晶を示し、図３（ｄ）が実施例４の結晶を示し、図３（ｅ）が実施例５の結晶を示す。図４は、実施例２２および実施例２３の結晶を示す図であり、図４（ａ）が実施例２２の結晶を示し、図４（ｂ）が実施例２３の結晶を示す。いずれも黄色又は橙色透明な結晶であった。
【００９２】
密度、結晶の状態、発光ピーク波長、５５０ｎｍにおける透過率（Ｔ（％））、及び、吸光係数（α（ｍｍ−１））の結果を表１および表２に示す。また、実施例３の透過スペクトルを図５に示す。
【００９３】
【表１】
【００９４】
【表２】
【００９５】
表１で示すように、実施例におけるセリウム付活ガーネット型結晶は、発光量４６０〜５５０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有することから、シリコン半導体から構成されるＰＤやＳｉ−ＰＭ等の４８０〜７００ｎｍに感度の高い波長を有する受光器との組み合わせに適していることがわかる。
【００９６】
実施例１〜２４で得られた結晶に関する諸特性を表３にまとめる。図６は、実施例１３で得られた結晶の励起・発光スペクトルを示す図であり、図７は、実施例１５で得られた結晶の励起・発光スペクトルを示す図であり、図６、７において、横軸は発光波長（ｎｍ）、縦軸は励起波長（ｎｍ）を表す。また、図８は、実施例３で得られたγ線励起エネルギースペクトルを示す。図９は、実施例５〜７で得られた紫外線励起蛍光寿命のスペクトルを示す。図１０は、実施例１５、２０および２１で得られたγ励起蛍光寿命のスペクトルを示す。図１１は、実施例３の結晶を光電子増倍管に接着し，２５２Ｃｆ中性子線を照射して得られたエネルギースペクトルである。
【００９７】
【表３】
【００９８】
表３で示すように、本実施例におけるガーネット型シンチレータ結晶は、放射線検出器に用いるシンチレータとしての性能が非常に優れていることが分かる。さらに、好適なＣｅ濃度、Ｇａ濃度をとることで、高発光量かつエネルギー分解能も高くなることが分かる。また、蛍光寿命の単寿命化及び長寿命成分も低減することができることが分かった。また、蛍光寿命は、３０〜９５ナノ秒程度であり、シンチレータ材料として非常に優れていることが分かった。
【００９９】
特に、実施例１５、２０、および２１で得られた結晶について１３７Ｃｓからのγ線を照射し蛍光減衰時間及び発光量を測定した結果、Ｃｅ濃度が増加するに従い、蛍光寿命は短くなった。また、実施例２０において確認された３８５ｎｓの長寿命成分は、Ｃｅ濃度が増加すると減少した。当該長寿命成分はＧｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移の結果生じるものと考えられ、Ｃｅ濃度が増加すると、エネルギー遷移の確立が増加し、長寿命成分が減少すると考えられる。同時に発光量も向上し、実施例１５で最大となった。この測定結果からもＧｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移現象の存在が確認できる。
【０１００】
図６において、実施例１３の結晶は発光波長５１０ｎｍ付近にＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光ピークが確認され、発光波長３１２ｎｍ付近にＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光由来の発光ピークが確認された。Ｇｄ３＋の４ｆ４ｆ発光由来の発光の励起波長は２６０ｎｍ付近であったが、２６０ｎｍ励起においてＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光も生じることが分かる。このことから、Ｇｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移現象の存在が確認できる。一方、図７の実施例１５で得られた結晶では、Ｃｅ３＋の４ｆ５ｄ発光由来の発光ピークは確認されなかった。
【０１０１】
また、図８で示すエネルギースペクトルから、実施例３のエネルギー分解能は３．６％であった。
【０１０２】
また、図９で示すように、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ａｌ５Ｏ１２結晶（実施例５）の紫外線励起では、５２０ｎｍの蛍光成分は、８２ｎｓの蛍光寿命と１１２ｎｓの長寿命成分を示した。また、Ｇｄ０．５７Ｙ２．４Ｃｅ０．０３Ｇａ２Ａｌ３Ｏ１２結晶（実施例７）では、長寿命成分が無くなり１３ｎｓ（１４％）、４５ｎｓ（８６％）の蛍光寿命を示した。このように、Ｇａ濃度の増加に伴い、蛍光寿命が短寿命化するのが示された。なお、γ線励起蛍光寿命が紫外線励起に比べて長寿命なのは、γ線励起の場合、Ｇｄ３＋の各エネルギー準位を経由してＣｅ３＋４ｆ５ｄ発光に至るためと考えられる。
【０１０３】
図１１のエネルギースペクトルでは、実施例３の結晶中に含まれるＧｄと中性子との（ｎ，γ）反応により放出されるγ線がＧｄ２．３７Ｙ０．６Ｃｅ０．０３Ｇａ３Ａｌ２Ｏ１２に吸収されることで生じるフォトピークを確認した。
【０１０４】
さらに、実施例１３〜１６及び１８、１９で得られた結晶の蛍光減衰曲線を、フォトルミネッセンスにて観測し、発光波長５３０ｎｍのＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光及び発光波長３１２ｎｍのＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光についてそれぞれ蛍光寿命（蛍光減衰時間）を測定した。結果を、表４に示す。発光波長５３０ｎｍのＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光を励起波長４５０ｎｍで直接励起した場合には、３２〜５１ｎｓの蛍光寿命を示し、Ｇａ及びＳｃ濃度の増加とともに、蛍光寿命が短くなった。また、発光波長５３０ｎｍのＣｅ３＋の４ｆ５ｄ発光をＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光の励起波長である励起波長２５０ｎｍで励起した場合には、９２〜１０２ｎｓの長寿命成分が確認された。さらに、発光波長３１２ｎｍのＧｄ３＋の４ｆ４ｆ発光を２５０ｎｍで励起した場合には、数μｓ〜１２７ｎｓの蛍光寿命が得られ、Ｇａ及びＳｃ濃度の増加とともに、蛍光寿命が短くなった。以上の測定結果からもＧｄ３＋のエネルギー準位からＣｅ３＋のエネルギー準位へのエネルギー遷移現象の存在が確認できる。
【０１０５】
【表４】
【０１０６】
（実施例２５）
実施例２４で得られたガーネット型シンチレータ単結晶を、２．１ｍｍ×２．１ｍｍ×１５ｍｍのサイズに切削・研磨して、直方体のシンチレータを得た。得られたシンチレータ１００個を、図１に示すように、長手方向に直行する方向に配列し、硫酸バリウム反射材を用いてシンチレータアレイを作製した。シンチレータアレイの写真を図１２に示す。このシンチレータアレイを、位置分解型光電子倍増管Ｈ８５００上に接着し、１３７Ｃｓγ線を照射して、二次元マップを測定した。二次元マップを測定した図を、図１３に示す。二次元マップ測定では、シンチレータアレイの各ピクセル（シンチレータ）に、γ線が入射した場合に各ピクセルに対応するスポットが観察される。このスポットの径が小さくかつスポット間の幅が大きいほど、シンチレータアレイの位置分解能が高いことを示す。実施例２４で得られたガーネット型シンチレータ単結晶を用いた本実施例では、シンチレータアレイの各ピクセルにγ線が入射したことを示すスポットの径が小さく、スポットの幅が大きい。また、本実施例のシンチレータアレイに、１３７Ｃｓγ線を照射し、その際のエネルギースペクトルを測定した。結果を図１６に示す。
【０１０７】
（比較例７）
比較例１で得られた透明セラミックスを用いて、実施例２５に記載の方法と同様にして、シンチレータアレイを作製した。シンチレータアレイの写真を図１４に示す。このシンチレータアレイを、位置分解型光電子倍増管Ｈ８５００上に接着し、１３７Ｃｓγ線を照射して、二次元マップを測定した。二次元マップを測定した図を、図１５に示す。二次元マップ測定では、スポットの径が大きく、スポット間の幅が小さいことがわかる。また、本比較例のシンチレータアレイに、１３７Ｃｓγ線を照射し、その際のエネルギースペクトルを測定した。結果を図１６に示す。
【０１０８】
図１６のエネルギースペクトル図からわかるように、比較例７（比較例１）の透明セラミックスの発光量は、実施例２５（実施例２４）のシンチレータの約４分の１程度である。このため、図１５に示す比較例７のシンチレータアレイの二次元マップは、各スポット間の幅が小さい、すなわち、スポットの分解が悪いと考えられる。また、実施例２５のシンチレータの吸光係数は０．０００９ｍｍ−１であるのに対し、比較例７のシンチレータの吸光係数は０．０２ｍｍ−１である。比較例７の透明セラミックスは、吸光係数が大きいため、２×２×１５ｍｍの寸法のような縦長の形状をとった場合、長手方向の光の吸収が大きくなり、二次元マップのスポットの分離が悪くなると考えられる。一方、実施例２５のシンチレータアレイは、二次元マップのスポットの分離が良好であり、その結果、放射線検出器に用いた場合に、検出器の検出感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０ 暗箱
１１ Ｃｓ１３７γ線源
１２ シンチレータ
１３ テフロン（登録商標）テープ
１４ 光電子増倍管
１５ 前置増幅器
１６ 波形整形増幅器
１７ マルチチャンネルアナライザ
１８ パーソナルコンピュータ
１９ デジタルオシロスコープ
１００ 放射線検出器
１１１ シンチレータアレイ
１１１ａ シンチレータ
１１２ 受光器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を吸収して発光する複数の柱状のシンチレータからなるシンチレータアレイと、前記シンチレータの発光を検知する受光器とを備える放射線検出器であって、
前記複数の柱状のシンチレータは、その長手方向に前記放射線が入射するように、複数の行・列に二次元配列され、
前記シンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶であり、
前記シンチレータは、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下である、放射線検出器。
【請求項２】
前記シンチレータの長手方向の寸法が、１５ｍｍ以上である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項３】
前記シンチレータの長手方向の波長５５０ｎｍの光に対する透過率が７０％以上である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項４】
前記シンチレータが、蛍光寿命１００ナノ秒以下の蛍光成分を有する、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項５】
前記蛍光成分の発光ピーク波長が、４６０ｎｍ以上、７００ｎｍ以下である、請求項４に記載の放射線検出器。
【請求項６】
前記ガーネット型シンチレータ結晶が、式（１）：
Ｇｄ３−ｘ−ｙＣｅｘＲＥｙＡｌ５−ｚＭｚＯ１２ （１）
（式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．９、０≦ｚ≦４．８であり、ＭはＧａ及びＳｃから選択される少なくとも１種であり、ＲＥはＹ、Ｙｂ及びＬｕから選択される少なくとも１種である）で表される組成を有する、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項７】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹであり、ＭがＧａである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項８】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＬｕであり、ＭがＧａである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項９】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦３であり、ＲＥがＹであり、ＭがＳｃである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項１０】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦２．５であり、ＲＥがＬｕであり、ＭがＳｃである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項１１】
前記式（１）において、０．００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１、２．０≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹ、Ｌｕである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項１２】
前記シンチレータの発光量が２００００ｐｈｏｔｏｎ／Ｍｅ以上である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１３】
前記ガーネット型シンチレータ結晶が、単結晶である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１４】
前記シンチレータが直方体である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１５】
前記シンチレータは、複数列のマトリクス状に配置される、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１６】
前記シンチレータアレイが直方体である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１】
放射線を吸収して発光する複数の柱状のシンチレータからなるシンチレータアレイと、前記シンチレータの発光を検知する受光器とを備える放射線検出器であって、
前記複数の柱状のシンチレータは、その長手方向に前記放射線が入射するように、複数の行・列に二次元配列され、
前記シンチレータは、Ｇｄ、Ａｌ、Ｏ、およびＣｅ、ならびにＧａ、Ｓｃ、Ｙ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも１種を含むガーネット型シンチレータ結晶であり、
前記シンチレータは、５５０ｎｍの波長の光に対する吸光係数が０．００５ｍｍ−１以下である、放射線検出器。
【請求項２】
前記シンチレータの長手方向の寸法が、１５ｍｍ以上である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項３】
前記シンチレータの長手方向の波長５５０ｎｍの光に対する透過率が７０％以上である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項４】
前記シンチレータが、蛍光寿命１００ナノ秒以下の蛍光成分を有する、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項５】
前記蛍光成分の発光ピーク波長が、４６０ｎｍ以上、７００ｎｍ以下である、請求項４に記載の放射線検出器。
【請求項６】
前記ガーネット型シンチレータ結晶が、式（１）：
Ｇｄ３−ｘ−ｙＣｅｘＲＥｙＡｌ５−ｚＭｚＯ１２ （１）
（式（１）中、０．０００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．９、０≦ｚ≦４．８であり、ＭはＧａ及びＳｃから選択される少なくとも１種であり、ＲＥはＹ、Ｙｂ及びＬｕから選択される少なくとも１種である）で表される組成を有する、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項７】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹであり、ＭがＧａである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項８】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．７、１．５≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＬｕであり、ＭがＧａである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項９】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦３であり、ＲＥがＹであり、ＭがＳｃである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項１０】
前記式（１）において、０．００６≦ｘ≦０．１５、０．３≦ｙ≦２．９、０．５≦ｚ≦２．５であり、ＲＥがＬｕであり、ＭがＳｃである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項１１】
前記式（１）において、０．００１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１、２．０≦ｚ≦３．５であり、ＲＥがＹ、Ｌｕである、請求項６に記載の放射線検出器。
【請求項１２】
前記シンチレータの発光量が２００００ｐｈｏｔｏｎ／Ｍｅ以上である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１３】
前記ガーネット型シンチレータ結晶が、単結晶である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１４】
前記シンチレータが直方体である、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１５】
前記シンチレータは、複数列のマトリクス状に配置される、請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項１６】
前記シンチレータアレイが直方体である、請求項１に記載の放射線検出器。
【図１】
【図２】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１６】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１６】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−２８８２（Ｐ２０１３−２８８２Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３２５７３（Ｐ２０１１−１３２５７３）
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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