真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーター
【課題】フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用できる新たなリチウムガラスからなる真空紫外発光素子及び散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターを提供する。
【解決手段】リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなる真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーター。
【解決手段】リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなる真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用できる真空紫外発光素子、及び爆縮プラズマからの散乱中性子などの中性子検出を好適に行うことが可能な中性子検出用シンチレーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度紫外発光素子は、半導体分野、情報分野、医療分野等における先端技術を支える材料であり、近年では、記録媒体への記録密度の向上を始めとする多くの需要に応えるべく、より短波長で発光する紫外発光素子の開発が進められている。この短波長で発光する紫外発光素子としては、窒化ガリウム等の材料による発光波長３００ｎｍ台の発光素子が提案されており（非特許文献１参照）、また、近年では高純度六方晶窒化ホウ素結晶による発光波長２１５ｎｍ台の発光素子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
発光波長が２００ｎｍ以下の真空紫外発光素子は、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌等にも好適に使用できるため、開発が望まれているが、かかる真空紫外発光素子を得ることは容易ではない。
【０００４】
真空紫外領域における発光特性は、材料中の不純物の影響を受けやすく、また、たとえ真空紫外領域に発光のエネルギー準位を有する材料であっても、より低いエネルギー準位に基づく長波長での発光が支配的である、非輻射遷移による損失が甚大である等の理由により、所望の真空紫外発光を得られない場合が数多く見受けられる。
【０００５】
したがって、真空紫外領域における発光特性を予め予測することは極めて困難であり、このことが真空紫外発光素子の開発における大きな障壁となっている。
【０００６】
さらに、真空紫外線は多くの物質に吸収される性質を有しており、発光素子からの発光を、発光素子自身が自己吸収するという問題があるため、材料の選択に著しい制限を受ける。
【０００７】
かかる現状において、真空紫外発光素子のわずかな例として、ネオジウムを含有するフッ化物結晶が知られている（非特許文献２参照）。しかしながら、結晶を作製するには長時間かけて安定に温度を管理する必要があり、不純物を含まない大型で高品質な結晶を安定に製造することが困難であった。
【０００８】
一方、散乱中性子計測用シンチレーターとして、ガラスシンチレーター材料の開発がなされている。レーザー核融合において、核融合燃焼率は爆縮プラズマでの燃料面密度ρＲ（プラズマ密度×プラズマ半径、）に強く依存する。そこで散乱中性子を計測することで、このρＲの値を求めることが考えられた。しかし、爆縮プラズマからは散乱中性子と比べて多量の１次中性子やＸ線が放出されるため、遅れて出てくる散乱中性子のみを分離して検出することは困難であった。そこで、散乱中性子にのみ感度を強くした材料が求められている。さらに、遅れて出てくる散乱中性子を、先に出てくるＸ線及び１次中性子と分離して計測するため、短い発光寿命が求められる（特許文献２）。
【０００９】
特許文献２にはガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＰｒＦ３が添加されたリチウムガラス材料からなる中性子検出用シンチレーターが記載されている。６Ｌｉによる中性子捕獲反応を利用して中性子を検出するリチウムガラスシンチレータでは、爆縮プラズマからの中性子の測定に用いる場合に、１次中性子ｎ０よりも低エネルギーの散乱中性子ｎＳに対し、６Ｌｉでの反応断面積の共鳴ピークが後方散乱中性子のエネルギーとほぼ一致する。したがって、爆縮プラズマからの中性子のうちで、燃料面密度ρＲに対応する散乱中性子を選択的に高効率で検出することができる。さらに、特許文献２では紫外領域に発光を持つプラセオジウムを発光核に使用しており、この時の発光の減衰定数は１９ｎｓである。よって、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能である。しかし、より正確に散乱中性子数を測定するためにはより時間分解能を向上させる必要があるため、より短い発光寿命のシンチレーターが求められている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２２８８８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６１７５３号公報
【非特許文献１】Ｉｗａｙａ．Ｍ ｅｔ ａｌ、“Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＵＶ−ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｏｎ ｓａｐｐｈｉｒｅ” Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ１−Ｒｅｇｕｌａｒ Ｐａｐｅｒｓ Ｓｈｏｒｔ Ｎｏｔｅｓ ＆ Ｒｅｖｉｅｗ Ｐａｐｅｒｓ ４２，４００（２００３）．
【非特許文献２】Ａ．Ｃ． Ｃｅｆａｌａｓ ｅｔ ａｌ、“Ｉｎｔｅｎｓｅ ｖａｃｕｕｍ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｔ １７２ ｎｍ ｆｒｏｍ ＬａＦ３：Ｎｄ３＋ ｃｒｙｓｔａｌｓ” Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５７，９３（２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、真空紫外領域で高輝度発光し、発光寿命が短いリチウムガラスからなり、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用できる新たな真空紫外発光素子を提供することを目的とする。また、爆縮プラズマからの中性子のうち、散乱中性子を選択的に高効率で検出するとともに、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、爆縮プラズマからの中性子のうち、散乱中性子を選択的に高効率で検出でき、且つ、より短い発光寿命を有し、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーター材料につき種々検討した結果、ＬｉＦの含有量が高くても容易に製造することができるガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３を添加することによって、真空紫外領域で高輝度発光することを見出した。
【００１３】
さらに、ガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３を添加したリチウムガラスは発光寿命がより短く、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターとして適用できる可能性があることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明は、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなることを特徴とする真空紫外発光素子である。更に他の発明は、該リチウムガラスからなることを特徴とする中性子検出用シンチレーターである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の真空紫外発光素子は、真空紫外領域で高輝度発光し、発光寿命が短いリチウムガラスからなり、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用することができる。また、爆縮プラズマからの中性子のうち、散乱中性子を選択的に高効率で検出するとともに、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターとして好適に用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーターについて説明する。
【００１７】
本発明の真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーターは、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなる。本発明で用いる該リチウムガラスはリチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦにＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたものである。リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦは、ＬｉＦが８０±５モル％、残部がＡｌ（ＰＯ３）３からなるガラスである。リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦとしては、Ａｌ（ＰＯ３）３が２０モル％、ＬｉＦが８０モル％からなるリチウムガラス材料であることが好ましい。
【００１８】
リチウムガラス材料は、真空紫外領域で高い透過率を持つことが知られているＬｉＦを原料に用いられており、６Ｌｉ同位体を高濃度に含有させることができるＬｉの含有量が高いので中性子検出用シンチレーターとしても有用である。
【００１９】
ＬｉＦの含有量が多くなると、高い紫外透過能が期待できるものの、ガラス形成能と化学的安定性の低下が問題となる。そこで、高い紫外透過能を維持したまま、ＬｉＦが多くてもガラス化でき、化学的にも安定となるように、フツリン酸系のリチウムガラスの中から２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦをリチウムガラス材料として選択した。
【００２０】
中性子検出用シンチレーターとして用いる際には、６Ｌｉの同位体比を２０％以上とすることが好ましい。６Ｌｉの同位体比を２０％以上とすることによって、中性子に対する検出効率を充分に高めることができるが、さらに検出効率を高める目的で、５０％以上とすることが好ましく、９０％以上とすることが最も好ましい。６Ｌｉの同位体比を調整する方法としては、６Ｌｉ同位体が所期の６Ｌｉの同位体比まで濃縮された原料を用いる方法、或いはあらかじめ６Ｌｉが所期の６Ｌｉの同位体比以上に濃縮された原料を用意し、該濃縮された原料と天然の同位体比を有する汎用の原料を混合して調整する方法が挙げられる。
【００２１】
本発明で用いる上記リチウムガラスはＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されており、それぞれ１７８〜２００ｎｍの範囲、１６５〜１８５ｎｍの範囲の真空紫外領域で発光する。従って、このようなリチウムガラスは真空紫外発光素子として好適に用いることができる。また、通常、Ｅｒ３＋を添加した場合は禁制遷移が優勢であるため、その発光寿命は１μs程度と遅い。しかしこのリチウムガラス材料では許容遷移が優勢となるため、発光寿命が早くなる。Ｎｄ３＋を用いた場合は４．５ｎｓ、Ｅｒ３＋を用いた場合は３．９ｎｓと更なる高速応答性を持つ。従って、このようなリチウムガラスを中性子検出用シンチレーターに用いることにより、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能となる。また、このような高速応答性は、前記したように爆縮プラズマからの散乱中性子の測定に用いる場合に限らず、中性子測定において一般に有効である。
【００２２】
上記のリチウムガラスにおいて、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対するＮｄＦ３又はＥｒＦ３の添加量は、発光量と濃度消光の兼ね合いから０．１モル％以上１０モル％以下であることが好ましく、０．５モル％以上３モル％以下であることがさらに好ましい。これにより、上記した真空紫外領域で発光し、高速応答性を有する真空紫外発光素子や中性子検出用シンチレーターを好適に実現することができる。
【００２３】
なお、以下においては、必要に応じて、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦを、ＡＰＬＦ８０と略記する。また、ＮｄＦ３又はＥｒＦ３がｎモル％で添加されたリチウムガラスを、それぞれＡＰＬＦ８０＋ｎＮｄ、ＡＰＬＦ８０＋ｎＥｒと略記する。
【００２４】
リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスは、例えば、以下に示す製造例の方法によって製造することができる。まず、目的とする組成比に対応する調合比により、各原料（Ａｌ（ＰＯ３）３、ＬｉＦ、ＮｄＦ３又はＥｒＦ３）を用意する。そして、それらの原料を、ガラス状カーボンのルツボ中において、溶融温度８５０〜１３０００℃、溶融時間１５分〜３時間、窒素雰囲気の条件下で溶融する。溶融は、揮発による組成変動の影響を極力抑制するため、より低温かつ短時間で均一に溶融できる条件とすることが好ましい。その後、ルツボを炉から取り出して、黒鉛板上に置き、ルツボとともに融体を急冷し、ガラス化させ、さらにガラス転移温度近傍でアニールを行って、目的とする組成のリチウムガラスを作成する。
【００２５】
得られたリチウムガラスは所望の形状に加工して真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーターとすることができる。本発明の真空紫外発光素子は、電子線或いはＦ２レーザー等の適当な励起源と組み合わせることにより、真空紫外光発生装置とすることができる。かかる真空紫外光発生装置は、フォトリソグラフィー、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等の分野において、好適に使用できる。
【００２６】
また、本発明の中性子検出用シンチレーターは、６Ｌｉ同位体を高濃度に含有させることができ、中性子に感度の高いリチウムガラスを使用しているため、光電子増倍管やイメージインテンシファイアを組み合わせることにより、特許文献２と同様に核融合爆縮プラズマからの中性子検出を始め、その高速応答性より、その他様々な分野での中性子検出に用いることができる。
【００２７】
本発明の中性子検出用シンチレーターを用いて中性子測定装置とするには、（１）本発明の中性子検出用シンチレーターを含む中性子検出部と、（２）測定対象の中性子の入射に応じて中性子検出部から発せられるシンチレーション光を検出する光検出部と、（３）中性子検出部からのシンチレーション光を光検出部へと導光する導光光学系とを備えた装置とすればよい。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
【００２９】
実施例１
まず、Ａｌ（ＰＯ３）３２０モル％、ＬｉＦ８０モル％に対して、ＮｄＦ３１モル％となるように調合した原料１２ｇを、ガラス状カーボンのルツボ中において、溶融温度１０００℃、溶融時間３０分、窒素雰囲気の条件下で溶融し、その後、ルツボを炉から取り出し、黒鉛板上に置き、ルツボとともに融体を急冷し、ガラス化させ、さらにガラス転移温度近傍でアニールを行って、リチウムガラスＡＰＬＦ８０＋１Ｎｄを作成した。
【００３０】
得られたリチウムガラスを直径２２ｍｍ、 厚さ８ｍｍの円盤状に加工して下記の発光特性測定用の試料とした。
【００３１】
真空紫外領域対応のストリークカメラと分光器を用いた、図１に示す測定装置を用いて試料の発光特性（発光スペクトル、発光寿命）を調べた。真空紫外光は酸素によって吸収されてしまうため、計測系はすべて真空中で行った。試料を直径２２ｍｍの面がレーザー照射面となるように試料チャンバーに設置し、励起光源として波長１５７ｎｍのフッ素レーザーを試料の照射面に４５度の角度で照射した。この時の試料の照射面からの、レーザーの光軸に対して９０度横の方向の発光を分光器で分光し、ストリークカメラで時間分解して検出した。上記の実験の結果得られたＡＰＬＦ８０＋１Ｎｄの波長範囲１７０〜２００ｎｍにおける発光スペクトルを図２に示す。発光スペクトルのピーク波長は１８７ｎｍであった。また、１８７ｎｍの発光の時間分解スペクトルを図３に示す。ＡＰＬＦ８０＋１Ｎｄの発光寿命は４．５ｎｓであった。
【００３２】
実施例２
原料としてＡｌ（ＰＯ３）３２０モル％、ＬｉＦ８０モル％に対して、ＥｒＦ３１モル％となるように調合した原料１２ｇを用いた他は実施例１と同様にして、リチウムガラスＡＰＬＦ８０＋１Ｅｒを作成し、発光特性を調べた。
【００３３】
ＡＰＬＦ８０＋１Ｅｒの波長範囲１６３〜１９３ｎｍにおける発光スペクトルを図４に示す。発光スペクトルのピーク波長は１７０ｎｍであった。また、１７０ｎｍの発光の時間分解スペクトルを図５に示す。ＡＰＬＦ８０＋１Ｅｒの発光寿命は３．９ｎｓであった。
【００３４】
実施例に示したように、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスは、真空紫外領域で発光し、真空紫外発光素子として好適に使用できる。また、その発光寿命は特許文献２に記載されている１９ｎｓより短いものであり、中性子検出用シンチレーターとして用いた場合、爆縮プラズマからの中性子の測定において、時間分解能を向上させることができ、より正確に散乱中性子数を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本図は、発光スペクトルと発光寿命の測定装置の概略図である。
【図２】本図は、本発明のＮｄドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光スペクトルである。
【図３】本図は、本発明のＮｄドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光寿命である。
【図４】本図は、本発明のＥｒドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光スペクトルである。
【図５】本図は、本発明のＥｒドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光寿命である。
【符号の説明】
【００３６】
１ ストリークカメラ
２ 分光器
３ 試料チャンバー
４ 励起光源
５ 試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用できる真空紫外発光素子、及び爆縮プラズマからの散乱中性子などの中性子検出を好適に行うことが可能な中性子検出用シンチレーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度紫外発光素子は、半導体分野、情報分野、医療分野等における先端技術を支える材料であり、近年では、記録媒体への記録密度の向上を始めとする多くの需要に応えるべく、より短波長で発光する紫外発光素子の開発が進められている。この短波長で発光する紫外発光素子としては、窒化ガリウム等の材料による発光波長３００ｎｍ台の発光素子が提案されており（非特許文献１参照）、また、近年では高純度六方晶窒化ホウ素結晶による発光波長２１５ｎｍ台の発光素子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
発光波長が２００ｎｍ以下の真空紫外発光素子は、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌等にも好適に使用できるため、開発が望まれているが、かかる真空紫外発光素子を得ることは容易ではない。
【０００４】
真空紫外領域における発光特性は、材料中の不純物の影響を受けやすく、また、たとえ真空紫外領域に発光のエネルギー準位を有する材料であっても、より低いエネルギー準位に基づく長波長での発光が支配的である、非輻射遷移による損失が甚大である等の理由により、所望の真空紫外発光を得られない場合が数多く見受けられる。
【０００５】
したがって、真空紫外領域における発光特性を予め予測することは極めて困難であり、このことが真空紫外発光素子の開発における大きな障壁となっている。
【０００６】
さらに、真空紫外線は多くの物質に吸収される性質を有しており、発光素子からの発光を、発光素子自身が自己吸収するという問題があるため、材料の選択に著しい制限を受ける。
【０００７】
かかる現状において、真空紫外発光素子のわずかな例として、ネオジウムを含有するフッ化物結晶が知られている（非特許文献２参照）。しかしながら、結晶を作製するには長時間かけて安定に温度を管理する必要があり、不純物を含まない大型で高品質な結晶を安定に製造することが困難であった。
【０００８】
一方、散乱中性子計測用シンチレーターとして、ガラスシンチレーター材料の開発がなされている。レーザー核融合において、核融合燃焼率は爆縮プラズマでの燃料面密度ρＲ（プラズマ密度×プラズマ半径、）に強く依存する。そこで散乱中性子を計測することで、このρＲの値を求めることが考えられた。しかし、爆縮プラズマからは散乱中性子と比べて多量の１次中性子やＸ線が放出されるため、遅れて出てくる散乱中性子のみを分離して検出することは困難であった。そこで、散乱中性子にのみ感度を強くした材料が求められている。さらに、遅れて出てくる散乱中性子を、先に出てくるＸ線及び１次中性子と分離して計測するため、短い発光寿命が求められる（特許文献２）。
【０００９】
特許文献２にはガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＰｒＦ３が添加されたリチウムガラス材料からなる中性子検出用シンチレーターが記載されている。６Ｌｉによる中性子捕獲反応を利用して中性子を検出するリチウムガラスシンチレータでは、爆縮プラズマからの中性子の測定に用いる場合に、１次中性子ｎ０よりも低エネルギーの散乱中性子ｎＳに対し、６Ｌｉでの反応断面積の共鳴ピークが後方散乱中性子のエネルギーとほぼ一致する。したがって、爆縮プラズマからの中性子のうちで、燃料面密度ρＲに対応する散乱中性子を選択的に高効率で検出することができる。さらに、特許文献２では紫外領域に発光を持つプラセオジウムを発光核に使用しており、この時の発光の減衰定数は１９ｎｓである。よって、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能である。しかし、より正確に散乱中性子数を測定するためにはより時間分解能を向上させる必要があるため、より短い発光寿命のシンチレーターが求められている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２２８８８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６１７５３号公報
【非特許文献１】Ｉｗａｙａ．Ｍ ｅｔ ａｌ、“Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＵＶ−ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｏｎ ｓａｐｐｈｉｒｅ” Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ１−Ｒｅｇｕｌａｒ Ｐａｐｅｒｓ Ｓｈｏｒｔ Ｎｏｔｅｓ ＆ Ｒｅｖｉｅｗ Ｐａｐｅｒｓ ４２，４００（２００３）．
【非特許文献２】Ａ．Ｃ． Ｃｅｆａｌａｓ ｅｔ ａｌ、“Ｉｎｔｅｎｓｅ ｖａｃｕｕｍ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｔ １７２ ｎｍ ｆｒｏｍ ＬａＦ３：Ｎｄ３＋ ｃｒｙｓｔａｌｓ” Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５７，９３（２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、真空紫外領域で高輝度発光し、発光寿命が短いリチウムガラスからなり、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用できる新たな真空紫外発光素子を提供することを目的とする。また、爆縮プラズマからの中性子のうち、散乱中性子を選択的に高効率で検出するとともに、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、爆縮プラズマからの中性子のうち、散乱中性子を選択的に高効率で検出でき、且つ、より短い発光寿命を有し、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーター材料につき種々検討した結果、ＬｉＦの含有量が高くても容易に製造することができるガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３を添加することによって、真空紫外領域で高輝度発光することを見出した。
【００１３】
さらに、ガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３を添加したリチウムガラスは発光寿命がより短く、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターとして適用できる可能性があることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明は、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなることを特徴とする真空紫外発光素子である。更に他の発明は、該リチウムガラスからなることを特徴とする中性子検出用シンチレーターである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の真空紫外発光素子は、真空紫外領域で高輝度発光し、発光寿命が短いリチウムガラスからなり、フォトリソグラフィー、半導体や液晶の基板洗浄、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等に好適に使用することができる。また、爆縮プラズマからの中性子のうち、散乱中性子を選択的に高効率で検出するとともに、その高速応答性により、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能な中性子検出用シンチレーターとして好適に用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーターについて説明する。
【００１７】
本発明の真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーターは、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなる。本発明で用いる該リチウムガラスはリチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦにＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたものである。リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦは、ＬｉＦが８０±５モル％、残部がＡｌ（ＰＯ３）３からなるガラスである。リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦとしては、Ａｌ（ＰＯ３）３が２０モル％、ＬｉＦが８０モル％からなるリチウムガラス材料であることが好ましい。
【００１８】
リチウムガラス材料は、真空紫外領域で高い透過率を持つことが知られているＬｉＦを原料に用いられており、６Ｌｉ同位体を高濃度に含有させることができるＬｉの含有量が高いので中性子検出用シンチレーターとしても有用である。
【００１９】
ＬｉＦの含有量が多くなると、高い紫外透過能が期待できるものの、ガラス形成能と化学的安定性の低下が問題となる。そこで、高い紫外透過能を維持したまま、ＬｉＦが多くてもガラス化でき、化学的にも安定となるように、フツリン酸系のリチウムガラスの中から２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦをリチウムガラス材料として選択した。
【００２０】
中性子検出用シンチレーターとして用いる際には、６Ｌｉの同位体比を２０％以上とすることが好ましい。６Ｌｉの同位体比を２０％以上とすることによって、中性子に対する検出効率を充分に高めることができるが、さらに検出効率を高める目的で、５０％以上とすることが好ましく、９０％以上とすることが最も好ましい。６Ｌｉの同位体比を調整する方法としては、６Ｌｉ同位体が所期の６Ｌｉの同位体比まで濃縮された原料を用いる方法、或いはあらかじめ６Ｌｉが所期の６Ｌｉの同位体比以上に濃縮された原料を用意し、該濃縮された原料と天然の同位体比を有する汎用の原料を混合して調整する方法が挙げられる。
【００２１】
本発明で用いる上記リチウムガラスはＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されており、それぞれ１７８〜２００ｎｍの範囲、１６５〜１８５ｎｍの範囲の真空紫外領域で発光する。従って、このようなリチウムガラスは真空紫外発光素子として好適に用いることができる。また、通常、Ｅｒ３＋を添加した場合は禁制遷移が優勢であるため、その発光寿命は１μs程度と遅い。しかしこのリチウムガラス材料では許容遷移が優勢となるため、発光寿命が早くなる。Ｎｄ３＋を用いた場合は４．５ｎｓ、Ｅｒ３＋を用いた場合は３．９ｎｓと更なる高速応答性を持つ。従って、このようなリチウムガラスを中性子検出用シンチレーターに用いることにより、散乱中性子を１次中性子やＸ線から分離して測定することが可能となる。また、このような高速応答性は、前記したように爆縮プラズマからの散乱中性子の測定に用いる場合に限らず、中性子測定において一般に有効である。
【００２２】
上記のリチウムガラスにおいて、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対するＮｄＦ３又はＥｒＦ３の添加量は、発光量と濃度消光の兼ね合いから０．１モル％以上１０モル％以下であることが好ましく、０．５モル％以上３モル％以下であることがさらに好ましい。これにより、上記した真空紫外領域で発光し、高速応答性を有する真空紫外発光素子や中性子検出用シンチレーターを好適に実現することができる。
【００２３】
なお、以下においては、必要に応じて、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦを、ＡＰＬＦ８０と略記する。また、ＮｄＦ３又はＥｒＦ３がｎモル％で添加されたリチウムガラスを、それぞれＡＰＬＦ８０＋ｎＮｄ、ＡＰＬＦ８０＋ｎＥｒと略記する。
【００２４】
リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスは、例えば、以下に示す製造例の方法によって製造することができる。まず、目的とする組成比に対応する調合比により、各原料（Ａｌ（ＰＯ３）３、ＬｉＦ、ＮｄＦ３又はＥｒＦ３）を用意する。そして、それらの原料を、ガラス状カーボンのルツボ中において、溶融温度８５０〜１３０００℃、溶融時間１５分〜３時間、窒素雰囲気の条件下で溶融する。溶融は、揮発による組成変動の影響を極力抑制するため、より低温かつ短時間で均一に溶融できる条件とすることが好ましい。その後、ルツボを炉から取り出して、黒鉛板上に置き、ルツボとともに融体を急冷し、ガラス化させ、さらにガラス転移温度近傍でアニールを行って、目的とする組成のリチウムガラスを作成する。
【００２５】
得られたリチウムガラスは所望の形状に加工して真空紫外発光素子及び中性子検出用シンチレーターとすることができる。本発明の真空紫外発光素子は、電子線或いはＦ２レーザー等の適当な励起源と組み合わせることにより、真空紫外光発生装置とすることができる。かかる真空紫外光発生装置は、フォトリソグラフィー、殺菌、次世代大容量光ディスク、及び医療（眼科治療、ＤＮＡ切断）等の分野において、好適に使用できる。
【００２６】
また、本発明の中性子検出用シンチレーターは、６Ｌｉ同位体を高濃度に含有させることができ、中性子に感度の高いリチウムガラスを使用しているため、光電子増倍管やイメージインテンシファイアを組み合わせることにより、特許文献２と同様に核融合爆縮プラズマからの中性子検出を始め、その高速応答性より、その他様々な分野での中性子検出に用いることができる。
【００２７】
本発明の中性子検出用シンチレーターを用いて中性子測定装置とするには、（１）本発明の中性子検出用シンチレーターを含む中性子検出部と、（２）測定対象の中性子の入射に応じて中性子検出部から発せられるシンチレーション光を検出する光検出部と、（３）中性子検出部からのシンチレーション光を光検出部へと導光する導光光学系とを備えた装置とすればよい。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
【００２９】
実施例１
まず、Ａｌ（ＰＯ３）３２０モル％、ＬｉＦ８０モル％に対して、ＮｄＦ３１モル％となるように調合した原料１２ｇを、ガラス状カーボンのルツボ中において、溶融温度１０００℃、溶融時間３０分、窒素雰囲気の条件下で溶融し、その後、ルツボを炉から取り出し、黒鉛板上に置き、ルツボとともに融体を急冷し、ガラス化させ、さらにガラス転移温度近傍でアニールを行って、リチウムガラスＡＰＬＦ８０＋１Ｎｄを作成した。
【００３０】
得られたリチウムガラスを直径２２ｍｍ、 厚さ８ｍｍの円盤状に加工して下記の発光特性測定用の試料とした。
【００３１】
真空紫外領域対応のストリークカメラと分光器を用いた、図１に示す測定装置を用いて試料の発光特性（発光スペクトル、発光寿命）を調べた。真空紫外光は酸素によって吸収されてしまうため、計測系はすべて真空中で行った。試料を直径２２ｍｍの面がレーザー照射面となるように試料チャンバーに設置し、励起光源として波長１５７ｎｍのフッ素レーザーを試料の照射面に４５度の角度で照射した。この時の試料の照射面からの、レーザーの光軸に対して９０度横の方向の発光を分光器で分光し、ストリークカメラで時間分解して検出した。上記の実験の結果得られたＡＰＬＦ８０＋１Ｎｄの波長範囲１７０〜２００ｎｍにおける発光スペクトルを図２に示す。発光スペクトルのピーク波長は１８７ｎｍであった。また、１８７ｎｍの発光の時間分解スペクトルを図３に示す。ＡＰＬＦ８０＋１Ｎｄの発光寿命は４．５ｎｓであった。
【００３２】
実施例２
原料としてＡｌ（ＰＯ３）３２０モル％、ＬｉＦ８０モル％に対して、ＥｒＦ３１モル％となるように調合した原料１２ｇを用いた他は実施例１と同様にして、リチウムガラスＡＰＬＦ８０＋１Ｅｒを作成し、発光特性を調べた。
【００３３】
ＡＰＬＦ８０＋１Ｅｒの波長範囲１６３〜１９３ｎｍにおける発光スペクトルを図４に示す。発光スペクトルのピーク波長は１７０ｎｍであった。また、１７０ｎｍの発光の時間分解スペクトルを図５に示す。ＡＰＬＦ８０＋１Ｅｒの発光寿命は３．９ｎｓであった。
【００３４】
実施例に示したように、リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスは、真空紫外領域で発光し、真空紫外発光素子として好適に使用できる。また、その発光寿命は特許文献２に記載されている１９ｎｓより短いものであり、中性子検出用シンチレーターとして用いた場合、爆縮プラズマからの中性子の測定において、時間分解能を向上させることができ、より正確に散乱中性子数を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本図は、発光スペクトルと発光寿命の測定装置の概略図である。
【図２】本図は、本発明のＮｄドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光スペクトルである。
【図３】本図は、本発明のＮｄドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光寿命である。
【図４】本図は、本発明のＥｒドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光スペクトルである。
【図５】本図は、本発明のＥｒドープリチウムガラスからなる真空紫外発光素子の発光寿命である。
【符号の説明】
【００３６】
１ ストリークカメラ
２ 分光器
３ 試料チャンバー
４ 励起光源
５ 試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなることを特徴とする真空紫外発光素子。
【請求項２】
リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなることを特徴とする中性子検出用シンチレーター。
【請求項１】
リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなることを特徴とする真空紫外発光素子。
【請求項２】
リチウムガラス材料２０Ａｌ（ＰＯ３）３−８０ＬｉＦに対してＮｄＦ３又はＥｒＦ３が添加されたリチウムガラスからなることを特徴とする中性子検出用シンチレーター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４３８２３（Ｐ２０１３−４３８２３Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８５１８２（Ｐ２０１１−１８５１８２）
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（５０４１５９２３５）国立大学法人 熊本大学 (314)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（５０４１５９２３５）国立大学法人 熊本大学 (314)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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