Development of new scintillator materials based on 5d-4f luminescence of Pr^<3+>

• Project/Area Number: 19750168
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Inorganic industrial materials
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: OGINO Hiraku The University of Tokyo, 大学院・工学系研究科, 助教 (70359545)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2008: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2007: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: シンチレータ / 融液成長 / 点欠陥 / 単結晶 / 希土類

Research Abstract

ガンマ線等の高エネルギー粒子検出用には主に単結晶シンチレータが用いられているが、様々な材料系において、酸素欠損やアンチサイト欠陥など、結晶に内在する点欠陥が欠陥準位を形成し、発光量の減少、蛍光寿命の長寿命化などシンチレーション特性に悪影響を与えていることが報告されている。LU_3Al_5O_<12> (LuAG)系シンチレータでは、単結晶を融液成長法で作製した場合Alサイトの一部がREで置換されるアンチサイト欠陥が形成され、これが原因となってLuAG系シンチレータでは、数10nsの寿命を持つ主成分の発光とは別に、μs〜msオーダーの長寿命発光がかなりの割合で生じることが報告されている。微量元素の添加による欠陥密度低減などの試みは行われているものの、これら結晶中に存在する点欠陥とそれに影響された物性は、その材料系本来の特性と考えられて来た。本研究では、融液成長で作製されたガーネット系単結晶において、固有の問題と考えられてきたアンチサイト欠陥と発光の長寿命成分について、ホストの化学組成を変化させることにより制御を試みた。 LuAG結晶のAlサイトをGaで置換した試料を作製・評価した。10%程度のGa置換によりホスト発光の消失、蛍光寿命の短寿命化・バックグラウンド成分の低減が見られた。この変化は欠陥準位中の電子の輻射再結合に由来する長寿命成分の低下を示しているが、Pr:LuAGの熱励起ルミネッセンス測定結果などから、これはGa置換により欠陥準位が浅くなり、室温領域における欠陥準位の寄与が低下したためと考えられる。今後Ga置換量の最適化や結晶作製条件の改良などによりさらに高い特性も期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Crystal growth and scintillation properties of YAlO_3:Pr co-doped with trivalent ions (2009)
  • Author(s): M. Zhuravleva, M. Nikl, J. Pejchal, H. Ogino, A. Yoshikawa
  • Journal Title: J. Cryst. Growth 311 Pages: 537-540
• [Journal Article] Growth and optical properties of Lu_3(Ga,Al)_5O_<12> single crystals for scintillator application (2009)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, J. A. Mares, M. Nikl, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Journal Title: J. Cryst. Growth 311 Pages: 908-911
• [Journal Article] Suppression of host luminescence in the Pr:LuAG scintillator (2008)
  • Author(s): H. Ogino, K. Kamada, A. Yoshikawa, F. Saito, J. Pejchal, J.A. Mares, M. Nikl, A. Vedda, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Journal Title: IEEE: Trans. Nucl. Sci. 55 Pages: 1197-1200
• [Journal Article] Energy transfer to Pr^<3+> ions in Pr:Lu_3Al_5O_<12> (LuAG) single crystals (2008)
  • Author(s): A. Yoshikawa, K. Kamada, F. Saito, H. Ogino, M. Itoh, T. Katagiri, D. Iri, M. Fujita
  • Journal Title: IEEE: Trans. Nucl. Sci. 55 Pages: 1372-1372
• [Journal Article] Crystal Growth and Scintillation Properties of 2-Inch-Diameter Pr:Lu_3Al_5O_<12>(Pr:LuAG) Single Crystal (2008)
  • Author(s): K. Kamada, K. Tsutsumi, Y. Usuki, H. Ogino, T. Yanagida, A. Yoshikawa
  • Journal Title: IEEE: Trans. Nucl. Sci. 55 Pages: 1488-1488
• [Journal Article] Suppression of host luminescence in the Pr : LuAG scintillator (2008)
  • Author(s): H. Ogino, K. Kamada, A. Yoshikawa, F. Saito, J. Pejchal, J.A. Mares, M. Nikl, A. Vedda, J. Shimovama and K. Kishio
  • Journal Title: IEEE : Trans. Nucl. Sci 55 Pages: 1197-1197
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth and optical properties of Lu3(Ga, Al)5O12 single crystals for scintillator application (2008)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, J.A. Mares, M. Nikl, J. Shimoyama and K. Kishio
  • Journal Title: J. Cryst. Growth 311 Pages: 908-911
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression of host luminescence in the Pr: LuAG scintillator (2008)
  • Author(s): H. Ogino, K. Kamada, A. Yoshikawa, F. Saito, J. Pejchal, J. A. Mares, M. Nikl, A. Vedda, J. Shimoyama and K. Kishio
  • Journal Title: IEEE: Trans. Nucl. Sci. accepted (印刷中)(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scintillator materials-achievements, opportunities and puzzles (2008)
  • Author(s): M. Nikl, E. Mihokova, J. Pejchal, A. Vedda, M. Fasoli, I. Fontana, V.V. Laguta, V. Babin, K. Nejezchleb, A. Yoshikawa, H. Ogino, G. Ren
  • Journal Title: IEEE: Trans. Nucl. Sci. accepted (印刷中)(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth and Luminescence Properties of Pr-doped Lu_3(Ga,Al)_5O_<12> Single Crystals (2007)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, M. Nikl, J. Pejchal, T. Fukuda
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. 46 Pages: 3514-3517
• [Journal Article] Crystal growth, optical and luminescence properties of Pr-doped Y_2SiO_5 single crystals (2007)
  • Author(s): A. Novoselov, H. Ogino, A. Yoshikawa, M. Nikl, J. Pejchal, A. Beitlerova, T. Fukuda
  • Journal Title: Opt. Mat. 29 Pages: 1381-1384
• [Journal Article] Growth and Luminescence Properties of Pr-doped Lu_3(Ga,Al)_5O_<12> Single Crystals (2007)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, M. Nikl, J. Pejchal and T. Fukuda
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. 46 Pages: 3514-3517
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 元素置換によるシンチレータ用ガーネット単結晶の高特性化 (2008)
  • Author(s): 荻野拓, 横田有為, 吉川彰, M. Nikl, 下山淳一, 岸尾光二
  • Organizer: 第69回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 春日井
  • Year and Date: 2008-09-04
• [Presentation] Suppression of defect related host luminescence in LuAG single crystals (2008)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, M. Nikl, A. Vedda, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Organizer: The 15th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter
  • Place of Presentation: France
  • Year and Date: 2008-07-08
• [Presentation] Suppression of defect related host luminescence in LuAG single crystals (2008)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yosnixawa, M. Niki., A. Vedda, J. Shimoyama, K. kishio
  • Organizer: The 15th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter
  • Place of Presentation: フランス・リヨン
  • Year and Date: 2008-07-08
• [Presentation] Growth and optical properties of Lu_3(Ga,Al)_5O_<12> single crystals for scintillator application (2008)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, M. Nikl, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Organizer: The 4th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2008-05-22
• [Presentation] Growth and optical properties of Lu3(Ga,Al)5O12 single crystals for scintillator application (2008)
  • Author(s): H. Ogino, A. Yoshikawa, M. Nikl, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Organizer: The 4th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2008-05-22
• [Presentation] シンチレータ用ガーネット単結晶のホスト発光の抑制 (2007)
  • Author(s): 荻野拓, 吉川彰, M. Nikl, 下山淳一, 岸尾光二
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2007-09-07
• [Presentation] シンチレータ用ガーネット単結晶のホスト発光の抑制 (2007)
  • Author(s): 荻野拓, 吉川彰, M. Nikl, 下山淳一, 岸尾光二
  • Organizer: 第68回 応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2007-09-07
• [Presentation] Suppression of host luminescence in Pr:LuAG scintillator (2007)
  • Author(s): H. Ogino, K. Kamada, A. Yoshikawa, J. Pejchal, M. Nikl, A. Vedda, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Organizer: 9th International Conference on Scintillators and Their Applications
  • Place of Presentation: USA
  • Year and Date: 2007-06-04
• [Presentation] Scintillator materials-achievements, opportunities and puzzles (2007)
  • Author(s): M. Nikl, E. Mihokova, J. Pejchal, A. Vedda, M. Fasoli, I. Fontana, V.V. Laguta, V. Babin, K. Nejezchleb, A. Yoshikawa, H. Ogino, G. Ren
  • Organizer: 9th International Conference on Scintillators and Their Applications
  • Place of Presentation: Winston-Salem, NC, USA
  • Year and Date: 2007-06-04
• [Presentation] Suppression of host luminescence in Pr: LuAG scintillator (2007)
  • Author(s): H. Ogino, K. Kamada, A. Yoshikawa, J. Pejchal, M. Nikl, A. Vedda, J. Shimoyama, K. Kishio
  • Organizer: 9th International Conference on Scintillators and Their Applications
  • Place of Presentation: Winston-Salem, NC, USA
  • Year and Date: 2007-06-04