新型シンチレータ結晶および検出器の開発と医療・原子力・宇宙分野などへの応用

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11J05133
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 黒澤 俊介 東北大学, 金属材料研究所, 特別研究員(PD)
• Keywords: シンチレータ / 高阻止能 / 光電子増倍管 / 光物性 / 結晶育成 / 結晶工学 / 放射線物理 / 医療物理

Research Abstract

本研究の目的は内在バックグラウンドがきわめて低く(1Hz/cc程度以下)、ガンマ線検出効率が高い(有効原子番号60程度以上)シンチレータの開発である。その候補としてハフニウム(Hf)を用いたシンチレータの開発に取り組んだ。ただしHfは融点が高いため、既存の結晶育成方法では結晶化が難しいという問題がある。そこで、放電プラズマ焼結(SPS)法を用いたセラミックスシンチレータの開発を行った。その結果、Ceを添加したSrHfO_3の育成に成功し、アルファ線に対してシンチレータ応答があることを確認できた。このほかに、高融点結晶育成方法であるスカルメルト法によって育成したTb添加HfO_2結晶についてもシンチレータ応答があることを示せた。一方、Pbを使用した結晶は融点が低いものの、シンチレータ応答を示すものは少なかった。特にPbF_2は立方晶であるために結晶化は比較的に簡単であるものの、シンチレータ応答を示すことは大変難しかった。そこでPbF_2にさまざまな遷移金属を賦活剤として入れて、放射線応答がある物質の探索を行った。その結果、Hoを添加した場合にシンチレータ応答がある可能性を示すことができた。
このほかに、真空紫外線発光シンチレータ(フッ化物シンチレータ)や酸化物、臭化物、塩化物シンチレータなどの材料探索を上記のSPS法のほかにブリッジマン法、チョクラルスキー法およびマイクロ引き下げ法などを用いて行い、検出効率だけではなく発光量の大きいシンチレータの探索なども行った。またシンチレータに対して2種類以上の賦活剤を共添加した場合の効果について考察をした。
さらに真空紫外線発光シンチレータの光検出器としてのガス光電子増倍管の開発や、シンチレータの時間分解能測定機器の立ち上げなどの測定機器開発も行った。シンチレータの応用として、陽子線治療用モニタの開発やガンマ線バースト天体の観測計画にも参加した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ガンマ線高検出効率シンチレータとしてHfを用いたシンチレータの開発に成功し、一定の応答を示すことができたため、当初の目標よりも進んでいると考えている。また他の結晶育成にも成功し、シンチレータ応答を確認することができたため。

Strategy for Future Research Activity

23年度に育成したHf使用のシンチレータは発光量が低いという改良点があるため、今後はHfなどの高い有効原子番号を有し、かつバンドギャップ構造ができるだけ小さい(3.5eV 以下)シンチレータ母材について探索してゆきたい。また、位置感度を持たせるためのファイバーシンチレータの開発についても、今年度から本格的に実施してゆく。そしてファイバーシンチレータの光検出器として、現在は主に光電子増倍管を用いているが、今後はMPPCやAPDといった半導体検出器との組み合わせについても検討を重ねてゆく。

Research Products

• [Journal Article] Crystal Growth and Scintillation Properties of Fluoride Scintillators (2012)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: (未定)(Accepted頁未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a new imaging device using a VUV scintillator and a gas photomultiplier with a u-PIC and GEM (2012)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Kojiro Taniue, Hiroyuki Sekiya, Hidetoshi Kubo, Chihiro Ida, Kentaro Miuchi, Toru Tanimori, Takeyuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa, Kentario Fukuda, Noriaki Kawaguchi, Sumito Ishizu, Masanori Nakagawa, Toshihisa Suyama, Jan Pejchal
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: (未定)(Accepted頁未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of a Tb-doped HfO_2 Single Crystal Grown by a Skull Melting Method (2012)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Yoshisuke Futami, Vladimir V.Kochurikhin, Mikhail A.Borik, Yuui Yokota, Takayuki Yanagida, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Key Engineering Materials Volume: (未定)(Accepted頁未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prompt Gamma Detection for Range Verification in Proton Therapy (2012)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Hidetoshi Kubo, Kazuki Ueno, Shigeto Kabuki, Satoru Iwaki, Michiaki Takahashi, Kojiro Taniue, Naoki Higashi, Kentaro Miuchi, Toru Tanimori, Dogyun Kim, Jongwon Kim
  • Journal Title: Current Applied Physics Volume: 12 Pages: 364-368
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal Growth and Scintillation Properties of Ho-doped Lu_3Al_5O_<12> single crystals (2012)
  • Author(s): M.Sugiyama, T.Yanagida, Y.Fujimoto, D.Totsuka, Y.Yokota, S.Kurosawa, Y.Futami, A.Yoshikawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: (未定)(Accepted頁未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scintillation properties of Nd^<3+>, Tm^<3+>, and Er^<3+> doped LuF_3 scintillators in the vacuum ultra violet region (2012)
  • Author(s): T.Yanagida, K.Fukuda, N.Kawaguchi, S.Kurosawa, Y.Fujimoto, Y.Futami, Y.Yokota, K.Taniue, H.Sekiya, H.Kubo, A.Yoshikawa, T.Tanimori
  • Journal Title: Nucl.Instrum.Meth-A Volume: (未定)(In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the Balloon-Borne sub-MeV Gamma-ray Compton Camera Using an Electron-Tracking Gaseous TPC and a Scintillation Camera (2012)
  • Author(s): Kazuki Ueno, Tetsuya Mizumoto, Kaori Hattori, Naoki Higashi, Satoru Iwaki, Shigeto Kabuki, Yuji Kishimoto, Shotaro Komura, Hidetoshi Kubo, Shunsuke Kurosawa, Yoshihiro Matsuoka, Kentaro Miuchi, Kiseki Nakamura, Hironobu Nishimura, Joseph Parker, Yasushi Sato, Tatsuya Sawano, Atsushi Takada, Toru Tanimori
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 7 Pages: C01088
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new imaging device based on UV scintillators and a large area gas photomultiplier (2011)
  • Author(s): H.Sekiya, C.Ida, H.Kubo, S.Kurosawa, K.Miuchi, T.Tanimori, K.Taniue, A.Yoshikawa, T.Yanagida, Y.Yokota, K.Fukuda, S.Ishizu, N.Kawaguchi, T.Suyama
  • Journal Title: Nucl.Instrum.Meth-A Volume: 633 Pages: S36-S39
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Diffuse Cosmic and Atmospheric Gamma Rays at Balloon Altitudes with an Electron-Tracking Compton Camera (2011)
  • Author(s): Atsushi Takada, Hidetoshi Kubo, Hironobu Nishimura, Kazuki Ueno, Kaori Hattori, Shigeto Kabuki, Shunsuke Kurosawa, Kentaro Miuchi, Eiichi Mizuta, Tsutomu Nagayoshi, Naoki Nonaka, Yoko Okada, Reiko Orito, Hiroyuki Sekiya, Atsushi Takeda, Toru Tanimori
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 733 Pages: 13
  • DOI: 10.1088/0004-637X/733/1/13
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Investigation of Fluoride Crystals with co-dopant including Na (2012)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Yuui Yokota, Takayuki Yanagida, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 4^<th> International Workshop on Photoluminescence in Rare-Earths : Photonic Materials and Devices (PRE'12)
  • Place of Presentation: Kyoto Univ., Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2012-03-28
• [Presentation] 中性子検出用LiCAFシンチレータの開発 (2012)
  • Author(s): 黒澤俊介、柳田健之、藤本裕、山路晃広、杉山誠、若原慎吾、横田有為、吉川彰、河口範明、石津澄人、福田健太郎、中川正則、須山敏尚、渡辺賢一、高橋弘充
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学
  • Year and Date: 2012-03-27
• [Presentation] 放電プフズマ焼結法によるCe:SrHfO_3の開発と光物性特性評価 (2012)
  • Author(s): 黒澤俊介、横田有為、柳田健之、吉川彰
  • Organizer: 日本セラミックス協会2012年年会
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2012-03-19
• [Presentation] 真空紫外線発光シンチレータ用の反射材の開発 (2012)
  • Author(s): 黒澤俊介、柳田祥男、窪秀利、谷上幸次郎、福田健太郎、河口範明、石津澄人、中川正則、須山敏尚、柳田健之、横田有為、吉川彰
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] ガス検出器読出し用真空紫外線結晶の開発 (2012)
  • Author(s): 黒澤俊介、Jan Pejchal、山路晃広、藤本裕、杉山誠、若原慎吾、河口範明、福田健太郎、石津澄人、中山正則、須山敏尚、横田有為、柳田健之、Martin NiIkl、吉川彰
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」(第26回)
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構
  • Year and Date: 2012-01-26
• [Presentation] Optical and Scintillation property of BaF2 doped with rear earth (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 7^<th> International Workshop on Individual Monitoring of Ionizing Radiation
  • Place of Presentation: Oarai park hotel, Oarai, Japan
  • Year and Date: 2011-12-04
• [Presentation] Evaluation of Nd:BaY2F8 for VUV scintillator (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 7^<th> International Workshop on Individual Monitoring of Ionizing Radiation
  • Place of Presentation: Oarai park hotel, Oarai, Japan
  • Year and Date: 2011-12-04
• [Presentation] Optical and Scintillation property of PbF2 with some dopant (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 7^<th> International Workshop on Individual Monitoring of Ionizing Radiation
  • Place of Presentation: Oarai park hotel, Oarai, Japan
  • Year and Date: 2011-12-04
• [Presentation] Scintillation Properties of Ho:YAP Scintillator using an APD (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Daisuke Totsuka, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 2011 IEEE Nuclear Science Symposium
  • Place of Presentation: Valencia, Spain
  • Year and Date: 2011-10-26
• [Presentation] Scintillation properties and Gamma-ray response of Pr-doped CeF_3 (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Akihiro Yamaji, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 11th International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications (SCINT 2011)
  • Place of Presentation: Giessen, Germany
  • Year and Date: 2011-09-15
• [Presentation] Crystal Growth and Scintillation Properties of Fluoride Scintillators (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Yuki Furuya, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 11th International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications (SCINT 2011)
  • Place of Presentation: Giessen, Germany
  • Year and Date: 2011-09-15
• [Presentation] Ce Concentration Dependence of Optical and Scintillation Properties for Ce doped GSO and GSOZ Single Crystals (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Naoki Higashi, Takayuki Yanagida, Satoru Iwaki, Yuui Yokota, Hidetoshi Kubo, Toru Tanimori, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 11th International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications (SCINT 2011)
  • Place of Presentation: Giessen, Germany
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] Crystal Growth of Ho:YAP Scintillator and Its Properties (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Daisuke Totsuka, Takayuki Yanagida, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 11th International Conference on Inorganic Scintillators and their Applications (SCINT 2011)
  • Place of Presentation: Giessen, Germany
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] Development of a new imaging device using a VUV scintillator and a gas photomultiplier with a μ-PIC and GEM (2011)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Kojiro Taniue, Hidetoshi Kubo, Toru Tanimori, Hiroyuki Sekiya, Kentaro Fukuda, Sumito Ishizu, Noriaki Kawaguchi, Masanori Nakagawa, Toshihisa Suyama, Yuui Yokota, Takayuki Yanagida, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 2nd International Conference on Micro Pattern Gaseous Detectors (MPGD2011)
  • Place of Presentation: Kobe, Japan
  • Year and Date: 2011-08-30
• [Presentation] ガス検出器とシンチレータを用いた真空紫外イメージング検出器 (2011)
  • Author(s): 黒澤俊介、柳田健之、横田有為、吉川彰、窪秀利、谷上幸次郎、谷森達、関谷洋之、福田健太郎、石津澄人、河口範明、須山敏尚
  • Organizer: 第9回放射線物理研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2011-06-04
• [Remarks]
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光反射膜 (2012)
  • Inventor(s): 黒澤俊介, ほか
  • Industrial Property Rights Holder: トクヤマ, 東北大学, 京都大学
  • Industrial Property Number: 特願2012-59165
  • Filing Date: 2012-03-15