高発光量シンチレータを目指した未開拓領域であるパイロクロア型発光体の開発

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K18209
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 黒澤 俊介 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (80613637)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: シンチレータ / パイロクロア型結晶

Outline of Annual Research Achievements

シンチレータとは放射線によって励起された電子が脱励起の際に蛍光を生じる物質のことで、光検出器と組み合わせることで放射線検出素子として利用されている。研究代表者は核医学および天体観測用の次世代ガンマ線撮像カメラであるコンプトンカメラへの搭載を最終目的として、高発光量・優れたガンマ線エネルギー分解能を持つシンチレータ材料の開発に着手した。
今までの材料の主流はガーネット型、ペロブスカイト型酸化物およびハロゲン化物結晶であったが、本研究ではまだ開拓が十分でないA₂B₂O₇（A,Bは元素でA³⁺/B⁴⁺またはA²⁺/B⁵⁺の価数関係が一般的）で表現されるパイロクロア型酸化物に焦点を当てて研究を進めた。パイロクロア型酸化物結晶は、融液から結晶を作ることが難しい組成のものが多く、なかなか単結晶育成が難しかったが、(La,Gd)₂Si₂O₇（以下、La-GPS）において調和融液組成化に成功し、発光賦活剤であるCeを添加したCe:La-GPS結晶が、既存の酸化物シンチレータより高い発光量、優れたエネルギー分解能を持ち、潮解性がある結晶の性能に匹敵することを示した。そして、2インチ直径の結晶の育成にも成功した。加えて、LaとGdの組成比による発光量、蛍光寿命、バンドギャップなどの関係性も明らかにできた。加えて、これらの結晶の発光量等の温度依存性についても、外部でのビーム試験（UVSOR）や新たに立ち上げた温度特性測定用の評価装置によって、明らかにできた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

現在まで、計画通りにさまざまなパイロクロア型結晶の育成に取り組み、調べる限り、本研究が始まる前の先行研究の数を超える種類の当該結晶の育成に取り組めた。そして、それらの発光特性について、調査できた。さらに、Ce:La-GPS結晶について、既存の酸化物シンチレータより高い発光量、優れたエネルギー分解能を達成し、2インチの結晶の育成もでき、実用化に繋がる研究を行うことができた。
通常のシンチレータは、発光量が温度に対して-1～2 %/℃程度で変化し、350-420K程度で温度消光を示すが、Ce:La-GPSは約10から420Kの広い範囲で発光量が30％程度の範囲で安定していたことを明らかにした。特に高温側での発光量維持は、既存のシンチレータでは対応困難だったシェールガス探査といった高温環境下での資源探査への応用が強く期待できる。そこで、独自の発光特性の温度依存性を測定する装置の開発をすすめ、育成したパイロクロア型シンチレータ結晶の温度依存性を系統的に測定できる環境を整えた。そして、実際に測定を開始させた。加えて、現在解析中であるが、バンドギャップエネルギーと高温での発光特性についても関係性が確かめられつつある。これらの理由から上記の自己評価とした。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、サンプルの育成とその評価、特に低温から高温（300℃程度まで）の発光特性について調べて、母材、シンチレータの発光をつかさどる賦活剤と発光の温度依存性について系統的に調べる。また、本研究を行う上で結晶の構造を知る必要を強く感じたため、当初計画にはなかったものの、単結晶構造解析の実施を検討中である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CAS(チェコ)
  • Country Name: CZECH
  • Counterpart Institution: CAS
• [Int'l Joint Research] CERN(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: CERN
• [Int'l Joint Research] CB Univ. Lyon1(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CB Univ. Lyon1
• [Journal Article] Luminescent Properties of Cr-Doped Gallium Garnet Crystals Grown by the Micro-Pulling-Down Method (2016)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Akira Suzuki, Akihiro Yamaji, Kei Kamada, Jan Pejchal, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Valery Ivanovich Chani, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: - Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.02.004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Scintillation properties of Zr co-doped Ce:(Gd, La)2Si2O7 grown by the Czochralski process (2016)
  • Author(s): Rikito Murakami, Shunsuke Kurosawa, Yasuhiro Shoji, Vitezslav Jary, Yuji Ohashi, Jan Pejchal, Yuui Yokota, Kei Kamada, Martin Nikl, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Radiation Measurements Volume: - Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.radmeas.2016.02.019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 資源探査用シンチレータの開発 (2016)
  • Author(s): 黒澤 俊介、庄子 育宏、宍戸統悦、村上 力輝斗、堀合 毅彦、 横田 有為、鎌田 圭、吉川彰
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 Volume: - Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Scintillation Properties Of Mg Co-doped Ce:(Gd, La)2Si2O7 Grown By Czochralski Method (2015)
  • Author(s): Rikito Murakami, Shunsuke Kurosawa, Yasuhiro Shoji, Yuui Yokota, Jan Pejchal, Yuji Ohashi, Kei Kamada and Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Proceedings of the 29th Workshop on Radiation Detectors and Their Uses Volume: - Pages: 58-65
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Crystal growth and scintillation properties of multi-component oxide single crystals: Ce:GGAG and Ce:La-GPS (2015)
  • Author(s): A. Yoshikawa, K. Kamada, S. Kurosawa, Y. Shoji, Y. Yokota, V.I. Chani, M. Nikl
  • Journal Title: journal of luminescence Volume: 169 Pages: 387 - 393
  • DOI: 10.1016/j.jlumin.2015.04.001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Luminescent Study on Rare Earth Doped Hafnium Based Transparent Ceramics Prepared by Spark Plasma Sintering Method (2016)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Koichi Harata, Hiroaki Chiba, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 7TH International Symposium on Optical Materials (IS-OM7)
  • Place of Presentation: Lyon, France
  • Year and Date: 2016-03-04 – 2016-03-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a Position-Sensitive Gamma-ray Camera Using Novel Scintillator and an MPPC (2016)
  • Author(s): S. Kurosawa, Y. Shoji, R. Murakami, T. Horiai, A. Yamaji, H. Chiba, Y. Ohashi, K. Kamada, Y. Yokota, A. Yoshikawa
  • Organizer: The 14th Vienna Conference on Instrumentation (VCI2016)
  • Place of Presentation: Vienna, Austria
  • Year and Date: 2016-02-17 – 2016-02-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ce-concentration dependence of scintillation characteristics for Ce-doped (Gd, La)2Si2O7 doped grown by the Czochralski process (2015)
  • Author(s): S. Kurosawa, Y. Shoji, R. Murakami, T. Horiai, K. Kamada, J. Pejchal, Y. Ohashi, A. Yoshikawa
  • Organizer: 9th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR 2015)
  • Place of Presentation: Tartu, Estonia
  • Year and Date: 2015-09-23 – 2015-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Luminescent properties of Ce and Sc-admix GPS Scintillator (2015)
  • Author(s): S. Kurosawa, T. Shishido, R. Murakami, T. Horiai, T. Sugawara, A. Nomura, K. Yubuta, Y. Shoji, Y. Yokota, J. Pejchal, Y. Ohashi, K. Kamada, A. Yoshikawa
  • Organizer: 9th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR 2015)
  • Place of Presentation: Tartu, Estonia
  • Year and Date: 2015-09-22 – 2015-09-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Luminescent Properties Of Ce-Doped Gadolinium Pyrosilicate Crystals Grown By The Floating Zone Method (2015)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Takamasa Sugawara, Akiko Nomura, Kunio Yubuta, Yasuhiro Shoji, Rikito Murakami, Yuui Yokota, Jan Pejchal, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 2015 ACCGE-20
  • Place of Presentation: Big Sky, Montana, USA
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scintillation Properties of Large Size Ce:La-GPS Crystals Grown by the (2015)
  • Author(s): S. Kurosawa, Y. Shoji, R. Murakami, M. Kitaura, V. Jary, J. Pejchal, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, A. Onishi, M. Nikl, A. Yoshikawa
  • Organizer: 13th International Conference on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT2015)
  • Place of Presentation: Berkeley, CA, USA
  • Year and Date: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiation Hardness of Gd-Based Oxide Scintillators (2015)
  • Author(s): S. Kurosawa, R. Murakami, A. Yamaji, Y. Shoji, J. Pejchal, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, A. Yoshikawa
  • Organizer: 13th International Conference on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT2015)
  • Place of Presentation: Berkeley, CA, USA
  • Year and Date: 2015-06-08 – 2015-06-08
  • Int'l Joint Research
• [Remarks]
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 結晶材料、結晶製造法、放射線検出器、非破壊検査装置、および撮像装置 (2016)
  • Inventor(s): 黒澤俊介他（計7名）
  • Industrial Property Rights Holder: 黒澤俊介他（計7名）
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2016-013788
  • Filing Date: 2016-01-27