2020 Fiscal Year Annual Research Report
フローティングゾーン炉を用いた新規高融点ガラスの作製とその放射線誘起蛍光特性評価
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20J23225
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
白鳥 大毅 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ガラスシンチレータ / 酸化物ガラス / フローティングゾーン炉 / 蛍光体 / 重元素ガラス / ガラス化範囲 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
母材レベルでHfO2を含有したSiO2系ガラスを溶融プロセスを経て作製することに成功した。ランタノイドや第6周期元素等からなる重元素酸化物を多量に含有したガラスは作製難易度の高さから研究例が少なく、特にHfO2を高濃度に含むガラスの報告例はゾルゲル法によるもののみに留まる。我々は単結晶育成に用いられるフローティングゾーン炉をガラス作製に応用することで幅広い材料探索の実現可能性を見出した。本ガラス作製技術は新規ガラス材料探索を行う上で重要な技術となり得る。
・ガラス形成範囲の探索 3元系組成HfO2-Al2O3-SiO2についてガラス形成範囲の探索を行った。ガラス化は10HfO2-xAl2O3-(90－x)SiO2（x = 10－30）の一部組成でのみ認められた。また、HfO2-SiO2系においてはガラス化しないことがわかった。本組成において、中間酸化物に分類されるAl2O3の存在はガラス化に重要な要素であることが示唆された。
・発光特性 一般に蛍光体材料には発光中心となり得る元素が微量添加されている。ここではガラス化した組成にCeとSnを発光中心として添加し、その発光特性を評価した。Snを添加した試料では特に、蛍光量子収率が80%を上回る高い発光効率を示し、ガラス蛍光体として有望であることが明らかとなった。X線照射時のシンチレーション特性においては、241Amのアルファ線を用いたパルス波高スペクトル解析により、2700 ph/5.5MeV程度の発光量を示すことがわかった。
本研究で開発されたガラスは、Xおよびγ線に対して高感度な新規放射線検出ガラスとして有望である一方、発光量に関しては未だ改良の余地が残る。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初検討予定であった2元系ではガラス化が認められなかったが、Al2O3を含む3元系での検討により一部の組成でガラス化することがわかった。これを踏まえ、現在までにHfO2-Al2O3-SiO2系についてのガラス化検討および物性評価の一通りを行った。発光特性としては特にSnを添加した試料が優れた特性を示した。放射線照射時の発光特性では、本系はアルファ線を用いたパルスカウンティングにおいて明瞭な全吸収ピークを示し、発光量は2700 ph/5.5MeV程度と良好な値であった。一方で、γ線を用いた際には明瞭な全吸収ピークを得られず、発光量の算出ができなかったため、さらなる組成改良の余地がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
溶融によるHfO2を多量に含有したガラスの作製に成功したことにより、これをランタノイドや他の重元素に置き換えた場合でも十分にガラス化する可能性が示唆され、ガラス材料の探索の幅が広がったと言える。今後の方針としては、まずLu2O3-Al2O3-SiO2系のガラス化範囲の探索を行う予定である。具体的には各構成酸化物の比率を10%刻みでガラス化する組成比を探索していく。ガラス化しているか否かはXRDによって解析を行い、正確な組成をXRFによって測定、記録する。ガラス化した試料には前年度と同様にSnまたはCeを添加し、その光学特性及び放射線応答特性を評価する。発光効率の良い添加元素に対してはその添加濃度を変更し、各種物性を評価しつつ最適濃度を割り出す。
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