Srudy on Mixed Anion Compounds Scintillator

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Synthesis of Mixed Anion Compounds toward Novel Functionalities
• Project/Area Number: 19H04684
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: シンチレータ / 複合アニオン / 発光量

Outline of Annual Research Achievements

シンチレータとは放射線を「見える化」する素子であり、シンチレータに入射した放射線のエネルギーを光検出器で検出可能な可視光等に変換する高機能材料である。より少ない放射線量で、放射線の検出を行うことができたら、環境中の放射線の測定時間を短縮化できたり、放射線を利用した非破壊検査での線量の低減が可能になったり、社会的にも利益が大きい。このように、シンチレータの放射線感度を上げるためには、シンチレータの発光量を向上させることが重要である。ここで、多用される無機物のシンチレータ結晶は、酸化物、塩化物などであり、局所的に見ればプラスとマイナスの電荷に偏りがある。このマイナスイオンのことをアニオンとよび、酸素(O^2-)、塩素(Cl^-)、臭素(Br^-)などが代表的なアニオンである。そして、これまでの研究から、複数のアニオンから構成されている結晶材料が、単一のものよりも発光量が大きくなる事例が報告されている。なお、プラスイオンは、カチオンと呼ぶ。
本研究では、この複合アニオンの高発光量化が一般的な現象なのかを調べるために、過去研究とは異なる材料（カチオン）について、カチオン組成を統一して、塩素（塩化物）－臭素（臭化物）－ヨウ素アニオン（ヨウ化物）を混合して、その発光量を調べている。今年度は、塩素－臭素間でのいくつかの複合アニオン単結晶をブリッジマン法などを利用して合成し、その発光量を調べてきた。その結果、発光量の向上などは顕著に見えないことが分かってきた。そこで、過去研究との差について原因を明らかにするべく、発光機構、結晶構造などの情報を比較している。そして、励起子発光と呼ばれる発光機構と考えられる発光の観測や、合成した新しい材料の構造を初めて明らかにするなどの成果が出せた。さらに、ヨウ素－塩素、臭素混合についても合成できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初予定していた合成材料数以上の単結晶を育成することができ、また、放射光などを利用した発光の温度依存性を調べることによって、発光機構の解明について道筋をつけることができた。さらに、これまで不明であった結晶構造について、新学術領域内での共同研究の一環として明らかにできた。
当該年度は1年目にもかかわらず、当該年度後半に当該研究テーマに関する発表を、国際学会を含む学会で複数行うことができた。さらに、論文として2件受理され、現在1件が提出中である。このようなことから、当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、結晶の合成を、特にヨウ化物を含む複合アニオンを中心に行う。ヨウ化物は、バンドギャップエネルギーが、塩化物などよりも小さい傾向にあり、発光量とバンドギャップエネルギーは、一般的には反比例の関係にあることから、より発光量の多い新規材料を見出すことが期待できる。
さらに、合成した材料についての結晶構造や発光の様子を明らかにして、複合アニオン全体としての網羅的な考察を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チェコ物理研(チェコ)
  • Country Name: CZECH
  • Counterpart Institution: チェコ物理研
• [Journal Article] Growth and scintillation properties of a new red-emitting scintillator Rb₂HfI₆ for the fiber-reading radiation monitor (2020)
  • Author(s): Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Yuki Morishita, Hiroshi Usami, Tatsuo Torii, Masateru Hayashi, Makoto Sasano, Tetsushi Azuma, Hiroki Tanaka, Vladimir Kochurikhin, Jan Pejchal, Robert Kr?l, Masao Yoshino, Akihiro Yamaji, Satoshi Toyoda, Hiroki Sato, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Martin Nikl, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1109/TNS.2020.2976695
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fiber-reading radiation monitoring system using an optical fiber and red-emitting scintillator for ultra-high dose condition (2020)
  • Author(s): Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Maki Ohno, Yuki Morishita, Hiroshi Usai, Masateru Hayashi, Makoto Sasano, Tetsushi Azuma, Hiroki Tanaka, Vladimir Kochurikhin, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Satoshi Toyoda, Hiroki Sato, Yuji OHASHI, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa, Tatsuo Torii
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Pages: 47002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab77f7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the new radiation monitor system using a novel scintillator (2019)
  • Author(s): ?サソShunsuke Kurosawa, Shohei Kodama, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: International Topical Workshop on Fukushima Decommissioning Research (FDR2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Novel Red/Near-Infrared Scintillation Materials with Fast Decay Time (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa
  • Organizer: 8th International Symposium on Optical Materials (IS-OM 8)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Self-Trapped Exciton Luminescence of Anion-Substituted Cesium Hafnium Chloride (2019)
  • Author(s): S. Kodama, S. Kurosawa, M. Ohno, A. Yamaji, M. Yoshino, S. Toyoda, H. Sato, Y. Ohashi, K. Kamada, Y. Yokota, R. Krテ。l, J. Pejchal, M. Nikl, A. Yoshikawa
  • Organizer: International Conference on Excited States of Transitions Elements
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the Fiber-reading Scintillation Detector under Ultra-high Dose Rate (2019)
  • Author(s): Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Maki Ohno, Ai Makabe, Yuki Morishita, Hiroshi Usami, Masateru Hayashi, Hiroki Tanaka, Vladimir Kochurikhin, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Hiroki Sato, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: 15th International conference on Scintillating Materials and their Applications (SCINT2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis and optical properties of red-emitting A2MI6 scintillators (A = K, Rb and Cs, M = Zr and Hf) (2019)
  • Author(s): Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Maki Ohno, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Hiroki Sato, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on Red-Emission Scintillation Materials ~Crystals & powders~ (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Yutaro Kurashima, Akihiro Yamaji, Shohei Kodama, Masao Yoshino, Satoshi Toyoda, Hiroki Sato, Yuui Yokota, Kei Kamada, Yuji Ohashi, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シンチレータの開発の現状-2019年度- (2019)
  • Author(s): 黒澤俊介、山路晃広、堀合毅彦、小玉翔平、大和慎之介、倉嶋佑太朗、村上力輝斗、鎌田圭、吉野将生、豊田智史、佐藤浩樹、横田有為、大橋雄二、吉川彰
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」（第34回）
• [Remarks] 黒澤俊介のページ
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/index.html