新規ハロゲン化物超高輝度シンチレータの開発および赤色発光への展開

• 研究課題/領域番号: 19H02422
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 北浦 守 山形大学, 理学部, 教授 (60300571)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2020年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2019年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
• キーワード: シンチレータ / 赤色発光体 / 近赤外発光体 / ハロゲン化物 / 新規蛍光体 / ガンマ線 / 中性子線 / 廃炉 / 赤色発光 / 近赤外発光 / 放射線検出 / 自己束縛励起子 / 低温物性

研究開始時の研究の概要

本研究では放射線を検出する素子として、がん治療や高エネルギー物理学・天文学実験に使われる、シンチレータという機能性材料（発光材料）について、新物質開発とその発光機構の解明に取り組む。とくに赤色で発光するシンチレータの開発はフロンティア領域であり、また、多くの応用が期待されている。

研究成果の概要

放射線による励起で発光が生じる材料をシンチレータと呼び、直接目で見えない放射線を検出する素子として利用されている。これまでは、紫外線や青色などの波長で発光していたが、本研究では特に600 nmよりも長い赤色・近赤外発光シンチレータの開拓を進めてきた。その結果、非常に明るく、また、赤色・近赤外発光体の中では典型的な蛍光寿命の百分の1程度の高速蛍光寿命を持つ材料を開拓できた。さらにその発光起源についても議論できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

赤色・近赤外発光シンチレータは、既存のシンチレータよりも原理的に発光量やエネルギー分解能が良くなるため、より高感度な放射線計測を行えると期待できる。この効果を活かせば、放射線を使った非破壊検査で、より少ない量の放射線でも検査ができる。加えて、廃炉事業に関連して、チェレンコフ発光などの青色などの短波長領域で顕著なノイズなどと区別して信号を取り出せるため、非常に高い線量率の条件でも感度の良い放射線計測ができるなど、その社会的意義は大きい。加えてこれまでの青色シンチレータなどとは発光機構と異なる発光機構であり、その機構解明などは学術的にも意義深い。

研究成果

• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー 物理学研究所(チェコ)
• [国際共同研究] モンクット王工科大学トンブリー校(タイ)
• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [国際共同研究] カジミエシュヴィエルキ大学ビドゴシチ(ポーランド)
• [雑誌論文] Plutonium dioxide particle imaging using a high-resolution alpha imager for radiation protection (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki Morishita, Shunsuke Kurosawa, Akihiro Yamaji, Masateru Hayashi, Makoto Sasano, Taisuke Makita, and Tetsushi Azuma
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 11 号: 1 ページ: 5948-5948
  • DOI: 10.1038/s41598-021-84515-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Luminescence properties of scintillators in soft X-ray region (2020)
  • 著者名/発表者名: Ejima Takeo、Kurosawa Shunsuke、Yamaji Akihiro、Hatano Tadashi、Wakayama Toshitaka、Higashiguchi Takeshi、Kitaura Mamoru
  • 雑誌名: Journal of Luminescence 巻: 219 ページ: 116850-116850
  • DOI: 10.1016/j.jlumin.2019.116850
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phase diagram of BaI2-LuI3 system and growth of BaI2/LuI3 eutectic scintillator (2020)
  • 著者名/発表者名: Origuchi Kazuya、Yokota Yuui、Kral Robert、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Toyoda Satoshi、Sato Hiroki、Ohashi Yuji、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 536 ページ: 125573-125573
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125573
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and scintillation properties of a new red-emitting scintillator Rb₂HfI₆ for the fiber-reading radiation monitor (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: - 号: 6 ページ: 1055-1062
  • DOI: 10.1109/tns.2020.2976695
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fiber-reading radiation monitoring system using an optical fiber and red-emitting scintillator for ultra-high dose condition (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 号: 4 ページ: 47002-47002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab77f7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scintillation Characteristics of Mg2+-Codoped Y0.8Gd2.2(Al5-xGax)O12:Ce Single Crystals (2020)
  • 著者名/発表者名: Chewpraditkul Weerapong、Pattanaboonmee Nakarin、Chewpraditkul Warut、Sakthong Ongsa、Yamaji Akihiro、Kamada Kei、Kurosawa Shunsuke、Yoshikawa Akira、Drozdowski Winicjusz、Witkowski Marcin E.、Szczesniak Tomasz、Grodzicka Martyna、Moszynski Marek
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 67 号: 6 ページ: 910-914
  • DOI: 10.1109/tns.2020.2975734
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a novel red-emitting cesium hafnium iodide scintillator (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kodama, S. Kurosawa, M. Ohno, A. Yamaji, M. Yoshino, J. Pejchal, R. Kral, Y. Ohashi, K. Kamada, Y. Yokota, M. Nikl, A. Yoshikawa
  • 雑誌名: Radiation Measurements 巻: 124 ページ: 54-58
  • DOI: 10.1016/j.radmeas.2019.03.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal growth and luminescence properties of organic crystal scintillators for α-rays detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamato Shinnosuke、Yamaji Akihiro、Kurosawa Shunsuke、Yoshino Masao、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Yokota Yuui、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 94 ページ: 58-63
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2019.04.051
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scintillation properties of Y-Admixed Gd2Si2O7 scintillator (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, T. Shishido, T. Sugawara, K. Yubuta, T. Horiai, V. Jary, A. Yamaji, M. Yoshino, Y. Yokota, Y. Shoji, K. Kamada, A. Yoshikawa, J. Pejchal, M. Nikl
  • 雑誌名: Radiation Measurements 巻: 126 ページ: 106123-106123
  • DOI: 10.1016/j.radmeas.2019.106123
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ga for Al substitution effects on the garnet phase stability and luminescence properties of Gd3GaxAl5-xO12:Ce single crystals (2019)
  • 著者名/発表者名: Bartosiewicz K.、Babin V.、Kamada K.、Yoshikawa A.、Kurosawa S.、Beitlerova A.、Kucerkova R.、Nikl M.、Zorenko Yu
  • 雑誌名: Journal of Luminescence 巻: 216 ページ: 116724-116724
  • DOI: 10.1016/j.jlumin.2019.116724
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Nd添加近赤外発光シンチレータ結晶の探索とその発光特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石澤 倫、黒澤 俊介、山路 晃広、吉川 彰
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 二重ベータ崩壊実験のためのCaF2結晶の高純度化III (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介, 梅原さおり, 伏見賢一, 岸田有美子, 坂上陽俊, 吉田朋美, 今川恭四郎, 保田賢輔, 山路晃広
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] 高融点材料探索のためのコア・ヒーティング法の開発と材料探索 II (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒澤 俊介、倉嶋 佑太朗、石澤 倫、 藤原千隼、 山路 晃広、吉川 彰
  • 学会等名: セラミックス協会2022年 年会
• [学会発表] シンチレータの開発の現状 -202１年度- (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介、山路晃広、石澤倫、 藤原千隼、上中あい、工藤真紀
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」
• [学会発表] 革新的無機シンチレータの開発とアイソトープ検出への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介
  • 学会等名: 第58回アイソトープ・放射線研究発表会
  • 招待講演
• [学会発表] ガンマ イメージングとデータ解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介
  • 学会等名: 2021年次世代放射線シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Scintillation properties for Cs2HfBr6-based crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: C. Fujiwara, S. Kodama, S. Kurosawa, A. Yamaji, Y. Ohashi, K. Kamata, H. Sato, Y. Yokota, S. Toyoda, M. Yoshino, T. Hanada, A. Yoshikawa
  • 学会等名: IEEE Nuclear Science Symposium And Medical Imaging Conference 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Scintillation Properties for Ce-doped Garnet-Type Crystals with Longer-Wave-Emitting (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, A. Yamaji, C. Fujiwara, S. Ishizawa, A. Yoshikawa
  • 学会等名: IEEE Nuclear Science Symposium And Medical Imaging Conference 2021
  • 国際学会
• [学会発表] ハフニウムを用いた赤色・近赤外発光ヨウ化物シンチレータ結晶の育成とその光学特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤原 千隼、小玉 翔平、 黒澤 俊介、山路 晃広、大橋 雄二、横田 有為、 鎌田 圭、 佐藤 宏樹、豊田 智史、吉野 将生、花田 貴、吉川 彰
  • 学会等名: 公益社団法人日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] 高融点材料探索のためのコア・ヒーティング法の開発と材料探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒澤 俊介、倉嶋 佑太朗、藤原 千隼、山路 晃広、石澤 倫、石川 志緒利、吉川 彰
  • 学会等名: 公益社団法人日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] Bandgap Structure and Electron Transportation Efficiency for the Scintillator using Ce:La-GPS crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Akirai Yoshikawa
  • 学会等名: SSDM2021
  • 国際学会
• [学会発表] 高線量率下での線量モニタの開発に向けた赤色発光酸化物シンチレータ結晶の探索とその発光特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石澤 倫、黒澤 俊介、倉嶋 佑太朗、山路 晃広、石川 志緒利、藤原 千隼、吉川 彰、田中 浩基
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] パイロシリケート型酸化物シンチレータの研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒澤 俊介、山路 晃広、村上 力輝斗、庄子 育宏、吉川 彰
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Fast Neutron Imaging using Carbazole and p-Terphenyl Scintillator (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, A. Yamaji, C. Fujiwara, A. Yoshikawa
  • 学会等名: Lumdtr2021
  • 国際学会
• [学会発表] 赤色発光ヨウ化物シンチレータ材料の探索とその応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介、小玉翔平、藤原千隼、石川志緒利、大野真紀、上中あい、山路晃広
  • 学会等名: 第24回ヨウ素学会シンポジウム
• [学会発表] Development of the new radiation monitor system using a novel scintillator (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Shohei Kodama, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: International Topical Workshop on Fukushima Decommissioning Research (FDR2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Novel Red/Near-Infrared Scintillation Materials with Fast Decay Time (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa
  • 学会等名: 8th International Symposium on Optical Materials (IS-OM 8)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crystal growth and optical properties of a Ce2Si2O7 single crystal (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Horiai, Shunsuke Kurosawa, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Jan Pejchal, Masao Yoshino, Akihiro Yamaji, Hiroki Sato, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: 19th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-29)
  • 国際学会
• [学会発表] Optical Study on Garnet-Type Scintillator with Longer-Wave-Emitting (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke KUROSAWA, Akihiro YAMAJI, Shohei KODAMA, Shinnosuke YAMATO, Yutaro KURASHIMA, Kei KAMADA, Masao YOSHINO, Satoshi TOYODA, Hiroki SATO, Yuui YOKOTA, Yuji Ohashi, Akira YOSHIKAWA
  • 学会等名: 8th International Workshop on Photoluminescence in Rare Earths: Photonic Materials and Devices (PRE'19)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Cr-Doped Oxide Crystals as Red and Near Infra-Red Emission for Medical Use (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, T. Shishido, T. Sugawara, A. Nomura, K. Yubuta, A. Yamaji, M.Yoshino, S. Toyoda, H. Sato, Y. Ohashi, K. Kamada, Y. Yokota, A. Yoshikawa
  • 学会等名: International Conference on Excited States of Transitions Elements
  • 国際学会
• [学会発表] Self-Trapped Exciton Luminescence of Anion-Substituted Cesium Hafnium Chloride (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kodama, S. Kurosawa, M. Ohno, A. Yamaji, M. Yoshino, S. Toyoda, H. Sato, Y. Ohashi, K. Kamada, Y. Yokota, R. Kral, J. Pejchal, M. Nikl, A. Yoshikawa
  • 学会等名: International Conference on Excited States of Transitions Elements
  • 国際学会
• [学会発表] Development of La-GPS(Ce) Pixel Scintillation Arrays for Real-Time Dose-Verification in Particle Therapy (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Yasuhiro Shoji, Shinya Sonoda, Tetsuya Mizumumo, Masao Yoshino, Hayato Numakura, Mitsuru Abe, Atsushi Takada, Akihiro. Yamaji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Fuyuki Tokanai, Takeo Iwai, Kenji Nemoto And Toru Tanimori
  • 学会等名: 15th International conference on Scintillating Materials and their Applications (SCINT2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the Fiber-reading Scintillation Detector under Ultra-high Dose Rate (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 15th International conference on Scintillating Materials and their Applications (SCINT2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis and optical properties of red-emitting A2MI6 scintillators (A = K, Rb and Cs, M = Zr and Hf) (2019)
  • 著者名/発表者名: Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Maki Ohno, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Hiroki Sato, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会
• [学会発表] Novel material-search method for transparent optical materials with high melting point using electric arc (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro.Kurashima, Shunsuke Kurosawa, Rikito Murakami, Akihiro Yamaji, Kei Kamada, Masao Yoshino, Satoshi Toyoda, Hiroki Sato, Yuui Yokota, Yuji Ohashi, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会
• [学会発表] Study on Red-Emission Scintillation Materials ~Crystals & powders~ (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Yutaro Kurashima, Akihiro Yamaji, Shohei Kodama, Masao Yoshino, Satoshi Toyoda, Hiroki Sato, Yuui Yokota, Kei Kamada, Yuji Ohashi, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direction-Sensitive Dark Matter Search using Zinc Tungstate Scintillators (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, H. Sekiya, A. Yamaji, M. Abe, M. Tsukahara, T. Horiai, R. Murakami, Y. Shoji, M. Yoshino, H. Sato, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, A. Yoshikawa
  • 学会等名: 2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of Ce-doped (Gd,La)2 Si2O7 Single Crystals and their applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shoji, S. Kurosawa, V. Kochurikhin, K. Kamada, S. Hayasaka, M. Yoshino, Y. Yokota, Y. Ohashi, A. Yamaji, A. Yoshikawa
  • 学会等名: 2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Development of an Electron-Tracking Compton Camera and Novel Scintillator for In-Beam Dose-Verification in Particle Therapy (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, S. Sonoda, T. Mizumoto, H. Numakura, M. Yoshino, S. Komura, H. Abe, A. Takada, A. Yamaji, Y. Ohashi, H. Sato, K. Kamada, Y. Yokota, A. Yoshikawa, F. Tokanai, T. Iwai, K. Nemoto, T. Tanimori
  • 学会等名: 2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Real-Time Dose-Verification in Particle Therapy Using an Electron-Tracking Compton Camera and their simulation study (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Yasuhiro Shoji, Shinya Sonoda, Tetsuya Mizumoto, Masao Yoshino, Hayato Numakura, Shotaro Komura, Mitsuru Abe, Atsushi Takada, Akihiro Yamaji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Fuyuki Tokanai, Takeo Iwai, Kenji Nemoto and Toru Tanimori
  • 学会等名: the 1st Annual Conference of the Particle Therapy Co-operative Group Asia-Oceania (PTCOG-AO’19)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of novel transparent ceramics for scintillation materials (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介、藤原加奈
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2019-平成30年度共同研究成果報告会-
• [学会発表] 粒子線治療におけるリアルタイム線量撮像機器の開発と現状 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒澤 俊介
  • 学会等名: 第72回放射線計測研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 高融点透明光学材料を得るためのアークを用いた新たな材料探索法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉嶋 佑太朗、黒澤 俊介、村上 力輝斗、山路 晃広、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
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] 粒子線治療への応用に向けた電子飛跡型コンプトンカメラの開発V (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒澤 俊介、沼倉 隼人、園田 真也、水本 哲矢、谷森 達、高田 淳史、吉野 将生、山路 晃広、大橋 雄二、鎌田 圭、横田 有為、吉川 彰、門叶 冬樹、岩井 岳夫、根本 健二、豊田 智史
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] 結晶と物理学 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介
  • 学会等名: 異分野基礎科学研究所 量子宇宙研コア セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] シンチレータの開発の現状-2019年度- (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」（第34回）
• [備考] 黒澤俊介のページ
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/
• [備考]
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/index.html