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ブリッジマン法により電子番号が大きいBiを主元素とする酸化物としてBi_4Si_3O_<12>に注目して、これにCeおよびPrなどの不純物を添加した単結晶を育成し、シンチレータ特性を評価した。
1.大型BSO結晶の育成技術の開発:高純度(6N)のBi_2O_3とSiO_2を原料に用いて、直径が25mm、長さ70mmの小型結晶について、各種の条件で成長実験を行った。ついで、この実験結果を応用して高エネルギー粒子検出用として、直径が35mm、長さ200mmの単結晶を3本試作した。育成した結晶には、表面に偏析相がみられたが、内部は極めて良質な単結晶であった。このインゴットから、長さ190mmのシンチレータを採取して評価した結果、BSOはシンチレータとして実用できることを立証した。結晶の評価は、光透過率およびシンチレータ特性のほか、^<60>Coによる耐放射性についても測定して確かめた。
2.Ce添加BSOの育成と評価:BSOに対するCeの偏析係数はほぼ1であり、0.2%までの添加は結晶性を損なうことなく、単結晶を成長させることができた。Ce添加によるBSOの性能は、蛍光出力が減少し、蛍光の減衰速度に改善がみられなかったが、耐放射性が著しく改善されることが明らかになった。
3.Pr添加BSOの育成と評価:BSOに対するPrの添加は、470nmに光吸収がおこり、BSOの発光波長に近いことが確認され、Pr添加によるBSOは高性能のシンチレータになる可能性は小さい。
4.Bi_4(Si_<1-x>Ge_x)_<-3>O_<12>固溶体:ブリッジマン法による単結晶の育成実験を行ったが、此の系の単結晶は偏析係数が1より大きく、組成変動が大きいためにインゴットにクラックガ生じやすく、良質の単結晶が得られなかった。
以上の研究から、高エネルギ粒子検出用のシンチレータ結晶としては、不純物を含まない高純度のBSOまたは、0.2%までのBSO:Ce結晶が適していることを確かめた。なおこの応用として実用規模のシンチレータ結晶の試作研究を進行中である。
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