高性能PET装置の実現に向けた高速型GAGGシンチレータの開発

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H05986
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 鎌田 圭 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (60639649)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: シンチレータ / 放射線検出器 / 単結晶成長 / 医療画像装置

研究実績の概要

1インチサイズでのLi、Mg、Ceに関し各共添加仕込み濃度における結晶作製を行い、シンチレータ特性と各種元素の共添加量との相関関係を検討するとともにシンチレータ特性の改善メカニズムに関する検討を行った。陽イオン欠陥に起因する酸素欠陥が発光量の低下や蛍光寿命の長寿命化に影響するというメカニズムを見出すとともに、組成最適化に加え結晶自体の品質向上を達成した結果、発光量48,000photon/MeV以上を満足しつつ、蛍光寿命36ns、時間分解能160psとなる組成を見出した。
当該結晶組成において、大型単結晶作製技術の開発を進め、断熱材配置条件の検討による温度勾配の調整に加え、コイル位置、育成雰囲気、回転数の最適化を行った。加えて、冷却条件の検討及び結晶制御プログラムの開発により、形状制御された3３インチ径×100mm長さの結晶の安定的な作製が可能となった。３インチ径高速型GAGG単結晶の連続育成を行い、育成回数ごとの発光量・蛍光寿命を測定した。これまでに3回分の連続生産を行い、連続生産3回目においてリチャージ5回までの特性変動が10％以内であることを確認した。
PET装置に搭載するため、高速型GAGGシンチレータアレーを試作した。古河シンチテックの協力を受け、試作した高速型GAGGシンチレータアレーを用いて搭載試験を実施した。結果として、既存のPET装置の解像度2mmを上回る0.98mmの解像度を達成した。感度についても測定を行った結果、PET装置としての感度1.31％を達成した。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Physics AS CR(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: Physics AS CR
• [国際共同研究] ソウル大学(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: ソウル大学
• [雑誌論文] Development of a high resolution LaGPS imaging detector with pulse shape discrimination capability of different types of radiations (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Seiichi、Kamada Kei、Kurosawa Shunsuke、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 922 ページ: 8～18
  • DOI: 10.1016/j.nima.2018.11.056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comprehensive Study on Ce-Doped (Gd, La)2Si2O7 Scintillator (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Shunsuke、Horiai Takahiko、Murakami Rikito、Shoji Yasuhiro、Jan Pejchal、Yamaji Akihiro、Kodama Shohei、Ohashi Yuji、Yokota Yuui、Kamada Kei、Yoshikawa Akira、Ohnishi Akimasa、Kitaura Mamoru
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 65 ページ: 2136～2139
  • DOI: 10.1109/TNS.2018.2841917
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of Ce-doped (La,Gd)2Si2O7 grown by the Czochralski process (2018)
  • 著者名/発表者名: Murakami Rikito、Kurosawa Shunsuke、Yamane Hisanori、Horiai Takahiko、Shoji Yasuhiro、Yokota Yuui、Yamaji Akihiro、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 748 ページ: 404～410
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and luminescent properties of Ce and Eu doped Cesium Hafnium Iodide single crystalline scintillators (2018)
  • 著者名/発表者名: Kodama Shohei、Kurosawa Shunsuke、Yamaji Akihiro、Pejchal Jan、Kr?l Robert、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Yokota Yuui、Nikl Martin、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 492 ページ: 1～5
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.03.033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal Growth and Optical Properties of Organic Crystals for Neutron Scintillators (2018)
  • 著者名/発表者名: YAMAJI Akihiro、KUROSAWA Shunsuke、OHASHI Yuji、YOKOTA Yuui、KAMADA Kei、YOSHIKAWA Akira
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 ページ: 2405011～2405011
  • DOI: 10.1585/pfr.13.2405011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and Scintillation Properties of Two-Inch-Diameter SrI2(Eu) Single Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Shoji Yasuhiro、Kurosawa Shunsuke、Yokota Yuui、Hayasaka Shoki、Kamada Kei、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Chani Valery、Ohashi Yuji、Sakuragi Shiro、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 18 ページ: 3747～3752
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.7b01044
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal growth, optical properties, and scintillation responses of Pr-doped CeBr3 single crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Yokota Yuui、Ito Tomoki、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Ohashi Yuji、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 070312～070312
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.070312
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and characterization of directionally solidified eutectic systems for scintillator applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikawa Akira、Kamada Kei、Kurosawa Shunsuke、Yokota Yuui、Yamaji Akihiro、Chani Valery I.、Ohashi Yuji、Yoshino Masao
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 498 ページ: 170～178
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.02.032
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optimization of Dopants and Scintillation Fibers’ Diameter of GdAlO3/<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$\alpha$ </tex-math> </inline-formula>-Al2O3 Eutectic for High-Resolution X-Ray Imaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamada Kei、Yasui Nobuhiro、Ohashi Yoshihiro、Den Toru、Yamaguchi Hiroaki、Yamaji Akihiro、Shoji Yasuhiro、Yoshisno Masao、JinKim Kyoung、Kurosawa Shunsuke、Ohashi Yuji、Yokota Yuui、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 65 ページ: 2036～2040
  • DOI: 10.1109/TNS.2018.2841026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single crystal growth of submillimeter diameter sapphire tube by the micro-pulling down method (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamada Kei、Murakami Rikito、Kochurikhin Vladimir V.、Luidmila Gushchina、Jin Kim Kyoung、Shoji Yasuhiro、Yamaji Akihiro、Kurosawa Shunsuke、Ohashi Yuji、Yokota Yuui、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 492 ページ: 45～49
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.03.023
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase formation and crystal growth of Ca3TaAl3Si2O14 piezoelectric single crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Yokota Yuui、Ohashi Yuji、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 11UD11～11UD11
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.11UD11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of flexible Ir and Ir-Rh wires and application for thermocouple (2018)
  • 著者名/発表者名: Murakami Rikito、Kamada Kei、Shoji Yasuhiro、Yokota Yuui、Yoshino Masao、Kurosawa Shunsuke、Ohashi Yuji、Yamaji Akihiro、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 487 ページ: 72～77
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.01.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Li + , Na + and K + co-doping effects on scintillation properties of Ce:Gd 3 Ga 3 Al 2 O 12 single crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshino Masao、Kamada Kei、Kochurikhin Vladimir V.、Ivanov Mikhail、Nikl Martin、Okumura Satoshi、Yamamoto Seiichi、Yeom Jung Yeol、Shoji Yasuhiro、Kurosawa Shunsuke、Yokota Yuui、Ohashi Yuji、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 491 ページ: 1～5
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.03.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visualizing hidden electron trap levels in Gd3Al2Ga3O12:Ce crystals using a mid-infrared free-electron laser (2018)
  • 著者名/発表者名: Kitaura Mamoru、Zen Heishun、Kamada Kei、Kurosawa Shunsuke、Watanabe Shinta、Ohnishi Akimasa、Hara Kazuhiko
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 ページ: 031112～031112
  • DOI: 10.1063/1.5008632
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shallow electron traps formed by Gd2+ ions adjacent to oxygen vacancies in cerium-doped Gd3Al2Ga3O12 crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Kitaura Mamoru、Watanabe Shinta、Kamada Kei、Jin Kim Kyoung、Yoshino Masao、Kurosawa Shunsuke、Yagihashi Toru、Ohnishi Akimasa、Hara Kazuhiko
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 ページ: 041906～041906
  • DOI: 10.1063/1.5043218
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Ca/Sr ratio control on optical and scintillation properties of Eu-doped Li(Ca,Sr)AlF 6 single crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Yokota Yuui、Tanaka Chieko、Kurosawa Shunsuke、Yamaji Akihiro、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Nikl Martin、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 490 ページ: 71～76
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.03.022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Use of YAP(Ce) in the development of high spatial resolution radiation imaging detectors (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Seiichi、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Radiation Measurements 巻: 119 ページ: 184～191
  • DOI: 10.1016/j.radmeas.2018.11.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of ultrahigh resolution radiation imaging detector using 1 mm channel size Si-PM array combined with 0.2 mm × 0.2 mm pixelated GAGG plate (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto S.、Kataoka J.、Fukuchi T.、Kamada K.、Yoshikawa A.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 13 ページ: P05028～P05028
  • DOI: 10.1088/1748-0221/13/05/P05028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrahigh resolution radiation imaging system using an optical fiber structure scintillator plate (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Seiichi、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 3194～3203
  • DOI: 10.1038/s41598-018-21500-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Studies on sub-millimeter LYSO:Ce, Ce:GAGG, and a new Ce:GFAG block detector for PET using digital silicon photomultiplier (2018)
  • 著者名/発表者名: Ullah Muhammad Nasir、Pratiwi Eva、Park Jin Ho、Yamamoto Seiichi、Kamada Kei、Yoshikawa Akira、Yeom Jung-Yeol
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 911 ページ: 115～122
  • DOI: 10.1016/j.nima.2018.09.029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermoelectric Properties of Nb-Doped SrTiO3/TiO2 Eutectic Solids Fabricated by Unidirectional Solidification (2018)
  • 著者名/発表者名: Yokota Yuui、Horii Shigeru、Ogino Hiraku、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Ohashi Yuji、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 48 ページ: 1827～1832
  • DOI: 10.1007/s11664-018-06880-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shape-controlled crystal growth of Fe-Ga alloys to apply a magnetostrictive vibration energy harvester (2018)
  • 著者名/発表者名: Ito Masahiko、Kamada Kei、Yoshikawa Akira、Kawamata Toru、Fujieda Shun、Suzuki Shigeru、Minamitani Tamotsu、Ueno Toshiyuki
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 731 ページ: 898～902
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.10.109
  • 査読あり
• [学会発表] シンチレータ結晶の魅力 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鎌田圭
  • 学会等名: 関東核医学画像処理研究会2019
  • 招待講演
• [学会発表] 鉄-アルミニウム系合金結晶の形状制御作製と磁気特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鎌田 圭, 村上 力輝斗, 荒川 元孝, 南谷 保, 上野 敏幸, 庄子 育宏, 山路 晃弘, 吉野 将生, 黒澤 俊介, 横田 有為, 大橋 雄二, 吉川 彰
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] CeBr3シンチレータ単結晶の大型化とアッセンブリ技術の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鎌田 圭, 吉野 将生, 庄子 育宏, 山路 晃弘, 黒澤 俊介, 横田 有為, 大橋 雄二, 島添 健次, 高橋 美和子, 羽場 宏光, 百瀬 敏光, 高橋 浩之, 吉川彰
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Mo and W co-doping effects on Ce doped garnet scintillators (2018)
  • 著者名/発表者名: Kei Kamada, Kyoung Jin Kim, Masao Yoshino, Yasuhiro Shoji, Vladimir V. Kochurikhin, Aya Nagura, Shunsuke Kurosawa, Yuui Yokota, Yuji Ohashi, Martin Nikl, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: The 5th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Scintillation properties of undoped and Eu-doped Ca(Br,I)2 single crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Kei Kamada, Takashi Iida, Yuki Furuya, Masao Yoshino4, Kyoung Jin Kim, Yasuhiko Shoji, Rikito Murakami, Akihiro Yamaji, Shunsuke Kurosawa, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, and Akira Yoshikawa
  • 学会等名: 10th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Development of growth technique for Tb doped GdAlO3/α-Al2O3 eutectic scintillator (2018)
  • 著者名/発表者名: Kei Kamada, Hiroaki Yamaguchi, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Shunsuke Kurosawa, Yasuhiro Shoji, Yuui Yokota, Yuji Ohashi, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: Sixth European Conference on Crystal Growth
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal growth and scintillation properties of Eu doped Ca(BrxI1-x)2 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kamada, T. Iida, K. Kim, M. Yoshino, R. Murakami, Y. Furuya, A. Yamaji, S. Kurosawa, Y. Yokota, Y. Ohashi, A. Yoshikawa
  • 学会等名: 2018 IEEE Nuclear science Symposium and Medical Imaging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Edge defined Film Fed Growth法によるCe添加YAlO3単結晶作製技術の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鎌田 圭、古滝 敏郎、宮崎 真行、吉野 将生、山路 晃弘、黒澤 俊介、庄子 育宏、横田 有為、大橋 雄二、吉川 彰
  • 学会等名: 第79回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] EFG法による酸化物シンチレータ単結晶の形状制御育成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鎌田圭、古滝敏郎、斎藤弘倫、 堀越文弥、宮崎真行、吉野将生、 山路晃広、黒澤俊介、庄子育宏、 横田有為、大橋雄二、吉川彰
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議
• [産業財産権] 蛍光体 (2019)
  • 発明者名: 鎌田 圭、吉川 彰、横田 有為、黒澤 俊介
  • 権利者名: 鎌田 圭、吉川 彰、横田 有為、黒澤 俊介
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2019/008166
  • 外国
• [産業財産権] 蛍光体 (2018)
  • 発明者名: 鎌田 圭、吉川 彰、黒澤 俊介、横田 有為
  • 権利者名: 鎌田 圭、吉川 彰、黒澤 俊介、横田 有為
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-037900