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本研究ではフッ化リチウム（LiF）を母材とした中性子シンチレータの開発を目指している。LiFは非潮解性かつ高濃度にLi-6を含有する理想的な化学組成であるため、汎用の光検出器で検出可能な発光量のLiF系材料得られれば革新的な固体中性子シンチレータになる。LiFに蛍光特性を付与するためのドーパントの候補としては、一部の酸化物原料が知られており、高い量子効率を有する希土類元素等の発光中心元素を固溶させるのは困難であると考えられているものの、本研究では系統的に評価するため、1価元素、2価元素、希土類元素等の各種不純物元素を添加したLiF単結晶を試作し、酸化物原料を添加した既知組成のLiF単結晶の評価、放電プラズマ焼結法によるLiFセラミックス、キャスト法によるLiF単結晶の作製条件の検討についても実施した。
各種不純物元素を添加したLiF単結晶については多数のサンプルを試作、評価した結果、ほとんどの添加物は発光が得られない結果に終わったが、一部の添加物では、蛍光特性が得られた上、波高分布スペクトルにおいて中性子検出ピークが得られた。発光原理については欠陥中心による励起子発光であると推定される。従来LiF単結晶系材料の中で最も高い性能を有すると考えられていた酸化タングステンを添加したLiFを評価したが、その発光量は約100 photons/neutronで、今回の研究で開発した不純物添加LiFは約3倍の発光量が得られており、現時点で世界最高性能のLiF系材料の開発に成功したと言える。また、作製手法の検討として、放電プラズマ焼結法によるLiFセラミックス、キャスト法によるLiF単結晶の作製を検討し、それぞれ試作に成功したが、 LiFセラミックスは高いシンチレーション特性は得られなかった。キャスト法によるサンプルは高い性能が得られ、作製手法として確立できたものと考えられる。
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