タングステン坩堝を用いた超高融点領域での重いシンチレータ単結晶の開発

がん検診で使用されている陽電子放射断層撮影（PET）装置の高性能化に向けては、高エネルギーのガンマ線（511 keV）を可視光に変換することができるシンチレータ材料の開発が重要となる。ここでPET用シンチレータ材料に求められる特性に着目すると、① 感度を上げるために密度が高い（ガンマ線阻止能が高い）こと、② 511 keVのガンマ線を弁別できる高エネルギー分解能を得るために発光量が大きいこと、③ 高時間分解能を得るために発光の蛍光寿命が短いことが挙げられる。本研究では、高密度で阻止能が高いシンチレータ材料（重いシンチレータ）の新材料開発に向けて、未開拓領域であるイリジウムの軟化点温度近傍（2,000℃）以上での材料探索を行う。2022年度は、発光中心としてCe3+を添加した希土類ペロブスカイト型シンチレータのGdScO3に注目し、放射線応答特性改善に向けてGdサイトへのY置換を検討した。マイクロ引下げ法を用いて単結晶育成を行い、坩堝材としてタングステン、断熱材として安定化ジルコニアを使用した。坩堝材と原料粉末の反応を抑制するために、単結晶育成中の炉内の酸素分圧を低く保つ必要があり、断熱材使用前にカーボン炉で脱酸素処理を行った。Y置換量0～80 mol%の単結晶育成を行った結果、全ての組成で透明な結晶を得ることに成功した。育成結晶の粉末X線回折測定の結果、最強ピークはY置換量増大に伴い高角側にシフトすることが明らかになった。イオン半径を考慮すると、Gd3+のイオン半径よりもY3+のイオン半径のほうがが小さいため、GdサイトにYが置換された影響と考えられる。また、発光量を評価するために、X線励起の発光スペクトルの積分強度を比較した結果、Y置換によって発光量が約5倍程度大きくなることが明らかになった。

がん検診で使用されている陽電子放射断層撮影（PET）装置の高性能化に向けては、高エネルギーのガンマ線（511 keV）を可視光に変換することができるシンチレータ材料の開発が重要となる。ここでPET用シンチレータ材料に求められる特性に着目すると、① 感度を上げるために密度が高い（ガンマ線阻止能が高い）こと、② 511 keVのガンマ線を弁別できる高エネルギー分解能を得るために発光量が大きいこと、③ 高時間分解能を得るために発光の蛍光寿命が短いことが挙げられる。本研究では、高密度で阻止能が高いシンチレータ材料（重いシンチレータ）の新材料開発に向けて、未開拓領域であるイリジウムの軟化点温度近傍（2,000℃）以上での材料探索を行う。2022年度は、発光中心としてCe3+を添加した希土類ペロブスカイト型シンチレータのGdScO3に注目し、放射線応答特性改善に向けてGdサイトへのY置換を検討した。マイクロ引下げ法を用いて単結晶育成を行い、坩堝材としてタングステン、断熱材として安定化ジルコニアを使用した。坩堝材と原料粉末の反応を抑制するために、単結晶育成中の炉内の酸素分圧を低く保つ必要があり、断熱材使用前にカーボン炉で脱酸素処理を行った。Y置換量0～80 mol%の単結晶育成を行った結果、全ての組成で透明な結晶を得ることに成功した。育成結晶の粉末X線回折測定の結果、最強ピークはY置換量増大に伴い高角側にシフトすることが明らかになった。イオン半径を考慮すると、Gd3+のイオン半径よりもY3+のイオン半径のほうがが小さいため、GdサイトにYが置換された影響と考えられる。また、発光量を評価するために、X線励起の発光スペクトルの積分強度を比較した結果、Y置換によって発光量が約5倍程度大きくなることが明らかになった。