Кристаллический материал, способ изготовления кристалла, детектор излучения, прибор неразрушющего контроля и прибор визуализации

Кристаллический материал, способ изготовления кристалла, детектор излучения, прибор неразрушющего контроля и прибор визуализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к кристаллическому материалу, способу изготовления кристалла, детектору излучения, прибору неразрушающего контроля и прибору визуализации.

Предпосылки изобретения

[0002] Сцинтилляционные монокристаллы используют для детекторов излучения, которые выявляют гамма-излучение, рентгеновское излучение, альфа-излучение, нейтронное излучение и т.п. Такие детекторы излучения широко используются для приборов медицинской визуализации (приборов визуализации), таких как приборы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и приборы рентгеновской компьютерной томографии (КТ), различных радиометров в области физики высоких энергий, ресурсодобывающих приборов (для добычи ресурсов, такой как каротаж нефтяных скважин), и т.п.

[0003] Детектор излучения, как правило, включает в себя сцинтиллятор, который поглощает гамма-излучение, рентгеновское излучение, альфа-излучение или нейтронное излучение и преобразует это излучение в сцинтилляционный свет, и фотодетектор, такой как светоприемный элемент, который принимает сцинтилляционный свет и преобразует сцинтилляционный свет в электрический сигнал, или т.п. В физике высоких энергий или в системах визуализации на основе позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) изображения создаются, например, в результате взаимодействия между сцинтиллятором и радиацией, генерируемой за счет радиоактивного распада. В системах визуализации на основе позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) гамма-излучение, генерируемое за счет взаимодействия между позитронами и соответствующими электронами в исследуемом объекте, попадает в сцинтиллятор и преобразуется в фотоны, которые могут быть обнаружены фотодетектором. Фотоны, испускаемые из сцинтиллятора, могут быть обнаружены с использованием фотодиодов (ФД), кремниевых фотоумножителей (Si-ФУ), фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) или других фотодетекторов.

[0004] ФЭУ обладает большим квантовым выходом (эффективностью преобразования фотонов в электроны (сигналом тока)) в диапазоне длин волны примерно 400 нм и используется в сочетании со сцинтиллятором, имеющим максимальную длину волны испускания в основном примерно 400 нм. Для массива сцинтилляторов, в котором сцинтилляторы расположены в виде матрицы, в сочетании используется позиционно-чувствительный ФЭУ (ПЧ-ФЭУ) или т.п. При этой конфигурации можно определить, какой пиксель массива сцинтилляторов обнаружил фотон, из расчета удельного веса.

[0005] Полупроводниковые фотодетекторы, такие как фотодиоды (ФД), лавинные фотодиоды (ЛФД) и кремниевые фотоумножители (Si-ФУ), имеют широкое применение, в частности, в детекторах излучения и в устройства визуализации. Известны различные полупроводниковые фотодетекторы. Выполненные из кремниевых полупроводников ФД и Si-ФУ, например, обладают квантовой эффективностью 50% или более в волновой области от 350 нм до 900 нм и имеют более высокую квантовую эффективность, чем ФЭУ, квантовая эффективность которых составляет 45% самое большее. В вышеуказанной волновой области чувствительность является более высокой в волновой полосе от 500 нм до 700 нм и с максимумами примерно на 600 нм, в которых квантовая эффективность составляет примерно 80%. С учетом данных обстоятельств эти полупроводниковые фотодетекторы используются в сочетании со сцинтилляторами, обладающими максимальной длиной волны испускания в диапазоне от 350 нм до 900 нм, с центром примерно при 600 нм. Аналогично ФЭУ, также и для ФД, ЛФД и Si-ФУ существуют матрицы ФД, обладающие чувствительностью выявления местоположения, матрицы позиционно-чувствительных лавинных фотодиодов (ПЧЛФД) и матрицы Si-ФУ. Эти элементы также могут определять, какой пиксель массива сцинтилляторов обнаружил фотон. Кроме того, даже у сцинтилляторов с коротковолновым свечением 350 нм или менее сцинтилляционный свет преобразуется в свет с диапазоном длин волн, в котором обладают чувствительностью кремниевые полупроводники, например, с использованием Si-ФУ для короткой длины волны или преобразующего длину волны элемента, с получением тем самым детекторов излучения, которые выполняют считывание с помощью кремниевых полупроводников.

[0006] Желательно, чтобы сцинтиллятор, предназначенный для этих детекторов излучения, обладал высокой плотностью и большим атомным числом (высоким коэффициентом фотоэлектрического поглощения) с учетом эффективности детектирования, большой величиной свечения с учетом высокого разрешения по энергии и коротким временем жизни флуоресценции (временем задержки флуоресценции) с учетом необходимости высокоскоростного отклика. В дополнение, в новейших системах требуется, чтобы многочисленные сцинтилляторы были плотно расположены с длинной, узкой формой (примерно 5 мм × 30 мм, например, для ПЭТ) в целях получения многослойной структуры и повышенного разрешения, и важные факторы выбора включают удобство в обращении, обрабатываемость, возможность получения крупных кристаллов и цена. Также важно, чтобы длина волны свечения сцинтилляторов соответствовала диапазону длин волн с высокой чувствительностью детектирования фотодетекторов.

[0007] Примеры сцинтилляторов, в настоящее время пригодных для применения в различных детекторах излучения, включают сцинтиллятор Ce:Gd₂Si₂O₇, имеющий структуру типа пирохлора. Этот сцинтиллятор обладает преимуществами химической стабильности, отсутствия расплывания и наличия большой величины свечения. Сцинтиллятор со структурой типа пирохлора и со свечением от уровня 4f5d Ce³⁺, описанный в непатентном документе 1, например, имеет короткое время жизни флуоресценции в примерно 80 нс или менее, а также имеет большую величину свечения. Однако, с другой стороны, как описано в непатентном документе 1, сцинтиллятор обладает той проблемой, что из-за наличия перитектического состава на фазовой диаграмме рост монокристалла из расплава невозможен, и поэтому сложно получать крупное прозрачное тело.

[0008] В сцинтилляторах со структурой типа пирохлора, описанных в патентном документе 1 и патентном документе 2 и в непатентном документе 2, пытались стабилизировать структуру путем замещения церием (Ce) позиций редкоземельного элемента. При такой стабилизации этот кристалл может быть получен в виде крупного монокристалла способами выращивания из расплава, такими как метод плавающей зоны, метод Чохральского, метод микровытягивания и метод Бриджмена. Однако повышенное содержание Ce в позициях редкоземельного элемента приводит к возникновению проблемы, что величина свечения резко понижается (концентрационное гашение).

[0009] В патентном документе 3 и патентном документе 4, а также в непатентном документе 3 осуществлена попытка стабилизировать структуру путем замещения позиций редкоземельного элемента (особенно La) одним или более элементами, выбранными из Y, Yb, Sc, La и Lu. При такой стабилизации ожидалось, что этот кристалл можно будет получать в виде крупного монокристалла такими способами выращивания из расплава, как метод плавающей зоны, метод Чохральского, метод микровытягивания и метод Бриджмена. Хотя эта попытка дает некоторые эффекты, в (R,R')₂Si₂O₇ стехиометрический состав (R+R'):Si:O=2:2:7 представляет собой неконгруэнтно плавящийся состав, при получении объемного монокристалла образуются примеси, которые захватываются в виде гетерофазы, что вызывает образование трещин и дефектов, и, таким образом, была вновь обнаружена та проблема, что объемный монокристалл с большим диаметром не может быть получен с высоким выходом.

[0010] Кроме того, нестехиометрический состав смещает баланс электрических зарядов, что может вызвать такие проблемы, как возникновение механического напряжения в кристалле и влияние на время жизни флуоресценции.

Перечень цитат

[0011] Патентная литература

Патентный документ 1: публикация заявки на патент Японии № 2009-74039

Патентный документ 2: WO 2003/083010

Патентный документ 3: WO 2014/104238

Патентный документ 3: WO 2014/104238

Патентный документ 4: WO 2015/037726

[0012] Непатентная литература

Непатентный документ 1: S. Kawamura, J. H. Kaneko, M. Higuchi, T. Yamaguchi, J. Haruna, Y. Yagi, K. Susa, F. Fujita, A. Homma, S. Nishiyama, H. Ishibashi, K. Kurashige and M. Furusaka, IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, San Diego, USA, 29 October-5 November 2006, pp. 1160-1163.

Непатентный документ 2: S. Kawamura, M. Higuchi, J. H. Kaneko, S. Nishiyama, J. Haruna, S. Saeki, S. Ueda, K. Kurashige, H. Ishibashi and M. Furusaka, Crystal Growth & Design, volume 9 (3), 2009, pages 1470-1473.

Непатентный документ 3: A. Suzuki, S. Kurosawa, T. Shishido, J. Pejchal, Y. Yokota, Y. Futami, A. Yoshikawa, "Fast and High-Energy-Resolution Oxide Scintillator: Ce-Doped (La,Gd)₂Si₂O₇", Appl. Phys. Express vol. 5, 2012, page 102601.

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0013] Сцинтилляторы поглощают высокоэнергетические фотоны и преобразуют их в низкоэнергетические фотоны; для поглощения высокоэнергетических фотонов требуется крупное прозрачное тело. Используемые в качестве сцинтилляторов кристаллы, такие как Ce:Gd₂Si₂O₇ и Ce:(Gd,La)₂Si₂O₇, обладают большой величиной свечения, имеют короткое время жизни флуоресценции и демонстрируют превосходные характеристики, но обладают той проблемой, что трудно получить объемное тело, которое обладает высоким качеством, является прозрачным и обладает высокой степенью кристаллизации.

[0014] Настоящее изобретение было создано ввиду вышесказанного, и его задача состоит в том, чтобы предложить кристаллического материала, который имеет нестехиометрический состав с отрегулированным электрическим зарядом, представляет собой конгруэнтно плавящийся состав, может обеспечить высококачественное, прозрачное объемное тело, имеет большую величину свечения и короткое время жизни флуоресценции, способ его изготовления и детектор излучения, прибор визуализации и прибор неразрушающего контроля, содержащие такой кристаллический материал.

Решение проблемы

[0015] Для решения указанной проблемы и поставленной задачи предложен кристаллический материал, представленный общей формулой (1): (RE_xA_1-x-y-sB_yM'_s)_2+α(Si_1-t,M''_t)_2+βO_7+γ (1), причем кристаллический материал имеет структуру типа пирохлора, обладает нестехиометрическим составом и является конгруэнтно плавящимся составом, при этом в Формуле (1) A содержит по меньшей мере один или более, выбранных из Gd, Y, La, Sc, Yb и Lu; B содержит по меньшей мере один или более, выбранных из La, Gd, Yb, Lu, Y и Sc; 0,1 ≤ y < 0,4; RE содержит по меньшей мере один или более, выбранных из Ce, Pr, Nd, Eu, Tb и Yb; 0 < x < 0,1; M' и M'' содержат по меньшей мере один или более, выбранных из Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Fe, Ta и W; 0 ≤ s < 0,01 и 0 ≤ t < 0,01; и 0 < |α| < 0,3 и 0 ≤ |β| < 0,3 и 0 ≤ |γ| < 0,5. При выборе нестехиометрического состава и конгруэнтно плавящегося состава достигается резкое повышение степени кристаллизации. В вышеуказанной формуле || представляет абсолютную величину; 0 < |α| < 0,3 означает 0 < α < 0,3 или 0 > α > -0,3. Аналогично, 0 ≤ |β| < 0,3 означает 0 < β < 0,3 или 0 > β > -0,3 или β=0. Аналогично, 0 ≤ |γ| < 0,5 означает 0 < γ < 0,5 или 0 > γ > -0,5 или γ=0.

[0016] Предложен кристаллический материал согласно настоящему изобретению, в котором диапазоны x, y, s, t, α, β и γ дополнительно представлены как 0 < x < 0,05, 0,1 < y < 0,40, 0 ≤ s < 0,005 и 0 ≤ t < 0,005, 0,001 < |α| < 0,15 и 0,001 ≤ |β| < 0,15 и 0,001 < |γ| < 0,2.

[0017] Предложен кристаллический материал согласно настоящему изобретению, в котором диапазоны x, y, s, t, α, β и γ дополнительно представлены как 0 < x < 0,04, 0,1 < y < 0,35, 0 ≤ s < 0,005 и 0 ≤ t < 0,005, 0,01 < |α| < 0,1 и 0,01 ≤ |β| < 0,1 и 0,001 ≤ |γ| < 0,2.

[0018] Предложен кристаллический материал согласно настоящему изобретению, в котором в общей формуле (1) RE представляет собой Ce; A представляет собой Gd; а B представляет собой один или более, выбранных из La и Y.

[0019] Предложен кристаллический материал согласно настоящему изобретению, в котором кристаллический материал испускает сцинтилляционный свет при облучении излучением с содержащейся в сцинтилляционном свете определенной флуоресцентной компонентой, обладающей временем жизни флуоресценции 2 мкс или менее и максимальной длиной волны флуоресценции в диапазоне 250 нм или более и 900 нм или менее.

[0020] Предложен кристаллический материал согласно настоящему изобретению, в котором кристаллический материал испускает сцинтилляционный свет при облучении излучением с содержащейся в сцинтилляционном свете определенной флуоресцентной компонентой, обладающей временем жизни флуоресценции 80 нс или менее и максимальной длиной волны флуоресценции в диапазоне 300 нм или более и 700 нм или менее.

[0021] Предложен кристаллический материал согласно настоящему изобретению, в котором кристаллический материал испускает сцинтилляционный свет при облучении излучением с величиной свечения содержащейся в сцинтилляционном свете определенной флуоресцентной компоненты, превышающей 13000 фотонов/МэВ в диапазоне температуры окружающей среды от комнатной температуры до 150°C, и кристаллический материал не обладает расплыванием.

[0022] Предложен способ изготовления кристалла, включающий в себя: перемешивание исходных материалов, содержащих A, Si и RE, с обеспечением соотношения элементов кристаллического материала согласно настоящему изобретению, повышение температуры перемешанных исходных материалов до расплавления перемешанных исходных материалов, а затем охлаждение исходных материалов и получение кристалла со структурой типа пирохлора и со степенью кристаллизации 50% или более.

[0023] Предложен детектор излучения, включающий в себя: сцинтиллятор, образованный из кристаллического материала согласно настоящему изобретению; и фотодетектор, который принимает сцинтилляционный свет от сцинтиллятора.

[0024] Предложен детектор излучения, включающий в себя: сцинтиллятор, образованный из кристаллического материала согласно настоящему изобретению; преобразующий длину волны элемент, который принимает сцинтилляционный свет от сцинтиллятора и преобразует длину волны света с длинами волн от 260 нм до 350 нм, содержащихся в сцинтилляционном свете, в любую длину волны в диапазоне от 320 нм до 700 нм; и фотодетектор, который принимает свет с длиной волны, преобразованной преобразующим длину волны элементом.

[0025] Предложен детектор излучения, включающий в себя сцинтиллятор, образованный из кристаллического материала согласно настоящему изобретению, обладающий позиционной чувствительностью.

[0026] Предложен прибор визуализации, включающий в себя детектор излучения согласно настоящему изобретению.

[0027] Предложен прибор неразрушающего контроля, включающий в себя детектор излучения согласно настоящему изобретению.

Предпочтительные эффекты изобретения

[0028] Настоящее изобретение дает эффект обеспечения возможности заметно снизить время и затраты, требуемые для роста, по сравнению с существующими кристаллами со структурой типа пирохлора со стехиометрическим составом, тогда как кристалл с конгруэнтно плавящимся составом сохраняет превосходные характеристики, включая наличие большой величины свечения и короткого времени жизни флуоресценции (высвечивания).

Краткое описание чертежей

[0029] ФИГ. 1 представляет собой фотографию полученного кристалла (Ce_0,015Gd_0,750La_0,235)_1,95Si_2,01O_6,94 и фотографию среза и отполированного разреза этого кристалла.

ФИГ. 2 представляет собой фотографию полученного кристалла (Ce_0,015Gd_0,7499La_0,235Mg_0,0001)_1,997Si_2,05O_7,10 и фотографию среза и отполированного разреза этого кристалла.

ФИГ. 3 представляет собой фотографию матрицы пикселей.

ФИГ. 4 представляет собой фотографию полученного кристалла (Ce_0,013La_0,132Gd_0,855)_1,66Si_2,48O_7,02.

ФИГ. 5 представляет собой фотографию среза и отполированного разреза полученного кристалла (Ce_0,013La_0,132Gd_0,855)_1,66Si_2,48O_7,02.

ФИГ. 6 представляет собой фотографию среза и отполированного разреза полученного кристалла (Ce_0,023Gd_0,751La_0,226)₂Si₂O₇.

ФИГ. 7 представляет собой график, иллюстрирующий профили коэффициента пропускания по Примеру 1 и Сравнительному примеру 1.

ФИГ. 8 представляет собой график, иллюстрирующий спектры распределения высоты волны (Пример 1 и Сравнительный пример 10), полученные путем облучения кристаллов гамма-излучением ¹³⁷Cs (662 кэВ).

ФИГ. 9 представляет собой график, иллюстрирующий профиль кривой затухания флуоресценции кристалла по Примеру 1, полученной путем облучения кристалла гамма-излучением ¹³⁷Cs (662 кэВ).

ФИГ. 10 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую реконструированное изображение, полученное путем облучения детектора излучения с матрицей пикселей и многопиксельным счетчиком фотонов (МПСФ) в сочетании с гамма-излучением ¹³⁷Cs (662 кэВ).

ФИГ. 11 представляет собой схему, иллюстрирующую детектор излучения согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

ФИГ. 12 представляет собой схему, иллюстрирующую прибор неразрушающего контроля согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

ФИГ. 13 представляет собой схему, иллюстрирующую прибор визуализации согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

ФИГ. 14 представляет собой схему, иллюстрирующую детектор излучения согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

Описание вариантов воплощения

[0030] Далее подробно описаны варианты воплощения кристаллического материала, способ изготовления кристалла, детектор излучения, прибор визуализации и прибор неразрушающего контроля согласно настоящему изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи. Настоящее изобретение не ограничено этими вариантами воплощения.

[0031] Кристаллический материал согласно варианту воплощения настоящего изобретения представляет собой кристаллический материал, который представлен общей формулой (1):

(RE_xA_1-x-y-sB_yM'_s)_2+α(Si_1-t,M''_t)_2+βO_7+γ (1),

имеет структуру типа пирохлора, обладает нестехиометрическим составом и является конгруэнтно плавящимся составом. В Формуле (1) A содержит по меньшей мере один или более, выбранных из Gd, Y, La, Sc, Yb и Lu; B содержит по меньшей мере один или более, выбранных из La, Gd, Yb, Lu, Y и Sc; 0,1 < y < 0,4; RE содержит по меньшей мере один или более, выбранных из Ce, Pr, Nd, Eu, Tb и Yb; 0 < x < 0,1; M' и M'' содержат по меньшей мере один или более, выбранных из Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Fe, Ta и W; 0 ≤ s < 0,01 и 0 ≤ t < 0,01; и 0 < |α| < 0,3 и 0 ≤ |β| < 0,3 и 0 ≤ |γ| < 0,5. Что касается RE, помимо редкоземельных элементов, в качестве активатора свечения также могут быть выбраны переходные металлы. Это сочетание диапазонов x, y, s, t, α, β и γ определено как диапазон составов (1).

[0032] Предпочтительно, диапазоны x, y, s, t, α, β и γ в Формуле (1) дополнительно представлены как 0 < x < 0,05, 0,1 < y < 0,40, 0 ≤ s < 0,005 и 0 ≤ t < 0,005, 0,001 < |α| < 0,15 и 0,001 ≤ |β| < 0,15 и 0,001 ≤ |γ| < 0,2. Это сочетание диапазонов x, y, s, t, α, β и γ определено как диапазон составов (2).

[0033] Более предпочтительно, диапазоны x, y, s, t, α, β и γ в Формуле (1) дополнительно представлены как 0 < x < 0,04, 0,1 < y < 0,35, 0 ≤ s < 0,005 и 0 ≤ t < 0,005, 0,01 < |α| < 0,1 и 0,01 ≤ |β| < 0,1 и 0,001 ≤ |γ| < 0,2. Это сочетание диапазонов x, y, s, t, α, β и γ определено как диапазон составов (3).

[0034] При этих составах кристаллический материал согласно настоящему варианту воплощения представляет собой кристаллический материал, который имеет большую величину свечения сцинтилляционного света, генерируемого за счет облучения излучением, и короткое время жизни флуоресценции. В общей формуле (1) RE предпочтительно представляет собой Ce, A предпочтительно представляет собой Gd, а B предпочтительно представляет собой один или более элементов, выбранных, например, из La и Y.

[0035] Хотя ожидается, что кристаллы пиросиликата, имеющие известную структуру типа пирохлора, обладают большой величиной свечения, стехиометрический состав не является конгруэнтно плавящимся составом, приводя к возникновению той проблемы, что становится крайне сложным получать прозрачные объемные тела, а выход или степень кристаллизации (доля недефектного продукта среди полученных кристаллов) в ходе производства кристаллов становится хуже. Напротив, кристаллический материал согласно настоящему варианту воплощения может быть предназначен для решения этих проблем. В качестве примеров, x, y, s, t, α, β и γ с диапазоном составов (1) могут достигать степени кристаллизации 55% или более, они же с диапазоном составов (2) могут достигать степени кристаллизации 60% или более, и они же с диапазоном составов (3) могут достигать степени кристаллизации, например, 70% или более.

[0036] Как проиллюстрировано на ФИГ. 11, например, кристаллический материал согласно настоящему варианту воплощения может быть использован в качестве детектора 100 излучения, при его применении в сочетании с фотодетектором 102, который может принимать сцинтилляционный свет, генерируемый кристаллическим материалом 101 согласно настоящему варианту воплощения в качестве кристаллического материала. Кроме того, как проиллюстрировано на ФИГ. 12, например, кристаллический материал согласно настоящему варианту воплощения также может быть использован в качестве измеряющего излучение прибора или прибора добычи ресурса, в качестве прибора 200 неразрушающего контроля, включающего в себя детектор 100 излучения, путем облучения измеряемого объекта 202 излучением, исходящим из источника 201 излучения, и обнаружения прошедшего через измеряемый объект 202 излучения детектором 100 излучения.

[0037] В кристаллическом материале согласно настоящему варианту воплощения время жизни флуоресценции содержащейся в сцинтилляционном свете флуоресцентной компоненты может составлять 10 мкс или менее, а ее максимальная длина волны флуоресценции может находиться в диапазоне 150 нм или более и 900 нм или менее. Кроме того, время жизни флуоресценции может составлять 2 мкс или менее, а ее максимальная длина волны флуоресценции может находиться в диапазоне 250 нм или более и 900 нм или менее. Время жизни флуоресценции, таким образом, является коротким, а для измерения флуоресценции требуется лишь короткое время замера, и можно получить высокое разрешение по времени, то есть интервал замера можно снизить. Достижение высокого разрешения по времени может увеличить число замеров на единицу времени. Кристаллический материал, обладающий столь коротким по времени испусканием, может быть подходящим образом использован в качестве сцинтиллятора для детектирования излучения с высокоскоростным откликом для ПЭТ, однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) и КТ в качестве приборов визуализации. Как проиллюстрировано на ФИГ. 13, например, источник 201 излучения и детектор 100 излучения расположены в симметричных точках на периферии круга, и при сканировании по периферии снимаются томографические изображения измеряемого объекта 202, что позволяет применять его в качестве прибора 300 визуализации с помощью КТ.

[0038] Максимальная длина волны флуоресценции флуоресцентной компоненты находится в диапазоне 150 нм или более и 900 нм или менее. Поэтому максимальная длина волны флуоресценции может быть выявлена за счет комбинирования с полупроводниковыми фотодетекторами, такими как ФД, ЛФД и Si-ФУ, образованными из кремниевых полупроводников. Когда максимальная длина волны флуоресценции флуоресцентной компоненты составляет, в частности, 250 нм или более и 400 нм или менее, она эффективна тем, что максимальная длина волны флуоресценции преобразуется в любую длину волны 300 нм или более и 900 нм или менее, то есть любую длину волны в том диапазоне, в котором вышеуказанные фотодетекторы обладают достаточной чувствительностью по длине волны, с использованием преобразующего длину волны элемента. Примеры преобразующего длину волны элемента включают такой, который преобразует длину волны света с длинами волн от 260 нм до 350 нм, содержащуюся в сцинтилляционном свете, в любую длину волны в диапазоне от 320 нм до 700 нм. Как проиллюстрировано на ФИГ. 14, например, при использовании пластикового оптоволоконного кабеля для преобразования длины волны (например, Y11(200)M-S, изготовленного компанией Kuraray Co., Ltd.) или т.п. в качестве преобразующего длину волны элемента 103, сцинтилляционный свет, испускаемый кристаллическим материалом 101, может быть преобразован по длине волны, а затем принят фотодетектором 104. Тип комбинируемого фотодетектора может быт подходящим образом использован в соответствии с максимальной длиной волны флуоресценции и т.п.; например, могут быть использованы ФЭУ или ПЧ-ФЭУ.

[0039] В кристаллическом материале согласно настоящему варианту воплощения, когда время жизни флуоресценции содержащейся в сцинтилляционном свете флуоресцентной компоненты составляет 80 нс или менее, а его максимальная длина волны флуоресценции находится в диапазоне 300 нм или более и 700 нм или менее, может быть достигнуто детектирование сцинтилляционного света с еще более высоким разрешением и еще более высокой чувствительностью. Когда время жизни флуоресценции составляет 60 нс или менее, а его максимальная длина волны флуоресценции находится в диапазоне 320 нм или более и 700 нм или менее, достигается детектирование сцинтилляционного света с еще более высоким разрешением и с еще более высокой чувствительностью, что является предпочтительным. Регулировка времени жизни флуоресценции и максимальной длины волны флуоресценции может быть достигнута за счет регулировки состава кристаллического материала. При повышенной концентрации Ce, например, время жизни флуоресценции сокращается. При добавлении малого количества элементов, которые могут быть одновалентными, двухвалентными или четырехвалентными или более, время жизни флуоресценции может сокращаться. Примеры таких элементов, которые могут быть одновалентными, двухвалентными или четырехвалентными или более, включают Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Fe, Ta и W, но не ограничены ими.

[0040] В кристаллическом материале согласно настоящему варианту воплощения с величиной свечения флуоресцентной компоненты при температуре окружающей среды 0°C в качестве стандарта, величина свечения флуоресцентной компоненты в диапазоне температуры окружающей среды от комнатной температуры до 150°C может превышать 13000 фотонов/МэВ, а ее степень затухания от стандарта может составлять менее 50%. Кроме того, величина свечения флуоресцентной компоненты при комнатной температуре, после оставления в окружающей среде с температурой 400°C или более на 12 часов или более, не имела флуктуаций, составляющих 20% или более, без какого-либо расплывания и т.п., и его механическая прочность была высокой. Следовательно, кристаллический материал согласно настоящему варианту воплощения может уменьшить снижение величины свечения даже в высокотемпературной окружающей среде, и поэтому он является крайне полезным в качестве кристаллического материала, используемого в высокотемпературной среде или в среде с высокой вибрацией.

[0041] В частности, сцинтиллятор, образованный из кристаллического материала согласно настоящему варианту воплощения, и фотодетектор, который принимает испускаемый из сцинтиллятора свет и функционирует при температуре окружающей среды от комнатной температуры или более и 200°C или менее, скомбинированы с образованием детектора излучения, вследствие чего детектор излучения может быть использован без охлаждения для добычи ресурса и т.п., что требует проведения измерения в высокотемпературной среде и в среде с высокой вибрацией, что, таким образом, является предпочтительным.

[0042] Далее описан способ изготовления монокристалла кристаллического материала (способ изготовления кристалла) согласно настоящему варианту воплощения. В способе изготовления монокристалла любого состава в качестве исходных материалов может быть использовано общее оксидное сырье; при использовании в качестве монокристалла для применения в сцинтилляторе особо предпочтительным является использование высокочистых исходных материалов с 99,99% или более (4N или более). Эти исходные материалы, содержащие A, Si и RE, взвешивают, смешивают и перемешивают с образованием целевого состава (с соотношением элементов согласно настоящему варианту воплощения) при формировании расплава и используют в качестве сырья для выращивания кристалла. Кроме того, особо предпочтительно, чтобы эти исходные материалы содержали как можно меньше примесей, отличных от целевого состава (например, 1 млн^-1 или менее).

[0043] Составы исходных материалов сырья представляют собой нестехиометрические составы, желательно приготовленные с учетом того, что расплав имеет долю конгруэнтно плавящегося состава согласно настоящему варианту воплощения. В этом случае желательно учитывать потери в процессе изготовления кристалла, такие как потери при прокаливании.

[0044] Рост кристалла предпочтительно выполняют в атмосфере инертного газа (Ar, N₂, He и т.п.). Может быть использован смешанный газ, образованный из инертного газа (Ar, N₂, He и т.п.) и газообразного кислорода. Однако, при выполнении выращивания кристалла в атмосфере смешанного газа, парциальное давление кислорода предпочтительно составляет 2% или менее с целью предотвращения окисления тигля. Однако, при использовании способа изготовления, в котором не используется какой-либо тигель, такого как метод плавающей зоны, парциальное давление кислорода может быть задано на уровне до 100%. В более поздних процессах, таких как отжиг после роста кристалла, может быть использован газообразный кислород, инертный газ (Ar, N₂, He и т.п.) и смешанный газ, образованный из инертного газа (Ar, N₂, He и т.п.) и газообразного кислорода. В более поздних процессах, при использовании смешанного газа, любой состав смеси с парциальным давлением кислорода 0-100% можно использовать без ограничения, состоящего в том, что парциальное давление кислорода составляет 2% или менее.

[0045] Примеры способа изготовления монокристалла кристаллического материала согласно настоящему варианту воплощения включают, но не ограничены ими, различные способы выращивания кристаллов, такие как, помимо метода микровытягивания, метод Чохральского (метод вытягивания вверх), метод Бриджмена, метода зонной плавки, метод выращивания пленок с профилированными краями (EFG), метод плавающей зоны и метод Бернулли. Для получения крупных монокристаллов предпочтительным является метод Чохральского или метод Бриджмена. При использовании крупных монокристаллов, выход монокристаллов повышается, а потери на обработку могут быть относительно снижены. Следовательно, могут быть получены кристаллические материалы с более низкими затратами и более высоким качеством, чем кристаллические материалы, полученные таким способом, который позволяет извлекать монокристалл из поликристаллического тела, как описано в патентном документе 1. Однако, кристаллический материал согласно настоящему варианту воплощения не ограничен монокристаллом и может представлять собой поликристаллическое спеченное тело, такое как керамика.

[0046] При использовании лишь небольшого монокристалла в качестве монокристалла для применения в сцинтилляторе, метод плавающей зоны, метод зонной плавки, метод EFG, метод микровытягивания или метод Чохральского является предпочтительным из-за отсутствия или меньшей необходимости в последующей обработке. Метод микровытягивания или метод зонной плавки является особо предпочтительным по причине способности тиглей к смачиванию, и т.п.

[0047] Примеры материалов, которые могут быть использованы для тигля и подогревателя, включают платину, иридий, родий, рений и сплавы этих элементов.

[0048] При изготовлении монокристалла для применения в сцинтилляторе, может быть использован высокочастотный осциллятор, светоконцентрирующий нагреватель и резистивный нагреватель.

[0049] Далее описаны способы изготовления монокристалла с использованием метода микровытягивания, метода Чохральского и метода плавающей зоны в качестве примеров способа изготовления монокристалла кристаллического материала согласно настоящему варианту воплощения; способ изготовления монокристалла кристаллического материала согласно настоящему варианту воплощения не ограничен этими методами.

[0050] Метод микровытягивания можно осуществлять, используя аппарат для микровытягивания с регулируемой атмосферой с помощью известного высокочастотного индукционного нагрева. Аппарат для микровытягивания представляет собой аппарат для изготовления монокристалла, включающий в себя, например, тигель, содержащий расплав сырья, держатель затравочного кристалла, удерживающий затравочный кристалл находящимся в контакте с расплавом сырья, вытекающим из отверстия, предусмотренного в дне тигля, перемещающий механизм, который перемещает держатель затравочного кристалла вниз, регулятор скорости перемещения, который регулирует скорость перемещающего механизма, и блок индукционного нагрева (например, катушку высокочастотного индукционного нагрева), который нагревает тигель. Такой аппарат для изготовления монокристалла формирует границу раздела твердой и жидкой фаз непосредственно под тиглем и перемещает затравочный кристалл вниз, с получением таким образом монокристалла.

[0051] В аппарате для микровытягивания тигель образован из углерода, платины, иридия, родия, рения или сплава этих элементов. Подогреватель в качестве нагревательного элемента, образованный из углерода, платины, иридия, родия, рения или сплава этих элементов, расположен по периметру дна тигля. Мощности соответствующих блоков индукционного нагрева тигля и подогревателя регулируются для корректировки лучистой теплоты, с управлением тем самым температурой и ее распределением по границе раздела твердой и жидкой фаз расплава сырья, вытягиваемого из отверстия, предусмотренного в дне тигля.

[0052] Аппарат для микровытягивания с регулируемой атмосферой представляет собой аппарат, в котором использована нержавеющая сталь (SUS) в качестве материала камеры и кварц в качестве материала окна, который включает в себя ротационный насос для обеспечения контроля атмосферы и может создавать уровень вакуума внутри себя 1×10^-3 Торр или менее до замещения газа. В камеру может быть введен газообразный Ar, N₂, H₂, O₂ или He и т.п. с его потоком, точно регулируемым прилагаемым газовым расходомером; виды атмосферного газа не ограничены этими газами.

[0053] При использовании этого аппарата приготовленные вышеуказанным способом исходные материалы для выращивания кристалла помещают в тигель. Печь откачивают до высокого вакуума и вводят в печь газообразный Ar или смешанный газ из газообразных Ar и O₂, таким образом создавая внутри печи атмосферу инертного газа или атмосферу с низким парциальным давлением кислорода. Затем, на катушку высокочастотного индукционного нагрева постепенно подают высокочастотное питание для нагрева тигля и повышения его температуры до расплавления исходных материалов, тем самым надлежащим образом расплавляя сырье в тигле.

[0054] Впоследствии затравочный кристалл, удерживаемый держателем затравочного кристалла, плавно поднимают при определенной скорости с помощью перемещающего механизма. Кончик затравочного кристалла приводят в контакт с достаточно совместимым с ним отверстием на нижнем конце тигля, а затем затравочный кристалл опускают для его охлаждения, регулируя температуру расплава, с выращиванием таким образом кристалла.

[0055] Хотя затравочный кристалл предпочтительно равен объекту выращивания кристалла или близок к нему как по структуре, так и по составу, затравочный кристалл не ограничен этим примером. Затравочный кристалл предпочтительно имеет четкую кристаллографическую ориентацию.

[0056] При кристаллизации всего приготовленного сырья для выращивания кристалла и исчерпании расплава рост кристалла прекращается. С целью сохранения состава выращиваемого кристалла однородным и с целью увеличения длины может быть встроено устройство для непрерывной загрузки сырья для выращивания кристалла. При таком встраивании кристалл можно выращивать при загрузке сырья для выращивания кристалла.

[0057] Далее описан метод Чохральского. Мето