JP6117490B2

JP6117490B2 - 高計数率放射線検出器用シンチレータ及び高計数率放射線検出器

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Publication number: JP6117490B2
Application number: JP2012151297A
Authority: JP
Inventors: 浅井　圭介; 圭介浅井; 正典越水; 夏奈矢羽々; 伊藤　理恵; 理恵伊藤; 俊二岸本; 文彦錦戸
Original assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY; Tohoku University NUC; Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY; Tohoku University NUC; Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: JP2014013216A

Description

本発明は、高計数率放射線検出器用シンチレータ及び高計数率放射線検出器に関する。

シンチレータは、Ｘ線やγ線等の放射線を受けると放射線との電磁相互作用により蛍光を発光する物質であり、原子物理学等の学術分野や医療、産業といった幅広い分野で放射線検出器に用いられている。これらの放射線検出器の中でも、陽電子断層撮像装置（ＰＥＴ）や陽電子消滅寿命測定装置等に用いられるものとしては、高計数率で測定可能な高係数率放射線検出器であることが求められており、このような高計数率放射線検出器に用いるシンチレータにおいては、高度の時間分解能、計数率、及び検出効率を達成することができ、かつ発光が低ノイズであることが求められている。

シンチレータには、有機シンチレータと無機シンチレータとがあり、前記有機シンチレータとしては、ポリスチレン等の高分子ポリマー及び有機発光化合物が溶解されてなる、いわゆるプラスチックシンチレータが代表的なものとして挙げられ、例えば、ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＮＵＣＬＥＡＲＳＣＩＥＮＣＥ、１９９０年、３７巻、２号、ｐ．１２９−１３３（非特許文献１）には、いくつかのプラスチックシンチレータが記載されている。このようなプラスチックシンチレータは応答が高速であり、発光の減衰時間が短いために、高度の時間分解能及び計数率を達成することができるという利点を有している。しかしながら、プラスチックシンチレータを構成する原子（Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ）の原子番号が小さいために放射線とシンチレータ中の電子との電磁相互作用が起こる確率が低く、検出効率が十分ではないという問題を有していた。

他方、前記無機シンチレータは、検出効率が高く発光量が多いという利点を有しており、このような無機シンチレータとしては、例えば、ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ、１９９０年、Ａ２８９巻、ｐ．２５３−２６０（非特許文献２）に記載されているＢａＦ_２や、前記非特許文献１に記載されているＮａＩ（Ｔｉ）を含有するシンチレータ等が挙げられる。しかしながら、一般に、無機シンチレータは発光の減衰時間が長いために時間分解能及び計数率が低いという問題を有しており、前記ＢａＦ_２を含有するＢａＦ_２シンチレータの発光においては、減衰時間の短い短寿命成分が含まれているものの、減衰時間の長い長寿命成分が全発光に対して８０％程度と多く含まれているため、時間分解能が低く、また、発光のノイズが大きいという問題を有していた。

さらに、放射線を検出する検出器としては、例えば、ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ、１９９１年、Ａ３０９巻、ｐ．６０３−６０５（非特許文献３）において記載されているアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）等が挙げられる。しかしながら、このようなＡＰＤにおいても、前記プラスチックシンチレータと同様に、Ｘ線やγ線に対する検出効率が十分ではないという問題を有していた。

また、従来、光や熱のエネルギーにより発光することが知られている無機化合物としては、例えば、ＲｕｓｓｉａｎＰｈｙｓｉｃｓＪｏｕｒｎａｌ、１９７７年、２０巻、８号、ｐ．１０８１−１０８３（非特許文献４）、Ｊ．Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ、１９９３年、５巻、ｐ１５８９−１５９６（非特許文献５）、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．１９９２年、６３巻、１号、ｐ．１４４７−１４４９（非特許文献６）、及びＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ、２００３年、７２巻、９号、ｐ．２４００−２４０１（非特許文献７）において、ＣｓＣａＣｌ_３、ＣｓＳｒＣｌ_３、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４等のＣｓＣｌ系化合物；ＲｂＣａＦ_３等のＲｂＦ系化合物；ＬｉＢａＦ_３、ＢａＭｇＦ_４等のＢａＦ_２系化合物；ＫＣａＦ_３、ＫＭｇＦ_３、Ｋ_２ＬｉＧａＦ_６、Ｋ_２ＮａＡｌＦ_６、Ｋ_２ＳｉＦ_６、Ｋ_２ＹＦ_５、ＫＹＦ_４等のＫＦ系化合物が開示されている。

これらの無機化合物のうち、前記ＣｓＣｌ系化合物においては、減衰時間が５．０ナノ秒以下のオージェ・フリー発光が起こることが報告されているものの、例えば、ＣｓＣａＣｌ_３、ＣｓＳｒＣｌ_３の発光においては、前記ＢａＦ_２の発光と同様に、長寿命成分が多く含まれていることが従来から報告されており、このような無機化合物を高計数率放射線検出器に用いることは一般に困難であった。

Ｊ．Ｌ．Ｒａｄｔｋｅら、ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＮＵＣＬＥＡＲＳＣＩＥＮＣＥ、１９９０年、３７巻、２号、ｐ．１２９−１３３ＳｈｉｎｚｏｕＫＵＢＯＴＡら、ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ、１９９０年、Ａ２８９巻、ｐ．２５３−２６０ＳｈｕｎｊｉＫｉｓｈｉｍｏｔｏら、ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ、１９９１年、Ａ３０９巻、ｐ．６０３−６０５Ｉ．Ｐ．Ｐａｓｈｕｋら、ＲｕｓｓｉａｎＰｈｙｓｉｃｓＪｏｕｒｎａｌ、１９７７年、２０巻、８号、ｐ．１０８１−１０８３ＪＪａｎｓｏｎｓら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ、１９９３年、５巻、ｐ１５８９−１５９６Ｉ．Ａ．Ｋａｍｅｎｓｋｉｋｈら、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．１９９２年、６３巻、１号、ｐ．１４４７−１４４９ＡｋｉｍａｓａＯＨＮＩＳＨＩら、ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ、２００３年、７２巻、９号、ｐ．２４００−２４０１

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、高度の時間分解能、計数率、及び検出効率を達成することができ、かつ発光が低ノイズである高計数率放射線検出器用シンチレータ及びそれを用いた高計数率放射線検出器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、上記のような従来の無機化合物のうち、例えば、ＣｓＣａＣｌ_３やＣｓＳｒＣｌ_３の発光においては減衰時間が１００ナノ秒（ｎｓ）以上の長寿命成分が２０％以上と多く含まれており、高計数率放射線検出器に用いることが困難であるのに対して、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶においては、上記化合物と同様のＣｓＣｌ系化合物であるにもかかわらず、これに放射線を照射した際の発光が、オージェ・フリー発光に起因する短寿命成分の割合が多くかつ長寿命成分の割合が少ない、ほぼサブナノ秒からナノ秒の短寿命成分のみの低ノイズの発光であり、高度の時間分解能及び計数率を達成することが可能であることを見出した。さらに、本発明者らは、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶においては放射線の検出効率も十分に高く、高計数率放射線検出器用のシンチレータとして優れた特性を備えていることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のシンチレータは、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶を含有し、減衰時間が５．０ｎｓ以下の短寿命成分の割合が、全発光に対して９０％以上であることを特徴とする高計数率放射線検出器用シンチレータである。

本発明の高計数率放射線検出器は、Ｃｓ _２ＺｎＣｌ _４の単結晶を含有し、減衰時間が５．０ｎｓ以下の短寿命成分の割合が、全発光に対して９０％以上である高計数率放射線検出器用シンチレータと、前記高計数率放射線検出器用シンチレータから発せられた光を受光する光電子増倍管とを備えており、前記Ｃｓ _２ＺｎＣｌ _４の単結晶が斜方晶単結晶であり、かつ、計数率が５００万〜８０００万カウント／秒である、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、高度の時間分解能、計数率、及び検出効率を達成することができ、かつ発光が低ノイズである高計数率放射線検出器用シンチレータ及びそれを用いた高計数率放射線検出器を提供することが可能となる。

実施例１で得られたシンチレータの発光スペクトルを示すグラフである。実施例１で得られたシンチレータの励起スペクトルを示すグラフである。実施例１及び比較例１で得られたシンチレータの検出信号波高スペクトルを示すグラフである。実施例１で得られたシンチレータのシンチレーション時間プロファイルを示すグラフである。比較例１で得られたシンチレータのシンチレーション時間プロファイルを示すグラフである。比較例２で得られたシンチレータのシンチレーション時間プロファイルを示すグラフである。比較例３で得られたシンチレータのシンチレーション時間プロファイルを示すグラフである。

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。本発明のシンチレータは、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶を含有することを特徴とする高計数率放射線検出器用シンチレータである。

本発明に係るＣｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶は、ＣｓＣｌを基本構造とした三元系の斜方晶単結晶であり、伝導体の下端と価電子帯の上端との間のエネルギーギャップの幅が価電子帯の下端と最外内殻準位の上端と間のエネルギーギャップの幅よりも小さいため、Ｘ線、γ線等の放射線が照射されると価電子帯と最外内殻準位との間で電子遷移が起こり、減衰時間が５．０ナノ秒以下のオージェ・フリー発光を起こすことができる。従来は、このような三元系の化合物の発光においては、前記オージェ・フリー発光と共に、減衰時間が３０ナノ秒以上の長寿命成分が多く含まれていることが知られていたが、本発明者らは、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶においては、前記長寿命成分の割合が十分に少なく、前記短寿命成分が多く含まれていることを見出した。

本発明において、長寿命成分とは、放射線を照射した際に発光される蛍光のうち、減衰時間が５．０ナノ秒を超える発光成分（好ましくは３０ナノ秒以上である発光成分）のことをいい、短寿命成分とは、前記蛍光のうち、減衰時間が５．０ナノ秒以下にある発光成分のことをいう。このような短寿命成分の全発光に対する割合は、厚さ２．２ｍｍの単結晶の直径０．８ｍｍの円の範囲内に６２４ｎｓ間隔で６７．４ｋｅＶのパルスＸ線を照射し、時間相関単一光子計数法により、光電子増倍管（商品名：Ｒ−７４００Ｐ−０６、製造社：ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ）を用いて検出された光子数（ｃｏｕｎｔ）及び光子の検出時刻とＸ線の入射時刻との差（Δｔ）からシンチレーション時間プロファイル（蛍光の減衰の様子）を求め、得られたプロファイルを減衰の初期（Ａ）と後期（Ｂ）とで２つの成分に分け、下記の二重指数関数：
ｆ（ｘ）＝ａ×ｅｘｐ（−ｘ／τ_ａ）＋ｂ×ｅｘｐ（−ｘ／τ_ｂ）
［式中、ａはＡ成分の相対強度を示し、ｂはＢ成分の相対強度を示し、ｘは放射線が入射してからの経過時間を示し、τ_ａはＡ成分の減衰時間を示し、τ_ｂはＢ成分の減衰時間を示す。］
によりフィッティングしてτ_ａ及びτ_ｂを求め、τ_ａが５．０ナノ秒以下の場合にはＡ成分を短寿命成分、τ_ａ（ｎｓ）を短寿命成分の減衰時間とし、次いで、前記プロファイルにおける短寿命成分の光子数を全光子数で除することにより短寿命成分の割合（％）を求めることができる。また、前記長寿命成分の割合は、１００％から前記短寿命成分の割合を減ずることにより求めることができる。

本発明に係るＣｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶の製造方法としては、適宜公知の単結晶の製造方法を用いることができ、例えば、ブリッジマン法、チョコラルスキー法、ゾーンメルト法が挙げられるが、中でも、密封アンプル中において結晶成長せしめるために揮発性が高いＺｎＣｌ_２を原料としてもＣｓとＺｎとの化学量論比を保つことができる傾向にあるという観点から、ブリッジマン法を用いることが好ましい。前記ブリッジマン法としては、先ず、ＣｓＣｌとＺｎＣｌ_２とをモル比（ＣｓＣｌ：ＺｎＣｌ_２）が２：１となるように混合した混合物を真空石英アンプル管に入れ、真空下（０．１〜５００Ｐａ程度）において乾燥させ、次いで、上部が高温（６５０〜８００℃）で下部が低温（４００〜５５０℃）であるブリッジマン炉中に前記真空石英アンプル管を上昇させて前記混合物を溶解させた後、ゆっくり下降させることで溶解液を下部から固化させて単結晶を作製する方法が挙げられる。

前記Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶の製造に用いるＣｓＣｌ及びＺｎＣｌ_２としては、純度が９９％以上であることが好ましい。また、本発明に係るＣｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶としては、不純物が５％以下であることが好ましく、特に、Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶の発光波長付近に発光を有するＣｅ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ等の元素を含有していないことが好ましい。

本発明の高計数率放射線検出器用シンチレータとしては、前記Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶をそのままシンチレータとして用いてもよく、前記Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶がシリコーン、ポリスチレン、フッ素樹脂等でコーティングされたものであっても、光学フィルム等の各種反射材で覆われたものであってもよい。

本発明のシンチレータは、Ｘ線、γ線、中性子線等の放射線が照射されると前記Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４の単結晶により、長寿命成分の割合が十分に少なく、ほぼ前記短寿命成分のみの蛍光を発光するため、発光のノイズが少なく、かつ、高度の時間分解能及び計数率を達成することができる。

本発明の高計数率放射線検出器用シンチレータにおいて、前記短寿命成分の波長は２００〜５００ｎｍである。また、前記短寿命成分の割合としては、全発光に対して９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがより好ましい。短寿命成分の割合が前記下限未満であると、発光のノイズが多くなったり、時間分解能及び計数率が低下する傾向にある。なお、このような短寿命成分の減衰時間及び割合は前述と同様の方法で求めることができる。

さらに、本発明の高計数率放射線検出器用シンチレータにおいては、高度の検出効率が達成される。このような検出効率としては、既存のＮａＩ（Ｔｉ）シンチレータ（商品名：ＳＰ−１０、製造社：応用光研工業株式会社、厚さ：５．０ｍｍ）の検出効率を１００％とした場合に、５．０％以上であることが好ましく、３０％以上であることがより好ましい。検出効率が前記下限未満では、高計数率放射線検出器に用いた際に十分な検出効率が達成されない傾向にある。なお、本発明において、前記検出効率は、厚さ２．２ｍｍのシンチレータの直径０．８ｍｍの円の範囲内に６７．４ｋｅＶのＸ線を照射した際のシンチレーション（光子）を光電子増倍管（商品名：Ｒ−７４００Ｐ−０６、製造社：ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ）により検出し、電荷感応型前置増幅器（商品名：２００５、製造社：Ｃａｎｂｅｒｒａ）により増幅して得られた検出信号波高スペクトルにおける面積を求め、前記既存のシンチレータ（基準シンチレータ）において得られた検出信号波高スペクトルの面積（基準面積）と比較することにより求めることができる。

本発明の高計数率放射線検出器は、前記本発明の高計数率放射線検出器用シンチレータと、前記シンチレータからの発せられた光を受光する光電子増倍管とを備えるものであり、Ｘ線、γ線、電子線等の放射線を検出対象とするものである。

前記光電子増倍管は、光を電流に変換する真空管であり、本発明においては、前記本発明の高計数率放射線検出器用シンチレータから発せられる波長２００〜５００ｎｍの短寿命の光を受光できるものである必要がある。このような光電子増倍管としては、窓材としてＵＶガラスや石英ガラスを使用したものや、陰極材として紫外領域での検出感度の高い光電陰極材を用いたものであることが好ましい。

本発明の高計数率放射線検出器は、前記シンチレータ及び光電子増倍管の他に、例えば、電荷感応型前置増幅器、デジタルオシロスコープ、コンスタントフラクションデスクリミネータ（ＣＦＤ）、時間・振幅変換回路（ＴＡＣ）、マルチチャンネルアナライザ（ＭＣＡ）等の放射線を検出・分析するための機器や部品を更に備えていてもよい。

本発明の高計数率放射線検出器は、前記本発明の高計数率放射線検出器用シンチレータを備えているため、高計数率で放射線を検出することができる。このような計数率としては、５００万〜８０００万カウント／秒であることが好ましく、２０００万〜８０００万カウント／秒であることが好ましい。

このような高計数率放射線検出器は、高速な検出信号を発信し、低ノイズでの放射線の検出が可能であるため、例えば、飛行時間分解型陽電子放射断層撮影装置（ＴＯＦ−ＰＥＴ）の検出器として用いることができる。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、各実施例及び比較例における各測定及び評価はそれぞれ以下の方法により行った。

＜発光スペクトル、励起スペクトル測定＞
各実施例及び比較例において得られたシンチレータについて、蛍光分光光度計（商品名：Ｆ−４５００、製造社：ＨＩＴＡＣＨＩ）を用いて励起エネルギー１３．８ｅＶ、１５．１ｅＶにおける発光強度をそれぞれ測定し、縦軸に発光強度（ａ．ｕ．）、横軸に発光エネルギー（ｅＶ）をプロットした発光ペクトルを得た。また、前記蛍光分光光度計を用いて、発光スペクトルから得られたピーク位置の発光エネルギー２．５０ｅＶ、３．２４ｅＶ、及び４．４１ｅＶにおける発光強度をそれぞれ測定し、縦軸に発光強度（ａ．ｕ．）、横軸に励起エネルギー（ｅＶ）をプロットした励起ペクトルを得た。

＜検出信号波高スペクトル測定＞
各実施例において得られたシンチレータの直径０．８ｍｍの円の範囲内に６７．４ｋｅＶのＸ線を照射した際のシンチレーション（光子）を光電子増倍管（商品名：Ｒ−７４００Ｐ−０６、製造社：ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ）により検出し、電荷感応型前置増幅器（商品名：２００５、製造社：Ｃａｎｂｅｒｒａ）により増幅して得られた検出信号波高スペクトルの面積及びピーク位置のチャンネル数（ピークチャンネル数）を求めた。

また、比較例１において得られたシンチレータを基準シンチレータ１として上記と同様の分析を行い、ピークチャンネル数（基準ピークチャンネル数１）を求め、前記基準ピークチャンネル数１に対する各ピークチャンネル数の割合を求めることにより入射Ｘ線のエネルギー当たりの発光量（光子／ＭｅＶ）を求めた。

さらに、基準シンチレータ２として、ＮａＩ（Ｔｉ）（商品名：ＳＰ−１０、製造社：応用光研工業株式会社、厚さ：５．０ｍｍ）を用いて上記と同様の分析を行い、得られた検出信号波高スペクトルの面積（基準面積）を１００としたときの前記面積の値を求めた。前記面積は検出された全イベント数に相当するため、この値を検出効率（％）とした。

＜時間プロファイル測定＞
先ず、各実施例及び比較例において得られたシンチレータの直径０．８ｍｍの円の範囲内に６２４ｎｓ間隔で６７．４ｋｅＶのパルスＸ線を照射し、時間相関単一光子計数法により、光電子増倍管（商品名：Ｒ−７４００Ｐ−０６、製造社：ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ）を用いて検出された光子数（ｃｏｕｎｔ）及び光子の検出時刻とＸ線の入射時刻との差（Δｔ）から、シンチレーション時間プロファイルを得た。次いで、得られたプロファイルを減衰の初期（Ａ）と後期（Ｂ）とで２つの成分に分け、下記の二重指数関数：
ｆ（ｘ）＝ａ×ｅｘｐ（−ｘ／τ_ａ）＋ｂ×ｅｘｐ（−ｘ／τ_ｂ）
［式中、ａはＡ成分の相対強度を示し、ｂはＢ成分の相対強度を示し、ｘは放射線が入射してからの経過時間を示し、τ_ａはＡ成分の減衰時間を示し、τ_ｂはＢ成分の減衰時間を示す。］
によりフィッティングしてτ_ａ及びτ_ｂを求め、τ_ａが５．０ナノ秒以下の場合にはＡ成分を短寿命成分、τ_ａ（ｎｓ）を短寿命成分の減衰時間とし、次いで、前記プロファイルにおける短寿命成分の光子数を全光子数で除することにより全発光に対する短寿命成分の割合（％）を求めた。また、長寿命成分の減衰時間は、このときのτ_ｂ（ｎｓ）とした。

（実施例１）
先ず、ＣｓＣｌ（純度９９．９９９％以上）１．０質量部及びＺｎＣｌ_２（純度９９．９９９％以上）０．４質量部を混合して真空石英アンプル管に入れ、温度１００℃、真空下（１０Ｐａ）において乾燥させ、次いで、温度勾配条件が１０℃／ｃｍであるブリッジマン炉中に前記真空石英アンプル管を上昇させて前記混合物を溶解させた後、降下速度０．３ｍｍ／時間でゆっくり下降させることで溶解液を下部から固化させて結晶を得た。得られた結晶は粉末状にしても潮解性が認められない透明な結晶であり、Ｘ線構造解析を行ったところ、式：Ｃｓ_２ＺｎＣｌ_４で表わされ、ａ＝９．７６（Å）、ｂ＝７．４０（Å）、ｃ＝１２．９８（Å）の斜方晶の単結晶であることが確認された。これを３．０ｍｍ×５．０ｍｍ×厚さ２．２ｍｍの大きさにしてそのままシンチレータとした。

（比較例１）
発光量が既知であるプラスチックシンチレータ（商品名：ＮＥ１４２、製造社：ＮｕｃｌｅａｒＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅ、発光量：５，３００光子／ＭｅＶ）を５．０ｍｍ角、厚さ５．０ｍｍに切断して評価を行った。

（比較例２）
ＢａＦ_２シンチレータ（製造社：応用光研工業株式会社）を直径５．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの円盤状に切断して評価を行った。

（比較例３）
先ず、ＣｓＣｌ（純度９９．９９９％以上）１．０質量部及びＣａＣｌ_２（純度９９．９９９％以上）０．４質量部を混合して真空石英アンプル管に入れ、温度１００℃、真空下（１０Ｐａ）において乾燥させ、次いで、温度勾配条件が１０℃／ｃｍであるブリッジマン炉中に前記真空石英アンプル管を上昇させて前記混合物を溶解させた後、降下速度０．３ｍｍ／時間でゆっくり下降させることで溶解液を下部から固化させて結晶を得た。得られた結晶についてＸ線構造解析を行ったところ、式：ＣｓＣａＣｌ_３で表わされる単結晶であることが確認された。これを３．０ｍｍ×５．０ｍｍ×厚さ２．２ｍｍの大きさにしてそのままシンチレータとした。

実施例１で得られた発光スペクトルを図１に、励起スペクトルを図２にそれぞれ示す。図１より、明確な３つの発光ピーク（２．５０ｅＶ、３．２４ｅＶ、４．４１ｅＶ）が確認され、これらの発光ピークに対する励起スペクトルにおいては、いずれも１３．８ｅＶを閾値として、この値以上の励起エネルギーにおいて発光強度が急増することが確認された。（このうち、２．５０ｅＶのピークは他の手法では観察されなかったため、２倍波等に帰属される。）このようなスペクトルの挙動はオージェ・フリー発光に特徴的な発光であることから、本発明のシンチレータの主な発光はオージェ・フリー発光に起因するものであることが確認され、最外内殻準位から伝導帯への電子遷移に伴う励起エネルギーは１３．８ｅＶであることが確認された。

実施例１及び比較例１で得られたシンチレータの検出信号波高スペクトルを図３に示す。ただし、図３において、比較例１のチャンネル数は実際に測定した値の１／４にして示す。図３において、実施例１のチャンネル数は７０チャンネルであり、比較例１のチャンネル数は８００チャンネルであった。また、ＮａＩ（Ｔｉ）を基準シンチレータとしたときの検出効率（％）及び発光量（光子／ＭｅＶ）を表１に示す。図３及び表１に示した結果から明らかなように、本発明のシンチレータにより高い検出効率が達成されることが確認された。

実施例１、比較例１〜３で得られたシンチレータの時間プロファイルを図４〜図７にそれぞれ示す。また、実施例１、比較例１〜２で得られたシンチレータの短寿命成分及び短寿命成分の減衰時間（ｎｓ）、並びに、短寿命成分の全発光量に対する割合（％）を表２に示す。なお、図７に示した結果から明らかなように、ＣｓＣａＣｌ_３をシンチレータとして用いた場合（比較例３）には、入射Ｘ線のパルス間隔よりも減衰時間の長い成分（グラフ中のフラットな部分に相当）の割合が多いことが確認された。

図４〜図７及び表２に示した結果から明らかなように、本発明のシンチレータの発光においては２．０ｎｓ以下の短寿命成分の割合が９５％と、既存のシンチレータを上回る割合であることが確認され、本発明のシンチレータは、高度の時間分解能、計数率を達成することができ、かつ発光が低ノイズであることが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、高度の時間分解能、計数率、及び検出効率を達成することができ、かつ発光が低ノイズである高計数率放射線検出器用シンチレータ及びそれを用いた高計数率放射線検出器を提供することが可能となる。

Claims

Ｃｓ _２ＺｎＣｌ _４の単結晶を含有し、減衰時間が５．０ｎｓ以下の短寿命成分の割合が、全発光に対して９０％以上である高計数率放射線検出器用シンチレータと、前記高計数率放射線検出器用シンチレータから発せられた光を受光する光電子増倍管とを備えており、前記Ｃｓ _２ＺｎＣｌ _４の単結晶が斜方晶単結晶であり、かつ、計数率が５００万〜８０００万カウント／秒である、ことを特徴とする高計数率放射線検出器。