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公開番号2025067248
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-24
出願番号2023177064
出願日2023-10-12
発明の名称単結晶、放射線検出素子、放射線検出デバイス及び放射線像撮像装置
出願人三菱ケミカル株式会社,国立大学法人東京科学大学
代理人個人,個人
主分類G01T 1/24 20060101AFI20250417BHJP(測定;試験)
要約【課題】
X線を含む短波長電離放射線で優れた感度および電流応答特性を示し、かつ暗電流も低い単結晶、及び該単結晶を用いた放射線検出素子を提供すること。
【解決手段】
下記式(1)で表される結晶相を備える単結晶である。
ARDX₃ (1)
(式(1)中、Aは1種以上のアルカリ土類金属元素を示し、Rは1種以上の希土類元素を示し、Dは1種以上のdブロック金属元素を示し、Xは1種以上のカルコゲン元素を示す。)
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
下記式（１）で表される結晶相を備える単結晶。
ＡＲＤＸ
３
（１）
（式（１）中、Ａは１種以上のアルカリ土類金属元素を示し、Ｒは１種以上の希土類元素または遷移金属元素を示し、Ｄは１種以上のｄブロック金属元素を示し、Ｘは１種以上のカルコゲン元素を示す。）
続きを表示（約 500 文字）【請求項２】
長径が２０～３０００μｍである、請求項１に記載の単結晶。
【請求項３】
前記ＡがＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、請求項１に記載の単結晶。
【請求項４】
前記ＡがＢａを含む、請求項３に記載の単結晶。
【請求項５】
前記ＲがＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、請求項１に記載の単結晶。
【請求項６】
前記ＲがＬａを含む、請求項５に記載の単結晶。
【請求項７】
前記ＤがＣｕ及びＡｇから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、請求項１に記載の単結晶。
【請求項８】
前記ＤがＣｕを含む、請求項７に記載の単結晶。
【請求項９】
前記ＸがＯ、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、請求項１に記載の単結晶。
【請求項１０】
前記ＸがＳを含む、請求項９に記載の単結晶。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ土類金属元素、希土類元素または遷移金属元素、ｄブロック金属元素及びカルコゲン元素を含む結晶相を備えた単結晶、放射線検出素子、放射線検出デバイス及び放射線像撮像装置に関する。
続きを表示（約 3,400 文字）【背景技術】
【０００２】
放射線検出はセキュリティ、医療、資源探索等様々な分野で活用されており、例えば、放射線を電気信号に変換する放射線変換素子（以下、単に「変換素子」と記載する場合がある。）をアレイ状に並べ、対象物に放射線を照射することで、対象物の像を描画する方法がある。これは、対象物の位置ごとに放射線の吸収率が異なる場合に、前記各変換素子に入射する放射線量が異なることを利用し、変換素子ごとの検出線量に基づいて対象物の像を描画するものである。
放射線を電気信号に変換する主な手法として、シンチレータと光電変換部を含む放射線検出素子（以下、単に「検出素子」と記載する場合がある。）を用いる方法がある。より具体的には、放射線をシンチレータにより可視光などの電磁波に変換した後、該電磁波を光電変換部により電気信号に変換する手法（間接変換法）と、半導体等の変換素子により放射線を直接電気信号に変換する手法（直接変換法）が存在する。
【０００３】
間接変換法はシンチレータが放出する電磁波が全方位に放出され、さらにシンチレータ中で散乱するため、ある検出素子内のシンチレータから放出された電磁波が近傍の検出素子で検出される所謂「クロストーク」が起きやすく、位置分解能が低下する傾向にある。
これに対し、直接変換法は、例えば、放射線を電荷に変換する放射線吸収層の両面に電極を配置し、一方の電極に対して電圧を印加し、放射線吸収層内に電界を発生させた状態で放射線を照射することで、放射線吸収層で生じた電荷が電界方向に従って移動し、電極に到達する。ここで、この電極への電荷の蓄積、もしくはそれによる電極間の電圧の変化を電気信号として取り出すという原理で放射線を検出する。
この様に放射線吸収層で生じた電荷を特定の方向に誘導することで、前記クロストークの発生を抑えることができるため、直接変換法は間接変換法より位置分解能に優れているが、サイズの大きい結晶性素子を必要とする。
【０００４】
間接変換法による放射線検出装置として、例えばＣｓＩ、ＣｓＩ及び混晶系などのハライド系材料を用いたものが挙げられる（特許文献１及び２）。しかしながら、特許文献１及び２は、いずれも蒸着による薄膜や針状結晶などの形状をしており、用途も前述のクロストークの問題を抱える間接変換法に留まり、位置分解能に優れる直接変換法への応用、及びこれに必要となる大きなサイズの結晶性素子は報告されていない。
直接変換法による放射線検出装置の例として、例えばＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ等の無機化合物単結晶を放射線吸収層に用い、高い感度で放射線を検出するものが報告されている（特許文献３及び４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２００３－１４７３４３号公報
特開２０１５－０４５６３６号公報
特開２０１６－２０２９０１号公報
特開２０１７－０９６７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、特許文献３及び４に開示される、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ等の無機化合物単結晶は、放射線吸収層に用いることで、高い感度で放射線を検出することができる。
しかしながら、これらの材料はいずれも変換素子製造のコストが非常に高いほか、有害なＣｄを含むという課題を抱えている。また、高い感度で放射線を検出することができるものの、暗電流もある程度高く、性能的に必ずしも満足のいくものではなかった。
そこで、本発明は、Ｘ線を含む短波長電離放射線で優れた感度および電流応答特性を示し、かつ暗電流も低い単結晶、及び該単結晶を用いた直接変換法による放射線検出素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意検討した結果、特定の構造式で表される結晶相を備える単結晶が、従来の材料に比べてＸ線を含む短波長電離放射線で優れた感度および電流応答特性を発現し、直接変換法による放射線検出素子とし得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明は以下を要旨とする。
［１］下記式（１）で表される結晶相を備える単結晶。
ＡＲＤＸ
３
（１）
（式（１）中、Ａは１種以上のアルカリ土類金属元素を示し、Ｒは１種以上の希土類元素または遷移金属元素を示し、Ｄは１種以上のｄブロック金属元素を示し、Ｘは１種以上のカルコゲン元素を示す。）
［２］長径が２０～３０００μｍである、上記[１]に記載の単結晶。
［３］前記ＡがＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、上記［１］又は［２］に記載の単結晶。
［４］前記ＡがＢａを含む、上記［１］～［３］のいずれかに記載の単結晶。
［５］前記ＲがＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、上記［１］～［４］のいずれかに記載の単結晶。
［６］前記ＲがＬａを含む、上記［１］～［５］のいずれかに記載の単結晶。
［７］前記ＤがＣｕ及びＡｇから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、上記［１］～［６］のいずれかに記載の単結晶。
［８］前記ＤがＣｕを含む、上記［１］～［７］のいずれかに記載の単結晶。
［９］前記ＸがＯ、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅから成る群より選ばれる１種以上の元素を含む、上記［１］～［８］のいずれかに記載の単結晶。
［１０］前記ＸがＳを含む、上記［１］～［９］のいずれかに記載の単結晶。
［１１］短径が１μｍ以上である、上記［１］～［１０］のいずれかに記載の単結晶。
［１２］アスペクト比が１．２以上である、上記［１］～［１１］のいずれかに記載の単結晶。
［１３］上記［１］～［１２］のいずれかに記載の単結晶の少なくとも一つの面に導電層が積層されている放射線検出素子。
［１４］前記導電層は電極を構成し、さらにコンデンサ、及び電気信号出力部を備え、前記コンデンサは前記放射線検出素子における電極のいずれかに接続され、前記電気信号出力部は前記コンデンサに蓄積した電荷を電気信号として出力する、上記［１３］に記載の放射線検出素子。
［１５］上記［１３］又は［１４］に記載の放射線検出素子を１以上備える、放射線検出デバイス。
［１６］上記［１５］に記載の放射線検出デバイスと、前記電気信号出力部からの信号を画像に変換する画像変換部とを備える、放射線像撮像装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、Ｘ線を含む短波長電離放射線で優れた感度および電流応答特性を示し、かつ暗電流も低い単結晶、及び該単結晶を用いた直接変換法による放射線検出素子を提供することができる。
特に、本発明の単結晶をフォトンカウンティングＣＴ（Photon Counting Computed Tomography）に用いることで、Ｘ線感度および電流応答特性に優れた直接変換法による放射線検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
実施例１で製造した粉末のＸ線回折パターンである。
実施例１で製造した単結晶の光学顕微鏡写真である。
実施例１で製造した単結晶の偏光顕微鏡写真である。
実施例１で形成した素子の光学顕微鏡写真である。
実施例１、比較例１及び比較例２で形成した素子の暗電流を示すグラフである。
実施例１で形成した素子の１００Ｖ印加時におけるＸ線照射下での電流応答挙動を示すグラフである。
実施例１と比較例１で形成した素子の連続Ｘ線感度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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