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公開番号2025137940
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-25
出願番号2024036475
出願日2024-03-11
発明の名称タンタル酸イットリウム結晶、その製造方法、シンチレータ材料、および、その用途
出願人国立研究開発法人物質・材料研究機構,国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学
代理人個人
主分類C30B 29/30 20060101AFI20250917BHJP(結晶成長)
要約【課題】カドミウム等の有害物質を含まず、タングステン酸カドミウム(CdWO₄)に匹敵する、もしくはそれを上回るシンチレーション特性を有するタンタル酸イットリウム結晶およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るタンタル酸イットリウム結晶は、一般式Y(Ta_1-xNb_x)O_4-y(式中、xおよびyはそれぞれ独立に、0≦x≦1、0≦y≦0.5を満たす。)で表され、透過スペクトルにおいて、380nmから780nmの波長範囲の透過率が70%以上であることを特徴とする。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
一般式Ｙ（Ｔａ
１－ｘ
Ｎｂ
ｘ
）Ｏ
４－ｙ
（式中、ｘおよびｙはそれぞれ独立に、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．５を満たす。）で表され、透過スペクトルにおいて、波長３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の範囲の透過率が７０％以上である、タンタル酸イットリウム結晶。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
Ｉ１２／ａ１空間群に属する結晶構造を有し、結晶相が単斜晶の単相である、請求項１に記載の結晶。
【請求項３】
Ｘ線源装置を用いるＸ線耐性試験において、電圧４５ｋＶ、電流３００ｍＡの条件で発生させたＸ線に少なくとも６０分間以上曝露した試料が、該Ｘ線の照射前と実質的に同等の発光を示し、かつ、Ｘ線照射痕を有しない、請求項１または２に記載の結晶。
【請求項４】
イットリウム（Ｙ）を含有する原料、タンタル（Ｔａ）を含有する原料、および必要に応じてニオブ（Ｎｂ）を含有する原料を用いて原料棒を作製するステップと、
前記作製するステップで得られた原料棒を、上方から鉛直方向に延びる第一の支持駆動軸の下端に固定し、該第一の支持駆動軸に対向して下方から鉛直方向に延びる第二の支持駆動軸の上端に種結晶棒を固定し、該原料棒および該種結晶棒の一部を加熱し、該原料棒と該種結晶棒との間に溶融帯を形成させ、該溶融帯を連続移動して結晶を得るステップと
を包含し、
前記結晶を得るステップは、不活性ガス下で行われ、
前記原料棒を作製するステップにおいて、ＹとＴａとＮｂとは、原子数比で、関係Ｙ：Ｔａ：Ｎｂ＝１：１－ｘ：ｘ（ただし、０≦ｘ≦１）を満たす、
請求項１～３のいずれかに記載のタンタル酸イットリウム結晶を製造する方法。
【請求項５】
イットリウム（Ｙ）を含有する原料、タンタル（Ｔａ）を含有する原料、および必要に応じてニオブ（Ｎｂ）を含有する原料を溶融するステップと、
前記溶融するステップで得られた融液の液面に種結晶を接触し、該融液を連続的に引き下げて該接触部を結晶化させるステップと
を包含し、
前記結晶化させるステップは、不活性ガス下で行われ、
前記溶融するステップにおいて、ＹとＴａとＮｂとは、原子数比で、関係Ｙ：Ｔａ：Ｎｂ＝１：１－ｘ：ｘ（ただし、０≦ｘ≦１）を満たす、
請求項１～３のいずれかに記載のタンタル酸イットリウム結晶を製造する方法。
【請求項６】
イットリウム（Ｙ）を含有する原料、タンタル（Ｔａ）を含有する原料、および必要に応じてニオブ（Ｎｂ）を含有する原料を溶融するステップと、
前記溶融するステップで得られた融液の液面に種結晶を接触し、該接触部を固化させ、該種結晶を引き上げて結晶化させるステップと
を包含し、
前記溶融するステップおよび前記結晶化させるステップは、不活性ガス下で行われ、
前記溶融するステップにおいて、ＹとＴａとＮｂとは、原子数比で、関係Ｙ：Ｔａ：Ｎｂ＝１：１－ｘ：ｘ（ただし、０≦ｘ≦１）を満たす、
請求項１～３のいずれかに記載のタンタル酸イットリウム結晶を製造する方法。
【請求項７】
得られた結晶を熱処理するステップをさらに包含する、請求項４～６のいずれかに記載のタンタル酸イットリウム結晶を製造する方法。
【請求項８】
前記熱処理するステップは、得られた結晶を、不活性ガス雰囲気または大気雰囲気で、１００℃以上であってかつ目的のタンタル酸イットリウム結晶の融点以下の温度範囲で、０．５時間以上１５０時間以下の条件で、熱処理する、請求項７に記載のタンタル酸イットリウム結晶を製造する方法。
【請求項９】
請求項１～３のいずれかに記載のタンタル酸イットリウム結晶からなるシンチレータ材料。
【請求項１０】
請求項９に記載のシンチレータ材料と、
前記シンチレータ材料からの光を検出し、電気信号に変換する光電変換器と
を備える、放射線検出器。
（【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、タンタル酸イットリウム結晶、その製造方法、シンチレータ材料、および、その用途に関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
放射線検査装置は、非破壊検査用の検査装置、医療用の診断装置など、様々な分野および態様で使用されている。例示的な態様としては、被験体に放射線（Ｘ線、中性子線等）を照射し、透過した放射線を放射線検出器で検出する態様や、被験体の内部に予め放射線源（放射性物質）を配置し、その放射線源から発生して被験体を透過した放射線（γ線等）を放射線検出器で検出する態様などが挙げられる。
【０００３】
放射線検出器は、一般に、放射線を光に変換するシンチレータ材料（単にシンチレータとも呼ばれる。）と、シンチレータ材料から放出された光を検出し、電気信号に変換する光電変換器とを備える。
【０００４】
従来、Ｘ線検出器に用いられるシンチレータ材料としては、タングステン酸カドミウム（ＣｄＷＯ
４
）、タリウム添加ヨウ化セシウム（Ｔｌ：ＣｓＩ）等の単結晶や、テルビウム添加ガドリニウムオキシ硫化物（Ｔｂ：Ｇｄ
２
Ｏ
２
Ｓ）、プラセオジム添加ガドリニウムオキシ硫化物（Ｐｒ：Ｇｄ
２
Ｏ
２
Ｓ）等の多結晶セラミックスが知られている。
【０００５】
中でも、空港等での手荷物・貨物検査用のＸ線検出器のシンチレータ材料には、ＣｄＷＯ
４
が多用されている。ＣｄＷＯ
４
の単結晶は、発光量が高く、残光度が低いなど、実用的なシンチレーション特性を有し、比較的低コストで製造することができる。しかしながら、カドミウムは有害物質であるため、ＣｄＷＯ
４
の単結晶は環境を悪化させるおそれがある。
【０００６】
近年、カドミウム等の有害物質（有害元素）を含まないシンチレータ材料として、タンタル酸イットリウム（ＹＴａＯ
４
）、および、ニオブ（Ｎｂ）を含有するＹＴａＯ
４
に関する研究報告がある（非特許文献１～５）。非特許文献１には、垂直結晶化法（vertical directed crystallization）によって真空中で作製されたＹＴａＯ
４
の単結晶のシンチレーション特性について記載されているが、ＮａＩ（Ｔｌ）を標準試料としたシンチレーション効率（％）の分析値は、ＣｄＷＯ
４
（４０％）の半分（２０％）にとどまっている。非特許文献２～５には、固相法によって作製されたＹＴａＯ
４
およびＮｂ含有ＹＴａＯ
４
のセラミックスが記載されており、ＣｄＷＯ
４
よりも高い発光量が得られたとされているものがある。しかしながら、非特許文献２～５に記載されたセラミックス材料は非透明性であるため、薄板状での用途に限定され、低エネルギーＸ線を用いるＸ線検出器のシンチレータ材料として使用できるのみである。また、セラミックスのシンチレータ材料は、高エネルギーＸ線に曝されると、性能の劣化が生じる。加えて、セラミックスは多結晶体であるため、製造時に不可避的に生じる結晶粒界や結晶欠陥に起因して、シンチレーション特性が低下することが懸念される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
L. I. Kazakova, et al., Radiation Measurements, 1995, 24, 359-360.
C. W. E Eijk, et al., Physics in Medicine and Biology, 2002, 47, R85-R106.
O.V. Voloshyna, et al., Materials Science and Engineering B, 2013, 178, 1491-1496.
E. Bourret, et al., Journal of Luminescence, 2018, 202, 332-338.
O.V. Voloshyna, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2014, 764, 227-231.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、カドミウム等の有害物質を含まず、ＣｄＷＯ
４
に匹敵する、もしくはそれを上回るシンチレーション特性を有するタンタル酸イットリウム結晶を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述のタンタル酸イットリウム結晶を製造する方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述のタンタル酸イットリウム結晶を用いたシンチレータ材料、および、その用途を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるタンタル酸イットリウム結晶は、一般式Ｙ（Ｔａ
１－ｘ
Ｎｂ
ｘ
）Ｏ
４－ｙ
（式中、ｘおよびｙはそれぞれ独立に、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．５を満たす。）で表され、透過スペクトルにおいて、波長３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の範囲の透過率が７０％以上であり、これにより上記課題を解決する。
本発明のタンタル酸イットリウム結晶は、上記一般式におけるｘは、条件０＜ｘ≦１を満たしてもよい。
本発明のタンタル酸イットリウム結晶は、Ｉ１２／ａ１空間群に属する結晶構造を有してもよく、結晶相が単斜晶の単相であってもよい。
本発明のタンタル酸イットリウム結晶は、Ｘ線源装置を用いるＸ線耐性試験において、電圧４５ｋＶ、電流３００ｍＡの条件で発生させたＸ線に少なくとも６０分間以上曝露した試料が、該Ｘ線の照射前と実質的に同等の発光を示してもよく、かつ、Ｘ線照射痕を有しなくてもよい。
【００１０】
本発明による上述のタンタル酸イットリウム結晶の製造方法は、イットリウム（Ｙ）を含有する原料、タンタル（Ｔａ）を含有する原料、および必要に応じてニオブ（Ｎｂ）を含有する原料を用いて原料棒を作製するステップと、前記作製するステップで得られた原料棒を、上方から鉛直方向に延びる第一の支持駆動軸の下端に固定し、該第一の支持駆動軸に対向して下方から鉛直方向に延びる第二の支持駆動軸の上端に種結晶棒を固定し、該原料棒および該種結晶棒の一部を加熱し、該原料棒と該種結晶棒との間に溶融帯を形成させ、該溶融帯を連続移動して結晶を得るステップとを包含し、前記結晶を得るステップは、不活性ガス下で行われ、前記原料棒を作製するステップにおいて、ＹとＴａとＮｂとは、原子数比で、関係Ｙ：Ｔａ：Ｎｂ＝１：１－ｘ：ｘ（ただし、０≦ｘ≦１）を満たし、これにより上記課題を解決する。
ここで、上記の製造方法は、得られた結晶を熱処理するステップをさらに包含してもよい。
上記熱処理するステップは、得られた結晶を、不活性ガス雰囲気または大気雰囲気で、１００℃以上であってかつ目的のタンタル酸イットリウム結晶の融点以下の温度範囲で、０．５時間以上１５０時間以下の条件で、熱処理することであってもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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