(57)【要約】【課題】位置分解能に優れたシンチレータおよび放射線検出器を提供すること。【解決手段】一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相と、前記第一の結晶相の側面を覆う第二の結晶相と、を備え、前記第一の結晶相は、少なくとも一般式：ＡＥＦ２で表されるアルカリ土類金属フッ化物を含み、前記第二の結晶相は、当該第二の結晶相の総陽イオン量に対して１０ｍｏｌ％以上のリチウム（Ｌｉ）を含有する結晶を含み、少なくとも前記第一の結晶相が放射線で励起されて発光することを特徴とするシンチレータ。ここで、前記一般式中のＡＥは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，およびＢａの少なくとも一種からなる元素である。【選択図】図１
2015111107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相と、
前記第一の結晶相の側面を覆う第二の結晶相と、
を備え、
前記第一の結晶相は、少なくとも一般式：ＡＥＦ２で表されるアルカリ土類金属フッ化物を含み、前記第二の結晶相は、当該第二の結晶相の総陽イオン量に対して１０ｍｏｌ％以上のリチウム（Ｌｉ）を含有する結晶を含み、少なくとも前記第一の結晶相が放射線で励起されて発光することを特徴とするシンチレータ。
ここで、前記一般式中のＡＥは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，およびＢａの少なくとも一種からなる元素である。
【請求項２】
前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相よりも０．０５以上屈折率が大きいことを特徴とする請求項１に記載のシンチレータ。
【請求項３】
前記第一の結晶相または前記第二の結晶相は、発光中心としてＰｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｔｍ，およびＹｂのうち少なくとも一種からなる希土類元素を、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相の総陽イオン量に対して０．００１ｍｏｌ％以上含有することを特徴とする請求項１または２に記載のシンチレータ。
【請求項４】
前記第二の結晶相は、一般式：Ａ３ＭＦ６で表されるフッ化物結晶であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のシンチレータ。
ここで、前記一般式中のＡは、Ｌｉを含みかつＫ，Ｎａ，Ｃｓ，およびＲｂのうち少なくとも一種を含む元素であり、Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｆｅ，Ｖ，Ｔｉのうち少なくとも一種からなる元素である。
【請求項５】
前記第二の結晶相は、ＬｉＦからなる結晶を含む２種類以上の結晶で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のシンチレータ。
【請求項６】
前記第一の結晶相が有する前記柱状晶の直径の平均値が、３００ｎｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のシンチレータ。
【請求項７】
光検出器と、
前記光検出器に対向して配置された、請求項１〜６のいずれか一つに記載のシンチレータと、
を備え、前記シンチレータは、前記第一の結晶相が有する前記柱状晶が、前記光検出器の受光面に垂直に伸びるように対向して配置されていることを特徴とする放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に中性子用のシンチレータおよびこれを用いた放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線検出器の一種である中性子検出器は、中性子利用技術を支える要素技術である。中性子回折による構造解析等の学術研究分野、高エネルギー放射光施設での中性子線検出、非破壊検査分野、或いは貨物検査等の保安分野等における中性子利用技術の発展に伴い、感度および位置分解能のより高い中性子検出器が求められている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、多数のＬｉ含有シンチレータピクセルを、反射材を用いて格子状に区切って２次元シンチレータアレイを形成し、当該シンチレータアレイを２次元光検出器と接合した中性子線検出器を構成し、中性子線の入射位置の弁別を行う技術が開示されている。
【０００４】
例えば、特許文献２および非特許文献１には、フッ化リチウム結晶とフッ化カルシウム結晶とからなる共晶体に、発光中心元素としてＣｅまたはＥｕを含有し、フッ化カルシウムが放射線励起により発光する共晶体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２０１０／１２６０６２号
【特許文献２】特開２０１１−２３２３０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｎｏｒｉａｋｉ  Ｋａｗａｇｕｃｈｉ，  Ｋｅｎｔａｒｏ  Ｆｕｋｕｄａ，  Ｔａｋａｙｕｋｉ  Ｙａｎａｇｉｄａ,  Ｙｕｔａｋａ  Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，  Ｙｕｕｉ  Ｙｏｋｏｔａ，  Ｔｏｓｈｉｈｉｓａ  Ｓｕｙａｍａ，  Ｋｅｎｉｃｈｉ  Ｗａｔａｎａｂｅ,  Ａｔｓｕｓｈｉ  Ｙａｍａｚａｋｉ,  Ａｋｉｒａ  Ｙｏｓｈｉｋａｗａ，  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ６５２  （２０１１）  ２０９−２１１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、シンチレータを機械加工により細かくすることには限界があり、シンチレータピクセルの大きさは最小でも数百ミクロンが限界となる。放射線検出器の位置分解能はシンチレータピクセルの大きさに依存するため、位置分解能も数百ミクロンが限界となる。また、その製造に関しても、シンチレータの加工研磨や反射材形成のためのシンチレータの張り合わせのような多くの工程が必要になってしまうという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２および非特許文献１に開示された技術では、層状のフッ化リチウム結晶と層状のフッ化カルシウム結晶とが交互に積層した共晶体シンチレータであり、フッ化カルシウム結晶が放射線励起により発光する構造となっている。この場合、層状の構造のため、フッ化カルシウム結晶相で発生するシンチレーション光は、フッ化カルシウム層に広がることとなり、フッ化カルシウム層方向への位置分解はできないという問題がある。なお、フッ化リチウム結晶とフッ化カルシウムとの屈折率の差は、０．０４以下と小さい。そのため、放射線励起により発光した光が、結晶相の界面を超えて周囲に分散しやすいため、フッ化リチウム結晶相とフッ化カルシウム結晶相とで実現している位置分解性能が劣化するという問題もある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位置分解能に優れたシンチレータおよび放射線検出器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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るシンチレータは、一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相と、前記第一の結晶相の側面を覆う第二の結晶相と、を備え、前記第一の結晶相は、少なくとも一般式：ＡＥＦ２で表されるアルカリ土類金属フッ化物を含み、前記第二の結晶相は、当該第二の結晶相の総陽イオン量に対して１０ｍｏｌ％以上のリチウム（Ｌｉ）を含有する結晶を含み、少なくとも前記第一の結晶相が放射線で励起されて発光することを特徴とする。ここで、前記一般式中のＡＥは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，およびＢａの少なくとも一種からなる元素である。
【００１１】
また、本発明に係るシンチレータは、上記発明において、前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相よりも０．０５以上屈折率が大きいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るシンチレータは、上記発明において、前記第一の結晶相または前記第二の結晶相は、発光中心としてＰｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｔｍ，およびＹｂのうち少なくとも一種からなる希土類元素を、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相の総物質量に対して０．００１ｍｏｌ％以上含有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るシンチレータは、上記発明において、前記第二の結晶相は、一般式：Ａ３ＭＦ６で表されるフッ化物結晶であることを特徴とする。ここで、前記一般式中のＡは、Ｌｉを含みかつＫ，Ｎａ，Ｃｓ，およびＲｂのうち少なくとも一種を含む元素であり、Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｆｅ，Ｖ，Ｔｉのうち少なくとも一種からなる元素である。
【００１４】
また、本発明に係るシンチレータは、上記発明において、前記第二の結晶相は、ＬｉＦからなる結晶を含む２種類以上の結晶で構成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るシンチレータは、上記発明において、前記第一の結晶相が有する前記柱状晶の直径の平均値が、３００ｎｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る放射線検出器は、光検出器と、前記光検出器に対向して配置された、上記発明のシンチレータと、を備え、前記シンチレータは、前記第一の結晶相が有する前記柱状晶が、前記光検出器の受光面に垂直に伸びるように対向して配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、位置分解能に優れたシンチレータおよび放射線検出器を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施の形態に係るシンチレータの模式的斜視図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る放射線検出器の模式的構成図である。
【図３】図３は、実施例１のシンチレータの凝固方向に平行な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図である。
【図４】図４は、実施例１のシンチレータの凝固方向に垂直な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図である。
【図５】図５は、実施例１のシンチレータ作製に使用する共晶体の凝固方向に垂直な面の光学顕微鏡による観察画像を示す図である。
【図６】図６は、実施例１のシンチレータの発光スペクトルを示す図である。
【図７】図７は、実施例１のシンチレータの中性子線励起によるエネルギースペクトルを示す図である。
【図８】図８は、実施例１のシンチレータの中性子線励起による蛍光寿命を測定するために使用した光減衰波形を示す図である。
【図９】図９は、実施例３のシンチレータの凝固方向に平行な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例３のシンチレータの凝固方向に垂直な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明に係るシンチレータおよび放射線検出器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
本発明を実施するための形態としては、様々な形態（様々な構成や、様々な材料）があるが、これらの実施の形態に共通する構成は、一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相と、第一の結晶相の側面を覆う、中性子線吸収断面積に優れたリチウム（Ｌｉ）を含有する第二の結晶相とを備える相分離構造を有するシンチレータである。このシンチレータは、中性子が入射されると、以下の過程に基づくシンチレーション光を発して中性子シンチレータとして機能する。
【００２１】
まず、中性子がＬｉを含有する第二の結晶相に入射すると、中性子がＬｉ中の６Ｌｉ同位体に捕獲され、捕獲反応を起こして２次粒子であるα粒子及びトリチウムを生じる。次いで、かかる２次粒子が共晶体中を遊走し、第一の結晶相に到達して第一の結晶相を励起する。そして、最終的に、励起された第一の結晶相がシンチレーション光を発する。すなわち、本発明の実施の形態の共晶体を構成する第二の結晶相及び第一の結晶相は、それぞれ主に中性子捕獲材、シンチレーション光を発する蛍光体として機能する。
【００２２】
さらに、本発明の実施の形態に係るシンチレータでは、第一の結晶相がアルカリ土類金属フッ化物結晶を含んでいるので、第二の結晶相に対して屈折率が高い。本発明の実施の形態に係るシンチレータでは、かかる構成によって、高屈折率相である第一の結晶相内で発生した光のうち、低屈折率相である第二の結晶相との界面で全反射条件を満たす角度で入射した光は全反射される。その結果、光は高屈折率の第一の結晶相内を導波されながら進行する。その際、高屈折率相である第一の結晶相は、一方向性を有する複数の柱状晶を有するために、光の導波（光ガイディング）は、一方向に向けて行われる。これらは換言すると、当該シンチレータ内で生じた光は、第一の結晶相内に閉じ込められながら（つまり光の広がりが抑えられながら）、一方向に向けて進行するといえる。
【００２３】
本発明の実施の形態では、特に一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相内で光の閉じ込めが生じるために、構造欠陥や柱の大きな曲がりがない限り、一度全反射された光は第一の結晶相から漏れ出ることはほとんどない。すなわち、発生した光は非常に高い空間分解能で一方向に向けて導波されることになる。このようにして、本発明の実施形態では、シンチレータ自体が、光の導波機能（光ガイディング機能）を有する。その結果、本発明の実施形態に係るシンチレータは、位置分解能に優れたものとなる。
【００２４】
加えて、少なくとも第二の結晶相は中性子線吸収断面積に優れたＬｉを含有するため、中性子に対し高い感度を有する。なお、本発明の実施の形態シンチレータのかかる光導波機能および中性子線感度を一層向上させるためには、中性子線吸収断面積に優れたＬｉを含有する第二の結晶相は、共晶体であるシンチレータの全体積に対して５０〜９９体積％の量で含まれることが好ましく、６５〜９０体積％の量で含まれることがより好ましい。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態につき、さらに詳細に説明する。
【００２６】
［シンチレータの構成］
図１は、実施の形態に係るシンチレータの模式的斜視図である。
【００２７】
本実施の形態のシンチレータ１０は、一方向性を有する複数の柱状晶を有し、アルカリ土類金属フッ化物結晶を含む第一の結晶相１１と、第一の結晶相１１の側面を覆い、中性子線吸収断面積に優れたＬｉを含有する結晶を少なくとも含む第二の結晶相１２とを備える２相以上からなる相分離構造を有する。ここで、Ｌｉを含有する結晶を少なくとも含む第二の結晶相１２とは、第二の結晶相１２がＬｉを含有する結晶からなる場合と、第二の結晶相１２自身も相分離構造を有し、当該相分離構造を構成する結晶の１つがＬｉを含有する結晶である場合とのいずれをも含む。
【００２８】
図１に示すように、中性子Ｎが第二の結晶相１２に入射すると、中性子Ｎが第二の結晶相１２に含まれるＬｉ中の６Ｌｉ同位体に捕獲され、捕獲反応を起こして２次粒子であるα粒子及びトリチウムを生じる。次いで、かかる２次粒子が共晶体中を遊走し、第一の結晶相１１に到達して第一の結晶相１１を励起する。放射線である２次粒子により励起された第一の結晶相１１はシンチレーション光Ｐを発する。高屈折率相である第一の結晶相内を導波されながら進行する。その際、高屈折率相である第一の結晶相１１は、一方向性を有する複数の柱状晶を有するために、シンチレーション光Ｐを一方向に導波する。このとき、第一の結晶相１１は、第二の結晶相１２よりも０．０５以上屈折率が大きく、両者の屈折率差が０．０５以上であれば、第一の結晶相１１へのシンチレーション光Ｐの閉じ込めがより強くなり、一方向への導波性が高まるので好ましい。
【００２９】
図１では、第一の結晶相１１が有する柱状晶の形状は円柱形であるが、円柱形に限らず、種々の形状から構成されることができ、例えば多角柱でもよい。
【００３０】
また、第一の結晶相１１が有する柱状晶の直径１３は、３００ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。すなわち、発生したシンチレーション光は、第一の結晶相１１と第二の結晶相１２との界面で反射しながら進行し、たとえば後述する光検出器に到達する。この時、シンチレーション光の波長よりも、第一の結晶相１１が有する柱状晶の構造周期が小さい場合は、シンチレーション光のうち界面で反射せずに透過してしまう成分が多くなる。そのため、第一の結晶相１１が有する柱状晶１３の直径は発生するシンチレーション光の波長よりも大きいことが望ましい。本実施の形態では、特に波長が３００ｎｍからの紫外域に発光を有するようなシンチレータ１０として構成することもあるため、第一の結晶相１１が有する柱状晶の直径１３は３００ｎｍ以上であることが望ましい。また、第一の結晶相１が有する柱状晶の直径１３が光検出器の１画素よりも大きくなってしまうと、１画素内に光を閉じ込める効果が低下してしまうため、第一の結晶相１１が有する柱状晶の直径１３の上限値は、光検出器の１画素のサイズよりも小さいことが望ましい。この点で、直径１３は、３０μｍ以下であることが好ましい。ただし、本発明はこれに限らず、本実施の形態に係るシンチレータと組み合わせる光検出器の１画素のサイズに応じて、適宜第一の結晶相１１が有する柱状晶の直径１３を設定してもよい。
【００３１】
さらに、図１に示すシンチレータ１０の厚さ１４に関しては、製法にも依存するが、任意の厚さに調整することが可能である。実質的には、第一の結晶相１１は、第一の結晶相１１の柱状晶の厚さ方向（伸長方向）Ｄに沿って直線的に連続していることが好ましい。しかしながら、本発明は、第一の結晶相の柱状晶が、途中で途切れたり、枝分かれしたり、複数の柱状晶が一体化したり、柱状晶の直径が変化したり、直線的でなく非直線部分が含まれたりするような場合を排除するものではない。本発明に係るシンチレータにおいて、結晶の凝固界面の方向を適宜制御することで、あえて第一の結晶相の柱状晶を曲げた形状にすることも可能である。
【００３２】
つぎに、第一の結晶相１１および第二の結晶相１２の構成材料についてより具体的に説明する。
第一の結晶相１１は、一般式：ＡＥＦ２で表されるアルカリ土類金属フッ化物を含んでいる。ここで一般式中のＡＥは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，およびＢａの少なくとも一種からなる元素である。また、第一の結晶相１１は、発光中心としてＰｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｔｍ，およびＹｂのうち少なくとも一種からなる希土類元素（希土類イオン）を、第一の結晶相１１および第二の結晶相１２の総陽イオン量に対して０．００１ｍｏｌ％以上含有することが好ましい。なお、Ｐｒ，Ｃｅ，Ｅｕを含有している場合は、励起されることによってｆ−ｄ遷移による数ｎｓから数１０ｎｓｅｃ程度の高速な蛍光寿命のシンチレーション光を発し、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｔｍ，またはＹｂを含有する場合は、励起されることによってｆ−ｆ遷移による数百ｎｓから数μｎｓｅｃ程度の蛍光寿命のシンチレーション光を発する。また、Ｙｂを含有する場合は、ホスト結晶の組成により、チャージトランスファー発光による数ｎｓ程度の高速な発光を示すこともある。
【００３３】
第二の結晶相１２は、一般式：Ａ３ＭＦ６で表されるフッ化物結晶であることが望ましい。ここで一般式中のＡは、Ｌｉを含みかつＫ，Ｎａ，Ｃｓ，およびＲｂのうち少なくとも一種を含む元素であり、Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｆｅ，Ｖ，およびＴｉのうち少なくとも一種からなる元素である。Ａの元素のうち、Ｌｉの含有量は、第二の結晶相１２の総陽イオン量に対して１０ｍｏｌ％以上であることが望ましい。
【００３４】
シンチレータ１０を構成する共晶体において、含有するＬｉ元素の６Ｌｉ同位体比を２０〜９９％とすることが好ましい。６Ｌｉ同位体比を２０％以上とすることによって、上述した捕獲反応の確率が高まり、中性子に対する検出効率が向上する。一方、同位体濃縮に掛かるコストに鑑みて、６Ｌｉ同位体比を９９％以下とすることが好ましい。
【００３５】
本実施の形態に係るシンチレータ１０の構成材料の選択において重要になるのは、第一の結晶相１１および第二の結晶相１２の材料組成である。シンチレータ１０の構成材料のうち、以下の５種類の組み合わせにおいて好ましい組成比（ｍｏｌ％）を表１に示す。なお、表１において、第２の結晶相が複数の結晶からなる場合は、これらを括弧で括って表記している。
【００３６】
【表１】
2015111107.tif 000003
【００３７】
表１に示した５種類の組み合わせを用いて、図１に示すようなシンチレータ１０のような良好な相分離構造を有するシンチレータを得るためには、概ね表１に示した組成比でシンチレータを製造することが好ましい。これらの組成比は共晶組成に対応している。ただし、本実施の形態に係るシンチレータにおいては、第一の結晶相と第二の結晶相との組成比は、共晶組成から外れてはならないというものではない。第一の結晶相と第二の結晶相との組成比は、表１に示した組成比に対応する共晶組成に対して共晶組成±１５ｍｏｌ％の範囲を好適範囲とすることができる。
【００３８】
上記組成の好適範囲を規定する要因は、シンチレータの相分離構造の形成において上記構成材料が共晶関係にあり、かつ共晶組成近傍で上記構成材料の一方向凝固を行うことで、図１に示すような良質な相分離構造を有する結晶体を得ることができるからである。上記好適範囲外、つまり上記組成比が共晶組成±１５ｍｏｌ％の範囲を逸脱している場合は、製造時に一方の結晶相が先に析出するため、相分離構造形成の観点から、シンチレータの良好な相分離構造を乱す要因となる。ただし、第一の結晶相と第二の結晶相との組成比が、共晶組成±１５ｍｏｌ％の範囲を逸脱している場合であっても、共晶組成±２０ｍｏｌ％の範囲内であれば、部分的には良好な相分離構造を有するシンチレータが得られる場合がある。したがって、第一の結晶相と第二の結晶相との組成比としては、上記好適範囲に限られず、共晶組成±２０ｍｏｌ％の範囲内でもよい。ただし、第一の結晶相の体積比が共晶体全体の体積に対して４０％以上になると、不規則なラメラ構造を形成しやすいため、ラメラ構造を構成しないような構成材料と組成比との組み合わせを選択することが好ましい。
【００３９】
本発明の好ましい実施の形態において、発光中心を添加したアルカリ土類金属フッ化物を含むフッ化物結晶を第一の結晶相の構成材料に用いた場合、シンチレータである共晶体への中性子線の照射によって、第一の結晶相が励起され発光を示す。本実施の形態では、第二の結晶相より高い屈折率を有する、アルカリ土類金属フッ化物を含む第一の結晶相が発光することが好ましいが、第一及び第二の結晶相の双方が発光してもよい。したがって、第二の結晶相が、発光中心としてＰｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｔｍ，およびＹｂのうち少なくとも一種からなる希土類元素を、第一の結晶相および前記第二の結晶相の総物質量に対して０．００１ｍｏｌ％以上含有していてもよい。また、第一の結晶相が中性子線吸収断面積の大きいＬｉを含有してもよい。
【００４０】
このように、本実施の形態の相分離構造を有するシンチレータ１０は、中性子線吸収断面積の大きいＬｉを含有する一方向性を有する複数の柱状晶を有する第一の結晶相１１の内部に沿ってシンチレーション光を導波させ、その一方向に垂直な方向に沿った散乱や反射のような光の導波を抑える特性を備えることが特徴である。従来のシンチレータは、光を導波する機能が備わっていなかったために、位置分解性能を高めるためには、散乱面や反射面となる隔壁が必要であった。これに対して、本実施の形態に係るシンチレータ１０は、共晶体シンチレータ自体に光導波機能が備わっているため、従来のように単結晶群から構成されるシンチレータに隔壁を設けたりする構成としなくても、光のクロストークを抑えることができる。
【００４１】
［シンチレータの製造］
本実施の形態のシンチレータ１０の共晶体を製造する方法は、所望の材料系を最適組成において一方向性を持たせて熔融凝固する方法であれば、いずれの方法でも適用可能である。例えば、チョクラルスキー法やマイクロ引下げ法、ブリッジマン法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ  Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ.  Ｇｒｏｗｔｈ）法、キロプロス法のように、融液から結晶を育成する方法により製造可能である。さらに、フローティングゾーン法でも製造可能である。
【００４２】
また、シンチレータ１０の第一の結晶相１１が有する柱状晶の直径１３や、第一の結晶相１１が有する柱状晶の最近接距離の周期の平均値は、製造時の凝固速度に依存し、特に最近接距離の周期に関しては次式の相関があるとされる。すなわち、周期をλとし、凝固速度をｖとすれば、λ２・ｖ＝一定である。したがって、凝固速度を制御することで、第一の結晶相１１が有する柱状晶の直径１３や、第一の結晶相１１の柱状晶の最近接距離の周期を制御することができる。
【００４３】
［シンチレータを利用した放射線検出器］
本実施の形態の相分離構造を有するシンチレータ１０は、光検出器と組み合わせることで中性子線等の放射線検出器として用いることが可能である。特に、本実施の形態のシンチレータ１０は、隔壁を設けずとも光の導波機能を有しているために、光検出器に向けて特定の方向に光を導波する必要がある状況に適用することが好ましい。
【００４４】
図２は、実施の形態に係る放射線検出器の模式的構成図である。放射線検出器１００は、図１に示す実施の形態に係るシンチレータ１０と、光検出器２０と、を備えている。光検出器２０は、受光面２１を備えている。シンチレータ１０は、光検出器２０に対向して配置されている。具体的には、シンチレータ１０は、第一の結晶相１１が有する、厚さ方向Ｄに伸長している柱状晶が、光検出器２０の受光面２１に垂直に伸びるように対向して配置されている。これによって、図１に示すように第一の結晶相１１が有する柱状晶によって伸長方向（厚さ方向Ｄ）に導波されたシンチレーション光Ｐは、光検出器２０の受光面２１に到達し、光検出器２０で受光される。光検出器２０は、シンチレーション光Ｐの受光量に応じた電流信号を生成し、その電流信号の値によって、シンチレータ１０に入射された中性子量を検出することができる。なお、放射線検出器１００がさらに光検出器２０に接続された分析処理装置を備え、光検出器２０が電流信号を分析処理装置に出力し、分析処理装置において電流信号を分析処理し、シンチレータ１０に入射された中性子量を検出するように構成してもよい。
【００４５】
光検出器２０は、たとえば位置有感型光電子増倍管、半導体光検出器アレイ、イメージインテンシファイヤー、ＣＣＤカメラなどで構成することができる。この場合、シンチレータ１０の発光相への他材料の添加や発光中心物質の添加をすることで、光検出器２０の受光感度特性に適合するようにシンチレータ１０の発光波長を調整することも可能である。
【００４６】
シンチレータ１０を用いることにより、アレイ状に配置された光検出器や位置有感型光検出器に、シンチレータ１０を対向して配置するだけで構成することができる簡易な構造であり、かつ位置分解能と中性子線感度とに優れた放射線検出器を得ることができる。
【００４７】
なお、上述したように、シンチレータ１０は、一方向性を有する第一の結晶相１１が有する柱状晶が、光検出器２０の受光面２１に対して垂直に伸びるように対向して配置されることが好ましいが、放射線の飛行方向と光検出器２０との配置に合わせ、垂直から傾けて設置することも可能である。さらに、光検出器２０とシンチレータ１０との間には、保護層や反射防止のような機能を有した膜や層が配置され、これを介して光検出器２０とシンチレータ１０とを接合または配置することも好ましい。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明をその実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【００４９】
（実施例１）
実施例１として、相分離構造を有するシンチレータを製造した。本実施例１のシンチレータは、特に第一の結晶相としてＣａＦ２を用い、第二の結晶相としてＬｉ３ＡｌＦ６を用いた例である。
【００５０】
まず、表１に示すように、ＣａＦ２とＬｉ３ＡｌＦ６の組成比が４０：６０（ｍｏｌ％）になるように評量した、ＣａＦ２、ＬｉＦ、ＡｌＦ３の混合粉末に、第一の結晶相と第二の結晶相との総物質量に対してＥｕＦ２を０．５ｍｏｌ％となるように添加した試料を十分に混合した粉末を、原料混合物として準備した。また、フッ化リチウム（ＬｉＦ）については、６Ｌｉ同位体比が９５％の原料を用いた。
【００５１】
次いで、上記の原料混合物を、内径が６０ｍｍのカーボン製の坩堝に充填し、抵抗加熱方式の加熱ヒーター、断熱材、及び真空排気装置を備えたチャンバー内にセットした。そして、真空排気装置を用いて、チャンバーの内部を２．０×１０−４Ｐａ以下まで真空排気した後、５ｖｏｌ％の四フッ化メタンを混合した高純度アルゴンガスをチャンバー内に導入してガス置換操作を行った。ガス置換操作後のチャンバー内の圧力は大気圧とした。
【００５２】
ガス置換操作を行った後、加熱ヒーターによって原料混合物を加熱して溶融した。なお、加熱ヒーター及び断熱材は、凝固方向の温度勾配が１０℃／ｍｍとなるように配置し、加熱ヒーターの出力は、坩堝底部の温度が８００℃となるように調整した。次いで、溶融した原料混合物の融液を坩堝とともに連続的に降下し、融液を下方より上方へ一方向に凝固させた。なお、本実施例１において、融液を降下させる速度、すなわち凝固速度は２０ｍｍ／ｈｒとした。かかる操作により、融液を全て凝固させ、本実施例１のシンチレータ作製に使用する共晶体を得た。第二の結晶相における総陽イオン量に対するＬｉ含有量は７５ｍｏｌ％であった。
【００５３】
次いで、得られた共晶体を、凝固方向に平行な方向、及び凝固方向に鉛直な方向にダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって切断し、切断面を鏡面研磨し、実施例１のシンチレータを得た。図３は、実施例１のシンチレータの凝固方向に平行な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図であって、凝固方向に平行な方向に切断した面の反射電子組成像である。また、図４は、実施例１のシンチレータの凝固方向に垂直な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図であって、凝固方向に鉛直な方向に切断した面の反射電子組成像である。図３、図４に示す反射電子組成像の明部はＣａＦ２結晶層であり、暗部はＬｉ３ＡｌＦ６結晶層である。第二の結晶相における総陽イオン量に対するＬｉ含有量は７５ｍｏｌ％であった。
【００５４】
図３に示すように、ＣａＦ２結晶層が一方向に直線的に連続していることが分かる。また、図４の反射電子組成像について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の測長機能を用いて柱状のＣａＦ２結晶層の直径を計測した結果、直径は１μｍであった。また、得られた共晶体を粉砕した粉末について粉末Ｘ線回折測定を行い、結晶相を同定した。その結果、ＣａＦ２結晶とＬｉ３ＡｌＦ６結晶に由来する回折ピークが確認でき、当該共晶体がＬｉ３ＡｌＦ６結晶とＣａＦ２結晶とからなる共晶体であることが確認された。
【００５５】
つぎに、得られた共晶体を、凝固方向に垂直な面について１ｍｍ厚に切り出し、光学顕微鏡により構造観察を行った。図５は、実施例１のシンチレータ作製に使用する共晶体の凝固方向に垂直な面の光学顕微鏡による観察画像を示す図であって、光学顕微鏡の透過像である。当該共晶体は、光学顕微鏡像に示すような相分離構造を有しており、反射電子組成像による組成分析によると、柱状構造をとる相が、第一の結晶相である高屈折率のＣａＦ２となっており、マトリックスとなる相が、第二の結晶相である低屈折率のＬｉ３ＡｌＦ６となっていた。ＣａＦ２とＬｉ３ＡｌＦ６との屈折率差は０．０５以上あり、光学顕微鏡で透過像を撮ると、高屈折率のＣａＦ２相は光を導光しており、光伝播の異方性を確認することができた。
【００５６】
図６は、実施例１のシンチレータの紫外線励起による発光スペクトルを示す図である。図６に示すように、実施例１のシンチレータは、シリンダー（柱状晶）を形成する第一の結晶相Ｅｕ：ＣａＦ２の青色発光を示した。一方、第二の結晶相であるＬｉ３ＡｌＦ６は発光を示さなかった。第一の結晶相で発生した光のうち、全反射の臨界角を満たすように放出された光はシリンダー内を導波する。一方、シリンダー中を全反射せずにマトリックス（第二の結晶相）側に漏れた光は、結晶による屈折を受けながら結晶中を広がる光となる。中性子による（ｎ、α）反応により生成されるアルファ線を模擬するため、２４１Ａｍ線源を用いた５．５ＭｅＶのα線励起を実施例１のシンチレータに行ったところ、このα線励起でも、図６に示す場合と同様の発光を示した。このように、実施例１のシンチレータは、中性子用シンチレータとして機能することが確認できた。
【００５７】
［中性子検出器の作製と特性評価］
実施例１のシンチレータの中性子に対する応答特性を以下の方法によって評価した。まず光電子増倍管（浜松ホトニクス社製  Ｒ７６００Ｕ）の光電面に、実施例１のシンチレータを凝固方向に垂直な面で接着し、放射線検出器である中性子検出器を製作した。つぎに、光電子増倍管の光電面に外の光が入射しないように、中性子検出器を黒色のビニールシート製の遮光材で覆った後に、１ＭＢｑの放射能の２５２Ｃｆからの中性子を、４０ｍｍの厚みのポリエチレンブロックからなる中性子減速材を介して減速して、中性子検出器のシンチレータに照射した。シンチレータより発せられたシンチレーション光を計測するため、光電子増倍管には電源供給線より８００Ｖの高電圧を印加し、シンチレーション光を電気信号に変換し、信号出力線より出力した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、シンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表す。かかる光電子増倍管より出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。
【００５８】
図７は、実施例１のシンチレータの中性子線励起によるエネルギースペクトル（波高分布スペクトル）を示す図である。波高分布スペクトルの横軸は、電気信号の波高値すなわちシンチレーション光の発光強度を表している。また、縦軸は各波高値を示した電気信号の頻度を表しており、図７では、電気信号が計測された回数（ｃｏｕｎｔｓ）で示した。なお、図７では、中性子シンチレータの基準材料であるＬｉ−ガラスの波高分布スペクトルも示している。実施例１のシンチレータの発光量とＬｉ−ガラスの発光量とを比較したところ、実施例１のシンチレータでは、１００００Ｐｈｏｔｏｎ／ｎｅｕｔｒｏｎの発光量を確認した。さらにパルスの波高をデジタルオシロスコープで取得し（図８参照）、蛍光寿命を測定したところ、５５０ｎｓの蛍光寿命を得た。本発明の実施例１の共晶体からなるシンチレータが、中性子用シンチレータとして有効に作用し、また、当該シンチレータを用いた中性子検出器が有効であることが分かった。
【００５９】
（実施例２）
実施例２として、相分離構造を有するシンチレータを製造した。本実施例２のシンチレータは、特に第一の結晶相としてＢａＦ２を用い、第二の結晶相としてＬｉ３ＡｌＦ６を用いた例である。
【００６０】
まず、表１に示すように、ＢａＦ２とＬｉ３ＡｌＦ６の組成比が４５：５５（ｍｏｌ％）になるように評量した、ＢａＦ２、ＬｉＦ、ＡｌＦ３の混合粉末に、第一の結晶相と第二の結晶相との総物質量に対してＥｕＦ２を０．５ｍｏｌ％となるように添加した試料を十分に混合した粉末を、原料混合物として準備した。また、フッ化リチウムＬｉＦについては、６Ｌｉ同位体比が９５％の原料を用いた。
【００６１】
次いで、上記の原料混合物を、内径が６０ｍｍのカーボン製の坩堝に充填し、抵抗加熱方式の加熱ヒーター、断熱材、及び真空排気装置を備えたチャンバー内にセットした。そして、真空排気装置を用いて、チャンバーの内部を２．０×１０−４Ｐａ以下まで真空排気した後、５ｖｏｌ％の四フッ化メタンを混合した高純度アルゴンガスをチャンバー内に導入してガス置換操作を行った。ガス置換操作後のチャンバー内の圧力は大気圧とした。
【００６２】
ガス置換操作を行った後、加熱ヒーターによって原料混合物を加熱して溶融した。なお、加熱ヒーター及び断熱材は、凝固方向の温度勾配が１０℃／ｍｍとなるように配置し、加熱ヒーターの出力は、坩堝底部の温度が８００℃となるように調整した。次いで、溶融した原料混合物の融液を坩堝とともに連続的に降下し、融液を下方より上方へ一方向に凝固あせた。なお、本実施例２において、融液を降下させる速度、すなわち凝固速度は２０ｍｍ／ｈｒとした。かかる操作により、融液を全て凝固させ、本実施例２のシンチレータ作製に使用する共晶体を得た。
【００６３】
次いで、得られた共晶体を、凝固方向に平行な方向、及び凝固方向に鉛直な方向にダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって切断し、切断面を鏡面研磨し、実施例２のシンチレータを得た。実施例２のシンチレータの反射電子組成像による観察を行ったところ、ＢａＦ２結晶相が柱状構造をとり、凝固方向に一方向に直線的に連続していることが分かった。また、第２の結晶相はＬｉ３ＡｌＦ６結晶であった。また、得られた共晶体を粉砕した粉末について粉末Ｘ線回折測定を行い、結晶相を同定した。その結果、ＢａＦ２結晶とＬｉ３ＡｌＦ６結晶に由来する回折ピークが確認でき、当該共晶体がＬｉ３ＡｌＦ６結晶とＢａＦ２結晶とからなる共晶体であることが確認された。第二の結晶相における総陽イオン量に対するＬｉ含有量は７５ｍｏｌ％であった。
【００６４】
つぎに、得られた共晶体を、凝固方向に垂直な面について１ｍｍ厚に切り出し、光学顕微鏡により構造観察を行った。すると、ＢａＦ２とＬｉ３ＡｌＦ６との屈折率差は０．０５以上あり、光学顕微鏡で透過像を撮ると、高屈折率のＢａＦ２相は光を導光しており、光伝播の異方性を確認することができた。
【００６５】
さらに、実施例２のシンチレータの紫外線励起による発光スペクトルを測定したところ、シリンダー（柱状晶）を形成する第一の結晶相Ｅｕ：ＢａＦ２の青色発光を示した。一方、第二の結晶相であるＬｉ３ＡｌＦ６は発光を示さなかった。第一の結晶相で発生した光のうち、全反射の臨界角を満たすように放出された光はシリンダー内を導波する。一方、シリンダー中を全反射せずにマトリックス側に漏れた光は、結晶による屈折を受けながら結晶中を広がる光となる。中性子による（ｎ、α）反応により生成されるアルファ線を模擬するため、２４１Ａｍ線源を用いた５．５ＭｅＶのα線励起を実施例２のシンチレータに行ったところ、このα線励起でも、上記と同様の発光を示した。このように、実施例２のシンチレータは、中性子用シンチレータとして機能することが確認できた。
【００６６】
［中性子検出器の作製と特性評価］
実施例２のシンチレータの中性子に対する応答特性を以下の方法によって評価した。まず光電子増倍管（浜松ホトニクス社製  Ｒ７６００Ｕ）の光電面に、実施例２のシンチレータを凝固方向に垂直な面で接着し、放射線検出器である中性子検出器を製作した。つぎに、光電子増倍管の光電面に外の光が入射しないように、中性子検出器を黒色のビニールシート製の遮光材で覆った後に、１ＭＢｑの放射能の２５２Ｃｆからの中性子を、４０ｍｍの厚みのポリエチレンブロックからなる中性子減速材を介して減速して、中性子検出器のシンチレータに照射した。シンチレータより発せられたシンチレーション光を計測するため、光電子増倍管には電源供給線より８００Ｖの高電圧を印加し、シンチレーション光を電気信号に変換し、信号出力線より出力した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、シンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表す。かかる光電子増倍管より出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。実施例１のシンチレータの発光量と、中性子シンチレータの基準材料であるＬｉ−ガラスの発光量とを比較したところ、実施例２のシンチレータでは、６０００Ｐｈｏｔｏｎ／ｎｅｕｔｒｏｎの発光量を確認した。さらにパルスの波高をデジタルオシロスコープで取得し、蛍光寿命を測定したところ、６００ｎｓの蛍光寿命を得た。本発明の実施例１の共晶体からなるシンチレータが、中性子用シンチレータとして有効に作用し、また、当該シンチレータを用いた中性子検出器が有効であることが分かった。
【００６７】
（実施例３）
実施例３として、相分離構造を有するシンチレータを製造した。本実施例３のシンチレータは、特に第一の結晶相としてＳｒＦ２を用い、第二の結晶相としてＬｉＦおよびＮａＦを用いた例である。
【００６８】
まず、表１に示すように、ＳｒＦ２、ＬｉＦ、ＮａＦの組成比が８：５３：３９（ｍｏｌ％）になるように評量した、ＳｒＦ２、ＬｉＦ、ＮａＦの混合粉末に、第一の結晶相と第二の結晶相との総物質量に対してＥｕＦ２を０．５ｍｏｌ％となるように添加した試料を十分に混合した粉末を、原料混合物として準備した。また、フッ化リチウムＬｉＦについては、６Ｌｉ同位体比が９５％の原料を用いた。
【００６９】
次いで、上記の原料混合物を、内径が６０ｍｍのカーボン製の坩堝に充填し、抵抗加熱方式の加熱ヒーター、断熱材、及び真空排気装置を備えたチャンバー内にセットした。そして、真空排気装置を用いて、チャンバーの内部を２．０×１０−４Ｐａ以下まで真空排気した後、５ｖｏｌ％の四フッ化メタンを混合した高純度アルゴンガスをチャンバー内に導入してガス置換操作を行った。ガス置換操作後のチャンバー内の圧力は大気圧とした。
【００７０】
ガス置換操作を行った後、加熱ヒーターによって原料混合物を加熱して溶融した。なお、加熱ヒーター及び断熱材は、凝固方向の温度勾配が１０℃／ｍｍとなるように配置し、加熱ヒーターの出力は、坩堝底部の温度が８００℃以上となるように調整した。次いで、溶融した原料混合物の融液を坩堝とともに連続的に降下し、融液を下方より上方へ一方向に凝固あせた。なお、本実施例３において、融液を降下させる速度、すなわち凝固速度は２０ｍｍ／ｈｒとした。かかる操作により、融液を全て凝固させ、本実施例３のシンチレータ作製に使用する共晶体を得た。
【００７１】
次いで、得られた共晶体を、凝固方向に平行な方向、及び凝固方向に鉛直な方向にダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって切断し、切断面を鏡面研磨し、実施例３のシンチレータを得た。図９は、実施例３のシンチレータの凝固方向に平行な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図であって、凝固方向に平行な方向に切断した面の反射電子組成像である。また、図１０は、実施例３のシンチレータの凝固方向に垂直な面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図であって、凝固方向に鉛直な方向に切断した面の反射電子組成像である。図９、図１０に示す反射電子組成像の白色部はＳｒＦ２結晶層であり、灰色部はＮａＦ結晶層であり、黒色部はＬｉＦ結晶層である。第二の結晶相における総陽イオン量に対するＬｉ含有量は５５ｍｏｌ％であった。
【００７２】
図９に示すように、ＳｒＦ２結晶層が一方向に直線的に連続していることが分かる。また、図１０の反射電子組成像について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の測長機能を用いて柱状のＳｒＦ２結晶層の直径を計測した結果、直径は２μｍであった。また、第２の結晶相はＬｉＦ、ＮａＦ結晶であった。また、得られた共晶体を粉砕した粉末について粉末Ｘ線回折測定を行い、結晶相を同定した。その結果、ＬｉＦ結晶、ＮａＦ結晶、ＳｒＦ２結晶に由来する回折ピークが確認でき、当該共晶体がＬｉＦ結晶、ＮａＦ結晶、ＳｒＦ２結晶とからなる共晶体であることが確認された。第二の結晶相における総陽イオン量に対するＬｉ含有量は５５ｍｏｌ％であった。
【００７３】
つぎに、得られた共晶体を、凝固方向に垂直な面について１ｍｍ厚に切り出し、光学顕微鏡により構造観察を行った。すると、ＳｒＦ２とＬｉＦおよびＮａＦとの屈折率差は０．０５以上あり、光学顕微鏡で透過像を撮ると、高屈折率のＳｒＦ２相は光を導光しており、光伝播の異方性を確認することができた。
【００７４】
さらに、実施例３のシンチレータの紫外線励起による発光スペクトルを測定したところ、シリンダー（柱状晶）を形成する第一の結晶相Ｅｕ：ＳｒＦ２の青色発光を示した。一方、第二の結晶相であるＬｉＦ結晶、ＮａＦ結晶は発光を示さなかった。第一の結晶相で発生した光のうち、全反射の臨界角を満たすように放出された光はシリンダー内を導波する。一方、シリンダー中を全反射せずにマトリックス側に漏れた光は、結晶による屈折を受けながら結晶中を広がる光となる。中性子による（ｎ、α）反応により生成されるアルファ線を模擬するため、２４１Ａｍ線源を用いた５．５ＭｅＶのα線励起を実施例３のシンチレータに行ったところ、このα線励起でも、上記と同様の発光を示した。このように、実施例３のシンチレータは、中性子用シンチレータとして機能することが確認できた。
【００７５】
［中性子検出器の作製と特性評価］
実施例３のシンチレータの中性子に対する応答特性を以下の方法によって評価した。まず光電子増倍管（浜松ホトニクス社製  Ｒ７６００Ｕ）の光電面に、実施例３のシンチレータを凝固方向に垂直な面で接着し、放射線検出器である中性子検出器を製作した。つぎに、光電子増倍管の光電面に外の光が入射しないように、中性子検出器を黒色のビニールシート製の遮光材で覆った後に、１ＭＢｑの放射能の２５２Ｃｆからの中性子を、４０ｍｍの厚みのポリエチレンブロックからなる中性子減速材を介して減速して、中性子検出器のシンチレータに照射した。シンチレータより発せられたシンチレーション光を計測するため、光電子増倍管には電源供給線より８００Ｖの高電圧を印加し、シンチレーション光を電気信号に変換し、信号出力線より出力した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、シンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表す。かかる光電子増倍管より出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。実施例１のシンチレータの発光量と、中性子シンチレータの基準材料であるＬｉ−ガラスの発光量とを比較したところ、実施例３のシンチレータでは、７０００Ｐｈｏｔｏｎ／ｎｅｕｔｒｏｎの発光量を確認した。さらにパルスの波高をデジタルオシロスコープで取得し、蛍光寿命を測定したところ、４５０ｎｓの蛍光寿命を得た。本発明の実施例３の共晶体からなるシンチレータが、中性子用シンチレータとして有効に作用し、また、当該シンチレータを用いた中性子検出器が有効であることが分かった。
【００７６】
（実施例４）
実施例４として、相分離構造を有するシンチレータを製造した。本実施例４のシンチレータは、特に第一の結晶相としてＣａＦ２を用い、第二の結晶相としてＬｉＦおよびＬｉＢａＦ３を用いた例である。
【００７７】
まず、表１に示すように、ＣａＦ２、ＬｉＦ、ＬｉＢａＦ３の組成比が１９：６２：１９（ｍｏｌ％）になるように評量した、ＣａＦ２、ＬｉＦ、ＬｉＢａＦ３の混合粉末に、第一の結晶相と第二の結晶相との総物質量に対してＥｕＦ２を０．５ｍｏｌ％となるように添加した試料を十分に混合した粉末を、原料混合物として準備した。また、フッ化リチウムＬｉＦについては、６Ｌｉ同位体比が９５％の原料を用いた。
【００７８】
次いで、上記の原料混合物を、内径が６０ｍｍのカーボン製の坩堝に充填し、抵抗加熱方式の加熱ヒーター、断熱材、及び真空排気装置を備えたチャンバー内にセットした。そして、真空排気装置を用いて、チャンバーの内部を２．０×１０−４Ｐａ以下まで真空排気した後、５ｖｏｌ％の四フッ化メタンを混合した高純度アルゴンガスをチャンバー内に導入してガス置換操作を行った。ガス置換操作後のチャンバー内の圧力は大気圧とした。
【００７９】
ガス置換操作を行った後、加熱ヒーターによって原料混合物を加熱して溶融した。なお、加熱ヒーター及び断熱材は、凝固方向の温度勾配が１０℃／ｍｍとなるように配置し、加熱ヒーターの出力は、坩堝底部の温度が８００℃以上となるように調整した。次いで、溶融した原料混合物の融液を坩堝とともに連続的に降下し、融液を下方より上方へ一方向に凝固あせた。なお、本実施例４において、融液を降下させる速度、すなわち凝固速度は２０ｍｍ／ｈｒとした。かかる操作により、融液を全て凝固させ、本実施例４のシンチレータ作製に使用する共晶体を得た。
【００８０】
次いで、得られた共晶体を、凝固方向に平行な方向、及び凝固方向に鉛直な方向にダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって切断し、切断面を鏡面研磨し、実施例４のシンチレータを得た。実施例４のシンチレータの反射電子組成像による観察を行ったところ、ＣａＦ２結晶相が柱状構造をとり、凝固方向に一方向に直線的に連続していることが分かった。また、第２の結晶相はＬｉＦ、ＮａＦ結晶であった。また、得られた共晶体を粉砕した粉末について粉末Ｘ線回折測定を行い、結晶相を同定した。その結果、ＬｉＦ結晶、ＬｉＢａＦ３結晶、ＣａＦ２結晶に由来する回折ピークが確認でき、当該共晶体がＬｉＦ結晶、ＬｉＢａＦ３結晶、ＣａＦ２結晶とからなる共晶体であることが確認された。第二の結晶相における総陽イオン量に対するＬｉ含有量は６８ｍｏｌ％であった。
【００８１】
つぎに、得られた共晶体を、凝固方向に垂直な面について１ｍｍ厚に切り出し、光学顕微鏡により構造観察を行った。すると、ＣａＦ２とＬｉＦおよびＬｉＢａＦ３との屈折率差は０．０５以上あり、光学顕微鏡で透過像を撮ると、高屈折率のＣａＦ２相は光を導光しており、光伝播の異方性を確認することができた。
【００８２】
さらに、実施例４のシンチレータの紫外線励起による発光スペクトルを測定したところ、シリンダー（柱状晶）を形成する第一の結晶相Ｅｕ：ＣａＦ２の青色発光を示した。一方、第二の結晶相であるＬｉＦ結晶、ＬｉＢａＦ３結晶は発光を示さなかった。第一の結晶相で発生した光のうち、全反射の臨界角を満たすように放出された光はシリンダー内を導波する。一方、シリンダー中を全反射せずにマトリックス側に漏れた光は、結晶による屈折を受けながら結晶中を広がる光となる。中性子による（ｎ、α）反応により生成されるアルファ線を模擬するため、２４１Ａｍ線源を用いた５．５ＭｅＶのα線励起を実施例４のシンチレータに行ったところ、このα線励起でも、上記と同様の発光を示した。このように、実施例２のシンチレータは、中性子用シンチレータとして機能することが確認できた。
【００８３】
［中性子検出器の作製と特性評価］
実施例４のシンチレータの中性子に対する応答特性を以下の方法によって評価した。まず光電子増倍管（浜松ホトニクス社製  Ｒ７６００Ｕ）の光電面に、実施例４のシンチレータを凝固方向に垂直な面で接着し、放射線検出器である中性子検出器を製作した。つぎに、光電子増倍管の光電面に外の光が入射しないように、中性子検出器を黒色のビニールシート製の遮光材で覆った後に、１ＭＢｑの放射能の２５２Ｃｆからの中性子を、４０ｍｍの厚みのポリエチレンブロックからなる中性子減速材を介して減速して、中性子検出器のシンチレータに照射した。シンチレータより発せられたシンチレーション光を計測するため、光電子増倍管には電源供給線より８００Ｖの高電圧を印加し、シンチレーション光を電気信号に変換し、信号出力線より出力した。ここで、光電子増倍管より出力される電気信号は、シンチレーション光を反映したパルス状の信号であり、パルスの波高がシンチレーション光の発光強度を表す。かかる光電子増倍管より出力された電気信号を整形増幅器で整形、増幅した後、多重波高分析器に入力して解析し、波高分布スペクトルを作成した。実施例４のシンチレータの発光量と、中性子シンチレータの基準材料であるＬｉ−ガラスの発光量とを比較したところ、実施例４のシンチレータでは、６０００Ｐｈｏｔｏｎ／ｎｅｕｔｒｏｎの発光量を確認した。さらにパルスの波高をデジタルオシロスコープで取得し、蛍光寿命を測定したところ、５００ｎｓの蛍光寿命を得た。本発明の実施例４の共晶体からなるシンチレータが、中性子用シンチレータとして有効に作用し、また、当該シンチレータを用いた中性子検出器が有効であることが分かった。
【００８４】
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００８５】
１０  シンチレータ
１１  第一の結晶相
１２  第二の結晶相
１３  直径
１４  厚さ
２０  光検出器
２１  受光面
１００  放射線検出器
Ｄ  厚さ方向
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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