(57)【要約】      （修正有）【課題】相分離構造を有するシンチレータの製造方法の提供。【解決手段】第一の相の材料と第二の相の材料とが凝固した固体１０１の一部を熔融して融液層１０２を形成する工程と、融液層１０２の融液の一部を凝固して相分離構造体を形成しながら、固体の第一の面１０５の一部を熔融することで、融液層１０２及び融液層と固体との固液界面１０７を第一の方向１１３に移動させる工程と、を有し、融液層１０２を形成する工程及び融液層１０２及び固液界面１０７を移動させる工程において、固液界面１０７と第一の面との角度は、０度より大きく、且つ、２０度以下であり、第一の方向１１３は、固液界面の法線ベクトルを鉛直方向と垂直に交わる平面に投影したベクトル１１０の方向となす角度が０度以上１０度以下であるシンチレータの製造方法。【選択図】図１
2016175783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第一の相と前記第一の相の周りに位置する第二の相とを備える相分離構造体の製造方法であって、
前記複数の第一の相の材料と前記第二の相の材料とが凝固した固体の一部を熔融して融液層を形成する工程と、
前記融液層の融液の一部を凝固して相分離構造体を形成しながら、前記固体の第一の面の一部を熔融することで、前記融液層及び前記融液層と前記固体との固液界面を第一の方向に移動させる工程と、を有し、
前記融液層を形成する工程及び前記融液層及び前記固液界面を移動させる工程において、
前記固液界面と前記第一の面との角度は、０度より大きく、且つ、２０度以下であり、
前記第一の方向は、前記固液界面の法線ベクトルを鉛直方向と垂直に交わる平面に投影したベクトルの方向となす角度が０度以上１０度以下であることを特徴とする相分離構造体の製造方法。
【請求項２】
前記融液層の融液の一部が凝固することにより形成された相分離構造体の少なくとも一部を切り出す工程を有することを特徴とする請求項１に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項３】
前記融液層の融液に含まれる、前記第一の相の材料と前記第二の相の材料との組成比は、前記第一の相の材料と前記第二の相の材料との共晶組成比±４ｍｏｌ％以内の範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項４】
前記固体は、前記第一の相の材料の融液と前記第二の相の材料の融液との混合液を凝固することで形成された固体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項５】
前記固体の前記第一の面の一部の熔融は、加熱面を有するヒータが前記固体の第一の面を加熱することで行われ、
前記融液層及び前記固液界面の移動は前記加熱面が前記第一の方向へ移動することにより行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項６】
前記加熱面の移動は、前記ヒータの移動によるものであることを特徴とする請求項５に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項７】
前記加熱面の移動は、前記固体が前記第一の方向の逆方向へ移動することによるものであることを特徴とする請求項５に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項８】
前記第一の面は、表面粗さがＲａ値が１００μｍ以下の平坦な面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項９】
前記凝固が、初期核から同心円状に進むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記融液層の厚みは前記第一の面に近い領域の方が前記第一の面に遠い領域よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記融液層を形成する工程及び前記融液層及び前記固液界面を前記第一の方向へ移動させる工程において、
前記固体は温度勾配を有し、
前記第一の方向側の方が前記第一の方向の反対側よりも温度が高いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記固液界面は、前記第一の面の前記第一の方向と直交する方向において、凸部を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記第一の相の材料と前記第二の相の材料とのうち、少なくともいずれかがシンチレータ材料であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の相分離構造体の製造方法。
【請求項１４】
放射線検出器の製造方法であって、
前記複数の第一の相の材料と前記第二の相の材料とが凝固した固体の一部を溶融して融液層を形成する工程と、
前記融液層の融液の一部を凝固してシンチレータを形成しながら、前記固体の一部を溶融することで、前記融液層及び前記融液層と前記固体との固液界面を、前記固液界面の法線ベクトルを鉛直方向と垂直に交わる平面に投影したベクトルの方向である第一の方向に移動させる工程と、
前記融液層の融液の一部が凝固することにより形成された相分離構造体の少なくとも一部を切り出す工程と、
切り出した前記相分離構造体のうち、複数の前記第一の相が露出する第一の面と、受光素子の受光面とが対向するように前記相分離構造体を前記受光素子に配置する工程と、を有し、
前記融液層を形成する工程及び前記融液層及び前記固液界面を移動させる工程において、
前記固液界面と前記第一の面との角度は、０度より大きく、且つ、２０度以下であり、
前記第一の相の材料と前記第二の相の材料とのうち、少なくともいずれかがシンチレータ材料であることを特徴とする放射線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は相分離構造体及び当該相分離構造体を用いた放射線検出器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療現場等で用いられているフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）等では、被写体を通過したＸ線をシンチレータで受け、そのシンチレータが発した光を受光素子アレイで検出している。
【０００３】
特許文献１には、シンチレータの発した光が隣接する受光素子へ広がるのを防止するために、光導波性を有するシンチレータが記載されている。このシンチレータは、複数の第一の相と、第一の相のそれぞれの周りに位置する第二の相を有する相分離構造を有する。第一の相を構成する材料と第二の相を構成する材料とは、屈折率が異なるため、第一の相で発光した光の少なくとも一部は第一の相と第二の相との境界で全反射され、第一の相内に閉じ込められる。同様に、第二の相で発光した光の少なくとも一部も、第二の相内に閉じ込められる。このようにして、このシンチレータは光導波性を有する。
【０００４】
非特許文献１には、特許文献１に記載されているような相分離構造を有するシンチレータを、チョクラルスキー法にて製造し、φ３０ｍｍの相分離構造を有するシンチレータが取得できたことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１３１９６４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊｏｒｕｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌｕｍｅ  ３９９，１  Ａｕｇｕｓｔ  ２０１４，Ｐａｇｅｓ  ７-１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１によれば、チョクラルスキー法で相分離構造を有するシンチレータを製造した場合、１４０ｍｍの引き上げで、ようやくφ３０ｍｍのシンチレータが得られる。よって、より大きい面積のシンチレータを得るためには、さらに長距離引き続ける必要があり、チョクラルスキー法を用いてより大きな面積のシンチレータを製造することは難しいことが予測される。そこで本発明は、非特許文献１に記載のチョクラルスキー法とは異なる方法で相分離構造を有するシンチレータを製造することを目的とする。尚、本発明の方法を用いることで、チョクラルスキー法よりも容易にφ３０ｍｍ以上の相分離構造を有するシンチレータを製造することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としてのシンチレータの製造方法は、複数の第一の相と前記第一の相の周りに位置する第二の相とを備える相分離構造体の製造方法であって、前記複数の第一の相の材料と前記第二の相の材料とが凝固した固体の一部を熔融して融液層を形成する工程と、前記融液層の融液の一部を凝固して相分離構造体を形成しながら、前記固体の第一の面の一部を熔融することで、前記融液層及び前記融液層と前記固体との固液界面を第一の方向に移動させる工程と、を有し、前記融液層を形成する工程及び前記融液層及び前記固液界面を移動させる工程において、前記固液界面と前記第一の面との角度は、０度より大きく、且つ、２０度以下であり、前記第一の方向は、前記固液界面の法線ベクトルを鉛直方向と垂直に交わる平面に投影したベクトルの方向となす角度が０度以上１０度以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、チョクラルスキー法とは異なる方法で相分離構造を有するシンチレータ及び該シンチレータを備える放射線検出器を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態におけるインゴットとヒータとの配置関係の一例を示す上面図及び断面図。
【図２】融液層と固液界面との移動により形成される凝固部分を示す断面図。
【図３】相分離構造体の切り出しサイズを示すグラフ。
【図４】本実施形態に係る相分離構造体の模式図。
【図５】本実施形態に係る製造方法の工程図。
【図６】融液深さの一例を示す断面図。
【図７】本実施形態のヒータ面及び融液層の形状の一例を示す上面図。
【図８】凝固部分から複数枚の相分離構造体を切り出す例を示す断面図。
【図９】ヒータ面の形状と、相分離構造体における第一の相の成長方向を示す断面図。
【図１０】本実施形態に係る放射線検出器の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態では、複数の第一の相と、第一の相の周りに位置する第二の相とを備える相分離構造体の製造方法について説明する。第一の相と第二の相の少なくともいずれかがシンチレータ材料でできている場合、この相分離構造体はシンチレータとして機能することができる。
【００１３】
本実施形態の概要を、図１を用いて説明する。本実施形態では、第一の相の材料と第二の相の材料との混合物の固体（原料の塊、インゴットと呼ぶことがある）の一部を溶融して融液層１０２を形成し、融液層１０２及び固液界面１０７を移動させることでシンチレータを製造する。融液層１０２及び固液界面１０７の移動は、融液層１０２の一部を凝固しながら（つまり、共晶させながら）、融液層１０２をその凝固が生じている側と反対側へ成長させることで行うことができる。融液層１０２とインゴット１０１との固液界面１０７が移動することで、この固液界面１０７の略法線方向に複数の第一の相のそれぞれが成長する。第一の相の材料と第二の相の材料との屈折率が異なる場合、この相分離構造体は、第一の相の成長方向（一軸方向と呼ぶことがある）に導波性を有する。この相分離構造体がシンチレータとして機能する場合、相分離構造を有するシンチレータ（相分離シンチレータと呼ぶことがある）は、一軸方向へ導波性を有するシンチレータである。尚、融液層１０２の成長は融液層１０２の高温側でインゴットの一部を熔融させることで行うことができる。また、融液層１０２の凝固は融液層１０２の低温側で行う。融液層１０２と固液界面１０７との移動方向は、固液界面１０７と平行な面１０８の法線ベクトル１０９をインゴットの第一の面１０５に投影したベクトル１１０の方向となす角度が０度以上１０度以下である第一の方向とする。この第一の方向は、融液層１０２と固液界面１０７とを移動させている間に変化しても良く、移動平均（移動させている間の平均）において０度近傍に制御することが望ましい。但し、ベクトル１１０と第一の方向１１３との角度は、角度の向きに依らず、単純に大きさを示すものであり、例えば３５０度（−１０度）は１０度とみなす。第一の方向が示す方向は、端的にいうと、固液界面１０７がどちらに傾いているかを示す方向である。例えば、固液界面１０７が浅いところにある（第一の面から近い）方から深いところにある（第一の面から遠い）方へ融液層１０２と固液界面１０７とを移動させればよい。例えば、鉛直方向において、固液界面１０７の下端から見て上端が右側にあるとき、ベクトル１１０は第一の面内の左方向である。同様に、固液界面１０７の下端から見て上端が左側にあるとき、ベクトル１１０は第一の面内の右方向である。図７にて後述される項目においては、法線ベクトル１０９は、対称性を加味した奥行き方向１１４の中央部分で決定してよい。加えて、融液層１０２とインゴットとの固液界面１０７と、インゴットの第一の面１０５とがなす角度（以下、固液界面の角度と呼ぶことがある）を０度より大きい角度とする。固液界面１０７の角度と固液界面１０７及び融液層１０２の移動方向が上述の条件を満たすことで、凝固部分における第一の相のそれぞれを固液界面の略法線方向に成長させることができる。尚、より大きな面積の相分離構造体を製造するためには、固液界面の角度は２０度以下であることが好ましい。形成された相分離構造体は適宜インゴット１０１から切り出して利用することもできる。相分離シンチレータを製造した場合、インゴット１０１から切り出した相分離シンチレータを複数の受光素子を有する光検出器と組み合わせることで、放射線検出器を製造することができる。
【００１４】
以下、図面等を用いて本発明を実施するための形態をより具体的に説明する。
【００１５】
［相分離構造体の製造方法］
本実施形態に係る相分離構造体の製造方法は、以下の２つの工程を有する。
【００１６】
（１）第一の相の材料と第二の相の材料との混合物（固体）である原料の塊（インゴット）の第一の面の一部を熔融して融液層を形成する工程。
【００１７】
（２）融液層及び融液層とインゴットとの固液界面を、第一の方向に移動させる工程。
【００１８】
上記２つの工程の他に、インゴットを用意する準備工程と、インゴットと接触している本製造により成長させた相分離構造体部分を切り出す工程とを備えていても良い。
【００１９】
図５は本実施形態に係るシンチレータの製造方法の工程図であり、図５（ａ）は準備工程、（ｂ）は融液層を形成する工程、（ｃ）は融液層と固液界面を移動させる工程、（ｄ）は切り出す工程により切り出された相分離構造体の模式図である。
以下、各工程について説明をする。
【００２０】
（０）準備工程
予め、第一の相の材料と第二の相の材料との混合物（固体）を準備する(図５（ａ）)。この工程は、インゴット１０１を購入することで行っても良いし、第一の相の材料の融液と第二の相の材料の融液との混合液を凝固させて塊（インゴット）を得ることにより行っても良い。凝固させて原料の塊を形成する場合、第一の相の材料と第二の相の材料とは固体の状態で混合してから熔融させても良いし、融液の状態で混合しても良い。
【００２１】
後程詳細に説明をするが、融液層の組成比は、第一の相の材料と第二の相の材料との共晶組成比±４ｍｏｌ％以内であることが好ましい。そのためには、この融液層の原料となるインゴットの組成比も、共晶組成比±４ｍｏｌ％以内であり、且つインゴットの組成が略均一であることが好ましい。但し、局所的に組成比の揺らぎがあった場合であっても、融液層の組成比が共晶組成比±４ｍｏｌ％以内に収まれば、製造されるシンチレータに影響をあたえるものではない。局所的とは、相分離構造の周期よりも十分大きいがインゴット全体からすると小さな領域の場合を指す。尚、融液層の組成比は、第一の相の材料と第二の相の材料との共晶組成比±２ｍｏｌ％以内であることがより好ましい。
【００２２】
第一の相の材料と第二の相の材料から、インゴット１０１を形成する方法としては、例えば、チョクラルスキー法でショルダー角を十分持たせ、直径を均一に引き上げる方法がある。他にも、石英管に材料を封入しブリッジマン法にて均一な直径でロッド状、板状のものを得る方法が挙げられる。また、ＥＦＧ法で、板状のものを得ても良いし、トレ―状の坩堝に融液を流し込み凝固成形しても良い。内部に空孔が存在しないようにインゴット１０１を形成できれば、各種の方法が適用可能である。
【００２３】
また、インゴット１０１の第一の面１０５は平坦であることが好ましい。具体的には、表面粗さを示すＲａ値が１００μｍ以下であることが好ましい。平坦性が低いと、溶融にヒータを用いて、その加熱面を移動させることで融液層を移動させる場合、ヒータのアクセスが悪くなることがある。また、熔融する原料の量を一定にすることが難しくなるため、インゴット及び融液層の温度制御が難しくなり、形成されるシンチレータの欠陥に繋がることがある。
【００２４】
インゴットが平坦な面を有さない場合、インゴットの切断又は研磨により、平坦な面を形成することが好ましい。切断と研磨との両方を行っても良い。切断や研磨には、一般的に用いられる手段を用いれば良い。例えば、ワイヤーソーによる切断、研磨盤での研削、等であるただし、ハライド系のＣｓＩ−ＮａＣｌ系のように柔らかい材料系の場合、研磨砥粒の残留が懸念されるため、最後に水、ないし有機溶媒を用いて残留物の除去を行う事が好ましい。また、平坦な加熱版を用いた再熔融による成形を行っても良い。表面は、鏡面まで仕上げられている必要はなく、上述のようにＲａ値が１００μｍ以下であれば十分である。例えば、多少の研磨痕や、ワイヤーソーの線条痕の残留は許容される。尚、第一の面１０５はプロセスが施される面であるが、その他の個所を所望の形状に加工することには制限がない。例えば、製造装置に設置するために、第一の面１０５と対向する面や、その他の面を所望の形状に加工しても良い。インゴット１０１は、不図示の支持体に配置され、プロセスを施される。
【００２５】
（１）融液層を形成する工程
本工程は、図５（ｂ）に示すように、上述の工程で準備したインゴット１０１の第一の面１０５の一部を熔融させることで融液層１０２を形成する。図１は、本工程におけるインゴット１０１とヒータ部１０３との位置関係を示す模式図であり、上が上面図、下が第一の方向１１３と平行な断面で切断したときの断面である。熔融は、第一の面１０５を加熱することで行うことができ、加熱手段は特に問わない。例えば、ヒータを用いても良いし、レーザや赤外線ランプなどの光源を用いても良い。加熱面１０４があると、固液界面１０７の角度及び形状を所望の角度及び形状に維持しやすいため、加熱面１０４を有するヒータを用いることがより好ましい。尚、加熱面１０４とは、ヒータ部１０３の表面のことを指し、ヒータ部１０３とは、ヒータのうち、実際に接触するものへ熱を加える部分のことを指す。ここでは、加熱面１０４を有するヒータを用いて融液層１０２を形成する例を説明する。
【００２６】
ヒータの加熱手段は特に問わず、通電加熱・誘導加熱等を用いることができる。ヒータ部１０３は単一部材として構成されていても、多数の部材を組み合わせて構成されていても良い。また、加熱面１０４表面の素材としては、シンチレータの材料系と反応しにくい材料であれば良い。例えば、ハライド材料系であればタングステンやモリブデン、貴金属系、カーボン系が利用可能である。高温酸化物系であれば、イリジウム等が利用可能である。図１に示すように、後述する工程において融液層１０２及び固液界面が移動する方向である、第一の方向１１３におけるヒータ部材の長さ１１２は、加熱面１０４と第一の面１０５との角度１０６と、融液深さ１１１とが決まることにより決定される。それ以外にヒータ部の長さ１１２に対する制約はない。尚、融液深さ１１１とは、融液１０２の最も深い部分から第一の面１０５までの距離とする。図８に示すように、融液層１０２及び固液界面１０７との移動により凝固した凝固部分２０１は、点線で示すように切り出すことができるため、融液深さ１１１が深い程多くのスライスを切り出すことができる。よって、融液深さ１１１が深い方がより大面積（切り出した相分離構造体の総面積）の相分離構造体を切り出すことが可能となる。よって、ヒータ部の長さ１１２が長い方が、スライス一枚当たりの面積も、切り出すスライス数も多くすることができる。
【００２７】
第一の面１０５において第一の方向１１３と直交する奥行き方向１１４において、ヒータ部材１０３は所望の幅を有している。この幅により、得られる相分離構造体のサイズの一辺のスケールが決定される。尚、奥行き方向１１４とは、第一の面内において、後述する融液層１０２及び固液界面１０７を移動させる工程における融液層１０２及び固液界面１０７の移動方向１１３と垂直な方向とする。
【００２８】
また、図１及び図５（ｂ）では、ヒータ部材１０３のうち、インゴット１０１に接している面に囲まれた領域のみを示している。実際のヒータ部材１０３の形状はこのような三角柱に限定されず、固液界面１０７を所望の角度、平滑さで形成できれば、どのような形状を用いてもよい。また、駆動用のアーム等が接続されていても良い。
【００２９】
ヒータの加熱面１０４をインゴット１０１の第一の面１０５に接触させ、融液層１０２を形成する。初期にヒータ部材１０３が占める場所にあった原料の融液は、第一の面１０５よりも上部に盛り上がっていても良い。
【００３０】
固液界面１０７と第一の面１０５とがなす角度１０６を０度より大きく、２０度以下とするためには、加熱面１０４のうちいずれかの面（第一の面を溶融させる面であることが多い）と第一の面１０５とがなす角度を０度より大きく、２０度以下とすれば良い。固液界面１０７は平滑であることが好ましいが、加熱面１０４と平行である必要はない。固液界面の角度１０６がこの角度範囲に収まっている事の方が重要である。むしろ、図６に示すように、融液層１０２の幅（ｄ１、ｄ２）が、第一の面１０５に近い領域（紙面上方）よりも第一の面１０５に遠い領域（紙面下方）の方が広いことで、凝固部分２０１の成長を欠陥なくスムーズに進行させることができる。融液層１０２の幅をこのようにすることで、固液界面の法線方向に第一の相が成長しつつも、上方から下方にステップフロー成長する。）そのため、融液の凝固において初期核が多発してグレイン境界部の形成が優勢となる状況を回避することができ、単一ないし少数の核から直線上や同心円状という方向性を有して結晶化（共晶）が進み、グレイン境界の低減を図ることができる。尚、融液層の幅（ｄ１、ｄ２）は、第一の方向における固液界面１０７と融液層の表面（ヒータ面を利用する場合はヒータ面１０４）との距離である。
【００３１】
また、図７に示すように、ヒータ部の奥行き方向１１４において、固液界面１０７が加熱面１０４の中央部に向けて凸形状を有することも、グレイン境界の発生を軽減することができるため好ましい。図７に示すように、固液界面１０７が凸形状を有することで、凝固部分２０１の成長において、奥行き方向１０４の中央部分（例：凸部の先端）での核形成を誘導し、上述と同じ理由でグレイン境界部の発生が抑制することができる。そのため、融液の凝固が初期核から同心円状に進み、グレイン粒界が発生しにくくなる。尚、グレイン境界の発生を軽減するためには、図６のようにｄ１よりｄ２の方が大きく、且つ、奥行き方向１１４において固液界面１０７が凸形状を有することがより好ましい。
【００３２】
尚、この時、第一の面１０５と固液界面１０７の角度が２０度以上であると、上記環境の構築は困難で、グレイン境界の発生が顕著になることが本発明の発明者らによって明らかになった。加えて、第一の面１０５と固液界面１０７の角度が２０度以上であると、第一の相４０７の成長の向きにより、切り出せる試料サイズが小さくなる状況に陥る。また、第一の面１０５と固液界面１０７の角度が０度であると、融液層１０２及び固液界面を移動方向１１３に移動させても、図４に示すような相分離構造体を取得することができない。これは、固液界面１０７に略垂直な方向に相分離構造体が成長するためである。尚、本工程において、インゴット１０１とインゴット周辺の雰囲気との反応を抑制するよう、インゴット１０１との反応性が低い雰囲気中（例えば、アルゴンガスなど）にインゴット１０１を配置することが好ましい。
【００３３】
（２）融液層及び固液界面を、第一の方向に移動させる工程
融液層及び固液界面は、インゴット１０１とヒータ部材１０３との相対移動に伴って移動する（図５（ｃ））。この相対移動は、インゴット１０１を固定してヒータ部材１０３を第一の方向に移動させても良いし、ヒータ部材１０３を固定してインゴット１０１を第一の方向の逆方向に移動させても良い。インゴット１０１を第一の方向と逆方向へ、ヒータ部材１０３を第一の方向へ移動させても良い。上述のように、固液界面１０７と第一の面１０５との角度が０°より大きく、２０°以下であり、第一の相の一軸方向（延伸方向）は固液界面１０７の法線方向である。よって、第一の方向１１３が第一の面１０５と平行であれば、移動方向（第一の方向）と第一の相の一軸方向が７０°以上である。一方、チョクラルスキー法では、一軸方向は概ね引き上げ方向（つまり、移動方向）と同じ向きである。このように移動方向と一軸方向との角度が大きいことにより、成長様式がステップフロー成長するように進行するため、グレイン境界の発生を軽減できる。
【００３４】
移動速度は、所望の構造体を得るために適宜選択可能である。構造周期（λ）４０５と移動速度（＝凝固速度Ｖ）の間には、Ｖ・λ＾２＝一定という関係性があるので、必要な構造周期が決まれば、移動速度を決めることが可能である。また、単純に相分離構造体の成長における制御性の観点からは、材料の組み合わせにもよるが１ｍｍ／時〜１００ｍｍ／時の範囲が好ましく、特に３ｍｍ／時〜２０ｍｍ／時の範囲が好ましい。例えば、ＣｓＩ−ＮａＣｌ系では、１０ｍｍ／時のときに３μｍ程度の周期を有する構造体が得られる。このように、移動速度に応じて構造周期が変化するため、移動速度は略一定（誤差±１５％以内）であることが好ましい。ただし、定速制御に至るまでに徐々に速度を変化させてもよく、この場合、定速制御に至るまでの速度変化量は特に問わない。
【００３５】
図２を用いて、融液層１０２及び固液界面１０７の移動により形成される凝固部分２０１について説明する。
【００３６】
融液層１０２及び固液界面１０７の移動により凝固部分２０１が形成されていく。一軸性相分離構造体は固液界面１０７の法線方向２０４に一軸性を有しており、相分離構造における第一の相（柱状晶）の一軸方向（延伸方向）はこの法線に対して±２０°の範囲に収まっていることが好ましい。
【００３７】
（３）凝固部分を切り出す工程
上述の（２）までの工程により、一軸性の相分離構造体を製造することができる。しかしながら、製造された相分離構造体は、原料であるインゴットと一体となっている（図５（ｃ））。そこで、製造された相分離構造体（凝固部分２０１に対応）を所望のサイズ、厚みで切り出すことが好ましい。例えば、図２の２本の破線に沿って相分離構造体をスライスすることで、板形状の一軸性相分離構造体を取得することができる（図５（ｄ））。
【００３８】
第一の面１０５に対する固液界面１０７の角度（θ）と、融液深さ１１１（ｄ）が決まっていると、切り出し幅２０３が決定される。尚、融液層１０２が凝固した後の場合、融液深さ１１１は第一の面１０５と、凝固部分２０１とインゴット１０１との界面との距離に対応する。切り出した相分離構造体の厚み２０２が１ｍｍ以下であることを想定し、厚みを無視すると、切り出し幅２０３は単純にｗ１＝ｄ／ｓｉｎθで得られる。融液深さ１１１と、切り出し幅２０３の関係を図３のグラフに示す。例えば、凝固部分２０１の厚みが１０ｍｍ、かつ固液界面と第一の面との角度が１０°の場合、切り出し幅が約６０ｍｍの相分離構造体が得られることがわかる。移動距離が一定以上であれば移動距離が長くなっても切り出し幅は大きくならないが、図８のように凝固部分２０１から切り出せる数が増える。
【００３９】
図８は第一の方向１１３に平行な断面の断面図であり、４本の破線は切り出す断面を示す。本実施形態により製造された一軸性相分離構造体は、固液界面１０７の法線方向と平行な方向に第一の相（柱状晶）が成長する。よって、図８の破線で示すように板形状における２面のそれぞれと第一の相の延伸方向とが略垂直となるように切り出すことが好ましい。ただし、第一の相の延伸方向と切り出した板形状の上面及び下面との角度のばらつきは、±２０°の範囲であれば実用上さほど問題にならないことが多い。
【００４０】
シンチレータとして利用する時には、切り出した板形状の相分離構造体は、厚みが１ｍｍ以下での利用が一般的であることを想定すると、図８に示す破線に従ってスライスすることで、複数枚の板形状の一軸相分離構造体を切り出すことが可能である。
【００４１】
［相分離構造体の構成］
図４に上述の製造方法により製造される相分離構造体の模式図を示す。相分離構造体４００は、一軸性（一方向性）を有する相分離構造体である。
【００４２】
相分離構造体４００は、一方向に延伸する複数の第一の相４０１と、第一の相４０１の周りに位置する第二の相４０２とを有し、同一面上にない二つの面（第一の面４０７と第二の面４０８と呼ぶことがある）を結ぶ方向に一軸性を有する。複数の第一の相４０１のそれぞれは、第一と第二の面４０７、４０８のそれぞれに露出する領域を有し、第一の面と第二の面とを結ぶ方向に沿って延伸する、一軸性を有する柱状の相である。一方、第二の相４０２は第一の相４０１の周りに位置して複数の第一の相４０１の側面を埋める。第二の相４０２も、第一と第二の面４０７、４０８のそれぞれに露出する領域を有する。このように、第一の相が一方向に沿って延伸することで、相分離構造体４００はその延伸方向に光導波性を有する。このように、複数の相に分離した構造を相分離構造と呼び、シンチレータ機能を有する相分離構造体のことを本明細書においては、相分離シンチレータと呼ぶ。相分離シンチレータの場合、第一の相４０１と第二の相４０２のうち、少なくともいずれがシンチレータとして機能する。そのためには、第一の相４０１の材料と第二の相４０２の材料のうち、少なくともいずれかがシンチレータ材料であれば良い。
【００４３】
なお、第一の面４０７と第二の面４０８は、第一の相４０１が延びる方向４０３（光導波方向）に対して略垂直（±２０°以内、より好ましくは±１０°以内、更に好ましくは±５°以内）であることが好ましい。上述の製造方法で製造された相分離構造体領域から、この条件を満たすように切り出すことができる。
【００４４】
第一の相４０１と第二の相４０２とは、それぞれを構成する材料が異なり、屈折率も異なる。本明細書では、屈折率が相対的に低い相を低屈折率相、高い相を高屈折率相と呼ぶ。尚、屈折率の比較は、第一と第二の相４０１、４０２を構成する材料の屈折率を比較すればよい。低屈折率相の屈折率を高屈折率相の屈折率で除した屈折率比は、１より小さければよいが、０．９６以下であることが好ましく、０．９１以下であることがより好ましく、０．８６以下であることが更に好ましい。低屈折率相は、第一の相４０１と第二の相４０２のいずれであるかを問わない。ここで、第一の構成とは第一の相４０１が第二の相４０２に対して低屈折率である場合、第二の構成は第二の相４０２が第一の相４０１に対して低屈折率である場合とする。光導波性は、高屈折率相中の光の一部が低屈折率相との界面で全反射することにより生じるため、相分離シンチレータの場合、シンチレータとして機能する方の相が高屈折率相であることが好ましい。第一と第二の相との両方が放射線の照射により発光する場合、発光効率が高い方の相が高屈折率相として機能することが好ましい。
【００４５】
第一の相４０１は、図４に示すような円柱状に限られず、断面が楕円形の柱状体や、側面が任意の曲面で構成された柱状体であってもよく、さらには複数の面から構成される多面体側面を有していてもよい。
【００４６】
第一の相の直径４０４は、５０ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲であることが好ましい。第一の相４０４の直径は、導波したい光の波長よりも大きいことが好ましい。例えば、相分離シンチレータの場合は、第一の相の直径４０４がシンチレータ光の波長よりも大きいことが好ましい。シンチレータ光は、第一の結晶相４０１と第二の結晶相４０２との界面で反射しながら受光素子に到達するが、この時、光の波長よりも構造周期が小さい場合は光が反射せずに透過してしまう成分が多くなってしまうためである。また、相分離構造体を受光素子と組み合わせて用いる場合、第一の相のそれぞれは、受光素子の受光面よりも小さいことが好ましい。第一の結晶相が受光面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である。これらのことと、一般的に使用される受光素子の受光面のサイズ等を考慮すると、第一の相の直径４０４の一般的に好ましい範囲は、５０ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲である。また、第一の相の周期４０５は、５００ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。直径４０４及び周期４０５はバラつきがあっても良いが、上述の範囲に収まっていることが好ましい。尚、第一の結晶相の周期とは、第一の面４０７における、ある第一の結晶相とその第一の結晶相に最も近い第一の結晶相とに注目したときの周期とする。また、周期は厳密に計測する必要はなく、例えば幅１ｍｍの間に存在する第一の結晶相の数を数え、その数で１ｍｍを割れば第一の結晶相の周期を概算することができる。尚、１つの受光素子の受光面に対応する領域内に複数の第一の相が配置されることがより好ましい。よって、受光面と第一の相との関係が１：複数になるように、用いる受光素子の受光面のサイズに合わせて、第一の相の直径４０４及び第一の相の周期４０５を設定することが好ましい。つまり、受光素子の配列方向において、第一の相の周期と第一の相との和が、受光素子の長さよりも小さいことが好ましい。
【００４７】
第一の相４０１の少なくとも一部は、第一と第二の面４０７、４０８間で連続していることがより好ましいが、途中で、途切れ、分岐、結合等があってもよい。また、第一の相の直径が第一の面４０７から第二の面４０８までの間に変化したり、曲がったりした部分があったりしても良い。
【００４８】
相分離構造体の厚み４０６は、使い方により適宜調整が可能である。シンチレータとして用いる場合は、受ける放射線のエネルギーによって適宜決定すればよく、概ね５０μｍ以上４０ｃｍ以下の範囲内であれば、実用上想定する放射線のあらゆるエネルギーに対応できる。薄すぎると照射された放射線の吸収率が低く、総光量が低すぎてしまい、厚すぎると光の減衰が多く、かつ導波による光の拡散が大きくなってしまうためである。より好ましくは５０μｍ以上４０ｍｍ以下であり、更に好ましくは、１５０μｍ以上１２００μｍ以下である。
【００４９】
このような一方向性を有する相分離構造では、２相の内いずれかの相において全反射モードによる導波機能が発現するために、構造の一方向に優先的に光が導波される特徴が備わっており、多くの応用に適用可能である。なお、全反射モードとは、相分離構造体内の高屈折率相で光が全反射を繰り返して導波する条件を意味する。ただし、ある光線の導波中すべての事象が全反射である場合に限定せず、一度でも全反射が生じた場合も該当するものとする。また、相分離構造体中の光の少なくとも一部が全反射すれば、導波機能を果たすことができる。
【００５０】
［放射線検出器の構成］
医療用・産業用・高エネルギー物理用・宇宙用の放射線検出器として用いることが可能である。これらは、大面積なシンチレータを必要とすることが多く、上述の製造方法を適用する分野として好適である。受光素子アレイ１１は基板１０上に配列されていても良いし、相分離シンチレータ１４と受光素子アレイ１１との間に保護膜や反射膜等が配置されていても良い。
【００５１】
［本実施形態の材料系］
本実施形態に係る一軸性を有する相分離構造体は、共晶組成近傍において、一方向凝固を行った場合に得られる。共晶組成近傍とは、一般的には共晶組成と±５ｍｏｌ％の範囲内であって、いわゆるｅｕｔｅｃｔｉｃ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｚｏｎｅとして定義される範疇であれば所望の構造が得られるということを意味する。
【００５２】
共晶相分離構造が得られる材料系としては、例えば、以下のような材料系が想定される。尚、屈折率比とは、低屈折率相を構成する材料の屈折率を、高屈折率相を構成する材料の屈折率で除した値である。
【００５３】
【表１】
2016175783.tif 000003
【実施例１】
【００５４】
本実施例では、固液界面の形状と取得できる相分離構造体の面積との関係の具体例について説明をする。
【００５５】
まず、共晶材料系として、ＣｓＩ−ＮａＣｌ系を選択し、モル分率でＣｓＩ：ＮａＣｌ＝６８．５：３１．５の比で材料を混合したものをアルゴン雰囲気中にて縦横６０ｘ２００ｍｍの坩堝内で溶融する。坩堝底部からの凝固を促し、中央部に隙間が生じないよう共晶させてインゴットにし、坩堝から取り出し後、ワイヤーソーを用いて厚み１５ｍｍで板状に切り出したものを２枚用意する。
【００５６】
一枚は、第一の方向に平行な断面において固液界面が曲率１００ｍｍを有するように、曲率１００ｍｍのヒータ面を有するヒータ部材を用いた相分離構造体の製造に適用する。もう一枚は、第一の方向に平行な断面において固液界面が図１のように略平坦になるように、平坦なヒータ面を有するヒータ部材を用いた相分離構造体の製造方法に適用する。いずれも、ヒータ面の奥行き方向１１４の幅Ｗは３０ｍｍとする。
【００５７】
以下、各ヒータ面を板状のインゴットに押し当て、深さ１０ｍｍまで熔融させた状態でヒータ部材を保持し、第一の方向へ１０ｍｍ／時の速度でヒータを動かして、融液層及び固液界面の移動を１００ｍｍ促した。
【００５８】
図９（Ａ）、（Ｂ）は第一の方向に平行な断面における第一の相の延伸方向の模式図である。固液界面に曲率がある場合は、図９（Ａ）のようにＮａＣｌからなる第一の相９０１が曲がって形成される。板状のインゴットの第一の面１０５に垂直な方向を９０°と定義すると、凝固部分２０１のうち、厚み１０ｍｍの領域（インゴット１０１との界面付近）で８５°、第一の面近傍では５５°の角度を有したシリンダー状の第一の相９０１が形成されている。これだけ第一の相の角度が変化すると、切り出す時に小さい板としないと、導波方向のばらつきが大きくなる。例えば、切り出し時のシリンダー相の延伸方向（導波方向に対応）の角度分布を±５°以内に収めようとすると、切り出し幅７．５ｍｍサイズでしか切り出すことできない。
【００５９】
一方、固液界面が平坦で、かつ第一の面１０５に対して１０°の角度でヒータ面１０４を押し当てた場合は、図９（Ｂ）のように第一の相９０２の延伸方向も曲がることは略ない。板状のインゴットの第一の面１０５に垂直な方向を９０°と定義すると、凝固部分２０１のうち、インゴット１０１との界面付近でも、第一の面近傍でも、８０°の角度を有したシリンダー錠の第一の相９０２が形成されている。この場合、シリンダー相に垂直な面で切り出すと、切り出し幅５８ｍｍサイズで切り出すことができる。このとき、切り出し時のシリンダー相の延伸方向の角度分布は略０度である。
【００６０】
以上のことから、固液界面は平坦に近い方が切り出し幅を大きくできるため好ましく、本実施例の場合では、曲率（１００ｍｍ）を有している場合には、平坦な場合と比較して８分の１程度の切り出し幅しか得られないことが分かった。ヒータを用いてインゴットを熔融する場合には、平坦なヒータ面を有するヒータ部材を用いればよい。尚、曲率半径は、１０００ｍｍ以上であれば平坦であるとみなすことができる。
【実施例２】
【００６１】
本実施例では、固液界面１０７と第一の面１０５との角度と取得できる相分離シンチレータ構造体との関係について説明をする。
【００６２】
ヒータ面１０４を有するヒータ部材を用いて融液層を形成する場合、第一の方向に平行な断面において、固液界面１０７と第一の面１０５との角度は、ヒータ面１０４と第一の面１０５との角度（押し込み角度と呼ぶことがある）と略等しいものとみなす。
【００６３】
実施例１と同じ板状のインゴットを用いて、ヒータ部材の押し込み角度を１０°、２０°、３０°とした場合について比較する。押し込み深さは１０ｍｍとする。また、融液層には温度勾配を持たせ、融液層のうち、融液層の進行方向（つまり、第一の方向）の逆端の固液界面（図２においては融液層１０２の左下側）で一番温度が低い条件とした。これにより、第一の方向に平行な断面において、固液界面の尖った部分のうち、第一の面と近い方の近傍の固液界面で最初の核形成が生じるものとする。このように、結晶成長が一方向に進みやすくするために、温度勾配を持たせる際には、融液層のうち、第一の方向側よりも第一の方向の反対側の方の温度が低くなるようにすることが好ましい。
【００６４】
押し込み角度が１０°の場合は、初期核が奥行き方向１１４にいくつか形成されるが、第一の方向１１３に対しては、単一核から構成される均一構造であり）、切り出し幅は実施例１同様なので、５８ｍｍとなる。押し込み角度が２０°の場合は、切り出し幅が２９ｍｍとなる。また、押し込み角度が、３０°の場合には、初期核が奥行き方向１１４のみならず、第一の方向１１３に対しても複数（多数）発生し、初期核同士が衝突してグレイン境界の発生を伴っている。切り出し幅は２０ｍｍとなるが、グレイン境界の発生により導波方向にばらつきが生じる。以上のことから、ヒータ部材の押し込み角は、２０°以下であることが好ましい。
【実施例３】
【００６５】
本実施例では、奥行き方向１１４に固液界面１０７を湾曲させた場合について検証する。
【００６６】
実施例２では、図１におけるヒータ部材の奥行き方向には、複数の初期核が形成されるため、グレイン境界の発生がみられる。本実施例では、奥行き方向１１４に固液界面１０７を湾曲させることで、奥行き方向における初期核の形成を抑制し、グレイン境界の発生を軽減、またはなくす。奥行き方向１１４に固液界面１０７を湾曲させる方法としては、図７のように、奥行き方向１１４に湾曲したヒータ面１０４を有するヒータ部材を用いればよい。図７に示したヒータ部材のヒータ面１０４には、奥行き方向の中央を中心とした凹部が形成されている。第一の方向１１３と奥行き方向１１４とを有する平面からみたとき、この凹部の輪郭は、曲率１００ｍｍの湾曲形状を有している。加えて、第一の方向に平行な断面において、ヒータ面１０４は、凹部が形成されている領域であっても、凹部が形成されていない領域と同様に、押し込み角度１０°を有する平坦面を有している。
【００６７】
固液界面の移動距離が３５ｍｍに達したところで、固液界面の移動を停止する。本実施例では、奥行き方向の幅３０ｍｍの中心部付近約２０ｍｍにおいて、グレイン境界のない領域を得ることができる。
【００６８】
このように、固液界面を奥行き方向に湾曲させることで、グレイン境界の発生を軽減し、実施例２のように固液界面が平坦である場合と比較して、より均一な相分離構造体の製造を可能にできることが分かる。
【符号の説明】
【００６９】
１０１  インゴット
１０２  融液層
１０３  ヒータ部材
１０４  ヒータ面
１０５  第一の面
１０７  固液界面
１１１  融液深さ
１１２  ヒータ長さ
１１３  第一の方向
１１４  奥行き方向
２０１  凝固部分
２０２  切り出し厚み
２０３  切り出し幅
２０４  法線方向
４０１  第一の相
４０２  第二の相
４０３  延びる方向
４０４  柱の直径
４０５  近接柱間の周期
４０６  厚み
【図１】
2016175783.tif 000004
【図２】
2016175783.tif 000005
【図３】
2016175783.tif 000006
【図４】
2016175783.tif 000007
【図５】
2016175783.tif 000008
【図６】
2016175783.tif 000009
【図７】
2016175783.tif 000010
【図８】
2016175783.tif 000011
【図９】
2016175783.tif 000012
【図１０】
2016175783.tif 000013