(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三酸化タングステン及び酸化鉛、又はタングステン酸鉛多結晶を使用して製造されるタングステン酸鉛単結晶であって、タングステン酸鉛１モルに対して１モル％以上４０モル％以下の希土類元素を含有することを特徴とするチェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶。
【請求項２】
希土類元素として、Ｌａ、Ｇｄ、Ｙ、Ｌｕ、Ｃｅ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｅｕのグループ中の１種類もしくは２種類以上の元素を含有することを特徴とする請求項１記載のチェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質中を荷電粒子がその物質中での光速度より速く進む時に発生するチェレンコフ光の測定において有用な、チェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、チェレンコフ光測定用の材料としては、鉛ガラス、ＰｂＦ2 等が使用されている。
しかし、鉛ガラスは、表１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、密度が小さく（ＰｂＯ５０％：４．０７ｇ／ｃｍ3 、ＰｂＯ７５％：５．１９ｇ／ｃｍ3 ）、結晶内部のチェレンコフ光の輻射距離が長く（ＰｂＯ５０％：２．５５ｃｍ、ＰｂＯ７５％：１．６９ｃｍ）なり、高エネルギー測定用として使用する場合に材料の長さが長くなるという欠点がある。
【０００３】
一方、ＰｂＦ2 は、表１（Ｃ）に示すように、密度が大きく（７．７７ｇ／ｃｍ3 ）、結晶内部のチェレンコフ光の輻射距離は短く（０．９３ｃｍ）なり、高エネルギー測定用として使用する場合に材料の長さが長くなることはないが、大きい結晶の育成ができないという製造技術上の問題がある。
また、鉛ガラスは耐放射線性が１０2-4 ｒａｄ程度、ＰｂＦ2 は耐放射線性が１０5 ｒａｄ程度と何れも低く耐久性にも問題がある。
【０００４】
耐放射線性が低いと長時間の放射線曝露で材料に着色が生じ、チェレンコフ光が材料に自己吸収されることから外部に取り出せなくなり、その結果チェレンコフ光の測定が不可能になる。
【０００５】
【表１】
0004342695.tif 000002
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
加速器等の高エネルギー分野で使用されるチェレンコフ光測定用材料は、より高い耐放射線性が要求される。また、材料の密度が大きくなると輻射距離が短くなるので、材料の長さを短くでき装置の小型化が図れる。さらに、高密度材料を使用すると光検出時の位置分解能が向上するので、より密度が大であることが好ましい。
【０００７】
しかし、耐放射線性が高く、密度の大きいチェレンコフ光測定用材料は、未だ実用化されていない。
本発明は、チェレンコフ光測定用の材料における上記課題を解決するものであって、密度が大きく、かつ耐放射線性に優れた、チェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のチェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶は、三酸化タングステン及び酸化鉛、又はタングステン酸鉛多結晶を使用して製造されるタングステン酸鉛単結晶であって、タングステン酸鉛１モルに対して１モル％以上４０モル％以下の希土類元素を含有することを特徴とする。
【０００９】
希土類元素としては、Ｌａ、Ｇｄ、Ｙ、Ｌｕ、Ｃｅ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｅｕのグループ中の１種類もしくは２種類以上の元素を含有することが好ましい。
通常のタングステン酸鉛は、シンチレーターとして使用されているので、その発光波長である４２０ｎｍ付近の吸収をなくすために、Ｌａまたは他の希土類元素を１０００ｐｐｍ以下添加して調製されている。希土類元素の添加量を数千ｐｐｍまで増やすと結晶内部で光の吸収が強くなり、４２０ｎｍ付近の発光を自己吸収し、外部に取り出せるシンチレーション光が減少する。従って、シンチレーターとして使用するためには、希土類元素の添加量を１０００ｐｐｍ以下に抑えることが必要だからである。
【００１０】
しかし、１０００ｐｐｍ以下の含有量では、シンチレーション光が多く存在するためチェレンコフ光の観測はできない。チェレンコフ光の波長は３７０ｎｍ〜５５０ｎｍであり、この範囲の波長に対してはタングステン酸鉛単結晶は透明であるので、シンチレーション光を減少させればチェレンコフ光の観測が可能となる。
【００１１】
本発明者は、鋭意研究の結果、タングステン酸鉛単結晶に１モル％以上４０モル％以下の希土類元素を含有させることで、チェレンコフ光量は変化せず、シンチレーション光だけが結晶内部で吸収されて減少することを発見し、このタングステン酸鉛単結晶によりチェレンコフ光が測定できることを確認した。
タングステン酸鉛に含有する希土類元素が１モル％未満であると、材料の自己吸収が不十分でシンチレーション光が多く存在するためチェレンコフ光の測定ができない。また希土類元素が４０モル％を超えると２相もしくは化合物を形成し、単結晶化が不可能になる。
【００１２】
チェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶は、表１（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、密度が大きく（８．２ｇ／ｃｍ3 ）、結晶内部のチェレンコフ光の輻射距離が短く（０．８９ｃｍ）、かつ耐放射線性が高い（１０8 ｒａｄ）。
発生したチェレンコフ光は、光電子増倍管等の光電変換素子を使用し電気信号に変換して測定することが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
酸化鉛及び酸化タングステン、又はタングステン酸鉛多結晶を出発原料とし、白金るつぼ中で加熱溶融し、チョクラルスキー法で単結晶化を行う。タングステン酸鉛中の希土類元素の含有量は、１モル％以上４０モル％以下とする。
なお、タングステン酸鉛単結晶中にＭｏが１５×１０-6モル以上含有すると新たなシンチレーション光が発生し、希土類元素を添加してもシンチレーション発光はなくならないので、タングステン酸鉛中のＭｏ含有量はタングステン酸鉛１モルに対して１×１０-8モル以上１５×１０-6モル以下とする必要がある（特開平８−９６７８５号参照）。そのため、原料となる酸化鉛及び酸化タングステン、又はタングステン酸鉛多結晶中に含まれるＭｏの量は、１５×１０-6モル以下とする必要がある。また、この酸化鉛及び酸化タングステン、又はタングステン酸鉛多結晶中に含まれるＭｏ以外の不純物の総量は、１×１０-4モル以下とすることが３７０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長に対して材料を透明にするうえから必要であり、１×１０-5モル以下とすることが好ましい。
【００１４】
希土類元素を１モル％以上４０モル％以下添加し、チョクラルスキー法で調製したタングステン酸鉛単結晶を所定の大きさに切断し、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線でチュレンコフ光を光電子増倍管で測定した結果、シンチレーション光が減少し、チュレンコフ光を観測することができた。
【００１５】
【実施例】
〔実施例１〕
純度９９．９９モル％の酸化タングステン（以下ＷＯ3 ）と酸化鉛（以下ＰｂＯ）粉末を２モルづつ、及び酸化ランタン（以下Ｌａ2 Ｏ3 ）を０．８モル計量し、混合した。これらの原料を直径７ｃｍ、高さ７ｃｍの白金るつぼに入れ、高周波加熱により溶解し、その融液からチョクラルスキー法で直径３．５ｃｍ、長さ６．５ｃｍのタングステン酸鉛（以下ＰｂＷＯ4 ）単結晶を製造した。
【００１６】
得られたＰｂＷＯ4 単結晶を１×１×２ｃｍの大きさに切断して、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線照射により発光量を光電子増倍管で測定した。発光量は４．８ｐｅ／ＭｅＶ以下で、純粋なＰｂＷＯ4 からの発光量３２ｐｅ／ＭｅＶよりはるかに少なくなっており、チュレンコフ光を測定することができた。
結晶中のランタン（以下Ｌａ）濃度をＩＣＰ分析装置で測定したところ、２１モル％であった。
【００１７】
この結晶を茨城県・東海村の日本原子力研究所で60Ｃｏからのγ線を１０8 ｒａｄ照射後に３００〜６００ｎｍの透過率を測定した結果、照射前の透過率とほぼ同じであり１０8 ｒａｄまで実用に耐えることが確認された。
測定結果を表２に示す。
〔実施例２〕
純度９９．９９モル％のＷＯ3 とＰｂＯ粉末を２モルづつ、及びＬａ2 Ｏ3 を０．０５モル計量し、混合した。これらの原料を直径７ｃｍ、高さ７ｃｍの白金るつぼに入れ、高周波加熱により溶解し、その融液からチョクラルスキー法で直径３．５ｃｍ、長さ６．５ｃｍのＰｂＷＯ4 単結晶を製造した。
【００１８】
得られたＰｂＷＯ4 単結晶を１×１×２ｃｍの大きさに切断して、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線照射により発光量を光電子増倍管で測定した。発光量は、１０ｐｅ／ＭｅＶとなり、チュレンコフ光を測定することができた。
結晶中のＬａ濃度をＩＣＰ分析装置で測定したところ、２．４モル％であった。
【００１９】
この結晶を茨城県・東海村の日本原子力研究所で60Ｃｏからのγ線を１０8 ｒａｄ照射後に３００〜６００ｎｍの透過率を測定した結果、照射前の透過率とほぼ同じであり１０8 ｒａｄまで実用に耐えることが確認された。
測定結果を表２に示す。
〔実施例３〕
純度９９．９９モル％のＷＯ3 とＰｂＯ粉末を２モルづつ、及び酸化ガドリニウム（Ｇｄ2 Ｏ3 ）を０．０６モル計量し、混合した。これらの原料を直径７ｃｍ、高さ７ｃｍの白金るつぼに入れ、高周波加熱により溶解し、その融液からチョクラルスキー法で直径３．５ｃｍ、長さ６．５ｃｍのＰｂＷＯ4 単結晶を製造した。
【００２０】
得られたＰｂＷＯ4 単結晶を１×１×２ｃｍの大きさに切断して、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線照射により発光量を光電子増倍管で測定した。発光量は、８ｐｅ／ＭｅＶとなり、チュレンコフ光を測定することができた。
結晶中のガドリニウム（Ｇｄ）濃度をＩＣＰ分析装置で測定したところ、４．４モル％であった。
【００２１】
この結晶を茨城県・東海村の日本原子力研究所で60Ｃｏからのγ線を１０8 ｒａｄ照射後に３００〜６００ｎｍの透過率を測定した結果、照射前の透過率とほぼ同じであり１０8 ｒａｄまで実用に耐えることが確認された。
測定結果を表２に示す。
〔実施例４〕
純度９９．９９モル％のＷＯ3 とＰｂＯ粉末を２モルづつ、及び酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）を０．０３モル計量し、混合した。これらの原料を直径７ｃｍ、高さ７ｃｍの白金るつぼに入れ、高周波加熱により溶解し、その融液からチョクラルスキー法で直径３．５ｃｍ、長さ６．５ｃｍのＰｂＷＯ4 単結晶を製造した。
【００２２】
得られたＰｂＷＯ4 単結晶を１×１×２ｃｍの大きさに切断して、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線照射により発光量を光電子増倍管で測定した。発光量は、１０．５ｐｅ／ＭｅＶとなり、チュレンコフ光を測定することができた。
結晶中のイットリウム（Ｙ）濃度をＩＣＰ分析装置で測定したところ、１．３モル％であった。
【００２３】
この結晶を茨城県・東海村の日本原子力研究所で60Ｃｏからのγ線を１０8 ｒａｄ照射後に３００〜６００ｎｍの透過率を測定した結果、照射前の透過率とほぼ同じであり１０8 ｒａｄまで実用に耐えることが確認された。
測定結果を表２に示す。
〔比較例１〕
純度９９．９９モル％のＷＯ3 とＰｂＯ粉末を２モルづつ、及び酸化カドミウム（ＣｄＯ）を０．３モル計量し、混合した。これらの原料を直径７ｃｍ、高さ７ｃｍの白金るつぼに入れ、高周波加熱により溶解し、その融液からチョクラルスキー法で直径３．５ｃｍ、長さ６．５ｃｍのＰｂＷＯ4 単結晶を製造した。
【００２４】
得られたＰｂＷＯ4 単結晶を１×１×２ｃｍの大きさに切断して、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線照射により発光量を光電子増倍管で測定した。発光量は、３８ｐｅ／ＭｅＶとなり、純粋なＰｂＷＯ4 からの発光量３２ｐｅ／ＭｅＶより大きくなり、チュレンコフ光は測定できなかった。
結晶中のカドミウム（Ｃｄ）濃度をＩＣＰ分析装置で測定したところ、６．５モル％であった。
測定結果を表２に示す。
【００２５】
〔比較例２〕
純度９９．９９モル％のＷＯ3 とＰｂＯ粉末を２モルづつ、及び酸化銅（ＣｕＯ）を０．３モル計量し、混合した。これらの原料を直径７ｃｍ、高さ７ｃｍの白金るつぼに入れ、高周波加熱により溶解し、その融液からチョクラルスキー法で直径３．５ｃｍ、長さ６．５ｃｍのＰｂＷＯ4 単結晶を製造した。
【００２６】
得られたＰｂＷＯ4 単結晶を１×１×２ｃｍの大きさに切断して、鏡面研磨後60Ｃｏからのγ線照射により発光量を光電子増倍管で測定した。発光量は、結晶の着色のため測定できなかった。チュレンコフ光も測定できなかった。
結晶中の銅（Ｃｕ）濃度をＩＣＰ分析装置で測定したところ、２．１モル％であった。
測定結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
0004342695.tif 000003
【００２８】
表２より、結晶中に希土類元素を１モル％以上含有する実施例１〜４のＰｂＷＯ4 単結晶は、シンチレーション光が減っていることが分かる。また、実施例１〜４のＰｂＷＯ4 単結晶は、耐放射線性も高く十分実用に耐えられる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のチェレンコフ材料用タングステン酸鉛単結晶は、シンチレーション光が少なく、チェレンコフ光の観測が可能であり、かつ密度が大きく輻射距離が短くなるので材料の長さを短くでき装置の小型化が図れる。また耐放射線性に優れ、耐久性が大である。