41■研究紹介

無機結晶シンチレータ開発の近況
KEK 素粒子原子核研究所
小 林

正 明

masaaki.kobayashi@kek.jp
2002 年 7 月 4 日（1983）、そして PWO （1992）と続くので、次のシンチレ

1. はじめにータの発見（再発見も含めて）が近い将来かそれとも更に高エネルギー実験の世界では、加速器のエネルギーやビ

10 年単位の後なのか、気になるところである。 PWO よりーム強度が上がるに伴って、それに対応する高精度カロリ

重いシンチレータの探索については最後（第 6 章）に簡単

メータを作るために、それまで以上の性能を持つ（すなわに触れる。

ち、より重く、応答が速く、放射線損傷が小さい）結晶シ

このような状況の中で PWO は中（低）エネルギー実験

ンチレータの開発が精力的になされて来た感がある（典型での利用や次世代 PET に向けての開発努力がなされてい的なシンチレータについては表 1 参照）。この十年間は CMSる。又中（低）エネルギー実験や最高性能の PET に向けた実験のための PWO がそういう位置を占めてきた。当初

大光量の高精度シンチレータの開発、JHF などで予定されBaF2 の改良、 CeF3 の開発が追求されたが、目標に至らず

る大強度中性子ビームを用いての中性子解析を目標にした1992 年に日本、ロシアから同時に提案された PWO が色々

速い応答の中性子検出用シンチレータの探索、などを含めの開発研究の後に 2000 ∼ 2001 年にようやく目標を達してて広い範囲で開発がなされている。ここではそれらの内の確立した。その後 PWO より重い次世代シンチレータの開いくつかを紹介したい。これらのほとんどの分野で日本の発はまだ始まったばかりの段階である。歴史を区切るよう貢献は少なくない。

なシンチレータは NaI : Tl（1948）、BGO（1973）、GSO : Ce

表 1 本稿に関係する主なシンチレータ
Bi4Ge3O12

PbWO4

Gd2SiO5 : Ce

Lu 2SiO5 : Ce

Y3Al5O12 : Yb15%

Li2B4O7 : Cu

(BGO )(PWO )(GSO : Ce )(LSO : Ce )(YAG : Yb15%)(LBO : Cu )

7.13

8.2

6.71

7.4

4.57

2.42

1.12

0.92

1.38

1.14

3.5

減衰時定数
(ns)

300

∼3/<4030–60

40< 3(∼ 40*)

発光波長
(nm)

480

430

440

420

光
量
NaI:Tl=100

7–10

20

75

励起波長
(nm)

280

325

310, 350

2.15

2.2

1050
102 ∼ 3

物
密

理

量

度
(g/cm 3 )輻射長 X0
(cm)

屈折率 n
融

点
(°C)

放射線耐性
(gray)*) ∼110K

NaI : Tl

BaF2

CeF3

3.67

4.89

6.16

2.59

2.03

1.66

<3

2.30

0.6/620

30

36.5

415

220/310

340–375∼2(∼20*)

0.3

100

5/16

4–5

375

260

240

290

---

295

1.85

1.82

1.82

1.85

1.56

1.68

930

1900

∼2050

650

1350

1440

> 104 ∼ 5

106

> 105

10

103 ∼ 4103 ∼ 40.26/0.0
4

330
500

917

42
らすと考えられる。 RE 3+ 以外にも 4 価イオン（ Th 4 + ）が2. タングステン酸鉛（ PbWO4 ）同じ様な改良を与えること、5 価イオン（ Nb 5 + ）もまたW 6 +サイトに入って類似の改良を与えることが分かってきた。

2. 1 高エネルギー用の PWO

大型結晶の製作法は日本とロシアで確立しているが、PbWO4（ PWO ）は種々のタングステン酸塩の一つとしCMS カロリメータ用の PWO 結晶の量産は（価格の点で）て古くから知られていたが CdWO4 （ CWO ）とは対照的にロシアで始まっていて Y 3 + と Nb 5 + の二重添加を選んでい

室温では発光はほとんど（ NaI : Tl の 0.5% 程度の光量に）る。ロシアと日本は回転引き上げ法（チョクラルスキ法）

クエンチしているため、実用化の観点からは注目されなかで結晶を生成している。中国（上海珪酸塩研究所）は歴史

った。しかし重いこと、応答が速いことから 1992 年頃に高的な理由からるつぼ引き下げ法（ブリッジマン法）をとっエネルギー用に再発見され、日本、ロシア、中国などで精ているが、現在まだ問題が残っているように見える。

力的に開発が進められた。融点は 930°C 程度で原材料も比較的安価であり当初はもっと早く確立するのではと期待さ

2.2 中（低）エネルギー実験およびポジトロン CT

れたが、薄黄色の着色やそれと結びついた放射線耐性の低さ、（透過率が良くないために長い結晶での）光量の減少、（PET）用の PWO の開発

非常に遅い減衰（ 10 ms オーダー）の存在といった困難が数

高エネルギーとの違いは出来るだけ大光量が要求される年にわたって続いた。遅い減衰は Mo などの不純物の存在こと、これと引き替えに時間的応答はある程度ゆるめるこによるので、日本の高純度原材料ではほとんど見られなくとも可能ということだろう。個々の利用での要求は異なるなったが着色は残った。CMS でも不安を隠しきれない雰囲

だろうが典型的には PET に向けた以下のような要求に代気だったが 3 年ほど前に日本での研究から稀土類の 3 価イ表されるのではないか。

オン（ RE3+

3+

3+= La ,Gd ,Y3+など）を ∼ 100 atomic ppm（at.

(1) 光量を現在の 2 倍以上（出来れば 3 ∼ 4 倍）。

ppm）程度の少量添加することで上記の困難が劇的に除か(2) 減 衰 は 高 エ ネ ル ギ ー 用 と 同 じ く 速 い 成 分 （ 時 定 数（図 1 参照）。
れることが発見され[1]急速に PWO は確立した

2 ∼ 3 ns が中心だが 50 ∼ 200 ns 成分の共存も許容。

改良の機構として考えられている一説は次のようである。

PET の性能を決める要素は二つある。

PWO の 結 晶 生 成 途 中 で 蒸 気 圧 の 関 係 か ら 融 点 が 低 い
PbO や Pb が蒸発しやすく Pb 欠陥（ VPb ）が生じる（ O は(a) 診断部位に入れた 11C , 13N , 15O, 18F などから出る陽電子

雰囲気から補給され得る）。結晶全体の電荷バランスを回の消滅 e +e − → γγ をバックグランドから区別する能復するために Pb 3 + や O − が生じて、これらが着色の原因に

力：ガンマ線エネルギー（ 511keV ）と同時性（コイなる。 Pb 2 + サイトに La 3 + が入ると二つの効果が考えられンシデンス）によって区別するが、前者の分解能は光る。第一には電荷補償が働くので Pb

3+

量によって、後者の分解能は主にシンチレーションの−や O の生成が減る

速さによって決まる。

と期待できる。第二に La 3 + は（本来結晶内を自由に動き回って悪影響をもたらす可能性がある） VPb をその周りに電(b) シンチレータの空間分解能（重い程よい）。

気的に引きつけて動けないようにする、これが改良をもた
30

80

25

20

60
50
:Nb
40
30
20

µ ir at 420 nm (in m-1 )TRANSMITTANCE (%)

:La

:Gd

70

PWO:La:Lu :YPWO:GdUn dope d

PWO:NbEmission

PWO:Y

Wavelength

PWO:Lu(420 nm)

PWO (Undoped)

10

5 00
WAVELENGTH (nm)

図1

60 0

70 0

9.3d

24.3d 205d

Pb-rich

:Cd

10
:Sc

0
1.E+02

40 0

2.3d

5

0
30 0

15

Recovery
PWO:Undoped
PWO:CdPWO:ScPWO:Nb
PWO:LaPWO:Y
PWO:GdPWO:Lu:Lu:La

1.0E+03

1.E+04

1.E+05 :Y

:Nb

:Gd

1.E+06-5
ACCUMULATED DOSE (Gray)PWO の透過率（上）、放射線耐性（下）の 3 + イオン添加による改良

放 射 線 損 傷 は 照 射 に 起 因 す る 試 料 （ 厚 さ d ） の 透 過 率 (T) の 照 射 前 の 値 T0 か ら の 劣 化 を induced absorption coeficientµir = (1/ d ) ln(T0 /T ) で与えている。

43

PET の重要性から次世代 PET の開発努力が世界的に展

能はそれを凌ぐことを目指している。 PWO は、もし上記開されているが開発には二つの方向がある。一つの方向はの要求 (1), (2) が満たされるならば、このような PET に

最高精度の PET を目指すもので GSO : Ce, LSO : Ce など

使えると期待されている。日本ではこの方向の研究を二、の高精度シンチレータを使う[2]。現在の商用 PET は BGO

三年前から精力的に行っている（古河、KEK など）。最近

を 用 い て い て 典 型 的 に は 104 個 程 度 の 小 結 晶

この要求を満たす二つの候補（ Mo,Cd, Sb の三種のイオンの（ ∼ 5 × 5 × 30 mm 3 ）を円筒内面に一段に並べて PMT に直少量添加、および無添加でアニーリングを最適化）が見い結している。次世代 PET の試験機が米国（ GSO : Ce を用出された。図 3 にゲート幅を横軸にプロットした光量を示いる通称 GPET）や欧州（ LSO : Ce を用いる HRRT）と並す 。 両 者 と も に 放 射 線 に も 強 い （ 105 gray,んで日本では放医研を中心に開発されつつある[2]。この試

1gray = 100 rad ）。できれば、さらに光量を増やしたいと験機は GSO : Ce を用い、空間分解能を上げるために深さ方ころである。

向の位置（DOI, Depth of Interaction）の測定を特徴とする。
結晶の最小単位は 2.9 × 2.9 × 7.5 mm 3 で深さ方向に四段つ

100

ないで 30 mm の長さにして、DOI（四段の内の何段目か）

90

70
LY (pe/MeV)

0.5 at.% （ ∼ 60 ns ）、二、四段目は 1.5 at.% （ ∼ 35 ns ）として、減衰の速さを zero-crossing discriminator などで判定

PWO:annealed

80を判定する（図 2）。このためには GSO : Ce の減衰時定数が Ce 濃度に依存することを利用して、一、三段目の Ce は

Dependence of LY on Gate Width Tする。高価なため設置できる医療機関は限られるだろう。

PWO:Mo+Cd+Sb
PWO:Mo+Nb

60
50

PWO:Mo(1350ppm)

40
30

PWO:La(135ppm)

20

もう一つは広範な医療機関に設置出来る PET を目指す

10

もので、現在の商用 PET（ BGO を用いる）より安価で性

0
0

100

200

300

400
500
600
GATE WIDTH (ns)

700

800

900

1000

1

D ecay Sp ect ra
PW O:Mo ,C d ,Sb
NORMALIZED INTENSITYPW O an n ealed .
PW O:Mo 1 3 5 0

0. 1

PW O:C d 1 3 5 0

0. 01

0. 001
-20

0

20

40

60

80

100

T IME (ns)

図3

PET 用に開発中の PWO の光量（上）と decay（下）2.3 PWO チェレンコフ放射体
PWO シ ン チ レ ー タ 開 発 研 究 の 中 か ら 、

図2

次世代 PET 試験機（放医研）で採用されようとして

RE 3 + = La 3 +,Gd 3+,Y 3 + などの稀土類 3 価イオンを多量いる DOI 測定法（ 1 ∼ 10 mol% 程度）添加すると、シンチレーションはほと

二行二列四段に並べた GSO : Ce 結晶（全長 30 mm ）が PSPMT

んど完全にクエンチして高性能（重く、透明で、放射線にでの読み出しの最小単位になっている。一、三段目と二、四段目

強い）チェレンコフ放射体ができることを発見した。添加を波形の減衰速さの違いで分離し、同じ速さの一段目と三段目な量による光量の変化を図 4 に示す。添加量を調節するとシ

どは結晶間のグリースや反射材の配置によって PMT 上の位置のンチレーションとチェレンコフの光量比を 0 ∼ 10 の間の違いに変えて区別する。これにより深さを 7.5 mm の精度で測定する。

任意の値に決めることもできる。

44
これらの問題点の解決とともに、数年来 GSO と同様に100

Light intensity in heavy-doped PWO
Y135ppm○--From

LIGHT YIELD (p.e./MeV)

La135ppm

Ce 3 + イオンからの速いシンチレーションを与える別の酸

60●--From π

Co isotope
beam test

化物シンチレータの開発が精力的になされて来た。

+

GSO : Ce 自体の改良については、残念ながら結晶生成を担

Gd80ppm
La0.1%

当した会社にこれまで種々の試料を作る余力がなかったが、

Y1%
Yb0.5%

10

Yb1.2%

Gd1%

昨年からやっと改良の鍵を探る目的で Mg 2 +, Zr 4 +,Ta 5 + イ

Gd2%

オンの添加がもたらす変化の研究が始まっている（日立化
La1%

Gd3%

成、放医研、KEK など）。最近のテストではこれらの添加による影響は小さく、逆に GSO : Ce の発光特性の安定性を

La5%
La8%
1
0.01

0.1
1
CONCENTRATION in CRYSTALS (at.%)示す結果になっている。 GSO 近辺では主に LSO : Ce 、
10

図 4 PWO チェレンコフ放射体の光量

LuAP : Ce が開発されて来た。

LSO : Ce （ Lu2SiO5 : Ce ） は 重 さ （ 7.4 g/cm 3,

1 X 0 = 1.14 cm ）、光量（ NaI : Tl の 70% ）、応答速度（ 40 ns ）、
放射線耐性（ > 105 gray ）において GSO : Ce より数値的に3. 高精度シンチレータ（GSO : Ce, LSO : Ce,

YLSO : Ce など）
高精度の中（低）エネルギー原子核実験、高精度 PET や

XCT などを目指す広い分野で、大光量、速い応答、重い、
放射線損傷が小さいといったすべての点で優れたシンチレータがいつも求められて来た。NaI : Tl 、次いで BGO がその典型であったが、その後に発見されたのが GSO : Ce
（ Gd2SO5 : Ce ） と い え る 。 重 さ （ 6.71g/cm 3 ,1X 0 = 1.38 cm ）、光量（ NaI : Tl の 20% ）、応答速度（ 30 ∼ 60 ns ）、放射線耐性（ > 105 gray ）ともにバランスのとれた高性能シンチレータだが、やや遅い立ち上がりは優れている。しかし、まだ理由は解明できていないが、均一性が不十分である。そのためエネルギー分解能が悪い（ 663 keV の γ 線に対して FWHM は GSO : Ce で 8.3% 、
LSO : Ce では 11% 程度）。他にも Lu が高価なこと、176Lu（ natural abundance= 2.61% ）の β 崩壊（ LSO 1g 当たり

78 Bq ）による自然放射能の存在といった事情があり、個々の利用形態によっては問題になるかも知れない。
YAP : Ce （ YAlO3 : Ce ） は 重 さ （ 5.35 g/cm 3,

1 X 0 = 2.76 cm ）がやや小さいが、光量は NaI : Tl の 40% と大きく、応答速度（ 28 ns ）も速く、放射線耐性（ > 103 gray ）も悪くなく、機械的にも取り扱いやすく、素材として確立（ 10 ∼ 20 ns ）、放射線に対する positive-hysteresis（照射にしている。やや軽いことの他に、大きい結晶は得難い（成よって光量が増加する性質）、強い劈開性といった問題 [3]

長時に軸がゆがむ）が利用対象をうまく考えると優れたシがある（図 5）。

ン チ レ ー タ と い え る 。 Ce 3 + の 発 光 波 長 が 多 く の 場 合420 ∼ 460 nm 辺 り な の と 比 較 し て 、 YAP : Ce で は UV
（ 300 nm 近く、pure CsI と同じ辺り）であり、たとえば波長変換を伴うプラスチックシンチレータ（ファイバー）読
み出しに適するなどの特徴も持っている。
LuAP : Ce （ LuAlO3 : Ce ） は 重 さ （ 8.34 g/cm 3 ,1 X 0 = 1.08 cm ）、光量（ NaI : Tl の 20% ）、応答速度（ ∼ 20 ns ）と BGO よりも重く、GSO 、LSO よりも数値的には優れていて、数年前に提案された時は期待が大きかった。しかし性能が報告ごとにばらついていて、製法が確立していない。遅い成分（ ∼ ms ）が共存しているとの報告もあり、まだ実用品を安定に供する段階には至っていない。
こうした状況の中で LSO や LuAP の持つ優位さと、
GSO 、 Y2SiO5 : Ce 、YAP : Ce といった（性能が最高ではないが安定して得られる）既存のシンチレータの混晶が試みられている。LGSO : Ce（ LSO : Ce と GSO : Ce の混晶）、LYSO : Ce （ LSO : Ce とY2SiO5 : Ce の混晶）、 LuAP : Ce

図 5 GSO : Ce の立ち上がりと positive-hysteresis [3]と YAP : Ce の混晶などである。しかし、たとえば LGSO
（ LSO : GSO ∼ 9 : 1 ）では GSO の持つ遅い立ち上がりが解45
決され光量も GSO より大きいが、エネルギー分解能はYb を大量に含む速い応答のシンチレータは当初難しい

GSO : Ce に及ばないなど画期的な改善には至っていない。

と考えられていた。というのは、速い（ < 50 ns ）応答を得

上述のように、この分野は広く開発や改良の努力がなさ

るには Ce 3 + の発光が最適であり、大光量を得るには経験的れて来た。 Ce 3 + の発光を得るのに silicates 以外の色々のホに酸化物シンチレータが適している。ところが酸化物結晶

ストの可能性も研究されてきた[4]。しかし、borates（結晶中でのYb 3 +（多くの場合Yb は 3+状態で存在する）は Ce 3 +生成が容易でない）、tantalates(重いが光量が小さい）、の発光をクエンチしてしまうことが知られている。 Yb はfluorides ( 光量がそれ程大きくない）、 sulfides、 chlorides

2+, 3+状態が可能なために、 Yb 3 + がYb 2 + に還元されるとや bromides（共に軽い、潮解性がある）などの難点があり、と も に Ce 3 + が Ce 4 + に 酸 化 さ れ て 速 い 発 光 が な く な る

これという著しい成果はまだである。中（低）エネルギー（ Ce 3+ + Yb 3+ → Ce 4 + +Yb 2+ ）。しかし最近Yb 3 + の charge

実験で実用化の観点（性能以外に結晶の大きさ、量、価格

transfer luminescence （ CTL ）が再発見されて注目されたなど）からは、確立しているのは GSO : Ce であり、このシ[7,8]。Luminescence には NaI : Tl , BGO, GSO : Ce などでンチレータの改良（最初に述べた問題点：遅い立ち上がり、最もよく知られている単純な exciton luminescence、BaF2 な劈開性、positive-hysteresis など）が、新しいシンチレータ

どの応答が速く UV 波長のシンチレーションで知られていの開発と並んで重要である。

る core-valence luminescence の他に、三番目として chargetransfer luminescence がある。これは今の場合Yb 3 + （結晶4.（ニュートリノ検出用の）Yb を含むシンチレータの中で普段存在する）からの励起やイオン化によって上のエネルギー準位に上がった電子が、Yb 2 + の励起準位が適当な位置にあるためにそこに行き、そこからYb 3 + の基底状態

太陽ニュートリノのフラックス強度が予言値より有意に小さいこと、およびそれを説明するニュートリノ振動仮説に遷移するときに出す発光であり、exciton luminescence の一種である（図 6 参照）。

は現在の高エネルギー物理学のトピックスの一つである[5]。

SK や SNO で測定されて来たのは主に 8B ニュートリノのレータでの測定が可能になれば、 pp や 8B の連続スペクト

Phonon(CB)

0

GSO:Ceル以外に 7Be や pep の単色ニュートリノスペクトルも測定できる。標的と測定器を兼ねる場合の一例として、inverse

beta decay の断面積が大きく、かつ終状態の原子核（励起

5d

3+
Ce

Excitation

連続スペクトルだが、エネルギー分解能がよい結晶シンチ~ 440 nm

4f
Phonon-6.2eV(VB)状態） が低 い 状態への遷移時に放出するガンマ 線とのcoincidence を利用してバックグランドを減らせる原子核（ 176Yb, 160Gd, 82Se など）を多量に含むシンチレータがある。

(CB)

0

Excitation

原理や問題点などについては R. S. Raghavan の提案[6]や中畑、鈴木氏の解説[5]を参照して頂きたい。

-11

中畑氏達によって研究されて来た GSO : Ce は、 160Gd を多量に含むのでシンチレータ中の放射性元素不純物による

BaF2
F (2p) (VB)
220 nm-18.2eV2+

Ba (5p) (Core VB)

バックグランドが最大の問題である。バックグランドの影
響はガンマ遷移のエネルギーや速さ、シンチレータの光量などに依存するので、 160Gd や 176Yb などを多量に含む高性能（大光量、速い減衰）のシンチレータが求められてきた。
Yb の場合を例に取ると

e + 176Yb → 176Lu * +e (Q = 301keV),176

Lu * → Lu + γ (E γ = 72 keV, τ =50 ns)の e (Q = 301keV), γ (E γ = 72 keV, τ =50 ns) を coincidence
で 測 定 す る 。 状 況 は Gd の 場 合 と あ ま り 変 わ ら な い 。

pp (< 300 keV), 7Be (600 ∼ 800 keV) 起源のニュートリノを∼ 100 events/year 程度観測出来るためには Yb （ 176Yb を12.6% 含有）を ∼ 10 tons 必要とする。

図6

Luminescence の種類

上：Exciton luminescence（例 GSO : Ce 3 + ）中：Core-valence luminescence（例 BaF2 ）下：Charge transfer luminescence（例 YAG : Yb 3 + ）46
この発光は応答が速く、発光波長は 330 nm と 500 nm 辺りにある（図 7）。表 2 に示すようないくつかのシンチレータが調べられて来たが、典型的な酸化物 YAG : Yb では

Yb ∼ 15% 辺りで光量は最大になる。しかし室温での光量は NaI : Tl の ∼ 0.5% （ ∼ PWO 並み）とクエンチしていて減衰時定数は ∼ 1ns と速い。温度を下げると光量は増えて∼ 100 K で最大になり（約 50 倍）減衰時定数は増加するがそれでも 40 ns に留まっていて有望である（図 8）。

180radio lu m in e sc e n c

160

Y AG:Y b,
LuAG:Y b

Y AG:Y b1 5 % ,O 2 an n e ale d

LIGHT YIELD (relative)

140
120

0 .1 * BGOY AG:Y b1 5 % ,H 2 an n e ale d

100

Y AG:Y b1 5 %Y AG:Y b2 0 %

80
60
40

L u AG:Y b1 5 %

20
0
200

300

400

500

600

700

WA V ELEN G T H (nm)

図7

YAG : Yb の radioluminescence スペクトル

図8

YAG : Yb の光量の（a：上）温度依存性と（b：下）

decay の温度依存性 [8]表2

Yb を含むいくつかのシンチレータの室温での性質：Yb 量は atomic % 単位（[10]や KEK などでの測定結果から）

密YAG : Yb (15%)

度(g / cm 3 )輻射距離 X 0(cm)

光
量(BGO = 100)

減衰時定数 τ
(ns)

4.86

2.57

5

6.7

YAG : Yb (50%)

5.57

2.12

5.4

4.8

YbAG
LuAG : Yb (15%)

6.62

1.5

4.4

5.8

YGG : Yb (2%)

Y3Al 5O12 : Yb

2.5
Y3Ga5O12 : Yb

YGG : Yb (15%)

24.8

28.5

4.5

34.8
28.8

YbGG
YAP : Yb (8%)

Yb3Ga5O12

7.74

1.27

5.5

YAlO3 : Yb

5.78

2.27

7.3

YbAP

YbAlO3

8.24

1.11

YbGP
LaYbO3

YbGaO3

8.99

1.02

8.16

1.02

1.6

6.4

47
しかし太陽ニュートリノ検出器として実用化するには解σ( 6Li + n → α + 3H ) ∼ 770b,

決するべき問題が小さくない。主なバックグランドは timeσ( 10B + n → α + 7Li ) ∼ 3700b ）、ガンマ線の検出効率が低

correlated background、い（Z が小さい）ので成功すれば理想的である。図 9 に示すように発光波長は 360 nm（ Cu + の発光）にピークがあり、

235

U → 231Th + α,

室 温 で は thermal quenching の 結 果 、 光 量 は 小 さ い

231

Th → 231Pa * +e (305 keVmax ),（ ∼ PWO 程度）が応答は早い（ 2 ∼ 3 ns 程度）。無添加の231

Pa * → 231Pa + γ (84 keV, τ = 65 ns)

だろうが、それを減らすために結晶中のU （ 235U を 0.72%
含む）を 10−15 gU/g に減らすことが必要で、この要求はGSO : Ce の場合と定量的にも似ている。普通結晶生成での不純物は ppb（ 10−9 ）程度に減らせるので原材料中のU が含む 235U を 10−6 倍あらかじめ減らせればよい。目下検討されている方法は多段階での希釈（multistage dilution）で、結晶材料中のU を ppb 程度に純化しては 238U （ 10−6 程度に

LBO は表面弾性波素子や TLD 素子に広く使われていて、大きい単結晶を作る技術が存在する。現在 Cu + 添加量の最適化、光量を増やす可能性、読み出し方法などが研究されている。Cu + の代わりに Ce 3 + を添加しても速い発光が得らない。UV 光励起で直接 Ce 3 + を励起すると強い Ce 3 + 発光が見られ るの で 、中性 子や ガ ンマ線 では ホ ストの イオン（ Li +, B + など）から Ce 3 + への energy transfer がほとんど起きていないのだろう。

純化したものが使える）を加えて再度 ppb 程度まで純化す140るという工程を何度も繰り返す。最初は natural abundance120（ 10−6 に）純化したU を加えることを繰り返すと 5 回で目−15

い る LENS 計 画 [9] が あ るが 、 こ の場 合も 10

gU/g を

multistage dilution で実現することを考えている。
Yb の CTL に基づくシンチレータはニュートリノ検出器

pure

100

:Cu0.5%

LIGHT YIELD (relative)

標に達する。世界ではYb を溶かした液体シンチレータを用

Li2B4O7

radioluminescenceη0 = 0.72% あるとして毎回残留 U の量の 10 倍 の 量の:Ni0.5%80:Ce
BGO*0.1

60

40

用に再発見された形だが、ニュートリノ検出器の成否によ
20らず、今後速いシンチレータの一つの可能性として開発が継続するのではないかと思われる。

0
300

400

500
WAVELENGTH (nm)

600

700

5. その他のいくつかのシンチレータ
1400+

5.1 熱中性子検出用 Li2B4O7 : Cu （ LBO : Cu ）の期待が増加してきている。大強度中性子ビームが JHF 計

L BO:Cu=Li 2-xCuxB 4O7 with
1000
EVENTS

X 線解析では得られない情報が得られる中性子線解析へ

5 .4 9 MeV a in Li 2 B 4 O 7 :Cu

1200

+

800

10x10x23m m

10x23m m plane onto PMT

600
400

画などで利用できる予定なのと、DNA などバイオ分野で精密な構造解析が重要なことなどが一つの契機になっている

W ith αped. =21c

200

0

20

器の一つであるガスカウンター（ BF3 , 3He など）は計数率に限界がある。他の一つは ZnS : Ag + LiF シンチレータだが、光量は大きい（ > NaI : Tl ）が応答速度は遅い（ ∼ 10 µs ）、
大きい単結晶を作れないといった問題がある。

40

60

80

100

120

PH A Ch an n el

が小さいこと、高い位置分解能、高い時間分解能が必要でに時間分解能（速い応答）は不十分である。代表的な検出

W ithout α0のだろう。中性子検出器には高い検出効率、 γ 線への感度ある。しかし現在利用出来る熱中性子検出器では性能、特

3

2

図 9

LBO の（上）radioluminescence と（下）アルファ

線スペクトル

5.2 放射線に強い石英ガラスシンチファイバー
シンチファイバーにはほとんどプラスチックシンチレー

速い応答をする熱中性子検出用シンチレータとして Cu +タが使われてきたが、∼ 104 gray で信号が大きく減衰する。

添加 lithium tetraborate LBO : Cu の開発が二年程前からしかし放射線に強いシンチファイバーが現れれば、加速器、日本で始まっている（湘南工大、KEK、理研、第一機電な原子炉など放射線の強い場所での計測や長期モニターに力どで）。 LBO は中性子の検出効率が高く（B、Li を含む、を発揮することが期待できる。KEK の加速器でも、リング48に沿ってビームロスを種々の方式で常時モニターして、ビームロスの原因の究明や対策を講ずるのに役立てているが、それらの研究にも使える可能性がある[11]。石英ガラスが放射線に強く UV まで透明なことや、プラスチックシンチレータに比較して（二倍以上重いので）ガンマ線の検出効率が大きいことを利用する目的で Ce 3 + を添加した石英ガラ
スファイバーが二、三年前から開発されてきた（日立化成、
イタリア）。これは単結晶ではなく sol-gel 法による多結晶で ∼ 1050°C で固化させる。未だ実用には至っていないが、分かって来たことは（1）Ce 3 + 0.1 モル%程度で PWO 程度（ NaI : Tl の 0.1 ∼ 1% ）の大きな光量で、（2）発光波長は465 nm 辺りにピークがあり、（ 3 ）応答の減衰時定数は∼ 50 ns であることなどである（図 10）[12]。

5.3Fast near-band-edge scintillation from widebandgap semiconductors

Si や Ge に比べバンドギャップが大きく 2 ∼ 4 eV 程度の半導体が可視領域に（紫外、赤外も含めて）luminescenceを与えることは以前から知られていたが、最近新たに注目を浴びている。室温での光量が大きくなくても減衰が速い
シンチレータへの要求が強くなっているためだろう。多くの exciton luminescence では励起した電子は発光する添加物イオンの準位まで移動してから発光するが、今考えている半導体ではギャップエネルギーが可視領域の波長に近く、その過程を経ずに直接 exciton recombination が起こるために（許容遷移の場合には）速いと期待できる。SCINT2001

図 10

国際会議での Derenzo 達[13]の報告では、次のような結果

石英ガラスシンチファイバーの光量（上）と decay（下）[12]が得られている（表 3 参照）。

1） 不純物濃度が低いので non-radiative transitions が抑制

4） 室温ではクエンチしているが、低温での改善が著しくはないので thermal quenching ではなく impurities によされている。

るのではないか（とすれば改良出来る筈）。

2） 速い（許容遷移の場合）。
3） 低温では光量が（室温での）BGO 程度ある。

しかし密度が BGO や PWO に比べてやや小さく、利用分野を選ぶ必要がある。

表3
密Fast near-band-edge scintillation from wide-bandgap semiconductors

度Bandgap(g/cm )

5.67

3.1

∼ 12 K

発光波長

(eV)

3

(nm)

420

光

量*

0.3

∼ 293 Kτ d (ns)

0.08

光

量*

0.02

τ d (ns)

0.08

CuI
HgI 2

6.28

2.37

540

1.6

0.7

<0.03

<0.2

PbI 2

6.16

2.55

500

0.40

0.22

<0.015<0.06

ZnO : Ga

5.61

3.44

360

2.0

0.17

0.15

0.09

CdS : In

4.83

2.58

520

0.13

0.08

0.001

0.07

* 光量は BGO（室温）= 1 の単位

49ある。実用の見通しは先のことなので、開発研究のための6. さらに重いシンチレータの探索

試作を引き受けてくれる会社が我が国には少なく、開発のガンマ線や X 線の精密測定にはシンチレータが重いこと

上での困難になっている。

（輻射距離が小さいこと、実効原子番号が大きいこと）が重要で、このことは直接的には位置の精度を向上させ間接的

7.

にはエネルギー精度や検出効率を向上させ得る。高エネル
ギー実験用では PWO（密度 8.28 g/cm 3 ）、中（低）エネル

まとめ

1) 高エネルギー用の PWO シンチレータの開発は目標を達

ギー実験や医療診断用では GSO:Ce（ 6.71g/cm ）、LSO:Ce

して一応終了した。 3+RE （ La 3 +,Gd 3 +,Y 3 + ）や 4+イオン（ 7.4 g/cm 3 ）が最も重いシンチレータとして確立ないし確（ Th 4 + ）の少量（ 100 at.ppm 程度）の添加が成功した。添立に近づいている。後者の目的では LuAP:Ce（ 8.34 g/cm 3 ）

加量を 1 ∼ 10 モル%程度まで増やすとシンチレーションはがより重いシンチレータとして確立を期待されている。

ほとんど完全にクエンチして、重く放射線に強いチェレン

3コフ放射体が得られる。

これらより更に重いシンチレータの開発はまだ大きい成果はないが重要であろう。重いホストとしては稀土類イオ2) 安価で全国に設置出来る PET 用に PWO の光量の増加

ンのタンタル酸塩（tantalates）、酸化物（oxides）などがが追求されている。二、三の有望な処方箋が見つかってい典型例だが、着色があるもの（ Bi2O3, Bi12GeO20 など）、 原

る。

材料の酸化物の融点に大差があって結晶が作り難いもの（ Pb2Ta2O7 など）を当面除いて、典型的な候補のいくつか

3) 高精度 PET、XCT や中高エネルギー実験用のシンチレ

を表 4 に示す。この数年の開発は主に Lu や Gd などのー タ と し て GSO:Ce, LSO:Ce, LGSO:Ce, YLSO:Ce 、tantalates や oxides で X 線検出用の薄い単結晶、多結晶かLuAP:Ce,YAP:Ce などの改良の努力が続いている。

ら 始 ま っ て い る 。 Eu 3 + イ オ ン を 添 加 し て 室 温 で

612 ∼ 615 nm の波長領域で BGO に匹敵する光量を得るこ

4) 太陽ニュートリノ検出用に Yb 3 + の charge transfer lu-と な ど に 成 功 し て い る [14] 。 Tantalates に は LuTO4,

minescence に基づくシンチレータが注目を浴びている。

BiTaO4 , YbTaO4 など高温相、低温相の間に相転移があるものも多く、これらで大きい単結晶を作ることは困難だろ

YAG:Yb では発光波長 ∼ 330 nm 、光量はYb ∼ 15 at.% 辺り

うが多結晶（セラミクス）は難しくない。XCT には既にで最大になる。光量は室温で NaI:Tl の ∼ 0.5% （ ∼ PWO ）Gd2O2S : Pr ,Ce（密度 7.34 g/cm 3 ）が実用化しているので、にクエンチしていて、減衰は速い（ τ ∼ 1ns ）。 ∼ 100 K で光量は最大（ ∼ 50 倍）になり減衰も τ ∼ 40 ns と速い。

これらの分野ではセラミクスとして有望だろう。PET でも結晶素子の寸法は小さく、重くなると更に小さく出来るの

5) 熱中性子検出用に LBO : Cu + の開発がされて来た。光量でセラミクスでの実用も考えられる。高エネルギー実験用には長い結晶が必要なので単結晶が望ましく、候補は限らは PWO 程度で小さく、波長は ∼ 360 nm （ Cu + の発光）にれてくるが光量は小さくてもよいという点は有利である。

ピークがあり、応答は速い（thermal quenching の結果）。
光量を増やせるとよい。

酸化物には Yb2O3 , HfO2 に見られるように融点が大きいものが少なくなく、その場合は技術的に容易ではなさそうで
表4
密度(g/cm 3 )Superheavy scintillators 開発のためのホストの典型例 [14–16]
融 点 MP(°C)

光量(BGO = 100)

LuTaO4

9.81

Lu 3TaO7

9.49

YbTaO4

9.45

BiTaO4

9.1∼995

GdTaO4

8.42

2050

Lu 2O3

9.42

2490

1.8

Lu 2O2S

8.9

HfO2

9.68

2774

11

Yb2O3

9.2

2435

∼0.6

発光波長
(nm)

減衰時定数
(ns)

∼1300

備
低温相

低温相
高温相

<50

350

<1

考

50

6) Ce 3 + を添加した石英ガラスファイバーの開発が日本、イタリアでなされている。Sol-gel 法を用い ∼ 1050°C で固化させる。 Ce

3+

0.1 モル % 程度で光量が大きく、発光波長∼ 465 nm で減衰は τ ∼ 50 ns と速い。
7) Fast near-band-edge scintillation from wide-bandgap
semiconductors （ CuI , HgI 2 , PbI 2 など）が新しい速いシンチレータ群の可能性として研究されている。室温では光量が ク エ ン チ し て い る が 、 thermal quenching で は な く

impurities によるのではないか。とすれば、改良できる筈である。

8) PWO（密度 8.2 g/cm 3 ）や LSO:Ce（ 7.4 g/cm 3 ）より重い次世代シンチレータの開発はまだ始まりの段階だが、密度 8 ∼ 10 g/cm 3 を持つ稀土類の tantalates や oxides がホスト結晶として研究されている。

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[10] N. Guerassimova et al., Charge transfer luminescenceand spectroscopic properties of Yb 3 + in Al − andGa-garnets, Proc. SCINT2001, Chamonix, 2001, inpress in Nucl. Inst. Meth.
[11] 川久保忠通氏（KEK）private communications.
[12] A. Vedda, et al., Optical properties of Ce 3 + -doped sol
gel silica glasses, Proc. SCINT2001, Chamonix, 2001,
in press.
[13] S. E. Derenzo et al., Temperature dependence of thefast, near-band-edge scintillation from CuI, HgI 2 ,PbI 2 , ZnO:Ga and CdS:In, Proc. SCINT2001,

Chamonix, 2001, in press in Nucl. Instr. Meth.
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of some dense X-ray phosphors, Proc. SCINT99, Moscow, 1999, p.527.

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