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泳動電着により形成したX線イメージング用SrGa2S4:Euシンチレータ

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Academic year: 2021

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(1)364. 表面技術. ノ ー. ト. 泳動電着により形成した X 線イメージング用 SrGa2S4:Eu シンチレータ 尾原 光 a,若月 幸子 a,中西 梓 b,小林 正和 a,森田 晃正 c, Khoo Pei Loona,高林 裕 c,篠崎 順一 b,伊﨑 昌伸 a,* a. 豊橋技術科学大学 大学院工学研究科(〒 441-8580 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘 1-1) b ㈱三ツ矢 技術センター(〒 141-0031 東京都品川区西五反田 3-8-11) c タマティーエルオー㈱(〒 192-0083 東京都八王子市旭町 1-1). Electrophoresis Deposition of SrGa2S4:Eu Scintillator for X-ray Imaging Hikaru OHARA a, Sachiko WAKAZUKI a, Azusa NAKANISHI b, Masakazu KOBAYASHI a, Akimasa MORITA c, Khoo Pei Loon a, Yutaka TAKABAYASHI c, Junichi SHINOZAKI b and Masanobu IZAKI a,* a. Graduate School of Engineering, Toyohashi University of Technology (1-1 Hibarigaoka, Tempaku-cho, Toyohashi-shi, Aichi 441-8580) MITSUYA Co. Ltd (3-8-1 Nishi-Gotanda, Shinagawa-ku, Tokyo 141-0031) c TAMA-TLO Co., Ltd (1-1 Asahi-machi, Hachioji-shi, Tokyo 192-0183) b. A SrGa2S4:Eu scintillator was fabricated by electrophoretic deposition of SrGa2S4:Eu particles dispersed in ethanol medium on a Ga:ZnO (GZO) /SLG substrate. The scintillator emitted visible light at wavelength of 533 nm when irradiated with 320-nm-ultraviolet light, and showed a spatial resolution of approximately 6 μm L/S for X-ray imaging with increased light emission intensity. Keywords : Scintillator, SrGa2S4:Eu, Electrophoresis Deposition. の粒子を懸濁したエタノール溶液を用い泳動電着によってバ. 1 .目 的. インダーを含有しない SrGa2S4:Eu シンチレータを形成した。. X 線コンピュータトモグラフィー(X 線 -CT)装置や X 線透. そして,このシンチレータの光学的性質を蛍光分光光度計な. 視装置は,産業用・医療用機器として製品検査や医療診断な. らびにシンチレータ性能を 2D 検出器を設置した X 線透視装. どに活用されており,2D ならびに 3D 画像を得るために,. 置によって検討した。. 高エネルギー線である X 線を CMOS や CCD 検出機が検出. 2 .方 法. できる可視光や紫外光に変換するシンチレータが組み込まれ ている。シンチレータ材料として,NaI や CsI 単結晶などの. SrGa2S4:Eu 粒子(三井金属鉱業㈱製)を分散させたエタノー. セラミックスシンチレータ 1)が広く活用され,ルテチウム・. ル溶液中に,直流電源(菊水電子㈱製 PAN160-3.5A)を用いて,. 2). 電圧 60 V を 60 s 付加することにより,GZO(Ga:ZnO)/SLG. アルミニウム・ガーネット(Lu3Al5O12,LuAG) やガドリニ ウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット(Gd3Al2Ga3O12,. 基板(ジオマテック㈱製)上に堆積させた後,真空蒸着装置. GaGG)3)などの単結晶が次世代材料として期待されている。. (ULVAC,VPC-260F)を用いて厚さ 100 nm の Ag 層により被. また,光ガイド効果を活用する高解像度 ZnO ナノワイヤシ. 覆することによって,SrGa2S4:Eu シンチレータを作製した。. ンチレータの研究開発も進められている 4)。さらに,X 線. シンチレータの断面組織を,電界放出型走査電子顕微鏡(日. -CT ならびに透視技術の適用材料・部材ならびに応用分野の. 立ハイテクノロジーズ,SU8100)を用いて観察し,光学的性. 拡大のために,多結晶材料から構成され,フレキシブル形状. 質は紫外-可視-近赤外分光光度計(日立ハイテクノロジー. などにも適用でき,コストパフォーマンスに優れたシンチ. ズ,U4100)ならびに蛍光光度計(日立ハイテクノロジーズ,. レータの開発も要望されており,粉体をバインダーで固定し. F7000)を用いて測定した。X 線イメージは,CMOS カメラ(浜. 5). 松ホトニクス㈱,ORCA-Flush4.0 V3)と光学レンズからなる. た Gd2O2S:Tb シンチレータも報告されている 。しかし,高 分子などのバインダーの存在は,シンチレータ特性に影響を. 2D 検 出 器 を 内 蔵 し た X 線 透 視 装 置( 島 津 製 作 所 製 SMX-. 及ぼすと考えられる。. 1000Plus)により測定した。この光学系は,1 μm(×20 倍レ. そこで,本研究では,CMOS や CCD 検出器において比較. ンズ)もしくは 2 μm(×10 倍レンズ)の解像度を有する。. 的高い量子効率を示す波長範囲にある 535 nm 付近の可視光. チャートには㈳日本検査機器工業会(JIMA)RT-RC05B を用. 6). い,比較のために LuAG シンチレータ(浜松ホトニクス㈱,. 発光する SrGa2S4:Eu をシンチレータ材料として選択し,こ. 厚さ 50 μm)を用いた。 *. E-mail : [email protected] — 56 —.

(2) Vol. 72, №6, 2021. 泳動電着により形成した X 線イメージング用 SrGa2S4:Eu シンチレータ. 365. 59.3 keV である。X 線照射によるシンチレータの可視光発光. 3 .結 果. 画像,I0(直接光の画像)と,X 線源とシンチレータ間に分解. 図 1 に,SrGa2S4:Eu 層の断面 FE-SEM 像,光励起スペクト. 能チャート(Au ラインを形成した Si ウエファ)を入れたとき. ルならびに発光スペクトルを示す。エタノール溶液中の. の可視光発光画像,I(チャートの画像)から ln(I/I0)を求め,. SrGa2S4:Eu 粒子は泳動電着により陰極基板側のみに堆積した. その最小値と最大値をそれぞれ 16 bit 諧調として一義的に求. ことから,ζ- 電位は正と考えられる。電着した SrGa2S4:Eu. めた輝度値(任意単位)を用いて,ラインプロファイルを示し. 層は,GZO/SLG 基板上に固定され,Ag 蒸着操作を含むシン. た。作製した SrGa2S4:Eu シンチレータのガラス基板側の外. チレータ作製過程での脱落などは観察されなかった。基板の. 観は黄緑色であり,均一に形成されていることが確認できる。. GZO(Ga:ZnO)は n 型半導体であり,多数キャリアが電子で. また,逆側は蒸着 Ag 層により灰色外観を示す。9 μm から. あることから,正に帯電した SrGa2S4 粒子との間の静電引力. 50 μm L/S のチャートイメージは,いずれも明瞭に判別でき. も固定に影響していると推察される。SrGa2S4:Eu 層は粒子径. ていることから,ラインプロファイルは示していない。. が 1.7 μm から 3.1 μm の粒子から構成されており,粒子間に. 6 μm から 8 μm L/S のチャートイメージは明瞭に判別できる. 隙間は認められるが,密な層が形成されていた。また,膜厚. が,5 μm L/S はやや不明瞭である。6 μm から 8 μm L/S の. は約 13 μm で場所によらずほぼ一定であり,粒子の脱落によ. 白実線(a),(b)上でのラインプロファイルでは,3 本の Line. る陥没などもほとんど認められず,表面はほぼ平滑である。. に 相 当 す る ピ ー ク が 認 め ら れ る が,5 μm L/S で は 3 本 の. SrGa2S4:Eu 層について,300 nm から 900 nm の範囲で測定. Line に相当するピークは認められない。ZnO シンチレータ. した吸収曲線には吸収端は認められず,SrGa2S4:Eu のバンド. において,最大輝度値(Lmax)と最小輝度値(Lmin)から求め. 7). ギャップエネルギーが 4.2 eV と報告されている ことと矛盾. た Michelson Contrast( MC)=(Lmax + Lmin)/( Lmax-. しない。また,SrGa2S4:Eu 層は,533 nm にピークを有する. Lmin)によりコントラストを評価した 9)ことから,本研究に. 可視光(励起波長 320 nm)のみを発光し,すでに報告されて. おいても,ラインプロファイルの輝度値を用いて MC を求. 2+. 6. 7. いる SrGa2S4:Eu に含まれる Eu イオンの 4f 5d→4f 遷移に. めた。6 μm,7 μm,8 μm L/S において,それぞれ MC は 0.53,. よる発光波長 7,8)と一致している。また,350 nm ならびに. 0.71,0.88 となり,ZnO シンチレータにおいて閾値とした 0.2. 395 nm にピークを有するブロードな励起スペクトル(発光波. よ り も 大 き い こ と か ら,L/S は 判 別 で き お り, 解 像 度 は. 長 533 nm)が得られている。2 mol%Eu を含有する SrGa2S4:Eu. 6 μm L/S と考えた。また,この測定における発光強度は,. では 278 nm にピークを有し,313 nm と 391 nm ショルダー. 2D 検出器の総カウント数で 54,084(a.u.)(露光時間 10 s)で. を有する励起スペクトル(発光波長 532 nm)7)が,また Sr1-. あった。同一条件で測定した LuAG シンチレータの解像度. Ga2S4:Eu0.03 では 464 nm にピークを有するブロードな励起. 0.03. は 2 μm L/S で あ り, 発 光 強 度 は 33,382(a.u.)( 露 光 時 間. スペクトル(発光波長 538 nm)が報告 8)されており,発光ス. 10 s)であったことから,13-μm-SrGa2S4:Eu シンチレータでは,. ペクトルのピーク波長と形状はほぼ同じであるが,励起スペ. 解像度は 50-μm-LuAG よりも劣るが,発光強度は 162% と大. クトルのピーク波長と形状は報告により大きく異なっている。. きいことが明らかとなった。. これらの励起スペクトルの形状などの差は,測定方法ならび. 本研究では,SrGa2S4:Eu 粒子を懸濁させたエタノール溶液. に測定条件の違い,Eu 含有率を含む組成ならびにそれに伴. か ら 泳 動 電 着 に よ り SrGa2S4:Eu シ ン チ レ ー タ を 作 製 し,. うバンド構造の差によると推察される。. 533 nm の可視光を発光すること,X 線イメージ測定におい. 図 2 に,SrGa2S4:Eu シンチレータの外観,チャートの X 線. て解像度 6 μm L/S と大きな発光強度を示すことを明らかに. イ メ ー ジ と 5 μm か ら 8 μm L/S(Line/Space)の ラ イ ン プ ロ. した。. ファイルを示す。照射 X 線は WKα線であり,エネルギーは. . Fig. 1 Cross sectional FE-SEM image(a), excitation(b), and photoluminescence spectra(c)for SrGa2S4:Eu scintillator prepared by electrophoresis deposition. — 57 —.

(3) 366. 表面技術. ノ ー ト. Fig. 2 Appearance of the SrGa2S4:Eu scintillator(A), captured X-ray images of the chart with 5 μm to 50 μm L/S(B) (C) , , and line profiles(D)for 5 μm to 8 μm L/S along the two white solid lines(a) (b) , . Fkabori, A. Yoshikawa ; Cryst. Growth Des., 11, 4484(2011).. 謝 辞. 4 )M. Kobayashi, J. Komori, K. Shimizu, M. Izaki, K. Uesugi, A.. 本研究の一部は,経済産業省・戦略的基盤技術高度化支援. Takeuchi, Y. Suzuki ; Appl. Phys. Lett., 106, 081909(2015).. 事業により行われたことを記し,謝意を表します。. 5 )R. Yasuda, M. Katagiri, M. Matsubayashi ; Nucl. Instr. Meth. Phys.. (Received March 22, 2021 ; Accepted March 29, 2021). 文 献. Res. A, 680, 139(2012). 6 )P. Benalloui, C. Barthou, J. Benoit ; J. Alloys Compd., 275-277, 709 (1998). 7 )C. Chartier, C. Barthou, P. Benalloul, J. M. Frigerio ; Electrochem.. 1 )P. Lecoq ; Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 809, 130(2016).. Solid State Lett., 9, G53(2006).. 2 )M. Nikl, A. Yoshikawa, K. Kamada, K. Nejezchleb, C. R. Stanek, J. A.. 8 )T. E. Peters, J. A. Baglio ; J. Electrochem. Soc., 119, 230(1972).. Mares, K. Blazek ; Prog. Cryst Growth Charact. Mater., 59, 47. 9 )M. Izaki, M. Kobayashi, T. Shinagawa, T. Koyama, K. Uesugi, A.. (2013).. Takeuchi ; Phys. Status Solidi A, 214, 1700285(2017).. 3 )K. Kamada, T. Endo, K. Tsutumi, T. Yanagida, Y. Fujimoto, A.. — 58 —.

(4)

Fig. 1  Cross sectional FE - SEM image (a) , excitation (b) , and photoluminescence spectra (c) for SrGa 2 S 4 :Eu scintillator pre - -pared by electrophoresis deposition.
Fig. 2  Appearance of the SrGa 2 S 4 :Eu scintillator (A) , captured X - ray images of the chart with  5  μ m to 50  μ m L/S (B) (C), , and line profiles (D) for  5  μ m to 8  μ m L/S along the two  white solid lines (a) (b),.

参照

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