明るく素早く応答するX線検出用 新規ガーネット型シンチレータの開発に成功

2026-10-14 東北大学

東北大学などの国際共同研究チームは、X線を可視光に変換するガーネット型シンチレータの発光性能を改善し、高い発光量、高速応答、残光の低減を両立する材料を開発した。研究では、ガーネット型酸化物結晶YAGGにセリウム(Ce)とマグネシウム(Mg)を添加し、結晶中のセリウムの価数を制御することで発光特性を向上させた。Mgの共添加による電荷補償を利用してCe⁴⁺を安定化させ、従来課題だった発光量と応答速度の両立を目指した。開発材料を用いてX線画像を取得し、小さな対象物や電子部品の内部構造を可視化できることも実証した。本成果は、医療画像診断や工業製品の非破壊検査における高精細・高速X線イメージングに加え、高エネルギー物理学で用いる検出器の性能向上にもつながると期待される。

明るく素早く応答するX線検出用 新規ガーネット型シンチレータの開発に成功
図1. Y3(Al,Ga)5O12ガーネット構造にCeのみ、Ce,Mgを共添加した結晶の外観(左図)と、各試料の X線吸収分光スペクトル(右図)。Mgを共添加したサンプルでは、Ce3+に加えてCe4+の存在が確認できる。

<関連情報>

高性能X線イメージングのためのCe4+優勢Y3 ( Al,Ga) 5O12 : Ce,Mgシンチレーターのホスト-ドーパントエンジニアリング Host–Dopant Engineering of Ce4+-Dominant Y3(Al,Ga)5O12:Ce,Mg Scintillators for High-Performance X-Ray Imaging

Hisato Suezumi, Kei Kamada, Karol Bartosiewicz, Masao Yoshino, Liudmila Gushchina, Vladimir Babin, Yevheniia Smortsova, Nadiya Zhutova, …
Laser & Photonics Reviews  Published: 03 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/lpor.71959

ABSTRACT

Fast scintillators are essential for advanced X-ray imaging and time-of-flight techniques. Although stabilizing Ce4+ ions in garnet hosts is an effective strategy for suppressing the afterglow and accelerating scintillation, it often introduces quenching pathways that reduce the light yield. This study demonstrates that synergistic host-dopant engineering in Mg2+ co-doped Y3(Al,Ga)5O12:Ce enables controlled Ce4+-ion stabilization and reveals a strong Ga-dependent efficiency of Ce3+ to Ce4+ conversion. The X-ray absorption near edge structure spectroscopy results indicate Ce4+ fractions of 64% and 25% in Y3Al3Ga2O12:Ce,Mg and Y3Al2Ga3O12:Ce,Mg, respectively. Moreover, vacuum–UV spectroscopy demonstrates that Ce4+ ions strongly suppress trap-mediated energy transfer to the Ce3+ fraction, indicating a redistribution of carrier capture away from defect-related pathways. This valence state control yields an accelerated scintillation response (30–50 ns), representing a 7.1- and 3.6-fold increase in light yield for Y3Al3Ga2O12 and Y3Al2Ga3O12 respectively, and > 102 reduction in the afterglow. The X-ray imaging of biological specimens and electronic components demonstrates an improvement in spatial resolution relative to a standard Lu3Al5O12:Ce scintillator. These results establish Ce charge-state engineering as a composition-sensitive design principle for achieving superior garnet scintillators with both fast response and high light output.

2004放射線利用
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