有機EL材料を用いた
新しいシンチレーターの開発
久野研究室 2005年度
室井 章 荒木慎也 宮本紀之 佐藤朗
目次
シンチレータについて
開発目標
有機ELとは
有機EL発光材料
研究計画
励起・発光スペクトルの計測
まとめ
シンチレータに要求される性質
 高発光
エネルギー分解能
時間分解能
薄型検出器
 加工性に優れる
 減衰時間が短い
時間応答性
時間分解能
 減衰長が長い
大型検出器の設計が可能
 安定性に優れる
シンチレータの特徴
有機・無機
加
工
性
発光量
減衰時間
ポリスチレン
×
65
◯
2.4ns
◯
250cm
◯
◯
液体
トルエン
プソイドクメン
×
50~80
◯
3.7ns
◯
×
◯
結晶
アントラセン
△
100
△
30ns
◯
△
△
プラスチック
主成分
安
減衰長 定
性
結晶
NaI
◯
260
×
0.23μs
×
2.59cm
×
×
結晶
CsI
◯
175
×
1.0μs
×
1.86cm
×
×
新しいシンチレータの開発目標
固体シンチレータ
高発光
時間応答がはやい
減衰長が長い
液体シンチレータ
安全、取り扱いが
容易
高発光
減衰長が長い
有機EL発光材料に着目
有機EL(エレクトロルミネッセンス)とは
 有機物質材料(高分子化合物)に電圧を印加して発光させる
 少量の電圧で高発光を起こす新しい光源
 新型ディスプレイの発光材料として実用化
陰極
電子
電子輸送層
0.2~0.3nm
発光層(有機物質)
正孔輸送層
陽極
正孔
有機EL発光素子
有機ELディスプレイ
(SONY)
有機EL発光材料の特徴
高発光
水溶性に優れた材
料がある
減衰時間が短い
様々な波長の材料
が開発されている
高分子化合物
入手した有機EL発光材料
ADS086BE
ADS128GE
ADS128GE(ポリマー)
ADS086BE(黄色粉末)
Coumarin-6
PPV
クマリン6(燈色粉末)
PPV(水溶液)
PPV(フィルム)
研究計画
 励起・発光スペクトルの測定
自己吸収の有無を調べる
今回の発表
 水(界面活性剤)、有機溶媒に対する溶解度の測定
水溶性の検討、既存の蛍光体との溶解量の比較
 放射線による励起時の発光量(PMTを用いる)
 放射線耐性の測定
励起・発光スペクトルの計測
 目的
 発光した光を自己吸収することのない蛍光体を選ぶ
 方法
 蛍光分光光度計を用いる
 場所
 医学研究科共同研究実習センター
光源
励起波長
選択器
HITACHI蛍光分光光度計 F-3000
光源:Xeランプ
測定波長範囲:220nm~800nm
試料
発光波長
選択器
光検出器
励起・発光スペクトルの計測(2)
発光波長[nm]
300
プソイドクメン
+
ADS128GE
400
500
333nmで
励起
600
700
ADS128GE
4000
3000
2000
1000
505nm
[a.u]
-1000
483nm
-2000
-3000
-4000
335nm
プソイドクメン
300
400
505nmの
発光
500
600
励起波長[nm]
700
まとめ
 新しいシンチレータ
有機EL発光材料
 励起・発光スペクトル測定
有機溶媒ベース、水ベースで
測定中
 今後の予定
溶解度の測定
PPVフィルムで測定
発光量
放射線耐性
365nm UVで発光!!
励起・発光スペクトルの計測(3)
300
400
500
600
700
[nm]
300
400
500
600
700
[nm]
プソイドクメン
+
クマリン-6
-予備-
光量の測定
ADC
gate
発光量測定装置
60Co
1.33MeV
discriminator
γ線 1.17MeV
発光
PMT
signal
delay
計測する溶液
の半分の位置をコンプトン端と決定して
比較する。
counts
60Coによるコンプトン散乱を観測し、ピーク
コンプトン端
adc channel
-予備- 励起・発光波長の計測-溶液調
合単位はすべて[ /ℓ ]
塩化ベンゼトニウムは180 [ /ℓ ]で溶解
bis-MSB クマリン6
PPO
POPOP
ADS086BE ADS128GE
プソイドクメン
6.0
0.07
2.0
4.0
12
1
水+塩化ベンゼ
トニウム
6.0
未調合
未調合
1
13
0
[
これらの溶液の励起・発光波長を測定する。
PPV(水溶液、フィルム)については溶かさずにそのまま測定。
/ℓ ]
-予備-励起・発光波長の計測-測定-(2)
名前
溶媒
プソイドクメン
第1蛍光体
第2蛍光体
有機EL材料
励起波長
発光波長
(269nm)
(293nm)
PPO
359nm(+56nm
)
378nm(+14nm
)
POPOP
400nm(+15nm
)
424nm(+6nm)
Bis-MSB
413nm(-34nm)
432nm(+20nm
)
Coumarin-6
403nm(-47nm)
525nm(-25nm)
ADS086BE
455nm(+52nm
)
470nm(-4nm)
ADS128GE
483nm(+26nm
)
505nm(+36nm
)
Poly
358nm
440nm
-予備- KamLAND実験で用いられてい
る液体シンチレータ
 組成
 プソイドクメン
20%
 PPO
0.15%
 パラフィンオイル(C12H26) 80%
⇒発光効率が低下
 発光量
 50%アントラセン 程度 ⇒UP!
KamLAND 液体シンチレータ
安定な溶媒に、純度の高い、波長変換剤を必要と
しない蛍光体を用いる ⇒発光効率アップ
-予備-有機シンチレータの組成と発光
機構
主成分
第1蛍光体
第2蛍光体
ポリスチレン (個体)
トルエン
(液体)
プソイドクメン
PPO
POPOP
発光(364nm)
発光(418nm)⇒検出
波長
200nm
300
400
500
可視光領域
プソイドクメン
(有機溶媒)励起
(269nm)
第1蛍光体 (PPO)
励起(303nm)
紫外線励起の場合
第2蛍光体 (POPOP)
励起(385nm)
-予備-有機シンチレータ[液体・プラス
チック]の発光効率について
蛍光放出の分子数
Φ:蛍光量子収率 =
(Quantum Yield) 励起状態の分子数
放射線エネルギー
ΔE
溶媒分子の励起
振動など
溶媒
トルエン
非輻射的エネルギー移行 衝突など
プソイドクメン
第1蛍光体の励起
振動など
振動など
0.140
0.157
溶質
Φ
PPO
0.830
POPOP
0.930
輻射的エネルギー移行 発光
第2蛍光体の励起
Φ
輻射的エネルギー移行 発光
光検出器
放射線のenergy loss ΔE に対して発光する
効率がよくない!
-予備-従来の有機シンチレータの問題
点
 発光効率が悪い
主成分の蛍光量子収率(Φ)が小さい
 放射線のenergy lossに対して発光に使われる割合が小さい
主成分はエネルギーの自己吸収を起こす
 プソイドクメン:293nm、トルエン:287nm、ポリスチレン :
 波長変換剤が必要(量子収率<1)
 液体シンチレータの主成分が有機溶媒である
プソイドクメン、トルエンなど
揮発性、可燃性があり取り扱いにくく、安全面も問題がある
大容量の場合ノルマルパラフィンで希釈して使われる
 発光効率下がる原因
-予備- 研究目標
 高発光・時間の速い・安定・発光波長に対して透明・加
工しやすいなシンチレータを作りたい
 波長変換体を必要としない、発光効率のよい主成分
 ポリマーとして使用できる材質
 より安定で扱い易い溶媒を用いた液体シンチレータを制
作する
水溶性に優れた蛍光体
大容量、大面積が可能かつ高発光で純度の高い液体シン
チレータが可能
⇒蛍光体として有機EL発光材料に着目
P=0.3Bρ
ΔE
シンチレータ
時間分解能
エネルギー分解能
B
ΔE大きい
多重散乱
エネルギー・運動量の揺らぎ
シンチレータ
ΔE
荷電粒子
薄型・高発光
ΔE小さい
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新しいシンチレーターの開発