有機EL材料を用いた 新しいシンチレーターの開発

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1 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　

2 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

3 シンチレータに要求される性質 減衰時間が短い 高発光 減衰長が長い 加工性に優れる 安定性に優れる エネルギー分解能 時間分解能 薄型検出器
時間応答性 時間分解能 高発光 エネルギー分解能 時間分解能 薄型検出器 減衰長が長い 大型検出器の設計が可能 加工性に優れる 安定性に優れる

4 シンチレータの特徴 有機・無機 主成分 発光量 減衰時間 減衰長 安定性 加工性 プラスチック ポリスチレン × 65 ◯ 2.4ns ◯
シンチレータの特徴　 有機・無機 主成分 発光量 減衰時間 減衰長 安定性 加工性 プラスチック 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 結晶 NaI 260 0.23μs 2.59cm CsI 175 1.0μs 1.86cm

5 新しいシンチレータの開発目標 固体シンチレータ 液体シンチレータ 有機EL発光材料に着目 高発光 時間応答がはやい 減衰長が長い
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

6 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 発光層（有機物質） 0.2~0.3nm 正孔輸送層 陽極 正孔 有機ELディスプレイ (SONY) 有機EL発光素子

7 有機EL発光材料の特徴 高発光 減衰時間が短い 高分子化合物 水溶性に優れた材料がある 様々な波長の材料が開発されている

8 入手した有機EL発光材料 ADS086BE ADS128GE Coumarin-6 PPV ADS128GE(ポリマー)
クマリン6(燈色粉末)

9 研究計画 励起・発光スペクトルの測定 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
自己吸収の有無を調べる 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

10 励起・発光スペクトルの計測 目的 方法 場所 発光した光を自己吸収することのない蛍光体を選ぶ 蛍光分光光度計を用いる
医学研究科共同研究実習センター 光源 励起波長 選択器 発光波長 選択器 光検出器 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

11 励起・発光スペクトルの計測(2) プソイドクメン + ADS128GE ADS128GE 505nm 483nm 335nm プソイドクメン
300 400 500 600 700 300 400 500 600 700 プソイドクメン + ADS128GE 333nmで 励起 ADS128GE 505nm 483nm 4000 3000 2000 1000 [a.u] -1000 -2000 -3000 335nm プソイドクメン -4000 505nmの 発光 励起波長[nm]

12 まとめ 励起・発光スペクトル測定 新しいシンチレータ 今後の予定 有機溶媒ベース、水ベースで測定中 有機EL発光材料 溶解度の測定
PPVフィルムで測定 発光量 放射線耐性

13 ３６５nm UVで発光！！

14 励起・発光スペクトルの計測(3) プソイドクメン + クマリン-6 [nm] [nm] 300 400 500 600 700 300

15 60Coによるコンプトン散乱を観測し、ピーク
-予備-　　光量の測定　　 ADC gate 発光量測定装置 60Co 1.33MeV 1.17MeV γ線 discriminator PMT 発光 delay signal 計測する溶液 コンプトン端 60Coによるコンプトン散乱を観測し、ピーク の半分の位置をコンプトン端と決定して 比較する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　 counts adc channel

16 -予備- 励起・発光波長の計測-溶液調合-
単位はすべて[ ｇ/ℓ ]　　　　　　　　　　　　 塩化ベンゼトニウムは180 [ ｇ/ℓ ]で溶解 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。 PPO POPOP bis-MSB クマリン6 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 未調合 13 [ ｇ/ℓ ]

17 -予備-励起・発光波長の計測-測定-(2)
名前 励起波長 発光波長 溶媒 プソイドクメン (269nm) (293nm) 第1蛍光体 PPO 359nm(+56nm) 378nm(+14nm) 第2蛍光体 POPOP 400nm(+15nm) 424nm(+6nm) Bis-MSB 413nm(-34nm) 432nm(+20nm) 有機EL材料 Coumarin-6 403nm(-47nm) 525nm(-25nm) ADS086BE 455nm(+52nm) 470nm(-4nm) ADS128GE 483nm(+26nm) 505nm(+36nm) Poly 358nm 440nm

18 -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　 ％ PPO ％ 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 　　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 ⇒UP! KamLAND 液体シンチレータ

19 -予備-有機シンチレータの組成と発光機構
POPOP PPO ポリスチレン　(個体) トルエン プソイドクメン 第2蛍光体 第1蛍光体 　　　 主成分 　(液体) 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) 第2蛍光体 （POPOP） 励起(385nm) 紫外線励起の場合

20 -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
Φ：蛍光量子収率 (Quantum Yield) 励起状態の分子数 蛍光放出の分子数 ＝ 放射線エネルギー ΔE 溶媒分子の励起 　溶媒　 　 Φ トルエン 0.140 プソイドクメン 0.157 溶質 Φ PPO 0.830 POPOP 0.930 振動など 非輻射的エネルギー移行 衝突など 第１蛍光体の励起 振動など 輻射的エネルギー移行 発光 第2蛍光体の励起 振動など 輻射的エネルギー移行 発光 放射線のenergy loss ΔE に対して発光する 効率がよくない！ 光検出器

21 -予備-従来の有機シンチレータの問題点 発光効率が悪い 液体シンチレータの主成分が有機溶媒である 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

22 -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
-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

23 P=0.3Bρ B ΔE ΔE 時間分解能 エネルギー分解能 ΔE大きい 多重散乱 エネルギー・運動量の揺らぎ 薄型・高発光 ΔE小さい
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 薄型・高発光 ΔE小さい ΔE 荷電粒子