CN101405618A - 放射线检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种薄型且高灵敏度的放射线检测器。作为闪烁体所发出的光的光接收元件，通过由非晶硒形成的雪崩增倍膜来进行光电转换，并通过从被称为场发射阵列的多个电子束放出源经常发出电子束来读出信号。由非晶硒形成的雪崩增倍膜的大小非常薄且构造单纯，因此可以紧密且低成本地构成。另外，信号放大率为1000倍左右，不需要高价的低噪音放大器或专用的温度调整机构，且相对于300～400nm的波长具有充分的量子效率。

Description

放射线检测器
技术领域
本发明涉及一种放射线检测器，例如用于正电子发射断层扫描仪(Positron Emission Tomography，PET)装置或单光子发射计算机断层照相(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)装置等医用诊断装置，所述装置用以对由投到被测部件并在目标部位积蓄的放射性同位素(Radioactive Isotope，RI)所放出的放射线(伽马射线(gamma ray))进行检测，来获得目标部位的RI分布的断层图像(tomogram)。
背景技术
此种放射线检测器包括：闪烁体(scintillator)，射入由被测部件所放出的伽马射线而发光；以及光电子倍增管(Photomultiplier)，将所述闪烁体的发光转换为脉冲(pulse)状的电信号。对于此种放射线检测器而言，以前是将闪烁体与光电子倍增管一对一对应，而近年来，则采用了如下方式：使个数比闪烁体少的光电子倍增管与多个闪烁体结合，根据这些光电子倍增管的功率比(power ratio)来决定伽马射线的射入位置，从而提高分辨率(resolution)。(例如参见专利文献1)。
图4是从Y方向观察先前的放射线检测器50所得到的X方向的截面图(正视图)。当所述放射线检测器是各向同性体素(Isotropic Voxel)检测器时，从X方向观察放射线检测器50所得的Y方向的截面图(侧视图)也形成与图4相同的形状。放射线检测器50包括：闪烁体阵列(scintillator array)12，通过适当夹入光反射材料13而被划分，且以在X方向上为6个、在Y方向上为6个的方式二维地紧密配置着总计36个闪烁体11；光导管(light guide)14，与该闪烁体阵列12光学结合，且埋设着组合有光反射材料15的格子框体并划定有多个小区块；以及4个光电子倍增管201、202、203、204，与该光导管14光学结合。另外，本图8中，仅图示了光电子倍增管201和光电子倍增管202。此处，作为闪烁体11，例如使用Bi4Ge3O12(BGO)、Gd2SiO5:Ce(GSO)、Lu2SiO5:Ce(LSO)、LuYSiO5:Ce(LYSO)、LaBr3:Ce、LaCl3:Ce、NaI、CsI:Na、BaF2、CsF、PbWO4等的无机结晶。
如果伽马射线射入至在X方向上排列的6个闪烁体11中的任一个，则转换为可见光。此光通过光学结合的光导管14而导向光电子倍增管201～204，此时，对光导管14中的各个光反射材料15的位置、长度及角度进行调整，以使在X方向上排列的光电子倍增管201(203)与光电子倍增管202(204)的功率比按照固定比例而变化。
更具体而言，将光电子倍增管201的功率设为P1、光电子倍增管202的功率设为P2、光电子倍增管203的功率设为P3、光电子倍增管204的功率设为P4时，对光反射材料15的位置与长度进行设定，以使表示X方向上的位置的计算值{(P1+P3)-(P2+P4)}/(P1+P2+P3+P4)根据各闪烁体11的位置而按照固定比例来变化。
另一方面，对于在Y方向上排列的6个闪烁体而言，也同样使光通过光学结合的光导管14而导向光电子倍增管201～204。亦即，对光导管14中的各个光反射材料15的位置与长度进行设定，而且在倾斜的情况下对角度进行调整，以使在Y方向上排列的光电子倍增管201(202)与光电子倍增管203(204)的功率比按照固定比例而变化。
亦即，对光反射材料15的位置与长度进行设定，以使表示Y方向上的位置的计算值{(P1+P2)-(P3+P4)}/(P1+P2+P3+P4)根据各闪烁体的位置而按照固定比例来变化。
此处，各闪烁体11间的光反射材料13及光导管14的光反射材料15，可使用主要以聚酯膜作为基材的氧化硅与氧化钛的多层膜，因为此多层膜的反射效率非常高，所以用作光的反射元件，但严格地说，会因光的射入角度而产生透射成分，也将此透射成分计算在内，来决定光反射材料13及光反射材料15的形状及配置。
另外，闪烁体阵列12是利用耦合粘接剂而与光导管14粘接从而形成耦合粘接剂层16，光导管14也是利用耦合粘接剂而与光电子倍增管201～204粘接从而形成耦合粘接剂层17。而且，不与各闪烁体11相向的外周表面，除了与光电子倍增管201～204侧的光学结合面之外，均由光反射材料来覆盖。作为此时的光反射材料，主要使用的是聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)胶带。
图5是表示放射线检测器的位置运算电路的构成的框图。位置运算电路由加法器21、22、23、24和位置鉴别电路25、26而构成。如图5所示，为了检测伽马射线在X方向上的射入位置，而将光电子倍增管201的功率P1和光电子倍增管203的功率P3输入到加法器21中，并且将光电子倍增管202的功率P2和光电子倍增管204的功率P4输入到加法器22中。将两个加法器21、22的各个相加功率(P1+P3)和(P2+P4)输入到位置鉴别电路25中，并根据两个相加功率来求出伽马射线在X方向上的射入位置。
同样，为了检测伽马射线在Y方向上的射入位置，而将光电子倍增管201的功率P1和光电子倍增管202的功率P2输入到加法器23中，并且将光电子倍增管203的功率P3和光电子倍增管204的功率P4输入到加法器24中。将两个加法器23、24的各个相加功率(P1+P2)和(P3+P4)输入到位置鉴别电路26中，根据两个相加功率来求出伽马射线在Y方向上的射入位置。
另外，计算值(P1+P2+P3+P4)是表示相对于其事件(event)的能量，且表示为如图6所示的能谱(energy spectrum)。
对于按照以上方式计算出的结果而言，是依据射入到闪烁体中的伽马射线的位置而表示为如图7所示的位置编码图(coding map)，且表示了各个位置的鉴别信息。
另一方面，提出了通过实现具有相互作用深度(depth ofinteraction，DOI)信息的区块检测器(block detector)来提高空间分辨率(spatial resolution)的各种方法，例如将分别由发光衰减时间(luminescence decay time)不同的材质而构成的闪烁体阵列多段地紧凑配置的方法(例如参见非专利文献1)、或者进而将各闪烁体阵列错开半间距(Half Pitch)而配置的方法(例如参见非专利文献2)等。
在所述多个先前例中，均将光电子倍增管作为任一个闪烁体所发出的光的光接收元件来使用，而如图8所示的放射线检测器60，近年来也使用了被称作雪崩光电二极管301～304的半导体光接收元件。所述雪崩光电二极管是通过在硅耗尽层(depletion layer)内施加较高的电场而在雪崩状态下使用，从而进行信号放大。雪崩光电二极管的信号放大率(amplification degree)是50倍～100倍左右，比起光电子倍增管的放大率为105～106倍来说较小，但可通过使用低噪音放大器(low noiseamplifier)或者在低温环境下使用而得以实际应用。而且，因为是在较薄的硅耗尽层内发生雪崩，所以比起光电子倍增管，作为光接收元件的雪崩光电二极管的大小非常薄，在场所受到限制的情况下，对于PET装置内的检测器而言极其有效。
专利文献1：日本专利特开2004-354343号公报
非专利文献1：S.Yamamoto and H.Ishibashi，A GSO depth ofinteraction detector for PET，IEEE Trans.Nucl.Sci.，45：1078-1082，1998.
非专利文献2：H.Liu，T.Omura.M.Watanabe，et al.，Development of adepth of interaction detector for g-rays，Nucl.Instr.Meth.，PhysicsResearch A 459：182-190，2001.
然而，所述先前例的放射线检测器中具有如下的问题点。
图4所示的放射线检测器中将光电子倍增管作为闪烁体所发出的光的光接收元件来使用，光电子倍增管的大小与闪烁体阵列相比非常大，对于PET装置内的检测器而言，在场所受到限制的情况下存在很大的问题。另外，在光电子倍增管内复杂地配置着多个电极或倍增器电极(dynode)等，为不利于以低成本来实现的构成。
另一方面，图8所示的放射线检测器中将雪崩光电二极管作为闪烁体所发出的光的光接收元件来使用，雪崩光电二极管的大小非常薄且构造单纯，因此存在可以紧密地(compact)构成的优点，但是雪崩光电二极管的信号放大率是50倍～100倍左右，比起光电子倍增管的放大率为105～106倍来说较小，因此存在需要高价的低噪音放大器、且通过专用的温度调整机构而在低温环境下使用的问题。另外，最近备受关注的高性能的高发光且高速闪烁体LaBr3:Ce或LaCl3:Ce的发光波长为300～400nm是低波段，此波段的雪崩光电二极管的量子效率为40～60％而有效率较差的问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的放射线检测器存在的缺陷，而提供一种新型的放射线检测器，所要解决的技术问题是使其可以非常薄型且构造单纯。另外不象光电子倍增管那样需要多个电极，且为单纯的构造，因此可以低成本来实现。
本发明的另一目的在于，提供一种新型的放射线检测器，所要解决的技术问题是使其与使用雪崩光电二极管的情况相比，不需要高价的低噪音放大器、或用以进行低温动作的专用的温度调整机构。
本发明的再一目的在于，提供一种新型的放射线检测器，所要解决的技术问题是使其可以提供非常高的灵敏度。
为了解决所述问题而本发明所提供的第1发明的放射线检测器，包括对放射线进行光转换的闪烁体阵列和光接收元件；所述光接收元件包括：真空外围器，设置在该闪烁体阵列的放射线射入方向的相反面上，且真空密封；透明电极，设置在该真空外围器内；雪崩增倍膜，形成在该透明电极上，由阻挡层夹着且由非晶硒形成；以及场发射阵列，与该雪崩增倍膜相向地设置，且具有多个场发射芯片，所述放射线检测器的特征在于：从所述场发射阵列的所有所述场发射芯片经常放出电子束，以脉冲计数模式(pulsecount mode)来读出信号。
另外，第2发明的放射线检测器根据第1发明所述的放射线检测器，其特征在于：在所述闪烁体阵列与所述光接收元件之间，设置着用以进行光的共享调整的光导管。
即，作为闪烁体所发出的光的光接收元件，通过由非晶硒形成的雪崩增倍膜来进行光电转换，并通过被称为场发射阵列的多个电子束放出源所发出的电子束来读出信号。雪崩增倍膜和场发射阵列配置在真空密封的真空外围器内。另外，由非晶硒形成的雪崩增倍膜中信号放大率为1000倍左右。此外，即便使用LaBr3:Ce或LaCl3:Ce，300～400nm的波段的雪崩增倍膜的量子效率为70％，与光电子倍增管或雪崩光电二极管相比效率非常好。
[发明的效果]
如上所述，根据本申请案的发明，与使用光电子倍增管的情况相比，可以非常薄型且构造单纯。另外不象光电子倍增管那样需要多个电极，且为单纯的构造，因此可以低成本来实现。
另外，与使用雪崩光电二极管的情况相比，不需要高价的低噪音放大器、或用以进行低温动作的专用的温度调整机构。
此外，可以提供灵敏度非常高的放射线检测器。
综上所述，本发明提供一种薄型且高灵敏度的放射线检测器。作为闪烁体所发出的光的光接收元件，通过由非晶硒形成的雪崩增倍膜来进行光电转换，并通过从被称为场发射阵列的多个电子束放出源经常发出电子束来读出信号。由非晶硒形成的雪崩增倍膜的大小非常薄且构造单纯，因此可以紧密且低成本地构成。另外，信号放大率为1000倍左右，不需要高价的低噪音放大器或专用的温度调整机构，且相对于300～400nm的波长具有充分的量子效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1表示本发明的放射线检测器的X方向的截面图。
图2表示从本发明的放射线检测器的上表面所观察到的截面图。
图3表示本发明的放射线检测器的详细的截面图。
图4表示先前的放射线检测器的X方向的截面图。
图5表示本发明的放射线检测器及先前的放射线检测器的位置运算电路的一例。
图6表示本发明的放射线检测器及先前的放射线检测器的能谱。
图7表示本发明的放射线检测器及先前的放射线检测器的位置编码图。
图8表示先前的放射线检测器的X方向的截面图。
11：闪烁体        12：闪烁体阵列
13：光反射材料    14：光导管
15：光反射材料    16：耦合粘接剂层
17：耦合粘接剂层  21：透明玻璃面板
22：透明电极      23：空穴注入阻挡层
24：雪崩增倍膜    25：电子注入阻挡层
26：场发射芯片             27：场发射阵列
28：共用栅极电极           29：网状电极
30：电子束                 31：真空外围器
32：共用栅极电极偏压       33：网状电极偏压
34：偏压                   35：放大器
40：阳极                   41：阴极
50：                使用了光电子倍增管的先前的放射线检测器
60：                使用了雪崩光电二极管的先前的放射线检测器
71、72、73、74：    加法器
75、76：            位置鉴别电路
101、102、103、104：本发明的光接收元件
201、202、203、204：光电子倍增管
301、302、303、304：雪崩光电二极管
具体实施方式
(实施例)以下，图中表示了本发明的放射线检测器的实施例的构成，并根据实施例来详细地说明。图1是从Y方向观察本发明的放射线检测器10所得的X方向的截面图。本实施例中表示的是各向同性体素检测器的情形，因此从X方向观察放射线检测器10所得的Y方向的截面图(侧视图)也形成与图1相同的形状。放射线检测器10包括：闪烁体群12，通过适当夹入光反射材料13而被划分，且以在X方向上为6个、在Y方向上为6个的方式二维地紧密配置着总计36个闪烁体11；光导管14，与该闪烁体群12光学结合，且埋设着组合有光反射材料15的格子框体并划定有多个小区块；以及4个光接收元件101、102、103、104，其与该光导管14光学结合。此处，所有的光接收元件101～104均相同。另外，本图1中，仅图示了光接收元件101和光接收元件102。此处，作为闪烁体11，例如可使用Bi4Ge3O12(BGO)、Gd2SiO5:Ce(GSO)、Lu2SiO5:Ce(LSO)、LuYSiO5:Ce(LYSO)、LaBr3:Ce、LaC13:Ce、NaI、CsI:Na、BaF2、CsF、PbWO4等的无机结晶。
如果伽马射线射入至在X方向上排列的6个闪烁体11中的任一个，则转换为可见光。此光通过光学结合的光导管14而导向光接收元件101～104，此时，对光导管14中的各个光反射材料15的位置、长度及角度进行调整，以使在X方向上排列的光接收元件101(103)与光电子倍增管102(104)的功率比按照固定比例而变化。
图2是图1的A-A截面图，是从上表面观察本发明的光接收元件101、102、103、104所得到的图。另外，图3中详细表示了光接收元件101(因102、103、104均相同，所以仅代表性地表示了101)。在图3中，阳极40侧包括：透明玻璃面板21；透明电极22，形成在该透明玻璃面板21上；空穴注入阻挡层23，形成在该透明电极22上；雪崩增倍膜24，形成在该空穴注入阻挡层23上且由非晶硒形成；以及电子注入阻挡层25，形成在该雪崩增倍膜24上。另一方面，阴极41侧以如下的方式而构成：将由多个场发射芯片26构成的场发射阵列27与阳极40相向地配置，且向共用栅极电极28施加共用栅极电极偏压32，由此使全部的场发射芯片26经常朝向阳极40而放射电子束30。此时，电子束30由网状电极29而减速后以软着陆(soft landing)的方式到达阳极。网状电极29中施加有网状电极偏压33。此处，为了将包含雪崩增倍膜24的阳极40侧与包含场发射阵列27的阴极41侧予以真空密封，而将阳极40侧和阴极41侧组装在真空外围器31中。而且，雪崩增倍膜24与场发射阵列27的实际距离为1mm至2mm左右，因此光接收元件101本身非常薄。
此处，如果伽马射线射入至闪烁体11中的任一个，则转换为可见光，此光通过光学结合的光导管14而导向光接收元件101～104。并且，此光透过各个光接收元件中的透明玻璃面板21与透明电极22后，到达由非晶硒形成的雪崩增倍膜24，并利用光电转换而产生电子-空穴对(electron-holepair)。雪崩增倍膜24中施加有偏压34，在膜内，空穴从阳极40侧向阴极41侧移动的过程中进行信号放大，经放大的空穴在雪崩增倍膜24表面上与场发射阵列27相向地显现。因经常从场发射阵列27放射电子束30，所以经放大的空穴被立即扫描后由放大器(amplifier)35读出。
此时，当将雪崩倍增膜24的厚度设为35μm，将偏压34的施加电压设为3500V时，信号放大率可达到1000倍左右，从而能够以非常高的灵敏度(high sensitivity)来检测伽马射线。
如上所述，本发明的放射线检测器中，将雪崩倍增膜24与场发射阵列27配置在真空密封的真空外围器31内，从而本发明的放射线检测器的大小非常薄，且构造单纯，因此与使用光电子倍增管的情况相比可紧密地构成。因此，即使在场所受到限制的情况下，对于PET装置内的检测器而言也非常有效。而且，不像光电子倍增管那样需要多个电极，从而构造单纯，因此能够以低成本来实现。
另外，对于由非晶硒形成的雪崩增倍膜而言，信号放大率可达到1000倍左右，具有非常高的灵敏度，因此无须如雪崩光电二极管那样需要高价的低噪音放大器、或用以低噪音化的低温动作温度调整机构也不需要。而且，即便使用高发光且高速的LaBr3:Ce或LaCl3:Ce等的高性能闪烁体，所述闪烁体的发光波长为300～400nm的波段的雪崩增倍膜的量子效率达到了70％，从而与光电子倍增管或雪崩光电二极管相比，效率非常高，可充分发挥闪烁体的性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
工业应用性
如以上所述，本发明适用于医疗用及工业用放射线拍摄装置。

Claims (2)

1.一种放射线检测器，包括对放射线进行光转换的闪烁体阵列和光接收元件；所述光接收元件包括：真空外围器，设置在该闪烁体阵列的放射线射入方向的相反面上，且真空密封；透明电极，设置在该真空外围器内；雪崩增倍膜，形成在该透明电极上，由阻挡层夹着且由非晶硒形成；以及场发射阵列，与该雪崩增倍膜相向地设置，且具有多个场发射芯片，所述放射线检测器的特征在于：
从所述场发射阵列的所有所述场发射芯片经常放出电子束，以脉冲计数模式来读出信号。
2.根据权利要求1所述的放射线检测器，其特征在于：在所述闪烁体阵列与所述光接收元件之间，设置着用以进行光的共享调整的光导管。
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