JP2000509142A - 改良型固体検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高エネルギ放射線、例えばＸ線又はγ線の検出器が、シンチレータ材料層（ｌ）と、中間マイラー層（２）と、これら層の背後に設けられた固体検出器アレイ（３）とから成る。中間層は、シンチレータ材料又は検出器の放射線過敏性領域の原子番号よりも小さな原子番号を有する。それ故、検出領域のところに生じた二次電子は、中間層に移動し、Ｘ線によって放射線過敏性領域に送りだされた線量を減少させて検出器の寿命を伸ばす。

Description

【発明の詳細な説明】 改良型固体検出器 本発明は、高エネルギ放射線用の検出器に関し、特に医用映像用途で用いられ る検出器に関する（ただし、かかる用途に限られない）。 歯科用Ｘ線映像用途及び他の医療用途では、例えば従来用いられていたＸ線フ ィルムに代わって今や固体検出器の使用が提唱されている。代表的な装置では、 シンチレータ材料の層が光ファイバテーパに被着され、この光ファイバテーパは 、検出器アレイ、例えば電荷結合デバイス（ＣＣＤ）アレイに結合される。映像 化対象の物体を高エネルギ放射線ビーム、例えばＸ線で照射し、かかるビームは 物体の通過後、シンチレータ材料に入射する。X線は、光ファイバテーパによっ て差し向けられた固体検出器アレイによる検出が可能になるようシンチレータ材 料のところで光放射の状態に変換される。走査装置の中には、例えばコンピュー タ断層撮影（ＣＴ）スキャナーでは、満足の行く映像を得るためには高線量のX 線が必要になる。しかしながら、Ｘ線は、相当な数のＸ線がシンチレータ内での 消滅を免れてＸ線のエネルギを検出器アレイそれ自体の中に蓄積し、高感度構造 体の表面を損傷させるほどの高エネルギのものである場合がある。 ＣＣＤアレイでは、電離放射線は、電荷を誘電体中に捕捉させ、それにより電 圧シフトを生じさせることによって誘電体を損傷させる場合があるので、経時的 に動作条件を変化させる必要がある。また、表面の損傷は、暗電流の増加を引き 起こす傾向がある。かくして、経時的な装置の特性変化を考慮して補償を行う必 要があり、更に、ＣＣＤの寿命が短くなる。高エネルギ放射線は又、他形式の固 体検出器の損傷を引き起こす場合がある。たとえば、フォトダイオードアレイで は、スイッチング素子は放射線による損傷を非常に受けやすい。 放射線による損傷を回避するために、従来、シンチレータ材料を出たＸ線が検 出器アレイに達するのを防止する厚さの光テーパを用いることが提案された。特 に高エネルギの放射線の場合、厚さが数センチメートルの光ファイバテーパを用 いることが必要である。変形例として、シンチレータ材料の厚さを増大させてこ れが入射Ｘ線を実質的に全て吸収するようにする。 本発明は、医療及び非医療用途、例えば各種ＣＴシステム及び歯科用途に適し た高エネルギ放射線用の改良型検出器を提供することにある。 本発明の第１の特徴によれば、高エネルギ放射線を検出するＣＣＤ装置であっ て、入射高エネルギ放射線を光放射線に変換するシンチレータ材料層と、電離放 射線による損傷を受けやすい領域を備えていて、光放射線を検出するＣＣＤと、 シンチレータ材料層と検出領域との間で検出領域に隣接して設けられている中間 層とから成り、中間層は、光放射線に対して実質的に透過性であり、検出領域の 原子番号よりも小さな原子番号を有していることを特徴とするＣＣＤ装置が提供 される。 化合物に関する原子番号は、有効原子番号であると見なされる。 これは、化合物又は混合物の組成及び原子番号から算出された数である。この 原子番号の元素は、化合物又は混合物と同一の態様で光子と相互作用するであろ う。この原子番号に関する種々の公式が案出された。たとえば、スピアの公式は 、吸収係数及び散乱係数を含む理論的考察に基づいており、有効原子番号Ｚは次 式で与えられる。 Ｚ＝（ａ₁Ｚ₁ ^2.94＋ａ₂Ｚ₂ ^2.94＋…）^1/2.94 上式において、Ｚ₁、Ｚ₂等は、個々の成分の原子番号であり、ａ₁、ａ₂等は、化 合物中の元素Ｚ₁、Ｚ₂等の電子含有率である。フリッケ及びグレーサーによれば 、光電子生成の理論的考察に基づいて次式が得られる。 上式において、Ｚ₁及びＺ₂は、成分の原子番号であり、ａ₁及びａ₂は、それらの 重量による成分率である。 「光放射線」という用語は、スペクトルの可視部分、紫外線及び／又は赤外線 に属する放射線を意味している。 「実質的に透過性」という言い方は、シンチレータ材料に当てられた高エネル ギ放射線を適正に映像化するよう十分な量の光放射線が固体検出器領域の中間層 を透過できることを意味している。 本発明の利用により、例えば長い光ファイバテーパを用いなくても高エネルギ 放射線、例えばＸ線又はγ線及び電子と共に検出器を用いて満足の行く結果が得 られ、かくしてＸ線が検出器領域に達しないようにすることが可能である。 高エネルギ放射線が物質を照射すると、例えば光電子効果やコンプトン効果の ような現象により二次電子が生じる。Ｘ線が小さな原子番号の物質の前に且つこ れに隣接して位置した大きな原子番号の物質に当たると、前に位置している大き な原子番号の物質層中に生じる二次電子は、その後ろに位置した物質層中に生じ る二次電子よりもはるかに多い。したがって、これら２層間の境界には、大きな 原子番号（Ｚ）の層からの二次電子が境界を横切って小さなＺの層中へ移動し、 境界のところの小さなＺの層中の二次電子の数を増加させようとする。本発明で は、この線量効果の向上が利用されている。 本発明の第１の特徴である中間層の原子番号Ｚは、その隣に位置するＣＣＤ検 出器領域の原子番号Ｚよりも小さい。ＣＣＤ装置を高エネルギ放射線で照射する と、シンチレータ材料からの二次電子は、中間層中に移動し、電子数を、線量効 果を向上させない場合よりも中間層中において境界のところで大きくする。しか しながら、中間層に隣接した検出器領域の表面のところでの線量の蓄積により、 二次電子が中間層中へ移動するときに、エネルギが電離放射線による損傷を受け やすい検出器領域の層から中間層に伝わるようになる。これにより、検出器領域 の表面の線量が減少するのでＣＣＤの寿命が長くなると共に経時的な動作特性の 変化が減少する。 したがって、本発明の利用により、検出器領域の塊状材料は中間材料層を用い ない場合に送りだされるＸ線の線量と同程度のＸ線の線量を受けるが、損傷過敏 性層内に蓄積されたＸ線の線量は、或る実施形態では１／７０程度になることが 判明した。 図１は、幾つかのエネルギレベルの入射放射線に関し、中間層の種々の厚さに ついて検出器の損傷過敏性領域中に蓄積された相対線量を概略的に示している。 理解できるように、厚さが例えば５μｍであってもＸ線は遮断されないが、本発 明を利用すると、損傷過敏性領域のところの線量が著しく減少している。 本発明を利用すると、高エネルギＸ線による検出器領域の損傷過敏性層を防止 すると共に光放射線が検出のための検出器領域に入射できるようにすることを目 的として、相当大きな厚さの物質をシンチレータ材料領域とＣＣＤ領域との間に 配置することは不要になる。 本発明を、例えば、走査速度が高いために検出器のサイズ及び質量を最小限に することが望ましいコンピュータ断層撮影スキャナー装置に用いると特に有利で ある。本発明により顕著な利益が得られるもう一つの技術的分野は、口腔内歯科 用映像用途である。 中間層として特に有利な材料は、マイラー（登録商標）である。この有効原子 番号は約１０である。ケイ素の原子番号は１４である。好ましいシンチレータ材 料は、有効原子番号が約６４のガドリニウムオキシサルファイド（酸化硫化ガド リニウム）である。これに代えて他のシンチレータ材料を使用しても良い。中間 層として使用できるもう一つの材料は、ポリイミドである。 本発明の第２の特徴によれば、高エネルギ放射線を検出する装置であって、入 射高エネルギ放射線を光放射線に変換するシンチレータ材料層と、入射光放射線 を表す電荷が発生する領域を備えると共に電離放射線による損傷を受けやすい損 傷過敏性領域を備えた固体検出器と、シンチレータ材料層と損傷過敏性領域との 間で損傷過敏性領域に隣接して設けられている中間層とから成り、中間層は、検 出領域の原子番号よりも小さな原子番号を有し、損傷過敏性領域の前に位置した 材料は、中間層が設けられていない場合に１０krad以上の線量が損傷過敏性領域 に蓄積するほどの比率の入射高エネルギ放射線が損傷過敏性領域に達するような ものであることを特徴とする装置が提供される。 本発明は、もし中間層が設けられていないとした場合、ラジエーションハード ニングが施されていない素子について通常は許容レベルにあると考えられる線量 よりも１００倍の２００krad以上の線量が損傷過敏性領域中に蓄積する場合に利 用できる。同一比率の電離放射線がこれら損傷過敏性領域に達するが、その損傷 効果は中間層の使用によって得られる線量効果の向上により実質的に低減する。 検出器がラジエーションハードニングが施されていない標準型生成素子である場 合、本発明を用いて３００krad以上の線量を取り扱うことができる。ラジエーシ ョンハードニングが施されている素子の場合、本発明を用いると、これら素子の 許容放射線被ばく量が増大することになる。 固体検出器は、例えばＣＣＤアレイ又はフォトダイオードアレイであるのが良 い。フォトダイオードアレイの場合、電離放射線による損傷を受けやすい領域（ 明細書中、「損傷過敏性領域」という場合がある）は、光放射線を受け入れる領 域に対して横方向に設けられている。それ故、検出器領域を被ばくさせたままで これらの損傷過敏性領域を高エネルギ放射線から幾つかの方法で遮蔽できる。し かしながら、本発明を用いることにより、製作に当たり幾つかの処理段階を必要 とする場合のある別個の遮蔽手段を不要にすることができる。 本発明を利用することにより、相当大きな線量の放射線を、性能に悪影響を及 ぼすことなく損傷過敏性領域中に蓄積できる。かくして、シンチレータ材料及び シンチレータ材料と中間層との間に設けられた任意他の材料又は物質の厚さは、 高エネルギ放射線が損傷過敏性領域に達する前に高エネルギ放射線を残らず吸収 するようにする必要はない。これにより、満足のゆく光変換効率が得られるよう シンチレータ材料の厚さを最適化できる。また、これにより、特定の一検出器構 成を、上記のようにしない場合の高エネルギ放射線範囲よりも大きな高エネルギ 放射線範囲に使用することができる。 本発明の幾つかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。 図２は、本発明による検出器を概略的に示している。 図３及び図４は、図２に示す検出器の動作に関連した例示のグラフ図である。 図２（同一縮尺で作図されていない）を参照すると、高エネルギ放射線、この 場合、Ｘ線を検出するのに適したフォトダイオードアレイは、マイラー(Mylar) の中間層２上に被着された厚さ約1mmのシンチレータ材料（ガドリニウムオキシ サルファイド）層１を有している。マイラーは光学的に実質的に透過性であり、 そして、その厚さは、最大エネルギが１２０ｋｅＶ台のＸ線スペクトルを有する Ｘ線源と併用されるようになった本発明のこの実施形態では、約１５０μｍであ る。フォトダイオード検出器アレイ３は、中間層２に隣接してその後ろに位置し ている。検出器領域は、中間層２との境界のところのシリコン基板の表面に位置 していて、その表面３ＡにスイッチングＦＥＴ及び他の損傷を受けやすい構造体 を有している。検出器は、ＣＴスキャナー内に用いられるようになっていて、１ mm程度の画素サイズを有している。 シンチレータ材料の有効原子番号は高く、即ち約６４であり、マイラーの有効 原子番号は、約１０であり、中間層２との境界のところのケイ素及び二酸化ケイ 素の原子番号は、約１４である。 図３では、３つの領域１，２，３が、横座標に示されていて、検出器の通過距 離を表しており、縦座標は、各領域中に存在する二次電子の１キログラム当たり のエネルギを示している。マイラー層２の厚さは、シンチレータ材料１とマイラ ーの境界で生じた二次電子が検出器アレイ３に達するのを阻止するに十分である よう選択されている。マイラーの有効原子番号は、その隣の損傷を受けやすい領 域又は損傷過敏性領域３Ａの有効原子番号よりも小さいので、エネルギは、検出 器アレイ３の損傷過敏性領域層からマイラーバッファー中間層２に伝えられる。 図４は、中間層が設けられていない場合及びマイラー中間層を用いる本発明の 実施形態の場合につき、ケイ素の下に位置していて、放射線による損傷を受けや すい敏感な二酸化ケイ素層中に蓄積した相対線量を概略的に示している。電離放 射線は、損傷過敏性領域に達するようになるが、本発明の利用により、相対線量 は、許容レベルまで減少する。 本発明の別の実施形態では、図２の構成が用いられるが、検出器アレイはＣＣ Ｄアレイであり、中間層はポリイミドである。ポリイミド層２の厚さは、約３μ 以上であり、検出器構成は、歯科用画像システム用である。適当なエネルギレベ ルのＸ線源は、患者の顎を照射するよう差し向けられ、検出器は、顎通過後の放 射線を検出するよう口腔内的に用いられる。中間層の厚さは、良好な空間的解像 度が得られるように画素の横方向寸法の約半分であるよう選択するのが良い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．高エネルギ放射線を検出するＣＣＤ装置であって、入射高エネルギ放射線を 光放射線に変換するシンチレータ材料層と、電離放射線による損傷を受けやす い領域を備えた、光放射線を検出するＣＣＤと、シンチレータ材料層と検出器 領域との間で検出器領域に隣接して設けられている中間層とから成り、中間層 は、光放射線に対して実質的に透過性であり、検出器領域の原子番号よりも小 さな原子番号を有していることを特徴とするＣＣＤ装置。 2．高エネルギ放射線を検出する装置であって、入射高エネルギ放射線を光放射 線に変換するシンチレータ材料層と、入射光放射線を表す電荷が発生する領域 を備えると共に電離放射線による損傷を受けやすい損傷過敏性領域を備えた固 体検出器と、シンチレータ材料層と損傷過敏性領域との間で損傷過敏性領域に 隣接して設けられている中間層とから成り、中間層は、検出領域の原子番号よ りも小さな原子番号を有し、損傷過敏性領域の前に位置した材料は、中間層が 設けられていない場合に１０krad以上の線量が損傷過敏性領域に蓄積するほど の比率の入射高エネルギ放射線が損傷過敏性領域に達するようなものであるこ とを特徴とする装置。 3．中間層が設けられていない場合に２００krad以上の線量が損傷過敏性領域に 蓄積するほどの比率の入射高エネルギ放射線が損傷過敏性領域に達することを 特徴とする請求項２記載の装置。 4．固体検出器は、ＣＣＤであり、損傷過敏性領域は、光放射線を受け入れてこ れを検出するよう配置された領域であることを特徴とする請求項２又は３記載 の装置。 5．固体検出器は、フォトダイオードアレイであり、損傷過敏性領域は、スイッ チング手段を含むことを特徴とする請求項２又は３記載の装置。 6．固体検出器は、ラジエーションハードニングが施されていないことを特徴と する請求項１〜５のうち何れか一に記載の装置。 7．中間層は、ポリイミドから成ることを特徴とする請求項１〜６のうち何れか 一に記載の装置。 8．中間層は、マイラー（登録商標）から成ることを特徴とする請求項１〜６の うち何れか一に記載の装置。 9．シンチレータ材料は、中間層の原子番号よりも大きな原子番号を有すること を特徴とする請求項１〜８のうち何れか一に記載の装置。 10．シンチレータ材料は、ガドリニウムオキシサルファイドであることを特徴と する請求項１〜９のうち何れか一に記載の装置。 11．中間層の厚さは、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のう ち何れか一に記載の装置。 12．検出器は、画素区画方式であり、中間層の厚さは、画素の横方向寸法の約半 分であることを特徴とする請求項１〜１１のうち何れか一に記載の装置。 13．歯科用Ｘ線映像に用いられるようになっていることを特徴とする請求項１〜 １２のうち何れか一に記載の装置。 14．高エネルギ放射線源と、放射線が高エネルギ放射線源で照射された身体を通 過した後、放射線を受け入れるよう配置された、請求項５を除く請求項１〜 １３のうち何れか一に記載のＣＣＤ装置とから成る装置。 15．高エネルギ放射線を映像化する方法であって、入射高エネルギ放射線を光放 射線に変換するシンチレータ材料層と、入射光放射線を表す電荷が発生する領 域を備えると共に電離放射線による損傷を受けやすい損傷過敏性領域を備えた 固体検出器と、シンチレータ材料層と損傷過敏性領域との間で損傷過敏性領域 に隣接して設けられていて、検出領域の原子番号よりも小さな原子番号を有し ている中間層とから成る高エネルギ放射線検出用ＣＣＤ装置を準備し、中間層 が設けられていない場合に１０krad以上の線量が損傷過敏性領域に蓄積するほ どの比率の入射高エネルギ放射線が検出装置の損傷過敏性領域に入射するよう にすることを特徴とする方法。 16．検出装置は、フォトダイオードアレイであることを特徴とする請求項１５記 載の方法。 17．検出装置は、ＣＣＤアレイであることを特徴とする請求項１５記載の方法。 18．添付の図面に記載し、そして添付の図面を参照して説明した高エネルギ放射 線の検出装置。