JP2000514182A

JP2000514182A - 指向性放射線検出装置及び撮像装置

Info

Publication number: JP2000514182A
Application number: JP10504121A
Authority: JP
Inventors: クローネンバーグ，スタンレイ; ブラッカー，ジョージ，ジェイ
Original assignee: US Government
Current assignee: US Government
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 2000-10-24
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: EA199900077A1; US5665970A; WO1998000731A1; CA2259181A1; EA001795B1; JP3332932B2; EP0991955A4; EP0991955A1

Abstract

(57)【要約】放射線センサ及び／又は撮像装置は、例えばシンチレーターまたはガイガー・ミュラー型放射線計数器、或は例えばシリコンで作成される固体放射線検出器のような放射線検出器（３、５）の周りを、異なる原子番号（Ｚ）を有する２種類の材料（７、１、９）で挾持することによって形成する。本発明の一実施例では、鉛の薄膜がガイガー・ミュラー放射線計数器（３、５）の一方の側に置かれ、１層のルーサイト（７、９）がその反対側に設置される。放射線計数器（３、５）の一方の側に高Ｚ材料（１）を、該放射線計数器（３、５）の反対側に低Ｚ材料（７、９）を設置することによって、該高或は低Ｚ材料（７、１、９）から順方向または逆方向へ放出される光−コンプトン電子と、高Ｚ材料（１）による放出電子の減衰とを検出することが可能である。本発明は、背景放射線レベルまで低下した放射線強度を検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】指向性放射線検出装置及び撮像装置政府関連事項ここに記載の発明は、いかなる実施料の支払も要することなくアメリカ合衆国政府によって又はアメリカ合衆国政府のために、製造、使用、販売、輸入、及び／又は実施許諾され得るものである。関連分野本発明は放射線検出装置に関し、より詳しくは放射線源の方向及び／又は放射線像を提供する放射線検出装置に関する。発明の背景トモグラフィ、天文学、及び民間防衛などの応用分野では、例えばガンマ線や高速中性子線などのような放射線源の方向を決定することがしばしば望まれる。しかしながら、たいていの形態の放射線が光電効果とコンプトン散乱のプロセスを介して物質と相互作用するため、(放射線から検出できるエネルギー形態である)光電子やコンプトン電子の角度分布がこれら散乱事象によって変化したり歪められたりしている。そのため、放射線の入射角を正確に判定するのは難しかった。指向性能を検出装置に与えるためにさまざまな技術が使用されている。共通して用いられる指向性検出装置の一つはコリメータ器械である。そこでは、遮蔽材が検出装置による放射線の取り入れ角を限定し、かつその他の方向からの背景( バックグラウンド)放射線の寄与を低減するのに用いられている。従って、最大出力は遮蔽材内の開口部が放射線源と整合した場合だけ得られる。或る場合には、回転コリメータの開口部、或は複数の開口部が放射線源の方向情報を得るのに用いられている。しかしながら、これらコリメータ器械には幾つか欠点がある。例えばコリメータ壁との相互作用による入射放射線のひずみ、高い指向性分解能が必要な場合の狭い取り入れ立体角のための放射線強度の低下、及び広い取り入れ立体角が必要な場合の角分解能の低下などがそれである。その他の指向性検出装置の設計としては、方向情報が得られるフィラメント形式の検出器が用いられていた。例えばチュップら（Chupp et al.）著「宇宙調査利用のための指向性中性子線検出装置」(IEEE Transactions on Nuclear Scienc e NS-13,４６８〜４７７頁（１９６６年２月号）)は、放射線源に向けてフィラメント軸を軸合せすることで指向性出力が提供されることを開示している。その他の例として、ステッソンら（Stetson et al.）著「中性子のための指向性シンチレーション計数器」(６Nuclear Instrument and Methods,９４〜９５頁 (１９６０年))は、フィラメント列群の列（アレイ）の使用を示唆しており、これはｎ −ｐ衝突からのプロトンの順方向最高（forward-peaked）の角度分布を用いて指向性効果を得ている。多くの応用において、重量と携帯性とは検出装置を選定する際の重要な関心事である。例えば宇宙での応用では軽量な装置が必要であり、しかも修理ができないので簡素なものが望ましい。これらと同一の考え方は、特に手提げ装置、或いは特定の場所へのアクセスが必要になることもある装置のような機動性装置にも適用できる。１９９４年９月６日発行のバイアッドら（Byrd et al）による「指向性高速中性子検出装置」と題された米国特許第5,345,084号は、高速中性子の検出に限定される別の形式の指向性放射線検出装置を開示しており、それは、複数の全方向性の高速中性子放射線検出器が緻密に詰め込まれた構成で配置され、細分化された対称性検出器を形成している。プロセッサは、複数の検出器からの入射放射線の計数を演算的に組合せて、前記放射線源の方向に機能的に対応する信号を出力する。バイアッドの装置の一実施例では４個の検出器が前後と左右との対称性を伴う対関係に配置してある。放射線計数の出力は、前後対称の検出器からの計数の減算と、左右対称の検出器からの計数の減算とを組合せる。得られる差は、放射線源の方向を指示するベクトル量を形成する。しかしながら、前述のようにこの検出装置は高速中性子の方向を検出することに限定されており、又、指向性分解能は低い。従って、高分解能とともに広い取り入れ角を有し、複数の異なる形式または強度の放射線源を検出できる指向性検出装置または撮像装置の需要が存在する。本発明はこの需要を対象とするものである。発明の要約従って、本発明の目的のひとつは、弧度を数分程度に小さくなし得る分解能において、４πの取り入れ立体角を有し、放射線源の方向を検出することのできる放射線検出装置を提供することである。本発明の他の目的は、幾つかの異なる形式または強度の放射線源を検出するように変更することができる指向性放射線検出装置を提供することである。本発明の更に他の目的は、背景放射程度まで低下した放射強度を検出することができる指向性放射検出装置を提供することである。本発明の更に他の目的は、さまざまな放射線源の撮像装置を提供することである。これらの目的及びその他の目的は、異なる原子番号（Ｚ）を有する２種類の材料を用いて、例えばシンチレーター、ガイガー・ミュラー型放射線計数器、或はシリコンなどで形成される固体放射線検出器のような放射線検出器を囲繞或は挾持する本発明によって達成される。本発明の一実施例では、鉛（Ｐｂ）の薄層がガイガー・ミュラー放射線計数器の一方の側に置かれ、ルーサイト^TMの層が反対側に載置される。ガイガー・ミュラー計数器は単一の事象を検出できるので、本発明による指向性放射線検出装置は、約０．１５μＧｙｈ^-1の背景放射線レベルまで低下した放射強度を検出することができる。本発明に用いられる望ましいガイガー・ミュラー計数器の一例は、両側が約２．８ｍｇ／ｃｍ²の厚さの薄いルビー雲母窓（ruby mica windows）を有する修正パンケーキ型ガイガー・ミュラー計数器である。高Ｚ材料を（ガイガー・ミュラー（ＧＭ）或はシンチレーター計数器（ＳＣ）などのような）放射線検出器の一方の側に、又低Ｚ材料を、形式を問わずこれら計数器の反対側に設置することによって、高或は低Ｚ材料から順方向或は逆方向へ放出される光−コンプトン電子(photo-Compton electrons)と、入射ガンマ線の減衰とを検出することが可能になる。計数率（或は強度）に差があれば、放射線源の方向は容易に算出されるし、或は、検出装置の応答の最大変化が発生する角度、つまり点源が所在する角度を決定するために、計数器を単に回転させることができる。計数差（或は強度の鏡像(mirrors)）が得られるように（例えば１８０度のような）異なる角度に移動させた２個の計数器を持つことによって、本発明は遥かに容易に放射線源の方向を検出することができ、後述して説明するように、本発明は放射線源の像を強度の関数として提供することができる。これは、鉛中のような高Ｚ材料から順方向または逆方向へ放出されるよりも、ルーサイト^TM中のような低Ｚ材料から順方向へより多くの電子が放出されるため可能になる。ＧＭ或はシンチレーション計数器に基づいてモニタを設計する長所は、それらの性能が、約０．１５μＧｙｈ^-1である自然背景（バックグラウンド）放射の２或は３倍まで限界強度を低下させると云う点に在る。従って、ＧＭ管或はシンチレーション計数器を用いる本発明を用いれば、自然背景放射に近い強度を持つガンマ線源が同定できて位置決めすることができる。図面の簡単な説明本発明のこれらの目的とその他の目的は、本発明の詳細な説明と添付した以下の図面を用いて容易に明らかになるはずであり、図面中、図１は、一対のパンケーケ型ガイガー・ミューラー（ＧＭ）計数器を用いる本発明の一実施例の断面図であり、図２は、シンチレーションまたは固体計数器のような放射検出器層を用いる本発明の他の実施例の断面図であり、図３は、異なるＺ材料と検出器との幾つかの異なる層群を用いる本発明の更に他の実施例の断面図であり、図４は、電離箱型センサとしての本発明の斜視図であり、図５は、１６種類の異なるＺ材料と組合せてあるルーサイトと、１１種類の異なる材料と組合せてある鉛とに対する図１のパンケーキ型計数器のレスポンスと、計算結果とを比較した双方のデータの組を示し、図６は、コバルト−６０とセシウム−１３７の光子に暴露されたときの１４４ｍｇ／ｃｍ²の鉛のエミッタから図１のパンケーキ型計数器へと逆方向へ放出された電子のフェザー様解析であり、図７は、さまざまな原子番号の元素から順方向へ放出される光−コンプトン電子の、入射光子エネルギーに対する三次元点描図（プロット）であり、図８は、さまざまな原子番号の元素から逆方向へ放出される光−コンプトン電子の入射光子エネルギーに対する三次元点描図（プロット）であり、図９は、４６ｋｅＶのＸ線によって照射された電離箱型センサ（図４）の絶対計数比：Ｒ＝Ｉ₁＋Ｉ₂／Ｉ₁−Ｉ₂の、弧（アーク）秒単位の傾斜角（光子の入射角）に対するグラフ図であり、図１０は、任意の単位での電流出力を、図２に示す装置の回転角に対して表わすグラフであって（２回の独立した走査について）、ここで該装置は４個の独立した¹³⁷Ｃｓと⁶⁰Ｃｏとの放射線源のビームに照射され、又直接像（＜１８０度の回転角）と鏡像（＞１８０度の回転角）との４対を示し、図１１は、Ｓ₂（¹³⁷Ｃｓ源の２）に対応する図１０の走査データからの、直接像及び鏡像（１８０度ずらしたもの）に対する遷移データの１次導関数の、回転角に対するグラフであり、図１２は、Ｓ₁（¹³⁷Ｃｓ源の１）に対応する図１０の走査データからの、直接像及び鏡像（１８０度ずらしたもの）とに対する遷移データの１次導関数の、回転角に対するグラフであり、図１３は、図１０の４個の放射線源と同一放射線源に対する独立した２つの走査にて、シンチレーターに基づく検出装置（図２）を用い、しかしセンサをＳ₁ から移動し遠ざける（放射線源から検知器まで直線に沿って４８．５ｃｍ）ことによって生成した図形の点描図（プロット）であって、Ｓ₁に関するそれぞれの放射線源の極角度計測値と、それに対応する走査角の実験値とが示してあり、図１４ａ及び１４ｂは、図１０と図１３とのグラフを得るために用いた放射線源の物理的構成と幾何学的形状との図であり、図１５は、図２の検出装置を用いて得られた走査データの点描図（プロット）であって、ここで２個の放射線源は、著しく異なるエネルギー、即ち、６６２ｋｅＶの光子を放出する¹³⁷Ｃｓと１７４ｋｅＶのＸ線とを有し、図１６ａ及び１６ｂは、図１５から得られる走査データの組から放射線源の角度を決定する別の方法をグラフで示しており、ここで、セシウム及びＸ線源に対する一対の鏡像は１８０度ずらしてプロットされているため、それらの対応する直接像と交差し、又、像の対の絶対最小値は正規化されて振幅に等しくしてある (交点はその検出装置に対する放射線源の極角度)。図１７は、本発明にて入射する放射線強度の角依存度を計算する方法と関連する角度基準を示し、図１８は、本発明がどのように撮像装置として有用であるかを説明する実験的構成を示してあり、図１９は、図１８の実験的構成を用いて得られた結果と、本発明が撮像装置として有用であることを示す計算結果とをグラフで示す。発明の詳細な説明図１は本発明に従う装置の断面図を示す。図示のとおり、単一の高Ｚ（原子番号）材料層１は、２個のパンケーキ型ガイガー・ミュラー（ＧＭ）計数器３及び５に挾持されている。２個のＧＭ計数器３及び５はそれらの外側を２個の低Ｚ材料層７及び９によって挾持されている。高及び低Z材料に適当な材料は、それぞれ鉛及びポリメチルメタクリレート（ルーサイト^TM或は類似のプラスチック）であろう。２個のＧＭ計数器が示してあるが、本発明は、１層の高Ｚ材料と、１層の低Ｚ材料との間に挾持された１個のＧＭ計数器でも機能することに注目されたい。しかしながら、単一の計数器を用いて同一のデータを得るために、本発明の検出装置は、１８０度よりもむしろ３６０度に亙って回転しなければならない( 後述して説明する)。本実施例において好ましくは、ＧＭ計数器は、２．８ｍｇ／ｃｍ²厚の薄いルビー雲母窓を両側に伴って構成される特別のパンケーキ型計数器である。こうすることによって、計数器のどちらの外側にも、高及び低Ｚの遮蔽材を設けることが可能になり、光子によって生成されたより低エネルギー電子は、薄い雲母窓を貫通してパルスを生成する。ルーサイト^TM及び鉛は、低及び高Ｚ材料のための選定として分かり易いが、さまざまな厚さを有するその他の材料を本発明に用いることができる。材料及び材料の厚さの選定は、後で明らかにされるとおり、材料の原子番号、及び放射線照射された時の順方向と逆方向への材料の電子放出とに大いに依存する。このような観点からさまざまな高及び低Ｚ材料、及び厚さが、本発明における利用のために検討された。特に、図１の装置にて、材料のさまざまな組合せを用い、どの材料が本発明の高及び低Ｚ材料として最も適当であるかが決定された。図５は、１６種類の異なるＺ材料と組合せたルーサイト^TMと、１１種類の異なるＺ元素と組合せた鉛とに対する図１のパンケーキ型ＧＭ計数器の応答を示し、これら同一条件における双方のデータ組を、既知の計算結果と比較した。図示のとおり、データ（丸及び三角形）は、これらのテストにおけるルーサイト^TM(或はポリエチレン)、及び鉛をそれぞれ表す。図５では、それぞれのテストで用いた最低Ｚ材料（即ち、ＢｅとＣ）に対して比較した、それぞれの元素における計数比を、原子番号に対してプロットした。図５から理解されるように、計数比のＺに関する依存は、近似的に直線である。それぞれの実験においてこの比は、任意の元素（Ｚ）に対する計数になるように、最低Ｚ元素（即ち、ＢｅまたはＣ）で得られる計数によって除算して定義される。この直線的性質は、ルーサイト^TM及び鉛と他の元素との遮蔽的組合せの双方に適用される。エラーバーは、元素当り１５回の観察に対する実験的再現性と、計数の統計量とに起因する広がりを含む。理解しやすいように、ルーサイト^TM＋種々のＺ材料に対するエラーバーのみ示す。他の組合せに対して、エラーバーはほぼ同一である。前述のとおり、計算値はほぼ±２０％のエラーバーを有する。計測値に対する計算値の最悪の不一致は、最高Ｚ番号、即ち、Ｚ＝７９（金）に対して発生する。ルーサイト^TM＋遮蔽元素に対してのこれは１２％であり、鉛＋Ｚ元素で得られる結果に対しては２２％である。検出器を挾持する遮蔽材の他の重要なパラメータは、パンケーキ型計数器の背後の遮蔽材からの電予の背面放出である。図６は、コバルト及びセシウムのガンマ線で照射した図１のパンケーキ型計数器ににて用いた、薄い鉛遮蔽材から背面方向へ放出される光−コンプトン電子のフェザー様解析を示す。背面放出電子のこの解析結果を得るために、種々の厚さのアルミニウム吸収材を、計数器と鉛遮蔽材との間に挿入した。特に、計数が一定値まで減少するまで(この数値に達するまで鉛遮蔽材を削除しかつアルミニウム吸収材の厚さを増加させることによって得られる)、アルミニウム吸収材の厚さを増加させ、パンケーキ型計数器とこの計数器の背後の鉛遮蔽材との間に挿入した。この電子のフェザー様解析において、電子は、⁶⁰コバルトと¹³⁷セシウムとの光子によって生成された。この解析の結果は、電子のスペクトルがこれら放射線源に特有であることを証明している。更に図６は、飽和値を減じ、又それらを最大計数値に正規化することによって得られた、両放射線源についての結果を示す。これらの実験において、⁶⁰コバルトのガンマ線に対する最大吸収材厚さは２２３ｍｇ／ｃｍ²であり、又、¹³⁷セシウムの光子に対しては、１３５ｍｇ／ｃｍ² であった。これらの数値はそれぞれ最大電子エネルギーである５００ｋｅＶ及び３５０ｋｅＶにそれぞれ対応している。電子は、３５ｋｅＶの電子閾を有する２．８Ｍｇ／ｃｍ²の計数器の雲母窓を容易に貫通することができる。（パンケーキ型計数器はＧＭ管のそれぞれの側に二つの同一の雲母窓を有する点で独特である。）このように本発明では、背面放出電子は高Ｚ材料の遮蔽材から生成され、又、これら背面放出電子の最大エネルギーは、コバルト光子エネルギーに対して期待される７００ｋｅＶ、及びセシウム放射線に対して期待される５００ｋｅＶの平均エネルギーのいずれに比べても劣っている。図７及び図８は、さまざまな原子番号の材料への入射光子当り順方向及び逆方向に生成される電子、及び予め計算してある光子エネルギーに対して得られる光 −コンプトン電子放出の出版データ（Ｔ．Ａ．デリンら（T．A．Dellin et al. ）著IEEE Trans.Nucl.Sci.,NS-22(6)(1975)2549）に基づいている。図７及び図８から理解されるように、本発明では、光子エネルギーと原子番号に対する電子の生産は、エネルギー或はＺとに関して単一の方向を示さず、これらパラメータの変動とともに増減する。従って、本発明に関して、これらパラメータに伴って単調に増減するとは期待できない。しかしながら、当業者はこのデータから種々のＺ材料と厚さとの組合せをいくらでも選び出して、あらゆる応用にて働く装置に到達することができよう。本発明において、この多重指向性型のレスポンスをもたらし得る二つの基本メカニズムがある。即ち、（１）鉛のエミッタが、放射線源と、計数器＋光−コンプトン電子の放出との間に在る場合の、該エミッタによる減衰と、（２）計数器が、鉛のエミッタと放射線源との間に在る場合の光電子の放出である。光−コンプトン電子の相互作用は、光子エネルギーと共に変動する。光子エネルギーがより高ければ、前面側エミッタからの光−コンプトン電子の順方向放出は、背面側エミッタからの背面放出と結合した取るに足らない減衰を伴い、有効な全計数を生じる。最大対最小比は、飽和が生じるまでエミッタの厚さとともに増加する。最適な信号は、厚さが近似的に電子の範囲に等しくなるとき得られる。⁶⁰コバルトの放射線について、この厚さは約３ミル（８６．５Ｍｇ／ＣＭ²）の鉛であることが実験で確認された。５ミル（１４４．１Ｍｇ／ＣＭ²）の鉛が、パンケーキ型計数器の計測で用いられた。これから、低及び高Ｚ材料を伴って適当に構成されたＧＭ管、或は適切なエミッタを伴うシンチレーション計数器も、（約０．１５μＧｙｈ^-1の）背景放射の２倍程度に低い強度の放射線の基本的な指向性検出装置として役立たせることができることが明らかである。更に、これらのモニタは、５０ｋｅＶから１２５０ｋｅＶまでの広範な量子エネルギーに指向性をもって応答する。より高エネルギ光−コンプトン電子はこれらモニタの指向性に寄与し、又より低エネルギー源に対しては、高Ｚ材料に起因する減衰によって検出装置は働く。セシウムの光子に照射された場合に働く検出装置は、他のあらゆるエネルギーに対しても働くはずである。このような目的のためには、シンチレーション計数器が最高の角感度を提供することになろう。図２を参照すると、低Ｚを有する薄い検出器が、低Ｚを有する材料層と高Ｚを有する材料層との間に挾持してある本発明の他の実施例が示してある。図示のとおり、２個のこのような積層（スタック）は互いに隣接して設けられており、一方の積層は頂部に高Ｚ材料を有し、他方の積層は底部に高Ｚ材料を有する。前述して説明したように、薄い検出器層は、光−コンプトン電子の使用可能な範囲と比較して薄くなければならない。名目上ガンマ線であり、０．６ＭｅＶより高い（即ち、ここでは減衰は取るに足らない）放射線の量子エネルギーに関して、該２層の表面から検出器中へ放出される電子数は、ガンマ線が低Ｚ層を介して進入する場合の方が、高Ｚ層を介して進入する場合より多い。より低い量子エネルギーに対してこの放出効果は逆転するが、しかし、この場合は、入射ガンマ線は低Ｚ層よりも高Ｚ層によって一層減衰させられる。従って、信号は、ガンマ線が低Ｚ材料を介して進入する場合、ガンマ線が高Ｚ層を介して進入する場合の信号と比べてやはり大きくなる。もし、図２に示した２個の検出器の表面に対して平行に、ガンマ放射線が装置に進入すると、両積層の出力は同一になる。検出器１は出力Ｃ₁を生じ、検出器２はそれに対応する出力Ｃ₂を生成する。Ｒ＝（Ｃ₁＋Ｃ₂）／（Ｃ₁−Ｃ₂）なる絶対比を形成すると、Ｒは、Ｃ₁＝Ｃ₂ならば無限大に近付く。従って、Ｃ₁＝Ｃ₂ になると、遷移はきわめて鋭く発生し、従って、ガンマ放射線の入射角の正確な決定が、又あらゆる型の放射線も同様に可能になる。これを得るための異なる方法は、本発明の他の幾つかの異なる実施例との関係において議論されよう。図４は、単一の事象計数器（ＧＭ及びシンチレーター）では飽和するような、より高く、より強い量子エネルギーにて用いることができるように設計された電離箱に基づくセンサを示す。この箱はふたつの子箱１５及び１６からなり(図１参照)、鉛の共通コレクタ電極に対して一方は正の電圧で(子箱１５)、他方は負の電圧でバイアスしてある。両子箱内で導電性プラスチックで被覆される低Ｚルーサイト^TMの電極１２及び１４は、もう一方の電極を提供する。保護環１１がセンサの設計に用いられ得る。この検出装置の出力電流は、二つの子箱からの電流の差である。例えばケイスレー（Keithley）電位計のような（図示せず）電位計が、電極からの電流を計測するのに用いられる。図９は、４６ｋｅＶのＸ線によって照射された場合の、傾斜角（光子の入射角）に対する、図４に示す電離箱装置の出力電流の比のプロットである。図９に示すように、比Ｒ＝Ｉ₁＋Ｉ₂／Ｉ₁−Ｉ₂は、電離箱出力の絶対電流差Ｉ₁−Ｉ₂が４１．２５±１．２５弧（アーク）秒の傾斜角（光子の入射角）にてゼロに接近するにつれて極めて鮮鋭な増加を示す。プロット中の黒帯域は、Ｉ₁＝Ｉ₂である遷移領域を表わしている。エラーバーは計測エラー（例えば電位計や図表記録計のノイズのような）の推定値である。特異性が生起するこの領域は、光子の入射角が（電極の平面を基準として）ゼロに接近し、又光子がルーサイト^TM電極或は鉛電極のどちらかにおいて長い吸収路に進入するときに、光−コンプトン放出電流が突然変化することに起因する。同時に、入射光子に対する撮像装置の傾斜方向に応じて、電流が増加、又は減少する。減少は、光子が最初にルーサイト^TMに、次いで鉛に打ち当るように傾斜運動が向く場合に生じ、又、増加は、鉛に最初に打ち当る場合に生じる。図９のデータと類似の結果は、電離箱センサが、１４ｋｅＶ及び２５０ｋｅＶのＸ線と¹³⁷セシウムのガンマ線とにそれぞれ照射された場合にも得られた。図３、は本発明の更に他の実施例の俯観図である。図示するとおり、本発明は、光電子増倍管に接続してある低Ｚ材料層、シンチレーター検出器層、及び高Ｚ材料層の多数の反復層を含んでもよい。このような実施例において、低Ｚ材料層は厚さ３．１ｍｍのルーサイト^TMでよく、シンチレーター検出器層（名目上、ＮＥ１０２アントラセン充填ポリビニルトルエン）は厚さ０．２５ｍｍでよく、高Ｚ材料層は厚さ０．１３ｍｍの鉛でよい。もちろんこれらの寸法は、単に例として付与されたに過ぎず、用いられる層の厚さ及び材料の形式は、使用に応じて変えることができる。種々のＺ番号の材料の散乱効果に関しては前述しており、当業者は任意の材料と厚さとの組み合せを案出して無数の応用に供することができよう。鉛に比べて、ルーサイト^TMの異なる吸収及び電流放出の特性は、それぞれの放射線源に対してふたつの応答パターンを生じる。図１０は、３個の¹³⁷セシウム源及び１個の⁶⁰コバルト源のビーム内において、二つの独立した作業の間に３６０度回転する図３のシンチレーター検出器を用いて得られた応答パターンを示す。４個の放射線源に応じた、０度から１８０度までの角度に対する反応パターンは、恣意的に、直接像と呼ぶ。＞１８０度の角度（１８０度を越す角度）に対する像は、恣意的に、鏡像と呼ぶ。直接像は、ルーサイト^TMに最初に当り、次いで鉛に当ることを許す回転方向である場合に生じる減少信号（負導関数）を示す。この結果と対照的に、鏡像は、こんどは鉛が最初に打ち当られることによる増加信号（正導関数）を示す。これは、電離箱の傾斜運動について前述したのと同一型の相互作用及び効果である。それぞれの放射線源の極角度は、遷移勾配の中間から角度軸まで直線を引くことによって容易に得ることができる。これらの角度は図１０に４個の放射線源に対してプロットで示してある。又、定規を用いた角度の実測と、放射線源に対して線量率計を用いて計測した強度とが、このプロット中に示してある。図１０に示すように、この実験値は、計測値とほぼ１度以内で一致し、それぞれの放射線源の鏡像は直接像から１８０度以内に在る。又、図１０にて明らかに示されるように、セシウムの光子（即ち、６６２ｋｅＶ）に比べてより高いコバルトのガンマ線エネルギー（即ち、１．１７ＭｅＶ及び１．３３ＭｅＶ）は、コバルト又はセシウム源の検出と位置決めとに干渉しなかった。放射線源の極角度を、走査によって決定する他の二つの方法が、斯かる検出装置及びそのお互いに関係して存在する。その一つは、直接像及び鏡像の遷移領域の１次導関数を計算することである。この手法は、図１１及び図１２によって示され、ここでは、放射線源Ｓ₂及びＳ₁に対して図１０から得られた直接像と鏡像とに対するデータの導関数を表示する。これらの放射線源の位置決めは、直接像と鏡像とのそれぞれの対に対して、極大が生じる角度の中間から得られる。放射線源に対するピークの角度の中間値の差は、他の放射線源全てから離れる角度を示す。例えばＳ₂はＳ₁から３２．９５度離れて所在する。この方法と対照的に、放射線源に対する像の遷移領域の中間から線を簡単に下ろして、異なる放射線源に対するピークの角度の中間値の差を計算することによってこれらの角度を得てもよい。走査データから角度を決定する第３のアプローチは、直接像と鏡像とを切り離して、それから鏡像を１８０度だけずらし、対応する像の対の交差を示すプロットを構成ることである。この方法は、図１６ａ及び図１６ｂのプロットによって示され、これらはＸ線とセシウムの走査データから推論してある。それぞれの像の対の交差点は、放射線源の角位置である。電離箱の結果に関する議論で指摘されたことは、ゼロになるか、あるいは総計数となる電流が、どのようにしてＲ＝Ｉ₁＋Ｉ₂／Ｉ₁−Ｉ₂或はＲ＝Ｃ₁＋Ｃ₂／Ｃ₁−Ｃ₂なる比のアルゴリズムを無限大に近付かせるかであった。図１６a及び図１６ｂに示した鏡像と直接像との交点は、、Ｉ₁＝Ｉ₂或はＣ₁＝Ｃ₂の位置での値である。従って、この放射線源の位置決め法は、電離箱（２個の子箱検出器）或はＧＭ（２重パンケーキ型計数器）撮像装置の場合同様、二つのセンサが同時に１８０度回転する間に、放射線源の位置を図式的に探査するように応用することもできる。図１６ａ及び図１６ｂより理解されるように、Ｘ線源に対する¹³⁷Ｃｓ源の位置、即ち５５．３度は、図１５にて示す５５．５度とほぼ同一値である。従って、どの方法も実際の計測角と良好に一致する。図１４ａ及び図１４ｂは、４個の放射線源と、４８．９ｃｍ離れたふたつの走査位置に所在するＳＣ撮像装置とを示す前述の実験構成を示す。角度と距離との、実験値（括弧内）及び計測値が図１４ａ及び図１４ｂに個別に示してある。角度と距離との実験値及び計測値の一致は良好である。更に本発明は、放射線源の相対強度を決定することができる。図１１及び図１２に示すとおり、任意の二つの放射線源の直接像と鏡像のピークの比のどちらとも、実際の放射線源の強度比に近接している。例えば、Ｓ₁とＳ₂とに対する比は、直接像と鏡像との比に関してそれぞれ１．２と１．０とであり、計測強度比は１．０である。放射線源の位置での遷移領域のピーク対ピークの振幅比は、セシウム源強度にも比例する。コバルト源（Ｓ₄）強度は（線量計で計測したとおり）Ｓ₃（セシウム）のそれのほぼ２倍であり、Ｓ₁（セシウム）及びＳ₂（セシウム）の強度とほぼ同一であるが、走査のピーク対ピーク遷移領域は、セシウムに比べたコバルトの強度比に比例しない。例えば、２組のデータと二つの像形式に対する平均値を用いれば、計測強度に対する比と同じように実験的ピーク比は、Ｓ₁／Ｓ₂＝１である。しかしながら、Ｓ₄／Ｓ₃に関しては、ピーク比は１．０６であり、このとき実際の強度比は１．７である。この不一致は、センサのエネルギー依存性に起因する。より高い強度の（即ち、１．１７ＭｅＶ及び１．３３ＭｅＶ）コバルトのガンマ線は、より数多くのパルスを発生するが、しかし吸収されるエネルギーが少いため (即ち、エネルギーが高いと線形エネルギー伝送、ｄＥ／ｄｘが少なくなる)、シンチレーター内のせん光の発生（light flashes）は少なくなり、従って、光電子増倍管の出力電流の発生は少なくなる。未知の放射線源の強度と、それぞれの該放射線源への検出装置からの距離とは、放射線源から検出装置への直線に対して、ある角度にて検知装置を元の位置から既知の距離だけ離すように動かして決定することができる。実験的に簡単に応用できる他の方法は、放射線源からセンサへの元になる線に沿ってセンサを動かして、センサをＳ₁から離すことである。図１３は、４個の固定された放射線源と、新たな位置の検出装置を用いた、２回の走査の結果を含む。ここでも、その再現性は２回の独立した走査に対して良好である。それぞれの放射線源に対する新たな走査角と、それらの計測角とは、図１３に示すように良好に一致している。４個の放射線源を用いる実験では、他の３個の放射線源の２倍のエネルギーを有する１個の放射線源を含む放射線源の分布を走査し、且つセンサから放射線源までの距離を決定することができるセンサの性能が実証された。しかし、本発明は、全く異質のエネルギーを有する２個の異なる放射線源を走査して、正確に該放射線源を位置決めすることもできる。これを示すため、¹³⁷Ｃｓ源とＸ線源との走査を、ＳＣセンサを用いて行った。図１５は、¹³⁷Ｃｓ源（６６２ｋｅＶガンマ線）と、有効エネルギー１７４ｋｅＶのＸ線の３６０度走査を示す。検出装置で計測した１７４ｋｅＶのＸ線強度は、¹³⁷Ｃｓ源のそれのほぼ３．２倍であった。その実験値は、遷移領域内のピーク対ピーク値から決定されるように、約４．２倍あった。走査値に対する計測比の不一致は、センサのエネルギー依存性同様、１７４ｋｅＶという低い光子エネルギーにおける減衰の増加に起因する。¹³⁷ Ｃｓと１７４Ｘ線源との間の実験角は、計測値の５４．５度に対して、５５．５度である。従って、一致はどの形式の像に対しても１度以内になる。この実験はより低Ｘ線エネルギーである４６ｋｅＶにおいて類似の角位置精度をもって繰り返された。前述のとおり、本発明は極めて高い角分解能と４πの取り入れ立体角とをもって構成され得る。限界分解能と、計数或は電流比の値Ｒとは、計数統計と電流及び角度計測の精度とによって決定される。３種類の異なるセンサ、即ち、前述の電離箱、ガイガー・ミュラー及びシンチレーター検出器は、本発明に従って、あらゆる異なる応用にも用いることができる。これら検出器は、全て計数モード或は電流モードで動作し、ガンマ線或はＸ線の光子に照射される場合には、放射線のフィールドで回転している間中、階段関数の応答を表示する。前述のとおり、１．２５弧（アーク）秒の実験的角分解能が、ゼロ検出器として動作する電離箱センサにて得られた。議論された計測が教示するところでは、本発明は、用いる形式の計数器に応じて、１４ｋｅＶから１２５０ｋｅＶまでのエネルギー領域を包括して働く。光−コンプトン放出電流の計算結果は、これら装置が少なくとも２０ＭｅＶまでの高いガンマ線エネルギーに対して働くはずであることを示唆している。これら３種類の装置形式の強度感度は、１．０メガラド（megarads）／時から背景放射（典型的には１５μラド（μrads）／時）に至るまでの強度値範囲を包括する。（例えば宇宙空間（outerspace）のような）背景放射の強度がより低く、そのエネルギーがより高い領域において、シンチレーターセンサは数光子／ｃｍ²の強度を検出して、その放射線源を位置決めすることが可能である。本発明は、放射線源の直接的な撮像装置として用いてもよいし、放射線で照射された物体からの反射放射線の撮像装置として用いることもできる。この撮像性能の原理は、任意の放射方向分布に対するセンサの応答の誘導として以下に説明する。り、上部回転平面から０とπとの間の角度を介して到達すると仮定する。従って、検出装置の出力σの式はつぎの通りになる：ここで、θとφとは図１７に示すように、放射線の検出装置に対する角度関係であり、Ｓは検出装置の感度、ｋは比例係数である。従って、これはつぎの積分方程式に導かれる：作原理によれば：分方程式は解析的につぎのように解くことができる：この放射線は、上部回転平面からのみ到達するため、Ｌ（０）＝０及びＬ（π ）＝Ｄ（全線量が一定）となる。従って、またはとなる。こうして検出装置の回転軸に垂直な平面への入射角の関数としての入射強度分布は、観察される検出装置の出力の１次導関数に比例している。同一である。従って、放射線が全回転平面を介して送出される場合、強度分布はつぎのように全平面の寄与の和になるはずである：この関係は強度の突然変化が検知器平面に平行な入射に近接する角度で生じる当する。この場合には、放射線は高Ｚ板或は低Ｚ板を介して長い経路を、入射放射線の著しい吸収を惹起しながら進行する。その結果、以下に示す実験結果にて分るように、遷移点の近傍で到達の過不足（アンダーシュート或はオーバーシュート）を生じる。放射線撮像装置としての本発明の有用性を立証するため、半円の銅フィルタ兼支持体を、図１８に示すように形成した。半円構造はデータの解釈を容易にするために選ばれた。本発明は円を描いて回転する仕方なので、湾曲構造は理論上偏平として点描してある。この銅の支持体は、半径１７１ｍｍで１８０度を包括し、本発明に従う放射線検出装置或は撮像装置は、図示のとおり、銅の支持体中の中心を占めている。２層のトリウム（Ｔｈ）が検出装置或は撮像装置から計測されるように銅の支持体に取り付けられ、２８．５度で始まり７３．５度で終わっている。Ｔｈの第３の層も銅の支えに取り付けられたが、この第３の層は検出装置或は撮像装置により計測されるように２８．５度で始まり、１３３度で終わっている。この検出装置或は撮像装置は、この構造の内部で回転し、検出装置或は撮像装置からの総計数が回転角に対してプロットされた。このプロットを図１９に示す。明らかに示されるように、総計数対角度のプロットの勾配は、Ｔｈの層が出発し終了するそれぞれの遷移点で変化する。更に、３層のＴｈが存在する区画からの勾配の変化程度は、単一層のＴｈが在る区画の勾配の３倍である。従って、本発明は、放射線源を３次元の放射線源強度関数として撮像（イメージング）することができる。図１９の破線は、データから直接得られる実線で示すプロットの１次導関数を示す。この一次導関数は、単一層のＴｈと対照して、３層のＴｈの深さ／強度を明らかに表わしている。前述の説明によって限定されないその他の特徴及び修正とが、本発明の意図の範囲内に在ることを理解されたい。当業者によってさらに認識されることになろうが、放射線検知器を挾持するあらゆる構成、検出器、種々のＺ材料及び厚さのあらゆる組合せによって、ここで説明した結果に達することができる。従って、本発明は前述の説明によってではなく、添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきであろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年３月１９日（１９９８．３．１９）【補正内容】請求の範囲１．指向性放射線検出装置であって、少なくとも第１及び第２の側を有する放射線に敏感な手段と、第１の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段の前記第１の側に設けられる第１の材料領域と、前記第１の材料領域の原子番号とは異なる第２の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段の前記第２の側に設けられる第２の材料領域と、ここで、前記第１及び第２の領域の前記第１及び第２の原子番号を充分に相違させて、放射線が前記検出装置に入射するとき、前記第１及び第２の領域間で電子の順方向及び逆方向の放出に差が存在するようにし、前記放射線に敏感な手段からの信号を検出する手段と、を含むことを特徴とする指向性放射線検出装置。２．前記検出器を回転させるための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。３．前記放射線に敏感な手段がガイガー・ミュラー計数器であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。４．前記ガイガー・ミュラー計数器が放射線を透過させ得る少なくとも２つの側を有することを特徴とする請求項３に記載の検出装置。５．前記ガイガー・ミュラー計数器の少なくとも２つの側が薄いことを特徴とする請求項４に記載の検出装置。６．前記放射線に敏感な手段がシンチレーション計数器であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。７．前記放射線に敏感な手段が固体計数器であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。８．前記第１の材料領域がプラスチックによって作製され、前記第２の材料領域が高原子番号の材料で作製されていることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。９．前記信号を検出する手段からの信号数が極大の方向を計算するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。１０．指向性放射線検出装置であって、それぞれが少なくとも第１及び第２の側を有する少なくとも２つの放射線に敏感な手段と、第１の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第１の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、前記第１の材料領域の原子番号とは異なる第２の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第２の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、ここで、それぞれの前記放射線に敏感な手段の前記第１及び第２の領域の前記第１及び第２の原子番号を充分に相違させて、放射線が前記検出装置に入射するとき、前記第１及び第２の領域間で電子の順方向及び逆方向の放出に差が存在するようにし、前記少なくとも２つの放射線に敏感な手段からの信号を検出する手段と、を含むことを特徴とする指向性放射線検出装置。１１．前記検出装置を回転させるための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。１２．前記放射線に敏感な手段がガイガー・ミュラー計数器であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１３．前記ガイガー・ミュラー計数器が放射線を透過させ得る少なくとも２つの側を有することを特徴とする請求項１２に記載の検出装置。１４．前記ガイガー・ミュラー計数器の少なくとも２つの側が薄く作製されることを特徴とする請求項１３に記載の検出装置。１５．前記放射線に敏感な手段がシンチレーション計数器であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１６．前記放射線に敏感な手段が固体計数器であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１７．前記第１の材料領域がプラスチックによって作製され、前記第２の材料領域が高原子番号の材料で形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１８．前記信号を検出する手段からの信号数が極大の方向を計算するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１９．放射線撮像装置であって、それぞれが少なくとも第１及び第２の側を有する少なくとも２つの放射線に敏感な手段と、第１の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第１の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、前記第１の材料領域の原子番号とは異なる第２の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第２の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、ここで、それぞれの前記放射線に敏感な手段の前記第１及び第２の領域の前記第１及び第２の原子番号を充分に相違させて、放射線が前記検出装置に入射するとき、前記第１及び第２の領域間で電子の順方向及び逆方向の放出に差が存在するようにし、前記少なくとも２つの放射線に敏感な手段からの信号を検出する手段と、前記撮像装置を回転させるための手段と、前記信号を検出する手段と前記撮像装置の回転角度から検出した信号の１次導関数を計算するための手段と、を含むことを特徴とする放射線撮像装置。

Claims

【特許請求の範囲】１．指向性放射線検出装置であって、少なくとも第１及び第２の側を有する放射線に敏感な手段と、第１の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段の前記第１の側に設けられる第１の材料領域と、前記第１の材料領域の原子番号とは異なる第２の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段の前記第２の側に設けられる第２の材料領域と、ここで、前記第１及び第２の領域の前記第１及び第２の原子番号を充分に相違させて、放射線が前記検出装置に入射するとき、前記第１及び第２の領域間で電子の順方向及び逆方向の放出に差が存在するようにし、前記放射線に敏感な手段からの信号を検出する手段と、を含むことを特徴とする指向性放射線検出装置。２．前記検出器を回転させるための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。３．前記放射線に敏感な手段がガイガー・ミュラー計数器であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。４．前記ガイガー・ミュラー計数器が放射線を透過させ得る少なくとも２つの側を有することを特徴とする請求項３に記載の検出装置。５．前記ガイガー・ミュラー計数器の少なくとも２つの側が薄いことを特徴とする請求項４に記載の検出装置。６．前記放射線に敏感な手段がシンチレーション計数器であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。７．前記放射線に敏感な手段が固体計数器であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。８．前記第１の材料領域がプラスチックによって作製され、前記第２の材料領域が高原子番号の材料で作製されていることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。９．前記信号を検出する手段からの信号数が極大の方向を計算するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。１０．指向性放射線検出装置であって、それぞれが少なくとも第１及び第２の側を有する少なくとも２つの放射線に敏感な手段と、第１の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第１の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、前記第１の材料領域の原子番号とは異なる第２の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第２の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、ここで、それぞれの前記放射線に敏感な手段の前記第１及び第２の領域の前記第１及び第２の原子番号を充分に相違させて、放射線が前記検出装置に入射するとき、前記第１及び第２の領域間で順方向及び逆方向の放出に差が存在するようにし、前記少なくとも２つの放射線に敏感な手段からの信号を検出する手段と、を含むことを特徴とする指向性放射線検出装置。１１．前記検出装置を回転させるための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。１２．前記放射線に敏感な手段がガイガー・ミュラー計数器であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１３．前記ガイガー・ミュラー計数器が放射線を透過させ得る少なくとも２つの側を有することを特徴とする請求項１２に記載の検出装置。１４．前記ガイガー・ミュラー計数器の少なくとも２つの側が薄く作製されることを特徴とする請求項１３に記載の検出装置。１５．前記放射線に敏感な手段がシンチレーション計数器であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１６．前記放射線に敏感な手段が固体計数器であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１７．前記第１の材料領域がプラスチックによって作製され、前記第２の材料領域が高原子番号の材料で形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１８．前記信号を検出する手段からの信号数が極大の方向を計算するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。１９．放射線撮像装置であって、それぞれが少なくとも第１及び第２の側を有する少なくとも２つの放射線に敏感な手段と、第１の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第１の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、前記第１の材料領域の原子番号とは異なる第２の原子番号を有し、前記放射線に敏感な手段のそれぞれの前記第２の側に設けられる少なくとも２つの材料領域と、ここで、それぞれの前記放射線に敏感な手段の前記第１及び第２の領域の前記第１及び第２の原子番号を充分に相違させて、放射線が前記検出装置に入射するとき、前記第１及び第２の領域間で順方向及び逆方向の放出に差が存在するようにし、前記少なくとも２つの放射線に敏感な手段からの信号を検出する手段と、前記撮像装置を回転させるための手段と、前記信号数と前記撮像装置の回転角とから検出した多数の信号の１次導関数を計算するための手段と、を含むことを特徴とする放射線撮像装置。