JP2001099941A - 放射線遮蔽板、放射線検出器及び放射線遮蔽板の製造方法 - Google Patents
放射線遮蔽板、放射線検出器及び放射線遮蔽板の製造方法Info
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Abstract
クス焼結体を放射線検出器の放射線遮蔽板として用い
る。 【解決手段】 このセラミックス焼結体は90%以上の
放射線遮蔽能力があり、好ましくは高光反射能力を持
つ。このセラミックス焼結体はGd酸化物などの希土類
金属酸化物とNb酸化物などの酸化物及び焼結助剤とし
てアルカリ土類金属酸化物を含む。放射線CT用の放射
線検出器でこのセラミックスはMo,Wなどに代えて放
射線遮蔽板として用いることができるとともに、酸化チ
タンなどに代えて反射材としての役も果たすことができ
る。
Description
れに用いられる放射線遮蔽板に関し、特にX線、γ線な
どの放射線を使うコンピュータ断層撮影(CT)装置等
に使用される放射線検出器及びそれに用いるのに適した
セラミックス放射線遮蔽板及びそれの製造方法に関す
る。
放射線源(例えばX線管)と対称の位置に多数の放射線
検出器を隣り合わせて並べて各検出器の位置での放射線
強度を測定して、被撮影体の内部構造を観察するように
なっている。隣り合って並べられた各放射線検出器は各
画素に相当するものなので、出来るだけ小さく作るとと
もに隣の検出器との間隔を狭くして、解像度、分解能を
上げるように作られている。
導体光検出素子とを積層した構造をしており、シンチレ
ータが放射線源側に開口してX線などの放射線をシンチ
レータで受けるようになっている。シンチレータはCd
WO4 、Bi4 Ge3 O12、Gd2 O2 S:Pr(C
e,F)などで作られていて放射線が入射すると可視光
を発生する。この可視光をシンチレータの裏に付けられ
た半導体光検出素子に入射させて電気信号に変換する。
あるシンチレータに入射した放射線がそのシンチレータ
を通過して隣にあるシンチレータに再度入射するといわ
ゆるクロストークと呼ばれる現象が生じて分解能が低下
するので、シンチレータの間には放射線が通過しないよ
うにMo、W、Pbなどの金属板で作られた遮蔽板が設
けられている。
立体角の方向に発生するがシンチレータの裏に付けられ
た半導体光検出素子に導かれる必要がある。そこで、シ
ンチレータは、その半導体光検出素子と対向している面
を除いて光反射性のよいもので周囲が覆われている構造
をしている。シンチレータとシンチレータとが隣り合っ
ている面は、特に大きいので、この隣接面間に白色塗料
を塗布したり、白色塗料をMoなどの遮蔽板の上に付け
たものをシンチレータ間に入れることも行われている。
この白色塗料としては酸化チタンをエポキシ系などの樹
脂で混練したものが使用されることが多い。
で作られた放射線遮蔽板の両面に酸化チタンなどを樹脂
で固めた光反射板(あるいは膜)を付けたもの(セパレ
ータなどと呼ばれることがある)をシンチレータ間に介
装させた構造とすることが多い。
放射線遮蔽板を作るには50〜100μm程度の厚さに
Mo、W、Pbなどの板を加工する必要があるが、鉄や
アルミニウム等の金属に比べ軟らかかったり硬かったり
と、これらの材料は極めて加工が困難なために、正確な
厚さにするのが困難である。そのために、各シンチレー
タ間のピッチ寸法に狂いが生じることがある。
とシンチレータとを交互に積み重ねたものを、その放射
線受光面と光放出面とをラッピングなどで加工する。こ
の研磨時に、シンチレータは加工されやすく、放射線遮
蔽板は加工されにくいために、遮蔽板がシンチレータか
ら突出して残ってしまう。この積層したものを、半導体
光検出素子に装着すると、突出したMoやW、Pbなど
で光検出素子面を傷つけることがあった。
いは膜)を用いる場合には更に別の問題が生じていた。
光反射板を作る際に80℃程度に加熱するが、この加熱
によってエポキシ系などの樹脂が変色して、光反射板の
反射率が低下したり、その加工時に研削液、砥粒等によ
って、その表面に傷が付いたり、汚染が生じたりして、
局部的な反射率の低下を発生することがあった。
にならなかったり、反りが生じたりした。これらのため
に、反射率が変わり、ひいては素子からの出力の変動が
生じていた。
代えて放射線遮蔽板として用いることのできる、放射線
遮蔽能力が高く、加工の容易なセラミックス焼結体から
なる放射線遮蔽板を提供することを目的としている。
ミックス焼結体からなる放射線遮蔽板を提供することを
他の目的としている。
らなる放射線遮蔽板を組み込んだ放射線検出器を提供す
ることを更に他の目的としている。
結体からなる放射線遮蔽板の製造方法をも提供すること
を目的としている。
器の正面断面図を図1と2に示している。放射線検出器
では、半導体光検出素子1の上に多数のシンチレータ2
が隣り合って並べられており、シンチレータ2の間に放
射線遮蔽板3が介装している。本発明では、この放射線
遮蔽板3が放射線遮蔽能力を有するセラミックス焼結体
からできている。このセラミックス焼結体の放射線遮蔽
率は90%以上、好ましくは95%以上である。図1に
示している放射線検出器では、光反射膜4を放射線遮蔽
板3とシンチレータ2の間に入れている。光反射膜4と
しては、従来から用いられている酸化チタンとエポキシ
系樹脂などとの混合物を塗布することがよい。放射線遮
蔽板3と光反射膜4とを合わせてセパレータと呼ばれて
いる。
ラミックス焼結体としてはセラミックの焼結性および放
射線遮蔽率の面から、Gd、La、Ga、Y、Ce、N
d、Pr、Sm、Dy、Ybの酸化物のうちの少なくと
も1種類の希土類金属酸化物を合計で0〜50mol
%、好ましくは3〜33mol%、Ca、Ba、Mg、
Srの酸化物のうちの少なくとも1種類のアルカリ土類
金属酸化物を合計で0〜33mol%好ましくは0〜2
8mol%、残部がV、Ta、Nbの酸化物の少なくと
も1種類の配合物からなる組成をしているのがよい。
板3が白色セラミックス焼結体からできている。このセ
ラミックス焼結体は、放射線遮蔽能力を持つとともに高
光反射能力を有していて、放射線遮蔽率は90%以上、
好ましくは95%以上であり、光反射能力は70%以
上、好ましくは90%以上である。この場合、セラミッ
クス焼結体自体が光を反射する性質を持っているので、
別の光反射膜を必要としない。この場合は、放射線遮蔽
板3だけでセパレータと呼ばれる。
ましくは、Gd、La、Ga、Yの酸化物のうちの少な
くとも1種類の希土類金属酸化物を合計で3〜33mo
l%、好ましくは5〜33mol%、Ca、Ba、M
g、Srの酸化物のうちの少なくとも1種類のアルカリ
土類金属酸化物を合計で0〜33mol%、好ましくは
0〜28mol%、残部がTa、Nbの酸化物の少なく
とも1種類の配合物からなる組成をしているのがよい。
よび、Vの酸化物のうち少なくとも1種類を含むと白色
のセラミックとはならず、着色してしまうため、放射線
遮蔽の効果は得られるが光反射率が落ちるため反射材と
しての効果が得られないためである。
隣接して接着しているので、セラミックス焼結体をセパ
レータとして用いる場合にはこれらの間の熱膨張係数差
が2×10-6/℃以下、好ましくは熱膨張係数差が1×
10-6/℃以下であるのがよい。
にブロック図で示しているが、上に述べた組成になるよ
うに希土類酸化物、アルカリ土類金属の酸化物及びV、
Nb、Taの酸化物を秤量して湿式混合する。その後約
1000℃で1時間大気中にて仮焼を行う。仮焼粉を粉
の粒度が0.8〜1.0μm程度になるまで粉砕し、そ
の粉砕粉にバインダー(PVA)を混ぜながら造粒す
る。造粒粉をプレス機にて成形ブロックとし、1600
〜1800℃大気中にて焼結を行い、更に焼結ブロック
の高密度化のため1400〜1800℃で、好ましくは
1500℃1000気圧にてHIP(熱間静水圧プレ
ス)処理を行う。その後、酸素量調整として1000〜
1300℃の大気中あるいは酸素中にてアニールを行
う。ここで焼結とHIP処理に代えて、前記配合物を1
400〜1800℃でホットプレスを行うことができ
る。
更に詳しく説明する。
ものについて、図3を参照して述べた製造方法に従っ
て、焼結温度1800℃で大気中焼結し、その後150
0℃1000気圧にてHIPを行ってセラミックス焼結
体を得た。この各焼結体についてX線遮蔽率と光反射率
を測定し、それらの測定値とともに焼結性を表1に示し
ている。
番号について組成元素で表しているが、いずれも酸化物
を意味している。
チレータ板41に管電圧35KVのX線を透過させた時
の出力(X)と、図4(b)に示すようにシンチレータ
板41の一面に被測定セラミックス焼結体で作った30
mm×20mm×厚さ0.2mmを貼り付けた試料42
に同じX線を透過させた時の出力(Y)から X線遮蔽率(%)=(X−Y)/X*100(%) で求めたものであり、光反射率は30mm×20mm×
厚さ0.2mmのセラミックス焼結体に512nm波長
の光を照射して、その反射光の強さと入射光の強さとの
比である。この表で焼結性は、その組成における理論密
度と水置換法で測定した密度の比で表している。
化物が過剰に含まれているので、焼結体にクラックが多
く発生して、X線遮蔽率や光反射率の測定ができなかっ
た。No.3〜19はいずれもX線遮蔽率が90%以上
であったので、これらはX線遮蔽用のセラミックスとし
て用いることができるものである。しかし、これらのう
ちアルカリ土類金属酸化物含有量の少ないものや含有し
ていないもの、及び希土類金属酸化物含有量の多いもの
であるNo.13〜19の密度は0.970〜0.98
2と低く焼結性が劣っている。
ないNo.3の光反射率は70%以上ではあるが低く、
また密度も0.982と比較的低くなっている。
25%含んでいるものを比較すると、Caの酸化物を2
5%含んでいるNo.5、Mgの酸化物を25%含んで
いるNo.10、Baの酸化物を25%含んでいるN
o.11、Srの酸化物を25%含んでいるNo.12
及びCaとMgの酸化物とを合わせて25%含んでいる
No.8、9から明らかなように、アルカリ土類金属元
素はいずれも同じ効果が有り、いずれも焼結性を向上さ
せている。
9を比較して明らかなように、V、Nb、Taの酸化物
は焼結性と放射線遮蔽率に対しては同じ働きをしている
ことがわかる。しかし、No.18で明らかなように、
Vの酸化物を含むと焼結体セラミックスが白色とならず
光反射率が低下してしまうため、Vの酸化物を除いたT
aとNbの酸化物を用いることがより好ましい。
化物に代えて他の希土類元素酸化物La〜Ybの酸化物
を同じ量用いて、実験1と同様な処理を行ってセラミッ
クス焼結体を作製した。その焼結性、X線遮蔽率及び光
反射率を実験1と同様に評価してその結果を表2に示し
ている。このデータから何れの組成でも焼結ができて、
そのX線遮蔽率は同じ程度であり、放射線遮蔽用セラミ
ックスとして用いることができることがわかる。またこ
の結果から、希土類元素は種類が変わっても焼結性と放
射線遮蔽率については、同じ働きをすることが明らかで
ある。しかし、No.23から28は光反射率が60%
以下であるため光反射材としての機能は望めない。希土
類金属酸化物にGd、La、Ga、Yの酸化物を用いる
事により、光反射率の大きい白色セラミック焼結体が得
られた。
ミックスを用いて図1に示す放射線検出器を作った。シ
ンチレータ間に挿入するセパレータとして各セラミック
ス焼結体の厚さを0.1mmとし、その両面に酸化チタ
ンを樹脂で混練して作製した0.05mm厚の光反射膜
を付けた。また、比較例としては、0.1mm厚のMo
板を用い、光反射膜は同様に酸化チタンと樹脂からなる
0.05mm厚のものを用いた。光放出面をラップした
時の放射線遮蔽板3のシンチレータ2面からの突出量と
検出器不良率を表3に示している。試料番号は以下の説
明において、表1,2に示す組成の試料番号を用いるも
のとする。ここで突出量とは、図5に示すように、ホワ
イトアランダム砥粒#2500にて光放出面をラップし
た時に放射線遮蔽板3が突出して残っている量をμmで
示している。検出器不良とは、放射線遮蔽板の突出によ
って半導体光検出素子に傷が付いて、出力電流が発生し
なかったり、暗電流が大きくなったりしたものを言う。
線遮蔽板の突出量が2.0μm以下となるとともに、検
出器不良率も極めて小さくなった。シンチレータ材と本
発明の放射線遮蔽板はともに焼結セラミックであり、硬
度や研磨速度、研磨性が似通っているため、比較例の様
な焼結セラミックシンチレータ材と金属板の組合せに比
べ、突出量が小さく出来るものと考えられる。
20、21のセラミックスを用いて図2に示す16チャ
ネルの放射線検出器を作った。シンチレータ間に挿入す
るセパレータとして各セラミックス焼結体の厚さを0.
2mmとして、酸化チタンの光反射膜を用いなかった。
比較例としては、実験3で用いたものと同じものを用い
た。これらの放射線検出器の出力比、素子間バラツキ、
クロストークを測定した結果を表4に示している。
検出器に照射した時の各シンチレータ当りの出力を比較
例の放射線検出器の出力と比較したものである。素子間
バラツキは、同じX線を放射線検出器に照射した時の出
力から次式 素子間バラツキ=(最高素子出力−最低素子出力)/最
高素子出力*100(%) で求めたものである。クロストークは図6に示すよう
に、ある一つのシンチレータ2の受光窓を残してその周
りにあるシンチレータ2の受光窓をX線の透過しない程
度の厚さをしているPb板6で塞いで、受光窓の開いた
シンチレータの出力の大きさと、その周辺にあるシンチ
レータの出力の比を次式で求めたものである。
レータとして用いている放射線検出器では、比較例のM
o板と酸化チタン(樹脂を含む)を用いているものに比
して、出力が何れも向上するとともに、素子間バラツキ
が小さくなっている。これは、セパレータでの光の吸収
が小さくなって反射量が多いために、光検出部に導かれ
た光が多くなったために出力が大となったと考えられ
る。また、素子間バラツキが比較例の場合の1/2以下
となっているが、これはセパレータ表面での反射率の変
動が少なくなったためであると考えられる。
の場合とほぼ同じとなっている。これは、本発明のセラ
ミックス焼結体はMoと同程度の放射線遮蔽性能を有し
ているためであると考えられる。
o.5)と、従来のMo板と酸化チタン(樹脂を含む)
からなるセパレータについて実験1と同様に光反射率を
測定した。試料を80℃にて所定時間保持してその時間
の経過とともに光反射率を測定した結果を表5に示して
いる。
前の光反射率96%が保持時間とともに低下して、10
00時間では90%まで低下している。これに反し、本
発明のセラミックス焼結体では反射率98%で安定して
いる。比較例のものはエポキシ樹脂の変色が生じたが、
本発明のセラミックスは変色等が生じていないためと考
えられる。
o.5,6,16)をシンチレータに付けて図1に示す
放射線検出器としたもの及びMo板と酸化チタン(樹脂
を含む)からなるセパレータについて同様に比較例の放
射線検出器としたものについて、その剥がれ不良率をそ
の熱膨張係数とともに表6に示す。
はいずれも、Moを用いた比較例と比べて剥がれ不良率
が小さくなっており、そのなかでも熱膨張係数がシンチ
レータ素子とほとんど差のないNo.16セラミックス
を用いている場合は剥がれ不良が発生していない。
0-6/℃以下では不良率が小さくなり、熱膨張係数差が
1×10-6/℃以下になると不良率が0.1%以下とな
っているといえる。
ローチャートの内、焼結温度、ホットプレス温度、アニ
ール温度を変えて焼結性、密度、X線遮蔽率等を測定し
た結果を以下に示す。扱った試料は何れも表1のNo.
13に示す組成のものである。
結し、その後1500℃1000気圧でHIPを行なっ
たものについてX線遮蔽率を測定した。なお、HIP温
度は焼結温度の200〜300℃低い温度で通常行うも
のなので、1500℃に設定している。その結果を表7
に示す。1500℃で焼結したものは、ボイドが多く焼
結性が良くなかった。また1500℃で焼結したものは
HIPができない状態でX線遮蔽率の評価もできなかっ
た。これに対し1600〜1800℃で焼結したものは
焼結性が良くHIPをすると密度が高くなり、X線遮蔽
率も十分大であった。このことから焼結温度は1600
〜1800℃がよいといえる。
セスに代えて、ホットプレスによる焼結を行なった。ホ
ットプレスの焼結温度を1300〜1800℃としたも
のについて、焼結性、密度、X線遮蔽率を測定した結果
を表8に示す。1300℃でホットプレスをしたものは
ボイドが多く、密度が低いものであったが、1400〜
1800℃でホットプレスをしたものは理論密度比98
%以上となりボイドも少なかった。
600℃1000気圧で行なった試料について、900
〜1400℃と温度を変えてアニールを行なった。アニ
ール後の密度とクラックの様子を表9に示す。なお、H
IP後の密度は0.98であった。この結果から100
0℃未満のアニールでは酸素欠損による格子歪みが取り
きれず、加工中にクラックが発生した。1400℃以上
のアニールでは、ボイドが成長し、密度が低くなった。
この結果からアニールは1000〜1300℃がよい。
ミックス焼結体は優れた放射線遮蔽性能を示し、半導体
光検出器との組立時に半導体光検出器への傷付きも少な
く高歩留まりで組立でき、放射線CTなどの放射線検出
器に用いることができる。また、本発明のセラミックス
焼結体は白色で優れた光反射性能をも有していて、放射
線検出器のセパレータとして用いた時に別の光反射板
(あるいは膜)を用いる必要がない。
る。
示すフローチャートである。
る。
る。
Claims (12)
- 【請求項1】 放射線遮蔽能力を有するセラミックス焼
結体であることを特徴とする放射線遮蔽板。 - 【請求項2】 放射線遮蔽能力及び高光反射能力を有す
る白色セラミックス焼結体であることを特徴とする放射
線遮蔽板。 - 【請求項3】 Gd、La、Ga、Y、Ce、Nd、P
r、Sm、Dy、Ybの酸化物のうちの少なくとも1種
類の希土類金属酸化物を合計で0 〜50mol%、Ca、B
a、Mg、Srの酸化物のうちの少なくとも1種類のア
ルカリ土類金属酸化物を合計で0 〜33mol%、残部がV、
Ta、Nbの酸化物の少なくとも1種類の配合物からな
るセラミックス焼結体であることを特徴とする放射線遮
蔽板。 - 【請求項4】 Gd、La、Ga、Y、Ce、Nd、P
r、Sm、Dy、Ybの酸化物のうちの少なくとも1種
類の希土類金属酸化物を合計で3〜33mol%、Ca、B
a、Mg、Srの酸化物のうちの少なくとも1種類のア
ルカリ土類金属酸化物を合計で0〜28mol%、残部が
V、Ta、Nbの酸化物の少なくとも1種類の配合物か
らなるセラミックス焼結体であることを特徴とする放射
線遮蔽板。 - 【請求項5】 Gd、La、Ga、Yの酸化物のうちの
少なくとも1種類の希土類金属酸化物を合計で3 〜33mo
l%、Ca、Ba、Mg、Srの酸化物のうちの少なくと
も1種類のアルカリ土類金属酸化物を合計で0 〜33mol
%、残部がTa、Nbの酸化物の少なくとも1種類の配
合物からなる白色セラミックス焼結体であることを特徴
とする放射線遮蔽板。 - 【請求項6】 Gd、La、Ga、Yの酸化物のうちの
少なくとも1種類の希土類金属酸化物を合計で5〜33mo
l%、Ca、Ba、Mg、Srの酸化物のうちの少なくと
も1種類のアルカリ土類金属酸化物を合計で0 〜28mo
l%、残部がTa、Nbの酸化物の少なくとも1種類の配
合物からなる白色セラミックス焼結体であることを特徴
とする放射線遮蔽板。 - 【請求項7】 シンチレータと放射線遮蔽板、反射材を
積層したものもしくはシンチレータ材と反射材機能を有
する放射線遮蔽板を積層し、半導体光検出素子に接合し
た放射線検出器において、隣り合ったシンチレータの間
に請求項1〜6何れかに記載の放射線遮蔽板を介装して
いることを特徴とする放射線検出器。 - 【請求項8】 請求項7に記載の検出器において半導体
光検出素子側への放射線遮蔽板の突出量が2μm 以下で
あることを特徴とする放射線検出器。 - 【請求項9】 請求項7あるいは8に記載の検出器にお
いて、放射線遮蔽板とシンチレータ間の熱膨張係数差が
2×10-6/℃以下であることを特徴とする放射線検出
器。 - 【請求項10】 Gd、La、Ga、Y、Ce、Nd、
Pr、Sm、Dy、Ybの酸化物のうちの少なくとも1
種類の希土類金属酸化物を合計で0 〜50mol%、Ca、B
a、Mg、Srの酸化物のうちの少なくとも1種類のア
ルカリ土類金属酸化物を合計で0 〜33mol%、残部がV、
Ta、Nbの酸化物の少なくとも1種類を含有する配合
物を、大気中若しくは酸素中で焼結しその焼結体を14
00〜1800℃でHIP(熱間静水圧プレス)を行う
か、あるいは前記配合物を1400〜1800℃で真空
中にてホットプレスを行って、セラミックス焼結体を得
ることを特徴とする放射線遮蔽板の製造方法。 - 【請求項11】 Gd、La、Ga、Yの酸化物のうち
の少なくとも1種類の希土類金属酸化物を合計で3 〜33
mol%、Ca、Ba、Mg、Srの酸化物のうちの少なく
とも1種類のアルカリ土類金属酸化物を合計で0 〜33mo
l%、残部がTa、Nbの酸化物の少なくとも1種類を含
有する配合物を、大気中若しくは酸素中で焼結しその焼
結体を1400〜1800℃でHIP(熱間静水圧プレ
ス)を行うか、あるいは前記配合物を1400〜180
0℃で真空中にてホットプレスを行って、セラミックス
焼結体を得ることを特徴とする放射線遮蔽板の製造方
法。 - 【請求項12】 請求項10または11記載の放射線遮
蔽板の製造方法において、HIPあるいはホットプレス
を行なった後に更に大気中あるいは酸素中で1000〜
1300℃にしてアニールを行ってセラミックス焼結体
を得ることを特徴とする放射線遮蔽板の製造方法。
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