JP2007240306A - シンチレータパネルおよび平面検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】画像分解能が高く、解像度特性を向上できるシンチレータパネル11を提供する。
【解決手段】ガラス基板12上にシンチレータ層15を形成し、シンチレータ層15を防湿層21で覆う。シンチレータ層15は、ガラス基板12の表面から柱状に成長された柱状結晶16を有する。柱状結晶16は、面方向に光学的に不連続でその充填率を７０〜８５％とする第１の部分19と、第１の部分19の表面側で面方向に連続して覆う第２の部分20とを一体に形成する。柱状結晶16の第１の部分19の充填率により、画像分解能が向上する。柱状結晶16の第２の部分20を一体形成により、防湿層21が柱状結晶16間に浸透するのを防止し、柱状結晶16間が光学的に接触しにくくし、画像分解能の低下を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を可視光に変換するシンチレータパネルおよび平面検出器に関する。

従来、医療用もしくは工業用非破壊検査などでは、医療用一般撮影に用いられるフィルムから、コンピューテッド・ラジオロジー（以下、ＣＲ）や平面検出器（以下、ＦＰＤ）のような、電気的な信号で画像情報を取り出す放射線画像検出器に置き換えが進んでいる。ただし、それらの方式も、従来から知られるフィルム方式、Ｘ線イメージ管と同様に、入射Ｘ線を最初に蛍光体膜で可視光に変換するという点では変わりはない。

また、一部のＣＲ装置で使用されているユーロピウム添加の臭化セシウム（ＣｓＢｒ：Ｅｕ）と、大半のＦＰＤで使用されているタリウム添加のヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ)は、いずれも真空蒸着法で柱状結晶になりやすいという理由で、使用されている材料である。

図５には、例えばＣｓＩ：Ｔｌを使ったシンチレータパネルを示す。例えばガラスなどの放射線透過性の支持基板１上に、反射膜２、保護膜３を形成し、その上にＣｓＩ：Ｔｌを材料とするシンチレータ層４を形成し、このシンチレータ層４を覆って防湿層５を形成した構成が基本である。反射膜２は、例えば基板がアルミニウムのような金属の場合、基板材を研磨して鏡面にすることにより、省略することも可能である。

このような構造のシンチレータパネルに、Ｘ線源６から被写体７を通して入射してきたＸ線は、シンチレータ層４で可視光に変換される。代表としてフォトン８を使って説明すると、フォトン８はシンチレータ層４内の発光点９で可視光に変換される。発光点９から光は、フォトン８のベクトルとは全く無関係に八方に発散する。一方、シンチレータ層４は柱状結晶構造であるので、柱状結晶のピラー間の隙間とピラーそのもの（ＣｓＩの屈折率＝１．８）との差により、ある割合の発光光は、ピラー内を通って、シンチレータパネルの表面に出てくる（光路Ａ）。隣のピラー以遠に発散した光も、多くのピラー間の光学的界面を横切って、シンチレータ層４の面方向に発散する確率は低いはずで、ある界面に差し掛かると、やはりそのピラー内に閉じ込められ、シンチレータパネルの表面に出てくる（光路Ｂ）。以上のような作用により、柱状結晶構造のシンチレータ層４は、それほど発光を滲ませることなく、発光を次のデバイス（例えば、ＦＰＤならフォトダイオード）に伝達させる機能を有し、比較的解像度特性が高いシンチレータ層４が得られる。

また、蛍光体を使ったＦＰＤを間接式ＦＰＤと呼び、この間接式ＦＰＤには、シンチレータ層を直接、複数の受光素子が１次元あるいは２次元状に配列されたイメージセンサに蒸着する直接蒸着式ＦＰＤと、シンチレータパネルをイメージセンサに貼り合わせた貼り合わせ式ＦＰＤとの２種類の代表的な形態がある。直接蒸着式ＦＰＤにおいては、イメージセンサ上にＣｓＩの柱状結晶からなるシンチレータ層、保護膜、反射膜、防湿膜を順次積層した構造が代表的である。一方、貼り合わせ式ＦＰＤにおいては、イメージセンサにシンチレータパネルを貼り合わせた構造である。このような構成以外には、シンチレータパネルとＣＣＤカメラ系とを対向させた構成の撮影装置（ＣＣＤ−ＤＲ）があり、この場合も、シンチレータ層の構成は基本的には貼り合わせ式ＦＰＤに使用するシンチレータパネルと構成の違いはない。

このようないかなる様式の検出器の場合においても、シンチレータパネルで説明した、柱状結晶のピラーとその隙間との光学的界面により、それほど発光が発散しないで、ＦＰＤではフォトダイオードに光が到達する機能がシンチレータ層にあることには変わりはない。

さて、シンチレータ層の高解像度化を考える際、柱状結晶のピラー径を小さくするか、柱状結晶間の隙間を十分に大きくして図２を使って説明した、光路Ａ、Ｂのようなライトガイド効果を持たせるような光の伝達機能を高める構造にすることは、有効な手段である。

一方、シンチレータ層のＣｓＢｒ：ＥｕやＣｓＩ：Ｔｌの共通点は、潮解性が若干見られることにあり、この問題点を補う目的で、シンチレータ層を覆ってポリパラキシリレンのＣＶＤ膜で構成される防湿層を形成するのが一般的である。防湿層は柱状結晶のピラー１本１本を個別に覆うように被覆できる特徴があり、柱状結晶のシンチレータ層には適している防湿手段といえる。

しかし、柱状結晶のピラー間に防湿層が浸透することにより、ピラー同士が防湿膜を介して光学的に接触することになり、発光の拡散を抑える機能が低下することになる。ＣｓＩ：Ｔｌのシンチレータ層に膜厚１０μｍの防湿層を成膜したときのＣＴＦ（画像分解能）の低下は１２％（成膜前３９％、成膜後２７％）と大きな差がある。

この問題を解消するために防湿層の膜厚を薄くする方法が考えられるが、この場合も解像度特性の低下が認められる。特に、シンチレータ層の充填率を下げ、柱状結晶のピラー間の隙間を十分に取れるようにした場合、解像度特性の低下は顕著になる。

そこで、シンチレータ層と同じ材料の連続層でシンチレータ層の表面を被覆することにより、シンチレータ層の柱状結晶間への防湿層の侵入を防止する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−７５５９３号公報（第３−５頁、図１）

上述のように、連続層でシンチレータ層の表面を被覆することにより、シンチレータ層の柱状結晶間への防湿層の侵入を防止できるが、こんどは、連続層が柱状結晶のピラー間に浸透し、ピラー同士が連続膜を介して光学的に接触することになり、発光の拡散を抑える機能が低下することになる。このことからも、連続層でシンチレータ層の表面を被覆しただけでは、ＣＴＦが低下し、解像度を十分に向上できない問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、画像分解能が高く、解像度特性を向上できるシンチレータパネルおよび平面検出器を提供することを目的とする。

本発明のシンチレータパネルは、支持基板と、この支持基板の表面から柱状に成長された面方向に光学的に不連続である第１の部分とこの第１の部分の表面側を面方向に連続して覆う第２の部分とが一体に形成された柱状結晶を有し、この柱状結晶の第１の部分の充填率が７０〜８５％であるシンチレータ層と、このシンチレータ層の表面に形成された防湿層とを具備しているものである。

また、本発明の平面検出器は、複数の受光素子が配列されたイメージセンサと、このイメージセンサと組み合わされるシンチレータパネルとを具備しているものである。

また、本発明の平面検出器は、複数の受光素子が配列されたイメージセンサと、このイメージセンサの表面から柱状に成長された面方向に光学的に不連続である第１の部分とこの第１の部分の表面側を面方向に連続して覆う第２の部分とが一体に形成された柱状結晶を有し、この柱状結晶の第１の部分の充填率が７０〜８５％であるシンチレータ層と、このシンチレータ層の表面に形成された防湿層とを具備しているものである。

本発明のシンチレータパネルによれば、柱状結晶の第１の部分を面方向に光学的に不連続でその充填率を７０〜８５％に低下させることにより、画像分解能を向上させることができ、さらに、柱状結晶の第１の部分の表面側には面方向に連続して覆う第２の部分を一体に形成することにより、防湿層が柱状結晶間に浸透するのを防止できるとともに、柱状結晶間が光学的に接触しにくくできて、画像分解能の低下を防止でき、したがって、画像分解能が高く、解像度特性を向上できる。

また、本発明の平面検出器によれば、前記シンチレータパネルを用いることにより、解像度特性を向上できる。

また、本発明の平面検出器によれば、イメージセンサ上に形成されるシンチレータ層において、柱状結晶の第１の部分を面方向に光学的に不連続でその充填率を７０〜８５％に低下させることにより、画像分解能を向上させることができ、さらに、柱状結晶の第１の部分の表面側には面方向に連続して覆う第２の部分を一体に形成することにより、防湿層が柱状結晶間に浸透するのを防止できるとともに、柱状結晶間が光学的に接触しにくくできて、画像分解能の低下を防止でき、したがって、画像分解能が高く、解像度特性を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図３に第１の実施の形態を示す。

図１にシンチレータパネルの断面図を示し、このシンチレータパネル11では、支持基板としてのガラス基板12の表面に、アルミニウムなどで構成される反射膜13、厚さ２００ｎｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などで構成される保護膜14が積層され、さらに、その保護膜14の表面に、タリウム添加のヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ)などで構成されるシンチレータ層15が真空蒸着法にて６００μｍ程度の厚さに成膜されている。

シンチレータ層15は、保護膜14の表面から柱状に成長した複数の柱状結晶16を有し、解像度特性を高める目的で、太さ５μｍのＣｓＩの柱状結晶16間に十分な幅の隙間17ができるように、成膜時のパラメータが調整されている。そして、シンチレータ層15における柱状結晶16の充填率（実際の質量を、理論密度と見かけの体積で割った値）は７０〜８５％である。充填率が７０％より低いと低すぎるためにＸ線の可視光への変換効率が低下し、８５％より高いと解像度特性が低下する。

シンチレータ層15の柱状結晶16の表面側は、ボール研磨により、その後行われる防湿層21のコーティング材が柱状結晶16の隙間17に入り込まない程度に面方向に平坦化および連続化されている。シンチレータ層15の表面の平坦性および柱状結晶16の隙間17の埋まり具合は、研磨に使用するボールの質量と研磨時間に依存し、例えば、直径が３ｍｍのジルコニアボールを使用した場合、８ｃｍ角基板に対して、ボール質量が４０ｇ、研磨時間が２時間とする。このとき、シンチレータ層15の周辺部18は研磨されていない。

したがって、シンチレータ層15は、ガラス基板12の表面から柱状に成長された面方向に光学的に不連続である第１の部分（第１の柱状結晶部分）19とこの第１の部分19の表面側を面方向に連続して覆う第２の部分（第２の柱状結晶部分）20とが一体に形成された柱状結晶16を有し、この柱状結晶16の第１の部分19の充填率が７０〜８５％である。シンチレータ層15の周辺部18は、柱状結晶16の第２の部分20が形成されず、柱状結晶16の第１の部分19が露出している。

さらに、シンチレータ層15の表面を含むガラス基板12の表面全体を覆って、ポリパラキシリレンなどで構成される防湿層21がＣＶＤ法で膜厚１０μｍ程度に形成されている。この防湿層21は、シンチレータ層15の平坦化および連続化された第２の部分20によって柱状結晶16間の隙間17に入り込んでおらず、平坦化および連続化されず柱状結晶16の第１の部分19が露出している周辺部18においては柱状結晶16間の隙間17に浸透されている。

そして、このように構成されたシンチレータパネル11の解像度特性を測定した結果を図２に示す。

サンプル１は、シンチレータ層15の充填率が８５％より高い比較例で、シンチレータ層15には第２の部分20は形成されていない。このサンプル１では、２Ｌｐ／ｍｍでのＣＴＦ（画像分解能）が低いが、防湿層21がない場合に対するある場合のＣＴＦの低下は２．８％で済んでいる。これは、シンチレータ層15の充填率が高いときは、柱状結晶16間の光学的な独立性が低いために防湿層21による光学的結合の効果が顕著ではないことと、柱状結晶16間の隙間17が狭いので防湿層21が浸入しにくいことが原因と考えられる。

サンプル２は、シンチレータ層15の充填率が７０〜８５％の低い範囲にある比較例で、シンチレータ層15には第２の部分20は形成されていない。このサンプル２では、サンプル１に対してＣＴＦが向上するものの、防湿層21がない場合に対するある場合（膜厚１．１μｍ）のＣＴＦの低下が５．３％に増加している。これは、シンチレータ層15の充填率が低いときは、柱状結晶16間の隙間17が広いので防湿層21が浸入しやすいことが原因と考えられる。

サンプル３は、本実施の形態であり、サンプル１、２に対して２Ｌｐ／ｍｍでのＣＴＦが向上し、防湿層21がない場合に対する防湿層21がある場合（膜厚１０μｍ）のＣＴＦの低下を１．５％に抑えることができた。

これは、柱状結晶16の第１の部分19を面方向に光学的に不連続でその充填率を７０〜８５％に低下させることにより、画像分解能を向上させることができ、さらに、柱状結晶16の第１の部分19の表面側には面方向に連続して覆う第２の部分20を一体に形成することにより、防湿層21が柱状結晶16間に浸透するのを防止できるとともに、柱状結晶16間が光学的に接触しにくくできて、画像分解能の低下を防止できた。

さらに、防湿層21の膜厚を１０μｍと十分な厚さにでき、シンチレータパネル11の耐湿特性を高くできる。

しかも、シンチレータ層15の周辺部18は、柱状結晶16間の隙間17に防湿層21が浸透している構成なので、防湿層21の周辺部での剥がれが起きにくく、周辺部18からの水分の浸入による反射膜13の酸化も防止できる。このシンチレータ層15の周辺部18は、通常の放射線診断装置などの画像に寄与しない部分であるので、その部分に防湿層21が浸透することは問題ない。したがって、周辺部18に防湿層21が浸透した構成にすることにより、防湿層21の剥がれ防止および封止の機能を持たせることができる。

また、図３に、シンチレータパネル11を用いた平面検出器の断面図を示す。

平面検出器31は、シンチレータパネル11をイメージセンサ32に貼り合わせた貼り合わせ式平面検出器である。イメージセンサ32は、ガラス基板33上に、マトリクス状に配置されたフォトダイオードなどの複数の受光素子34、これら受光素子34からの電気信号を選択的に取り出すスイッチング素子などが形成されている。イメージセンサ32の表面には平坦化層35が形成されている。

そして、シンチレータパネル11とイメージセンサ32とを貼り合わせて構成される平面検出器31によれば、画像分解能が高く、解像度特性を向上できる。

次に、図４に第２の実施の形態を示す。なお、第１の実施の形態と同様の構成は同一符号を用いて説明する。

平面検出器41は、直接蒸着式平面検出器であり、イメージセンサ32を備えている。イメージセンサ32は、ガラス基板33上に、マトリクス状に配置されたフォトダイオードなどの複数の受光素子34、これら受光素子34からの電気信号を選択的に取り出すスイッチング素子などが形成されている。

イメージセンサ32上に、例えばポリイミドで構成される平坦化層35が成膜され、さらにその上にＣｓＩ：Ｔｌで構成されるシンチレータ層15が真空蒸着法にて６００μｍ程度の厚さに成膜されている。

シンチレータ層15の柱状結晶16の表面側は、ボール研磨により、その後行われる防湿層21のコーティング材が柱状結晶16の隙間17に入り込まない程度に面方向に平坦化および連続化されている。

したがって、シンチレータ層15は、イメージセンサ32の表面から柱状に成長された面方向に光学的に不連続である第１の部分19とこの第１の部分19の表面側を面方向に連続して覆う第２の部分20とが一体に形成された柱状結晶16を有し、この柱状結晶16の第１の部分19の充填率が７０〜８５％である。シンチレータ層15の周辺部18は、柱状結晶16の第２の部分20が形成されず、柱状結晶16の第１の部分19が露出している。

さらに、シンチレータ層15の表面を含むイメージセンサ32の表面全体を覆って、ポリパラキシリレンなどで構成される防湿層21がＣＶＤ法で膜厚１０μｍ程度に形成されている。この防湿層21は、シンチレータ層15の平坦化および連続化された第２の部分20によって柱状結晶16間の隙間17に入り込んでおらず、平坦化および連続化されず柱状結晶16の第１の部分19が露出している周辺部18においては柱状結晶16間の隙間17に浸透されている。

さらに、アルミニウムを蒸着し反射膜42を形成し、反射膜42とシンチレータ層15全体を保護する目的で防湿膜43を形成する。

そして、この直接蒸着式の平面検出器41においても、高い分解能特性と、高い耐湿特性を両立することができる。

なお、シンチレータパネル11、平面検出器31，41は、上記実施の形態で具体的に示した構成に限らない。例えば、支持基板の材料には、ガラス、グラファイト、ガラス状カーボンプレート、炭素繊維強化プラスチック、ベリリウム、チタン、アルミニウム、およびそれらの合金、セラミクス（アルミナ、ジルコニア、ベリリア）、高分子材料（ポリカーボネート）などが用いられる。反射膜13，42には、アルミニウムの他に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、およびそれらの合金、酸化チタン、酸化マグネシウムなどが用いられる。防湿膜21，43の材料には、ポリパラキシリレンの他に、ポリイミド、ポリ尿素、ポリアミド、ポリウレタン、ポリアゾメチン、ニトロセルロース、酢酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビリニデン、ポリアミド系合成繊維、塩化ビリニデン−塩化ビニル共重合体、塩化ビリニデン−アクリロニトリル共重合体、ポリオレフィン、エポキシ樹脂、ポリアクリレートといった高分子材料が用いられる。保護膜14には、酸化ケイ素の他に、酸化マグネシウム、酸化チタン、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、フッ化バリウム、もしくは防湿材料が用いられる。

また、シンチレータ層15は、ＣｓＩのみならず、柱状結晶になりやすいＣｓＢｒのときも同様の効果が得られる。

また、前記各実施の形態の平面検出器31，41は、イメージセンサ32として、ＣＣＤ、ＣＭＯＳを選択しても同様の効果が得られる。

また、シンチレータ層15の第２の部分20をＣｓＩの蒸着膜とすることもできる。この場合は、成膜時のプロセスパラメータを適切に調節することにより、柱状結晶16が集合した第１の部分19の上に、一体的に面方向に連続的な第２の部分20を形成できる。

本発明の第１の実施の形態を示すシンチレータパネルの断面図である。 同上シンチレータパネルの解像度特性を測定した結果を示す表である。 同上シンチレータパネルとイメージセンサとを貼り合わせた貼り合わせ式の平面検出器の断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す直接蒸着式の平面検出器の断面図である。 従来のシンチレータパネルの機能を説明する説明図である。

符号の説明

11 シンチレータパネル
12 支持基板としてのガラス基板
15 シンチレータ層
16 柱状結晶
19 第１の部分
20 第２の部分
21 防湿層
31 平面検出器
32 イメージセンサ
34 受光素子
41 平面検出器

Claims (5)

1. 支持基板と、
   この支持基板の表面から柱状に成長された面方向に光学的に不連続である第１の部分とこの第１の部分の表面側を面方向に連続して覆う第２の部分とが一体に形成された柱状結晶を有し、この柱状結晶の第１の部分の充填率が７０〜８５％であるシンチレータ層と、
   このシンチレータ層の表面に形成された防湿層と
   を具備していることを特徴とするシンチレータパネル。
2. 支持基板の周辺部は、シンチレータ層の表面側に柱状結晶の第１の部分が露出し、その柱状結晶の第１の部分の隙間に防湿層が浸透している
   ことを特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
3. 複数の受光素子が配列されたイメージセンサと、
   このイメージセンサと組み合わされる請求項１または２記載のシンチレータパネルと
   を具備していることを特徴とする平面検出器。
4. 複数の受光素子が配列されたイメージセンサと、
   このイメージセンサの表面から柱状に成長された面方向に光学的に不連続である第１の部分とこの第１の部分の表面側を面方向に連続して覆う第２の部分とが一体に形成された柱状結晶を有し、この柱状結晶の第１の部分の充填率が７０〜８５％であるシンチレータ層と、
   このシンチレータ層の表面に形成された防湿層と
   を具備していることを特徴とする平面検出器。
5. イメージセンサの周辺部は、シンチレータ層の表面側に柱状結晶の第１の部分が露出し、その柱状結晶の第１の部分の隙間に防湿層が浸透している
   ことを特徴とする請求項４記載の平面検出器。

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