JP2007333653A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テーパＦＯＰとイメージインテンシファイアとを光学的に直接接続した状態で、イメージインテンシファイアの光電面を効率よく冷却することができる光検出装置を提供する。
【解決手段】光検出装置においては、ペルチェ素子３３は、イメージインテンシファイア１３の入射窓部材の入射面１３ａ側に設けられた第１の熱伝導部材（継ぎ手３２及び銅板２４）に取り付けられて、入射窓部材に設けられた光電面を冷却する。また、テーパＦＯＰ３のテーパ部分の一部に断熱材４１を設けることにより、テーパＦＯＰ全体に外気温に対する適切な温度勾配を確保して、テーパＦＯＰ表面での結露の発生を防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、特にバイオ分野などにおいて、測定対象物から発せられる放射線を検出する放射線検出装置に関するものである。

従来の光検出装置として、例えば特許文献１に記載されているように、ガラスファイバーテーパー要素（テーパＦＯＰ）の小面積端部を画像センサー（イメージインテンシファイア）と光学的に直接接続させることによって、ガラスファイバーテーパー要素にて検出した画像を縮小して伝搬し、その画像を画像センサーにて増強し測定するものが知られている。この光検出装置では、画像センサーの光電面として熱雑音の低いバイアルカリが使用されている。
特開平１１−２４１９４７号公報

近年、更に検出感度の高い光検出装置が求められており、その要求に応えるために、イメージインテンシファイアの光電面として、量子効率の高いＧａＡｓＰ等を使用する必要が生じている。しかし、量子効率の高い光電面は一般的に熱雑音が多く、冷却無しでは検出感度の向上が図れないという問題がある。ここで、一般的な方法として、イメージインテンシファイアの入射面に冷却素子を内部に備える真空容器を設けることにより、光電面を冷却することが考えられる。ところが、この構成では、テーパＦＯＰの出射面とイメージインテンシファイアの入射面とを直接接続できないため、サンプルから放射された光を高感度でかつ高分解能で検出することができなかった。また、検出器全体を真空チャンバ内に配置して冷却する方法も考えられるが、非常に大掛かりなものとなり、可搬型の光検出装置として不適切であった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、テーパＦＯＰの出射面とイメージインテンシファイアの入射面とを光学的に直接接続した状態で、イメージインテンシファイアを効率よく冷却することのできる光検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、測定対象物からの放射線を検出する放射線検出装置において、測定対象物からの放射線を導波するテーパＦＯＰと、入射面がテーパＦＯＰの出射面と光学的に接続されたイメージインテンシファイアと、イメージインテンシファイアの入射面に取り付けられた第１の熱伝達部材と、第１の熱伝達部材に取り付けられてイメージインテンシファイアの光電面を冷却する冷却素子と、を備え、テーパＦＯＰのテーパ部分の少なくとも一部には断熱材が設けられていることを特徴とする。

この放射線検出装置では、冷却素子が取り付けられた第１の熱伝達部材が、イメージインテンシファイアの入射面に取り付けられている。そのため、イメージインテンシファイアの光電面は、第１の熱伝達部材を介してイメージインテンシファイアの入射面側から冷却されることとなる。また、テーパＦＯＰの出射面とイメージインテンシファイアの入射面とを直接接続する構成としたため、テーパＦＯＰもその出射面側から冷却されることとなるが、テーパＦＯＰのテーパ部分の少なくとも一部に断熱材を設ける構成としたため、テーパＦＯＰに外気温度に対する適切な温度勾配が確保される。このような構成を採用することにより、冷却の影響による、テーパＦＯＰ表面での結露が防止される。これにより、イメージインテンシファイアを、結露の発生を抑制しつつ効率よく冷却することが可能となる。その結果、測定対象物から放射される放射線を高感度でかつ高分解能で検出できる。

また、イメージインテンシファイアの出射面側には光透過性を有する真空部材が設けられていることが好ましい。この光検出装置によれば、イメージインテンシファイアの出射面はその側管を通じて冷却されるが、光透過性を有する真空部材を出射面に取り付けることによって、イメージインテンシファイアの出射面から出射される光を妨げることなく、イメージインテンシファイアの出射面側での結露の発生を防止することができる。

また、真空部材に対して、外気の熱を伝達する第２の熱伝達部材を更に備えることが好ましい。この放射線検出装置によれば、第２の熱伝達部材を介して、外気の熱を真空部材に伝達することができるため、一層確実にイメージインテンシファイアの出射面側での結露を防止することができる。

また、第１の熱伝達部材は、イメージインテンシファイアの入射面に沿うように設けられた本体部と、本体部に対して断面Ｌ字状に屈曲するように形成された屈曲した屈曲部とを有し、冷却素子は、屈曲部に取り付けられていることが好ましい。この光検出装置によれば、冷却素子がイメージインテンシファイアの入射面と略垂直な方向に配置されることとなるので、光検出装置の幅を抑えることができる。

また、イメージインテンシファイアにおける光電面の電極には、第１の熱伝達部材が接続されていることが好ましい。この光検出装置によれば、イメージインテンシファイアの入射面側からの冷却のみならず、電極を介してイメージインテンシファイアの光電面が直接冷却されることとなる。これによって、一層効率よく光電面を冷却することができる。

このように本発明によれば、テーパＦＯＰの出射面とイメージインテンシファイアの入射面とを光学的に直接接続した状態で、イメージインテンシファイアを効率よく冷却することができる。その結果、量子効率の高い光電面を有するイメージインテンシファイアを使用した場合であっても、結露の発生を抑制しつつ、高感度でかつ高分解能な放射線検出を実現することが可能となる。

以下、本発明に係る放射線検出装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る放射線検出装置１の全体を示す正面図である。放射線検出装置１は、例えばマイクロプレートやシャーレなどの容器Ｓ内に配置された測定対象物からの放射線（発光、蛍光、燐光、γ線やβ線等）を検出することにより測定を行うものである。以下、測定対象物からの発光を検出する光検出装置として詳述する。

光検出装置１は、図１に示すように、ハウジング２を有し、このハウジング２の内部には、測定対象物からの光を縮小して導波するテーパＦＯＰ（ファイバオプティクスプレート）３が容器Ｓと対向するように収容され、ハウジング２の上部には、導波された光を増幅するイメージインテンシファイアが収容されたヘッド４が取り付けられる。そして、このヘッド４の上部には、イメージインテンシファイアによって増幅された光を撮影するＣＣＤカメラ６がリレーレンズ７を介して取り付けられている。

ヘッド４のカバー４ｃからは冷却媒体、例えば冷却水を循環させるためのチューブ８が導出され、このチューブ８はポンプ９と接続されている。ポンプ９はチューブ８内の冷却水に圧力を与えることによって循環させ、これによって、ヘッド４内部の熱を外部に放出する。

ポンプ９は、ペルチェ素子１１の吸熱面と接続されており、またペルチェ素子１１の放熱面は、ファン１２によって強制的に空冷冷却されているヒートシンク１３と接続されている。このような構成によって、ヘッド４内部を循環することによって暖められた液は、ポンプ９に戻ってきた際にペルチェ素子１１により冷却されることとなる。

ここで、ハウジング２とヘッド４の内部構成及びその冷却構造を、図２〜５を参照しながら説明する。

図２及び図３に示すように、ヘッド４の内部では、イメージインインテンシファイア１３の入射面１３ａとテーパＦＯＰ３の出射面３ｂとが直接接続されている。イメージインテンシファイア１３の入射面１３ａにはさらに、冷却素子としてのペルチェ素子３３が取り付けられた第１の熱伝達部材が設けられている。第１の熱伝達部材は、イメージインテンシファイアの入射面に沿うように設けられた本体部としての銅板２４と、銅板２４に対して断面Ｌ字状に屈曲するように設けられた屈曲部としての継ぎ手３２とから構成される。ペルチェ素子３３の吸熱面は第１の熱伝達部材と接続され、またその放熱面は、チューブ８を有するウォータージャケット（放熱手段）３４と接続されている。

イメージインテンシファイア１３は、図４（ａ）に示すように、近接型のイメージインテンシファイアであり、真空容器を形成する筒状体１４を有している。この筒状体１４の一端には、イメージインテンシファイア１３の入射面１３ａが形成された入射窓部材１６が設けられ、筒状体１４の他端には、イメージインテンシファイア１３の出射面１３ｂが形成された出射窓部材１７が設けられている。これらの入射窓部材１６及び出射窓部材１７は、例えばＦＯＰで形成されている。そして、これらの部材によって密封された内部空間は真空とされている。

入射窓部材１６における入射面１３ａと反対側の面上には、光を電子に変換する光電面１８が設けられ、出射窓部材１７における出射面１３ｂの反対側の面上には、電子を光に変換する蛍光面１９が設けられている。そして、その光電面１８及び蛍光面１９の間には、電子を増幅するマイクロチャンネルプレート２１が、それぞれの面と対向するように配置されている。

上述の構成によって、イメージインテンシファイア１３の入射面１３ａから入射した光は、増幅されて出射面１３ｂからＣＣＤカメラ６（前述）へ出射されることとなる。なお、光電面１８として、量子効率の高いＧａＡｓＰが使用されている。更に、このＧａＡｓＰは冷却されることにより、低い熱雑音で使用することができる。

また、入射窓部材１６における入射面１３ａと反対側の面であって、光電面１８よりも一段下がった面に光電面１８の電極２２が設けられており、電極２２と入射窓部材１６との間にはインジウム２３が充填されている。電極２２は、例えばコバールで形成されている。

図３、図４（ａ）及び図５に示すように、このイメージインテンシファイア１３の入射面１３ａ側には、銅板２４が取り付けられている。

この銅板２４はイメージインテンシファイア１３の入射面１３aを覆う矩形形状をなしており、イメージインテンシファイア１３の入射面１３ａに密着するように、接着剤で接着されている。これによって、光電面１８は、入射窓部材１６を介して入射面１３ａ側から冷却されることとなる。なお、銅板２４には、イメージインテンシファイア１３とテーパＦＯＰ３との光学的な接続を妨げないように、貫通穴２４ａがその中央部に設けられている。貫通穴２４ａは、テーパＦＯＰ３の出射面３ｂの外形形状と一致するように、例えば円形形状とされるのが好ましい。また継ぎ手３２は、貫通穴２４ａを挟んで対向する位置に少なくとも２つ設けられており、各々がペルチェ素子３３を備える構成となっている。継ぎ手３２は、光電面１８の冷却効率および冷却ムラの観点から、光電面１８を挟んで対向する位置に設けることが好ましいが、配置される箇所および個数に制限されるものではない。

また、図４（ｂ）に示すように、イメージインテンシファイア１３の筒状体１４には、入射面側の一部が入射窓部材１６の外周に沿って削り取られた凹部が形成されており、光電面に電圧を印加するための電極２２が露出されている。一方、銅板２４にはこの凹部と係合する凸部が設けられている。このため、銅板２４が入射面１３aに密着されると、銅板２４はこの電極２２にも接続される。その結果、光電面１８は、入射窓部材１６を介した冷却のみならず、電極２２を介しても冷却されることとなる。これによって、一層効率よく光電面１８を冷却することができる。

図３及び図５に示すようにイメージインテンシファイア１３の側管１３ｃには、その側管１３ｃと同径の内周を有する筒状の断熱材２６が設けられている。側管１３ｃは入射窓部材１６と接触しているため、側管１３ｃも入射窓部材１６を介して冷却されることとなるが、この断熱材２６は側管１３ｃと密着されるため、側管１３ｃにおける結露の発生を防止している。

イメージインテンシファイア１３の出射窓部材１７には、出射面１３ｂ表面での結露を防止するために、光透過性材料、例えば石英からなる円板状の真空セル２７が、光学グリスによって出射面１３ｂと密着するようにして設けられている。この真空セル２７は内部が真空とされるため断熱性を有する。これによって出射面１３ｂから出射される光を妨げることなく、出射面１３ｂ側での結露の発生を防止することができる。

また、このようにイメージインテンシファイア１３に断熱材２６及び真空セル２７が取り付けられた状態において、これらの部材とイメージインテンシファイア１３とを固定するようにケース２８が取り付けられている。ケース２８には、筒状の保持部２８ａ及び保持部２８ｂが形成されており、この保持部２８ａによって断熱材２６が取り囲まれるようにして保持され、保持部２８ｂによって真空セル２７が同様に保持される。そして、保持部２８ａの外周側の端部には複数のフランジが設けられており、このフランジと銅板２４に設けられた穴とをネジ止めすることによって、銅板２４とケース２８とを固定する。

真空セル２７の後段には、リング状のアルミ板２９が配置されている。そして、その後方から筒状のアルミ柱３１で押さえつけることによって、アルミ板２９と真空セル２７とを密着させる。なお、保持部２８ｂの内周面とアルミ柱３１の外周面はそれぞれねじ切られており、保持部２８ｂにアルミ柱３１をねじ込むことによって、アルミ板２９が押し付けられ固定される。後述するように、アルミ柱３１は、外気温と同程度の温度を有するヘッド４と熱的に接続されるため、外気の熱がアルミ板２９を介して真空セル２７へ伝達される。これによって、真空セル２７の表面における結露の発生を一層防止することができる。

銅板２４の長手方向の両端には、銅からなる継ぎ手３２がそれぞれ取り付けられている。この継ぎ手３２は、銅板２４と接続される接続部３２ａと、接続部３２ａに対して断面Ｌ字状に屈曲した屈曲部３２ｂとを有し、屈曲部３２ｂが銅板２４の両端から外側を向くようにしてネジ止め固定されている。

屈曲部３２ｂにおけるイメージインテンシファイア１３と反対側の面には、銅板２４と継ぎ手３２とからなる第１の熱伝達部材を冷却するためのペルチェ素子３３が、吸熱面側で接触するように設けられている。

更に、そのペルチェ素子３３の放熱面には、チューブ８によって循環される冷却水が通過するウォータージャケット３４が配置される。ウォータージャケット３４は、冷却水を導入するための導入口３４ａ及び排出させるための排出口３４ｂを有している。

ウォータージャケット３４を配置した後、導入口３４ａと排出口３４ｂとの間に樹脂からなる長方形の固定部材３６を配置し、屈曲部３２ｂとねじ止め固定することによって、ペルチェ素子３３とウォータージャケット３４を挟み込むようにして保持する。以上のように、ペルチェ素子３３及びウォータージャケット３４が入射面１３ａに対して垂直な方向に配置されることとなるので、光検出装置１におけるヘッド４の幅を抑えることができる。

以上のように接続、固定された銅板２４、継ぎ手３２、及びペルチェ素子３３の結露を防止するため、これらの部品を取り囲むようにして断熱材３７が貼り付けられている。

上述したように冷却手段と結露防止手段が取り付けられたイメージインテンシファイア１３は、ガイドケース３８に取り付けられる。ガイドケース３８には、内周側及び外周側へ広がるフランジ３８ａと、このフランジ３８ａから突き立てられた２本の押さえ部３８ａ及び２本の押さえ部３８ｃとが設けられている。

そして、図２に示すように、その押さえ部３８ｂ及び押さえ部３８ｃによって断熱材３７が挟み込まれるようにして保持される。また、内周側のフランジ３８ａにはイメージインテンシファイア１３へ向かうピンが４箇所に設けられており、そのピンにケース２８と接触するようにスプリング３９が配置されている。

なお、図３及び図５に示すように、効率よくアルミ柱３１に熱を伝えるために、アルミ柱３１の外周と同径の内周を有する略筒状の伝熱金具３０を、アルミ柱３１にはめ込む。このとき、伝熱金具３０の端部に設けられたフランジ３０ａは、ガイドケース３８のフランジ３８ａと接触する。フランジ３８ａは、ヘッド４のリアパネル４ａにネジ止め固定されている。そのため、アルミ柱３１は、外気と接触するリアパネル４ａ及びヘッド４と熱的に接続されて、外気温の熱がアルミ柱３１へ伝達されることとなる。これによって、真空セル２７の表面における結露の発生が防止される。

放熱手段を構成するチューブ８は、ウォータージャケット３４の導入口３４ａ及び排出口３４ｂに継ぎ手４０を取り付けることによって接続される。このとき、ウォータージャケット３４は、イメージインテンシファイア１３の入射面１３ａに対して垂直方向に配置されているので、チューブ８の取り回しが容易に行える。また、リアパネル４ａに図示されないコネクタや電源等を取り付け、ヘッド４のフロントパネル４ｂ及びカバー４ｃ（図１参照）を取り付けることにより、イメージインテンシファイア１３及びその冷却構造、断熱構造をヘッド４に収容する。

また、テーパＦＯＰ３の入射面３ａから出射面３ｂに向かって形成されたテーパ部分３ｃの一部には、このテーパ部分３ｃと同等の勾配となるような内周及び外周を有する筒状の断熱材４１が設けられている。この断熱材４１は、断熱材３７に接するように配置されている。テーパＦＯＰ３は、イメージインテンシファイア１３の入射窓部材１６と直接接続されるため、出射面３ｂ側から冷却されることなる。よって、断熱材４１は、テーパ部分３ｃのうち、出射面３ｂ側の少なくとも一部に配置されるのが好ましい。

この断熱材４１が設けられたテーパＦＯＰ３は、箱状のハウジング２に収容され、その状態でハウジング２の上面２ａとヘッド４のフロントパネル４ｂとがネジ止め固定される。このとき、イメージインテンシファイア１３がケース２８を介してスプリング３９によって押し付けられるため、イメージインテンシファイア１３の入射面１３ａとテーパＦＯＰ３の出射面３ｂとは密着することとなる。これによって、光検出装置１は高感度でかつ高分解に測定対象物の光を検出することができる。

また、その結果、テーパＦＯＰ３もイメージインテンシファイア１３の入射窓部材１６を介して出射面３ｂ側から冷却されることとなるが、少なくとも出射面３ｂ近傍のテーパ部分３ｃに断熱材４１が設けられているため、冷却の影響によって、テーパＦＯＰ３のテーパ部分３ｃ表面及び入射面３ａでの結露の発生を防止できる。

ところで、例えばテーパＦＯＰ３の側面全体にわたって断熱材４１を設けた場合は、外部との熱のやり取りがテーパＦＯＰ３の入射面３ａのみを介して行われることとなり、テーパＦＯＰ３全体が過度に冷却されてしまい、外部とテーパＦＯＰ３との間に良好な温度勾配を持たせることが出来なくなる。テーパＦＯＰ３内に外気温に対して良好な温度勾配が維持されない場合には、入射面３ａやテーパ部分３ｃの表面に結露を生じる恐れがある。これに対し、本実施形態に係る光検出装置１においては、断熱材４１がテーパ部分３ｃのうち、出射面３ｂ側の少なくとも一部に設けられる構成としたため、テーパＦＯＰ３内で適切な温度勾配が確保される。その結果、入射面３ａ及びテーパ部分３ｃ表面での結露の発生を防止することができる。

以上の構成によって、イメージインテンシファイア１３を効率よく冷却することができる。従って、量子効率の高い光電面１８を有するイメージインテンシファイア１３の使用が可能なり、これによって高感度光検出を実現することが可能となる。

[第２の実施形態]
第２の実施形態に係る光検出装置１は、以下の点で第１の実施形態に係る光検出装置１と主に相違している。

すなわち、第２の実施形態に係る光検出装置１においては、図６に示すように、ペルチェ素子３３及びウォータージャケット３４が銅板２４におけるイメージインテンシファイア１３の反対側の面に取り付けられている。このような光検出装置によれば、ペルチェ素子３３による冷却熱を伝える熱伝達部材の形状が単純になるので、冷却構造を簡単にすることができる。また、イメージインテンシファイア１３の周囲に断熱材２６を巻きやすくなる。

[第３の実施形態]
第３の実施形態に係る光検出装置１は、以下の点で第１の実施形態に係る光検出装置１と主に相違している。

すなわち、第３の実施形態に係る光検出装置１においては、図７に示すように、ペルチェ素子３３及びウォータージャケット３４が銅板２４におけるイメージインテンシファイア１３側の面に取り付けられている。このような光検出装置１によれば、第２の実施形態と同様に、冷却構造を簡単にすることができる。

本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、テーパＦＯＰ３のテーパ部分３ｃのうち、出射面３ｂ側の一部に断熱材４１を設けるようにしたが、テーパＦＯＰ３内部で使用環境に応じた温度勾配が得られるように、断熱材４１で覆うテーパ部分３ｃの面積を適宜調節することが好ましい。

また、第１の実施形態に係る光検出装置１では、２つの矩形状のペルチェ素子３３を、入射窓部材１６を挟んで対向する位置に設けるようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば、複数のペルチェ素子を入射窓部材１６を囲むように設けてもよいし、また貫通穴２４ａを囲むリング状のペルチェ素子を用いてもよい。

また、第１の実施形態に係る光検出装置１では、第１の熱伝導部材は、銅板（本体部）２４に対して断面Ｌ字状に屈曲するように形成された継ぎ手（屈曲部）３２とからなる構成としたがこれに限られるものではなく、本体部と屈曲部とを有する一の部材として一体に形成してもよい。

更に、測定対象物が放射性同位元素を含む場合には、放射性同位元素から発せられた放射線を可視光に変換するためのシンチレータ５０をテーパＦＯＰ３の入射面３ａに設けてもよい。

第１の実施形態に係る光検出装置の全体を示す正面図である。 第１の実施形態に係る光検出装置におけるハウジングとヘッドの内部構造を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る光検出装置におけるハウジングとヘッドの内部構造を示す縦断面図である。 イメージインテンシファイアを示す図であって、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡに示す範囲を拡大した部分断面図である。 第１の実施形態に係る光検出装置におけるハウジングとヘッドの内部構造を示す分解斜視図である。 第２の実施形態に係る光検出装置における冷却構造を示す概略図である。 第３の実施形態に係る光検出装置における冷却構造を示す概略図である。

符号の説明

１…光検出装置、３…テーパＦＯＰ、３ｂ…出射面、３ｃ…テーパ部分、６…ＣＣＤカメラ、８…チューブ（冷却手段）、１３…イメージインテンシファイア、１３ａ…入射面、１３ｂ…出射面、１８…光電面、２２…電極、２４…銅板（第１の熱伝達部材、本体部）、２７…真空セル（真空部材）、２９…アルミ板（第２の熱伝達部材）、３１…アルミ柱（第２の熱伝達部材）、３２…継ぎ手（第１の熱伝達部材）、３２ａ…接続部（本体部）、３２ｂ…屈曲部、３３…ペルチェ素子（冷却素子）、３４…ウォータージャケット（放熱手段）、４０…継ぎ手（放熱手段）、４１…断熱材。

Claims (5)

1. 測定対象物からの放射線を検出する放射線検出装置において、
   前記測定対象物からの放射線を導波するテーパＦＯＰと、
   入射面が前記テーパＦＯＰの出射面と光学的に接続されたイメージインテンシファイアと、
   前記イメージインテンシファイアの入射面に取り付けられた第１の熱伝達部材と、
   前記第１の熱伝達部材に取り付けられて前記イメージインテンシファイアの光電面を冷却する冷却素子と、を備え、
   前記テーパＦＯＰのテーパ部分の少なくとも一部には断熱材が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記イメージインテンシファイアの出射面には光透過性を有する真空部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
3. 前記真空部材に対して、外部からの熱を伝達する第２の熱伝達部材を更に備えることを特徴とする請求項２記載の放射線検出装置。
4. 前記第１の熱伝達部材は、前記イメージインテンシファイアの前記入射面に沿うように設けられた本体部と、前記本体部に対して断面Ｌ字状に屈曲するように形成された屈曲部とを有し、
   前記冷却素子は、前記屈曲部に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線検出装置。
5. 前記イメージインテンシファイアにおける光電面の電極には、前記第１の熱伝達部材が接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出装置。
   

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