JP2009236704A

JP2009236704A - 放射線検出装置

Info

Publication number: JP2009236704A
Application number: JP2008083535A
Authority: JP
Inventors: Jin Chiyoma; 仁千代間
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線検出装置12を提供する。
【解決手段】放射線検出パネル23は、複数の光電変換素子33を形成した光検出器22と、光検出器22の表面にシンチレータ材36を形成した蛍光体膜部21とを備える。シンチレータ材36には、光検出器22の面方向に複数の柱状結晶体38が形成する。柱状結晶体38の方向が、放射線検出パネル23の中心では放射線検出パネル23の表面に対して法線方向で、放射線検出パネル23の中心から周辺に向かうに従い法線方向から放射線検出パネル23の中心側に向けて傾きを有する。光検出器22の周辺部41においても、シンチレータ材36によるＸ線14の吸収と蛍光39の発光は同一または近接の柱状結晶体38内で発生し、解像度低下や画像歪を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を検出する放射線検出装置に関する。

近年、放射線として特にＸ線を光に変換する蛍光体膜部と、その光を電気信号に変換する光電変換素子とを、その構成要素として含む放射線検出装置が実用化されてきている。

これは、放射線検出装置全体の小型軽量化に貢献するとともに、放射線を介した検査対象物からの画像情報を放射線検出装置によりデジタル電気情報に変換し、デジタル画像処理、デジタル画像保存などデジタル情報処理の多くの利便性を享受することができるためである。

放射線検出装置は、患者診断や治療に使用する医療用や歯科用、非破壊検査などの工業用、構解析などの科学研究用など広い分野で使われつつある。それぞれの分野において、デジタル情報処理による高精度な画像抽出、高速度な画像検出が可能となることにより、不要な放射線被爆量の低減や、迅速な検査、診断などの効果が期待できる。

この放射線検出装置の蛍光体膜部には、従来のＸ線イメージ管で用いられているＣｓおよびＩを主成分とするシンチレータ材の技術を転用することが多い。これは、主成分であるヨウ化セシウム（以下ＣｓＩ）が柱状結晶を成すため、他の粒子状結晶からなるシンチレータ材に比較し、光ガイド効果による感度および解像度の向上を成すことができるためである。例えば、タリウム（以下Ｔｌ）などをドープしたＣｓＩは、Ｘ線を吸収し、略５５０ｎｍに中心波長を有する緑色の蛍光を発光する。そして、その光の多くはＣｓＩの柱状結晶中を伝播する。さらに、柱状結晶端に近接する光電変換素子にて、その発光量を読み取るのである。

また、従来のＸ線イメージ管では、真空管内の電子レンズ構成を必要としたため、大きく重い装置となったが、この放射線検出装置では、光電変換素子を有する光検出器を、より薄く、より軽量な半導体平面検出器として構成できる。例えば、ガラス基板上にアモルファスシリコンなどからなる薄膜半導体にて光電変換素子を２次元に配置形成して、光検出器を構成する。また、結晶シリコンからなる半導体光センサを、支持基板上に１または複数個配列して、光検出器を構成することもできる。何れの構成にしても、従来のＸ線イメージ管よりも薄く軽量な放射線検出装置が構成できる。

さらに、光検出器は２次元平面上に光電変換素子を配列し、その検出信号を画像として読み込むことから、画像の歪も無く、デジタル画像処理にも最適であり、かつＸ線写真乾板と類似の画像を直接的に電気信号として取得できるなどの特徴を有している。

上述したような特徴から、ＣｓＩなどの柱状結晶をシンチレータ材とし、光検出器を半導体平面検出器にて構成した放射線検出パネルを利用した放射線検出装置の開発が行われている（例えば、特許文献１参照。）。

また、シンチレータ材を別の基板上に形成したシンチレータパネルを光検出器に貼り付けた放射線検出パネルの開発も行われている。

しかしながら、このように優れた画像を取得できる放射線検出パネルであるが、放射線検出装置に組み込み、放射線発生源と組み合せて放射線検査装置を構成した場合には、放射線照射角度の関係から、放射線検出パネルの中央部より周辺部の解像度が低下するという問題が内在する。

この問題は、放射線発生源と放射線検出装置との位置関係から、放射線検出パネルの周辺部では放射線の入射角が垂直からずれてくることに起因する。したがって、この問題を解決するためには、シンチレータ材の改善が必要である。

放射線検出パネルの中央部と周辺部とでシンチレータ材の構造を変更した従来例としては、柱状結晶のシンチレータ材を成膜したシンチレータパネルを光検出器に貼り付けて構成した放射線検出パネルにおいて、中央部の結晶径よりも周辺部の結晶径を太くした例がある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、この事例の目的は機械的な貼付強度を確保することが目的であり、むしろ周辺部では結晶径の増加により解像度が低下する傾向にある。

また、放射線検出パネルの周辺部での結晶径の増加に伴う解像度低下を補うため、結晶長（結晶丈）について言及しているものの、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の改善策ではない。
特開２０００−１３１４４４号公報（第４頁、図１）特開２００３−６６１４７号公報（第３頁、図１）

従来技術では、放射線検出装置を、放射線発生源と組み合せて放射線検査装置を構成した場合に生じる、放射線照射角度に起因し、放射線検出パネルの中央部より周辺部の解像度が低下するという問題を解決できない。

本発明は、上述のような問題点を鑑みてなされたもので、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、表面に複数の光電変換素子が形成された光検出器と、この光検出器の面方向に複数の柱状結晶体が形成されたシンチレータ材により構成される蛍光体膜部とを含む放射線検出パネルを備え、前記柱状結晶体の方向が、前記放射線検出パネルの中心では前記放射線検出パネルの表面に対して法線方向で、前記放射線検出パネルの中心から周辺に向かうに従い前記法線方向から前記放射線検出パネルの中心側に向けて傾きを有するものである。

本発明によれば、柱状結晶体の方向が、放射線検出パネルの中心では放射線検出パネルの表面に対して法線方向で、放射線検出パネルの中心から周辺に向かうに従い法線方向から放射線検出パネルの中心側に向けて傾きを有するため、放射線照射角度に起因する本質的な解像度低下の問題を改善し、全域において優れた解像度特性を有する放射線検出装置を得ることができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。

図２は放射線検出装置を用いた放射線検査装置の配置例を示す模式図である。

この放射線検査装置は、放射線発生源としてのＸ線発生源11と、放射線検出装置12とが、検査対象となる人体などの検査体13を挟み対向した配置を取っている。

Ｘ線発生源11からは、円錐状に放射線としてのＸ線14が放射される。このＸ線発生源11より放射されたＸ線14は、検査体13を透過し、検査体13の各部位のＸ線吸収量に応じた陰影情報を放射線検出装置12に入射する。

また、最善の画像特性を得るために、この放射されたＸ線14の中心軸は、放射線検出装置12の中心に略一致し、かつ放射線検出装置12の入力面に垂直に入射するように放射線検査装置を構成する。

図２に示したように、Ｘ線14の中心軸は放射線検出装置12の入力面の中心に略垂直に入射するが、周辺部になるに従い、垂直からずれ、幾何学的な角度をもって入射する。

例えば、Ｘ線発生源11と放射線検出装置12との間隔を１ｍ、放射線検出装置12の放射線検出領域の幅を４３ｃｍとすると、周辺領域でのＸ線14の入射角は法線に対して約１２度となる。即ち、ｔａｎ（θ）＝２１．５ｃｍ÷１ｍ、θ≒１２度の関係にある。

また、Ｘ線発生源11と放射線検出装置12との間隔を２ｍに離した場合には、周辺領域でのＸ線14の入射角は法線に対して約８．５度となる。

このように、Ｘ線14は放射線検出装置12の入力面の中心では略垂直に入射するが、周辺部になるに従い斜めに入射する。

次に、図３は放射線検出装置12の断面図である。

放射線検出装置12は、少なくとも、Ｘ線14を吸収し蛍光発光するシンチレータ材を含む蛍光体膜部21およびその蛍光を検出する光検出器22とを含む放射線検出パネル23、回路基板24、それら内蔵する筐体25から構成されている。

ここで、回路基板24は、放射線検出パネル23を駆動し、かつその放射線検出パネル23からの信号出力を処理する機能を持つものである。なお、ここには記載されていないが、回路基板24にて処理された信号を外部に出力し、さらに画像処理を行う場合もある。

次に、図１は放射線検出パネル23の一部を拡大した断面図である。

光検出器22は、例えば０．７ｍｍ厚の低アルカリ性のガラス基板31上に、薄膜半導体32にて光電変換素子33が形成されている。例えば、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などにより成膜した水素化アモルファスシリコン膜や水素化アモルファス窒化シリコン膜と、スパッタ法などにより成膜した金属薄膜および透明導電膜とを基材に、フォトリソグラフィ法を用いて光電変換素子33が形成されている。

また、蛍光体膜部21は、光検出器22の薄膜半導体32上に形成されており、光検出器22の薄膜半導体32上に形成されたシンチレータ材36と光検出器22と反対のＸ線14の入射側に形成された反射膜37とから構成されている。

シンチレータ材36には、ＣｓＩにＴｌを添加した材料が用いられ、光検出器22の表面の面方向に複数の柱状結晶体38が形成されている。この柱状結晶体38は、蒸着法により例えば６００μｍの厚さで膜状に形成されている。なお、放射線検出装置12用としては、ＣｓＩ膜厚は１００μｍから１０００μｍの範囲が用いられ、より適切には、２００μｍから８００μｍの範囲から、所望の感度と画像解像度に合せて設定する。ＣｓＩ柱状結晶体の径は３μｍから２０μｍほどで形成され、通常は５μｍから１５μｍの範囲が多い。

ここで微量のＴｌを添加した理由は、光電変換素子33の感度波長に適当な緑色の発光を得るためである。ＣｓＩにＴｌを添加したシンチレータ材36は、Ｘ線14を吸収し、約５５０ｎｍにピーク波長を持つ緑色の蛍光39を生じる。添加する元素を変えることにより、蛍光39の波長特性を変えることができる。この蛍光39の波長は、光電変換素子33の感度特性に合わせて選択すればよい。なお、本例のように緑色の蛍光39を生じる添加元素としてはＴｌの他にＣｕなどが報告されている。

シンチレータ材36の柱状結晶体38の方向は、シンチレータ材36の中央部（中心部）40では光検出器22の表面に略垂直に形成され、シンチレータ材36の中央部40から周辺部41に向かう従い、法線方向から光検出器22側とは反対側つまりＸ線14の入射側となる柱状結晶体38の端部がシンチレータ材36の中心側に向けて傾きを有する斜め方向に形成されている。これら柱状結晶体38の方向は、Ｘ線発生源11の方向であって、このＸ線発生源11からのＸ線14の入射方向に一致することが好ましい。これはシンチレータ材36の周辺部41でのＸ線14の入射方向の傾きによる解像度の低下と画像歪を改善するためである。

シンチレータ材36の中央部40では、Ｘ線14がシンチレータ材36に対して垂直に入射するため、シンチレータ材36のＸ線14の吸収と蛍光39の発光は同一または近接の柱状結晶体38内で発生し、この蛍光39は柱状結晶体38の光ガイド効果により、対応する光電変換素子33に導かれる。また、光電変換素子33とは反対方向に伝達した蛍光39も反射膜37で反射し、柱状結晶体38の光ガイド効果により、対応する光電変換素子33に導かれる。この結果、検査体13を通したＸ線14の情報は解像度を保持したまま光電変換素子33に伝えられる。

一方、シンチレータ材36の周辺部41では、Ｘ線14がシンチレータ材36に対して斜めに入射してくるが、シンチレータ材36の周辺部41になるに従い柱状結晶体38がシンチレータ材36の中心側へ向けて傾きを有する斜め方向に形成されているため、柱状結晶体38の方向と入射するＸ線14の方向との差を低減し、シンチレータ材36の周辺部41においてもシンチレータ材36によるＸ線14の吸収と蛍光39の発光は同一または近接の柱状結晶体38内で発生する。そして、この蛍光39は柱状結晶体38の光ガイド効果により、対応する光電変換素子33に導かれる。この結果、シンチレータ材36の周辺部41においても、中央部40と同様に、検査体13を通したＸ線14の情報は解像度を保持したまま光電変換素子33に伝えられる。

それに対して、図５に、シンチレータ材36の柱状結晶体38の方向を、シンチレータ材36の中央部40および周辺部41とも光検出器22の表面に略垂直に形成された比較例を示すように、周辺部41に入射するＸ線14が多数の柱状結晶体38を横断するため、各柱状結晶体38において蛍光39が発生し、それぞれの蛍光39が各柱状結晶体38毎に対応する光電変換素子33に伝達されることになる。この結果、放射線検出パネル23の周辺部41において解像度の低下や放射状の画像歪が発生してしまう。

以下、解像度とシンチレータ材36の柱状結晶体38の方向との関係について、解像度の指標となるＣＴＦ（Contrast Transfer Function）を用いて以下に説明する。なお、簡単にモデル化するため、シンチレータ材36におけるＸ線14による蛍光39の発光量は一様とする。

Ｘ線14の有無がそれぞれ一定長Ｌで繰り返される場合を考えると、光検出器22の中央部40におけるシンチレータ材36の蛍光39の発光の段階では、ＣＴＦ＝（MAX−MIN）÷（MAX＋MIN）は略１００％である。ここで、MAXはＸ線14の入射状態における蛍光39の発光である。Ｘ線14が入射しない箇所では蛍光39の発光が無いので、MINはゼロとなる。

図５に示した構造では、シンチレータ材36の周辺部41において解像度の低下が生じる。

蛍光39の量はシンチレータ材36の部分によらず一様であるとする簡易モデルの場合には、蛍光39の量はＸ線14が透過するシンチレータ材36の断面積に比例する。

この場合、ＣＴＦは容易に計算でき、斜め入射となるＸ線14がシンチレータ材36を横断する水平方向の距離をＨとすると、Ｌ＝Ｈの場合には最小でＣＴＦ＝０％、Ｌ＝２Ｈの場合には最小でＣＴＦ＝５０％、Ｌ＝３Ｈの場合でも最小でＣＴＦ＝６６％まで低下することがわかる。なお、ここでいう最小とは、解像度と光電変換素子33のピッチとが同等の場合に一番劣化した場合をいう。また、１点に入射するＸ線14の画像情報が距離Ｈの線状の画像情報に歪んでしまうことも、図５より容易にわかる。

これに対し、図１に示したように、シンチレータ材36の周辺部41になるに従い柱状結晶体38が中心側へ向けて傾きを有する斜め方向に形成することにより、シンチレータ材36の周辺部41においても、シンチレータ材36によるＸ線14の吸収と蛍光39の発光は同一または近接の柱状結晶体38内で発生し、解像度低下や画像歪を抑えることができる。特に、柱状結晶体38の方向が、Ｘ線発生源11の方向であって、このＸ線発生源11からのＸ線14の入射方向と一致する場合には、光検出器22の中央部40と同等の解像度特性を得ることができる。また、画像の歪も最小限におさえることが可能となる。

また、本実施の形態では、シンチレータ材36としてＣｓＩを蒸着法により成膜したものを用いている。図４には、シンチレータ材36にＣｓＩを使用した場合の蒸着法の一例について摸式的に示している。

ＣｓＩ材料を坩堝51に入れ、真空チャンバー52内にて加熱し、坩堝51に対向するように設置した光検出器22上へ蒸着する。

ＣｓＩ膜にＴｌを添加するためには、通常、坩堝51を２種類以上用い、ＣｓＩ蒸着用とＴｌ蒸着用とに分けて行う２源蒸着法を行う。本例の場合もこの２源蒸着法を適用する。

ＣｓＩを蒸着する光検出器22を真空チャンバー52内に設置するためには、基板固定ホルダ53を用いて光検出器22のシンチレータ材蒸着面を坩堝51の方向に配置する。基板固定ホルダ53はメインホルダ54に設置され、それぞれ回転運動できる構造であり、ＣｓＩ成膜中に所定の速度にて回転運動させる。

ＣｓＩの柱状結晶体38の成長を調整する主要素としては、ＣｓＩ成膜中の光検出器22の加熱温度、真空チャンバー52内の真空度または真空チャンバー52内に微量導入する不活性ガス圧、坩堝51から蒸発したＣｓＩなどの蒸発量と蒸発元素の光検出器22の表面への入射ベクトルなどである。

これら主要素のうち、特に、不活性ガス圧は、蒸発元素の散乱により光検出器22の蒸着面への等方性を上げ、結果的には柱状結晶体38の垂直方向の成長を促し、さらに、蒸発元素の入射ベクトルは、入射ベクトル方向の成長を促す。入射ベクトルは、図４の矢印が示すように、坩堝51と光検出器22の蒸着面との相対位置関係による。この相対位置関係は、基板固定ホルダ53とメインホルダ54との回転運動をコントロールして調整することができる。そして、不活性ガス圧などの要素と合せ、所定の傾きに柱状結晶体38の成長方向を調整できる。

なお、本実施の形態では、ガラス基板31上に薄膜半導体32を成膜して光検出器22を形成したが、この構造に限定されるものではない。例えば、光検出器22としては、結晶シリコンを基にしたＣＣＤやＣＭＯＳなどの結晶半導体にて光電変換素子を１つまたは複数個配列して構成したものでも、同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態を示す放射線検出装置の放射線検出パネルの一部を拡大した断面図である。同上放射線検出装置を用いた放射線検査装置の配置例を示す模式図である。同上放射線検出装置の断面図である。同上放射線検出装置の製造方法を示す模式図である。比較例の放射線検出装置の一部の断面図である。

符号の説明

11 放射線発生源としてのＸ線発生源
12 放射線検出装置
14 放射線としてのＸ線
21 蛍光体膜部
22 光検出器
23 放射線検出パネル
32 薄膜半導体
33 光電変換素子
36 シンチレータ材
38 柱状結晶体

Claims

表面に複数の光電変換素子が形成された光検出器と、この光検出器の面方向に複数の柱状結晶体が形成されたシンチレータ材により構成される蛍光体膜部とを含む放射線検出パネルを備え、
前記柱状結晶体の方向が、前記放射線検出パネルの中心では前記放射線検出パネルの表面に対して法線方向で、前記放射線検出パネルの中心から周辺に向かうに従い前記法線方向から前記放射線検出パネルの中心側に向けて傾きを有する
ことを特徴とする放射線検出装置。
柱状結晶体の方向は、放射線入射方向に一致する
ことを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
放射線入射の方向は、放射線発生源の方向に一致する
ことを特徴とする請求項１または２記載の放射線検出装置。
光検出器の光電変換素子は、薄膜半導体にて形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の放射線検出装置。
光検出器の光電変換素子は、結晶半導体にて形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の放射線検出装置。