JP2010122166A - Radiation detector and radiation inspection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放射線検出器および放射線検査装置に関する。より詳細には、励起子発光シンチレータを用いる放射線検出器およびこれを用いる放射線検査装置に関する。 The present invention relates to a radiation detector and a radiation inspection apparatus. More specifically, the present invention relates to a radiation detector using an exciton light emitting scintillator and a radiation inspection apparatus using the same.
高エネルギー物理やポジトロン放出型断層撮影（ＰＥＴ）イメージング・システムでは、シンチレータへの（核崩壊事象によって発生される）放射線の衝突に基づいて画像が作成される。被検体内に陽電子放出性医薬品が投与されると、ポジトロンと対応する電子との相互作用から、５１１ｋｅＶのエネルギーを有する、２つの逆方向に向いたガンマ線が生じ、そのガンマ線がシンチレータ結晶の中へ入って、受光素子によって検出することのできるフォトンに変換される。被検体内の特定の位置から放出された光は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、または他の受光素子により電気信号に変換されて検出される。 In high energy physics and positron emission tomography (PET) imaging systems, images are created based on the impact of radiation (generated by a nuclear decay event) on the scintillator. When a positron emitting drug is administered into a subject, the interaction between the positron and the corresponding electron generates two oppositely directed gamma rays with energy of 511 keV, which gamma rays enter the scintillator crystal. It is converted into photons that can be detected by the light receiving element. Light emitted from a specific position in the subject is detected by being converted into an electric signal by, for example, a photodiode (PD), a photomultiplier tube (PMT), or another light receiving element.
フォトダイオードは、特に放射線検出器やイメージング機器において、広範な用途を有している。現在、様々な公知のフォトダイオードが使用されている。その中で、ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）と称される特定の形式のフォトダイオードでは、ＡＰＤの逆バイアスを降伏電圧以上に設定することで内部電界が非常に高くなり、増倍率が１０５〜１０６倍と非常に大きくなる。このような状態で動作させることをガイガーモードといい、ガイガーモード時にフォトンの入射でアバランシェ層にキャリアが注入されると、非常に大きいパルスが発生する。このパルスを検出することによって、シングルフォトンの検出を行い、このフォトンがアレイに衝突する位置を突き止めることができる。このような用途での使用は、それらがアレイに衝突するフォトンの位置を検知する能力を持っているので、特に関心が持たれている。 Photodiodes have a wide range of applications, particularly in radiation detectors and imaging equipment. Currently, various known photodiodes are used. Among them, in a specific type of photodiode called Geiger mode APD (Geiger mode avalanche photodiode), the internal electric field becomes very high by setting the reverse bias of the APD higher than the breakdown voltage, and the multiplication factor is increased. It becomes very large with 10 5 to 10 6 times. Operating in such a state is called a Geiger mode. When carriers are injected into the avalanche layer by the incidence of photons in the Geiger mode, a very large pulse is generated. By detecting this pulse, single photons can be detected and the position where the photons collide with the array can be determined. Use in such applications is of particular interest because they have the ability to detect the location of photons that strike the array.
ところで、ＰＥＴを用いた検査は、治療前の腫瘍悪性度診断、癌の浸潤範囲や転移病巣の検出などによる臨床病期の診断、治療中・治療直後の癌治療に対する反応の判定・評価、治療後の予後予測や再発診断など、癌診断について精度の高い情報を提供するものと期待され、癌臨床への応用が広まっている。しかし、癌浸潤範囲の正確な診断という観点では、ＰＥＴにより得られる画像のみでは、生体臓器や組織の正確な位置情報が得にくいという欠点がある。 By the way, the examination using PET is the diagnosis of tumor malignancy before treatment, diagnosis of clinical stage by detection of cancer invasion range and metastatic lesion, etc., judgment / evaluation of response to cancer treatment during treatment and immediately after treatment, treatment It is expected to provide highly accurate information on cancer diagnosis, such as prognosis prediction and recurrence diagnosis later, and its application to cancer clinical practice is widespread. However, from the viewpoint of accurate diagnosis of the cancer infiltration range, there is a drawback that it is difficult to obtain accurate position information of a living organ or tissue only with an image obtained by PET.
一方、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置は、生体の解剖学的な詳細情報を正確に描出でき、医療分野において広く利用されているが、ＰＥＴのような代謝機能に関する解析能は備わっていない。特にＭＲＩは、患者または他のイメージング対象物において磁気共鳴を生成したり、空間的にエンコード化したりするものであり、高い磁場、磁場勾配及び高周波励起パルスを組み合わせている。磁気共鳴は、空間エンコードを復号し、対象物の再構成画像を生成するために、フーリエ変換又は他の再構成処理により処理される。 On the other hand, an X-ray CT apparatus and an MRI apparatus can accurately depict anatomical detailed information of a living body and are widely used in the medical field, but do not have an analysis capability related to a metabolic function like PET. In particular, MRI generates magnetic resonance or spatially encodes in a patient or other imaging object and combines a high magnetic field, a magnetic field gradient, and a radio frequency excitation pulse. The magnetic resonance is processed by Fourier transform or other reconstruction process to decode the spatial encoding and generate a reconstructed image of the object.
このＭＲＩ装置やＸ線ＣＴ装置およびＰＥＴ装置の互いの欠点を補い、両者の優れた特徴を利用した新しい癌診断装置として、近年、ＰＥＴ画像による代謝機能情報と磁気共鳴イメージングであるＭＲＩ画像による解剖学的位置情報とを同時期に収集し、両画像の重ね合わせによる診断を可能としたＭＲＩ付ＰＥＴ装置（ＭＲＩ−ＰＥＴ）の開発が行われている。ＰＥＴスキャナは、一般にガンマ線を光のバーストに変換するためにシンチレータを用い、そのシンチレータ事象を検出するために光電子増倍管を用いている。ＭＲＩ−ＰＥＴでは、強力な磁場を発するＭＲＩを使用するため、光電子増倍管が使用できない。すなわち、光電子増倍管は、シンチレータに放射線が入射した際に発せられる蛍光を電気信号へと変換するものであるが、電子を加速して増幅する構造上、強力な磁場が存在する環境下では使用できない。このため、磁場の影響を受けず、シンチレータから発せられる蛍光を電気信号に変換可能な素子として、量子変換効率の高いモード型受光素子がＭＲＩ−ＰＥＴに用いられる。 In recent years, as a new cancer diagnostic apparatus that compensates for the mutual shortcomings of the MRI apparatus, X-ray CT apparatus, and PET apparatus and uses the superior features of both, metabolic function information by PET images and anatomy by MRI images, which are magnetic resonance imaging Development of an MRI-PET device (MRI-PET) that collects physical location information at the same time and enables diagnosis by superimposing both images. PET scanners typically use a scintillator to convert gamma rays into a burst of light and use a photomultiplier tube to detect the scintillator event. In MRI-PET, a photomultiplier tube cannot be used because MRI that generates a strong magnetic field is used. In other words, the photomultiplier tube converts the fluorescence emitted when radiation is incident on the scintillator into an electrical signal. However, the photomultiplier tube accelerates and amplifies the electrons. I can not use it. For this reason, a mode type light receiving element with high quantum conversion efficiency is used for MRI-PET as an element which can convert the fluorescence emitted from the scintillator into an electric signal without being influenced by the magnetic field.
ガイガーモードＡＰＤは、電子の移動距離が数μｍと短いので、強力な磁場が存在する環境下であっても使用することができるため、ＭＲＩ−ＰＥＴ用の素子として適している。ガイガーモードＡＰＤは安価で、他の受光素子と比較して低バイアス電圧動作での高い増幅率、高いフォトン検出効率、高速応答、高係数率、優れた時間分解能、広い感度波長範囲を有し、ＳＮ比が非常に優れている。さらに固体素子であるため、衝撃などに強く、入射光の飽和による焼つきがなく、冷却が不要で、常温動作でフォトカウンティングが可能であることから、フォトカウンティングに用いられてきた従来の検出器に代わる受光素子として期待されている。 The Geiger mode APD is suitable as an element for MRI-PET because it can be used even in an environment where a strong magnetic field exists because the electron travel distance is as short as several μm. Geiger mode APD is inexpensive and has a high amplification factor at low bias voltage operation, high photon detection efficiency, high speed response, high coefficient rate, excellent time resolution, and wide sensitivity wavelength range compared to other light receiving elements. The SN ratio is very good. Furthermore, because it is a solid-state device, it is resistant to impacts, does not burn-in due to saturation of incident light, does not require cooling, and can be photo-counted at room temperature operation, so it has been used for photo-counting. It is expected as a light receiving element that can replace
これまで、ガイガーモードＡＰＤを利用した放射線検出器の開発がいくつか行われている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。また、特許文献１などで報告されている一般的なシンチレータ結晶は、蛍光寿命が数10nsである（例えば、特許文献２参照）。 Up to now, several radiation detectors using Geiger mode APD have been developed (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). Further, a general scintillator crystal reported in Patent Document 1 or the like has a fluorescence lifetime of several tens of ns (see, for example, Patent Document 2).
ＰＥＴ等に用いられる放射線検出器では、数え落としを少なくするため、応答速度の速いＰＥＴ装置や放射線検出器が求められている。特に、ＰＥＴ装置では、検査時間を短くし、検査の対象となる被検体の負担を軽減する観点、及び、複数の蛍光が重なり合う現象、いわゆるパイルアップを防止して高い時間分解能を有する放射線検出器を構成する観点から、発光量が低くとも蛍光寿命が短いシンチレータと、その発光ピーク波長で量子変換効率が高く、時間応答性の速い受光素子とを組み合わせた、高速応答の放射線検出器が求められている。 In radiation detectors used for PET and the like, PET devices and radiation detectors having a high response speed are required in order to reduce counting down. In particular, in a PET apparatus, a radiation detector having a high time resolution by shortening the examination time and reducing the burden on the subject to be examined, and preventing a phenomenon in which a plurality of fluorescences overlap, so-called pile-up. From the viewpoint of constructing, a high-speed response radiation detector that combines a scintillator with a short fluorescence lifetime even with a low light emission amount and a light-receiving element with high quantum conversion efficiency at its emission peak wavelength and fast time response is required. ing.
しかしながら、特許文献１などに記載の一般的なシンチレータ結晶は、蛍光寿命が数10nsであるため、例えば１ナノ秒以下の高速応答が可能なシンチレータを特定しない限り、１ナノ秒以下の応答を有する検出器の具現化は実現しない。特許文献１では、「１ナノ秒以下の時間分解能を有する」との記載があるにも関わらず、それを可能とするような具体的なシンチレータの構成や、時間応答に関するデータを一切示しておらず、高速応答の放射線検出器を実現することはできないという課題があった。また、サブナノ〜数ナノ秒の蛍光寿命を呈するシンチレータを、ガイガーモードＡＰＤとアセンブリさせた放射線検出器に関するものは、これまで全く報告されていない。 However, since a general scintillator crystal described in Patent Document 1 has a fluorescence lifetime of several tens of ns, for example, unless a scintillator capable of a high-speed response of 1 nanosecond or less is specified, it has a response of 1 nanosecond or less. The realization of the detector is not realized. Patent Document 1 does not show any specific scintillator configuration or data related to time response, although it is described as “having a time resolution of 1 nanosecond or less”. Therefore, there has been a problem that it is impossible to realize a high-speed response radiation detector. There has been no report on a radiation detector in which a scintillator exhibiting a fluorescence lifetime of sub-nano to several nanoseconds is assembled with a Geiger mode APD.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、発光量はさほど高くないが、サブナノ〜数ナノ秒という極めて短い蛍光寿命を示すシンチレータと、低発光量の光に対しても高い感度を有するとともに応答速度が速い受光素子とを組み合わせた高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to such problems, and although the amount of light emission is not so high, it is high for a scintillator exhibiting a very short fluorescence lifetime of sub-nano to several nanoseconds, and also for light with a low light emission amount. An object of the present invention is to provide a radiation detector and a radiation inspection apparatus having a high response speed in combination with a light receiving element having a sensitivity and a high response speed.
高速応答が期待される短い蛍光寿命の発光を持つ一方で、発光量があまり高くないシンチレータとして、励起子発光シンチレータがある。また、低発光量の光に対して高い感度を有し、且つ高速応答を有する受光素子として、ガイガーモードＡＰＤがある。本発明者等は、ガイガーモードＡＰＤと組み合わせることにより、特性の優れた高速応答の放射線検出器を具現化することができる励起子発光シンチレータを特定することに成功し、本発明に至った。 As a scintillator that emits light with a short fluorescence lifetime and is expected to have a high-speed response, but does not have a very high light emission, there is an exciton light-emitting scintillator. Further, there is a Geiger mode APD as a light receiving element having high sensitivity to a low light emission amount and having a high-speed response. The inventors of the present invention succeeded in specifying an exciton light-emitting scintillator capable of realizing a radiation detector having excellent characteristics and a high-speed response by combining with the Geiger mode APD, and reached the present invention.
本発明に係る放射線検出器および放射線検査装置は、高速応答性を有する励起子発光シンチレータを特定し、これとガイガーモードＡＰＤとを組み合わせてサブナノ〜数ナノ秒の応答速度を具現化するものである。このような高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を具現化するためには、高速応答性を有するシンチレータを新たに特定することが必要不可欠であり、既存の技術から実現することは不可能である。なお、「放射線」とは、原子、分子をイオン化させるのに十分なエネルギーをもった粒子線（α線、β線、γ線、Ｘ線、中性子線等）を示す。 The radiation detector and the radiation inspection apparatus according to the present invention specify an exciton light-emitting scintillator having high-speed response, and combine this with a Geiger mode APD to realize a response speed of sub-nano to several nanoseconds. . In order to realize such a high-speed response radiation detector and radiation inspection apparatus, it is indispensable to newly specify a scintillator having high-speed response, and it is impossible to realize it from existing technology. is there. “Radiation” refers to particle beams (α rays, β rays, γ rays, X rays, neutron rays, etc.) having sufficient energy to ionize atoms and molecules.
上記目的を達成するために、本発明に係る放射線検出器は、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有する、直接遷移型半導体の励起子から発光する励起子発光シンチレータと、ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、有することを特徴とする。この場合、前記直接遷移型半導体は、ZnOまたはZnOのZnサイトの一部をAl、Ga、In、Cd、Mg、RE（希土類元素：Sc、Y、ランタノイド）のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成を有していてもよく、GaNまたはGaNのGaサイトの一部をSi、Ge、Sn、Pb、In、Al、のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成を有していてもよい。 In order to achieve the above object, a radiation detector according to the present invention comprises an exciton-emitting scintillator that emits light from a direct-transition semiconductor exciton having a fluorescence lifetime of 0.05 to 10 nanoseconds by excitons, and Geiger. A mode APD (Geiger mode avalanche photodiode). In this case, the direct transition semiconductor is composed of at least one element selected from the group consisting of Zn, ZnO and Zn sites of Al, Ga, In, Cd, Mg, RE (rare earth elements: Sc, Y, lanthanoid). It may have a substituted chemical composition, and it has a chemical composition in which a part of GaN or GaN Ga site is substituted with one or more elements of Si, Ge, Sn, Pb, In, and Al. It may be.
また、本発明に係る放射線検出器は、ZrO2、HfO2、Yb:Y2O3、Gd2O3、Sc2O3、Lu2O3のうち、少なくともいずれか一種類を含み、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有する励起子発光シンチレータと、ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、有していてもよい。 The radiation detector according to the present invention includes at least one of ZrO 2 , HfO 2 , Yb: Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sc 2 O 3 , and Lu 2 O 3 , and is excited. An exciton light-emitting scintillator having a fluorescence lifetime of 0.05 nanoseconds to 10 nanoseconds and a Geiger mode APD (Geiger mode avalanche photodiode) may be included.
本発明に係る放射線検出器は、励起子発光シンチレータおよびガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）ともに、0.05ナノ秒〜10ナノ秒（サブナノ〜数ナノ秒）という極めて速い応答速度を有するため、時間分解能が高く、サブナノ〜数ナノ秒という高速応答性を備えることができる。また、ガイガーモードＡＰＤが低発光量の光に対して高い感度を有するため、発光量があまり高くない励起子発光シンチレータと組み合わせても、高精度での放射線の検出が可能である。時間分解能が高くパイルアップを防止することができるため、数え落としが少なく、高精度で放射線を検出することができる。 The radiation detector according to the present invention has an extremely fast response speed of 0.05 nanoseconds to 10 nanoseconds (subnano to several nanoseconds) for both exciton emission scintillators and Geiger mode APDs (Geiger mode avalanche photodiodes). The resolution is high, and high-speed response of sub-nano to several nanoseconds can be provided. In addition, since Geiger mode APD has high sensitivity to light with a low light emission amount, it is possible to detect radiation with high accuracy even in combination with an exciton light emission scintillator with a light emission amount that is not so high. Since the time resolution is high and pile-up can be prevented, there are few countdowns, and radiation can be detected with high accuracy.
本発明に係る放射線検出器で、前記励起子発光シンチレータは２７０〜９００ｎｍに発光ピーク波長を有し、前記ガイガーモードＡＰＤは２７０〜９００ｎｍに波長感度を有することが好ましい。特に、本発明に係る放射線検出器で、前記励起子発光シンチレータは３００〜６００ｎｍに発光ピーク波長を有し、前記ガイガーモードＡＰＤは３００〜６００ｎｍの波長域で１０％以上の量子変換効率を有することが好ましい。これらの場合、特に高精度で放射線を検出することができる。 In the radiation detector according to the present invention, it is preferable that the exciton emission scintillator has an emission peak wavelength at 270 to 900 nm, and the Geiger mode APD has wavelength sensitivity at 270 to 900 nm. In particular, in the radiation detector according to the present invention, the exciton light emission scintillator has an emission peak wavelength at 300 to 600 nm, and the Geiger mode APD has a quantum conversion efficiency of 10% or more in a wavelength region of 300 to 600 nm. Is preferred. In these cases, the radiation can be detected with particularly high accuracy.
本発明に係る放射線検出器で、前記ガイガーモードＡＰＤは１photonの発光を検出可能な感度を有していてもよい。この場合、ガイガーモードＡＰＤの検出感度が高く、高精度で放射線を検出することができる。なお、現在のところ、１photonの発光を検出できる受光素子は、ガイガーモードＡＰＤしか存在していない。このため、励起子発光シンチレータの発光量が１photon程度しかない場合でも、ガイガーモードＡＰＤを使用することにより、特性の優れた放射線検出器を具現化することが可能となる。 In the radiation detector according to the present invention, the Geiger mode APD may have a sensitivity capable of detecting light emission of 1 photon. In this case, the detection sensitivity of Geiger mode APD is high, and radiation can be detected with high accuracy. At present, only the Geiger mode APD exists as a light receiving element capable of detecting light emission of 1 photon. For this reason, even when the light emission amount of the exciton light emission scintillator is only about 1 photon, it is possible to realize a radiation detector having excellent characteristics by using the Geiger mode APD.
本発明に係る放射線検出器で、前記ガイガーモードＡＰＤは、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有する半導体を有していてもよい。この場合、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有する半導体として、例えば、ＧａＮ、（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、（Ｉｎ，Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、ＺｎＯ、（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｏ、ＺｎＳｅ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣ等の半導体を使用することができる。 In the radiation detector according to the present invention, the Geiger mode APD may include a semiconductor having a band gap energy of 3.0 eV or more. In this case, as a semiconductor having a band gap energy of 3.0 eV or more, for example, GaN, (In, Ga) N, (Al, Ga) N, (In, Al, Ga) N, ZnO, (Mg, Zn) A semiconductor such as O, ZnSe, Ga 2 O 3 , or SiC can be used.
ここで、暗電流をＩ、バンドギャップエネルギーをＥｇ、ボルツマン定数をｋ、温度［Ｋ］をＴとすると、下記のような関係がある。
Ｉ ∝ exp｛−Ｅｇ／（２×ｋ×Ｔ）｝
上式から、温度Ｔが一定でバンドギャップエネルギーＥｇが大きければ、暗電流は指数関数的に小さくなる。
Here, when the dark current is I, the band gap energy is E g , the Boltzmann constant is k, and the temperature [K] is T, the following relationship is established.
I ∝ exp {−E g / (2 × k × T)}
From the above equation, if the temperature T is constant and the band gap energy E g is large, the dark current becomes exponentially small.
理論的には、バンドギャップエネルギーが３．０ｅＶ以上の半導体では、４６０℃の高温環境下においても、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶ程度のＳｉ系半導体の室温時と同等の暗電流しか発生しない。したがって、バンドギャップエネルギーが３．０ｅＶ以上の半導体を有するガイガーモードＡＰＤを使用することにより、高温での暗電流が小さくなり、放射線検出器の冷却機構を簡素化することができる。これにより、放射線検出器およびこれを備える放射線検査装置を小型化することができ、低価格化を図ることができる。 Theoretically, a semiconductor having a band gap energy of 3.0 eV or more generates only a dark current equivalent to that at room temperature of a Si semiconductor having a band gap energy of about 1.1 eV even under a high temperature environment of 460 ° C. Therefore, by using a Geiger mode APD having a semiconductor with a band gap energy of 3.0 eV or more, dark current at high temperature is reduced, and the cooling mechanism of the radiation detector can be simplified. Thereby, a radiation detector and a radiation inspection apparatus provided with this can be reduced in size, and cost reduction can be achieved.
本発明に係る放射線検出器で、前記ガイガーモードＡＰＤは、Ｓｉ、II−VI族化合物半導体、III族元素としてＧａ、ＡｌまたはＩｎを含むIII−V族窒化物半導体、有機半導体、またはダイヤモンド半導体を有していてもよい。この場合、高性能のガイガーモードＡＰＤを形成することができ、高性能化を図ることができる。 In the radiation detector according to the present invention, the Geiger mode APD includes Si, a II-VI group compound semiconductor, a III-V group nitride semiconductor containing Ga, Al, or In as a group III element, an organic semiconductor, or a diamond semiconductor. You may have. In this case, a high-performance Geiger mode APD can be formed, and high performance can be achieved.
本発明に係る放射線検査装置は、本発明に係る放射線検出器を備えることを、特徴とする。 The radiation inspection apparatus according to the present invention includes the radiation detector according to the present invention.
本発明に係る放射線検査装置は、高速応答の放射線検出器を備えるため、データ取得時間を大幅に短縮することができる。このため、本発明に係る放射線検査装置を医療画像装置などに利用することにより、検査時間を短くすることができ、被検体の負担を大幅に軽減することができる。また、ガイガーモードＡＰＤは強力な磁場が存在する環境下であっても使用することができるため、本発明に係る放射線検査装置をＭＲＩ−ＰＥＴ装置のＰＥＴ装置として使用することもできる。 Since the radiation inspection apparatus according to the present invention includes the radiation detector with a high-speed response, the data acquisition time can be greatly shortened. For this reason, by using the radiation inspection apparatus according to the present invention for a medical imaging apparatus or the like, the inspection time can be shortened and the burden on the subject can be greatly reduced. Further, since the Geiger mode APD can be used even in an environment where a strong magnetic field exists, the radiation inspection apparatus according to the present invention can also be used as a PET apparatus of an MRI-PET apparatus.
本発明によれば、発光量はさほど高くないが、サブナノ〜数ナノ秒という極めて短い蛍光寿命を示すシンチレータと、低発光量の光に対しても高い感度を有するとともに応答速度が速い受光素子とを組み合わせた高速応答の放射線検出器および放射線検査装置を提供することができる。 According to the present invention, a scintillator that exhibits a very short fluorescence lifetime of sub-nano to several nanoseconds although the amount of light emission is not so high, and a light-receiving element that has high sensitivity to a low amount of light and has a fast response speed Thus, it is possible to provide a radiation detector and a radiation inspection apparatus with a high response speed.
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１３は、本発明の実施の形態の放射線検出器および放射線検査装置と、その特性とを示している。
図１に示すように、放射線検査装置１０は、放射線検出器１１とバイアス電源１２と前置増幅器１３と波形整形増幅器１４とマルチチャンネルアナライザ１５とパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１６とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 13 show a radiation detector and a radiation inspection apparatus according to an embodiment of the present invention and their characteristics.
As shown in FIG. 1, the radiation inspection apparatus 10 includes a radiation detector 11, a bias power source 12, a preamplifier 13, a waveform shaping amplifier 14, a multichannel analyzer 15, and a personal computer (PC) 16.
図１に示すように、放射線検出器１１は、チャンバー２１と励起子発光シンチレータ２２とガイガーモードＡＰＤ２３と反射材２４とを有している。励起子発光シンチレータ２２は、チャンバー２１の内部に収納され、ZnO、ZnOのZnサイトの一部をAl、Ga、In、Cd、Mg、RE（希土類元素：Sc、Y、ランタノイド）のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成、GaN、GaNのGaサイトの一部をSi、Ge、Sn、Pb、In、Al、のいずれか１種以上の元素で置換した化学組成、ZrO2、HfO2、Yb:Y2O3、Gd2O3、Sc2O3、または、Lu2O3のうちのいずれか一種類の化学組成を有している。励起子発光シンチレータ２２は、励起子による0.05ナノ秒〜10ナノ秒の蛍光寿命を有している。また、励起子発光シンチレータ２２は、３００nm〜６００nmに発光ピーク波長を有している。 As shown in FIG. 1, the radiation detector 11 includes a chamber 21, an exciton light emission scintillator 22, a Geiger mode APD 23, and a reflector 24. The exciton light emitting scintillator 22 is housed inside the chamber 21, and a part of the Zn site of ZnO or ZnO is any one of Al, Ga, In, Cd, Mg, and RE (rare earth elements: Sc, Y, lanthanoid). Chemical composition substituted with one or more elements, Chemical composition substituted with one or more elements of Si, Ge, Sn, Pb, In, Al, GaN, GaN Ga sites, ZrO 2 , HfO 2 , Yb: Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sc 2 O 3 , or Lu 2 O 3 has one chemical composition. The exciton luminescence scintillator 22 has a fluorescence lifetime of 0.05 nanoseconds to 10 nanoseconds due to excitons. The exciton light emission scintillator 22 has a light emission peak wavelength in the range of 300 nm to 600 nm.
図１に示すように、ガイガーモードＡＰＤ２３は、チャンバー２１の内部に収納され、励起子発光シンチレータ２２に隣接して設置されている。ガイガーモードＡＰＤ２３は、励起子発光シンチレータ２２から発せられた蛍光を電気信号に変換可能に構成されている。ガイガーモードＡＰＤ２３は、３．０ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有するＧａＮ、（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、（Ｉｎ，Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、ＺｎＯ、（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｏ、ＺｎＳｅ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣ等のいずれかの半導体を有している。ガイガーモードＡＰＤ２３は、励起子発光シンチレータ２２の発光ピーク波長、すなわち３００〜６００ｎｍの波長域で１０％以上の量子変換効率を有している。また、ガイガーモードＡＰＤ２３は、１photonの発光を検出可能な感度を有している。 As shown in FIG. 1, the Geiger mode APD 23 is housed inside the chamber 21 and is installed adjacent to the exciton light emission scintillator 22. The Geiger mode APD 23 is configured to convert the fluorescence emitted from the exciton light emission scintillator 22 into an electrical signal. The Geiger mode APD 23 uses GaN, (In, Ga) N, (Al, Ga) N, (In, Al, Ga) N, ZnO, (Mg, Zn) O, ZnSe having a band gap energy of 3.0 eV or more. , Ga 2 O 3 , SiC or the like. The Geiger mode APD 23 has a quantum conversion efficiency of 10% or more in the emission peak wavelength of the exciton emission scintillator 22, that is, in the wavelength region of 300 to 600 nm. Further, the Geiger mode APD 23 has a sensitivity capable of detecting light emission of 1 photon.
図１に示すように、反射材２４は、チャンバー２１の内部に収納され、励起子発光シンチレータ２２の外面のうち、ガイガーモードＡＰＤ２３で覆われている部分以外の部分を覆っている。
放射線検出器１１は、線源１からの放射線が励起子発光シンチレータ２２の内部に入ると、励起子発光シンチレータ２２が蛍光を発し、その蛍光をガイガーモードＡＰＤ２３が検出して電気信号に変換して出力するようになっている。
As shown in FIG. 1, the reflector 24 is housed inside the chamber 21 and covers a portion of the outer surface of the exciton light-emitting scintillator 22 other than the portion covered with the Geiger mode APD 23.
When the radiation from the radiation source 1 enters the exciton light emission scintillator 22, the radiation detector 11 emits fluorescence, and the Geiger mode APD 23 detects the fluorescence and converts it into an electrical signal. It is designed to output.
放射線検出器１１の励起子発光シンチレータ２２の一例として、Ｇａ：ＺｎＯシンチレータ（Ｇａ添加濃度２６、５３、５５０ｐｐｍ）の蛍光強度を、ラジオルミネッセンスにより測定した結果を、図２に示す。図２に示すように、このＧａ：ＺｎＯシンチレータの蛍光強度スペクトルにおける最大ピーク波長は、３９０ｎｍである。なお、図２中の520nｍ付近に最大ピーク波長を有する発光は、蛍光寿命が長いため、放射線検出器１１には利用しない。また、ＧａＮシンチレータの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定した結果を、図３に示す。図３に示すように、このＧａＮシンチレータは、０．８ｎｓという極めて短い蛍光寿命を有する。 As an example of the exciton light emission scintillator 22 of the radiation detector 11, the result of measuring the fluorescence intensity of a Ga: ZnO scintillator (Ga addition concentration 26, 53, 550 ppm) by radioluminescence is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the maximum peak wavelength in the fluorescence intensity spectrum of this Ga: ZnO scintillator is 390 nm. Note that the light emission having the maximum peak wavelength near 520 nm in FIG. 2 is not used for the radiation detector 11 because of its long fluorescence lifetime. Moreover, the result of having measured the fluorescence decay time of the GaN scintillator by photoluminescence is shown in FIG. As shown in FIG. 3, this GaN scintillator has a very short fluorescence lifetime of 0.8 ns.
放射線検出器１１のガイガーモードＡＰＤ２３の一例として、市販されている３種類のガイガーモードＡＰＤ（浜松ホトニクス株式会社製）の２００ｎｍ〜９００ｎｍの波長域における量子変換効率（検出効率；％）を、図４に示す。図４に示すように、これら３種類のガイガーモードＡＰＤは、３００nm〜６００nmの波長域で量子変換効率が１０％以上である。 As an example of the Geiger mode APD 23 of the radiation detector 11, the quantum conversion efficiency (detection efficiency;%) in the wavelength region of 200 nm to 900 nm of three commercially available Geiger mode APDs (manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.) is shown in FIG. Shown in As shown in FIG. 4, these three types of Geiger mode APDs have a quantum conversion efficiency of 10% or more in a wavelength region of 300 nm to 600 nm.
図１に示すように、バイアス電源１２は、放射線検出器１１に電力を供給可能に、ガイガーモードＡＰＤ２３に接続されている。前置増幅器１３は、ガイガーモードＡＰＤ２３に接続され、ガイガーモードＡＰＤ２３から出力された電気信号を増幅するようになっている。波形整形増幅器１４は、前置増幅器１３に接続され、前置増幅器１３から出力された信号波形を整形し、さらに増幅するようになっている。マルチチャンネルアナライザ１５は、波形整形増幅器１４に接続され、波形整形増幅器１４からの信号を入力して、サンプリング、データの保存、データの表示などを行うようになっている。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１６は、マルチチャンネルアナライザ１５に接続され、測定データに対して各種処理を実施可能になっている。これにより、放射線検査装置１０は、線源１からの放射線を放射線検出器１１で検出し、検出されたデータを保存・解析可能になっている。 As shown in FIG. 1, the bias power source 12 is connected to the Geiger mode APD 23 so as to be able to supply power to the radiation detector 11. The preamplifier 13 is connected to the Geiger mode APD 23 and amplifies the electrical signal output from the Geiger mode APD 23. The waveform shaping amplifier 14 is connected to the preamplifier 13, and shapes and amplifies the signal waveform output from the preamplifier 13. The multi-channel analyzer 15 is connected to the waveform shaping amplifier 14 and inputs a signal from the waveform shaping amplifier 14 to perform sampling, data storage, data display, and the like. A personal computer (PC) 16 is connected to the multi-channel analyzer 15 and can perform various processes on the measurement data. Thereby, the radiation inspection apparatus 10 can detect the radiation from the radiation source 1 with the radiation detector 11, and can preserve | save and analyze the detected data.
次に、作用について説明する。
放射線検出器１１は、励起子発光シンチレータ２２およびガイガーモードＡＰＤ２３ともに、0.05ナノ秒〜10ナノ秒（サブナノ〜数ナノ秒）という極めて速い応答速度を有するため、時間分解能が高く、サブナノ〜数ナノ秒という高速応答性を備えることができる。また、ガイガーモードＡＰＤ２３が低発光量の光に対して高い感度を有するため、発光量があまり高くない励起子発光シンチレータ２２と組み合わせても、高精度での放射線の検出が可能である。時間分解能が高くパイルアップを防止することができるため、数え落としが少なく、高精度で放射線を検出することができる。
Next, the operation will be described.
Since the radiation detector 11 has an extremely fast response speed of 0.05 nanoseconds to 10 nanoseconds (subnano to several nanoseconds), both the exciton emission scintillator 22 and the Geiger mode APD 23 have high time resolution, and subnano to several nanoseconds. High-speed response can be provided. In addition, since the Geiger mode APD 23 has high sensitivity to a low light emission amount, radiation can be detected with high accuracy even in combination with the exciton light emission scintillator 22 that does not have a high light emission amount. Since the time resolution is high and pile-up can be prevented, there are few countdowns, and radiation can be detected with high accuracy.
また、励起子発光シンチレータ２２の発光量が１photon程度しかない場合でも、ガイガーモードＡＰＤ２３により検出することができ、高感度である。バンドギャップエネルギーが３．０ｅＶ以上の半導体を有するガイガーモードＡＰＤ２３を使用しているため、高温での暗電流が小さくなり、放射線検出器１１の冷却機構を簡素化することができる。これにより、放射線検出器１１および放射線検査装置１０を小型化することができ、低価格化を図ることができる。 Even when the exciton light emission scintillator 22 emits only about 1 photon, it can be detected by the Geiger mode APD 23 and has high sensitivity. Since the Geiger mode APD 23 having a semiconductor with a band gap energy of 3.0 eV or more is used, the dark current at high temperature is reduced, and the cooling mechanism of the radiation detector 11 can be simplified. Thereby, the radiation detector 11 and the radiation inspection apparatus 10 can be reduced in size, and cost reduction can be achieved.
放射線検査装置１０は、高速応答の放射線検出器１１を備えるため、データ取得時間を大幅に短縮することができる。このため、放射線検査装置１０を医療画像装置などに利用することにより、検査時間を短くすることができ、被検体の負担を大幅に軽減することができる。また、ガイガーモードＡＰＤ２３は強力な磁場が存在する環境下であっても使用することができるため、放射線検査装置１０をＭＲＩ−ＰＥＴ装置のＰＥＴ装置として使用することもできる。 Since the radiation inspection apparatus 10 includes the radiation detector 11 having a high-speed response, the data acquisition time can be significantly shortened. For this reason, by using the radiation examination apparatus 10 for a medical imaging apparatus or the like, the examination time can be shortened, and the burden on the subject can be greatly reduced. Further, since the Geiger mode APD 23 can be used even in an environment where a strong magnetic field exists, the radiation inspection apparatus 10 can also be used as a PET apparatus of an MRI-PET apparatus.
放射線検査装置１０は、例えば、ＰＥＴ、Ｘ線ＣＴ、ＳＰＥＣＴ（単一光子放射断層撮影）などから成っている。また、放射線検査装置１０は、ＰＥＴからなる場合、特に限定されることはないが、ＭＲＩ−ＰＥＴ、ＣＴ−ＰＥＴ、２次元型ＰＥＴ、三次元型ＰＥＴ、ＴＯＦ型ＰＥＴ、深さ検出（ＤＯＩ）型ＰＥＴ、ＯＰＥＮ−ＰＥＴから成ることが好ましい。さらに、放射線検査装置１０は、これらの組み合わせから成っていてもよい。 The radiation inspection apparatus 10 includes, for example, PET, X-ray CT, SPECT (single photon emission tomography) and the like. Further, when the radiation inspection apparatus 10 is made of PET, there is no particular limitation, but MRI-PET, CT-PET, two-dimensional PET, three-dimensional PET, TOF-type PET, depth detection (DOI) It is preferable to consist of type PET and OPEN-PET. Furthermore, the radiation inspection apparatus 10 may consist of these combinations.
特に、現在実現が期待されている飛行時間陽電子放出装置（TOF型PET）では、従来の両検出器を結ぶ直線（LOR）上に等確率を付与する方法と異なり、対向する両検出器の計測時刻の差から放射線源の座標点を求め、LORに沿って検出器の時間分解能に相当するガウス関数でぼかした分布を位置情報とする。このため、従来のシンチレータ応答速度では、１００センチ弱の位置特定能力しか有することができない。これに対して、励起子発光シンチレータ２２を利用する放射線検査装置１０を使用することにより、数センチメートルの位置特定能力を有することができ、高性能化を図ることができる。 In particular, in the time-of-flight positron emission device (TOF type PET) that is currently expected to be realized, unlike the conventional method of giving equal probability on the straight line (LOR) connecting both detectors, measurement of both opposing detectors is possible. The coordinate point of the radiation source is obtained from the time difference, and the distribution blurred with a Gaussian function corresponding to the time resolution of the detector along the LOR is used as position information. For this reason, the conventional scintillator response speed can only have a position identification capability of less than 100 cm. On the other hand, by using the radiation inspection apparatus 10 that uses the exciton light-emitting scintillator 22, it is possible to have a position identification capability of several centimeters and to achieve high performance.
励起子発光シンチレータ２２としてＧａ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図５に示す。図５に示すように、熱電子ノイズ（図５中の黒線）に比較し有意に信号（図５中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using Ga: ZnO as the exciton light-emitting scintillator 22 and a Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70V was applied, and the energy wave height distribution when a β-ray having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source was detected was measured, and the result is shown in FIG. Show. As shown in FIG. 5, the signal (gray line in FIG. 5) can be detected significantly compared to thermionic noise (black line in FIG. 5), and the radiation detector 11 can be operated. Was confirmed.
励起子発光シンチレータ２２としてＧａ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図６に示す。図6に示すように、実測値（図６中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定してフィッティングを行った結果（図６中の破線）、第一成分として９．２ｎｓという結果が得られた。ここで、フィッティングに用いた関数はtを時間として、I = exp(-t/τ) 型の自然指数減少関数であり、強度Iが1/eになる時間τ を蛍光時定数と定義し、仮に一成分モデルが棄却された場合は複数の指数減少関数の和を仮定してフィッティングを行うものである。図６に示すように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using Ga: ZnO as the exciton light-emitting scintillator 22 and a Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70 V was applied, and the fluorescence decay time when irradiated with β-rays having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source was measured by photoluminescence. Is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the result of fitting on the measured value (black point in FIG. 6) assuming that it has a two-component fluorescence time constant (broken line in FIG. 6), as the first component A result of 9.2 ns was obtained. Here, the function used for fitting is a natural exponential reduction function of I = exp (-t / τ) type, where t is time, and the time τ when the intensity I becomes 1 / e is defined as the fluorescence time constant, If the one-component model is rejected, the fitting is performed assuming the sum of a plurality of exponential decreasing functions. As shown in FIG. 6, according to the radiation detector 11, it was confirmed that a high-speed light emission component of 10 ns or less of the exciton light emission scintillator 22 can be detected significantly.
励起子発光シンチレータ２２としてＩｎ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、荷電粒子として２４１Ａｍ線源からの５．５ＭｅＶのエネルギーをもつα線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図７に示す。図７に示すように、熱電子ノイズ（図７中の黒線）に比較し有意に信号（図７中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。このように、荷電粒子を照射した場合でも、β線を照射したときと同様の結果が得られた。 A radiation detector 11 using In: ZnO as the exciton light-emitting scintillator 22 and Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70V is applied, and an energy wave height distribution when an alpha ray having an energy of 5.5 MeV from a 241 Am ray source is detected as a charged particle is measured. As shown in FIG. As shown in FIG. 7, the signal (gray line in FIG. 7) can be detected significantly compared to thermionic noise (black line in FIG. 7), and the radiation detector 11 can be operated. Was confirmed. Thus, even when charged particles were irradiated, the same results as when irradiated with β rays were obtained.
励起子発光シンチレータ２２としてＩｎ：ＺｎＯ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、荷電粒子として２４１Ａｍ線源からの５．５ＭｅＶのエネルギーをもつα線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図８に示す。図８に示すように、実測値（図８中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定して、実施例２と同様にフィッティングを行った結果（図８中の破線）、第一成分として９.５ｎｓという結果が得られた。このように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。このように、荷電粒子を照射した場合でも、β線を照射したときと同様の結果が得られた。 A radiation detector 11 using In: ZnO as the exciton light-emitting scintillator 22 and Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70 V is applied, and the fluorescence decay time when irradiated with α-rays having energy of 5.5 MeV from a 241 Am source as charged particles is measured by photoluminescence. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 8, the result of fitting in the same manner as in Example 2 on the assumption that the measured value (black point in FIG. 8) has a two-component fluorescence time constant (in FIG. 8). As a first component, a result of 9.5 ns was obtained. Thus, according to the radiation detector 11, it was confirmed that a high-speed light emission component of 10 ns or less of the exciton light emission scintillator 22 can be detected significantly. Thus, even when charged particles were irradiated, the same results as when irradiated with β rays were obtained.
励起子発光シンチレータ２２としてＹｂ：Ｙ2Ｏ3、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図９に示す。図９に示すように、熱電子ノイズ（図９中の黒線）に比較し有意に信号（図９中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using Yb: Y 2 O 3 as the exciton light-emitting scintillator 22 and a Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70V was applied, and the energy wave height distribution when a β-ray having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source was detected was measured, and the result is shown in FIG. Show. As shown in FIG. 9, the signal (gray line in FIG. 9) can be detected significantly compared to thermionic noise (black line in FIG. 9), and the radiation detector 11 can be operated. Was confirmed.
励起子発光シンチレータ２２としてＹｂ：Ｙ2Ｏ3、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図１０に示す。図１０に示すように、実測値（図１０中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定して、実施例２と同様にフィッティングを行った結果（図１０の破線）、第一成分として０．１ｎｓ という結果が得られた。このように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using Yb: Y 2 O 3 as the exciton light-emitting scintillator 22 and a Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70 V was applied, and the fluorescence decay time when irradiated with β-rays having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source was measured by photoluminescence. Is shown in FIG. As shown in FIG. 10, the result of fitting in the same manner as in Example 2 assuming that the measured value (black dot in FIG. 10) has a two-component fluorescence time constant (broken line in FIG. 10). ), 0.1 ns was obtained as the first component. Thus, according to the radiation detector 11, it was confirmed that a high-speed light emission component of 10 ns or less of the exciton light emission scintillator 22 can be detected significantly.
励起子発光シンチレータ２２としてＨｆＯ２、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図１１に示す。図１１に示すように、熱電子ノイズ（図１１中の黒線）に比較し有意に信号（図１１中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using HfO 2 as the exciton light-emitting scintillator 22 and a Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70V was applied, and the energy wave height distribution when a β-ray having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source was detected was measured, and the result is shown in FIG. Show. As shown in FIG. 11, the signal (gray line in FIG. 11) can be detected significantly compared to thermionic noise (black line in FIG. 11), and the radiation detector 11 can be operated. Was confirmed.
励起子発光シンチレータ２２としてＨｆＯ２、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を照射したときの蛍光減衰時間を、フォトルミネッセンスにより測定し、その結果を図１２に示す。図１２に示すように、実測値（図１２中の黒点）に対して、二成分の蛍光時定数を持つものと仮定して、実施例２と同様にフィッティングを行った結果（図１２中の破線）、第一成分として１．４ｎｓという結果が得られた。このように、放射線検出器１１によれば、励起子発光シンチレータ２２の１０ｎｓ以下の高速な発光成分を、有意に検出可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using HfO 2 as the exciton light-emitting scintillator 22 and a Geiger mode APD 23 as the photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70 V was applied, and the fluorescence decay time when irradiated with β-rays having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source was measured by photoluminescence. Is shown in FIG. As shown in FIG. 12, the result of fitting in the same manner as in Example 2 assuming that the measured value (black point in FIG. 12) has a two-component fluorescence time constant (in FIG. 12). The result was 1.4 ns as the first component. Thus, according to the radiation detector 11, it was confirmed that a high-speed light emission component of 10 ns or less of the exciton light emission scintillator 22 can be detected significantly.
励起子発光シンチレータ２２としてＧａＮ、およびフォトダイオードとしてガイガーモードＡＰＤ２３を用いた放射線検出器１１を準備した。この放射線検出器１１を用いて、７０Vの高電圧を印加し、９０Sr線源からの１．８ＭｅＶのエネルギーをもつβ線を検出したときのエネルギー波高分布を測定し、その結果を図１３に示す。図１３に示すように、熱電子ノイズ（図１３中の黒線）に比較し有意に信号（図１３中のグレーの線）を検出することができ、放射線検出器１１として動作可能であることが確認できた。 A radiation detector 11 using GaN as the exciton light-emitting scintillator 22 and Geiger mode APD 23 as a photodiode was prepared. Using this radiation detector 11, a high voltage of 70V was applied, and an energy wave height distribution was measured when β-rays having an energy of 1.8 MeV from a 90 Sr radiation source were detected, and the result is shown in FIG. Show. As shown in FIG. 13, the signal (gray line in FIG. 13) can be detected significantly compared to thermionic noise (black line in FIG. 13), and the radiation detector 11 can be operated. Was confirmed.
以上、実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、図面を参照して本発明の実施の形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、これら以外の様々な構成を採用することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail with reference to the Example, this invention is not limited to these. Further, although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, these are exemplifications of the present invention, and various configurations other than these can be adopted.
１ 線源
１０ 放射線検査装置
１１ 放射線検出器
１２ バイアス電源
１３ 前置増幅器
１４ 波形整形増幅器
１５ マルチチャンネルアナライザ
１６ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２１ チャンバー
２２ 励起子発光シンチレータ
２３ ガイガーモードＡＰＤ
２４ 反射材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Radiation source 10 Radiation inspection apparatus 11 Radiation detector 12 Bias power supply 13 Preamplifier 14 Waveform shaping amplifier 15 Multichannel analyzer 16 Personal computer (PC)
21 Chamber 22 Exciton emission scintillator 23 Geiger mode APD
24 Reflective material
Claims (10)
ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、
有することを特徴とする放射線検出器。 An exciton-emitting scintillator that emits light from a direct-transition-type semiconductor exciton having a fluorescence lifetime of 0.05 nanoseconds to 10 nanoseconds by excitons;
Geiger mode APD (Geiger mode avalanche photodiode),
A radiation detector comprising:
ガイガーモードＡＰＤ（ガイガーモードアバランシェフォトダイオード）とを、
有することを特徴とする放射線検出器。 ZrO 2, HfO 2, Yb: of Y 2 O 3, Gd 2 O 3, Sc 2 O 3, Lu 2 O 3, wherein at least any one kind, fluorescence of 0.05 nanoseconds to 10 nanoseconds by excitons An exciton-emitting scintillator having a lifetime;
Geiger mode APD (Geiger mode avalanche photodiode),
A radiation detector comprising:
前記ガイガーモードＡＰＤは２７０〜９００ｎｍに波長感度を有することを、
特徴とする請求項１、２、３または４記載の放射線検出器。 The exciton light emitting scintillator has an emission peak wavelength at 270 to 900 nm,
The Geiger mode APD has a wavelength sensitivity of 270 to 900 nm.
5. The radiation detector according to claim 1, 2, 3 or 4.
前記ガイガーモードＡＰＤは３００〜６００ｎｍの波長域で１０％以上の量子変換効率を有することを、
特徴とする請求項１、２、３または４記載の放射線検出器。 The exciton luminescence scintillator has an emission peak wavelength at 300 to 600 nm,
The Geiger mode APD has a quantum conversion efficiency of 10% or more in a wavelength region of 300 to 600 nm.
5. The radiation detector according to claim 1, 2, 3 or 4.
A radiation inspection apparatus comprising the radiation detector according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9.
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