JP2011099695A - 高エネルギーｘ線の検出装置と検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギーを検出することができる高エネルギーＸ線の検出装置と検出方法を提供する。
【解決手段】 所定の方向から入射する入射Ｘ線１の照射によりこれをコンプトン散乱する散乱体１２と、入射Ｘ線に対し特定の方向θにコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器１４と、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器１６と、コンプトン散乱の断面積から入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正する入射Ｘ線補正器１８とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線の検出装置と検出方法に関する。

税関や空港における手荷物検査等において、Ｘ線を被検査物に照射し、透過したＸ線の強度分布を画像化して内部の危険物（銃器等）を検出するＸ線検査装置が従来から広く用いられている。
また、被検査物を透過したＸ線をエネルギー弁別して、被検査物内の材質や状態を観察する技術も知られている（例えば非特許文献１）。
さらに、本発明と関連する技術が、非特許文献２、３及び特許文献１に開示されている。

富田康弘、他、「エネルギー弁別型フォトンカウンティング放射線ラインセンサ（Ｘ線カラースキャナ）、放射線 Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１（２００６） Ｓｈｉｎ Ｗａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．，"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ Ｓｉ／ＣｄＴｅ Ｃｏｍｐｔｏｎ ｃａｍｅｒａ"， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｕｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ ５７９ （２００７） ８７１−８７７ 中村 尚司、「放射線物理と加速器安全の工学」、地人書簡、Ｐ３８−３９

特開２００５−２０８０５７号公報、「ガンマ線検出器及びガンマ線撮像装置」

上述した非特許文献１では、Ｘ線を電気信号に変換するＸ線検出器として、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）放射線素子を用いている。ＣｄＴｅは、Ｘ線、γ線に対し高い吸収特性を示し、Ｘ線、γ線を直接電荷に変換するため、非常に優れた光電変換特性を示す。
そのため、１ＭｅＶ未満の比較的低エネルギーのＸ線に対しては、Ｘ線のエネルギースペクトルの計測において、従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）からの出力信号を波高弁別することで、Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能であった。

一方、コンテナ用などのＸ線検査装置、医療用Ｘ線治療装置、加速器ベースのＸ線発生／検出装置などでは、エネルギーが１Ｍｅｖ〜９ＭｅＶのＸ線が用いられるようになっている。
しかし、エネルギーが１ＭｅＶを超えるＸ線（以下、「高エネルギーＸ線」と呼ぶ）では，エネルギー弁別の基礎となるＸ線の全吸収の過程が起こりにくくなり、従来のＸ線検出器を用いてもエネルギー弁別できない問題点があった。

また，線型加速器等により発生する高エネルギーＸ線はパルスで発生するため，瞬間的にビーム強度が高くなり，検出器内の１回の計測に複数のＸ線が入射する現象（「パイルアップ」と呼ばれる）を起こすため、高エネルギーＸのエネルギー弁別ができない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線のエネルギーを検出することができる高エネルギーＸ線の検出装置と検出方法を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、高エネルギーＸ線がパルスで発生しても、そのエネルギーを検出することができる高エネルギーＸ線の検出装置と検出方法を提供することにある。

本発明によれば、所定の方向から入射する入射Ｘ線の照射によりこれをコンプトン散乱する散乱体と、
前記入射Ｘ線に対し特定の方向にコンプトン散乱された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器と、
前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器と、
コンプトン散乱の断面積から前記入射Ｘ線のエネルギースペクトルを補正する入射Ｘ線補正器と、を備えたことを特徴とする高エネルギーＸ線の検出装置が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記散乱Ｘ線検出器に入射する散乱Ｘ線の散乱方向と立体角を制限する入射制限器を備える。

また、前記散乱体は、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物である。

また本発明によれば、散乱体を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させ、
前記入射Ｘ線に対し特定の方向にコンプトン散乱された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出し、
前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算し、
コンプトン散乱の断面積から前記入射Ｘ線のエネルギースペクトルを補正する、ことを特徴とする高エネルギーＸ線の検出方法が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、散乱体を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させるので、散乱Ｘ線は入射Ｘ線よりも相対的に低いエネルギー（例えば９０°の方向には高々５１１ｋｅＶ）となるため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線の検出に用いられている従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）を用いて散乱Ｘ線のエネルギーを弁別することができる。

また、散乱Ｘ線検出器を用いて前記入射Ｘ線に対し特定の方向にコンプトン散乱された散乱Ｘ線のエネルギーを検出するので、特定の散乱角のもとでは、散乱Ｘ線解析器によりコンプトン散乱の式を用いて、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギーを一意に決めることができる。
従って、散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを求めることができる。

また、入射制限器を用いて前記散乱Ｘ線検出器に入射する散乱Ｘ線の散乱方向と立体角を制限することにより、散乱Ｘ線の入射頻度を小さくできるため、パルスＸ線等，瞬間的に強度の高くなるＸ線に対しても、パイルアップを起こすことなくエネルギー弁別できる。

Ｘ線のエネルギー付与スペクトルの一例を示す図である。 従来のコンプトンカメラの原理図である。 本発明による高エネルギーＸ線の検出装置の全体構成図である。 入射Ｘ線と散乱Ｘ線の強度比を示す図である。 本発明による高エネルギーＸ線の検出方法のフロー図である。 電子対生成とコンプトン散乱との断面積比を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、ＣｄＴｅ内でのＸ線のエネルギー付与スペクトルの一例を示す図である。
この図において、横軸はＸ線のエネルギー、縦軸はカウント数、図中の曲線は、１ＭｅＶのＸ線に対する光電吸収ピークとコンプトン散乱を示している。
従来のＸ線検出器に用いられている光電変換素子（この例では、テルル化カドミウム：ＣｄＴｅ）は、光電吸収ピークを検出し、入射Ｘ線のエネルギーを検出している。しかし、図１から光電吸収の他にコンプトン散乱が頻発していることがわかる。このコンプトン散乱光は、光電変換素子においてその一部が吸収され、大部分は外部に散乱する。

そのため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線に対しては、Ｘ線のエネルギースペクトルの計測において、Ｘ線のエネルギーの実質的に全てが吸収されるので、従来のＸ線検出器からの出力信号を波高弁別することで、Ｘ線のエネルギーを弁別することが可能であった。

しかし、エネルギーが１ＭｅＶを超えるＸ線（高エネルギーＸ線）では、エネルギー弁別の基礎となるＸ線の全吸収の過程が起こりにくくなり、従来のＸ線検出器を用いてもエネルギー弁別できない。
例えば、３ＭｅＶの高エネルギーＸ線では、光電吸収ピークは１ＭｅＶ（図１）に比べて２桁小さく、９ＭｅＶの高エネルギーＸ線では、光電吸収ピークは確認できないほど小さくなる。
従って、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線に対しては、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線と同じ手段では、エネルギー弁別できないことがわかる。

一方、１ＭｅＶを超える高エネルギーＸ線は、通常、加速器で生成されるため、ビーム構造はパルス的であり、瞬間的に強い強度で発生する。
検出器に入射するＸ線のフルエンス率は、パルス幅、検出面積にも依存するが、例えば従来の検査装置の使用条件では、１０^１１［ｐｈｏｔｏｎ／ｓ］のオーダであるのに対し、従来のエネルギー弁別検出器の応答速度は、１０^−６ｓｅｃのオーダであり、１回の検出時に、１０^６のオーダのＸ線パルスが入射するパイルアップが発生し、エネルギー弁別できないことがわかる。

図２は、非特許文献２に開示された従来のコンプトンカメラの原理図である。
この図において、１は入射Ｘ線、２は散乱Ｘ線、３は散乱体、４は吸収体、５はシールドである。入射Ｘ線１のエネルギーをＥｉｎ、散乱体３による吸収エネルギーをＥ１、吸収体４による吸収エネルギーをＥ２、入射Ｘ線１に対する散乱Ｘ線２の散乱角度をθとすると、数１の式（１）と式（２）が成り立つ。ここで、ｍ_ｅＣ^２は電子のエネルギーである。
従って、入射Ｘ線が高エネルギーＸ線であっても、Ｅ１、Ｅ２、θから、入射Ｘ線のエネルギーＥｉｎを求めることができる。

しかし、この手段は、高エネルギーＸ線に対応できるが、従来のエネルギー弁別検出器を用いるため、応答速度が遅く（１０^−６ｓｅｃのオーダ）、Ｘ線パルスには対応できない。
さらにこの手段では、高エネルギーＸ線およびそれによる２次電子を検出器内ですべて吸収する必要があるため、吸収体を含めた検出器全体のサイズが大きくなる。その結果、検査装置に組み込む場合にはその空間分解能が悪くなる恐れがある。

図３は、本発明による高エネルギーＸ線の検出装置の全体構成図である。
この図において、本発明の高エネルギーＸ線検出装置１０は、散乱体１２、散乱Ｘ線検出器１４、入射Ｘ線解析器１６、及び入射Ｘ線補正器１８を備える。なお、１は入射Ｘ線、２は散乱Ｘ線である。

散乱体１２は、所定の方向（この例では上方）から入射する入射Ｘ線１の照射により、入射Ｘ線１をコンプトン散乱する。散乱体１２は、好ましくは、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物である。

散乱Ｘ線検出器１４は、入射Ｘ線１に対し特定の方向θにコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する。
散乱Ｘ線検出器１４は、光電変換素子（ＣｄＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ，Ｇｅ，Ｓｉ，シンチレータなど）、検出回路（前置増幅器、主増幅器、及びマルチチャンネルアナライザ）、および制御装置からなり、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出できるように構成されている。

入射Ｘ線解析器１６は、例えばコンピュータであり、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。

図３の構成において、コンプトン散乱による散乱Ｘ線２のエネルギーｈνは、散乱角度θにより数２の式（３）により一意に決まることが、非特許文献３に開示されている。ここで、ｈν_０は入射Ｘ線１のエネルギー、ｍ_ｅＣ^２は電子のエネルギーである。

従って、式（３）により、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算することができる。
また、式（３）において、電子のエネルギー（ｍ_ｅｃ^２）は、約０．５ＭｅＶであり、本願の対象とする入射Ｘ線１のエネルギー（ｈν_０）は、例えば１〜９ＭｅＶであることから、散乱角度θが９０度の場合、散乱Ｘ線２のエネルギーｈνは、約０．３３〜０．４７ ＭｅＶであり、散乱Ｘ線検出器１４として従来のＸ線検出器を用いて散乱Ｘ線２のエネルギーを弁別できることがわかる。

入射Ｘ線補正器１８は、例えばコンピュータであり、コンプトン散乱の断面積から入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正する。すなわち散乱体での自己吸収、およびコンプトン散乱の断面積を考慮してスペクトルの形を補正する。なお、入射Ｘ線解析器１６と入射Ｘ線補正器１８は、同一のコンピュータであってもよい。

図３の構成において、コンプトン散乱による微分断面積（ｄσ_ｃ／ｄΩ）は、Ｋｌｅｉｎ−仁科の式として、数３の式（４）と式（５）で与えられることが、非特許文献３に開示されている。ここで、ｒ_ｅは電子の古典半径（２．８１７９４×１０^−１５［ｍ］）である。

また、補正前後のエネルギースペクトルを各々ｆ１、ｆ２とすると、数４の式（６）が成り立つ。

従って、式（４）〜（６）から、入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正することができる。

図３において、本発明の高エネルギーＸ線検出装置１０は、さらに、入射制限器２０を備える。この例において、入射制限器２０は、２つのアパーチャ２０ａ，２０ｂからなり、散乱Ｘ線検出器１４に入射する散乱Ｘ線２の散乱方向と立体角を制限するようになっている。

図４は、入射Ｘ線と散乱Ｘ線の強度比を示す図である。この図において、横軸は入射Ｘ線のエネルギー、縦軸は散乱比率であり、図中の曲線は、散乱体が厚さ１ｍｍのＳｉであり、散乱方向が９０°、立体角が２π×０．０１の場合を示している。
この例において、入射Ｘ線１のエネルギー（ｈν_０）が１〜９ＭｅＶである場合、散乱比率は約１〜４．５×１０^−５であり、散乱Ｘ線２は入射Ｘ線１に比べて約５桁頻度が落ちることがわかる。
従って、上述した例において、高エネルギーＸ線のフルエンス率が、１０^１１［ｐｈｏｔｏｎ／ｓ］のオーダであり、エネルギー弁別検出器の応答速度が、１０^−６ｓｅｃのオーダであっても、１回の検出時に、入射するＸ線パルスは１桁（＝１０^１１×１０^−６×１０^−５）となり、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別が可能となることがわかる。
すなわち、上述の例において、散乱体の厚さ、散乱方向、立体角を適宜調整することにより、パイルアップを抑制し、エネルギー弁別することができる。

図５は、本発明による高エネルギーＸ線の検出方法のフロー図である。この図に示すように、本発明の高エネルギーＸ線の検出方法では、上述した装置を用いて、以下の４つのステップ（工程）からなる。
（１）散乱体１２を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させる。
（２）図５（Ａ）に示すように、散乱Ｘ線検出器１４を用いて、入射Ｘ線１に対し特定の方向θにコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルを検出する。
（３）図５（Ｂ）に示すように、入射Ｘ線解析器１６により、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを演算する。
（４）図５（Ｃ）に示すように、コンプトン散乱の断面積から入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを補正する。

図６は、電子対生成とコンプトン散乱との断面積比を示す図である。この図において、横軸はＸ線エネルギー、縦軸は電子対生成とコンプトン散乱の比率（電子対生成／コンプトン散乱）である。
電子対生成は、コンプトン散乱を検出する際のノイズとして作用するので、図６における比率が小さいほど、Ｓ／Ｎ比が改善される。すなわち、この図から、原子番号が小さい方が、コンプトン散乱を起こす比率が高く、Ｓ／Ｎ比の改善が期待できることがわかる。
従って、上述したように散乱体１２は、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物であるのがよい。

上述した本発明の装置と方法によれば、散乱体１２を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線１をコンプトン散乱させるので、散乱Ｘ線２は入射Ｘ線１よりも相対的に低いエネルギー（例えば９０°の方向には高々５１１ｋｅＶ）となるため、比較的低エネルギー（＜１ＭｅＶ）のＸ線の検出に用いられている従来のＸ線検出器（シンチレータや半導体検出器など）を用いて散乱Ｘ線のエネルギーを弁別することができる。

また、散乱Ｘ線検出器１４を用いて入射Ｘ線１に対し特定の方向（散乱角θ）にコンプトン散乱された散乱Ｘ線２のエネルギーを検出するので、特定の散乱角θのもとでは、散乱Ｘ線解析器１６によりコンプトン散乱の式（３）を用いて、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギーを一意に決めることができる。
従って、散乱Ｘ線２のエネルギースペクトルから入射Ｘ線１のエネルギースペクトルを求めることができる。

また、入射制限器２０を用いて散乱Ｘ線検出器１４に入射する散乱Ｘ線２の散乱方向と立体角を制限することにより、散乱Ｘ線２の入射頻度を小さくできるため、パルスＸ線等，瞬間的に強度の高くなるＸ線に対しても、パイルアップを起こすことなくエネルギー弁別できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

１ 入射Ｘ線、２ 散乱Ｘ線、３ 散乱体、
４ 吸収体、５ シールド、
１０ Ｘ線検出装置、１２ 散乱体、
１４ 散乱Ｘ線検出器、１６ 入射Ｘ線解析器、
１８ 入射Ｘ線補正器、２０ 入射制限器、
２０ａ，２０ｂ アパーチャ

Claims (4)

1. 所定の方向から入射する入射Ｘ線の照射によりこれをコンプトン散乱する散乱体と、
   前記入射Ｘ線に対し特定の方向にコンプトン散乱された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出する散乱Ｘ線検出器と、
   前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算する入射Ｘ線解析器と、
   コンプトン散乱の断面積から前記入射Ｘ線のエネルギースペクトルを補正する入射Ｘ線補正器と、を備えたことを特徴とする高エネルギーＸ線の検出装置。
2. 前記散乱Ｘ線検出器に入射する散乱Ｘ線の散乱方向と立体角を制限する入射制限器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーＸ線の検出装置。
3. 前記散乱体は、水素、炭素、アルミニウム、シリコン、又はこれらを主成分とする化合物である、ことを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーＸ線の検出装置。
4. 散乱体を用いて所定の方向から入射する入射Ｘ線をコンプトン散乱させ、
   前記入射Ｘ線に対し特定の方向にコンプトン散乱された散乱Ｘ線のエネルギースペクトルを検出し、
   前記散乱Ｘ線のエネルギースペクトルから入射Ｘ線のエネルギースペクトルを演算し、
   コンプトン散乱の断面積から前記入射Ｘ線のエネルギースペクトルを補正する、ことを特徴とする高エネルギーＸ線の検出方法。

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