JP2013024597A

JP2013024597A - 複合シンチレータの製造方法

Info

Publication number: JP2013024597A
Application number: JP2011156955A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Yasui; 伸浩安居; Ryota Ohashi; 良太大橋; Toru Den; 透田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-02-04

Abstract

【課題】簡素化された製造工程により、より簡便にシンチレータを製造することのできる方法を提供する。
【解決手段】一軸光導波性を有する少なくとも2種類の材料からなる複合シンチレータの製造方法であって、多数のファイバー間にシンチレータ材料の融液を介在させる工程と、該ファイバー間にある該融液を凝固させる工程と、凝固物を所望の形状に切断・研磨する工程とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、より簡素化された製造工程からなる複合シンチレータの製造方法、およびその複合シンチレータを用いた放射線検出器の製造方法に関する。また、本発明は、複合シンチレータおよびそのシンチレータを用いた放射線検出器に関する。

医療現場等で用いられているX線CT（Computed Tomography）装置では、被写体を通過したX線をシンチレータで受け、そのシンチレータが発した光を光検出器で検出している。また、それら検出器は２次元アレイとして配置されている。そのような状況において、シンチレータの発した光が隣接検出器へ広がるのを防止するために、光導波性を示す複合体が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示される製法では、犠牲繊維とシンチレータ粉末を焼結した後、犠牲繊維を除去して多孔質のシンチレータを得て、再度所望の部材を孔に充填するという多数の工程を経なければならなかった。

特開２００１−５８８８１号公報

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡素化された製造工程により、より簡便にシンチレータを製造することができる方法を提供することを目的とする。

一軸光導波性を有する少なくとも２種類の材料からなる複合シンチレータの製造方法であって、多数のファイバー間にシンチレータ材料の融液を介在させる工程と、該ファイバー間にある該融液を凝固させる工程と、凝固物を所望の形状に切断・研磨する工程とからなる。

本発明では、ファイバー間にシンチレータ結晶の融液を介在させて作製するために、製造工程を簡素化することが可能である。

本発明の複合シンチレータの模式図である。本発明の複合シンチレータを作製する工程を示す図である。紫外線励起した複合シンチレータの光学顕微鏡像である。本発明の複合シンチレータの導波性を示す写真である。本発明の複合シンチレータの光の広がり具合を示す図である。本発明の放射線検出器を示す図である。

以下、図面等を用いて本発明を実施するための形態を説明する。尚、本発明を実施するための形態としては、様々な形態（様々な構成や、様々な材料）があるが、全ての実施形態に共通することは、２つの結晶相を有し、一方の結晶相と、一方の結晶相よりも屈折率が大きい他方の結晶相との２相を備える相分離構造を有するシンチレータ結晶体が、互いに同一面上に位置しない第一の主面と第二の主面とに他方の結晶相が露出する部分を有し、他方の結晶相の第一の主面に露出する部分と第二の主面に露出する部分とがつながっていることである。これによって、高屈折率の結晶相内の光は、高屈折率相の周りに位置する低屈折率の結晶相によって全反射され、結果、高屈折率結晶内を導波されながら進む。その際、高屈折率の結晶相は、第一の主面と第二の主面とに露出するとともに、この露出部がつながっているため、導波（光ガイディング）は、第一の主面または第二の主面に向けて行われる。これらは換言すると、シンチレータ結晶体内で生じた光は、より屈折率の大きい他方の結晶相内に閉じ込められながら（つまり光が広がることなく）、第一の主面または第二の主面に向けて進行するといえる。このようにして、本発明の全ての実施形態は、シンチレータ結晶体自体が、導波機能（光ガイディング機能）を有する。尚、ここで、例えば図６においては、第一の主面１０１とは、基板１０４上に設けられた光検出器１０３に対向する面であり、第二の主面１０２とは、Ｘ線等の放射線が入射する面である（図６参照）。これによって、シンチレータ結晶体１００で発生した光を光検出器１０３に向けて導波（光ガイディング）することが可能となり、光の利用効率の優れたシンチレータ結晶体１０４の提供と、これを用いた、高輝度、高解像度の放射線検出器１０５の提供が可能となる。
尚、以下に説明する各実施形態においては、低屈折率相である一方の結晶相も、第一の主面と第二の主面とに露出する部分を有し、これら露出部がつながっている構成が好ましい。これによって、高屈折率相である他方の結晶相内の光を、より確実に、第一の主面または第二の主面に、広がることなく導波（光ガイディング）することが可能となる。
また、低屈折率相である一方の結晶相が、高屈折率相である他方の結晶相中に位置している構成が好ましい。これによって、シンチレータ結晶体における低屈折率相である一方の結晶相が占める割合を抑えながら、十分な導波機能（光ガイディング機能）を得ることができる。

[光導波異方性を有する複合シンチレータの構成]
図１に本発明の光導波異方性を有する２種類の材料からなる複合シンチレータの模式的構造を示す。

本発明のシンチレータは、一方向性を有する多数のファイバー１１と、ファイバー１１の側面を埋めるシンチレータ１２の領域から構成されている。ファイバー１１の形状は円形に限らず、楕円形や、複数の面から構成され多角形を構成してよい。また、ファイバーの直径１３は、平均値で１μｍ以上３０μｍ以下の範囲であることが好ましく、特に１μｍ以上１０μｍ以下の範囲であることが望ましい。近接ファイバー間の周期１４は、平均値で１μｍ以上５０μｍ以下の範囲であることが好ましい、特に１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であることが望ましい。これらの直径や周期は、適用する光検出器の受光部のサイズよりも小さい値であることが重要である。つまり、本発明の複合シンチレータと検出器ないし検出器アレイと組み合わせた場合、光検出器の受光部領域上に多数のファイバーが配置されるような構造サイズを有したものを組み合わせることが好ましい。例えば、受光領域が正方で一辺が５０μｍであった場合、ファイバー直径の平均値が１０μｍ以下でなければ、十分なファイバー本数を得られないため、ファイバーの直径で５．５μｍ、周期で６．５μｍというような構造サイズを有している複合シンチレータを用いることが好ましいという具合である。

さらに、複合シンチレータの厚み１５に関しては、任意の厚みに調整することが可能である。実質的にファイバーは、厚み方向１６に渡って真っ直ぐ続いていることが好ましいが、途中で途切れたり、直径が揺らいだり、一直線でなく曲がったりした部分が含まれている場合などを排除するものではない。あえて柱状晶を曲げることも可能である。あくまでも図１は模式図である。このとき、第一の主面とは図１における上面部分であり、第二の主面とは下面部分であると言える。また、第一と第二の主面は同一面上にないだけであって、その他は同等の面であるから、図における定義に上下はなく前述の上面と下面の関係性は逆であっても問題とならない。そして、本発明の複合シンチレータの光導波方向は、一方の主面から他方の主面に向かう主面間の方向である。また、光導波においてシンチレータ１２の領域は光学的に透明であることが好ましい。さらには、あるシンチレータ１２の結晶粒は、第一の主面と第二の主面間においてつながっていることが好ましい。より好ましくは、シンチレータ１２が、単結晶であることが望ましい。

ファイバー１１は、シンチレータ１２よりも低屈折率な材料で構成されており、シンチレーション光に対して透明であればいずれの材料から構成されていてもよい。また、ファイバー１１の表面が、平滑であることも望ましい。さらに好ましくは、ファイバーはアモルファスである。具体的には、ガラス・石英・アルミナの繊維が有望である。たとえば、ガラスについては、組成においてSiO₂が50wt％（wt%：重量％）以上で、その他の主要成分がAl₂O₃、CaO、MgO、B₂O₃、Na₂O、ZrO₂等であるものなどが使用可能である。石英については、95wt%以上がSiO₂であるものである。また、アルミナについては、70wt%以上がAl₂O₃であるものである。ここで、アモルファスというのは、ファイバーの全領域にてアモルファスということではなく、少なくとも一部にアモルファス領域が含まれているものを含むものである。

また、シンチレータ１２は、上記ファイバー間に配置できるものであればいずれのシンチレータも適用可能であるが、後述の製法上の制約からファイバー１１と反応して形状を崩壊させない材料を選択することが好ましい。特に、シンチレータの融点が重要で、1100℃以下の融点を有することが好ましく、より好ましくは700℃以下の融点である。たとえば、弗化物でないハライド系材料でファイバーと反応せず、低融点なものが多く好ましい。特に、CsI、CsBr、CsCl、RbI、RbBr、RbCl、BaI₂、BaBr₂、BaCl₂、SrI₂、SrBr₂、SrCl₂、CaI₂、CaBr₂、CaCl₂、CuI、CuBr、CuCl、LaI₃、LaBr₃、LaCl₃から選択することが好ましく、これらから選択した2種以上の材料の化合物であってもよい。また、シンチレータとしての母材としての上記材料には、所望の発光波長や発光輝度を得るために発光中心を添加することも好ましい。特に、Tl、In、Gaや希土類元素であるEu、Ce、Tb、Prなどである。

[複合シンチレータの光導波性]
本発明の複合シンチレータの重要な特性として、光を導波するということが挙げられる。たとえばファイバー１１が石英である場合、その屈折率は1.46であり、シンチレータ１２がヨウ化セシウムである場合、その屈折率は1.78であるから、十分大きな屈折率の違いがあり、ヨウ化セシウムにて発せられたシンチレーション光は石英との界面にて臨界角以上のものについてはファイバーに沿う方向に全反射して導波する。また、上述の構成において、ファイバーとシンチレータ間に意図せずわずかな空隙が存在していても構わない。作製上ファイバーとシンチレータの材料間における熱膨張係数の違い等により上記界面に空隙が発生することがあり得るのだが、このような状況ではシンチレーション光はシンチレータと空隙間を界面とし、より臨界角が大きくなる傾向となるため、本発明の光導波性を損なうことがないので発明の本質は保たれる。

[複合シンチレータ・放射線検出器の製造方法]
本発明の複合シンチレータ・放射線検出器の作製方法を図２のフローを用いて工程毎に説明する。

１）ファイバー材料間にシンチレータ材料の融液を介在させる工程
本工程では、ファイバー単体にシンチレータ材料をまぶす、ないし被覆した状態のものを束ねた後に、シンチレータ材料の融点以上の熱を与え溶融させる手段で達成できる。さらに、他の方法としてファイバー群を束ねた後に、シンチレータ材料の融液に浸漬することでも達成可能である。いずれの方法にしても、ファイバーを束ねるのであるが、最も均一性良く束ねるためには、溶液に浸しては引き上げるなどして、ファイバーの方向を揃えて乱れを無くすと同時に静電気等によるファイバー間の間隔のばらつきを溶液の濡れにて抑制することが効果的である。その後、ファイバーの束を乾燥させる前に、ファイバーの束の周囲を囲うことが効果的である。特に同類のファイバーを用いて周囲を縛る等の方法が好ましい。これは、乾燥後にファイバーの束の中で配列が乱れるのを防止するためである。シンチレータがファイバーに予め付着している場合には、シンチレータが溶解しない溶媒を適用することが好ましい。また、ファイバー間にシンチレータの融液が介在する状況において、局所的に気泡のような空間が存在することで、後の複合シンチレータにおける光導波での欠陥点として作用する懸念がある。よって、このような状況にならぬように、少なくとも減圧下にて上述のシンチレータの溶融状態を作りだすことが効果的である。
以上のように、ファイバー間にてシンチレータ材料が一度融液状態となることが達成されなければならない。これが本発明における重要な条件である。

２）前記シンチレータ材料の融液を凝固させる工程
前記シンチレータ材料の融液をゆっくり凝固させて凝固物とし、可能な限り単結晶に近いシンチレータを構成させることが重要である。特に、特定方向に向かって一方向に凝固させることにより、均一性を高めることが可能である。また、その一方向がファイバーと平行であることも好ましい。凝固には、融液温度を降下させる手段と、融液が介在するファイバーの束を低温領域に移動させる手段などで達成可能である。また、上述の減圧下でシンチレータ融液を作りだすのとは異なり、凝固時には常圧ないし加圧下の環境にすることが効果的である。
これにより、シンチレータ粉末を焼結したようなセラミックス体でなく、単結晶に近いシンチレータ部分が得られ、光の散乱が抑えられた光導波性の高い複合シンチレータが得られる。

３）所定の形状に切断、研磨を行う工程
長いファイバーの束状態で上記工程で得られた凝固物を、ファイバーと垂直方向に切断して一度に多くの複合シンチレータを切り出すことが可能である。また、研磨は、所望の厚みに微調整することと、表面の傷等を無くすことを目的に実施するものである。

４）光検出器に張り合わせる工程
前記所望の形状に整えられた複合シンチレータの第一の主面、ないし第二の主面のいずれかと光検出器の受光面が平行となるように配置させることが重要である。この場合、主面から出射するであろうシンチレーション光を受光できる配置であれば平行である必要はない。また、複合シンチレータと受光面は直接、ないし少なくとも一層以上の接合層を介して張り合わされていることも好ましい。

[複合シンチレータの利用範囲]
本発明の複合シンチレータは、光検出器と組み合わせることで医療用・産業用・高エネルギー物理用・宇宙用の放射線検出器として用いることが可能である。特に、従来技術より簡便に作製することができるので、多くの分野において適用させやすいことが特徴である。特に、X線CT装置での使用や、X線フラットパネルディテクタ（FPD）のCsI針状結晶の代替においても有効である。この場合、検出器の受光感度特性に適合するようにシンチレータの発光波長を母材への多材料添加や発光中心の添加を通して調整することも可能である。
さらに、光検出器と本発明の複合シンチレータ間は、直接以外に各々の保護層や反射防止等の機能を有した膜や層を介して接合または配置することも好ましく、複合シンチレータにおける光検出器に相対する面には光反射膜を形成して用いることも好ましい。

本実施例は、複合シンチレータの製法に関するものである。
まず、ファイバーの素材として、平均直径９μｍのガラス・平均直径５．５μｍの石英・平均直径１０μｍのアルミナのものを準備した。これらファイバーを純水の水流に沿わすように浸して一方向性を持たせて束ねいずれも約直径１０ｍｍ・長さ５０ｍｍの束とした。その束の周囲を各々同じ素材のファイバーで縛ってから乾燥させ、アルミナ製のボート（長さ100mm・幅20mm・深さ20mm）にシンチレータ材料であるヨウ化セシウムの粉末36gと一緒に入れた。このとき、ヨウ化セシウムの発光中心として有効であるヨウ化タリウムも0.1mol%濃度で投入した。次に、電気炉中に導入し、減圧雰囲気にて650℃に昇温した後、窒素雰囲気で大気圧に戻し、2時間掛けて550℃まで降温した。最後に、室温まで徐冷した後に炉から取り出した。さらに、いずれもファイバーのものも切断・研磨して構造を観察すると図３に示すようなファイバー領域とその周辺部のシンチレータ領域という具合に所望の構造が形成されていた。よって、ヨウ化セシウムという一例ではあるが、いずれのファイバーも適用可能であることが判明した。
以上から、本発明の複合シンチレータの製造方法は、少ない工程にて作製可能であることが示せた。

本実施例は、実施例１で作製した複合シンチレータの光導波特性に関するものである。
実施例１で作製した複合シンチレータを切り出したものに対して紫外線の照射により発光することを確認し、その時図３のようにファイバー部分は発光しないので暗く、シンチレータ部分は発光して明るく見えることが分かる。よって、シンチレータ部分が発光して光が優先的にマトリックス部分を抜けてくることが確認できる。また、図４に示すように、得られた結晶を紙面上に配置したとき、結晶上面に紙面上のラインが浮き出て見える効果が確認できることからも一方向に光を導波することが示された。
さらに、明確にその導波性能を確認するために、一般的に導波特性を備えているといわれるヨウ化セシウムの針状結晶膜400μｍの厚みのものと、本発明の石英ファイバーを用いた複合シンチレータ400μｍのものを、100μｍの開口を有するタングステンの板を通してX線を照射したときに光広がりの分布を計測した。X線は、タングステンターゲットで60kV、1mAの条件で照射した。光検出器は、20μｍピッチのCCDを用い、シンチレータの面とおおよそ平行になるように配置した。その結果、図５に示すようにピーク値で規格化したプロファイルを見ると、Bで示される破線プロファイルの針状結晶膜よりもAで示される実線プロファイルの本発明の複合シンチレータの方が半値幅が狭いことが確認できた。これにより、実用的に用いられている針状結晶膜よりも空間分解能が高いことが示され、光導波性能においても十分優れていることが示せた。

以上から、本発明の複合シンチレータは十分な光導波性を有しており、かつ光検出器と組み合わせて、放射線検出器として十分動作可能であることが判明した。

本発明の光導波性を有する複合シンチレータは、従来よりも簡便に作製可能である。それと同時に、放射線により発光し、かつ発光光を導波する特性を有しているため、光検出器と組み合わせて用いることで放射線検出器として有用である。特に、X線等の放射線を用いた医療用・産業用・高エネルギー物理用・宇宙用の計測装置等に用いることが可能である。

１１ファイバー
１２シンチレータ
１３ファイバーの直径
１４近接ファイバー間の周期
１５複合シンチレータの厚み
１６シンチレータの厚み方向
１００シンチレータ結晶体
１０１第一の主面
１０２第二の主面
１０３光検出器
１０４シンチレータ結晶体
１０５放射線検出器

Claims

同一面上にない第一の主面と第二の主面とを有し、該第一および第二の主面間の方向に光導波性を有する少なくとも２種類の材料からなる複合シンチレータの製造方法であって、該第一および第二の主面間の方向を向いた多数のファイバー間にシンチレータ材料の融液を介在させる工程と、該ファイバー間にある該融液を凝固させて凝固物とする工程と、該凝固物を所定の形状に切断・研磨する工程とからなることを特徴とする方法。
前記ファイバーが、ガラス・石英・アルミナのいずれかの材料で構成され、アモルファスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ファイバーの平均直径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法によって製造した複合シンチレータの第一の主面ないし第二の主面のいずれかを光検出器の受光面と平行に配置する工程からなる放射線検出器の製造方法。
一方向を向いた多数のファイバーからなるファイバー領域と、前記ファイバー領域よりも屈折率が大きいシンチレータ領域とを備え、互いに同一面上にない第一の主面と第二の主面とを有する複合シンチレータであって、
前記シンチレータ領域は、前記第一の主面と第二の主面とに露出する部分を有し、前記シンチレータ領域の第一の主面に露出する部分と第二の主面に露出する部分とがつながっていることを特徴とする複合シンチレータ。
前記ファイバーが、平均直径が１０μｍ以下であり、ガラス・石英・アルミナのいずれかの材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の複合シンチレータ。
前記ファイバーが、アモルファスであることを特徴とする請求項５または６に記載の複合シンチレータ。
請求項５〜７のいずれか一項に記載の複合シンチレータと光検出器とを備えた放射線検出器であって、前記複合シンチレータのいずれかの主面と前記光検出器の受光面が平行に配置されてなる放射線検出器。