JP2013024731A - 放射線検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の放射線検出装置は、放射線の照射により発光を示すシンチレータと、発光を受光する受光部が2次元配列された光センサアレイとを有し、シンチレータは、第1の材料からなる複数の柱状部位が第2の材料の中に埋め込まれた構造からなることで、シンチレータ内部で発光した光が特定の方向である光伝搬方向に優先的に伝搬する構造を有し、放射線を光伝搬方向とは非平行な方向からシンチレータに照射し、シンチレータ内部で発光した光は、シンチレータ内部を光伝搬方向に伝搬し、シンチレータの端面に配置された光センサアレイで受光されることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
しかしながら、このような構造の放射線検出装置は、弁別するエネルギーごとにシンチレータを用意し、それらを積層して形成するために、部品点数が多いことや、構造が複雑であるという問題があった。
また本発明の放射線検出装置は、シンチレータが直方体の形状を有し、シンチレータの上面に放射線が照射なされ、シンチレータの側面に面して光センサアレイが配されることを特徴とする。
特に、エネルギー弁別能に優れ、精細度が高い画像を取得可能な放射線検出装置(放射線イメージセンサ)を、比較的単純な構成で、実現することができる。
図3を用いて、本発明の放射線検出装置の構成について説明する。
図3において、1は放射線、2はシンチレータ、3はシンチレータから発せられる光、4は光センサアレイである。なお、以降の図において、同じ符号は同じ構成要素を表す。
放射線1は、X線、ガンマ線、電子線あるいは中性子線などの放射線である。
ここでエネルギー情報とは、放射線のエネルギースペクトルに起因した信号情報である。例えば、高エネルギー放射線と低エネルギー放射線の比率や、ある特定のエネルギーの放射線の強度、あるエネルギー範囲の放射線の割合、あるエネルギー範囲の放射線と別のエネルギー範囲の放射線の比率、放射線の線質、半値層などがあげられる。他にも、照射される放射線の中で主たる放射線のエネルギー、照射される放射線の中に含まれるもっとも大きなエネルギーの放射線、放射線の平均エネルギーなどがあげられる。放射線のエネルギースペクトルの差異に起因して、差異が生じうる信号であれば、これに限られるものではない。
例えば、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサのような半導体受光素子を用いることが好ましい。他にも、ガラス基板上にアモルファスSi受光素子を配列して形成したセンサアレイを用いることができる。他にも、受光素子と放射線計数回路をアレイ状に配列配置したものを用いても良い。
本発明の放射線検出装置は、放射線照射位置や放射線強度の位置分布(イメージ像)に加えて、放射線のエネルギー弁別機能を有するという特徴がある。以下において、本発明の放射線検出装置におけるエネルギー弁別機能について説明する。
I = I0 exp(-μt) (1)
ここでI0はシンチレータに照射する前の放射線強度、μ(1/cm)はシンチレータの材質や放射線のエネルギーに依存した線吸収係数、t(cm)は放射線の浸入深さである。
次に、本発明の放射線検出装置に適用可能なシンチレータについて説明する。
図1(A)、(B)は本発明に適用可能なシンチレータを示す模式図である。
シンチレータ2は、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を有し、前記主面間の方向に一方向性を有する多数の柱状をなす第一の相と、第一の相の側面を埋める第二の相の2相からなる。
図1(A)は、一方向性を有する多数の柱状をなす第一の相11と、第一の相11の側面を埋める第二の相12の2相からなる構成を示す。
図1(B)は、第一の相11と第二の相12の双方が一方向に立った板状からなり、それらが交互に密接した構成を示す。
特に3)は、発光輝度を高くする観点から好ましい構成である。
図1の構造のシンチレータ、すなわち相分離シンチレータは、相分離の手法によって作成することができる。すなわち、構成材料が溶融している構造のない一様な液体状態から、凝固状態に至るとき、2相の相が同時に晶出し、ある程度の周期性を有した構造を形成することができる。
相分離シンチレータの製造方法は、第一の相を構成する材料と第二の相を構成する材料とを混合する工程と、混合された第一の相を構成する材料と第二の相を構成する材料とを溶解する工程と、溶解された第一の相を構成する材料と第二の相を構成する材料とを一方向に沿って凝固させて共晶体を生成させる工程を有する。
図2に示すように、ブリッジマン法では、材料が酸化しないよう円筒状の石英管等に封じた試料を縦型に配置し、ヒーターないし試料を一定速度で移動させることにより、試料の凝固界面の位置を制御できるので、本実施形態の相分離シンチレータを製造することが可能である。
また、図2(B)に示す装置のように、水冷部22が上下にあり、ヒーター部21が試料23の一部の領域にしか対応していない場合でも構わない。さらに、同等の手段を講じる製法でも可能である。ただし、固液界面が平滑にできるのであれば、温度勾配は30℃/mm未満であっても構わない。
このような組成を選ぶことで、後述の製法により、図1に示すような構造のシンチレータ、すなわち相分離シンチレータを作成できる。
本実施例は、本発明のエネルギー弁別機能を有した放射線検出装置の例である。CsIとNaClからなる相分離シンチレータを用いている。
CsI(第二の相を構成する材料)に対して、NaCl(第一の相を構成する材料)を31.5mol%混合した粉末を準備し、それらを個別に石英管に真空封じし、試料とした。また、InI(ヨウ化インジウム(I))を0.01mol%添加した。次に、それらの試料を図2(A)のようなブリッジマン炉に導入し、800℃まで昇温させ試料全体が溶解(溶融)した後30分保持してから、融液温度を表1にある共晶温度より20℃高い温度まで降温した。その後、各々の試料を約10mm/時の速度で引き下げて試料下部より逐次凝固するようにした。
また、試料の引き下げにより、炉の冷却水が循環している領域に突入することで、試料が溶解している部分と凝固している部分の境界である固液界面での温度差が30℃/mm以上となるようにした。このようにして、一方向に沿って凝固させることで、共晶体を生成した。
CsIの部分を励起した際と、NaClを有する柱状部を励起した時のいずれも、緑色発光を示すが、発光強度はCsIの部分が強い。すなわち、本実施例の相分離シンチレータは、放射線励起にて第一と第二の相の双方が発光するが、第二の相で優先的に発光を示す。
よって、本実施例の相分離シンチレータは、柱状部方向に優先的に光を導波する特性を有していることが確認できた。
本実施例では、光センサアレイと相分離シンチレータ間は直接的に接触させているが、光センサアレイの表面に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してもよい。
次に、放射線検出器にX線を照射した。放射線は、タングステン管球用い、60kV、1mA、Alフィルター無しの条件で得られるX線を用いた。2mm厚のタングステン板にあるφ100μm開口を用い、スポット形状のX線をシンチレータに照射した。スポット位置は、光センサアレイの表面から―Y方向に30mm離れた位置である。
このように本発明の構成により、X方向のラインイメージ取得機能に加えて、各X座標でエネルギー弁別機能を有した放射線検出装置を実現できる。
本発明の放射線検出装置は、医療用・産業用・高エネルギー物理用・宇宙用の放射線検出装置として用いることが可能である。
特にこのようなエネルギー弁別機能を有したX線検出装置を、X線非破壊検査装置に適用すれば、物質の材質に関する情報を取得することができる。
本実施例は、図4に示す構成の放射線検出器の例である。本実施例では、実施例1と同様な放射線検出装置の上方に、放射線の一部を遮蔽するための線スリット5を配した。線スリット5はX方向長さ80 mm、 幅(Y方向)200μmの開口を有し、厚さ3mmのタングステンからなる。線スリット5は、シンチレータ2に面して、1cmの距離をおいて設置されており、さらにY方向への移動機構を付随している。
本実施例に用いたシンチレータは、チョクラスキー法で作成されたCsIとNaClからなる相分離シンチレータである。発光中心として、0.05mol%のTlが添加されている。X方向サイズ30mm、 Y方向サイズ50mm、Z方向サイズが10mmのシンチレータをCMOSセンサの上に、3個並べて配置することで90mm(X方向) x 50mm(Y方向)のエリアを有している。
本実施例の構成は、エネルギー弁別機能を有したX線イメージセンサとしての利用が可能である。
本実施例は、実施例1と同様な構成であるが、光センサアレイとしては、ガラス基板上にアモルファスSiの受光素子とアモルファスSiのTFTが配列形成されたものを用いている。光センサアレイのサイズは、300mm x 20mmで、ピクセルピッチ150μmである。
X方向サイズ30mm、 Y方向サイズ20mm、Z方向サイズが10mmの相分離シンチレータを光センサアレイの上に、8個並べて配置することで240mm(X方向) x 20mm(Y方向)のシンチレータエリアを有している。
本実施例は、図5のように棒状のシンチレータを適用した放射線検出装置の例である。
シンチレータは直径20mm、長さ100mmの円柱状の形状をしている。円柱の軸方向が光伝搬方向である。棒形状のシンチレータ端部に、受光面が36x24mmのCMOSセンサが配置されている。シンチレータの別の端部にはタングステン製の厚さ5mmのキャップ9が付いている。このキャップ9により、放射線が棒状シンチレータの端面から入射することを抑制している。端面に照射される放射線によりシンチレータ光が発生しないので、エネルギー情報の正確な評価が可能となる。
このようにして、本実施例の放射線検出装置は、放射線のエネルギー情報を抽出できる。
さらに、この放射線検出器をプローブとして、空間中で移動させることで放射線の空間分布を取得することが可能である。
本実施例は、図6に示すように実施例1の放射線検出器を複数個並べた構成の放射線イメージセンサの例である。また、各シンチレータのY方向の厚さは0.5mmである。
複数の光センサアレイで出力を統合して評価することにより、Y方向の位置依存性を評価できる。すなわち、シンチレータと光センサアレイのY方向厚さの和がY方向のピッチとなる画像を取得できる。X方向は光センサアレイの列方向出力で得られるため、両者を用いることで、放射線強度のX−Y分布イメージを取得することができる。更に、Z方向でエネルギーに関する情報を取得できる。すなわち、エネルギー弁別機能を有した放射線検出器として機能する。
本実施例は、実施例3の放射線検出装置(エネルギー弁別機能を有したX線ラインセンサを用いた、放射線透過像撮影装置の例である。
図8に示すように、実施例3の放射線検出装置8と放射線源7の間に、物体6(被検体)を配置する。
放射線源から放射線を出力するとともに、物体6を移動させ、同時に光センサアレイ4において物体を透過した放射線の像およびエネルギー情報を取得する。符号2はシンチレータを表す。放射線源は、160kVのタングステン管球であり、幅ひろいエネルギー範囲でのX線を出力する。
このようなエネルギー弁別機能を有したX線検出装置を、放射線透過像撮影装置(X線非破壊検査装置)に適用すれば、物質の材質に関する情報を取得することができる。
本実施例は、実施例3の放射線検出装置(エネルギー弁別機能を有したX線ラインセンサを用いた、放射線透過像撮影装置の例である。
図9に示すように、実施例3の放射線検出装置8と放射線源7の間に、物体6(被検体)を配置する。
放射線源から放射線を出力するとともに、放射線検出装置8を移動させ、同時に光センサアレイ4において物体を透過した放射線の像およびエネルギー情報を取得する。符号2はシンチレータを表す。放射線源は、160kVのタングステン管球であり、幅ひろいエネルギー範囲でのX線を出力する。
2 シンチレータ
3 シンチレータ光
4 光センサアレイ
5 線スリット
6 物体
7 放射線源
8 放射線検出装置
9 キャップ
11 第一の相
12 第二の相
13 第一の相の直径
14 第一の相の最近接距離
15 シンチレータの厚さ
16 厚み方向
18 柱状部
19、101 第一の主面
20、102 第二の主面
21 ヒーター部
22 水冷部
23 試料
103 基板104 光検出器
105 シンチレータ
Claims (6)
- 放射線の照射により発光を示すシンチレータと、
発光を受光する受光部が2次元配列された光センサアレイとを有し、
前記シンチレータは、第1の材料からなる複数の柱状部位が第2の材料の中に埋め込まれた構造からなることで、前記シンチレータ内部で発光した光が特定の方向である光伝搬方向に優先的に伝搬する構造を有し、
放射線を前記光伝搬方向とは非平行な方向から前記シンチレータに照射し、
前記シンチレータ内部で発光した光は、前記シンチレータ内部を前記光伝搬方向に伝搬し、前記シンチレータの端面に面して配置された前記光センサアレイで受光されることを特徴とする放射線検出装置。 - 前記光センサアレイの列方向信号から放射線強度の位置分布を取得し、同時に、前記光センサの行方向信号から放射線のエネルギー情報を取得することを特徴とする請求項1に記載の放射線検出装置。
- 前記シンチレータは直方体の形状を有し、前記シンチレータの上面に放射線が照射され、前記シンチレータの側面に前記光センサアレイが配置されることを特徴とする請求項2に記載の放射線検出装置。
- 前記シンチレータの上方に、放射線の一部を遮蔽する線スリットを有し、更に、前記線スリットを移動させる機構と、移動に伴う前記光センサアレイの出力変化を読み出す機構を有することを特徴とする請求項1に記載の放射線検出装置。
- 第1の材料の屈折率が第2の材料の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の放射線検出装置。
- 放射線に対する第1の材料の線吸収係数が、第2の材料の線吸収係数より小さいことを特徴とする請求項5に記載の放射線検出装置。
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