JP2013040847A - シンチレータパネル及び放射線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】所望な光出力及び解像度を得ることが可能なシンチレータパネル及び放射線検出器を提供する。
【解決手段】シンチレータパネル１０は、基板１１と、基板１１の表面１１ｂ上に形成され柱状結晶１２ｘからなるシンチレータ層１２と、を備えている。シンチレータ層１２の厚さ及び柱状結晶１２ｘの柱径は、柱径が大きくなるに連れて光出力が大きく且つ解像度が低下する相関関係と、シンチレータ層１２の厚さが厚くなるに連れて柱径が大きくなる相関関係とに基づいて、所定光出力及び所定解像度となるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シンチレータパネル及び放射線検出器に関する。

従来のシンチレータパネルとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このようなシンチレータパネルでは、柱状結晶からなるシンチレータ層が基板の表面に気相堆積法によって形成されている。

特開２００２−２３６１８１号公報

ここで、近年、上述したようなシンチレータパネルにおいては、例えば医療用や工業用の分野への益々の普及及び用途拡大に伴い、その用途等に応じた所望な光出力特性を有することが望まれており、特に、所望な光出力及び解像度を得ることが求められている。

そこで、本発明は、所望な光出力及び解像度を得ることが可能なシンチレータパネル及び放射線検出器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、シンチレータ層の柱状結晶の柱径を大きくすると、光出力を向上できる一方で解像度が低下してしまうという相関関係を見出した。また、柱状結晶の柱径はシンチレータ層の厚さに依存するという知見を得、シンチレータ層の厚さが厚くなるに連れて柱径が大きくなるという相関関係を見出した。そして、これらの相関関係に基づけば、所望な光出力及び解像度を得ることが可能になることに想到し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係るシンチレータパネルは、基板と、基板の主面上に形成され柱状結晶からなるシンチレータ層と、を備えたシンチレータパネルであって、シンチレータ層の厚さ及び柱状結晶の柱径は、柱径が大きくなるに連れて光出力が大きく且つ解像度が低下する相関関係と、シンチレータ層の厚さが厚くなるに連れて柱径が大きくなる相関関係とに基づいて、所定光出力及び所定解像度となるように設定されていること、を特徴とする。

また、本発明者らは鋭意検討をさらに重ねた結果、以下の具体的構成を有することにより、光出力を向上させつつ解像度の低下を許容範囲内に留めることができる、つまり、十分な解像度を確保しながら光出力を高めることが可能になるという知見を得た。

すなわち、シンチレータ層の厚さは、１００μｍよりも大きく且つ１５０μｍ以下であり、柱状結晶の柱径は、２．６μｍ以上且つ３．９μｍ以下であることが好ましい。また、シンチレータ層の厚さは、１５０μｍよりも大きく且つ３００μｍ以下であり、柱状結晶の柱径は、３．９μｍ以上且つ５．９μｍ以下であることが好ましい。また、シンチレータ層の厚さは、３００μｍよりも大きく且つ４５０μｍ以下であり、柱状結晶の柱径は、３．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下であることが好ましい。また、シンチレータ層の厚さは、４５０μｍよりも大きく且つ６００μｍ以下であり、柱状結晶の柱径は、４．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明に係る放射線検出器は、上記シンチレータパネルと、当該シンチレータパネルの出力光を検出する光検出器と、を備えたことを特徴とする。この放射線検出器においても、上記シンチレータパネルを備えているため、所望な光出力及び解像度を得るという上記作用効果が奏される。

本発明によれば、所望な光出力及び解像度を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るシンチレータパネルを含む放射線検出器示す概略側断面図である。 シンチレータ層の厚さが１００μｍのときの柱状結晶の柱径と光出力と解像度との関係を例示するグラフである。 シンチレータ層の厚さが１５０μｍのときの柱状結晶の柱径と光出力と解像度との関係を例示するグラフである。 シンチレータ層の厚さが３００μｍのときの柱状結晶の柱径と光出力と解像度との関係を例示するグラフである。 シンチレータ層の厚さが４５０μｍのときの柱状結晶の柱径と光出力と解像度との関係を例示するグラフである。 シンチレータ層の厚さが６００μｍのときの柱状結晶の柱径と光出力と解像度との関係を例示するグラフである。 放射線チャート画像の例を示す図である。 放射線チャート画像の他の例を示す図である。 （ａ）は本発明の変形例を示す概略平面図であり、（ｂ）は図９（ａ）のIX(ｂ)−IX(ｂ)線に沿っての断面図である。 シンチレータパネルを製造するための蒸着装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るシンチレータパネルを含む放射線検出器を示す概略側断面図である。本実施形態の放射線検出器及びシンチレータパネルは、例えばマンモグラフィー装置、胸部検査装置、ＣＴ装置、及び歯科口内撮影装置等に用いられる。図１に示すように、放射線検出器１は、入射したＸ線等の放射線Ｒを光に変換し検出するものであり、シンチレータパネル１０と、光検出器２０と、を備えている。

シンチレータパネル１０は、放射線Ｒを透過する放射線透過基板としてのガラス基板１１と、ガラス基板１１上に形成されたシンチレータ層１２と、ガラス基板１１及びシンチレータ層１２全体を覆うように設けられた保護膜１３と、を有している。

シンチレータ層１２は、ガラス基板１１の表面１１ａから入射し当該ガラス基板１１を透過した放射線Ｒを、その線量に応じて光に変換しシンチレーション光（出力光とも称する）として出力する。このシンチレータ層１２は、林立した複数の柱状結晶（針状結晶）１２ｘであるＴｌ（タリウム）ドープのＣｓＩ（ヨウ化セシウム）が、ガラス基板１１において表面１１ａとは反対側の表面（主面）１１ｂに真空蒸着されて形成されている。保護膜１３は、ガラス基板１１及びシンチレータ層１２を湿気等から保護するためのものであり、これらを被覆するようにＣＶＤ（化学的蒸着）法によって形成されている。保護膜１３としては、ポリパラキシリレン等の有機膜や無機膜が用いられている。

光検出器２０は、シンチレータ層１２で発生したシンチレーション光を検出し電気信号に変換するものである。光検出器２０としては、例えば２次元的に配列されたＳｉフォトダイオードを有するＭＯＳ型の光電変換素子（イメージセンサ）が用いられている。この光検出器２０は、シンチレータ層１２に対し、対向配置した状態で光学的にカップリングされて形成されている。

このように構成された放射線検出器１では、シンチレータ層１２の表面１２ａ側を光入力面側として放射線Ｒ（放射線像）が入射される。この放射線Ｒは、保護膜１３及びガラス基板１１を透過した後シンチレータ層１２に入射されて吸収され、放射線Ｒの光量に比例した所定波長のシンチレーション光に変換される。そして、変換されたシンチレーション光は、光検出器２０で検出されて電気信号へと変換される。

図２〜図６は、シンチレータ層１２の厚さ及び柱状結晶の柱径と、光出力及び解像度との関係を例示するグラフである。各図中の「表面粗さＲａ」は、日本工業規格（ＪＩＳ−Ｂ０６０１）で定義される中心線平均粗さであり、ここでは、シンチレータ層１２が形成されるガラス基板１１の表面１１ｂにおいて有効領域に対応する領域の表面粗さとしている。「有効領域」は、シンチレータ層１２において主に使用される領域（つまり、光検出器２０による検出に足る有効なシンチレーション光が発生する領域）であり、ここでは、シンチレータ層１２の縁部以外の領域とされている。

また、「膜厚」は、シンチレータ層１２の有効領域内の平均厚さである。「柱径」は、有効領域内において複数の柱状結晶１２ｘの平均柱径であって、各柱状結晶１２ｘにおいて根元から先端に亘る部分の平均柱径である。この柱径は、複数の柱状結晶の画像を画像処理することで得られている。「ＣＴＦ（解像度：Contrast Transfer Function）」及び「光出力」は、表面粗さＲａが０の場合を基準（１００％）とした相対値としている。

さらにまた、各図中の「チャート画像評価」は、光検出器２０により検出された放射線チャート画像において各チャートの一本一本が鮮明に視認可能なものを「○」、各チャートの一本一本の端面に画像ボケが生じて不鮮明な場合があるものを「×」として評価している。

図２〜６に示すように、本実施形態では、シンチレータ層１２の柱状結晶１２ｘの柱径（以下、単に「柱径」という）が大きくなるに連れて光出力が大きく且つ解像度が低下する相関関係と、シンチレータ層１２の厚さ（以下、単に「膜厚」という）が厚くなるに連れて柱径が大きくなる相関関係と、が見出される。

また、図２，３に示すように、膜厚が１００μｍよりも大きく且つ１５０μｍ以下であり、柱状結晶の柱径が２．６μｍ以上且つ３．９μｍ以下であると、光出力が向上されつつ解像度の低下が許容範囲内に留められている。

また、図３，４に示すように、膜厚が１５０μｍよりも大きく且つ３００μｍ以下であり、柱状結晶の柱径が３．９μｍ以上且つ５．９μｍ以下であると、光出力が向上されつつ解像度の低下が許容範囲内に留められている。

また、図４，５に示すように、膜厚が３００μｍよりも大きく且つ４５０μｍ以下であり、柱状結晶の柱径が３．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下であると、光出力が向上されつつ解像度の低下が許容範囲内に留められている。

また、図５，６に示すように、膜厚が４５０μｍよりも大きく且つ６００μｍ以下であり、柱状結晶の柱径が４．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下であると、光出力が向上されつつ解像度の低下が許容範囲内に留められている。

そこで、本実施形態においては、上述した相関関係に基づいて、所定光出力及び所定解像度となるように柱径及び膜厚を設定しており、これにより、例えば用途等に応じた所望な光出力及び解像度を得ることが可能となる。

さらに、本実施形態では、膜厚を１００μｍよりも大きく且つ１５０μｍ以下とする場合、柱径を２．６μｍ以上且つ３．９μｍ以下としている。また、膜厚を１５０μｍよりも大きく且つ３００μｍ以下とする場合、柱径を３．９μｍ以上且つ５．９μｍ以下としている。また、膜厚を３００μｍよりも大きく且つ４５０μｍ以下とする場合、柱径を３．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下としている。さらにまた、膜厚を４５０μｍよりも大きく且つ６００μｍ以下とする場合、柱径を４．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下としている。

これにより、十分な解像度を確保しながら光出力を高めることが可能となる。すなわち、シンチレータ層１２の膜厚及び柱径によって、高いレベルでバランスのとれた光出力及び解像度を実現することが可能となる。

図７，８は、放射線チャート画像の例を示す図である。図中の放射線チャート画像は、光検出器２０により検出されたＸ線チャート画像である。図７の放射線チャート画像では、膜厚が４５０μｍとされ、柱径が５．４μｍとされている。図８の放射線チャート画像では、膜厚が４５０μｍとされ、柱径が１１．８μｍとされている。なお、その他の画像撮像条件としては、以下の条件とされている。ここでは、Ｘ線の線質均一化のためにＡｌフィルタを用いている。
＜条件＞
管電圧：６０ｋＶ
管電流：３ｍＡ
Ａｌフィルタ：１ｍｍ

膜厚が４５０μｍで柱径が５．４μｍの場合、解像度の低下が５％に留まることから（図５参照）、図７に示すように、放射線チャート画像においては、各チャートＣ１は明確に真っ直ぐ延び、チャートＣ１の輪郭もはっきりした鮮明な状態となっている。そのため、当該解像度の低下は、許容範囲内（解像度合格）であることがわかる。

一方、膜厚が４５０μｍで柱径が１１．８μｍの場合、解像度の低下が２５％に達することから（図５参照）、図８に示すように、放射線チャート画像においては、各チャートＣ２に画像ボケが生じ、チャートＣ２の輪郭がぼやけてはっきりしない不鮮明な状態となっている。そのため、当該解像度の低下は、許容範囲外（解像度不合格）であることがわかる。このように、本実施形態では、解像度の低下が許容範囲内であるか否かの指標として、放射線チャート画像を用いて評価することができる。

以上のように構成された放射線検出器１を製造する場合、まず、ガラス基板１１の表面１１ｂにシンチレータ層１２を形成する。続いて、ガラス基板１１及びシンチレータ層１２の外表面を覆うように保護膜１３を形成し、シンチレータパネル１０を得る。そして、シンチレータ層１２に対し対向するように光検出器２０を組み合わせ、これにより、放射線検出器１が完成する。

ここで、図２〜図６に示すように、ガラス基板１１の表面１１ｂの表面粗さＲａが高くなると、柱状結晶１２ｘの柱径が大きくなることが見出される。これは、表面粗さＲａが高いと、表面１１ｂにおける高い凸部に結晶が優先的に接触し、結晶が太く成長し易いためと考えられる。よって、本実施形態では、表面１１ｂの表面粗さＲａを変えることにより、柱状結晶１２ｘの柱径を任意に制御している。具体的には、図２〜６に例示する膜厚と表面粗さＲａと柱径との関係から、形成しようとするシンチレータ層１２の膜厚に応じて柱状結晶１２ｘの柱径が所定値となるように表面１１ｂを任意の研磨剤で研磨し、当該表面１１ｂの表面粗さＲａを設定する。そして、ガラス基板１１を加熱した後、表面１１ｂに斜方蒸着によってＣｓＩを成膜し、シンチレータ層１２を形成する。

従って、本実施形態では、表面１１ｂの表面粗さＲａを変えることにより、柱径を任意に制御すること、ひいてはＸ線特性（光出力及び解像度）を任意に制御することが可能となる。また、表面１１ｂの表面粗さＲａによって柱径を制御できることから、柱径の大きさをシンチレータ層１２全体で一様に制御することができ、Ｘ線特性の安定化（特性バラツキ要因の抑制）が可能となる。また、温度影響によって柱状結晶１２ｘが根元同士で接触するのを抑制することが可能となる。さらには、表面１１ｂの表面粗さＲａを適宜設定することで、表面１１ｂが荒れていることによる光の散乱効果を利用し、光出力を向上させることができる。

ところで、ガラス基板１１とシンチレータ層１２との間に反射層を設けることで、光出力を向上させる場合もあるが、本実施形態では、かかる反射層を設けることなく光出力を向上可能となっている。これにより、次の作用効果が奏される。すなわち、反射層を設けることによる製造工程の増加を抑制することができる。また、反射層とガラス基板１１との密着性向上や反射層とシンチレータ層１２との電気化学的腐食防止のために設ける保護層を不要にでき、当該保護層に係る製造工程の増加を抑制することができる。その結果、これら製造工程分のコストアップを抑制することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、基板としてガラス基板１１を備えているが、本発明が適用できる基板はこれに限定されるものではく、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、ａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、ＦＯＰ（ファイバオプティクプレート）、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）等の基板を採用してもよい。なお、ＦＯＰとは、数ミクロンの光ファイバを束にして構成した光学素子であり、ＦＯＰとしては、例えば浜松ホトニクス社製の製品番号Ｊ５７３４等が挙げられる。

また、図９に示すように、例えば基板がイメージセンサ７６であり、このイメージセンサ７６上にシンチレータ層１２が形成されていてもよい。この場合、イメージセンサ７６は、次のように構成することができる。すなわち、絶縁性（例えばガラス製）の基板６２上に、光電変換を行う受光素子７２が２次元上に配列されて受光部が形成されている。受光素子７２は、アモルファスシリコン製のフォトダイオード（ＰＤ）や薄膜トランジスタ（ＴＩＦ）から構成されている。受光素子７２の各々は、信号読出し用の信号線７３によって電気的に接続されている。外部回路（不図示）へ信号を取り出すための複数のボンディングパッド７４は、基板６２の外周辺に沿って露出して配置されており、信号線７３を介して受光素子７２に電気的に接続されている。受光素子７２及び信号線７３上には、絶縁性のパッシベーション膜７５が形成されている。なお、保護膜の外周部は、被覆樹脂８２によってコーティングされている。

また、上記実施形態では、ガラス基板１１の表面１１ｂの表面粗さＲａを変えることにより、シンチレータ層１２の柱状結晶１２ｘの柱径を制御しているが、柱状結晶１２ｘの柱径を制御する方法としては、種々の方法を採用してもよい。例えば、シンチレータ層１２を蒸着する際に蒸着パラメータ（基板加熱温度、蒸着レート、蒸着角度等）を変更することによって柱径を制御することもできる。つまり、本発明は、柱径と膜厚の相関関係に基づいてシンチレータパネル（放射線検出器）を製造する製造方法であって、以下に例示する工程を有していてもよい。

例えば上述したように、ガラス基板１１の表面１１ｂの表面粗さＲａを変更する表面粗さ変更工程と、表面粗さ変更工程の後に表面１１ｂに蒸着によりシンチレータ層１２を形成するシンチレータ層形成工程と、を有し、前記表面粗さ変更工程は、膜厚と表面粗さＲａと柱径との上記相関関係に基づいた柱径が形成されるよう表面１１ｂの表面粗さＲａを所定粗さに研磨する工程を含んでいてもよい。

また例えば、図１０に示すように、ガラス基板１１を蒸着装置５０における真空チャンバ５１内の基板ホルダ５２に設置する基板設置工程と、蒸着装置５０における基板温度制御手段５３により基板ホルダ５２内の温度調節部５４を制御し、上記相関関係に基づいた柱径が形成されるようガラス基板１１の加熱温度を設定する基板加熱温度制御工程と、ガラス基板１１の加熱温度を制御しながらシンチレータ材射出ユニット５５を作動させて表面１１ｂにシンチレータ層１２を形成（真空蒸着）するシンチレータ層形成工程と、を有していてもよい。なお、蒸着装置５０では、上記相関関係に関する情報をデータ格納部５６に格納しており、当該情報に基づいて蒸着パラメータ（蒸着条件）を決定又は制御している。

また例えば、ガラス基板１１を蒸着装置５０における真空チャンバ５１内の基板ホルダ５２に設置する基板設置工程と、蒸着装置５０における蒸着レート制御手段５７によりシンチレータ材射出ユニット５５を制御し、上記相関関係に基づいた柱径が形成されるよう蒸着レート（シンチレータ材の加熱温度）を設定する蒸着レート制御工程と、蒸着レートを制御しながらシンチレータ材射出ユニット５５を作動させて表面１１ｂにシンチレータ層１２を形成するシンチレータ層形成工程と、を有していてもよい。

また例えば、ガラス板１１を蒸着装置５０における真空チャンバ５１内の基板ホルダ５２に設置する基板設置工程と、蒸着装置５０における蒸着角度制御手段５８によりシンチレータ材射出ユニット５５を制御し、上記相関関係に基づいた柱径が形成されるよう蒸着角度を設定する蒸着角度制御工程と、蒸着角度を制御しながらシンチレータ材射出ユニット５５を作動させて表面１１ｂにシンチレータ層１２を形成するシンチレータ層形成工程と、を有していてもよい。

１…放射線検出器、１０…シンチレータパネル、１１…ガラス基板、１１ｂ…表面（主面）、１２…シンチレータ層、１２ｘ…柱状結晶、２０…光検出器。

Claims (6)

1. 基板と、前記基板の主面上に形成され柱状結晶からなるシンチレータ層と、を備えたシンチレータパネルであって、
   前記シンチレータ層の厚さ及び前記柱状結晶の柱径は、前記柱径が大きくなるに連れて光出力が大きく且つ解像度が低下する相関関係と、前記シンチレータ層の厚さが厚くなるに連れて前記柱径が大きくなる相関関係とに基づいて、所定光出力及び所定解像度となるように設定されていること、を特徴とするシンチレータパネル。
2. 前記シンチレータ層の厚さは、１００μｍよりも大きく且つ１５０μｍ以下であり、
   前記柱状結晶の柱径は、２．６μｍ以上且つ３．９μｍ以下であること、を特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
3. 前記シンチレータ層の厚さは、１５０μｍよりも大きく且つ３００μｍ以下であり、
   前記柱状結晶の柱径は、３．９μｍ以上且つ５．９μｍ以下であること、を特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
4. 前記シンチレータ層の厚さは、３００μｍよりも大きく且つ４５０μｍ以下であり、
   前記柱状結晶の柱径は、３．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下であること、を特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
5. 前記シンチレータ層の厚さは、４５０μｍよりも大きく且つ６００μｍ以下であり、
   前記柱状結晶の柱径は、４．９μｍ以上且つ６．５μｍ以下であること、を特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
6. 請求項１〜５の何れか一項記載のシンチレータパネルと、当該シンチレータパネルの出力光を検出する光検出器と、を備えたこと、を特徴とする放射線検出器。