JP2013501932A - 多素子x線検出器、その希土類ルミネセンス材料、多素子シンチレータおよび検出器の製造 - Google Patents
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Abstract
Description
− 4.5g/cm3を超える重力密度
− X線ルミネセンス材料放出のエネルギー効率>6%
− 1×10−3秒未満のバックグロー
− 放射線のスペクトル最大λ>400nm
− 30%未満の暗視野または明視野と背景との比を有するコントラスト
− 650〜800μmのサイズの小さな細部の画像化
− 約1×10−3秒のアフターグロー期間
− このルミネセンス材料をベースとする組成物の選択[特許文献3]
− X線マイクロ検出器の作製[非特許文献7]
− シリコンマトリックスの改良[非特許文献8]
− 最初のタイプのデジタルX線検出器の作製[特許文献4]
− デジタルX線検出器[特許文献5]
− Ta2O5をベースとする白色反射コーティングの利用[特許文献6]
− 新規の検出器でのLu2O3Euをベースとする透光性セラミックの利用[非特許文献9]
− X線ルミネセンス材料の浅い厚さ。これにより、X線放射がフォトダイオードに直接達して、フォトダイオードを劣化させる;
− フォトリソグラフィプロセスの利用による微小多素子検出器の複雑な製造。したがって、元の論文は、サイズ2×3cmの小さいスクリーン試料のみに言及している;
− シンチレータでの画像の低いコントラスト。画像を拡大するために、シンチレータがさらに黒色黒鉛グリッドで覆われる;
− Gd2O2S:Tbルミネセンス材料の浅い厚さは、X線管で例えば45keVの低い加速電圧しか使用できないようにし、これは、限られた用途、例えば歯牙顔面検査などにしか適していない。
Eu+3+e→Eu+2*+p→Eu+3*→Eu+3 (5DJ−7FJ)
これは、波長λ=626nm〜λ=710nmの赤色粒子の放出を伴う。X線ルミネセンス材料によって放出される量子の生じ得る数は、N=Ep/hωprであり、ここで、Epは量子の初期エネルギーであり、hωprはプラズモンのエネルギーである。
さらに、金属グリッドの基本パラメータを示す。まず、グリッドは、互いに垂直に配置された相互に接触する金属ワイヤから構成される構造要素である。製造プロセスでは、たとえばグリッドは織製され、これらは織機で製造される。したがって、基本ワイヤとそれに垂直な緯糸とを有する。グリッドは、グリッド1センチメートル当たりの基本ワイヤの量を示す数で表される。この値に加えて、使用されるワイヤの定格直径が、通常は数分の1ミリメートルの単位で表される。グリッドの別の重要なパラメータは、「受光領域内(in the light)」のグリッドサイズ、すなわちワイヤ巻線で充填されていない直線空間である。そのような空間の面積を考察する場合、このパラメータを「実効断面積(%)」と呼ぶ。
− グリッド長さ1mm当たりのベースラインの最適数
− ワイヤの直径が等しい場合、輝度強度は、1ミリメートル当たりの金属グリッド巻線の数に比例して減少する
− 金属グリッド巻線の数が増加すると、検出器の作業領域内でのバックグラウンド光ノイズの強度が増加する
− 材料の主元素が原子数28のニッケルNiである電着グリッド
− 主元素が原子数74のタングステンである非常に細いタングステンワイヤから構成されるコイル成形グリッド
上記参考文献の検出器では通常、真空技術の下でのCsJ:Tlから構成される柱状スクリーンなどの単相ルミネセンスコーティングが使用される。この技術は、5%のタリウムTlをドープしたセシウム塩CsJなどのプロセス材料を基板上に熱蒸着することを含む。この場合、ヨウ化セシウム(n≒2)と媒体(典型的には大気;n≒1)との大きく異なる屈折率が、可視光の好ましい分散である視感透過を提供する。そのように屈折率が倍も違うため、素子内での40〜50μm程度の視感透過が可能になる。そのような柱状結晶構造の唯一の欠点は、コーティング中に気泡および微小包有物が生じることである。
参考文献に、多素子X線検出器製造のいくつかの製造プロセスが示されている。
− 検出器のグリッド上に塗布されるルミネセンス材料懸濁液の不足分供給のための分離ダイホールの利用
− 予め固定されたグリッドシートを有する移動連続ベルトの利用
− 層を完全に貫通する赤外光でのヘテロ相ポリマー層の乾燥
得られる検出層は、例えば40〜120μmの精密な厚さを特徴とする。
開発した本発明の別の分野は、検出器用のX線ルミネセンス材料の新規の組成物の調製であった。図1に示す原子の内殻軌道でのK殻ジャンプに関するデータによれば、材料は、Ek=40keV〜Ek=70keVの結合エネルギーを特徴とする内殻K殻軌道上の電子を有する物質を含まなければならない。このために、本発明者らは、KジャンプエネルギーE=56keVのガドリニウムGdやKジャンプエネルギーE=61keVのルテチウムLuなどの元素をルミネセンス材料のマトリックス(基質)として使用することを試みた。KジャンプエネルギーE=54keVの元素ユーロピウムEuと、KエネルギーE=57keVのサマリウムとが中間位置にある。補助吸収元素として、本発明者らは、原子数N=83の元素ビスマスBiをルミネセンス材料に含めることを提案する。ビスマスBiは、酸化物として存在する場合には高い重力密度ρ=8.9g/cm3を特徴とし、高い電子ビームエネルギーE=120keVの下でのエネルギーパラメータの向上を可能にする。ルミネセンス材料のエネルギー改質剤として、本発明者らは、ρ=8.2g/cm3の密度を有する少量のレニウム酸化物Re2O7の添加を採用する。
(ΣMe)2O2−x(ΣHal)x/2N−3 x/2,S1+y
ここで、ΣMe=Gdおよび/またはLuおよび/またはEuおよび/またはDyおよび/またはBiおよび/またはReであり、
ΣHal=F−1および/またはCl−1および/またはBr−1および/またはJ−1であり、
化学量論係数は、以下の範囲内である。
0.001<x≦0.08、0.001≦y≦0.01
材料が10元素よりも多くの元素を含む場合、元素の濃度に関して生成物の不均質性が生じないようにし、同時に化学的な強度および安定性の要件の下での化合物の計画的な合成を実現する材料製造技術を提案しなければならない。
新規の装置の次の設計構成要素は、n列m行のマトリックスで配列されたフォトダイオードである。値「n」および「m」は、検査される物体のサイズに応じて決まる。したがって、事前の調査で分かっているように、歯牙顔面X線検査にはn=64およびm=64で十分である。歯牙顔面用途に関する要件には256×256素子のマトリックスが十分に見合ったものとなる。マンモグラフィには256×256〜512×512素子のマトリックスが適しており、より大きな対象物には1024×1024で十分である。そのようなマトリックスは、10才以下の子供の患者の大抵のX線検査に適している。成人患者の検査には、3072×3072(正方形)および2048×4096(長方形)素子の最も大きなマトリックスが必要とされる。これらのワイドスクリーンマトリックスは、440×440mmの視野を提供し、これは、X線EOICで提供されるいかなる視野(200×200mm)よりも大きい。
Claims (15)
- シンチレータの外面に当たるX線を可視光に変換するプレートタイプの多素子シンチレータと、
前記シンチレータの放射面と光学的に接触し、前記シンチレータの内面で放射される光放射を電気信号に変換する光検出器マトリックスと、
を備える多素子X線検出器であって、
前記多素子シンチレータは、X線を吸収して光を反射する金属から構成されるグリッドのセル内に位置するヘテロ相ルミネセンス素子の個別の組が、各特定のルミネセンス素子に関する間隔、断面および相互接続厚さに関する幾何学寸法でもって組み合わされたものであり、かつ、前記光検出器マトリックスの作用に適合しており、
前記金属グリッドの裏面は反射層を有し、一方で前記金属グリッドの前面はルミネセンス検出器と素子毎に接触する多素子半導体マトリックスを有し、
前記接触している素子が、30〜140keVのエネルギーを有するX線放射によって同時に励起される、
ことを特徴とする多素子X線検出器。 - 前記金属グリッドが原子数N=24〜N=74の元素からなり、前記グリッドサイズが1mm当たり2〜4、20〜40または40〜60巻きである、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 前記X線感受性層が、原子数24〜74の元素から構成される金属グリッドのセルによって配列されたX線ルミネセンスの層から構成される多素子モザイクである、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 前記検出器の裏面が厚さ2000Å〜6000Åの二層反射膜でコーティングされ、一方、前記検出器の上には、厚さ1000Å未満の金属銀の層と、前記銀層の上にコーティングされた厚さ5000Å未満の反射アルミニウム層とが設けられている、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 前記グリッド巻線が、厚さ2000Å未満の反射銀層で電気化学コーティングされている、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- グリッドシート長さ1mm当たり3本を超えるワイヤを有して48%超、基本的には61%超、の「実効断面積」を有する前記検出器のX線感受性層のセル状多素子構造を形成するために、金属織製、コイル成形、または電気化学堆積されたグリッドシートが使用されている、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 金属グリッド用に、「実効断面積」が64.5%未満のステンレス鋼、ニッケルまたは青銅から構成される織製されたグリッドシート、あるいは、「実効断面積」が85%未満のタングステンワイヤから構成されるコイル成形されたグリッドシートが使用されている、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 前記検出器のX線感受性層が、屈折率n=2.2の希土類X線ルミネセンス粒子から構成される分散媒を被包する屈折率n=1.59〜1.60を有するポリカーボネートによって提供される分散媒から構成されている、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 鋳造製造法を用い、前記製造法が、ポリマーバインダ溶液中のX線ルミネセンス材の液体懸濁液を前記光検出器マトリックスの表面上に分散させることを含み、
前記ポリマーバインダが、分子量M=10000〜15000炭素単位のポリカーボネートであり、塩化メチレンなどの低沸点溶媒中に溶解され、
粉末X線ルミネセンス材が前記ポリマーの20〜56質量%である、
請求項1に記載の多素子X線検出器。 - 前記検出器の光検出器マトリックスが、光学フォトリソグラフィプロセスおよび化学エッチングによる、複数の非晶質または多結晶シリコン層から構成される請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 金属グリッドシートがその上に固定された前記光検出器マトリックス上に、前記検出器のX線感受性層が直接塗布され、これにより、光検出器の光学的中心が、各グリッドセルの「実効断面積」の中心に正確に位置している、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 金属グリッドシートがその上に固定されたX線透過性材料から構成される個別プレート上に、前記検出器のX線感受性層が塗布され、前記グリッドが、前記光検出器マトリックスに対して設けられ、そのセルの側でX線ルミネセンス材を保持し、これにより前記光検出器の光学的中心が、各グリッドセルの「実効断面積」の中心に正確に位置している、
請求項1に記載の多素子X線検出器。 - 1ミリメートル当たり4対を超えるライン数の分解能で、前記検出器のコントラスト比が50%超である、請求項1に記載の多素子X線検出器。
- 希土類元素の活性化合物を含み、前記検出器の個別のヘテロ相ルミネセンス素子が、ガドリニウム、ルテチウム、ユーロピウム、ジスプロシウム、ビスマスおよびレニウムなどの元素の多配位酸硫化物から得られる希土類ルミネセンス材の単結晶微粒子を含み、それらのベースにおいて、酸素がハロゲンで部分的に置換され、硫黄が窒素で部分的に置換され、それにより化学量論式
(ΣMe)2O2−x(ΣHal)x/2N−3 x/2,S1+y
を有し、ここで、ΣMe=Gdおよび/またはLuおよび/またはDyおよび/またはEuおよび/またはBiおよび/またはReであり、
Hal=F−1および/またはCl−1および/またはBr−1および/またはJ−1であり、
0.01<x≦0.08、0.001≦y≦0.01
であり、前記ルミネセンス材の粒子が、3次元多角形の形状であり、20〜65%の比でポリマーバインダの分散相でコーティングされている、請求項1に記載の多素子X線検出器のための希土類X線発光団。 - 希土類組成物の共堆積と、その後の希土類イオンおよびd殻イオン(Bi、Re、Br−1、Cl−1、およびJ−1)の溶融化合物中での熱処理による、請求項14に記載のX線発光団のための製造方法であって、
合成が2段階であり、第1の段階が、1〜4時間、T=400℃〜T=700℃の温度の下で、始めに共堆積された希土類元素BiおよびReの酸化物とハロゲン化アンモニウムとの反応によって、カチオンサブグループ元素のオキシハライドを生成し、次いで溶融カルコゲナイド中で二次熱処理を行い、ここで2〜8時間、T=800℃〜T=1200℃の温度の下で分子比率が1:1〜1:3であり、その後、水または鉱酸溶液によって最終生成物の浸出を行う製造方法。
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