JP2014519025A - ガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオードをベースとしたガンマ線検出器 - Google Patents

Abstract

シンチレーション結晶ブロック（２６）と、該シンチレーション結晶ブロック（２６）の少なくとも第１の表面（２７）に光学的に連結された１組のガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオード（Ｇ−ＡＰＤ）センサ素子（１１）とを含むガンマ線検出器（２５）。前記Ｇ−ＡＰＤセンサ素子（１１）は、Ｇ−ＡＰＤセンサ素子（１１）からなる少なくとも１本の細長いストリップ（１０）を形成するように配置され、該Ｇ−ＡＰＤストリップ（１０）の片端、好ましくは両端に読み出し回路が連結されている（図２）。

Description

本発明は、シンチレーション結晶ブロックと、該シンチレーション結晶ブロックの少なくとも第１の表面に光学的に連結された１組のガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオード（Ｇ−ＡＰＤ）センサ素子とを含むガンマ線検出器に関する。

ガンマ線検出器は、医療、軍事およびセキュリティといった目的で使用されており、一般に、ガンマ放射線を光に変換する１以上のシンチレーション結晶と、さらに１以上の高感度の光検出器とを含む。ガンマ線検出器が利用されている分野の１つに、陽電子断層法（ＰＥＴ）がある。

ＰＥＴは、ヒトまたは動物の体内の機能的過程を３次元で画像化する核医学イメージング技術の１つである。放射性核種（いわゆるトレーサー）を生物活性分子または生物学的に許容できる分子と共に体内に導入し、その放射性核種から放出された陽電子に基づいて検出が行われる。体内に導入されたトレーサーは、崩壊時に１個の陽電子を放出し、放出された陽電子は短い距離を進んで電子と相互作用する。この衝突により陽電子と電子は対消滅し（いわゆる対消滅過程）、１対のガンマ線光子がそれぞれ反対方向に発生する。

発生したガンマ線光子はシンチレーション結晶に入射して弱い閃光に変換され、この閃光が光検出器により検出される。

従来のＰＥＴ用検出器は、ガンマ線を変換するためのシンチレーション結晶アレイと、シンチレーション光を検出するための高感度かつ低ノイズの高速光電子増倍管（ＰＭＴ）とで基本的に構成されている。このような光検出器はかさ高く、比較的高コストであり、集学的医療用イメージング装置には不適である。

ＰＭＴの代わりに、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられる場合もある。ＡＰＤは半導体ベースで非常に小型ではあるが、ＰＭＴより電子増倍率（ゲイン）が約１０^３倍も低く、時間分解能も低い。これはＰＥＴの画質と定量精度に影響する。最近では、いわゆるガイガーモードＡＰＤ（Ｇ−ＡＰＤ）も用いられるようになっている。Ｇ−ＡＰＤは、標準的なＡＰＤが有する利点をすべて持ち合わせながら、ＰＭＴと同等のゲインを持ち、単一光電子の検出が可能であり、はるかに低い電圧で作動し、優れた時間分解能を有する。また、ＧＡＰＤ検出器は標準的なＣＭＯＳ技術を利用して生産されるため、ＧＡＰＤ検出器の将来的な価格はＡＰＤやＰＭＴよりさらに低くなる。

ＰＭＴと比較した場合のＡＰＤの主要な利点としては小型であることが挙げられ、その小型さゆえにより柔軟な設計が可能であり、例えば、高感度かつ深さ方向の相互作用位置計測を実現するための多層配列が可能であり、優れた空間分解能を達成できる。

Ｋｏｌｂら（“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｉｇｅｒ−ｍｏｄｅ ＡＰＤｓ ｆｏｒ ＰＥＴ ｂｌｏｃｋ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ”， ｉｎ Ｐｈｙ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ． ５５ （２０１） １８１５−１８３２）は、２種類のガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオード（Ｇ−ＡＰＤ）についてＰＥＴ用検出器への応用可能性の評価を行っている。使用した一方のＧ−ＡＰＤセンサ素子は、１センサ素子当たり３６００個のセルを有し、固体光電子増倍管（ＳＳＰＭ）型のＧ−ＡＰＤセンサ素子は、１センサ素子当たり８１００個のセルを有する。いずれの検出器も７テスラ（Ｔ）の磁気共鳴（ＭＲ）スキャナー内に配置したことによる影響は何ら見られなかった。良好な線形性や、半値全幅（ＦＷＨＭ）が数ナノ秒以下という有望な時間分解能が観測されている。

この検出器は１２×１２配列のオキシオルト珪酸ルテチウム（ＬＳＯ）結晶ブロックを含み、その上面には３×３のアレイ状に配置された９個のＧ−ＡＰＤセンサ素子１組が設けられている。結晶ブロックの端面とＧ−ＡＰＤアレイとの間には、テーパー状の光導波路が配置されており、これによって十分な配光が達成されると同時に、技術的な理由から結晶ブロックの表面積より小さく設計されているＧ−ＡＰＤアレイの有効領域に結晶ブロックの表面積を適合させることができる。

Ｇ−ＡＰＤの設計および利点に関するさらに詳しい情報については、上記論文および該論文で説明および引用されている先行技術を参照されたい。さらに、当該論文の内容は参照により本願に組み込まれる。

一般に、Ｇ−ＡＰＤの設計においては、高度な粒状性を持たせてセルを並列接続することによって検出器の総静電容量を抑制し、各ダイオードまたは各セルを、１個の光子が引き金となって起こるアバランシェ放電を停止させる直列抵抗と組み合わせてガイガーモード（すなわち、降伏電圧より数ボルト高い電圧）で動作させることによって、ＡＰＤの破損を防いでいる。このような半導体ベースの光検出器は、ガイガーモードＡＰＤ（Ｇ−ＡＰＤ）またはシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）と呼ばれる。

本発明において、Ｇ−ＡＰＤセンサ素子は多数の個別のセルで構成される半導体素子であり、各セルは１つの個別のダイオードを示す。先行技術ではしばしば、このようなＧ−ＡＰＤセンサ素子を単にＧ−ＡＰＤと称する。

Ｇ−ＡＰＤセンサ素子の各ダイオードまたは各セルの大きさは、３０μｍ以下まで小さくすることが可能である。各Ｇ−ＡＰＤセンサ素子は、１平方ミリメートル当たり約１００〜１００００個のセルからなる。理想的なセルの個数は、特定の用途に強く依存する。各セルは降伏電圧かガイガーモードのいずれかで動作するため、「ＯＮ」（セルで光を検出した）または「ＯＦＦ」（セルで光を検出していない）の信号のみを提供する。これはある種の「デジタル」情報であり、単位時間当たりにセルに衝突する光子の数には依存しない。

したがって、Ｇ−ＡＰＤの出力振幅は、光子を検出したセルの個数にのみ依存する。Ｇ−ＡＰＤの１平方ミリメートル当たりのセル数が多ければ多いほど、ダイナミックレンジは広くなり、ひいてはＧ−ＡＰＤ全体の線形性も向上するので、Ｇ−ＡＰＤに光学的に連結されているシンチレーション結晶で吸収されたガンマ線に由来する入射光信号から光子量を判定することができる。

概して、経験則から、Ｇ−ＡＰＤセンサ素子が線形性の出力信号を提供するためには、予想される入射光子数の少なくとも３倍のセル数が必要である。換言すると、すべてのセルに光子が１個ずつ入射する確率が１より極めて低い状態であれば、出力信号は光子数にのみ比例する。

以上より、ガイガーモードＡＰＤセンサ素子は、高速かつ低ノイズでの光検出を目的とする次世代センサとして極めて有用であり、高速の時間分解能と良好なエネルギー分解能が必須であるガンマ線検出器に利用されることが期待される。

時間分解能が優れていること以外に挙げられるＧ−ＡＰＤのもう１つの主要な利点は、オキシオルト珪酸ルテチウム（ＬＳＯ）またはゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ）のような最も一般的なＰＥＴ用シンチレーション物質が発する４００ｎｍ付近の青色光を感知できるように設計できるということである。例えば、ｐ−ｏｎ−ｎ型構造をベースとした青感度増強Ｇ−ＡＰＤが浜松ホトニクス社（日本）で製造されている。

個々のシンチレーション結晶と光検出器の１つ１つの有効領域（ピクセル）とを１対１で連結した場合、良好な時間分解能とエネルギー分解能が得られるだけでなく、極めて良好な計数率特性が得られるという利点がある。しかし、１対１連結では必要な読み出しチャネル数が多くなるという大きな問題がある。電子チャネル数を少なくするために、市販のＰＥＴシステムでは、通常、ブロック検出器方式が採用されており、最前端部のチャネルが多重化されている。

ブロック検出器方式の別の利点としては、個別の小型結晶の取り扱いに比べて、検出用ブロックの組み立てが一般的に容易であることが挙げられる。

研究者や技術者が高分解能ＰＥＴスキャナーの設計で直面する主要な問題の１つは、空間分解能と感度との間で妥協点を見出さなければならないということである。ＰＥＴスキャナーのガントリー内ではシンチレーション結晶はリング状に配置され、該結晶は特定の長さを有するので、スキャナーの視野（ＦＯＶ）の中心から端に向かって空間分解能が徐々に低下する。この現象は視差誤差として知られており、シンチレーション結晶の長さに依存する。視差誤差は、動物用スキャナーのような開口径の小さいスキャナーで特に顕著である。したがって、分解能を最大にするためには、ピクセルサイズが極めて小さく、結晶の長さも極めて短いシンチレーション結晶が必要である。しかし、結晶の長さが長いほど一般に用いられるガンマ量子の阻止率は高くなるので、短い結晶では感度が大幅に低下する。

このように、これまで説明してきた先行技術においてさえ、全体の構成が単純で、読み出し電子チャネル数が可能な限り少なく、空間分解能および感度が高いガンマ線検出器の設計方法については教示されていない。

上記に鑑みて、本発明の目的は、Ｇ−ＡＰＤセンサ素子をベースとした新規のガンマ線検出器の構成を提供することである。

本発明によれば、この目的は、冒頭に述べたガンマ線検出器、すなわち、複数個のＧ−ＡＰＤセンサ素子が少なくとも１本の細長いストリップを形成するように配置され、該ストリップの片端または両端に読み出し回路が連結されていることを特徴とするガンマ線検出器により達成される。

これにより、本発明の基礎となる目的は完全に達成される。

本発明によれば、必要な読み出し回路の個数は、一列に配置された複数個のＧ−ＡＰＤセンサ素子に対して１つのみまたは２つである。よって、検出器における読み出し回路の個数を少なくすることができる。検出器の両端にそれぞれ読み出し回路が設けられている場合は、両方の読み出し回路の信号を用いて、センサ素子ストリップ内の光の強度および位置を決定することができる。よって、電子的負担を抑えつつ、個々のシンチレーション結晶と１つ１つのＧ−ＡＰＤセンサ素子とを１対１で連結した場合と同様の情報を得ることができる。

本発明の範囲において、「Ｇ−ＡＰＤセンサ素子からなる細長いストリップ」は、複数個のＧ−ＡＰＤセンサ素子が並んで配置されたもの、またはモノリシックストリップ状のセンサ素子を意味し、いずれのＧ−ＡＰＤストリップも典型的なセンサ素子の１個分の幅と該センサ素子の複数個分の長さとを有する。モノリシックＧ−ＡＰＤストリップ、または複数個のディスクリートセンサ素子から形成されるＧ−ＡＰＤストリップの長さは、通常のディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子の長さの５倍以上、好ましくは１０倍以上である。Ｇ−ＡＰＤストリップが、一列に配置された複数個のディスクリートセンサ素子で構成されている場合、隣接するセンサ素子同士は電気的に接続されている。

Ｇ−ＡＰＤストリップがモノリシックストリップである場合、その長さは、通常のディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子の長さの少なくとも５倍または１０倍である。このようなモノリシックＧ−ＡＰＤストリップを構成するセルまたはダイオードの個数は、１個のディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子、すなわち「１ピクセル」に含まれるセルまたはダイオードの個数の５倍または１０倍である。

通常のディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子の幅と長さが等しい場合は、このようなモノリシックストリップは、その幅の少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍に相当する長さを有する。

改善された実施形態においては、このような２本のＧ−ＡＰＤストリップが１本の細長い列を形成するように配置されており、それぞれの外側の端部には１つずつ読み出し回路が設けられ、２つの内側の端部は互いに電気的に接続されている。

この場合、読み出し回路はたった２つでも、Ｇ−ＡＰＤセンサ素子の個数は２倍になるので、空間的な計測範囲が拡大されるという利点がある。

また、前記１組のＧ−ＡＰＤセンサ素子が、並列する複数のＧ−ＡＰＤストリップからなるアレイを形成するように配置されることも好ましい。この場合、シンチレーション結晶ブロックの第２の表面に、並列する複数のＧ−ＡＰＤストリップからなる第２のアレイが光学的に連結され、かつ第２の表面が第１の表面と平行になることが好ましく、前記２つのアレイのＧ−ＡＰＤストリップ同士が垂直になるように配置されることがさらに好ましい。

このＧ−ＡＰＤストリップアレイにより、第１および第２の表面のｘ／ｙ平面上の光の位置を迅速かつ容易に決定することができる。

さらに、この配置により、シンチレーション結晶ブロックの高さのどの位置でガンマ線が吸収されたのかを示す深さ方向の相互作用位置（ＤＯＩ）に関する情報を得ることもできる。

深さ方向の相互作用位置は、結晶ブロック内の光分布により求められ、２つのＧ−ＡＰＤストリップアレイに入射する光の量の単純比較により計算することができる。この場合、Ｇ−ＡＰＤストリップおよび電子チャネルの個数が２倍必要となるため検出器のコストは高くなるが、１つの結晶および２つのＧ−ＡＰＤストリップアレイを用いたこのＤＯＩスキームは他の方法と同等の性能を示す。

基本となる素子は、シンチレーション結晶ブロックの上面および底面にｘ方向およびｙ方向に設置される細長いＧ−ＡＰＤストリップである。いわゆる電流分配読み出し方法
；ＴｓおよびＢｓは、それぞれ上面および底面で読み出された信号の電荷を示す）により、通常、結晶の長さの１０〜２０％のｚ座標が決定され、かなり良好なＤＯＩ情報を得ることができる。

シンチレーション結晶ブロックは、モノリシック結晶ブロックでもよく、個々のシンチレーション結晶を複数の列と縦列とからなるマトリクス状に配置したものを含んでいてもよい。個々の結晶は光学的に分離されていることが好ましく、反射膜またはエアギャップを介して光学的に分離されていることがさらに好ましい。

個々の結晶をマトリクス状に配置したブロックを用いた場合、ガンマ線によって発生した光の位置をより正確に検出することができるという利点がある。個々の結晶間の光学的分離には、反射膜（例えば、３Ｍ社（米国）製のＶＭ２０００高反射膜）または小さなエアギャップを使用することができる。

第１および第２の表面において、個々の結晶の幅は、Ｇ−ＡＰＤストリップの長さに対して垂直方向であり、Ｇ−ＡＰＤストリップの幅と等しいかそれより短い。

個々の結晶の幅とＧ−ＡＰＤストリップの幅との比率を適切に選択することにより、Ｇ−ＡＰＤストリップの長さに対して垂直方向の空間分解能における所望の分解能を選択できる。

当然のことながら、上述した特徴および以下に説明する特徴については、個々の事例で示した組み合わせのみならず、本発明の範囲から逸脱しない限りは、他の組み合わせまたは単独での使用も可能である。

さらなる利点は、添付の図面に関して記載される以下の実施形態から明らかである。

Ｇ−ＡＰＤセンサ素子ストリップの概略図である。 図１のＧ−ＡＰＤセンサ素子ストリップを用いたガンマ線検出器の概略図である。 （Ａ）は交差するストリップから計算されたエネルギースペクトルを、（Ｂ）はそのＤＯＩ分布を、（Ｃ、Ｄ）はすべての信号から計算されたエネルギースペクトルおよびＤＯＩ分布を示した図である。

図１において、１０は、１０個のＧ−ＡＰＤセンサ素子１１からなる細長いストリップを示し、各センサ素子１１は、１，０００個以上のダイオードまたはセル１２を含む。一例として、数個のセル１２を図１に示す。

Ｇ−ＡＰＤセンサ素子１１は一列に並んで配置され、細長いＧ−ＡＰＤストリップ１０を形成する。各Ｇ−ＡＰＤセンサ素子１１は、１４で示される幅、および１５で示される長さを有する。したがって、１６で示されるＧ−ＡＰＤストリップ１０の全長は、長さ１５の１０倍に相当する。

Ｇ−ＡＰＤセンサ素子１１は一体型ストリップ１０を形成し、この一体型ストリップ１０は長さ１５を有するＧ−ＡＰＤセンサ素子１１の１０個分に理論上分割される。１０個のディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子１１が一列に配置されてストリップ１０を形成し、隣接したＧ−ＡＰＤセンサ素子１１同士が電気的に接続されていてもよく、またストリップ１０が長さ１６を有し、１個のディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子１１に含まれるセルの１０倍の数のセル１２を含むモノリシック構造であってもよい。

Ｇ−ＡＰＤストリップ１０の左端１７および右端１８は、それぞれ読み出し回路１９および２１に接続されている。この２つの読み出し回路は計算装置２２に接続されている。

右から４番目のＧ−ＡＰＤセンサ素子１１ａに入射した閃光２３により電圧信号が発生し、発生した電圧信号は２つの読み出し回路１７および１８により計測されるが、それぞれ計測値は異なる。電圧信号の値は、閃光２３に反応したセル１２の個数と、ストリップ１０内におけるセンサ素子１１ａの位置、すなわちＧ−ＡＰＤセンサ素子１１’と左端１７および右端１８との間に位置するＧ−ＡＰＤセンサ素子１１の個数とにより変化する。Ｇ−ＡＰＤセンサ素子１１の内部抵抗のため、Ｇ−ＡＰＤストリップ１０により分圧回路が提供され、読み出し回路１９および２１で計測された電圧の値および比率によって、閃光２３の強度だけでなく、Ｇ−ＡＰＤストリップ１０内のどのＧ−ＡＰＤセンサ素子１１ａに閃光２３が入射したのかが示される。そしてこの情報は計算装置２２により提供される。

したがって、たった２つの読み出し回路１９および２１でも、Ｇ−ＡＰＤストリップ１０内のＧ−ＡＰＤセンサ素子１１の個数ならびに／または読み出し回路１９および２１の計測精度に応じた空間分解能で、閃光２３の位置および強度の情報が提供される。

図２は、上面２７と、上部の表面２６に対して平行な底面２８とを有するシンチレーション結晶ブロック２６を用いて作製されたガンマ線検出器２５を示す。ブロック２６は、個々のＬＳＯシンチレーション結晶２９のマトリクスとして作製されたものであり、隣接する個々の結晶２９の間には、空気または高反射膜のいずれかを含む隙間３１が示されている。

ガンマ線検出器２５は、ＰＥＴだけでなく、改善されたガンマ線検出器を必要とするその他の用途にも用いることができる。

上面２７および底面２８の平面で見られるように、個々の結晶２９は幅３２および長さ３３を有する。個々の結晶２９は、上面２７から底面２８までの高さ３４を有する。

ブロック２６は、１つ１つの大きさが１．５×１．５×２０ｍｍ^３（幅３２×長さ３３×高さ３４）である１０×１０個の結晶で構成されており、これによりマトリクス方式で符号化された読み出しが提供される。

図１に示すように、上面２７および底面２８はＧ−ＡＰＤストリップ１０のアレイ３５および３６に光学的に連結されている。光学的な連結は光導波路を介して行っているが、明確性を期すために図２には示していない。各Ｇ−ＡＰＤストリップ１０は、図１に示すように、それぞれ読み出し回路１９および２１に接続されている。

アレイ３５は、ｘ方向に延びるストリップ１０をｙ方向に平行に配置した１０列の列３７を含む。ｘ方向には２本のストリップ１０が並んで配置され、結晶２９の１０個分に相当する長さになっている。

アレイ３６は、ｙ方向に延びるストリップ１０の列３８を１０列用いて同様に作製される。したがって、アレイ３５のストリップ１０はアレイ３６のストリップ１０に対して垂直に配向している。アレイ３５および３６はそれぞれ２０本のストリップ１０を含むが、明確性を期すためにアレイ３５および３６ではそれぞれ４本のストリップのみを表示していることに留意されたい。

ストリップ１０は、個々の結晶２９の幅３２および長さ３３に相当する幅１５を有する。ｘ／ｙ平面の空間分解能を高めるために、幅２４を幅３２および長さ３３より短くすることは可能である。

ストリップ１０の読み出しにより、ガンマ線の入射によりブロック２５内で発生した閃光に関する情報が明らかになり、ガンマ線の入射場所のｘｙ位置を決定することができる。

この読み出し方式では高度な多重化がなされているため、１つのブロック内の２つの信号（例えば結晶内コンプトン散乱事象が原因で発生した信号）を検出することができる。また、この読み出し方式により、バイアス増幅器によって１方向に多数の読み出しストリップを連結した場合に発生するノイズを抑えることもできる。個々の結晶２９にはそれぞれ異なる１対のＧ−ＡＰＤストリップ１０が割り当てられており、１つはアレイ３５に、もう１つはアレイ３６に存在するため、ｘｙ位置情報が明らかになる。

１００個の結晶２９の番地を上下から特定できるにもかかわらず、必要な読み出し回路の個数は、２つのアレイ３５および３６に存在するＧ−ＡＰＤストリップと同数で済む。

さらに、いわゆる電流分配読み出し方法
；ＴｓおよびＢｓは、特定の結晶２９の上部ストリップ１０および底部ストリップ１０からの信号をそれぞれ示す）により、ｚ方向のＤＯＩ情報を得ることができる。

図面に示した実施形態において、各Ｇ−ＡＰＤストリップ１０は長さ１０ｍｍ、幅１．４ｍｍであり、０．７×７．６５ｍｍ^２の有効面を有する。

一体型Ｇ−ＡＰＤストリップ１０の１本当たりの総表面積は、現在の製造技術により約９ｍｍ^２に制限されてしまうため、ｘ方向の列３７とｙ方向の縦列３８にそれぞれ２本のストリップ１０を用いることで、結晶の列の全長をカバーできる長さの１本のＧ−ＡＰＤストリップ１０を模擬している。列３７と縦列３８をそれぞれ形成するこの２本のＧ−ＡＰＤストリップ１０は、隣接する端部で互いに電気的に接続され、それぞれもう一方の端部で接続ピン３９を介して読み出し回路１９および２１に接続されている。

すべてのストリップは、直接または極薄の光導波路により結晶ブロック２６の列または縦列に連結されている。この読み出し方式では、必要な読み出しチャネル数が大幅に抑えられて列と縦列の個数のみで済むため、１対１で連結する場合よりコストは低くなる。

図面に示した１０×１０配列のブロックの規模では、面２７および２８にはそれぞれ２０本のＧ−ＡＰＤストリップが必要であるため、少なくとも４０チャネルを有するデータ収集ボードが必要である。これより長いＧ−ＡＰＤストリップが利用できるようになれば、各ブロック２６に必要なチャネル数は２０で済む。

このような読み出し方式は、同じｘ（ｙ）座標上の同方向のストリップ１０を１つにまとめることにより、さらに大規模なブロック（例えば、最大数千個の結晶２９からなるブロック）にも対応するように拡張することが可能である。数本のストリップ１０を１つにまとめる場合は、それらの信号を直接加算することも可能だが、並列の静電容量性負荷を小さくする（立ち上がりの高速化に必要である）ために簡単な加算増幅器を使用することもできる。通常、加算できるストリップ１０の本数はノイズにより制限されているが、バイアス前置増幅器を用いることにより、大部分のノイズが抑えられ、エネルギー分解能の低減を最小限にとどめることができる。

通常のブロック読み出し方式と比べると、この構成にはいくつかの利点がある。例えば、１本のストリップ１０における全信号の観測が可能であること、高さ３４の約１０〜２０％のＤＯＩ情報が基本的に無償で得られること、１つのブロック２６で同時に２つまたは３つの信号が生じた場合の不定性が解消されること、非常に大規模なブロック２６であっても、たった数個の読み出し回路で読み取りが可能であることなどが挙げられる。

本発明者らは、初めに、多重化度が高く、深さ方向の相互作用位置（ＤＯＩ）情報を符号化する、ガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオード（Ｇ−ＡＰＤ）をベースとしたＰＥＴ用ブロック検出器を構築するための研究を行った。一般に、多重化度の高い検出器は光分配方式を採用し、アンガーロジックを用いた符号化を行っている。本文献では多重化度を最大とするために、片側読み出しで３つの電子チャネルを用いるＴ／Ｌ／Ｅというアルゴリズムを使用した。この進歩的な方法は、クロス・ストリップ符号化を用いた高エネルギーゲルマニウム検出器に基づくものである。この方法では、光分配型検出器に特徴的な少ない読み出しチャネル数で、通常の１対１の読み出し構造に類似した連結方法を採用している。よって、読み出し電子チャネルの多重化により、結晶内散乱による感度低下を補う。さらに、この検出器はＤＯＩ情報も提供する。また、Ｇ−ＡＰＤの回復時間が長くなると計数率に悪影響を及ぼすが、この検出器では、光分配型構造より高い計数率を達成できる。

２５μｍのセルをベースとしたストリップを２×１２に配置した試作のＧ−ＡＰＤストリップアレイ（Ｓ１０９４３−９５５２（Ｘ）；浜松ホトニクス社（日本））を製造した。各ストリップの大きさは９．４ｍｍ×１．４ｍｍで、０．２ｍｍの隙間が設けられている。メーカー表示によれば、ストリップ間の動作電圧の差は最大０．３１Ｖである。各ストリップの評価は、ｄＵ／ｄＩ＊１／Ｉと電圧とのプロットにおいて極小値を求めるという方法を用い、２１℃の安定温度で実施した。この評価により、降伏電圧の差異や温度ドリフトによる信号対ノイズ比のばらつきに対応するための最適な動作電圧および範囲が提供される。具体的には、ＧＰＩＢリモートコントローラを用いて、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２４００の電源装置から８秒ごとに０．０５Ｖ刻みで漸増的に電圧を印加することにより、０Ｖから７８Ｖまでの種々の動作電圧をかけて測定した。

２４本のストリップは、各ストリップの高い静電容量を補償するためのＨＡＷＫ−２増幅器によりそれぞれ増幅され、ＯＰＡ ２６９５により長手方向に延びる１２本のストリップにまとめられている。

使用したＬＳＯブロックは、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×２０ｍｍの結晶を積み上げたもので、各結晶は研磨した結晶面で構成されるエッチング処理表面を有し、ＥＧＦＲ反射材で覆われている。Ｇ−ＡＰＤアレイは、結晶ブロックの対向する２つの側面上に、光学グリス（ＢＣ６３０；サンゴバン社（フランス））を用いて接合されている。

図２に示すように、結晶ブロック２６の対向する２つの側面上のストリップ１０同士は垂直になるように配置されており、ひとまとまりの２×１２配列のストリップでそれぞれ構成される２つの検出器は個々の結晶２９の対向する２つの側面に連結されている。結晶ブロック２６の前面２７から１０ｃｍ離して設置したＣｓ−１３７線源より、結晶ブロック２６にガンマ線を照射した。

原理検証のための本評価試験においては、４×４配列の結晶ブロックを用いて各アレイの４チャネルのみからデータを収集した。データ収集は、サンプリング速度２５０ＭＳ／ｓの８チャネルデジタイザ（Ｖ１７２０；ＣＡＥＮ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社（イタリア））を用いて行った。デジタイザからのハードウェアトリガを全８チャネルのセルフトリガに用い、１４０個のデータポイントを収集した。このうち始めの１０個のデータポイントを平均したものを用いて、収集した信号のベースライン補正を行った。各チャネルのエネルギーは全データポイントの集計により算出した。個々の結晶の弁別は、各結晶の２つの側面に設置されている各検出器に付与された最大エネルギーの算出により行った。ＤＯＩは、２つの検出器で吸収された全エネルギーに対する、片方の検出器で吸収されたエネルギーの割合として算出した：Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ２）。

データ解析は、各結晶の各側面にある検出器ごとに集計する方法と、結晶の弁別にはこれらの検出器を用い、エネルギーの算出には各アレイで集計した信号を用いる方法の２つの方法に従って行った。検出器のデータ収集は１２ｋＨｚのトリガ速度で行い、１０^６の相互作用に関するデータが得られた。

ｄＩ／ｄＵ＊１／Ｉプロットにより、１本のストリップの動作範囲は、下限が降伏電圧（７１．１Ｖ）で、上限（ストリップに流れる電流が１００μＡを超過する電圧）が７７．０Ｖであることが分かった。実用上の動作電圧は極小値における電圧であり、７４．５Ｖ±１Ｖであることが分かった。

対応する検出器およびこれらのエネルギー分解能ならびにさらに得られたＤＯＩ情報に従って、すべての結晶の算出が可能であった。図３（Ａ）はエネルギースペクトルを示した図であり、エネルギー分解能は２４．２％である。（Ｂ）は各ストリップアレイの最大エネルギーのみによって算出されたＤＯＩ分布を示した図であり、結晶の長さの１５〜９０％の範囲で相互作用が見られる。４×４配列のアレイにおけるエネルギー分解能は２３．８％±１．８％であった。

アレイ全体の信号を用いることにより、光電ピークのエネルギー分解能は１９．４％（図３Ｃ）に改善し、相互作用は結晶の長さの２５〜８０％の範囲で観測された。１６個の結晶全体におけるエネルギー分解能は２１．５％±２．４％であった。

抵抗回路網を模擬して結晶地図を計算で求めたところ、すべての結晶の弁別が可能であった。

２５μｍのセルを用いた浜松ホトニクス社製のストリップは動作範囲が広く、±２℃の範囲の温度ドリフトによる影響も小さい。エネルギー分解能は、どちらの構成においても、光分配方式のブロック検出器と同様の結果が示される。

直接連結構造の検出器（例えば、各結晶の対向する２つの側面に連結されたそれぞれの検出器からの相互情報のみを取得する）では結晶内散乱による感度低下が起こる。このため、同じデータで比較したところ、４×４配列の結晶全体のエネルギースペクトルの光電ピークは、すべての信号を取得した方が平均２．５４倍高かった。計算で求めた位置プロファイルでは、結晶位置は不明瞭であるが、これは外側の結晶のエネルギースペクトルでも同様に見られており、結晶ブロックに対する位置弁別能が不完全であることに起因する。以上の計測により、小さい結晶および直接連結を用いたクロス・ストリップ方式は、個々のストリップを１つにまとめて大型のストリップアレイとすることが可能でかつＤＯＩ情報を提供することも可能な将来のＰＥＴ用検出器およびパネル検出器に使用できる可能性がある。

Claims (13)

1. シンチレーション結晶ブロック（２６）と、該シンチレーション結晶ブロック（２６）の少なくとも第１の表面（２７）に光学的に連結された１組のガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオード（Ｇ−ＡＰＤ）センサ素子（１１）とを含むガンマ線検出器であって、前記Ｇ−ＡＰＤセンサ素子（１１）がＧ−ＡＰＤセンサ素子（１１）からなる少なくとも１本の細長いストリップ（１０）を形成するように配置され、該Ｇ−ＡＰＤストリップ（１０）の片端、好ましくは両端（１７、１８）に読み出し回路（１９、２１）が連結されていることを特徴とするガンマ線検出器。
2. 前記少なくとも１本のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）において、ディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子（１１）がセンサ素子（１１）からなる列（３７、３８）を形成するように並んで配置され、隣接するセンサ素子（１１）同士が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガンマ線検出器。
3. 前記少なくとも１本のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）において、Ｇ−ＡＰＤセンサ素子（１１）がセンサ素子（１１）からなる列（３７、３８）を形成するように並んで配置され、隣接するセンサ素子（１１）同士が一体化されていることを特徴とする請求項２に記載のガンマ線検出器。
4. 前記少なくとも１本のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）が、該ストリップ（１０）の幅（１５）の少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍に相当する長さ（１６）を有するモノリシックストリップであることを特徴とする請求項２に記載のガンマ線検出器。
5. １本のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）に含まれるディスクリートＧ−ＡＰＤセンサ素子（１１）または一体化されたＧ−ＡＰＤセンサ素子（１１）の個数が５個以上、好ましくは１０個以上であることを特徴とする請求項２または３に記載のガンマ線検出器。
6. ２本のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）が１本の細長い列（３７、３８）を形成するように配置され、前記Ｇ−ＡＰＤストリップ（１０）のそれぞれの外側の端部に１つずつ読み出し回路（１９、２１）が設けられ、２つの内側の端部が互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガンマ線検出器。
7. 前記１組のＧ−ＡＰＤセンサ素子（１１）が、並列する複数のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）からなるアレイ（３５）を形成するように配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガンマ線検出器。
8. 前記シンチレーション結晶ブロック（２６）の第２の表面（２８）に、並列する複数のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）からなる第２のアレイ（３６）が光学的に連結され、前記第２の表面（２８）が前記第１の表面（２７）と平行であることを特徴とする請求項７に記載のガンマ線検出器。
9. 前記２つのアレイ（３５、３６）のＧ−ＡＰＤストリップ（１０）同士が垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載のガンマ線検出器。
10. 前記シンチレーション結晶ブロック（２６）がモノリシック結晶ブロックであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のガンマ線検出器。
11. 前記シンチレーション結晶ブロック（２６）において、個々のシンチレーション結晶（２９）が複数の列（３７）と縦列（３８）とからなるマトリクスを形成するように配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のガンマ線検出器。
12. 前記個々の結晶（２９）が、好ましくは反射膜またはエアギャップを介して、光学的に分離されていることを特徴とする請求項１１に記載のガンマ線検出器。
13. 前記第１および第２の表面（２７、２８）において、個々の結晶（２９）の幅（３２）が、前記Ｇ−ＡＰＤストリップ（１０）の長さに対して垂直方向であり、前記Ｇ−ＡＰＤストリップ（１０）の幅（１４）と等しいかそれより短いことを特徴とする請求項１１または１２に記載のガンマ線検出器。