JP2016020820A - 放射線検出器およびシンチレータパネル - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体層の感度を向上させるとともに、放射線による蛍光体層の感度低下を低減することができる放射線検出器を提供する。【解決手段】放射線検出器１は、複数のフォトダイオード27が配列された光電変換基板21と、光電変換基板21上に形成され、Ｘ線を光に変換するＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22とを具備する。ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の発光スペクトルは、５１０〜５５０ｎｍの波長領域に主ピークを有するとともに、この主ピークよりも長波長領域に副ピークを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射線を検出する放射線検出器およびシンチレータパネルに関する。

従来、医療用、歯科用もしくは非破壊検査用など、昨今のデジタル化したＸ線検出器は、入射Ｘ線を蛍光体層で一旦光（蛍光）に変換する方式が主流である。蛍光体層としていくつかの種類の材料が用いられているが、医療用の平面検出器や、歯科用のＣＭＯＳセンサーや、医療用・動物診断用であるＣＣＤ−ＤＲ装置には、タリウム賦活ヨウ化セシウム（以下、ＣｓＩ／Ｔｌと称する）が多く使用されている。

ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層は、真空蒸着法で簡便に平面状に成膜できる。しかも、成膜条件を適正に調整することにより、直径５μｍ程度のファイバー結晶が並んだ構造に成膜することができる。ファイバー結晶構造にすることにより、ＣｓＩ結晶（屈折率＝１．８）と結晶間の隙間（屈折率＝１）との間の屈折率の差により、ある１つのファイバー結晶中でＸ線から変換された蛍光は、発光点から面方向にそれほどずれない位置で平面検出器の受光素子に到達し、Ｘ線撮像装置としてそれほど滲まない撮影像が得られる。

つまり、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層は適正な条件で成膜することにより、Ｘ線を光に変換するシンチレーション機能と、画像を受光素子まで画像を保持するファイバープレート機能とを同時に備えることが可能である。

ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層からの発光は、例えばＸ線検出器の１つの形態であるＣＣＤ−ＤＲ装置において、レンズを介してＣＣＤに入射し、電気信号に変換し、モニターに描出したり、画像処理信号に使用し、有効な診断画像が得られる。これは、複数の受光素子が二次元に配列された光電変換基板上にＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層を成膜した平面検出器の場合も同様であり、この場合は、有機膜などを介してＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層を複数の受光素子を配列した光電変換基板上に成膜するので、より効率的に発光を受光素子に収集することができる。

上記の過程を考えると、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層に必要な要件として、まず、発光量の多さ、すなわち感度が高いことが求められる。他には、ファイバープレート機能を発揮させた結果としての解像度特性が重要である。

ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の感度に関しては、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の膜厚を厚くすること、Ｔｌ濃度を適正化すること、ＣｓＩ／Ｔｌ膜のファイバー構造の要素であるピラー結晶の太さを太くするなどが挙げられる。

しかしながら、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の感度を向上させるのに、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層単独の性能向上を狙って、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の膜厚を厚くすること、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層のファイバー構造の要素であるピラー結晶の太さを太くすることなどの方策は、他の要因とトレードオフの関係にある。

例えば、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の膜厚を厚くすることは、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体の材料の使用量が増大し、コストが上昇する。さらに、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層中でＸ線から光に変換される発光点と、ＣＣＤ−ＤＲ装置や平面検出器の受光素子までの距離が長くなるので、発光点から八方に等方的に発散する性質がある発光が、受光素子に到達するまでに受光素子の面方向に広がる距離も相対的に長くなり、結果として解像度特性が低下する。

ピラー結晶を太くすることは、ファイバープレートのファイバー径を大きくすることと等価であり、これも解像度特性の低下を引き起こす。

また、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の感度特性を阻害する要因として、Ｘ線による感度劣化がある。ここでいうＸ線による感度劣化とは、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層をＣＣＤ−ＤＲや平面検出器に装着した後に、Ｘ線を各デバイスに照射すると、Ｘ線がＣｓＩ／Ｔｌ結晶格子に傷を与え、その傷が色中心として光吸収サイトとなり、蛍光体からの発光光子をＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層中で再吸収してしまい、出力される光の量が減少する現象を指す。

さらに、この現象は、結晶格子の傷がＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の発光機構である、励起子形成、励起子からのＴｌ発光中心へのエネルギーの移送、Ｔｌ発光中心からの発光遷移機構形成といった、結晶格子の状態と関連があると考えられる状態を劣化させ、発光効率を低下させている可能性も考えられる。

このように、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層は、Ｘ線による感度劣化により、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層内での光吸収が増大するが、それは波長に対して一様ではなく、４４０、５２０、５６０ｎｍ近辺に吸収ピークがある。一方、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の発光スペクトルは５１０〜５６０ｎｍにピークを持つことが知られている。そのため、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の発光スペクトルと５２０および５６０ｎｍの吸収ピークとが一致してしまい、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層の感度特性が低下する。

特許第４６５３４４２号公報

Journal of Luminescence Vol.128 p1447〜1453

本発明が解決しようとする課題は、蛍光体層の感度を向上させるとともに、放射線による蛍光体層の感度低下を低減することができる放射線検出器およびシンチレータパネルを提供することである。

本実施形態の放射線検出器は、複数の受光素子が配列された光電変換基板と、光電変換基板上に形成され、放射線を光に変換する蛍光体層とを具備する。蛍光体層の発光スペクトルは、５１０〜５５０ｎｍの波長領域に主ピークを有するとともに、この主ピークよりも長波長領域に副ピークを有する。

第１の実施形態を示す放射線検出器の一部の分解斜視図である。 同上放射線検出器の概略断面図である。 同上放射線検出器が備える蛍光体層の発光スペクトルの波長と発光強度との関係を示すグラフである。 同上蛍光体層の発光スペクトルをガウス関数で分析した波長と発光強度との関係を示すグラフある。 同上蛍光体層に複数のサンプルのＸ線照射前後の感度を示す表である。 同上蛍光体層の光吸収スペクトルの波長と光吸収率との関係を示すグラフである。 第２の実施形態を示す放射線検出器の概略断面図である。 第３の実施形態を示す放射線検出器の概略断面図である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図６を参照して説明する。

図２は放射線検出器の概略断面図である。

図２に示すように、放射線検出器１は、例えば大型の平面Ｘ線検出装置である。

放射線検出器１は、放射線としてのＸ線２を検出するＸ線検出パネル３を有している。Ｘ線検出パネル３は支持基板４の一面に支持されている。Ｘ線検出パネル３のＸ線入射面側は防湿カバー５で覆われている。

支持基板４の他面には、鉛プレート６および放熱絶縁シート７を介して、Ｘ線検出パネル３を駆動する回路基板８が配設されている。この回路基板８とＸ線検出パネル３とはフレキシブル回路基板９で接続されている。

支持基板４は、支柱10を介して筐体11の内部に固定されている。筐体11のＸ線入射面側には、Ｘ線２が入射する入射窓12が設けられている。

次に、図１は放射線検出器１の一部の分解斜視図である。

図１に示すように、Ｘ線検出パネル３は、光電変換基板21と、シンチレータ層であって蛍光体層としてのＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22とを有している。

光電変換基板21は、０．７ｍｍ厚のガラス基板と、ガラス基板上に２次元的に形成された複数の光検出部25とを備えている。光検出部25は、スイッチング素子としてのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）26および受光素子としてのフォトセンサであるフォトダイオード27を有している。ＴＦＴ26およびフォトダイオード27は、例えばａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）を基材として形成されている。光電変換基板21の平面に沿った方向のサイズは、例えば、正方形であり、１辺が５０ｃｍである。

ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、光電変換基板21上に直接形成されている。ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、光電変換基板21のＸ線２の入射側に位置している。ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、Ｘ線２を光（蛍光）に変換するものである。なお、フォトダイオード27は、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22で変換された光を電気信号に変換するものである。

ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、光電変換基板21上にシンチレータ材を蒸着させることにより形成されている。シンチレータ材としては、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主成分とする材料を用いることができる。

ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の厚みは、１００乃至１０００μｍの範囲内に設定されている。より適切には、感度と解像度とを評価して、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の厚みは、２００乃至６００μｍの範囲内に設定されている。そして、本実施形態において、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の厚みは、５００μｍに調整されている。シンチレータ材としては、主成分であるＣｓＩにタリウム（Ｔｌ）またはヨウ化タリウム（ＴｌＩ）を添加した材料を用いている。これにより、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、Ｘ線２が入射されることにより適切な波長の光（蛍光）を放出することができる。

なお、図２に示す防湿カバー５は、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22を完全に覆い、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22に封着されている。防湿カバー５は、例えばアルミニウム合金で形成されている。防湿カバー５の厚みが大きくなると、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22に入射されるＸ線量が減衰し、Ｘ線検出パネル３の感度の低下を招いてしまう。このため、防湿カバー５の厚みは、なるべく小さくした方が望ましい。防湿カバー５の厚みを設定するにあたっては、防湿カバー５の形状の安定性、製造に耐える強度、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22に入射されるＸ線２の減衰量などの各種パラメータのバランスが考慮される。考慮の結果、防湿カバー５の厚みは、５０乃至５００μｍの範囲内に設定されている。本実施形態において、防湿カバー５の厚みは、２００μｍに設定されている。

光電変換基板21の外周部には、外部と接続するための複数のパッドが形成されている。複数のパッドは、光電変換基板21の駆動のための電気信号の入力及び出力信号の出力に使用される。

Ｘ線検出パネル３および防湿カバー５の集合体は、薄い部材を積層して構成されているため、その集合体は、軽く、強度の低いものである。このため、Ｘ線検出パネル３は、粘着シートを介して支持基板４の平坦な一面に固定されている。支持基板４は、例えばアルミニウム合金で形成され、Ｘ線検出パネル３を支持して保持するために必要な強度を有している。

支持基板４の他面には、鉛プレート６と放熱絶縁シート７とを介して回路基板８が固定されている。回路基板８およびＸ線検出パネル３は、フレキシブル回路基板９を介して接続されている。フレキシブル回路基板９と光電変換基板21との接続には、ＡＣＦ（非等方性導電フィルム）を利用した熱圧着法が用いられる。この方法により、複数の微細な信号線の電気的接続が確保される。回路基板８には、フレキシブル回路基板９に対応するコネクタが実装されている。回路基板８は、コネクタなどを介してＸ線検出パネル３に電気的に接続されている。回路基板８は、Ｘ線検出パネル３を電気的に駆動し、かつ、Ｘ線検出パネル３からの出力信号を電気的に処理するものである。

筐体11は、Ｘ線検出パネル３、支持基板４、防湿カバー５、回路基板８、鉛プレート６、放熱絶縁シート７、支柱10を収容している。筐体11は、Ｘ線検出パネル３と対向した位置に形成された開口を有している。支柱10は、筐体11に固定され、支持基板４を支持している。

入射窓12は、筐体11の開口に取り付けられている。入射窓12はＸ線２を透過するため、Ｘ線２は入射窓12を透過してＸ線検出パネル３に入射される。入射窓12は、板状に形成され、筐体11の内部を保護する機能を有している。入射窓12は、Ｘ線吸収率の低い材料で薄く形成することが望ましい。これにより、入射窓12で生じる、Ｘ線２の散乱と、Ｘ線量の減衰とを低減することができる。

次に、図３はＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の発光スペクトルの波長と発光強度との関係を示すグラフである。発光スペクトルは、波長に対する積分値すなわち面積が同じになるように規格化している。サンプルには、本実施形態に対応した実施例１および２、従来例１〜４が含まれる。

そして、実施例１の発光スペクトルは、主ピークが５３０ｎｍにあり、さらに５６０〜６００ｎｍに別のピークすなわち副ピークが埋没している。これをガウス関数で分解すると、図４に示すように、５３％の５３０ｎｍの主ピーク（P1）と、４７％の５８０ｎｍの副ピーク（P2）との複合形であることが分かった。すなわち、（実施例１の発光スペクトル）＝０．５３×（５３０ｎｍをピークとするガウス関数）＋０．４７×（５８０ｎｍをピークとするガウス関数）と表わされる。なお、５３０ｎｍの主ピークのガウス関数の標準偏差は２５ｎｍ、５８０ｎｍの副ピークのガウス関数の標準偏差は３０ｎｍとしている。なお、図４のＰは、ガウス関数による実施例１の発光スペクトルの計算値である。

実施例２の発光スペクトルは、主ピークが５４５ｎｍにあり、さらに、実施例１の発光スペクトルと同様に、５６０〜６００ｎｍに別のピークすなわち副ピークが埋没している。これをガウス関数で分解すると、６０％の５４５ｎｍの主ピークと、４０％の５９５ｎｍの副ピークとの複合形であることが分かった。すなわち、（実施例２の発光スペクトル）＝０．６０×（５４５ｎｍをピークとするガウス関数）＋０．４０×（５９５ｎｍをピークとするガウス関数）と表わされる。

実施例１および２のＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の特性は、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の製造過程のプロセスによって調整することができ、特にＴｌの結晶時のひずみの影響を操作することによって調整することが可能となっている。

そして、これらのサンプルのＸ線照射前後の感度劣化を調査した結果は、図５のとおりである。従来例１〜４のサンプルは、主ピークは５２０〜５４５ｎｍであるが、従来例２および３は副ピークが無く、従来例１および４は主ピークよりも短波長側に副ピークが存在する。

それに対して、実施例１および２のＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、主ピークこそ従来例１〜４と同程度の５３０〜５４５ｎｍであるが、副ピークが主ピークよりも長波長領域の５８０〜５９５ｎｍにあるため、平面検出器およびＣＣＤ−ＤＲ装置で使用するセンサー感度との整合性が良く高感度特性が得られやすい。

すなわち、実施例１および２のＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、平面検出器で使用するアモルファスシリコンの感度ピーク（５５０ｎｍ）、および、ＣＣＤ−ＤＲ装置で使用するＣＣＤすなわち結晶シリコンの感度ピーク（５５０ｎｍより長波長側）と整合性があり、装置として高感度特性が得られやすい。

さらに、実施例１および２のＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22は、１１５００ＲのＸ線を照射後の感度残存率が、従来例１と同等で、従来例２〜４よりも優れている。従来例１は感度特性が実施例１および２のＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22と比較して劣っている。

したがって、実施例１および２により、Ｘ線照射前の感度を向上させ、感度劣化を抑えたＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22を得ることができた。

また、図６は実施例１と従来例４とのＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の光吸収スペクトルの波長と光吸収率との関係を示すグラフである。なお、縦軸は光吸収率に対応した数値ではあるが、測定上、散乱により消失する光の寄与を評価することができなかったので、正確な光吸収率は算出されず、任意単位とした。

実施例１と従来例４との両サンプルとも、Ｘ線照射前に比べてＸ線照射後（１０００時間後）の波長が長くなるほど透過率が上昇することと、５２０ｎｍと５６０ｎｍに光吸収のピークが存在した。そして、そのピークの大きさはＸ線照射を継続することにより増大することが確認された。

したがって、前述の感度との整合性に加え、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の発光スペクトルは、Ｘ線照射により光吸収率が増大する５２０〜５６０ｎｍとは別のピークを持つことはＸ線耐性を向上させるための有効な手段であることが裏付けられた。

本実施形態によれば、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の発光スペクトルが５１０〜５５０ｎｍの主ピークとともにその主ピークよりも長波長領域に副ピークを有することにより、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の感度を向上させるとともに、放射線によるＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の感度低下を低減することができる。

副ピークは、５６０〜６００ｎｍの波長領域であるため、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の感度を向上させるとともに、放射線によるＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の感度低下を低減することができる。副ピークの範囲は、５６０ｎｍより短波長側であると、光吸収ピークの影響があり、また、６００ｎｍより長波長側であると、平面検出器で使用するアモルファスシリコンの感度ピークと差が大きくなるため、５６０〜６００ｎｍの波長領域が好ましい。

次に、図７に第２の実施形態を示す。なお、第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果についての説明を省略する。

図７は、シンチレータパネル31、およびシンチレータパネル31を用いた平面検出器である放射線検出器32を示す。

シンチレータパネル31は、Ｘ線を透過する基板33上に反射層34を介してＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22が形成され、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22が防湿膜35によって覆われている。

シンチレータパネル31と光電変換基板36と組み合わせて放射線検出器32が構成されている。光電変換基板36は、受光素子としてのフォトダイオード37を備えており、第１の実施形態の光電変換基板21と同様に構成されている。

そして、シンチレータパネル31およびシンチレータパネル31を用いた放射線検出器32においても、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22を用いていることで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、図８に第３の実施形態を示す。なお、第１および第２の実施形態と同じ構成については同じ符号を用い、その構成および作用効果についての説明を省略する。

図８は、シンチレータパネル31を用いた放射線検出器としてのＣＣＤ−ＤＲ装置41を示す。ＣＣＤ−ＤＲ装置41は、筐体42を有し、この筐体42の一端にシンチレータパネル31が配置され、筐体42の内部に鏡面の反射板43およびレンズ44が設置され、筐体42の他端に受光素子（ＣＣＤ）45が設置されている。

そして、Ｘ線発生源（Ｘ線管）から放射されたＸ線２がシンチレータパネル31に入射し、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22で変換した光46がＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の表面から出射される。このＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22の表面にＸ線像が映し出され、このＸ線像を反射板43で反射するとともにレンズ44で集光して受光素子45に照射し、受光素子45でＸ線像を電気信号に変換して出力する。

そして、ＣＣＤ−ＤＲ装置41においても、ＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層22を用いていることで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 放射線検出器
21 光電変換基板
22 蛍光体層としてのＣｓＩ／Ｔｌ蛍光体層
27 受光素子としてのフォトダイオード
31 シンチレータパネル
32 放射線検出器
33 基板
37 受光素子としてのフォトダイオード
41 放射線検出器としてのＣＣＤ−ＤＲ装置
45 受光素子

Claims (5)

1. 複数の受光素子が配列された光電変換基板と、
   前記光電変換基板上に形成され、放射線を光に変換する蛍光体層と
   を具備し、
   前記蛍光体層の発光スペクトルは、５１０〜５５０ｎｍの波長領域に主ピークを有するとともに、この主ピークよりも長波長領域に副ピークを有する
   ことを特徴とする放射線検出器。
2. 前記副ピークは、５６０〜６００ｎｍの波長領域である
   ことを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
3. 放射線を透過する基板と、
   前記基板上に形成され、放射線を光に変換する蛍光体層と
   を具備し、
   前記蛍光体層が放射線を光に変換する発光スペクトルは、５１０〜５５０ｎｍの波長領域に主ピークを有するとともに、この主ピークよりも長波長領域に副ピークを有する
   ことを特徴とするシンチレータパネル。
4. 前記副ピークは、５６０〜６００ｎｍの波長領域である
   ことを特徴とする請求項３記載のシンチレータパネル。
5. 請求項３または４記載のシンチレータパネルと、
   前記シンチレータパネルの前記蛍光体層で変換された光を受光する複数の受光素子と
   を具備することを特徴とする放射線検出器。

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