JP2017096724A - Radiation detector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique that allows detection of radiation such as gamma rays by a measurement of a shorter time over a wider energy range.SOLUTION: A radiation detector 1 includes: first scattered radiation detection means 15a, having a first radiation absorption member 16 around an electron drift region 14 between an electrode 12 and an electron collecting device 11; and second scattered radiation detection means 15b, having a second radiation absorption member 16. An angle θa, which a direction Da, from the center of the electron drift region to the center of the first radiation absorption member, forms with a reference incident angle Dc, is different from an angle θb, which a direction Db, from the center of the electron drift region to the center of the second radiation absorption member, forms with the reference incident angle Dc. The first radiation absorption member and the second radiation absorption member have different radiation detection characteristics.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、コンプトン散乱により生じる散乱放射線と反跳電子とを検出して、放射線の入射方向を取得する放射線検出装置及びそれを用いたコンプトンカメラに関する。   The present invention relates to a radiation detection apparatus that detects scattered radiation and recoil electrons generated by Compton scattering and acquires the incident direction of radiation, and a Compton camera using the radiation detection apparatus.

従来、ガンマ線検出方法の1つとして、次のアドバンストコンプトン法が知られている。この方法では、コンプトン散乱により生じた散乱ガンマ線のエネルギーと散乱方向ベクトルに加えて、コンプトン散乱により生じた反跳電子のエネルギーとコンプトン散乱点における反跳方向ベクトルを利用して入射ガンマ線の入射方向を算出する。またこの方法を用いて放射線源が放出するガンマ線の強度分布を計測し、それをイメージングすることができるガンマカメラの一種であるコンプトンカメラが知られている。   Conventionally, the following advanced Compton method is known as one of gamma ray detection methods. In this method, in addition to the scattered gamma ray energy and scattering direction vector generated by Compton scattering, the recoil electron energy generated by Compton scattering and the recoil direction vector at the Compton scattering point are used to determine the incident gamma ray incident direction. calculate. In addition, a Compton camera is known which is a type of gamma camera that can measure the intensity distribution of gamma rays emitted from a radiation source using this method and image it.

非特許文献1は、このようなアドバンストコンプトン法を利用した検出装置であるTPC(Time Projection Chamber)を用いた実験について開示している。ここでTPC内には、散乱体であるガスが満たされ、電離電子を増幅して検出する平板状の電子収集器(μPIC)が配置される。またTPC内には、電子収集器に略垂直で一様な電界が作用する電子ドリフト領域が形成されている。入射ガンマ線(光子)は、この電子ドリフト領域内で、散乱体であるガス分子中の電子との相互作用であるコンプトン散乱を生じさせる。その結果発生した反跳電子は、連続的にガス分子を電離しながら進行し、その飛跡上に多数の電離電子から成る電子雲を発生させる。この電子雲は、電子ドリフト領域で電界から受ける力によって反跳電子の飛跡とほぼ同一の形状を維持しながら電子収集器までドリフトする。電子収集器は電子の2次元検出器であり、電子雲(飛跡)の2次元平面への投影の位置(X,Y座標)及びエネルギーを検出する。一方、ガンマ線検出部による散乱ガンマ線の検出時点即ちコンプトン散乱を生じた時点と電子収集器による電離電子の検出時点との差、及び電離電子のドリフト速度から、電子収集部から飛跡までの距離(Z座標)が検出される。このようにして反跳電子の飛跡の3次元位置を算出することができる。   Non-Patent Document 1 discloses an experiment using a TPC (Time Projection Chamber) which is a detection apparatus using such an advanced Compton method. Here, the TPC is filled with a gas serving as a scatterer, and a flat-plate electron collector (μPIC) that amplifies and detects ionized electrons is disposed. In addition, an electron drift region in which a uniform electric field is applied to the electron collector is formed in the TPC. Incident gamma rays (photons) cause Compton scattering, which is an interaction with electrons in gas molecules that are scatterers, in this electron drift region. The recoil electrons generated as a result proceed while ionizing gas molecules continuously, and generate an electron cloud composed of a large number of ionized electrons on the tracks. The electron cloud drifts to the electron collector while maintaining almost the same shape as the recoil electron track by the force received from the electric field in the electron drift region. The electron collector is a two-dimensional electron detector, and detects the position (X, Y coordinates) and energy of projection of an electron cloud (track) onto a two-dimensional plane. On the other hand, the distance from the electron collector to the track (Z) from the difference between the time of detection of scattered gamma rays by the gamma ray detector, that is, the time of occurrence of Compton scattering and the time of detection of ionization electrons by the electron collector, Coordinates) is detected. In this way, the three-dimensional position of the recoil electron track can be calculated.

またガンマ線検出部では散乱ガンマ線の到達位置とエネルギーを検出する。検出した散乱ガンマ線の位置情報(ベクトル)及びエネルギーの情報と、反跳電子の位置情報(ベクトル)及びエネルギーの情報を用いて、入射ガンマ線の入射方向を算出する。   The gamma ray detection unit detects the arrival position and energy of the scattered gamma rays. Using the detected position information (vector) and energy information of scattered gamma rays and the position information (vector) and energy information of recoil electrons, the incident direction of incident gamma rays is calculated.

Kabuki S. et al. , “Imaging study of a phantom and small animal with a two-head electron-tracking Compton gamma-ray camera”, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC 2010)Kabuki S. et al., “Imaging study of a phantom and small animal with a two-head electron-tracking Compton gamma-ray camera”, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS / MIC 2010)

非特許文献1には次のことが報告されている。放射性同位元素I−131(放出ガンマ線のエネルギーE0=365keV)を含む薬剤と放射性同位元素F−18(放出ガンマ線のエネルギーE0=511keV)を含む薬剤をマウスに投与し、これらの薬剤が集積した部分を同時にイメージできた。この実験では、ガンマ線検出部において、散乱ガンマ線を検出するためのシンチレータとしてLaBrを使用している。 Non-Patent Document 1 reports the following. A part containing a drug containing a radioisotope I-131 (emission gamma-ray energy E0 = 365 keV) and a drug containing the radioisotope F-18 (emission gamma-ray energy E0 = 511 keV). I was able to image at the same time. In this experiment, LaBr 3 is used as a scintillator for detecting scattered gamma rays in the gamma ray detection unit.

LaBrは発光量が大きく、ガンマ線の検出においてエネルギーの高低にかかわらず十分な検出感度が得られる。しかし、高いエネルギーのガンマ線の検出においては密度が不足するため十分な吸収効率が得られない。一般的には密度が大きいシンチレータは発光量が小さく、逆に発光量が大きいシンチレータは密度が小さい傾向がある。このような事情により、広いエネルギー範囲に亘って十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することは困難であった。 LaBr 3 emits a large amount of light, and sufficient detection sensitivity can be obtained regardless of the energy level in detecting gamma rays. However, in the detection of high energy gamma rays, sufficient absorption efficiency cannot be obtained due to insufficient density. Generally, a scintillator having a high density has a small light emission amount, and conversely, a scintillator having a large light emission amount tends to have a low density. Under such circumstances, it has been difficult to achieve both sufficient absorption efficiency and sufficient detection sensitivity over a wide energy range.

コンプトンカメラにおけるガンマ線検出部の吸収効率が不足する場合には、必要なデータを得るための計測時間が長くなる。また検出感度が不足する場合には、ガンマ線のエネルギーの検出値のS/Nが低下して誤差が増すため、入射ガンマ線に対する角度分解能が低下する。その結果、上記のようなガンマ線検出部を備えたコンプトンカメラでは、広いエネルギー範囲(例えば100keV〜2000keV)に亘り短時間の計測で高分解能のイメージングを実現することは容易ではなかった。   When the absorption efficiency of the gamma ray detection unit in the Compton camera is insufficient, the measurement time for obtaining necessary data becomes long. If the detection sensitivity is insufficient, the S / N of the detected value of the gamma ray energy decreases and the error increases, so that the angular resolution with respect to the incident gamma ray decreases. As a result, it has been difficult for a Compton camera equipped with a gamma ray detection unit as described above to achieve high-resolution imaging in a short measurement over a wide energy range (for example, 100 keV to 2000 keV).

本発明の一側面は、散乱体、電極、及び電子収集器を有する放射線検出装置であって、前記電極と前記電子収集器の間に形成された電子ドリフト領域の周囲に、第1の放射線吸収部材を含む第1の散乱放射線検出手段と第2の放射線吸収部材を含む第2の散乱放射線検出手段が配置される。そして、前記電子ドリフト領域の中心から前記第1の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第1の方向とし、前記電子ドリフト領域の中心から前記第2の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第2の方向とし、前記検出装置の有効視野の中心から前記電子ドリフト領域の中心に向かう方向を基準入射方向としたときに、前記第1の方向と前記基準入射方向とが成す第1の角と前記第2の方向と前記基準入射方向とが成す第2の角の大きさが異なり、前記第1の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性と前記第2の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性が異なる。   One aspect of the present invention is a radiation detection apparatus including a scatterer, an electrode, and an electron collector, wherein a first radiation absorption is formed around an electron drift region formed between the electrode and the electron collector. First scattered radiation detection means including a member and second scattered radiation detection means including a second radiation absorbing member are disposed. A direction from the center of the electron drift region to the center of the first radiation absorbing member is a first direction, and a direction from the center of the electron drift region to the center of the second radiation absorbing member is a second direction. And the direction from the center of the effective field of view of the detection device toward the center of the electron drift region is a reference incident direction, and the first angle formed by the first direction and the reference incident direction is The size of the second angle formed by the second direction and the reference incident direction is different, and the detection characteristics of the first radiation absorbing member with respect to radiation and the detection characteristics of the second radiation absorbing member with respect to radiation are different.

本発明によれば、例えば100keV〜2000keVの広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測でガンマ線などの放射線の検出が可能となる。   According to the present invention, radiation such as gamma rays can be detected in a relatively short measurement over a wide energy range of, for example, 100 keV to 2000 keV.

本発明によるコンプトンカメラの一例の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of an example of the Compton camera by this invention. TPCの検出原理を示す図。The figure which shows the detection principle of TPC. 電子検出回路とガンマ線検出回路の詳細を示す図。The figure which shows the detail of an electronic detection circuit and a gamma ray detection circuit. 第1の実施形態におけるガンマ線検出装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the gamma ray detection apparatus in 1st Embodiment. ガンマ線の散乱特性の方向依存性を示す図。The figure which shows the direction dependence of the scattering characteristic of a gamma ray. 第2の実施形態におけるガンマ線検出装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the gamma ray detection apparatus in 2nd Embodiment. 第3の実施形態におけるガンマ線検出装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the gamma ray detection apparatus in 3rd Embodiment.

本発明の一側面の特徴は、次の点にある。以下、「放射線」は「ガンマ線」で代表することもある。電子ドリフト領域の周囲に、第1の放射線吸収部材を含む第1の散乱放射線検出手段と第2の放射線吸収部材を含む第2の散乱放射線検出手段を配置する。そして、電子ドリフト領域の中心から第1の放射線吸収部材の中心に向かう方向(第1の方向)と、電子ドリフト領域の中心から第2の放射線吸収部材の中心に向かう方向(第2の方向)のそれぞれが基準入射方向と成す角の大きさを異ならせる。   One aspect of the present invention is as follows. Hereinafter, “radiation” may be represented by “gamma rays”. Around the electron drift region, a first scattered radiation detecting means including a first radiation absorbing member and a second scattered radiation detecting means including a second radiation absorbing member are arranged. A direction from the center of the electron drift region toward the center of the first radiation absorbing member (first direction) and a direction from the center of the electron drift region toward the center of the second radiation absorbing member (second direction). Are different in the size of the angle formed by the reference incident direction.

本発明によるコンプトンカメラの一例の概略構成について図1により説明する。ガンマ線検出装置1は、散乱体であるガス(例えばアルゴン、キセノンなど)を密閉するための容器で装置の筺体でもあるチャンバー10を有する。また、第1の散乱ガンマ線検出器15a、第2の散乱ガンマ線検出器15b、電圧発生器13、及びチャンバー10内に配置された電極12、電子収集器11を備え、これらは電子の3次元位置検出器であるTPCを構成している。   A schematic configuration of an example of a Compton camera according to the present invention will be described with reference to FIG. The gamma ray detection apparatus 1 includes a chamber 10 that is a container for sealing a gas (for example, argon, xenon, etc.) that is a scatterer and is also a housing of the apparatus. In addition, a first scattered gamma ray detector 15a, a second scattered gamma ray detector 15b, a voltage generator 13, an electrode 12 disposed in the chamber 10, and an electron collector 11 are provided, which are three-dimensional positions of electrons. It constitutes a TPC which is a detector.

チャンバー10内において前端(ガンマ線入射側)に平板状の電極12が取り付けられ、後端(ガンマ線入射側と逆側)には電子収集器11が電極12と平行に対向するように取り付けられている。電極12と電子収集器11に電圧発生器13によりそれぞれ所定の電圧を印加することにより、電極12と電子収集器11の間に柱状の電子ドリフト領域14が形成される。この電子ドリフト領域14内には電子収集器11に略垂直で一様な電界が作用する。   A flat electrode 12 is attached to the front end (gamma ray incident side) of the chamber 10, and an electron collector 11 is attached to the rear end (opposite side of the gamma ray incident side) so as to face the electrode 12 in parallel. . By applying predetermined voltages to the electrode 12 and the electron collector 11 by the voltage generator 13, a columnar electron drift region 14 is formed between the electrode 12 and the electron collector 11. A substantially vertical and uniform electric field acts on the electron collector 11 in the electron drift region 14.

放射線源4から到来してチャンバー10の前端部と電極12を透過し、電子ドリフト領域14内に入射した個々の入射ガンマ線(光子)は、ガスの分子内の電子との間の相互作用であるコンプトン散乱を受け、その結果、反跳電子と散乱ガンマ線を生じる。この反跳電子は電子収集器11によって検出される。また散乱ガンマ線は、散乱放射線検出手段である第1の散乱ガンマ線検出器15a又は第2の散乱ガンマ線検出器15bによって検出される。   Individual incident gamma rays (photons) coming from the radiation source 4 and passing through the front end of the chamber 10 and the electrode 12 and entering the electron drift region 14 are interactions between electrons in the gas molecules. Compton scattering results in recoil electrons and scattered gamma rays. The recoil electrons are detected by the electron collector 11. The scattered gamma rays are detected by the first scattered gamma ray detector 15a or the second scattered gamma ray detector 15b, which is a scattered radiation detection means.

図1に示すように、信号処理装置2は、電子検出回路30、ガンマ線検出回路31、ガンマ線入射方向演算回路32、画像再構成装置33を含む。電子検出回路30は、反跳電子の検出データから、反跳電子のエネルギー、コンプトン散乱点の位置、及び反跳方向ベクトルを取得する。またガンマ線検出回路31は、散乱ガンマ線の検出データから、散乱ガンマ線のエネルギー、及び散乱方向ベクトルを取得する。放射線入射方向取得手段であるガンマ線入射方向演算回路32は、個々のコンプトン散乱事象について、反跳電子のエネルギー、反跳方向ベクトル、散乱ガンマ線のエネルギー、及び散乱方向ベクトルを基に、入射ガンマ線の入射方向を算出する。画像再構成装置33は、複数のコンプトン散乱事象について検出した入射ガンマ線の入射方向から強度分布画像データを生成し、表示装置3でこの画像データを用いて放射線の強度分布を濃淡や色の違いによって表示する。   As shown in FIG. 1, the signal processing device 2 includes an electronic detection circuit 30, a gamma ray detection circuit 31, a gamma ray incident direction calculation circuit 32, and an image reconstruction device 33. The electron detection circuit 30 acquires the recoil electron energy, the Compton scattering point position, and the recoil direction vector from the recoil electron detection data. The gamma ray detection circuit 31 acquires the energy of the scattered gamma rays and the scattering direction vector from the detection data of the scattered gamma rays. The gamma ray incidence direction calculation circuit 32, which is a radiation incident direction acquisition means, makes incident gamma rays incident on the basis of the recoil electron energy, recoil direction vector, scattered gamma ray energy, and scattering direction vector for each Compton scattering event. Calculate the direction. The image reconstruction device 33 generates intensity distribution image data from the incident direction of incident gamma rays detected for a plurality of Compton scattering events, and the display device 3 uses this image data to change the intensity distribution of the radiation according to the density and color difference. indicate.

次にTPCの検出原理について図2により説明する。なお図2においてチャンバー10は省略する。電子ドリフト領域14に入射した100keV〜2000keV程度のエネルギーを持つ入射ガンマ線21(光子)は、ガスの分子内の電子との相互作用であるコンプトン散乱を受ける。そして、その結果、入射ガンマ線21よりも小さいエネルギーを持つ反跳電子23と散乱ガンマ線22を生じる。入射ガンマ線21のエネルギーをE0、反跳電子23のエネルギーをKe、散乱ガンマ線22のエネルギーをEγとすると、E0=Ke+Eγの関係が成立する。   Next, the principle of TPC detection will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the chamber 10 is omitted. Incident gamma rays 21 (photons) having an energy of about 100 keV to 2000 keV incident on the electron drift region 14 are subjected to Compton scattering, which is an interaction with electrons in the gas molecules. As a result, recoil electrons 23 and scattered gamma rays 22 having energy smaller than that of the incident gamma rays 21 are generated. When the energy of the incident gamma ray 21 is E0, the energy of the recoil electrons 23 is Ke, and the energy of the scattered gamma ray 22 is Eγ, the relationship E0 = Ke + Eγ is established.

反跳電子23は電子ドリフト領域14内を進行しながら次々とガスの分子と相互作用して散乱を受け、その都度、電離電子を発生させる。なお図2において、Pcはコンプトン散乱点、Ptは反跳電子の飛跡上の通過点、Paは第1の散乱ガンマ線検出器15a又は第2の散乱ガンマ線検出器15bによる散乱ガンマ線22の吸収点(散乱ガンマ線が光電吸収された位置)である。また、sは入射ガンマ線21の入射方向ベクトル(入射方向の単位ベクトル)、gは散乱ガンマ線22の散乱方向ベクトル(散乱方向の単位ベクトル)、eは反跳電子23の反跳方向ベクトル(コンプトン散乱点Pcにおける反跳方向の単位ベクトル)である。   While recoil electrons 23 travel through the electron drift region 14, the recoil electrons 23 interact with gas molecules one after another to be scattered, and generate ionized electrons each time. In FIG. 2, Pc is a Compton scattering point, Pt is a passing point on a recoil electron track, Pa is an absorption point of scattered gamma rays 22 by the first scattered gamma ray detector 15a or the second scattered gamma ray detector 15b ( The position where the scattered gamma rays are photoelectrically absorbed). Further, s is an incident direction vector (incident direction unit vector) of the incident gamma ray 21, g is a scattering direction vector (scattering direction unit vector) of the scattered gamma ray 22, and e is a recoil direction vector (Compton scattering) of the recoil electrons 23. (Unit vector in the recoil direction at the point Pc).

反跳電子23の飛跡に沿う線上には多数の電離電子からなる電子雲24を生じる。反跳電子23は電離の度に徐々にエネルギーを失い、全てのエネルギーを失うと停止する。反跳電子23のエネルギーKeが30keV以下であればその飛程は電子ドリフト領域14の寸法よりも小さく、ほとんどの反跳電子23は電子ドリフト領域14内で停止する。30keVより大きい場合、測定する必要があれば、電子ドリフト領域14を広げたり、散乱体の密度を上げて(分子量の大きいガスにする、圧力を高くする)ことで電子の飛程を短くしたりすればよい。反跳電子23が受ける散乱の間隔や散乱方向は不規則であるため、飛跡即ち電子雲24の形状も図示するように不規則に屈折した線状となる。   On the line along the track of the recoil electrons 23, an electron cloud 24 composed of a large number of ionized electrons is generated. Recoil electrons 23 gradually lose energy each time they are ionized, and stop when all energy is lost. If the energy Ke of the recoil electrons 23 is 30 keV or less, the range is smaller than the size of the electron drift region 14, and most of the recoil electrons 23 stop in the electron drift region 14. If it is larger than 30 keV, if it is necessary to measure, the electron drift region 14 is expanded, or the density of the scatterer is increased (the gas has a high molecular weight, the pressure is increased) to shorten the electron range. do it. Since the scattering interval and the scattering direction received by the recoil electrons 23 are irregular, the shape of the tracks, that is, the electron cloud 24 is also irregularly refracted as shown in the figure.

電子収集器11はMSGC(Micro Strip Gas Chamber)等の平板状の2次元検出器であり、微小な間隔で2次元に配列した多数のアノード電極線とカソード電極線を含む。アノード電極線とカソード電極線の間に電位差を付与することにより検出器表面に強電界を発生させ、これにより電子を増幅して収集する機能を有する。電子ドリフト領域14内に生じた電子雲24は、電界から受ける力によって電子収集器11に向かって平行にドリフトする。この電子雲24は電子収集器11に到達すると、その投影25の位置(X,Y座標)にある検出器で増幅して検出される。電子収集器11で検出可能な電子の最小エネルギーは回路のノイズ等で制限され、反跳電子のエネルギーKe=5keV程度に相当する。また検出可能な電子の最大エネルギーは電子ドリフト領域14の大きさに対する反跳電子23の飛程で制限され、一般的にはKe=30keV程度に相当する。   The electron collector 11 is a plate-like two-dimensional detector such as MSGC (Micro Strip Gas Chamber), and includes a large number of anode electrode lines and cathode electrode lines arranged two-dimensionally at a minute interval. By applying a potential difference between the anode electrode line and the cathode electrode line, a strong electric field is generated on the detector surface, thereby amplifying and collecting electrons. The electron cloud 24 generated in the electron drift region 14 drifts in parallel toward the electron collector 11 due to the force received from the electric field. When the electron cloud 24 reaches the electron collector 11, it is amplified and detected by a detector located at the position (X, Y coordinates) of the projection 25. The minimum energy of electrons that can be detected by the electron collector 11 is limited by circuit noise or the like, and corresponds to an energy of recoil electrons Ke = about 5 keV. The maximum detectable electron energy is limited by the range of recoil electrons 23 with respect to the size of the electron drift region 14, and generally corresponds to about Ke = 30 keV.

第1の散乱ガンマ線検出器15a及び第2の散乱ガンマ線検出器15b(2つのみ図示)は電子ドリフト領域14の周囲に配置されており、ガンマ線吸収部材16と増幅器17を含む。例えば、ガンマ線吸収部材16として光電吸収材料であるシンチレータと、増幅器17として2次元配列した多数の光電子増倍管とを組み合わせて構成することができる。2次元配列した多数のシンチレータの素子をガンマ線吸収部材16としてもよい。散乱ガンマ線22はシンチレータで光電吸収されて可視光に変換され、さらに光電子増倍管によって電気信号に変換されて増幅され、その位置とエネルギーが出力される。またガンマ線吸収部材16として光電吸収材料である半導体素子と、増幅器17として2次元配列した多数の電子増幅素子とを組み合わせて構成することもできる。ここでは、散乱ガンマ線22は半導体素子で光電吸収されて直接電気信号に変換され、さらに電子増幅素子で増幅されてその位置とエネルギーが出力される。   The first scattered gamma ray detector 15 a and the second scattered gamma ray detector 15 b (only two are shown) are arranged around the electron drift region 14 and include a gamma ray absorbing member 16 and an amplifier 17. For example, the gamma ray absorbing member 16 can be configured by combining a scintillator that is a photoelectric absorption material and a large number of photomultiplier tubes arranged two-dimensionally as the amplifier 17. A number of scintillator elements arranged two-dimensionally may be used as the gamma ray absorbing member 16. The scattered gamma rays 22 are photoelectrically absorbed by a scintillator and converted into visible light, and further converted into an electric signal by a photomultiplier tube and amplified, and the position and energy are output. Further, the gamma ray absorbing member 16 may be configured by combining a semiconductor element that is a photoelectric absorbing material and a large number of two-dimensionally arranged electronic amplifying elements as the amplifier 17. Here, the scattered gamma ray 22 is photoelectrically absorbed by a semiconductor element and directly converted into an electric signal, and further amplified by an electronic amplifying element to output its position and energy.

次に信号処理装置2の動作の詳細について説明する。電子収集器11による反跳電子の検出信号に対しては、次に電子検出回路30による処理が行われ、第1の散乱ガンマ線検出器15a及び第2の散乱ガンマ線検出器15bによる散乱ガンマ線の検出信号に対してはガンマ線検出回路31による処理が行われる。図3に電子検出回路30とガンマ線検出回路31の詳細を示す。1つの電子雲の各部分は電子収集器11の複数の電極線で検出され、その電荷(電子数)に応じた電気信号を発生する。これらの電極線からの電気信号は電子雲の前端の到達から後端の到達までの間継続する。複数の電極線からの電気信号は、対応する複数の増幅部40によって増幅され、データ取り込み部41に出力される。   Next, details of the operation of the signal processing apparatus 2 will be described. The detection signal of the recoil electrons by the electron collector 11 is then processed by the electron detection circuit 30, and the scattered gamma rays are detected by the first scattered gamma ray detector 15a and the second scattered gamma ray detector 15b. The signal is processed by the gamma ray detection circuit 31. FIG. 3 shows details of the electron detection circuit 30 and the gamma ray detection circuit 31. Each part of one electron cloud is detected by a plurality of electrode lines of the electron collector 11, and an electric signal corresponding to the charge (number of electrons) is generated. The electric signals from these electrode lines continue from the arrival of the front end of the electron cloud to the arrival of the rear end. The electrical signals from the plurality of electrode lines are amplified by the corresponding plurality of amplification units 40 and output to the data capturing unit 41.

散乱ガンマ線の検出信号は、ガンマ線検出回路31の増幅部48によって増幅される。増幅部48は、ガンマ線の検出に対応した信号をトリガ信号としてデータ取り込み部41に出力する。データ取り込み部41は、このトリガ信号を開始点として所定時間分の電気信号をすべて取り込む。ここで所定時間は電子収集器11と電極12の間隔をD、電子雲のドリフト速度をVとしたとき、D/V以上となるように設定されるものとする。これにより1つの電子雲に対応した各電極線からの電気信号がすべて取り込まれる。データ取り込み部41に取り込まれた電気信号から総電荷検出部46によって1つの電子雲に対応する総電荷Qeが算出される。さらに電子エネルギー算出部47は、総電荷Qeより個々の反跳電子のエネルギーKeを算出する。   The scattered gamma ray detection signal is amplified by the amplification unit 48 of the gamma ray detection circuit 31. The amplifying unit 48 outputs a signal corresponding to the detection of gamma rays to the data capturing unit 41 as a trigger signal. The data capturing unit 41 captures all electrical signals for a predetermined time with the trigger signal as a starting point. Here, the predetermined time is set to be not less than D / V where D is the distance between the electron collector 11 and the electrode 12 and V is the drift speed of the electron cloud. As a result, all electrical signals from the electrode lines corresponding to one electron cloud are captured. A total charge Qe corresponding to one electron cloud is calculated by the total charge detection unit 46 from the electrical signal captured by the data capturing unit 41. Further, the electron energy calculation unit 47 calculates the energy Ke of each recoil electron from the total charge Qe.

さらにデータ取り込み部41に取り込まれた電気信号は、トリガ信号を起点とする時間情報とセットにして飛跡座標計算部42に出力される。飛跡座標計算部42は、電子収集器11で検出された電子雲の各部について、次のことを行う。検出した電子収集器11の検出器(画素)の位置(X,Y座標)と、トリガ信号を基準とするドリフト時間ΔTとドリフト速度Vの積で求められる電子収集器11に垂直な方向の位置(Z座標)とを計算し、これらを基に電子雲各部の3次元位置データを生成する。   Furthermore, the electrical signal captured by the data capture unit 41 is output to the track coordinate calculation unit 42 as a set together with time information starting from the trigger signal. The track coordinate calculation unit 42 performs the following for each part of the electron cloud detected by the electron collector 11. The position in the direction perpendicular to the electron collector 11 obtained by the product of the detected position (X, Y coordinates) of the detector (pixel) of the electron collector 11 and the drift time ΔT and the drift velocity V with reference to the trigger signal. (Z coordinate) is calculated, and three-dimensional position data of each part of the electron cloud is generated based on these.

次にコンプトン散乱点算出部43は、抽出された個々の電子雲の3次元位置データより、コンプトン散乱点Pcの位置(X,Y,Z座標)を算出する。図2に示すようにガンマ線は電極12の側から入射するため、電子ドリフト領域14内でコンプトン散乱により生じた反跳電子23は電子収集器11の方向に進行する。従って、電子雲24の両端の位置データのうち電子収集器11から遠い(Z座標が大きい)方をコンプトン散乱点Pcとする。また通過点算出部44は、電子雲の3次元位置データより、コンプトン散乱点Pcから所定の距離だけ離れた飛跡上にある通過点Ptの位置(X,Y,Z座標)を算出する。反跳方向ベクトル算出部45は、これらのデータを基に、個々の電子雲についてコンプトン散乱点Pcから通過点Ptに向かう方向の単位ベクトルである反跳方向ベクトルeを計算する。これをコンプトン散乱点Pcのデータとともにガンマ線入射方向演算回路32に送出する。   Next, the Compton scattering point calculation unit 43 calculates the position (X, Y, Z coordinates) of the Compton scattering point Pc from the extracted three-dimensional position data of each electron cloud. As shown in FIG. 2, since gamma rays are incident from the electrode 12 side, recoil electrons 23 generated by Compton scattering in the electron drift region 14 travel in the direction of the electron collector 11. Accordingly, the position data at both ends of the electron cloud 24 that is far from the electron collector 11 (the Z coordinate is large) is defined as the Compton scattering point Pc. Further, the passing point calculation unit 44 calculates the position (X, Y, Z coordinates) of the passing point Pt on the track separated from the Compton scattering point Pc by a predetermined distance from the three-dimensional position data of the electron cloud. The recoil direction vector calculation unit 45 calculates a recoil direction vector e that is a unit vector in the direction from the Compton scattering point Pc to the passing point Pt for each electron cloud based on these data. This is sent to the gamma ray incident direction calculation circuit 32 together with the data of the Compton scattering point Pc.

一方、ガンマ線検出回路31の増幅部48によって増幅された個々の散乱ガンマ線の検出信号は、ガンマ線吸収点算出部50とガンマ線エネルギー算出部49に入力される。ガンマ線吸収点算出部50は、散乱ガンマ線が到達し検出された吸収点Paの位置を算出し、データをガンマ線散乱方向ベクトル算出部51に送出する。ガンマ線エネルギー算出部49は、検出した散乱ガンマ線のエネルギーEγを算出し、データをガンマ線入射方向演算回路32に送出する。ガンマ線散乱方向ベクトル算出部51は、コンプトン散乱点算出部43からのコンプトン散乱点Pcのデータと散乱ガンマ線の吸収点Paのデータより、散乱ガンマ線の散乱方向ベクトルg(散乱方向の単位ベクトル)を算出する。そして、データをガンマ線入射方向演算回路32に送出する。   On the other hand, individual scattered gamma ray detection signals amplified by the amplification unit 48 of the gamma ray detection circuit 31 are input to the gamma ray absorption point calculation unit 50 and the gamma ray energy calculation unit 49. The gamma ray absorption point calculation unit 50 calculates the position of the absorption point Pa detected when the scattered gamma rays arrive and sends the data to the gamma ray scattering direction vector calculation unit 51. The gamma ray energy calculation unit 49 calculates the energy Eγ of the detected scattered gamma rays and sends the data to the gamma ray incident direction calculation circuit 32. The gamma ray scattering direction vector calculation unit 51 calculates the scattering gamma ray scattering direction vector g (scattering direction unit vector) from the Compton scattering point Pc data from the Compton scattering point calculation unit 43 and the scattering gamma ray absorption point Pa data. To do. Then, the data is sent to the gamma ray incident direction calculation circuit 32.

ガンマ線入射方向演算回路32は、個々のコンプトン散乱事象についての反跳電子のエネルギーKe、散乱ガンマ線のエネルギーEγ、電子の反跳方向ベクトルe、ガンマ線の散乱方向ベクトルgをもとに、次のことを行う。即ち、以下の式(1)、(2)、(3)により入射ガンマ線の入射方向ベクトルs(入射方向の単位ベクトル)を算出する。なお式においてmは電子の静止質量、cは光速である。以上のことを要すれば、次のようになる。第1の散乱放射線検出手段と第2の散乱放射線検出手段は、それぞれ、入射放射線が散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線のエネルギーと到達位置を検出する。電子収集器は、コンプトン散乱により発生した反跳電子の飛跡に沿って生じた電離電子を検出する。そして、演算回路32は、散乱放射線のエネルギー及び到達位置と反跳電子のエネルギー及び飛跡における反跳方向との情報から入射放射線の入射方向を求める。以上の手順について、例えば、1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介して装置に供給し、その装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理で実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。   Based on the recoil electron energy Ke, the scattered gamma ray energy Eγ, the electron recoil direction vector e, and the gamma ray scattering direction vector g for each Compton scattering event, the gamma ray incident direction calculation circuit 32 performs the following operations. I do. That is, the incident direction vector s (incident direction unit vector) of the incident gamma ray is calculated by the following equations (1), (2), and (3). In the equation, m is the stationary mass of electrons, and c is the speed of light. If the above is required, it becomes as follows. The first scattered radiation detection means and the second scattered radiation detection means respectively detect the energy and the arrival position of the scattered radiation generated by Compton scattering caused by incident radiation in the scatterer. The electron collector detects ionized electrons generated along a track of recoil electrons generated by Compton scattering. Then, the arithmetic circuit 32 obtains the incident direction of the incident radiation from the information of the scattered radiation energy and the arrival position, the recoil electron energy and the recoil direction in the track. The above procedure can be realized by, for example, a process of supplying a program that realizes one or more functions to a device via a network or a storage medium, and reading and executing the program by one or more processors in the computer of the device. is there. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.

Figure 2017096724
Figure 2017096724

さらに画像再構成装置33は複数のコンプトン散乱事象について、各入射ガンマ線の入射方向ベクトルsとコンプトン散乱点Pcのデータから放射線源4の放射線強度分布画像データを生成する。この画像データを用いて表示装置3は放射線の強度分布を濃淡や色の違いによって表示する。   Further, the image reconstruction device 33 generates radiation intensity distribution image data of the radiation source 4 from the incident direction vector s of each incident gamma ray and the Compton scattering point Pc for a plurality of Compton scattering events. Using this image data, the display device 3 displays the intensity distribution of the radiation by shading or color difference.

(実施形態1)
本発明によるコンプトンカメラの実施形態1におけるガンマ線検出装置1について図4により説明する。本実施形態においてチャンバー10は円柱状又は角柱状であり、その前面を放射線源4に向けて配置される。第1の散乱ガンマ線検出器15aと第2の散乱ガンマ線検出器15bは、それぞれ、ガンマ線吸収部材16としての光電吸収材料であるシンチレータと増幅器17としての光電子増倍管とを組み合わせたユニットで構成されている。シンチレータ及び光電子増倍管は共に平面状に複数配列されている。チャンバー10の側面に対向する4方向に第1の散乱ガンマ線検出器15aの4つのユニットが配置され、チャンバー10の後面に対向して第2の散乱ガンマ線検出器15bのユニットが配置される。電子ドリフト領域14においてコンプトン散乱の結果発生した散乱ガンマ線はいずれかのシンチレータで光電吸収されて可視光に変換され、さらにこの可視光は光電子増倍管で電気信号に変換され増幅されて出力される。
(Embodiment 1)
A gamma ray detection apparatus 1 according to the first embodiment of a Compton camera according to the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the chamber 10 has a columnar shape or a prismatic shape, and is disposed with its front surface facing the radiation source 4. Each of the first scattered gamma ray detector 15a and the second scattered gamma ray detector 15b is composed of a unit in which a scintillator that is a photoelectric absorbing material as the gamma ray absorbing member 16 and a photomultiplier tube as the amplifier 17 are combined. ing. A plurality of scintillators and photomultiplier tubes are arranged in a plane. Four units of the first scattered gamma ray detector 15 a are arranged in four directions facing the side surface of the chamber 10, and a unit of the second scattered gamma ray detector 15 b is arranged facing the rear surface of the chamber 10. Scattered gamma rays generated as a result of Compton scattering in the electron drift region 14 are photoelectrically absorbed by one of the scintillators and converted into visible light, and this visible light is converted into an electrical signal by a photomultiplier tube, amplified and output. .

図4では右方向をX方向、上方向をZ方向、紙面に垂直な方向をY方向とし、ガンマ線検出装置1はXZ平面及びYZ平面に対して対称な形状とする。5はガンマ線検出装置1の有効視野(UFOV)であり、例えば最大感度の75%以上の感度が得られる範囲と定義する。有効視野の中心C(面積重心)から電子ドリフト領域14の中心O(容積中心)に向かう方向を基準入射方向Dcとする。本実施形態においては基準入射方向DcはZ方向と同一である。また電子ドリフト領域14の中心Oから第1の散乱ガンマ線検出器15aの各ユニットのガンマ線吸収部材16の中心Aに向かう方向を第1の方向Da、基準入射方向Dcと第1の方向Daの成す角を第1の角θaとする。さらに電子ドリフト領域14の中心Oから第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16の中心Bに向かう方向を第2の方向Db、基準入射方向Dcと第2の方向Dbの成す角を第2の角θbとする。ただし本実施形態においては基準入射方向Dcと第2の方向Dbは同一なのでθb=0°である。   In FIG. 4, the right direction is the X direction, the upward direction is the Z direction, and the direction perpendicular to the paper surface is the Y direction, and the gamma ray detection apparatus 1 is symmetric with respect to the XZ plane and the YZ plane. Reference numeral 5 denotes an effective field of view (UFOV) of the gamma ray detection apparatus 1, which is defined as a range in which, for example, a sensitivity of 75% or more of the maximum sensitivity is obtained. A direction from the center C (area center of gravity) of the effective visual field to the center O (volume center) of the electron drift region 14 is defined as a reference incident direction Dc. In the present embodiment, the reference incident direction Dc is the same as the Z direction. The direction from the center O of the electron drift region 14 toward the center A of the gamma ray absorbing member 16 of each unit of the first scattered gamma ray detector 15a is defined as the first direction Da, the reference incident direction Dc, and the first direction Da. Let the angle be the first angle θa. Furthermore, the direction from the center O of the electron drift region 14 toward the center B of the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b is the second direction Db, and the angle formed by the reference incident direction Dc and the second direction Db is the first direction. The angle θb is 2. However, in this embodiment, since the reference incident direction Dc and the second direction Db are the same, θb = 0 °.

次に第1の散乱ガンマ線検出器15aと第2の散乱ガンマ線検出器15bを構成するガンマ線吸収部材16について説明する。ガンマ線吸収部材16に入射したN0個の光子のうちN1個が光電吸収されるとき、吸収効率はN1/N0とする。吸収効率が高いほど短時間で必要なデータを得ることができる。また散乱ガンマ線の光子1個がガンマ線吸収部材16で光電吸収され検出可能なエネルギーE1に変換されたとき、検出感度はE1とする。検出感度が高いほど検出値が大きくS/Nが良いので精度が向上する。ここではこれらの吸収効率及び検出感度という2つの特性を総称して検出特性と呼ぶ。第1の散乱ガンマ線検出器15aと第2の散乱ガンマ線検出器15bを構成するガンマ線吸収部材16としてのシンチレータは吸収効率及び検出感度について最適な材料を選択することが望ましい。以下これについて説明する。   Next, the gamma ray absorbing member 16 constituting the first scattered gamma ray detector 15a and the second scattered gamma ray detector 15b will be described. When N1 of the N0 photons incident on the gamma ray absorbing member 16 are photoelectrically absorbed, the absorption efficiency is N1 / N0. The higher the absorption efficiency, the more necessary data can be obtained in a shorter time. When one photon of scattered gamma rays is photoelectrically absorbed by the gamma ray absorbing member 16 and converted to detectable energy E1, the detection sensitivity is E1. As the detection sensitivity is higher, the detection value is larger and the S / N is better, so the accuracy is improved. Here, these two characteristics of absorption efficiency and detection sensitivity are collectively referred to as detection characteristics. For the scintillator as the gamma ray absorbing member 16 constituting the first scattered gamma ray detector 15a and the second scattered gamma ray detector 15b, it is desirable to select an optimum material for absorption efficiency and detection sensitivity. This will be described below.

図5に、散乱体を1気圧のアルゴンガスとした場合のZ方向を入射方向とするガンマ線の散乱特性の方向依存性を示す。本実施形態によるコンプトンカメラにおいて検出可能な入射ガンマ線のエネルギーE0は100keV〜2000keVであるが、散乱方向の特性は入射ガンマ線のエネルギーE0により異なる。一例として、図5(a)はエネルギーE0=871keV(放射性同位元素Tc−94が放出するガンマ線)の特性を示し、図5(b)はエネルギーE0=159keV(放射性同位元素I−123が放出するガンマ線)の特性を示す。また図において各矢印は、g0が入射ガンマ線(エネルギーE0)、e1が反跳電子(エネルギーKe=5kVの場合)、g1が散乱ガンマ線(エネルギーEγ=E0−5keVの場合)の方向を示す。また同じ入射ガンマ線g0に対して、e2が反跳電子(エネルギーKe=30kVの場合)、g2が散乱ガンマ線(エネルギーEγ=E0−30keVの場合)の方向を示す。また矢印の長さは各ガンマ線(光子)又は反跳電子の運動量を表している。曲線pはコンプトン散乱の微分散乱断面積であり、コンプトン散乱点Pcから曲線p上の点までの長さは、その方向の単位立体角にガンマ線が散乱される確率の大きさを表している(クライン−仁科の公式による計算結果)。   FIG. 5 shows the direction dependency of the scattering characteristics of gamma rays with the Z direction as the incident direction when the scatterer is argon gas at 1 atm. Incident gamma ray energy E0 that can be detected by the Compton camera according to the present embodiment is 100 keV to 2000 keV, but the characteristics of the scattering direction differ depending on the incident gamma ray energy E0. As an example, FIG. 5A shows the characteristics of energy E0 = 871 keV (gamma rays emitted by radioisotope Tc-94), and FIG. 5B shows energy E0 = 159 keV (radioisotope I-123 emitted). (Gamma ray) characteristics. In the figure, each arrow indicates the direction of an incident gamma ray (energy E0), e1 is a recoil electron (when energy Ke = 5 kV), and g1 is a scattered gamma ray (when energy Eγ = E0-5 keV). For the same incident gamma ray g0, e2 indicates the direction of recoil electrons (when energy Ke = 30 kV), and g2 indicates the direction of scattered gamma rays (when energy Eγ = E0-30 keV). The length of the arrow represents the momentum of each gamma ray (photon) or recoil electron. The curve p is the differential scattering cross section of Compton scattering, and the length from the Compton scattering point Pc to the point on the curve p represents the probability that gamma rays will be scattered at the unit solid angle in that direction ( Klein-calculation result by Nishina formula).

前述したように、電子収集器11で検出可能な反跳電子のエネルギーKeは5keV〜30keVの範囲である。この範囲に対応した有効な散乱ガンマ線の散乱の方向は矢印g1と矢印g2の間にあり、曲線p上に太線p’で表す範囲である。この範囲外に散乱されるガンマ線は、対応する反跳電子のエネルギーKeが5keVよりも小さいか、又は30keVよりも大きく、検出できないため無効となる。なお図はXZ平面のみ描いたが、実際の散乱はZ軸の回りに等確率で発生する(曲線pをZ軸まわりに回転した3次元曲面となる)。   As described above, the energy Ke of recoil electrons detectable by the electron collector 11 is in the range of 5 keV to 30 keV. The effective scattered gamma ray scattering direction corresponding to this range is between the arrows g1 and g2, and is the range represented by the thick line p 'on the curve p. Gamma rays scattered outside this range are invalid because the energy Ke of the corresponding recoil electrons is smaller than 5 keV or larger than 30 keV and cannot be detected. Although only the XZ plane is shown in the figure, actual scattering occurs with equal probability around the Z axis (the curve p becomes a three-dimensional curved surface rotated around the Z axis).

また図の(a)と(b)の比較により入射ガンマ線のエネルギーE0が大きいほど有効な(矢印g1と矢印g2の間の範囲の)散乱ガンマ線の入射ガンマ線(矢印g0)に対する散乱角は小さくなることが理解される。ちなみに図の(a)において入射ガンマ線(E0=871keV、矢印g0)に対して成す角は、散乱ガンマ線(矢印g1)が4.7°であり、散乱ガンマ線(矢印g2)が11.7°である。また図の(b)において入射ガンマ線(E0=159keV、矢印g0)に対して成す角は、散乱ガンマ線(矢印g1)が26.4°であり、散乱ガンマ線(矢印g2)が75.4°である。   Further, by comparing (a) and (b) of the figure, the scattering angle of the scattered gamma ray with respect to the incident gamma ray (arrow g0) becomes more effective as the energy E0 of the incident gamma ray becomes larger (in the range between the arrows g1 and g2). It is understood. Incidentally, the angle formed with respect to the incident gamma ray (E0 = 871 keV, arrow g0) in (a) in the figure is 4.7 ° for the scattered gamma ray (arrow g1), and 11.7 ° for the scattered gamma ray (arrow g2). is there. In addition, the angle formed with respect to the incident gamma ray (E0 = 159 keV, arrow g0) in (b) in the figure is 26.4 ° for the scattered gamma ray (arrow g1) and 75.4 ° for the scattered gamma ray (arrow g2). is there.

ここで第1の散乱ガンマ線検出器15aのガンマ線吸収部材16は、低エネルギーの入射ガンマ線(例えばE0=159keV)が散乱される割合が高い方向に配置する。また、第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16は、高エネルギーの入射ガンマ線(例えばE0=871keV)が散乱される割合が高い方向に配置する。その結果、図4に示すように第1の角θaは第2の角θbよりも大きい。第1の角θaは、第1の散乱ガンマ線検出器15aの各ガンマ線吸収部材16が配置される第1の方向Daと基準入射方向Dcが成す角である。第2の角θbは、第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16が配置される第2の方向Dbと基準入射方向Dcが成す角である。   Here, the gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a is arranged in a direction in which a low energy incident gamma ray (for example, E0 = 159 keV) is scattered. Further, the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b is arranged in a direction in which the ratio of high energy incident gamma rays (for example, E0 = 871 keV) is high. As a result, as shown in FIG. 4, the first angle θa is larger than the second angle θb. The first angle θa is an angle formed by the first direction Da in which each gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a is arranged and the reference incident direction Dc. The second angle θb is an angle formed by the second direction Db in which the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b is arranged and the reference incident direction Dc.

一般的にガンマ線の特性としてエネルギーが低いと光電吸収材料での吸収効率は高いが検出感度は低く、逆にエネルギーが高いと光電吸収材料での吸収効率は低いが検出感度は高くなる。従って、ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立するためには、次のようにするのが望ましい。即ち、ガンマ線吸収部材として、低エネルギーの散乱ガンマ線が到達する割合が高い第1の散乱ガンマ線検出器15aは検出感度の高い光電吸収材料を選択する。そして、ガンマ線吸収部材として、高エネルギーの散乱ガンマ線が到達する割合が高い第2の散乱ガンマ線検出器15bは吸収効率が高い光電吸収材料を選択する。散乱ガンマ線の入射角が異なるとガンマ線吸収部材を貫く長さが変わるので吸収効率は変わるが、この変動は許容範囲内であり、検出感度は入射角や貫通距離には依存しない。   Generally, when the energy is low as the characteristics of gamma rays, the absorption efficiency in the photoelectric absorbing material is high but the detection sensitivity is low. Conversely, when the energy is high, the absorption efficiency in the photoelectric absorption material is low but the detection sensitivity is high. Therefore, in order to achieve both sufficient absorption efficiency and sufficient detection sensitivity regardless of the gamma ray energy level, it is desirable to do the following. That is, as the gamma ray absorbing member, the first scattered gamma ray detector 15a having a high rate of arrival of low energy scattered gamma rays selects a photoelectric absorbing material with high detection sensitivity. As the gamma ray absorbing member, the second scattered gamma ray detector 15b having a high rate of arrival of high energy scattered gamma rays selects a photoelectric absorbing material having high absorption efficiency. If the incident angle of the scattered gamma rays is different, the absorption efficiency changes because the length penetrating the gamma ray absorbing member changes. However, this variation is within an allowable range, and the detection sensitivity does not depend on the incident angle or the penetration distance.

一般的に光電吸収材料は密度が大きいほど吸収効率が高い。またシンチレータの発光量は検出感度に対応する。表1に、いくつかの代表的な光電吸収材料であるシンチレータと半導体材料CZT(CdZnTe)の特性を比較して示す。   In general, the photoelectric absorption material has higher absorption efficiency as the density increases. The light emission amount of the scintillator corresponds to the detection sensitivity. Table 1 compares the characteristics of some typical photoelectric absorption materials such as a scintillator and a semiconductor material CZT (CdZnTe).

Figure 2017096724
Figure 2017096724

本実施形態においては、第1の散乱ガンマ線検出器15aのガンマ線吸収部材16として、密度は他よりも小さいが発光量が大きく検出感度が高いシンチレータNaI:Tl又はLaBrを選択する。また第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16として、発光量は他よりも小さいが密度が大きく吸収効率が高いシンチレータを選択する。列挙すると、BGO(BiGe12)、GSO(GdSiO:Ce)、LGSO(LuGd2−XSiO:Ce)、又はLSO(LuSiO:Ce)である。 In the present embodiment, a scintillator NaI: Tl or LaBr 3 is selected as the gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a. Further, as the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b, a scintillator having a light emission amount smaller than the others but high density and high absorption efficiency is selected. When enumerated, it is BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), GSO (Gd 2 SiO 5 : Ce), LGSO (Lu X Gd 2 -X SiO 5 : Ce), or LSO (Lu 2 SiO 5 : Ce).

これにより低エネルギーの入射ガンマ線は、高い割合で第1の散乱ガンマ線検出器15aにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。また、高エネルギーの入射ガンマ線は、高い割合で第2の散乱ガンマ線検出器15bにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。このように、入射ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することができる。つまり、単一の放射線検出装置であっても、例えば100keV〜2000keVの広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測で検出が可能となる。従って、この単一の放射線検出装置を含むコンプトンカメラであっても、比較的広いエネルギー範囲に亘って比較的短時間の計測で高分解能のイメージングを実現することができる。   As a result, low-energy incident gamma rays can be detected at a high rate by the first scattered gamma ray detector 15a with high absorption efficiency and high detection sensitivity. Further, high-energy incident gamma rays can be detected with high absorption efficiency and high detection sensitivity by the second scattered gamma ray detector 15b at a high rate. Thus, it is possible to achieve both sufficient absorption efficiency and sufficient detection sensitivity regardless of the energy level of the incident gamma ray. That is, even a single radiation detection apparatus can be detected in a relatively short measurement over a wide energy range of, for example, 100 keV to 2000 keV. Therefore, even with a Compton camera including this single radiation detection device, high-resolution imaging can be realized in a relatively short measurement over a relatively wide energy range.

なお上記の例においては散乱ガンマ線検出器の種類は2としたが、3以上の異なるエネルギーのガンマ線に対応して、使用する散乱ガンマ線検出器の種類を3以上とすることも可能である。例えば、図4で第1の散乱ガンマ線検出器15aの下方(角度がθaよりもさらに大きい)に散乱ガンマ線検出器を追加すれば、さらに低エネルギーのガンマ線に対応することができる。   In the above example, the number of scattered gamma ray detectors is 2, but the number of scattered gamma ray detectors used can be 3 or more corresponding to gamma rays of 3 or more different energies. For example, if a scattered gamma ray detector is added below the first scattered gamma ray detector 15a in FIG. 4 (the angle is larger than θa), it is possible to deal with lower energy gamma rays.

(実施形態2)
本発明によるコンプトンカメラの実施形態2におけるガンマ線検出装置1について図6により説明する。本実施形態において、第1の散乱ガンマ線検出器15aと第2の散乱ガンマ線検出器15bの配置を除く構成は第1の実施形態と同一であるので説明は省略する。
(Embodiment 2)
A gamma ray detection apparatus 1 according to Embodiment 2 of the Compton camera according to the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the configuration other than the arrangement of the first scattered gamma ray detector 15a and the second scattered gamma ray detector 15b is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

チャンバー10の後面に対向して、第1の散乱ガンマ線検出器15aの2つのユニットと第2の散乱ガンマ線検出器15bの2つのユニットが配置される。本実施形態でも、電子ドリフト領域14の中心Oから第1の散乱ガンマ線検出器15aの各ユニットのガンマ線吸収部材16の中心Aに向かう方向を第1の方向Da、基準入射方向Dcと第1の方向Daの成す角を第1の角θaとする。さらに電子ドリフト領域14の中心Oから第2の散乱ガンマ線検出器15bの各ユニットのガンマ線吸収部材16の中心Bに向かう方向を第2の方向Db、基準入射方向Dcと第2の方向Dbの成す角を第2の角θbとする。   Opposing the rear surface of the chamber 10, two units of the first scattered gamma ray detector 15a and two units of the second scattered gamma ray detector 15b are arranged. Also in this embodiment, the direction from the center O of the electron drift region 14 toward the center A of the gamma ray absorbing member 16 of each unit of the first scattered gamma ray detector 15a is the first direction Da, the reference incident direction Dc, and the first incident direction Dc. The angle formed by the direction Da is defined as a first angle θa. Furthermore, the direction from the center O of the electron drift region 14 toward the center B of the gamma ray absorbing member 16 of each unit of the second scattered gamma ray detector 15b is defined as the second direction Db, the reference incident direction Dc, and the second direction Db. Let the angle be the second angle θb.

ここで第1の散乱ガンマ線検出器15aのガンマ線吸収部材16は、低エネルギーの入射ガンマ線(例えばE0=159keV)が散乱される割合が高い方向に配置する。また、第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16は、高エネルギーの入射ガンマ線(例えばE0=871keV)が散乱される割合が高い方向に配置する。従って、第1の角θaは第2の角θbよりも大きい。ここで、第1の角θaは、第1の散乱ガンマ線検出器15aの各ガンマ線吸収部材16が配置される第1の方向Daと基準入射方向Dcが成す角である。第2の角θbは、第2の散乱ガンマ線検出器15bの各ガンマ線吸収部材16が配置される第2の方向Dbと基準入射方向Dcが成す角である。   Here, the gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a is arranged in a direction in which a low energy incident gamma ray (for example, E0 = 159 keV) is scattered. Further, the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b is arranged in a direction in which the ratio of high energy incident gamma rays (for example, E0 = 871 keV) is high. Accordingly, the first angle θa is larger than the second angle θb. Here, the first angle θa is an angle formed between the first direction Da in which each gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a is arranged and the reference incident direction Dc. The second angle θb is an angle formed between the second direction Db in which each gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b is arranged and the reference incident direction Dc.

さらに本実施形態においても、第1の散乱ガンマ線検出器15aのガンマ線吸収部材16として、密度は他よりも小さいが発光量が大きく検出感度が高いシンチレータNaI:Tl又はLaBrを選択する。また、第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16として、発光量は他よりも小さいが密度が大きく吸収効率が高いシンチレータを選択する。列挙すると、BGO(BiGe12)、GSO(GdSiO:Ce)、LGSO(LuGd2−XSiO:Ce)、又はLSO(LuSiO:Ce)である。 Further, in this embodiment, as the gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a, a scintillator NaI: Tl or LaBr 3 having a density smaller than others but a large light emission amount and high detection sensitivity is selected. In addition, as the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b, a scintillator having a light emission amount smaller than the others but high density and high absorption efficiency is selected. When enumerated, it is BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), GSO (Gd 2 SiO 5 : Ce), LGSO (Lu X Gd 2 -X SiO 5 : Ce), or LSO (Lu 2 SiO 5 : Ce).

これにより、低エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第1の散乱ガンマ線検出器15aにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。また、高エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第2の散乱ガンマ線検出器15bにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。このように、入射ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することができる。   As a result, low-energy incident gamma rays can be detected at a high rate by the first scattered gamma ray detector 15a with high absorption efficiency and high detection sensitivity. High energy incident gamma rays can be detected at a high rate with high absorption efficiency and high detection sensitivity by the second scattered gamma ray detector 15b. Thus, it is possible to achieve both sufficient absorption efficiency and sufficient detection sensitivity regardless of the energy level of the incident gamma ray.

(実施形態3)
本発明によるコンプトンカメラの実施形態3におけるガンマ線検出装置1について図7により説明する。本実施形態において、第1の散乱ガンマ線検出器15aを除く構成は第1の実施形態と同一であるので説明は省略する。
(Embodiment 3)
A gamma ray detection apparatus 1 according to Embodiment 3 of the Compton camera according to the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, since the configuration excluding the first scattered gamma ray detector 15a is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

本実施形態においては、第1の散乱ガンマ線検出器15aは、ガンマ線吸収部材16として半導体素子、増幅器17として2次元配列した多数の電子増幅素子を含むユニットで構成される。チャンバー10の側面に対向する4方向に第1の散乱ガンマ線検出器15aの4つのユニットが配置される。電子ドリフト領域14において、コンプトン散乱の結果発生した散乱ガンマ線は半導体素子で光電吸収されて直接電気信号に変換され、さらに電子増幅素子で増幅して出力される。   In the present embodiment, the first scattered gamma ray detector 15 a is constituted by a unit including a semiconductor element as the gamma ray absorbing member 16 and a large number of electronic amplification elements two-dimensionally arranged as the amplifier 17. Four units of the first scattered gamma ray detector 15 a are arranged in four directions facing the side surface of the chamber 10. In the electron drift region 14, the scattered gamma rays generated as a result of Compton scattering are photoelectrically absorbed by the semiconductor element and directly converted into an electric signal, and further amplified and output by the electronic amplifying element.

また第2の散乱ガンマ線検出器15bは、ガンマ線吸収部材16としての光電吸収材料であるシンチレータ、増幅器17として光電子増倍管を含むユニットで構成されている。シンチレータ及び光電子増倍管は共に平面状に複数配列されている。チャンバー10の後面に対向して第2の散乱ガンマ線検出器15bのユニットが配置される。散乱ガンマ線はシンチレータで光電吸収して可視光に変換され、さらにこの可視光は光電子増倍管で検出され電気信号として出力される。   The second scattered gamma ray detector 15b is composed of a scintillator that is a photoelectric absorbing material as the gamma ray absorbing member 16, and a unit that includes a photomultiplier tube as the amplifier 17. A plurality of scintillators and photomultiplier tubes are arranged in a plane. A unit of the second scattered gamma ray detector 15b is arranged facing the rear surface of the chamber 10. Scattered gamma rays are photoelectrically absorbed by a scintillator and converted into visible light, and this visible light is detected by a photomultiplier tube and output as an electrical signal.

ここで第1の散乱ガンマ線検出器15aのガンマ線吸収部材16は、低エネルギーの入射ガンマ線(例えばE0=159keV)が散乱される割合が高い方向に配置される。また、第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16は、高エネルギーの入射ガンマ線(例えばE0=871keV)が散乱される割合が高い方向に配置される。従って、第1散乱ガンマ線検出器15aの各ガンマ線吸収部材16配置の第1方向Daと基準入射方向Dcが成す第1の角θaは、第2散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16配置の第2方向Dbと基準入射方向Dcが成す第2の角θbよりも大きい。   Here, the gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a is arranged in a direction in which a low energy incident gamma ray (for example, E0 = 159 keV) is scattered. In addition, the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b is arranged in a direction in which a high energy incident gamma ray (for example, E0 = 871 keV) is scattered. Accordingly, the first angle θa formed by the first direction Da of each gamma ray absorbing member 16 arrangement of the first scattered gamma ray detector 15a and the reference incident direction Dc is the first angle θa of the gamma ray absorbing member 16 arrangement of the second scattered gamma ray detector 15b. It is larger than the second angle θb formed by the two directions Db and the reference incident direction Dc.

さらに本実施形態においては、第1の散乱ガンマ線検出器15aのガンマ線吸収部材16として光電吸収材料である半導体材料CZT(CdZnTe)を選択する。CZTは表1に示したように密度はLSOやGSOなどよりも小さいが、ガンマ線の光子を直接電気信号に変換できるので検出感度が高く、またエネルギー分解能が高いという特徴を持つ。また第2の散乱ガンマ線検出器15bのガンマ線吸収部材16として、密度が大きく吸収効率が高いシンチレータを選択する。列挙すると、BGO(BiGe12)、GSO(GdSiO:Ce)、LGSO(LuGd2−XSiO:Ce)、又はLSO(LuSiO:Ce)である。 Further, in the present embodiment, a semiconductor material CZT (CdZnTe), which is a photoelectric absorbing material, is selected as the gamma ray absorbing member 16 of the first scattered gamma ray detector 15a. As shown in Table 1, the density of CZT is smaller than that of LSO, GSO, etc., but it has the characteristics of high detection sensitivity and high energy resolution because it can directly convert photons of gamma rays into electrical signals. A scintillator having a high density and a high absorption efficiency is selected as the gamma ray absorbing member 16 of the second scattered gamma ray detector 15b. When enumerated, it is BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), GSO (Gd 2 SiO 5 : Ce), LGSO (Lu X Gd 2 -X SiO 5 : Ce), or LSO (Lu 2 SiO 5 : Ce).

故に、低エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第1散乱ガンマ線検出器15aにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出でき、また高エネルギーの入射ガンマ線は高い割合で第2散乱ガンマ線検出器15bにより高い吸収効率かつ高い検出感度で検出できる。このように、入射ガンマ線のエネルギーの高低によらずに十分な吸収効率と十分な検出感度を両立することができる。   Therefore, low-energy incident gamma rays can be detected with a high rate by the first scattered gamma ray detector 15a with high absorption efficiency and high detection sensitivity, and high-energy incident gamma rays can be detected with a high rate by the second scattered gamma ray detector 15b. It can be detected with high efficiency and high detection sensitivity. Thus, it is possible to achieve both sufficient absorption efficiency and sufficient detection sensitivity regardless of the energy level of the incident gamma ray.

1・・ガンマ線検出装置(放射線検出装置)、2・・信号処理装置、3・・表示装置、4・・放射線源、5・・有効視野、11・・電子収集器、12・・電極、14・・電子ドリフト領域、15a・・第1の散乱ガンマ線検出器(第1の散乱放射線検出手段)、15b・・第2の散乱ガンマ線検出器(第2の散乱放射線検出手段)、16・・ガンマ線吸収部材(放射線吸収部材)、21・・入射ガンマ線((入射放射線)、Dc・・基準入射方向   1 .... Gamma ray detection device (radiation detection device) 2 .... Signal processing device 3 .... Display device 4 .... Radiation source 5 .... Effective field of view 11 .... Electron collector 12 .... Electrode 14 ..Electron drift region, 15a..First scattered gamma ray detector (first scattered radiation detection means), 15b..Second scattered gamma ray detector (second scattered radiation detection means), 16..gamma rays Absorbing member (radiation absorbing member), 21 .. Incident gamma ray ((incident radiation), Dc .. Reference incident direction

Claims (9)

散乱体、電極、及び電子収集器を有する放射線検出装置であって、
前記電極と前記電子収集器の間に形成された電子ドリフト領域の周囲に、第1の放射線吸収部材を含む第1の散乱放射線検出手段と第2の放射線吸収部材を含む第2の散乱放射線検出手段が配置され、前記電子ドリフト領域の中心から前記第1の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第1の方向とし、前記電子ドリフト領域の中心から前記第2の放射線吸収部材の中心に向かう方向を第2の方向とし、前記検出装置の有効視野の中心から前記電子ドリフト領域の中心に向かう方向を基準入射方向としたときに、前記第1の方向と前記基準入射方向とが成す第1の角と前記第2の方向と前記基準入射方向とが成す第2の角の大きさが異なり、前記第1の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性と前記第2の放射線吸収部材の放射線に対する検出特性が異なることを特徴とする装置。
A radiation detection device having a scatterer, an electrode, and an electron collector,
A first scattered radiation detection means including a first radiation absorbing member and a second scattered radiation detection including a second radiation absorbing member around an electron drift region formed between the electrode and the electron collector. Means is disposed, the direction from the center of the electron drift region toward the center of the first radiation absorbing member is defined as a first direction, and the direction from the center of the electron drift region toward the center of the second radiation absorbing member Is the second direction, and the direction from the center of the effective field of view of the detection device toward the center of the electron drift region is the reference incident direction, the first direction and the reference incident direction form the first direction. The size of the second angle formed by the angle, the second direction, and the reference incident direction is different, and the detection characteristics of the first radiation absorbing member with respect to the radiation and the detection of the radiation of the second radiation absorbing member with respect to the radiation. And wherein the characteristics are different.
前記第1の散乱放射線検出手段と前記第2の散乱放射線検出手段は、それぞれ、入射放射線が前記散乱体内で起こすコンプトン散乱により発生した散乱放射線のエネルギーと到達位置を検出し、
前記電子収集器は、前記コンプトン散乱により発生した反跳電子の飛跡に沿って生じた電離電子を検出し、前記電極は前記散乱体に電界を印加し、
前記散乱放射線のエネルギー及び到達位置と前記反跳電子のエネルギー及び飛跡における反跳方向との情報から前記入射放射線の入射方向が求められることを特徴とする請求項1に記載の装置。
The first scattered radiation detection means and the second scattered radiation detection means detect energy and arrival position of scattered radiation generated by Compton scattering caused by incident radiation in the scatterer, respectively.
The electron collector detects ionized electrons generated along a track of recoil electrons generated by the Compton scattering, the electrode applies an electric field to the scatterer,
The apparatus according to claim 1, wherein an incident direction of the incident radiation is obtained from information on an energy and an arrival position of the scattered radiation, an energy of the recoil electrons, and a recoil direction in a track.
前記第1の角は前記第2の角よりも大きく、放射線に対する検出感度は前記第1の放射線吸収部材が前記第2の放射線吸収部材よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の装置。   The said 1st angle | corner is larger than the said 2nd angle | corner, and the detection sensitivity with respect to a radiation is higher than the said 2nd radiation absorption member, The said 1st radiation absorption member is characterized by the above-mentioned. Equipment. 前記第1の角は前記第2の角よりも大きく、放射線に対する吸収効率は前記第2の放射線吸収部材が前記第1の放射線吸収部材よりも高いことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の装置。   4. The method according to claim 1, wherein the first angle is larger than the second angle, and the radiation absorption efficiency of the second radiation absorbing member is higher than that of the first radiation absorbing member. The apparatus according to claim 1. 前記第1の放射線吸収部材及び前記第2の放射線吸収部材はシンチレータであり、前記第1の放射線吸収部材の発光量は前記第2の放射線吸収部材の発光量よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の装置。   The first radiation absorbing member and the second radiation absorbing member are scintillators, and a light emission amount of the first radiation absorption member is larger than a light emission amount of the second radiation absorption member. Item 4. The apparatus according to Item 3. 前記第1の放射線吸収部材及び前記第2の放射線吸収部材はシンチレータであり、前記第2の放射線吸収部材の密度は前記第1の放射線吸収部材の密度よりも大きいことを特徴とする請求項4に記載の装置。   The first radiation absorbing member and the second radiation absorbing member are scintillators, and the density of the second radiation absorbing member is larger than the density of the first radiation absorbing member. The device described in 1. 前記第1の放射線吸収部材は放射線を直接電気信号に変換する半導体素子であり、前記第2の放射線吸収部材はシンチレータであることを特徴とする請求項3又は4に記載の装置。   The apparatus according to claim 3 or 4, wherein the first radiation absorbing member is a semiconductor element that directly converts radiation into an electrical signal, and the second radiation absorbing member is a scintillator. 請求項1から7の何れか1項に記載の放射線検出装置と、前記検出装置により検出した入射放射線の入射方向より、放射線源から発生する放射線の強度分布画像データを生成する画像再構成手段と、前記強度分布画像データに基づき前記強度分布画像を表示する表示手段と、を備えることを特徴とするコンプトンカメラ。   A radiation detection apparatus according to any one of claims 1 to 7, and an image reconstruction unit that generates intensity distribution image data of radiation generated from a radiation source from an incident direction of incident radiation detected by the detection apparatus. Compton camera comprising: display means for displaying the intensity distribution image based on the intensity distribution image data. 前記放射線はガンマ線であることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein the radiation is gamma rays.
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