JP2017096724A - Radiation detector - Google Patents
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Abstract
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
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.
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LaBr3を使用している。
Non-Patent
LaBr3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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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).
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LaBr3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(Bi4Ge3O12)、GSO(Gd2SiO5:Ce)、LGSO(LuXGd2−XSiO5:Ce)、又はLSO(Lu2SiO5:Ce)である。
In the present embodiment, a scintillator NaI: Tl or LaBr 3 is selected as the gamma
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
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
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
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
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LaBr3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(Bi4Ge3O12)、GSO(Gd2SiO5:Ce)、LGSO(LuXGd2−XSiO5:Ce)、又はLSO(Lu2SiO5:Ce)である。
Further, in this embodiment, as the gamma
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
(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
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
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
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
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(Bi4Ge3O12)、GSO(Gd2SiO5:Ce)、LGSO(LuXGd2−XSiO5:Ce)、又はLSO(Lu2SiO5: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
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
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 ....
Claims (9)
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.
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