JP2017096899A - シンチレータプレート、放射線検出器及び放射線計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】 屈折率の異なる２つの結晶相を備える構造体をシンチレータとして用いた放射線検出器において、周辺部における放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とのずれを軽減することができるシンチレータプレートを提供することができる。
【解決手段】 シンチレータプレート１０１は、複数の第１の相２０２と、複数の第１の相のそれぞれの周りに位置する第２の相２０３とを有するシンチレータ結晶体１０２を複数有する。第１の相２０２と第２の相２０３とはシンチレーション光の屈折率が異なり、複数のシンチレータ結晶体１０２のそれぞれの中心軸１０７（ａ〜ｃ）を延長した延長線１１１（ａ〜ｃ）同士が交差する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シンチレータプレート、放射線検出器及び放射線計測システムに関する。

医療現場などで用いられている放射線検出器は、被写体を通過した放射線をシンチレーション光に変換するシンチレータ層を有するシンチレータプレートと、平面状に配列した受光素子を有する検出部とを備え、放射線画像を取得している。シンチレータプレートのシンチレータ層に導波性を持たせると、放射線検出器の解像度（空間分解能）を高くすることができる。しかしながら、このような放射線検出器を、発散する放射線を射出する放射線源と組み合せて計測を行うと、放射線源と放射線検出器との位置関係から、放射線検出器の周辺部では放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とがずれてしまう。そのため、撮像範囲の中心付近に対して周辺部の解像度が低下するという問題があった。

特許文献１には、シンチレータとして機能するＣｓＩ針状結晶が放射線の入射方向に向くように、ＣｓＩ針状結晶を傾斜成長することで、周辺部における解像度を改善した例の記載がある。ＣｓＩ針状結晶で発生したシンチレーション光はＣｓＩ針状結晶内を導波されるため、ＣｓＩ針状結晶の傾斜により、放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とのずれが小さくなることで、周辺部においても解像度を改善することができる。

一方、ＣｓＩ針状結晶は、隣接する針状結晶同士が癒着しやすく、この癒着がシンチレーション光の導波性を低下させ、放射線検出器の解像度を低下させている。そこで、特許文献２には、屈折率の異なる２つの結晶相を備える構造体をシンチレータ層とすることが提案されている。この構造体は、一方向性を有する複数の第１の相（シリンダー相）と、第１の相の周りに位置する第２の相（マトリックス相）とを有する相分離結晶体であり、第１の相又は第２の相で発光したシンチレーション光が屈折率の高い方の相に閉じ込められる。これにより、シンチレーション光が第１の相の延伸方向に導波されるため、この構造体をシンチレータ層として用いることで、高い解像度を得ることができる。この構造体は、第１の相の間に第２の相が配置されているため、第１の相同士の癒着はＣｓＩ針状結晶同士の癒着よりも起きにくい。よって、シンチレータ層として相分離結晶体を用いた方が、ＣｓＩ針状結晶を用いるよりも、高い解像度が得られると考えられる。

特開２００９−２３６７０４号公報 特開２０１３−２４８３３号公報

しかしながら、本発明者らの検討の結果、相分離結晶体は、両相の結晶方位が特定の配向関係を有しながら結晶成長する為、複数の第１の相の中心軸は特定の結晶配向を有しており、１つの結晶体中で第１の相の延伸方向変えることが困難であることがわかった。すなわち、１つの相分離結晶体をシンチレータ層として用いる場合、放射線の入射方向に向くように第１の相の中心軸を傾けることで、周辺部における放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とのずれを軽減するという手法をとることは困難である。

そこで、本発明は、屈折率の異なる２つの結晶相を備える構造体をシンチレータとして用いた場合において、周辺部における放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とのずれを軽減することができるシンチレータプレートを提供することを目的とする。また、該シンチレータプレートを有する放射線検出器及び該放射線検出器を備える計測システムを提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、シンチレータプレートは、複数の第１の相と、前記複数の第１の相のそれぞれの周りに位置する第２の相とを有するシンチレータ結晶体を複数有し、前記第１の相と前記第２の相とはシンチレーション光の屈折率が異なり、複数の前記シンチレータ結晶体のそれぞれの中心軸を延長した延長線同士が交差することを特徴とする。

本発明のその他の側面に関しては発明を実施するための形態で説明をする。

本発明によれば、屈折率の異なる２つの結晶相を備える構造体をシンチレータとして用いた放射線検出器において、周辺部における放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とのずれを軽減することができるシンチレータプレートを提供することができる。また、該シンチレータプレートを有する放射線検出器及び該放射線検出器を備える計測システムを提供することができる。

実施形態に係る放射線検出器の模式図。 実施形態に係るシンチレータ結晶体の一例の模式図。 実施形態に係るシンチレータ結晶体の配置の概要を示す図。 Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度が、（ａ）０度、（ｂ）１．２度の場合の８．２μｍ周期パターンのＸ線画像。 Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸とが成す角度と、解像度との関係を示す図。 実施例に係るシンチレータ結晶体の切り出し方法を説明する図。 実施形態に係る放射線計測システムの一例の模式図。

本実施形態に係るシンチレータプレートは、複数のシンチレータ結晶体を有する。複数のシンチレータ結晶体のそれぞれは、上述の相分離構造体であり、第１の相の延伸方向にシンチレーション光が導波される。シンチレータプレートにおいて、複数のシンチレータ結晶体は、各シンチレータ結晶体の導波方向を放射線入射側に延長した延長線同士が交差するように配置される。放射線撮像時は、延長線同士が交差する領域周辺に放射線源の焦点を配置することで、放射線の入射方向とシンチレーション光の導波方向とのズレを小さくすることができる。よって、このシンチレータプレートを検出部と組み合わせて放射線検出器としたときに、放射線の入射方向とシンチレータの厚み方向とのズレがあっても、解像度の低下を軽減することができる。

以下、図面などを用いて本実施形態をより具体的に説明する。

図１（ａ）に本実施形態の放射線検出器１００の模式図を示す。放射線検出器１００は、放射線をシンチレーション光に変換するシンチレータプレート１０１と、シンチレータプレートからのシンチレーション光を検出する検出部１０３とを備える。シンチレータプレート１０１は、複数のシンチレータ結晶体１０２（１０２ａ〜ｇ）を有する。シンチレータ結晶体１０２のそれぞれは、複数の第１の相２０２と第１の相の周りに位置する第２の相２０３とを備え、第１の相２０２の延伸方向にシンチレーション光が導波される。

検出部１０３は、基板１０４と、基板に２方向に配列された受光素子１０５を有し、受光素子毎にその受光素子の受光面に入射した光の強度を検出する。

ここで、放射線発生源が放射線検出器１００の中心部の法線上にある場合では、円錐状に放射された放射線（コーンビーム）１０６は、放射線検出器１００の中心部では、シンチレータ結晶体１０２ｄに垂直に入射する。一方、中心部からの距離が長くなるに従い、放射線の入射方向はシンチレータ結晶体に対して垂直からずれ、斜めに入射することになる。例えば、放射線発生源と受光素子１０５との距離を５０ｃｍ、中心部との距離Ｈが１０ｃｍの周辺部における放射線１０６のシンチレータ結晶体１０２への入射角度は約５．７度になる。このとき、シンチレータ結晶体１０２ａの放射線発生源側の表面に放射線１０６が入射する位置と受光素子側の表面に放射線１０６が到達する位置とのずれ量Ｗは、シンチレータの厚みＴを２００μｍとすると、２００μｍ×ｔａｎ５．７度≒２０μｍとなる。尚、放射線発生源側の表面における放射線の入射位置と、受光素子側の表面における放射線の到達位置との距離のことを、以下、発光点深さによる位置ずれ量または単に位置ずれ量と呼ぶことがある。つまり、光がシンチレータ表面に対して垂直に導波される場合、幅が無視できる程度に微細な１本の放射線ビームであっても、光に変換される位置（発光点１０８）の深さによって、シンチレーション光が受光素子の受光面に入射する位置は２０μｍずれる。このずれが周辺部における解像度を中心部における解像度よりも低下させる。

本実施形態では、シンチレータ結晶体１０２の第一の相の延伸方向である中心軸１０７（１０７ａ、ｄ、ｇ）が、放射線の入射方向に近づくように、配置位置に応じてシンチレータ結晶体１０２の中心軸１０７の角度を変えてタイリングする。これにより、放射線がシンチレータ結晶体１０２に対して斜めに入射することによる、周辺部の解像度低下を軽減することができる。

尚、シンチレータ結晶体の中心軸１０７とは、そのシンチレータ結晶体１０２が有する複数の第１の相２０２のうち、シンチレータ結晶体１０２の中心の最も近くに位置する相（中心相と呼ぶことがある）の中心軸とする。

以下、各構成についてより詳細に説明をする。

図２に、シンチレータ結晶体１０２の具体例の模式図を示す。シンチレータ結晶体１０２は、複数の第１の相２０２と、第１の相の周りに位置する第２の相２０３を有する、相分離構造をとる。シンチレータ結晶体１０２は第１の面２０８と第２の面２０９とを有し、第１の相２０２は第１の面２０８から第２の面２０９へ延伸している。第１の面２０８は放射線照射面であり、第２の面２０９は光取り出し面であるとし、放射線は第１の面２０８から入射し、シンチレーション光は第２の面２０９から受光素子へ取り出される。第１の相と第２の相の少なくともいずれかは、入射した放射線の少なくとも一部をシンチレーション光に変換する発光相である。また、第１の相２０２と第２の相２０３は異なる屈折率を有している。よって、シンチレーション光は屈折率が相対的に高い高屈折率相に閉じ込められながら、第１の面の方向から第２の面の方向へ、第２の面の方向から第１の面の方向へ導波される。シンチレーション光は、シンチレーション光が発生した相内を導波した方が解像度が高いと考えられるため、高屈折率相が発光相として機能することが好ましい。相対的に屈折率の低い低屈折率相は、発光相として機能しても良いし、機能しなくても良い。以下、第１の相２０２が高屈折率相であり、且つ発光相である場合を例に挙げて説明する。

第１の相２０２が高屈折率相である場合、光ファイバーのように、シンチレーション光は第１の相の中に閉じ込められながら第１の面２０８と第２の面２０９間を導波する。第１の相２０２は円柱の形状を有する。第１の相２０２で発生したシンチレーション光のうち、第１と第２の相の境界面に臨界角度以上で入射するシンチレーション光２０６は、全反射を繰り返しながら第１の相２０２中を導波方向２１０に導波され、第１の面２０８又は第２の面２０９から出射される。ここで、シンチレーション光の導波方向２１０は第１の相２０２の延伸方向（長手方向）であり、円柱の中心軸と平行な方向である。導波する発光の波長よりも第１の相の直径が小さい場合は、シンチレーション光が第１の相２０２と第２の相２０３の境界面で反射せずに境界面を透過してしまう成分が多くなってしまう。よって、第１の相の周期２０４と第１の相の直径２０５はシンチレーション光の波長よりも大きいことが望ましい。相分離構造を有するシンチレータとして、３００ｎｍからの紫外域に発光を有するようなシンチレータを用いることも想定される為、第１の相の直径２０５は３００ｎｍ以上であることが望ましい。また、第一の結晶相の直径２０５が受光素子１０５の１画素の対角線の長さ（画素サイズ）よりも大きくなってしまうと、１画素内に光を閉じ込める効果が低下してしまうため、第一の結晶相の直径２０５の上限値は画素サイズよりも小さいことが望ましい。画素サイズは任意の大きさのものを用いることが可能であり、用いる受光素子の画素サイズに応じて第一の結晶相の直径２０５の好ましい範囲が変化する。以上より、第１の相の直径２０５は、３００ｎｍ以上画素サイズ以下の範囲であることが好ましい。尚、上述の光ファイバーのような導波機能を有するシンチレータは、高い解像度（空間分解能ともいう）を有しており、画素サイズが２μｍ程度の高解像度センサを用いることも可能である。この場合、ファイバーの直径が２μｍより大きくなると、隣接する画素に光が漏れてしまう為、第１の相の直径は、２μｍ以下であることが望ましい。また、第１の相２０２の形状は円柱に限定されず、例えば、多角柱であってもよい。この場合、第１の相２０２の一番幅が大きいところの幅（例えば、四角柱であれば対角線の方向における幅）が上述の直径に対応する。

第１の相２０２は、第１の面２０８から第２の面２０９まで直線的に連続していることが好ましいが、途中で途切れたり、枝分かれしたり、複数の結晶相が一体化したり、結晶相の直径が変化したり、直線的でなく非直線部分が含まれたりしても良い。第２の相２０３は、第１の面２０８から第２の面２０９まで連続的に存在していることが好ましく、第１の相同士の隙間を埋めるように配置されていることが好ましい。

尚、第１の相と第２の相との屈折率差は特に問わないが、スネルの法則より、屈折率差が大きい方が臨界角度を小さくできるため好ましい。例えば、低屈折率相の屈折率を高屈折率相の屈折率で除した値（屈折率比と呼ぶことがある）が０．９５以下であることが好ましく、０．９以下であることがより好ましい。尚、低屈折率相又は高屈折率相の屈折率は、低屈折率相又は高屈折率相の材料の、シンチレーション光の中心波長における屈折率とする。

図２に示したような構成のシンチレータ結晶体として、例えば、共晶相分離構造を有するシンチレータを用いることができる。共晶相分離構造とは、図２に示したような相分離構造体の内、第１の相と第２の相とが共晶体を構成しているもののことを指す。共晶相分離構造体の材料系の一例として、Ｇｄを含有するペロブスカイト型酸化物材料（ＧｄＡｌＯ_３）と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）との共晶相分離構造体が挙げられる。この材料系の共晶相分離構造体は、第１の相（ＧｄＡｌＯ_３：屈折率２．０５）の方が第２の相（Ａｌ_２Ｏ_３：屈折率１．７９）よりも屈折率が高く、且つ、第１の相がシンチレータとして機能する。そのため、共晶相分離構造体の中でも特に導波性が高い。尚、共晶相分離構造体の場合、第１の相は第１の材料の結晶体、第２の相は第２の材料の結晶体である。第１の相と、第１の相の周りに位置し、第１の相の側面を覆う第２の相との２相を有する共晶相分離構造を形成する上で重要になるのは、第１の相を構成する材料と第２の相を構成する材料との組成比である。図２に示す模式図のような良好な相分離構造を有するシンチレータ結晶体を得るためには、一般的に、第１の相の材料と第２の相の材料とが共晶組成比（例えば、ＧｄＡｌＯ_３：Ａｌ_２Ｏ_３＝４６：５４（ｍｏｌ％））であることが必要である。ただし、第１の相の材料と第２の相の材料との組成比は共晶組成から外れてはならないものではなく、この組成比に対して共晶組成±５ｍｏｌ％の範囲は許容範囲とすることができる。つまり、ＧｄＡｌＯ_３とＡｌ_２Ｏ_３との共晶相分離構造体を形成したい場合、これらの材料の組成比は、ＧｄＡｌＯ_３：Ａｌ_２Ｏ_３＝４１：５９〜５１：４９（ｍｏｌ％）とすることが好ましい。また、第１の相の材料と第２の相の材料との組成比が、共晶組成±３ｍｏｌ％の範囲内であることがより好ましい。第１の相の材料と第２の相の材料とが共晶組成比近傍（±５ｍｏｌ％）で混合された融液を用いて、一方向凝固を行うことで、図２のような良質な相分離構造を有する結晶体を得ることができる。一方向凝固の具体的な方法としては、ブリッジマン法等を用いることができる。第１の相の材料と第２の相の材料との組成比が共晶組成±５ｍｏｌ％の範囲を逸脱している場合は、一方の結晶相が先に析出するため、相分離構造形成の観点から、シンチレータ結晶体の良好な相分離構造を乱す要因となる。ただし、第１の相の材料と第２の相の材料との組成比が共晶組成±５ｍｏｌ％の範囲を逸脱している場合であっても、共晶組成±１０ｍｏｌ％の範囲であれば、凝固の方法によっては良好な相分離構造を有するシンチレータ結晶体が得られる場合がある。よって、第１の相と第２の相の材料の組成比が共晶組成比±５ｍｏｌ％の範囲外であっても、第１の相と第２の相とが共晶体を構成し、相分離構造体を構成していれば、その構造体は共晶相分離構造体であるとみなす。また、共晶相分離構造体を形成する際に、その融液の組成比が共晶組成比±５ｍｏｌ％の範囲内になかったとしても、第１の材料と第２の材料とのうち過剰な方の材料が先に析出し、残った融液が共晶組成比に共晶組成比±５ｍｏｌ％の範囲内となる場合がある。この場合、凝固の初期は相分離構造が乱れるが、途中から良好な相分離構造が取得できるため、構造が乱れている部分を適宜切り離せばよい。つまり、仕込み値は共晶相分離構造体の組成比と必ずしも一致せず、多少大まかでも良い。

上述したＧｄＡｌＯ_３の場合、発光中心の種類によって発光波長が変化する。具体的には、発光中心として、例えば希土類元素であるＴｂ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｃｅ^３＋を用いることができる。尚、これらのイオンを含有する元素は単体に限定されず、これらの元素を含めば良く、これらの元素を含んだ化合物を発光中心として添加すればよい。また、発光効率を高くするために、ＧｄＡｌＯ_３中にこれらの発光中心を０．００１ｍｏｌ％以上含有していることが好ましい。複数種類の発光中心が添加される場合は、発光中心の総量が０．００１ｍｏｌ％以上であればよい。発光中心となる添加元素は第１の相であるＧｄＡｌＯ_３のＧｄサイトを置換するように添加され、添加元素を一般式ＲＥで表わすと、Ｇｄ_１−ｘＲＥ_ｘＡｌＯ_３とＡｌ_２Ｏ_３の組成比が４６：５４（ｍｏｌ％）となる。

発光中心としてＴｂ^３＋を用いた場合、５４５ｎｍ付近に緑色発光ピークを示す。また、Ｅｕ^３＋を用いた場合６１５ｎｍ付近に赤色発光ピークを示す。また、Ｃｅ^３＋を用いた場合、３６０ｎｍ付近にブロードな紫外発光を示す。このように、添加元素を適切に選択することで、様々な発光波長のシンチレータを得ることができる。また、添加元素として、他の希土類元素（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ）を選択することもできる。

シンチレータプレート１０１は、シンチレータ結晶体１０２（ａ〜ｇ）を複数有する。シンチレータ結晶体同士は、タイリングされ、固定されている。固定方法としては、例えば基板（不図示）に複数のシンチレータ結晶体を配置し、基板とそれぞれのシンチレータ結晶体とを固定する方法を用いても良いし、シンチレータ結晶体同士を固定する方法を用いても良いし、両方の方法を併用しても良い。

シンチレータプレート１０１において、シンチレータ結晶体１０２は、その中心軸を延長した延長線１１１（ａ、ｄ、ｇ）同士が交差するように配置されている尚、シンチレータ結晶体の中心軸の延長線１１１は、中心相の延伸方向と平行である。

図１（ａ）に示すように、中心軸同士が交差する交点１１２は、シンチレータプレートから見て放射線が入射する側（紙面の上方）に位置する。言い換えると、交点１１２と検出部１０３との間にシンチレータプレート１０１が配置されており、交点１１２とシンチレータプレート１０１との距離は、交点１１２と検出部１０３との距離よりも短い。交点１１２に放射線源の焦点の少なくとも一部が配置されるように放射線源を配置して計測を行うと、シンチレータ結晶体のそれぞれの導波方向（中心軸１０７と略一致する）と放射線１０６の入射方向とのズレを小さくすることができる。尚、すべての中心軸同士が１点で交差する必要はない。また、交点１１２は厳密な点ではなく、ある程度の面積を有する領域であっても良い。交点１１２の面積は放射線源の焦点の面積以下であることが好ましく、交点１１２の一部と放射線源の焦点の一部とが重なるように放射線源と放射線検出器とを配置して計測を行うことが好ましい。

検出部１０３は、基板１０４と、複数の受光素子１０５を有する。受光素子１０５は、基板１０４に２つの方向（典型的にはｘ軸方向とｙ軸方向）に配列方向を有するように配置されている。受光素子１０５としては、受光面を有し、その受光面に入射した光の強度を検出することができるものであれば特に問わないが、ＣＣＤイメージセンサー、ＣＭＯＳイメージセンサー等を用いることができる。受光素子１０５の画素サイズは特に問わないが、２０μｍ以下であると、本実施形態による周辺部における解像度低下を低減する効果が特に大きく、１０μｍ以下であるとより大きいため好ましい。尚、図１においてシンチレータ結晶体１０２と受光素子１０５とは接しているが、両者は接していなくても良い。例えば、シンチレータを透過した放射線が受光素子１０５に入射しないように、シンチレータ結晶体１０２と受光素子１０５との間に保護膜を配置しても良い。また、検出部１０３としては、一枚の基板１０４に配置された複数の受光素子１０５を用いることが望ましいが、複数の受光素子が配置された基板を複数枚組み合わせて用いることも可能である。

上述のような相分離構造を有するシンチレータを用いると、高い解像度を実現する放射線検出器を得ることができる。一方、Ｘ線が斜めに入射することによる解像度の低下は、高い解像度を有する放射線検出器のほうが顕著に表れる。すなわち、１００μｍ程度の解像度の放射線検出器では相対的に無視できていたような微小な入射角度の分布が、２μｍ程度の解像度の放射線検出器では、分解能の低下となって顕著に観察されるようになる。

ここで、本実施形態におけるシンチレータ結晶体１０２のタイリングについて、より詳細に説明をする。本実施形態では、発光点深さによる位置ずれ量Ｗが画素サイズよりも小さくなるようにシンチレータ結晶体１０２をタイリングする。

まず、シンチレータ結晶体１０２のサイズについて説明する。図１（ａ）に示すように、シンチレータ結晶体１０２に入射した放射線１０６は、発光点１０８を形成する。簡略化の為、上部と下部で発生する発光点を考える。シンチレータ結晶体１０２は理想的な光導波特性を有する為、発光点１０８で発生したシンチレーション光は、中心軸１０７に沿って導波される。よって、各々のシンチレータ結晶体の中心のように、放射線１０６の入射方向が中心軸１０７と一致する場合には、上部の発光点で生じたシンチレーション光と下部の発光点で生じたシンチレーション光とは、受光素子上の同じ位置に入射する。よって、得られる放射線画像は、シンチレータ結晶体表面に実際に入射した放射線の強度分布の像と一致する。

一方、各々のシンチレータ結晶体の端部のように、放射線１０６がシンチレータ結晶体１０２の中心軸１０７と角度θ_１を成して入射する場合には、上部で生じたシンチレーション光と下部で生じたシンチレーション光とは、受光素子上の異なる位置に入射する。よって、得られる放射線画像は、シンチレータ結晶体表面に実際に入射した放射線の強度分布が発光点の深さによって生じる位置ずれに起因してボケた像となる。発光点の深さによって生じる位置ずれ量Ｗは、シンチレータ結晶体の厚さをＴ、各々のシンチレータ結晶体の中心軸と放射線の成す角度をθ_１として、Ｗ＝Ｔ×ｔａｎθ_１となる。シンチレータ結晶体１０２のサイズＲが大きくなる程、θ_１が大きくなる為、像のボケ量が大きくなる。よって、本実施形態では、発光点の深さによって生じる位置ずれ量Ｗが受光素子の画素サイズＤ以下になるように、シンチレータ結晶体のサイズＲを制限する。放射線発生源と放射線発生源とシンチレータ結晶体の放射線入射面（放射線源側の表面のことを指す）との距離をＬ―Ｔ、放射線発生源とシンチレータ結晶体の放射線到達面（受光素子側の表面のことを指す）との距離をＬとする。このとき、各シンチレータ結晶体の端部における中心軸とＸ線との角度θ_１＝ａｒｃｔａｎ（Ｒ／２Ｌ）である。よって、発光点深さによる位置ずれ量Ｗは、Ｗ＝Ｔ×ｔａｎθ_１＝ＴＲ／２Ｌで示される。よって、位置ずれ量Ｗを画素サイズ以下にするためには、ＴＲ／２Ｌ≦Ｄが成り立てばよく、結晶サイズＲはＲ≦２ＬＤ／Ｔが成り立つサイズであればよい。一方、同じ撮像面積を実現するためには、結晶体のサイズＲが小さい程シンチレータ結晶体のタイリングにコストがかかる。ずれ量Ｗを画素サイズより小さくしても、解像度はあまり向上しないため、シンチレータ結晶体のサイズＲは、１．６ＬＤ／Ｔ以上とすることが好ましい。

例えば、シンチレータ結晶体の厚さＴ＝２００μｍ、画素サイズＤ＝２μｍ、放射線発生源と放射線検出器との距離Ｌ＝５００ｍｍとした場合、受光素子上の位置ずれ量Ｗを画素サイズＤ以下にするには、θ_１を０．５７度以下にする必要がある。Ｒ≦２ＬＤ／Ｔより、許容される最大の結晶サイズはＲ＝１０ｍｍとなる。但し、結晶サイズとは、画素サイズが規定される方向における結晶の幅のことを指す。画素サイズは対角線の長さで規定されるため、受光素子の配列方向とシンチレータ結晶体の配列方向が一致する場合、結晶サイズは、結晶体の対角線の長さと一致する。

次に、中心軸の角度が異なるシンチレータ結晶体の具体的な並べ方について具体例を挙げて説明をする。シンチレータ結晶体は、その中心軸の延長線１１１が放射線源の焦点近傍で交差するように配置する。例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、放射線発生源の焦点３０１が放射線検出器１００の中心の法線方向に位置し、シンチレータ結晶体１０２を正方配列する場合を考える。図３（ｂ）は放射線検出器１００を放射線発生源の焦点３０１側から見た図である。この場合、中心から放射状に複数のシンチレータ結晶体１０２を配置し、それらの中心軸の延長線同士が放射線発生源の焦点３０１近傍で交差するようにする。シンチレータ結晶体と受光素子の配列方向はｘ軸とｙ軸であり、シンチレータ結晶体１０２のサイズＲはシンチレータ結晶体１０２の対角距離となる。

図３（ａ）、（ｂ）に示す矢印はシンチレータ結晶体の中心軸１０７の傾きの方向を模式的に示すものである。また、矢印の横に示した数字は、シンチレータ結晶体の厚さがＴ＝２００μｍ、画素サイズＤ＝２μｍ、Ｌ＝５００ｍｍ、結晶体のサイズＲ＝１０ｍｍとした場合の、それぞれのシンチレータ結晶体の中心軸１０７の傾きの角度を示すものである。尚、中心軸の傾きの角度とは、各シンチレータ結晶体における、中心軸と厚さ方向との角度とする。放射線検出器１００の中心位置とそれぞれのシンチレータ結晶体１０２の中心位置の距離をＨ（ｍｍ）とすると、それぞれのシンチレータ結晶体の中心軸１０７の傾き角度はｔａｎ^−１［Ｈ／Ｌ］となる。

一方、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、放射線発生源の焦点３０１が放射線検出器１００の中心からずれた位置の法線方向に位置する場合を考える。図３（ｄ）は放射線検出器１００を放射線発生源の焦点３０１側から見た図である。この場合では、中心からずれた位置から放射状に複数のシンチレータ結晶体１０２を配置し、各シンチレータ結晶体の中心軸１０７が放射線発生源の焦点近傍で交差するようにする。図３（ｄ）に示す矢印は各シンチレータ結晶体の中心軸１０７の傾きの方向を模式的に示すものであり、示した数字は、Ｒ＝１０ｍｍ、Ｌ＝５００ｍｍの場合におけるシンチレータ結晶体の中心軸１０７の傾きの角度を示すものである。

このように、シンチレータ結晶体のサイズＲと、最適な中心軸の傾きの角度とは放射線発生源と放射線検出器との距離や配置関係によって変わる為、放射線発生源の配置に合わせてシンチレータ結晶体をタイリングすることが好ましい。この場合、好ましい放射線検出器と放射線発生源との配置を放射線検出器本体や説明書等に記載しておくと、ユーザーが記載に合わせて放射線検出器と放射線源とを配置、計測ができるため好ましい。

またシンチレータ結晶体の配列方法は、図３に示したような、正方形の結晶体の正方配列に限定されず、例えば、交互にずらした正方配列や、六角形に切り出した結晶体の六角配列にすることも可能である。

図１（ｂ）は、厚みが異なるシンチレータ結晶体を有する放射線検出器の模式図である。放射線がシンチレータ結晶体の厚さ方向に対して斜めに入射すると、シンチレータ内における放射線の光路長が長くなる。光路長のばらつきにより放射線の阻止能のばらつく為、発光量のばらつきが生じ、結果として感度の不均一性に繋がる。よって、感度の均一性を高めるには、放射線の入射方向とシンチレータ結晶体の厚さ方向とのなす角度に応じて、シンチレータの厚さを変化させ、光路長のばらつきを低減することが好ましい。シンチレータ結晶体の中心軸は、Ｘ線の入射方向とほぼ一致すると考えられるため、シンチレータ結晶体の中心軸とシンチレータ結晶体の厚さ方向とがなす角度に応じてシンチレータの厚みを変えることが好ましいともいえる。具体的には、シンチレータ結晶体の中心軸とシンチレータ結晶体の厚さ方向とがなす角度が異なる２つのシンチレータ結晶体の厚みを比較したとき、角度が大きい方のシンチレータの方が、角度が小さい方のシンチレータよりも薄いことが好ましい。シンチレータ結晶体の中心軸とシンチレータ結晶体の厚さ方向とがなす角度が大きいほど、シンチレータ結晶体の厚みが薄いことがより好ましいが、シンチレータ結晶体の厚みは段階的に変化させても良い。例えば、シンチレータ結晶体の中心軸とシンチレータ結晶体の厚さ方向とがなす角度が０度と０．５度のシンチレータの厚みを３００μｍ、１度と１．５度のシンチレータの厚みを３００−ｘμｍ（ただし、ｘは正の数値）としても良い。

また、図１（ｂ）の様にシンチレータ結晶体の厚みを変える代わりに、発光量のバラつきを画像処理により補正しても良い。入射した放射線の全部がシンチレータ結晶体に吸収されるのに十分な光路長がない場合、光路長と発光量とは比例する。よって、放射線の入射角が大きいシンチレータ結晶体での発光量は相対的に多くなる。よって、検出結果に対して入射角に応じた発光量補正を行う演算装置を検出器と接続、又は検出器に組み込んでも良い。実際の入射角が不明な場合であっても、中心軸の延長線の交点に放射線源の焦点が配置されるものとみなして入射角を決めて補正を行うことができる。

また、図１を見ると分かるように、周辺部ではシンチレーション光は斜めに導波される。よって、受光素子表面に形成される光の強度分布は、シンチレータ結晶体の受光素子側表面に形成される放射線の強度分布を、中心部のシンチレータ結晶体（中心軸の傾きの角度が最も小さい結晶体）を中心として拡大されたような強度分布である。この拡大率は、放射線発生源と放射線検出器の放射線源側のシンチレータ表面との距離Ｌ−Ｔを放射線発生源と受光素子側のシンチレータ表面との距離をＬで除した値（（Ｌ−Ｔ）／Ｌ）であり、Ｌ＞＞Ｔが成り立つ撮像であれば無視できる程度である。しかしながら、ＴがＬの数％程度以上となる場合は、検出結果に対して、中心領域を中心とした縮小処理を行う演算装置を検出器と接続、又は検出器に組み込んでも良い。

本実施形態の放射線検出器は、放射線源とともに放射線計測システムを構成することができる。放射線検出システムにおいて、放射線源と放射線検出器との相対位置は固定されていても良いし、移動可能に構成されていても良いが、計測時にはシンチレータ結晶体のサイズＲと中心軸の傾き角度との設計値にあった相対位置に配置されることが好ましい。

以下、本実施形態の具体的な例を挙げて説明をする。

本実施例では、シンチレータ結晶体の製造方法の具体例及び製造したシンチレータ結晶体の中心軸と放射線の入射方向とのなす角度が解像度に与える影響について調べた結果にについて説明をする。

本実施例では、各々のシンチレータ結晶体は、複数の第１の相の材料としてＧｄＡｌＯ_３を、第２の相の材料としてＡｌ_２Ｏ_３を有する共晶相分離シンチレータ結晶体であり、Ｔｂ^３＋を発光中心として含有する。このような共晶相分離シンチレータ結晶体の製造方法について説明をする。

まず、ＧｄＡｌＯ_３に対してＴｂ^３＋を８ｍｏｌ％添加した材料とＡｌ_２Ｏ_３との組成比が、４６：５４（ｍｏｌ％）になるように、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔｂ_４Ｏ_７、Ａｌ_２Ｏ_３、を評量した。そして、これらの粉末を充分に混合し。これを原料粉末とした。これらの原料粉末をＩｒるつぼに入れて、誘導加熱によりるつぼを１７００℃まで加熱し、試料全体を溶解させた。そして、試料全体が溶解した後３０分保持してから、１８ｍｍ／ｈの速度で一方向凝固を行うことで試料を育成した。このようにして作製した試料を厚さ２５０μｍで切り出し、両面を研磨して試料とした。試料を走査型電子顕微鏡で観察したところ、この試料が、Ａｌ_２Ｏ_３相中に直径約１．２μｍの無数のＧｄＡｌＯ_３柱状構造体が埋め込まれたような相分離構造体であることが確認された。この試料は、Ｘ線照射により、５４５ｎｍ付近に緑色発光ピークを示した。

ここで、まず、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度がＸ線画像の解像度に与える影響について評価した。評価には８．２μｍ周期の金とシリコンからなるライン＆スペースの格子を被写体として用い、そのＸ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度と解像度との関係を評価した。評価系としては、シンチレータ結晶体の光取り出し面をレンズで拡大して二次元受光素子であるＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）に結像させることで、１画素の解像度が０．６５μｍとして取得可能なＸ線撮像系を用いた。放射線源としては、タングステン管球のＸ線源を用い、Ｘ線源と放射線検出器との距離はＬ＝２５ｃｍとし、４０ｋＶ、０．５ｍＡ、Ａｌフィルター有りの条件で得られるＸ線を撮像に用いた。

図４（ａ）に、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸とを一致（０度）させたときのＸ線画像を示す。また、その強度のラインプロファイルについて図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸とを一致させると、８．２μｍのパターン（１２２ラインペア／ｍｍに相当）を明瞭に解像できた。また、そのＣｏｎｔｒａｓｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＣＴＦ）値を、ライン撮像領域の明部（Ｉ_ｍａｘ）と暗部（Ｉ_ｍｉｎ）を用いてＣＴＦ＝（Ｉ_ｍａｘ−Ｉ_ｍｉｎ）／（Ｉ_ｍａｘ＋Ｉ_ｍｉｎ）として定義した場合、ＣＴＦ＝０．２６となった。このように、本実施例のシンチレータ結晶体を用い、且つ、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸とを一致させれば、周期が１０μｍ以下のパターンであっても、高いコントラストで撮像することができることが分かった。次に、シンチレータ結晶体を傾斜させ、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度を０．５度、０．７５度、１度、１．２度と変化させて同様に撮像を行った。図４（ｂ）に、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度が１．２度のときのＸ線画像を示す。また、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度が０．７５度、１．２度の場合のラインプロファイルを、図５（ａ）に示す。図５（ａ）から、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度が大きくなるほど、ラインの明部と暗部との強度差が小さいことが分かる。図５（ｂ）に、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度とＣＴＦ値との関係を示す。図５（ｂ）から、Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度が大きくなるに従い、ＣＴＦ値が低下することが分かる。Ｘ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸が成す角度が１．２度まで大きくなると、発光点深さによる位置ずれ量Ｗは、２５０μｍ×ｔａｎ１．２＝５．２μｍになる。こうなると、図４（ｂ）のように、８．２μｍのパターンを解像することができなくなってしまう。

このように相分離構造からなるシンチレータ結晶体は光ファイバーのような導波性を有する為、このようなシンチレータ結晶体と画素サイズが数μｍの高解像度センサとを用いれば、数μｍを解像できる高い空間分解能でＸ線画像を取得可能である。ただし、数μｍを解像できるほどに高い空間分解能を得るには、各々のシンチレータ結晶体において位置ずれ量Ｗが画素サイズ以下になるようにし、位置ずれ量による解像度の低下を抑えることが好ましい。

本実施例では、位置ずれ量Ｗが検出部の画素サイズ以下になるようなシンチレータのタイリング方法の具体例について説明する。シンチレータ結晶体は、実施例１で製造したものを用いた。

本実施例では、検出部として、画素サイズが２．５μｍの受光素子が２次元に配置された受光素子アレイを用いた。放射線発生源は放射線検出器の中心の垂直方向に、放射線源と放射線検出器との距離が２５ｃｍになるように配置されることを想定する。位置ずれ量Ｗが画素サイズ以下になるようにするには、２．５μｍ≧２５０μｍ×ｔａｎθ_１より、シンチレータ結晶体の中心軸とＸ線の入射方向との角度θ_１を０．５７度以下にする必要がある。各々のシンチレータ結晶体の中心でＸ線の入射方向とシンチレータ結晶体の中心軸とが成す角度が一致するものとすると、Ｒ≦２×２５０ｍｍ×２．５μｍ÷２５０μｍ＝５ｍｍとすれば位置ずれ量Ｗを画素サイズよりも小さくすることができる。

本実施例では、シンチレータ結晶体を正方形に切り出し、２次元に正方配列する。そして、受光素子が２次元に正方配列している検出部を用い、受光素子の２つの配列方向がシンチレータ結晶体の２つの配列方向と一致するようにシンチレータプレートと検出部とを組み合わせる。このように、受光素子の２つの配列方向とシンチレータ結晶体の２つの配列方向とが一致するとき、結晶サイズＲは対角距離であるため、本実施例では、シンチレータ結晶体の対角距離が５ｍｍとなるように、一辺３．５ｍｍの正方形で切り出した。このとき、図６に示すように、一方向凝固を行うことで取得した試料から、第一の相の延伸方向６０に対して斜めに切り出す。これにより、切り出したシンチレータ結晶体の中心軸（第一の相の延伸方向６０に一致する）とシンチレータ結晶体の第２の面の法線方向６１との角度を任意の角度とすることができる。本実施例では、シンチレータ結晶体の中心軸と第２の面の法線方向と成す角度が、０度を１枚、０．８１度を４枚、１．１５度を４枚、１．６２度を４枚、１．８１度を８枚、２．２９度を４枚の計２５枚のシンチレータ結晶体を切り出した。そして、図３（ｂ）のように、切り出した２５枚のシンチレータ結晶体を、中心部から放射状に角度が大きくなるように５×５列に二次元に配列して、全体として１７．５ｍｍ×１７．５ｍｍのサイズとして固定し、シンチレータプレートを得た。このシンチレータプレートを、二次元の受光素子アレイに対向するように配置し、放射線検出器とした。

このようにして得られた放射線検出器を用いて８．２μｍ周期の金とシリコンからなるライン＆スペースの格子を被写体として、Ｘ線画像を取得した。Ｘ線画像の取得は、タングステン管球のＸ線源を用い、６０ｋＶ、１．０ｍＡ、Ａｌフィルター有りの条件で得られるＸ線を用いた。各々のシンチレータ結晶体の中心、及び周辺部で８．２μｍのパターンを解像でき、全体として５×５列の１７．５ｍｍ×１７．５ｍｍ全域で、８．２μｍのパターンを解像可能なＸ線画像を取得することができた。このように、切り出しサイズを調節し、中心軸（導波方向と一致する）を徐々に傾斜させてシンチレータ結晶体をタイリングすることで、位置ずれ量Ｗを画素サイズＤ以下とすることができた。これにより、撮像範囲の全域で高解像度が得られる放射線検出器を作製することができた。

本実施例は、実施例２の放射線検出器を、Ｘ線トールボット干渉計の検出器として用いた具体例について説明をする。

本実施例のＸ線トールボット干渉計の模式図を図７に示す。Ｘ線トールボット干渉計は、Ｘ線源７０と、Ｘ線源からのＸ線７１を回折して干渉パターンを形成するＸ線回折格子７３と、干渉パターンを形成するＸ線を検出する検出器７４と、検出器の検出結果を用いて被検体７２の情報を取得する演算装置７５を備える。

Ｘ線トールボット干渉計については、例えば国際公開２０１０／０５０４８３号公報など多数の文献に詳細が記載されているため、詳細については省略する。一般的なトールボット干渉計は、干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子または吸収格子と呼ばれる格子を配置し、モアレを形成することで、数μｍ程度の周期を有する干渉パターンの情報を取得する。一方、本実施例のＸ線トールボット干渉計は、検出器７４として実施例２の放射線検出器を備えるため、検出器７４を干渉パターンが形成される位置に配置することで、干渉パターンの明暗を検出器７４で直接観察することができる。よって、検出器７４による検出結果を用いて、被検体７２による干渉パターンの変化を解析することで、被検体の位相、散乱、吸収に関する情報を取得することができる。

その他、Ｘ線源、回折格子、演算装置による干渉パターンの解析方法などは一般的なトールボット干渉計と同様である。尚、Ｘ線トールボット干渉計は、演算装置７５により取得した被検体の情報を表示する表示手段（不図示）を備えていても良い。また、Ｘ線トールボット干渉計は、演算装置７５やＸ線源７０を備えなくても良い。この場合、撮像時に任意のＸ線源と組み合わせることで、Ｘ線トールボット干渉計による撮像（干渉パターンの取得）を行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１００ 放射線検出器
１０１ シンチレータプレート
１０２ シンチレータ結晶体
１０３ 検出部
１０４ 基板
１０５ 受光素子
１０６ 放射線
１０７ 中心軸
２０２ 第１の相
２０３ 第２の相
２０４ 第１の相の周期
２０５ 第１の相の直径
２０６ シンチレーション光
２０８ 第１の面
２０９ 第２の面
３０１ 放射線発生源の焦点

Claims (11)

1. 複数の第１の相と、前記複数の第１の相のそれぞれの周りに位置する第２の相とを有するシンチレータ結晶体を複数有し、
   前記第１の相と前記第２の相とはシンチレーション光の屈折率が異なり、
   複数の前記シンチレータ結晶体のそれぞれの中心軸を延長した延長線同士が交差することを特徴とするシンチレータプレート。
2. 前記シンチレータ結晶体は第１の面と第２の面とを有し、前記第２の相は、前記第１の相の一部から前記第２の面の一部まで連続して存在することを特徴とする請求項１に記載のシンチレータプレート。
3. 前記第１の相を形成する第１の材料と、前記第２の相を形成する第２の材料とは共晶体を形成することが可能な組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載のシンチレータプレート。
4. 前記シンチレータ結晶体は、
   前記第１の材料と、前記第２の材料との共晶体を有することを特徴とする請求項３に記載のシンチレータプレート。
5. 前記第１の相は放射線の入射により前記シンチレーション光を発生し、
   前記第２の相は前記第１の相よりも前記シンチレーション光の屈折率が低いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシンチレータプレート。
6. 前記第１の相がＧｄを含有するペロブスカイト型酸化物材料であり、かつ該第１の相が発光中心として希土類元素を０．００１ｍｏｌ％以上含有し、該第２の相がアルミナであり、該第１の相がシンチレーション光を発することを特徴とする請求項３又は４に記載のシンチレータプレート。
7. 前記希土類元素がＴｂ、Ｅｕ、Ｃｅのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項６に記載のシンチレータプレート。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンチレータプレートと、
   前記シンチレータプレートからの光を検出する検出部とを備え、
   前記延長線同士が交差する交点と前記シンチレータプレートとの距離は、前記交点と前記検出部との距離よりも短いことを特徴とする放射線検出器。
9. 放射線源からの放射線を回折して干渉パターンを形成する回折格子と、
   前記干渉パターンを検出する放射線検出器とを備え、
   前記放射線検出器は、請求項８項に記載の放射線検出器であることを特徴とするトールボット干渉計。
10. 放射線源と、前記放射線源からの放射線を検出する放射線検出器とを備え、
    前記放射線検出器は請求項８項に記載の放射線検出器であり、
    前記放射線検出器は複数の受光素子を備え、
    前記受光素子の配列方向における前記シンチレータ結晶体の幅をＲ、前記配列方向における前記受光素子の幅をｄ、前記シンチレータ結晶体の厚さをｔ、前記放射線源とシンチレータ結晶体の放射線入射面との距離をＬとするとき、
    ＴＲ／２Ｌ≦Ｄ
    であることを特徴とする放射線計測システム。
11. 前記放射線源の焦点の少なくとも一部は、前記交点に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の放射線計測システム。