JP2017150868A - 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結晶体を複数タイリングしたシンチレータプレートにおいて、全領域で入射するＸ線に対する不感領域がなく、欠損画素が生じないシンチレータプレートを提供する。【解決手段】本発明のシンチレータプレートは、柱状の複数の第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に対する屈折率が異なり、隣接する前記シンチレータ結晶体同士が接着層を介して接合されており、隣接する前記シンチレータ結晶体のそれぞれの第１の相の中心軸の延長線の少なくとも一部が、前記接着層を通過することを特徴とする。【選択図】なし

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。

被写体に放射線を照射し、透過した放射線を検出することで像を得る放射線撮影において、検出した放射線を電気信号に変換して像を得るデジタルラジオグラフィ（ＤＲ）が普及している。一般にＤＲでは、二次元状に配列した画素から成る受光素子と、受光素子面上に配置されたシンチレータ層から構成されるフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）が使用されている。

用途にもよるが、多くの場合ＦＰＤには数１０ｃｍ四方以上の広い撮像エリアが求められるため、シンチレータ層は大面積に形成する必要がある。このため大面積に形成可能な真空蒸着法や、シンチレータ粒子を分散させたバインダー剤を塗布する塗布法を用いてシンチレータ層は形成される。

特にヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を蒸着することで形成したシンチレータ層は、ヨウ化セシウムを針状結晶として成長させることで、針状結晶内での光導波によりクロストークが抑制されるため、高い位置分解能が得られる利点を有している。しかし、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１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。

屈折率の異なる２つの結晶相が完全に分離した相分離結晶体から成るシンチレータ層を作製するには、シンチレータ結晶を微細加工する手法、共晶組成の２相を一軸方向に相分離して成長させる手法などが考えられる。

しかしこれらの手法で数１０ｃｍ四方の大きな面積を有する相分離結晶体を得ることは技術的に困難であり、ＦＰＤのシンチレータ層として利用するには定形状に加工した複数の相分離結晶体を受光素子面上に敷き詰める（タイリングする）ことで広い撮像エリアを確保する必要がある。

タイリングする際、加工精度の限界から隣接する相分離結晶体間に僅かな隙間が生じる。この隙間は、加工精度にもよるが、数μｍから数十μｍ程度になる。特許文献１のように、隙間を光の反射、散乱を低減する適切な屈折率を有する媒質で充填することで、隙間に配置された画素へのＸ線入射量を増やし、Ｘ線画像への影響を低減することができる。

特開２０１３−２４８３３号公報

特許文献１のように、シンチレータ結晶体同士の隙間を適切な屈折率を有する媒質で充填すると、Ｘ線画像への影響を低減することができる。しかしながら、シンチレータ結晶体の第１の相と第２の相との屈折率によっては、適切な媒質を隙間に充填することが難しい可能性が考えられる。

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、タイリングするシンチレータ結晶体同士の配置を工夫することによって、シンチレータ結晶体同士の隙間が与えるＸ線画像への影響を低減できるシンチレータプレート、放射線検出器及び前記放射線検出器を備える放射線計測システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、シンチレータプレートは、柱状の複数の第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に対する屈折率が異なり、隣接する前記シンチレータ結晶体同士が接着層を介して接合されており、隣接する前記シンチレータ結晶体のそれぞれの第１の相の中心軸の延長線の少なくとも一部が、前記接着層を通過することを特徴とする。なお、本発明のその他の態様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、シンチレータ結晶体同士の隙間が与えるＸ線画像への影響を低減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、前記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放射線計測システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る放射線検出器の模式図である。 本発明の一実施形態に係るシンチレータ結晶体の一例の模式図である。 本発明の一実施形態に係る接着層の発光の導波を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＸ線のずれ量とタイリング角度の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシンチレータ結晶体の配置の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る放射線計測システムの一例の模式図である。

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は、柱状の複数の第１の相と、複数の第１の相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する。第２の相は、複数の第１の相同士の隙間を埋めるように位置することが好ましい。第１の相と第２の相とはシンチレーション光に対する屈折率が異なる。第１の相の屈折率とは、第１の相を構成する材料の屈折率のことを指し、第２の相の屈折率とは、第２の相を構成する材料の屈折率のことを指す。シンチレータ結晶体同士は、接着層を介して接合されている。

ここで、１つのシンチレータ結晶体に着目すると複数の第１の相が存在するが、複数の第１の相のそれぞれの中心軸の重心となる軸（方位）を、シンチレータ結晶体の中心軸とする。このシンチレータ結晶体の中心軸は、方位を示すものであり、シンチレータ結晶体内に複数存在する。シンチレータ結晶体のある点を通るシンチレータ結晶体の中心軸は接着層に接しており、この中心軸をさらに接着層側へ延長した延長線は接着層を通過する。

但し、シンチレータ結晶体中の任意の点を通る第１の結晶相の中心軸の延長線のすべてが接着層を透過しなくても良く、延長線の少なくとも一部が接着層を通過すれば良い。例えば、図１に示したシンチレータ結晶体の中心軸とその延長線１０７ｄ_１は接着層１０９ｃ、１０９ｄを通過しないが、シンチレータ結晶体の中心軸とその延長線１０７ｄ_２が接着層１０９ｄを透過する。よって、図１に示したシンチレータプレートにおいて、シンチレータ結晶体１０２ｄは、中心軸の延長線の少なくとも一部が接着層を通過しているとみなす。

この配置の場合、前述の接着層の中心軸と結晶体の中心軸とは交差し、接着層は結晶体の中心軸に対して傾くことになる。また、放射線検出器として用いる際、前述の接着層は放射線の入射方向に対して傾くことになる。

特許文献１に記載の放射線検出器のシンチレータプレートにおいて、シンチレータ結晶体同士の接着層は放射線の入射方向に対して略平行に配置されている。よって、隙間の影響を隙間の直下の画素及びその周辺の画素が受けていた。

一方、本実施形態のように、放射線の入射方向に対して接着層が傾いていると、延伸方向が平行の場合と比較して、多くの画素で隙間の影響を分担することができ、撮像画像への隙間の影響をより低減することができる。また、接着層が放射線の入射方向に対して傾いていることで、不感領域を小さくすることができる。

例えば、特許文献１に記載の放射線検出器のシンチレータプレートに対して垂直に放射線が入射するとき、シンチレータ結晶体同士の隙間に入射した放射線はシンチレータ光に変換されることなく、放射線のまま受光素子まで透過する。

一方、本実施形態のように、接着層が結晶体の中心軸に対して傾くようにシンチレータ結晶体がタイリングされていると、シンチレータプレートの表面において、シンチレータ結晶体の隙間に放射線が入射すると、その放射線は接着層を透過して接着層の下流に配置されたシンチレータ結晶体に入射し、シンチレーション光に変換され、受光素子で検出される。このように、本実施形態のシンチレータプレートは、不感領域を小さくまたはなくすことができる。

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１０６（１０６ａ、１０６ｂ）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〜１０２ｅ）を有する。シンチレータ結晶体１０２（１０２ａ〜１０２ｅ）のそれぞれは、図２に示す複数の第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。また、図１において、隣り合うシンチレータ結晶体同士の間には、接着層１０９（１０９ａ〜１０９ｄ）が設けられている。シンチレータ結晶体の中心軸は、各シンチレータ結晶体１０２（１０２ａ〜１０２ｅ）について、それぞれ符号１０７（１０７ａ〜１０７ｅ）で表す。尚、見易さのために、図１では、中心軸を放射線入射方向側（紙面上方向）に延長した延長線の一部も符号１０７（中心軸）として示している。

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。

ここでは、放射線１０６（１０６ａ、１０６ｂ）が放射線検出器１００に垂直に入射するものとみなし、シンチレータ結晶体１０２ｂ、１０２ｃに入射する放射線１０６（１０６ａ、１０６ｂ）と、シンチレータ結晶体１０２ｂ、１０２ｃの接着層１０９ｂとについて考える。

放射線１０６ａの入射方向と、シンチレータ結晶体１０２ｃの中心軸１０７ｃは一致しており、発光１０８ａは検出部１０３によって検出される。

一方、接着層１０９ｂを含む領域に入射する放射線１０６ｂについては、まずシンチレータ結晶体１０２ｃによる発光１０８ｂが生じ、この発光がシンチレータ結晶体１０２ｃの中心軸１０７ｃに沿って導波され、接着層（１０９ｂ）を介してシンチレータ結晶体１０２ｂに導波される。

導波された光は、シンチレータ結晶体１０２ｂによる発光１０８ｃと共に、シンチレータ結晶体１０２ｂの中心軸１０７ｂに沿って導波され、検出部１０３によって検出される。結果、接着層１０９ｂに相当するＸ線に対する不感領域は複数の画素に分配され、欠損画素が生じなくなる。

このように、隣り合う２つのシンチレータ結晶体の中心軸を延長した延長線が、接着層を通過するように配置して、接着層を放射線の入射方向に対して傾けることで、放射線の進行方向に対して上流に配置されたシンチレータ結晶体の発光が、下流に配置されたシンチレータ結晶体に導波されることになる。

シンチレータ結晶体１０２ａと１０２ｂ、１０２ｃと１０２ｄ、１０２ｄと１０２ｅの接着層についても同様であり、シンチレータの全領域で入射するＸ線に対する不感領域がないシンチレータプレートが得られる。

図２に、シンチレータ結晶体２０１の具体例の模式図を示す。シンチレータ結晶体２０１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２０１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、厚さ２０７を有するシンチレータ結晶体の第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、相対的に屈折率が高い相である高屈折率相が発光相として機能することが好ましい。この場合、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、シンチレータ光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する成分が多くなる。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。但し、第１の相の直径と周期のすべてがシンチレーション光の波長よりも大きい必要はなく、直径と周期がシンチレーション光の波長よりも小さな第１の相がわずかに含まれていても、シンチレーション光の導波性にはほとんど関係がない。

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１の相の直径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１の相の直径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１の相の直径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厳密に共晶組成から外れてはならないものではなく、共晶組成比近傍であれば共晶体を製造することができる。組成比の許容範囲は、共晶体の製造方法にもよるが、概ね、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の相の材料と第２の相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、発光中心の元素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。

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。一方で、Ｘ線が接着層に沿って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１０μｍ程度の接着層による不感領域が、１０μｍ以下、例えば２μｍ程度の解像度の放射線検出器では、欠損画素として顕著に観察されるようになる。

本実施形態では、シンチレータの接着層を放射線の入射方向に対して傾けてタイリングすることで、接着層による欠損画素の影響を低減する。図１に示すように、シンチレータプレート１０１は、シンチレータ結晶体１０２（１０２ａ〜１０２ｅ）を複数有する。隣り合う２つのシンチレータ結晶体同士は、接着層を介してタイリングされ、固定されている。この時、接着層を放射線の入射方向に対して傾けることで、放射線の入射方向に近いシンチレータ結晶体の発光が、放射線の入射方向から遠いシンチレータ結晶体に導波されるようにタイリングする。

ここで、接着層における光導波について図３により詳細に述べる。放射線３００がシンチレータ結晶体３０１ａに入射し、発光点３０３ａでシンチレーション発光を生じる。放射線３００の入射方向とシンチレータ結晶体３０１ａの導波方向は一致しており、シンチレータ結晶体３０１ａを導波する発光３０４ａは、シンチレータ結晶体の中心軸３０５に一致する導波方向に沿って接着層３０２に入射する。

シンチレータ結晶体３０１ａの第１の相の屈折率をｎ_ｓ、接着層の屈折率をｎ_ａ、シンチレータ結晶体３０１ａから接着層３０２への入射角をθ_ｓ、接着層３０２からシンチレータ結晶体３０１ｂへの入射角をθ_ａとすると、スネルの法則よりｓｉｎθ_ｓ×ｎ_ｓ＝ｓｉｎθ_ａ×ｎ_ａの関係がある。

ここで、特にシンチレータ結晶体として、ＧｄＡｌＯ_３−Ａｌ_２Ｏ_３共晶体を用いる場合、発光は第１の相であるＧｄＡｌＯ_３（屈折率２．０５）を導波し、接着層に入射する。接着層としては、例えばエポキシ樹脂（屈折率１．５５〜１．６１）、メラミン樹脂（屈折率１．６）、ポリスチレン（屈折率１．６）、塩化ビニリテン樹脂（屈折率１．６１）、ポリカーボネート（屈折率１．５９）などを用いることが可能である。

このように、ＧｄＡｌＯ_３の屈折率が高い為、一般的に用いられる接着層は相対的に低屈折率となり、接着層３０２を導波する発光３０４ｃはθ_ａ＞θ_ｓとなるように曲げられる。

タイリング角θ_ｔをシンチレータ結晶体の中心軸３０５に対する接着層の傾きとして、θ_ｔ＝９０−θ_ｓとする。ここで、θ_ｓが臨界角よりも大きい場合、すなわちタイリング角θ_ｔが浅すぎる場合は、発光３０４ａが接着層に入射せず全反射してしまう。よってタイリングによってシンチレータ結晶体３０１ａを導波する発光３０４ａがシンチレータ結晶体３０１ｂに導波することができる臨界タイリング角θ_ｔｃが存在し、θ_ｔｃ＝９０−ｓｉｎ^−１（ｎ_ａ／ｎ_ｓ）＝ｃｏｓ^−１（ｎ_ａ／ｎ_ｓ）で表わされる。タイリング角θ_ｔはθ_ｔｃより大きくする必要がある。

シンチレータ結晶体として、ＧｄＡｌＯ_３−Ａｌ_２Ｏ_３共晶体シンチレータを用いる場合、ｎ_ｓ＝２．０５であり、上述の樹脂を接着層として用いて、ｎ_ａ＝１．５の場合のθ_ｔｃ＝４３．０度、ｎ_ａ＝１．６の場合のθ_ｔｃ＝３８．７度、ｎ_ａ＝１．７の場合のθ_ｔｃ＝３４．０度となる。このように接着層の屈折率が大きくなるに従い臨界タイリング角θ_ｔｃは小さくなる。

接着層３０２を導波する発光３０４ｃは、シンチレータ結晶体３０１ｂに入射して屈折され、シンチレータ結晶体３０１ｂを導波する発光３０４ｂとなり受光素子によって検出される。一方、放射線３００は発光点３０３ｂでもシンチレーション発光を生じ、シンチレータ結晶体３０１ｂを導波する発光３０４ｄを生じ受光素子によって検出される。

このように、２つのシンチレータ結晶体間に介在する接着層によって、同一の放射線３００によって生じる発光３０４ｂと発光３０４ｄはずれた位置で受光素子に入射することになる。この発光３０４ｂと発光３０４ｄのずれ量ｄは、接着層の厚さをＴとして、ｄ＝Ｔ／ｃｏｓθ_ａ×ｓｉｎ（θ_ａ−θ_ｓ）となる。

図４（ａ）〜（ｃ）にシンチレータ層としてＧｄＡｌＯ_３−Ａｌ_２Ｏ_３共晶体を用い、ｎ_ａ＝１．５、ｎ_ａ＝１．６、ｎ_ａ＝１．７の接着層を用いた場合の、タイリング角θ_ｔとずれ量ｄを、接着層の厚さＴ＝２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍの場合に対して計算した結果を示す。傾向として、接着層の屈折率ｎ_ａが大きくなる程、また接着層の厚さＴが小さくなる程、ずれ量ｄは小さくなることがわかる。ここで、ずれ量ｄを受光素子の１画素よりも小さくすることで、実質的なボケを除去することができる。

ＧｄＡｌＯ_３−Ａｌ_２Ｏ_３共晶体シンチレータは、高い解像度を有しており、例えば画素サイズが２μｍ程度の高解像度センサを用いることも可能である。この時、例えば、屈折率ｎ_ａ＝１．６の接着層を用いた場合、Ｔ＝２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍに対して、ずれ量ｄを２μｍ以下にする為には、タイリング角をそれぞれθ_ｔ＝４３度、５２度、６２度、７２度より大きくしなければならない。

ここで、放射線１０６が放射線検出器１００に垂直に入射するとみなせない場合、シンチレータプレートの中心部から周辺部に向かうに従って、放射線が斜めに入射することになる為、シンチレータ結晶体の中心軸をそれに合わせて傾けることで、周辺部の解像度の低下を軽減することができる。この場合、シンチレータ結晶体の中心軸１０７ａ〜１０７ｅは一致せず、周辺部に向かうに従って内側に傾くことになる。

このように、隣り合うシンチレータ結晶体の中心軸が一致しない（平行でない）場合、タイリング角θ_ｔは、隣り合うシンチレータ結晶体の中心軸の中間値に対する接着層の傾きとすることで、本実施形態を同様に適用することができる。この時、シンチレータ結晶間のタイリング角θ_ｔをシンチレータプレート全面で一定になるようにすると、検出部１０３に対する接着層の角度はシンチレータプレート全面で一様にならない。

図１に示す検出部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、本実施形態による接着層によ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。

次に、シンチレータ結晶体の具体的な並べ方について説明をする。例えば、図５（ａ）に示すように、正方形の結晶体を正方配列する場合、隣り合う結晶体との接着層が、上述の臨界タイリング角θ_ｔｃより大きくなるようにタイリングする。図ではシンチレータプレートの中心部に対して対称となるようにタイリング角θ_ｔを設けているが、全ての接着面が同じ方向に傾いていても良い。放射線の入射方向に対して接着層が傾いていることが好ましく、放射線はシンチレータプレートの厚み方向に対して略平行に進行するか、図６のＸ線６１のように発散して進行する。よって、図１に示したように、接着層の中心軸を検出部の方向に延長した場合に中心軸同士が交差するような方向に傾けることが好ましい。

また、４つの結晶体の接着層が重なる辺を無くすために、図５（ｂ）に示すような交互にずらした正方配列にすることも可能であり、また多角形に切り出した結晶体の配列にすることも可能である。また、接着層は、臨界タイリング角θ_ｔｃより大きければ、平面状以外に曲率を持っていてもよい。
以下、本実施形態の具体的な例を挙げて説明をする。

（実施例１）
本実施例は、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接着界面を傾けてタイリングさせた場合のＸ線の撮像結果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２．５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ５００μｍで切り出し、両面を研磨した。

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。作製した試料の２枚を、その接着層のタイリング角θ_ｔが６０度になるように、屈折率１．５の接着剤を用いて接着し、５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ５００μｍの試料とした。また比較の為、タイリング角θ_ｔが０度の試料も用意した。

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。また接着層の厚みは１０μｍ程度であった。

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、接着層の解像度をＸ線画像から評価した。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線はシンチレータ結晶体に垂直に入射する配置とし、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。

タイリング角θ_ｔが６０度の試料では、接着層を含む領域においても８．２μｍのパターン（１２２ラインペア／ｍｍに相当）を明瞭に解像できており、８．２μｍのパターンが途切れることなく連続したＸ線画像を得ることができた。一方、比較としてタイリング角θ_ｔが０度の試料では、接着層の１０μｍ程度の厚みに加え、接着層に対応する領域がシンチレータ結晶体に対して相対的に低屈折率であることから、全反射から漏れた発光の導波路となり、シンチレーション光の入射光量が大きく飽和してしまい、約２０μｍに渡って８．２μｍのパターンを解像できない領域が存在した。

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、高解像度でＸ線画像を取得できるが故に、タイリングする接着層をも画像化してしまう。よって、本実施例のように、タイリング角度を適切に設定して、隣り合うシンチレータ結晶体を傾けてタイリングすることで、全域で数μｍ程度のパターンを解像できる放射線検出器を作製することができた。

（実施例２）
本実施例は、実施例１の放射線検出器を、放射線計測システムとしての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６に示す。Ｘ線トールボット干渉計は、Ｘ線源６０と、Ｘ線源からのＸ線６１を回折して干渉パターンを形成するＸ線回折格子６３と、干渉パターンを形成するＸ線を検出するＸ線検出器６４と、Ｘ線検出器の検出結果を用いて被検体６２の情報を取得する演算装置６５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、Ｘ線検出器６４として実施例１の放射線検出器を備える。このため、Ｘ線検出器６４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Ｘ線検出器６４で直接観察することができる。よって、Ｘ線検出器６４による検出結果を用いて、被検体６２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６５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６５やＸ線源６０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例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、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
１０８ 発光
１０９ 接着層
２０１ シンチレータ結晶体
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
２０７ シンチレータ結晶体の厚さ
２０８ 第１の面
２０９ 第２の面
３００ 放射線
３０１ シンチレータ結晶体
３０２ 接着層
３０３ 発光点
３０４ａ シンチレータ結晶体３０１ａを導波する発光
３０４ｂ シンチレータ結晶体３０１ｂを導波する発光
３０４ｃ 接着層３０２を導波する発光
３０４ｄ シンチレータ結晶体３０１ｂを導波する発光
３０５ シンチレータ結晶体の中心軸
ｄ 発光３０４ｂと発光３０４ｄのずれ量
θ_ｓ シンチレータ結晶体３０１から接着層３０２への入射角
θ_ａ 接着層３０２からシンチレータ結晶体３０１への入射角
Ｔ 接着層厚さ
ｎ_ｓ 第１の相の屈折率
ｎ_ａ 接着層の屈折率
６０ Ｘ線源
６１ Ｘ線
６２ 被検体
６３ Ｘ線回折格子
６４ Ｘ線検出器
６５ 演算装置

Claims (7)

1. シンチレータプレートであって、
   柱状の複数の第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に対する屈折率が異なり、
   前記シンチレータ結晶体同士が接着層を介して接合されており、且つ、
   前記シンチレータ結晶体のそれぞれの中心軸の延長線の少なくとも一部が、前記接着層を通過することを特徴とする、シンチレータプレート。
2. 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１の相の屈折率ｎ_ｓは前記第２の相の屈折率に対して高屈折率であり、前記シンチレータ結晶体同士が屈折率ｎ_ａの接着層を介して接合され、前記接着層のシンチレータ結晶体の中心軸に対する傾きθ_ｔが、θ_ｔ＞ｃｏｓ^−１（ｎ_ａ／ｎ_ｓ）の関係を満たすことを特徴とする、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のいずれか１項に記載のシンチレータプレート。
4. 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、
   前記第１の相が発光中心として希土類元素を０．００１ｍｏｌ％以上含有し、
   前記第２の相がアルミナであることを特徴とする、請求項２又は３に記載のシンチレータプレート。
5. 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４に記載のシンチレータプレート。
6. 請求項１乃至５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、
   を備えることを特徴とする、放射線検出器。
7. 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６に記載の放射線検出器であることを特徴とする、放射線計測システム。

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