JP2023026246A - シンチレータパネル、および、放射線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦの向上に有利な技術を提供する。【解決手段】支持体と、入射する放射線に応じた光を生成するシンチレータと、前記支持体と前記シンチレータとの間に配され、前記光を反射する光反射層と、前記光反射層と前記シンチレータとの間に配され、前記光の一部を反射し他の一部を透過する半透過層と、前記光反射層と前記半透過層との間に配され、前記反射層と前記半透過層との間の光学距離を前記光が共振する長さにするための光学調整層と、を含む。【選択図】図１
Description
本発明は、シンチレータパネル、および、放射線撮像装置に関する。
医療画像診断や非破壊検査などで放射線撮影に用いられるフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）として、被写体を通過した放射線をシンチレータで光に変換し、シンチレータが発した光を受光素子で検出する間接変換方式のＦＰＤがある。ＦＰＤは、病変の早期発見や体内に埋め込まれるステントなどの医療機器の小型化などによって、より小さな物を鮮明に描写できることが求められる。つまり、ＦＰＤには、高い変調伝達関数（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）および高い検出量子効率（ＤＱＥ：Ｄｅｔｅｃｔｉｖｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が求められる。特許文献１には、シンチレータ層を形成する際に、柱状結晶の形成初期の結晶性を向上させることによって鮮鋭性（ＭＴＦ）を向上させ、シンチレータ層のセンサパネルとは反対の側に反射層を配することによって輝度（ＤＱＥ）を向上させることが示されている。
シンチレータ層において、発生した光が柱状結晶間を拡散していくことを完全に抑制することは難しい。また、特許文献１に示されるように反射層を設けた場合、ＤＱＥは高くなるが、散乱する光の成分が相対的に多くなり、ＭＴＦが低下してしまう。
本発明は、ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦの向上に有利な技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係るシンチレータパネルは、支持体と、入射する放射線に応じた光を生成するシンチレータと、前記支持体と前記シンチレータとの間に配され、前記光を反射する光反射層と、前記光反射層と前記シンチレータとの間に配され、前記光の一部を反射し他の一部を透過する半透過層と、前記光反射層と前記半透過層との間に配され、前記反射層と前記半透過層との間の光学距離を前記光が共振する長さにするための光学調整層と、を含むことを特徴とする。
上記手段によって、ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦの向上に有利な技術を提供する。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
また、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。
図１～１０を参照して、本実施形態によるシンチレータパネル、および、シンチレータパネルを用いた放射線撮像装置について説明する。図１には、本実施形態におけるシンチレータパネル１００を用いた放射線撮像装置２００の構成例が示されている。放射線撮像装置２００は、シンチレータパネル１００と、シンチレータパネル１００が備えるシンチレータ１０１から発せられた光を受光するためのセンサパネル２０１と、を含む。センサパネル２０１は、複数の撮像素子を含み、シンチレータ１０１から出力される光像を電気信号に変換する。放射線２０２は、図１に示されるようにシンチレータパネル１００の側から照射されてもよいし、センサパネル２０１の側から照射されてもよい。
図１に示されるように、シンチレータパネル１００は、支持体１０２、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５、シンチレータ１０１を含む。シンチレータ１０１は、入射する放射線に応じた光を生成する。光反射層１０３は、支持体１０２とシンチレータ１０１との間に配され、シンチレータ１０１が発する光を反射する。半透過層１０５は、光反射層１０３とシンチレータ１０１との間に配され、シンチレータ１０１が発する光の一部を反射し他の一部を透過する。光学調整層１０４は、光反射層１０３と半透過層１０５との間に配され、光反射層１０３と半透過層１０５との間の光学距離をシンチレータ１０１が発する光が共振する長さにする。ここで、支持体１０２、光反射層１０３、光学調整層１０４および半透過層１０５の組み合わせを、光反射部材１０７と呼ぶ場合がある。また、図１に示されるように、シンチレータ１０１と半透過層１０５との間に、保護層１０６をさらに含んでいてもよい。ここで、光反射部材１０７は、保護層１０６を含んでいてもよい。保護層１０６については、後述する。
シンチレータパネル１００（シンチレータ１０１）は、保護膜（図示せず）を用いて密閉されることによって、水分の浸入を抑制し、シンチレータ１０１の特性の劣化が抑制される。保護膜は、防湿性を備えるものであれば特に制限されることはなく、種々の材料を使用することができる。保護膜として、防湿性および被覆性の観点から、パリレン（パラキシリレン系ポリマー）などが用いられてもよい。
支持体１０２は、光反射部材１０７の構成要素である光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５、保護層１０６を保持するための部材である。また、図１に示される構成において、放射線２０２を透過させる。支持体１０２は、光反射部材１０７の各構成要素の保持と、放射線２０２を透過させることが可能であれば、特に制限されることなく、種々の材料を使用することができる。支持体１０２として、例えば、ガラス、アモルファスカーボン、プラスチック、金属、または、これらの材料を組み合わせた複合材料などが用いられてもよい。支持体１０２として金属を用いる場合、支持体１０２は、後述する光反射層１０３の機能を兼ねることもできる。
支持体１０２の上には光反射層１０３が配される。光反射層１０３を設けることによって、シンチレータ１０１からセンサパネル２０１とは反対の側に進む光をセンサパネル２０１の側に反射させ、シンチレータ１０１で生成された光を効率よく利用することができる。つまり、検出量子効率（ＤＱＥ：Ｄｅｔｅｃｔｉｖｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させることができる。
光反射層１０３として、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの金属材料が用いられてもよい。光反射層１０３は、１つの材料によって構成されていてもよいし、複数の種類の材料によって構成されていてもよい。つまり、光反射層１０３は、銀、アルミニウム、白金、および、金などのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。例えば、光反射層１０３として反射率が高い銀を主成分とする材料を用いた場合、以下に説明する本実施形態の効果が顕著に表れうる。ここで、光反射層１０３の主成分とは、光反射層１０３を構成する材料のうち含まれる成分が重量比またはモル比において最も多い材料のことをいう。
光反射層１０３は、上述の金属材料を支持体１０２の上に蒸着法やスパッタ法などを用いて形成することができる。反射率や平坦性、均一性などの観点から、光反射層１０３は、スパッタ法を用いて形成されてもよい。また、上述のように、アルミニウムなどの金属材料が支持体１０２に用いられ、光反射層１０３として機能してもよい。
光学調整層１０４は、光反射層１０３と半透過層１０５との間に配され、光反射層１０３と半透過層１０５との間の光学距離をシンチレータ１０１が発する光が共振する長さにする。より具体的には、光学調整層１０４は、光の共振効果によって特定の波長（本実施形態において、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長）の反射率を維持したまま、それ以外の波長の光の反射率を低下させる光共振器として作用するために用いられる層である。光学調整層１０４は、次に示す光学距離を満たす層であれば特に制限されることなく、種々の材料を使用することができる。
光学調整層１０４の光学距離Ｌ［ｎｍ］は、以下の式（１）を満たせばよい。
（λ／４）×（－１－（φ／π））＜Ｌ＜（λ／４）×（１－（φ／π））・・・（１）
ここで、λ［ｎｍ］は、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長である。φ［ｒａｄ］は、光反射層１０３および半透過層１０５における波長λ［ｎｍ］の光の位相シフトの和である。φは、負の値である。
（λ／４）×（－１－（φ／π））＜Ｌ＜（λ／４）×（１－（φ／π））・・・（１）
ここで、λ［ｎｍ］は、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長である。φ［ｒａｄ］は、光反射層１０３および半透過層１０５における波長λ［ｎｍ］の光の位相シフトの和である。φは、負の値である。
光学距離Ｌは、光学調整層１０４の波長λ［ｎｍ］における屈折率ｎと膜厚ｌ［ｎｍ］とによって、以下の式（２）のように決まり、
Ｌ＝ｎ×ｌ・・・（２）
と表される。したがって、光学調整層１０４の材料の屈折率ｎに応じて膜厚ｌ［ｎｍ］を調整することによって、共振波長を調整することができる。
Ｌ＝ｎ×ｌ・・・（２）
と表される。したがって、光学調整層１０４の材料の屈折率ｎに応じて膜厚ｌ［ｎｍ］を調整することによって、共振波長を調整することができる。
光学調整層１０４として、透明無機材料や透明樹脂などが用いられてもよい。例えば、光学調整層１０４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｇａ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。図１に示されるように、光学調整層１０４は、上述の材料を用いた単層構造であってもよい。また、光学調整層１０４は、上述の材料を用いた多層構造であってもよいが、界面における反射などの考慮が必要なため、単層構造の方が、積層構造よりも設計が容易になりうる。
光学調整層１０４は、用いる材料に応じて、蒸着法、スパッタ法、スピンコート法、スリットコート法、スプレー法などを用いて形成することができる。光学調整層１０４は、平坦性や均一性などの観点から、透明無機材料の場合、スパッタ法を用いて形成されてもよく、透明樹脂の場合、スピンコート法を用いて形成されてもよい。
半透過層１０５は、極めて薄い金属薄膜であり、光を透過させる機能と、光を反射させる機能と、の両方を備えた層である。シンチレータ１０１から半透過層１０５に入射する光の一部は、半透過層１０５、光学調整層１０４をへて光反射層１０３で反射され、さらに、反射された光の一部が再度、半透過層１０５で反射される。この作用によって光の共振効果が生じ、光学調整層１０４の膜厚に応じて、特定の波長の光の反射率を維持したまま、それ以外の波長の光の反射率を低下させる光共振器として作用する。
半透過層１０５は、光反射層１０３と同様に、銀、アルミニウム、白金、および、金などのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。半透過層１０５は、１つの材料によって構成されていてもよいし、複数の種類の材料によって構成されていてもよい。例えば、半透過層１０５は、銀を主成分とし、５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下の厚さを備えていてもよい。ここで、半透過層１０５が５ｎｍ以上である理由は、銀などを主成分とした金属薄膜は、膜厚が薄すぎるとアイランド状になり、層を形成しない傾向があるためである。一方、半透過層１０５が２０ｎｍ以下である理由は、光の透過率が低くなりすぎてしまうためである。つまり、シンチレータ１０１が発する光のうち光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８内に入る光の割合が少なくなり、光共振器１０８としての効果が弱くなるためである。
半透過層１０５は、上述の金属材料を光学調整層１０４の上に蒸着法やスパッタ法などを用いて形成することができる。蒸着法を用いて５ｎｍ程度の金属の薄膜を形成した場合、成長した金属は、アイランド状になり、層を形成しない傾向が強い。そのため、平坦性や均一性などの観点から、半透過層１０５は、スパッタ法を用いて形成されてもよい。また、半透過層１０５は薄膜であるため、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いて、金属が形成されてもよい。
シンチレータ１０１は、放射線を光に変換する。発した光をセンサパネル２０１に効率よく伝達するために、ハロゲン化アルカリ金属化合物を主成分とする柱状結晶に賦活剤を微量添加した材料が、シンチレータ１０１として広く用いられる。シンチレータ１０１は、それぞれの柱状結晶の間に空隙が形成され、結晶と空気との屈折率の違いによって、結晶中で光の一部が全反射を繰り返し、効果的に発した光をセンサパネル２０１に導波する。
シンチレータ１０１として、例えば、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、臭化セシウム（ＣｓＢｒ）などのハロゲン化アルカリ金属化合物が用いられてもよい。これらの材料うち、放射線（Ｘ線）から可視光線への変更率が比較的高く、潮解性が比較的低いことから、ヨウ化セシウムが用いられてもよい。
ヨウ化セシウムのみでは発光効率が低いため、シンチレータ１０１には、蛍光体母体であるヨウ化セシウムの他に、各種の賦活剤が添加されてもよい。賦活剤として、タリウム（Ｔｌ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ナトリウム（Ｎａ）などのハロゲン化物が用いられてもよい。賦活剤をヨウ化セシウムとともに蒸着することによって、シンチレータ１０１を形成することができる。例えば、賦活剤として、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）が用いられてもよい。蒸着法を用いてシンチレータ１０１を形成する際に、シンチレータ材量の蒸着源の鉛直上方側に、鉛直軸に対して斜めとなるように基板を設置することによって、形成される柱状結晶の結晶性が良くなり、ＭＴＦが向上しうる。
ハロゲン化アルカリ金属化合物の柱状結晶に賦活剤を微量添加したシンチレータ１０１は、潮解性を示すため、金属を用いた半透過層１０５とシンチレータ１０１とが、接触すると半透過層１０５の腐食など、不具合が起きる可能性がある。そのため、半透過層１０５とシンチレータ１０１との間には、保護層１０６が配されうる。
保護層１０６として、透明無機材料や透明樹脂などが用いられてもよい。透明無機材料として、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などから選ばれる１または複数の材料が用いられてもよい。また、透明樹脂として、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、パリレンなどから選ばれる１または複数の材料が用いられてもよい。パリレンは、防湿効果も備えており、腐食などを考慮した場合、保護層１０６に用いることに適している。また、保護層１０６は、単層構造であってもよいし、上述の材料を用いて積層された多層構造であってもよい。例えば、透明無機材料と透明樹脂とを積層してもよいし、互いに異なる種類の透明無機材料や互いに異なる種類の透明樹脂を積層してもよい。
保護層１０６は、用いる材料に応じて、蒸着法、スパッタ法、スピンコート法、スリットコート法、スプレー法などを用いて形成することができる。例えば、保護層１０６として、スパッタ法を用いて透明無機材料を形成した後に、蒸着法を用いてパリレンを形成した複合膜が使用されてもよい。この場合、保護層１０６のうち透明無機材料を用いた膜は、主に、極めて薄い金属膜である半透過層１０５の酸化や曇りを抑制するための膜である。そのため、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５、保護層１０６のうち透明無機材料膜までが、一貫してスパッタ法を用いて形成されてもよい。例えば、光反射層１０３の成膜から保護層１０６のうち透明無機材料膜が成膜されるまでの間、支持体１０２は、スパッタ装置の中で大気に曝されないように、連続して成膜が繰り返されてもよい。
センサパネル２０１は、シンチレータパネル１００によって放射線から変換された光と、光反射層１０３、光学調整層１０４および半透過層１０５を含み構成される光共振器１０８によって選択的に共振された光と、を電気信号に変換する。センサパネル２０１は、例えば、非晶質シリコンを用いたＰＩＮ型撮像素子やＭＩＳ型撮像素子などを含み構成されうる。センサパネル２０１には、ＰＩＮ型撮像素子やＭＩＳ型撮像素子など光電変換素子を構成するフォトダイオードを含む複数の画素が、２次元アレイ状に配されうる。また、センサパネル２０１は、複数の画素から出力される電気信号を処理するアンプなどのＣＭＯＳ回路を含み構成されうる。センサパネル２０１で得られた電気信号は、ＦＰＣ（図示せず）などの配線構造によって外部の電気基板に送られ、画像処理などを行うことにより放射線画像を得ることが可能になる。
次に、図２から図６を用いて、本実施形態のシンチレータパネル１００によって、ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦが向上する原理について詳細に説明する。図２は、シンチレータ１０１が発する光のスペクトルの一例を示す図である。ここでは、シンチレータ１０１が、ヨウ化セシウムを母材としヨウ化タリウムを賦活剤とした針状結晶によって構成されているシンチレータ（ＣｓＩ：Ｔｌ）であるとして説明する。図２に示されるように、シンチレータ１０１として用いるＣｓＩ：Ｔｌは、５５０ｎｍ付近に発光のピーク波長を有し、ピーク波長よりも短波長側の３００ｎｍ程度から長波長側の９００ｎｍ程度まで、ブロードな発光スペクトルを有する。
図３は、本実施形態の光反射部材１０７および比較例の光反射部材の入射角５°における反射率を示す図である。ここで、本実施形態の光反射部材１０７は、支持体１０２であるガラスの上に、光反射層１０３として銀、光学調整層１０４として酸化シリコン、半透過層１０５として銀薄膜、保護層１０６として酸化シリコンを、それぞれスパッタ法を用いて積層した基板である。一方、比較例の光反射部材は、支持体１０２であるガラスの上に、光反射層１０３としてアルミニウム（図３においてＡｌと表記）または銀（図３においてＡｇと表記）、保護層１０６として酸化シリコンを、それぞれスパッタを用いて成膜した基板である。つまり、比較例の光反射部材は、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８を備えていない。
図３から明らかなように、本実施形態の光反射部材１０７は、光共振器１０８によって、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長である５５０ｎｍ付近に、反射のピークを有している。一方、光共振器を備えていない比較例の光反射部材は、アルミニウムを用いた場合であっても銀を用いた場合であっても、波長による変化が少ないブロードな反射率になっている。
図４は、本実施形態の光反射部材１０７および比較例の光反射部材の入射角４５°における反射率を示す図である。図３とは、光の入射角のみが異なる。
図４から明らかなように、本実施形態の光反射部材１０７は、入射角が４５°になると４８０ｎｍ付近に反射のピークを有するようになる。そのため、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長と、光反射部材１０７の反射のピーク波長と、がずれるようになり、光の入射角が５°の場合と比較して、反射される光の強度が低下することになる。一方、比較例の光反射部材は、光の入射角が変化しても、ブロードな反射率になっている。
図５は、本実施形態の光反射部材１０７にシンチレータ１０１から光が入射した際の反射光の角度依存性が示されている。上述したような光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８の特性よって、光の入射角が光反射部材１０７の法線方向からずれると共振（干渉）波長がずれ、反射される光の強度が低下することになる。したがって、図５に示されるように、本実施形態の光反射部材１０７は、光反射部材１０７の法線方向に反射される光の強度が大きい、指向性を持った反射特性を有するようになる。
図６は、比較例の光反射部材にシンチレータ１０１から光が入射した際の反射光の角度依存性が示されている。比較例の光反射部材は、図３、４に示されるように、反射率に角度依存性が殆どないため、図６に示されるような等方的な反射特性を有するようになる。
以上、説明したように、シンチレータ１０１が発する光のうち光反射部材１０７の側に発せられた光は、光反射部材１０７の法線方向に対して斜めに入射した場合（つまり、散乱光）、反射される強度が低い。一方、光反射部材１０７の法線方向に近い光は、高い反射率で反射される。これによって、本実施形態の光反射部材１０７を備えるシンチレータパネル１００は、光反射層１０３を設けることによって高いＤＱＥが得られるだけでなく、散乱する光の成分を低減し、高いＭＴＦを実現することが可能になる。
図１に示される放射線撮像装置２００は、シンチレータパネル１００を、接着剤（図示せず）などの結合部材を介してセンサパネル２０１に貼り合せる構成を備える。結合部材の主成分は、シンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを結合する際に、粘着性を有する必要があり、例えば、アクリル系、エポキシ系、オレフィン系、シリコン系などの樹脂が用いられてもよい。光学的に透過率が高いアクリル系の樹脂が、結合部材として用いられてもよい。また、結合部材として、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、加熱溶融固化型ホットメルト樹脂（例えば、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系などを主成分とした樹脂）が用いられてもよい。
また、シンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを貼り合わせた後に、シンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを貼り合わせた側部の空隙に、樹脂材料など（図示せず）を充填してもよい。シンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを貼り合わせた側部から、水分が浸入することを抑制し、シンチレータ１０１の特性の劣化が抑制される。樹脂材料は、防湿性を備えるものであれば特に制限されることはなく、種々の材料を使用することができる。例えば、エポキシ樹脂などが利用できる。
このように、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８を備える光反射部材１０７を含むシンチレータパネル１００をセンサパネル２０１に貼り合わせる。この構成によって、ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦを向上させることが可能な放射線撮像装置２００を実現することができる。
放射線撮像装置２００は、上述のシンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを貼り合わせる構成に限られることはない。図７に示される放射線撮像装置２００’は、センサパネル２０１の上に直接、蒸着法などを用いてシンチレータ１０１を形成した後に、光共振器１０８を備える光反射部材１０７が貼り合わされている。何れの構成においても、センサパネル２０１は、シンチレータ１０１に対して、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８の側とは反対の側に配される。
図１に示されるように、シンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを貼り合わせる構成の場合、シンチレータ１０１は、光反射部材１０７の側がセンサパネル２０１の側よりも細くなりうる。一方、図７に示される構成において、シンチレータ１０１は、センサパネル２０１の側が光反射部材１０７の側よりも細くなりうる。つまり、図７に示される構成では、センサパネル２０１の上にシンチレータ１０１を直接、形成するため、シンチレータ１０１の構造が、図１に示されるシンチレータ１０１とは上下が反転したような構造になりうる。
図７に示される構成を有する放射線撮像装置２００’において、光反射部材１０７は、接着剤（図示せず）などの結合部材を介してシンチレータ１０１に貼り合わされる。光反射部材１０７とシンチレータ１０１とを結合する結合部材は、上述のシンチレータパネル１００とセンサパネル２０１とを結合する際に用いられる結合部材と同様の材料を用いることができる。
また、図７に示される構成を有する放射線撮像装置２００’において、光反射部材１０７とシンチレータ１０１とを貼り合わせた後に、光反射部材１０７とシンチレータ１０１とを貼り合わせた側部の空隙に、樹脂材料など（図示せず）を充填してもよい。光反射部材１０７とシンチレータ１０１とを貼り合わせた側部から、水分が浸入することを抑制し、シンチレータ１０１の特性の劣化が抑制される。樹脂材料は、防湿性を備えるものであれば特に制限されることはなく、種々の材料を使用することができる。例えば、エポキシ樹脂などが利用できる。
図７に示される放射線撮像装置２００’においても、図１に示される放射線撮像装置２００と同様に、光共振器１０８を備える光反射部材１０７が配される。したがって、上述の放射線撮像装置２００と同様にＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦを向上させることが可能な放射線撮像装置２００’を提供することができる。
以下、実施例のシンチレータパネル１００および比較例のシンチレータパネルについて説明する。先に、比較例から説明する。
比較例１
支持体１０２としてガラス基板を用意した。次いで、支持体１０２の上に、アルミニウムを用いた光反射層１０３を１２０ｎｍ、酸化シリコンを用いた保護層１０６（の一部）を２０ｎｍ、それぞれスパッタ法を用いて連続して成膜した。次に、パリレンを用いた保護層１０６（の一部）を１２μｍ、蒸着法を用いて成膜した。以上の工程で得られた比較例１の光反射部材に、ヨウ化セシウムを母材とし、ヨウ化タリウムを賦活材とする柱状結晶構造のシンチレータ１０１を、蒸着法を用いて形成し、比較例１のシンチレータパネルが得られた。
支持体１０２としてガラス基板を用意した。次いで、支持体１０２の上に、アルミニウムを用いた光反射層１０３を１２０ｎｍ、酸化シリコンを用いた保護層１０６（の一部）を２０ｎｍ、それぞれスパッタ法を用いて連続して成膜した。次に、パリレンを用いた保護層１０６（の一部）を１２μｍ、蒸着法を用いて成膜した。以上の工程で得られた比較例１の光反射部材に、ヨウ化セシウムを母材とし、ヨウ化タリウムを賦活材とする柱状結晶構造のシンチレータ１０１を、蒸着法を用いて形成し、比較例１のシンチレータパネルが得られた。
シンチレータ１０１を形成した後、シンチレータ１０１の先端側をＣＭＯＳ光検出器にＦｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｐｌａｔｅ（ＦＯＰ）を介して密着させ、支持体１０２の側から国際規格の線質ＲＱＡ５に準じたＸ線を照射した。このとき、シンチレータ１０１（シンチレータパネル）のノイズを表す指標であるＤＱＥ値として、空間周波数が１ｍｍ当たり０ラインペアー（０Ｌｐ／ｍｍ）に相当するＤＱＥ（０）値を１００とし、後述する実施例１～４および比較例２のＤＱＥ（０）値と相対比較した。また、シンチレータ１０１（シンチレータパネル）の分解能の指標であるＭＴＦ値として、空間周波数が１ｍｍ当たり２ラインペアー（２Ｌｐ／ｍｍ）に相当する値を、タングステン製のナイフエッジを用いたエッジ法によって求めた。このときのＭＴＦ（２）値を１００とし、後述する実施例１～４および比較例２のＭＴＦ（２）値と相対比較した。
比較例２
支持体１０２としてガラス基板を用意した。次いで、支持体１０２の上に、銀を用いた光反射層１０３を１２０ｎｍ、酸化シリコンを用いた保護層１０６（の一部）を２０ｎｍ、それぞれ連続してスパッタ法を用いて成膜した。次に、パリレンを用いた保護層１０６（の一部）を１２μｍ、蒸着法を用いて成膜した。以上の工程で得られた比較例２の光反射部材に、蒸着法を用いてヨウ化セシウムを母材とし、ヨウ化タリウムを賦活材とする柱状結晶構造のシンチレータ１０１を形成した。つまり、光反射層１０３に銀を用いた以外、比較例２のシンチレータパネルは、上述の比較例１のシンチレータパネルと同様の構造である。作製された比較例２のシンチレータパネルは、比較例１と同様の評価方法を用いて評価した。
支持体１０２としてガラス基板を用意した。次いで、支持体１０２の上に、銀を用いた光反射層１０３を１２０ｎｍ、酸化シリコンを用いた保護層１０６（の一部）を２０ｎｍ、それぞれ連続してスパッタ法を用いて成膜した。次に、パリレンを用いた保護層１０６（の一部）を１２μｍ、蒸着法を用いて成膜した。以上の工程で得られた比較例２の光反射部材に、蒸着法を用いてヨウ化セシウムを母材とし、ヨウ化タリウムを賦活材とする柱状結晶構造のシンチレータ１０１を形成した。つまり、光反射層１０３に銀を用いた以外、比較例２のシンチレータパネルは、上述の比較例１のシンチレータパネルと同様の構造である。作製された比較例２のシンチレータパネルは、比較例１と同様の評価方法を用いて評価した。
実施例１
まず、光学調整層１０４の膜厚を見積もった。ここで、光反射層１０３に銀、光学調整層１０４に光の透過率の高い酸化シリコン、半透過層１０５に銀、保護層１０６のうち半透過層１０５に接する部分に酸化シリコンを用いるとして設計を行った。酸化シリコンの屈折率ｎは１．４６、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長λは５５０ｎｍ、光反射層１０３および半透過層１０５で波長λ（５５０ｎｍ）の光がそれぞれ反射する際の位相シフトの和φ［ｒａｄ］は、おおよそ－πである。したがって、上述の式（１）を用いて光学調整層１０４の光学距離Ｌは、
０ｎｍ＜Ｌ＜２７５ｎｍ
となる。そのため、光学調整層１０４の酸化シリコンの膜厚は、式（２）を用いて、
０ｎｍ＜Ｌ＜１８８ｎｍ
であることが見積もれる。
まず、光学調整層１０４の膜厚を見積もった。ここで、光反射層１０３に銀、光学調整層１０４に光の透過率の高い酸化シリコン、半透過層１０５に銀、保護層１０６のうち半透過層１０５に接する部分に酸化シリコンを用いるとして設計を行った。酸化シリコンの屈折率ｎは１．４６、シンチレータ１０１が発する光のピーク波長λは５５０ｎｍ、光反射層１０３および半透過層１０５で波長λ（５５０ｎｍ）の光がそれぞれ反射する際の位相シフトの和φ［ｒａｄ］は、おおよそ－πである。したがって、上述の式（１）を用いて光学調整層１０４の光学距離Ｌは、
０ｎｍ＜Ｌ＜２７５ｎｍ
となる。そのため、光学調整層１０４の酸化シリコンの膜厚は、式（２）を用いて、
０ｎｍ＜Ｌ＜１８８ｎｍ
であることが見積もれる。
そこで、光学調整層１０４の酸化シリコンの膜厚を変化させて、光反射部材１０７の反射率を評価した。光学調整層１０４の酸化シリコンの膜厚を１６０ｎｍにすることによって、図３に示されるような、５５０ｎｍ付近に反射のピーク波長を有する光反射部材１０７が作製できた。
具体的には、ガラス基板を用いた支持体１０２の上に、銀を用いた光反射層１０３を１２０ｎｍ、酸化シリコンを用いた光学調整層１０４を１６０ｎｍ、銀を用いた半透過層１０５を８ｎｍ、酸化シリコンを用いた保護層１０６（の一部）を２０ｎｍ、それぞれスパッタ法を用いて連続して成膜した。次いで、パリレンを用いた保護層１０６（の一部）を１２μｍ、蒸着法を用いて成膜した。以上の工程で得られた実施例１の光反射部材１０７に、ヨウ化セシウムを母材とし、ヨウ化タリウムを賦活材とする柱状結晶構造のシンチレータ１０１を、蒸着法を用いて形成し、実施例１のシンチレータパネル１００が得られた。シンチレータ１０１の形成は、後述する実施例２～４を含め、上述の比較例１、２と同様である。
ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）を用いて形成されたシンチレータ１０１を観察すると、柱状結晶群の形成が確認できた。得られたシンチレータ１０１の膜厚は、８６０μｍであった。また、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いた分析では、シンチレータ１０１の支持体１０２の側のヨウ化セシウムに対するタリウム濃度は０．２９ｍｏｌ％、シンチレータ１０１のセンサパネル２０１の側のヨウ化セシウムに対するタリウム濃度は１．４０ｍｏｌ％であった。
図８は、本実施例のシンチレータ１０１の蒸着初期側（支持体１０２の側）のＳＥＭ観察像である。図９は、本実施例のシンチレータ１０１の先端側（センサパネル２０１の側）のＳＥＭ観察像である。図８および図９から、シンチレータ１０１の柱状結晶の蒸着初期側の、結晶の成長方向と交差する方向（図８、９に示されている矢印の方向）の太さは、おおよそ１．０μｍ～２．２μｍであった。一方、シンチレータ１０１の柱状結晶の先端側の、結晶の成長方向と交差する方向の太さは、おおよそ４．９μｍ～７．８μｍであった。図８および図９から明らかなように、シンチレータ１０１は、蒸着初期の結晶サイズが先端側の結晶サイズに比して微細化していることが分かった。
実施例１、および、以下に説明する実施例２～４において作製した本実施形態の光反射部材１０７を備えるシンチレータパネル１００は、比較例１、２と同様の評価方法を用いて評価した。
実施例２
半透過層１０５に用いた銀の膜厚を６ｎｍとした以外は、実施例１と同様に作製した。
半透過層１０５に用いた銀の膜厚を６ｎｍとした以外は、実施例１と同様に作製した。
実施例３
半透過層１０５に用いた銀の膜厚を１０ｎｍとした以外は、実施例１と同様に作製した。
半透過層１０５に用いた銀の膜厚を１０ｎｍとした以外は、実施例１と同様に作製した。
実施例４
半透過層１０５に用いた銀の膜厚を１２ｎｍとした以外は、実施例１と同様に作製した。
半透過層１０５に用いた銀の膜厚を１２ｎｍとした以外は、実施例１と同様に作製した。
次いで、図１０を用いて、実施例１～４のシンチレータパネル１００、および、比較例１、２のシンチレータパネルの特性について説明する。まず、比較例１と比較例２とのシンチレータパネルを比較すると、光反射層１０３に高い反射率を有する銀を用いた比較例２では、比較例１よりも高いＤＱＥ（０）値が得られた。しかしながら、ＭＴＦ（２）値が大幅に下がっている。これは、比較例２のシンチレータパネルにおいて、より多くの光が光反射層１０３によって反射されるが、課題にも示したように、相対的に散乱する光の成分が多くなってしまうためである。
一方、実施例１～４のシンチレータパネル１００は、何れも比較例１のシンチレータパネルよりもＭＴＦ（２）値が向上した。また、ＭＴＦ（２）値は、半透過層１０５に用いた銀の膜厚に依存し、膜厚が８ｎｍの実施例１において極大値を示し、比較例１よりも１．３倍もの高いＭＴＦ（２）値が得られた。また、実施例１のシンチレータパネル１００は、比較例１のシンチレータパネルと比較して、ＤＱＥ（０）値の低下も抑制されていることがわかった（－３％）。
半透過層１０５の銀の膜厚が６ｎｍと、実施例１のシンチレータパネル１００よりも薄い実施例２のシンチレータパネル１００において、実施例１よりもＭＴＦ（２）値が低下した。ＭＴＦ（２）値の低下の原因として、光反射層１０３で反射された光のうち半透過層１０５を透過する成分が多くなり、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８内での共振が弱くなったことが考えられる。また、実施例２においてＭＴＦ（２）値が低下した原因として、半透過層１０５の銀の膜厚が６ｎｍと薄いため、銀がアイランド状に形成され、半透過層１０５の膜の均一性が悪くなったことなども考えられる。
半透過層１０５の銀の膜厚が実施例１のシンチレータパネル１００よりも厚い実施例３、４のシンチレータパネル１００においても、実施例１よりもＭＴＦ（２）値が低下した。低下の原因として、半透過層１０５の膜厚が厚くなり、光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８内に入る光量が低下したことが考えられる。
しかしながら、実施例１～４のシンチレータパネル１００において、光共振器１０８を含まない比較例１、２のシンチレータパネルと比較して、ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦを向上させることが可能であることがわかった。つまり、本実施形態（本実施例）の光反射層１０３、光学調整層１０４、半透過層１０５によって構成される光共振器１０８を含むシンチレータパネル１００を用いた放射線撮像装置２００、および、光共振器１０８を含む放射線撮像装置２００’は、ＤＱＥの低下を抑制しつつ、ＭＴＦを向上させることが可能である。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１００：シンチレータパネル、１０１：シンチレータ、１０２：支持体、１０３：光反射層、１０４：光学調整層、１０５：半透過層
Claims (15)
- 支持体と、
入射する放射線に応じた光を生成するシンチレータと、
前記支持体と前記シンチレータとの間に配され、前記光を反射する光反射層と、
前記光反射層と前記シンチレータとの間に配され、前記光の一部を反射し他の一部を透過する半透過層と、
前記光反射層と前記半透過層との間に配され、前記光反射層と前記半透過層との間の光学距離を前記光が共振する長さにするための光学調整層と、
を含むことを特徴とするシンチレータパネル。 - 前記光学調整層の光学距離Ｌ［ｎｍ］が、
（λ／４）×（－１－（φ／π））＜Ｌ＜（λ／４）×（１－（φ／π））
を満たし、ここで、λ［ｎｍ］は、前記光のピーク波長、φ［ｒａｄ］は、前記光反射層および前記半透過層における波長λ［ｎｍ］の光の位相シフトの和であることを特徴とする請求項１に記載のシンチレータパネル。 - 前記光学調整層が、透明無機材料または透明樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のシンチレータパネル。
- 前記光学調整層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、および、ポリカーボネートのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載のシンチレータパネル。
- 前記光学調整層が、単層構造であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 前記光反射層が、銀、アルミニウム、白金、および、金のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 前記半透過層が、銀、アルミニウム、白金、および、金のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 前記半透過層が、銀を含み、５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下の厚さを備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 前記シンチレータが、ハロゲン化アルカリ金属化合物を主成分とする柱状結晶を備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 前記シンチレータと前記半透過層との間に、保護層をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 前記保護層が、透明無機材料または透明樹脂であることを特徴とする請求項１０に記載のシンチレータパネル。
- 前記保護層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、および、パリレンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載のシンチレータパネル。
- 前記保護層が、多層構造であることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか１項に記載のシンチレータパネル。
- 請求項１乃至１３の何れか１項に記載のシンチレータパネルと、
前記シンチレータから発せられた光を受光するためのセンサパネルと、
を含む放射線撮像装置。 - 入射する放射線に応じた光を生成するシンチレータと、
前記光を反射する光反射層と、
前記光反射層と前記シンチレータとの間に配され、前記光の一部を反射し他の一部を透過する半透過層と、
前記光反射層と前記半透過層との間に配され、前記光反射層と前記半透過層との間の光学距離を前記光が共振する長さにするための光学調整層と、
前記シンチレータに対して、前記光反射層が配される側とは反対の側に配され、前記シンチレータから発せられた光を受光するためのセンサパネルと、
を含むことを特徴とする放射線撮像装置。
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|---|---|---|---|
| JP2021132067A JP2023026246A (ja) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | シンチレータパネル、および、放射線撮像装置 |
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