JP4103349B2

JP4103349B2 - 多チャンネル放射線検出器

Info

Publication number: JP4103349B2
Application number: JP2001200340A
Authority: JP
Inventors: 健一角田; 信行山田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: JP2003014852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放射線検出器に関し、特にＸ線、γ線などの放射線を使うコンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置等に使用される放射線検出器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線ＣＴ装置では、被撮影体に関して放射線源（例えばＸ線管）と対称の位置に多数の放射線検出器を隣り合わせて並べて各検出器の位置での放射線強度を測定して、被撮影体の内部構造を観察するようになっている。隣り合って並べられた各放射線検出器は各画素に相当するものなので、出来るだけ小さく作るとともに隣の検出器との間隔を狭くして、解像度、分解能を上げるように作られている。
【０００３】
放射線検出器は、放射線シンチレータと半導体光検出素子とを積層した構造をしており、シンチレータが放射線源側に開口してＸ線などの放射線をシンチレータで受けるようになっている。シンチレータはＣｄＷＯ₄、Ｂｉ₄Ｇｅ₃Ｏ₁₂、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ：Ｐｒ（Ｃｅ，Ｆ）などで作られていて放射線が入射すると可視光を発生する。この可視光をシンチレータの裏に付けられた半導体光検出素子に入射させて電気信号に変換する。あるシンチレータに入射した放射線がそのシンチレータを通過して隣にあるシンチレータに再度入射するといわゆるクロストークと呼ばれる現象が生じて分解能が低下するので、シンチレータの間には放射線が通過しないようにＭｏ、Ｗ、Ｐｂなどの金属板で作られた遮蔽板が設けられている。
【０００４】
また、シンチレータで発生した可視光は全立体角の方向に発生するがシンチレータの裏に付けられた半導体光検出素子に導かれる必要がある。そこで、シンチレータは、その半導体光検出素子と対向している面を除いて光反射性のよいもので周囲が覆われている構造をしている。シンチレータとシンチレータとが隣り合っている面は、特に大きいので、この隣接面間に白色塗料を塗布したり、白色塗料をＭｏなどの遮蔽板の上に付けたものをシンチレータ間に入れることも行われている。この白色塗料としては酸化チタンをエポキシ系などの樹脂で混練したものが使用されることが多い。
【０００５】
このために、放射線検出器では、Ｍｏなどで作られた放射線遮蔽板の両面に酸化チタンなどを樹脂で固めた光反射板（あるいは膜）を付けたもの（セパレータなどと呼ばれることがある）をシンチレータ間に介装させた構造とすることが多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＭｏやＷ、Ｐｂなどで放射線遮蔽板を作るには５０〜１００μｍ程度の厚さにＭｏ，Ｗ、Ｐｂなどの板を加工する必要があるが、鉄やアルミニウム等の金属に比べ軟らかかったり硬かったりと、これらの材料は極めて加工が困難なために、正確な厚さにするのが困難である。そのために、各シンチレータ間のピッチ寸法に狂いが生じることがある。
【０００７】
また、ＭｏやＷ、Ｐｂなどの放射線遮蔽板とシンチレータとを交互に積み重ねたものを、その放射線入射面と光放出面とをラッピングなどで加工する。この研磨時に、シンチレータは加工されやすく、放射線遮蔽板は加工されにくいために、遮蔽板がシンチレータから突出して残ってしまう。この積層したものを、半導体光検出素子に装着すると、突出したＭｏやＷ、Ｐｂなどで光検出素子面を傷つけることがあった。
【０００８】
酸化チタンと樹脂からなる光反射板（あるいは膜）を用いる場合には更に別の問題が生じていた。光反射板を作る際に８０℃程度に加熱するが、この加熱によってエポキシ系などの樹脂が変色して、光反射板の反射率が低下したり、その加工時に研削液、砥粒等によって、その表面に傷が付いたり、汚染が生じたりして、局部的な反射率の低下を発生することがあった。
【０００９】
更に、光反射板の加工時にその厚さが均一にならなかったり、反りが生じたりした。これらのために、反射率が変わり、ひいては素子からの出力の変動が生じていた。
【００１０】
そこで本発明では、ＭｏやＷ、Ｐｂなどに代えて放射線遮蔽能が高いとともに光反射性能の大きな白色混合物で各シンチレータ同士の間とシンチレータの周囲に充填被覆した多チャンネル放射線検出器を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一例による多チャンネル放射線検出器の斜視図を図１にその２−２断面を図２に示している。また本発明の他の例による多チャンネル放射線検出器の斜視図を図３にその４−４断面を図４に示している。これら多チャンネル放射線検出器では、半導体光検出素子板１の上に多数のシンチレータ２、２′が隣り合って並べられている。半導体光検出素子板１のシンチレータ２、２′と対向している面上にはそれぞれシンチレータ２、２′と対応した半導体光検出素子が設けられている。図１，２に示すシンチレータ２と半導体光検出素子は長方形となっていて複数個が横に並べられている。図３，４に示すシンチレータ２′と半導体光検出素子はそれぞれが正方形をしていて、縦横に複数個が並べられている。図１，２では４組の放射線検出器が、また図３，４では１６組の放射線検出器が示されているが、これらの数はわかりやすくするために少なくして示してあるもので、実際は例えばそれぞれ１６個×１６個もしくは１６個×２４個とすることができる。シンチレータ２、２′同士の間及びシンチレータ２、２′の周囲に放射線遮蔽能のある白色混合物５を充填している。本発明では、この放射線遮蔽能のある白色混合物５はＢａあるいは希土類元素の少なくとも１種の酸化物と、ルチル型酸化チタンと樹脂とからなるものである。シンチレータ２、２′の放射線入射面にはルチル型酸化チタンと樹脂からなる光反射層６を貼り付けている。図１，３において放射線遮蔽能のある白色混合物５の部分及び光反射層６を他と区別するために二点破線で示している。
【００１４】
Ｘ線ＣＴ装置に多チャンネル放射線検出器が用いられている場合、Ｘ線が放射線検出器の上面に貼り付けられている光反射層６を通ってシンチレータ２、２′に入る。シンチレータ２、２′の中でＸ線は可視光に変換される。可視光はシンチレータ２、２′の下面が貼り付けられている半導体光検出素子に達してその量と、必要により、エネルギーが測定される。可視光はＸ線から変換された点から全立体角の方向に出るが、半導体光検出素子の方向に向かわなかったものは、シンチレータ２，２′の周囲に充填、貼り付けてある白色混合物５によって反射される。また上方向に向かった可視光はシンチレータ上面に貼り付けられている光反射層６によって反射されてシンチレータ内に反射される。そのために、可視光はシンチレータ内を半導体光検出素子に導かれる。
【００１５】
シンチレータに入射したＸ線のうちある部分は可視光に変換されないで、そのままでシンチレータを通過する。多チャンネル放射線検出器のように複数の放射線検出器が並んでいる場合、シンチレータを透過して隣接するシンチレータに入射するＸ線はクロストークを生じる。しかし本発明のように重金属元素を含有する放射線遮蔽能のある白色混合物で各シンチレータの周囲を被覆していると、クロストークを防ぐことができる。
【００１６】
本発明に用いている放射線遮蔽能のある白色混合物は上に述べたように、Ｂａあるいは希土類元素の少なくとも１種の酸化物を含んでいる。Ｂａ，希土類元素のような重金属元素を含むことによって放射線遮蔽能を高めている。ここで使用する化合物は光反射能力を大とするために白色である必要がある。Ｂａ化合物は一般に白色である。希土類元素化合物のあるものは着色しているものがある。セリウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、イッテルビウムなどの化合物は白色であり、また入手も容易なので用いるのに適している。化合物のうちでも、酸化物は安定であり取り扱いが容易である。
【００１７】
この白色混合物は好ましくは、酸化バリウム、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化ディスプロシウム、酸化イッテルビウムのいずれか少なくとも１種を１４〜７２ｗｔ．％と、ルチル型酸化チタンを８〜６７ｗｔ．％と、樹脂を２０〜７８ｗｔ．％とを含んでいる。更に好ましくは酸化バリウム、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化ディスプロシウム、酸化イッテルビウムのいずれか少なくとも１種を２５〜７２ｗｔ．％と、ルチル型酸化チタンを８〜５４ｗｔ．％と、樹脂を２０〜６７ｗｔ．％とを含んでいる。ここで使用する樹脂は透明あるいは白色のものが適しており、例えばエポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂などがよい。
【００１８】
この白色混合物は図５のフローチャートに従って準備することができる。所定量の重金属元素化合物（Ｂａあるいは希土類元素の少なくとも１種の酸化物）とルチル型酸化チタンと樹脂とを秤量して塩化ビニル製ポットに入れる。次にポットの中心軸が鉛直から３０°程度傾くようにして大気中にて約１０００ｒｐｍで自転させながら約２０００ｒｐｍにて公転させて２分間撹拌して脱泡する。撹拌後「だま」が残っているようだったらそれを潰して再度撹拌する。次にポットのまま真空容器に入れて９×１０^−３ＭＰａ以下の真空にして１０分間脱泡する。撹拌でとりきれない微小な泡を除く。これを再度撹拌して多チャンネル放射線検出器の放射線遮蔽能のある白色混合物として用いる。
【００１９】
シンチレータと半導体光検出素子とを積層した放射線検出器を複数個並べた多チャンネル放射線検出器は、本発明に従って次のように製造される。
【００２０】
すなわち、複数個の放射線検出器に用いるのに十分な大きさのあるシンチレータウェファを用いて、保持シート上にこのウェファの一面を貼り付け、
ウェファを前記保持シート上に貼り付けたままで所定幅となるようにシンチレータウェファをスライスしてシンチレータ間に間隙を設けて分離し、
スライスしたシンチレータ上にＢａあるいは希土類元素の少なくとも１種の酸化物と、ルチル型酸化チタンと樹脂とからなる放射線遮蔽能のある白色混合物を注ぎ、シンチレータ同士の間隙及びシンチレータの周囲に充填した後、樹脂を硬化させて、複数個のシンチレータを白色混合物で一体化したものを得て、
この一体化した複数個のシンチレータを所定寸法に加工し、その一面にルチル型酸化チタンと樹脂とからなる光反射層を貼り付けて、
その反対面に半導体光検出素子を貼り付けることによる。
【００２１】
この製造方法を図６にフローチャートにて示している。ここでまず加工治具上に貼り付けた発泡シート（保持シート）の上に必要とする大きさをしたシンチレータウェファを貼り付ける。次の溝切断工程で、外周スライサにてシンチレータウェファを切断してシンチレータ間に間隙を付ける。シンチレータウェファを貼り付けている発泡シートの厚みの半分程度まで切断する。溝を付けてシンチレータ個々を分離したシンチレータウェファの上に、次の白色混合物充填工程で、図５のフローチャートに従って準備した白色混合物を注いで、このシンチレータウェファを塩化ビニル製ポット内に入れて、自転と公転をさせることでシンチレータ間隙内及びシンチレータ周囲に白色混合物を充填する。次に大気中で約８０℃に加熱して３時間保持することで樹脂を硬化させて、白色混合物層とする。加工工程でシンチレータを必要な寸法に加工するとともに、シンチレータの放射線入射面及び半導体光検出器との対向面に付着している白色混合物を除去する。光反射層塗布工程でシンチレータの放射線入射面にルチル型酸化チタンと樹脂とを混合した光反射材を塗布して硬化させて光反射層とする。光反射層に用いるルチル型酸化チタンと樹脂との混合物は図５に示した白色混合物の準備フローチャートに準じて用意することができる。このシンチレータ組立品に加工した上で半導体光検出器を貼り付けて多チャンネル放射線検出器とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明を以下に示す実験によって更に詳しく説明する。
【００２３】
実験１
ここでは希土類元素化合物として酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）を用い、これとルチル型酸化チタン（ＴｉＯ₂）とエポキシ樹脂とを表１のＮｏ．１〜３１に示す組成になるように配合したものについて、図５を参照して述べた製造方法に従って、白色混合物を準備した。各白色混合物についてＸ線遮蔽率、クロストーク及び光反射率を測定し、それらの測定値とともに成型品の状況を表１に示している。
【００２４】
Ｘ線遮蔽率は図７（ａ）に示すようにシンチレータ板７１に管電圧１２０ＫＶのＸ線を透過させた時の出力（Ｘ）と、図７（ｂ）に示すようにシンチレータ板７１の一面に被測定白色混合物で作った３０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍを貼り付けた試料７２に同じＸ線を透過させた時の出力（Ｙ）から
Ｘ線遮蔽率（％）＝（Ｘ−Ｙ）／Ｘ×１００（％）
で求めたものである。
【００２５】
光反射率は３０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍの白色混合物に５１２ｎｍ波長の光を照射して、その反射光の強さをルチル型酸化チタン５０ｗｔ．％と樹脂５０ｗｔ．％からなる白色混合物の場合の反射光の強さとの比で示している。またこの表で成型品の状況は、ボイドが多いかどうかで示している。
【００２６】
クロストークは図８に示すように、ある一つのシンチレータ２の受光窓を残してその周りにあるシンチレータ２の受光窓をＸ線の透過しない程度の厚さをしているＰｂ板８で塞いで、受光窓の開いたシンチレータの出力の大きさと、その周辺にあるシンチレータの出力の比を次式で求めたものである。
【００２７】
クロストーク（％）＝（Ｋ＋Ｌ）／２Ｍ×１００（％）
表１の試料Ｎｏ．１から６は酸化ガドリニウムを含有していないもので、ルチル型酸化チタンと樹脂とからなる白色混合物であり、これらはいずれも光反射率は１００％であるがＸ線遮蔽率は０％であり、クロストークも大きなものであった。酸化ガドリニウムを含有している試料Ｎｏ．７から３１ではいずれもＸ線遮蔽率が大きくなっていてクロストークが小さくなっている。その中でもルチル型酸化チタンを含んでいないＮｏ．１２，１６，２３，２８，３０および３１ではいずれも光反射率が低下している。またＮｏ．２９のように酸化ガドリニウムを多く含んでいるものはＸ線遮蔽率が大きくなりクロストークが小さくなっているが、光反射率は小さくなっている。なお、この表にはＭｏをＸ線遮蔽材として用いた場合を参考例として示している。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
表１の判定欄に、表２の判定基準に従った判定結果を入れるとともに、三元組成図の上にこの判定結果をプロットしたものを図９に示した。図９から判るように、クロストークが３．０％未満で光反射率が１００％以上となる組成範囲は、酸化ガドリニウムが１４〜７２ｗｔ．％、ルチル型酸化チタンが８〜６７ｗｔ．％、樹脂が２０〜７８ｗｔ．％である。またより好ましい特性であるクロストークが２．５％未満で光反射率が１００％以上となる組成範囲は、酸化ガドリニウムが２５〜７２ｗｔ．％、ルチル型酸化チタンが８〜５４ｗｔ．％、樹脂が２０〜６７ｗｔ．％である。
【００３１】
実験２
実験１で用いた酸化ガドリニウムに代えて、酸化セリウム、酸化ディスプロシウム、酸化イッテルビウムを各々用いて放射線遮蔽能のある白色混合物を作製して、そのＸ線遮蔽率、クロストーク、光反射率を測定した結果を組成とともに表３に示す。希土類元素酸化物を２５ｗｔ．％含有しているＮｏ．３２，４４，５６はいずれもＸ線遮蔽率が１０％前後でありクロストークが２．５％以上となっているが、希土類元素酸化物をより多く含んでいる試料はいずれもクロストークが小さくなっている。またルチル型酸化チタンを含有していない試料の光反射率が小さいが、多く含有している試料では光反射率が大きくなっている。表２の判定基準に従った判定結果を表３の判定欄に入れている。
【００３２】
酸化イッテルビウムを用いた試料Ｎｏ．５６から６７を三元組成図に示したものが図１０である。図１０においても図９と同じようにクロストークが２．５％未満で光反射率が１００％以上となる組成範囲は、酸化イッテルビウムが２５〜７２ｗｔ．％、ルチル型酸化チタンが８〜５４ｗｔ．％、樹脂が２０〜６７ｗｔ．％である。表３から明らかなように、酸化セリウム、酸化ディスプロシウムを用いた場合も酸化イッテルビウムを用いたときと同じ組成範囲でＸ線遮蔽率が高くクロストークが小さくなるとともに、光反射率が大きくなる。
【００３３】
【表３】

【００３４】
実験３
実験１で用いた酸化ガドリニウムに代えて、酸化バリウムを用いて放射線遮蔽能のある白色混合物を作製して、そのＸ線遮蔽率、クロストーク、光反射率を測定した結果を組成とともに表４に示す。また表２の判定基準に従った判定結果を表４の判定欄に入れている。
【００３５】
【表４】

【００３６】
表４の測定結果を表１，３と比較すると酸化バリウムを希土類元素酸化物と同様に用いることができることが判る。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように本発明の多チャンネル放射線検出器に用いている白色混合物は放射線遮蔽能が高く光反射率が大きいので、シンチレータ間のクロストークが小さくなるとともに、感度の高い放射線検出器となっている。またＭｏなど金属板からなる放射線遮蔽板を用いないので、製造も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例による多チャンネル放射線検出器の斜視図である。
【図２】図１の２−２断面図である。
【図３】本発明の他の例による多チャンネル放射線検出器の斜視図である。
【図４】図３の４−４断面図である。
【図５】本発明に用いる白色混合物の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の多チャンネル放射線検出器の製造方法を示すフローチャートである。
【図７】Ｘ線遮蔽率の測定方法を説明する図である。
【図８】クロストークの測定方法を説明する図である。
【図９】酸化ガドリニウム−ルチル型酸化チタン−樹脂からなる白色混合物の三元組成図である。
【図１０】酸化イッテルビウム−ルチル型酸化チタン−樹脂からなる白色混合物の三元組成図である。
【符号の説明】
１半導体光検出素子板
２，２′ シンチレータ
５白色混合物
６光反射層
７１シンチレータ板
７２試料
８Ｐｂ板

Claims

シンチレータと半導体光検出素子とを積層した放射線検出器を複数個並べた多チャンネル放射線検出器において、
シンチレータの放射線入射面と半導体光検出素子との対向面とを除いて、シンチレータ同士の間及びシンチレータの周囲に、酸化バリウム、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化ディスプロシウム、酸化イッテルビウムのいずれか少なくとも１種を１４〜７２ｗｔ．％と、ルチル型酸化チタンを８〜６７ｗｔ．％と、樹脂を２０〜７８ｗｔ．％からなる放射線遮蔽能のある白色混合物で充填被覆したことを特徴とする多チャンネル放射線検出器。
前記白色混合物は、酸化バリウム、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化ディスプロシウム、酸化イッテルビウムのいずれか少なくとも１種を２５〜７２ｗｔ．％と、ルチル型酸化チタンを８〜５４ｗｔ．％と、樹脂を２０〜６７ｗｔ．％からなることを特徴とする請求項１記載の多チャンネル放射線検出器。