JP4223566B2 - ガンマ線検出装置 - Google Patents
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Description
本願は、１９９７年３月１４日付け米国特許出願第６０／０４０５７２号に基づく優先権を主張する。
本発明は、ガンマ線相互作用位置を検出するガンマ検出装置に関する。被走査体像を作成するように、複数の検出器を配列する。具体的には、各相互作用のＸＹＺ３次元空間座標を、必要なら相互作用を誘発するガンマ線の角度をも検出するガンマ検出装置に関する。
発明の背景
ガンマ線検出装置は、例えばポジトロンＣＴ（ＰEＴ）、断層シンチグラフィー、爆発物検知器など、多様な装置に使用されている。これらの装置は、いずれも部分的には、検出器とのガンマ線の相互作用位置を検出できる検出器に依存している。即ち、複数の位置測定値に基づいて、被検体の走査が可能になる。この技術は当業者にとって公知であるから、ここでは詳細な説明を省く。
この種の検出装置に共通の難点は、走査のために多数の検出器が必要であり、これらの検出器とのガンマ線相互作用位置を検出しなければならないことである。従って、被検体の正確な走査像を作成するのに充分なデータを得るには、夥しい回数の、例えば、数百万回の分析が必要となる。個々の検出器は、ガンマ線相互作用の位置データを作成できるものでなければならないから、この位置データを例えばコンピューターによって得て、コンパイル処理するには、極めて複雑かつ高価な装置が必要となる。多くの場合、ガンマ線が検出器のシンチレーター物質と相互作用するのに伴なってシンチレート物質中に起こる発光が、検出器データの起因となる。発光が起こった検出器を特定し、この検出器中の発光位置を検出することによって、走査のためのデータ・ポイントが得られる。用途によっても異なるが、数千にも及ぶ多数の検出器を配列することによって初めて夥しいデータ・ポイントが得られ、コンピューターによるコンパイル処理によって被走査体像が得られる。
典型例としては、4基の光検出器に一連のシンチレーション検出器を連携させ、これらシンチレーション検出器における発光を光検出器によって検出するものがある。発光位置の検出には、論理演算回路を使用すればよい。しかし、周知のように、光検出器、論理演算回路および関連の制御回路と信号装置から成るモニター装置は、特に、所要の走査に多数の検出器が必要な場合、極めて複雑な構成になる。
しかも、このようなガンマ線走査装置に使用される検出器として使用されるのは、無機の結晶シンチレート物質、例えば、セリウムでドーピング処理したオキシオルト珪酸ルテチウム（ＬＳＯ）やビスマス・ジャーミネート（ＢＧＯ）などであり、いずれも高価である。この結晶は、発光するシンチレート物質であるので、ガンマ線の相互作用位置を検出することができる。このような検出器のＸＹ位置分解能は多くの場合、20ｍｍ2であり、すべての位置で一律でないのが普通である。従って、検出器のどの位置で、即ち、いかなるＸおよびＹ座標において相互作用が起こったかを正確に知ることができないという基本的な不正確さが残る。また、相互作用の深さ、即ち、Ｚ座標は検出できないか、できても不明確であるから、いわゆる視差エラーなどを伴う不正確な画像となる。これらの問題は被検体の走査画像に必要な精度の達成を不可能にする。
以上の説明から明らかなように、低コストで製造でき、必要なデータを得るのに極めて簡単なモニター手段しか必要とせず、ガンマ線相互作用のＸＹＺ座標を検出できるガンマ線検出装置を提供できれば極めて有益である。
発明の概要
極く少数のモニター計器から成る単一の装置（一括して読み出しチャンネルと呼称）によって、多数の検出器をモニターできるように改良されたガンマ線検出器を提供できる所見を得た。この所見によれば、検出器群に必要なモニター計器の総数及び複雑さを、公知検出装置の場合に比較して遥かに軽減できる。その上、本発明の検出装置は、ガンマ線と検出器との相互作用位置を示すＸＹＺ座標を検出することができ、これらの座標が、ガンマ線走査画像のコンパイル処理に必要である従来よりも正確なデータ・ポイントを提供する。
本発明は、いくつかの基本的及び副次的所見に基づく。第１に、ガンマ線と相互作用するシンチレーターとして作用する検出器の材料として、結晶性物質を使用するのではなく、不活性コンバーター（公知技術では発光しない物質）を使用することによって、ガンマ線を捕捉してこれを荷電粒子に変換し、この荷電粒子を利用してＸＹ位置を検出できるとの所見を得た。
同じく基本的な所見として、公知技術のように結晶シンチレート物質を使用してガンマ線相互作用位置を検出するのでなく、コンバーターによる変換で発生した荷電粒子のＸＹ座標を、前記荷電粒子と相互作用する２次元座標位置検出器を利用して検出できることが判明した。これによって検出装置全体を、著しく簡略化することができる。
同じく基本的な所見として、コンバーターによって荷電粒子を発生させることによって、コンバーター中に起こるガンマ線相互作用を、小さい発光シンチレーターを利用して信号化できることが判明した。シンチレーターは結晶物質である必要はなく、極くありふれた安価な材料、たとえば、透明シンチレーター・プラスチックなどでよく、その形態はプレート、ロッド、特に、可撓性のファイバーなどから選択すればよい。ファイバーの場合は、１つに束ねて単一の光検出器モニターにすることができ、複数の検出器からのファイバー束をこの単一光検出器によってモニターできる。
重要な発見として、シンチレーター中に発生した光の存在を信号化して出力するのに信号装置を利用することができ、この信号装置が、種々の位置検出器を作動させたり非作動状態にしたりするように構成すればよい。これにより、ガンマ線との相互作用によって、どの検出器が作動したのかを、従って、そのＸＹ座標を、極めて簡単なモニター装置で検出できる。Ｚ座標は検出位置のガンマ線入射方向に沿った点によって与えられる。
要約すれば、本発明は、ガンマ線相互作用位置を検出するためのガンマ線検出装置を提供する。この検出装置は、少なくとも１つのモジュールを有し、各モジュールは、ガンマ線を荷電粒子に変換するコンバーターを有する。コンバーターの変換作用で発生した荷電粒子に応答して発光するシンチレーターを設ける。シンチレーターが発光すると、これを光検出器が検出する。位置検出器と相互作用する荷電粒子のＸＹＺ座標を検出する２次元座標位置検出器を設ける。光検出器中で放出される光の存在を信号化して出力し、位置検出器を作動させる制御・信号装置を設ける。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の検出装置を模式化して示す断面説明図である。
図2は、単一光検出器によってモニターされるように束ねたシンチレーター・ファイバーを有する本発明の検出器を示す斜視図である。
図3は、各検出器が共通のセンターラインを有する検出器列を示す斜視図である。
図4は、検出器列へのガンマ線入射角を、本発明の検出器列が検出する態様を示す説明図である。
図5は、9ＭeＶのガンマ線に対する位置分解能のヒストグラムである。
図6は、ガンマ線で被検体を走査する検出器列の構成を示す説明図である。
図7は、図1に示したモニター装置（読み出しチャンネル）のブロックダイヤグラムである。
好適実施例の説明
図1は、本発明の要部を模式的に示す断面説明図である。これらの要部を一括してモジュールと呼ぶ。複数のモジュールをまとめてモジュール列を形成し、これをガンマ線の方向、即ち、Ｚ方向に積み重ねることができる。モジュール1は、主要素子として、ガンマ−線3を荷電粒子4に変換するコンバーター2を有する。コンバーター2が発生させる荷電粒子4に応答して、シンチレーター5が発光する。シンチレーター5が発光すると、光検出器6がこれを検出する。位置検出器7と相互作用する荷電粒子のＸＹ座標を２次元座標位置検出器7が検出する。制御・信号装置（読み出しチャンネル）8が光検出器中で放出される光の存在を信号化して出力する。
従って、制御・信号装置8以外では、コンバーター2、シンチレーター5及び２次元座標位置検出器7が、モジュールの主要素子である。この3つの素子をサンドイッチして、モジュール1を構成する。図3では、複数のモジュール1が1列に配列されているが、この配列については詳しく後述する。
図2の実施例では、シンチレーターは複数の可撓プラスチック・シンチレーター・プレート、ロッド、ファイバー２０等から成る。これらのシンチレーター20は、端部21において束ねられ、単一光検出器6によってモニターされる。公知技術とは異なり、本発明では、シンチレーター・ファイバー20は、コンバーター2と荷電粒子との相互作用に起因する荷電粒子のＸＹ位置を検出するのに利用されることはない。即ち、シンチレーター5中で発光させて、光検出器が検出できる光信号を発生させるのに利用されるだけである。光検出器6から発生する電気信号は、詳しくは後述するように、制御・信号装置8の機能をトリガーするのに利用される。
２次元座標位置検出器7としては、多様な公知座標位置検出器を使用する事ができる。例えば、ガス・ゲイン・イオン化検出器、マルチワイヤー比例検出器、マイクロストリップ検出器、マイクロギャップ・チェンバー検出器、タイム・プロジェクション・チェンバー検出器等である。但し、好ましい位置検出器はガス・ゲイン・イオン化ドリフト検出器、特にこの場合には、アバランシュ・ゲイン比例ドリフト・チェンバー検出器が好ましい。２次元座標位置検出器として最も好ましいドリフト・チェンバー検出器を図1に示した。上述した種々の検出器の作用は公知である（例えば、フィジカルレビュー ディー、１９９６年７月１日、米国物理学会 ５４巻 １号（Physical Review D,July 1,1996,The American Physical Society,Vo1.54,No.1））。従って、ここでは詳しい説明を省き、説明のため、最も好ましい実施例だけを取り上げる。
図1に示すように、ガンマ線3は、コンバーター2において荷電粒子（電子−陽電子ペアまたはコンプトン電子）に変換される。これら荷電粒子は、詳しくは後述するように、極めて簡単なシンチレーター中に発光を起こさせることができ、放出された光は、後述するように信号形成及び制御のため光検出器によって感知される。荷電粒子は、ドリフト・チェンバー10にイオン化可能ガス9が充填されている位置検出器７に入る。荷電粒子は、イオン化可能ガスからイオン化電子を形成する。最初のイオン化から陽極までのドリフト・チェンバー10におけるイオン化電子のドリフト時間が、ガンマ線3とモジュール1との相互作用Ｘ位置の検出に利用される。Ｙ座標は、陰極の誘導電荷に基づいて検出されるが、詳しくは後述する。ガンマ線相互作用のＺ座標は、ガンマ線によって活性化される特定ドリフト・チェンバーの位置によって与えられる。
電界片または電界素子11、11aが、ドリフト・チェンバーの垂直方向［但し、図示の便宜上の垂直方向であって空間的な方向ではない）に沿って電圧勾配を形成する。この電圧勾配が、ドリフト・チェンバー10中にイオン化電子を上向きにドリフトさせる。イオン化電子は、グリッド装置12に遭遇する。グリッド装置12は、常態においてイオン化電子の通過を阻止するようにバイアスされているが、スイッチされるとイオン化電子を透過させる。グリッド装置12としては、一連の荷電ワイヤーの周りに、イオン化電子の通過を阻止するに充分な電界を発生させるだけでもよい。グリッド装置は公知であり（ブリマン他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３４、１９８５年、４２〜４６ページ（Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）42-46参照））、詳しい説明は省略する。但し、シンチレーター５から光が放出されると、制御・信号装置8と接続している光検出器６中で信号（例えば、電圧）が発生する。シンチレーター５中に光が存在すると、グリッド装置12の電界が、イオン化電子の通過を許すように制御される。詳細は上記ブリマン他（Bryman et al.）の論文に記載されている。
陽極、例えば、20μｍ径の金メッキされたタングステンの細長い陽極ワイヤー13が、グリッド装置12の上方に配置され、シンチレーター5からの発光が光検出器6によって感知されると、グリッド装置12が開いてイオン化電子を透過させる。これも上記ブリマン他（Bryman et al.）の論文に詳しく記述されている。イオン化電子が陽極13に向かって移動し、陽極13に電流を発生させる（この機能については、（ファルダ カンツアー他 ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３５、１９８５年（Fulda-Quenzer et al.,Nuc.Instr.Meth.A235（1985））参照）。
例えば、アルゴン／メタン・ガスを使用する従来のガス・ゲイン・イオン化検出器の場合、電界素子11、11aが発生させる電界の作用下に、電荷粒子４によるイオン化ガス中の電子が上方へドリフトする。ドリフト速度は、例えば、25ｋＶ／ｍの電界ならば約7cm／μsである。例えば、ドリフト・チェンバーの高さが10cmなら、イオン化電子がドリフト・チェンバー内を上昇し、陽極13中に誘導電流を発生させるまでの最大タイム・ラグは約1.4μｓであり、極めて短い。但し、せいぜい数cm程度の極めて低いドリフト・チェンバーを採用すれば、タイム・ラグをさらに短縮することができる。
イオン化電子が、陽極13中に誘導電流を発生させ、その結果、ゲインが著しく増倍（アバランシュ）され、例えば、約5ｘ104に達する。従って、光検出器6がシンチレーター5中の発光を検出し（同時にガス9中にイオン化電子が形成され）てから、陽極13中に電流が検出されるまでのタイム・インターバルを利用することによって、X座標に関して、モジュール1におけるガンマ線相互作用位置を算出することができる（図3参照）。例えば、図1に示すようにガンマ線3がモジュール1のほぼ中点に入射し、その際のタイム・インターバルがAであるとする。もしガンマ線が図1に示す位置よりも低い位置でモジュール1に入射すると、タイム・インターバルはA＋Bとなる。逆に、図1に示す位置よりも高い位置でモジュールに入射すると、タイム・インターバルはA−Bとなる。即ち、光検出器6が発光を感知してから陽極13に誘導電流が発生するまでのタイム・インターバルは、ガンマ線3が発生させる荷電粒子のX座標に比例する。
Y座標が得られるようにするため、一連の導電性陰極14（例えば、ワイヤー、プレート、細片等）をモジュール1に配置する。本発明の重要な利点は、後述するように、陰極を、一連のモジュールと一体に配列できることにある。図3に示すように、陰極14aは、各モジュール１に沿って、モジュールのY方向に順次間隔を保って配列されている。陽極13に発生するイオン化電子のアバランシュによって、陰極の１個または数個またはそれ以上に電流が誘導される。誘導電流を生じた特定の陰極は、該陰極に導入された電荷の存在またはいくつかの陰極に誘導された電荷のパターンによって検出することができ、これによってガンマ線とモジュールとの相互作用のY位置を求めることができる。小さい、例えば、5mmの陰極片または陰極パッドを焼く6mmの間隔で配列すれば、極めて正確な結果が得られる。
言うまでもなく、上記のようにモジュールを作用させるには、電源、電圧調整器、タイマー、電圧・電荷測定装置、及び論理演算回路が必要であり、これら公知の装置を制御・信号装置8に組み込まねばならない。これらの装置は一括して読み出しチャンネルの一部であり、公知であるからここでは詳しく説明しない。
本発明の装置は、コンバータ、シンチレーター及び位置検出器を巧みに組み合わせることによって、それぞれの部材を低コストの材料で形成できる点でも有益である。即ち、コンバーターは、ガンマ線を荷電粒子に変換しさえすればよいから、高密度の物質でさえあればよい。例えば、低エネルギーガンマ線の場合、薄いウォーター・チェンバーでもコンバーターとして機能する。但し、高エネルギーガンマ線の場合、ウォーター・チェンバーを厚くする必要があり、実用に適さない。比較的低エネルギーのガンマ線の場合には、プラスチックやセラミックを使用できるが、より実用的なコンバーターとしては、金属、特に、高密度金属が好ましい。比較的薄くてもコンバーターとして機能するからである。金属の種類は任意であるが、チタン、タングステン、金、銀、銅及び鉛が好ましく、密度が極めて高く安価であるという点で、鉛が特に好ましい。例えば、９MeVのガンマ線の場合、コンバーターとして、0.15mmの鉛で充分である。0.01−2.0mmの厚さで大抵のガンマ−線エネルギーに対応できる。
本発明のシンチレーターは、荷電粒子との相互作用で発光し、この光を透過させるなら、いかなる種類の材質であってもよい。シンチレーターが、例えばBGOのような特殊な結晶体から成り、ガンマ線が直接シンチレーターに作用して発光させる公知技術とは異なり、本発明のシンチレーターは、荷電粒子と相互作用するだけで発光する。したがって、本発明では、公知技術の場合と異なり、広い範囲の材料からシンチレーターの材料を選択できる。即ち、荷電粒子との相互作用で発光する物質が少なくないからである。結晶性の材料もシンチレーター・プラスチックもシンチレーター材料として好ましく、公知技術の結晶体、例えば、BGOであってもよいが、このような高価な材料を使用する必要はなく、もっと安価な、例えばプラスチック・シンチレーターを使用する方が好ましい。多様なプラスチック・シンチレーターが公知であり（上記出版物フィジカルレビュー（Physical Review）に記載されていて、多様な製品がバイクロン オブ ニューバリー、オハオ 米国（Bicron of Newbury,Ohio,U.S.A.）によって製造されている）、ここでは詳細な説明を省く。シンチレーターの好ましい形態は発光シンチレーター・プラスチックである。このようなプラスチック・シンチレーターには他にもいくつかの長所がある。プラスチック・シンチレーターが透明で、細長いファイバー状を呈し、しかも可撓性であれば、図2に示すようにモジュール1から突出しているこれらファイバー20の端部を、図2のように１つにまとめて束21にし、単一光検出器6によってモニターすることができる。図3のように、複数モジュール1からの複数の束21を単一光検出器6によってモニターすることもできる。好ましいプラスチック・シンチレーターは、ポリスチレン系のコアにポリメチルメタクリレート光学被覆を施したものである（General Catalog of Bicron参照）。他の多くの結晶体と比較して、応答時間が短いこともプラスチック・シンチレーターの利点である。
シンチレーターは、図1に示すように、ガンマ線の入射方向に対してほぼ直交していなければならない。但し、本質的には、荷電粒子を捕捉し、光検出器6が検出できるように発光できればよい。シンチレーター６が、プレート状、シート状などの形態であってもよいが、好ましい形態は図1に示すように、隣接ファイバーが順次接触して一列に配列された細長い可撓性ファイバーの形態であるか、または複数列に配列されたこのようなファイバーの形態である。この好ましい形態を採用する場合、複数の隣接するファイバー・シンチレーターを、ガンマ線の方向とほぼ直交する方向に配列し、これら細長いプラスチック・ファイバー・シンチレーターを図2に示すように束ねる。束ねたシンチレーターを単一光検出器6によってモニターする。即ち、複数のシンチレーターの少なくとも一方の端部近傍に、少なくとも１つの光検出器を配置する。同じく図2に示すように、モジュール1の反対端から前記ファイバーと同様なファイバー20Dの束21bを突出させ、後述するような目的で、光検出器6bがモジュール列からの信号を合計し、弁別できるように構成してもよい。
シンチレーターは、発光性シンチレーター・プラスチックなどから成るから、ガンマ線エネルギーが極めて低い場合、ガンマ線とシンチレータ5との直接的な相互作用によって発光させることができる。従って、コンバーター2を設ける必要はない。即ち、ガンマ−線のエネルギー・レベルが極めて低く、シンチレーターが高密度のシンチレーター・プラスチック材から成る場合、シンチレーターがコンバーターの機能を兼ねる。但し、これは特殊なケースであり、本発明の好ましい態様ではない。
本発明では、光検出器として極めて安価な光増倍管またはフォトダイオードを使用してもよい。なぜなら、光検出器の主目的は、シンチレーター5中の発光を検知し、上記グリッド装置12のほか、後述するようなモジュール1の構成部分を作動させるための信号を形成することにあるからである。
図1に示すドリフト・チェンバー検出器は、チェンバー10の一端15近傍から、グリッド装置12の近傍に位置するチェンバー10の反対端16に向かって下降する電圧勾配を有し、前記反対端16の近傍に陰極14、前記グリッド装置12と前記陰極14との間に陽極13を有する。このようなドリフト・チェンバーの構成は公知である（ファルダ カンツアー他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３５、１９８５年、５１７ページ；ブリマン他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３４、１９８５年、４２ページ；ハーグロブ他、ニュークリアー インスツル メソッド ２１９、１９８４年、４６１ページ（Fulda-Quenzer et al.,Nuc.Instr.Meth.A235（1985）,p.517;Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）,42;及びHargrove et al.,Nuc.Instr.Meth.219（1984）,461）参照）。
これに関連して、図3に示す好ましい実施例では、各モジュール1の中心線31が、ほぼ共通の軸線上に来るように、即ち、軸線が中心線31と一致するようにモジュール1の列30を接着剤で接合するか積み重ねる。このようなモジュール列30の好ましい実施例では、各モジュール1の陰極14が、パッドまたは細片14aの形態を呈し、各細片14aを隣接モジュール1の陰極細片14aと接続することによってモジュール列と連携する連続陰極細片を形成する。この構成を採用することによって、極めて低いコストで、モジュール1の列30を製造すると共に、図1に示した光検出器6と制御・信号装置8だけで、図3に示すように一列30に配置した複数のモジュール1に対応することができる。
既に述べたように、グリッド装置12は、光検出器6が検出するシンチレーター5中の発光の有無に応答する信号装置8に応答して、イオン化電子を透過させたり阻止したりする。これも既に述べたことであるが、グリッド装置12は、光検出器6がシンチレーター5中で放出された光を感知しない限り、または、光検出器6による荷電粒子4の発光の検出によって２次元座標位置検出器を作動するよう活性化されるモジュール列における最初の光検出器でない限り、イオン化電子の通過を阻止するようにバイアスされている。この場合、グリッド装置12は帯電を解かれないか、または、その電荷に変化が起こらず、イオン化電子の通過を許さない。
従って、図3に示すように、シンチレーター5から発光すると、各モジュール列における最初の検出器だけが活性化される。もし、シンチレーター5から発光しなければ、このモジュールは不活性のままであり、もし、シンチレーター5から発光しても、モジュールが活性化される最初のモジュールでなければ、このモジュールは不活性のままである。図3において、もし荷電粒子４に変換されたガンマ線3が、モジュールAにおけるシンチレーターを活性化しなければ、このモジュールは不活性のままである。同様に、停電粒子4に変換されたガンマ線3が、モジュールBにおけるシンチレーターを活性化しなければ、このモジュールも不活性のままである。しかし、ガンマ線3によって発生する荷電粒子4が、モジュールC（最初の活性化モジュールとなる）を活性化すると、光検出器6が制御・信号装置8を介してグリッド装置12を開放し、場合によっては電界素子11、11aを作動させる。その結果、上述したように、モジュールCにおいてガンマ線3に応答してXY位置の測定を可能にする。即ち、モジュールCが最初に活性化されるモジュールであるこの場合、このモジュールがXY位置を検出し、他のモジュールA,B,D,E及びFのモニターは不要である。これによってモニター装置が著しく簡略化され、シンチレーター5、光検出器6及び制御・信号装置8の多重化が可能になる。
特定モジュールを活性化する好ましい態様としては、モジュール列中の最初に活性化されるモジュールの陽極に、イオン化電子による誘導電流が現れる。列中の他のすべてのモジュールの他のすべての陽極には、このような誘導電流は発生せず、したがって、不活性のままである。活性化されるのは１つのモジュールだけであるから、この活性化モジュールだけが信号を出力し、この信号を利用することによって、ガンマ線が発生させた荷電粒子のXY位置を検出することができる。このような構成が、陰極14aを図3に示すように、上述した連続的な細片として形成することを可能にする。この構成はまた、モジュール列の製造を簡略化し、単一または少数のデータ取得・モニター装置（読み出しチャンネル）、即ち、光検出器6及び制御・信号装置8で、図3に示すように、多数のモジュールから成るモジュール列30全体に対応することを可能にする。
本発明の検出装置では、ガンマ線が、モジュール列と相互作用する角度を測定することもできる。荷電粒子とモジュールとの相互作用及びXY測定を模式的に示す図4から明らかなように、もし、モジュール1の列30において4基のモジュールが順次活性化され、それぞれがX及びY座標を測定すると仮定する。次いで、公知の計算により、例えば、モジュールA,B,C,D及びEの相互作用のX及びY座標を求めると、ガンマ線が発生させた荷電粒子がモジュール1の列30と相互作用した角度の算出が可能になる。この場合、後述するように、モジュールごとに別設の陰極片及び読み出しチャンネルが必要になる。
上述したように、陰極14、具体的には陰極片14aへの電荷誘導によって、陰極が相互作用のY座標を決定する。陰極における相互作用位置を表わすY座標は種々の公知装置によって得られる。例えば、A／Dコンバーターでアナログ・パルスの波高を求めることにより、陰極片14aの誘導電荷のセントロイドを得ることによって、陰極片14aにおける相互作用のY位置を検出することができる。誘導電荷のセントロイドは、例えば、陰極片14aの各端における電圧または電流を測定することによって求めることができる。あるいは、公知の弁別器を利用して、電荷が誘導されている陰極片のパターンを求めることもできる。高い精度が要求されない場合、陽極に抵抗線を使用し、各端におけるパルス波高を測定して、そのY位置を算出することによってY座標を求めることができる。さらにまた、端末間のタイミング情報を利用して、陽極線に沿ったどの部分に電荷が誘導されたかを検出することによってY座標を求めることができる。
シンチレーターが、公知のシンチレーター・プラスチック（例えば、クラレ エス・シー・エス・エヌ３８（Kuraray SCSN-38）を使用した上記プラスチック・ファイバーである場合、これらのファイバーは極めて細く、例えば、その直径は1.0mm程度である。但し、偏平なシンチレーター・プレートまたは細片を使用してもよく、この場合、プレートの端部に取り付けた可撓または成形光ガイドを利用して上記プレートまたは細片を束ねればよい。あるいは、市販の波長シフト・ファイバーまたは細片を利用してもよい。
図3に示すようなモジュール列を使用する場合、第１モジュールの下流側に位置する数基のモジュールも、同時にガンマ線の影響を受ける可能性がある。ところが、ガンマ線相互作用のXYZ座標を求めるには、第１モジュールだけを上述したように活性化する必要がある。この場合、制御・信号装置8に含まれる公知の電子論理回路によって、データ取得を第1モジュールだけに制限することができる。これにより、位置検出器7の読み出しチャンネルを、すべてのモジュールに共通の（多重）構成に組み込むことができる。列30のための読み出しチャンネル（光検出器6及び制御・信号装置8）の作動は、列に含まれるすべてのシンチレーターからの最低レベルのエネルギーによって、または最少数のシンチレーター発光の検知によってトリガーすることができる。この2つのアプローチは、バックグラウンド放射に起因する誤作動を防止することができる。
再び図2に関連して説明する。既に述べたように、束21に纏められたファイバー20を、単一の光検出器6でモニターすることによって、制御・信号装置8を作動させることができる。ファイバー20の両端は、ファイバー20bとしてモジュール1から突出し、光検出器6bによってモニターされる束21bを形成する。（列30を構成する各モジュールに1個ずつの）光検出器6bは、そのタイミングによって、列30中のどのモジュールが最初に活性化したかガンマ線の作用を受けたか）を検出することができる。モジュール列中の最初に活性化したモジュールがこのモジュールのグリッド装置12を開放すると、制御・信号装置8が列中の他のすべてのモジュールを不活性の状態に維持する。
また、第1列に属する第１モジュールのファイバー20b及び束21bを第2列に属する第1モジュール、第3列に属する第１モジュール……というように他の列の第1モジュールと一緒に束ねることによって、複数モジュール列における第1モジュールを単一の光検出器によってモニターすることができる。複数列の第2、第3……モジュールについても同様に構成することができる。このように構成すれば、モジュール列中のどのモジュールが、例えば、第1、第2、第3モジュールが最初にガンマ線によって活性化されたか（作用を受けたか）を検出することによってZ座標を容易に求めることができる。
多重クーロン散乱を考慮しなければならないから、達成可能な位置分解能（XYの検出精度）を左右するのは、コンバーターの厚さと、コンバーターから２次元座標位置検出器までの距離である。但し、厚さ0.15mmの鉛のコンバーター、直径2.0mmのプラスチック・シンチレーター・ファイバー、及び厚さ5.0mmのドリフト・チェンバーを使用して、図3に示すようなモジュール列に9MeVのガンマ線を作用させると、極めて正確な検出が可能である。図5は、実際のガンマ位置に対する検出ガンマ位置のヒストグラムを示す。2.5mm（fwhm＝半値幅）の固有位置分解能を有するドリフト・チェンバーを使用した結果、典型的なガンマ位置分解能は3.5mm（fwhm）であった。１５０基のモジュールに対して、９MeVガンマ線の検出効率は８４%であった。
図6は、複数モジュール列60の説明図である。この場合、モジュール１の複数列60は、各列の中心線が図3に示すように互いに平行となるように、隣接している。各列におけるモジュールの適正な個数は、所定のエネルギーを有するガンマ線アーク63内で被検体を走査するガンマ線供給源61からのガンマ線と相互作用し得るモジュールの最多個数を測定（または算出）することによって決定することができる。すべての列における最初に作用を受ける（活性化される）モジュールを組み合わせ、単一の光検出器で読み出すことができる。モジュールを水平方向にグループ分けしての、各列毎のエネルギー総和も、どの列で相互作用が起こったかを識別できるように設定することができる。活性化されているモジュールのアドレス（列番号、モジュール番号など）と活性化の時間を、公知の電子論理装置を利用して検出すれば、活性化された水平列を検出できる。
制御・信号装置8の詳細は、上記ブリマン他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３４、１９８５年、４２〜４６ページ（Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）,42-46）に記載されているが、その模式図を図7に示した。図7において、シンチレーター5からの光70は光増倍管／電源71において検出され、その結果発生する電気信号がA／Dコンバーター73、シンチレーター・アナログ加算器74及び弁別器75に入力される。加算器74からトリガー信号が出力され、この信号と弁別器75からの信号とに応答して論理装置76が作動し、種々のモジュール1のグリッド装置12に対する”開放”または”閉鎖”信号を出力する。
本発明のモジュール及び制御・信号装置を構成する素子はいずれも公知であるが、これらの素子が本発明のように検出器モジュールとして組み立てられたことはなかった。本発明は、モジュール列中にあってガンマ線が荷電粒子に変換される最初のモジュールを１回の読み出しで容易に選択でき、高度の読み出しチャンネル共有性（多重化）を可能にすることで、必要読み出しチャンネル数を大幅に減らすことができる。検出器の位置分解能は均一であり、最初のガンマ線相互作用の３次元座標を正確かつ鮮明に求めることができる。モジュールの製造コストが低いから、妥当なコストで広い用途に対応できる。
以上、本発明の実施例を説明したが、付記した請求の範囲を逸脱しない限り、種々の実施態様が可能である。
本発明は、ガンマ線相互作用位置を検出するガンマ検出装置に関する。被走査体像を作成するように、複数の検出器を配列する。具体的には、各相互作用のＸＹＺ３次元空間座標を、必要なら相互作用を誘発するガンマ線の角度をも検出するガンマ検出装置に関する。
発明の背景
ガンマ線検出装置は、例えばポジトロンＣＴ（ＰEＴ）、断層シンチグラフィー、爆発物検知器など、多様な装置に使用されている。これらの装置は、いずれも部分的には、検出器とのガンマ線の相互作用位置を検出できる検出器に依存している。即ち、複数の位置測定値に基づいて、被検体の走査が可能になる。この技術は当業者にとって公知であるから、ここでは詳細な説明を省く。
この種の検出装置に共通の難点は、走査のために多数の検出器が必要であり、これらの検出器とのガンマ線相互作用位置を検出しなければならないことである。従って、被検体の正確な走査像を作成するのに充分なデータを得るには、夥しい回数の、例えば、数百万回の分析が必要となる。個々の検出器は、ガンマ線相互作用の位置データを作成できるものでなければならないから、この位置データを例えばコンピューターによって得て、コンパイル処理するには、極めて複雑かつ高価な装置が必要となる。多くの場合、ガンマ線が検出器のシンチレーター物質と相互作用するのに伴なってシンチレート物質中に起こる発光が、検出器データの起因となる。発光が起こった検出器を特定し、この検出器中の発光位置を検出することによって、走査のためのデータ・ポイントが得られる。用途によっても異なるが、数千にも及ぶ多数の検出器を配列することによって初めて夥しいデータ・ポイントが得られ、コンピューターによるコンパイル処理によって被走査体像が得られる。
典型例としては、4基の光検出器に一連のシンチレーション検出器を連携させ、これらシンチレーション検出器における発光を光検出器によって検出するものがある。発光位置の検出には、論理演算回路を使用すればよい。しかし、周知のように、光検出器、論理演算回路および関連の制御回路と信号装置から成るモニター装置は、特に、所要の走査に多数の検出器が必要な場合、極めて複雑な構成になる。
しかも、このようなガンマ線走査装置に使用される検出器として使用されるのは、無機の結晶シンチレート物質、例えば、セリウムでドーピング処理したオキシオルト珪酸ルテチウム（ＬＳＯ）やビスマス・ジャーミネート（ＢＧＯ）などであり、いずれも高価である。この結晶は、発光するシンチレート物質であるので、ガンマ線の相互作用位置を検出することができる。このような検出器のＸＹ位置分解能は多くの場合、20ｍｍ2であり、すべての位置で一律でないのが普通である。従って、検出器のどの位置で、即ち、いかなるＸおよびＹ座標において相互作用が起こったかを正確に知ることができないという基本的な不正確さが残る。また、相互作用の深さ、即ち、Ｚ座標は検出できないか、できても不明確であるから、いわゆる視差エラーなどを伴う不正確な画像となる。これらの問題は被検体の走査画像に必要な精度の達成を不可能にする。
以上の説明から明らかなように、低コストで製造でき、必要なデータを得るのに極めて簡単なモニター手段しか必要とせず、ガンマ線相互作用のＸＹＺ座標を検出できるガンマ線検出装置を提供できれば極めて有益である。
発明の概要
極く少数のモニター計器から成る単一の装置（一括して読み出しチャンネルと呼称）によって、多数の検出器をモニターできるように改良されたガンマ線検出器を提供できる所見を得た。この所見によれば、検出器群に必要なモニター計器の総数及び複雑さを、公知検出装置の場合に比較して遥かに軽減できる。その上、本発明の検出装置は、ガンマ線と検出器との相互作用位置を示すＸＹＺ座標を検出することができ、これらの座標が、ガンマ線走査画像のコンパイル処理に必要である従来よりも正確なデータ・ポイントを提供する。
本発明は、いくつかの基本的及び副次的所見に基づく。第１に、ガンマ線と相互作用するシンチレーターとして作用する検出器の材料として、結晶性物質を使用するのではなく、不活性コンバーター（公知技術では発光しない物質）を使用することによって、ガンマ線を捕捉してこれを荷電粒子に変換し、この荷電粒子を利用してＸＹ位置を検出できるとの所見を得た。
同じく基本的な所見として、公知技術のように結晶シンチレート物質を使用してガンマ線相互作用位置を検出するのでなく、コンバーターによる変換で発生した荷電粒子のＸＹ座標を、前記荷電粒子と相互作用する２次元座標位置検出器を利用して検出できることが判明した。これによって検出装置全体を、著しく簡略化することができる。
同じく基本的な所見として、コンバーターによって荷電粒子を発生させることによって、コンバーター中に起こるガンマ線相互作用を、小さい発光シンチレーターを利用して信号化できることが判明した。シンチレーターは結晶物質である必要はなく、極くありふれた安価な材料、たとえば、透明シンチレーター・プラスチックなどでよく、その形態はプレート、ロッド、特に、可撓性のファイバーなどから選択すればよい。ファイバーの場合は、１つに束ねて単一の光検出器モニターにすることができ、複数の検出器からのファイバー束をこの単一光検出器によってモニターできる。
重要な発見として、シンチレーター中に発生した光の存在を信号化して出力するのに信号装置を利用することができ、この信号装置が、種々の位置検出器を作動させたり非作動状態にしたりするように構成すればよい。これにより、ガンマ線との相互作用によって、どの検出器が作動したのかを、従って、そのＸＹ座標を、極めて簡単なモニター装置で検出できる。Ｚ座標は検出位置のガンマ線入射方向に沿った点によって与えられる。
要約すれば、本発明は、ガンマ線相互作用位置を検出するためのガンマ線検出装置を提供する。この検出装置は、少なくとも１つのモジュールを有し、各モジュールは、ガンマ線を荷電粒子に変換するコンバーターを有する。コンバーターの変換作用で発生した荷電粒子に応答して発光するシンチレーターを設ける。シンチレーターが発光すると、これを光検出器が検出する。位置検出器と相互作用する荷電粒子のＸＹＺ座標を検出する２次元座標位置検出器を設ける。光検出器中で放出される光の存在を信号化して出力し、位置検出器を作動させる制御・信号装置を設ける。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の検出装置を模式化して示す断面説明図である。
図2は、単一光検出器によってモニターされるように束ねたシンチレーター・ファイバーを有する本発明の検出器を示す斜視図である。
図3は、各検出器が共通のセンターラインを有する検出器列を示す斜視図である。
図4は、検出器列へのガンマ線入射角を、本発明の検出器列が検出する態様を示す説明図である。
図5は、9ＭeＶのガンマ線に対する位置分解能のヒストグラムである。
図6は、ガンマ線で被検体を走査する検出器列の構成を示す説明図である。
図7は、図1に示したモニター装置（読み出しチャンネル）のブロックダイヤグラムである。
好適実施例の説明
図1は、本発明の要部を模式的に示す断面説明図である。これらの要部を一括してモジュールと呼ぶ。複数のモジュールをまとめてモジュール列を形成し、これをガンマ線の方向、即ち、Ｚ方向に積み重ねることができる。モジュール1は、主要素子として、ガンマ−線3を荷電粒子4に変換するコンバーター2を有する。コンバーター2が発生させる荷電粒子4に応答して、シンチレーター5が発光する。シンチレーター5が発光すると、光検出器6がこれを検出する。位置検出器7と相互作用する荷電粒子のＸＹ座標を２次元座標位置検出器7が検出する。制御・信号装置（読み出しチャンネル）8が光検出器中で放出される光の存在を信号化して出力する。
従って、制御・信号装置8以外では、コンバーター2、シンチレーター5及び２次元座標位置検出器7が、モジュールの主要素子である。この3つの素子をサンドイッチして、モジュール1を構成する。図3では、複数のモジュール1が1列に配列されているが、この配列については詳しく後述する。
図2の実施例では、シンチレーターは複数の可撓プラスチック・シンチレーター・プレート、ロッド、ファイバー２０等から成る。これらのシンチレーター20は、端部21において束ねられ、単一光検出器6によってモニターされる。公知技術とは異なり、本発明では、シンチレーター・ファイバー20は、コンバーター2と荷電粒子との相互作用に起因する荷電粒子のＸＹ位置を検出するのに利用されることはない。即ち、シンチレーター5中で発光させて、光検出器が検出できる光信号を発生させるのに利用されるだけである。光検出器6から発生する電気信号は、詳しくは後述するように、制御・信号装置8の機能をトリガーするのに利用される。
２次元座標位置検出器7としては、多様な公知座標位置検出器を使用する事ができる。例えば、ガス・ゲイン・イオン化検出器、マルチワイヤー比例検出器、マイクロストリップ検出器、マイクロギャップ・チェンバー検出器、タイム・プロジェクション・チェンバー検出器等である。但し、好ましい位置検出器はガス・ゲイン・イオン化ドリフト検出器、特にこの場合には、アバランシュ・ゲイン比例ドリフト・チェンバー検出器が好ましい。２次元座標位置検出器として最も好ましいドリフト・チェンバー検出器を図1に示した。上述した種々の検出器の作用は公知である（例えば、フィジカルレビュー ディー、１９９６年７月１日、米国物理学会 ５４巻 １号（Physical Review D,July 1,1996,The American Physical Society,Vo1.54,No.1））。従って、ここでは詳しい説明を省き、説明のため、最も好ましい実施例だけを取り上げる。
図1に示すように、ガンマ線3は、コンバーター2において荷電粒子（電子−陽電子ペアまたはコンプトン電子）に変換される。これら荷電粒子は、詳しくは後述するように、極めて簡単なシンチレーター中に発光を起こさせることができ、放出された光は、後述するように信号形成及び制御のため光検出器によって感知される。荷電粒子は、ドリフト・チェンバー10にイオン化可能ガス9が充填されている位置検出器７に入る。荷電粒子は、イオン化可能ガスからイオン化電子を形成する。最初のイオン化から陽極までのドリフト・チェンバー10におけるイオン化電子のドリフト時間が、ガンマ線3とモジュール1との相互作用Ｘ位置の検出に利用される。Ｙ座標は、陰極の誘導電荷に基づいて検出されるが、詳しくは後述する。ガンマ線相互作用のＺ座標は、ガンマ線によって活性化される特定ドリフト・チェンバーの位置によって与えられる。
電界片または電界素子11、11aが、ドリフト・チェンバーの垂直方向［但し、図示の便宜上の垂直方向であって空間的な方向ではない）に沿って電圧勾配を形成する。この電圧勾配が、ドリフト・チェンバー10中にイオン化電子を上向きにドリフトさせる。イオン化電子は、グリッド装置12に遭遇する。グリッド装置12は、常態においてイオン化電子の通過を阻止するようにバイアスされているが、スイッチされるとイオン化電子を透過させる。グリッド装置12としては、一連の荷電ワイヤーの周りに、イオン化電子の通過を阻止するに充分な電界を発生させるだけでもよい。グリッド装置は公知であり（ブリマン他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３４、１９８５年、４２〜４６ページ（Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）42-46参照））、詳しい説明は省略する。但し、シンチレーター５から光が放出されると、制御・信号装置8と接続している光検出器６中で信号（例えば、電圧）が発生する。シンチレーター５中に光が存在すると、グリッド装置12の電界が、イオン化電子の通過を許すように制御される。詳細は上記ブリマン他（Bryman et al.）の論文に記載されている。
陽極、例えば、20μｍ径の金メッキされたタングステンの細長い陽極ワイヤー13が、グリッド装置12の上方に配置され、シンチレーター5からの発光が光検出器6によって感知されると、グリッド装置12が開いてイオン化電子を透過させる。これも上記ブリマン他（Bryman et al.）の論文に詳しく記述されている。イオン化電子が陽極13に向かって移動し、陽極13に電流を発生させる（この機能については、（ファルダ カンツアー他 ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３５、１９８５年（Fulda-Quenzer et al.,Nuc.Instr.Meth.A235（1985））参照）。
例えば、アルゴン／メタン・ガスを使用する従来のガス・ゲイン・イオン化検出器の場合、電界素子11、11aが発生させる電界の作用下に、電荷粒子４によるイオン化ガス中の電子が上方へドリフトする。ドリフト速度は、例えば、25ｋＶ／ｍの電界ならば約7cm／μsである。例えば、ドリフト・チェンバーの高さが10cmなら、イオン化電子がドリフト・チェンバー内を上昇し、陽極13中に誘導電流を発生させるまでの最大タイム・ラグは約1.4μｓであり、極めて短い。但し、せいぜい数cm程度の極めて低いドリフト・チェンバーを採用すれば、タイム・ラグをさらに短縮することができる。
イオン化電子が、陽極13中に誘導電流を発生させ、その結果、ゲインが著しく増倍（アバランシュ）され、例えば、約5ｘ104に達する。従って、光検出器6がシンチレーター5中の発光を検出し（同時にガス9中にイオン化電子が形成され）てから、陽極13中に電流が検出されるまでのタイム・インターバルを利用することによって、X座標に関して、モジュール1におけるガンマ線相互作用位置を算出することができる（図3参照）。例えば、図1に示すようにガンマ線3がモジュール1のほぼ中点に入射し、その際のタイム・インターバルがAであるとする。もしガンマ線が図1に示す位置よりも低い位置でモジュール1に入射すると、タイム・インターバルはA＋Bとなる。逆に、図1に示す位置よりも高い位置でモジュールに入射すると、タイム・インターバルはA−Bとなる。即ち、光検出器6が発光を感知してから陽極13に誘導電流が発生するまでのタイム・インターバルは、ガンマ線3が発生させる荷電粒子のX座標に比例する。
Y座標が得られるようにするため、一連の導電性陰極14（例えば、ワイヤー、プレート、細片等）をモジュール1に配置する。本発明の重要な利点は、後述するように、陰極を、一連のモジュールと一体に配列できることにある。図3に示すように、陰極14aは、各モジュール１に沿って、モジュールのY方向に順次間隔を保って配列されている。陽極13に発生するイオン化電子のアバランシュによって、陰極の１個または数個またはそれ以上に電流が誘導される。誘導電流を生じた特定の陰極は、該陰極に導入された電荷の存在またはいくつかの陰極に誘導された電荷のパターンによって検出することができ、これによってガンマ線とモジュールとの相互作用のY位置を求めることができる。小さい、例えば、5mmの陰極片または陰極パッドを焼く6mmの間隔で配列すれば、極めて正確な結果が得られる。
言うまでもなく、上記のようにモジュールを作用させるには、電源、電圧調整器、タイマー、電圧・電荷測定装置、及び論理演算回路が必要であり、これら公知の装置を制御・信号装置8に組み込まねばならない。これらの装置は一括して読み出しチャンネルの一部であり、公知であるからここでは詳しく説明しない。
本発明の装置は、コンバータ、シンチレーター及び位置検出器を巧みに組み合わせることによって、それぞれの部材を低コストの材料で形成できる点でも有益である。即ち、コンバーターは、ガンマ線を荷電粒子に変換しさえすればよいから、高密度の物質でさえあればよい。例えば、低エネルギーガンマ線の場合、薄いウォーター・チェンバーでもコンバーターとして機能する。但し、高エネルギーガンマ線の場合、ウォーター・チェンバーを厚くする必要があり、実用に適さない。比較的低エネルギーのガンマ線の場合には、プラスチックやセラミックを使用できるが、より実用的なコンバーターとしては、金属、特に、高密度金属が好ましい。比較的薄くてもコンバーターとして機能するからである。金属の種類は任意であるが、チタン、タングステン、金、銀、銅及び鉛が好ましく、密度が極めて高く安価であるという点で、鉛が特に好ましい。例えば、９MeVのガンマ線の場合、コンバーターとして、0.15mmの鉛で充分である。0.01−2.0mmの厚さで大抵のガンマ−線エネルギーに対応できる。
本発明のシンチレーターは、荷電粒子との相互作用で発光し、この光を透過させるなら、いかなる種類の材質であってもよい。シンチレーターが、例えばBGOのような特殊な結晶体から成り、ガンマ線が直接シンチレーターに作用して発光させる公知技術とは異なり、本発明のシンチレーターは、荷電粒子と相互作用するだけで発光する。したがって、本発明では、公知技術の場合と異なり、広い範囲の材料からシンチレーターの材料を選択できる。即ち、荷電粒子との相互作用で発光する物質が少なくないからである。結晶性の材料もシンチレーター・プラスチックもシンチレーター材料として好ましく、公知技術の結晶体、例えば、BGOであってもよいが、このような高価な材料を使用する必要はなく、もっと安価な、例えばプラスチック・シンチレーターを使用する方が好ましい。多様なプラスチック・シンチレーターが公知であり（上記出版物フィジカルレビュー（Physical Review）に記載されていて、多様な製品がバイクロン オブ ニューバリー、オハオ 米国（Bicron of Newbury,Ohio,U.S.A.）によって製造されている）、ここでは詳細な説明を省く。シンチレーターの好ましい形態は発光シンチレーター・プラスチックである。このようなプラスチック・シンチレーターには他にもいくつかの長所がある。プラスチック・シンチレーターが透明で、細長いファイバー状を呈し、しかも可撓性であれば、図2に示すようにモジュール1から突出しているこれらファイバー20の端部を、図2のように１つにまとめて束21にし、単一光検出器6によってモニターすることができる。図3のように、複数モジュール1からの複数の束21を単一光検出器6によってモニターすることもできる。好ましいプラスチック・シンチレーターは、ポリスチレン系のコアにポリメチルメタクリレート光学被覆を施したものである（General Catalog of Bicron参照）。他の多くの結晶体と比較して、応答時間が短いこともプラスチック・シンチレーターの利点である。
シンチレーターは、図1に示すように、ガンマ線の入射方向に対してほぼ直交していなければならない。但し、本質的には、荷電粒子を捕捉し、光検出器6が検出できるように発光できればよい。シンチレーター６が、プレート状、シート状などの形態であってもよいが、好ましい形態は図1に示すように、隣接ファイバーが順次接触して一列に配列された細長い可撓性ファイバーの形態であるか、または複数列に配列されたこのようなファイバーの形態である。この好ましい形態を採用する場合、複数の隣接するファイバー・シンチレーターを、ガンマ線の方向とほぼ直交する方向に配列し、これら細長いプラスチック・ファイバー・シンチレーターを図2に示すように束ねる。束ねたシンチレーターを単一光検出器6によってモニターする。即ち、複数のシンチレーターの少なくとも一方の端部近傍に、少なくとも１つの光検出器を配置する。同じく図2に示すように、モジュール1の反対端から前記ファイバーと同様なファイバー20Dの束21bを突出させ、後述するような目的で、光検出器6bがモジュール列からの信号を合計し、弁別できるように構成してもよい。
シンチレーターは、発光性シンチレーター・プラスチックなどから成るから、ガンマ線エネルギーが極めて低い場合、ガンマ線とシンチレータ5との直接的な相互作用によって発光させることができる。従って、コンバーター2を設ける必要はない。即ち、ガンマ−線のエネルギー・レベルが極めて低く、シンチレーターが高密度のシンチレーター・プラスチック材から成る場合、シンチレーターがコンバーターの機能を兼ねる。但し、これは特殊なケースであり、本発明の好ましい態様ではない。
本発明では、光検出器として極めて安価な光増倍管またはフォトダイオードを使用してもよい。なぜなら、光検出器の主目的は、シンチレーター5中の発光を検知し、上記グリッド装置12のほか、後述するようなモジュール1の構成部分を作動させるための信号を形成することにあるからである。
図1に示すドリフト・チェンバー検出器は、チェンバー10の一端15近傍から、グリッド装置12の近傍に位置するチェンバー10の反対端16に向かって下降する電圧勾配を有し、前記反対端16の近傍に陰極14、前記グリッド装置12と前記陰極14との間に陽極13を有する。このようなドリフト・チェンバーの構成は公知である（ファルダ カンツアー他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３５、１９８５年、５１７ページ；ブリマン他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３４、１９８５年、４２ページ；ハーグロブ他、ニュークリアー インスツル メソッド ２１９、１９８４年、４６１ページ（Fulda-Quenzer et al.,Nuc.Instr.Meth.A235（1985）,p.517;Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）,42;及びHargrove et al.,Nuc.Instr.Meth.219（1984）,461）参照）。
これに関連して、図3に示す好ましい実施例では、各モジュール1の中心線31が、ほぼ共通の軸線上に来るように、即ち、軸線が中心線31と一致するようにモジュール1の列30を接着剤で接合するか積み重ねる。このようなモジュール列30の好ましい実施例では、各モジュール1の陰極14が、パッドまたは細片14aの形態を呈し、各細片14aを隣接モジュール1の陰極細片14aと接続することによってモジュール列と連携する連続陰極細片を形成する。この構成を採用することによって、極めて低いコストで、モジュール1の列30を製造すると共に、図1に示した光検出器6と制御・信号装置8だけで、図3に示すように一列30に配置した複数のモジュール1に対応することができる。
既に述べたように、グリッド装置12は、光検出器6が検出するシンチレーター5中の発光の有無に応答する信号装置8に応答して、イオン化電子を透過させたり阻止したりする。これも既に述べたことであるが、グリッド装置12は、光検出器6がシンチレーター5中で放出された光を感知しない限り、または、光検出器6による荷電粒子4の発光の検出によって２次元座標位置検出器を作動するよう活性化されるモジュール列における最初の光検出器でない限り、イオン化電子の通過を阻止するようにバイアスされている。この場合、グリッド装置12は帯電を解かれないか、または、その電荷に変化が起こらず、イオン化電子の通過を許さない。
従って、図3に示すように、シンチレーター5から発光すると、各モジュール列における最初の検出器だけが活性化される。もし、シンチレーター5から発光しなければ、このモジュールは不活性のままであり、もし、シンチレーター5から発光しても、モジュールが活性化される最初のモジュールでなければ、このモジュールは不活性のままである。図3において、もし荷電粒子４に変換されたガンマ線3が、モジュールAにおけるシンチレーターを活性化しなければ、このモジュールは不活性のままである。同様に、停電粒子4に変換されたガンマ線3が、モジュールBにおけるシンチレーターを活性化しなければ、このモジュールも不活性のままである。しかし、ガンマ線3によって発生する荷電粒子4が、モジュールC（最初の活性化モジュールとなる）を活性化すると、光検出器6が制御・信号装置8を介してグリッド装置12を開放し、場合によっては電界素子11、11aを作動させる。その結果、上述したように、モジュールCにおいてガンマ線3に応答してXY位置の測定を可能にする。即ち、モジュールCが最初に活性化されるモジュールであるこの場合、このモジュールがXY位置を検出し、他のモジュールA,B,D,E及びFのモニターは不要である。これによってモニター装置が著しく簡略化され、シンチレーター5、光検出器6及び制御・信号装置8の多重化が可能になる。
特定モジュールを活性化する好ましい態様としては、モジュール列中の最初に活性化されるモジュールの陽極に、イオン化電子による誘導電流が現れる。列中の他のすべてのモジュールの他のすべての陽極には、このような誘導電流は発生せず、したがって、不活性のままである。活性化されるのは１つのモジュールだけであるから、この活性化モジュールだけが信号を出力し、この信号を利用することによって、ガンマ線が発生させた荷電粒子のXY位置を検出することができる。このような構成が、陰極14aを図3に示すように、上述した連続的な細片として形成することを可能にする。この構成はまた、モジュール列の製造を簡略化し、単一または少数のデータ取得・モニター装置（読み出しチャンネル）、即ち、光検出器6及び制御・信号装置8で、図3に示すように、多数のモジュールから成るモジュール列30全体に対応することを可能にする。
本発明の検出装置では、ガンマ線が、モジュール列と相互作用する角度を測定することもできる。荷電粒子とモジュールとの相互作用及びXY測定を模式的に示す図4から明らかなように、もし、モジュール1の列30において4基のモジュールが順次活性化され、それぞれがX及びY座標を測定すると仮定する。次いで、公知の計算により、例えば、モジュールA,B,C,D及びEの相互作用のX及びY座標を求めると、ガンマ線が発生させた荷電粒子がモジュール1の列30と相互作用した角度の算出が可能になる。この場合、後述するように、モジュールごとに別設の陰極片及び読み出しチャンネルが必要になる。
上述したように、陰極14、具体的には陰極片14aへの電荷誘導によって、陰極が相互作用のY座標を決定する。陰極における相互作用位置を表わすY座標は種々の公知装置によって得られる。例えば、A／Dコンバーターでアナログ・パルスの波高を求めることにより、陰極片14aの誘導電荷のセントロイドを得ることによって、陰極片14aにおける相互作用のY位置を検出することができる。誘導電荷のセントロイドは、例えば、陰極片14aの各端における電圧または電流を測定することによって求めることができる。あるいは、公知の弁別器を利用して、電荷が誘導されている陰極片のパターンを求めることもできる。高い精度が要求されない場合、陽極に抵抗線を使用し、各端におけるパルス波高を測定して、そのY位置を算出することによってY座標を求めることができる。さらにまた、端末間のタイミング情報を利用して、陽極線に沿ったどの部分に電荷が誘導されたかを検出することによってY座標を求めることができる。
シンチレーターが、公知のシンチレーター・プラスチック（例えば、クラレ エス・シー・エス・エヌ３８（Kuraray SCSN-38）を使用した上記プラスチック・ファイバーである場合、これらのファイバーは極めて細く、例えば、その直径は1.0mm程度である。但し、偏平なシンチレーター・プレートまたは細片を使用してもよく、この場合、プレートの端部に取り付けた可撓または成形光ガイドを利用して上記プレートまたは細片を束ねればよい。あるいは、市販の波長シフト・ファイバーまたは細片を利用してもよい。
図3に示すようなモジュール列を使用する場合、第１モジュールの下流側に位置する数基のモジュールも、同時にガンマ線の影響を受ける可能性がある。ところが、ガンマ線相互作用のXYZ座標を求めるには、第１モジュールだけを上述したように活性化する必要がある。この場合、制御・信号装置8に含まれる公知の電子論理回路によって、データ取得を第1モジュールだけに制限することができる。これにより、位置検出器7の読み出しチャンネルを、すべてのモジュールに共通の（多重）構成に組み込むことができる。列30のための読み出しチャンネル（光検出器6及び制御・信号装置8）の作動は、列に含まれるすべてのシンチレーターからの最低レベルのエネルギーによって、または最少数のシンチレーター発光の検知によってトリガーすることができる。この2つのアプローチは、バックグラウンド放射に起因する誤作動を防止することができる。
再び図2に関連して説明する。既に述べたように、束21に纏められたファイバー20を、単一の光検出器6でモニターすることによって、制御・信号装置8を作動させることができる。ファイバー20の両端は、ファイバー20bとしてモジュール1から突出し、光検出器6bによってモニターされる束21bを形成する。（列30を構成する各モジュールに1個ずつの）光検出器6bは、そのタイミングによって、列30中のどのモジュールが最初に活性化したかガンマ線の作用を受けたか）を検出することができる。モジュール列中の最初に活性化したモジュールがこのモジュールのグリッド装置12を開放すると、制御・信号装置8が列中の他のすべてのモジュールを不活性の状態に維持する。
また、第1列に属する第１モジュールのファイバー20b及び束21bを第2列に属する第1モジュール、第3列に属する第１モジュール……というように他の列の第1モジュールと一緒に束ねることによって、複数モジュール列における第1モジュールを単一の光検出器によってモニターすることができる。複数列の第2、第3……モジュールについても同様に構成することができる。このように構成すれば、モジュール列中のどのモジュールが、例えば、第1、第2、第3モジュールが最初にガンマ線によって活性化されたか（作用を受けたか）を検出することによってZ座標を容易に求めることができる。
多重クーロン散乱を考慮しなければならないから、達成可能な位置分解能（XYの検出精度）を左右するのは、コンバーターの厚さと、コンバーターから２次元座標位置検出器までの距離である。但し、厚さ0.15mmの鉛のコンバーター、直径2.0mmのプラスチック・シンチレーター・ファイバー、及び厚さ5.0mmのドリフト・チェンバーを使用して、図3に示すようなモジュール列に9MeVのガンマ線を作用させると、極めて正確な検出が可能である。図5は、実際のガンマ位置に対する検出ガンマ位置のヒストグラムを示す。2.5mm（fwhm＝半値幅）の固有位置分解能を有するドリフト・チェンバーを使用した結果、典型的なガンマ位置分解能は3.5mm（fwhm）であった。１５０基のモジュールに対して、９MeVガンマ線の検出効率は８４%であった。
図6は、複数モジュール列60の説明図である。この場合、モジュール１の複数列60は、各列の中心線が図3に示すように互いに平行となるように、隣接している。各列におけるモジュールの適正な個数は、所定のエネルギーを有するガンマ線アーク63内で被検体を走査するガンマ線供給源61からのガンマ線と相互作用し得るモジュールの最多個数を測定（または算出）することによって決定することができる。すべての列における最初に作用を受ける（活性化される）モジュールを組み合わせ、単一の光検出器で読み出すことができる。モジュールを水平方向にグループ分けしての、各列毎のエネルギー総和も、どの列で相互作用が起こったかを識別できるように設定することができる。活性化されているモジュールのアドレス（列番号、モジュール番号など）と活性化の時間を、公知の電子論理装置を利用して検出すれば、活性化された水平列を検出できる。
制御・信号装置8の詳細は、上記ブリマン他、ニュークリアー インスツル メソッド エイ２３４、１９８５年、４２〜４６ページ（Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）,42-46）に記載されているが、その模式図を図7に示した。図7において、シンチレーター5からの光70は光増倍管／電源71において検出され、その結果発生する電気信号がA／Dコンバーター73、シンチレーター・アナログ加算器74及び弁別器75に入力される。加算器74からトリガー信号が出力され、この信号と弁別器75からの信号とに応答して論理装置76が作動し、種々のモジュール1のグリッド装置12に対する”開放”または”閉鎖”信号を出力する。
本発明のモジュール及び制御・信号装置を構成する素子はいずれも公知であるが、これらの素子が本発明のように検出器モジュールとして組み立てられたことはなかった。本発明は、モジュール列中にあってガンマ線が荷電粒子に変換される最初のモジュールを１回の読み出しで容易に選択でき、高度の読み出しチャンネル共有性（多重化）を可能にすることで、必要読み出しチャンネル数を大幅に減らすことができる。検出器の位置分解能は均一であり、最初のガンマ線相互作用の３次元座標を正確かつ鮮明に求めることができる。モジュールの製造コストが低いから、妥当なコストで広い用途に対応できる。
以上、本発明の実施例を説明したが、付記した請求の範囲を逸脱しない限り、種々の実施態様が可能である。
Claims (24)
- 少なくとも１基のモジュールを有し、ガンマ線相互作用の位置を検出するガンマ線検出装置であって、そのモジュールが、
（１）ガンマ線を荷電粒子に変換するコンバーターと；
（２）コンバーターにより生成した荷電粒子に応答して発光するシンチレーターと；
（３）シンチレーターから光が放出されると、これを検出する光検出器と；
（４）荷電粒子と相互作用したＸＹ座標を検出する、イオン化電子のドリフト時間に基づくＸ座標を測定するよう配置された２次元座標位置検出器と；
（５）光検出器で検出された光を信号化して、２次元座標位置検出器を作動させる制御・信号装置から成ることを特徴とするガンマ線検出装置。 - コンバーターが、ガンマ線を荷電粒子に変換させうる高密度物質である請求項１に記載のガンマ線検出装置。
- コンバーターが、金属またはプラスチックから成る請求項２に記載のガンマ線検出装置。
- コンバーターが、鉛から成る請求項３に記載のガンマ線検出装置。
- シンチレーターが、シンチレート作用を有する結晶体またはプラスチックから成る請求項１に記載のガンマ線検出装置。
- シンチレーターが、細長く透明のファイバー状であり、シンチレート作用を有するプラスチックから成り、そのファイバーが可撓性を有する請求項５に記載のガンマ線検出装置。
- ガンマ線の進行方向とほぼ直交する方向に配列された複数の隣接シンチレーターを有する請求項６に記載のガンマ線検出装置。
- 複数のシンチレーターの端部に光検出器を配置した請求項７に記載のガンマ線検出装置。
- 複数のシンチレーターの端部を一つに束ね、束ねた端部の近傍に１基の光検出器を配置した請求項８に記載のガンマ線検出装置。
- シンチレーターがシンチレート作用を有する物質から成ると共に、ガンマ線が低エネルギーである場合にシンチレーターがコンバーターとしても機能する請求項１に記載のガンマ線検出装置。
- 光検出器が光増倍管である請求項１に記載のガンマ線検出装置。
- 位置検出器が、ガス・ゲイン・イオン化検出器、マルチワイヤー比例検出器、マイクロストリッブ検出器、マイクロギャッブ・チェンバー検出器、または、タイム・ブロジェクション・チェンバー検出器のいずれかである請求項１に記載のガンマ線検出装置。
- 位置検出器が、ガス・ゲイン・イオン化検出器である請求項１２に記載のガンマ線検出装置。
- ガス・ゲイン・イオン化検出器が、ドリフト・チェンバー検出器である請求項１３に記載のガンマ線検出装置。
- ドリフト・チェンバーが、（１）チェンバーの一端近傍からチェンバーの他端近傍に向かって低下する電圧勾配と；（２）チェンバーの前記他端の近傍に設けたグリッド装置と；（３）前記他端の近傍に設けた陰極と；（４）グリッド装置と陰極との間に設けた陽極を有する請求項１４に記載のガンマ線検出装置。
- 光検出器が、シンチレーター光の存否を検出するのに応答する制御・信号装置に応答して、グリッド装置が開閉することにより、イオン化電子を通過または阻止する請求項１５に記載のガンマ線検出装置。
- 光検出器がシンチレーターの発光を感知しない限り、グリッド装置がイオン化電子の通過を阻止するように電気的にバイアスされ、光検出器がシンチレーターの発光を感知すると、電気的に変化してイオン化電子の通過を許す請求項１６に記載のガンマ線検出装置。
- 陰極中に誘導された電荷により、陰極が荷電粒子のY座標を決定し、シンチレーターに放出された光が検出されてから陽極が電荷を検出するまでの時間が荷電粒子のX座標を決定する請求項１７に記載のガンマ線検出装置。
- 制御・信号装置が、論理演算装置を含む請求項１７に記載のガンマ線検出装置。
- 各モジュールの中心線が、ほぼ共通の軸線上に位置するように、複数のモジュールを１列に配列した請求項１に記載のガンマ線検出装置。
- 各モジュールの陰極を隣接モジュールの陰極と接続することにより、モジュール列に共通の連続的な陰極を形成する請求項２０に記載のガンマ線検出装置。
- 複数のモジュール列を、各列の中心線がほぼ平行となるように、互いに隣接配置した請求項２０に記載のガンマ線検出装置。
- モジュール列中において、荷電粒子の発光を検出した最初のモジュールの制御・信号装置が２次元座標位置検出器を作動させる活性化状態となり、同じモジュール列中の残りすべてのモジュールの制御・信号装置が不活性のままである請求項２１に記載のガンマ線検出装置。
- 単一の光検出器及び制御・信号装置が、各モジュール列と共に使用される請求項２３に記載のガンマ線検出装置。
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