JP4519432B2

JP4519432B2 - シンチレーション検出器

Info

Publication number: JP4519432B2
Application number: JP2003321978A
Authority: JP
Inventors: 賢一伏見; 斉吉田; 佳代子市原; 祥男柳田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: JP2005091035A

Description

この発明は、シンチレーション検出器に関する。

例えば、ＮａＩ（Ｔｌ）結晶を用いたシンチレーション検出器は、高感度、高エネルギー分解能の放射線検出器として、原子核、素粒子物理学実験における応用のみならず、医療における診断装置や産業における非破壊検査などのための検出器として広く用いられている。

最近数十年の宇宙観測によって、宇宙に存在する物質の構成が明らかになりつつある。銀河系の回転速度および相互運動の観測結果からは、銀河系に存在する質量の大部分は光を出さない暗黒物質（ＤａｒｋＭａｔｔｅｒ）と呼ばれる物質であるとされている。また、マイクロ波宇宙背景輻射の精密な観測によって、全宇宙の質量のうち約３０％は、これまでに知られていない素粒子であることが示唆されている。宇宙の質量の大部分を占めるとされている未知素粒子の有力候補は、素粒子理論の最先端で予想されている超対称性粒子と呼ばれる素粒子群である。このうち最も軽い粒子は安定で、宇宙の初期に大量に生成して現在までその量を保ち続けている。このような素粒子は、その相互作用が弱いことから、ＷＩＭＰｓ（ＷｅａｋｌｙＩｎｔｅｒａｃｔｉｎｇＭａｓｓｉｖｅＰａｒｔｉｃｌｅｓ）と呼ばれている。
"Ｓｅａｒｃｈｆｏｒｓｐｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄｄａｒｋｍａｔｔｅｒｂｙｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅａｘｉａｌ−ｖｅｃｔｏｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｏｆｎｕｃｌｅｉ" Ｈ．Ｅｊｉｒｉ，Ｋ．Ｆｕｓｈｉｍｉ，ａｎｄＨ．ＯｈｓｕｍｉＰｈｉｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＢ３１７（１９９３）１４−１８Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ "Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｌａｒｇｅ−ｖｏｌｕｍｅＮａＩｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｔｏｓｅａｒｃｈｆｏｒｄａｒｋｍａｔｔｅｒ" Ｋ．Ｆｕｓｈｉｍｉ，Ｈ．Ｅｊｉｒｉ，Ｈ．Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ，Ｎ．Ｋｕｄｏｍｉ，Ｋ．Ｋｕｍｅ，Ｋ．Ｎａｇａｔａ，Ｈ．Ｏｈｓｕｍｉ，Ｋ．Ｏｋａｄａ，Ｈ．Ｓａｎｏ，ａｎｄＪ．ＴａｎａｋａＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＣＶＯＬＵＭＥ４７，ＮＵＭＢＥＲ２ＦＥＢＲＵＡＲＹ１９９３Ｒ４２５−４２８

前記ＷＩＭＰｓの検出には、従来より、シンチレータ素子がＮａＩ（Ｔｌ）結晶からなるシンチレーション検出器が用いられており、多くの最先端の研究グループでは、大容量シンチレータ素子、すなわち、シンチレータ素子の厚みが数ｍｍ〜数百ｍｍといったかなり厚みが大きいシンチレーション検出器を用いてＷＩＭＰｓ探索実験を行っている。しかしながら、このような厚みの大きいシンチレーション検出器においては、反跳エネルギー（Ｒｅｃｏｉｌ）によるエネルギースペクトルと励起状態から放出される所定エネルギーを有するγ線とが同時に検出されてしまうことがあった。

図１０は、従来の非弾性散乱の測定を模式的に表すもので、同図（Ａ）に示すように、厚みＴが大きいシンチレータ素子９１にＷＩＭＰｓ９２が入射したとき、このＷＩＭＰｓ９２とＮａＩ結晶からなるシンチレータ素子９１に含まれる原子核の相互作用により、反跳エネルギーによるエネルギースペクトルχと励起状態から放出される所定エネルギーを有するγ線とが放出されるが、シンチレータ素子９１の厚みＴが大きいため、前記反跳エネルギーによるエネルギースペクトルとγ線エネルギーとが同時に検出され、その時の検出出力は、同図（Ｂ）に示すように、前記Ｒｅｃｏｉｌとγ線とが互いに分離されず、重畳した状態でしか得られなかった。

ところで、ＷＩＭＰｓとＮａＩ結晶に含まれる原子核の相互作用は、¹²⁷Ｉにおける非弾性散乱が特徴的であり、反応とともに５７．６ｋｅＶという特定のγ線を放出することを利用してＷＩＭＰｓに対する選択性と感度を飛躍的に向上させることができるが、上述のように、反跳エネルギーによるエネルギースペクトルとγ線エネルギーとが重畳した状態で信号が出力された場合には、この信号に統計的処理を施すことにより解析を行うようにしていた。

しかしながら、上記統計的処理は精度を劣化させてしまうため、ノイズレベルが高くなると統計的処理手法によっても、非弾性散乱によって発生するγ線を他のバックグラウンド事象と区別して測定することが不可能となり、十分な感度を得ることができなかった。

この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、ノイズレベルが高くなっても、非弾性散乱など放射線を精度よく検出することのできるシンチレーション検出器を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明のシンチレーション検出器は、複数のシンチレータ素子をそれらの間に光反射膜を介して積層するとともに、積層したシンチレータ素子及び光反射膜においてその積層方向の一端側に入射面を設け、該入射面から、前記シンチレータ素子に含まれる ¹²⁷ Ｉである原子核と反応して原子核反跳と励起状態の前記原子核から放出されるγ線とを生じる素粒子を入射させるようにしてあり、また、前記各シンチレータ素子の積層方向の厚みは、一の素粒子が入射し原子核反跳を内部で生じさせたシンチレータ素子のみならず該シンチレータ素子に隣接するシンチレータ素子によっても、前記一の素粒子により生ずるγ線を検出しうる程度に薄くされ、各シンチレータ素子において得られる前記原子核反跳及び前記γ線による光を当該シンチレータ素子における端部断面部から取り出すように、当該シンチレータ素子の周囲に各シンチレータ素子に対応するように設けられた光導出部が配置されていることを特徴としている（請求項１）。

前記各シンチレータ素子の積層方向の厚みを０．３〜０．５ｍｍとするのが好ましい（請求項２）。

上記構成のシンチレーション検出器においては、シンチレータ素子が極めて薄く、所謂超薄型であるので、例えば、励起状態から放出される所定エネルギーを有するγ線に基づく光を、互いに隣接するシンチレータ素子において検出することができる。したがって、従来のような煩わしい統計的処理を用いなくても、原子核反跳による光とγ線とを峻別して検出することができる。そして、前記各光は、シンチレータ素子の端部断面部から取り出されるので、前記光を効率よく取り出すことができ、それだけ、高感度、高精度の検出を行うことができる。

図１〜５は、この発明の第１実施例を示す。まず、図１はこの発明のシンチレーションを組み込んだシンチレーション検出装置Ｄの全体構成を概略的に示すものであり、図２はその要部の外観を概略的に示すものであり、図３はシンチレーション検出器の要部の構成を概略的に示すものである。これらの図において、１０はシンチレーション検出器で、例えば平面視正方形である。このシンチレーション検出器１０の４つの辺には、光導出部２０がそれぞれ設けられ、各光導出部２０の他端側は、光電変換部３０に接続されている。すなわち、この実施例においては、一つのシンチレーション検出器１０に対して、４つの光導出部２０と４つの光電変換部３０が設けられている。そして、各光電変換部３０の出力信号は、信号処理部（図示していない）に入力されるようにしてある。なお、４０はシンチレーション検出器１０とその周囲に配置される４つの光導出部２０を覆うようにして設けられるカバー体である。

前記シンチレーション検出器１０は、例えば次のように構成されている。すなわち、図２（Ｂ）および図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、シンチレーション検出器１０は、シンチレータ素子１１を光反射膜１２を介して複数（この実施例においては１６）の積層したもので、より詳しくは、大きさ（縦横の寸法）が互いに等しいシンチレータ素子１１と光反射膜１２とを交互に積層するとともに、最上部のシンチレータ素子１１の上面および最下部のシンチレータ素子１１の下面にそれぞれ光反射膜１２を設けてなるものである。すなわち、シンチレータ素子１１は、その厚み方向（図３（Ａ）における矢印Ｘ方向）に光反射膜１２が設けられており、シンチレータ素子１１において生じた光５１Ｌ，５２Ｌは、光反射膜１２によって、大部分が反射され、シンチレータ素子１１の端部断面部１１ａ（図３（Ｂ）参照）に向かう。

そして、前記シンチレータ素子１１は、例えばＮａＩ結晶よりなり、その大きさおよび形状は、例えば厚み０．５ｍｍ×縦５０ｍｍ×横５０ｍｍの薄い平面視正方形の平板に形成されている。また、光反射膜１２は、例えばフッ素樹脂またはカーボン樹脂などの高反射特性を備えた素材よりなり、例えば厚み６５μｍ×縦５０ｍｍ×横５０ｍｍの薄い平面視正方形の膜体に形成されている。したがって、このシンチレーション検出器１０は、その厚みは、１０ｍｍ以下というように、従来にはない超薄型である。

前記光導出部２０は、平面視正方形のシンチレーション検出器１０の各層（モジュールともいう、この実施例では１６層）にそれぞれ対応するように設けられ、図１に示すように、例えば光ファイバなどのライトガイド２１を複数隙間なく配列してなるもので、この図において符号Ａを付した拡大図に示すように、複数のライトガイド２１が例えば上下二段に隙間なく配列してなるもので、前記シンチレータ素子１１をその端部断面部１１ａに伝わってきた光を導出するものである。

前記光電変換部３０は、光導出部２０の複数のライトガイド２１に対応するようにして光電子増倍管（ホトマル）を複数設けてなるもので、ライトガイド２１によって送られてきた光をその強さに対応した電気信号に変換し、これを出力信号として信号処理部（図示していない）に順次送出するものである。

前記カバー体４０は、シンチレーション検出器１０とその周囲に配置される４つの光導出部２０を覆うようにして設けられるが、このカバー体４０は、遮光性および低バックグラウンド特性に優れた素材（例えば無酸素銅）よりなり、シンチレーション検出器１０や光導出部２０に対して外部の光や迷光が入射したり侵入させないようにするものである。

上記構成の超薄型のシンチレーション検出器１０の作動について、図４および図５をも参照しながら説明する。図４（Ａ）に示すように、ＷＩＭＰｓなどの宇宙素粒子５０が一つのシンチレータ素子１１ａに入射すると、当該宇宙素粒子５０が一つのシンチレータ素子１１内においてＮａＩ結晶に含まれる原子核¹²⁷Ｉと反応して、原子核反跳（Ｒｅｃｏｉｌ）５１とγ線５２とに分割される。これら原子核反跳を表す光５１Ｌおよびγ線５２Ｌは、隣り合うシンチレータ素子１１でそれぞれ検出される。これによって、同図（Ｂ）の左側に示す単一のピークを有するスペクトルを、同図（Ｂ）の右側に示すように、原子核反跳５１に対応するスペクトルとγ線５２に対応するスペクトルとにそれぞれ分離した状態で観測することができる。つまり、バックグラウンド事象との区別が明確になり、所望のスペクトルをそれぞれ確認することができるようになるのである。

前記各スペクトルは、発光として得られるが、この発光は、シンチレータ素子１１の厚み方向の両面に光反射膜１２が設けられているので、図３および図５に示すように、前記反応によって生じた光５１Ｌ，５２Ｌは、シンチレータ素子１１内を前記光反射膜１２において反射されながら、シンチレータ素子１１の内部を端部断面部１１ａ方向に進行する。この場合、前記光５１Ｌ，５２Ｌは、四方八方に広がり、シンチレーション検出器１０の４つの辺にそれぞれ対応するように設けられた光導出部２０を伝って光電変換部３０に至って、電気信号に変換され、さらに、この光電変換部３０において得られた電気信号が信号処理部に順次送出される。この場合、一つのシンチレータ素子１１において生じた光は、４つの光導出部２０および４つの光電変換部３０を介して信号処理部に入力されるので、これらの４つの電気信号を合算することにより、一つのシンチレータ素子１１において生じた光の強度が得られる。

そして、上記実施例においては、各シンチレータ素子１１において得られる光は、シンチレータ素子１１の厚み方向の両面（上下両面）において反射されて光導出部２０に至り、さらに、光電変換部３０に至るが、このとき、シンチレータ素子１１から逃げる光の割合をＥとすると、下記式で表される。

ここで、ｎ₀：シンチレータ素子１１の屈折率
ｎ₁：光反射膜１２の屈折率
θ_c：臨界角

そして、前記ｎ₀が１．８５、ｎ₁が１であるとき、Ｅは１６％となる。つまり、厚みの薄いシンチレータ素子１１においては、その内部で発光によって生じた光の８４％がシンチレータ素子１１内部を伝搬し、それだけ光の収集効率が高くなる。つまり、信号量としての光（有効な光）を大量に得ることができ、それだけＳ／Ｎの大きい測定を行うことができ、高感度の測定を行うことができる。

上述のように、超薄型のシンチレータ素子１１を複数層積層したシンチレーション検出器１０において、ＷＩＭＰｓと原子核の非弾性散乱に伴う５７．６ｋｅＶのγ線を選択的に検出することにより感度が向上するが、その成否は、前記５７．６ｋｅＶのγ線が発生源以外のシンチレータ素子１１で効率よく検出されることにかかっている。そのため、本願発明者らは、５７．６ｋｅＶのγ線が前記シンチレーション検出器１０のどのシンチレータ素子１１でどの程度（何％）検出されているかを、モンテカルロシミュレーションによって評価した。以下、このモンテカルロシミュレーションの方法およびその内容について、図６〜図８を参照しながら説明する。

モンテカルロシミュレーションは、スイスの欧州原子力研究所ＣＥＲＮが提供しているプログラムコードＧＥＡＮＴ３を用いた。そして、シンチレータ素子（以下、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュールという）１１の大きさは、縦５ｃｍ×横５ｃｍとし、厚さを１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．７５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍおよび０．１ｍｍとした。

まず、図６に示すように、同じ厚さ（０．５ｍｍ）のＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１を１０枚、光反射膜１２を介して積層し、中心のＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１（ＩＤ＝５）から均一な位置分布、等方な方向分布で５７．６ｋｅＶのγ線を発生させたところ、同図において符号６１で示すような多くのγ線の飛行経路が得られた。

次に、５７．６ｋｅＶのγ線が、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１を１０枚積層したシンチレーション検出器１０において、各ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１に検出される比率を調べた。図７は、全発生γ線数に対する５６ｋｅＶ以上のピーク領域に観測された計数値の比を検出効率として、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１毎の位置依存性を示している。この図中の符号○、□、◇、×、＋、△、●は、それぞれ、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１の厚みが０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．０ｍｍおよび１．５ｍｍの場合における検出効率を示している。

また、発生源（ＩＤ＝５）以外のＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１で５７．６ｋｅＶのγ線が検出される効率を求めたところ、下記表１に示すような結果が得られた。この表１において、発生源の隣のＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１で検出される効率とは、発生源（ＩＤ＝５）に隣接するＩＤ４，６（図６参照）で検出される効率の和のことをいう。

そして、図８は前記表１を図示したもので、この図において、●、○は、発生源の隣で検出される効率、全検出効率をそれぞれ示している。このように図示することによって、５７．６ｋｅＶのγ線がＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１によって検出される効率の傾向がよく分かる。

例えば、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１が極めて薄い（０．１ｍｍ）場合には、全ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１における検出効率の和も、隣接するＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１で検出される効率も小さくなっている。これは、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１が薄すぎるため、５７．６ｋｅＶのγ線が透過するためで、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１を１０枚よりも多くすれば、全効率は大きくなる（改善される）であろう。しかしながら、５７．６ｋｅＶのγ線を計測するＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１が多数にわたるため、５７．６ｋｅＶのγ線を放出したＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１の位置を特定することが困難になってしまう。

一方、ＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１が厚すぎる（１．５ｍｍ）場合には、発生源以外のＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１に５７．６ｋｅＶのγ線が届く確率が低くなり過ぎてしまい、所期の目的を達成することができない。

前記図８に示した結果から、隣のＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１における検出効率および全体の検出効率の双方が最も大きくなる０．３〜０．５ｍｍ厚みのＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１を製作し、これを複数枚積層することにより、非弾性散乱のγ線と原子核反跳とを高効率かつ高精度で弁別して測定することができるものと考えられる。

以上の説明より明らかなように、この発明のシンチレーション検出器１０を用いることにより、暗黒物質の探索や、原子核、素粒子物理学実験を、従来よりも高感度、高精度に行うことがことができる。

この発明の超薄型のシンチレーション検出器１０は、上記宇宙素粒子の解析など原子核、素粒子物理学実験における応用のみならず、医療における診断装置についても広く適用することができる。以下、医療診断における応用例について説明する。

癌の診断方法との一つとしてＰＥＴ（ＰｏｓｉｔｒｏｎＥｍｉｓｓｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）がある。悪性腫瘍を構成する癌細胞は活動性が高いため、周囲の組織よりも多くのブドウ糖を代謝する性質がある。そのため、ブドウ糖に¹⁸Ｆ等の陽電子放出を行う放射線源を付加した物質を投与すると、悪性腫瘍に集中するため健康な組織よりも多くの放射線を放出する。悪性腫瘍に蓄積した放射線源は陽電子を放出し、陽電子は周囲に多数存在する電子と対消滅を行って５１１ｋｅＶの２本のγ線を互いに反対方向に放出する。この２本のγ線を捉えることによって体内における放射線源の位置、すなわち、悪性腫瘍の位置を特定することができる。

上記ＰＥＴは、悪性腫瘍に対して極めて高い検出感度を持っているが、Ｘ線ＣＴ画像に比べて位置分解能が極めて劣るため、悪性腫瘍の位置を精密に特定することができず、そのため、従来においては、Ｘ線ＣＴを併用して診断を行うことがあった。このため、患者に対する放射線被曝線量の増大を引き起こすおそれがあった。

ところで、ＰＥＴの位置分解能は、装置に用いられる放射線検出器の大きさに制限されている。そして、ＰＥＴで検出する放射線は５１１ｋｅＶという高エネルギーのγ線であるため、現状では小型化することができない。しかしながら、上記超薄型のシンチレーション検出器１０を用いた場合、上述した課題を一挙に解決することができる。

すなわち、従来においては、図９（Ａ）に示すように、放射線源７１から発せられるγ線７２を、厚みの大きいシンチレータ素子７３ａを多数組み合わせて構成した放射線検出器７３によって検出するようにしていたが、前記γ線７２は、矢印で示すようにシンチレータ素子７３ａを通過してしまうことがあった。しかしながら、同図（Ｂ）に示すように、厚みの小さく（例えば０．５ｍｍ）、大面積のシンチレータ素子８１を、前記第１実施例と同様に複数（多数）積層することにより、位置分解能が極めて高い放射線検出器８０が得られる。

この発明は、上述した実施例に限られるものではなく、シンチレーション検出器１０，８０の平面視形状は、正方形以外の長方形であってもよく、また、これら矩形以外の多角形状や円形など種々の形状を採用することができる。

この発明のシンチレーション検出器を組み込んだシンチレーション検出装置の全体構成を概略的に示すものである。前記装置の要部の外観を概略的に示すものである。この発明のシンチレーション検出器の要部の構成を概略的に示すものである。前記シンチレーション検出器の作動を説明するための図である。前記シンチレーション検出器における光の伝搬効率を説明するための図である。前記シンチレーション検出器におけるγ線の発生状態を模式的に示す図である。前記シンチレーション検出器におけるＮａＩ（Ｔｌ）モジュール１１に検出される比率を示した図である。積層されたＮａＩ（Ｔｌ）モジュールにおいて、特定の発生源以外のＮａＩ（Ｔｌ）モジュールでγ線が検出される効率を示す図である。この発明の応用例を説明するための図である。従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１１シンチレータ素子
１１ａ端部断面部
１２光反射膜

Claims

複数のシンチレータ素子をそれらの間に光反射膜を介して積層するとともに、積層したシンチレータ素子及び光反射膜においてその積層方向の一端側に入射面を設け、該入射面から、前記シンチレータ素子に含まれる ¹²⁷ Ｉである原子核と反応して原子核反跳と励起状態の前記原子核から放出されるγ線とを生じる素粒子を入射させるようにしてあり、また、前記各シンチレータ素子の積層方向の厚みは、一の素粒子が入射し原子核反跳を内部で生じさせたシンチレータ素子のみならず該シンチレータ素子に隣接するシンチレータ素子によっても、前記一の素粒子により生ずるγ線を検出しうる程度に薄くされ、各シンチレータ素子において得られる前記原子核反跳及び前記γ線による光を当該シンチレータ素子における端部断面部から取り出すように、当該シンチレータ素子の周囲に各シンチレータ素子に対応するように設けられた光導出部が配置されていることを特徴とするシンチレーション検出器。
前記各シンチレータ素子の積層方向の厚みは０．３〜０．５ｍｍである請求項１に記載のシンチレーション検出器。