JP4685042B2 - 放射線検出装置及び放射線の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、新規な放射線検出装置に関する。該放射線検出装置は、陽電子断層撮影、Ｘ線撮影等の医療分野、各種非破壊検査等の工業分野、及び所持品検査等の保安分野において好適に使用できる。

放射線利用技術は、陽電子断層撮影、Ｘ線撮影等の医療分野、各種非破壊検査等の工業分野、及び所持品検査等の保安分野など多岐にわたり、現在も目覚しい発展を続けている。

放射線検出装置は、放射線利用技術の重要な位置を占める要素技術であって、放射線利用技術の発展に伴い、放射線に対する検出感度、放射線の入射位置に対する位置分解能、或いは計数率特性について、より高度な性能が求められている。また、放射線利用技術の普及に伴い、放射線検出装置の低コスト化や小型化も求められている。

現在知られている放射線検出装置としては、シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせたシンチレーション検出器が挙げられる。該シンチレーション検出器は、放射線と相互作用する確率の大きいシンチレーターを用いることから、放射線に対する検出感度が高く、特に放射線の中でも高エネルギーの光子を効率よく検出できるという特徴を有するものの、光電子増倍管のサイズ上の制約により、位置分解能の向上や装置の小型化には限界があった。また、光電子増倍管が高価であるため、低コスト化が困難であるという問題もあった。

一方、位置分解能が高く、小型化や低コスト化が容易な放射線検出装置として、ガスカウンターが知られているが、該ガスカウンターは放射線に対する阻止能が低く、特に高エネルギーの光子に対する検出感度が乏しいという問題があった。

かかる問題を解決すべく、放射線に対する阻止能の大きいシンチレーターとガスカウンターの一種であるマルチワイヤープロポーショナルカウンターを組み合わせた放射線検出装置が提案されたが（非特許文献１参照）、依然として検出感度ならびに位置分解能に問題があった。

ＷＯ０２／００１５９８号公報 Ｓ． Ｔａｖｅｒｎｉｅｒ ｅｔ ａｌ， "Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｌｉｇｈｔ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ＬａＦ３ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ"， Ｎｕｌｃｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ａ３１１，３０１ （１９９２）．

本発明は、位置分解能に優れ、且つ高エネルギーの光子をも高感度で検出できる放射線検出装置を安価に提供することを目的とする。

本発明者等は、位置分解能に優れ、小型化や低コスト化が容易なガスカウンターに着目し、該ガスカウンターの高エネルギーの光子に対する検出感度を高めるべく種々検討を重ねた結果、高エネルギーの光子に対する阻止能の大きいシンチレーターと、ガスカウンターの一種であるマイクロストリップガスチャンバー（以下ＭＳＧＣともいう）を組み合わせることによって所期の目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、入射した放射線を真空紫外線に変換するシンチレーターと、入射した真空紫外線を電気信号に変換するマイクロストリップガスチャンバーとを具備することを特徴とし、放射線を電気信号として取り出すことが可能な放射線検出装置である。

本発明の放射線検出装置によれば、位置分解能に優れ、且つ高エネルギーの光子をも高感度で検出できる放射線検出装置を安価に得ることができる。該放射線検出装置は、陽電子断層撮影、Ｘ線撮影等の医療分野、各種非破壊検査等の工業分野、及び所持品検査等の保安分野において好適に使用できる。

本発明の放射線検出装置の動作原理について、図１を用いて説明する。まず入射した放射線がシンチレーター１によって真空紫外線に変換される。該真空紫外線によってガス２が電離され、電離イオン３と電子４を生成する。生成した電子は、正の高電圧が印加されたアノード５に向かって加速され、他のガス分子と衝突することによって、他のガス分子の電離を誘発し、電子なだれ現象を引き起こす。該電子なだれ現象によって１００〜１００００倍に増幅された電荷パルスがMSGC上のアノードおよびカソードから読み出され、結果的に入射した放射線を電気信号として検出することができる。

以下、本発明の放射線検出装置についてより詳細に説明する。

本発明の放射線検出装置において、検出対象とする放射線は特に限定されず、Ｘ線、γ線、或いは中性子線等の検出に好適に使用できるが、本発明の放射線検出装置は、高エネルギーの光子であるγ線の検出において、最大の効果を発揮する。

本発明の放射線検出装置の構成要素であるシンチレーターは、放射線を真空紫外線に変換できるものであれば、特に制限無く使用できる。

本発明において、真空紫外線とは波長が２００ｎｍ以下の紫外線を云う。該真空紫外線は高いエネルギーを有するため、ガスを効率よく電離することができる。

放射線を真空紫外線に変換するシンチレーターとしてはフッ化物結晶が好適である。真空紫外線は多くの材料に吸収される性質を有するため、シンチレーター自身が変換した真空紫外線を吸収するという問題があるが、フッ化物結晶は例外的に真空紫外線を吸収し難い特性を有するため、本発明において好適に用いることができる。

また、高エネルギーの光子に対する阻止能を高めるため、高密度で且つ有効原子番号の大きいシンチレーターを用いることが好ましい。

上記要件を満たすシンチレーターとして、ネオジウムを含有せしめたフッ化ランタン（以下、Ｎｄ：ＬａＦ_３と表す）、またはネオジウムを含有せしめたフッ化リチウムバリウム（以下、Ｎｄ：ＢａＬｉＦ_３と表す）が挙げられる。

本発明者等の検討によれば、Ｎｄ：ＬａＦ_３及びＮｄ：ＢａＬｉＦ_３は、放射線をそれぞれ１７５ｎｍ及び１８３ｎｍの真空紫外線に変換することができ、また、その密度はそれぞれ５．９ｇ／ｍＬ及び５．２ｇ／ｍＬ、有効原子番号はそれぞれ５０及び４８であり、良好な特性を有することが明らかとなっている。

本発明の放射線検出装置の構成要素であるＭＳＧＣの基本構成を図２及び図３に示す。ＭＳＧＣはガスチャンバーの中に、例えばフォトリソグラフィー技術を利用して製作されたマイクロストリッププレート（以下ＭＳプレートともいう）を設けることで構成される。

当該ＭＳプレートの詳細は、例えばＷＯ０２／００１５９８号公報（特許文献１）に記載されており、ここに記載の技術がそのまま採用できる。

ＭＳプレートは、絶縁体基板６の表面に交互に配設された金属製カソードストリップ７および金属製アノードストリップ８と、基板６の裏面にカソードストリップ７及びアノードストリップ８に直交して延出するように配設した読み出し電極（バックストリップ）９とを有している。

ＭＳプレートの寸法について例を挙げて説明すると、電極のピッチは２００〜１０００μｍ、カソード幅は５０〜４００μｍ、アノード幅は５〜１０μｍ、基板の寸法は２０〜２００ｍｍ四方である。

本発明で用いるＭＳプレートの基板は、絶縁体であれば特に制限無く使用でき、その厚さも特に制限されない。したがって、例えば厚さが１ｍｍ未満の合成石英等を基板に用いることができるため、放射線検出装置を極めて安価に且つ小型に構成することが可能である。

さらに、ＭＳＧＣはそれぞれ互いに隣接するカソードストリップ７とアノードストリップ８間に電位差を形成するための高電圧源を備えており、両電極（カソードストリップ７およびアノードストリップ８）に高電圧を印加することにより、ガスの電離で生じた電荷は増幅され、Ｘ方向の位置情報としてアノードストリップ８から読み出される。また、基板６の表面側に付着した電荷によって、基板６の裏面側に生成した誘起電荷は、Ｙ方向の位置情報として読み出し電極９から読み出される。

アノードストリップ８及び読み出し電極９から読み出された信号は、それぞれ信号処理回路に接続され、コンピュータによって信号が解析処理される。

各電極から得られた信号を読み取って処理する回路は、当分野において公知の技術が採用され、例えば増幅器、マルチチャンネルアナライザ、或いは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などで構成される。

本発明の放射線検出装置で用いるガスは、特に限定されないが、電離ポテンシャルの低いテトラキスジメチルアミノエチレン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、アセトン、ベンゼン等が好適である。これらのガスは単体で用いてもよく、アルゴンガス等と混合して用いても良い。

本発明の放射線検出装置において、シンチレーターとＭＳＧＣとの組み合わせの形態は特に制限されず、シンチレーターをＭＳＧＣのチャンバー内に挿入する形態、或いはシンチレーターからの真空紫外線を適当な窓を介してＭＳＧＣのチャンバー内に導入する形態等を適宜採用できるが、放射線検出装置の応答速度等の特性に鑑みて、シンチレーターをチャンバー内に挿入し、ＭＳプレートに近接して設置する形態が好ましい。

以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。

実施例１
図４に示す結晶製造装置を用いて、本発明の放射線検出器で用いるシンチレーターを製造した。

原料としては、純度が９９．９９％のフッ化ランタン及びフッ化ネオジウムを用いた。アフターヒーター１、ヒーター２、断熱材３、ステージ４、及び坩堝５は、高純度カーボン製のものを使用し、坩堝底部に設けた孔の形状は直径２．２ｍｍ、長さ０．５ｍｍの円柱状とした。

まず、フッ化ランタンの１．１ｇ、及びフッ化ネオジウムの０．００５７ｇをそれぞれ秤量し、よく混合して得られた混合原料を坩堝５に充填した。

原料を充填した坩堝５を、アフターヒーター１の上部にセットし、その周囲にヒーター２、及び断熱材３を順次セットした。次いで、油回転ポンプ及び油拡散ポンプからなる真空排気装置を用いて、チャンバー６内を１．０×１０^−４Ｐａまで真空排気した後、アルゴン−四フッ化メタン混合ガスをチャンバー６内に導入してガス置換を行った。

ガス置換後のチャンバー６内の圧力は大気圧とした後、高周波コイル７で原料を加熱して溶融せしめたが、原料融液の坩堝５底部の孔からの滲出は認められなかった。そこで、高周波の出力を調整して原料融液の温度を徐々に上げながら、引き下げロッド８の先端に設けたＷ−Ｒｅワイヤーを、上記孔に挿入し、引き下げる操作を繰り返したところ、原料の融液を上記孔より引き出すことができた。

この時点の温度が保たれるように高周波の出力を調整し、原料の融液を引き下げ、結晶化を開始した。３ｍｍ／ｈｒの速度で連続的に２０時間引き下げ、Ｎｄ：ＬａＦ_３結晶を得た。該結晶は直径が２ｍｍ、長さが６０ｍｍであった。

上記Ｎｄ：ＬａＦ_３結晶を、ダイヤモンド切断砥石を備えたブレードソーによって２０ｍｍの長さに切断し、結晶の長軸方向に沿って研削を行い、長さ２０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍの形状に加工した。その後、各面を鏡面研磨して、本発明で用いるシンチレーターを得た。

上記シンチレーター及びＭＳプレートをチャンバー内に設置した。なお、ＭＳプレートとしては、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔの石英基板上に、幅６０μｍ、高さ０．２μｍのカソード、及び、幅５μｍ、高さ０．２μｍのアノードを設けたものを用いた。アノード間の間隔は４００μｍ、各電極間の間隔は１０μｍとした。

次いでチャンバー内に飽和濃度のトリエチルアミンを含む３０％メタン−アルゴン混合ガスを導入してＭＳＧＣを構成した。

ＭＳプレートのアノードに７００Ｖの電圧を印加し、ＭＳＧＣの外部より６６２ｋｅＶのγ線を照射した。アノードより読み出した電荷パルスを、増幅器を介してマルチチャンネルアナライザに取り込み、電荷パルスの波高分布スペクトルを作成した。

得られた波高分布スペクトルを図５に示す。該波高分布スペクトルから、本発明の放射線検出器によれば、６６２ｋｅＶもの高エネルギーを有するγ線を効率よく検出できることが示された。

実施例２
原料としてフッ化バリウムを０．８６ｇ、フッ化リチウムを０．１３ｇ、及びフッ化ネオジウムを０．００４９ｇ用いる以外は、実施例１と同様の操作によってＮｄ：ＢａＬｉＦ_３結晶を製造した。なお、フッ化バリウム、フッ化リチウム、及びフッ化ネオジウムは純度が９９．９９％のものを用いた。

実施例１と同様に加工し、本発明で用いるシンチレーターを得た。

得られたシンチレーターを用いて、実施例１と同様にして波高分布スペクトルを作成した。結果を図６に示す。該波高分布スペクトルから、本発明の放射線検出器によれば、６６２ｋｅＶもの高エネルギーを有するγ線を効率よく検出できることが示された。

本図は、本発明の放射線検出装置の概略図である。 本図は、本発明の放射線検出装置の構成要素であるＭＳＧＣの基本構成を示す図である。 本図は、ＭＳＧＣによる２次元位置情報の読み取りを説明する概念図である。 本図は、マイクロ引き下げ法による結晶製造装置の概略図である。 本図は、本発明の放射線検出装置によるγ線の検出結果を表す図であり、Ｎｄ：ＬａＦ_３をシンチレーターとして用いた場合の、波高スペクトルである。 本図は、本発明の放射線検出装置によるγ線の検出結果を表す図であり、Ｎｄ：ＢａＬｉＦ_３をシンチレーターとして用いた場合の、波高スペクトルである。

符号の説明

１ シンチレーター
２ ガス
３ 電離イオン
４ 電子
５ アノード
６ 基板
７ カソードストリップ
８ アノードストリップ
９ 読み出し電極
１０ アフターヒーター
１１ ヒーター
１２ 断熱材
１３ ステージ
１４ 坩堝
１５ チャンバー
１６ 高周波コイル
１７ 引き下げロッド

Claims (4)

1. 入射した放射線を真空紫外線に変換するシンチレーターと、入射した真空紫外線を電気信号に変換するマイクロストリップガスチャンバーとを具備することを特徴とし、放射線を電気信号として取り出すことが可能な放射線検出装置。
2. シンチレーターが、フッ化物結晶であることを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
3. フッ化物結晶が、ネオジウムを含有せしめたフッ化ランタン、またはネオジウムを含有せしめたフッ化リチウムバリウムであることを特徴とする請求項２記載の放射線検出装置。
4. 入射した放射線をシンチレーターを用いて真空紫外線に変換し、次いで当該真空紫外線をマイクロストリップガスチャンバーに導いてガスを電離させ、その結果生じた電荷を電気信号として取り出さすことを特徴とする放射線の検出方法。

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