JP4758943B2

JP4758943B2 - 放射線測定装置

Info

Publication number: JP4758943B2
Application number: JP2007125928A
Authority: JP
Inventors: 弘中岡
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP2008281442A

Description

本発明は、放射線測定装置に関し、特にシンチレータを利用して放射線を検出する技術に関する。

放射線測定装置において、半導体検出器を利用する装置が知られている。例えば、特許文献１には、半導体検出器を利用した電池駆動型の放射線測定装置が示されている。

また、放射線測定装置において、シンチレーション検出器を利用する装置も知られている。シンチレーション検出器は、放射線が入射することにより光を発生するシンチレータを利用し、シンチレータで発生した極めて微弱な光を光電子増倍管（ＰＭＴ）などの光検出器を利用して検出する。

ＰＭＴは、光の検出信号を増幅するために１０００ボルト程度の高電圧を印加する必要がある。ＰＭＴにおける利得を安定させるためには、ＰＭＴに印加される高電圧が適切な電圧値となるように制御されることが望ましい。しかし、高電圧であるため、ＰＭＴに印加される電圧を安定的に制御し続けることは容易ではない。そのため、ＰＭＴを利用したシンチレーション検出器では、例えば、ＰＭＴに印加する電圧をマニュアルで調整してから短時間の測定を行い、測定後に必要に応じてさらにＰＭＴに印加する電圧を調整するなどして、測定の精度を維持する必要がある。

このように、放射線測定装置に関する各種技術が知られている一方において、光を検出するデバイスとして、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの半導体デバイスが近年になって注目されている。例えばＡＰＤを利用した光検出器は、比較的低いバイアス電圧で動作させることが可能であり、光データ伝送の分野などにおいて利用されている。

特開平３−２４３８８４号公報

上述した背景において、本願発明者は、ＰＭＴに換えてＡＰＤなどを利用してシンチレータの光を検出する技術について研究開発を重ねてきた。特に、ＡＰＤなどにより複数の光検出素子を備えた光検出素子アレイを形成することができるため、光検出素子アレイを利用して光を検出する技術に注目した。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、光検出素子アレイを利用してシンチレータの光を検出することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である放射線測定装置は、ガンマ線が入射することにより光を発生するシンチレータと、シンチレータにおいて発生した光を各光検出素子ごとに検出する複数の光検出素子を備えた光検出素子アレイと、各光検出素子ごとに検出された光の検出結果を複数の光検出素子について空間的に加算処理することにより、ガンマ線の入射により発生した光の空間的な総量を算出する総量演算部と、を有することを特徴とする。

望ましい態様において、前記総量演算部は、シンチレータの発光時間に対応した期間内において、複数の光検出素子により検出された光の検出結果を時間的に加算処理することにより、ガンマ線の入射により発生した光の時間的な総量を算出することを特徴とする。上記構成においては、空間的な加算処理を行ってから時間的な加算処理を行ってもよいし、時間的な加算処理を行ってから空間的な加算処理を行ってもよい。

望ましい態様において、前記各光検出素子は、シンチレータにおいて発生した光を光子ごとに検出し、前記総量演算部は、複数の光検出素子の各々により検出された光子の個数を光検出素子アレイの全体に亘って加算することにより光子の個数の空間的な総数を算出し、その空間的な総数を発光時間に対応した期間内において積算することにより、ガンマ線の入射により発生した光子の個数の空間的かつ時間的な積算値を算出することを特徴とする。

望ましい態様において、前記各光検出素子は、複数のサンプリングタイミングに亘って、各サンプリングタイミングごとにその光検出素子に光子が入射するか否かを検出し、前記総量演算部は、各サンプリングタイミングごとに光子が入射した光検出素子の素子数から光子の個数の空間的な総数を算出し、各サンプリングタイミングごとに算出される空間的な総数に基づいて発光時間に対応した複数のサンプリングタイミングを抽出し、抽出された複数のサンプリングタイミングの空間的な総数を積算することにより前記積算値を算出することを特徴とする。

望ましい態様において、ガンマ線の入射ごとに算出される前記積算値に基づいてガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたスペクトルを形成するスペクトル形成部をさらに有することを特徴とする。

望ましい態様において、前記スペクトル形成部は、前記スペクトルとして、ガンマ線の入射ごとに算出される複数の積算値と各積算値の出現頻度を示す計数値とを対応付けた頻度分布を形成することを特徴とする。

本発明により、光検出素子アレイを利用してシンチレータの光を検出する技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様により、比較的簡易な装置構成でありながら光子の個数の空間的かつ時間的な積算値を得ることが可能になる。また、さらに好適な態様によれば、積算値に基づいてガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたスペクトルを形成することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る放射線測定装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。図１の放射線測定装置は、例えば、線量モニタやサーベイメータなどとして具現化されるが、他の態様により具現化されてもよい。

シンチレータ１０は、ガンマ線（γ線）が入射することにより光を発生する。つまり、シンチレータ１０は、入射するガンマ線と相互作用をすることにより、そのガンマ線が失ったエネルギーに比例した数の光子を放出する。

ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード：Avalanche photo diode）アレイ２０は、複数のＡＰＤ素子によって構成されている。複数のＡＰＤ素子は、例えば、二次元的に格子状に配列される。例えば、縦１００個で横１００個の１００００個のＡＰＤ素子によってＡＰＤアレイ２０が形成される。なお、複数のＡＰＤ素子を一列に配列した一次元のＡＰＤアレイ２０を形成してもよい。また、各ＡＰＤ素子は、縦横が各々０．１ｍｍ程度の正方形状に形成される。もちろん、各ＡＰＤ素子が長方形やその他の形状であってもよい。

各ＡＰＤ素子は、シンチレータ１０において発生する光（光子）を検出して検出信号を出力する半導体デバイスである。各ＡＰＤ素子は、ｎ⁺ｐπｐ⁺の半導体構造を有しており、逆方向のバイアス電圧が印加される。各ＡＰＤ素子に光子が入射すると、比較的厚いπ領域で光子が吸収されてホールと電子の対が生成され、生成された電子が電界により加速されて衝突電離によりさらにホールと電子の対を生成する。新しく生成された電子も電界により加速されて衝突電離によりさらにホールと電子の対を生成する。こうして、電子とホールの対がなだれ的に増加して最終的に飽和した電気信号（検出信号）として外部に出力される。

光子判定部３０は、各ＡＰＤ素子において光子が検出されたか否かを判定する。光子判定部３０は、複数のＡＰＤ素子の各々に対応した複数のダイオードを備えている。各ダイオードは、１個分の光子に対応したスレッショルドレベルを備えており、これによりノイズが弁別されて光子が検出される。各ダイオードは、対応するＡＰＤ素子から出力される検出信号に基づいて、そのＡＰＤ素子において光子が検出されたか否かを判定する。各ダイオードは、対応するＡＰＤ素子において光子が検出された場合に、電気信号（例えば電流信号）を出力する。

光子数積算部４０は、光子判定部３０の複数のダイオードから出力される電気信号に基づいて、複数のＡＰＤ素子によって検出された光子の個数を空間的かつ時間的に加算処理する。光子の検出は、複数のサンプリングタイミングに亘って、各サンプリングタイミングごとに行われる。光子数積算部４０は、各サンプリングタイミングごとに、光子が入射したと判定されたＡＰＤ素子の素子数から、光子の個数の空間的な総数を算出する。さらに、光子数積算部４０は、各サンプリングタイミングごとに算出される空間的な総数に基づいて、シンチレータの発光時間に対応した複数のサンプリングタイミングを抽出し、抽出された複数のサンプリングタイミングの空間的な総数を積算することにより積算値を算出する。

そこで、光子数積算部４０による積算値の算出処理について図２を利用して説明する。なお、図２を利用した説明において、図１に既に示した部分（構成）については図１の符号を利用する。

図２は、光子数積算部４０による積算値の算出処理を説明するための図である。図２において、時刻は、各サンプリングタイミングを示している。また、空間的な光子の総数は、各時刻における光子の個数の空間的な総数であり、各時刻において光子を検出したＡＰＤ素子の個数に相当する。なお、各サンプリングタイミングにおいて、同じＡＰＤ素子に２個以上の光子が入射すると、光子を検出したＡＰＤ素子の個数と光子の総数が厳密には一致しなくなる。そのため、サンプリング間隔は、各ＡＤＰ素子に複数個の光子が入射しない程度であることが望ましい。サンプリング間隔は、例えば１０ｐｓ（ピコセコンド）程度であり、望ましくは１ｐｓ程度である。

図２において、例えば時刻ｔ₀では、空間的な光子の総数は０（ゼロ）であり、これは、時刻ｔ₀においてＡＰＤアレイ２０によって光子が１個も検出されなかったことを示している。また、時刻ｔ₁において、空間的な光子の総数は１２００であり、これは、時刻ｔ₁においてＡＰＤアレイ２０によって光子が１２００個だけ検出されたことを示している。図２には時刻ｔ₂以降のデータも示されている。図２に示すデータ（テーブル）は、例えば、光子数積算部４０内のメモリに記憶される。

シンチレータ１０にガンマ線が入射すると、入射の度に、そのガンマ線によってシンチレータ１０が光（光子）を発生させる。そのため、ガンマ線の入射によってシンチレータ１０が発光している時間（発光時間）内において、光子が時間的に連続的に検出される。

図２において、時刻ｔ₁〜ｔ₃は、あるタイミングで入射したガンマ線による発光時間Ａのデータを示している。つまり、時刻ｔ₁〜ｔ₃の前の時刻ｔ₀ではシンチレータ１０が発光していないため光子の総数が０（ゼロ）であり、時刻ｔ₁〜ｔ₃の期間では、シンチレータ１０が発光しているためその期間（発光時間Ａ）において光子が連続的に検出されている。また、時刻ｔ₁〜ｔ₃の後の時刻ｔ₄ではシンチレータ１０の発光が終了して光子の総数が０（ゼロ）となっている。

また、時刻ｔ_n+2〜ｔ_n+4は、別のタイミングで入射したガンマ線による発光時間Ｂのデータを示している。発光時間Ｂにおいても、発光時間Ａの場合と同様に、その期間内において光子が時間的に連続的に検出される。

光子数積算部４０は、各時刻ごとに算出される空間的な光子の総数に基づいて、発光時間に対応した複数の時刻を抽出する。光子数積算部４０は、例えば、１個以上の光子が検出された時刻から光子が検出され続けている期間内の複数の時刻を抽出する。これにより、発光時間に対応した複数の時刻として、時刻ｔ₁〜ｔ₃や時刻ｔ_n+2〜ｔ_n+4が抽出される。なお、ノイズなどの影響を考慮して、所定個数（例えば１００個）以上の光子が検出された時刻から光子が検出され続けている期間内の複数の時刻を、発光時間に対応した複数の時刻として抽出するようにしてもよい。また、発光時間の開始タイミングのみを検出し、そのタイミングから予め設定された期間を発光時間としてもよい。予め設定される期間は、発光時間をカバーできる程度に長く、且つ、別の発光時間を含まない程度に短く設定されることが望ましい。その期間は例えば１００ｐｓ〜５００ｐｓ程度に設定される。

光子数積算部４０は、発光時間に対応した複数の時刻を抽出すると、その発光時間内の光子の総数を積算して積算値を算出する。図２において、光子の積算値は、光子の総数を発光時間に対応した期間内において積算した値である。つまり、発光時間に対応した期間として抽出された時刻ｔ₁〜ｔ₃における光子の総数を積算することにより、発光時間Ａにおける光子の積算値として３３００個が算出される。同様に、発光時間に対応した期間として抽出された時刻ｔ_n+2〜ｔ_n+4における光子の総数を積算することにより、発光時間Ｂにおける光子の積算値として１６００個が算出される。こうして、光子数積算部４０は、発光時間ごとに積算値を次々に算出する。

図１に戻り、光子数積算部４０において次々に算出される積算値は、計数部５０内のメモリに次々に記憶される。計数部５０は、メモリに記憶された積算値をその大きさによって複数のチャンネルに分け、各チャンネルごとにその積算値の出現回数をカウントする。こうして、複数のチャンネルと各チャンネルのカウント値（計数）とを対応付けた計数分布が得られる。計数部５０において形成された計数分布は、表示部６０に表示される。

図３は、複数のチャンネルと各チャンネルの計数とを対応付けた計数分布を示す図である。図３の横軸はチャンネルｃを示しており、縦軸は計数ｎを示している。各チャンネルは、光子数積算部（図１の符号４０）から出力される積算値の大きさに対応付けられている。積算値は、あるタイミングで入射したガンマ線によって発生した光子の全個数に相当するものであり、そのガンマ線から得られたエネルギーを反映させたものである。したがって、図３に示す計数分布は、ガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたものとなる。図３の計数分布はスペクトルと呼ばれる。

図３において、波形８０は、基準線源から放出されるガンマ線に対応した計数分布曲線である。ガンマ線の場合、シンチレータ（図１の符号１０）における相互作用として、光電効果、コンプトン散乱、電子対生成などがある。つまり、これらの相互作用によってガンマ線からエネルギーが得られる。これらの相互作用のうち、光電効果等はガンマ線の全エネルギーを電子等に移行させる作用である。

図３において、波形８０の全吸収ピークＰ_Bが光電効果等によるガンマ線のエネルギー吸収に対応している。つまり、全吸収ピークＰ_Bがガンマ線の全エネルギーに対応するものであり、その位置（チャンネル）からガンマ線のエネルギーを知ることができる。

上述した実施形態により、比較的簡易な装置構成でありながら光子の個数の空間的かつ時間的な積算値を得ることが可能になる。例えば、ＡＰＤアレイ２０から出力される検出信号をデジタル化する手段（アナログデジタルコンバータなど）を利用しなくても、光子の個数の積算値を算出することが可能になる。また、上述した実施形態によれば、算出された積算値に基づいて、ガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたスペクトルを形成することが可能になる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態やその効果は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る放射線測定装置の全体構成を示す機能ブロック図である。光子数積算部による積算値の算出処理を説明するための図である。各チャンネルと計数とを対応付けた計数分布を示す図である。

符号の説明

１０シンチレータ、２０ＡＰＤアレイ、３０光子判定部、４０光子数積算部、５０計数部、６０表示部。

Claims

ガンマ線が入射することにより光を発生するシンチレータと、
シンチレータにおいて発生した光を各光検出素子ごとに検出する複数の光検出素子を備えた光検出素子アレイと、
各光検出素子ごとに検出された光の検出結果を複数の光検出素子について空間的かつ時間的に加算処理することにより、ガンマ線の入射により発生した光の空間的かつ時間的な総量を算出する総量演算部と、
を有し、
前記各光検出素子は、複数のサンプリングタイミングに亘って、各サンプリングタイミングごとにその光検出素子に光子が入射するか否かを検出し、
前記総量演算部は、各サンプリングタイミングごとに光子が入射した光検出素子の素子数から光子の個数の空間的な総数を算出し、各サンプリングタイミングごとに算出される空間的な総数に基づいてシンチレータの発光時間に対応した複数のサンプリングタイミングを抽出し、抽出された複数のサンプリングタイミングの空間的な総数を積算することにより、ガンマ線の入射により発生した光子の個数の空間的かつ時間的な積算値を算出する、
ことを特徴とする放射線測定装置。
請求項１に記載の放射線測定装置において、
ガンマ線の入射ごとに算出される複数の前記積算値に基づいてガンマ線から得られるエネルギーの分布を反映させたスペクトルを形成するスペクトル形成部をさらに有する、
ことを特徴とする放射線測定装置。
請求項２に記載の放射線測定装置において、
前記スペクトル形成部は、前記スペクトルとして、ガンマ線の入射ごとに算出される複数の前記積算値と前記複数の積算値の出現頻度を示す計数値とを対応付けた頻度分布を形成する、
ことを特徴とする放射線測定装置。