JP5077955B2 - 放射線検出装置及びこれを有する陽電子断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線検出装置及びこれを有する陽電子断層撮影装置（ＰＥＴ）に関する。

ＰＥＴ等の検出部には、シンチレーション検出器と半導体検出器が使用されている。高空間分解能を得るためには、検出器サイズを小さくできる半導体検出器が用いられており、テルル化カドミウム結晶を用いた放射線検出器が使用されている。ところがテルル化カドミウム結晶は、共有結合結晶であり、融点が高く、また作製費が高いという問題点がある。例えば装置１台当たりの結晶のみの価格が数億円と高価になっている。
このためテルル化カドミウムに代わるものとして臭化タリウムが注目されている。
臭化タリウムは、その高い原子番号(Tl: 81、Br: 35)及び高密度(7.56g/cm3)、広いギャップ・エネルギー(2.68eV)及び高い光子阻止能により室温放射線検出器の素材として魅力的な半導体である。

臭化タリウム結晶と電荷有感型前置増幅器を用いた放射線検出装置の原理図を図１３に示す。臭化タリウム結晶の対向する面にＴｌ等の電極が形成されており、臭化タリウム放射線検出器を構成する。そして電極間には、バイアス電圧が印加されており、臭化タリウム結晶にガンマ線が入射するとこれにより電子及び正孔が生成され、これが電荷有感型前置増幅器により増幅されて出力信号として検出される。

臭化タリウム放射線検出器は、テルル化カドミウム放射線検出器に比べて次のような点で優れている。
（１）臭化タリウムは、イオン結合結晶であり、融点が低く、安価に作製できる。このため臭化タリウム結晶は、テルル化カドミウム結晶と比較し、１００分の１程度の値段で作製できる。
（２）臭化タリウム結晶はテルル化カドミウム結晶よりもガンマ線を止める能力が高く、テルル化カドミウムの半分程度の大きさで同程度の効果が発揮できる。このため検出器を薄くすることができる。

ところが臭化タリウム放射線検出器は、このようにガンマ線の検出効率が非常に高い反面、臭化タリウム結晶中にガンマ線入射でできた電子と空孔の移動速度が極度に遅いため同時計数時間分解能が悪いというＰＥＴ応用に対しては重大な問題がある。同時計数時間分解能を上げるためには、負荷電圧方向の結晶の厚さを薄くし、且つ負荷電圧を高くするという相反的条件を課すため検出器の長期使用には適さないため、上記（１）及び（２）に挙げた利点を有するにもかかわらず、臭化タリウム放射線検出器のＰＥＴ等への実用化が阻害されていた。
特開２００５−１５６２５２号公報 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 436 (1996) 160-164 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 458 (2001) 365-369 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 568 (2006) 433-436

したがって、本発明は上記の問題点を解決し、臭化タリウム放射線検出器を用いた放射線検出装置における同時計数の時間分解能を上げることができる放射線検出装置及びこれを有する陽電子断層撮影装置を提供することを課題とするものである。

上記の課題を解決するために本発明は、次のような放射線検出装置及び放射線検出装置を有する陽電子断層撮影装置を提供するものである。
（１）ガンマ線を検出する臭化タリウム放射線検出器と、該臭化タリウム放射線検出器の一方の電極に接続され電極面に発生した誘導電荷の信号を入力して得た立ち上がり信号を出力する電流増幅型前置増幅器と該立ち上がり信号をタイミング信号として利用する同時計数回路と、他方の電極に接続され臭化タリウム放射線検出器からの検出信号を増幅する電荷有感型前置増幅器とを備えた放射線検出装置。
（２）上記臭化タリウム放射線検出器に印加する電圧の極性を切り替えるとともに、電流増幅型前置増幅器及び電荷有感型前置増幅器が臭化タリウム放射線検出器に接続するそれぞれの接続電極を相互に切り替えることを特徴とする（１）に記載の放射線検出装置。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放射線検出装置を有する陽電子断層撮影装置。

本発明によれば、ガンマ線を検出する臭化タリウム放射線検出器の電極面に発生した誘導電荷の信号を電流増幅型前置増幅器に入力して得た立ち上がり信号を、同時計数のためのタイミング信号として利用することにより、臭化タリウム放射線検出器に対して低バイアス電圧で速いタイミング信号が取得できる。
また本発明によれば、実用に耐える同時計数の時間分解能を備えた臭化タリウム放射線検出器を用いた放射線検出装置、並びに放射線検出装置を有する陽電子断層撮影装置が得られる。

本発明について、以下図面を引用して説明する。本明細書では、臭化タリウム放射線検出器をＴｌＢｒ検出器と略称する。なお本発明は以下の説明に例示したものに限定されないことは、いうまでもないことである。

（本発明に係る知見）
図１の左図は3mmφ×0.5mm厚の臭化タリウムに、また右図は3mmφ×1mm厚の臭化タリウムにそれぞれバイアス電圧１００Ｖを印加したときに、臭化タリウム放射線検出器の電極面に発生した誘導電荷の信号を入力して得た立ち上がり信号を出力する電荷有感型前置増幅器としてのオペアンプ５８０Ｈからの出力信号を図示したものである。図１に示すようにその出力信号は、電離箱における誘導電荷による電圧変化と同じように直線的に立ち上がることが分かる。
また、3mmφ×0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器と3mmφ×1mm厚のＴｌＢｒ検出器とでは、出力信号の形は大きく異なる。この出力信号の１０％〜９０％の立ち上がりを測定し、そのヒストグラムを取ると、0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器は、その立ち上がりは0.6μsec〜7μsecの間に、1mm厚のＴｌＢｒ検出器の場合は、3.5μsec〜35μsecの間に分布している。ヒストグラムは２成分を示し、ピークを為し速く立ち上がる成分と、速い立ち上がりから遅い立ち上がりまで広がっている成分が認められた（図２参照）。

^２２Ｎａからの一対の陽電子消滅ガンマ線をＢａＦ_２検出器と、ＴｌＢｒ検出器及び電荷有感型前置増幅器で同時計数を行ったところ、0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器の場合は49nsecFWHMが得られた。
ＴｌＢｒ検出器及び電荷有感型前置増幅器からの出力信号が直線的に立ち上がることに注目し、ＴｌＢｒ検出器（3mmφ×0.5mm厚及び3mmφ×1mm厚）の電極面に発生した誘導電荷の信号を入力して得た立ち上がり信号を図３に示すようにように電流増幅型前置増幅器としてのオペアンプＡ２５０に入力した。ここで図３左図は、定圧電源に接続された電極側からの信号抽出、右図は、定圧電源に接続されてない電極側から信号抽出をそれぞれ行うものである。
その結果を図４及び図５に示す。図４は帰還抵抗値Ｒが3MΩ、図５は帰還抵抗値Ｒが300kΩのものである。図４及び図５の結果から、電荷有感型前置増幅器を用いた場合よりも速く立ち上がることが分かった。

この出力信号の１０％〜９０％の立ち上がりを測定し、そのヒストグラムを取ると、帰還抵抗値Ｒ＝3MΩの場合、0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器は、その立ち上がりが0.2μsec〜0.7μsec、1mm厚のＴｌＢｒ検出器は、0.6μsec〜5μsecと、その信号の立ち上がりは速くなり、その分布も非常に狭くなることが分かった（図６参照）。
さらに、帰還抵抗値Ｒ＝330kΩと下げると、0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器は、その立ち上がりが0.１6μsec〜0.32μsec、1mm厚のＴｌＢｒ検出器は、0.18μsec〜0.6μsecとさらに改善されることが分かった（図７参照）。

図６及び図７より、電流増幅型前置増幅器の信号は、タイミング信号として電荷有感型前置増幅器のものより大きく改善されていることが分かる。
以上の平均立ち上がり時間についての結果を表１に整理する。

（本発明に係る放射線検出装置）
表１から分かるように、0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器及び電流増幅型前置増幅器（帰還抵抗値Ｒ＝330kΩ）を用いると、平均316nsecと他の場合よりも速い立ち上がりが得られる。
^２２Ｎａからの一対の陽電子消滅ガンマ線をＢａＦ_２検出器と0.5mm厚のＴｌＢｒ検出器及び電流増幅型前置増幅器（帰還抵抗値Ｒ＝330kΩ）で同時計数を行ったところ、23nsecFWHMとＰＥＴに使用できる時間分解能が得られた（図８参照）。
この値は、非特許文献２でも得られているが（21.3nsec）が、検出器のサイズは3×4×0.45mmと同じであるが、電荷有感型前置増幅器を用いたもので、この値を得るのにバイアス電圧400Vを必要し、本発明が100Vで得られたのに対し、実に４倍の電圧で検出器に大きな負荷を与えている。この方法では、検出器の厚さを薄くし、しかも高電圧をかけるために検出器の耐性が損なわれる。

図９及び図１０にＴｌＢｒ検出器とそのエネルギー信号及びタイミング信号同時取得回路を有する放射線検出装置の原理図を例示する。
電流増幅型前置増幅器は同時計数のためのタイミング信号取得に利用できるが、エネルギー弁別を行うことはできない。そこで、図９に示すように、もう一方の電極に電荷有感型前置増幅器をつなげ、エネルギー信号をとり、これを用いて同時計数のエネルギー閾値に使用する。ＴｌＢｒ検出器は、ＴｌＢｒ結晶自体の分極現象のために、使用途中で電極を逆転する必要がある。このため増幅系と電圧電源とは切り替えスイッチにより同時に配線を切り替えるようにする。
また、図１０に示すように、電流増幅型前置増幅器の後段に積分型増幅器を接続し、エネルギー信号とタイミング信号を同時に取り出すことができる。この場合、ＴｌＢｒ結晶自体の分極現象に対して、結晶への負荷電圧の極性を変えるだけで、信号取り出し系の回路を変更する必要がなく、複数の検出器に対して共通のバイアス電圧をかけることができる。但し、バイアス電圧の極性切り替えとともにタイミング信号、エネルギー信号の符号が逆転する。

（本発明に係る放射線検出装置を有する陽電子断層撮影装置）
次に本発明に係る臭化タリウム放射線検出装置のＰＥＴへの適用について説明する。
ＰＥＴ用検出器としては、偶発同時計数を極力抑えるのに十分な同時計数の時間分解能を有していなければならない。 このためＴｌＢｒ結晶の電極間を薄くして高時間分解能を得る必要がある。ところが結晶が薄くなると、ガンマ線を検出できる体積が減るため、TlBr結晶を積み重ねた多層のＴｌＢｒ検出器が必要となる。

図１１及び図１２に多層ＴｌＢｒ検出器とそのエネルギー信号及びタイミング信号同時取得回路を有する放射線検出装置の原理図を例示する。
ＰＥＴにおいては、多数の検出器が実装され、そのバイアス電圧は一つの電源から供給される。このため、図９の方法では、各々の検出器に独立した定電圧電源が必要とされるが、図１０の方法では、一つの定電圧電源から各々の検出器に供給できる。ある程度の大きさを持ったＴｌＢｒ検出器を図１１のように、一方の電極に溝を入れることにより、小型のＴｌＢｒ検出器の配列を作り、そのそれぞれに電流増幅型前置増幅器と積分型増幅器を直列に繋げると、各々の検出器からタイミング信号とエネルギー信号を同時に得ることができるだけでなく、どの検出器でガンマ線が検出されたか同定できる。もう片方の電極は共通のバイアス電極として使用できる。
バイアス電圧は切り替えスイッチで付加電圧を逆転することにより、分極効果による検出器性能の劣化の解消に対応でき、永久使用可能な放射線検出装置が実現できる。この極性切り替えで信号の符号も反転する。
図１１で示した検出器列を図１２のように、増幅器への配線が両面にプリントされた非常に薄い絶縁樹脂に両側から接着させ、この検出器層をさらに、その各々のバイアス電圧用電極面を接着せ、重ね合わせることにより、有感率の高い検出器ブロックが実現できる。
以上により、高空間分解能、高検出効率で永久使用できるＴｌＢｒ検出器使用のＰＥＴが実現される。

電荷有感型前置増幅器からの出力信号 電荷有感型前置増幅器からの出力信号の１０％〜９０％の立ち上がり時間のヒストグラム 電流増幅型前置増幅器を用いた放射線検出装置の原理図 電流増幅型前置増幅器（帰還抵抗値Ｒ＝3MΩ）からの出力信号 電流増幅型前置増幅器（Ｒ＝330kΩ）からの出力信号 電流増幅型前置増幅器(帰還抵抗値Ｒ＝3MΩ)からの出力信号の１０％〜９０％の立ち上がり時間のヒストグラム 電流増幅型前置増幅器(帰還抵抗値Ｒ＝330kΩ)からの出力信号の１０％〜９０％の立ち上がり時間のヒストグラム BaF₂検出器とＴｌＢｒ検出器−電流型前置増幅器（帰還抵抗値Ｒ＝330kΩ）の同時計数時間スペクトル ＴｌＢｒ検出器の一方の電極からエネルギー信号を他方の電極からタイミング信号を同時取得する回路を有する放射線検出装置の原理図 ＴｌＢｒ検出器の一方の電極からエネルギー信号もタイミング信号も同時取得する回路を有する放射線検出装置の原理図 ＴｌＢｒ検出器の配列を用いた放射線検出装置の原理図 多層のＴｌＢｒ検出器配列とそのエネルギー信号及びタイミング信号同時取得回路及び検出器バイアス負荷回路を有する放射線検出装置の原理図 電荷有感型前置増幅器を用いた放射線検出装置の原理図

Claims (3)

1. ガンマ線を検出する臭化タリウム放射線検出器と、該臭化タリウム放射線検出器の一方の電極に接続され電極面に発生した誘導電荷の信号を入力して得た立ち上がり信号を出力する電流増幅型前置増幅器と該立ち上がり信号をタイミング信号として利用する同時計数回路と、他方の電極に接続され臭化タリウム放射線検出器からの検出信号を増幅する電荷有感型前置増幅器とを備えた放射線検出装置。
2. 上記臭化タリウム放射線検出器に印加する電圧の極性を切り替えるとともに、電流増幅型前置増幅器及び電荷有感型前置増幅器が臭化タリウム放射線検出器に接続するそれぞれの接続電極を相互に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の放射線検出装置を有する陽電子断層撮影装置。

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