JP5247988B2 - 検出器アセンブリおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に検査システムに関し、より詳細には、放射線透過検査技術およびアセンブリに関する。

一般に、ある種の放射線画像撮影システムでは、Ｘ線が対象物を透過し、光生成層を用いて対応する強度の光に変換される。光生成層によって生成された光は、電子デバイスへと提供される。電子デバイスは、光生成層によって生成された光信号を、対応する電気信号に変換するようになされている。次いで電子信号は、対象物の画像を形成するために使用される。

放射線画像撮影では、形成される画像が、望ましくないことにＸ線の散乱により劣化する（または曇る）。医療システム用に散乱を制御する目的で、散乱した二次Ｘ線を幾何学的に除去するために、鉛格子が検出器上で使用される。しかし、非破壊試験用途では、より高エネルギーのＸ線が使用されるので、格子が常に適切であるとは限らない。非破壊検査産業の環境では、Ｘ線フィルムカセットに衝突するＸ線束の大部分が、対象物からのコンプトン散乱となる可能性がある。散乱を低減させるために、低エネルギーのコンプトン散乱した放射を濾波するための金属プレートまたはスクリーンを使用することができる。

さらに、プレートがフィルムに密接している場合、金属プレートから放出された光電子によってフィルムをさらに増感することができる。これにより、Ｘ線パターンのフィルムへの高度な空間転写が可能になる。１５０ｋＶを超えるＸ線エネルギーでの非破壊試験では、フィルムがこの状況でＸ線に対して基本的に透過性であるので、これはフィルムを黒化するための基本的な機構となる。金属スクリーンをコンピュータラジオグラフィの画像プレートと密接させる場合、コンピューテッドラジオグラフィでも同様の利点がもたらされる。デジタルラジオグラフィでは、特に１ＭｅＶ以上のＸ線エネルギーで、金属スクリーンがＸ線蛍光体スクリーンの裏面（Ｘ線側）に配置されてきた。そのような実施形態では、蛍光体は一般的に、デジタルまたはアナログカメラで見ることができる。

金属プレートまたはスクリーンが、衝突するＸ線から電子デバイスを保護することが望ましい。しかし、金属プレートまたはスクリーンは、ＭｅＶエネルギー範囲で所望の電子増感および散乱除去を提供することができない場合がある。したがって、典型的な放射線画像撮影システムでは、金属プレートまたはスクリーンがより厚く、増感による利益を維持しながら、必要とされる保護を提供する。
米国特許第３，３８９，２５５号広報 米国特許第３，８７２，３０９号広報 米国特許第５，６６３，００５号広報 US2005/0029462 A1, Lyons et al., "Monolithic Structure for X-Ray CT Collimator," February 10, 2005

したがって、散乱を低減および制御しながらコントラストが高められた高質の画像を形成することができる、小型検出器アセンブリを開発することが望ましい。

簡潔に言うと、本発明の一態様によれば、検出器アセンブリが提供される。検出器アセンブリは、対象物を透過する放射線を受け、その放射線を複数の信号に変換するように構成された放射線変換層と、前記対象物を透過する放射線を表す信号を受けるように構成されたピクセルアレイとを備える。ピクセルアレイはさらに、対象物に対応する画像を形成するように構成される。放射線変換層は、ピクセルアレイに直接結合される。

別の一実施形態では、検出器アセンブリが提供される。検出器アセンブリは、対象物を透過する放射線を受けるように構成された放射線変換層と、放射線を、対象物を透過する放射線を表す対応する光信号に変換するように構成された光生成層と、光生成層に直接結合され、対応する光信号を受けるように構成されたピクセルアレイとを備える。ピクセルアレイはさらに、対象物に対応する画像を形成するように構成される。検出器アセンブリはまた、光生成層とピクセルアレイの間に配置された接触層を備え、接触層は、光信号をピクセルアレイへと送るように構成される。

一代替実施形態では、検出器アセンブリを形成するための方法が提供される。この方法は、検出器アセンブリを形成するために、ピクセルアレイを覆って放射線変換層を堆積させることを含み、放射線変換層は、ピクセルアレイに直接接触している。

本発明の、これらおよびその他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。図面全体を通して、同様の符号は同様の部分を表す。

図１は、本発明の一態様に従って実施された検出器アセンブリの、直接変換の一実施形態を示す概略図である。図１に示す例示的な実施形態では、検出器アセンブリ１０は、放射線変換層１２およびピクセルアレイ１４を備える。各層を以下でさらに詳細に説明する。

放射線変換層１２は、対象物（図示せず）を透過するＸ線などの放射線５を受け、その放射線を複数の信号に変換するように構成されている。図１に示す実施形態では、放射線変換層１２は、少なくと１つの金属層（同様に参照番号１２で示す）を備える。特定の実施形態によれば、金属層１２の厚さは、約５０μｍから約２ｍｍである。ここで使用するように、「約」は、列挙した長さのプラスマイナス１０パーセント（１０％）の精度を表すことが理解されるべきである。

図１の直接変換の実施形態では、ピクセルアレイ１４は、放射線変換層を透過した放射線を表す信号を受け取り、対応する対象物の画像を形成するように構成された、直接変換ピクセルアレイである。本明細書で使用するように、「信号」は、一次Ｘ線、非減衰Ｘ線、蛍光Ｘ線、および２次電子を含む。２次電子は、光電子、コンプトン電子、およびオージェ電子を含むことができる。

図１に示すように、放射線変換層１２はピクセルアレイ１４に直接結合される。図１に示す例示的な実施形態では、放射線変換層１２は少なくとも１つの金属層を備え、この金属層はピクセルアレイ１４に直接結合される。

図２は、本発明の間接変換の実施形態を示す。検出器アセンブリ１０はさらに、放射線変換層１２とピクセルアレイ１４との間に配置された、光生成層１６を備える。光生成層１６は、放射線変換層を透過した放射線を受け、対応する光信号を生成するように構成される。例示的な光生成層１６は、Ｘ線蛍光体材料製であり、その非限定的な例として、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：（Ｔｂ，Ｐｒ）、Ｙ１．３４Ｇｄ０．６０Ｏ３：（Ｅｕ，Ｐｒ）０．０６（ＨＩＬＩＧＨＴ）、Ｌｕ２Ｏ３：（Ｅｕ３＋， Ｔｂ）、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＮａＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ：Ｎａ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ３＋、Ｇｄ２Ｏ３：Ｅｕ、ＣｄＷＯ４、ＢＧＯ（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）、ＬＳＯ（Ｌｕ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、ＧＳＯ（Ｇｄ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）、ＹＡＰ（ＹＡｌＯ３：Ｃｅ）、ＬｕＡＰ（ＬｕＡｌＯ３：Ｃｅ）、ＬＰＳ（Ｌｕ２Ｓｉ２Ｏ７：Ｃｅ）、およびそれらの組合せが挙げられる。このリストは例示的なものであり、包括的なものではない。その他の蛍光体も適用可能である。

上記で図２に関して説明した、間接変換の実施形態では、ピクセルアレイ１４は、光信号を受けるように構成された光感受性のピクセルアレイである。パターン形成された放射線変換層を用いる場合、光の拡散をパターン化されたやり方で制御することができるので、例えば約５０μｍ〜約２ｍｍのシンチレータ（光生成材料）の厚い層を使用することができる。

より特定の実施形態では、放射線変換層は、図３に示すようなパターン形成された放射線変換層１３を備える。一実施形態では、放射線変換層１２があるパターンで配置されており、この放射線変換層の間の空間が光生成材料で満たされている。より特定の実施形態では、パターン形成された放射線変換層は、金属層１５内に被包される。パターン形成された金属層１２は、金属層内のＸ線散乱および電子散乱の両方を制御すると同時に、空間解像度を向上させる。このような実施形態では、放射線変換層からの電子および蛍光Ｘ線は、光生成材料内での光学光子の生成をもたらし、これはピクセルアレイ１４によって捉えられる。さらに、直接当たるＸ線は、光生成層内で光学光子を生成し、ピクセルアレイ１４が捉える光の総量に寄与することができる。

光生成層と放射線変換層を結合させるための多くの方法がある。一実施形態では、金属層とすることができる放射線変換層上に光生成層を被覆する。別の実施形態では、光生成層を放射線変換層に直接結合させる。

特に図示しないさらなる実施形態では、光生成層１６は、放射線変換層上に成長したシンチレータニードル（図示せず）を備えており、これは、特定のＣｓＩ：Ｔｌ蛍光体用の、当技術分野でＣｓＩ：Ｔｌ堆積として知られる技法で実現することができる。あるいは、放射線変換層１２はまた、蒸着およびスパッタリングなどの技法によって光生成層１６上に堆積させることができる。

同様に、光生成層１６は、上記のような沈降または被覆技術のいかなる組合せによって、ピクセルアレイ１４上に被覆させることもできる。その堆積に続き、被覆された蛍光体上に、放射線変換層１２が直接配置される。

図４は、放射線変換層１２、光生成層１６、接触層１８、およびピクセルアレイ１４を備える、検出器アセンブリの間接変換の実施形態を示す。光生成層１６は、放射線変換層１２と接触層１８の間に配置される。特定の一実施形態では、接触層１８の厚さは放射線変換層１２の厚さよりも大きい。放射線変換層およびピクセルアレイは、図１を参照して説明したように実施することができる。接触層１８を以下でさらに詳細に説明する。

接触層１８は、光生成層とピクセルアレイの間に配置される。接触層は、光信号をピクセルアレイへと送るように構成される。接触層は、いくつかの光ファイバ、または１つの光ファイバプレートを備えることができる。接触層は、損傷、ならびに光生成層および放射線変換層を透過して伝播する可能性がある直接の励起から、ピクセルアレイを保護する。

接触層が光ファイバを備える一実施形態では、それぞれの光ファイバをクラッドが取り囲む。光ファイバは、角度外の高度に散乱された光を濾波して、光生成層内に存在するそうでなければ劣化する画像のコントラストを増大させる。角度外の光は、各ファイバまたはクラッドの周りの黒いコーティングの黒いファイバのいずれかとして検出器１０内に挿入された、黒い材料に吸収される。角度外の光を低減させるために、開口数を適宜選択することができる。特定の一実施形態では、接触層は、約６ｍｍの厚さである。

図１を参照して説明したように、放射線変換層は、少なくとも１つの金属層を備える。図４に示す例示的な実施形態では、放射線変換層１２は、光生成層１６および接触層１８によってピクセルアレイ１４に結合される。金属放射線変換層１２またはパターン化された増感層１３と、光ファイバ構成要素１８とを組み合わせることにより、設計を小型化することができ、この設計により、非破壊的な試験を実施するために所定の対象物内の狭い空間に配置することができる、薄いアセンブリを構築することが可能になる。ピクセルアレイは、電荷結合デバイスアレイ、ＣＭＯＳイメージャ、非晶質シリコンフォトダイオード、結晶質シリコンフォトダイオード、マイクロチャネルプレートベースの撮像装置および位置感知型ガス検出器のうちのいずれか１つを備えることができる。

図１〜図４を参照して説明した検出器アセンブリは、様々な検査システムにおいて実施することができる。例示的なＸ線システムを、以下でさらに詳細に説明する。図５は、本発明に従って、オリジナルの画像データを獲得するために、かつその画像データを表示および分析用に処理するために設計されたＸ線システムである、システム３０の実施形態のブロック図である。空間の３次元データを獲得するコンピュータトモグラフィシステム、ラミノグラフィシステム、およびデジタルラジオグラフィシステムなど、その他の画像形成システムもまたこの技術の恩恵を受ける。Ｘ線システム１０に関する以下の議論は、このような１つの実施形態の例であるに過ぎず、モダリティに関して限定するものではない。

ここで使用するように、「なされた」、「構成された」などは、説明された効果をもたらすようにシステムの要素を協働させるための、システム内のデバイスを示し、これらの用語はまた、所与の入力信号に応答して出力を供給するようにプログラムされた、アナログまたはデジタルコンピュータあるいは特定用途向けデバイス（特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ））などの電気または光学要素、増幅器などの動作能力、ならびに、構成要素を光学的または電気的に互いに結合させるための機械的装置を示す。

Ｘ線システム３０は、対象物３４を通してＸ線を放射するように構成されたＸ線源３２を備える。Ｘ線源３２は、高エネルギーおよび低エネルギーＸ線の両方を有するＸ線を生成する、従来のＸ線管でよい。一般に、Ｘ線の終点エネルギーは、約３０ｋｅＶ〜約１６ＭｅＶの間で変わる。Ｘ線は、対象物３４を通って進み続け、対象物によって減衰された後、検出器アセンブリ１０上に衝突する。検出器アセンブリは、図１〜図４を参照して説明したどの技法を用いて実施してもよい。

処理装置３８は、検出器アセンブリ１０から信号を受け取り、走査される対象物に対応する画像を形成するように構成される。処理装置は、Ｘ線通路のジオメトリを決定し、各Ｘ線通路の少なくとも１区間のエネルギー堆積プロファイルを決定するように構成される。一実施形態では、処理装置はさらに、エネルギー堆積プロファイルおよびＸ線通路に基づく対象物の画像を形成するように構成される。

図５の例示的な実施形態では、コンピュータ４０は、操作卓４２を使用して操作者が形成された画像を見ることが可能になるように、プロセッサ３８に接続される。操作者は、表示ユニット４４上の画像を見ることができる。形成された画像はまた、ハードドライブ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスクなどを含むことができる記憶装置４６に格納することができる。操作者はまた、供給源制御装置４８に命令（ｃｏｍｍａｎｄ）および指示（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）を与えるために、コンピュータ４０を使用することもできる。Ｘ線源４８は、Ｘ線源３２に、電力信号およびタイミング信号を供給する。

Ｘ線システムは、デジタルラジオグラフィシステムまたはコンピュータトモグラフィシステム内の様々な非破壊用途に使用することができる。そのような用途は、ジェットエンジン内のタービンブレードおよびファンブレードの検査を含むことがあり、この場合、こうした構成要素内の最小の欠陥を検出するために高い画像コントラストが必要とされると同時に、検出器が、ブレード間に入り検査位置に到達するために十分小さいことが望まれる。その他の用途は、デジタルラジオグラフィシステム、ラミノグラフィシステム、およびコンピュータトモグラフィシステムを使用する、非破壊試験方法を含む。

上記技法は、サイズが小さい、高効率、ピクセルアレイのより優れた保護など多くの利点を有する。放射線変換層は、光生成層と接触して配置され、非晶質シリコン、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子、マイクロチャネルプレートベースの撮像素子、および位置感知型ガス検出器などの撮像素子に直接結合されるので、検出器のサイズは実質的に低減される。

検出器アセンブリはまた、光を捉えるための効率が高められ、したがって、露出時間が急速に低減される。放射線変換層はまた、上記撮像素子の保護となる。放射線変換層、光生成層、および／または中間の光ファイバプレート（厚さ、開口数、表面板内のその他の散乱強化要素）は、所定の特定の用途での性能を最適にするために、撮像素子上で相互交換することができる。

本発明のいくつかの特徴のみを、本明細書で図示および説明してきたが、当分野の技術者には多くの修正および変更が想起されるであろう。したがって、添付の特許請求項の範囲は、そのような修正および変更をすべて、本発明の真の精神の範囲内にあるものとして包含するものであることが理解されるべきである。

放射線変換層およびピクセルアレイを備える検出器アセンブリの一実施形態の概略図である。 放射線変換層、光生成層、およびピクセルアレイを備える、検出器アセンブリの一実施形態の概略図である。 パターン化された放射線変換層を備える検出器アセンブリの一実施形態の概略図である。 放射線変換層、光変換層、接触層、およびピクセルアレイを備える、検出器アセンブリの一実施形態の概略図である。 検出器アセンブリを使用するＸ線システムの一実施形態のブロック図である。

符号の説明

５ 放射線
１０ 検出器アセンブリ
１２ 放射線変換層
１４ ピクセルアレイ
１５ 金属層
１６ 光生成層
１８ 接触層
３０ Ｘ線システム
３２ Ｘ線源
３４ 対象物
３６ Ｘ線検出器
３８ 処理装置
４０ コンピュータ
４２ 操作卓
４４ 表示ユニット
４６ 記憶装置
４８ 供給源制御装置

Claims (7)

1. 検出器アセンブリ（１０）であって、
   対象物（３４）を透過する放射線（５）を受け、放射線を複数の信号に変換するように構成された放射線変換層（１２）と、
   前記放射線変換層を通過した前記複数の信号を受け、対応する光信号を生成するように構成された少なくとも１つの光生成層（１６）と、
   前記光信号を受けるように構成され、前記対象物の対応する画像を形成するように構成されたピクセルアレイ（１４）と
   を備え、
   前記光生成層が、前記放射線変換層と前記ピクセルアレイの間に配置され、
   前記ピクセルアレイが、前記光信号を受けるように構成された光電性のピクセルアレイを備える
   ことを特徴とする検出器アセンブリ。
2. 前記放射線変換層（１２）が、少なくとも１つの金属層を備えることを特徴とする請求項１記載の検出器アセンブリ。
3. 前記光生成層が、前記放射線変換層および前記ピクセルアレイのうち少なくとも１つを被覆する請求項１又は２記載の検出器アセンブリ。
4. 前記光生成層が、前記放射線変換層に直接結合されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の検出器アセンブリ。
5. 前記光生成層が、前記放射線変換層または前記ピクセルアレイのうち一方の上に成長した複数のニードルを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の検出器アセンブリ。
6. 前記ピクセルアレイが、前記放射線変換層内で生成される前記放射線を受けるように構成された直接変換ピクセルアレイを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の検出器アセンブリ。
7. 検出器アセンブリ（１０）を形成するための方法であって、
   前記検出器アセンブリを形成するために、ピクセルアレイを覆って少なくとも１つの金属層を備える放射線変換層（１２）を堆積させることを含み、
   前記方法は、前記放射線変換層と前記ピクセルアレイの間に光生成層を堆積することを更に含む
   ことを特徴とする、方法。
   

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