JP5415637B1

JP5415637B1 - 放射線検出装置

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Publication number: JP5415637B1
Application number: JP2013039458A
Authority: JP
Inventors: 島良司上; 島優一郎上
Original assignee: 上島良司
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014167434A

Abstract

【課題】簡易な構造で放射線の検出精度を向上可能な放射線検出装置を提供する。
【解決手段】放射線検出装置１００は、放射線入射面に入射された放射線を蛍光に変換する平板状のシンチレータ１と、シンチレータに接合され、シンチレータで変換された蛍光を面方向に導光する透明導光板４と、透明導光板内を伝搬する蛍光の伝搬断面積を連続的または段階的に狭める透明導光板絞り部５と、露出される透明導光板および透明導光板絞り部の表面の少なくとも一部を覆う反射板と、透明導光板絞り部の蛍光出射口から出射された蛍光に応じた電気パルス信号を生成する複数のアバランシェフォトダイオード７と、複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれが生成した電気パルス信号のうち、すべてのアバランシェフォトダイオードが共通に生成した電気パルス信号を抽出する同時計数部２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線の検出を行う放射線検出装置に関する。

従来の放射線検出装置では、大面積での放射線検出が可能なプラスチックシンチレータを使用したものが幅広く利用されている（特許文献１参照）。図１９は、この種の従来の放射線検出装置の構造を示す断面図である。β線測定用のシンチレータの厚みは０．５ｍｍ以下が一般的である。図１９の放射線検出装置３０は、シンチレータ３１から発光するシンチレーション光（以下、蛍光）を、ライトガイドや反射板３２等を用いて光電子増倍管３３に集光し、光電子増倍管３３で検出した光信号パルスを計数回路で計数する。放射線を検出する検出装置３０の面積は２０００ｃｍ^２以上の大面積の物もある。大面積のシンチレータ３１から効率良く光電子増倍管３３に集光するには、図１９の上方からシンチレータ３１に入射されるβ線によってシンチレータ３１内で発光した蛍光を下方向に散乱出射する。蛍光は検出装置３０内の内部空間を反射しながら光電子増倍管３３の受光部に入射される。蛍光を反射させるには、最低５ｃｍ程度の厚みを必要とし、厚みを薄くすると検出効率の低下を招く要因になる。このため、従来の検出装置３０は、その筐体の厚みを薄くするのが困難で、筐体ケースや光電子増倍管３３の重量で、どうしても重くなっていた。

β線検出用のシンチレータは、その厚さを０．５ｍｍ以下にできるため、シンチレータに導光部を接合して、シンチレータで生じた蛍光を、導光部内の横（水平）方向に伝搬させて光電子増倍管に集光させることも考えられる。ところが、シンチレータの面積が大きい場合には、シンチレータから導光部に導光される蛍光の強さが場所によってばらつき、放射線の検出感度の均一性が担保できなくなる。また、光電子増倍管のサイズにより、検出装置の厚みを５ｃｍ以下にするのは困難である。

一方、ファイバファイバシンチレータを使用して検出器の薄型化を図る技術が提案されている（特許文献２，３参照）。ところが、大面積の放射線検出装置を構成するには、搭載するファイバーシンチレータの本数が大量となり、コスト高になってしまう。

特開２００２−００６０４８号公報特開平０７−０３５８６７号公報特開平１１−２１１８３６号公報

ところで、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、光電子増倍管よりサイズが小さいため、検出装置を小型軽量化し易い上に、電子なだれによる増幅率が大きく、微弱の蛍光をパルス信号として計数することに適している。ところが、従来の光電子増倍管の受光部は、直径数ｃｍの球面もしくは側面にて広い角度の光を集光できることに対し、ＡＰＤは受光部が１．５ｍｍφ程度と小さい上に、直線的に飛び込む光を受光する方式のため、従来の検出器に組み込んでも集光効率が悪くなる。

また、ＡＰＤは、温度上昇に伴ってノイズが増えるという欠点がある。ディスクリ（検出閾値）を高くすることでノイズ量を低減できるが、^６０Ｃｏのように低エネルギーのβ線では発光する蛍光量が小さいため、ディスクリを高くすると^６０Ｃｏの測定効率が落ち込み、検出感度が低下する。このため、ノイズ成分と^６０Ｃｏ成分の切り分けが困難となる。また、シンチレータから出る蛍光の波長ピーク値が４００ｎｍ程度に対し、ＡＰＤ受光感度のピーク値は６００ｎｍ以上が一般的であり、波長変換を実施する必要がある。これらの課題からＡＰＤとβ線用シンチレーション検出器を組み合わせても、その実用化には種々の課題がある。

本発明は、簡易な構造で放射線の検出精度を向上可能な放射線検出装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、放射線入射面に入射された放射線を蛍光に変換する平板状のシンチレータと、
前記シンチレータに接合され、前記シンチレータで変換された蛍光を面方向に導光する透明導光板と、
前記透明導光板内を伝搬する蛍光の伝搬断面積を連続的または段階的に狭める透明導光板絞り部と、
露出される前記透明導光板および前記透明導光板絞り部の表面の少なくとも一部を覆う反射板と、
前記透明導光板絞り部の蛍光出射口から出射された蛍光に応じた電気パルス信号を生成する複数のアバランシェフォトダイオードと、
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれが生成した電気パルス信号のうち、すべてのアバランシェフォトダイオードが共通に生成した電気パルス信号を抽出する同時計数部と、を備えることを特徴とする放射線検出装置である。

この態様によれば、シンチレータからの蛍光を、透明導光板の面方向に伝搬させることができる。また、透明導光板には透明導光板絞り部が接合されているため、透明導光板を伝搬した蛍光をアバランシェフォトダイオードまで導光させることができ、アバランシェフォトダイオードの光検出効率を向上できる。

また、透明導光板絞り部の蛍光出射口に光波長変換部を設ければ、蛍光の波長を、アバランシェフォトダイオードが最も感知しやすい波長帯域に変換できる。

さらに、集光光学系を設けることで、光波長変換部で波長変換した光をアバランシェフォトダイオードの受光面に集光させることができ、より光の検出効率を向上できる。

また、光波長変換部の出射面を粗面化することで、光波長変換部で逆方向に反射される光の割合を低減でき、アバランシェフォトダイオードでの受光強度を向上できる。

また、本発明の他の一態様は、放射線入射面に入射された放射線を蛍光に変換する平板状のシンチレータと、
前記シンチレータに接合され、前記シンチレータで変換された蛍光を面方向に導光する透明導光板と、
前記透明導光板内を伝搬する蛍光の伝搬経路面積を連続的または段階的に狭める透明導光板絞り部と、
露出される前記透明導光板および前記透明導光板絞り部の表面を覆う反射板と、
前記透明導光板絞り部の蛍光出射口に配置され、前記透明導光板絞り部を伝搬する蛍光の波長を他の波長に変換する光波長変換部と、
前記光波長変換部で波長変換された光に応じた電気パルス信号を生成するアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードを冷却する冷却部と、
前記アバランシェフォトダイオードの温度が所定の範囲内に収まるように前記冷却部を制御する温度制御部と、を備えることを特徴とする放射線検出装置である。

この態様によれば、アバランシェフォトダイオードの温度変動を抑制するような制御を行うため、アバランシェフォトダイオードの出力ノイズを低減でき、放射線の検出精度を向上できる。また、アバランシェフォトダイオードの温度変動を抑制することで、複数のアバランシェフォトダイオードで同時計数される電気パルス信号だけを抽出する処理を行わなくて済み、アバランシェフォトダイオードと信号増幅回路の数を削減できるとともに、同時計数回路も不要となる。

また、透明導光板の厚さを、蛍光の伝搬方向に向かって、連続的または段階的に広げることで、アバランシェフォトダイオードの方向に向かって透明導光板を伝搬する蛍光の割合を増やすことができるとともに、透明導光板を伝搬する蛍光の面内分布を均一化できる。

また、蛍光の伝搬方向における平均長さがそれぞれ異なる複数の導光薄板を積層して透明導光板を作製することにより、各導光薄板の表面に沿って進行する蛍光が多くなり、結果として、透明導光板を伝搬する蛍光の割合を増やすことができるとともに、透明導光板を伝搬する蛍光の面内分布を均一化できる。

また、透明導光板の傾斜部を鋸状とすることで、より面内分布を均一化できる。

また、シンチレータ内反射部を設けることで、シンチレータの内部を伝搬する蛍光を透明導光板の方向に反射させることでき、シンチレータの内部で消滅する蛍光の割合を減らせる。
また、シンチレータと透明導光板の間に介在される接着用の紫外線硬化型シートに蛍光制限部材を設けることで、透明導光板内での面内分布をより均一化できる。

この蛍光制限部材は、例えば、透明導光板の蛍光出射口から最遠位置側と透明導光板の蛍光出射口に近接した位置側において数多く配置するのが有効である。

また、透明導光板の蛍光出射口に反射部材を設けることで、透明導光板絞り部、光波長変換部およびアバランシェフォトダイオードを、透明導光板の裏面側に配置でき、放射線検出装置の小型化を図れる。

また、蛍光の伝搬方向に沿って、２つの透明導光板を並べて配置することで、大面積のシンチレータであっても、シンチレータの中央付近から左右両側に蛍光を集光することができ、集光効率の向上と面内分布の均一化を図れる。

また、それぞれがシンチレータ、透明導光板、透明導光板絞り部、光波長変換部およびアバランシェフォトダイオードを有する複数の構造体を、蛍光の伝搬方向に交差する方向に積み重ねることで、すべての構造体を突き抜ける性質のあるγ線による蛍光成分を排除して、β線のみの蛍光成分を容易に抽出できる。

また、それぞれがシンチレータ、透明導光板、透明導光板絞り部、光波長変換部およびアバランシェフォトダイオードを有する２つの構造体を、それぞれのシンチレータが外側を向くように蛍光の伝搬方向に交差する方向に積み重ねることで、パイプ等の円環部材の内壁や足場板の内壁の放射線検出が容易になる。

本発明によれば、簡易な構造で放射線の検出精度を向上できる。

本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図。シンチレーション検出器１の蛍光伝搬方向における断面図。図２Ａの一部を拡大した断面図。本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置１００の断面図。図３Ａの一部を拡大した断面図。本発明の第３の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図。図４の構成に同時計数回路２２を組み合わせた放射線検出装置１００の概略構成を示す図。本発明の第４の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図。台形状の複数の導光薄板１３を貼り合わせる前の状態を示す図。複数の導光薄板１３を貼り合わせた後の状態を示す図。本発明の第６の実施形態に係る透明導光板４を示す図。本発明の第７の実施形態に係るシンチレータ２の一部の構造を示す図。第７の実施形態に係るシンチレータ２と透明導光板４の全体の構造を示す断面図。第７の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図。本発明の第８の実施形態に係るシンチレータ２および透明導光板４の一部の構造を示す図。第８の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図。本発明の第９の実施形態に係る放射線検出装置１００の断面図。第９の実施形態に係る放射線検出装置１００の裏面側１７を示す概略的な平面図。本発明の第１０の実施形態に係る放射線検出装置１００の断面図。第１０の実施形態に係る放射線検出装置１００の裏面側１７を示す概略的な平面図。本発明の第１１の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示すブロック図。２つの透明導光板４を対向配置させた放射線検出装置１００の例を示す図。放射線検出装置１００の他の一例を示す図。２つのＡＰＤ７で検出される電気パルス信号と、信号増幅回路２１で設定される検出閾値レベルと、同時計数回路２２で計数される電気パルス信号とを示す信号波形図。非同時計数回路２５で計数される電気パルス信号を示す信号波形図。従来の検出器における^１３７Ｃｓの発光を示す模式図。従来の検出器における^６０Ｃｏの発光を示す模式図。従来の検出器に下面微細プリズムを設けた場合の^６０Ｃｏの発光を示す模式図。図６の放射線検出装置１００における^１３７Ｃｓの発光を示す模式図。図６の放射線検出装置１００を利用してシミュレーションを行った結果を示す図。従来の放射線検出装置の構造を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図である。図１の放射線検出装置１００は、シンチレーション検出器１と、複数のアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）７と、複数の信号増幅回路２１と、同時計数回路２２とを備えている。

図２Ａはシンチレーション検出器１の蛍光伝搬方向における断面図、図２Ｂはその一部を拡大した断面図である。図２Ａに示すように、シンチレーション検出器１は、シンチレータ２と、透明導光板４と、透明導光板絞り部５と、反射板９と、光波長変換部１９と、複数の凸レンズ６とを有する。

シンチレータ２は、放射線入射面に入射された放射線をシンチレータ光（以下、蛍光）に変換する平板状のプラスチックシンチレータである。このシンチレータ２のサイズは、例えば、横２３ｃｍ×縦１８ｃｍの４１４ｃｍ^２の面積であり、厚さ０．４ｍｍである。

透明導光板４は、シンチレータ２の下面側の全面に接合されて、シンチレータ２で生じた蛍光を面方向に導光する。透明導光板４の材料は例えばアクリル板であり、その厚さは１０ｍｍである。

シンチレータ２と透明導光板４は、紫外線（ＵＶ）接着材で接着され、シンチレータ２の上面、すなわち透明導光板４の接着面とは反対側の面には、検出器膜３が糊付けされている。この検出器膜３は、放射線以外の光を遮光する目的で設けられている。

透明導光板絞り部５は、透明導光板４内を伝搬する蛍光の伝搬断面積を連続的または段階的に狭める形状を有する。図１の例では、透明導光板絞り部５の表面をなだらかな曲面にしているが、角面形状でもよい。

反射板９は、露出される透明導光板４および透明導光板絞り部５の表面の少なくとも一部を覆う。例えば、反射板９は、透明導光板４に、鏡面反射部材としてアルミナ系の塗料を吹き付け塗装した上に、ピンホールによる光漏れを防止するためにアルミニウムのテープを貼付して、外光を完全に遮断したものである。

光波長変換部１９は、透明導光板絞り部５の蛍光出射口に張り合わされて、透明導光板絞り部５を伝搬する蛍光の波長（例えば４２０ｎｍ）を、ＡＰＤ７が感知可能な他の波長（例えばＡＰＤ７の最大感度波長６２０ｎｍに近い波長）に変換する。光波長変換部１９の材料としては、例えば、赤色蛍光ガラスのルミラス−Ｒ７が用いられる。

図２Ｂに拡大図示するように、光波長変換部１９を構成する赤色蛍光ガラスには凸レンズ６が接着されている。凸レンズ６は、図２Ｂの奥行き方向（紙面の表裏方向）に複数個配置されている。赤色蛍光ガラスで波長変換された光は、凸レンズ６で集光されて、ＡＰＤ７の受光面８に入射される。

ＡＰＤ７の受光面８は１．５ｍｍφと非常に小さいため、凸レンズ６の焦点がＡＰＤ７の受光面８に一致するように凸レンズ６とＡＰＤ７は位置合わせされる。

複数のＡＰＤ７と複数の信号増幅回路２１は、少なくとも２個ずつ設けられる。各ＡＰＤ７は、光波長変換部１９が波長変換した光信号を受光して、電気パルス信号を生成する。この電気パルス信号は、対応する信号増幅回路２１に入力されて、所定の検出閾値レベルを超える電気パルス信号が抽出される。以下では、２個のＡＰＤ７と２個の信号増幅回路２１を設ける例を説明するが、ＡＰＤ７と信号増幅回路２１は、２個以上であれば、その数には特に制限はない。

同時計数回路２２は、２個のＡＰＤ７が同時に検出した電気パルス信号の数を計測する。同時計数回路２２が計測した電気パルス信号の数は、例えばスケーラ回路に入力されて、放射線の強度の検出が行われる。

このように、第１の実施形態に係る放射線検出装置１００では、シンチレータ２で生じた蛍光を、透明導光板４の面方向に沿って伝搬させて、透明導光板絞り部５を介して光波長変換部１９に入射させるため、光波長変換部１９への蛍光の入射効率を向上できる。また、光波長変換部１９には凸レンズ６が接着されているため、凸レンズ６を通過した光を効率よくＡＰＤ７の受光面８に集光させることができる。これにより、わずか２個のＡＰＤ７だけで、放射線を精度よく検出できる。

（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、凸レンズ６を省略したものである。

図３Ａは本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置１００の断面図、図３Ｂはその一部を拡大した断面図である。第２の実施形態に係る放射線検出装置１００は、光波長変換部１９の構造が第１の実施形態とは異なっている。

第２の実施形態に係る光波長変換部１９は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、透明導光板再絞り部１０と、光波長変換ガラス１９ａとを有する。透明導光板再絞り部１０は、透明導光板絞り部５の出射口よりもさらに口径を小さくして、蛍光の伝搬する経路を絞り込む。光波長変換ガラス１９ａは、透明導光板再絞り部１０の出射口に張り合わされている。

透明導光板絞り部５は例えば厚さ１０ｍｍのアクリル板で形成される。透明導光板再絞り部１０は、アクリル板の厚みを、例えば１０ｍｍから３ｍｍまで連続的に絞り込んだ曲面形状（あるいは角面形状）を有する。光波長変換ガラス１９ａのＡＰＤ７側の面１１は、粗面処理されて微細プリズム構造にしている。仮に光波長変換ガラス１９ａのＡＰＤ７側の面１１を鏡面にすると、この面１１で光が反射されて、逆側に戻ってしまう。このため、この面１１を微細プリズム構造にすることで、透明導光板再絞り部１０を通過した光をより多くＡＰＤ７側に導光させることができ、ＡＰＤ７への光の入射効率を向上できる。

（第３の実施形態）
以下に説明する第３の実施形態は、ＡＰＤ７でのノイズを低減して、同時計数回路２２を不要とするものである。

図４は本発明の第３の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図である。図４の放射線検出装置１００は、凸レンズ６とＡＰＤ７を１個ずつ備えている。この他、図４の放射線検出装置１００は、ＡＰＤ７を冷却する冷却部２０と、冷却部２０を制御する温度コントローラ（温度制御部）２４とを備えている。

ＡＰＤ７の出力は、高い温度環境下や温度変化が大きい場所では、ノイズが多くなるため、図１に示したような同時計数回路２２を設けてノイズを除去するか、あるいはＡＰＤ７を冷却してＡＰＤ７自体から発生するノイズを抑制する必要がある。本実施形態は、例えばペルチェ素子などからなる小型の冷却部２０を設けてＡＰＤ７を直接冷却し、ＡＰＤ７自体から発生するノイズを低減する。より具体的には、温度コントローラ２４によりペルチェ素子２０を制御し、ＡＰＤ７が常に一定の温度になるように制御する。

これにより、１個のＡＰＤ７だけで、放射線の検出が可能となり、ＡＰＤ７と凸レンズ６の数を１個ずつ削減できるとともに、同時計数回路２２も不要となる。

なお、ペルチェ素子２０だけではＡＰＤ７の温度を一定に維持できないほどの高温度環境下や温度変化が非常に激しい場所で放射線検出を行う場合は、図４の構成に同時計数回路２２を組み合わせて使用するのが望ましい。この場合の概略構成は、図５のようになる。

図５の放射線検出装置１００は、図１と同様に、凸レンズ６とＡＰＤ７を２個ずつ備え、これに加えて、図４と同様に、冷却部２０と温度コントローラ２４を備えている。冷却部２０は、２個のＡＰＤ７をともに冷却するものである。

図５の放射線検出装置１００によれば、２個のＡＰＤ７を冷却した状態で、同時計数回路２２で計数された回数に基づいて放射線を検出するため、高温度環境下や温度変化が大きい場所でも、ＡＰＤ７のノイズを抑制できる。

（第４の実施形態）
以下に説明する第４の実施形態は、透明導光板４に傾斜部を設けて、蛍光が蛍光出射口に伝搬されやすくするものである。

図６は本発明の第４の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図である。図６の放射線検出装置１００は、透明導光板４の形状が図１とは異なっている。図６の透明導光板４は、蛍光の伝搬方向に向かって、その厚さが連続的に広がっている。透明導光板４は、例えば１０ｍｍ厚のアクリル板の角部を研削して形成された傾斜部４ａを有する。傾斜部４ａは、シンチレータ２の下方に配置されて、傾斜部４ａには反射板９が接着される。透明導光板４の厚さが小さい箇所ほど、ＡＰＤ７から遠くに位置するように透明導光板４は配置される。

シンチレータ２から透明導光板４に入射された蛍光は、シンチレータ２と反射板９で反射されながら透明導光板４の内部を伝搬するが、図１のように厚さが均一な透明導光板４を用いると、透明導光板４の出射口まで達することなく消滅する蛍光の割合が多くなる。特に、ＡＰＤ７から最遠位置にある透明導光板４の端部付近に入射された蛍光の集光効率が悪くて、ＡＰＤ７から最近位置にある透明導光板４の端部付近に入射された蛍光の集光効率が良いという面内分布の不均一が生じる可能性がある。

これに対して、図６のような傾斜部４ａを有する透明導光板４を用いると、ＡＰＤ７から最遠位置にある透明導光板４の端部付近に入射された蛍光を効率よくＡＰＤ７の方向に伝搬させることができ、面内分布の均一性を向上できる。

一例として、透明導光板４の蛍光伝搬方向の全長（例えば２３０ｍｍ）にわたって傾斜部４ａを設け、ＡＰＤ７の最遠位置での透明導光板４の厚さを１ｍｍ、ＡＰＤ７の最近位置での透明導光板４の厚さを１０ｍｍとする。傾斜部４ａは、透明導光板４の材料であるアクリル板を研削した後に、鏡面仕上げを行って、蛍光の反射効率を高める。また、アクリル板の表面には、反射板９の材料であるアルミナ系の塗料を吹き付け塗装した上に、ピンホールによる光漏れを防止するためにアルミニウムのテープを貼付して、外光を完全に遮断する。

このように、透明導光板４に傾斜部４ａを設けることで、ＡＰＤ７から最遠位置側の透明導光板４の端部付近に入射された蛍光の集光効率を向上でき、面内分布を均一化できる。また、傾斜部４ａを鏡面仕上げにすることで、光の乱反射を無くしてＡＰＤ７側への集光効率を向上させることができる。

（第５の実施形態）
以下に説明する第５の実施形態は、台形状の複数の導光薄板を積層して透明導光板４を作製するものである。

図７Ａおよび図７Ｂは本発明の第５の実施形態に係る透明導光板４を示す図であり、図７Ａは台形状の複数の導光薄板１３を貼り合わせる前の状態を示す図、図７Ｂは貼り合わせた後の状態を示す図である。

複数の導光薄板１３のそれぞれは、蛍光の伝搬方向における平均長さがそれぞれ異なる台形状であり、これらを積層することで、図７Ｂのような傾斜部４ａを有する透明導光板４が作製される。

導光薄板１３のサイズや積層数には特に制限はないが、例えば２ｍｍ厚の５枚の導光薄板１３を積層して透明導光板４が作製される。この場合、例えば、最上層のアクリル板の蛍光伝搬方向の長さを３０ｃｍ、２層目のアクリル板の長さを２５．４ｃｍ、３層目のアクリル板の長さを２０．８ｃｍ、４層目のアクリル板の長さを１６．２ｃｍ、５層目のアクリル板の長さを１１．６ｃｍとし、各アクリル板に４．６ｃｍ幅の傾斜を付ける。また、各アクリル板の左端の厚さを０．５ｍｍ厚とする。左端の厚さを０．５ｍｍとするのは、光の性質として、反射成分以外に透明材料の表層付近を流れる成分があることが分かっており、表層付近を流れる成分を反射でＡＰＤ７側に流す必要があるためである。

このように、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、複数の導光薄板１３を積層して透明導光板４を作製することで、各導光薄板１３の表層付近を流れる蛍光の割合を多くして、透明導光板４における蛍光の伝搬効率を向上させることができる。

また、シンチレータ２は、光透過率が高くないため、透明導光板４に傾斜部４ａを設けることで、透明導光板４または反射板９で反射した蛍光がシンチレータ２側に戻る割合を減らして、透明導光板４を伝搬する蛍光の割合を増やすことができ、ＡＰＤ７で集光される光量も増やせる。

さらに、図７Ｂの傾斜部４ａも、図６の傾斜部４ａと同様に鏡面仕上げを行うことで、図６のように１枚のアクリル板で透明導光板４を作製する場合よりも、ＡＰＤ７での集光効率を向上でき、また、面内分布は図６と同様になる。

（第６の実施形態）
以下に説明する第６の実施形態は、透明導光板４の傾斜部４ａに段差を持たせたものである。
図８は本発明の第６の実施形態に係る透明導光板４を示す図である。図８の透明導光板４の傾斜部４ａは、鋸状の段差１４を有する。透明導光板４のＡＰＤ７から最遠位置側の厚さが最も薄く、ＡＰＤ７から最近位置側の厚さが最も厚い。この鋸状の段差１４は、例えばアクリル板を研削して形成される。この段差の表面は、研磨した上で吹き付け塗装し、さらにアルミニウムのテープを貼付してピンホールによる光漏れを無くしている。

透明導光板４の傾斜部４ａを鋸状の段差１４にすることで、第４および第５の実施形態よりも、面内分布をより均一化できる。また、面内分布がより均一化されるように、傾斜部４ａの段差の形状を最適化することもできる。

（第７の実施形態）
以下に説明する第７の実施形態は、シンチレータ２内を伝搬する蛍光を透明導光板４の方向に導光する機能を設けたものである。

図９Ａは本発明の第７の実施形態に係るシンチレータ２の一部の構造を示す図、図９Ｂは第７の実施形態に係るシンチレータ２と透明導光板４の全体の構造を示す断面図、図９Ｃは第７の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図である。

図９Ａのシンチレータ２は、その中心位置付近にプリズム１６が埋め込まれている。このプリズム１６は、シンチレータ２内を水平面方向に伝搬する蛍光を透明導光板４の方向に反射させるためのものである。このプリズム１６を埋め込むにあたって、シンチレータ２に例えば０．４ｍｍのプリズム溝１５を形成する。この溝を作製する際、溝の表面が荒れていると、蛍光が散乱して、透明導光板４の方向に進行せずに、シンチレータ２側に反射して消滅する蛍光成分が多くなる。このため、シンチレータ２を研削して小さな溝を形成した後に、シンチレータ２を約５０℃のお湯に浸して柔らかくした後に、この溝に断面が三角形の金属部材を強く押しつけながら研磨して、プリズム溝１５を作製する。次に、このプリズム溝１５に、反射材としてアルミナ系の塗料を流し込んでプリズム１６を完成させる。

シンチレータ２の内部を伝搬する蛍光は、プリズム１６で反射されて、下方に向きを変えて進行し、透明導光板４に入射する。これにより、シンチレータ２の内部で消滅する蛍光の割合を減らすことができ、透明導光板４に入射される蛍光の割合を増やすことができる。

プリズム１６は、例えば図９Ｃに示すように、シンチレータ２の放射線検出面の縦方向および横方向の中心線に沿って十字状に配置される。これにより、シンチレータ２の任意の場所で発生した蛍光がプリズム１６で反射されやすくなる。

なお、プリズム１６は、必ずしも十字状に配置する必要はなく、例えば縦方向の中心線のみに沿って配置してもよいし、横方向の中心線のみに沿って配置してもよい。

（第８の実施形態）
以下に説明する第８の実施形態は、面内分布の均一化を図る部材を付加するものである。

図１０Ａは本発明の第８の実施形態に係るシンチレータ２および透明導光板４の一部の構造を示す図、図１０Ｂは第８の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示す図である。

シンチレータ２と透明導光板４とは、ＵＶ硬化型透明シート等のＵＶ接着材で接着されるが、ＵＶ硬化型透明シートのシンチレータ２側の面に斑点状の艶消し黒色塗装を施し、その裏面側にアルミナ系の銀色塗装を施した蛍光制限部材１８を設ける。このようなＵＶ硬化型透明シートをシンチレータ２と透明導光板４の間に挟み込んで、紫外線を照射することにより、シンチレータ２と透明導光板４は接着される。

斑点状の蛍光制限部材１８のシンチレータ２側の面には、艶消し黒色塗装が施されているため、この斑点に入射された蛍光は透明導光板４に入り込まずに消滅する。また、この蛍光制限部材１８の裏面側には、反射性に優れた銀色塗装が施されているため、透明導光板４から斑点の裏面に入射された蛍光は、シンチレータ２の内部には入り込まずに反射される。これにより、透明導光板４からシンチレータ２に戻る蛍光の割合を減らすことができる。

本実施形態では、本発明者が行ったシミュレーションの結果を踏まえて、図１０Ｂに示すように、ＡＰＤ７の最遠位置側での蛍光制限部材１８の密度を最大にし、その近接位置では、蛍光制限部材１８をまったくなくし、その位置からＡＰＤ７に近づくにつれて蛍光制限部材１８の密度を増やすようにしている。このような密度の蛍光制限部材１８を設けることで、面内分布の均一度を８０％以上にすることができた。

（第９の実施形態）
以下に説明する第９の実施形態は、透明導光板絞り部５、光波長変換部１９およびＡＰＤ７を透明導光板４の裏面側に配置するものである。

図１１Ａは本発明の第９の実施形態に係る放射線検出装置１００の断面図、図１１Ｂは第９の実施形態に係る放射線検出装置１００の裏面側１７を示す概略的な平面図である。

図１１Ａの放射線検出装置１００は、透明導光板４の蛍光出射口に配置される反転プリズム１６（反射部材）を有する。また、透明導光板４の蛍光出射口は、蛍光の反射を抑制して、蛍光が反転プリズム１６に入射しやすくするために、粗面処理されて、微細プリズムが形成されている。

透明導光板４から反転プリズム１６に入射された蛍光は、反転プリズム１６で反射されて、透明導光板４の裏面側に導光される。よって、透明導光板絞り部５、光波長変換部１９およびＡＰＤ７は、図１１Ｂに示すように、透明導光板４の裏面側に配置されている。これにより、放射線検出装置１００の全長を短くでき、小型化が図れる。

（第１０の実施形態）
以下に説明する第１０の実施形態は、シンチレータ２で生じた蛍光を左右に振り分けて集光するものである。

図１２Ａは本発明の第１０の実施形態に係る放射線検出装置１００の断面図、図１２Ｂは第１０の実施形態に係る放射線検出装置１００の裏面側１７を示す概略的な平面図である。

人間の身体放射線汚染モニタ等の大型の放射線検出装置１００を作製する場合、シンチレータ２の片側だけに蛍光を集めただけでは、集光効率が低下し、面内分布の均一性も悪くなる。そこで、本実施形態では、シンチレータ２の中心部から両端部にかけて、透明導光板４の厚さが連続的に増大する傾斜部４ａを２つ設けて、シンチレータ２で生じた蛍光を左右に振り分けて集光し、面内分布の均一性の向上を図る。

透明導光板４は、例えば図１２Ａに示すように、シンチレータ２の中央部側の厚さが例えば１ｍｍで、左右端の厚さが例えば１０ｍｍの２つの傾斜部４ａを有する。

透明導光板４は、シンチレータ２の中央部付近の厚さが薄いため、この付近を強く押されても破損しないように、支え金具２６により、強固に固定されている。

透明導光板４は、傾斜部４ａを有する同じサイズの２枚の透明導光板４を対向配置させたものであり、シンチレータ２の中央付近に、２枚の透明導光板４の厚さ１ｍｍの端部を密着配置させて、アクリル接着剤で接着する。

図１２Ａの放射線検出装置１００は、各透明導光板４ごとに図１１Ａと同様の反射プリズム１６を備えており、各透明導光板４ごとに設けられる透明導光板絞り部５、光波長変換部１９、ＡＰＤ７、信号増幅回路２１および同時計数回路２２は、透明導光板４の裏面側に配置されている。

このように、２枚の透明導光板４を左右に並べても、反射プリズム１６を設けることにより、放射線検出装置１００の横幅の増大を抑制できる。

図１２Ａの放射線検出装置１００では、２つの同時計数回路２２で計数した電気パルス信号はそれぞれ、スケーラ回路に送られる。

（第１１の実施形態）
以下に説明する第１１の実施形態では、γ線の検出結果を排除するものである。

図１３は本発明の第１１の実施形態に係る放射線検出装置１００の概略構成を示すブロック図であり、地面または床面の放射線検出を行うフロアモニタとして用いられるものである。図１３では、図６と同様の構造のシンチレーション検出器１を２つ上下に重ねて配置している。また、各シンチレーション検出器１ごとに、２つの信号増幅回路２１と、同時計数回路２２とを有する。この他、図１３の放射線検出装置１００は、非同時計数回路２５を備えている。

２つのシンチレーション検出器１では、β線の感度とγ線の感度はともに同じ性能になる。放射線の汚染物を図１３の放射線検出装置１００の下方に置いた場合、^６０Ｃｏ等によるβ線は、図１３の下側のシンチレーション検出器１のみで検出され、上側のシンチレーション検出器１では検出されない。

これに対して、γ線は、上下のシンチレーション検出器１をともに通過し、γ線による蛍光は、両方のシンチレーション検出器１で検出される。

そこで、図１３の放射線検出装置１００は、非同時計数回路２５を設けて、γ線の計数結果を排除する。

より具体的には、各シンチレーション検出器１から出力された電気パルス信号は、信号増幅回路２１を介して同時計数回路２２に入力され、両方のＡＰＤ７で検出された電気パルス信号の数が計数される。同時計数回路２２の出力は、非同時計数回路２５に入力されて、両方の同時計数回路２２で計数された電気パルス信号はγ線によるものと判断されて、排除される。これにより、β線のみの検出感度を向上させる。

２つのシンチレーション検出器１の具体的な配置は図１３に示したものに限定されない。例えば、図１４Ａは２つの透明導光板４を外側に対向配置させた放射線検出装置１００の例を示す図である。図１４Ａの放射線検出装置１００は、例えばパイプ等の中空の円環部材の内部の放射線を検出するために使用可能である。円環部材の内壁に沿って、２つのシンチレータ２が配置されるため、内壁からの放射線を２つのシンチレータ２で精度よく検出することができる。また、放射線のうち、γ線は、２つのシンチレータ２を通過するため、非同時計数回路２５にてγ線を排除して、β線のみを検出することができる。

図１４Ｂは放射線検出装置１００の他の一例を示す図である。この放射線検出装置１００も、対向する外側の２面に沿ってシンチレータ２が配置されており、シンチレーション検出器１の断面構造は図１４Ａと同様である。

図１４Ｂの放射線検出装置１００は、水平面から立設された足場板の内側側面の放射線を検出するために使用可能である。また、γ線を排除してβ線のみを検出できる点でも、図１３や図１４Ａと同様である。

図１５は２つのＡＰＤ７で検出される電気パルス信号と、信号増幅回路２１で設定されるディスクリ（検出閾値レベル）と、同時計数回路２２で計数される電気パルス信号とを示す信号波形図である。信号増幅回路２１は、ＡＰＤ７が生成する電気パルス信号のうち、検出閾値レベルを超える電気パルス信号のみを抽出して、同時計数回路２２に送る。同時計数回路２２は、２つの信号増幅回路２１から同時刻に出力された電気パルス信号を、放射線検出結果として検出すべく、出力する。これにより、図１５の例では、合計６つの電気パルス信号が同時計数回路２２で計数される。

図１６は非同時計数回路２５で計数される電気パルス信号を示す信号波形図である。非同時計数回路２５は、２つの同時計数回路２２が計数した電気パルス信号のうち、２つの同時計数回路２２が同時に計数した電気パルス信号をγ線によるものと判断して、この電気パルス信号を排除して、残りの電気パルス信号を出力する。これにより、図１６の例では、合計５つの電気パルス信号が非同時計数回路２５で計数される。

上述した第１〜第１１の実施形態では、１個または複数個のＡＰＤ７を用いて蛍光に応じた電気パルス信号を生成する例を説明したが、単体のＡＰＤ７を１個または複数個用いる代わりに、ＡＰＤ７を二次元に並列接続してワンパッケージにしたＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）を用いてもよい。ＭＰＰＣでは、個々のＡＰＤ７が個別に光−電気変換を行うため、より微弱な光も検出することができる。

また、上述した各実施形態では、シンチレータ２で生じた蛍光の波長を、光波長変換部１９で波長変換する例を説明したが、シンチレータ２の内部に波長変換材を含有させて、シンチレータ２の内部で、ＡＰＤ７での感知に優れた波長の蛍光を生じさせてもよい。この場合、光波長変換部１９が不要となり、放射線検出装置１の構成をさらに簡略化できる。

本発明者は、本発明の実施形態に係る放射線検出装置１００を開発するにあたり、放射線検出装置１００での光の反射、屈折を計算し、検出器構造、集光効率、面内分布をシミュレーションで検討しながら進めた。より具体的には、フレネルの式、スネルの法則、平面と光線の交点を求める式の３種類を組み合わせてシミュレーションを行った。

放射線検出装置１００内での光の挙動について、Ｕ_３Ｏ_８，^３６Ｃｌ、^１３７Ｃｓ、^６０Ｃｏのβ線がシンチレータ２に飛び込み、シンチレータ２の厚さ断面のどの位置で強く発光するかを検討した。β線は、シンチレータ２内では連続スペクトルでエネルギーが吸収されるが、シンチレータ２の表面部で蛍光体に衝突した時点で大きくエネルギー吸収され、その後は吸収が少なくなり、β線の停止直前に吸収が大きくなる。この吸収エネルギーがシンチレータ２での発光量に比例する。図１７Ａ〜図１７Ｄは、従来の放射線検出装置１００のシンチレータ２内での^１３７Ｃｓ、^６０Ｃｏのβ線のエネルギー吸収に伴う発光位置と光の反射を模擬したものである。

図１７Ａは、^１３７Ｃｓがシンチレータ２の表層部で強く発光し、シンチレータ２内を進んでいる間は弱く発光し、０．３ｍｍ程度進んで再度強く発光して、β線が停止する様子を示す模式図である。その光が反射膜側、シンチレータ２内、下部空気層に反射しながら光電子増倍管側に抜けて行く。ところが、中には、反射膜で反射後にシンチレータ２の上面に張り付く蛍光ａ、シンチレータ２の上面に張り付く蛍光ｂ、シンチレータ２の裏面に張り付く蛍光ｃ、シンチレータ２内で反射を繰り返す蛍光ｄ、シンチレータ２から抜けて光電子増倍管に進行する蛍光ｅがある。蛍光ａ，ｂ，ｃ，ｄは、光電子増倍管側に抜けて行かないものであり、放射線の検出効率が低下してしまう。

図１７Ｂは、^６０Ｃｏがシンチレータ２の表層部で強く発光し、シンチレータ２内を進んでいる間は弱く発光し、０．１ｍｍ程度進んで強く発光してβ線が停止している模式図である。図１７Ｂの場合も、図１７Ａと同様に、光電子増倍管側に抜けて行かない蛍光ａ，ｂ，ｃ，ｄがあり、やはり放射線の検出効率が低下してしまう。

図１７Ｃは、従来の放射線検出装置１００で行われた検出効率の改善の方策であり、^６０Ｃｏの蛍光のうち、上述したシンチレータ２の裏面に張り付く蛍光ｃとシンチレータ２内で反射を繰り返す蛍光ｄとが光電子増倍管に抜けるように下面微細プリズムを設けたものである。

図１７Ｄは、上述した図６の放射線検出装置１００において、^１３７Ｃｓの吸収エネルギーによりシンチレータ２内で発光を行い、シンチレータ２とアクリル板からなる透明導光板４の間で反射しながら最終的にＡＰＤ７に向かう例を示す模式図である。この図で、左側に向かった反射光は左端まで到達後に右側に反転してＡＰＤ７側に向かうが、反射および屈折回数が多くなり、それだけ蛍光の収率が落ちてしまう。シンチレータ２の上面に接着される検出器膜３の反射率は、一般的に入手可能な材料の中で、最高の反射率である銀蒸着膜の反射率９８．５％を用いた。シンチレータ２の密度はサンゴバン社製シンチレータ２ＢＣ−４００のカタログ値を使用した。透明導光板４の材料であるアクリル板は透過率１００％とした。

本シミュレーションでは、β線の最大エネルギーとシンチレータ２の密度、β線の吸収曲線、シンチレータ２に飛び込むβ線の角度を考慮し、シンチレータ２が０．４ｍｍ厚の場合、Ｕ_３Ｏ_８のβ線では表面から０．３ｍｍ、^３６Ｃｌと^１３７Ｃｓのβ線では０．２ｍｍ、^６０Ｃｏのβ線では０．１ｍｍ付近が、それぞれの発光ピークと仮定した。面内分布は^３６Ｃｌで評価されるため、０．４ｍｍ厚のシンチレータ２では、０．２ｍｍ位置で発光すると仮定し、この０．２ｍｍの深さ位置を起点とし、起点位置では３６０°方向に蛍光が射出され、反射と屈折を繰り返しながらＡＰＤ７方向に向かう光の反射と屈折のシミュレーションを行った。

このシミュレーションで集光効率及び面内分布を求め、透明導光板４の寸法、厚さ、傾斜角での最適構造を探った。

図１８は幅２３ｃｍの図６の放射線検出装置１００を利用してシミュレーションを行った結果である。このシミュレーションでは、１）シンチレータ２の上面側と下面側に空気層が有る場合（波形ｗ１）、２）上面側の空気層を無くした場合（波形ｗ２）、３）上・下面両方の空気層を無くした場合（波形ｗ３）の３通りについてグラフ化した。

図１８からわかるように、上面側の空気層を無くし、下面に空気層が有る場合（波形ｗ２）が最も良い面内分布となることが分った。

１シンチレーション検出器、２シンチレータ、３検出器膜、４透明導光板、４ａ透明導光板傾斜部５透明導光板絞り部、６凸レンズ、７ＡＰＤ、８ＡＰＤ受光面、９反射板、１０透明導光板湾再絞り部、１１蛍光出射粗面、１２傾斜透明導光板、１３台形傾斜透明導光板、１４ノコギリ形傾斜透明導光板、１５検出器面プリズム溝、１６光反転プリズム、１７検出器裏面側、１８蛍光制限部材、１９光波長変換ガラス、２０ペルチェ素子、２１信号増幅回路、２２同時計数回路、２４温度制御部、２６検出器中心部支え金具、３０放射線検出装置、３１シンチレータ、３２反射板、１００放射線検出装置

Claims

放射線入射面に入射された放射線を蛍光に変換する平板状のシンチレータと、
前記シンチレータに接合され、前記シンチレータで変換された蛍光を面方向に導光する透明導光板と、
前記透明導光板内を伝搬する蛍光の伝搬断面積を連続的または段階的に狭める透明導光板絞り部と、
露出される前記透明導光板および前記透明導光板絞り部の表面の少なくとも一部を覆う反射板と、
前記透明導光板絞り部の蛍光出射口から出射された蛍光に応じた電気パルス信号を生成する複数のアバランシェフォトダイオードと、
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれが生成した電気パルス信号のうち、すべてのアバランシェフォトダイオードが共通に生成した電気パルス信号を抽出する同時計数部と、を備えることを特徴とする放射線検出装置。
放射線入射面に入射された放射線を蛍光に変換する平板状のシンチレータと、
前記シンチレータに接合され、前記シンチレータで変換された蛍光を面方向に導光する透明導光板と、
前記透明導光板内を伝搬する蛍光の伝搬断面積を連続的または段階的に狭める透明導光板絞り部と、
露出される前記透明導光板および前記透明導光板絞り部の表面の少なくとも一部を覆う反射板と、
前記透明導光板絞り部の蛍光出射口から出射された蛍光に応じた電気パルス信号を生成する複数のアバランシェフォトダイオードと、
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれが生成した電気パルス信号のうち、すべてのアバランシェフォトダイオードが共通に生成した電気パルス信号を抽出する同時計数部と、を備え、
前記透明導光板は、前記蛍光の伝搬方向に向かって、厚さが連続的または段階的に広がっており、
前記透明導光板は、前記蛍光の伝搬方向における平均長さがそれぞれ異なる複数の導光薄板を積層して構成されることを特徴とする放射線検出装置。
放射線入射面に入射された放射線を蛍光に変換する平板状のシンチレータと、
前記シンチレータに接合され、前記シンチレータで変換された蛍光を面方向に導光する透明導光板と、
前記透明導光板内を伝搬する蛍光の伝搬断面積を連続的または段階的に狭める透明導光板絞り部と、
露出される前記透明導光板および前記透明導光板絞り部の表面の少なくとも一部を覆う反射板と、
前記透明導光板絞り部の蛍光出射口から出射された蛍光に応じた電気パルス信号を生成する複数のアバランシェフォトダイオードと、
前記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれが生成した電気パルス信号のうち、すべてのアバランシェフォトダイオードが共通に生成した電気パルス信号を抽出する同時計数部と、
前記シンチレータと前記透明導光板との間に介在して、前記シンチレータと前記透明導光板とを接合する紫外線硬化型シートと、を備え、
前記紫外線硬化型シートの複数箇所には、前記シンチレータから伝搬してくる蛍光を遮断し、前記反射板で反射された蛍光を反射させる複数の蛍光制限部材が設けられることを特徴とする放射線検出装置。
前記複数の蛍光制限部材は、前記透明導光板の前記シンチレータ側の表面での蛍光の面内分布のばらつきが所定範囲内に収まるように、前記透明導光板の蛍光出射口から最遠位置側と前記透明導光板の蛍光出射口に近接した位置側において数多く配置されることを特徴とする請求項３に記載の放射線検出装置。