JP5675339B2 - 固体シンチレータ、放射線検出器およびx線断層写真撮影装置 - Google Patents

固体シンチレータ、放射線検出器およびx線断層写真撮影装置 Download PDF

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Description

本発明は、X線等の放射線を可視光線等に変換する技術に関し、詳しくは、固体シンチレータ、この固体シンチレータを用いた放射線検出器およびX線断層写真撮影装置に関する。
医療診断、工業用検査、セキュリティ等の分野においてはX線断層写真撮影装置(X線CT装置)等の放射線検査装置を用いた検査が行われている。X線CT装置は、通常、扇状のX線ビームであるファンビームX線を照射するX線管(X線源)と、X線管に対して対向配置され多数のX線検出素子を有するX線検出器と、X線検出器からのデータに基づき画像を再構成する画像再構成装置とを備える。被検体は、X線管とX線検出器との間に載置され、ファンビームX線の照射により断層面が撮影される。
X線CT装置は、ファンビームX線を照射してX線吸収データを収集する作業を、照射角度を断層面に対して例えば1度ずつ変えて繰り返して行う。そして、得られたデータをコンピュータで解析して被検体の断層面でのX線吸収率を算出し、この吸収率に応じた断層面の画像を構成する。
X線CT装置のX線検出器としては、X線の刺激により可視光線等を放射する固体シンチレータが用いられている。固体シンチレータとは、シンチレータのうち、セラミックまたは単結晶からなるシンチレータを意味する。
X線CT装置は、X線検出器として固体シンチレータを用いると、検出素子が小型化されチャンネル数を増やすことが容易であるため、高解像度化することができるため好ましい。
このようなX線検出器等の放射線検出器に用いられる固体シンチレータとしては、従来、例えばタングステン酸カドミウム(CdWO)、ヨウ化ナトリウム(NaI)、ヨウ化セシウム(CsI)等の単結晶体、塩化弗化バリウム:ユーロピウム(BaFCl:Eu)、ランタンオキシ臭化物:テルビウム(LaOBr:Tb)、ヨウ化セシウム:タリウム(CsI:Tl)、タングステン酸カルシウム(CaWO)、タングステン酸カドミウム(CdWO)、特開昭58−204088号公報(特許文献1)に開示されるガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジム(GdS:Pr)等が知られている。
特開昭58−204088号公報
このうち、特許文献1に開示されるガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジム(GdS:Pr)はX線吸収係数が大きく発光の残光時間が短いため、X線検出用シンチレータとして望ましい。特に、X線CT装置が医療分野で用いられる場合は、X線吸収係数が大きく発光の残光時間が短いガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジム(GdS:Pr)は、被爆量や診断時間の短縮等の観点から好適である。
しかし、ガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジム等の希土類オキシ硫化物セラミックスは、HIP法(熱間等方圧加圧法)を用いて製造する必要があるため、ホットプレス(1軸加圧)法や真空焼結法を用いて製造する場合に比べて製造コストが高いという問題がある。また、X線CT装置が手荷物検査装置等のセキュリティ分野で用いられる場合は、検出素子が大面積であるためシンチレータにX線吸収係数の大きさや残光時間の短さがあまり要求されない。このため、ガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジムは、製造コストの高さが大きな問題となる。
これに対し、タングステン酸カドミウム(CdWO)単結晶シンチレータは、ガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジム等の希土類オキシ硫化物セラミックスシンチレータよりも特性面で劣るもののコスト面での優位性が高いため、セキュリティ分野のX線CT装置用シンチレータとして適している。しかし、Cdは有害性物質であるため、タングステン酸カドミウム(CdWO)単結晶シンチレータは環境を悪化させるおそれがあるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低コストで製造でき、高い発光出力を有し、Cdを含まない固体シンチレータ、この固体シンチレータを用いた放射線検出器およびX線断層写真撮影装置を提供することを目的とする。
本発明に係る固体シンチレータは、上記問題点を解決するものであり、下記式(1)で表され、
[化1]
(M1−x−yGdCe12 (1)
(式中、MはTbであり、JはAlおよびGaから選択される1種の金属であり、xおよびyは、0.5<x≦0.99、0.000001≦y≦0.2である。)
厚さ2mmで測定した波長550nmの光の透過率が40%以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る固体シンチレータは、上記問題点を解決するものであり、下記式(2)で表され、
[化2]
(M1−x−yGdPr12 (2)
(式中、MはTbであり、JはAlおよびGaから選択される1種の金属であり、xおよびyは、0.5<x≦0.99、0.000001≦y≦0.2である。)
厚さ2mmで測定した波長610nmの光の透過率が40%以上であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る放射線検出器は、上記問題点を解決するものであり、前記固体シンチレータを用いたことを特徴とする。
また、本発明に係るX線断層写真撮影装置は、上記問題点を解決するものであり、前記固体シンチレータを用いたことを特徴とする。
[発明の効果]
本発明に係る固体シンチレータによれば、低コストで製造でき、高い発光出力を有し、Cdを含まない固体シンチレータが得られる。
また、本発明に係る放射線検出器によれば、製造コストが低く、光出力が高く、また廃棄の際にCdを放出するおそれがない放射線検出器が得られる。
さらに、本発明に係るX線断層写真撮影装置によれば、製造コストが低く、被爆量が少なく、廃棄の際にCdを放出するおそれがないX線断層写真撮影装置が得られる。
本発明に係る固体シンチレータは、付活剤としてCeを含むもの(以下、「第1の固体シンチレータ」ともいう。)と、付活剤としてPrを含むもの(以下、「第2の固体シンチレータ」ともいう。)とがある。
[第1の固体シンチレータ]
第1の固体シンチレータは、下記式(1)で表される組成を有する希土類アルミン酸塩化合物である。
[化3]
(M1−x−yGdCe12 (1)
式(1)中、MTbある。
式(1)中、JはAlおよびGaら選択され1種の金属である。
式(1)中、xは、0.5≦x≦1である。xが0.5≦x≦1であると、すなわち、M、GdおよびCeの合計量中のGdの含有量が50mol%以上100mol%以下であると、X線吸収係数および発光効率が高いため好ましい。
xが0.5未満であると、すなわち、M、GdおよびCeの合計量中のGdの含有量が50mol%未満であると、X線を十分に吸収することができないため発光出力が低くなるおそれがある。
式(1)中、yは、0.000001≦y≦0.2、好ましくは0.001≦y≦0.1である。
Ceは、式(1)に表される希土類アルミン酸塩化合物の発光効率を増大させるための付活剤である。yが0.000001≦y≦0.2であると、すなわち、M、GdおよびCeの合計量中のCeの含有量が0.0001mol%以上20mol%以下であると、発光効率が高いため好ましい。
yが0.000001未満であるかまたは0.2を超えると、すなわち、M、GdおよびCeの合計量中のCeの含有量が0.0001mol%未満である場合、発光に寄与するCeの含有量不足のため発光効率が低く、一方20mol%を超えると材料が着色するため透明性が低く十分な発光出力が得られないおそれがある。
第1の固体シンチレータは、単結晶または多結晶体であるセラミックスのいずれであってもよい。
第1の固体シンチレータは、X線吸収係数および発光効率が高いため、厚さ2mmのシンチレータを用いた場合に、X線でCeが発光する波長550nmの光の透過率が40%以上になる。
ここで透過率とは、直線透過率を意味する。この直線透過率は、希土類アルミン酸塩化合物からなる第1の固体シンチレータの透明性の指標である。第1の固体シンチレータは、直線透過率(透明性)が高くなるとフォトダイオードなどの受光器に達する光が増大するため、直線透過率が高いほど好ましい光出力が増加する。
透過率が40%以上であると、固体シンチレータとして用いる場合、光出力が十分に高いと考えられる。
第1の固体シンチレータは、たとえば、Tb、La、Gd、Al、Ga、CeO等の酸化物を混合した混合粉末をAr等の不活性ガス雰囲気下で焼成して希土類酸化物粉末を製造し、この希土類酸化物粉末をラバープレス等により成形した後、この成形体をホットプレス(1軸加圧)法もしくは真空焼結法で加熱処理して緻密化させることにより、製造することができる。
従来のガドリニウムオキシ硫化物:プラセオジム等の希土類オキシ硫化物セラミックスは、高温時に熱分解するため、Ta等の金属カプセルを用いたHIP法(熱間等方圧加圧法)で製造する必要があるが、本発明の第1の固体シンチレータは、高温時に熱分解しないため、金属カプセルを用いる必要もなく、HIP法より簡潔で製造コストの低いホットプレス法もしくは真空焼結法で製造することができる。
ホットプレス法および真空焼結法での加熱処理条件は、通常、温度が1400℃〜1700℃、処理時間が1時間〜10時間である。
ホットプレス法での加熱加圧処理の際には、少なくともホットプレス処理装置の処理室内の雰囲気をアルゴンガス等の不活性ガスで置換することが好ましい。
第1の固体シンチレータによれば、ホットプレス法もしくは真空焼結法により低コストで製造でき、高い発光出力を有し、Cdを含まない固体シンチレータが得られる。
[第2の固体シンチレータ]
第2の固体シンチレータは、下記式(2)で表される組成を有する希土類アルミン酸塩化合物である。
[化4]
(M1−x−yGdPr12 (2)
式(2)中、MおよびJは上記式(1)と同じであるため説明を省略する。
式(2)中、xは、0.5≦x≦1である。xが0.5≦x≦1であると、すなわち、M、GdおよびPrの合計量中のGdの含有量が50mol%以上100mol%以下であると、X線吸収係数および発光効率が高いため好ましい。
xが0.5未満であると、すなわち、M、GdおよびPrの合計量中のGdの含有量が50mol%未満であると、X線を十分に吸収することができないため発光出力が低くなるおそれがある。
式(2)中、yは、0.000001≦y≦0.2、好ましくは0.0001≦y≦0.01である。
Prは、式(2)に表される希土類アルミン酸塩化合物の発光効率を増大させるための付活剤である。yが0.000001≦y≦0.2であると、すなわち、M、GdおよびPrの合計量中のPrの含有量が0.0001mol%以上20mol%以下であると、発光効率が高いため好ましい。
yが0.000001未満であるかまたは0.2を超えると、すなわち、M、GdおよびPrの合計量中のPrの含有量が0.0001mol%未満である場合、発光に寄与するCeの含有量不足のため発光効率が低く、一方20mol%を超えると材料が着色するため透明性が低く十分な発光出力が得られないおそれがある。
第2の固体シンチレータは、単結晶または多結晶体であるセラミックスのいずれであってもよい。
第2の固体シンチレータは、X線吸収係数および発光効率が高いため、厚さ2mmのシンチレータを用いた場合に、X線でPrが発光する波長610nmの光の透過率が40%以上になる。透過率が40%以上であると、固体シンチレータとして用いる場合、光出力が十分に高いと考えられる。
第2の固体シンチレータは、たとえば、Tb、La、Gd、Al、Ga、Pr11等の酸化物を混合した混合粉末をAr等の不活性ガス雰囲気下で焼成して希土類酸化物粉末を製造し、この希土類酸化物粉末を第1の固体シンチレータと同様なホットプレス(1軸加圧)法もしくは真空焼結法で処理して緻密化させることにより製造することができる。
ホットプレス法および真空焼結法での加熱処理条件は、通常、温度が1400℃〜1700℃、処理時間が1時間〜10時間である。
ホットプレス法での加熱加圧処理の際には、少なくともホットプレス処理装置の処理室内の雰囲気をアルゴンガス等の不活性ガスで置換することが好ましい。
第2の固体シンチレータによれば、ホットプレス法もしくは真空焼結法により低コストで製造でき、高い発光出力を有し、Cdを含まない固体シンチレータが得られる。
本発明に係る放射線検出器は、上記の本発明に係る固体シンチレータをたとえばX線検出器のX線検出素子として用いたものである。
本発明に係る放射線検出器は、たとえば、上記固体シンチレータと、この固体シンチレータから放射される光を電気エネルギーに変換する光電子増倍管とを備えた構成とすることができる。
本発明に係る放射線検出器によれば、本発明に係る固体シンチレータを用いるため、従来の固体シンチレータを用いる場合に比べて、製造コストが低く、かつ光出力が高い、また廃棄の際にCdを放出するおそれがない放射線検出器が得られる。
本発明に係るX線断層写真撮影装置は、上記の本発明に係る固体シンチレータをX線検出器のX線検出素子として用いたものである。
本発明に係るX線断層写真撮影装置は、たとえば、X線管と、本発明に係る固体シンチレータを用いたX線検出器と、X線検出器からのデータに基づき画像を再構成する画像再構成装置とを備えた構成とすることができる。
本発明に係るX線断層写真撮影装置によれば、X線検出器に本発明に係る固体シンチレータを用いるため、従来の固体シンチレータを用いる場合に比べて、製造コストが低く、かつX線の被曝量を低減でき、また廃棄の際にCdを放出するおそれがないX線断層写真撮影装置が得られる。
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。
[実施例1]
Gd、AlおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.0μmで(Gd0.99Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末をラバープレスにより成形した後、得られた成形体をホットプレス(1軸加圧)処理装置のカーボン型内にセットした。ホットプレス処理装置に加圧媒体としてアルゴンガスを封入し、圧力(面圧)49MPa、温度1700℃で3時間処理したところ、(Gd0.99Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される焼結体が得られた。この焼結体をマルチワイヤソーにより機械加工して、縦25mm×横25mm×厚さ2mmのセラミックスシンチレータを作製した。
このセラミックスシンチレータは、管電圧:120KvpのX線が照射されるとピーク波長が550nm近傍にある可視光を放射する。このため、セラミックスシンチレータの透明性の指標として、波長550nmの光の直線透過率を測定した。具体的には、セラミックスシンチレータについて、縦25mm×横25mmの面に波長550nmを含む光を照射して、厚さ2mmにおける波長550nmの光の直線透過率(以下、直線透過率を「透過率」ともいう。)を測定した。透過率は52%であった。
また、セラミックスシンチレータについて、光出力を測定した。具体的には、120KvpのX線を、軟X線を遮断するため、20mmのAlフィルタに通した後、セラミックスシンチレータの縦25mm×横25mmの一方の面に照射し、この一方の面の裏側の面に設けられたシリコンフォトダイオードに流れる電流値を光出力として求めた。光出力の測定は、比較試料としてのCdWOについても同条件で行った。セラミックスシンチレータの光出力は、CdWOの光出力を100%とした場合の相対光出力値(%)として算出した。相対光出力値(%)は128%であった。
結果を表1に示す。
参考例1
Tb、Gd、AlおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が4.8μmで(Tb0.49Gd0.5Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Tb0.49Gd0.5Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は63%であり、相対光出力値(%)は142%であった。結果を表1に示す。
参考例2
La、Gd、AlおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.2μmで(La0.49Gd0.5Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(La0.49Gd0.5Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は48%であり、相対光出力値(%)は117%であった。結果を表1に示す。
[実施例
Tb、Gd、GaおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が4.8μmで(Tb0.3Gd0.6Ce0.1Ga12(Ce濃度10mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Tb0.3Gd0.6Ce0.1Ga12(Ce濃度10mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は58%であり、相対光出力値(%)は138%であった。結果を表1に示す。
[実施例
Gd、AlおよびPr11を、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.0μmで(Gd0.99Pr0.01Al12(Pr濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Gd0.99Pr0.01Al12(Pr濃度1mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
このセラミックスシンチレータは、管電圧:120KvpのX線が照射されるとピーク波長が610nm近傍にある可視光を放射する。このため、得られたセラミックスシンチレータについて、波長550nmの光に代えて波長610nmの光を用いた以外は実施例1と同様にして透過率を測定した。また、実施例1と同様にして光出力を測定した。透過率は47%であり、相対光出力値(%)は115%であった。結果を表1に示す。
[実施例
Tb、Gd、GaおよびPr11を、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が4.8μmで(Tb0.3Gd0.69Pr0.01Ga12(Pr濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Tb0.3Gd0.69Pr0.01Ga12(Pr濃度1mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
このセラミックスシンチレータは、管電圧:120KvpのX線が照射されるとピーク波長が610nm近傍にある可視光を放射する。このため、得られたセラミックスシンチレータについて、波長550nmの光に代えて波長610nmの光を用いた以外は実施例1と同様にして透過率を測定した。また、実施例1と同様にして光出力を測定した。透過率は57%であり、相対光出力値(%)は132%であった。結果を表1に示す。
[比較例1]
Gd、AlおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.0μmで(Gd0.7Ce0.3Al12(Ce濃度30mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Gd0.7Ce0.3Al12(Ce濃度30mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は12%であり、相対光出力値(%)は18%であった。結果を表1に示す。
[比較例2]
La、Gd、AlおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.2μmで(La0.59Gd0.4Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(La0.59Gd0.4Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は38%であり、相対光出力値(%)は87%であった。結果を表1に示す。
[比較例3]
Tb、Gd、AlおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が4.8μmで(Tb0.79Gd0.2Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Tb0.79Gd0.2Ce0.01Al12(Ce濃度1mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は30%であり、相対光出力値(%)は80%であった。結果を表1に示す。
[比較例4]
Gd、GaおよびCeOを、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.1μmで(Gd0.7Ce0.3Ga12(Ce濃度30mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Gd0.7Ce0.3Ga12(Ce濃度30mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
得られたセラミックスシンチレータについて、実施例1と同様にして透過率と光出力を測定した。透過率は21%であり、相対光出力値(%)は54%であった。結果を表1に示す。
[比較例5]
Gd、AlおよびPr11を、所定の組成比で総重量が500gになるように粉末混合した後、Arガス雰囲気下1200℃で焼成して、平均粒径D50が5.0μmで(Gd0.7Pr0.3Al12(Pr濃度30mol%)で表される希土類酸化物蛍光体粉末を生成した。
この蛍光体粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして(Gd0.7Pr0.3Al12(Pr濃度30mol%)で表される焼結体を得、セラミックスシンチレータを作製した。
このセラミックスシンチレータは、管電圧:120KvpのX線が照射されるとピーク波長が610nm近傍にある可視光を放射する。このため、得られたセラミックスシンチレータについて、波長550nmの光に代えて波長610nmの光を用いた以外は実施例1と同様にして透過率を測定した。また、実施例1と同様にして光出力を測定した。透過率は16%であり、相対光出力値(%)は27%であった。結果を表1に示す。
Figure 0005675339
本発明に係る固体シンチレータは、たとえば医療診断、工業用検査、セキュリティ等の分野で用いられる放射線検査装置を構成する固体シンチレータ、具体的には放射線検出器やX線断層写真撮影装置等を構成する固体シンチレータに使用することができる。
本発明に係る放射線検出器は、たとえば医療診断、工業用検査、セキュリティ等の分野で用いられる放射線検出器に使用することができる。
本発明に係るX線断層写真撮影装置は、たとえば医療診断、工業用検査、セキュリティ等の分野で用いられるX線断層写真撮影装置に使用することができる。

Claims (4)

  1. 下記式(1)で表され、
    [化1]
    (M1−x−yGdCe12 (1)
    (式中、MはTbであり、JはAlおよびGaから選択される1種の金属であり、xおよびyは、0.5<x≦0.99、0.000001≦y≦0.2である。)
    厚さ2mmで測定した波長550nmの光の透過率が40%以上であることを特徴とする固体シンチレータ。
  2. 下記式(2)で表され、
    [化2]
    (M1−x−yGdPr12 (2)
    (式中、MはTbであり、JはAlおよびGaから選択される1種の金属であり、xおよびyは、0.5<x≦0.99、0.000001≦y≦0.2である。)
    厚さ2mmで測定した波長610nmの光の透過率が40%以上であることを特徴とする固体シンチレータ。
  3. 請求項1または2に記載の固体シンチレータを用いたことを特徴とする放射線検出器。
  4. 請求項3に記載の放射線検出器を用いたことを特徴とするX線断層写真撮影装置。
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