JP5809473B2 - 放射線検出素子 - Google Patents
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Description
尚、以下に説明する各実施形態においては、低屈折率相である一方の結晶相も、第一の主面と第二の主面とに露出する部分を有し、これら露出部がつながっている構成が好ましい。これによって、高屈折率相である他方の結晶相内の光を、より確実に、第一の主面または第二の主面に、広がることなく導波(光ガイディング)することが可能となる。
また、低屈折率相である一方の結晶相が、高屈折率相である他方の結晶相中に位置している構成が好ましい。これによって、シンチレータ結晶体における低屈折率相である一方の結晶相が占める割合を抑えながら、十分な導波機能(光ガイディング機能)を得ることができる。
本発明の放射線検出素子は、基板10上に複数の画素11a、11bがあり、画素11aと画素11aに隣接する画素11bとは画素境界12で分かれており、各々の画素には受光部13がある。また、図1に示すように、基板10より順に受光部13を含む光検出層14、保護層15、下地層16、光学部材17、相分離シンチレータ18、反射層19が構成される。シンチレータ結晶体は、同一面上にない2つの主面を結ぶ方向に光導波性を有する相分離構造からなる。光学部材は、同一面上にない2つの主面を結ぶ方向に光導波性を有する。光学部材の一方の主面はシンチレータ結晶体のいずれかの主面と接続する。また、光学部材の他方の主面は光検出器の受光面と接続する。光学部材において、導波モードに結合しない光は少ない、あるいは一部を吸収する。各構成部材間の接着性を向上するために、各構成部材間、例えば、シンチレータ結晶体のいずれかの主面と光学部材の一方の主面との間や、光学部材の他方の主面と光検出器の受光面との間には、各構成部材の接続を担う接続層20が少なくとも一層挿入されても、光導波性を著しく低下させなければ構わない。
尚、実際の放射線検出素子においては、光検出層14の受光部13の他に、画素毎に配置されるTFT(Thin Film Transistor)など、図示していないものも数多く含まれている。しかし、本発明を簡潔に説明する為、本質的な部分以外については割愛している。
また、同一面上にない2つの主面を結ぶ方向に光導波性を有する相分離構造からなる相分離シンチレータ18からの光を受光部13に向かわせるために、相分離シンチレータ18を挟んで光検出層14の反対側に反射層19を設けることが好ましい。
また、シリンダー材料がシンチレーション特性を有する例として、NaI−RbI相分離シンチレータがある。NaIがシリンダー材料、RbIがマトリックス材料であり、NaI側に例えばTlやInなどの発光中心物質を添加することで、シンチレーション特性によって生じた発光は一軸方向へ効率良く導光することができる。
また、上記FOPは、3mmの厚さでのX線透過率が0.25%であり、光検出層へのダメージを低減することができる。
また、上記相分離する材料の密度が高い場合、光学部材の厚さが薄くてもX線透過による光検出層へのダメージをFOPと同程度に低減することができる。
相分離シンチレータの高屈折率相41中で生じる発光のうち、相分離シンチレータの高屈折率相41と低屈折率相42との境界面に対して、臨界角48以上で入射する光を伝搬光45、臨界角以下の入射角47で入射する光を伝搬光46とする。
伝搬光45は、高屈折率相41中を導波モード、すなわち、全反射を繰り返しながら伝搬し、相分離シンチレータの高屈折率相41と光学部材の高屈折率相43との間で屈折を生じる。しかしながら、式1を満たしていれば、光学部材の高屈折率相43中においても、伝搬光45は、光学部材の高屈折率相43と低屈折率相44との境界面に対して、臨界角以上の入射角49で入射する。その結果、導波モードを維持できるため、光の損失を大幅に低減できることになって、より好ましい。
上記のような構成とすることで、導波モードを維持し、光の損失を低減して、光の利用効率が向上するため、光検出層に到達する光量が増す。また、全反射で導波される光が散乱等により漏れ光になることがないため、優れた解像度およびS/N比を実現することができる。つまり、光学部材において、導波モードに結合しない光が少ない、あるいは一部を吸収することができる。
以下に、針状結晶シンチレータと光学部材とからなる放射線検出素子の比較例を示す。
図6は、本発明の比較例に係る放射線検出素子の断面図である。まず、カーボン基板62上にスパッタリング成膜装置を用い、反射層としてAl反射膜を膜厚50nmまで成膜した。その後、針状結晶シンチレータ61の膜を以下の方法で膜厚400μmまで成長させた。CsIとTlIの粉末を別々の蒸着ボートに投入し、CsIのボートを700℃、TlIのボートを300℃に加熱することで共蒸着を行った。その他のパラメータは、Arのガス圧が0.8Pa、基板温度が200℃の条件とした。
上記針状結晶シンチレータ膜面と、光学部材である市販のファイバーオプティックプレート(FOP)の片面とを光学接着剤を用いて貼り合わせた後、FOPのもう一方の面と市販のフラットパネル光センサ面とを光学接着剤を用いて貼り合わせた。
以下に、相分離シンチレータと光学部材(FOP)とからなる放射線検出素子の実施例を示す。
まず、CsI(マトリックス材料)に対して、NaCl(シリンダー材料)を31.5mol%およびInI(発光中心)を0.1mol%混合した粉末を準備し、石英管に真空封じし、試料とした。次に、試料53を図5のようなブリッジマン炉に導入し、ヒーター部51で800℃まで昇温させ、試料全体が溶融した後、30分保持してから、融液温度を表1にある共晶温度490℃より20℃高い温度まで降温した。その後、試料を約10mm/時の速度で引き下げて試料下部より逐次凝固するようにした。
また、試料の引き下げにより、炉の冷却水が循環している水冷部52の領域に試料が突入することで、試料が溶融している部分と凝固している部分との境界である固液界面での温度差が30℃/mm以上となるようにした。このようにして、一方向に沿って試料を凝固させることで、図2に示すような相分離構造体を生成した。このようにして作製した相分離シンチレータを組成分析の可能な走査型電子顕微鏡(日立製S−5500)で観察したところ、シリンダー材料21がNaClであり、マトリックス材料22がCsIであった。
CsI−NaCl相分離シンチレータをシリンダー材料の成長方向と垂直になる方向に厚さ400μmで切り出し、平板状に両面を研磨した後、片面に反射層としてAl反射膜を50nmの厚さまで成膜した。
その後、Al反射膜を成膜していない面と、FOP光学部材と、フラットパネル光センサ面とを光学接着剤を用いて貼り合わせた。
以下に、相分離シンチレータと光学部材(FOP)とからなる放射線検出素子の実施例を示す。
まず、RbI(マトリックス材料)に対して、NaI(シリンダー材料)を49.7mol%およびTlI(発光中心)を0.1mol%混合した粉末を準備し、石英管に真空封じし、試料とした。次に、試料53を図5のようなブリッジマン炉に導入し、ヒーター部51で800℃まで昇温させ、試料全体が溶融した後、30分保持してから、融液温度を表1にある共晶温度505℃より20℃高い温度まで降温した。その後、試料を約10mm/時の速度で引き下げて試料下部より逐次凝固するようにした。
また、試料の引き下げにより、炉の冷却水が循環している水冷部52の領域に試料が突入することで、試料が溶融している部分と凝固している部分との境界である固液界面での温度差が30℃/mm以上となるようにした。このようにして、一方向に沿って試料を凝固させることで、図2に示すような相分離構造体を生成した。このようにして作製した相分離シンチレータを組成分析の可能な走査型電子顕微鏡(日立製S−5500)で観察したところ、シリンダー材料21がNaIであり、マトリックス材料22がRbIであった。
NaI−RbI相分離シンチレータをシリンダー材料の成長方向と垂直になる方向に厚さ400μmで切り出し、平板状に両面を研磨した後、片面に反射層としてAl反射膜を50nmの厚さまで成膜した。
その後、Al反射膜を成膜していない面と、FOP光学部材と、フラットパネル光センサ面とを光学接着剤を用いて貼り合わせた。
以下に、相分離シンチレータと光学部材(相分離材料)とからなる放射線検出素子の実施例を示す。
実施例1と同様にしてCsI−NaCl相分離シンチレータを作製した。その後、シリンダー材料の成長方向と垂直になる方向に厚さ400μmで切り出し、平板状に両面を研磨し、片面に反射層としてAl反射膜を50nmの厚さまで成膜した。
次に、CsBr(マトリックス材料)に対して、NaF(シリンダー材料)を6.0mol%混合した粉末を準備し、石英管に真空封じし、試料とした。次に、試料53を図5のようなブリッジマン炉に導入し、ヒーター部51で800℃まで昇温させ、試料全体が溶融した後、30分保持してから、融液温度を表1にある共晶温度595℃より20℃高い温度まで降温した。その後、試料を約10mm/時の速度で引き下げて試料下部より逐次凝固するようにした。
また、試料の引き下げにより、炉の冷却水が循環している水冷部52の領域に試料が突入することで、試料が溶融している部分と凝固している部分との境界である固液界面での温度差が30℃/mm以上となるようにした。このようにして、一方向に沿って試料を凝固させることで、図2に示すような相分離構造体を生成した。このようにして作製した相分離シンチレータを組成分析の可能な走査型電子顕微鏡(日立製S−5500)で観察したところ、シリンダー材料21がNaFであり、マトリックス材料22がCsBrであった。
その後、CsBr−NaF相分離光学部材をシリンダー材料の成長方向と垂直になる方向に厚さ1mmで切り出し、平板状に両面を研磨した。
CsI−NaCl相分離シンチレータのAl反射膜を成膜していない面と、CsBr−NaF相分離光学部材と、フラットパネル光センサとを光学接着剤を用いて貼り合わせた。
11a、11b 画素
12 画素境界
13 受光部
14 光検出層
15 保護層
16 下地層
17 光学部材
18 相分離シンチレータ
19 反射層
20 接続層
Claims (8)
- 同一面上にない第一の面と第二の面とを結ぶ方向に光導波性を有する相分離構造からなるシンチレータ結晶体と、
同一面上にない第一の面と第二の面とを結ぶ方向に光導波性を有する光学部材と、
光検出器とを備え、
該光学部材の第一の面が該シンチレータ結晶体の第一の面と、該光学部材の第二の面が該光検出器の受光面と、それぞれ接続しており、前記光学部材が、複数の光ファイバーと、前記複数の光ファイバー間に配置された光吸収部材とを有することを特徴とする放射線検出素子。 - 前記シンチレータ結晶体および前記光学部材はいずれもシリンダー相と、該シリンダー相と異なる屈折率を有するマトリックス相とを有し、
前記光学部材における屈折率比(低屈折率相の屈折率/高屈折率相の屈折率)が前記シンチレータ結晶体における屈折率比(低屈折率相の屈折率/高屈折率相の屈折率)より小さいことを特徴とする請求項1に記載の放射線検出素子。 - 同一面上にない第一の面と第二の面とを結ぶ方向に光導波性を有する相分離構造からなるシンチレータ結晶体と、
同一面上にない第一の面と第二の面とを結ぶ方向に光導波性を有する光学部材と、
光検出器とを備え、
該光学部材の第一の面が該シンチレータ結晶体の第一の面と、該光学部材の第二の面が該光検出器の受光面と、それぞれ接続しており、
前記シンチレータ結晶体および前記光学部材はいずれもシリンダー相と、該シリンダー相と異なる屈折率を有するマトリックス相とを有し、
前記光学部材における屈折率比(低屈折率相の屈折率/高屈折率相の屈折率)が前記シンチレータ結晶体における屈折率比(低屈折率相の屈折率/高屈折率相の屈折率)より小さいことを特徴とする放射線検出素子。 - 前記光学部材の低屈折率相内に光吸収部材が配置されていることを特徴とする請求項3に記載の放射線検出素子。
- 同一面上にない第一の面と第二の面とを結ぶ方向に光導波性を有する相分離構造からなるシンチレータ結晶体と、
同一面上にない第一の面と第二の面とを結ぶ方向に光導波性を有する光学部材と、
光検出器とを備え、
該光学部材の第一の面が該シンチレータ結晶体の第一の面と、該光学部材の第二の面が該光検出器の受光面と、それぞれ接続しており、
前記シンチレータ結晶体および前記光学部材はいずれもシリンダー相と、該シリンダー相と異なる屈折率を有するマトリックス相とを有し、
前記光学部材の低屈折率相内に光吸収部材が配置されていることを特徴とする放射線検出素子。 - 前記低屈折率相内に配置されている光吸収部材は、入射した光を前記光検出器の感度外の波長に変換させることを特徴とする請求項4又は5に記載の放射線検出素子。
- 前記シンチレータ結晶体と前記光学部材との間、および前記光学部材と前記光検出器との間の少なくとも一方に、接続層が少なくとも一層挿入されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の放射線検出素子。
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