JP6034141B2 - 放射線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、放射線検出器に関する。

放射線検出器として、入射された放射線に応じてシンチレーション光（蛍光）を発するシンチレータと、シンチレータから発せられたシンチレーション光を検出する光検出手段と、を備えるものが知られている。光検出手段としては、光電子増倍管又は半導体光検出素子等が使用される。シンチレータ、光電子増倍管及び半導体光検出素子は、いずれも、温度によってその特性が変化する。周囲の温度によらずに放射線検出器としての出力特性を安定させるために、例えば、特許文献１及び２には、シンチレータ及び光電子増倍管を断熱材により囲い、シンチレータ及び光電子増倍管の温度をヒータ等の恒温化手段により所定の温度に保つように工夫された放射線検出器が記載されている。

特開２００６−７８３３８号公報 特開昭５５−１６４３８４号公報

上述のように、放射線検出器においては、周囲の温度によらずに放射線検出器としての出力特性を安定させるための技術開発が進められている。

本発明は、周囲の温度によらずに出力特性を安定させることができる放射線検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る放射線検出器は、シンチレータと、シンチレータに固定され、シンチレータに光学的に結合された半導体光検出素子と、シンチレータの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、シンチレータ及び半導体光検出素子を収容する筐体と、シンチレータと筐体との間、及び、半導体光検出素子と筐体との間に、気体の層が形成されるように、シンチレータを筐体に固定する弾性体と、を備える。

本発明に係る放射線検出器では、シンチレータ及び半導体光検出素子は、シンチレータの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する筐体に収容されており、シンチレータと筐体との間、及び、半導体光検出素子と筐体との間には、気体の層が形成されている。筐体の内部と筐体の周囲との間に温度差が存在する場合、まず、筐体の温度が周囲の温度に向かって変化する。筐体は、シンチレータの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有しているため、シンチレータに比して、その全体の温度が均一化されやすい。続いて、気体の層の温度が筐体の温度に向かって変化する。気体の層は、筐体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有しているため、筐体に比して、その温度がゆっくり変化する。従って、気体の層の温度に向かって変化するシンチレータ及び半導体光検出素子の温度は、ゆっくり変化しやすく、且つ、全体的に均一化されやすくなる。このように、本願発明においては、シンチレータ及び半導体光検出素子の温度は、所定の温度に保たれるのではなく、周囲の温度に向かってゆっくり変化し且つ全体的に均一化される。シンチレータ及び半導体光検出素子の温度がゆっくり変化し且つ全体的に均一化される場合、半導体光検出素子の温度に合わせて半導体光検出素子の増倍率を調節することが容易にできるようになる。従って、周囲の温度によらずに出力特性を安定させることができる。

シンチレータは、入射したγ線に応じて発光可能なものであってもよい。

筐体は、軽金属により形成されていてもよい。この場合、γ線以外のα線及びβ線等が筐体により遮蔽されるため、γ線を好適に検出することができる。軽金属は水及び水蒸気を通過させないため、シンチレータが潮解性を有している場合、シンチレータの潮解を防止するための密閉性を確保することができる。軽金属は比較的高い熱伝導率を有しているため、シンチレータ及び半導体光検出素子の温度をより全体的に均一化することができる。

筐体は、アルミニウムにより形成されていてもよい。この場合、アルミニウムは加工性に優れているため、筐体を容易に作製することができる。

弾性体は、筐体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有していてもよい。この場合、筐体からシンチレータへの弾性体を介しての熱伝導が低減されるため、シンチレータ及び半導体光検出素子の温度をさらに全体的に均一化することができる。

放射線検出器は、筐体の内部に配置され、半導体光検出素子の温度を測定する温度センサを備えていてもよい。この場合、半導体光検出素子の温度を好適に検出することができる。

温度センサは、半導体光検出素子を介してシンチレータに固定されていてもよい。この場合、半導体光検出素子の配線と温度センサの配線とを結束することが可能となり、配線が煩雑となることを抑制することができる。

放射線検出器は、温度センサが検出した温度に基づいて、半導体光検出素子の増倍率を制御する制御部を備えていてもよい。この場合、温度センサが検出した温度に基づいて、半導体光検出素子の増倍率を制御部により自動的に調節することができる。

本発明によれば、周囲の温度によらずに出力特性を安定させることができる放射線検出装置を提供することが可能となる。

本実施形態に係る放射線検出器の構成を示す概略構成図である。 図１中の放射線検出部を示す分解斜視図である。 図１の放射線検出器の回路図である。 温度が変化する場合に増倍率を安定させるために必要な逆バイアス電圧を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１〜３を参照して、本実施形態に係る放射線検出器の構成を説明する。図１は本実施形態に係る放射線検出器の構成を示す概略構成図、図２は図１中の放射線検出部を示す分解斜視図、図３は図１の放射線検出器の回路図である。

図１に示される放射線検出器ＲＤは、放射線としてγ線を検出する。放射線検出器ＲＤは、放射線検出部１、第１の基板２、第２の基板３、バイアス電源部４、及び外枠５を備えている。放射線検出部１は、検出したγ線が有するエネルギー量に応じた信号を出力する。放射線検出部１は、フレキシブル基板ＦＳに形成された配線により、第１の基板２に接続されており、第１の基板２に信号を出力する。

第１の基板２及び第２の基板３は、フレキシブルケーブルＦＣにより接続されている。第１の基板２は、例えばアナログボードであり、アナログ信号からディジタル信号への変換等が可能となっている。第２の基板３は、例えばディジタルボードである。第２の基板３には、外部機器への接続が可能なコネクタ６が取り付けられている。

バイアス電源部４は、第１の基板２に取り付けられている。バイアス電源部４は、接地されている（図３参照）。バイアス電源部４は、放射線検出部１の半導体光検出素子８の増倍率（ゲイン）を制御する制御部として機能する。バイアス電源部４は、半導体光検出素子８に逆バイアス電圧（逆方向電圧）を印加する。外枠５は、放射線検出部１、第１の基板２、第２の基板３、及びバイアス電源部４等を収容している。

放射線検出部１について、詳しく説明する。放射線検出部１は、シンチレータ７、半導体光検出素子８、温度センサ９、筐体１０、及び複数のスペーサ１１を有している。

シンチレータ７は、結晶性を有するシンチレータ、セラミックシンチレータ、又はプラスチックシンチレータ等の固体状のシンチレータからなる。シンチレータ７が結晶性を有するシンチレータである場合、シンチレータ７は、ＣｓＩ、ＮａＩ、ＬａＢｒ_３、又はＧＡＧＧなどの結晶性材料からなる。シンチレータ７がセラミックシンチレータである場合、シンチレータ７は、無機蛍光体の焼結体などからなる。シンチレータ７がプラスチックシンチレータである場合、シンチレータ７は、ＰＥＴなどからなる。本実施形態では、シンチレータ７は、γ線に応じて発光するＣｓＩ（ＴＩ）である。シンチレータ７は、直方体状を呈している。

図３に示されるように、半導体光検出素子８は、フォトダイオードアレイＰＤＡからなる。フォトダイオードアレイＰＤＡは、半導体基板に形成された複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤを備えている。各アバランシェフォトダイオードＡＰＤには、クエンチング抵抗Ｒｑが直列に接続されている。フォトダイオードアレイＰＤＡは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード側において、抵抗Ｒ１を通して接地されている。フォトダイオードアレイＰＤＡと抵抗Ｒ１との間には、フレキシブル基板ＦＳに形成された配線Ｌ３が接続されている。フォトダイオードアレイＰＤＡ（アバランシェフォトダイオードＡＰＤ）からの出力電流が、配線Ｌ３を通して、例えば第１の基板２に設けられた増幅器（不図示）に送られる。フォトダイオードアレイＰＤＡは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソード側において、フレキシブル基板ＦＳに形成された配線Ｌ１を通して、バイアス電源部４に接続されている。

フォトダイオードアレイＰＤＡにおいては、個々のアバランシェフォトダイオードＡＰＤをガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレークダウン電圧よりも大きな逆バイアス電圧をアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードとカソードとの間に印加する。すなわち、アノードは、グランド電位とされ、カソードには、正の電位（＋ＨＶ）が印加される。これらの電位は、相対的なものであり、互いに極性が異なる電位とすることも可能である。ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードＡＰＤに光（フォトン）が入射すると、光電子が連鎖的に発生し、アバランシェ増倍が行われる。フォトダイオードアレイＰＤＡは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、それぞれのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対して直列に接続されたクエンチング抵抗Ｒｑと、を備えている。

図１，２に示されるように、半導体光検出素子８は、光学接着剤により、シンチレータ７に固定され、シンチレータ７に光学的に結合されており、シンチレータ７からのシンチレーション光を検出する。半導体光検出素子８は、フレキシブル基板ＦＳに実装されている。

半導体光検出素子８は、シンチレータ７に比して、体積が小さく、熱容量が小さくなっている。このため、シンチレータ７と半導体光検出素子８とにおいては、シンチレータ７の温度が支配的となっている。

温度センサ９は、例えば、ＩＣチップ型の温度センサ又は熱電対等である。温度センサ９は、筐体１０の内部に配置されており、半導体光検出素子８の温度を検出する。具体的には、温度センサ９は、フレキシブル基板ＦＳにおいて、半導体光検出素子８の実装面と逆側の面に固定されている。すなわち、温度センサ９は、フレキシブル基板ＦＳ及び半導体光検出素子８を介してシンチレータ７に固定されており、スペーサ１１を介さずにシンチレータ７に固定されている。温度センサ９は、フレキシブル基板ＦＳに形成された配線Ｌ２（図３参照）を通して、バイアス電源部４に接続されており、検出した温度をバイアス電源部４へ出力する。

筐体１０は、シンチレータ７、半導体光検出素子８、及び温度センサ９を収容している。筐体１０は、中空直方体状を呈しており、筐体上部１０ａと筐体底部１０ｂとを含んでいる。筐体上部１０ａと筐体底部１０ｂとは、例えばボルト結合等により結合されている。筐体１０は、シンチレータ７であるＣｓＩ（ＴＩ）を潮解させる原因となる水及び水蒸気の侵入を防止するように、密閉となっている。

筐体１０は、シンチレータ７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有している。筐体１０は、例えば、鉄、銅、又は軽金属（例えば、アルミニウム、又はベリリウムなど）等により形成することができる。本実施形態では、筐体１０はアルミニウムにより形成されている。例えば、室温付近においては、ＣｓＩ（ＴＩ）の熱伝導率は１．１（Ｗ・ｍ^−１・ｋ^−１）程度、ＮａＩの熱伝導率は３．５（Ｗ・ｍ^−１・ｋ^−１）程度、アルミニウムの熱伝導率は２３６（Ｗ・ｍ^−１・ｋ^−１）程度である。

スペーサ１１は、シンチレータ７と筐体１０との間、半導体光検出素子８と筐体１０との間、及び、温度センサ９と筐体１０との間に、気体の層である空気層Ａが形成されるように、シンチレータ７を筐体１０に固定している。スペーサ１１は、直方体状のシンチレータ７の各角部を覆っており、シンチレータ７の各角部と筐体１０との間に配置されている。

スペーサ１１は、弾性体である。スペーサ１１は、筐体１０の縦弾性係数よりも低い縦弾性係数を有すると共に、筐体１０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。スペーサ１１は、シンチレータ７の縦弾性係数よりも低い縦弾性係数を有していてもよく、シンチレータ７の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有していてもよい。スペーサ１１は、例えば、シリコーン樹脂により形成することができる。例えば、室温付近においては、シリコーン樹脂の熱伝導率は０．２（Ｗ・ｍ^−１・ｋ^−１）程度である。

次に、放射線検出器ＲＤの動作について説明する。

放射線検出器ＲＤでは、温度センサ９により検出された温度がバイアス電源部４へ出力される。バイアス電源部４は、温度センサ９により検出された温度に基づいて、半導体光検出素子８に印加する逆バイアス電圧を決定する。

図４は、温度が変化する場合に増倍率を安定させるために必要な逆バイアス電圧を示すグラフである。半導体光検出素子８のアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおいては、温度が上昇すると、結晶の格子振動が激しくなることに起因して、一定の逆バイアス電圧の印加時における増倍率が低下する。一方、アバランシェフォトダイオードＡＰＤにおいては、印加される逆バイアス電圧が上昇すると、一定の温度時における増倍率が増加する。従って、図４に示されるように、バイアス電源部４は、温度によらずに半導体光検出素子８の増倍率を安定させるために、温度センサ９により検出された温度が高いほど、半導体光検出素子８に印加する逆バイアス電圧を高く決定する。

バイアス電源部４は、決定した逆バイアス電圧を半導体光検出素子８の各アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加する。これにより、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、ガイガーモードで動作する。シンチレータ７にγ線が入射され、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードＡＰＤにシンチレータ７からのシンチレーション光が入射すると、アバランシェ増倍が行われる。以上のような動作が、所定の間隔を空けて繰り返される。

特に、本実施形態に係る放射線検出器ＲＤでは、シンチレータ７及び半導体光検出素子８は、シンチレータ７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する筐体１０に収容されており、シンチレータ７と筐体１０との間、及び、半導体光検出素子８と筐体１０との間には、空気層Ａが形成されている。筐体１０の内部と筐体１０の周囲との間に温度差が存在する場合、まず、筐体１０の温度が周囲の温度に向かって変化する。筐体１０は、シンチレータ７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有しているため、シンチレータ７に比して、その全体の温度が均一化されやすい。続いて、空気層Ａの温度が筐体１０の温度に向かって変化する。空気層Ａは、筐体１０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有しているため、筐体１０に比して、その温度がゆっくり変化する。従って、空気層Ａの温度に向かって変化するシンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度は、ゆっくり変化しやすく、且つ、全体的に均一化されやすくなる。このように、放射線検出器ＲＤにおいては、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度は、所定の温度に保たれるのではなく、周囲の温度に向かってゆっくり変化し且つ全体的に均一化される。シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度がゆっくり変化し且つ全体的に均一化される場合、半導体光検出素子８の温度に合わせて半導体光検出素子８の増倍率を調節することが容易にできるようになる。従って、周囲の温度によらずに出力特性を安定させることができる。

放射線検出器ＲＤでは、上述のように、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度は、所定の温度に保たれるのではなく、周囲の温度に向かってゆっくり変化し且つ全体的に均一化される。従来技術のようにシンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度が所定の温度に保たれる構成では、例えば放射線検出器ＲＤの動作を開始させる際などに、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度と、所定の温度との間に、差がある場合が考えられる。この場合、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度が所定の温度になるまで比較的長い時間待機しなければならない可能性があり、測定時間が長くなる懼れがある。これに対して、本実施形態の放射線検出器ＲＤでは、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度が所定の温度に保たれる構成ではないため、長い時間待機する必要がない。従って、測定時間を低減することができる。

放射線検出器ＲＤでは、筐体１０は、軽金属であるアルミニウムにより形成されている。このため、γ線以外のα線やβ線等が筐体により遮蔽されるため、γ線を好適に検出することができる。軽金属は水及び水蒸気を通過させないため、シンチレータ７であるＣｓＩ（ＴＩ）の潮解を防止するための密閉性を確保することができる。軽金属は比較的高い熱伝導率を有しているため、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度をより全体的に均一化することができる。アルミニウムは加工性に優れているため、筐体１０を容易に作製することができる。

筐体１０を軽金属であるベリリウムにより形成する場合、アルミニウムにより形成する場合に比して、γ線が筐体１０を透過しやすくなるため、低エネルギーでの検出が可能になる。

放射線検出器ＲＤでは、スペーサ１１は、筐体１０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。このため、筐体１０からシンチレータ７へのスペーサ１１を介しての熱伝導が低減されるため、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度をさらに全体的に均一化することができる。

放射線検出器ＲＤでは、スペーサ１１は、シンチレータ７の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。このため、筐体１０からシンチレータ７へのスペーサ１１を介しての熱伝導が一層低減されるため、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度を一層全体的に均一化することができる。

放射線検出器ＲＤは、筐体１０の内部に配置され、半導体光検出素子８の温度を測定する温度センサ９を備えている。このため、半導体光検出素子８の温度を好適に検出することができる。

放射線検出器ＲＤでは、温度センサ９は、半導体光検出素子８を介してシンチレータ７に固定されている。このため、半導体光検出素子８の配線と温度センサ９の配線とを同一のフレキシブル基板ＦＳにより結束することができ、配線が煩雑となることを抑制することができる。

放射線検出器ＲＤは、温度センサ９が検出した温度に基づいて、半導体光検出素子８の増倍率を制御するバイアス電源部４を備えている。このため、温度センサ９が検出した温度に基づいて、半導体光検出素子８の増倍率をバイアス電源部４により自動的に調節することができる。

放射線検出器ＲＤでは、シンチレータ７は、弾性体であるスペーサ１１を介して筐体１０に固定されているため、シンチレータ７に加わる衝撃を低減することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、温度センサ９は、半導体光検出素子８を介してシンチレータ７に固定されているが、半導体光検出素子８を介さずに直接シンチレータ７に固定されていてもよい。上記実施形態では、上述のように、シンチレータ７と半導体光検出素子８とにおいては、シンチレータ７の温度が支配的となっており、シンチレータ７及び半導体光検出素子８の温度が好適に均一化されるため、温度センサ９が直接シンチレータ７に固定されている場合であっても、半導体光検出素子８の温度を検出することが可能である。

上記実施形態においては、放射線検出器ＲＤは、γ線を検出するものであるが、その他の放射線を検出するものであってもよい。

シンチレータ７、筐体１０、及びスペーサ１１等の形状は、上記実施形態に限定されず、様々な形状に変更可能である。スペーサ１１の個数及び配置は、上記実施形態に限定されず、様々な個数及び配置に変更可能である。

１…放射線検出部、４…バイアス電源部、７…シンチレータ、８…半導体光検出素子、９…温度センサ、１０…筐体、１１…スペーサ、ＲＤ…放射線検出器。

Claims (10)

1. シンチレータと、
   前記シンチレータに固定され、前記シンチレータに光学的に結合された半導体光検出素子と、
   前記シンチレータの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、前記シンチレータ及び前記半導体光検出素子を収容する筐体と、
   前記シンチレータと前記筐体との間、及び、前記半導体光検出素子と前記筐体との間に、気体の層が形成されるように、前記シンチレータと前記筐体とに接していると共に前記シンチレータを前記筐体に固定する弾性体と、を備える、
   放射線検出器。
2. 前記シンチレータは、入射したγ線に応じて発光する、
   請求項１記載の放射線検出器。
3. 前記筐体は、軽金属により形成されている、
   請求項１又は２記載の放射線検出器。
4. 前記筐体は、アルミニウムにより形成されている、
   請求項３記載の放射線検出器。
5. 前記弾性体は、前記筐体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している、
   請求項１〜４のいずれか一項記載の放射線検出器。
6. 前記筐体の内部に配置され、前記半導体光検出素子の温度を測定する温度センサを備える、
   請求項１〜５のいずれか一項記載の放射線検出器。
7. 前記温度センサは、前記半導体光検出素子を介して前記シンチレータに固定されている、
   請求項６記載の放射線検出器。
8. 前記温度センサが検出した温度に基づいて、前記半導体光検出素子の増倍率を制御する制御部を備える、
   請求項６又は７記載の放射線検出器。
9. 前記シンチレータは、直方体状であり、
   前記弾性体は、前記シンチレータの各角部を覆っており、前記シンチレータの前記各角部と前記筐体との間に配置されている、
   請求項１に記載の放射線検出器。
10. 前記シンチレータは、直方体状であり、
    前記弾性体は、前記シンチレータの各面と前記筐体との間に気体の層が形成されるように、前記シンチレータと前記筐体との間に配置されている、
    請求項１に記載の放射線検出器。

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