JP6373582B2 - Ｘ線、ガンマ線又は粒子線のためのコリメータ - Google Patents

Description

本発明は、散乱線を低減するためのタングステン含有材料製の複数のコリメータ要素を有するＸ線、ガンマ線又は粒子線のためのコリメータ、コリメータ要素及びコリメータ要素の製造方法に関する。

コリメータは、無限に遠く離れた放射線源が発生するような、平行した放射線の流れを発生させるための機器であり、例えば、Ｘ線装置、例えばコンピュータ断層撮影装置、の画像形成において用いられる。コリメータは、検出要素のシンチレータアレイの上部に配置されており、特定の空間方向のＸ線のみをシンチレータアレイ上に到達させるようになっている。コリメータは、散乱放射線を低減するために相互に決められた間隔で配置され且つ固定された、複数のコリメータ要素を有する。斜めに入射する散乱放射線は、コリメータ要素によって吸収される。それによって、放射線主方向の放射線のみが放射線検知モジュールに入る。コリメータ要素が小板状に形成されている場合には、コリメータ要素は、コリメータ板と呼ばれる。小板の厚さは、典型的には、約１００μｍである。

コリメータ要素は、典型的には、タングステン又はモリブデンを基礎とする材料から製造される。高い密度と高い原子番号の故に、タングステンは、Ｘ線、ガンマ線及び粒子線に対し最良の吸収挙動を示す。高い剛性と高い弾性係数により、良好な安定性が保証される。タングステンを使用する際の欠点として、薄いコリメータ板の製造に必要とされる費用のかかる圧延プロセスが挙げられる。

タングステンと、より低融点の金属結合相とを、含むタングステン合金は、重金属と呼ばれる。タングステンは、このとき、合金の主成分であり、タングステン含有量は、典型的には、８５〜９８重量％である。結合相は、典型的には、Ｎｉ／Ｆｅ又はＮｉ／Ｃｕからなる。

重金属合金は、粉末冶金プロセス技術によって製造される。この場合、合金構成要素は混合され、こうして製造された粉末は圧縮され、液相焼結によって密集させられる。焼結の際、結合相中へのタングステンの溶解及び結合相からのタングステンの析出が起きる。重金属は、何十年にも亘って、遮蔽装置に使用されてきた。しかしながら、２００μｍ未満の壁厚の場合は、遮蔽装置の壁厚に関する結合相成分の分率が、放射線の入射する方向において、局所的に異なるという問題点がある。このことは、結合相の吸収能力がタングステンに比べて著しく低いので、吸収能力も異なるという結果をもたらす。焼結に続く圧延プロセスによって、タングステン粒子が圧延方向に引き延ばされた、遮蔽挙動にとって一層有利な、微細構造を生じさせることは、確かに基本的には可能である。しかしながら、このことは、著しくより高い製造コストと結び付き、このため、このように製造された板は、純粋なタングステンで製造されたコリメータ要素に比べ、利点を有しない。

従って、本発明の課題は、良好で均一な遮蔽作用を有し簡単な方法で製造可能なコリメータ要素を備える、Ｘ線、ガンマ線又は粒子線のための、コリメータを提供することにある。

本発明のコリメータは、散乱線を低減するためのタングステン含有材料製の複数のコリメータ要素を有するＸ線、ガンマ線又は粒子線のためのコリメータであって、少なくとも１つのコリメータ要素が７２〜９８重量％のタングステン含有量を有するタングテン合金からなり、前記タングステン合金が、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％とを含むことを特徴とするＸ線、ガンマ線又は粒子線のためのコリメータである。
本発明のコリメーターにおいて、前記タングステン合金が、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％及び残部タングステンからなることが好ましい。また、前記タングステン合金が、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属２〜８重量％とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属２〜９重量％とを含むことが更に好ましい。また、前記タングステン合金が、Ｍｏ２〜８重量％とＦｅ及びＮｉからなる群からの少なくとも１つの金属２〜９重量％とを含むことが特に好ましい。
本発明のコリメータにおいて、前記タングステン合金が、１．５より小さい平均粒子アスペクト比を有するタングステン粒子を含有することが好ましく、前記タングステン合金が、球形状のタングステン粒子を含有することが更に好ましい。
本発明のコリメータにおいて、前記コリメータ要素の厚さが５０〜２５０μｍであることが好ましい。
本発明のコリメータにおいて、均質率がＨＦ≦０．５であることが好ましく、ＨＦ≦０．２５であることが更に好ましい。
本発明のコリメータにおいて、前記コリメータ要素の厚さに対する平均タングステン粒子数の比が、５より大きいことが好ましく、１０より大きいことが更に好ましい。
本発明のコリメータにおいて、前記コリメータ要素はコリメータ板であることができる。
本発明のコリメータにおいて、前記コリメータがコンピュータ断層撮影装置の画像形成ユニットの部分であることができる。
本発明のコリメータ要素は、７２〜９８重量％のタングステン含有量を有するタングテン合金からなり、前記タングステン合金が、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％とを含むことを特徴とする。
本発明のコリメータ要素の製造方法は、コリメータ要素がフィルム押出又はテープ成形によって製造されることを特徴とする。
本発明のコリメータ要素の製造方法は、下記のプロセスステップ：
タングステン７２〜９８重量％と、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％とを含有する金属粉末４５〜６５体積％、熱可塑性のバインダー３５〜５５体積％、並びに、所望により分散剤及び／又はその他の補助剤５体積％以下を含んでなる粉末コンパウンドの製造ステップ；
前記粉末コンパウンドの可塑化ステップ；
前記可塑化された粉末コンパウンドの賦形によるグリーンシートの製造ステップ；
所望により、前記グリーンシートの平滑化ステップ；
化学的手段及び／又は熱的手段による前記グリーンシートのバインダー除去ステップ；
前記少なくとも部分的にバインダー除去されたグリーンシートの、１，１００〜１，５００℃の焼結温度における、焼結による焼結板の製造ステップ；
所望により、前記焼結板の較正圧延ステップ；並びに、
加工、好ましくは酸洗い、打抜き及び／又は削剥、によるコリメータ要素最終形状の製造ステップを備えることが好ましい。

均質率ＨＦの決定を図式的に示す、表１の試料２の光学顕微鏡写真である。

コリメータ要素は、７２〜９８重量％のタングステン含有量を有し、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属を１〜１４重量％並びにＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属を１〜１４重量％含むタングステン合金から作られている場合には、薄い壁厚であっても、体積に関していえば、均質で高い吸収能力を有する。明確にするため、１つの群からの２又はそれ以上の金属が合金中に含まれている場合に、上記規定された含有量はそれぞれの総含有量を表わすことを、述べておきたい。タングステン合金は、本発明の効果を損なうことなく、上述の合金元素及び不純物以外に、結合相内に溶けている別の元素を５重量％未満の総含有量で含んでいてもよい。タングステン合金は、好ましくは、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％及び残部タングステンからなる。従って、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕの総含有量は、好ましくは、２〜２８重量％である。

コリメータ要素は、好ましくは、理論密度の９５％より大きい密度を有する。最良の結果は、密度が理論密度の９９％より大きい場合に達成される。
タングステン含有量が７２重量％未満の場合には、十分な遮蔽作用が得られない。タングステン含有量が９８重量％を超える場合には、液相焼結では十分な焼結密度が達成されず、そのことは吸収能力及び機械的特性に不利な結果をもたらす。

Ｍｏ、Ｔａ及び／又はＮｂの総含有量が１重量％未満の場合には、遮蔽作用の十分な均質性が達成されない。Ｍｏ、Ｔａ及び／又はＮｂの総含有量が１４重量％を超える場合には、十分な焼結密度が達成されない。Ｍｏ、Ｔａ及び／又はＮｂの総含有量は、好ましくは、２〜８重量％である。最良の結果は、モリブデンが合金中含有量で２〜８重量％のときに、達成することができるであろう。Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又はＣｕの総含有量が１％未満の場合には、十分な焼結密度が達成されない。Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又はＣｕの総含有量が１４重量％を超えると、吸収能力が著しく小さい。Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又はＣｕの好ましい総含有量は、２〜９重量％であり、最良の成果は、２〜９重量％のＦｅ及び／又はＮｉで達成されるであろう。

本発明のコリメータ要素は、１．５より小さい平均粒子アスペクト比を持ったタングステン粒子からなるのが好ましい。粒子アスペクト比は、まず金属組織学的検鏡試片を作ることによって決定される。次いで、コリメータ要素の表面に平行な方向のタングステン粒子の最大の粒子直径が算出される。この測定は、少なくとも２０の他のタングステン粒子について繰り返される。すぐ次のステップとして、タングステン粒子についてコリメータ要素の表面に垂直な方向の最大粒子直径が決定される。このステップは、やはり、少なくとも２０回繰り返される。その後、コリメータ要素の表面に平行する方向及び表面に垂直な方向の平均の粒子直径が決定される。

平均の粒子アスペクト比は、ＧＡＲ（ｇｒａｉｎ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）とも言われるが、表面に平行な方向の平均粒子直径を、表面に垂直な方向の平均粒子直径によって、除することによって計算される。平均粒子アスペクト比は、好ましくは、１．２より小さい。本発明の方法は、平均粒子アスペクト比がほぼ１のタングステン合金のコスト効率の良い製造を可能にする。このことは、タングステン粒子が球形を有することを意味する。ほぼ球形の粒子は、球状粒子とも呼ばれる。そうすると、コリメータ要素が焼結によってのみ作られる場合には、タングステン合金は、球形状を有するタングステン粒子を含有する。１．２までの低い粒子アスペクト比は、コリメータ要素が較正目的のために圧延プロセスを受ける場合に達成される。１．５より大きい粒子アスペクト比を生じる形成プロセスは、より高い製造コストに結び付く。

コリメータ要素の厚さは、有利には、５０〜２５０μｍである。５０μｍ未満では、剛性も遮蔽効果も十分でない。２５０μｍを超えると体積が大きくなり過ぎる。厚さは、好ましくは５０〜１５０μｍである。好ましい実施形態はコリメータ板のそれである。

本発明のコリメータ要素は、吸収能力の均一性に対する要求が極めて高い場合に、使用される。このことは、特に、コンピュータ断層撮影に当てはまる。従って、本発明のコリメータは、コンピュータ断層撮影装置の画像形成ユニットの部分に好ましい。

コリメータは、コリメータ要素の厚さに対する平均タングステン粒子数の比が５より大きいのが好ましい。粒子は重なり合って配置されている。タングステン粒子の数の多さ及びその重なり合った配置によって、放射線がタングステン構成部分により均一に吸収されることが保証される。

コリメータ要素の厚さに対する平均タングステン粒子数の比は、以下のように決定される。金属組織学的検鏡試片において、コリメータ要素の１つの表面から他の表面へ、表面に垂直に走る線が引かれる。次のステップとして、その線によって少なくとも部分的に切られたタングステン粒子の数が決定される。この手順は少なくとも２０回繰り返され、平均値が決定される。コリメータ要素の厚さに対する平均タングステン粒子数の比は、１０より大きいのが好ましく、２０より大きいのが特に好ましい。

好ましくコスト効率の高いコリメータ要素の製造方法は、可塑化された粉末コンパウンド又は懸濁液の成形によって、例えばフィルム押出又はテープ成形によって、行なわれる。

第一に、成形コンパウンドとも呼ばれる粉末コンパウンドが製造される。粉末コンパウンドは、好ましくは４５〜６５体積％の金属粉末、３５〜５５体積％の熱可塑性バインダー、並びに、所望により、５体積％までの分散剤及び／又はその他の助剤を含んでなる。方法に関連付けられた要求プロフィールに従って、それぞれの粉末コンパウンドの処方関連形態の可能性が生じる。ポリマー及び軟化剤を含有してなる熱可塑性バインダーが特に有利であることが明らかになった。

フィルム押出の場合には、例えばポリウレタン及びポリアミドのような窒素含有ポリマーによって、特に有利な結果が達成され得る。適切な溶融粘度を設定し、かつ十分な室温強度を保証するため、液状及び固体状の軟化剤からなる混合物が添加されるのが好ましい。脂肪酸、脂肪酸エステル又は脂肪酸アルコールは、それ自体、軟化剤である。軟化剤に対するポリマーの好ましい体積比は１：１〜１：６である。金属粉末は、Ｗを７２〜９８重量％、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属を１〜１４重量％及びＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属を１〜１４重量％含む。好ましくは、金属粉末は、Ｍｏ、Ｔａ及びＮｂからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｕからなる群からの少なくとも１つの金属１〜１４重量％と残部タングステンからなる。次のステップにおいて、モールディングコンパウンドは可塑化される。この可塑化は、例えば、６０℃とそれぞれのバインダーの分解温度との間の温度で、押出機において行なうことができる。その後、可塑化された粉末コンパウンドの成形によってグリーンシートの製造が行なわれる。この場合、スリットノズルを通した押出成形が特に有利であることが実証された。グリーンシートは、引き続いて、平滑化処理をすることができる。このとき、この平滑化処理は、厚さの減少を引き起こすことなく、グリーンシートのくぼみ及び隆起が均一化される均質化仕上げとすることができる。しかしながら、また、平滑化処理ごとの厚さ減少は、グリーンシートを損なうことなく、７０％まで可能である。

次のステップとして、グリーンシートのバインダー除去が行なわれる。バインダー除去は、典型的な化学的方法及び／又は熱的方法によって行なうことができる。熱的バインダー除去は、焼結の不可欠のプロセス構成要素でもある。焼結は、結合金属相の液相線温度より少なくとも高い温度で行なわれる。本発明の結合金属合金に対しては、液相線温度は、１，１００℃より高いのが好ましい。液相線温度は、既知の状態図から推定することができる。好ましい最大焼結温度は、１，５００℃である。従って、好ましい温度範囲は、１，１００から１，５００℃の間にある。焼結後、このようにして製造されたグリーンシートは、圧延処理に供され、このとき、変形の程度は、好ましくは２０％未満である（変形度＝（出発厚さ−最終厚さ）／出発厚さ）×１００）。焼結板は、所望により、較正圧延をすることができる。焼結板又は圧延された焼結板の更なる加工及び仕上げは、典型的な加工方法によって、好ましくは打抜き、削剥又は酸洗いによって、行なわれる。

グリーンシートの製造は、例えばテープ成形によっても、行なうことができる。この場合、粉末及びバインダーが、本発明の合金粉末を有する溶媒と混合されて、固体粒子懸濁液となる。このとき、好ましくは、非水溶性のサブミクロン・ポリマー粒子（例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン）の安定な懸濁液を生じる水性バインダー系、例えばエマルションバインダー、が使用される。水溶性ポリビニルアルコール又は溶媒に基づくバインダー系、例えばメチルエチルケトン中に溶解したアクリル樹脂、も適している。

必要な場合には、固体粒子懸濁液中に閉じ込められた空気が除泡器によって除去される。固体粒子懸濁液は、ドクターブレードを用いて支持フィルム上に塗布され、シートが製造される。シートは、更なるプロセスステップにおいて、乾燥器内で加熱によって乾燥される。更なる仕上げは、フィルム押出のために挙げられた方法ステップに従って行なわれる。

以下に、本発明を例示的に示す。

試験のために以下の粉末を用いた。
−タングステン（フィッシャー粒度 ４μｍ）
−ニッケル（フィッシャー粒度 ５μｍ）
−鉄（フィッシャー粒度 ６μｍ）
−モリブデン（フィッシャー粒度 ４μｍ）
−タンタル（フィッシャー粒度 ７μｍ）
−ニオブ（フィッシャー粒度 ７μｍ）
−コバルト（フィッシャー粒度 ５μｍ）
−銅（フィッシャー粒度 ６．５μｍ）

先ず、拡散混合器内での混合によって、表１に示されているような組成の粉末混合物が造られた。それぞれの粉末混合物のバッチは、ポリアミド及び軟化剤と混合され、このとき、粉末の分率は、それぞれ、５３体積％、バインダーの分率は、それぞれ、４７体積％であった。バインダーは、次に示すような組成を有していた。
ポリアミド ３０重量％
Ｃ８の鎖長を有する脂肪族アルコールの芳香族カルボン酸エステル ４４重量％
Ｃ１６〜Ｃ２２の鎖長を有する脂肪酸 ２６重量％

粉末とバインダーとの混合は、混練機械ユニットにおいて１３０℃で２０分間行なわれた。粉末コンパウンドは、１１０℃で押し出され、冷却され、約３〜４ｍｍの粒子直径を持った顆粒状の成形コンパウンドに調製された。成形コンパウンドは、単軸押出機を用いて、８０℃〜１３０℃のバレル域温度において融解され、スリットノズルを通して押し出された。このようにして造られたグリーン体は、平滑化圧延機において、厚さ低減率４０％で平滑化され、室温まで冷却された。次のプロセスステップにおいて、グリーン体は、アセトン中、４２℃で、部分的な化学的バインダー除去に供された。

残りのバインダーは、加熱し（加熱速度１０℃／分）、３０分に亘って６００℃に保持することによって熱分解的に／熱的に除去された。バインダーが除去されたグリーン体は、既知の状態図から推定することができるそれぞれの液相線温度を２０℃超える温度において、１５分間、焼結された。焼結後のシート厚は、１００μｍであった。密度は、浮力法によって決定された。その値を、また、表１に示す。

その後、金属組織学的検鏡試片が作られ、この検鏡試片は計量的金属組織学によって評価された。表面に４５°の線が引かれ、結合相についての全区間長（ＳＳＬ）が決定された。ここでＳＳＬとは、図１から示されるように、個別の区間長ｓ₁〜ｓ_nの総和を意味する。

この測定は２０回繰り返され、結合相についての平均の全区間長
（２０回測定の平均値）及び結合相についての最大の全区間長ＳＳＬ_MAX（２０回測定の最大測定値）が決定された。

その後、均質率ＨＦが次式により決定された。

放射線吸収の均質性は、以下のように、分類された。
ＨＦ≦０．２５（高均質性＝ＨＨ）
０．２５＜ＨＦ≦０．５（中均質性＝ＭＨ）
ＨＦ＞０．５（低均質性＝ＧＨ）
その結果は、表１に示されている。

ＮＥＧ：本発明によらないもの
ＥＧ：本発明によるもの
ＨＨ：ＨＦ≦０．２５（高均質性）
ＭＨ：０．２５＜ＨＦ≦０．５（中均質性）
ＧＨ：ＨＦ＞０．５（低均質性）

ｓ₁、ｓ₂、ｓ₃：個別区間長

Claims (9)

1. 散乱線を低減するためのタングステン含有材料製の複数のコリメータ要素を有するＸ線、ガンマ線又は粒子線のためのコリメータであって、少なくとも１つのコリメータ要素が８０重量％を超え、９２．５重量％以下のタングステン含有量を有するタングステン合金からなり、前記タングステン合金が、タングステンと、総含有量が３〜１４重量％のＭｏ単体又はＭｏ及びＴａからなる金属と、総含有量が４．５〜９重量％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又はＣｕからなる金属とからなり、１．５より小さい平均粒子アスペクト比を有するタングステン粒子を含有し、前記コリメータ要素の厚さが５０〜２５０μｍであり、前記コリメータ要素の厚さ当たりのタングステン粒子数の平均が５より大きく、放射線吸収の均質率がＨＦ≦０．２５であることを特徴とするＸ線、ガンマ線又は粒子線のためのコリメータ。
2. 前記コリメータ要素の厚さ当たりのタングステン粒子数の平均が１０より大きいことを特徴とする請求項１に記載のコリメータ。
3. 前記タングステン合金が、球形状のタングステン粒子を含有することを特徴とする請求項１に記載のコリメータ。
4. 前記コリメータ要素がコリメータ板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコリメータ。
5. 前記コリメータがコンピュータ断層撮影装置の画像形成ユニットの部分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコリメータ。
6. ８０重量％を超え、９２．５重量％以下のタングステン含有量を有するタングステン合金からなり、厚さが５０〜２５０μｍであるコリメータ要素であって、前記タングステン合金が、タングステンと、総含有量が３〜１４重量％のＭｏ単体又はＭｏ及びＴａからなる金属と、総含有量が４．５〜９重量％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又はＣｕからなる金属とからなり、１．５より小さい平均粒子アスペクト比を有するタングステン粒子を含有するタングステン合金であり、コリメータ要素厚さ当たりのタングステン粒子数の平均が５より大きく、放射線吸収の均質率がＨＦ≦０．２５であることを特徴とするコリメータ要素。
7. コリメータ要素がフィルム押出又はテープ成形によって製造されることを特徴とする請求項６に記載のコリメータ要素の製造方法。
8. 下記のプロセスステップ：
   ８０重量％を超え、９２．５重量％以下のタングステンと、総含有量が３〜１４重量％のＭｏ単体又はＭｏ及びＴａからなる金属と、総含有量が４．５〜９重量％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又はＣｕからなる金属とからなる金属粉末４５〜６５体積％、熱可塑性のバインダー３５〜５５体積％、並びに、分散剤又はその他の補助剤０〜５体積％を含んでなる粉末コンパウンドの製造ステップ；
   前記粉末コンパウンドの可塑化ステップ；
   前記可塑化された粉末コンパウンドの賦形によるグリーンシートの製造ステップ；
   化学的手段又は熱的手段により前記グリーンシートのバインダーを除去して少なくとも部分的にバインダーが除去されたグリーンシートを得る前記グリーンシートのバインダー除去ステップ；
   前記少なくとも部分的にバインダーが除去されたグリーンシートの、１，１００〜１，５００℃の焼結温度における、焼結による焼結板の製造ステップ；
   並びに、
   加工によるコリメータ要素最終形状の製造ステップを備えることを特徴とする請求項６に記載のコリメータ要素の製造方法。
9. 更に、前記グリーンシートの平滑化ステップ及び前記焼結板の較正圧延ステップのうちの少なくとも１つを備える請求項８に記載のコリメータ要素の製造方法。