JP6550699B2 - コンプトンカメラ用検出器及びコンプトンカメラ - Google Patents

Description

本発明は、コンプトンカメラ用検出器及びコンプトンカメラに関する。

物質から放射される放射線を検出する放射線検出装置が知られている。例えば、特許文献１（特開２０１３−３３００９号公報）にガンマカメラシステムが開示されている。このガンマカメラシステムは、ガンマカメラと、距離計測手段と、位置演算手段と、感度補正情報推定手段と、分解能補正情報推定手段と、画像生成演算手段とを備えている。ガンマカメラは、ガンマ線検出器およびコリメータを有する。距離計測手段は、該ガンマカメラの撮像対象との距離を走査計測が可能である。位置演算手段は、該距離計測手段の走査計測によって得られた前記ガンマカメラと該ガンマカメラの撮像対象との位置関係を計算する。感度補正情報推定手段は、該位置演算手段から得られた位置関係に基づいて、前記撮像対象を前記ガンマカメラで計測する際の計測感度を推定する。分解能補正情報推定手段は、前記位置演算手段から得られた位置関係に基づいて、前記撮像対象を前記ガンマカメラで計測する際の分解能を推定する。画像生成演算手段は、前記感度補正情報推定手段により推定された計測感度、前記分解能補正情報推定手段により推定された分解能および前記ガンマカメラで検出されたガンマ線カウントデータに基づいて、ガンマ線分布画像を生成する。

図１は、このガンマカメラシステムを示す概略図である。このガンマカメラシステム１０１ａは、ピンホールカメラ方式である。そのため、放射線源１５０に対する検出器１１０ａの視野角は、ピンホールコリメータ１４０の開口角で規定され、４０°〜６０°に制限される。したがって、全周（３６０°）方向の測定を行うためには、例えば、図２に示すように、ガンマカメラシステム１０１ａを回転台１４５にセットして、その回転台１４５を回転しながら複数回（視野角６０°ならば６回）に分けて測定を行う必要がある。非特許文献１（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｔａｃｈｉ−ｃｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｇａｍｍａ＿ｄｅｔｅｃｔｏｒ／）には、そのような回転台付のシステムが開示されている。

また、非特許文献２（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊａｘａ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／２０１２／０３／２０１２０３２９＿ｃｏｍｐｔｏｎ＿１．ｐｄｆ）には、コンプトンカメラが開示されている。コンプトンカメラは、コンプトン散乱を用いて入射放射線（例示：ガンマ線）の方向を知り、可視化を行なう技術である。図３Ａは、このコンプトンカメラの動作原理を示す概略図である。このコンプトンカメラ１０１ｂは、計測される位置Ｘ１及びエネルギＥ１と、位置Ｘ２及びエネルギＥ２とに基づいて、入射放射線Ｒ１のエネルギＥ１＋Ｅ２と到来方向θとを同時に求める。ただし、位置Ｘ１及びエネルギＥ１は、放射線Ｒ１が散乱層１１０ｂ１中の電子でコンプトン散乱されるときの、その散乱の位置Ｘ１（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、その放射線Ｒ１が電子に与えたエネルギＥ１である。また、位置Ｘ２及びエネルギＥ２は、コンプトン散乱された放射線Ｒ２が吸収層１１０ｂ２中で光電吸収されるときの、その吸収された位置Ｘ２（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、その吸収されたエネルギＥ２である。そして、その情報に基づいて、放射線源１５０を推定する。例えば、図３Ｂに示すように、入射放射線Ｒ１は複数の散乱層（Ｓｉ）１１０ｂ１中の位置Ｘ１においてエネルギＥ１を付与して散乱され、散乱放射線Ｒ２は複数の吸収層（ＣｄＴｅ）１１０ｂ２中の位置Ｘ２においてエネルギＥ２を付与して吸収される。その結果、（Ｘ１、Ｅ１）、（Ｘ２、Ｅ２）に基づいて、入射放射線のエネルギと到来方向θとが同時に求められる。そして、その情報に基づいて、放射線源１５０が推定される。

このコンプトンカメラ１０１ｂは、原理的には全周（視野角３６０°；厳密には立体角４πステラジアン）方向からの放射線を検出できる。ただし、このコンプトンカメラ１０１ｂはカメラ前方（入射方向）に散乱層１１０ｂ１を、その後方に吸収層１１０ｂ２をそれぞれ配置するという構成をとっている。この場合、カメラ前方の半球（視野角１８０°；厳密には立体角２πステラジアン）の検出効率と、カメラ後方の半球（視野角１８０°；厳密には立体角２πステラジアン）の検出効率とを比較すると、カメラ後方の半球の検出効率が極端に小さくなる（例示：約１／１０）。そのため、このコンプトンカメラ１０１ｂの実用上の視野角は１８０°であり、実用的には半球（２π［ｓｒ］）方向からの放射線しか検出できない。したがって、全周（視野角３６０°；４π［ｓｒ］）方向の測定を行うためには、例えば、図４に示すように、コンプトンカメラ１０１ｂでも少なくとも２回の測定が必要である。

特開２０１３−３３００９号公報

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｔａｃｈｉ−ｃｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｇａｍｍａ＿ｄｅｔｅｃｔｏｒ／、製品情報：ガンマカメラ（放射線測定装置）、日立コンシューマエレクトロニクス株式会社、２０１３年１０月２９日検索。 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊａｘａ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／２０１２／０３／２０１２０３２９＿ｃｏｍｐｔｏｎ＿１．ｐｄｆ、プレスリリース「超広角コンプトンカメラ」による放射性物質の可視化に向けた実証試験について（平成２４年３月２９日）の添付資料１：超広角コンプトンカメラについて、宇宙航空研究開発機構、２０１３年１０月２９日検索。

従って、本発明の１つの目的は、放射線を測定するとき、測定機器の設置台数を削減する、又は、測定機器による計測回数を削減することを可能とするコンプトンカメラ用検出器及びコンプトンカメラを提供することにある。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。

本発明のコンプトンカメラ用検出器は、第１放射線散乱層（１１）と、第２放射線散乱層（１３）と、第１放射線散乱層（１１）と第２放射線散乱層（１３）との間に設けられた放射線吸収層（１２）とを具備している。放射線吸収層（１２）は、第１放射線散乱層（１１）と第２放射線散乱層（１３）とに共用される。
このコンプトンカメラ用検出器では、第1放射線散乱層（１１）−放射線吸収層（１２）−第２放射線散乱層（１３）と配置されている。そのため、例えば、前方の半球（２π［ｓｒ］）からの放射線は、第1放射線散乱層（１１）で散乱され、放射線吸収層（１２）で吸収され、後方の半球（２π［ｓｒ］）からの放射線は、第２放射線散乱層（１３）で散乱され、放射線吸収層（１２）で吸収される。したがって、前方の半球の検出効率と後方の半球の検出効率とを同じにすることができる。その結果、このコンプトンカメラ用検出器１台で、１回で、全周（４π［ｓｒ］）方向の検出が可能となる。それにより、放射線を測定するとき、測定機器の設置台数を削減することができ、測定機器による計測回数を削減することができる。更に、放射線吸収層（１２）を共用しているので、共用していない場合と比較して、検出器を小型化、軽量化でき、コストも削減できる。

本発明のコンプトンカメラは、コンプトンカメラ用検出器（１）と、情報処理装置（２）とを具備している。コンプトンカメラ用検出器（１）は、上記段落に記載されている。情報処理装置（２）は、入射する放射線に応答してコンプトンカメラ用検出器（１）の第１放射線散乱層（１１）及び放射線吸収層（１２）から、又は、第２放射線散乱層（１３）及び放射線吸収層（１２）から出力される信号に基づいて、放射線源の位置とエネルギとを算出する。
このコンプトンカメラは、上述のコンプトンカメラ用検出器（１）を用いているので、コンプトンカメラ前方の半球の検出効率と後方の半球の検出効率とを同じにすることができる。その結果、そのコンプトンカメラ用検出器を備えたコンプトンカメラ１台で、１回で、全周（４π）方向の検出が可能となる。それにより、放射線を測定するとき、測定機器の設置台数を削減することができ、測定機器による計測回数を削減することができる。更に、検出器を小型化、軽量化でき、コストも削減できる。

本発明により、放射線を測定するとき、測定機器の設置台数を削減する、又は、測定機器による計測回数を削減することができる。

図１は、特許文献１のガンマカメラシステムを示す概略図である。 図２は、図１のガンマカメラシステムの動作を示す概略図である。 図３Ａは、非特許文献２のコンプトンカメラの動作原理を示す概略図である。 図３Ｂは、非特許文献２のコンプトンカメラの構成を示す概略図である。 図４は、図３Ｂのコンプトンカメラの動作を示す概略図である。 図５は、実施の形態に係るコンプトンカメラの構成例を示すブロック図である。 図６は、実施の形態に係る放射線検出器の構成例を示す模式図である。 図７は、実施の形態に係る放射線検出器のモジュールの構成例を模式的に示す平面図である。 図８は、実施の形態に係るモジュールを積層させた放射線検出器の構成例を模式的に示す斜視図である。 図９は、実施の形態に係るコンプトンカメラの動作原理を示す模式図である。 図１０は、実施の形態に係るコンプトンカメラの動作を示すフロー図である。 図１１Ａは、実施の形態に係る放射線検出器の構成の変形例を示す模式図である。 図１１Ｂは、実施の形態に係る放射線検出器の構成の変形例を示す模式図である。 図１１Ｃは、実施の形態に係る放射線検出器の構成の変形例を示す模式図である。 図１１Ｄは、実施の形態に係る放射線検出器の構成の変形例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係るコンプトンカメラ用検出器及びコンプトンカメラについて、添付図面を参照して説明する。

本実施の形態に係るコンプトンカメラの構成について説明する。図５は、本実施の形態に係るコンプトンカメラの構成例を示すブロック図である。コンプトンカメラ５は、放射線検出器１と、情報処理装置２とを備えている。放射線検出器（コンプトンカメラ用検出器）１は、コンプトンカメラ５で使用される放射線の検出器である。入射する放射線を検出して、その入射放射線に対応した信号を情報処理装置２へ出力する。放射線検出器１の詳細は後述される。情報処理装置２は、放射線検出器１から出力される信号に基づいて、放射線源の位置とエネルギとを算出する。情報処理装置２は、記憶装置に格納されたプログラムで動作するコンピュータであってもよいし、ハードウェア（専用のデータ処理回路）であってもよいし、両者の組み合わせであってもよい。

図６は、本実施の形態に係る放射線検出器１の構成例を示す模式図である。放射線検出器１は、第１放射線散乱層１１と、第２放射線散乱層１３と、放射線吸収層１２とを備えている。

第１放射線散乱層１１は、放射線（例示：ガンマ線）をコンプトン散乱させるための層である。第１放射線散乱層１１は、放射線吸収層１２の一方の側に設けられ、１層でもよいし、複数の層が積層されていてもよい。第１放射線散乱層１１は、主に、放射線吸収層１２に対して一方の側の半球（立体角２π［ｓｒ］）の放射線をコンプトン散乱させる。第１放射線散乱層１１は、放射線の散乱能力の高い材料、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いた検出器に例示される。第１放射線散乱層１１は、層ごとにモジュール化されている。言い換えると、第１放射線散乱層１１は、層ごとに、ガンマ線の相互作用を検出可能である。散乱が発生した場合、その散乱の層内での位置Ｘ（ｘ、ｙ）、放射線検出器１内でのその層の位置（ｚ）、その散乱により付与された（吸収された）エネルギＥに対応する値を出力することができる。

第２放射線散乱層１３は、第１放射線散乱層１１と同様の構成及び機能を有している。ただし、第２放射線散乱層１３は、放射線吸収層１２の他方の側（第１放射線散乱層１１とは反対の側）に設けられ、主に、放射線吸収層１２に対して他方の側の半球（立体角２π［ｓｒ］）の放射線をコンプトン散乱させる。

放射線吸収層１２は、第１放射線散乱層１１や第２放射線散乱層１３でコンプトン散乱された放射線を光電吸収させるための層である。放射線吸収層１２は、第１放射線散乱層１１と第２放射線散乱層１３との間に設けられ、１層でもよいし、複数の層が積層されていてもよい。放射線吸収層１２は、光子の阻止能力の高い材料、例えばカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）やカドミウム亜鉛テルル（ＣｄＺｎＴｅ）を用いた検出器に例示される。放射線吸収層１２は、層ごとにモジュール化されている。言い換えると、放射線吸収層１２は、層ごとに、ガンマ線の相互作用を検出可能である。ガンマ線の相互作用が発生した場合、その吸収の層内での位置Ｘ（ｘ、ｙ）、放射線検出器１内でのその層の位置（ｚ）、その吸収により付与された（吸収された）エネルギＥに対応する値を出力することができる。

第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２の各層は、互いに所定のピッチで配置される。

このように、本実施の形態に係る放射線検出器１は、放射線吸収層１２に対して一方の側の半球（立体角２π［ｓｒ］）からの放射線をコンプトン散乱する第１放射線散乱層１１と、他方の側の半球（立体角２π［ｓｒ］）からの放射線をコンプトン散乱する第２放射線散乱層１３とを備えている。そのため、この放射線検出器１は、一方の側の半球の検出効率と他方の側の半球の検出効率とを同じにすることができる。その結果、このコンプトンカメラ用検出器１台で、１回で、全周（４π［ｓｒ］）方向の検出が可能となる。

このとき、放射線吸収層１２は、第１放射線散乱層１１と第２放射線散乱層１３とに共用されている。言い換えると、放射線吸収層１２は、第１放射線散乱層１１と放射線吸収層１２とで構成される検出器と、第２放射線散乱層１３と放射線吸収層１２とで構成される検出器との間で共用されている。それにより、１個の検出器の放射線吸収層１２の分だけ、層数（又は厚み）を相対的に少なくすることができる。その結果、全周（立体角４π［ｓｒ］）方向の検出効率を向上させながら、放射線検出器１の大きさやコストの増加を抑制することができる。なお、放射線吸収層１２の層数（又は厚み）を相対的に少なくしない場合、放射線吸収層１２の層数（又は厚み）が相対的に多くなるので、第１放射線散乱層１１や第２放射線散乱層１３で散乱された放射線を確実に光電吸収することが可能になる。

一方の側の半球の放射線量と、他方の半球の放射線量とが大きく異なるなどの特段の事情がない限り、第１放射線散乱層１１の層数と第２放射線散乱層１３の層数とは、同数であることが好ましい。それにより、第１放射線散乱層１１側の半球からの放射線の検出効率と、第２放射線散乱層１３側の半球からの放射線の検出効率とを等しくすることができる。

また、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２は、放射線の線量が高い場合には、層数を少なく、疎に配置することが好ましい。層数を多く、密に配置すると、散乱による信号が増加して飽和するおそれがあるからである。一方、放射線の線量が低い場合には、層数を多く、密に配置することが好ましい。層数を少なく、疎に配置すると、検出効率が低下するからである。この図の例では、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２は、それぞれ４層、４層及び２層である。

上述のように、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２は、層ごとにモジュール化される。図７は、そのモジュールの構成例を模式的に示す平面図である。モジュール３０は、センサ部３１と、検出部３２と、トレー３６とを備えている。モジュール３０の構成は、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２のいずれにおいても、センサ部３１を除いて同じである。

トレー３６は、センサ部３１と検出部３２とを放射線検出器１内のｚ方向の所定の位置に保持する。トレー３６は、第１部分３６ａと、複数の第２部分３６ｂ（この図の例では、４個）とを備えている。第１部分３６ａは、トレー３６の中央に設けられ、センサ部３１を載置可能な形状を有している。複数の第２部分３６ｂは、第１部分３６ａの周囲に概ね等間隔に設けられ、検出部３２を載置可能な形状を有している。言い換えると、第１部分３６ａにはセンサ部３１が載置され、複数の第２部分３６ｂの各々には検出部３２が載置される。第２部分３６ｂの数は、検出部３２の数により増減する。センサ部３１と複数の検出部３２とは電気的に接続されている。

第２部分３６ｂにおいて、その端部３６ｂ１は、開口部３３を備えている。開口部３３は、第２部分３６ｂごとに設けられ台座（図示されず）からｚ方向に延びる支持部材２１に貫通される。また、他の端部３６ｂ２は、第２部分３６ｂごとに設けられ台座（図示されず）からｚ方向に延びる支持部材２２に挿入される。このように、各第２部分３６ｂが支持部材２１、２２に保持されることで、トレー３６はセンサ部３１と検出部３２とをｚ方向の所定の位置に保持する。

センサ部３１は、放射線（例示：ガンマ線）をコンプトン散乱又は光電吸収し、その放射線を散乱又は吸収したｘｙ面内の位置と、その散乱又は吸収のエネルギの大きさに対応する量を示す電気信号を出力する。センサ部３１は、検出層と、第１表面電極と、第２表面電極とを備えている（図示されず）。

第１放射線散乱層１１及び第２放射線散乱層１３における検出層は、放射線を散乱するための層であり、半導体層に例示される。例えば、半導体層は、シリコン（Ｓｉ）層に例示される。第１表面電極は、検出層の一方の面を覆うように、ｘｙ面内に格子状に形成された膜であり、導電体層に例示される。例えば、半導体層がシリコン（Ｓｉ）層の場合、導電体層は、アルミニウム（Ａｌ）層に例示される。第２表面電極は、検出層の他方の面を覆うように、ｘｙ面内に一面に形成された膜であり、導電体層に例示される。例えば、半導体層がシリコン（Ｓｉ）層の場合、導電体層は、アルミニウム（Ａｌ）層に例示される。

放射線が第１放射線散乱層１１又は第２放射線散乱層１３の半導体層で散乱された場合、ｘｙ面内における散乱の位置は、当該散乱による電気信号を受けた第１表面電極の位置として検出される。また、散乱で付与されたエネルギの大きさに対応する量は、第１表面電極で検知した電荷の大きさとして検出される。

一方、放射線吸収層１２における検出層は、放射線を吸収するための層であり、半導体層に例示される。例えば、半導体層は、カドミウムテルル（ＣｄＴｅ）層やカドミウム亜鉛テルル（ＣｄＺｎＴｅ）層に例示される。第１表面電極は、検出層の一方の面を覆うように、ｘｙ面内に格子状に形成された膜であり、導電体層に例示される。例えば、半導体層がカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）層やカドミウム亜鉛テルル（ＣｄＺｎＴｅ）層の場合、導電体層は、白金（Ｐｔ）に例示される。第２表面電極は、放射線検出層の他方の面を覆うように、ｘｙ面内に一面に形成された膜であり、導電体層に例示される。例えば、半導体層がカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）層やカドミウム亜鉛テルル（ＣｄＺｎＴｅ）層の場合、導電体層は、インジウム（Ｉｎ）に例示される。

放射線が放射線吸収層１２の半導体層で光電吸収された場合、吸収の位置は、当該吸収による電気信号を受けた第１表面電極の位置として検出される。また、吸収で付与されたエネルギに対応する量は、第１表面電極で検知した電荷の大きさとして検出される。

なお、センサ部３１は、第１表面電極と、第２表面電極とで電極の形状が対称ではない。しかし、放射線は、どちらの表面電極の側からセンサ部３１へ入射するとしても、それらの表面電極の影響を受けることはなく、センサ部３１での放射線の散乱や吸収に影響はない。なお、第１表面電極（この例では格子状）と第２表面電極（この例では全面べた）の形状や、センサ部３１の形状（この例では正方形）は上記の例に限定されるものではない。

また、センサ部３１は、他の種類の放射線検出器であってもよい。その放射線検出器としては、ストリップ型検出器が例示される。そのセンサ部３１は、検出層と、第１表面電極と、第２表面電極とを備えている（図示されず）。第１表面電極は、検出層の一方の面を覆うように、ｘ方向に平行に伸びる短冊状に形成された複数の膜である。第１表面電極は、検出器がカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）層の場合、アルミニウム（Ａｌ）に例示される。第２表面電極は、検出層の他方の面を覆うように、ｙ方向に平行に伸びる短冊状に形成された複数の膜である。第２表面電極は、検出器がカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）層の場合、白金（Ｐｔ）に例示される。

検出部３２は、センサ部３１から出力される位置及びエネルギに対応する量を示す電気信号を配線３４から受信する。そして、その電気信号に対応する検出信号を情報処理装置２へ配線３５を介して出力する。この図の例では、センサ部３１は４つの領域に分けられ、各領域ごとに検出部３２を備えているが、本発明はその例に限定されるものではない。

図８は、そのモジュールを積層させた放射線検出器の構成例を模式的に示す斜視図である。放射線検出器１では、筐体２０内に、複数のモジュール３０（第１放射線散乱層１１、放射線吸収層１２及び第２放射線散乱層１３）が積層されている。例えば、この図の例では、ｚ方向の下方から順に、第２放射線散乱層１３が７層、放射線吸収層１２が６層、第１放射線散乱層１１が７層、それぞれ配置されている。各モジュール３０は、台座２３からｚ方向に延びる支持部材２１、２２により、筐体２０内の所定の位置に固定される。モジュール３０をｚ方向に連続的に隙間なく積層すれば、モジュール３０を密に積層することができる。また、例えば、モジュール３０間にスペーサを挿入して、モジュール３０をｚ方向に所定の間隔ごとに積層すれば、モジュール３０を疎に積層することができる。あるいは、支持部材２１、２２でモジュール３０を支持するためのモジュール固定箇所を密にすれば、モジュール３０を密に積層することができる。また、モジュール固定箇所を疎にすれば、モジュール３０を疎に積層することができる。

モジュール３０のｚ方向の位置は、モジュール３０が支持部材２１、２２で保持されている箇所の位置として特定することができる。したがって、コンプトン散乱又は光電吸収の位置Ｘは、モジュール３０が支持部材２１、２２で保持されている箇所によりｚ座標の位置（ｚ）により特定され、各モジュール３０のセンサ部３１の第１表面電極内の位置でｘ座標及びｙ座標の位置（ｘ、ｙ）により特定される。

次に、本実施の形態に係るコンプトンカメラの動作について説明する。図９は、本実施の形態に係るコンプトンカメラの動作原理を示す模式図である。また、図１０は、本実施の形態に係るコンプトンカメラの動作を示すフロー図である。

まず、放射線源５０ａが第１放射線散乱層１１の側にある場合を考える。
ユーザは、コンプトンカメラ５の放射線検出器１を所定の方向へ向ける。放射線検出器１は、例えば、前方にある放射線源５０ａからの放射線（例示：ガンマ線）を計測する（ステップＳ０１）。
具体的には、前方の放射線源５０ａからの放射線が放射線検出器１へ入射し、まず、概ね放射線検出器１の複数の第１放射線散乱層１１のいずれか一層でコンプトン散乱される。このとき、散乱が起こった第１放射線散乱層１１（ｚ１）は、そのセンサ部３１における散乱が起こった位置（ｘ１、ｙ１）、及び、放射線が付与したエネルギＥ１に対応する電荷の変化値を示す信号を出力する。その第１放射線散乱層１１の検出部３２は、電荷の変化値（エネルギＥ１に対応）と位置Ｘ１（ｘ１、ｙ１、ｚ１）とを示す信号を情報処理装置２へ出力する。
その後、散乱された放射線は、放射線検出器１の複数の放射線吸収層１２のいずれか一層で光電吸収される。このとき、吸収が起こった放射線吸収層１２（ｚ２）は、そのセンサ部３１における吸収が起こった位置（ｘ２、ｙ２）、及び、吸収されたエネルギＥ２に対応する電荷の変化値を示す信号を出力する。その放射線吸収層１２の検出部３２は、電荷の変化値（エネルギＥ２に対応）と位置Ｘ２（ｘ２、ｙ２、ｚ２）とを示す信号を情報処理装置２へ出力する。
これら、第１放射線散乱層１１での散乱と、放射線吸収層１２での吸収とはほぼ同時に発生する。そのため、時系列的にほぼ同時に発生した２つの事象を、一つの放射線による連続した事象と判断することができる。したがって、第１放射線散乱層１１−放射線吸収層１２で起こる他の散乱／吸収や、第２放射線散乱層１３−放射線吸収層１２で起こる散乱／吸収と区別することができる。

次に、情報処理装置２は、第１放射線散乱層１１からの電荷の変化値をエネルギＥ１に変換し、放射線吸収層１２からの電荷の変化値をエネルギＥ２に変換する。そして、（位置、エネルギ）＝（Ｘ１、Ｅ１）と（Ｘ２、Ｅ２）とに基づいて、散乱角θ_ａを計算する（ステップＳ０２）。
この場合、放射線源５０ａのエネルギＥ０１は、下記式（１）で表される。
Ｅ０１＝Ｅ１＋Ｅ２ …（１）
また、コンプトン散乱では、散乱角θ_ａについて、下記式（２）が成り立つ。
Ｅ２＝Ｅ０１／（１＋Ｅ０１（１−ｃｏｓθ_ａ）／ｍｃ^２） …（２）
したがって、式（１）と式（２）とにより、下記式（３）が導かれる。
ｃｏｓθ_ａ＝１−ｍｃ^２／Ｅ２＋ｍｃ^２／（Ｅ１＋Ｅ２） …（３）
すなわち、Ｅ１、Ｅ２を式（３）に代入すれば、散乱角θ_ａが求まる。
そして、情報処理装置２は、放射線源５０ａからの複数の放射線について、上記ステップＳ０１〜Ｓ０２を行い、複数の散乱角θ_ａを得る。

続いて、情報処理装置２は、複数の散乱角θ_ａに基づいて、放射線源５０ａの到来方向を計算する（ステップＳ０３）。
ここで、散乱角θ_ａと位置Ｘ１と位置Ｘ２とから、放射線の入射方向（放射線源５０ａの方向）は以下の範囲と算出される。すなわち、位置Ｘ１を頂点とし、位置Ｘ２と位置Ｘ１とを結ぶ直線の方向を高さ方向とし、その高さ方向を基準として位置Ｘ１から散乱角θ_ａで伸びる母線を有する、円錐５１ａの側面（の円環）上である。複数の散乱角θ_ａを算出すれば（ステップＳ０１〜Ｓ０２）、複数の円錐を求めることができ、それら複数の円錐の重なり合う位置を求めることができる。その重なり合う位置が、最終的な放射線源５０ａの方向と算出できる。そのとき、放射線源５０ａの入射放射線のエネルギは、例えば、Ｅ０１＝Ｅ１＋Ｅ２である。

一方、放射線源５０ｂが第２放射線散乱層１３の側にある場合も、同様に考えられる。
ユーザがコンプトンカメラ５の放射線検出器１を所定の方向へ向けたとき、放射線検出器１は、例えば、後方にある放射線源５０ｂからの放射線（例示：ガンマ線）を計測する（ステップＳ０１）。
具体的には、後方の放射線源５０ｂからの放射線が放射線検出器１へ入射し、まず、概ね放射線検出器１の複数の第２放射線散乱層１３のいずれか一層でコンプトン散乱される。このとき、散乱が起こった第２放射線散乱層１３（ｚ３）は、そのセンサ部３１における散乱が起こった位置（ｘ３、ｙ３）、及び、放射線が付与したエネルギＥ３に対応する電荷の変化値を示す信号を出力する。その第２放射線散乱層１３の検出部３２は、電荷の変化値（エネルギＥ３に対応）と位置Ｘ３（ｘ３、ｙ３、ｚ３）とを示す信号を情報処理装置２へ出力する。
その後、散乱された放射線は、放射線検出器１の複数の放射線吸収層１２のいずれか一層で光電吸収される。このとき、吸収が起こった放射線吸収層１２（ｚ４）は、そのセンサ部３１における吸収が起こった位置（ｘ４、ｙ４）、及び、吸収されたエネルギＥ４に対応する電荷の変化値を示す信号を出力する。その放射線吸収層１２の検出部３２は、電荷の変化値（エネルギＥ４に対応）と位置Ｘ４（ｘ４、ｙ４、ｚ４）とを示す信号を情報処理装置２へ出力する。
これら、第２放射線散乱層１３での散乱と、放射線吸収層１２での吸収とはほぼ同時に発生する。そのため、時系列的にほぼ同時に発生した２つの事象を、一つの放射線による連続した事象と判断することができる。したがって、第２放射線散乱層１３−放射線吸収層１２で起こる他の散乱／吸収や、第１放射線散乱層１１−放射線吸収層１２で起こる散乱／吸収と、区別することができる。

次に、情報処理装置２は、第２放射線散乱層１３からの電荷の変化値をエネルギＥ３に変換し、放射線吸収層１２からの電荷の変化値をエネルギＥ４に変換する。そして、（位置、エネルギ）＝（Ｘ３、Ｅ３）と（Ｘ４、Ｅ４）とに基づいて、散乱角θ_ｂを計算する（ステップＳ０２）。
この場合、放射線源５０ｂのエネルギＥ０２は、下記式（４）で表される。
Ｅ０２＝Ｅ３＋Ｅ４ …（４）
また、コンプトン散乱では、散乱角をθ_ｂについて、下記式（５）が成り立つ。
Ｅ４＝Ｅ０２／（１＋Ｅ０２（１−ｃｏｓθ_ｂ）／ｍｃ^２） …（５）
したがって、式（４）と式（５）とにより、下記式（６）が導かれる。
ｃｏｓθ_ｂ＝１−ｍｃ^２／Ｅ４＋ｍｃ^２／（Ｅ３＋Ｅ４） …（６）
すなわち、Ｅ３、Ｅ４を式（６）に代入すれば、散乱角θ_ｂ求まる。
そして、情報処理装置２は、放射線源５０ｂからの複数の放射線について、上記ステップＳ０１〜Ｓ０２を行い、複数の散乱角θ_ｂを得る。

続いて、情報処理装置２は、複数の散乱角θ_ｂに基づいて、放射線源５０ｂの到来方向を計算する（ステップＳ０３）。
ここで、散乱角θ_ｂと位置Ｘ３と位置Ｘ４とから、放射線の入射方向（放射線源５０ｂの方向）は以下の範囲と算出される。すなわち、位置Ｘ３を頂点とし、位置Ｘ４と位置Ｘ３とを結ぶ直線の方向を高さ方向とし、その高さ方向を基準として位置Ｘ３から散乱角θ_ｂで伸びる母線を有する、円錐５１ｂの側面（の円環）上である。複数の散乱角θ_ｂを算出すれば（ステップＳ０１〜Ｓ０２）、複数の円錐を求めることができ、それら複数の円錐の重なり合う位置を求めることができる。その重なり合う位置が、最終的な放射線源５０ｂの方向と算出できる。そのとき、放射線源５０ｂの入射放射線のエネルギは、例えば、Ｅ０２＝Ｅ３＋Ｅ４である。

以上のようにして、本実施の形態に係るコンプトンカメラが動作する。

本実施の形態のコンプトンカメラ５は、前方の放射線源５０ａから放射線が放射線検出器１に入射し、主に複数の第１放射線散乱層１１の一つでコンプトン散乱され、複数の放射線吸収層１２の一つで光電吸収される場合、散乱角θ_ａ及びエネルギＥ０１を算出し、放射線源５０ａの位置を特定できる。それに加えて、コンプトンカメラ５は、後方の放射線源５０ｂから放射線が放射線検出器１に入射し、主に複数の第２放射線散乱層１３の一つでコンプトン散乱され、複数の放射線吸収層１２の一つで光電吸収される場合に、散乱角θ_ｂ及びエネルギＥ０２を算出し、放射線源５０ｂの位置を特定できる。すなわち、そのコンプトンカメラ５は、第１放射線散乱層１１側の立体角２π［ｓｒ］の範囲内にある放射線源５０ａだけでなく、第２放射線散乱層１３側の立体角２π［ｓｒ］の範囲内にある放射線源５０ｂも、放射線検出器１で計測可能である。したがって、一台のコンプトンカメラ５で、一度に立体角４π［ｓｒ］の範囲内にある放射線源を特定することができる。よって、放射線を測定するとき、測定機器の設置台数を削減する、又は、測定機器による計測回数を削減することができる。

なお、放射線検出器１における第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３、及び放射線吸収層１２の層数や配置方法は任意性がある。そのいくつかの例を以下に示す。図１１Ａ〜図１１Ｃは、本実施の形態に係る放射線検出器１の構成の変形例を示す模式図である。

図１１Ａにおける放射線検出器１ａでは、第１放射線散乱層１１ａと、第２放射線散乱層１３ａと、放射線吸収層１２ａとは、相対的に密に積層されている。言い換えると、単位厚みあたりの各層の層数が相対的に多い。この放射線検出器１ａは、放射線が第１放射線散乱層１１ａや第２放射線散乱層１３ａでコンプトン散乱され、放射線吸収層１２ａで光電吸収される確率が高い（検出感度が高い）という特徴がある。したがって、計測対象の放射線量が小さい場合に好適である。この図の例では、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２は、それぞれ５層、５層及び３層である。

図１１Ｂにおける放射線検出器１ｂでは、第１放射線散乱層１１ｂと、第２放射線散乱層１３ｂと、放射線吸収層１２ｂとは、相対的に疎に積層されている。言い換えると、単位厚みあたりの各層の層数が相対的に少ない。この放射線検出器１ｂは、放射線が第１放射線散乱層１１ｂや第２放射線散乱層１３ｂでコンプトン散乱され、放射線吸収層１２ｂで光電吸収される確率が低い（検出感度が低い）という特徴がある。したがって、計測対象の放射線量が高い場合に好適である。また、層数が少ない分だけ低コストである。この図の例では、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２は、それぞれ３層、３層及び２層である。

図１１Ｃにおける放射線検出器１ｃでは、第１放射線散乱層１１ｃと、第１放射線散乱層１１ｃ側の放射線吸収層１２ｃは、相対的に密に積層されている。一方、第２放射線散乱層１３ｃと、第２放射線散乱層１３ｃ側の放射線吸収層１２ｃは、相対的に疎に積層されている。言い換えると、単位厚みあたりの各層の層数が、第１放射線散乱層１１ｃ側で相対的に多く、第２放射線散乱層１３ｃ側で相対的に少ない。この放射線検出器１ｃは、放射線が第１放射線散乱層１１ｃでコンプトン散乱され、放射線吸収層１２ｃで光電吸収される確率が高く、放射線が第２放射線散乱層１３ｃでコンプトン散乱され、放射線吸収層１２ｃで光電吸収される確率が低いという特徴がある。したがって、計測対象の放射線量が一方の側で低く、他方の側で高い場合に好適である。この図の例では、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２は、それぞれ５層、３層及び３層である。

図１１Ｄにおける放射線検出器１ｄでは、第１放射線散乱層１１ｄと放射線吸収層１２ｄとが交互に１層ずつ積層され、放射線検出器１ｄの最も外側（図１１Ｄの最も上側及び下側）に第１放射線散乱層１１ｄが配置されている。したがって、最も外側の第１放射線散乱層１１ｄを除いた第１放射線散乱層１１ｄは、第１放射線散乱層１１ｄの機能と第２放射線散乱層（１３ｄに相当）の機能とを兼ね備えていると見ることができる。言い換えると、第１放射線散乱層１１ｄと第２放射線散乱層（１３ｄに相当）とが一体（同一）であるといえる。あるいは、第１放射線散乱層１１ｄと放射線吸収層１２ｄと第２放射線散乱層（１３ｄに相当）として機能する第１放射線散乱層１１ｄとの組が、この順に、第１放射線散乱層１１ｄを兼用しながら積層していると見ることもできる。この放射線検出器１ｄにおいても、既述の放射線検出器１と同様に機能することができる。更に、放射線吸収層１２の配置範囲が広くなるので、コンプトン散乱された放射線をより吸収し易くすることができる。

なお、図１１Ｄでは、第１放射線散乱層１１ｄと放射線吸収層１２ｄとが交互に１層ずつ積層されているが、放射線検出器１ｄはこの例に限定されるものではない。例えば、放射線検出器１ｄは、第１放射線散乱層１１ｄと放射線吸収層１２ｄとが交互に、さらに複数積層されてもよいし、第１放射線散乱層１１ｄを構成する検出器の層数と放射線吸収層１２ｄを構成する検出器の層数とが異なっていてもよい。第１放射線散乱層１１ｄと放射線吸収層１２ｄを交互に積層された構造、すなわち、吸収層を散乱層の途中に挟み込む構造により、コンプトン散乱されたガンマ線のうち、散乱角の大きいものまで検出しやすくなる。このため、検出器の有効面積が向上する。

これらのような、放射線検出器１の検出感度（検出効率）の変更は、例えば、第１放射線散乱層１１、第２放射線散乱層１３及び放射線吸収層１２のモジュール３０の層数を増やしたり減らしたり、モジュール３０の間隔を広げたり詰めたりすることで実現できる。本実施の形態に係る放射線検出器は、このように計測対象の放射線量に応じて検出感度を自在に変更することができる。

このような、放射線検出器１は、例えば、放射線計測、Ｘ線計測、ガンマ線計測、材料分析、セキュリティ、資源探査において用いることができる。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ ：放射線検出器
２ ：情報処理装置
５ ：コンプトンカメラ
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ：第１放射線散乱層
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ ：放射線吸収層
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ ：第２放射線散乱層
２０ ：筐体
２１、２２ ：支持部材
２３ ：台座
３０ ：モジュール
３１ ：センサ部
３２ ：検出部
３３ ：開口部
３４、３５ ：配線
３６ ：トレー
３６ａ ：第１部分
３６ｂ ：第２部分
３６ｂ１、３６ｂ２ ：端部
５０ａ、５０ｂ ：放射線源
５１ａ、５１ｂ ：円錐
Ｅ、Ｅ０１、Ｅ０２、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４ ：エネルギ
θａ、θｂ ：散乱角

Claims (7)

1. 複数の第１放射線散乱層と、
   複数の第２放射線散乱層と、
   前記複数の第１放射線散乱層と前記複数の第２放射線散乱層との間に設けられた複数の放射線吸収層と
   を具備し、
   前記第１放射線散乱層と前記放射線吸収層とは、第１検出器の少なくとも一部を構成し、
   前記第２放射線散乱層と前記放射線吸収層とは、第２検出器の少なくとも一部を構成し、
   前記第１放射線散乱層は、前記放射線吸収層に対して一方の側の半球にある放射線源からの放射線をコンプトン散乱し、
   前記第２放射線散乱層は、前記放射線吸収層に対して他方の側の半球にある放射線源からの放射線をコンプトン散乱し、
   前記第１放射線散乱層は、第１放射線が散乱されたとき、当該散乱の発生した第１位置及び当該散乱で付与された第１エネルギに対応する第１信号を出力し、
   前記第２放射線散乱層は、第２放射線が散乱されたとき、当該散乱の発生した第２位置及び当該散乱で付与された第２エネルギに対応する第２信号を出力し、
   前記放射線吸収層は、
   前記第１放射線散乱層で散乱された前記第１放射線が吸収されたとき、当該吸収の発生した第３位置及び当該吸収された第３エネルギに対応する第３信号を出力し、
   前記第２放射線散乱層で散乱された前記第２放射線が吸収されたとき、当該吸収の発生した第４位置及び当該吸収された第４エネルギに対応する第４信号を出力する
   コンプトンカメラ用検出器。
2. 請求項１に記載のコンプトンカメラ用検出器において、
   前記第１放射線散乱層の層数と前記第２放射線散乱層の層数とは同じである
   コンプトンカメラ用検出器。
3. 請求項１又は２に記載のコンプトンカメラ用検出器において、
   前記第１放射線散乱層と前記放射線吸収層と前記第２放射線散乱層とを積層して保持する保持機構を更に具備する
   コンプトンカメラ用検出器。
4. 請求項３に記載のコンプトンカメラ用検出器において、
   前記保持機構は、前記第１放射線散乱層、前記放射線吸収層及び前記第２放射線散乱層を着脱可能に保持する
   コンプトンカメラ用検出器。
5. 請求項１に記載のコンプトンカメラ用検出器において、
   前記複数の第１放射線散乱層及び前記複数の第２放射線散乱層と、前記複数の放射線吸収層は交互に積層され、
   隣り合う２層の前記放射線吸収層間の放射線散乱層は、前記第１放射線散乱層と前記第２放射線散乱層として機能する
   コンプトンカメラ用検出器。
6. 請求項１に記載のコンプトンカメラ用検出器において、
   隣り合う２層の前記放射線吸収層間に配置され、前記複数の第１放射線散乱層のうちの1層と前記複数の第２放射線散乱層のうちの１層として機能する放射線散乱層と
   を具備する
   コンプトンカメラ用検出器。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のコンプトンカメラ用検出器と、
   入射する放射線に応答して前記コンプトンカメラ用検出器の第１放射線散乱層及び放射線吸収層から出力される信号、又は、第２放射線散乱層及び前記放射線吸収層から出力される信号に基づいて、前記放射線源の位置と前記放射線のエネルギとを算出する情報処理装置と
   を具備する
   コンプトンカメラ。
   

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