JP6697490B2 - 安定化光出力を有する画像化応用のための放射線検出器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその開示の全ての内容が本明細書に組み入れられるところの、2013年6月14日に出願された「RADIATION DETECTOR FOR IMAGING APPLICATIONS WITH STABILIZED LIGHT OUTPUT」と題する米国仮特許出願第61／835,072号の利益を主張する。

発明の分野
本発明は、高エネルギー画像化システムおよび高エネルギー光子検出器に関する。

背景技術
シンチレーション物質は、医療画像化、地質学的調査、国土安全保障を含む様々な応用並びに高エネルギー物理学における、高エネルギー光子、電子、及び他の粒子を検出するための光検出器と関連して科学的にも経済的にも重要である。放射線検出／画像化装置において、シンチレーション物質（例えば、セリウム添加シンチレータ）が用いられる。これらシンチレータ（放射線検出媒体）において、これらの応用においてそれらの価値を最大にするために、或る特性が望まれる。一般に、高シンチレーション光収量（light yield:光子収率ともいう）、高速シンチレーション運動学（減衰時間と立ち上がり時間の両方）、良好なエネルギー分解能、高精度の比例性、及び環境光被曝に対する相対的不感応性が望まれている。

これらの目的のために、シンチレーション過程を妨害する可能性のある電子／正孔トラップ及び他の欠陥の全くない又は相対的にないシンチレータの組成物を得ることが望ましい。

本発明の実施態様の放射線検出器を示す図である。 本発明の実施態様の放射線検出器の特性を示す図である。 本発明の実施態様の放射線検出器の特性を示す図である。 本発明の実施態様の放射線検出器の特性を示す図である。

詳細な説明
図１は、本発明の一実施態様の放射線検出器（１００）を示す。

一実施態様によると、放射線検出器（１００）は、シンチレータ（１１０）、光源（１２０）及び１の又は複数のセンサ（１４０）を備えうる。

シンチレータ（１１０）は、見えない放射線（入射放射線）を可視光（放出放射線）に変換する能力を有する、様々なシンチレーション物質を含みうる。センサ（１４０）は、いかなる変換された可視光も、センサ（１４０）により検出又は測定できるように、シンチレータ（１１０）に隣接又は近接して置かれうる。光源（１２０）は、光源（１２０）からの光が、シンチレータ（１１０）内の欠陥と相互作用するように、見えない放射線を欠陥によりもたらされた可視光に変換する際の相互干渉を最小化するために、シンチレータ（１１０）に隣接又は近接して置かれうる。

シンチレータ（１１０）は、イオン化放射線と相互作用するとき、究極的にイメージを作るのに使われる測定可能な応答を有する物質でありうるか又そのような物質を含みうる。いくつかの実施態様において、該物質は、入射放射線によって光の光子を作るところのシンチレーション物質である。

センサ（１４０）で測定された光量は、「光収量」又は「光出力」と呼ばれ得、通常は公知の標準に対する相対値として、又は、ＭｅＶ当たりの光子の絶対数として報告されている。

いくつかの実施態様において、放射線検出器（１００）は、医療画像応用、例えばポジトロン断層撮影（ＰＥＴ：positron emission tomography）、飛行時間差ポジトロン断層撮影（ＴＯＦ−ＰＥＴ：time-of-flight positron emission tomography）、Ｘ線コンピュータ断層撮影（Ｘ−ray ＣＴ：X-ray computed tomography）、又は単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ：single-photon emission computed tomography）及び何らかの他の複合システム（ＰＥＴ−ＣＴ、ＰＥＴ−ＭＲＩ、ＰＥＴＳＰＥＣＴ）を含む放射線検出の応用の多様な形態において使用に適しうる。

光源（１２０）は、何らかの長期間の光出力ドリフトを安定化させるために、シンチレータ（１１０）のあらゆる部分に様々に選択された波長の光を当てる。ドリフトは、シンチレータ（１１０）のシンチレーション物質内の欠陥によって引き起こされる。或る波長の光にシンチレータ（１１０）を曝すことは、放射線検出器（１００）内部で、シンチレータ（１１０）内の欠陥を飽和エネルギー状態に保つことが生じうる。飽和された欠陥は、シンチレーション過程に著しく低い影響又は干渉しか持ちえない。光に当てることは、放射線検出器（１００）の正常動作状態の間及び較正又はアイドリング時間の間、連続的に又は間欠的に又はパルス状になされうる。

いくつかの実施態様において、いかなる与えられた応用に対しても放射線検出器（１００）の性能を最適化するために、光源（１２０）からの特定の光波長又は波長の多数の帯域／領域、強度、及び露出時間／継続期間／頻度が、選択若しくは調整されうる。光源（１２０）からの光波長、強度、及び露出時間／継続期間／頻度の選択が、放射線検出器（１００）の設計のために為されうる。代わりに、光源（１２０）からの光波長、強度、及び露出時間／継続期間／頻度の調整が、環境条件に起因するような特性変化に対して調整するために、動作若しくは較正の間にその場で為され得る。該調整は、光源（１２０）を制御する制御器（示されていない）によって制御され、そして、調整は、放射線検出器（１００）の特性の測定に基づいて制御されうる。

さらに放射線検出器（１００）は、シンチレータ（１１０）とセンサ（１４０）の間に、信号コントラストを増すために光源（１２０）からの光を選択出力しうるフィルタ（１３０）を含みうる。光源（１２０）からの光は、シンチレータ（１１０）を透過しそしてセンサ（１４０）に到達しうるので、センサ（１４０）は光源（１２０）からの光を検出しうる。光源（１２０）からの検出された光は、一般的に、雑音と考えられうる。センサ（１４０）が、シンチレータ（１１０）内のシンチレーション過程からの光を検出することを可能にし、且つ光源（１２０）からの光を検出しない（又はより少なく検出する）ことを可能にするために、該フィルタ（１３０）は、光源（１２０）からの光を選択出力しうる。光源（１２０）からの光は、特定の波長で同調／選択されうるので、該フィルタ（１３０）は、同様に、光源（１２０）からの光の特定の波長を選択／阻止するように同調／選択されえて、光源（１２０）からの光は、該フィルタ（１３０）を通過後、センサ（１４０）に到達すると強度が下げられうる。

一実施態様において、光源（１２０）からの光は、シンチレータ（１１０）が、光源（１２０）からの光に曝されるような放射線検出器（１００）ハウジング内の所望の波長の発光ダイオード（ＬＥＤ）又は別の光源によって発生されうる。または、シンチレータ（１１０）は、シンチレータ自身の正常発光によって励起されるときに、所望の波長で発光する蛍光物質若しくは他の物質で取り囲まれうる。光に曝すことは、シンチレータ（１１０）内の欠陥中心を飽和するために、持続時間、及び／又は、強度において十分であるべきであり、欠陥中心は実質的に荷電キャリヤをトラップ出来ず、シンチレーション過程は実質的に妨げられない。

光源（１２０）はまた、シンチレータ（１１０）へ光を導くよう設計された光の管又は光波ガイド又は反射面を含みうる。

Ｘ線又は別のイオン化放射線源は、放射線検出器（１００）内に、光源（１２０）の一部分として実装され得、及び／又は、Ｘ線発生器若しくは放射線源の一部分として設計され得る。現に開示されている課題の或る実施態様において、放射線源は、露出時間及びシンチレータ（１１０）の体積内に吸収されるエネルギー量を制御するために、放射線検出器（１００）の近傍から移動され得、又は放射線検出器（１００）から遮蔽されうる。

一実施態様において、放射線検出器（１００）は、シンチレータ（１１０）の欠陥の全てを飽和させるために、較正フェーズの間の一定期間の間、不可視の放射線（入射放射線、例えばＸ線）でシンチレータ（１１０）のあらゆる部分を照射うる。それから動作フェーズの間、同一の不可視放射線（入射放射線、例えばＸ線）は、不可視放射線でのイメージを生成するために、放射線検出器（１００）により飽和欠陥と共に検出され又は測定されるサンプル物質（例えば、生物サンプル）を貫通しうる。較正フェーズの間、光源（１２０）は、比較的一様な強度を有する不可視放射線（入射放射線、例えばＸ線）をシンチレータ（１１０）のあらゆる部分へ導き又は向けうる。動作フェーズの間、光源（１２０）の不可視放射線は、サンプル物質を通りそれからシンチレータ（１１０）内へ通る。

一実施態様において、シンチレータ（１１０）は、ガーネット型シンチレータ、例えばセリウム（Ｃｅ）を添加された例えばガドリニウム・ガリウムガーネット結晶、（一般に、ＧＧＡＧシンチレータ又はＧＡＧＧシンチレータと呼ばれる）でありうる。いくつかの実施態様において、現在開示されている対象物質は、ガドリニウム・ガリウムガーネット結晶又はセラミックスをシンチレーション物質として放射線検出器（１００）に組み込んでいる。しかし、別の物質が用いられてもよい。シンチレーション物質複合物は、Ｇｄ_３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２、Ｇｄ_３Ｇａ_２Ａｌ_３Ｏ_１２、Ｇｄ_３Ｇａ_１Ａｌ_４Ｏ_１２、及び別の変種を含みうるが、これらに限定されるものではない。これらシンチレータは、アクチベータ／ドーパント、例えばセリウム又はプロセオジウムを、共ドーパントを伴い若しくはなしに添加されてもよい。

現在開示されている対象物質に係るこれらガリウムガーネットの潜在能力の初期評価のために、単結晶形でのセリウム添加Ｇｄ_３Ｇａ_３Ａｌ_２Ｏ_１２（ＧＧＡＧ）が、シンチレータ（１１０）の物質例として用いられた。しかしながら、現在開示されている対象物質は、この詳細な組成に限定されず、またアクチベータとしてはセリウムに限定されず、また単結晶形にも限定されていない。追加の共ドーパントは、アクチベータについて異原子価及び等原子価の両方がこれら複合物に用いられうる。

ガドリニウム・ガリウムガーネットは、高密度で且つ潜在的に良好なシンチレーション特性を有するシンチレータ（１１０）の有望なクラスである。しかし、ガーネット若しくはペロブスカイト構造を有する物質は、空乏欠陥および逆サイト欠陥を有し得て、それらの欠陥は、これら物質のシンチレーション特性における障害を引き起こしうる。

放射線検出器、例えば画像応用に用いられるものは、該放射線検出器の耐用年数の間中、シンチレータの一貫した動作に依存しうる。画像装置のハードウェア、電子回路、及びソフトウェアは、シンチレータの光収量が、狭い範囲内の比較的一定に維持されるという期待の下に設計されており、この期待から外れることは、検出された信号又は画像の質の劣化をもたらしうる。

しかし、この要求されている一貫したシンチレータ動作は、格子欠陥（空乏欠陥若しくは逆サイト欠陥を含む）を有する結晶物質だけで達成されることは、困難又は不可能である。

シンチレータ（１１０）は、欠陥トラップ中心を有する物質を含み得て、トラップされた荷電キャリヤの濃度が時間経過で変化し得、それは結果的に光出力を時間に依存させる、すなわち光収量が時間経過と共に低下する。この低下した光収量は、医療画像装置において不安定かつ劣化するシンチレータ動作を引き起こす。

したがって、現在開示されている対象物質のいくつかの実施態様によると、これらトラップを再飽和させるための、低下した光収量を回復するための方法及び装置が、シンチレータ結晶を適切な特定の波長の光、Ｘ線、又は何らかの別のタイプのイオン化放射線に曝すことにより提供され、放射線検出器（１００）の動作の間、安定な光収量を有する放射線検出器（１００）を生み出している。

さらに、別の欠陥トラップ中心は、必ずしもシンチレーション機構と競合せず、又は時間依存光出力をもたらすところの残光効果を作り出しうるが、しかしシンチレータ（１１０）内に追加的な望ましくない光子の背景雑音信号を出さない。これら「残光」欠陥トラップ中心は、特定の波長の光に曝されている間に満たされうる。満たされた「残光」欠陥トラップ中心は、残光効果を起こす。これら欠陥トラップ中心は、結晶の低温加熱によって空に／解放され得、又は、光学的な漂泊現象に導く或る波長で結晶を照射することによって光学的に空にされうる。光出力の減少を起こすトラップ中心とは対照的に、残光トラップ中心は、残光効果を減らすために、満たされるのではなく空にされることが好ましい。

一実施態様において、光源（１２０）（又はシンチレータ（１１０）の近くの第２光源）は、さらに例えばシンチレータ（１１０）のあらゆる部分の何れの残光欠陥も空に／解放するように光（特定の波長、強度、及び持続時間）を調整することによって、残光欠陥による残光を最小にするために、シンチレータ（１１０）内の残光欠陥と相互作用するように光を生成する。

図２は、本発明の一実施態様の放射線検出器の特性を、或る温度範囲でのＧＡＧＧ：Ｃｅ結晶の熱−蛍光（ＴＬ）グロー曲線を示すことによって示している。

図２は、３００度Ｋ付近のグローバンド、これは室温トラップ中心と呼ばれうる、を示している。

ＧＡＧＧ：Ｃｅ結晶（５x５x５ｍｍ^３の試験サンプル）について測られたＴＬスペクトルは、１０度Ｋから５００度Ｋまでの、いくつかの（グローピークを有する）グローバンドを示し、ひいてはトラップ中心の数の存在を示している。３００度Ｋで見られるグローピークの原因である欠陥トラップ中心は、シンチレータの室温シンチレーション特性に影響を与える第１次的な原因でありうる。

室温での欠陥トラップ中心は、サンプルを加熱することによって、又は長時間サンプルを暗闇に置いておくことによって、熱的に過疎に（空に／解放）されうる。これら空にされた欠陥トラップ中心は、その後、シンチレーション過程を妨害しうる。

サンプル試験の間、シンチレーション光出力は、空気中５００℃で該結晶（５x５x５ｍｍ^３）を加熱することによって約４５％まで減少した。

光出力はまた、図３に示されたように、室温で暗闇に該サンプル置いておくことによって、時間と共に減少することが見出された。

図３は、本発明の一実施態様の放射線検出器の特性を示している。

図３に示されたように、結晶サンプルを室温で暗闇に保つことは、相対的光出力を時間の経過と共に減らすことになりうる。相対的光収量は、その光出力が、参照チャネル数１００に設定された標準ビスマス酸化ゲルマニウム（ＢＧＯ）結晶の特性と比較して、チャネル数で表されている。

もし妨げられなければ、時間の経過にともなう光収量の低下は、放射線検出器（１００）の特性を下げることにつながりうる。したがって、光収量を元の値に維持すること又は回復することが望ましい。

光を照射することで光収量を回復するために、光源（１２０）からの光の適切な波長を決定するために、該サンプル（５x５x５ｍｍ^３）は、荷電キャリヤトラップを空にするために３００℃で加熱され、測定可能な光生成を低減した。その結果、光生成の回復は、光生成の代表として、サンプルが異なる波長の光に曝された後に、フォトルミネッセンス（ＰＬ）発光強度を監視することによって試験された。

図４は、本発明の実施態様の放射線検出器の特性、特にＰＬ強度の回復に関する、ＧＡＧＧ：Ｃｅ結晶サンプルが加熱された後に様々な波長の光を照射することの効果を示している。図４の水平軸は、測定のためのフォトルミネッセンスを作るのに使われた入射放射線の波長を表している。

図４に示されたように、ＰＬ強度は、荷電キャリヤトラップが空にされた（ある期間３００℃で加熱）後のサンプルにおいて、「アニーリング前の」測定との比較において顕著に低下された。サンプルは、その後、個別に異なる波長の光に曝され、そして各特定の波長の光エネルギーの欠陥トラップを再充填する能力を観察するためにフォトルミネッセンスを介して試験された。

ＰＬ発光強度は、サンプルを４４５ｎｍ（例えばＣｅで、４ｆエネルギー帯から５ｄエネルギー帯への遷移）の光に１０分間曝した後、元の値まで回復された。

同様に、これらの結果は、結晶を５００℃まで加熱することにより、トラップを空にし、その後Ｃｓ−１３７源の放射線からの光収量シンチレーションを測定することによるシンチレーション光収量についても正しい。測定された光収量は、約４５％低下された。結晶は、その後、３０分の間、４４５ｎｍ波長の光に曝され、そしてシンチレーションの元の光収量が回復された。

表１は、様々な温度でアニールされたＧＡＧＧ：Ｃｅ結晶の相対的シンチレーション光出力を示している。該光出力は、結晶を光に曝すことなしにアニールの直後に測定され、それからサンプルを２１時間、周囲の光に曝した後に再び測定された。報告された光収量は、光収量が１００に設定されたＢＧＯ参照標準に対している。

従って、シンチレータ（１１０）を３４５ｎｍ又は４４５ｎｍの波長の光（それはＣｅ^３＋をイオン化する）で照射する光源（１２０）を有する放射線検出器（１００）は、欠陥トラップ中心を飽和させ、そして該欠陥トラップ中心がシンチレーション過程を妨害するのを防ぐことによって、実質的に一定の又は安定な光収量を装置運用寿命にわたり維持し続けることができる。

図４に示されたように、サンプルが４４５ｎｍの波長の光に曝された後に測定されたＰＬ強度は、「アニール前」のサンプルよりも高い。これは、試験の間のＴＬ発光の貢献のためである。

本発明は、特定の実施態様を参照して上に記載されたけれども、本発明は、上記の実施態様及び図面に示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、示された構成要素は、１つの構成要素として互いに組み合され得、又は１の構成要素は、いくつかの副構成要素に分割され得、又は何らかの別の公知の若しくは利用可能な構成要素が加えられうる。本発明が、本発明の精神及び実質的特徴から離れないで、別の仕方で実施されうることを、当業者は評価するであろう。従って、本実施態様は、あらゆる点において説明のためであって限定するためではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、これまでの記載によるよりも、添付された請求項によって指示されている。従って、請求項の等価なものの意味及び範囲内に入るあらゆる変更は、本出願に含まれることが意図されている。

Claims (10)

1. ハウジング、
   シンチレータ、
   センサ、
   第１内部光源、
   第２光源、及び、
   フィルタ、
   を備えるデバイスであって、
   前記シンチレータ、前記センサ、前記第１内部光源、及び、
   前記フィルタは、前記ハウジング内に配置され、
   前記デバイスは、前記デバイスの外側にある外部光源により発生された外部光を、受光して前記シンチレータに達するように形成され、
   前記シンチレータは、前記シンチレータが前記外部光に曝された場合に、可視光を発生するように形成され、
   前記第１内部光源は、前記シンチレータに隣接するように配置され、動作中に、前記第１内部光源が第１内部光に前記シンチレータを曝し、前記第１内部光は、前記シンチレータ内の欠陥中心を飽和させ、前記欠陥中心の飽和は、実質的に荷電キャリアをトラップできず、
   前記第２光源は、前記シンチレータに隣接するように配置され、動作中に、前記第２光源が第２光に前記シンチレータを曝し、前記第２光は、前記シンチレータ内の光学的な漂泊現象を引き起こすための残光のトラップ中心を再トラップし、
   前記フィルタは、前記シンチレータと前記センサの間に配置され、前記フィルタは、前記第１内部光を阻止するように形成され、
   前記第１内部光源、前記第２光源、及び前記外部光源は同じ光源ではない、
   デバイス。
2. 前記シンチレータは、ガドリニウム・ガリウム・アルミニウム・ガーネットベースの物質を含んでいる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１内部光源からの前記第１内部光は、可視光、赤外線、紫外線、Ｘ線、及びイオン化放射線の中の一つである、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１内部光源は、特定の波長の前記第１内部光を放出するように形成される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記第１内部光源は、前記シンチレータが前記第１内部光に連続的に曝されるように形成される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記第１内部光源は、シンチレーション検出の間、前記シンチレータが前記第１内部光に連続的に曝されるように形成される、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記第１内部光源は、前記シンチレータが前記第１内部光に間欠的又は周期的に曝されるように形成される、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記第１内部光源は、前記シンチレータが前記第１内部光のパルスに曝されるように形成される、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記第１内部光源は、シンチレーション検出の動作以前の較正フェーズの間の所定の期間、前記シンチレータが前記第１内部光に曝されるように形成される、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記第２光源は、特定の波長の前記第２光を発光するように形成される、請求項１に記載のデバイス。