JP6770286B2 - シンチレータパネルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、放射線を光に変換するシンチレータパネルおよびその製造方法に関する。

新世代のＸ線診断用画像検出器として、アクティブマトリクスや、ＣＣＤおよびＣＭＯＳ等の固体撮像素子を用いた平面形の放射線検出器であるＸ線検出器が注目を集めている。このＸ線検出器にＸ線を照射することにより、Ｘ線撮影像またはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。

Ｘ線検出器は、放射線を光に変換するシンチレータ層を有するシンチレータパネル、およびこのシンチレータパネルによって変換された光を電気信号に変換する光電変換基板を備えている。そして、入射Ｘ線によりシンチレータ層で変換された光が光電変換基板に到達することで電荷に変換され、この電荷が出力信号として読み出され、所定の信号処理回路等にてデジタル画像信号に変換される。

また、シンチレータ層にハロゲン化物であるＣｓＩを用いた場合は、ＣｓＩ単体では、入射Ｘ線を可視光に変換することができないことから、一般的な蛍光体と同様に入射Ｘ線に対する光の励起を活性化させるため、賦活剤を含有させている。

Ｘ線検出器においては、光電変換基板の受光感度のピーク波長が可視光領域の４００nm〜７００nm付近に存在することから、シンチレータ層にＣｓＩを用いた場合は、入射Ｘ線により励起された光の波長が５５０nm付近となるＴｌが賦活剤として用いられている。

シンチレータ層がハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体である場合、一般的な賦活剤を含有する蛍光体と同様に、シンチレータ層の特性が賦活剤であるＴｌの濃度および濃度分布に大きな影響を受けることとなる。

賦活剤を含有するシンチレータ層を有するシンチレータパネルにおいて、賦活剤の濃度および濃度分布が適正化されていない場合は、シンチレータ層の特性劣化を招くこととなり、シンチレータ層の発光特性に関連する感度（発光効率）および残像｛ｎ回目のＸ線画像に（ｎ−１）回目以前のＸ線画像の被写体像が残留する現象｝に影響が生じることとなる。

例えば、Ｘ線画像を用いた診断においては、被写体により撮影条件が大きく異なるため｛入射Ｘ線の線量：０．００８７mGy〜０．８７mGy程度（部位によりＸ線透過率が異なるため）｝、（ｎ−１）回目のＸ線画像とｎ回目のＸ線画像の入射Ｘ線の線量に大きな差異が生じることがあり、（ｎ−１）回目とｎ回目のＸ線画像の入射Ｘ線の線量差が（ｎ−１）＞ｎの場合、（ｎ−１）回目のＸ線画像の非被写体部のシンチレータ層の発光特性が、入射Ｘ線の大きなエネルギーにより変化し、ｎ回目のＸ線画像にまで、影響が残留することによって、残像が生じることとなる。

この残像特性は、Ｘ線画像を用いた診断においては、他のシンチレータ層の特性である感度（発光効率）や解像度（ＭＴＦ）に比べても重要な特性となっている。

また、ＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体で構成されるシンチレータ層では、シンチレータ層中の賦活剤であるＴｌ濃度が高い程、シンチレータ層のＸ線耐性｛Ｘ線照射によるダメージに伴うシンチレータ層の感度低下（信頼性項目）｝が劣化することが論文（非特許文献１）等に示されている。さらに、一般的に物質が高エネルギーの照射（Ｘ線等）を受けた場合、物質を構成する原子間の結合にダメージ（結合が切れる等）が生じることに由来し、特に光を透過する蛍光体等においては、高エネルギーの照射（Ｘ線等）を受けた場合、ダメージによる着色（カラーセンター）が発生することが論文（非特許文献２）等に記載されている。

そして、ＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体で構成されるシンチレータ層には、さらなる特性の改善に課題がある。

従来、シンチレータ層の特性の改善については、感度（発光効率）、解像度（ＭＴＦ）、残像など、それぞれ個別の特性の改善に関するものが多く、残像特性およびＸ線耐性も含めた総合的な特性の改善に関するものはなかった。

特開２０１４−２０７８１号公報 特開２０１５−３８４５９号公報

Sara Bergenius,「GLAST CsI(Tl) Crystal」,ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY,Stockholm 2004,ISBN:91-7283-754-3 Simon Jolly,「Radiation damage and afterglow in CsI(Tl)」,Brunel University, Institute of Physical and Environmental Sciences,Physics Unit

本発明が解決しようとする課題は、シンチレータ層の残像特性および放射線耐性も含めた総合的な特性を改善できるシンチレータパネルおよびその製造方法を提供することである。

本実施形態のシンチレータパネルは、放射線を透過する支持基板と、支持基板上に形成され、外部から入射した放射線を光に変換するシンチレータ層とを具備する。シンチレータ層は、ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体である。シンチレータ層の膜厚方向における放射線の入射側を入射側領域、および入射側領域とは反対側を非入射側領域とすると、入射側領域における蛍光体中の賦活剤の濃度は０．２mass％±０．１５mass％、非入射側領域における蛍光体中の賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％であり、非入射側領域の膜厚は入射側領域の膜厚よりも厚い。

一実施形態を示すシンチレータパネルの第１の構造例の断面図である。 同上シンチレータパネルの第２の構造例の断面図である。 同上シンチレータパネルの第３の構造例の断面図である。 同上シンチレータパネルの第４の構造例の断面図である。 同上シンチレータパネルを用いた撮影装置の断面図である。 同上シンチレータパネルのシンチレータ層のＴｌ濃度と感度比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層のＴｌ濃度とＭＴＦ比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層のＴｌ濃度と残像比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層の積層周期と感度比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層の積層周期とＭＴＦ比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層の積層周期と残像比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層の膜厚と残像比との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層のＴｌ濃度とＸ線耐性（感度減衰比）との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層を示し、(a)はシンチレータ層を示す模式図、(b)はシンチレータ層に入射するＸ線の線質が硬い場合のＸ線吸収量を示す模式図、(c)はシンチレータ層に入射するＸ線の線質が柔らかい場合のＸ線吸収量を示す模式図である。 同上シンチレータ層の膜厚と管電圧との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層の膜厚とＸ線吸収率との相関を示すグラフである。 同上シンチレータ層の一般的な形成方法を示す模式図である。 同上シンチレータ層の本実施形態の形成方法を(a)(b)に示す模式図である。 同上シンチレータパネルのサンプルＩ、II、III、IV、Ｖの同上シンチレータ層を示す模式図であり、(a)(b)(c)(d)(e)のサンプル毎の模式図である。 同上シンチレータパネルのサンプルＩ、II、III、IV、Ｖを用いて取得したＸ線画像であり、(a)(b)(c)(d)(e)はサンプル毎のＸ線画像である。 同上シンチレータパネルのサンプルＩ、II、III、IV、Ｖを用いて取得した各特性を示す表である。

以下、一実施形態を、図１ないし図２１を参照して説明する。

図１ないし図４にはシンチレータパネル10の基本構成について第１ないし第４の構造例を示す。

まず、図１を参照して、シンチレータパネル10の第１の構造例を説明する。シンチレータパネル10は、放射線としてのＸ線を透過する支持基板11を有し、この支持基板11上に光を反射する反射層12が形成され、この反射層12上に放射線を可視光に変換するシンチレータ層13が形成され、このシンチレータ層13上にシンチレータ層13を密閉する保護層14が積層されて形成されている。

支持基板11は、遷移金属元素よりも軽元素を主成分とし、Ｘ線の透過率がよい物質から構成されている。

反射層12は、シンチレータ層13で発生した光を支持基板11とは反対方向へ反射させて光利用効率を高める。

シンチレータ層13は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の気相成長法で、高輝度蛍光物質であるヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等のハロゲン化合物やガドリニウム硫酸化物（ＧＯＳ）等の酸化物系化合物等の蛍光体を、支持基板11上に柱状に堆積させて成膜されている。そして、シンチレータ層13は、支持基板11の面方向に複数の短冊状の柱状結晶13aが形成された柱状結晶構造に形成されている。

そして、このように構成されたシンチレータパネル10において、支持基板11側からシンチレータ層13へと入射した放射線としてのＸ線16がこのシンチレータ層13の柱状結晶13aにて可視光17に変換され、支持基板11とは反対側のシンチレータ層13の表面（保護層14の表面）から可視光17が出射する。

また、図２にシンチレータパネル10の第２の構造例を示す。図１に示したシンチレータパネル10の第１の構造例において、反射層12を備えていないだけで、他の構成は同様である。この場合、支持基板11には、反射率の高い例えばＡｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ等の金属材料が用いられる。

また、図３にシンチレータパネル10の第３の構造例を示す。図１に示したシンチレータパネル10の第１の構造例において、シンチレータ層13が柱状結晶13aをなしていないだけで、他の構成は同様である。

また、図４にシンチレータパネル10の第４の構造例を示す。図２に示したシンチレータパネル10の第２の構造例において、シンチレータ層13が柱状結晶13aをなしていないだけで、他の構成は同様である。

また、図５にはシンチレータパネル10を用いた例えばＣＣＤ−ＤＲ方式の撮影装置20を示す。撮影装置20は、筐体21を有し、この筐体21の一端にシンチレータパネル10が設置され、筐体21の内部に鏡面の反射板22および光学レンズ23が設置され、筐体21の他端に例えばＣＣＤ等の受光素子24が設置されている。そして、Ｘ線発生源（Ｘ線管）25から放射されたＸ線16がシンチレータパネル10に入射し、シンチレータ層13で変換した可視光17がシンチレータ層13の表面から出射される。このシンチレータ層13の表面にＸ線像が映し出され、このＸ線像を反射板22で反射するとともに光学レンズ23で集光して受光素子24に照射し、受光素子24でＸ線像を電気信号に変換して出力する。

ＣＣＤ−ＤＲ方式の撮影装置20に用いられる受光素子24は、受光感度のピーク波長が４００〜７００ｎｍの可視光領域に存在するため、シンチレータ層13にＣｓＩを用いた場合、Ｘ線16の入射により励起された光の波長が５５０ｎｍ付近となるＴｌが賦活剤として用いられる。

そして、図１ないし図４に示される構造のシンチレータパネル10において、シンチレータ層13は、ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体であり、さらに次の(1)(2)(3)(4)の特徴を有している。

(1)：蛍光体中の賦活剤の濃度はシンチレータ層13の膜厚方向に分布が存在する。すなわち、シンチレータ層13の膜厚方向におけるＸ線16の入射側を入射側領域Ａ、および入射側領域Ａとは反対側（シンチレータ層13で変換した可視光17の出力側）を非入射側領域Ｂとすると、入射側領域Ａにおける蛍光体中の賦活剤の濃度は０．２mass％±０．１５mass％、非入射側領域Ｂにおける蛍光体中の賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％である。さらに、シンチレータ層13は、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂの賦活剤の濃度領域のみで構成され、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂ以外の賦活剤の濃度領域は存在しない。

(2)：シンチレータ層13の膜厚方向における入射側領域Ａが占める割合は１０％以上である。

(3)：シンチレータ層13は、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂ内における単位膜厚２００nm以下の領域において、面内方向および膜厚方向の賦活剤の濃度分布が±１５％以下であり、均一性が維持されている。

(4)：シンチレータ層13は、ＣｓＩとＴｌＩの２つの蒸発源（材料源）を用いた真空蒸着法により形成され、かつ好ましくは短冊状の柱状結晶13aの構造を有している。

ここで、図１に示される第１の構造例のシンチレータパネル10において、シンチレータ層13の膜厚：３５０μm、シンチレータ層13の母材：ＣｓＩ、賦活剤：Ｔｌとし、シンチレータ層13中のＴｌ濃度と各特性との相関を試験した結果を図６ないし図８に示す。

図６はシンチレータ層13中のＴｌ濃度と感度比との相関を示す。試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、感度比：シンチレータ層13中のＴｌ濃度が０．１mass％の場合の感度を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。そして、図６に示すように、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が１．４mass％〜１．８mass％近辺において最も感度が向上した。

図７はシンチレータ層13中のＴｌ濃度と解像度であるＭＴＦ比との相関を示す。試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、ＭＴＦ比：シンチレータ層13中のＴｌ濃度が０．１mass％の場合のＭＴＦ（at 2Lp/mm）を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。そして、図７に示すように、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が２．０mass％付近までは略一定となった。

図８はシンチレータ層13中のＴｌ濃度と残像比との相関を示す。試験条件は、（ｎ−１）回目とｎ回目のＸ線画像の入射Ｘ線の線量差を（ｎ−１）＞ｎとし、（ｎ−１）回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．８７mGy、被写体：鉛板（板厚３mm）、Ｘ線画像取得間隔：６０secとし、ｎ回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、被写体：無し、Ｘ線画像取得間隔：６０secとする。さらに、残像比：シンチレータ層13中のＴｌ濃度が０．１mass％の場合の残像を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。そして、図８に示すように、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が１．６mass％近辺において残像が最小レベルとなった。さらに、残像比が０．５（好ましくは０．４）以下の領域であって、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が１．６mass％±０．４mass％の領域では、残像が確認されなかった。

そして、図８に示すように、シンチレータ層13である蛍光体中の賦活剤の濃度が１．６mass％近辺において残像が最小レベルとなり、残像比が０．５（好ましくは０．４）以下となる１．６mass％±０．４mass％の領域では残像が確認されず、また、図６および図７に示すように、１．６mass％±０．４mass％の領域では感度およびＭＴＦの各特性も良好であるため、シンチレータ層13の残像特性も含めた総合的な特性を改善するには、賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％の領域が好ましい。

また、図１に示される第１の構造例のシンチレータパネル10において、シンチレータ層13の膜厚：３５０μm、シンチレータ層13の母材：ＣｓＩ、賦活剤：Ｔｌとし、シンチレータ層13中のＴｌ濃度を一定とした場合のシンチレータ層13の積層周期｛単位膜厚（基板１回転当りの形成膜厚）の形成周期｝と各特性との相関を試験した結果を図９ないし図１１に示す。

図９はシンチレータ層13の積層周期と感度比との相関を示す。試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、シンチレータ層13中のＴｌ濃度：０．１mass％、感度比：シンチレータ層13の積層周期が２００nmの場合の感度を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。

図１０はシンチレータ層13の積層周期とＭＴＦ比との相関を示す。試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、シンチレータ層13中のＴｌ濃度：０．１mass％、ＭＴＦ比：シンチレータ層13の積層周期が２００nmの場合のＭＴＦ（at 2Lp/mm）を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。

図１１はシンチレータ層13の積層周期と残像比との相関を示す。試験条件は、（ｎ−１）回目とｎ回目のＸ線画像の入射Ｘ線の線量差を（ｎ−１）＞ｎとし、（ｎ−１）回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．８７mGy、被写体：鉛板（板厚３mm）、Ｘ線画像取得間隔：６０secとし、ｎ回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、被写体：無し、Ｘ線画像取得間隔：６０secとする。さらに、シンチレータ層13中のＴｌ濃度：０．１mass％、残像比：シンチレータ層13の積層周期が２００nmの場合の残像を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。

そして、図９ないし図１１に示すように、シンチレータ層13の積層周期が２００nm以上の領域では、各特性が劣化する傾向となった。

これは、シンチレータ層13の発光波長のピーク波長は５５０nm付近であるが、シンチレータ層13の母材であるＣｓＩの屈折率が１．８であるため、シンチレータ層13内を伝播する発光波長のピーク波長をλ1とすると、屈折率と波長との関係から、λ1＝５５０nm／１．８＝３０６nmと見なせるため、シンチレータ層13の積層周期がλ1よりも大きい場合は、シンチレータ層13の結晶性のばらつき、およびシンチレータ層13中のＴｌ濃度のばらつき等に伴う光学特性の劣化（散乱・減衰等）の影響を受ける可能性が高くなることと合致するからである。

また、図６ないし図８に示されるように、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が１．６mass％±０．４mass％の領域では、各特性が安定状態に近いため、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が変動（±１５％程度）しても、各特性の変動は小さいこととなる。

蛍光体中の賦活剤の濃度が１．６mass％±０．４mass％の領域にあっても、蛍光体の面内方向および膜厚方向における賦活剤の濃度分布に大きな偏りがあれば、各特性が大きく変動してしまいやすいので、蛍光体の面内方向および膜厚方向における賦活剤の濃度分布が±１５％以内にあることが好ましい。この賦活剤の濃度分布が±１５％程度の変動範囲内であれば、各特性の変動は小さく影響は少ない。

したがって、シンチレータ層13の残像特性も含めた総合的な特性を改善するには、蛍光体中の賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％で、かつ蛍光体の面内方向および膜厚方向における賦活剤の濃度分布が±１５％以内であることが好ましい。さらに、蛍光体の少なくとも単位膜厚２００nm以下の領域において、蛍光体の面内方向および膜厚方向における賦活剤の濃度分布に大きな偏りがあれば、各特性が大きく変動してしまいやすいので、単位膜厚２００nm以下の領域においても蛍光体の面内方向および膜厚方向における賦活剤の濃度分布が±１５％以内であることが好ましい。

次に、図１に示される第１の構造例のシンチレータパネル10において、シンチレータ層13の母材：ＣｓＩ、賦活剤：Ｔｌ、シンチレータ層13の積層周期：１５０nmとし、シンチレータ層13の膜厚と各特性との相関を試験した結果を図１２および図１３に示す。

図１２はシンチレータ層13の膜厚と残像比との相関を示す。試験条件は、（ｎ−１）回目とｎ回目のＸ線画像の入射Ｘ線の線量差を（ｎ−１）＞ｎとし、（ｎ−１）回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．８７mGy、被写体：鉛板（板厚３mm）、Ｘ線画像取得間隔：６０secとし、ｎ回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、被写体：無し、Ｘ線画像取得間隔：６０secとする。さらに、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が０．１mass％、残像比：シンチレータ層13の膜厚が６００μmの場合の残像を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。そして、図１２に示すように、シンチレータ層13の膜厚が薄い程、残像も小さくなった。これは、シンチレータ層13の膜厚が薄くなると、Ｘ線吸収率（ＤＱＥ）の低下に伴い感度低下が発生するが、残像特性はシンチレータ層13の発光特性の１つであるため、感度低下（入射Ｘ線により励起される光の減少）に伴い相対的に残像も減少すると考えられる。

図１３はシンチレータ層13中のＴｌ濃度とＸ線耐性（Ｘ線照射によるダメージに伴うシンチレータ層13の感度減衰）との相関を示す。試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、Ｘ線耐性における積算照射線量：通常のＸ線画像診断における３年間使用相当、感度減衰比：シンチレ−タ層中のＴｌ濃度が０．１mass%の場合のＸ線耐性後の感度減衰率を基準（１．０）とした比率であり、各試験サンプルのシンチレータ層形成条件（シンチレータ層13中のＴｌ濃度を除く）は同一である。そして、図１３に示すように、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が一定の閾値である０．４mass%よりも少ないと、Ｘ線耐性の劣化が少なく、また、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が一定の閾値である０．４mass%以上になると、Ｘ線耐性の劣化が顕著となり、さらにＴｌ濃度が一定の閾値である１．０mass%以上になると、Ｘ線耐性の劣化傾向が鈍化した。

これは、一般的に物質が高エネルギーの照射（Ｘ線等）を受けた場合、物質を構成する原子間の結合にダメージ（結合が切れる等）が生じることに由来し、特に光を透過する蛍光体等においては、高エネルギーの照射（Ｘ線等）を受けた場合、ダメージによる着色（カラーセンター）が発生するためと考えられる（前記非特許文献２参照）。また、一般的に、物質が高エネルギーの照射（Ｘ線等）を受けた場合、高エネルギーの照射によるダメージは物質の結晶状態に依存し、不純物濃度が高い場合や結晶の歪が大きい場合は、不純物濃度が低い場合や結晶の歪が小さい場合に対してダメージが大きくなることが考えられる。

ここで、ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体で構成されるシンチレータ層13においては、賦活剤は不純物であることから、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が高い程、入射Ｘ線によるダメージが顕著となるため、図１３に示されるシンチレータ層13中のＴｌ濃度とＸ線耐性（感度減衰比）の相関とも合致することになる。

したがって、シンチレータ層13のＸ線耐性を改善するには、蛍光体中の賦活剤の濃度は０．４mass%以下が好ましいが、図６および図８に示されるように、蛍光体中の賦活剤の濃度が０．０５mass%以下（０mass%では発光しない）では、感度および残像の劣化傾向が顕著となる。すなわち、シンチレータ層13に顕著な特性劣化を起こさずにＸ線耐性を改善するには、蛍光体中の賦活剤の濃度は０．２mass％±０．１５mass％以内であること好ましい。

次に、図１４(a)はシンチレータ層13を示す模式図、図１４(b)はシンチレータ層13に入射するＸ線16の線質が硬い場合のＸ線吸収量を示す模式図、図１４(c)はシンチレータ層13に入射するＸ線16の線質が柔らかい場合のＸ線吸収量を示す模式図である。また、シンチレータ層13の母材をＣｓＩとした場合におけるシンチレータ層13の膜厚と各特性との相関を試験した結果を図１５および図１６に示す。

図１４(a)(b)(c)に示されるように、シンチレータ層13に入射したＸ線16はシンチレータ層13で吸収および可視光に変換されることから、入射Ｘ線のエネルギーはシンチレータ層13の膜厚方向ｚに沿って順次減衰するため、シンチレータ層13の発光レベルも膜厚方向ｚに沿って順次減衰することとなる。

このため、シンチレータ層13にＸ線16が入射した場合、シンチレータ層13の発光特性は、Ｘ線入射側のシンチレータ層13の特性に依存することとなる。

図１５はＸ線吸収率５０％におけるシンチレータ層13の膜厚とＸ線の線質｛Ｘ線発生源（Ｘ線管）の管電圧｝との相関｛ＮＩＳＴ（米国立標準技術研究所）の材料データより概算｝である。試験条件は、入射Ｘ線：単一線（単一の線質で形成されるＸ線）、シンチレータ層13のＸ線吸収率：５０％である。

図１６は管電圧７０kVにおけるシンチレータ層13の膜厚とＸ線吸収率との相関である。試験条件は、入射Ｘ線：単一線、Ｘ線の線質（管電圧）：７０kVである。

そして、図１４(b)(c)、図１５および図１６から分かるように、Ｘ線は線質が硬い｛Ｘ線発生源（Ｘ線管）の管電圧が高い｝程、物質の透過性が高いため、シンチレータ層13にＸ線が入射した場合、Ｘ線の線質が硬い程、シンチレータ層13の膜厚方向ｚに沿って生じる減衰は小さくなる。

しかし、Ｘ線発生源であるＸ線管の特性上、発生するＸ線は単一線では無く、設定された線質よりも軟らかい線質｛Ｘ線発生源（Ｘ線管）の管電圧が低い｝が多く含まれるため、一般的なＸ線画像を用いた診断においては、シンチレータ層13の発光特性はよりＸ線入射側のシンチレータ層13の特性に依存することとなる。

例えば、シンチレータ層13の母材をＣｓＩ、シンチレータ層13の膜厚を５００μm、入射Ｘ線の管電圧を７０kV（単一線）とした事例の場合、シンチレータ層13のＸ線吸収率は約５０％であり、かつシンチレータ層13のＸ線の入射側の領域（シンチレータ層13の膜厚の１／１０の領域）において、シンチレータ層13に吸収されたＸ線全体のうちの１５％以上が吸収されることとなる。

さらに、Ｘ線発生源であるＸ線管から発生されるＸ線は単一線では無く、設定された線質よりも軟らかい線質が多く含まれるため、前記事例の場合、シンチレータ層13のＸ線入射側の領域（シンチレータ層13の膜厚の１／１０程度の領域）において、シンチレータ層13に吸収されたＸ線全体のうちの少なくとも２５％以上が吸収されると考えられる。

一般的な間接方式のＸ線平面画像検出器や図５に示されるＣＣＤ−ＤＲ方式の撮影装置20においては、不要な被曝を軽減するため、シンチレータ層13のＸ線吸収率が少なくとも５０％以上となるようなシンチレータ層13の膜厚を選択することが多く、例えば、管電圧を７０kV付近として使用されることが多い一般撮影用途のＸ線平面画像検出器の場合、シンチレータ層13の膜厚は５００μm以上とすることが一般的である。

このため、一般的な間接方式のＸ線平面画像検出器や図５に示されるＣＣＤ−ＤＲ方式の撮影装置20は、シンチレータ層13のＸ線の入射側の領域（シンチレータ層13の膜厚の１／１０程度の領域）において、シンチレータ層13の発光全体のうちの２５％以上が発生すると考えられる。

次に、図１７にシンチレータ層13の一般的な形成方法の模式図を示す。真空チャンバ30内に支持基板11を配置し、この支持基板11を回転させながら、真空チャンバ30内に設置されているＣｓＩの蒸発源31からの蒸発粒31aとＴｌＩの蒸発源32からの蒸発粒32aを支持基板11の積層面に蒸着する真空蒸着法により、シンチレータ層13を積層形成する。

このとき、支持基板11の回転周期とＣｓＩおよびＴｌＩの蒸発とを制御すれば、シンチレータ層13の積層周期当りの面内方向および膜厚方向のＴｌ濃度分布を任意に制御することができる。そのため、シンチレータ層13の形成時において、シンチレータ層13の積層周期当りの面内方向および膜厚方向のＴｌ濃度分布の均一性を確保すれば、シンチレータ層13の全体の面内方向および膜厚方向のＴｌ濃度分布の均一性も確保されることとなる。

さらに、図１８(a)(b)にシンチレータ層13の本実施形態の形成方法の模式図を示す。真空チャンバ30内に、ＣｓＩの蒸発源31、必要とされるＴｌ濃度に対応したＴｌＩの２つの蒸発源32-1，32-2が配置されている。そして、真空チャンバ30内に支持基板11を配置し、この支持基板11を回転させながら、ＣｓＩの蒸発源31からの蒸発粒31aと、必要とされるＴｌ濃度によって切り換えられるＴｌＩの蒸発源32-1，32-2からの蒸発粒32a-1，32a-2とを支持基板11の積層面に蒸着する真空蒸着法により、シンチレータ層13を積層形成する。これにより、シンチレータ層13の膜厚方向のＴｌ濃度分布を変化させることが可能となる。すなわち、シンチレータ層13の入射側領域をＡ、非入射側領域をＢとした場合、蛍光体中の賦活剤の膜厚方向の濃度および濃度分布をＡ＜Ｂとし、かつ入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂの賦活剤の濃度領域のみで構成し、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂ以外の賦活剤の濃度領域は存在しないように形成することが可能となる。

以上のことから、ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体で構成されるシンチレータ層13において、シンチレータ層13の入射側領域ＡをＸ線耐性が良好なＴｌ濃度とし、かつ残りの非入射側領域ＢのＴｌ濃度を最適化すれば、残像特性の改善とＸ線耐性の改善との両立が可能となる。すなわち、入射側領域Ａにおける蛍光体中の賦活剤の濃度は０．２mass％±０．１５mass％、非入射側領域Ｂにおける蛍光体中の賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％とすることにより、残像特性の改善とＸ線耐性の改善との両立が可能となる。

しかも、入射側領域Ａにおける蛍光体中の賦活剤の濃度と非入射側領域Ｂにおける蛍光体中の賦活剤の濃度との間の濃度領域は、入射側領域Ａに比べてＸ線耐性が低下し、非入射側領域Ｂに比べて残像特性が低下するため、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂの賦活剤の濃度領域のみで構成し、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂ以外の賦活剤の濃度領域は存在しないものとすることにより、高いレベルでの残像特性の改善とＸ線耐性の改善との両立が可能となる。

さらに、シンチレータ層13の膜厚方向における入射側領域Ａが占める割合を１０％以上とすれば、残像特性の改善とＸ線耐性の改善との両立が可能となる。例えば、シンチレータ層13の膜厚方向における入射側領域Ａが占める割合が１０％よりも小さいと、各特性の改善バランスが崩れることとなる。

さらに、シンチレータ層13は、入射側領域Ａおよび非入射側領域Ｂ内における単位膜厚２００nm以下の領域において、面内方向および膜厚方向の賦活剤の濃度分布が±１５％以下であり、均一性が維持されていることにより、安定した各特性が得られる。

さらに、シンチレータ層13は、ＣｓＩとＴｌＩの２つの蒸発源32-1，32-2を用いた真空蒸着法により形成され、かつ好ましくは短冊状の柱状結晶13aの構造を有している。

故に、ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体で構成されるシンチレータ層13に上記(1)〜(4)の特徴を付与すれば、シンチレータ層13の特性改善（残像特性およびＸ線耐性を含めた総合的な改善）が可能となる。

また、図１に示される第１の構造例のシンチレータパネル10の実施例について説明する。この実施例では、シンチレータ層13の母材：ＣｓＩ、賦活剤：Ｔｌ、シンチレータ層13の積層周期：１５０nm、シンチレータ層13の面内方向および膜厚方向の賦活剤の濃度分布：±１５％とし、シンチレータ層13の膜厚方向の濃度分布の有無、シンチレータ層13中の賦活剤の濃度をそれぞれ異ならせたサンプルＩ、II、III、IV、Ｖを作成する。図１９(a)(b)(c)(d)(e)にはサンプルＩ、II、III、IV、Ｖのシンチレータ層13の模式図を示す。

サンプルＩは、シンチレータ層13の膜厚方向の濃度分布：一定、シンチレータ層13の膜厚：３５０μm、シンチレータ層13中の賦活剤の濃度：０．１mass％である。

サンプルIIは、シンチレータ層13の膜厚方向の濃度分布：一定、シンチレータ層13の膜厚：３５０μm、シンチレータ層13中の賦活剤の濃度：１．２mass％である。

サンプルIIIは、シンチレータ層13の入射側領域をＡ、および非入射側領域をＢとし、入射側領域Ａでは膜厚：３５μm、および賦活剤の濃度：０．１mass％であり、非入射側領域Ｂでは膜厚：３１５μm、および賦活剤の濃度：１．２mass％である。

サンプルIVは、シンチレータ層13の膜厚方向の濃度分布：一定、シンチレータ層13の膜厚：３５０μm、シンチレータ層13中の賦活剤の濃度：１．６mass％である。

サンプルＶは、シンチレータ層13の入射側領域をＡ、および非入射側領域をＢとし、入射側領域Ａでは膜厚：３５μm、および賦活剤の濃度：０．１mass％であり、非入射側領域Ｂでは膜厚：３１５μm、および賦活剤の濃度：１．６mass％である。

これら５つのサンプルＩ、II、III、IV、Ｖについて、それぞれ図６に示されるＣＣＤ−ＤＲ方式の撮影装置20に組み合わせ、特定の撮影条件下にて被写体を撮影し、所定の画像処理条件にて撮影画像を処理した場合のＸ線画像（ｎ回目）を図２０(a)(b)(c)(d)(e)に示すとともに、特性の結果を図２１の表に示す。

図２１において、感度比、ＭＴＦ比、残像比は、シンチレータ層13中のＴｌ濃度が０．１mass％の場合を基準（１．００）とした比率である。感度減衰比は、シンチレ−タ層中のＴｌ濃度が０．１mass%の場合のＸ線耐性後の感度減衰率を基準（１．００）とした比率である。

感度比およびＭＴＦ比の試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGyとする。残像比の試験条件は、（ｎ−１）回目とｎ回目のＸ線画像の入射Ｘ線の線量差を（ｎ−１）＞ｎとし、（ｎ−１）回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．８７mGy、被写体：鉛板（板厚３mm）、Ｘ線画像取得間隔：６０secとし、ｎ回目のＸ線画像では入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、被写体：無し、Ｘ線画像取得間隔：６０secとする。Ｘ線耐性の試験条件は、入射Ｘ線：７０kV−０．００８７mGy、積算照射線量：通常のＸ線画像診断における３年間使用相当とする。

画像処理条件は、フラットフィールド補正（Flat Field Correction）：有り、ウィンドウ処理：有り（画像のヒストグラム平均値±１０％）とする。

そして、図２０(a)に示すように、賦活剤の濃度が０．１mass％のサンプルＩでは、図中破線で囲む範囲に残像が確認された。一方、図２０(b)(c)(d)(e)に示すように、サンプルII、III、IV、Ｖでは、図中破線で囲む範囲に残像は確認されなかった。

図２１に示すように、サンプルＩは、Ｘ線耐性（感度減衰比）が最も優れるが、感度比が低下するとともに、残像比が高くなって上述のように残像が確認されるようになる。

サンプルIIは、サンプルＩに比べて、感度比および残像比が改善されたが、Ｘ線耐性（感度減衰比）の低下が確認された。

サンプルIIIは、サンプルIIに比べて、感度比および残像比がわずかに低下するもののＸ線耐性（感度減衰比）の改善が確認された。

サンプルIVは、サンプルＩ、II、IIIに比べて、感度比および残像比の改善が確認されたが、Ｘ線耐性（感度減衰比）の低下が確認された。

サンプルＶは、サンプルIIIに比べて、Ｘ線耐性（感度減衰比）がほとんど変わらず、感度比および残像比の改善が確認された。さらに、サンプルＶは、サンプルIVに比べて、感度比および残像比がわずかに低下するものの、Ｘ線耐性（感度減衰比）の改善が確認された。

したがって、シンチレータ層13に本実施形態で規定される上記(1)〜(4)の特徴を付与すれば、感度やＭＴＦも良好な状態で、残像特性の改善とＸ線耐性の改善との両立ができるため、シンチレータパネル10の高性能化と信頼性の向上が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 シンチレータパネル
11 支持基板
13 シンチレータ層
16 放射線としてのＸ線
Ａ 入射側領域
Ｂ 非入射側領域

Claims (7)

1. 放射線を透過する支持基板と、
   前記支持基板上に形成され、外部から入射した放射線を光に変換するシンチレータ層と
   を具備し、
   前記シンチレータ層は、
   ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体であり、
   前記シンチレータ層の膜厚方向における前記放射線の入射側を入射側領域、および前記入射側領域とは反対側を非入射側領域とすると、前記入射側領域における前記蛍光体中の前記賦活剤の濃度は０．２mass％±０．１５mass％、前記非入射側領域における前記蛍光体中の前記賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％であり、前記非入射側領域の膜厚は前記入射側領域の膜厚よりも厚い
   ことを特徴とするシンチレータパネル。
2. 前記シンチレータ層は、前記入射側領域および前記非入射側領域の前記賦活剤の濃度領域のみで構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のシンチレータパネル。
3. 前記シンチレータ層の膜厚方向における前記入射側領域が占める割合は１０％以上である
   ことを特徴とする請求項１または２記載のシンチレータパネル。
4. 前記シンチレータ層は、前記入射側領域および前記非入射側領域内におけるそれぞれの単位膜厚２００nm以下の領域において、面内方向および膜厚方向のそれぞれの前記賦活剤の濃度分布が±１５％以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載のシンチレータパネル。
5. 前記シンチレータ層は、柱状結晶構造を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載のシンチレータパネル。
6. 前記支持基板は、遷移金属元素よりも軽元素を主成分とする物質から構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一記載のシンチレータパネル。
7. 放射線を透過する支持基板と、前記支持基板上に形成され外部から入射した放射線を光に変換するシンチレータ層とを具備するシンチレータパネルの製造方法であって、
   前記シンチレータ層は、ハロゲン化物であるＣｓＩにＴｌを賦活剤として含有する蛍光体であり、
   前記シンチレータ層の膜厚方向における前記放射線の入射側を入射側領域、および前記入射側領域とは反対側を非入射側領域とすると、前記入射側領域における前記蛍光体中の前記賦活剤の濃度は０．２mass％±０．１５mass％、前記非入射側領域における前記蛍光体中の前記賦活剤の濃度は１．６mass％±０．４mass％であり、前記非入射側領域の膜厚は前記入射側領域の膜厚よりも厚くなるように、前記ＣｓＩと前記Ｔｌとを材料源とした気相成長法により前記シンチレータ層を形成する
   ことを特徴とするシンチレータパネルの製造方法。