JP6949479B2

JP6949479B2 - シンチレータプレート、放射線検出器及び放射線計測システム

Info

Publication number: JP6949479B2
Application number: JP2016238663A
Authority: JP
Inventors: 良太大橋; 安居　伸浩; 伸浩安居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: JP2018096714A

Description

本発明は、シンチレータプレート、放射線検出器及び放射線計測システムに関する。

被写体に放射線を照射し、透過した放射線を検出することで像を得る放射線撮影において、検出した放射線を電気信号に変換して像を得るデジタルラジオグラフィ（ＤＲ）が普及している。一般にＤＲでは、二次元状に配列した画素から成る受光素子と、受光素子面上に配置されたシンチレータ層から構成されるフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）が使用されている。用途にもよるが、多くの場合ＦＰＤには数１０ｃｍ四方以上の広い撮像エリアが求められるため、シンチレータ層は大面積に形成する必要がある。このため大面積に形成可能な真空蒸着法や、シンチレータ粒子を分散させたバインダー剤を塗布する塗布法を用いてシンチレータ層は形成される。特にヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を蒸着することで形成したシンチレータ層は、ヨウ化セシウムを針状結晶として成長させることで、針状結晶内での光導波によりクロストークが抑制されるため、高い位置分解能が得られる利点を有している。しかし、ＣｓＩ針状結晶は、隣接する針状結晶同士が癒着しやすく、この癒着がシンチレーション光の導波性を低下させ、放射線検出器の解像度を低下させることが懸念されている。

そこで、特許文献１には、屈折率の異なる２つの結晶相を備える構造体をシンチレータ層とすることが提案されている。この構造体は、一方向性を有する複数の第１の相（シリンダー相）と、第１の相の周りに位置する第２の相（マトリックス相）とを有する相分離結晶体であり、第１の相又は第２の相で発光したシンチレーション光が屈折率の高い方の相に閉じ込められる。これにより、シンチレーション光が第１の相の延伸方向に導波されるため、この構造体をシンチレータ層として用いることで、高い解像度を得ることができる。この構造体は、第１の相の間に第２の相が配置されているため、第１の相同士の癒着はＣｓＩ針状結晶同士の癒着よりも起きにくい。よって、シンチレータ層として相分離結晶体を用いた方が、ＣｓＩ針状結晶を用いるよりも、高い解像度が得られると考えられる。屈折率の異なる２つの結晶相が完全に分離した相分離結晶体から成るシンチレータ層を作製するには、シンチレータ結晶を微細加工する手法、共晶組成の２相を一軸方向に相分離して成長させる手法などが考えられる。

しかし、これらの手法で数１０ｃｍ四方の大きな面積を有する相分離結晶体を得ることは技術的に困難であり、ＦＰＤのシンチレータ層として利用するには定形状に加工した複数の相分離結晶体を受光素子面上に敷き詰め（タイリング）て、接着することで広い撮像エリアを確保する必要がある。一方、タイリングする際、加工精度の限界から隣接する相分離結晶体間に僅かな隙間が生じる。この隙間は、加工精度にもよるが、数μｍから数十μｍ程度になる。特許文献２には、タイリングに際して隙間に光の反射、散乱を低減する適切な屈折率を有する媒質を充填し、画像処理を施すことで、Ｘ線画像への影響を低減させる技術が開示されている。

特開２０１３−４７３３４号公報特開２０１３−２４８３３号公報

しかしながら、媒質で充填した隙間（接着層）に沿って入射するＸ線に対してはシンチレータ層が存在せず、不感領域となる。このため、受光素子の画素がこの隙間に対して無視できない程大きな場合、隙間に沿って入射するＸ線に対しては、情報が欠損する画素が存在することになる。そしてこのような画素に対しては、画像処理を施しても情報を回復することは困難であり、隙間に相当する領域が撮影画像に現れてしまうという問題が懸念される。

そこで、本発明は、複数のシンチレータをタイリングして構成されるシンチレータプレートにおいて、タイリング境界領域に入射するＸ線に対する不感領域の発生し難い構造を提供する。そして欠損画素の発生確率が低減されたシンチレータプレートを提供することを目的とする。

本発明により提供されるシンチレータプレートは、一方の面の所定の位置より入射した光を、前記所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する第１の光学部材と、第１の光学部材上に配された複数のシンチレータと、を備えたシンチレータプレートであって、
前記複数のシンチレータの面の法線方向で、且つ前記第１の光学部材が位置する方向に、前記複数のシンチレータを夫々投影したとき前記第１の光学部材に至るまでの間に隣接する前記複数のシンチレータの端部同士が重なりあうことを特徴とする。

本発明においては、複数のシンチレータの面の法線方向で、且つ第１の光学部材が位置する方向に、複数のシンチレータを夫々投影したとき第１の光学部材に至るまでの間に隣接する複数のシンチレータの端部同士が重なりあうようにシンチレータを配置している。これによりタイリング境界領域に入射するＸ線に対する不感領域の発生し難い構造を提供できる。そして、欠損画素の発生確率が低減されたシンチレータプレートを提供できる。

本発明のシンチレータプレートを備えた放射線検出器を説明する模式図である。本発明に適用されるシンチレータ結晶体の一例についての模式図である。本発明に係るＸ線画像の補正手段を示す模式図である。本発明に係る放射線検出器を説明する第二の模式図である。本発明に係る放射線検出器を説明する第三の模式図である。本発明に係る放射線検出器を説明する第四の模式図である。本発明に係る放射線計測システムの一例を説明する模式図である。

本発明のシンチレータプレートは、Ｘ線とはじめとする放射線の入射により光を発生させる複数のシンチレータを光学部材上に配して構成される。放射線には、Ｘ線の他、α線、γ線等が含まれ、本願明細書ではＸ線を例として説明するが、放射線はＸ線に限定されるものではない。本発明のシンチレータプレートは、一方の面の所定の位置より入射した光を、所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する第１の光学部材と、第１の光学部材上に配された複数のシンチレータと、を備えて構成される。そして、放射線が入射する複数のシンチレータの面の法線方向で、且つ第１の光学部材が位置する方向に、複数のシンチレータを夫々投影したとき第１の光学部材に至るまでの間に隣接する複数のシンチレータの端部同士が重なりあうことが特徴である。

本発明のシンチレータプレートは、隣接する複数のシンチレータに、平行な放射線が入射し、複数のシンチレータは、放射線が入射する面の法線方向の異なる位置に配された構成とすることもできる。また、放射線が放射線状に拡がる放射線であり、複数のシンチレータの放射線が入射する面が放射状に設けられている構成とすることもできる。

本発明のシンチレータプレートでは、複数のシンチレータをタイリング配置する際、前述の接着層が存在しない構成とすることができる。よって、このシンチレータプレートを検出部と組み合わせて放射線検出器を構成すると、シンチレータの全領域で入射するＸ線に対する不感領域の発生確率が低減され（実質的に不感領域がなく）、欠損画素が生じないシンチレータプレートを提供することができる。

以下、図面を参照して本実施形態をより具体的に説明する。

図１に本発明のシンチレータプレートを適用した放射線検出器１００の模式図を示す。放射線検出器１００は、シンチレータプレート１０１と、シンチレータプレートからのシンチレーション光を検出する光検出器１０４とを備える。検出部１０４は、基板１０５と、基板に２方向に配列された受光素子１０６を有し、受光素子毎にその受光素子の受光面に入射した光の強度を検出する。シンチレータプレート１０１は、第１の光学部材１０３上に複数のシンチレータ（１０２ａ，１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ）を配して構成されている。第１の光学部材１０３は、一方の面の所定の位置より入射した光を、所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する機能を備えた部材である。こうした光学部材としては多数（例えば、数千万本）の光ファイバを束ねて形成されたＦＯＰ（ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＰｌａｔｅ）を用いることができる。この光学部材は、第１の光学部材の一方の面の所定の位置で光ファイバに入射した光をこれに対応する他方の面の所定に位置で光検出器に導くことができる。複数のシンチレータは、複数のシンチレータ結晶体１０２（１０２ａ〜１０２ｅ）で構成されている。ここで、３つのシンチレータ結晶体１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃは、第１の光学部材１０３ａ直上に設けられているが、２つのシンチレータ結晶体１０２ｄ及び１０２ｅは、第２の光学部材（１０３ｂ、１０３ｃ）を介して第１の光学部材１０３ａ上に設けられている。第２の光学部材も第１の光学部材と同様に一方の面の所定の位置より入射した光を、所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する機能を備えた部材である。そして、第２の光学部材も光ファイバを束ねて形成されたＦＯＰ（ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＰｌａｔｅ）を用いることができる。ここで、第１の光学部材１０３ａとして用いたＦＯＰは、入射（入力）端面に入射した光を射出（出力）端面にそのまま等倍で伝搬するものであり、入射（入力）端面のサイズ（Ｄ_０）と射出端面のサイズ（Ｄ_０）が等しい。よって、３つのシンチレータ結晶体（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）によって形成されるＸ線画像は、光検出器１０４に、縮尺が変わることなくそのまま伝搬される。一方、第２の光学部材として用いた２つのＦＯＰ（１０３ｂ、１０３ｃ）は、入射（入力）端面に入射した光を射出（出力）端面に縮小して伝搬するＦＯＰ（テーパＦＯＰともいう）である。ここでは、入射（入力）端面のサイズ（Ｄ_１）に対して、射出（出力）端面のサイズ（Ｄ_２）が小さく（Ｄ_２＜Ｄ_１）なっており、その出力端面は、第１の光学部材１０３ａの入力端面に接続され、光検出器に伝送される。即ち、第２の光学部材は、一方の面と他方の面との大きさが相異する。よって、２つのシンチレータ結晶体（１０２ｄ、１０２ｅ）によって形成されるＸ線画像は、Ｄ_２／Ｄ_１の倍率に縮小されて伝搬されることになる。

本発明においては、放射線が入射する複数のシンチレータの面の法線方向で、且つ第１の光学部材が位置する方向に、複数のシンチレータを夫々投影したとき第１の光学部材に至るまでの間に隣接する複数のシンチレータの端部同士が重なりあうことが特徴である。隣接するシンチレータとしてシンチレータ結晶体（１０２ｂ、１０２ｅ）を参照して説明する。シンチレータプレート１０１に入射する放射線１０８のうち二つのシンチレータ結晶体（１０２ｂ、１０２ｅ）の境界領域に入射する放射線（１０８ａ、１０８ｂ）について考える。符号１０７（１０７ａ〜１０７ｅ）は、放射線が入射するシンチレータの面の法線方向を表している。放射線１０８ａは、シンチレータ結晶体１０２ｂに入射して、発光１０９ａが生じ、この発光が第１の光学部材であるＦＯＰ（１０３ａ）により、縮尺を保ったまま光検出器１０４に導波される。放射線１０８ｂは、シンチレータ結晶体１０２ｅに入射して、発光１０９ｂが生じ、この発光が第２の光学部材であるＦＯＰ（１０３ｃ）により、Ｄ_２／Ｄ_１の倍率に縮小され、さらに第１に光学部材であるＦＯＰ（１０３ａ）によって発光１０９ｂとして光検出器１０４に導波される。隣接する２つのシンチレータ１０２ｂと１０２ｅは、放射線が入射する面の法線方向１０７ｂ、１０７ｅで、且つ第１の光学部材１０３ａが位置する方向に、夫々投影したとき第１の光学部材１０３ａに至るまでの間に端部同士が重なりあっている。図１において放射線１０８ａの入射位置を、１０８ａから１０８ｂの位置に連続的に変化させた場合、放射線が入射するシンチレータ結晶体は、通常のタイリングの際、用いられる接着層が無い為、シンチレータ結晶体１０２ｂから１０２ｅへと連続的に変化することになる。よって、隣接するシンチレータ結晶体（１０２ｂ）の端部とシンチレータ結晶体（１０２ｅ）の端部を、放射線が入射する面の法線方向で、且つ第１の光学部材が位置する方向に、夫々投影したとき第１の光学部材１０３ａに至るまでの間に端部同士が重なりあうように（Ｌ＞０）配置することで、入射するＸ線に対する不感領域を無くすことができる。隣接するシンチレータ結晶体１０２ａと１０２ｄ、１０２ｂと１０２ｄ、１０２ｃと１０２ｅの境界領域についても同様であり、シンチレータの全領域で入射するＸ線に対する不感領域がないシンチレータプレート１０１が構成される。ここで、隣接す複数のシンチレータの端部同士の重なりは、得ようとする解像度、製造プロセスの条件等を考慮して適宜決定されるが、一般的には、１０μｍから３００μｍの範囲の長さとされる。そしてより好ましくは、３０μｍから２００μｍの範囲の長さとされ、更には、５０μｍから１５０μｍの範囲の長さとするのが好適である。

ここで、第２の光学部材であるテーパＦＯＰ（１０３ｂ、１０３ｃ）によって縮小される倍率Ｄ_２／Ｄ_１の値が小さ過ぎる場合は、撮像する被写体の解像度が低下することが有る為、適切な倍率を用いる必要がある。すなわち、被写体における解像したい周期をＦとし、その周期に沿った検出器の画素のサイズをＰとして表わすと、Ｆ×Ｄ_２／Ｄ_１≧２Ｐを満たす必要がある。例えば、Ｆ＝８μｍの２次元パターンを、それに沿って２次元に配列するＰ＝２．５μｍの画素サイズの検出器で解像する場合は、Ｄ_２／Ｄ_１≧０．６２５とする必要がある。また、言い換えると、用いる画素サイズとテーパＦＯＰの縮小倍率Ｄ_２／Ｄ_１が決まっている場合は、解像可能な周期は、Ｆ≧２Ｐ×Ｄ_１／Ｄ_２となる。

図３は、図１示す放射線検出器を用い、校正の基準として２Ｄの格子状パターンのＸ線が入力された場合のＸ線画像の補正方法を示すものである。３０５はＸ線のパターンを構成するドットを示している。ここで、第２の光学部材であるＦＯＰ（１０３ｂ、１０３ｃ）の縮尺はＤ_２／Ｄ_１＝０．９とし、２次元の情報を均等に縮小する場合を考える。シンチレータ結晶体（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）によって形成されるＸ線画像（入力データ）は、光検出器に縮尺が変わることなく（Ｄ_０）そのまま伝達される。一方、シンチレータ結晶体（１０２ｄ、１０２ｅ）によって形成されるＸ線画像は、縮小されて光検出器で読み出されることになる。

初めに、光検出器の信号を用いて、各々の入力端面と、該入力端面に対応する出力端面の縮尺関係を取得する。そして、この縮尺関係に基づく補正係数を用いて拡大処理を施すことで、入力データと等しい縮尺のＸ線画像を形成する。このＸ線画像の縮尺に関わる補正を第一の補正手段とする。続いて、各々の入力端面に対応するＸ線画像の輝度のムラを補正する。輝度分布が生じる原因としては、まず、各々に配置されたシンチレータの特性（厚さ、発光量）のばらつきに起因するものがある。加えて、縮尺領域ではより厚いＦＯＰを介して光検出器に光が導波されるため、光検出器に導波される光量が低下することによる輝度低下が生じる場合がある。領域毎の輝度分布に基づく補正係数を用いて輝度補正を施すことで、入力データと等しい輝度分布を有するＸ線画像を形成することができる。このＸ線画像の輝度に関わる補正を第二の補正手段とする。

以上の縮尺と輝度に関わる補正手段の校正の基準として、例えば図３に示す２Ｄの格子状パターンのＸ線信号の入力値と、光検出器による読み出し値を用いて、各々の領域の補正係数を取得することができる。また、Ｄ_２／Ｄ_１＜１の場合、必然的にＸ線画像に対応する情報が無い読み出し領域が形成されるが、この領域を除いて補正されたＸ線画像を形成する。以上の第一と第二の補正手段を用いて、スケールと輝度が補正されたＸ線画像を形成することができる。

このようにして、隣接する複数の入力端面が異なる面上に配置し、すなわち、隣接するシンチレータ結晶体の配置をＸ線の光路に沿ってずらし、Ｘ線の上流側に配置されたシンチレータ結晶体（１０２ｄ、１０２ｅ）によって形成されるＸ線画像の情報を縮小して光検出器に伝達することで、シンチレータ結晶体同士をＸ線の光路上に重ねることができるようになる。このような配置にすることで、隣接するシンチレータ結晶体間に接着層が存在しない構成となり、シンチレータプレートに入射するＸ線に対する不感領域がなく、全域でタイリング境界による欠損画素の発生確率を低減するシンチレータプレートを提供することができる。

ここで、シンチレータ結晶体としては、図２に模式図で示すような、相分離結晶体２０１を用いることで高い解像度（空間分解能ともいう）を得ることができる。シンチレータ結晶体２０１は、複数の第１の相２０２と、第１の相の周りに位置する第２の相２０３を有する、相分離構造をとる。シンチレータ結晶体２０１は第１の面２０８と第２の面２０９とを有し、第１の相２０２は第１の面２０８から第２の面２０９へ延伸している。第１の面２０８は放射線照射面（入射面）であり、第２の面２０９は光取り出し面であるとし、放射線は第１の面２０８から入射し、シンチレーション光は第２の面２０９から受光素子へ取り出される。第１の相と第２の相の少なくともいずれかは、入射した放射線の少なくとも一部をシンチレーション光に変換する発光相である。また、第１の相２０２と第２の相２０３は異なる屈折率を有している。よって、シンチレーション光は屈折率が相対的に高い高屈折率相に閉じ込められながら、シンチレータ結晶体の厚さ２０７を第１の面の方向から第２の面の方向へ、第２の面の方向から第１の面の方向へ導波される。シンチレーション光は、シンチレーション光が発生した相内を導波した方が解像度が高いと考えられるため、高屈折率相が発光相として機能することが好ましい。相対的に屈折率の低い低屈折率相は、発光相として機能しても良いし、機能しなくても良い。以下、第１の相２０２が高屈折率相であり、且つ発光相である場合を例に挙げて説明する。第１の相２０２が高屈折率相である場合、光ファイバーのように、シンチレーション光は第１の相の中に閉じ込められながら第１の面２０８と第２の面２０９間を導波する。第１の相２０２は円柱の形状を有する。第１の相２０２で発生したシンチレーション光のうち、第１と第２の相の境界面に臨界角度以上で入射するシンチレーション光２０６は、全反射を繰り返しながら第１の相２０２中を導波方向２１０に導波され、第１の面２０８又は第２の面２０９から出射される。ここで、シンチレーション光の導波方向２１０は第１の相２０２の延伸方向（長手方向）であり、円柱の中心軸と平行な方向である。導波する発光の波長よりも第１の相の直径が小さい場合は、シンチレーション光が第１の相２０２と第２の相２０３の境界面で反射せずに境界面を透過する成分が多くなる。よって、第１の相の周期２０４と第１の相の直径２０５はシンチレーション光の波長よりも大きいことが望ましい。相分離構造を有するシンチレータとして、３００ｎｍからの紫外域に発光を有するようなシンチレータを用いることも想定される為、第１の相の直径２０５は３００ｎｍ以上であることが望ましい。また、第一の相の直径２０５が受光素子１０５の１画素の対角線の長さ（画素サイズ）よりも大きくなってしまうと、１画素内に光を閉じ込める効果が低下してしまうため、第一の相の直径２０５の上限値は画素サイズよりも小さいことが望ましい。画素サイズは任意の大きさのものを用いることが可能であり、用いる受光素子の画素サイズに応じて第一の相の直径２０５の好ましい範囲が変化する。以上より、第１の相の直径２０５は、３００ｎｍ以上画素サイズ以下の範囲であることが好ましい。尚、上述の光ファイバーのような導波機能を有するシンチレータは、高い解像度を有しており、画素サイズが２μｍ程度の高解像度センサを用いることも可能である。この場合、ファイバーの直径が２μｍより大きくなると、隣接する画素に光が漏れてしまう為、第１の相の直径は、２μｍ以下であることが望ましい。また、第１の相２０２の形状は円柱に限定されず、例えば、多角柱であってもよい。この場合、第１の相２０２の一番幅が大きいところの幅（例えば、四角柱であれば対角線の方向における幅）が上述の直径に対応する。第１の相２０２は、第１の面２０８から第２の面２０９まで直線的に連続していることが好ましいが、途中で途切れたり、枝分かれしたり、複数の結晶相が一体化したり、結晶相の直径が変化したり、直線的でなく非直線部分が含まれたりしても良い。第２の相２０３は、第１の面２０８から第２の面２０９まで連続的に存在していることが好ましく、第１の相同士の隙間を埋めるように配置されていることが好ましい。尚、第１の相と第２の相との屈折率差は特に問わないが、スネルの法則より、屈折率差が大きい方が臨界角度を小さくできるため好ましい。例えば、低屈折率相の屈折率を高屈折率相の屈折率で除した値（屈折率比と呼ぶことがある）が０．９５以下であることが好ましく、０．９以下であることがより好ましい。尚、低屈折率相又は高屈折率相の屈折率は、低屈折率相又は高屈折率相の材料の、シンチレーション光の中心波長における屈折率とする。

図２に示したような構成のシンチレータ結晶体として、例えば、共晶相分離構造を有するシンチレータを用いることができる。共晶相分離構造とは、図２に示したような相分離構造体の内、第１の相と第２の相とが共晶体を構成しているもののことを指す。共晶相分離構造体の材料系の一例として、Ｇｄを含有するペロブスカイト型酸化物材料（ＧｄＡｌＯ_３）と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）との共晶相分離構造体が挙げられる。この材料系の共晶相分離構造体は、第１の相（ＧｄＡｌＯ_３：屈折率２．０５）の方が第２の相（Ａｌ_２Ｏ_３：屈折率１．７９）よりも屈折率が高く、且つ、第１の相がシンチレータとして機能する。そのため、共晶相分離構造体の中でも特に導波性が高い。尚、共晶相分離構造体の場合、第１の相は第１の材料の結晶体、第２の相は第２の材料の結晶体である。第１の相と、第１の相の周りに位置し、第１の相の側面を覆う第２の相との２相を有する共晶相分離構造を形成する上で重要になるのは、第１の相を構成する材料と第２の相を構成する材料との組成比である。図２に示す模式図のような良好な相分離構造を有するシンチレータ結晶体を得るためには、一般的に、第１の相の材料と第２の相の材料とが共晶組成比（例えば、ＧｄＡｌＯ_３：Ａｌ_２Ｏ_３＝４６：５４（ｍｏｌ％））であることが必要である。ただし、第１の相の材料と第２の相の材料との組成比は共晶組成から外れてはならないものではなく、この組成比に対して共晶組成±５ｍｏｌ％の範囲は許容範囲とすることができる。つまり、ＧｄＡｌＯ_３とＡｌ_２Ｏ_３との共晶相分離構造体を形成したい場合、これらの材料の組成比は、ＧｄＡｌＯ_３：Ａｌ_２Ｏ_３＝４１：５９〜５１：４９（ｍｏｌ％）とすることが好ましい。また、第１の相の材料と第２の相の材料との組成比が、共晶組成±３ｍｏｌ％の範囲内であることがより好ましい。第１の相の材料と第２の相の材料とが共晶組成比近傍（±５ｍｏｌ％）で混合された融液を用いて、一方向凝固を行うことで、図２のような良質な相分離構造を有する結晶体を得ることができる。一方向凝固の具体的な方法としては、ブリッジマン法等を用いることができる。第１の相の材料と第２の相の材料との組成比が共晶組成±５ｍｏｌ％の範囲を逸脱している場合は、一方の結晶相が先に析出するため、相分離構造形成の観点から、シンチレータ結晶体の良好な相分離構造を乱す要因となる。ただし、第１の相の材料と第２の相の材料との組成比が共晶組成±５ｍｏｌ％の範囲を逸脱している場合であっても、共晶組成±１０ｍｏｌ％の範囲であれば、凝固の方法によっては良好な相分離構造を有するシンチレータ結晶体が得られる場合がある。よって、第１の相と第２の相の材料の組成比が共晶組成比±５ｍｏｌ％の範囲外であっても、第１の相と第２の相とが共晶体を構成し、相分離構造体を構成していれば、その構造体は共晶相分離構造体であるとみなす。また、共晶相分離構造体を形成する際に、その融液の組成比が共晶組成比±５ｍｏｌ％の範囲内になかったとしても、第１の相の材料と第２の相の材料とのうち過剰な方の材料が先に析出し、残った融液が共晶組成比に共晶組成比±５ｍｏｌ％の範囲内となる場合がある。この場合、凝固の初期は相分離構造が乱れるが、途中から良好な相分離構造が取得できるため、構造が乱れている部分を適宜切り離せばよい。つまり、仕込み値は共晶相分離構造体の組成比と必ずしも一致せず、多少大まかでも良い。上述したＧｄＡｌＯ_３の場合、発光中心の元素の種類によって発光波長が変化する。具体的には、発光中心として、例えば希土類元素であるＴｂ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｃｅ^３＋を用いることができる。尚、これらのイオンを含有する元素は単体に限定されず、これらの元素を含めば良く、これらの元素を含んだ化合物を発光中心として添加すればよい。また、発光効率を高くするために、ＧｄＡｌＯ_３中にこれらの発光中心を０．００１ｍｏｌ％以上含有していることが好ましい。複数種類の発光中心が添加される場合は、発光中心の総量が０．００１ｍｏｌ％以上であればよい。発光中心となる添加元素は第１の相であるＧｄＡｌＯ_３のＧｄサイトを置換するように添加され、添加元素を一般式ＲＥで表わすと、Ｇｄ_１−ｘＲＥ_ｘＡｌＯ_３とＡｌ_２Ｏ_３の組成比が４６：５４（ｍｏｌ％）となる。発光中心としてＴｂ^３＋を用いた場合、５４５ｎｍ付近に緑色発光ピークを示す。また、Ｅｕ^３＋を用いた場合６１５ｎｍ付近に赤色発光ピークを示す。また、Ｃｅ^３＋を用いた場合、３６０ｎｍ付近にブロードな紫外発光を示す。このように、添加元素を適切に選択することで、様々な発光波長のシンチレータを得ることができる。また、添加元素として、他の希土類元素（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ）を選択することもできる。上述のような相分離構造を有するシンチレータを用いると、高い解像度を実現する放射線検出器を得ることができる。一方で、複数枚を接着層を介してタイリングした検出器を構成する場合には、Ｘ線が接着層に沿って入射することによる解像度の低下は、高い解像度を有する放射線検出器のほうが顕著に表れる。すなわち、１００μｍ程度の解像度の放射線検出器では相対的に無視できていたような１０μｍ程度の接着層による不感領域が、２μｍ程度の解像度の放射線検出器では、欠損画素として顕著に観察されるようになる。よって、欠損領域を無くしたＸ線画像を得たい場合には接着層の影響を受けない本発明の構成を必要となる。

図１において、符号１０７（１０７ａ〜１０７ｅ）は、上述した通りシンチレータ結晶体１０２（１０２ａ〜１０２ｅ）が配置された、それぞれの入力端面の法線方向を表している。図１は放射線の入射方向が放射線間で略平行である場合に対応した模式図であり、入射位置によらず、放射線の入射方向は同じである。このとき、放射線の入射方向と、入力端面の法線方向（１０７ａ〜１０７ｅ）を一致させ、さらにシンチレータ結晶体として相分離結晶体２０１を用いてシンチレーション光の導波方向２１０を一致させることで最も高い解像度を実現する放射線検出器を得ることができる。

さらに、図１に示すシンチレータ結晶体を一方向に並べたライン状のシンチレータプレート１０１を１つのシンチレータ結晶体とみなし、タイリングすることで、図４（ａ）に示すような二次元状の検出器を得ることができる。図４（ａ）は得られる二次元状の検出器の斜視図である。すなわち、シンチレータプレート１０１を、図１で示した各々のシンチレータ結晶体（１０２ａ〜１０２ｅ）とみなして図４のように配置することで、二次元状の検出器を得ることができる。この場合、図４の点線枠内が、それぞれ、図１のシンチレータプレート１０１となる。この構成では、最終的に全てのシンチレータプレート１０１は１０３ａを介してまとめられるため、各々のシンチレータプレート１０１にＦＯＰは１０３ａは必須ではなく、図４では略して図示している。この場合では、高さの異なるチェッカーパターンのようなＦＯＰを組むことなり、等倍、１回縮小、２回縮小の３種類のエリアができる。例えば、５×５枚のシンチレータ結晶体で二次元状の検出器を構成し、ＦＯＰ（１０３ｂ、１０３ｃ）の縮尺がＤ_２／Ｄ_１＝０．９である場合を考えると、図４（ｂ）のように等倍、０．９倍、０．８１倍のエリアができる。それぞれ縮尺と輝度を補正しＸ線画像を得る。

図５は点光源から放出された放射状に拡がるような放射線（１１１ａ〜１１１ｅ）に対応した、本発明の放射線検出器１１０の模式図である。図１の場合と異なる点としては、各々の入射（入力）端面の法線方向（１０７ａ〜１０７ｅ）と、放射線（１１１ａ〜１１１ｅ）の入射方向とが一致するように周辺部で、第２の光学部材ＦＯＰ（１０３ｄ〜１０３ｇ）を段階的に傾けて配置していることである。各々の入射（入力）端面にシンチレータ結晶体（１０２ａ〜１０２ｅ）が配置されている。この場合においても、隣接するシンチレータ結晶体の端部を、それぞれの入射（入力）端面の法線方向に射出（出力）端面側に投影した領域が重なるように配置することで、入射するＸ線に対する不感領域を無くすことができる。さらにシンチレータ結晶体として相分離結晶体２０１を用いてシンチレーション光の導波方向２１０と、各々の入射（入力）端面の法線方向を一致させることで最も高い解像度を実現する放射線検出器を得ることができる。

図６は複数の光検出器を用いた、本発明の放射線検出器１１２の模式図である。シンチレータ結晶体１０２の配置は、図１の場合と同じであるが、それぞれのテーパＦＯＰ１１３の射出（出力）端面が、個別の光検出器１１４に接続されている点が異なる。こうすることで大面積の検出器を用いることなく、大面積の撮像エリアを得ることが可能となる。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明をする。

（実施例１）
本実施例では、シンチレータ結晶体の製造方法の具体例、作製したシンチレータ結晶体を用いて構成したシンチレータプレート及び、それを用いたＸ線の撮像結果について説明をする。

本実施例では、各々のシンチレータ結晶体は、複数の第１の相の材料としてＧｄＡｌＯ_３を、第２の相の材料としてＡｌ_２Ｏ_３を有する共晶相分離シンチレータ結晶体であり、Ｔｂ^３＋を発光中心として含有する。このような共晶相分離シンチレータ結晶体の製造方法について説明をする。まず、ＧｄＡｌＯ_３に対してＴｂ^３＋を８ｍｏｌ％添加した材料とＡｌ_２Ｏ_３との組成比が、４６：５４（ｍｏｌ％）になるように、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔｂ_４Ｏ_７、Ａｌ_２Ｏ_３、を評量した。そして、これらの粉末を充分に混合し、これを原料粉末とした。これらの原料粉末をＩｒるつぼに入れて、誘導加熱によりるつぼを１７００℃まで加熱し、試料全体を溶解させた。そして、試料全体が溶解した後３０分保持してから、１８ｍｍ／ｈの速度で一方向凝固を行うことで試料を育成した。このようにして作製した試料を２．５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ５００μｍで２枚、２．８ｍｍ×５ｍｍ×厚さ５００μｍで１枚切り出し、両面を研磨した。この試料は、Ｘ線照射により、５４５ｎｍ付近に緑色発光ピークを示した。試料を走査型電子顕微鏡で観察したところ、この試料が、Ａｌ_２Ｏ_３相中に直径約１．２μｍの無数のＧｄＡｌＯ_３柱状構造体が埋め込まれたような相分離構造体であることが確認された。

まず、５．４ｍｍ×４．０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍのＦＯＰを用意し、その入力端面に、中央部分を１．８ｍｍ×４．０ｍｍ空けて、１．８ｍｍ×４．０ｍｍのシンチレータ結晶体を張り付けた。中央部分に、入力端面のサイズが２．０ｍｍ×４．０ｍｍ、出力端面のサイズが１．８ｍｍ×４．０ｍｍであり、２次元の情報を縮尺Ｄ_２／Ｄ_１＝０．９で等方的に縮小する厚さ１．５ｍｍのテーパＦＯＰを張り付け、その入力端面に１．８ｍｍ×４．０ｍｍのシンチレータ結晶体を張り付け、全体として５．４ｍｍ×４．０ｍｍの有効エリアを有するシンチレータプレートとした。作製したシンチレータプレートは、両端のシンチレータ結晶体と、テーパＦＯＰ上のシンチレータ結晶体とが、それぞれの入力端面の法線方向に出力端面側に投影した領域が１００μｍ重なって配置されている。このような構成にすることで、タイリング時にシンチレータ結晶体間の接着層がなく、放射線に対する不感領域のないシンチレータプレートとなる。このシンチレータプレートを二次元受光素子であるＣＭＯＳセンサに張り付けることで放射線検出器とした。ＣＭＯＳは画素サイズが２．５μｍのものを用いた。放射線源としては、タングステン管球のＸ線源を用い、Ｘ線はシンチレータ結晶体に垂直に入射する配置とし、４０ｋＶ、０．５ｍＡ、Ａｌフィルター有りの条件で得られるＸ線を撮像に用いた。

まず、スケールと輝度に関する補正値を取得する為、周期４３μｍ、開口２２μｍの二次元パターンを有する金から成る格子を被写体として用いた。、両端のシンチレータ結晶体に対応する領域では、周期４３μｍ、開口２２μｍの二次元パターンがそのままＸ線画像（以降、Ｘ線画像Ａ、と表す）として得られた。一方、テーパＦＯＰ上のシンチレータ結晶体に対応する領域では、０．９倍に縮小された周期３８．７μｍ、開口１９．８μｍの二次元パターンのＸ線画像（以降、Ｘ線画像Ｂ、と表す）が得られた。Ｘ線画像Ａに対するＸ線画像Ｂの輝度は８５％であった。Ｘ線画像Ｂは元の入力データが縮小されて検出されることになるため、Ｘ線画像ＡとＸ線画像Ｂに間には１００μｍ幅のＸ線画像の無い領域が形成された。

以上により取得したスケールと輝度に係る補正係数を用いてＸ線画像Ｂをのスケールと輝度を補正し、１００μｍ幅のＸ線画像の無い領域を除いてＸ線画像を合成することで、スケールと輝度が補正されたＸ線画像を形成することができた。合成したＸ線画像は、入力データに対応した二次元パターンが欠陥領域が無くすべて連続してつながっていた。

本実施例のように、隣接するシンチレータ結晶体の配置をテーパＦＯＰを用いてＸ線の光路に沿ってずらし、Ｘ線の上流側に配置されたシンチレータ結晶体によって形成されるＸ線画像の情報を縮小して光検出器に伝送することで、シンチレータ結晶体同士をＸ線の光路上に重ねることができるようになる。このような配置にすることで、隣接するシンチレータ結晶体間に接着層が存在しない構成となり、シンチレータプレートに入射するＸ線に対する不感領域がなく、全域でタイリング境界による欠損画素の発生確率が低減するシンチレータプレートを作製することができた。

（実施例２）
本実施例は、実施例１の放射線検出器を、放射線計測システムとしてのＸ線トールボット干渉計の検出器として用いた具体例について説明をする。

本実施例のＸ線トールボット干渉計の模式図を図７に示す。Ｘ線トールボット干渉計は、Ｘ線源７０と、Ｘ線源からのＸ線７１を回折して干渉パターンを形成するＸ線回折格子７３と、干渉パターンを形成するＸ線を検出するＸ線検出器７４と、Ｘ線検出器の検出結果を用いて被検体７２の情報を取得する演算装置７５を備える。

Ｘ線トールボット干渉計については、例えば国際公開２０１０／０５０４８３号公報など多数の文献に詳細が記載されているため、詳細については省略する。一般的なトールボット干渉計は、干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子または吸収格子と呼ばれる格子を配置し、モアレを形成することで、数μｍ程度の周期を有する干渉パターンの情報を取得する。

一方、本実施例のＸ線トールボット干渉計は、Ｘ線検出器７４として実施例１の放射線検出器を備える。このため、Ｘ線検出器７４を干渉パターンが形成される位置に配置することで、干渉パターンの明暗をＸ線検出器７４で直接観察することができる。よって、Ｘ線検出器７４による検出結果を用いて、被検体７２による干渉パターンの変化を解析することで、被検体の位相、散乱、吸収に関する情報を取得することができる。

その他、Ｘ線源、回折格子、演算装置による干渉パターンの解析方法などは一般的なトールボット干渉計と同様である。尚、Ｘ線トールボット干渉計は、演算装置７５により取得した被検体の情報を表示する表示手段（不図示）を備えていても良い。また、Ｘ線トールボット干渉計は、演算装置７５やＸ線源７０を備えなくても良い。この場合、撮像時に任意のＸ線源と組み合わせることで、Ｘ線トールボット干渉計による撮像（干渉パターンの取得）を行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１００放射線検出器
１０１シンチレータプレート
１０２シンチレータ
１０３ａ第１の光学部材
１０３ｂ第２の光学部材
１０３ｃ第２の光学部材
１０４光検出器
１０５基板
１０６受光素子
１０７放射線が入射するシンチレータの面の法線方向
１０８放射線
１０９発光
Ｌシンチレータ結晶体の端部の重なり

Claims

一方の面の所定の位置より入射した光を、前記所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する第１の光学部材と、第１の光学部材上に配された複数のシンチレータと、を備えたシンチレータプレートであって、
前記複数のシンチレータの面の法線方向で、且つ前記第１の光学部材が位置する方向に、前記複数のシンチレータを夫々投影したとき前記第１の光学部材に至るまでの間に隣接する前記複数のシンチレータの端部同士が重なりあい、前記隣接する複数のシンチレータは、前記法線方向の異なる位置に配されており、前記複数のシンチレータの一部は、前記第１の光学部材とは別の、一方の面の所定の位置より入射した光を、前記所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する第２の光学部材を介して前記第１の光学部材上に配されていることを特徴とするシンチレータプレート。
前記複数のシンチレータの放射線が入射する前記面は、放射状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシンチレータプレート。
前記複数のシンチレータの前記端部同士の重なりは、１０μｍから３００μｍの範囲の長さであることを特徴とする請求項１または２に記載のシンチレータプレート。
前記端部同士の重なりは、３０μｍから２００μｍの範囲の長さであることを特徴とする請求項３に記載のシンチレータプレート。
前記端部同士の重なりは、５０μｍから１５０μｍの範囲の長さであることを特徴とする請求項４に記載のシンチレータプレート。
前記第１の光学部材は、前記一方の面に入射した光を前記他方の面側に等倍で伝搬させるものであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のシンチレータプレート。
前記第１の光学部材は、多数の光ファイバを束ねて形成されたものであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のシンチレータプレート。
前記第２の光学部材は、前記一方の面と前記他方の面との大きさが相異することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のシンチレータプレート。
前記第２の光学部材は、前記一方の面に比して前記他方の面の大きさが小さく、前記一方の面に入射した光を前記他方の面側に縮小して伝搬させるものであることを特徴とする請求項８に記載のシンチレータプレート。
前記第２の光学部材により縮小される倍率は、被写体における解像したい周期をＦ、前記周期に沿った検出器の画素サイズをＰとすると、２Ｐ／Ｆ以上であることを特徴とする請求項９に記載のシンチレータプレート。
前記第２の光学部材は、多数の光ファイバを束ねて形成されたものであることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のシンチレータプレート。
前記複数のシンチレータの光の入射面の法線方向と光の入射方向が一致することを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載のシンチレータプレート。
前記シンチレータが、柱状の複数の第１の相と、前記複数の第１の相のそれぞれの周りに位置する第２の相とを有するシンチレータ結晶体を用いて構成され、前記第１の相と前記第２の相とはシンチレーション光に対する屈折率が互いに異なることを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載のシンチレータプレート。
前記第１の相がＧｄを含有するペロブスカイト型酸化物材料であり、前記第１の相が発光中心として希土類元素を０．００１ｍｏｌ％以上含有し、前記第２の相がアルミナであると共に、前記第１の相がシンチレーション光を発することを特徴とする請求項１３に記載のシンチレータプレート。
前記希土類元素がＴｂ、Ｅｕ、Ｃｅのうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１４に記載のシンチレータプレート。
請求項１から１５のいずれか１項に記載のシンチレータプレートと、該シンチレータプレートから射出される光を検出する光検出器と、を備える放射線検出器。
前記複数のシンチレータの一部は、前記第１の光学部材とは別の、一方の面の所定の位置より入射した光を、前記所定の位置に対応する他方の面の位置より射出する第２の光学部材を介して前記第１の光学部材上に配されており、
前記シンチレータプレートを構成する複数のシンチレータの一部は、前記第２の光学部材を介して前記第１の光学部材上に配されており、前記第２の光学部材は、前記一方の面に比して前記他方の面の大きさが小さく、前記一方の面に入射した光を前記他方の面側に縮小して伝搬させるものであること特徴とする請求項１６に記載の放射線検出器。
請求項１７に記載の放射線検出器と前記光検出器の信号を用いて、前記第２の光学部材の前記一方の面と、前記他方の面との縮尺関係を取得する取得手段と、前記縮尺関係に基づく補正係数を用いて、前記光検出器から得られる画像を補正する第一の補正手段と、前記光検出器の信号を用いて、前記第２の光学部材の前記一方の面に対応する前記他方の面の輝度に関する情報を取得する取得手段と、前記情報に基づく補正係数を用いて、前記光検出器から得られる前記画像を補正する第二の補正手段と、を備えることを特徴とする放射線計測システム。