JP7057630B2 - 放射線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線の検出に用いられる放射線検出装置に関するものである。

ポジトロン断層撮影（ＰＥＴ：Positron EmissionTomography）装置では、被験者に対して陽電子（ポジトロン）を放出する放射性同位元素（ＲＩ）で標識された物質をトレーサとして投入する。そして、ＲＩ物質から放出された陽電子が通常物質中の電子と対消滅して生成される一対のγ線を放射線検出器で計測することによって、被験者についての情報を取得する。

このようなＰＥＴ装置等の計測装置においてγ線などの放射線の検出に用いられる放射線検出器は、例えば、放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成するシンチレータと、シンチレーション光を検出して検出信号を出力する光検出器とを組み合わせることによって、好適に構成することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－１６００４２号公報 特許第５５３１０２１号公報

Chen-Ming Chang et al., "Time-over-thresholdfor pulse shape discrimination in a time-of-flight phoswich PET detector",Phys. Med. Biol. Vol.62 (2017) pp.258-271

ＰＥＴ装置に用いられる放射線検出器では、検出器に入射したγ線がどの位置でシンチレータと相互作用して検出されたのかを知ることが重要である。特に、検出器の視野周辺位置（中心から離れた位置）でγ線を検出した場合、視差エラー（Parallax Error）が発生し、それによってγ線検出の空間分解能が低下するという問題がある。このような放射線検出の空間分解能の低下を防ぐために、ホスウィッチ（Phoswich）型検出器が提案されている。

ホスウィッチ型の放射線検出器では、検出信号の時定数が異なる２種類のシンチレータ部を重ねることで、放射線の検出に用いられるシンチレータが構成される。このような構成では、検出信号の時間波形情報、例えばその時間波形の時定数によって、放射線がいずれのシンチレータ部で検出されたのかを判別することができる。このホスウィッチ型検出器は、ＤＯＩ（Depth of Interaction）検出器として用いることができる。

検出器から出力される検出信号の時定数などの時間波形を示すパラメータを求める方法としては、例えば、検出信号の時間波形について波形サンプリングを行う構成が考えられる。しかしながら、検出信号の波形サンプリングを行う構成では、検出信号の情報が多く得られる一方で、高い計数率での放射線計測に向いていない、また、低消費電力化が難しい、などの問題がある。

また、特許文献２、非特許文献１には、閾値電圧と検出信号とを比較し、信号の電圧値が閾値電圧を超えている時間（ＴｏＴ：Time over Threshold）を求める構成が記載されている。しかしながら、これらの構成においても、検出信号の時定数自体は求められておらず、検出信号の時間波形の判別を充分な精度で行うことは難しい。また、このような検出信号の時間波形情報の取得、判別の問題は、上記したホスウィッチ型検出器以外の放射線検出器においても、同様に生じる。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、シンチレータと光検出器とを含む放射線検出器から出力される検出信号の時間波形情報を好適に取得、判別することが可能な放射線検出装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による放射線検出装置は、（１）放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成するシンチレータと、（２）シンチレータから出力されたシンチレーション光を検出して、検出信号を出力する光検出器と、（３）第１閾値電圧と、検出信号とを比較して、検出信号の電圧値が第１閾値電圧を超えている時間に相当する第１時間幅を有する第１デジタル信号を出力する第１コンパレータと、（４）第１デジタル信号の第１時間幅を計測する第１時間幅計測器と、（５）第１閾値電圧とは異なる第２閾値電圧と、検出信号とを比較して、検出信号の電圧値が第２閾値電圧を超えている時間に相当する第２時間幅を有する第２デジタル信号を出力する第２コンパレータと、（６）第２デジタル信号の第２時間幅を計測する第２時間幅計測器と、（７）第１時間幅及び第２時間幅に基づいて、検出信号の時間波形を示す時定数を求める解析部とを備え、検出信号の時間波形における立上り時間τｒが、立下り時間τｄに対して条件（τｒ／τｄ）＜０．１を満たす。また、放射線検出装置は、（１）放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成するシンチレータと、（２）シンチレータから出力されたシンチレーション光を検出して、検出信号を出力する光検出器と、（３）第１閾値電圧と、検出信号とを比較して、検出信号の電圧値が第１閾値電圧を超えている時間に相当する第１時間幅を有する第１デジタル信号を出力する第１コンパレータと、（４）第１デジタル信号の第１時間幅を計測する第１時間幅計測器と、（５）第１閾値電圧とは異なる第２閾値電圧と、検出信号とを比較して、検出信号の電圧値が第２閾値電圧を超えている時間に相当する第２時間幅を有する第２デジタル信号を出力する第２コンパレータと、（６）第２デジタル信号の第２時間幅を計測する第２時間幅計測器と、（７）第１時間幅及び第２時間幅に基づいて、検出信号の時間波形を示す時定数を求める解析部とを備え、光検出器は、所定の時間波形を有する検出信号を出力する第１光検出部と、第１光検出部とは異なる時間波形を有する検出信号を出力する第２光検出部とを含み、解析部は、時定数に基づいて、検出信号が、第１光検出部及び第２光検出部のいずれから出力された検出信号かを判別する。

上記した放射線検出装置では、シンチレータと光検出器とを含む放射線検出器から出力される検出信号に対し、互いに異なる閾値電圧が設定された第１コンパレータ、及び第２コンパレータを設ける。そして、それら２個のコンパレータから出力された第１、第２デジタル信号の互いに異なる時間幅を、第１、第２時間幅計測器によって計測し、得られた第１時間幅及び第２時間幅に基づいて、放射線の検出に応じた検出信号の時間波形を示すパラメータである時定数を求める。このような構成によれば、検出信号の時間波形情報を簡易な構成で好適に取得、判別することが可能となる。

ここで、上記の検出装置において、シンチレータは、所定の時間波形を有するシンチレーション光を生成する第１シンチレータ部と、第１シンチレータ部とは異なる時間波形を有するシンチレーション光を生成する第２シンチレータ部とを含む構成としても良い。また、この場合、解析部は、求められた時定数に基づいて、検出信号が、第１シンチレータ部及び第２シンチレータ部のいずれで生成されたシンチレーション光に起因して光検出器から出力された検出信号かを判別する構成としても良い。このような構成では、検出信号の時定数により、シンチレータ部の判別を確実に行うことができる。

また、上記の検出装置において、光検出器は、所定の時間波形を有する検出信号を出力する第１光検出部と、第１光検出部とは異なる時間波形を有する検出信号を出力する第２光検出部とを含む構成としても良い。また、この場合、解析部は、求められた時定数に基づいて、検出信号が、第１光検出部及び第２光検出部のいずれから出力された検出信号かを判別する構成としても良い。このような構成では、検出信号の時定数により、光検出部の判別を確実に行うことができる。

検出装置の具体的な構成については、第１時間幅計測器、及び第２時間幅計測器のそれぞれは、時間－デジタル変換器を含む構成としても良い。これにより、検出信号の第１、第２時間幅を好適に計測することができる。

上記の検出装置において、検出信号の時間波形における立上り時間τｒが、立下り時間τｄに対して条件
（τｒ／τｄ）＜０．１
を満たす構成としても良い。また、上記の検出装置において、解析部は、第１閾値電圧をＶ１、第１時間幅をＴ１、第２閾値電圧をＶ２、第２時間幅をＴ２として、時定数τを
τ＝（Ｔ１－Ｔ２）／ｌｏｇ（Ｖ２／Ｖ１）
によって求める構成としても良い。これらの構成によれば、検出信号の時定数τを好適に求めることができる。

また、上記の検出装置において、解析部は、時定数に基づいて、検出信号の時間波形における波高値をさらに求める構成としても良い。このような構成によれば、コンパレータ及び時間幅計測器を含む時間波形計測部とは別個に波高値計測器を設けることなく、検出信号の波高値を好適に求めることができる。

本発明の放射線検出装置によれば、シンチレータと光検出器とを含む放射線検出器から出力される検出信号に対し、互いに異なる閾値電圧が設定された第１、第２コンパレータを設け、コンパレータから出力された第１、第２デジタル信号の時間幅を、第１、第２時間幅計測器によって計測し、得られた第１、第２時間幅に基づいて、検出信号の時間波形を示す時定数を求める構成とすることにより、検出信号の時間波形情報を簡易な構成で好適に取得、判別することが可能となる。

放射線検出装置の第１実施形態の構成を概略的に示す図である。 図１に示した検出装置における放射線検出方法について示すフローチャートである。 光検出器から出力される検出信号の時間波形について示すグラフである。 検出信号の第１、第２時間幅について示すグラフである。 シンチレータから出力されるシンチレーション光の時間波形の立上り時間、及び立下り時間を示す図表である。 図１に示した検出装置を用いたＰＥＴ装置の構成を示す図である。 放射線検出装置の第２実施形態の構成を概略的に示す図である。 図７に示した検出装置における放射線検出方法について示すフローチャートである。 図７に示した放射線検出器を用いて行った計測実験について示す図である。 図９に示した計測実験で得られた検出信号の時間波形、及び第１、第２時間幅について示すグラフである。 図９に示した計測実験で得られた検出信号の時定数によるシンチレータ部の判別について示すグラフである。 放射線検出装置の第３実施形態の構成を概略的に示す図である。 図１２に示した検出装置における光検出器の構成を示す平面図である。 図１３に示した光検出器の構成を一部拡大して示す平面図である。 図１２に示した検出装置における放射線検出方法について示すフローチャートである。 図１２に示した検出装置における光検出器の第１変形例の構成を概略的に示す図である。 図１２に示した検出装置における光検出器の第２変形例の構成を概略的に示す図である。

以下、図面とともに本発明による放射線検出装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、放射線検出装置の第１実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による放射線検出装置１Ａは、放射線検出器１０と、時間波形計測部２０と、解析部３０とを備えて構成されている。

放射線検出器１０は、入射した放射線を検出して、生成された電気信号（電圧信号）を検出信号として出力する。本構成例における放射線検出器１０は、シンチレータ１１と、光検出器１５とを有する。シンチレータ１１は、所定のシンチレーション材料からなり、検出対象となる放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成する。シンチレータ１１で生成されるシンチレーション光の時間波形は、シンチレーション材料の発光特性等に依存して決まる所定の波形となる。また、シンチレータ１１において検出される放射線は、例えば、γ線、Ｘ線、電子、荷電粒子、宇宙線等である。

光検出器１５は、シンチレータ１１から出力されたシンチレーション光を検出して、検出信号を出力する。光検出器１５としては、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）、ＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）等を用いることができる。また、光検出器１５からの出力が電流信号である場合には、アンプ等で電流電圧変換を行って、電圧信号である検出信号を生成することが好ましい。検出信号の時間波形は、上記したシンチレーション光の時間波形、及び光検出器１５の光検出特性等に依存して決まる所定の波形となる。光検出器１５で生成された検出信号Ｓ０は、出力端子１６から後段の時間波形計測部２０へと出力される。

時間波形計測部２０は、光検出器１５の出力端子１６から出力された検出信号Ｓ０の時間波形について計測を行う計測回路部である。本構成例における時間波形計測部２０は、第１コンパレータ２１と、第２コンパレータ２２と、第１時間幅計測器２３と、第２時間幅計測器２４とを有する。光検出器１５から出力された検出信号Ｓ０は、分岐点１７において分岐され、分岐された検出信号Ｓ０は、それぞれ第１コンパレータ２１、第２コンパレータ２２へと入力される。

第１コンパレータ２１には、第１閾値電圧Ｖ１が与えられている。第１コンパレータ２１は、第１閾値電圧Ｖ１と、電圧信号である検出信号Ｓ０とを比較して、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ１を超えている時間に相当する第１時間幅Ｔ１を有する第１デジタル信号Ｓ１を出力する。また、第２コンパレータ２２には、第１閾値電圧Ｖ１とは異なる電圧値を有する第２閾値電圧Ｖ２が与えられている。第２コンパレータ２２は、第２閾値電圧Ｖ２と、検出信号Ｓ０とを比較して、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ２を超えている時間に相当する第２時間幅Ｔ２を有する第２デジタル信号Ｓ２を出力する。

第１時間幅計測器２３は、第１コンパレータ２１から出力された第１デジタル信号Ｓ１の第１時間幅Ｔ１を計測して、得られた第１時間幅Ｔ１のデータを後段の解析部３０へと出力する。また、第２時間幅計測器２４は、第２コンパレータ２２から出力された第２デジタル信号Ｓ２の第２時間幅Ｔ２を計測して、得られた第２時間幅Ｔ２のデータを解析部３０へと出力する。第１時間幅計測器２３及び第２時間幅計測器２４のそれぞれは、好ましくは、時間－デジタル変換器（ＴＤＣ：Time to Digital Converter）によって構成される。

解析部（解析装置）３０は、第１、第２時間幅計測器２３、２４からそれぞれ入力された第１時間幅Ｔ１及び第２時間幅Ｔ２に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形を示すパラメータである時定数τを求める。時定数τは、例えば、後述する検出信号Ｓ０の時間波形における立下り時間τｄである。また、解析部３０は、時定数τとして、立下り時間τｄ以外の時間波形を示すパラメータを求めても良い。また、解析部３０は、必要に応じて、時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形における波高値Ｅをさらに求めても良い。解析部３０としては、例えば、ＣＰＵ及びメモリ等を含むコンピュータ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いることができる。

解析部３０には、表示部（表示装置）３１、及び記憶部（記憶装置）３２が接続されている。表示部３１は、上記のように導出された時定数τなどの解析部３０による検出信号Ｓ０の解析結果等を、必要に応じて表示する。記憶部３２は、解析部３０に入力された第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２のデータ、解析部３０で導出された時定数τなどの解析結果のデータ等を記憶する。

上記実施形態による放射線検出装置１Ａの効果について説明する。

図１に示した放射線検出装置１Ａでは、シンチレータ１１と光検出器１５とを含む放射線検出器１０から出力される検出信号Ｓ０に対し、互いに異なる閾値電圧Ｖ１、Ｖ２が設定された第１コンパレータ２１、及び第２コンパレータ２２を設ける。そして、それら２個のコンパレータ２１、２２から出力された第１、第２デジタル信号Ｓ１、Ｓ２の互いに異なる時間幅を、第１、第２時間幅計測器２３、２４によって計測し、得られた第１時間幅Ｔ１及び第２時間幅Ｔ２に基づいて、解析部３０において、放射線の検出に応じた検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τを求める。このような構成によれば、検出信号Ｓ０の時間波形情報を、波形サンプリング等を行うことなく、簡易な構成で好適に取得、判別することが可能となる。

また、上記の検出装置１Ａにおいて、解析部３０は、上記の時定数τに加えて、時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形における波高値Ｅをさらに求める構成としても良い。このような構成によれば、コンパレータ２１、２２、及び時間幅計測器２３、２４を含む時間波形計測部２０とは別個に、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）などの波高値計測器を追加で設けることなく、検出信号Ｓ０の波高値Ｅを高速かつ低消費電力で容易に求めることができる。なお、このような波高値Ｅについては、不要であれば求めない構成としても良い。

図２は、図１に示した放射線検出装置１Ａにおいて実行される放射線検出方法について示すフローチャートである。また、図３は、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形について示すグラフである。また、図４は、検出信号Ｓ０に対して第１、第２閾値電圧Ｖ１、Ｖ２を適用して得られる第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２について示すグラフである。以下、本実施形態による放射線検出方法について、検出信号Ｓ０の時間波形、及び時定数τの導出方法の具体例等とともに説明する。

図２に示す放射線検出方法では、まず、シンチレータ１１及び光検出器１５から構成される放射線検出器１０において放射線が検出され、光検出器１５の出力端子１６から、放射線の入射に応じた検出信号Ｓ０が出力される（ステップＳ１１）。図３は、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形の一例を模式的に示している。図３のグラフにおいて、横軸は、時間を示し、縦軸は、検出信号Ｓ０の電圧値を示している。

図３に示す検出信号Ｓ０の時間波形において、信号ピークＳｐよりも前の部分が立上り信号部Ｓｒであり、信号ピークＳｐよりも後の部分が立下り信号部Ｓｄである。また、図３に示すような形状を有する検出信号Ｓ０の時間波形は、例えば、下記式（１）によって表すことができる。

ここで、式（１）において、Ｅは信号ピークＳｐでの電圧値である波高値を示し、τｒは立上り信号部Ｓｒでの立上り時間（立上り時定数）を示し、τｄは立下り信号部Ｓｄでの立下り時間（立下り時定数）を示している。

放射線検出器１０から出力された検出信号Ｓ０は、時間波形計測部２０の第１、第２コンパレータ２１、２２へと入力される。第１コンパレータ２１は、第１閾値電圧Ｖ１と検出信号Ｓ０とを比較して、図４のグラフに示すように、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ１を超えている時間に相当する第１時間幅Ｔ１を有する第１デジタル信号Ｓ１を出力する。また、第２コンパレータ２２は、第２閾値電圧Ｖ２と検出信号Ｓ０とを比較して、同様に、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ２を超えている時間に相当する第２時間幅Ｔ２を有する第２デジタル信号Ｓ２を出力する（ステップＳ１２）。これらの第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２は、第１、第２時間幅計測器２３、２４においてそれぞれ計測される（ステップＳ１３）。

なお、図３、図４では、検出信号Ｓ０の時間波形における信号ピークＳｐが電圧に対して正の方向にある場合を示しているが、検出信号Ｓ０の信号ピークＳｐが電圧に対して負の方向にある場合には、上記の時間幅については、例えば、検出信号の正負を反転した検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧を超えている時間に相当する時間幅を求めれば良い。これは、元の検出信号の電圧値が閾値電圧を下回っている時間に対応している。

解析部３０は、第１、第２時間幅計測器２３、２４において計測された第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２等に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τを導出する（ステップＳ１４）。また、解析部３０は、必要に応じて、第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２、及び時定数τ等に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形における波高値Ｅを導出する（ステップＳ１５）。

ここで、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形において、立上り時間τｒが立下り時間τｄに対して充分に短い場合、第１閾値電圧Ｖ１に対する検出信号Ｓ０の第１時間幅Ｔ１は、下記式（２）

によって表される。また、第２閾値電圧Ｖ２に対する検出信号Ｓ０の第２時間幅Ｔ２は、同様に下記式（３）

によって表される。

したがって、解析部３０において時間波形のパラメータとして導出する時定数τを、検出信号Ｓ０の時間波形での立下り時間τｄとすると、時定数τは、下記式（４）によって求めることができる。

このような式（４）を用いることにより、検出信号Ｓ０の時定数τを好適、かつ容易に求めることができる。

また、解析部３０において、時定数τに加えて検出信号Ｓ０の波高値Ｅを求める場合、波高値Ｅは、上記で時定数τとして求められた立下り時間τｄを用いて、下記式（５）によって求めることができる。

なお、第１、第２コンパレータ２１、２２における第１、第２閾値電圧Ｖ１、Ｖ２については、時定数τ等が求めやすいように、任意に設定、調整することができる。

また、検出信号Ｓ０において、立上り時間τｒが立下り時間τｄに対して充分に短いとの上記した波形条件については、具体的には例えば、検出信号Ｓ０の時間波形における立上り時間τｒが、立下り時間τｄに対して条件
（τｒ／τｄ）＜０．１
を満たすことが好ましい。

ここで、図５は、シンチレータから出力されるシンチレーション光の時間波形の立上り時間τｒ、及び立下り時間τｄを示す図表である。図５では、ＰＥＴ装置に用いられる既存のシンチレータとして、ＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＬａＢｒ３、ＧＳＯ、ＧＡＧＧについて、時間波形の立上り時間τｒ、及び立下り時間τｄを示している。これらのシンチレータについては、立上り時間τｒが立下り時間τｄに対して充分に短いとの上記条件を充分に満たしていると考えられる。

図１に示した構成の放射線検出装置１Ａは、例えばＰＥＴ装置において好適に適用することができる。図６は、図１に示した放射線検出装置を適用したＰＥＴ装置の構成について示す図である。ＰＥＴ装置２Ａは、シンチレータ１１及び光検出器１５を含む放射線検出器１０を複数、被験者Ｐを取り囲むように配置して構成されている。また、各放射線検出器１０から出力される検出信号Ｓ０に対して、図１に示した時間波形計測部２０及び解析部３０を含む信号処理部６０が設けられている。

ＰＥＴ装置２Ａでは、被験者Ｐの内部で陽電子の対消滅によって生成された一対のγ線が、複数の放射線検出器１０によって検出される。図６に示した例では、被験者Ｐの内部の計測点Ｐ１で生成された一対のγ線が、放射線検出器１０１、１０２によって検出されている。また、計測点Ｐ２で生成された一対のγ線が、放射線検出器１０３、１０４によって検出されている。

放射線検出器１０から出力された検出信号Ｓ０は、信号処理部６０へと入力され、図１に関して上述したように、信号処理部６０において、検出信号Ｓ０の第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２の計測、及び時間波形の時定数τの導出等が行われる。また、求められた時定数τに基づいて、例えばシンチレータ１１の特性などの放射線検出器１０の特性が導出される。導出された放射線検出器１０の特性の情報は、例えば、ＰＥＴ装置２Ａの性能向上に用いることができる。

図７は、放射線検出装置の第２実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による放射線検出装置１Ｂは、放射線検出器１０Ｂと、時間波形計測部２０と、解析部３０とを備えて構成されている。これらのうち、時間波形計測部２０及び解析部３０の構成については、図１に示した構成と同様である。また、図７においては、解析部３０に接続された表示部３１、記憶部３２について、図示を省略している。

本構成例における放射線検出器１０Ｂは、シンチレータ１１と、光検出器１５とを有する。また、シンチレータ１１は、光検出器１５側から、第１シンチレータ部１２と、第２シンチレータ部１３とを順に配置して構成されている。

第１シンチレータ部１２は、第１のシンチレーション材料からなり、放射線の入射に応じて、所定の時間波形を有するシンチレーション光を生成する。第２シンチレータ部１３は、第１のシンチレーション材料とは異なる第２のシンチレーション材料からなり、放射線の入射に応じて、第１シンチレータ部１２とは異なる時間波形を有するシンチレーション光を生成する。光検出器１５は、第１シンチレータ部１２または第２シンチレータ部１３から出力されたシンチレーション光を検出し、出力端子１６、及びアンプ１８を介して検出信号Ｓ０を出力する。このとき、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形は、放射線が第１、第２シンチレータ部１２、１３のいずれと相互作用して検出されたかによって異なる波形となる。

図８は、図７に示した放射線検出装置１Ｂにおいて実行される放射線検出方法について示すフローチャートである。図８に示す放射線検出方法では、まず、第１、第２シンチレータ部１２、１３を含むシンチレータ１１、及び光検出器１５から構成される放射線検出器１０Ｂにおいて放射線が検出され、光検出器１５の出力端子１６から検出信号Ｓ０が出力される（ステップＳ２１）。

検出信号Ｓ０は、アンプ１８及び分岐点１７を経て、時間波形計測部２０の第１、第２コンパレータ２１、２２へと入力される。第１コンパレータ２１は、第１閾値電圧Ｖ１と検出信号Ｓ０とを比較して、第１時間幅Ｔ１を有する第１デジタル信号Ｓ１を出力する。また、第２コンパレータ２２は、第２閾値電圧Ｖ２と検出信号Ｓ０とを比較して、第２時間幅Ｔ２を有する第２デジタル信号Ｓ２を出力する（ステップＳ２２）。これらの第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２は、第１、第２時間幅計測器２３、２４においてそれぞれ計測される（ステップＳ２３）。

解析部３０は、第１、第２時間幅計測器２３、２４において計測された第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τを導出する（ステップＳ２４）。また、解析部３０は、求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、第１シンチレータ部１２及び第２シンチレータ部１３のいずれで生成されたシンチレーション光に起因して光検出器１５から出力された検出信号か、すなわち、放射線が第１、第２シンチレータ部１２、１３のいずれで検出されたかを判別する（ステップＳ２５）。

このように、上記のように第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２に基づいて検出信号Ｓ０の時定数τを求める構成では、シンチレータ１１が第１、第２シンチレータ部１２、１３を含む場合に、求められた時定数τに基づいて、放射線が第１、第２シンチレータ部１２、１３のいずれで検出されたかを判別することができる。また、このようなシンチレータ部の判別は、シンチレータが３個以上のシンチレータ部を含む場合においても、同様に行うことが可能である。

このような検出信号Ｓ０の時定数τによるシンチレータ部の判別について、計測実験を行った。図９は、図７に示した放射線検出器１０Ｂを用いて行った計測実験について示す図である。本計測実験では、放射線検出器１０Ｂを温度２５℃の恒温槽３５内に配置して実験を行った。放射線検出器１０Ｂの構成については、第１シンチレータ部１２として、５×５×５ｍｍ^３のＧＳＯシンチレータを用い、第２シンチレータ部１３として、３×３×１０ｍｍ^３のＧＡＧＧシンチレータを用いた。

また、光検出器１５のＭＰＰＣとして、浜松ホトニクス社製のＳ１３３６０－３０５０を用いた。このＭＰＰＣの受光面サイズは、３．０×３．０ｍｍ^２、２次元に配列された複数の光検出ピクセルの配列ピッチは、５０μｍである。また、ＭＰＰＣに印加する電圧については、ブレークダウン電圧を超える電圧分をＶ_{ｅｘｃｅｓｓ}＝４．０Ｖとした。また、第１、第２シンチレータ部１２、１３を含むシンチレータ１１から５ｃｍの位置に、放射線源３６として^２２Ｎａ線源を配置し、この線源３６からのγ線を放射線検出器１０Ｂによって検出した。

また、本計測実験では、光検出器１５の出力端子１６から出力される検出信号Ｓ０に対し、図７に示した時間波形計測部２０に代えてオシロスコープ３８を設け、オシロスコープ３８で計測された時間波形データを、解析部３０のコンピュータ（ＰＣ）に取り込んだ後、検出信号Ｓ０の時間波形の第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２、及び時定数τ等についての解析をソフトウェアによって行った。また、オシロスコープ３８としては、キーサイト社製のＤＳＯ－Ｓ４０４Ａを用いた。

図１０は、図９に示した計測実験で得られた検出信号Ｓ０の時間波形、及び第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２について示すグラフである。ここでは、オシロスコープ３８で得られた検出信号Ｓ０の時間波形データＳ６に対し、解析部３０において理論式でフィッティングを行い、フィッティング結果の時間波形Ｓ７を取得した。また、この時間波形Ｓ７について、第１、第２閾値電圧Ｖ１、Ｖ２を設定して数値解析を行い、第１時間幅Ｔ１及び第２時間幅Ｔ２を求めた。また、これらの第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２に基づいて、検出信号Ｓ０の時定数τを求めた。

図１１は、図９に示した計測実験で得られた検出信号Ｓ０の時定数τによるシンチレータ部の判別について示すグラフである。図１１のグラフにおいて、横軸は、時定数τとして求められた検出信号Ｓ０の立下り時間τｄ（ｎｓ）を示している。図１１に示した実験結果では、立下り時間τｄが短い領域Ｒ１に分布するＧＳＯシンチレータによる検出データと、立下り時間τｄが長い領域Ｒ２に分布するＧＡＧＧシンチレータによる検出データとが、明確に判別可能となっている。このようなシンチレータの判別機能は、例えば、検出信号の時定数が互いに異なる複数種類のシンチレータ部を重ねて構成されたホスウィッチ型検出器でのシンチレータ部の判別に適用することができ、これにより、高計数率に対応可能、かつ、低消費電力化が可能な検出装置が実現可能となる。

図１２は、放射線検出装置の第３実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による放射線検出装置１Ｃは、放射線検出器１０Ｃと、時間波形計測部２０と、解析部３０とを備えて構成されている。これらのうち、時間波形計測部２０及び解析部３０の構成については、図１に示した構成と同様である。また、図１２においては、解析部３０に接続された表示部３１、記憶部３２、及び放射線検出器１０Ｃに含まれるシンチレータ１１について、図示を省略している。

本構成例における放射線検出器１０Ｃは、シンチレータ１１と、光検出器１５とを有する。また、光検出器１５としては、複数の光検出ピクセル（光検出部）を有してＭＰＰＣとして構成された光検出器５０を用いている。図１３は、図１２に示した放射線検出装置１Ｃにおける光検出器５０の構成を示す平面図である。また、図１４は、図１３に示した光検出器５０の構成を一部拡大して示す平面図である。図１４では、図１３に示した光検出器５０における中心部の領域５１の拡大図を示している。

光検出器５０は、１次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号Ｓ０を生成するＮ個の光検出ピクセル（ミクロピクセル）５２と、Ｎ個の光検出ピクセル５２のそれぞれで生成される検出信号Ｓ０を外部へと出力する単一の出力端子１６とを有して構成されている。ここで、Ｎは２以上の整数である。また、ＭＰＰＣの具体的な構成については、例えば、特許文献１を参照することができる。

図１３、図１４に示す構成例では、Ｎ個の光検出ピクセル５２は、光検出器５０の検出器チップ上に２次元に配列されている。また、検出器チップの中央部には、各光検出ピクセル５２からの検出信号Ｓ０が収集される共通電極５８が配置されている。なお、図１３においては、共通電極５８の見易さ等のため、検出器チップの両端部周辺のみについて、光検出ピクセル５２を図示している。

光検出器５０におけるＮ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）５３と、ＡＰＤ５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４とを有している。また、クエンチング抵抗５４は、図１４に示すように、信号線５９を介して共通電極５８に接続されている。光検出ピクセル５２で生成された検出信号Ｓ０は、信号線５９、及び共通電極５８を介して、出力端子１６から外部へと出力される。

また、光検出器５０におけるＮ個の光検出ピクセル５２は、互いに異なる時間波形（互いに異なる時定数）を有する検出信号Ｓ０を出力するように構成されている。本構成例では、具体的には、光検出器５０は、Ｎ個の光検出ピクセル５２において検出信号の時間波形、時定数を決めるクエンチング抵抗５４が、互いに異なる抵抗値を有するように構成されている。

図１５は、図１２に示した放射線検出装置１Ｃにおいて実行される放射線検出方法について示すフローチャートである。図１５に示す放射線検出方法では、まず、シンチレータ１１、及びＮ個の光検出ピクセル５２を含む光検出器５０から構成される放射線検出器１０Ｃにおいて放射線が検出され、光検出器５０の出力端子１６から検出信号Ｓ０が出力される（ステップＳ３１）。

検出信号Ｓ０は、アンプ１８及び分岐点１７を経て、時間波形計測部２０の第１、第２コンパレータ２１、２２へと入力される。第１コンパレータ２１は、第１閾値電圧Ｖ１と検出信号Ｓ０とを比較して、第１時間幅Ｔ１を有する第１デジタル信号Ｓ１を出力する。また、第２コンパレータ２２は、第２閾値電圧Ｖ２と検出信号Ｓ０とを比較して、第２時間幅Ｔ２を有する第２デジタル信号Ｓ２を出力する（ステップＳ３２）。これらの第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２は、第１、第２時間幅計測器２３、２４においてそれぞれ計測される（ステップＳ３３）。

解析部３０は、第１、第２時間幅計測器２３、２４において計測された第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τを導出する（ステップＳ３４）。また、解析部３０は、求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、Ｎ個の光検出ピクセル（光検出部）のうちのいずれから出力された検出信号かを判別する（ステップＳ３５）。

このように、上記のように第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２に基づいて検出信号Ｓ０の時定数τを求める構成では、光検出器５０がＮ個の光検出ピクセル（光検出部）５２を含む場合に、求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、Ｎ個の光検出ピクセル５２のいずれから出力されたかを判別することができる。

なお、本構成例では、上記したように、光検出器５０がＮ個の光検出ピクセル５２を含むこととしたが、光検出ピクセル（光検出部）５２の個数については、２個以上で任意に設定して良い。例えば、光検出器５０が、所定の時間波形の検出信号を出力する第１光検出部と、第１光検出部とは異なる時間波形の検出信号を出力する第２光検出部とを含む場合に、求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、第１、第２光検出部のいずれから出力された検出信号かを判別することできる。

また、光検出器５０における、互いに異なる時間波形の検出信号を出力するＮ個の光検出ピクセル５２の構成については、図１２に示した構成以外にも、具体的には様々な構成を用いることが可能である。

図１６は、図１２に示した放射線検出装置１Ｃにおける光検出器１５の第１変形例の構成を概略的に示す図である。本構成例では、光検出器１５は、Ｎ個の光検出ピクセル５２と、単一の出力端子１６とを有する光検出器５０Ａとして構成されている。

光検出器５０ＡにおけるＮ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するＡＰＤ５３と、ＡＰＤ５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４と、クエンチング抵抗５４及び出力端子１６の間に直列に接続された周波数フィルタ５５とを有している。

また、本構成例では、光検出器５０Ａは、Ｎ個の光検出ピクセル５２における周波数フィルタ５５が、互いに異なる周波数特性を有するように構成されている。これにより、光検出器５０ＡにおけるＮ個の光検出ピクセル５２は、互いに異なる時間波形を有する検出信号Ｓ０を出力する。Ｎ個の光検出ピクセル５２における周波数フィルタ５５のそれぞれは、例えば、互いに異なるカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、またはバンドパスフィルタである。

図１７は、図１２に示した放射線検出装置１Ｃにおける光検出器１５の第２変形例の構成を概略的に示す図である。本構成例では、光検出器１５は、Ｎ個の光検出ピクセル５２と、単一の出力端子１６とを有する光検出器５０Ｂとして構成されている。

光検出器５０ＢにおけるＮ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するＡＰＤ５３と、ＡＰＤ５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４と、ＡＰＤ５３に対して並列に接続されたコンデンサ５６とを有している。

また、本構成例では、光検出器５０Ｂは、Ｎ個の光検出ピクセル５２におけるコンデンサ５６が、互いに異なる容量値を有するように構成されている。これにより、光検出器５０ＢにおけるＮ個の光検出ピクセル５２は、互いに異なる時間波形を有する検出信号Ｓ０を出力する。

本発明による放射線検出装置は、上記した実施形態、及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図７、図１２に示した構成では、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０に対してアンプ１８を設けているが、このアンプ１８については、不要であれば設けない構成としても良い。

また、解析部３０において求められる、検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τについては、上記構成例では、立下り時間τｄを時定数τとしているが、検出信号Ｓ０の時間波形を判別することが可能なものであれば、時間波形についての他のパラメータを時定数τとして求める構成としても良い。また、時定数τの導出に用いられる検出信号Ｓ０の時間幅については、上記構成例では、第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２を計測する構成としているが、例えば、３種類以上の時間幅を計測する構成としても良い。

本発明は、シンチレータと光検出器とを含んで構成される放射線検出器から出力される検出信号の時間波形情報を好適に取得、判別することが可能な放射線検出装置として利用可能である。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…放射線検出装置、１０、１０Ｂ、１０Ｃ…放射線検出器、１１…シンチレータ、１２…第１シンチレータ部、１３…第２シンチレータ部、１５…光検出器、１６…出力端子、１７…分岐点、１８…アンプ、
２０…時間波形計測部、２１…第１コンパレータ、２２…第２コンパレータ、２３…第１時間幅計測器、２４…第２時間幅計測器、
３０…解析部、３１…表示部、３２…記憶部、３５…恒温槽、３６…放射線源、３８…オシロスコープ、２Ａ…ＰＥＴ装置、６０…信号処理部、
５０、５０Ａ、５０Ｂ…光検出器、５１…領域、５２…光検出ピクセル、５３…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、５４…クエンチング抵抗、５５…周波数フィルタ、５６…コンデンサ、５８…共通電極、５９…信号線、
Ｓ０…検出信号、Ｓｐ…信号ピーク、Ｓｒ…立上り信号部、Ｓｄ…立下り信号部、Ｓ１…第１デジタル信号、Ｓ２…第２デジタル信号、Ｖ１…第１閾値電圧、Ｖ２…第２閾値電圧、Ｔ１…第１時間幅、Ｔ２…第２時間幅。

Claims (9)

1. 放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成するシンチレータと、
   前記シンチレータから出力された前記シンチレーション光を検出して、検出信号を出力する光検出器と、
   第１閾値電圧と前記検出信号とを比較して、前記検出信号の電圧値が前記第１閾値電圧を超えている時間に相当する第１時間幅を有する第１デジタル信号を出力する第１コンパレータと、
   前記第１デジタル信号の前記第１時間幅を計測する第１時間幅計測器と、
   前記第１閾値電圧とは異なる第２閾値電圧と前記検出信号とを比較して、前記検出信号の電圧値が前記第２閾値電圧を超えている時間に相当する第２時間幅を有する第２デジタル信号を出力する第２コンパレータと、
   前記第２デジタル信号の前記第２時間幅を計測する第２時間幅計測器と、
   前記第１時間幅及び前記第２時間幅に基づいて、前記検出信号の時間波形を示す時定数を求める解析部と
   を備え、
   前記検出信号の時間波形における立上り時間τｒが、立下り時間τｄに対して条件
   （τｒ／τｄ）＜０．１
   を満たす、
   放射線検出装置。
2. 前記光検出器は、所定の時間波形を有する検出信号を出力する第１光検出部と、前記第１光検出部とは異なる時間波形を有する検出信号を出力する第２光検出部とを含む、請求項１記載の放射線検出装置。
3. 前記解析部は、前記時定数に基づいて、前記検出信号が、前記第１光検出部及び前記第２光検出部のいずれから出力された検出信号かを判別する、請求項２記載の放射線検出装置。
4. 前記解析部は、前記第１閾値電圧をＶ１、前記第１時間幅をＴ１、前記第２閾値電圧をＶ２、前記第２時間幅をＴ２として、前記時定数τを
   τ＝（Ｔ１－Ｔ２）／ｌｏｇ（Ｖ２／Ｖ１）
   によって求める、請求項１～３のいずれか一項記載の放射線検出装置。
5. 放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成するシンチレータと、
   前記シンチレータから出力された前記シンチレーション光を検出して、検出信号を出力する光検出器と、
   第１閾値電圧と前記検出信号とを比較して、前記検出信号の電圧値が前記第１閾値電圧を超えている時間に相当する第１時間幅を有する第１デジタル信号を出力する第１コンパレータと、
   前記第１デジタル信号の前記第１時間幅を計測する第１時間幅計測器と、
   前記第１閾値電圧とは異なる第２閾値電圧と前記検出信号とを比較して、前記検出信号の電圧値が前記第２閾値電圧を超えている時間に相当する第２時間幅を有する第２デジタル信号を出力する第２コンパレータと、
   前記第２デジタル信号の前記第２時間幅を計測する第２時間幅計測器と、
   前記第１時間幅及び前記第２時間幅に基づいて、前記検出信号の時間波形を示す時定数を求める解析部と
   を備え、
   前記光検出器は、所定の時間波形を有する検出信号を出力する第１光検出部と、前記第１光検出部とは異なる時間波形を有する検出信号を出力する第２光検出部とを含み、
   前記解析部は、前記時定数に基づいて、前記検出信号が、前記第１光検出部及び前記第２光検出部のいずれから出力された検出信号かを判別する、
   放射線検出装置。
6. 前記シンチレータは、所定の時間波形を有するシンチレーション光を生成する第１シンチレータ部と、前記第１シンチレータ部とは異なる時間波形を有するシンチレーション光を生成する第２シンチレータ部とを含む、請求項１～５のいずれか一項記載の放射線検出装置。
7. 前記解析部は、前記時定数に基づいて、前記検出信号が、前記第１シンチレータ部及び前記第２シンチレータ部のいずれで生成されたシンチレーション光に起因して前記光検出器から出力された検出信号かを判別する、請求項６記載の放射線検出装置。
8. 前記第１時間幅計測器及び前記第２時間幅計測器のそれぞれは、時間－デジタル変換器を含む、請求項１～７のいずれか一項記載の放射線検出装置。
9. 前記解析部は、前記時定数に基づいて、前記検出信号の時間波形における波高値を求める、請求項１～８のいずれか一項記載の放射線検出装置。

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