JP7204920B2 - 反射体を有する放射線検出装置 - Google Patents

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Description

本開示は、ハウジング内に分析器を有する放射線検出装置に関する。
放射線検出装置は、Ｘ線、ガンマ線、アルファ線、ベータ線などの放射線を検出するために使用することができ、内部に構成要素を有する封止されたハウジングを含むことができる。この放射線検出装置は、シンチレータおよびＳｉＰＭを含むことができ、シンチレータは、ＳｉＰＭによって方向付けおよび検出され得る光子を出力することによって、あるタイプの放射線を検出することに反応する。
ＳｉＰＭは、吸収される光子数に比例した総電荷を伴う電子信号を送達することができる半導体ベースのデバイス（典型的には、シリコン）である。それは、ガイガーモードで動作する非常に多くのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）から成る。これらのガイガーモードアバランシェフォトダイオード（Ｇ－ＡＰＤ）はまた、単一光子アバランシェフォトダイオードとも呼ばれる場合があり、別々の急冷抵抗器を介して並列に接続される。ＡＰＤは、入射する光子を電気信号に変換し、なだれ増倍を通じてその電気信号を増幅する。ＡＰＤを動作させるには、その端子の両端に印加される電圧が必要である。この印加される逆電圧（または「バイアス電圧」）が降伏電圧よりも大きい場合、ＡＰＤは、ガイガーモードと呼ばれるものとして動作する。ガイガーモードで動作するＳｉＰＭは、光子を計数することによって光強度を測定することができる。ＳｉＰＭが単位時間当たりに計数することができる光子数は、ＳｉＰＭ内に含まれるＧ－ＡＰＤの数、および個々のＧ－ＡＰＤが光子を検出してすぐに放電した後、どの程度速やかに再充電することができるかに依存する。単一のＧ－ＡＰＤは、それによって何個の光子が同時に吸収されるのかに関係なく同じ出力信号を生成するため、ＳｉＰＭを飽和させた結果として光子を実際より少なく計数しないように、予想される光子密度に対して適切に対処するのに十分なＧ－ＡＰＤ（または画素）を提供するＳｉＰＭを選択することができる。
放射線検出装置が実行することができる機能は、構成要素によって決定され得る。ＳｉＰＭ内のＧ－ＡＰＤは、並列に接続され、Ｇ－ＡＰＤの並列アレイを形成し、通常、２５～１００μｍのピッチで離間される。しかしながら、ＳｉＰＭのノイズレベル、およびＧ－ＡＰＤの再充電速度は、ＳｉＰＭの精度および性能に悪い影響を及ぼす。放射線検出装置のさらなる改良が、所望されている。
実施形態は、例として示されており、添付の図に限定されない。
一実施形態による放射線検出装置の断面図の例示を含む。 図１に示されるような配線板の底面の例示を含む。 図１に示されるような配線板の底面の例示を含む。 図１に示されるような配線板の底面の例示を含む。 図１に示されるような配線板の底面の例示を含む。 図１に示されるような配線板の底面の例示を含む。 図１に示されるような配線板の底面の例示を含む。 図１の装置の配線板およびインターフェース板の一部の斜視図の例示を含む。 図１の装置で使用することができる制御モジュールの描写を含む。 図１の装置を使用する方法のフロー図を含む。
当業者は、図中の要素が単純化および明瞭化のために示されており、必ずしも縮尺通りには描かれていないことを認識している。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解を改善するのを助けるために、他の要素に対して誇張されている場合がある。
図面と組み合わせた以下の説明は、本明細書に開示される教示を理解するのを助けるために提供される。以下の説明は、本教示の具体的な実装および実施形態に焦点を合わせるであろう。この焦点は、本教示を説明するのを助けるために提供されており、本教示の範囲または適用性に対する限定として解釈されるべきではない。しかしながら、本出願で開示される教示に基づいて他の実施形態を使用することができる。
「化合物半導体」という用語は、少なくとも２つの異なる元素を含む半導体材料を意味することを意図している。例には、０≦ｘ＜１として、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ、ＣｄＴｅなどが含まれる。ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料は、少なくとも１つの三価金属元素および少なくとも１つの１５族元素を含む半導体材料を意味することを意図している。ＩＩＩ－Ｎ半導体材料は、少なくとも１つの三価金属元素および窒素を含む半導体材料を意味することを意図している。第１３族－第１５族半導体材料は、少なくとも１つの第１３族元素および少なくとも１つの第１５族元素を含む半導体材料を意味することを意図している。ＩＩ－ＶＩ半導体材料は、少なくとも１つの二価金属元素および少なくとも１つの１６族元素を含む半導体材料を意味することを意図している。
「アバランシェフォトダイオード」とは、受光面積が１ｍｍ２以上であり、比例モードで動作する単一のフォトダイオードを指す。
「ＳｉＰＭ」という用語は、各フォトダイオードが１ｍｍ２未満のセルサイズを有し、ガイガーモードで動作する複数のフォトダイオードを含む光電子増倍管を意味することを意図している。ＳｉＰＭにおけるダイオード用の半導体材料は、シリコン、化合物半導体、または別の半導体材料を含み得る。
「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語、またはそれらの任意の他の変形は、非排他的包含を含むことを意図している。例えば、特徴のリストを備える方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの特徴のみに限定されず、そのような方法、物品、または装置に明示的にリスト化されていないかまたは固有ではない他の特徴を含んでもよい。さらに、そうではないと明示的に述べられていない限り、「または（ｏｒ）」は、包含的な「または」を指し、排他的な「または」を指さない。例えば、条件ＡまたはＢは、以下のいずれか１つによって満たされる。Ａは真（または存在する）かつＢは偽（または存在しない）、Ａは偽（または存在しない）かつＢは真（または存在する）、およびＡとＢの両方が真（または存在する）である。
また、「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」の使用は、本明細書に記載の要素および構成要素を説明するために使用される。これは単に便宜上および本発明の範囲の一般的な意味を与えるために行われている。この説明は、他を意味することが明確でない限り、１つ、少なくとも１つ、または複数も含む単数形、またはその逆を含むように読む必要がある。例えば、本明細書で単一の物品が説明される場合、単一の物品の代わりに複数の物品が使用され得る。同様に、本明細書で複数の物品が説明される場合、それら複数の物品に代えて単一の物品が使用され得る。
「約」、「およそ」、または「実質的に」という言葉の使用は、パラメータの値が規定の値または位置に近いことを意味することを意図している。ただし、わずかな違いにより、値または位置が記載どおりにならない場合がある。したがって、値の最大１０パーセント（１０％）（および半導体ドーピング濃度の最大２０パーセント（２０％））の差は、説明されているとおりの理想的な目標からの合理的な差である。
グループ番号は、ＩＵＰＡＣ元素周期表、２０１６年１１月２８日付けバージョンに基づく元素周期表内の列に対応する。
他に定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術的および科学的用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。材料、方法、および例は、例示的なものにすぎず、限定的であることを意図しない。本明細書に記載されていない範囲で、特定の材料および処理行為に関する多くの詳細は従来通りであり、シンチレーション技術、放射線検出技術および測距技術内の教科書およびその他の情報源に見られ得る。
放射線検出装置は、分析器が含まれるハウジングから分析器を取り外す必要なしに装置の機能性を変更できるように構成することができる。機能性は、放射線イベントのカウント、様々な種類の放射線の識別（例えば、ガンマ線と中性子との識別）、放射線に対応する同位体の識別、光センサの利得補償の提供、シンチレータの光出力の調整に関する情報の、温度の関数としての提供、別の適切な機能の実行、またはそれらの任意の組み合わせを含む機能をアクティブ化または非アクティブ化することで変更できる。
一態様では、この放射線検出装置は、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するためのシンチレータと、シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するための光センサと、放射線の特性を判定するための分析器と、シンチレータ、光センサ、および分析器を収容するハウジングと、を備えることができ、放射線検出装置は、ハウジングから分析器を取り外すことなく、機能性を変化させることができるように構成される。
一実施形態では、この放射線検出装置は、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するためのシンチレータと、シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するための光センサと、放射線の特性を判定するための分析器と、シンチレータ、光センサ、および分析器を収容するハウジングと、を備えることができる。本明細書で使用されるとき、「光センサ」は、１つ以上のＳｉＰＭを指し、その場合には、複数のＳｉＰＭが、１×２アレイ、２×２アレイ、４×４アレイなどのアレイ状に配列することができる。
一実施形態では、この放射線検出装置は、光センサおよび分析器に結合されたインターフェースをさらに含むことができる。別の実施形態では、光センサは、半導体ベースの光電子増倍管（ＳｉＯＭ）を含むことができる。光電子増倍管（ＰＭＴ）を備えた放射線検出装置と比較すると、半導体ベースの光電子増倍管を備える放射線検出装置が、より小型でかつより堅牢に作製することができる。半導体ベースの光電子増倍管は、放射線検出装置に接続されたケーブルによって電力を供給することを可能にし、インターフェース板は、半導体ベースの光電子増倍管を動作させるのに十分な電力を供給することができる。図および非限定的な実施形態に注意が向けられる。
図１は、放射線検出装置１００の一実施形態を示す。放射線検出装置１００は、軍事用途などのための医用画像化装置、坑井検層装置、セキュリティ検査装置であり得る。放射線検出装置１００は、内部に構成要素を含むハウジング１１０を含む。ハウジングは、取り外し可能に封止されてもよいか、または気密封止されてもよい。特定の実施形態では、ハウジング１１０は、ＩＰ６７のＩＰコード定格に従って封止することができ、ＩＰコードは、国際電気標準会議規格６０５２９、第２．２版（２０１３）である。代替的に、または加えて、ハウジング１１０内の構成要素が、ハウジング内に実装される前に別々に気密封止してシールドすることができる。
ハウジング１１０は、ガンマ線、イオン化粒子などの放射線の吸収に応答して、シンチレーション光を放出する材料を含み得るシンチレータ１２０を含む。シンチレータ１２０の例示的で非限定的な材料には、ハロゲン化アルカリ、ハロゲン化希土類、エルパソライト、希土類含有ケイ酸塩、ペロブスカイト酸化物などが含まれ得る。例えば、シンチレータ１２０は、ＮａＩ（Ｔｌ）結晶、ＣｓＩ（Ｔｌ）結晶、ＣｓＩ（Ｎａ）結晶、ＬａＢｒ３結晶、ＣＬＬＢ結晶、ＬＹＳＯ結晶、ＬＳＯ結晶、ＣｄＷＯ４結晶、ＣｅＢｒ３結晶、ヨウ化ストロンチウム結晶、ＢＧＯ結晶、ＣａＦ２（Ｅｕ）結晶等のうちのいずれか１つを含むことができる。ＮａＩ（Ｔｌ）結晶は、タリウムで活性化されたヨウ化ナトリウムシンチレーション結晶である。ＣｓＩ（Ｔｌ）結晶は、タリウムで活性化されたヨウ化セシウムシンチレーション結晶である。ＣｓＩ（Ｎａ）結晶は、ナトリウムで活性化されたヨウ化セシウムシンチレーション結晶である。ＬａＢｒ３結晶は、臭化ランタン結晶である。（Ｃｓ２ＬｉＬａＢｒ６（Ｃｅ））結晶は、ガンマ中性子シンチレーション結晶である。ＬＹＳＯ結晶（Ｌｕ１．８Ｙ．２ＳｉＯ５：Ｃｅ）は、セリウムドープルテニウム系シンチレーション結晶である。ＬＳＯ結晶（Ｌｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ））は、セリウムドープルテニウムオキシオルトシリケート系シンチレーション結晶である。ＣｄＷＯ４結晶は、カドミウムタングステン酸塩（ＣｄＷＯ４）シンチレーション結晶である。ＣｅＢｒ３結晶は、臭化セリウム（ＣｅＢｒ３）シンチレーション結晶である。ＢＧＯ結晶（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）は、ゲルマン酸ビスマス系シンチレーション結晶である。ＣａＦ２（Ｅｕ）結晶は、ユーロピウムドープ弗化カルシウム系シンチレーション結晶である。これらのシンチレーション結晶のいずれかは、本開示に記載された物品および放射線検出器において使用することができる。
ハウジング１１０が封止されると、吸湿性であるか、またはハウジング１１０に隣接する周囲条件と不利に相互作用する材料を保護することができる。シンチレータ１２０は、反射体１３２によって取り囲まれている。反射体１３２は、シンチレータ１２０を横方向に取り囲むことができるか、または全ての側でシンチレータを取り囲むことができる。反射体１３２は、鏡面反射体、拡散反射体、または両方を含み得る。１つ以上の弾性部材は、シンチレータ１２０をハウジング１１０内の定位置に保つことに役立ち得る。図示の実施形態では、エラストマー材料１３４が反射体１３２を取り囲むことができ、シンチレータ１２０とハウジング１１０との間にばね１３６が配置されてもよい。図示されていないが、ばね１３６とシンチレータ１２０との間にプレートを使用して、シンチレータ１２０の表面に沿ってより均一に圧力を分散させてもよい。
光センサ１５２が、光カプラ１４０を介してシンチレータ１２０に光学的に結合され得る。一実施形態では、光センサ１５２は、ＳｉＰＭまたはアバランシェフォトダイオードを含むことができる半導体ベースの光電子増倍管とすることができる。一実施形態では、半導体ベースの光電子増倍管は、１つ以上のＳｉＰＭ１５２を含み得る。図示の実施形態に見られるように、ＳｉＰＭ１５２は、プリント配線板１５４に装着することができる。一実施形態では、ＳｉＰＭ１５２は、プリント配線板１５４と光カプラ１４０との間に存在し得る。一実施形態では、光カプラ１４０は、シリカとすることができる。別の実施形態では、ＳｉＰＭ１５２は、エポキシまたはゴムシリコーンを使用して光カプラ１４０に結合することができる。各ＳｉＰＭ１５２は、光子がＳｉＰＭの個々のマイクロセルと相互作用するときに光子を検出する数千個のマイクロセルを含み得る。しかしながら、シンチレータ１２０によって生成された一部の光子は、ＳｉＰＭ１５２を外してしまう場合があり、ＰＣＢ１５４によって吸収されるか、ないしＳｉＰＭ１５２と相互作用することが妨げられる場合がある。したがって、光子が、必ずしも検出器１００によって適切に計数され得ない。このようにして失われた光子の数は、ＳｉＰＭ１５２により被覆されていないＰＣＢ１５４の領域を低減することによって最小化し得る。より多くのＳｉＰＭ１５２でＰＣＢ表面を実装することにより、光子との相互作用のために利用可能となるＰＣＢ１５４の領域を低減して、光子の損失を最小化し得る。残念なことに、これにより、検出器１００のコストを大幅に増加させ得る。
反射体１３３は、ＳｉＰＭ１５２と同じ平面上にあり、それを取り囲み得る。反射体１３３は、光子を反射させることができ、光子は、それ以外の場合では、ＰＣＢに失われ、シンチレータ１２０に戻り、シンチレータ１２０の全ての側面（光センサ１５０に隣接する側面を除く）が反射体１３２に覆われているため、光子は、その光子がＳｉＰＭ１５２によって検出および吸収されるまで、シンチレータ１２０内で反射し続け得る。反射体１３３は、拡散反射体であり得る。一実施形態では、反射体１３３は、拡散白色反射体である。一実施形態では、反射体１３３は、テトラフルオロエチレンのフッ素ポリマー、テフロンなどの材料、メイレックス、およびマイラーテープからなる群から選択される材料であり得る。一実施形態では、反射体１３３は、４４０ｎｍで測定されたときに、８０％～９９％の反射係数を有し得る。一実施形態では、反射体１３３は、波長２５０ｎｍ～３４００ｎｍにおいて測定されたときに、９０％～９９％の反射係数を有し得る。一実施形態では、反射体１３３は、波長３５０ｎｍ～１２００ｎｍにおいて測定されたときに、９５％～９９％の反射係数を有し得る。反射体１３３は、反射体１３３を含まない光センサ１５０を使用する検出器１００に対して大幅な改善を与えるように示されている。さらに、反射体１３３を備えるＳｉＰＭ１５２の２×２アレイを使用した検出器１００の性能は、ＳｉＰＭ１５２の４×４アレイを使用した検出器１００と比較可能な性能を提供するように示している。したがって、より少ないＳｉＰＭ１５２によって、より多くのＳｉＰＭ１５２を使用する検出器（例えば、８個のＳｉＰＭ、１６個のＳｉＰＭ、３２個のＳｉＰＭ等を備えた検出器）のコストをより高くすることなく、検出器１００の所望の性能を達成することができる。ただし、より高い計数のＳｉＰＭ検出器１００の性能はまた、反射体１３３を使用することによっても改善することができることを理解されたい。
図２Ａ～２Ｆに見られるように、反射体１３３は、光センサ１５２を取り囲むプリント配線板１５４の上に装着され得る。一実施形態では、反射体１３３は、プリント配線板１５４の縁端部を超えて延在し得る。一実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２と同じ平面に隣接し、かつその平面上に存在し得る。一実施形態では、反射体１３２は、反射体１３３と同じ材料であり得る。別の実施形態では、反射体１３３は、それぞれの光センサ１５２の間の空間に存在し得る。例えば、一実施形態では、光センサ１５２は、それぞれのＳｉＰＭの間に反射体材料１３３を伴う、互いに離間された複数のＳｉＰＭ１５２であり得る。一実施形態では、反射体１３３は、ＳｉＰＭ１５２の周りの表面積を被覆し得る。一実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２の周囲に接し得る。別の実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２の周囲に隣接し得る。一実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２の周囲の少なくとも１つの側に隣接し得る。別の実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２の周囲の２つの側を取り囲み得る。別の実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２の周囲の１つ～４つの側の間を横方向に取り囲み得る。別の実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２によって占有されない表面積の少なくとも２％を被覆し得る。反射体１３３は、光センサ１５２によって占有されない表面積の少なくとも５％、例えば、１０％、もしくは少なくとも３０％、もしくは少なくとも５０％、もしくは少なくとも７０％、もしくは少なくとも９０％、または少なくとも９５％を被覆し得る。一実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２によって占有されない、配線板１５４上の表面積の１％～９５％を被覆し得る。別の実施形態では、反射体１３３の表面積が、シンチレータの表面積の１％～９５％を被覆し得る。反射体１３３は、光センサ１５２に到達する信号を増大させ得る。ＳｉＰＭ１５２からの電子パルスは、プリント配線板１５４および電気コネクタ１６２を介してインターフェース板１７２に送られ得る。一実施形態では、プリント配線板１５４は、ＳｉＰＭ１５２からの信号を受信し、その信号をインターフェース板１７２に送信する前に、信号の調整（例えば、信号増幅）を実行し得る。
電気コネクタ１６２は、ワイヤ（図示）、はんだボールなどとすることができる。インターフェース板１７２は、電子構成要素１７４、１７６、および１７８を含み得る。インターフェース板１７２は、バッテリー、コンデンサなど（図示せず）の追加の電子構成要素および電荷蓄積要素をさらに含み得る。電子構成要素の１つに、ユニバーサル非同期受信機／送信機を含めることができる。別の実施形態では、インターフェース板の底面に示されている構成要素の一部または全ては、インターフェース板１７２の上面に存在し得る。電気コネクタ１６２は、蓋１８０を通って、外部コネクタを受け入れるように構成されたコネクタセクション１９０内に延在し得る。コネクタ１６２の数および配置、ならびにコネクタセクション１９０の設計は、使用される外部コネクタの種類に依存し得る。
図２Ａは、一実施形態による、配線板１５４の底面の図を含む。配線板１５４は、底面１５５を有する。１つ以上のＳｉＰＭ１５２が、互いに隣接する配線板１５４の底面１５５上に装着され得る。図２Ａは、４×４ＳｉＰＭユニットを例示しているが、任意の数のＳｉＰＭが使用され得る。一実施形態では、ＳｉＰＭは、配線板の底面１５５の中央に配置されている。別の実施形態では、図２Ｂに見られるように、１つ以上のＳｉＰＭ１５２が、配線板１５４の周囲に向かって配置され得る。１つ以上のＳｉＰＭ１５２を取り囲み、底面１５５に取り付けられているものが、反射体１３３であり得る。一実施形態では、間隙または間隔１５７が、ＳｉＰＭ１５２と反射体１３３との間にあり得、配線板１５４の底面１５５が露出している。別の実施形態では、反射体１３３は、ＳｉＰＭ１５２に隣接かつ接触し、配線板１５４の底面１５５は、露出していない。一実施形態では、反射体１３３は、ＳｉＰＭ１５２の周りの表面積を被覆し得る。別の実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２によって占有されない表面積の少なくとも２％を被覆し得る。反射体１３３は、光センサ１５２によって占有されない表面積の少なくとも５％、例えば、１０％、もしくは少なくとも３０％、もしくは少なくとも５０％、もしくは少なくとも７０％、もしくは少なくとも９０％、または少なくとも９５％を被覆し得る。一実施形態では、反射体１３３は、光センサ１５２によって占有されない、配線板１５４上の表面積の１％～９５％を被覆し得る。
図２Ｂは、一実施形態による、配線板１５４の底面の図を含む。配線板１５４は、少なくとも１つのＳｉＰＭ１５２を含み得る。図２Ａの実施形態に見られるように、ＳｉＰＭ１５２は、不連続な２×２マトリクスであり得る。言い替えると、別々のＳｉＰＭが、配線板１５４の底面１５５の上で互いに離間して並び得る。一実施形態では、ＳｉＰＭ１５２は、配線板の縁端部に沿って存在し、かつ中央には存在し得ない。一実施形態では、ＳｉＰＭと反射体１３３との間に間隙１５７が存在し得る。間隙１５７は、配線板の底面１５５の一部を露出し得る。反射体１３３は、各ＳｉＰＭ１５２を取り囲み得、ＳｉＰＭ１５２によって占有される配線板の底面の表面積の少なくとも９５％を被覆し得る。
図２Ｃは、一実施形態による配線板１５４の底面の図を含む。配線板１５４は、少なくとも１つのＳｉＰＭ１５２を含み得る。図２Ｃの実施形態に見られるように、ＳｉＰＭ１５２は、配線板１５４の中心に向かって配置された３×３マトリクスであり得る。図２Ｃの実施形態に見られるように、反射体１３３は、配線板１５４の底面が露出されないように、ＳｉＰＭ１５２に接して取り囲み得る。
図２Ｄは、別の実施形態による配線板１５４の底面の図を含む。配線板１５４は、少なくとも１つのＳｉＰＭ１５２を含み得る。図２Ｄの実施形態に見られるように、１つ以上のＳｉＰＭ１５２が、配線板１５４の周囲に向かって存在し得る。一実施形態では、別々のＳｉＰＭ１５２が、各ＳｉＰＭの間に反射体材料と共に配線板１５４の底面１５５の上に互いに離間して並び得る。別の実施形態では、１つ以上のＳｉＰＭ１５２が、１つ以上のＳｉＰＭを取り囲む反射体材料１３３と共に互いに離間して並び得る。例えば、第１のＳｉＰＭ１５２ａは、第１のＳｉＰＭ１５２ａおよび第２のＳｉＰＭ１５２ｂの３つの側を取り囲む反射体１３３と共に第２のＳｉＰＭ１５２ｂに隣接し得る。別の実施形態では、第３のＳｉＰＭ１５２ｃが、第３のＳｉＰＭ１５２ｃおよび第４のＳｉＰＭ１５２ｄの４つの側を取り囲む反射体１３３と共に第４のＳｉＰＭ１５２ｄに隣接し得る。
図２Ｅは、一実施形態による配線板１５４の底面の図を含む。配線板１５４は、少なくとも１つのＳｉＰＭ１５２を含み得る。図２Ｅの実施形態に見られるように、ＳｉＰＭ１５２は、配線板１５４の中心に向かって配置された２×２マトリクスであり得る。図２Ｅの実施形態に見られるように、反射体１３３は、配線板１５４の底面の露出部分が見られ得るように、間隙だけＳｉＰＭ１５２から離間され得る。一実施形態では、反射体１３３は、別々のＳｉＰＭの２つの側、および２×２マトリクスの４つの側の全てを取り囲んでいる。一実施形態では、１つ以上のＳｉＰＭ１５２は、別のＳｉＰＭに隣接する２つの側、および反射体１３３に隣接する２つの側を有し得る。１つのＳｉＰＭのみを有する実施形態では、４つの全ての側は、反射体１３３に隣接し得る。
図２Ｆは、別の実施形態による配線板１５４の底面の図を含む。配線板１５４は、少なくとも１つのＳｉＰＭ１５２を含み得る。図２Ｆの実施形態に見られるように、１つ以上のＳｉＰＭ１５２が、配線板１５４の周囲に向かって存在し得る。一実施形態では、２×２マトリクスＳｉＰＭ１５２が、各マトリクスの間で反射体材料と共に配線板１５４の底面１５５の上に互いに離間して並び得る。一実施形態では、配線板１５４は、４つの２×２マトリクスを含み得る。別の実施形態では、配線板１５３は、２つ以上のマトリクスを含み得る。そのマトリクスは、２×２マトリクス、
３×３マトリクス、４×４マトリクス、２×３マトリクス、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。一実施形態では、ＳｉＰＭ１５２のマトリクスは、配線板１５４の隅部に向かって存在し得る。別の実施形態では、ＳｉＰＭ１５２の少なくとも１つのマトリクスは、配線板１５４の周囲に向かって存在し得る。別の実施形態では、配線板１５２は、一方の部分にＳｉＰＭ１５２のマトリクス、および別の部分に別々のＳｉＰＭを含み得る。１つ以上のマトリクスは、各マトリクスの間で反射体材料１３３と共に互いに離間して並び得る。一実施形態では、配線板１５４は、ＳｉＰＭ１５２の各マトリクスと、反射体１３３との間に間隙を含み得る。
図３は、互いに離間されたプリント配線板１５４およびインターフェース板１７２を示す。４つのＳｉＰＭが示されているが、別の実施形態では、より多いまたはより少ないＳｉＰＭが使用され得る。インターフェース板１７２上の電子部品が図示されているが、参照番号で個別には、ラベル付けされていない。放射線検出装置１００は、支持板１５４上のＳＩＰＭ１５２、インターフェース板１７２、および蓋などのモジュール式部品を含み得る。インターフェース板１７２上の電子部品は、図４に示されるように、制御モジュール４００として機能するように構成され得る。半導体ベースの光電子増倍管は、制御モジュール４００内の増幅器４０２に結合される。一実施形態では、増幅器４０２は、高忠実度増幅器であり得る。増幅器４０２は、電子パルスを増幅することができ、増幅された電子パルスは、プロセッサ４２２が受信することができるアナログデジタル変換器（「ＡＤＣ」）４０４においてデジタル信号に変換され得る。プロセッサ４２２は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（「ＦＰＧＡ」）４２４または特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）などのプログラム可能／再プログラム可能な処理モジュール（「ＰＲＰＭ」）、メモリ４２６、および入力／出力（「Ｉ／Ｏ」）モジュール４４２に結合され得る。結合は、一方向または双方向であり得る。別の実施形態では、より多くの、より少ない、または異なる構成要素を制御モジュール４００で使用することができる。例えば、ＦＰＧＡ４２４によって提供される機能は、プロセッサ４２２によって実行されてもよく、したがって、ＦＰＧＡ４２４は必要とされない。ＦＰＧＡ４２４は、プロセッサ４２２よりも速く情報に作用することができる。図１および図４を参照すると、インターフェース板１７２は、ＳｉＰＭ１５２などの光センサ、および制御モジュール４００を互いに結合する。一実施形態では、インターフェース板１７２は、配線板１５４に取り外し可能に結合される。
図５は、例示的な実施形態による放射線検出装置１００を使用するためのフロー図を含む。この方法は、図１および図２Ａ～２Ｆに関連して説明される。放射線検出装置１００に外部コネクタが接続されていない場合、以下に説明する方法の残りを実行する前に、外部コネクタを放射線検出装置１００に接続することができる。
放射線検出装置１００の近くに放射線源が配置され得る。放射線源からの放射線は、シンチレータ１２０によって吸収され得る。この方法は、ブロック５１０において、シンチレータ１２０からシンチレーション光を放出することを含み得る。放射線の吸収に応答して、シンチレーション光が放出され得る。シンチレーション光は、シンチレーション光の受光に応答して電子パルスを生成することができる半導体ベースの光電子増倍管によって受光され得る。一実施形態では、シンチレータからのシンチレーション光は、光カプラ１４０を通過してＳｉＰＭ１５２に到達する。電子パルスはアナログ信号の例である。この方法は、ＳｉＰＭ１５２に到達する光を増幅することをさらに含み得る。一実施形態では、光が、反射体１３３から反射されて、ＳｉＰＭ１５２に到達する光の量を増強させ得る。一実施形態では、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶを利用する放射線検出装置１００のパルス高さ分解能（ＰＨＲ）は、８％未満、例えば、７．５％未満、もしくは７．４％未満、もしくは７．３％未満、もしくは７．２％未満、もしくは７．１％未満、もしくは７％未満、または６．９％未満である。Ｃｓ－１３７同位元素シンチレータのＰＨＲは、２×２シリコン光電子増倍管内で測定された。
必要とされるまたは所望される場合、方法は、ブロック５３０において、アナログ信号をデジタル信号に変換することを含むことができる。特に、増幅された信号は、ＡＤＣ４０４においてアナログ信号からデジタル信号に変換され得る。分析器はアナログ信号を使用して分析を実行できるため、信号の変換は随意的である。信号は、アナログであろうとデジタルであろうと、プロセッサ４２２によって受信され得る。
この方法は、ブロック５４０において、信号を分析することをさらに含み得る。この機能は、制御モジュール４００に関して前述した機能のいずれかを含み得る。この分析を使用して、シンチレータ１２０によって吸収された放射線の特性を判定することができる。分析は、メモリ４２６に格納され得る命令と共にプロセッサ４２２によって実行され得、ＦＰＧＡ４２４によって実行され得、またはプロセッサ４２２およびＦＰＧＡ４２４との組み合わせによって実行され得る。別の電子パルスを生成する光センサによって受け取られるシンチレーション光を放出するシンチレータ１２０によって、より多くの放射線が吸収され得る。この方法は、別の機能に従って別の信号を分析することを含み得る。電子パルスは、他の信号を提供するために、前述の方法と同様に処理され得る。この他の信号は、プロセッサ４２２、ＦＰＧＡ４２４、またはその両方によって分析され得る。この機能は、放射線の特性を判定するために前述した任意の機能とすることができる。
半導体ベースの光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）を有する放射線検出装置の実施形態は、光電子増倍管（「ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ：ＰＭＴ」）を有する放射線検出装置と比較して大幅に小さいサイズを可能にすることができる。ＰＭＴ検出器が、ＰＭＴ、ならびに半導体ベースの光電子増倍管、および特定の実施形態ではＳｉＰＭを含むＳｉＰＭ検出器を含み得る。図示された各々の検出器について、ハウジングの長さに沿ってシンチレータ、光センサ、分析器、およびインターフェース板が配向されている。ＳｉＰＭ検出器の場合、光センサ、分析器、およびインターフェース板の組み合わせは、ハウジングの長さの最大５０％、最大４０％、または最大２５％を占める。ＰＭＴの場合、光センサ、分析器、およびインターフェース板の組み合わせは、ハウジングの長さの６５％超を占める。
さらに、ＰＭＴは半導体ベースの光電子増倍管よりも大幅に高い電圧を必要とする。したがって、ＰＭＴ検出器には分析器が配置されていない。さらに、ＰＭＴに必要な電力は、インターフェース板１７２がサポートする電圧を超える可能性がある。したがって、ＰＭＴ検出器はより大きいだけでなく、前述の放射線検出器装置に関して前述されたような機能性も提供しない。さらに、本明細書に記載される放射線検出器装置は、ＰＭＴ検出器と比較して、より頑丈であり、より多くの乱用または厳しい条件に耐えることができる。
多くの異なる態様および実施形態が可能である。それらの態様および実施形態のいくつかが以下に説明される。本明細書を読んだ後、当業者は、それらの態様および実施形態が例示にすぎず、本発明の範囲を限定しないことを理解するであろう。実施形態は、以下にリスト化される実施形態のうちのいずれか１つ以上に従うことができる。
実施形態１． 放射線検出装置は、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するためのシンチレータと、シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを発生させるための光センサと、光センサを取り囲む反射体と、を含むことができる。光センサは、配線板に結合することができ、反射体は、配線板に結合することができる。
実施形態２． 実施形態１の放射線検出装置は、シンチレータ、光センサ、および反射体を収容するハウジングをさらに備える。
実施形態３． 放射線検出装置は、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するシンチレータと、シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成する光センサと、を備え、光センサの表面積は、シンチレータの７０％未満であり、光センサは、第１の平面上にあり、反射体は、光センサを取り囲み、反射体は、第１の平面上にある。
実施形態４． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体は、拡散反射体である。
実施形態５． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、光センサは、少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）である。
実施形態６． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体は、配線板の表面積の少なくとも１％を被覆する。
実施形態７． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体は、配線板の表面積の少なくとも５０％を被覆する。
実施形態８． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体は、配線板の表面積の少なくとも９５％を被覆する。
実施形態９． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、光センサと反射体との間に間隙をさらに含む。
実施形態１０． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、７．５％未満である。
実施形態１１． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、７．２％未満である。
実施形態１２． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、７％未満である。
実施形態１３． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、６．７％～７．５％である。
実施形態１４．実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、光センサは、半導体ベースの光電子増倍管である。
実施形態１５． 実施形態１４の放射線検出装置において、半導体ベースの光電子増倍管は、アバランシェフォトダイオードである。
実施形態１６． 放射線検出装置を使用する方法は、シンチレータ、光センサ、および光センサと同じ平面上にある反射体を収容するハウジングを提供することであって、シンチレータは、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するように構成され、光センサは、シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するように構成され、反射体は、シンチレーション光を光センサに方向付けするように構成されている、提供することと、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、７．５％未満のパルス高さ分解能を生成することと、を含む。
実施形態１７． 実施形態１６の方法は、放射線を吸収することに応答して、シンチレータからシンチレーション光を放出し、光センサからアナログ信号を送信することと、アナログ信号をデジタル信号に変換することと、をさらに含む。
実施形態１８． 実施形態１６の方法において、ハウジングを提供することは、封止ハウジングを提供することを含む。
実施形態１９． 実施形態１６の方法において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、７．２％未満である。
実施形態２０． 実施形態１６の方法において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、７％未満である。
実施形態２１． 実施形態１６の方法において、パルス高さ分解能は、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶの場合、１％～７．５％である。
実施形態２２． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体の表面積は、シンチレータの表面積の少なくとも１％である。
実施形態２３． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体の表面積は、シンチレータの表面積の少なくとも５０％である。
実施形態２４． 実施形態１または３のいずれか１つの放射線検出装置において、反射体の表面積は、シンチレータの表面積の少なくとも９５％である。
実施形態２５． 放射線検出装置は、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するためのシンチレータと、シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するための、第１の平面上の光センサと、光センサを取り囲む第１の平面上の反射体を含み得る。
実施形態２６． 実施形態２５の放射線検出装置において、その装置は、０．１％～１．９％のデルタパルス高さ分解能を有する。
実施形態２７． 実施形態２５の放射線検出装置において、そのシンチレータは、臭化ランタンの材料を含む。
実施形態２８． 実施形態２７の放射線検出装置において、その装置は、０．１％～１．０％のデルタパルス高さ分解能を有する。
実施形態２９． 実施形態２５の放射線検出装置において、そのシンチレータは、ＮａＩ（Ｔｌ）の材料を含む。
実施形態３０． 実施形態２９の放射線検出装置において、その装置は、０．４％～０．６％のデルタパルス高さ分解能を有する。
実施形態３１． 実施形態２５の放射線検出装置において、そのシンチレータは、ＮａＩ（Ｔｌ＋Ｌｉ）の材料を含む。
実施形態３２． 実施形態３１の放射線検出装置において、その装置は、０．６％～１．９％のデルタパルス高さ分解能を有する。
様々なシンチレータのパルス高さ分解能（ＰＨＲ）は、ＰＭＴ対ＳｉＰＭを利用する装置内で比較された。パルス高さ分解能（ＰＨＲ）は、％で記述され、チャネル番号またはエネルギーによって除算される、ピークの半分の高さにおける全幅として定義される。サイズは、装置内のシンチレータ結晶のサイズである。デルタＰＨＲは、反射体を用いるＳｉＰＭと、反射体を用いないＰＭＴとの間のＰＨＲの差である。
Figure 0007204920000001
表１に見られるように、ＰＨＲは、反射体のないＰＭＴ、反射体のあるＳｉＰＭ、および反射体のないＳｉＰＭに対して測定された。パルス高さは、結晶中に蓄積したエネルギーに比例するパルス高さを作り出す、結晶内の光電気相互作用から生成される。蓄積されるエネルギーは、ガンマ線の検出に依存する。ＰＨＲが低いほど、異なるタイプのガンマ同位元素を区別するための検出器の能力は、より良好である。サンプル１および２は、臭化ランタン結晶を利用するシンチレータのＰＨＲを比較する。反射体を有するＳｉＰＭのＰＨＲは、反射体を有しないＳｉＰＭよりも低いＰＨＲを示す。臭化ランタン結晶を利用する反射体を有するＳｉＰＭのＰＨＲは、反射体を有しないＰＭＴのＰＨＲの０．１５％～１．０１％以内である。
サンプル３は、２”×２”ＣＬＬＢ結晶を利用するシンチレータのＰＨＲを比較する。
サンプル４～６は、ＮａＩ（Ｔｌ）結晶を利用するシンチレータのＰＨＲを比較する。反射体を有するＳｉＰＭのＰＨＲは、反射体を有しないＳｉＰＭよりも低いＰＨＲを示す。ＮａＩ（Ｔｌ）結晶を利用する反射体を有するＳｉＰＭのＰＨＲは、反射体を有しないＰＭＴのＰＨＲの０．４％～０．６２％以内である。
サンプル７～１０は、ＮａＩ（Ｔｌ＋Ｌｉ）結晶を利用するシンチレータのＰＨＲを比較する。ＮａＩ（Ｔｌ＋Ｌｉ）結晶を利用する反射体を有するＳｉＰＭのＰＨＲは、反射体を有しないＰＭＴのＰＨＲの０．６６％～１．９６％以内である。
上記の一般的な説明または例で説明した機能の全てが必要であるわけではなく、特定の機能の一部が必要でない場合があり、説明した機能に加えて１つ以上の機能を実行することができることに留意されたい。さらにまた、機能が記載される順序は、必ずしも実行される順序ではない。
利益、他の利点、および問題に対する解決策は、特定の実施形態に関して上記で説明されている。しかしながら、利益、利点、問題の解決策、および任意の利益、利点、もしくは解決策が発生またはより顕著になる可能性のある任意の特徴（複数可）は、いずれかまたは全ての特許請求の重要な、必須の、または本質的な特徴として解釈されるべきではない。
本明細書に記載された実施形態の明細書および例示は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することを意図している。明細書および図は、本明細書に記載の構造または方法を使用する１つまたは複数の装置の全ての要素および特徴の網羅的かつ包括的な説明として役立つことを意図するものではない。別個の実施形態はまた、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよく、逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で説明されている様々な特徴もまた、別個にまたは任意の副組み合わせで提供されてもよい。さらに、範囲で述べられた値への言及は、その範囲内のありとあらゆる値を含む。本明細書を読んだだけで、他の多くの実施形態が当業者には明らかであり得る。本開示の範囲から逸脱することなく、構造的置換、論理的置換、または別の変更を行うことができるように、本開示から他の実施形態を使用して導き出すことができる。したがって、本開示は限定的ではなく例示的とみなされるべきである。

Claims (14)

  1. 放射線検出装置であって、
    放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するためのシンチレータと、
    前記シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するための光センサであって、前記光センサが、第１の平面の上にある、光センサと、
    前記光センサの周囲に隣接する反射体であって、前記反射体が、前記光センサを取り囲み、前記反射体が、前記第１の平面の上にある、反射体と、
    前記シンチレータ、前記光センサ、および前記反射体を収容するハウジングと、を備え、
    前記シンチレータは、前記ハウジング内の部材によって、前記光センサおよび前記反射体から隔てられている、放射線検出装置。
  2. 前記反射体が、配線板の上に配置されており、前記光センサが、前記配線板に結合されており、前記反射体が、前記配線板の表面積の少なくとも５０％を被覆する、請求項１に記載の放射線検出装置。
  3. 前記装置が、０．１％～１．９％のデルタパルス高さ分解能を有する、請求項１に記載の放射線検出装置。
  4. 前記シンチレータが、臭化ランタンの材料を含み、前記装置が、０．１％～１．０％のデルタパルス高さ分解能を有する、請求項１に記載の放射線検出装置。
  5. 前記シンチレータが、ＮａＩ（Ｔｌ）の材料を含み、前記装置が、０．４％～０．６％のデルタパルス高さ分解能を有する、請求項１に記載の放射線検出装置。
  6. 前記シンチレータが、ＮａＩ（Ｔｌ＋Ｌｉ）の材料を含み、前記装置が、０．６％～１．９％のデルタパルス高さ分解能を有する、請求項１に記載の放射線検出装置。
  7. 放射線検出装置であって、
    放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するためのシンチレータと、
    前記シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するための光センサであって、前記光センサが、前記シンチレータの７０％未満である表面積を有し、前記光センサが、第１の平面の上にある、光センサと、
    前記光センサの周囲に隣接する反射体であって、前記反射体が、前記第１の平面の上にある、反射体と、
    前記シンチレータ、前記光センサ、および前記反射体を収容するハウジングと、を備え、
    前記シンチレータは、前記ハウジング内の部材によって、前記光センサおよび前記反射体から隔てられている、放射線検出装置。
  8. 前記光センサが、少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を含む、請求項７に記載の放射線検出装置。
  9. 前記反射体が、配線板の表面積の少なくとも９５％を被覆する、請求項７に記載の放射線検出装置。
  10. パルス高さ分解能が、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶに対して７．５％未満である、請求項７に記載の放射線検出装置。
  11. パルス高さ分解能が、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶに対して７．２％未満である、請求項７に記載の放射線検出装置。
  12. パルス高さ分解能が、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶに対して７％未満である、請求項７に記載の放射線検出装置。
  13. パルス高さ分解能が、Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶに対して１％～７．５％である、請求項７に記載の放射線検出装置。
  14. 放射線検出装置を使用する方法であって、
    シンチレータ、光センサ、および前記光センサと同じ平面の上に反射体を収容するハウジングを提供することであって、
    前記シンチレータが、放射線を吸収することに応答して、シンチレーション光を放出するように構成され、
    前記光センサが、前記シンチレーション光を受け取ることに応答して、電子パルスを生成するように構成され、
    前記反射体が、前記シンチレーション光を前記光センサに方向付けするように構成され、
    前記シンチレータが、前記ハウジング内の部材によって、前記光センサおよび前記反射体から隔てられている、提供することと、
    Ｃｓ－１３７同位元素６６２ｋｅＶに対して７．５％未満のパルス高さ分解能を生成することと、を含む、方法。
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