JPWO2019167145A1 - コリメータ、放射線検出装置、及び放射線検査装置 - Google Patents

Abstract

散乱放射線をさらに除去可能なコリメータ、放射線検出装置、及び放射線検査装置を提供する。本発明のコリメータ２０は、放射線遮蔽部２２と、前記放射線遮蔽部２２よりも放射線遮蔽率が低く、前記放射線遮蔽部２２を貫通し、且つ中実の放射線透過部２１と、を備える。本発明のコリメータ２０によると、コリメータ２０のＸ線透過部２１が中実であるので、Ｘ線透過部２１において被検体Ｂで散乱された低エネルギー側のＸ線が吸収される。したがって放射線検出素子３０で検出されるＸ線に含まれるノイズが少なく、解像度の高いＸ線画像を得ることができる。

Description

本発明は、コリメータ、放射線検出装置、及び放射線検査装置に関する。

放射線を用いて被検体を非破壊で検査する、例えばＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）等の放射線検査装置は、被検体に放射線を照射し、被検体を透過した放射線をもとにＣＴ画像を生成する装置である。
このような放射線検査装置は、放射線発生装置と放射線検出装置とを備える。また、被検体に照射された放射線は、被検体において一部散乱される。散乱した放射線を放射線検出装置が検出すると、検出精度が劣化する。この散乱放射線を除去するために、放射線検出装置には、コリメータが設けられている。

コリメータには、従来、放射線を透過させる複数の貫通穴が設けられている。この貫通穴を放射線が通過する際に、貫通穴の中心軸に対して所定角度以上の角度で貫通孔に入射する放射線は、貫通孔の側壁に衝突する。検出精度を劣化させる散乱放射線は様々な方向を向いているため、貫通穴を通る際に除去され、コリメータが設けられていない場合と比べて精度の高いＣＴ画像を得ることができる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８−００４９６号公報

しかし、貫通穴を通過した放射線において、全ての散乱放射線が除去されるわけではなく、多少の散乱放射線が含まれている。

本発明は、散乱放射線をさらに除去可能なコリメータ、放射線検出装置、及び放射線検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のものを提供する。
放射線遮蔽部と、前記放射線遮蔽部よりも放射線遮蔽率が低く、前記放射線遮蔽部を貫通し、且つ中実の放射線透過部と、を備える、コリメータ。

前記放射線透過部は、可視光透過率が高い材料で製造されていてもよい。

前記放射線透過部は、カーボンで製造されていてもよい。

前記放射線遮蔽部は、錫で製造されていてもよい。

さらに、上記課題を解決するために、本発明は以下のものを提供する。
液状の放射線遮蔽部と、前記放射線遮蔽部よりも放射線遮蔽率が低く、前記放射線遮蔽部を貫通する放射線透過部と、前記放射線遮蔽部と前記放射線透過部とを密封する容器と、を備えるコリメータ。

また、上記課題を解決するために、本発明は以下のものを提供する。
上記のいずれかに記載のコリメータと、前記放射線透過部に対応して配置された検出素子と、を備える放射線検出装置。

さらに、上記課題を解決するために、本発明は以下のものを提供する。
放射線を被検体に照射する放射線発生部と、前記被検体を透過した放射線が入射する上記のいずれかに記載のコリメータと、前記放射線透過部に対応して配置された検出素子と、を備える放射線検査装置。

本発明によれば、遮光板を排除可能とすることにより、製造工程のより簡略化が可能で、さらによりコンパクトに製造可能なコリメータ、放射線検出装置、及び放射線検査装置を提供することができる。

放射線検査装置の一実施形態であるＸ線ＣＴ装置１の概略図である 第１実施形態の１つのＸ線検出部１０の断面斜視図である。 第１実施形態のコリメータ２０の製造方法を説明する図である。 第１実施形態のコリメータ２０の製造方法を説明するフローチャートである。 Ｘ線スペクトルのシミュレーション計算値を示したグラフである。 カーボン（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）によるＸ線の吸収率を示したグラフである。 Ｘ線発生装置２からＸ線を発生させて、被検体Ｂに照射し、Ｘ線検出素子３０で検出されたＸ線のカウント値を示したグラフある。 第２実施形態のコリメータ１２０の製造方法を説明する図である。

図１は本発明の放射線検査装置の実施形態であるＸ線ＣＴ装置（Ｘ線検査装置）１の概略図である。なお、本発明はＸ線ＣＴ装置１に限らず、ガンマ線等の他の放射線を用いた放射線検査装置であってもよい。
Ｘ線ＣＴ装置１は、Ｘ線発生装置（放射線発生装置）２と、被検体Ｂを配置する架台３と、Ｘ線発生装置２を中心とした円周に沿って配置されるＸ線検出装置（放射線検出装置）４と、を備える。Ｘ線検出装置４は、複数のＸ線検出部（放射線検出部）１０を備えている。

（第１実施形態）
図２は第１実施形態の１つのＸ線検出部１０の断面斜視図である。Ｘ線検出部１０は、それぞれ、コリメータ２０と、複数のＸ線検出素子（放射線検出素子）３０とを備える。

Ｘ線検出素子３０は、約０．１〜２．００ｍｍの間隔（ピッチ）ａで配置されている。Ｘ線検出素子３０は、後述するコリメータ２０に設けられた個々のＸ線透過部２１にそれぞれ対応して配置されている。

Ｘ線検出素子３０は、間接変換型であってもよく、直接変換型であってもよい。間接変換型のＸ線検出素子３０は、シンチレータと、光電子増倍管等の光センサとから構成され、入射したＸ線をシンチレータによって光に変換し、変換された光を光電変素子によって電気信号に変換する。
直接変換型のＸ線検出素子３０は、複数のテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）系の半導体素子で構成され、入射したＸ線を、直接、電気信号に変換する。

（コリメータ２０）
コリメータ２０は、所定厚みの板状のＸ線遮蔽部（放射線遮蔽部）２２と、Ｘ線遮蔽部２２を貫通して格子状に配置された、複数の柱状のＸ線透過部（放射線透過部）２１と、を備える。

（Ｘ線遮蔽部２２）
Ｘ線遮蔽部２２は、Ｘ線及び可視光の遮蔽率が高い（透過率が低い）材料で製造されている。
実施形態でＸ線遮蔽部２２の材料は錫である。ただし、これに限らず、Ｘ線遮蔽部２２の材料は、モリブデン、タンタル、鉛、タングステン等の原子番号が大きい、可視光及びＸ線遮蔽能力（阻止能）の高い、又は重い金属、或いはこれらの重い金属を含む合金などであってもよい。なお、錫の融点は２３１°Ｃであり、後述の製造方法で製造する場合、融点が錫と同程度の比較的低いものを用いることで製造を容易に行える。Ｘ線遮蔽部２２の厚さｂは、約１〜５０ｍｍである。

（Ｘ線透過部２１）
Ｘ線透過部２１は、実施形態において、例えば円柱状であり、中実で、円柱の中心軸Ａは、それぞれＸ線発生装置２又は被検体Ｂを向く方向に延びている。Ｘ線透過部２１における、Ｘ線発生装置２又は被検体Ｂと逆側の面には、それぞれ対応するＸ線検出素子３０が、互いの間に可視光が入射しないように密接して取り付けられている。
Ｘ線透過部２１の径Ｒは約０．０７〜０．２ｍｍであり、Ｘ線透過部２１の深さは、Ｘ線遮蔽部２２の厚さｂと等しく約１〜５０ｍｍである。すなわち、Ｘ線透過部２１は、径Ｒが深さｂに対して小さい（アスペクト比の高い、細長い）形状である。なお、Ｘ線透過部２１は円柱状に限らず、楕円柱や角柱形状であってもよい。

Ｘ線透過部２１は、Ｘ線の遮蔽率が低く（透過率が高く）、可視光の遮蔽率が高い（透過率が低い）材料、例えばカーボンで製造されている。
なお、これに限らず、カーボン以外の、Ｘ線遮蔽部２２より原子番号が小さい、Ｘ線遮蔽率が低い、又は軽いアルミニウム等の他の材料であってもよい。
また、後述の製造方法で製造する場合は、Ｘ線透過部２１の材料の融点は、Ｘ線遮蔽部２２の材料の融点より高いものである。

（Ｘ線ＣＴ装置１の動作）
次に、本実施形態のＸ線ＣＴ装置１の動作について説明する。
Ｘ線発生装置２により発生されたＸ線は、被検体Ｂに照射される。被検体Ｂに照射された光は、被検体Ｂを透過し、一部は散乱される。被検体Ｂを透過した直進Ｘ線と、被検体Ｂで散乱された散乱Ｘ線とがコリメータ２０に到達する。
コリメータ２０に到達したＸ線のうち、Ｘ線透過部２１に入射するＸ線以外は、Ｘ線遮蔽部２２のＸ線遮蔽率が高いのでＸ線遮蔽部２２で遮蔽される。
一方、Ｘ線透過部２１に到達したＸ線は、Ｘ線透過部２１の遮蔽率が低いので、Ｘ線透過部２１内に入射する。可視光は、Ｘ線透過部２１の可視光遮蔽率が高いので遮蔽される。

Ｘ線透過部２１内に入射したＸ線のうち、Ｘ線透過部２１の中心軸Ａに対して、所定角度以上の散乱Ｘ線は、Ｘ線透過部２１を通り抜ける前にＸ線透過部２１の側面に到達するのでＸ線遮蔽部２２によって遮蔽される。
すなわち、Ｘ線透過部２１に入射するＸ線のうち、直進性の高いＸ線のみＸ線透過部２１を通過して、Ｘ線検出素子３０に到達する。

Ｘ線検出素子３０に到達したＸ線は、間接変換型のＸ線検出素子３０の場合、シンチレータによって光に変換され、変換された光が光電変素子によって電気信号に変換される。直接変換型のＸ線検出素子３０の場合、入射したＸ線は、直接、電気信号に変換される。
電気信号に変換されたＸ線の強度情報は、処理部５によって処理されてＸ線ＣＴ画像データが作成され、表示部６によりＸ線ＣＴ画像が表示される。

（コリメータ２０の製造方法）
図３は第１実施形態のコリメータ２０の製造方法を説明する図である。図４は第１実施形態のコリメータ２０の製造方法を説明するフローチャートである。第１実施形態のコリメータ２０は鋳造により製造される。
まず、Ｘ線透過部２１を形成する複数の柱状部材が保持基板２３に立設された柱状部材立設部材２４を用意する（図３（ａ））。
第１実施形態では、柱状部材２１ａ及び保持基板２３、すなわち柱状部材立設部材２４全体がカーボンで製造されている。ただし、これに限らず、柱状部材２１ａと保持基板２３とは別体であってもよい。

柱状部材立設部材２４を、鋳造型４０の内部に配置する（図３（ｂ），図４（ステップＳ１））。

鋳造型４０に、融点以上に加熱されて液状となったＸ線遮蔽部２２の材料、実施形態では錫、を流入させる（図３（ｃ），図４（ステップＳ２））。なお、錫の融点は２３１度である。

融点以下に温度を下げ、Ｘ線遮蔽部２２を硬化させる（図４（ステップＳ３））。

硬化して柱状部材立設部材２４と一体となったＸ線遮蔽部２２を、鋳造型４０より取り外す（図３（ｄ），図４（ステップＳ４））。

一体となった柱状部材立設部材２４とＸ線遮蔽部２２の、少なくとも保持基板２３の面を研磨して、保持基板２３を除去する（図３（ｅ），図４（ステップＳ５））。
これにより、本実施形態のコリメータ２０が製造される。

以下、本実施形態の効果について説明する。
（１）図５は、Ｘ線発生装置２に好適に用いられる一例に係るＸ線光源におけるＸ線スペクトルのシミュレーション計算値を示したグラフであり、縦軸がＸ線の線量、横軸がＸ線のエネルギーである。図示するように本例に係るＸ線スペクトルは、エネルギー２２ｋｅＶ付近で線量がピークとなり、高エネルギーになるに従い線量が減少していく。また、２２ｋｅＶ付近より低エネルギー側においても線量が減少していく。

図６は、３０ｍｍの厚さのカーボン（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）によるＸ線の吸収率を示したグラフである。図示するように、カーボン（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）は、高エネルギー側のＸ線の吸収率が低く、低エネルギーが側のＸ線の吸収率が高い。
特にカーボンは、低エネルギーのＸ線の選択的な吸収性が高く、エネルギー約１５０ｋｅＶ以上では、吸収率は略０％であるが、約１５０ｋｅＶよりエネルギーが小さくなると、急激に吸収率が増加する。この選択的な吸収性は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、カーボン（Ｃ）の順で高くなる。

図７は、図５に示すスペクトルを有するＸ線光源を用いたＸ線発生装置２からＸ線を発生させて、被検体Ｂに照射し、Ｘ線検出素子３０で検出されたＸ線のカウント値を示したグラフある。カウント値Ｐは、Ｘ線検出素子３０と被検体Ｂとの間に、実際に製造した実施形態のコリメータ２０を配置した場合、カウント値Ｑは、Ｘ線検出素子３０と被検体Ｂとの間にコリメータ自体を配置しなかった場合である。コリメータ２０としては、Ｘ線遮蔽部２２として厚さ３０ｍｍの錫を用い、直径０．２ｍｍ、長さ（３０ｍｍ）の貫通穴にカーボンが充填されたＸ線透過部２１を形成したものを用いた。

Ｘ線検出素子３０と被検体Ｂとの間にコリメータ自体を配置しなかった場合、カウント値Ｑのように、Ｘ線検出素子３０で検出されるＸ線は、被検体Ｂにおいて散乱されてエネルギーが減少された低エネルギーのＸ線を多く含む。したがって、解像度の高いＸ線画像を得ることができない。

これに対して、Ｘ線検出素子３０と被検体Ｂとの間に、実際に製造した実施形態のカーボンが充填されたコリメータ２０を配置した場合、Ｘ線透過部２１において、図６に示したように、カーボンが被検体Ｂで散乱された低エネルギー側のＸ線が吸収（遮蔽）される。したがって、カウント値Ｐに示すように、シミュレーション計算値のＸ線スペクトルの形状（図５）と似たようなエネルギー分布（カーブの形状）を有するＸ線を検出することができる。
すなわち、実施形態のコリメータ２０によると、散乱Ｘ線がより良好に除去可能であるので、Ｘ線検出素子３０で検出されるＸ線に含まれるノイズが少なく、解像度の高いＸ線画像を得ることができる。

なお、Ｘ線透過部２１をカーボンに限らず、適宜選択して図６に示したようなアルミニウムや銅のような他の材料にすることによって、用途に応じて不要な波長の光を除去することができる。

（２）従来のＸ線検出装置においては、Ｘ線検出素子への可視光の入射を防止するための遮光構造が設けられている。特に、シンチレータの場合、Ｘ線を一旦可視光に変換してから光を検出するため、外部からの可視光の入射を防止する必要があるため遮光構造が重要である。
しかし、本実施形態では、コリメータ２０のＸ線透過部２１がカーボンで充填されて中実となっている。また、コリメータ２０とＸ線検出素子３０との間は可視光が入射しないように密接している。
したがって、可視光はＸ線検出素子３０へ到達しないので、別途、遮光構造を設ける必要がない。ゆえに、製造コストが削減可能であるとともに、製造工程の時間短縮となる。

（３）例えば、比較として、Ｘ線遮蔽部に対してドリル等で貫通穴としてのＸ線透過部を開けることも可能である。
しかし、Ｘ線遮蔽部は、Ｘ線を遮蔽可能とするために原子番号の大きな金属で製造されている。ゆえに、硬度が高く、微細且つアスペクト比の小さな貫通穴を開けることは容易でなく、製造コストがかかり、製造時間もかかる。さらに、ドリルで貫通穴を開けていく際に発生した切り粉を、回転するドリルが巻き込んで回転を続け、高精度且つ微細な貫通穴を開けることがより困難となる場合もある。
しかし、本実施形態のコリメータ２０は、柱状のＸ線透過部２１が立設された保持基板２３を鋳造型４０に入れて、その鋳造型４０に溶解したＸ線遮蔽部２２の材料を流入して硬化させることで製造する。すなわち、ドリルにより貫通穴を開ける方法とは異なり、微細且つアスペクト比の小さなＸ線透過部２１を、容易に製造することができる。したがって、より指向性の高いコリメータ２０を製造可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点はコリメータ１２０の構造及び製造方法である。他の点は第１実施形態と同様であるので同様な部分の説明は省略する。第１実施形態のコリメータ２０はＸ線遮蔽部２２に錫を用いたが、第２実施形態のコリメータ１２０はＸ線遮蔽部１２２に、常温で液体の水銀等を用いる。

図８は第２実施形態のコリメータ１２０の製造方法を説明する図である。第２実施形態のコリメータ１２０は、図８（ｃ）に示すように、容器１５０と、容器１５０内に封入された、水銀である液状のＸ線遮蔽部１２２と、上端及び下端が容器１５０における対向する２つの面の間に固定され、Ｘ線遮蔽部１２２よりもＸ線遮蔽率の低い、例えばカーボンである固体材料で製造された複数のＸ線透過部１２１と、を備える。

容器１５０は、上部が開口した下容器１５１と、下容器１５１の上部を覆う蓋体１５２とを備える。下容器１５１の底部の内面側には、円柱状のＸ線透過部２１の下端を差し込むことで保持可能な複数の有底穴１５１ａが設けられている。
蓋体１５２の下面には、有底穴１５１ａに対応する位置に、円柱状のＸ線透過部２１の上端を差し込むことで保持可能な有底穴１５２ａが設けられている。
容器１５０の材料としては、剛性を有し、水銀の侵蝕に強いものが好ましく、例えば樹脂、ガラス、セラミックを用いる。

第２実施形態のコリメータ１２０は、以下のように製造する。
下容器１５１の有底穴１５１ａにＸ線透過部２１を差し込んで保持する（図８（ａ））。
下容器１５１に、Ｘ線遮蔽部２２となる水銀を流入する（図８（ｂ））。このとき、Ｘ線透過部１２１の上端は水銀の表面より上に出ている。
下容器１５１に蓋体１５２を被せ、水銀を容器１５０の中に密封する。このとき、蓋体１５２の有底穴１５２ａにＸ線透過部１２１の上端を嵌め込む（図８（ｃ））。
これにより、容器１５０の中に封入された、水銀である液状のＸ線遮蔽部１２２と、上端及び下端が容器の互いに対向する２つの面の間に固定され、Ｘ線遮蔽部１２２よりもＸ線遮蔽率の低い、例えばカーボンである固体材料で製造された複数のＸ線透過部１２１とを備える、第２実施形態のコリメータ１２０が製造される。

第２実施形態のコリメータ１２０によると、第１実施形態の効果に加え、容器１５０の形状を変えることで、種々の形状のコリメータ１２０を製造可能である。ゆえに、例えば、湾曲したコリメータ１２０を容易に製造することができる。
また、容器１５０の材料を自体を可撓性のある材料で製造した場合、製造後の変形も容易となるので、汎用性の高いコリメータ１２０を製造することができる。

Ａ 中心軸
Ｂ 被検体
１ Ｘ線ＣＴ装置（放射線検査装置）
２ Ｘ線発生装置（放射線発生装置）
３ 架台
４ Ｘ線検出装置（放射線検出装置
５ 処理部
６ 表示部
１０ Ｘ線検出部（放射線検出部）
２０ コリメータ
２１ａ 柱状部材
２１ Ｘ線透過部（放射線透過部）
２２ Ｘ線遮蔽部（放射線遮蔽部）
２３ 保持基板
２４ 柱状部材立設部材
３０ Ｘ線検出素子（放射線検出素子）
４０ 鋳造型
１２０ コリメータ
１２１ Ｘ線透過部（放射線透過部）
１２２ Ｘ線遮蔽部（放射線遮蔽部）
１５０ 容器
１５１ 下容器
１５１ａ 有底孔
１５２ 蓋体
１５２ａ 有底穴

Claims (7)

1. 放射線遮蔽部と、
   前記放射線遮蔽部よりも放射線遮蔽率が低く、前記放射線遮蔽部を貫通し、且つ中実の放射線透過部と、を備える、
   コリメータ。
2. 前記放射線透過部が、可視光透過率が高い材料で製造されている、
   請求項１に記載のコリメータ。
3. 前記放射線透過部が、カーボンで製造されている、
   請求項１または２に記載のコリメータ。
4. 前記放射線遮蔽部が、錫で製造されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のコリメータ。
5. 液状の放射線遮蔽部と、
   前記放射線遮蔽部よりも放射線遮蔽率が低く、前記放射線遮蔽部を貫通する放射線透過部と、
   前記放射線遮蔽部と前記放射線透過部とを密封する容器と、
   を備えるコリメータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のコリメータと、
   前記放射線透過部に対応して配置された検出素子と、
   を備える放射線検出装置。
7. 放射線を被検体に照射する放射線発生部と、
   前記被検体を透過した放射線が入射する請求項１から５のいずれか１項に記載のコリメータと、
   前記放射線透過部に対応して配置された検出素子と、
   を備える放射線検査装置。

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