WO2008099971A1 - 放射線検出装置及び放射線の検出方法 - Google Patents

Abstract

入射した放射線を紫外線に変換する、例えばネオジウムを含有するフッ化ランタン結晶、ネオジウムを含有するフッ化リチウムバリウム結晶等からなるシンチレーターと、入射した紫外線を電気信号に変換するマイクロストリップガスチャンバーとを具備しそして放射線を電気信号として取り出すことが可能な放射線検出装置。位置分解能に優れ、且つ高エネルギーの光子をも高感度で検出できる放射線検出装置を安価に提供する。

Description

明 細 書 放射線検出装置及び放射線の検出方法 技術分野

本発明は、 新規な放射線検出装置に関する。 該放射線検出装置は、 陽電子断層 撮影、 X線撮影等の医療分野、 各種非破壊検査等の工業分野、 及び所持品検査等 の保安分野において好適に使用できる。 背景技術

放射線利用技術は、 陽電子断層撮影、 X線撮影等の医療分野、 各種非破壊検査 等の工業分野、 及び所持品検査等の保安分野など多岐にわたり、 現在も目覚しい 発展を続けている。

放射線検出装置は、 放射線利用技術の重要な位置を占める要素技術であって、 放射線利用技術の発展に伴い、 放射線に対する検出感度、 放射線の入射位置に対 する位置分解能、或いは計数率特性について、より高度な性能が求められている。 また、 放射線利用技術の普及に伴い、 放射線検出装置の低コスト化や小型化も求 められている。

現在知られている放射線検出装置としては、 シンチレ一夕一と光電子増倍管を 組み合わせたシンチレーション検出器が挙げられる。 該シンチレーション検出器 は、 放射線と相互作用する確率の大きいシンチレ一夕一を用いることから、 放射 線に対する検出感度が高く、 特に放射線の中でも高エネルギーの光子を効率よく 検出できるという特徴を有するものの、 光電子増倍管のサイズ上の制約により、 位置分解能の向上や装置の小型化には限界があった。 また、 光電子増倍管が高価 であるため、 低コスト化が困難であるという問題もあった。

一方、位置分解能が高ぐ小型化や低コスト化が容易な放射線検出装置として、 ガスカウンターが知られているが、 該ガスカウン夕一は放射線に対する阻止能が 低く、 特に高エネルギーの光子に対する検出感度が乏しいという問題があつた。 かかる問題を解決すべく、 放射線に対する阻止能の大きいシンチレ一夕一とガ スカウンターの一種であるマルチワイヤ一プロポーショナルカウン夕一を組み合 わせた放射線検出装置が提案されたが（S. Tave r n i e r e t a 1 , De t e rmi n a t i on o f t he s c i n t i l l a t i on l i gh t y i e l d o f n e o d ym i um dop e d L a F ₃ s c i n t i l l a t o r", N u 1 c e a r I n s t r ume n t s a n d Phy s i c s Re s e a r ch, A311 , 301 (1992). 参 照)、 依然として検出感度ならびに位置分解能に問題があった。 発明の開示

本発明は、 位置分解能に優れ、 且つ高エネルギーの光子をも高感度で検出でき る放射線検出装置を安価に提供することを目的とする。

本発明者等は、 位置分解能に優れ、 小型化や低コスト化が容易なガスカウン夕 一に着目し、 該ガスカウンターの高エネルギーの光子に対する検出感度を高める ベく種々検討を重ねた結果、 高エネルギーの光子に対する阻止能の大きいシンチ レーターと、ガスカウンターの一種であるマイクロストリップガスチャンバ一（以 下 MS GCともいう） を組み合わせることによって所期の目的を達成できること を見出し、 本発明を完成するに至った。

即ち、 本発明は、 入射した放射線を紫外線に変換するシンチレ一ターと、 該紫 外線を入射して該紫外線を電気信号に変換するマイクロストリツプガスチヤンバ 一とを具備しそして放射線を電気信号として取り出すことを特徴とする放射線検 出装置である。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の放射線検出装置の概略図である。

図 2は、 本発明の放射線検出装置の構成要素である M S G Cの基本構成を示す 図である。

図 3は、 M S G Cによる 2次元位置情報の読み取りを説明する概念図である。 図 4は、 マイクロ引き下げ法による結晶製造装置の概略図である。

図 5は、本発明の放射線検出装置によるァ線の検出結果を表す図であり、 N d：

L a F ₃ をシンチレ一夕一として用いた場合の、 波高スペクトルである。

図 6は、本発明の放射線検出装置によるァ線の検出結果を表す図であり、 N d：

B a L i F ₃ をシンチレ一夕一として用いた場合の、 波高スペクトルである。 発明を実施するための最良の形態

本発明の放射線検出装置の動作原理について、 図 1を用いて説明する。 まず入 射した放射線がシンチレ一夕一 1によつて紫外線に変換される。 該紫外線によつ てガス 2が電離され、 電離イオン 3と電子 4を生成する。 生成した電子は、 正の 高電圧が印加されたアノード 5に向かって加速され、 他のガス分子と衝突するこ とによって、 他のガス分子の電離を誘発し、 電子なだれ現象を引き起こす。 該電 子なだれ現象によって 1 0 0〜1 0 , 0 0 0倍に増幅された電荷パルスが M S G C上のアノードおよび力ソードから読み出され、 結果的に入射した放射線を電気 信号として検出することができる。

以下、 本発明の放射線検出装置についてより詳細に説明する。

本発明の放射線検出装置において、 検出対象とする放射線は特に限定されず、 X線、 ァ線、 或いは中性子線等の検出に好適に使用できるが、 本発明の放射線検 出装置は、 高エネルギーの光子であるァ線の検出において、 最大の効果を発揮す る。

本発明の放射線検出装置の構成要素であるシンチレ一夕一は、 放射線を紫外線 に変換できるものであれば、 特に制限無く使用できるが、 ガスの電離を効率よく 行うことを目的として、 紫外線の中でも特に波長の短い真空紫外線に変換できる シンチレ一夕一を用いることが好ましい。

本発明において、 真空紫外線とは波長が 2 0 0 n m以下の紫外線を云う。 該真 空紫外線は高いエネルギーを有するため、ガスを効率よく電離することができる。 放射線を真空紫外線に変換するシンチレ一夕一としてはフッ化物結晶が好適で ある。 真空紫外線は多くの材料に吸収される性質を有するため、 シンチレ一夕一 自身が変換した真空紫外線を吸収するという問題があるが、 フッ化物結晶は例外 的に真空紫外線を吸収し難い特性を有するため、 本発明において好適に用いるこ とができる。

また、 高エネルギーの光子に対する阻止能を高めるため、 高密度で且つ有効原 子番号の大きいシンチレ一夕一を用いること力好ましい。

上記要件を満たすシンチレ一夕一として、 ネオジゥムを含有するフッ化ラン夕 ン （以下、 Nd： LaF₃ と表す）、 ネオジゥムを含有するフッ化リチウムバリウ ム （以下、 Nd ： BaL i F₃ と表す） またはネオジゥムを含有するフッ化バリ ゥムイットリウム （以下、 Nd ： BaY₂F₈と表す) が挙げられる。

本発明者等の検討によれば、 N d： L a F ₃及び N d ： B a L i F ₃は、 放射 線をそれぞれ 175 nm及び 183 nmの真空紫外線に変換することができ、 ま た、 その密度はそれぞれ 5. 9 g/mL及び 5. 2 gZmL、 有効原子番号はそ れぞれ 50及び 48であり、 良好な特性を有することが明らかとなっている。 シンチレ一夕一の放射線入射面と形成された紫外線の取出し面以外の面は放射 線や紫外線を反射する膜で被覆しておくことができる。

本発明の放射線検出装置の構成要素である M SGCの基本構成を図 2及び図 3 に示す。 MSGCはガスチャンバ一の中に、 例えばフォトリソグラフィー技術を 利用して製作されたマイクロストリッププレート （以下 M Sプレートともいう） を設けることで構成される。

当該 MSプレートの詳細は、 例えば WO02/001598号公報に記載され ており、 ここに記載の技術がそのまま採用できる。

MSプレートは、 絶縁体基板 6の表面に交互に配設された金属製力ソードスト リップ 7および金属製アノードストリップ 8と、 基板 6の裏面に力ソードストリ ップ 7及びァノードストリップ 8に直交して延出するように配設した読み出し電 極 （バックス卜リップ） 9とを有している。

MSプレー卜の寸法について例を挙げて説明すると、 電極のピッチは 200〜 1， 000 m, 力ソード幅は 50〜400 m、 アノード幅は 5〜： 10 m、 基板の寸法は 20〜200mm四方である。 本発明で用いる M Sプレートの基板は、絶縁体であれば特に制限無く使用でき、 その厚さも特に制限されない。 したがって、 例えば厚さが l mm未満の合成石英 等を基板に用いることができるため、 放射線検出装置を極めて安価に且つ小型に 構成することが可能である。

さらに、 M S G Cはそれぞれ互いに隣接する力ソードストリップ 7とアノード ストリップ 8間に電位差を形成するための高電圧源を備えており、 両電極 （カソ 一ドストリップ 7およびァノードストリップ 8 )に高電圧を印加することにより、 ガスの電離で生じた電荷は増幅され、 X方向の位置情報としてアノードストリッ プ 8から読み出される。 また、 基板 6の表面側に付着した電荷によって、 基板 6 の裏面側に生成した誘起電荷は、 Y方向の位置情報として読み出し電極 9から読 み出される。

アノードストリップ 8及び読み出し電極 9から読み出された信号は、 それぞれ 信号処理回路に接続され、 コンピュータによって信号が解析処理される。

各電極から得られた信号を読み取って処理する回路は、 当分野において公知の 技術が採用され、 例えば増幅器、 マルチチャンネルアナライザ、 或いは特定用途 向け集積回路 （A S I C) などで構成される。

本発明の放射線検出装置で用いるガスは、 特に限定されないが、 電離ポテンシ ャルの低いテトラキスジメチルアミノエチレン、 トリメチルァミン、 トリェチル ァミン、 アセトン、 ベンゼン等が好適である。 これらのガスは単体で用いてもよ く、 アルゴンガス等と混合して用いても良い。

本発明の放射線検出装置において、 シンチレ一夕一と M S G Cとの組み合わせ の形態は特に制限されず、 シンチレ一夕一を M S G Cのチヤンバー内に挿入する 形態、 或いはシンチレ一夕一からの紫外線を適当な窓を介して M S G Cのチャン バー内に導入する形態等を適宜採用できる。 放射線検出装置の応答速度等の特性 に鑑みて、シンチレ一ターで形成された紫外線を直接 M S G Cに導入できる形態、 例えばシンチレ一夕一をチャンバ一内に挿入し、 M Sプレートに近接して設置す る形態が好ましい。

以上のとおり、 本発明の放射線検出装置によれば、 位置分解能に優れ、 且つ高 エネルギーの光子をも高感度で検出できる放射線検出装置を安価に得ることがで きる。 該放射線検出装置は、 陽電子断層撮影、 X線撮影等の医療分野、 各種非破 壊検査等の工業分野、 及び所持品検査等の保安分野において好適に使用できる。 実施例

以下、 本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、 本発明はこれらの実施例 によって何ら制限されるものではない。

実施例 1

図 4に示す結晶製造装置を用いて、 本発明の放射線検出器で用いるシンチレ一 夕一を製造した。

原料としては、 純度が 9 9. 9 9 %のフッ化ランタン及びフッ化ネオジゥムを 用いた。 ァフ夕一ヒーター 1 0、 ヒーター 1 1、 断熱材 1 2、 ステージ 1 3、 及 び坩堝 1 4は、 高純度カーボン製のものを使用し、 坩堝底部に設けた孔の形状は 直径 2 . 2 mm、 長さ 0 . 5 mmの円柱状とした。 .

まず、 フッ化ランタンの 1 . 1 g、 及びフッ化ネオジゥムの 0 . 0 0 5 7 gを それぞれ秤量し、 よく混合して得られた混合原料を坩堝 1 4に充填した。

原料を充填した坩堝 1 4を、 アフターヒ一夕一 1 0の上部にセットし、 その周 囲にヒーター 1 1、 及び断熱材 1 2を順次セットした。 次いで、 油回転ポンプ及 び油拡散ポンプからなる真空排気装置を用いて、 チャンバ一 1 5内を 1 . 0 X 1 0一 ⁴ P aまで真空排気した後、 アルゴン—四フッ化メタン混合ガスをチャンバ 一 1 5内に導入してガス置換を行った。

ガス置換後のチャンバ一 1 5内の圧力を大気圧とした後、 高周波コイル 1 6で 原料を加熱して溶融せしめたが、 原料融液の坩堝 1 4の底部の孔からの滲出は認 められなかった。 そこで、 高周波の出力を調整して原料融液の温度を徐々に上げ ながら、 引き下げロッド 1 7の先端に設けた W— R eワイヤーを、 上記孔に挿入 し、 弓 Iき下げる操作を繰り返したところ、 原料の融液を上記孔より引き出すこと ができた。

この時点の温度が保たれるように高周波の出力を調整し、 原料の融液を引き下 げ、結晶化を開始した。 3mmZh rの速度で連続的に 20時間引き下げ、 Nd： LaF₃結晶を得た。 該結晶は直径が 2mm、 長さが 60mmであった。

上記 Nd： LaF₃結晶を、 ダイヤモンド切断砥石を備えたブレードソーによ つて 2 Ommの長さに切断し、 結晶の長軸方向に沿って研削を行い、 長さ 20m m、 幅 2mm、 厚さ 1 mmの形状に加工した。 その後、 各面を鏡面研磨して、 本 発明で用いるシンチレ一夕一を得た。

上記シンチレ一夕一及び MSプレートをチャンバ一内に設置した。 なお、 MS プレートとしては、 5 OmmX 5 OmmX 1 mm tの石英基板上に、幅 60 ιιτη, 高さ 0. 2 imの力ソード、 及び、 幅 5 m、 高さ 0. 2 mのアノードを設け たものを用いた。 アノード間の間隔は 400 um, 各電極間の間隔は 10 mと した。

次いでチャンバ一内に飽和濃度のトリェチルァミンを含む 30%メタン—アル ゴン混合ガスを導入して M SGCを構成した。

MSプレートのアノードに 700Vの電圧を印加し、 MS GCの外部より 66 2k eVのァ線を照射した。 アノードより読み出した電荷パルスを、 増幅器を介 してマルチチャンネルアナライザに取り込み、 電荷パルスの波高分布スぺクトル を作成した。

得られた波高分布スペクトルを図 5に示す。 該波高分布スペクトルから、 本発 明の放射線検出器によれば、 662 k e Vもの高エネルギーを有するァ線を効率 よく検出できることが示された。

実施例 2

原料としてフッ化バリウムを 0. 86 g、 フッ化リチウムを 0. 13 g、 及び フッ化ネオジゥムを 0. 0049 g用いる以外は、 実施例 1と同様の操作によつ て Nd： B a L i F₃結晶を製造した。なお、 フッ化バリウム、フッ化リチウム、 及びフッ化ネオジゥムは純度が 99. 99%のものを用いた。

実施例 1と同様に加工し、 本発明で用いるシンチレ一夕一を得た。

得られたシンチレ一夕一を用いて、 実施例 1と同様にして波高分布スぺクトル を作成した。 結果を図 6に示す。 該波高分布スペクトルから、 本発明の放射線検 出器によれば、 6 6 2 k e Vもの高エネルギーを有するァ線を効率よく検出でき ることが示された。

Claims

1 . 入射した放射線を紫外線に変換するシンチレ一夕一と、 該紫外線を入射し て該紫外線を電気信号に変換するマイクロストリップガスチャンバ一とを具備し そして放射線を電気信号として取り出すことを特徴とする放射線検出装置。

2. シンチレ一夕一が、 フッ化物結晶である請求項 1記載の放射線検出装置。

一δ一 /冑

3 . フッ化物結晶が、 ネオジゥムを含有するフッ化ランタン結晶、 またはネオ の

ジゥムを含有するフッ化リチウムバリゥム結晶である請求項 2記載の放射線検出 範

装置。

囲

4. 入射した放射線をシンチレ一夕一により紫外線に変換し、 次いで当該紫外 線をマイクロストリップガスチャンバ一に導いてガスを電離させて、 生成した電 荷を電気信号として取り出すことを特徴とする放射線の検出方法。