WO2010113682A1

WO2010113682A1 - 放射線画像検出器

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Publication number: WO2010113682A1
Application number: PCT/JP2010/054836
Authority: WO
Inventors: 健太郎福田; 澄人石津; 範明河口; 敏尚須山; 彰吉川; 健之柳田; 有為横田; 秀利窪; 達谷森; 洋之関谷
Original assignee: 株式会社トクヤマ; 国立大学法人東北大学; 国立大学法人京都大学; 国立大学法人東京大学
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-10-07
Also published as: RU2011143855A; EP2416176A1; CA2757216A1; JPWO2010113682A1; KR20120004435A; CN102365561A; JP5554322B2; US20120018642A1

Abstract

【課題】硬Ｘ線やγ線等の放射線を高感度で検出することができ、位置分解能及び計数率特性に優れた、新規な放射線画像検出器を提供することを目的とする。【解決手段】ネオジムを含有するフッ化ランタン結晶などの入射した放射線を紫外線に変換するシンチレーターと、紫外線を電子に変換し、かかる電子をガス電子雪崩現象を利用して増幅し、検出するガス増幅型紫外線画像検出器とを組み合わせた放射線画像検出器であって、ガス増幅型紫外線画像検出器が、ヨウ化セシウムやテルル化セシウムなどの紫外線を電子に変換する光電変換物質、電子をガス電子雪崩現象を利用して増幅するガス電子増幅器、及び増幅機能と検出機能を有するピクセル型電極より基本構成されることを特徴とする放射線画像検出器である。

Description

放射線画像検出器

　本発明は、新規な放射線画像検出器に関する。該放射線画像検出器は、陽電子断層撮影、Ｘ線ＣＴ等の医療分野、各種非破壊検査等の工業分野、及び放射線モニターや所持品検査等の保安分野において好適に使用できる。

　放射線利用技術は、陽電子断層撮影、Ｘ線ＣＴ等の医療分野、各種非破壊検査等の工業分野、及び放射線モニターや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。
　放射線画像検出器は、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、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、放射線画像検出器の低コスト化、及び有感領域の大面積化も求められている。

　上記放射線画像検出器に対する要求に応えるべく、ピクセル型電極によるガス増幅を用いた粒子線画像検出器が開発された（特許文献１参照）。当該粒子線画像検出器は、入射粒子線がガス分子を電離して生成した電子をピクセル型電極で検出するものであり、位置分解能及び計数率特性に優れ、有感領域を容易に大型化でき、かつ安価に製作できるという利点を有する。しかしながら、使用されるガスは原子量が小さいため、硬Ｘ線やガンマ線のような高いエネルギーをもった光子に対する阻止能に乏しく、従って、これらの光子に対しては検出感度が低いという問題があった。

　かかる問題に鑑みて、本発明者らは既に、原子量の大きい化学物質からなるシンチレーターを用いて入射した放射線を紫外線に変換し、該紫外線を位置分解能を有するガス増幅型検出器によって検出する方法を提案した（特許文献２参照）。また、同様の方法によって放射線を検出する試みは、他者においてもなされている（非特許文献１参照）。しかしながら、これらの方法においては、シンチレーターより生じる紫外線がガス分子を電離して生成した電子を検出するため、紫外線の飛程がガス層の厚さ分に相当する拡がりを有する。その結果、放射線画像検出器として用いた際に、位置分解能及び計数率特性が低下するという問題があった。また、化学的に不安定なガス分子を用いる必要があるため、ガス分子そのものが劣化したり、ガス分子が検出器の電極に付着したりする問題があり、長期にわたって安定に動作させることが困難であった（非特許文献２参照）。

　一方、放射線によってシンチレーターから生じる紫外線を検出する際に、光電変換物質を用いて紫外線を電子に変換し、該電子をガス増幅型検出器によって検出する方法が試みられている（非特許文献３参照）。かかる方法によれば、前記位置分解能及び計数率特性の低下や動作の安定性にかかる問題は回避できると考えられるものの、電子をガス増幅型検出器によって増幅する際の増幅率を充分に高めることができていなかった。その結果、シンチレーターより生じるきわめて微弱な紫外線を感度良く検出することができず、かかる光電変換物質を用いる方法によって、放射線画像を検出できる装置を作製しようとする試みは為されていないのが現状であった。

特許第３３５４５５１号公報特開２００８－２０２９７７号公報

Ｐ．　Ｓｃｈｏｔａｎｕｓ，　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬａＦ３：Ｎｄ３＋　Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｌｉｇｈｔ　ｉｎ　ａ　Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｍｕｌｔｉｗｉｒｅ　Ｃｈａｍｂｅｒ"　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　Ａ２７２，　９１３－９１６（１９８８）．Ｊ．　Ｖａ’ｖｒａ，　"Ｗｉｒｅ　Ａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　Ｇａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ＴＭＡＥ　Ａｄｄｉｔｉｏｎｓ"　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　ＮＳ－３４，　４８６－４９０（１９８７）．Ｊ．　ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｍａｒｅｌ，　ｅｔ　ａｌ．，　"Ａ　ＬａＦ３：Ｎｄ（１０％）　Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｍｉｃｒｏｇａｐ　Ｇａｓ　Ｃｈａｍｂｅｒ　Ｒｅａｄ－ｏｕｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　γ－ｒａｙｓ"　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　Ａ３９２，　３１０－３１４（１９９７）．

　本発明は、硬Ｘ線やγ線等の放射線を高感度で検出することができ、位置分解能及び計数率特性に優れた、入射した放射線を紫外線に変換するシンチレーターと、紫外線を電子に変換し、かかる電子を増幅して検出する新規なガス増幅型紫外線画像検出器とを組み合わせて構成される放射線画像検出器を提供することを目的とする。

　本発明者等は、放射線画像検出器を構成するガス増幅型紫外線画像検出器に着目し、シンチレーターより生じるきわめて微弱な紫外線を感度良く検出する方法について種々検討を重ねた。
　その結果、光電変換物質、ガス電子増幅器、及びピクセル型電極より構成されるガス増幅型紫外線画像検出器を用いて、シンチレーターより生じた紫外線を光電変換物質で電子に変換し、次いで当該電子をガス電子増幅器によって増幅した後、ピクセル型電極を用いて検出することにより、放射線を感度良く検出できることを見出した。また、当該シンチレーターとガス増幅型紫外線画像検出器を組み合わせてなる放射線画像検出器によって、放射線画像を取得することに成功し、本発明を完成するに至った。
　即ち、本発明によれば、
入射した放射線を紫外線に変換するシンチレーター、及びガス増幅型紫外線画像検出器を具備してなる放射線画像検出器であって、ガス増幅型紫外線画像検出器が、光電変換物質、ガス電子増幅器、及びピクセル型電極より構成されることを特徴とする放射線画像検出器が提供される。
　上記放射線画像検出器の発明において、
（１）シンチレーターが、ネオジム、プラセオジウム、ツリウムまたはエルビウムを含有する金属フッ化物結晶であること
（２）光電変換物質が、ヨウ化セシウムまたはテルル化セシウムであること（３）ガス電子増幅器が、２枚又は３枚存在すること
が好適である。

　本発明によれば、シンチレーターにより放射線から変換されて生じるきわめて微弱な紫外線を感度よく検出することができるので、位置分解能及び計数率特性に優れた放射線画像検出器を提供できる。また、本発明の放射線画像検出器は、有感領域を容易に大型化でき、かつ安価に製作できるため、医療、工業、及び保安等の分野において極めて価値が高い。

本図は、本発明の放射線画像検出器の模式図である。本図は、本発明の放射線画像検出器の模式図である。本図は、本発明の放射線画像検出器の模式図である。本図は、本発明の放射線画像検出器の模式図である。本図は、本発明で用いるガス電子増幅器の模式図である。本図は、実施例１で得られた放射線画像である。本図は、実施例２で得られた放射線画像である。本図は、実施例３で得られた放射線画像である。本図は、実施例３で得られた放射線画像である。本図は、実施例３で得られた放射線画像である。本図は、実施例３で得られた放射線画像における放射線検出頻度のプロファイルである。

〔動作原理〕
　本発明の放射線画像検出器の動作原理について、図１を用いて説明する。まず、入射した放射線をシンチレーター１によって紫外線に変換する。次いで、生じた紫外線を光電変換物質２によって一次電子３に変換する。当該一次電子３を、高電場下におけるガス電子雪崩現象による増幅作用を利用したガス電子増幅器４で増幅し、二次電子５を得た後、二次電子５をピクセル型電極６でさらに増幅しながら検出する。このピクセル型電極で検出された電子に基づく信号を外部回路で処理することにより、放射線の入射位置を特定することができ、放射線画像を得ることが可能となる。以下、本発明の放射線画像検出器についてより詳細に説明する。

〔シンチレーター〕
　本発明の放射線画像検出器の構成要素であるシンチレーターは、放射線の入射によって紫外線を生じるシンチレーターであれば、特に制限無く使用できるが、光電変換物質における紫外線から電子への光電変換効率に鑑みて、紫外線の中でも波長が２００ｎｍ以下の真空紫外線を生じるシンチレーターを用いることが特に好ましい。
　検出対象となる放射線の種類に応じて、用いるシンチレーターを選択することにより、Ｘ線、α線、β線、γ線、或いは中性子線等の何れの放射線も検出可能となる。特に、原子量の大きい化学物質からなるシンチレーターは、放射線の中でも、硬Ｘ線やγ線等の高エネルギーの光子を効率よく検出できるので好ましい。
　放射線の入射によって生じた紫外線を、シンチレーター自身が吸収することなく出射せしめるためには、紫外線を吸収し難いシンチレーターを使用することが好ましい。かかる紫外線を吸収し難いシンチレーターとしては、後述する金属フッ化物；アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミン酸イットリウム（ＹＡｌＯ_３）、アルミン酸ルテチウム（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）等の金属酸化物；リン酸ルテチウム（ＬｕＰＯ_４）、リン酸イットリウム（ＹＰＯ_４）等の金属リン酸化物；或いは一部の金属ホウ酸化物等からなるシンチレーターが挙げられる。
　これらシンチレーターの形態は特に限定されず、結晶、ガラス、またはセラミック等の形態のものが適宜使用できる。放射線から紫外線への変換効率の観点から、結晶を使用することが好ましい。

　前記真空紫外線を生じるシンチレーターとしては、金属フッ化物が好適に使用できる。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、放射線の入射によって生じた真空紫外線をシンチレーター自身が吸収するという問題があるが、金属フッ化物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。
　該金属フッ化物の種類は特に限定されず、真空紫外線を生じるシンチレーターとして従来公知の金属フッ化物を任意に用いることができる。具体的には、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化スカンジウム、フッ化チタン、フッ化クロム、フッ化マンガン、フッ化鉄、フッ化コバルト、フッ化ニッケル、フッ化銅、フッ化亜鉛、フッ化ガリウム、フッ化ゲルマニウム、フッ化アルミニウム、フッ化ストロンチウム、フッ化イットリウム、フッ化ジルコニウム、フッ化バリウム、フッ化ランタン、フッ化セリウム、フッ化プラセオジム、フッ化ネオジム、フッ化ユーロピウム、フッ化ガドリニウム、フッ化テルビウム、フッ化エルビウム、フッ化ツリウム、フッ化イッテルビウム、フッ化ルテシウム、フッ化ハフニウム、フッ化タンタル、フッ化鉛などの金属フッ化物が例示される。

　本発明において、紫外線領域において輻射遷移を生じる発光中心元素を含有する化合物をシンチレーターとして用いることが好ましい。発光中心元素は、輻射遷移によって紫外線の発光を呈するものであれば、特に限定されない。５ｄ準位から４ｆ準位への電子遷移による５ｄ－４ｆ遷移発光を呈するものが、発光寿命が短く高速応答性を有するため、特に好ましい。かかる５ｄ－４ｆ遷移発光を呈する発光中心元素としては、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）等が好適に使用できる。

　上記発光中心元素を含有するシンチレーターにおいて、発光中心元素の含有量は、シンチレーターの種類または発光中心元素の種類によって異なるが、通常、０．００５～２０ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。添加量を０．００５ｗｔ％以上とすることによって、シンチレーターの発光の強度を高めることができ、一方、２０ｗｔ％以下とすることによって、濃度消光に由来するシンチレーターの発光の減衰を抑制することができる。
　発光中心元素を含有するシンチレーターの好ましいものを例示すれば、前出の金属フッ化物、金属酸化物、或いは金属リン酸化物からなる結晶であって、前記５ｄ－４ｆ遷移発光を呈する発光中心元素を含む結晶が挙げられる。

　本発明において、硬Ｘ線やγ線等の高エネルギーの光子に対する検出感度を高めるため、高密度で且つ有効原子番号の大きい化学物質からなるシンチレーターを用いることが好ましい。有効原子番号とは、下式〔１〕で定義される指標であって、硬Ｘ線やγ線に対する阻止能に影響する。該有効原子番号が大きいほど、硬Ｘ線やγ線に対する阻止能が増大し、その結果、シンチレーターの硬Ｘ線やγ線に対する感度が向上する。
　　有効原子番号＝（ΣＷ_ｉＺ_ｉ ^４）^１／４　　　　〔１〕
　（式中、Ｗ_ｉ及びＺ_ｉは、それぞれシンチレーターを構成する元素のうち
　　のｉ番目の元素の質量分率及び原子番号を表す。）

　シンチレーターの形状は、特に限定されないが、後出のガス増幅型紫外線画像検出器に対向する紫外線出射面（以下、単に紫外線出射面ともいう）を有し、当該紫外線出射面は光学研磨が施されていることが好ましい。かかる紫外線出射面を有することによって、シンチレーターで生じた紫外線を効率よくガス増幅型紫外線画像検出器に入射できる。
　紫外線出射面の形状は限定されず、一辺の長さが数ｍｍ～数百ｍｍ角の四角形、直径が数ｍｍ～数百ｍｍの円形など、用途に応じた形状を適宜選択することができる。シンチレーターの放射線入射方向に対する厚さは、検出対象とする放射線の種類及びエネルギーによって異なるが、一般に数百μｍ～数百ｍｍである。
　また、ガス増幅型紫外線画像検出器に対向しない面に、アルミニウム或いはテフロン等からなる紫外線反射膜を施すことは、シンチレーターで生じた紫外線の散逸を防止することができる点で好ましい。更にかかる紫外線反射膜が施されたシンチレーターを多数配列して用いることにより、放射線画像検出器の位置分解能を顕著に高めることができる。

　シンチレーターの製造方法は特に限定されず、公知の製造方法によって製造することができる。本発明において好適なシンチレーターである金属フッ化物結晶を製造する際には、チョクラルスキー法、或いはブリッジマン法等の融液成長法によって製造することが好ましい。融液成長法で製造することにより、透明性等の品質に優れた金属フッ化物結晶を製造することができ、また、直径が数インチの大型結晶を安価に製造することが可能となる。
　金属フッ化物結晶の製造に際して、熱歪等に起因する結晶欠陥を除去する目的で、結晶の製造後にアニール操作を行っても良い。得られた金属フッ化物結晶は良好な加工性を有しており、所望の形状に加工してシンチレーターとして用いる。加工に際しては、公知のブレードソー、ワイヤーソー等の切断機、研削機、或いは研磨盤を何ら制限無く用いる事ができる。

　本発明の放射線画像検出器が具備するガス増幅型紫外線画像検出器は、光電変換物質、ガス電子増幅器、及びピクセル型電極より基本構成される。以下、当該ガス増幅型紫外線画像検出器について、具体的に説明する。

〔光電変換物質〕
　光電変換物質は、シンチレーターより生じた紫外線を一次電子に変換する働きをなす。この機能を有するものであれば、その種類は特に制限されない。具体的には、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、テルル化セシウム（ＣｓＴｅ）などを例示することができる。これらの中でも、紫外線を電子に変換する際の光電変換効率、及び化学的安定性の観点から、ヨウ化セシウムが好ましい。
　光電変換物質は、紫外線から変換された一次電子を効率よく取り出すため、薄膜とすることが好ましい。また、後述するように紫外線入射窓の内面に形成するか、或いは、ガス電子増幅器の紫外線入射窓に対向する面上に形成することが好ましい。

〔ガス電子増幅器〕
　次いで、上記光電変換物質より生じた一次電子をガス電子増幅器によって増幅する。当該ガス電子増幅器は、１９９７年にＳａｕｌｉによって開発され、Ｇａｓ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ（ＧＥＭ）として知られている。本発明において、当該ガス電子増幅器としては、例えば、特開２００６－３０２８４４号公報、或いは特開２００７－２３４４８５号公報に記載の技術が好適に使用できる。以下、本発明で使用するガス電子増幅器について、図５を用いて詳細に説明する。
　ガス電子増幅器は、樹脂製の板状絶縁層１２とこの板状絶縁層の両面に被覆された平面状の金属層１３とにより構成された板状多層体と、この板状多層体に設けられた、金属層の平面に垂直な内壁を有する貫通孔１４により構成される。当該ガス電子増幅器においては、金属層に所定の印加電圧を印加し、貫通孔の内部に電界を発生させることにより、貫通孔構造の内部に侵入した一次電子が加速され、電子雪崩現象を生じて、位置情報を保持したまま、多数の二次電子へと増幅される。板状絶縁層の材質は、加工性及び機械的強度に鑑みて、ポリイミド或いは液晶高分子等であることが好ましい。

　板状絶縁層の厚さ（図５中のＤ_ｉ）が厚いほど、表面と裏面の金属層の間での放電を抑制することができるため、より高い印加電圧を印加して高い増幅率を得ることができる。しかし、極度に厚い場合には、貫通孔を設ける際の加工が困難となる。したがって、当該板状絶縁層の厚さは、５０μｍ～３００μｍとすることが好ましい。金属層の材質及び厚さ（図５中のＤ_ｍ）は特に制限されないが、例えば、材質を銅、アルミニウム、或いは金とし、厚さを５μｍ程度とした金属層が好適である。
　貫通孔の直径（図５中のｄ）は、特に制限されず、貫通孔の内部に生じる電界の強さと加工の容易さ等を考慮して、適宜選択される。かかる直径を具体的に例示すれば、一般に５０～１００μｍである。なお、貫通孔は、生成される電界の一様性を高めるため、板状多層体の全面に所定のピッチ（図５中のＰ）で設けることが好ましい。当該ピッチは、板状絶縁層の材質や厚さ、及び貫通孔の直径にもよるが、一般には貫通孔の直径の約２倍程度である。また、貫通孔を設ける際には、図５に示すように、正三角形を配列した配置とすることが好ましい。かかる配置とすることによって、板状多層体の面積に対する貫通孔の開口率を高めることができるため、高い増幅率を得ることができ、更に後述するイオンフィードバックを抑制することができる。

　ガス電子増幅器の動作において、印加電圧が高いほど高い増幅率が得られるが、印加電圧が極端に高い場合には、ガス電子増幅器の表裏の金属層の間で放電が生じて安定動作が困難となる。当該印加電圧の好適な範囲は、板状絶縁層の厚さによって異なるが、一般には２００Ｖ～１０００Ｖであって、かかる印加電圧において得られる増幅率は、一般に数十～数千である。

〔ビクセル型電極〕
　ガス電子増幅器によって増幅された二次電子は、ピクセル型電極を用いてさらに増幅されて検出される。ピクセル型電極については、前記特許文献１に詳細に開示されているので、これに開示された技術に準じて作製すればよい。
　具体的には、ピクセル型電極は、両面基板の裏面に形成される陽極ストリップと、この陽極ストリップに植設されるとともに、その上端面が前記両面基板の表面に露出する円柱状陽極電極と、この円柱状陽極電極の上端面の回りに穴が形成されるストリップ状陰極電極とを具備している。陽極ストリップは２００μｍ～４００μｍの幅を有することが好ましく、さらに、陽極ストリップが４００μｍ間隔で配置され、ストリップ状陰極電極には、一定間隔で直径２００～３００μｍの穴が形成され、円柱状陽極電極は直径４０～６０μｍ、高さ５０μｍ～１５０μｍの形状であることが特に好ましい。

　ピクセル型電極の円柱状陽極電極とストリップ状陰極電極の間に所定の印加電圧を印加することにより、円柱状陽極電極の近傍に強い電界が発生する。当該電界によって加速された二次電子は電子雪崩を生じ、増幅された後に円柱状陽極電極より検出される。この過程において陽イオン化したガス分子は、周囲のストリップ状陰極電極へ速やかにドリフトしていく。したがって、円柱状陽極電極とストリップ状陰極電極の両方に、電気回路上で観測可能な電荷が生じることになるので、陽極・陰極のどのストリップでこの増幅現象が起きたかを観測することで、入射粒子線の位置がわかる。信号の読み出し、及び２次元画像を得るための信号処理回路については、従来公知のものを制限なく用いることができる。

　ビクセル電極の印加電圧の好適な範囲は、使用するガスの種類によって異なるが、一般に４００Ｖ～８００Ｖである。ピクセル型電極は、陽極としてピクセルを用いるので、高電界が作り易く増幅率が大きい。したがって、上記印加電圧において得られる増幅率は、数千から数万にも達する。また、ピクセル型電極は、陽イオン化したガス分子がドリフトする距離が極めて短いため、他のガス増幅型検出器に比較して不感時間が短く、約５×１０^６ｃｏｕｎｔ／（ｓｅｃ・ｍｍ^２）を超える高い計数率特性を有する。さらに、ピクセル型電極は、プリント回路基板の作製技術を用いて製造することができるため、大面積のものを安価に提供できる。

〔ガス増幅型紫外線画像検出器〕
　以下、前記光電変換物質、ガス電子増幅器、及びピクセル型電極を用いて、ガス増幅型紫外線画像検出器を構成する際の好適な態様について、図１を用いて詳細に説明する。
　シンチレーター１より生じた紫外線を入射するための開口部を有するチャンバー７内に、開口部に近い側から光電変換物質２、ガス電子増幅器４、及びピクセル型電極６が設置され、開口部は紫外線入射窓８で封止されている。この紫外線入射窓の材料としては、紫外線に対して高い透過性を有するフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、或いはフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）を用いることが好ましい。
　チャンバー内には、所定のガスが充填されている。この電子増幅用のガスとしては、一般に希ガスとクエンチャーガスの組合せが使用される。希ガスとしては、例えばヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）等がある。また、クエンチャーガスとしては、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、四フッ化メタン（ＣＦ_４）等が挙げられる。希ガス中へのクエンチャーガスの混合量は、５～３０％が好適である。

　光電変換物質は、紫外線から変換された一次電子を効率よく取り出すため、薄膜とすることが好ましい。当該薄膜は、図１に示すように、紫外線入射窓の内面に形成するか、或いは図２に示すように、ガス電子増幅器の紫外線入射窓に対向する面上に形成することが好ましい。
　光電変換物質の薄膜を紫外線入射窓の内面に形成する場合には、当該薄膜に電子を効率よく供給するため、且つ当該薄膜とガス電子増幅器との間に一様な電界を与えるため、薄膜上の外周部に金属層からなる電極９を設けることが好ましい。光電変換物質の薄膜をガス電子増幅器の紫外線入射窓に対向する面上に形成する場合には、ガス電子増幅器の金属層と光電変換物質との反応を避けるため、当該金属層の材質を金とすることが好ましい。さらに、板状絶縁層へ積層する際の容易さや製作コストに鑑みて、金属層を板状絶縁層に近い側から、銅、ニッケル及び金の順で積層された、多層の金属層とすることが最も好ましい。

　ガス電子増幅器及びピクセル型電極は、それぞれ紫外線入射窓に平行に設置される。ガス電子増幅器は、増幅率及び動作の安定性の観点から、複数枚使用して、同様に紫外線入射窓に平行に設置することが好ましく、２枚または３枚程度設置することが特に好ましい。複数枚のガス電子増幅器とピクセル型電極の各々で電子を増幅することによって、段階的に電子が増幅され、結果として得られる総合的な増幅率を大幅に高めることができる。また、複数枚のガス電子増幅器を用いることによって、イオンフィードバックを効果的に抑制することができ、動作の安定性を高めることができる。イオンフィードバックとは、電子雪崩現象で副次的に生成した陽イオン性のガス分子が蓄積され、電界を歪める現象であって、かかるイオンフィードバックが生じると、増幅率や計数率特性が不安定となり、動作の安定性に支障をきたす。

　紫外線入射窓と初段のガス電子増幅器とのギャップ（図１中のＧ_１）の長さ、各ガス電子増幅器間のギャップ（図１中のＧ_２）の長さ、及び最後段のガス電子増幅器とピクセル型電極とのギャップ（図１中のＧ_３）の長さは、短いほど計数率特性及び位置分解能が向上するが、極端に短い場合には互いが接しないように設置することが困難となる。したがって、当該Ｇ_１、Ｇ_２、及びＧ_３の好適な長さは、ともに約１ｍｍ～５ｍｍである。
　上記Ｇ_１、Ｇ_２、及びＧ_３に生じせしめる電界の大きさは、特に制限されず、所期の増幅率、イオンフィードバックの抑制効果、及び電荷の収集効率に鑑みて適宜選択することができる。当該電界の大きさの好ましい範囲を具体的に例示すれば、一般に０．３～１０ｋＶ／ｃｍである。かかる電界の大きさとすることによって、高い増幅率と前記イオンフィードバックの抑制を同時に達成することができる。

　本発明者らの検討によれば、２枚のガス電子増幅器とピクセル型電極を組み合わせ、ガス電子増幅器及びピクセル型電極に印加する印加電圧を最適化することによって、ガス電子増幅器及びピクセル型電極による総合的な増幅率として１×１０^５を超える増幅率を安定に得ることができ、シンチレーターから生じた微弱な紫外線によって画像を形成することが可能となった。

〔放射線画像検出器〕
　本発明の放射線画像検出器において、前記光電変換物質、ガス電子増幅器、及びピクセル型電極には、それぞれ電圧を印加するための高圧電源が接続され、ピクセル型電極には信号の読み出し及び２次元画像を得るための信号処理回路が接続されている。なお、ピクセル型電極より信号を読み出し２次元画像を得る際に、アンガーロジックに基づくアンガー型信号処理回路を用いることによって、位置分解能を特に向上することができる。アンガーロジックとは、放射線の入射によって生じたシンチレーション光が、空間的な拡がりを以って検出された場合に、当該シンチレーション光の重心位置を求めることによって、放射線の入射位置を特定する手法である。

　アンガー型信号処理回路は、ピクセル型電極の各ピクセルでの信号の強度を読み出すための読み出し回路、個々の放射線の入射によって生じたシンチレーション光を弁別するための同時計数回路、及び各ピクセルから読み出された信号の強度からシンチレーション光の重心位置を求めるための重心演算回路より構成される。当該アンガー型信号処理回路においては、読み出し回路より得られた信号の内、単一の放射線の入射によって生じた信号のみを同時計数回路によって弁別する。次いで、かかる弁別された信号を対象とし、当該信号の強度についての荷重平均を、重心演算回路によって求めることにより、放射線の入射位置を特定する。かかるアンガー型信号処理回路によれば、位置分解能を約１００μｍまで向上することができる。

　以下、前記シンチレーター及びガス増幅型紫外線画像検出器を用いて、本発明の放射線画像検出器を構成する際の好適な態様について、図１を用いて詳細に説明する。
　図１に示すように、シンチレーターの紫外線出射面以外の面に紫外線反射膜１０を設け、シンチレーターの紫外線出射面とガス増幅型紫外線画像検出器の紫外線入射窓とを密接して設置し、好ましくは、紫外線出射面と紫外線入射窓の間にグリース１１を充填する。グリースを充填することにより、シンチレーター内部より紫外線射出面に到達した紫外線を、紫外線射出面で反射させること無く外部に導出でき、ガス増幅型紫外線画像検出器への入射効率を高めることができる。当該グリースとしては、屈折率が高く、また紫外線に対する透明性が高いフッ素系グリースを用いることが好ましく、例えば、デュポン社製「クライトックス」等が好適に使用できる。

　シンチレーターの放射線入射方向に対する厚さが厚く、シンチレーター内での紫外線の拡がりによって位置分解能が低下する場合には、図３のように小さな紫外線出射面を有し、紫外線出射面以外の面に紫外線反射膜が施されたシンチレーターを多数配列することによって、紫外線の拡がりを抑えることができる。

　本発明の放射線画像検出器の別の態様として、図４に示すように、紫外線入射窓に替えて、シンチレーターによってチャンバーの開口部を封止してもよい。かかる態様により、紫外線入射窓における紫外線の拡がりに起因する位置分解能の低下を回避することができ、しかも、構造を簡素化することができるため、好ましい。

　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。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。

　実施例１
〈シンチレーターの作製〉
　本実施例において、シンチレーターは発光中心元素としてネオジムを含有するフッ化ランタン結晶を用いた。当該ネオジムを含有するフッ化ランタン結晶は、チョクラルスキー法による結晶製造装置を用いて製造した。原料としては、純度が９９．９９％以上のフッ化ランタン及びフッ化ネオジムを用いた。まず、フッ化ランタン２７００ｇ及びフッ化ネオジム３００ｇをそれぞれ秤量し、よく混合して坩堝に充填した。
　次いで、上記原料を充填した坩堝を結晶製造装置のチャンバー内にセットし、真空排気装置を用いてチャンバー内を１．０×１０^－３Ｐａ以下まで真空排気した後、高純度の四フッ化メタンとアルゴンからなる混合ガスをチャンバー内に導入してガス置換を行った。ガス置換後のチャンバー内の圧力は大気圧とした。　ガス置換操作を行った後、ヒーターで原料を加熱して溶融せしめ、溶融した原料の融液に種結晶を接触せしめた。次いで種結晶を回転させながら引き上げ、結晶の育成を開始した。

　結晶を引き上げながら、一定の割合で結晶径を拡大し、結晶径を５５ｍｍに調整した。結晶径を５５ｍｍまで拡大せしめた後、引き上げ速度を３ｍｍ／ｈｒに維持して、結晶の長さが約１００ｍｍとなるまで連続的に引き上げを続けた。次いでヒーターの出力を上げて結晶を原料融液から切り離し、その後徐冷することによって、ネオジムを含有するフッ化ランタン結晶を得た。該結晶は直径が５５ｍｍ、長さが約１００ｍｍであり、白濁やクラックの無い良質な結晶であった。ネオジムの含有量は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて測定した結果、５．９ｗｔ％であった。

　得られた結晶を、ダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって、２０ｍｍ角の立方体状に加工した後、全面に光学研磨を施してシンチレーターとした。光学研磨された面の一面を紫外線出射面とし、他の面にはテフロン（商標登録）からなる紫外線反射膜を施した。紫外線出射面の対面に施した紫外線反射膜に、中央部に５ｍｍ×５ｍｍの開口部を設け、放射線入射口とした。このシンチレーターについて、入射した放射線を変換して出射される紫外線の波長を以下の方法によって測定した。
　タングステンをターゲットとする封入式Ｘ線管球を用いて、Ｘ線をシンチレーターに照射した。なお、封入式Ｘ線管球よりＸ線を発生させる際の管電圧及び管電流はそれぞれ６０ｋＶ及び４０ｍＡとした。シンチレーターの紫外線出射面より生じた紫外線を集光ミラーで集光し、分光器にて単色化し、各波長の強度を記録してシンチレーターより生じた紫外線のスペクトルを得た。測定の結果、このシンチレーターは、入射した放射線を波長が１７３ｎｍの真空紫外線に変換することが確認された。

〈ガス増幅型紫外線画像検出器の作製〉
　本発明の放射線画像検出器の構成要素であるガス増幅型紫外線画像検出器を以下の方法によって作製した。
　図１に示すように、開口部を有するチャンバー内に、開口部に近い側から２枚のガス電子増幅器、及びピクセル型電極をそれぞれ平行に設置し、開口部を紫外線入射窓で封止した。紫外線入射窓と初段のガス電子増幅器との距離は２．５ｍｍ、初段のガス電子増幅器と後段のガス電子増幅器との距離は２ｍｍ、後段のガス電子増幅器とピクセル型電極との距離は２ｍｍとした。
　ガス電子増幅器は、厚さが５０μｍのポリイミド製の板状絶縁層の両側に、金属層として５μｍの厚さで銅を蒸着して板状多層体とし、当該板状多層体の全面に、直径が７０μｍの円柱状の貫通孔を、１４０μｍのピッチで、正三角形を配列した配置にて設けたものを用いた。
　ピクセル型電極は、厚さが１００μｍのポリイミド基板を用い、当該基板の裏面に幅が３００μｍの陽極ストリップを設け、この陽極ストリップに植設され、基板の表面に露出する円柱状陽極電極を４００μｍ間隔で配置し、この円柱状陽極電極の上端面の回りに直径が２６０μｍの穴が形成されたストリップ状陰極電極を設けたものを用いた。円柱状陽極電極の直径は、基板内に埋設された部分を５０μｍとし、基板の表面に露出した部分を７０μｍとした。円柱状陽極電極の高さは１１０μｍとし、上端部１０μｍが表面に露出した構造とした。

　紫外線入射窓には、直径が７０ｍｍ、厚さが５ｍｍのＭｇＦ_２を用い、当該紫外線入射窓の内面には光電変換物質としてヨウ化セシウムの薄膜を設け、さらに当該ヨウ化セシウム薄膜上の外周部にアルミニウム層からなる電極を設けた。ヨウ化セシウム薄膜上の外周部に設けられたアルミニウム層からなる電極、初段のガス電子増幅器の両面、後段のガス電子増幅器の両面、及びピクセル型電極の陽極電極と陰極電極には、印加電圧を印加するための高圧電源を接続し、ピクセル型電極の陽極電極と陰極電極には、信号の読み出し及び２次元画像を得るための信号処理回路を接続した。
　前記チャンバー内には、１０％のＣ_２Ｈ_６を混合したＡｒガスを充填し、本発明の構成要素であるガス増幅型紫外線画像検出器を得た。

　当該ガス増幅型紫外線画像検出器において、ヨウ化セシウム薄膜上の外周部に設けられたアルミニウム層からなる電極に－１０３５Ｖを印加し、２枚のガス電子増幅器のそれぞれについて、両面の金属層間に２８０Ｖを印加し、ピクセル型電極の陽極電極と陰極電極との間に４９０Ｖを印加した。なお、紫外線入射窓と初段のガス電子増幅器の間の電界が０．５ｋＶ／ｃｍ、初段のガス電子増幅器と後段のガス電子増幅器の間の電界が１．２５ｋＶ／ｃｍ、後段のガス電子増幅器とピクセル型電極の間の電界が２．９５ｋＶ／ｃｍとなるように印加電圧を調整した。
　上記印加電圧下において、２枚のガス電子増幅器とピクセル型電極によって得られる総合的な増幅率は６．７×１０^５に達し、かかる高い増幅率においても、ガス電子増幅器の表裏での放電やピクセル型電極における放電は生じず、長期間安定に動作することが確認された。

〈放射線画像検出器の作成と評価〉
　上述の方法で作製したシンチレーターの紫外線出射面と、ガス増幅型紫外線画像検出器の紫外線入射窓とを図１に示すように密接して設置し、本発明の放射線画像検出器を得た。なお、前記紫外線出射面と紫外線入射窓の間にはフッ素系グリースとしてデュポン社製「クライトックス」を充填した。
　放射線画像検出器の性能を評価するため、２．６ＭＢｑの放射能を有する
^２４１Ａｍ同位体を放射線源とし、該放射線源より生じる放射線に対する放射線画像検出器の応答を評価した。放射線源をシンチレーターに近接して設置し、放射線源より生じるα線をシンチレーター近接面に照射した。ピクセル型電極に接続された信号処理回路を用いて、ピクセル型電極の各陽極電極から出力される信号を取得し、２次元画像を構成した。その結果、図６に示すように、シンチレーターの形状を画像としてとらえることができ、本発明の放射線画像検出器が充分な感度と優れた位置分解能を有することが確認された。なお、２．６ＭＢｑの頻度での放射線の入射に対しても動作に支障はなく、従って、計数率特性にも優れていることが確認された。

　実施例２
〈シンチレーター〉
　シンチレーターは、実施例１で製造した、発光中心元素としてネオジムを含有するフッ化ランタン結晶を用いた。

〈ガス増幅型紫外線画像検出器の作製〉
　ガス増幅型紫外線画像検出器を以下の方法によって作製した。
　図２に示すように、開口部を有するチャンバー内に、開口部に近い側から２枚のガス電子増幅器、及びピクセル型電極をそれぞれ平行に設置し、開口部を紫外線入射窓で封止した。紫外線入射窓と初段のガス電子増幅器との距離は２．５ｍｍ、初段のガス電子増幅器と後段のガス電子増幅器との距離は２ｍｍ、後段のガス電子増幅器とピクセル型電極との距離は２ｍｍとした。初段のガス電子増幅器は、厚さが１００μｍの液晶高分子製の板状絶縁層（クラレ製、ベクスター）の両側に、多層の金属層を被覆した板状多層体を用いた。多層の金属層は、板状絶縁層に近い側から順に、銅、ニッケル、及び金をそれぞれ５μｍ、２μｍ、及び０．２μｍの厚さで蒸着して製作した。板状多層体の全面に、直径が７０μｍの円柱状の貫通孔を、１４０μｍのピッチで、正三角形を配列した配置にて設けて、ガス電子増幅器とした。後段のガス電子増幅器は、実施例１と同様のものを用いた。
　本実施例においては、図２に示すように、初段のガス電子増幅器の紫外線入射窓に対向する面上に、光電変換物質としてヨウ化セシウムの薄膜を設けた。ピクセル型電極には、実施例１と同様のものを用い、前記紫外線入射窓には、直径が７０ｍｍ、厚さが５ｍｍのＭｇＦ_２を用いた。
　前記初段のガス電子増幅器の両面、後段のガス電子増幅器の両面、及びピクセル型電極の陽極電極と陰極電極には、印加電圧を印加するための高圧電源を接続し、ピクセル型電極の陽極電極と陰極電極には、信号の読み出し、及び２次元画像を得るための信号処理回路を接続した。チャンバー内に１０％のＣ_２Ｈ_６を混合したＡｒガスを充填し、本発明の構成要素であるガス増幅型紫外線画像検出器を得た。

　このガス増幅型紫外線画像検出器において、２枚のガス電子増幅器のそれぞれについて、両面の金属層間に３００Ｖを印加し、ピクセル型電極の陽極電極と陰極電極との間に４００Ｖを印加した。なお、紫外線入射窓と初段のガス電子増幅器の間の電界が０．４８ｋＶ／ｃｍ、初段のガス電子増幅器と後段のガス電子増幅器の間の電界が１．２５ｋＶ／ｃｍ、後段のガス電子増幅器とピクセル型電極の間の電界が２．５ｋＶ／ｃｍとなるように印加電圧を調整した。
　上記印加電圧下において、２枚のガス電子増幅器とピクセル型電極によって得られる総合的な増幅率は１．３×１０^５に達した。かかる高い増幅率においても、ガス電子増幅器の表裏での放電やピクセル型電極における放電は生じず、長期間安定に動作することが確認された。

〈放射線画像検出器の作製と評価〉
　作製したシンチレーターの紫外線出射面と、ガス増幅型紫外線画像検出器の紫外線入射窓とを図２に示すように密接して設置し、本発明の放射線画像検出器を得た。なお、前記紫外線出射面と紫外線入射窓の間にはフッ素系グリースとしてデュポン社製「クライトックス」を充填した。
　放射線画像検出器の性能の評価は、実施例１と同様に２．６ＭＢｑの放射能を有する^２４１Ａｍ同位体を放射線源とし、該放射線源より生じる放射線に対する放射線画像検出器の応答を評価することにより行った。その結果、図７に示すように、シンチレーターの形状を画像としてとらえることができ、本発明の放射線画像検出器が充分な感度と優れた位置分解能を有することが確認された。なお、２．６ＭＢｑの頻度での放射線の入射に対しても動作に支障はなく、従って計数率特性にも優れることが確認された。

　実施例３
〈シンチレーターの作製〉
　シンチレーターは、実施例１で製造した、発光中心元素としてネオジムを含有するフッ化ランタン結晶を用いた。このシンチレーターを、ダイヤモンドワイヤーを備えたワイヤーソーによって、３×３×１０ｍｍ^３の直方体状に加工した後、全面に光学研磨を施した。当該光学研磨された面の内、３×３ｍｍ^２の一面を紫外線出射面とし、当該紫外線出射面及びその対面を除く４面にテフロンからなる紫外線反射膜を施した。かかるシンチレーターを９個用意し、各々のシンチレーターを、その紫外線出射面が同一面内に配置するように並べ、３×３配列のシンチレーターアレイを作製した。

〈ガス増幅型紫外線画像検出器の作製〉
　ガス増幅型紫外線画像検出器を実施例１と同様の方法によって作製した。
　当該ガス増幅型紫外線画像検出器において、前記ヨウ化セシウム薄膜上の外周部に設けられたアルミニウム層からなる電極に－１２５０Ｖを印加し、２枚のガス電子増幅器のそれぞれについて、両面の金属層間に３００Ｖを印加し、ピクセル型電極の陽極電極と陰極電極との間に４００Ｖを印加した。なお、紫外線入射窓と初段のガス電子増幅器の間の電界が０．８ｋＶ／ｃｍ、初段のガス電子増幅器と後段のガス電子増幅器の間の電界が１．２５ｋＶ／ｃｍ、後段のガス電子増幅器とピクセル型電極の間の電界が３．０ｋＶ／ｃｍとなるように印加電圧を調整した。
　上記印加電圧下において、２枚のガス電子増幅器とピクセル型電極によって得られる総合的な増幅率は６．０×１０^５に達した。かかる高い増幅率においても、ガス電子増幅器の表裏での放電やピクセル型電極における放電は生じず、長期間安定に動作することが確認された。

〈放射線画像検出器の作製と評価〉
　シンチレーターアレイの紫外線出射面と、ガス増幅型紫外線画像検出器の紫外線入射窓とを図３のように密接して設置し、本発明の放射線画像検出器を得た。なお、前記紫外線出射面と紫外線入射窓の間にはフッ素系グリースとしてデュポン社製「クライトックス」を充填した。
　本発明の放射線画像検出器の性能を評価するため、８ｋＢｑの放射能を有する^２４１Ａｍ同位体を放射線源とし、該放射線源より生じる放射線に対する放射線画像検出器の応答を評価した。放射線源をシンチレーターに近接して設置し、放射線源より生じるα線をシンチレーター近接面に照射した。本実施例においては、３×３配列のシンチレーターアレイの内、左下、中央、及び右上に位置するシンチレーターに、個別にα線を照射して評価を行った。すなわち、シンチレーターアレイを遮蔽体で覆い、当該遮蔽体の内、照射の対象とするシンチレーターの箇所のみに開口部を設け、当該開口部を通じて照射の対象とするシンチレーターのみにα線を照射した。ピクセル型電極に接続された信号処理回路を用いて、ピクセル型電極の各陽極電極から出力される信号を取得し、２次元画像を構成した。
　３×３配列のシンチレーターアレイの内、左上、中央、及び右下に位置するシンチレーターに個別に照射した場合の結果を、それぞれ図８、９、及び１０に示す。なお、これらの図において、破線部（四角線）はシンチレーターアレイを設置した位置を示す。放射線の検出頻度が最も高かったピクセルを白、最も低かったピクセルを黒とし、２５６階調のグレースケールにて画像を構成した。これらの結果から本発明の放射線画像検出器によれば、シンチレーターの位置、すなわち放射線の入射位置を識別可能であることが分かる。
　また、図８、９、及び１０の一点鎖線（水平直線）に沿った放射線検出頻度のプロファイルを、図１１に示す。当該放射線検出頻度のプロファイルからシンチレーターの位置を明確に識別でき、本発明の放射線画像検出器が充分な感度と優れた位置分解能を有することを確認できる。

　１　シンチレーター
　２　光電変換物質
　３　一次電子
　４　ガス電子増幅器
　５　二次電子
　６　ピクセル型電極
　７　チャンバー
　８　紫外線入射窓
　９　電極
　１０　紫外線反射膜
　１１　グリース
　１２　板状絶縁層
　１３　金属層
　１４　貫通孔

Claims

入射した放射線を紫外線に変換するシンチレーター、及びガス増幅型紫外線画像検出器を具備してなる放射線画像検出器であって、ガス増幅型紫外線画像検出器が、光電変換物質、ガス電子増幅器、及びピクセル型電極より構成されることを特徴とする放射線画像検出器。
シンチレーターが、ネオジム、プラセオジウム、ツリウム、またはエルビウムを含有する金属フッ化物結晶であることを特徴とする請求項1に記載の放射線画像検出器。
光電変換物質が、ヨウ化セシウムまたはテルル化セシウムであることを特徴とする請求項1に記載の放射線画像検出器。
ガス電子増幅器が、２枚又は３枚存在することを特徴とする請求項1に記載の放射線画像検出器。