WO2012093526A1

WO2012093526A1 - 放射線検出器

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Publication number: WO2012093526A1
Application number: PCT/JP2011/077236
Authority: WO
Inventors: 内田　博
Original assignee: 浜松ホトニクス株式会社
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-07-12
Also published as: JPWO2012093526A1; US20130306876A1; US9535169B2; JP5930973B2

Abstract

　検出効率の低下を防止し、且つ良好な時間特性を有する放射線検出器を提供する。放射線を検出する放射線検出器１であって、複数のシンチレータセル１１を有するシンチレータアレイ１０と、複数の光検出器２１を有する光検出器アレイ２０と、複数の光検出器３１を有する光検出器アレイ３０とを備える。複数の光検出器２１及び複数の光検出器３１は、ガンマ線Ｇ１，Ｇ２を透過可能な光検出器である。シンチレータセル１１は、反射領域１２によって複数の発光領域１１ａ，１１ｂに分離され、反射領域１２は、入射面１０ａ及び裏面１０ｂに対して傾斜している面ＳＰに沿って、入射面１０ａ側と裏面１０ｂ側との間に延在する。

Description

放射線検出器

　本発明は、陽電子断層撮影装置（以下「ＰＥＴ装置」という。）に用いられる放射線検出器に関する。

　特許文献１～２には、シンチレーション光（scintillation light）を検出する効率を高めると共に、放射線画像の鮮鋭度を向上させる放射線検出器が開示されている。非特許文献１には、ＰＥＴ装置に用いられる検出器が開示されている。シンチレーション光を検出する効率とは、シンチレーション光を収集する効率を意味し、シンチレータ（scintillator）内で発生したシンチレーション光のうち光検出器で捕えることができたシンチレーション光の割合を意味する。

　特許文献１の放射線検出器は、２枚のシンチレータの間に固体光検出器を積層させた構成を有している。被写体を透過したＸ線は、放射線検出器に照射される。一方のシンチレータは、照射されたＸ線の強度に応じた強度の可視光を発光する。可視光は、画像信号に変換される。可視光に変換されなかったＸ線は、固体光検出器を透過し、他方のシンチレータに到達する。他方のシンチレータは、到達したＸ線の強度に応じた強度の可視光を発光する。可視光は、各固体光検出素子により画像信号に変換される。

　特許文献２の放射線検出器は、２枚の固体光検出器の間に平面状のシンチレータを表裏から挟んで積層させた構成を有している。被写体を透過したＸ線は、放射線検出器に照射される。Ｘ線は、固体光検出器を透過してシンチレータに照射される。シンチレータは、照射されたＸ線の強度に応じた強度の可視光を発光する。Ｘ線が入射された側に発せられる可視光は、一方の固体光検出器により画像信号に変換される。これとは反対方向に発せられる可視光は、他方の固体光検出器により画像信号に変換される。

　特許文献３には、シンチレータ内で発光するシンチレーション光に対する撮像が高解像度で行える撮像装置が開示されている。特許文献３の撮像装置は、入射したエネルギー線に応じてシンチレーション光を発光させるシンチレータ、シンチレーション光による画像を撮像する第１ＣＣＤ部、及び第２ＣＣＤ部を備えている。第１ＣＣＤ部と第２ＣＣＤ部とは、各々の撮像部が向き合うように配置され、かつ、シンチレータは、２つの撮像部の間に挟まれると共に、これら２つの撮像部に対し平面視で重なるように配置されている。

　特許文献４の放射線検出器は、Ｘ線が入射するシンチレータと、このシンチレータから発せられるシンチレーション光を検出する固体光検出器とを有している。シンチレータは、Ｘ線の強度に応じた強度の可視光を発光する。可視光は、光電変換により画像信号に変換される。

　特許文献５には、視野周辺部での位置分解能の劣化を防ぎ、視野全体にわたって一様かつ高解像度でポジトロン分布を画像化できるポジトロンＣＴ装置が開示されている。特許文献５のポジトロンＣＴ装置（ポジトロン：positron）は、柱状のシンチレータ要素を束ねたシンチレータ束と、該シンチレータ束の両端に結合された位置検出型光検出器とからなる検出器ユニットと、を複数個リング状に配列し、各シンチレータ要素の光検出器との接合面以外の面の一部に粗研磨部を設けている。

　特許文献６には、シンチレータの中で発生した光を効率よく光検出器に導くことができる放射線検出器が開示されている。特許文献６の放射線検出器は、シンチレータの光出力面をくさび形状（wedge shape）とすると共に、ライトガイド（light
guide）の光入力面を、くさび形状を受け入れるＶ字形状を含む形状としている。

特開平７‐２７８６５号公報特開平７‐２７８６６号公報特開２００６‐１７９９８０号公報特開平７‐２７８６４号公報特開昭６３‐７５５８７号公報特開平２‐１１８４８５号公報

J. S. Huber et al, Characterizationof a 64 Channel PET Detector Using Photodiodes for Crystal Identification, IEEETransaction on Nuclear Science NS-44, pp.1197-1201, 1997 I. Vilardi et al, Optimization of theeffective light attenuation length of YAP:Ce andLYSO:Ce crystals for a novel geometrical PET concept, nuclear instruments andmethods in physics research A, 2006

　２つの放射線同士での飛行時間差を利用したＰＥＴ装置（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ―ＰＥＴ装置：以下「ＴＯＦ―ＰＥＴ装置」という。）に用いられる放射線検出器では、電子・陽電子の対消滅により生成された放射線対が２つの放射線検出器で検出された時、検出された時間差を測定する精度である時間分解能（時間特性）が重要な要素である。従来の放射線検出器には、位置検出特性や検出効率の観点から細長い直方体のシンチレータを有するシンチレータ検出器が用いられている。位置検出特性とは、ＰＥＴ装置内においてガンマ線が検出されたシンチレータの位置を検出する特性をいう。また、検出効率とは、ガンマ線を検出する効率を意味し、シンチレータに入射したガンマ線のうち、シンチレータと相互作用（光電効果、コンプトン散乱等）してシンチレータに一定のエネルギー量を付与したガンマ線の割合をいう。なお、ガンマ線が吸収されたエネルギー量と、発生したシンチレーション光との間には比例関係がある。この時間特性を向上させる方法として、シンチレータの長さを短くしたり、また、シンチレータの形状を、例えば角錐台形状や、くさび形状にする方法がある。しかし、このような方法によると、シンチレータの体積が減少する。検出効率がシンチレータの体積に依存するために、シンチレータの体積の減少は、検出効率の低下を招く。そこで、本発明は、検出効率が低下することなく、良好な時間特性が実現される放射線検出器を提供することを目的とする。

　本発明の一側面の放射線検出器は、放射線を検出する放射線検出器であって、放射線が入射する入射面と入射面の反対側にある裏面と、入射面の上に二次元的に配列される複数のシンチレータセル（scintillator cell）と、を有するシンチレータアレイ（scintillator array）と、入射面の上に設けられる第１の光検出器アレイと、裏面の上に設けられる第２の光検出器アレイと、を備え、シンチレータアレイは、第１の光検出器アレイと第２の光検出器アレイとの間に設けられ、第１の光検出器アレイは、入射面に沿って二次元的に配列される複数の第１の光検出器を有し、第２の光検出器アレイは、裏面に沿って二次元的に配列される複数の第２の光検出器を有し、複数の第１及び第２の光検出器は、放射線を透過可能な光検出器であり、複数のシンチレータセルは、入射する放射線を吸収してシンチレーション光を発生する複数の発光領域とシンチレーション光を反射する第１の反射領域とを含み、シンチレータセルは、入射面と裏面との間に延在し、第１の反射領域によって複数の発光領域に分離され、第１の反射領域は、入射面及び裏面に対して傾斜している面に沿って入射面の側と裏面の側との間に延在し、複数の発光領域のそれぞれは、第１の光検出器及び第２の光検出器のいずれか一つの光検出器と光学的に結合されている、ことを特徴とする。

　このように放射線検出器の第１の反射領域は、入射面及び裏面に対して傾斜している面に沿って、入射面側と裏面側との間に延在している。このため、第１の反射領域によって発光領域が入射面側又は裏面側に設けられるので、シンチレータセルに第１の反射領域を設けない構成と比較して、時間特性が向上する。さらに、シンチレータセルは、第１の反射領域によって複数の発光領域に分離されている。すなわち、シンチレータセルは、複数の発光領域を合算した実質的な体積を維持することが可能となる。従って、発光領域の体積減少による検出効率の低下が抑制される。従って、検出効率が低下することなく、良好な時間特性を有する放射線検出器が提供される。更に、シンチレータセルが（ＰＥＴ装置の）検出器リングの半径方向に二段階に構成されていると考えることができるので、ＤＯＩ情報（ＤＯＩ：Depth　Of　Interaction）が収集可能となる。更に、シンチレータセルが、（ＰＥＴ装置の）検出器リングの円周方向にずれて二つ存在しているものと考えることができるため、サンプリング密度を向上させることができる。

　本発明の一側面の放射線検出器において、発光領域は、端面と、該端面の反対側にある先端と、を有し、発光領域は、端面から先端に向けて先細る形状を有し、端面は、入射面又は裏面に含まれ、第１の光検出器及び第２の光検出器のいずれか一つの光検出器が光学的に結合されていることができる。直方体のシンチレータは、互いに平行な側面の組を複数有している。このような構成において、シンチレーション光が互いに平行な側面の間において反射するような条件となった場合には、同じ反射角度での反射が繰り返される。そのため、光検出器までの到達経路が長くなり、経路の違いにより到達時間のばらつきが大きくなる。特に、光検出器の入射面においてシンチレーション光が反射するような条件の場合には、シンチレータ内での吸収や反射ロスによってシンチレーション光が減衰するまで、この条件下におけるシンチレータ内での反射が繰り返される。一方、本発明の放射線検出器が有する発光領域は、発光領域を構成する側面の１つが光検出器側に傾いた斜面となるように構成されている。このような構成により、直方体のシンチレータにおいて生じ得る連続的な反射条件が崩される。また、光検出器の入射面における入射角度がより深くなる。すなわち、シンチレーション光の入射角度が入射面に対して垂直に近い角度にシフトする。これにより、光検出器の入射面において反射されるシンチレーション光の割合が減り、より到達経路が短くなり、到達時間のばらつきが低減されるので、本発明の放射線検出器は、良好な時間特性を有することができる。

　本発明の一側面の放射線検出器において、シンチレータアレイは、側面と、シンチレーション光を反射する第２の反射領域と、を有し、側面は、入射面及び裏面の間に延在し、第２の反射領域は、側面にあって側面を覆う第１の部分と、シンチレータアレイを複数のシンチレータセルに分離する第２の部分と、を有する、ことができる。このように、シンチレータアレイの側面には、第２の反射領域における第１の部分が設けられていることができる。これによれば、シンチレータセルにおいて発生したシンチレーション光を効率的に光検出器に集めることが可能となる。従って、本発明による放射線検出器は、良好なエネルギー検出特性（エネルギー分解能）を有することができる。さらに、シンチレータアレイは、シンチレータアレイを複数のシンチレータセルに分離する第２の反射領域における第２の部分を有することができる。これによると、シンチレーション光が発生したシンチレータセルに隣接する別のシンチレータセルへのシンチレーション光の漏れを防ぐことが可能となる。従って、本発明による放射線検出器は、良好な位置検出特性を有することができる。

　本発明の一側面による放射線検出器によれば、検出効率が低下することなく、良好な時間特性が実現される放射線検出器を提供することができる。

実施形態に係るＴＯＦ－ＰＥＴ装置の構成を説明するための図である。実施形態に係る放射線検出器の構成を説明するための図である。実施形態に係る放射線検出器の構成の断面を説明するための図である。実施形態に係る放射線検出器の構成を説明するための図である。従来の放射線検出器の構成を示す図である。従来の放射線検出器が有する、検出効率と時間特性との相関を説明するための図である。（ａ）～（ｅ）はシンチレータの形状と時間特性との相関を説明するための図である。実施形態に係る放射線検出器の変形例を説明するための図である。実施形態に係る放射線検出器の他の変形例を説明するための図である。

　以下、図面を参照して、好適な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場合がある。

　まず、図１を参照して本実施形態における放射線検出器１が用いられるＴＯＦ―ＰＥＴ装置１００の構成を説明する。ＴＯＦ－ＰＥＴ装置１００は、陽電子放出核種を含む物質を人体や動物及び植物などに投与し、その測定対象Ｐ中において電子・陽電子対消滅により生成される放射線対を計測することにより、測定対象Ｐ内のその投与物質の分布や動きについての情報を得るものである。ＴＯＦ－ＰＥＴ装置１００は、放射線検出器アレイ１０１と、複数のプリアンプ１０２ａ，１０２ｂと（プリアンプ：preamplifier）、複数のサムアンプ１０３Ａ１，１０３Ａ２，１０３Ｂ１，１０３Ｂ２と（サムアンプ：summing amplifier）、エネルギー弁別回路１０４と、タイミング取り出し回路１０５Ａ，１０５Ｂと、同時計数回路１０６とを備えている。また、ＴＯＦ－ＰＥＴ装置１００には、放射線検出器アレイ１０１の略中心に測定対象Ｐが配置される。測定対象Ｐからは、ガンマ線対Ｇが放射される。ガンマ線対Ｇは、互いに反対方向に放射されるガンマ線Ｇ１，Ｇ２を含んでいる。本実施形態において放射線とは、ガンマ線Ｇ１，Ｇ２を意味する。

　放射線検出器アレイ１０１は、測定対象Ｐを略中心とする円Ｃの円周上に配置された複数の放射線検出器１を有する。放射線検出器アレイ１０１は、互いに対向し、同時計数を行う２つの放射線検出器１により構成される放射線検出器の組１ａを有する。同時計数を行う放射線検出器の組１ａは、１つの放射線検出器１と、該放射線検出器１の反対側にある他の一又は複数の放射線検出器１とにより構成されている。

　放射線検出器１は、シンチレータアレイ１０と、光検出器アレイ２０と、光検出器アレイ３０とを備えている。放射線検出器１の詳細については後述する。

　放射線検出器の組１ａの一方の放射線検出器１は、複数のプリアンプ１０２ａに接続され、プリアンプ１０２ａのそれぞれは、いずれもサムアンプ１０３Ａ１及びサムアンプ１０３Ｂ１の両方に接続される。放射線検出器の組１ａの他方の放射線検出器１は、複数のプリアンプ１０２ｂに接続され、プリアンプ１０２ｂのそれぞれは、いずれもサムアンプ１０３Ａ２及びサムアンプ１０３Ｂ２の両方に接続される。プリアンプ１０２ａ，１０２ｂのそれぞれは、放射線検出器の組１ａの放射線検出器１に含まれている複数の光検出器（後述の光検出器２１，３１）のそれぞれと一対一に対応して接続される。プリアンプ１０２ａ，１０２ｂは、光検出器から入力される信号を高速に増幅する。

　サムアンプ１０３Ａ１は、複数のプリアンプ１０２ａに接続される。サムアンプ１０３Ａ２は、複数のプリアンプ１０２ｂに接続される。サムアンプ１０３Ｂ１は、複数のプリアンプ１０２ａに接続される。サムアンプ１０３Ｂ２は、複数のプリアンプ１０２ｂに接続される。サムアンプ１０３Ａ１，１０３Ａ２，１０３Ｂ１，１０３Ｂ２は、プリアンプ１０２ａ，１０２ｂから入力される信号の論理和を出力する。

　エネルギー弁別回路１０４は、サムアンプ１０３Ａ１，１０３Ａ２に接続される。エネルギー弁別回路１０４は、所定の閾値（以下閾値ＳＨという）以上の信号をガンマ線Ｇ１，Ｇ２の入射による信号として判別し、判別結果を同時計数回路１０６に出力する。閾値ＳＨは、例えば電子・陽電子対消滅に伴って発生するガンマ線Ｇ１，Ｇ２の光子エネルギーである５１１ｋｅＶの付近に設定される。これにより、電気的ノイズ信号や、散乱ガンマ線（消滅ガンマ線の一方或いは両方が散乱物質により方向を変えられたガンマ線であり、散乱のためにエネルギーが減少している）に起因するノイズ信号等が除かれる。なお、エネルギー弁別回路１０４は、サムアンプ１０３Ａ１，１０３Ａ２を介してプリアンプ１０２ａ，１０２ｂから出力される信号を積分し、振幅がエネルギーと比例関係となるように波形を成形する回路を含んでいる。

　タイミング取り出し回路１０５Ａは、サムアンプ１０３Ｂ１に接続される。タイミング取り出し回路１０５Ａは、サムアンプ１０３Ｂ１から出力される信号に基づき、同時計数回路１０６に入力するための信号（後述の第１のタイミング信号）を出力する。また他のタイミング取り出し回路１０５Ｂは、他のサムアンプ１０３Ｂ２に接続される。タイミング取り出し回路１０５Ｂは、サムアンプ１０３Ｂ２から出力される信号に基づき、同時計数回路１０６に入力するための信号（後述の第２のタイミング信号）を出力する。なお、タイミング取り出し方法としては、リーディング・エッジ方式（leading-edge method）やコンスタント・フラクション方式（constant-fraction method）を用いる。

　同時計数回路１０６は、エネルギー弁別回路１０４、タイミング取り出し回路１０５Ａ及びタイミング取り出し回路１０５Ｂに接続される。同時計数回路１０６は、放射線検出器の組１ａにより検出されるガンマ線対Ｇが、同一の電子・陽電子対消滅に伴って発生したガンマ線対Ｇであるか否かを判定する。この判定は、放射線検出器の組１ａの一方の放射線検出器１においてガンマ線Ｇ１が検出された検出時刻の前後の一定時間の間に、放射線検出器の組１ａの他方の放射線検出器１においてガンマ線Ｇ２が検出されたか否かによりなされる。

　続いて、図１に示されるＴＯＦ－ＰＥＴ装置１００の動作について説明する。測定対象Ｐ中において電子・陽電子対消滅に伴って発生するガンマ線対Ｇのガンマ線Ｇ１，Ｇ２は、ガンマ線対Ｇの進行方向に配置されている放射線検出器の組１ａにより検出される。放射線検出器の組１ａのそれぞれの放射線検出器１から出力される検出信号は、放射線検出器の組１ａに接続されているプリアンプ１０２ａ，１０２ｂにより増幅された後に、サムアンプ１０３Ａ１，１０３Ａ２により論理和演算がなされ、この演算結果が、エネルギー弁別回路１０４に出力される。

　放射線検出器の組１ａの一方の放射線検出器１から出力される検出信号は、この放射線検出器１に接続されているプリアンプ１０２ａによって増幅された後に、このプリアンプ１０２ａに接続されているサムアンプ１０３Ｂ１によって論理和演算がなされ、この演算結果がタイミング取り出し回路１０５Ａに出力される。放射線検出器の組１ａの他方の放射線検出器１から出力される検出信号は、この放射線検出器１に接続されているプリアンプ１０２ｂによって増幅された後に、このプリアンプ１０２ｂに接続されているサムアンプ１０３Ｂ２によって論理和演算がなされ、この演算結果がタイミング取り出し回路１０５Ｂに出力される。

　エネルギー弁別回路１０４は、サムアンプ１０３Ａ１，１０３Ａ２から入力される信号が、閾値ＳＨ以上のエネルギーを有するガンマ線Ｇ１，Ｇ２による信号であるか否かを判定し、判定結果を同時計数回路１０６に出力する。

　タイミング取り出し回路１０５Ａ，１０５Ｂのそれぞれは、サムアンプ１０３Ｂ１，１０３Ｂ２のそれぞれから入力される信号に基づいて、第１のタイミング信号及び第２のタイミング信号をそれぞれ生成し、この第１及び第２のタイミング信号を同時計数回路１０６に出力する。同時計数回路１０６は、検出された信号が電子・陽電子対消滅に伴って発生するガンマ線対Ｇによるものであるか否かを、第１のタイミング信号及び第２のタイミング信号に基づいて判定する。エネルギー弁別回路１０４により、閾値ＳＨ以上のエネルギーレベルを有すると判定された信号のうち、電子・陽電子対消滅に伴って発生するガンマ線対Ｇによるものであると同時計数回路１０６により判定されたものを真のデータとして採用する。

　次に、本実施形態に係る放射線検出器１について、図２～図４を用いて詳細に説明する。図２～図４に示されるように、本実施形態に係る放射線検出器１は、シンチレータアレイ１０と、光学結合部１５ａ，１５ｂと、光検出器アレイ２０と、光検出器アレイ３０と、を有する。

　シンチレータアレイ１０は、全体として直方体状の外形を有する。シンチレータアレイ１０は、入射面１０ａと、裏面１０ｂと、側面１０ｃと、複数のシンチレータセル１１と、反射領域１３，１４とを有する。反射領域１３，１４は、シンチレータアレイ１０の反射領域の第１及び第２の部分である。入射面１０ａはガンマ線Ｇ１，Ｇ２が入射される面である。裏面１０ｂは入射面１０ａの反対側にある面である。側面１０ｃは入射面１０ａ及び裏面１０ｂの間に延在する面である。

　シンチレータセル１１は、入射面１０ａ上に二次元的に複数配列される。また、シンチレータセル１１は、細長い直方体状の形状を有する。シンチレータセル１１は、発光領域１１ａ，１１ｂと、反射領域１２とを有する。

　発光領域１１ａは、端面１１ｇと、端面１１ｇの反対側にある先端部１１ｃとを有している。発光領域１１ａは、端面１１ｇから先端部１１ｃに向けて先細る形状、例えばくさび形の形状を有している。端面１１ｇは、光学結合部１５ａを介して光検出器３１に光学的に結合される。

　発光領域１１ｂは、端面１１ｅと、端面１１ｅの反対側にある先端部１１ｄとを有している。発光領域１１ｂは、端面１１ｅから先端部１１ｄに向けて先細る形状、例えばくさび形の形状を有している。端面１１ｅは、光学結合部１５ｂを介して光検出器２１に光学的に結合される。

　発光領域１１ａ，１１ｂは、入射したガンマ線Ｇ１，Ｇ２を吸収し、シンチレーション光を発生する。この発光領域１１ａ，１１ｂは、例えば、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２（ＢＧＯ）の結晶、ＣｅがドープされたＬｕ_２ＳｉＯ_５（ＬＳＯ）の結晶、Ｌｕ_{２（１－Ｘ）}Ｙ_２ＸＳｉＯ_５（ＬＹＳＯ）の結晶、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５（ＧＳＯ）の結晶、ＰｒがドープされたＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＬｕＡＧ）の結晶、ＣｅがドープされたＬａＢｒ_３（ＬａＢｒ_３）の結晶、ＣｅがドープされたＬａＣｌ_３（ＬａＣｌ_３）の結晶、ＣｅがドープされたＬｕ_０．７Ｙ_０．３ＡｌＯ_３（ＬｕＹＡＰ）の結晶のいずれかを含む。

　反射領域１２（第１の反射領域）は、入射面１０ａ及び裏面１０ｂに対して傾斜している面ＳＰに沿って、入射面１０ａ側と裏面１０ｂ側との間に延在している。反射領域１２は、シンチレータセル１１を発光領域１１ａと発光領域１１ｂとに分離している。また反射領域１２は、例えば、テフロン・テープ（テフロン（Teflon）は登録商標）、硫酸バリウム（barium
sulfate）、酸化アルミ（alminum oxide）、酸化チタン（titanium oxide）、ＥＳＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｓｐｅｃｕｌａｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）フィルム、及びポリエステルフィルム（polyester film）のいずれかを含むことができる。

　光検出器アレイ２０は、発光領域１１ｂ内で発生するシンチレーション光を検出する。光検出器アレイ２０は、シンチレータアレイ１０の入射面１０ａに光学結合部１５ｂを介して光学的に結合されている。光学結合部１５ｂには、例えばシリコーングリス（silicone grease）、シリコーン系ＲＴＶゴム、及び高透過接着シートのいずれかを用いることができる。光検出器アレイ２０は、複数の光検出器２１を有している。複数の光検出器２１は、入射面１０ａ上に二次元的に配列される。複数の光検出器２１は、ガンマ線Ｇ１，Ｇ２を透過可能な固体光検出器であり、例えばＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ　Ｐｉｘｅｌ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ｃｏｕｎｔｅｒ、登録商標）といった半導体光検出器である。なお、ＭＰＰＣは、複数のガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオード（ＡＤＰ）（Geiger-mode avalanche photodiodes）のピクセルを含むフォトンカウンティングデバイス（photo-counting device）である。

　光検出器アレイ３０は、発光領域１１ａ内で発生するシンチレーション光を検出する。光検出器アレイ３０は、シンチレータアレイ１０の裏面１０ｂに光学結合部１５ａを介して光学的に結合される。光学結合部１５ａには、上述した光学結合部１５ｂと同様の素材を有することができる。光検出器アレイ３０は、複数の光検出器３１を有している。複数の光検出器３１は、裏面１０ｂ上に二次元的に配列される。複数の光検出器３１は、上述した光検出器２１と同様に、例えばＭＰＰＣといった半導体光検出器である。

　図３に示されるように、反射領域１３，１４は、シンチレータセル１１内で発生したシンチレーション光を、このシンチレータセル１１と光学的に結合されている光検出器２１又は光検出器３１に集め、且つシンチレーション光を、シンチレータセル１１の外部へ漏れ出ることを防ぐ。反射領域１３は、側面１０ｃに設けられており、側面１０ｃの略全域を覆っている。反射領域１４は、入射面１０ａ及び裏面１０ｂの間に延在している。反射領域１４は、ガンマ線Ｇ１，Ｇ２の入射方向から見て格子状に形成されており、複数のシンチレータセル１１を互いに分離している。また反射領域１３，１４は、上述した反射領域１２と同様の素材を有することができる。

　次に、図５及び図６を用いてシンチレータの形状と、時間特性及び検出効率との関係について説明する。図５は、図６に示すシンチレータの形状と検出効率及び時間特性との関係を得るために用いた放射線検出器６０の構成を示す図である。放射線検出器６０は、光検出器６１と、角錐台形状のシンチレータ６２とを備えている。シンチレータ６２は、放射線Ｇ１が入射する入射面６２ａと、入射面６２ａの反対側にあり入射面６２ａよりも大きい面積を有する裏面とを有する。光検出器６１は、シンチレータ６２の裏面上に設けられている。シンチレータ６２は、長さがＬ（放射線Ｇ１の入射方向の長さ）であり、入射面６２ａの一辺がＳの角錐台形状を有する。

　次に、シンチレータの形状と、時間特性及び検出効率との関係を測定する方法について説明する。まず、図５に示される放射線検出器６０を二つ準備する。それぞれの放射線検出器６０の入射面６２ａが互いに対向するように、^２２Ｎａポジトロン線源を挟んで配置する。この配置条件を維持しつつ、各形状のシンチレータを両方同時に、同じ形状のシンチレータに交換して、それぞれの形状のシンチレータにおける時間特性及び検出効率を測定する。

　時間特性の測定方法を詳細に説明する。一方の放射線検出器６０の出力信号をスタート信号に設定し、他方の放射線検出器６０の出力信号をストップ信号に設定する。スタート信号がストップ信号よりも常に先に出力されるようにするために、ストップ信号を一定時間遅らせる。このような状態においてポジトロン線源で発生する一対の消滅ガンマ線を用いて、両方の放射線検出器６０から出力される出力信号の時間差を測定する。このような方法により、一方の放射線検出器を基準としたときの、一対の放射線検出器の間における時間的揺らぎが測定できる。この時間的揺らぎが時間分解能である。

　検出効率の測定方法を詳細に説明する。上述したように形状の異なるシンチレータを交換しつつ、同じ時間の間で測定したときの総カウント値を測定することで、相対的な検出効率を測定することができる。この場合、ポジトロン線源からシンチレータ６２の放射線の入射面６２ａまでの距離は一定に設定される。

　図６は、上述した時間特性及び検出効率の測定を、異なる形状及び寸法を有するシンチレータ６２ごとに実施することにより得られた検出効率と時間特性との関係を示す図である。図６の曲線Ｃ１は、直方体状の形状を有するシンチレータ（以下、直方体シンチレータという。）の場合に得られた結果であって、直方体シンチレータの長さＬ（放射線の入射方向の長さ）を変化させた場合の（Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍの形状のシンチレータの検出効率を１００とした）相対的検出効率と時間特性との関係を示す。図６の曲線Ｃ２は、図５に示すシンチレータ６２において、シンチレータ６２の長さＬを一定にし、入射面６２ａの一辺Ｓの長さを変化させた場合の、検出効率と時間特性との関係を示す。図６の曲線Ｃ３は、図５に示すシンチレータ６２において、シンチレータ６２の長さＬを曲線Ｃ２とは異なる一定の長さに設定し、入射面６２ａの一辺Ｓの長さを変化させた場合の、検出効率と時間特性との関係を示す。

　さらに、曲線Ｃ１のポイントＣ１ａは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍの形状を有する直方体シンチレータの特性を示し、曲線Ｃ１のポイントＣ１ｂは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍの形状を有する直方体シンチレータの特性を示し、曲線Ｃ１のポイントＣ１ｃは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝１５ｍｍの形状を有する直方体シンチレータの特性を示す。曲線Ｃ１のポイントＣ１ｄは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝１０ｍｍの形状を有する直方体シンチレータの特性を示し、曲線Ｃ１のポイントＣ１ｅは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝５ｍｍの形状を有する直方体シンチレータの特性を示す。曲線Ｃ２のポイントＣ２ａは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示し、曲線Ｃ２のポイントＣ２ｂは、Ｓ＝１５ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示し、曲線Ｃ２のポイントＣ２ｃは、Ｓ＝１０ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示す。曲線Ｃ３のポイントＣ３ａは、Ｓ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示し、曲線Ｃ３のポイントＣ３ｂは、Ｓ＝１５ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示し、曲線Ｃ３のポイントＣ３ｃは、Ｓ＝１０ｍｍ、Ｌ＝２０ｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示し、曲線Ｃ３のポイントＣ３ｄは、Ｓ＝５ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍの形状を有するシンチレータ６２の特性を示す。

　曲線Ｃ１を確認すると、直方体シンチレータにおいて、長さＬを短くした場合には、シンチレーション光の発生地点と光検出器６１までの光路が短くなるために時間特性が向上することがわかる。その一方で、直方体シンチレータの体積が減少するために検出効率が低下することがわかる。一方、曲線Ｃ２及び曲線Ｃ３を確認すると、角錐台形状のシンチレータ６２において、入射面６２ａの辺Ｓを短くすると、シンチレータ６２の体積が減少するために検出効率が低下するが、時間特性は向上していることがわかる。

　曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とを比較すると、時間特性を向上させた場合に、検出効率が低下する幅は、曲線Ｃ１よりも曲線Ｃ２が小さいことがわかる。曲線Ｃ１と曲線Ｃ３とを比較した場合でも、時間特性を向上させた場合に、検出効率が低下する幅は、曲線Ｃ１よりも曲線Ｃ２が小さいことがわかる。従って、時間特性を向上させる手段として、シンチレータ形状をシンチレータ６２のように角錐台形状にすることは有効な手段のひとつであることがわかる。

　更に、シンチレータの形状と、シンチレータの時間特性との関係をシミュレーションによって詳細に確認した。図７の（ａ）～（ｅ）は、シンチレーション光が端面に到達した時間とその光子数を示すグラフである。図７の（ａ）は、例えば直方体の形状を有するシンチレータの場合の結果を示す。図７の（ｂ）～（ｅ）は、例えば、シンチレータ６２のように角錐台の形状を有するシンチレータの場合の結果を示す。図７の（ａ）～（ｅ）に示す「上部幅」は、シンチレータの入射面の幅Ｗ１であり、「下部幅」は、入射面の反対側にある裏面の幅Ｗ２である。幅Ｗ１が幅Ｗ２より小さい場合、入射面の面積が裏面の面積よりも小さいことを意味する。図中のシンチレータ内の星印の位置で光を全方向に発生したと仮定している。図７の（ａ）～（ｅ）を確認すると、入射面の面積が裏面の面積よりも小さいほど、多くの光子が短い時間で端面に到達していることがわかる。従って、時間特性を向上させる手段として、シンチレータ形状をシンチレータ６２のように角錐台の形状にすることは有効な手段のひとつであることが、このシミュレーションの結果からもわかる。

　次に、上述した放射線検出器１の作用・効果について説明する。本実施形態に係る放射線検出器１は、例えば角錐台の形状や、くさび形の形状や、テーパ状の形状を有する複数の発光領域１１ａ，１１ｂを備えている。そのため図５～図７を用いて説明したような効果を奏することが可能であるため、時間特性を向上させることができる。さらに、シンチレータセル１１は、発光領域１１ａ，１１ｂの両方の体積を合算した実質的な体積を維持することが可能である。そのため、検出効率が低下することを抑制することができる。従って、本実施形態による放射線検出器１は、検出効率が低下することなく、良好な時間特性が実現できる。

　直方体のシンチレータは、互いに平行な側面の組を複数有している。このような構成において、シンチレーション光が互いに平行な側面の間において反射するような条件となった場合には、同じ反射角度での反射が繰り返される。そのため、光検出器までの到達経路が長くなり、経路の違いにより到達時間のばらつきが大きくなる。特に、光検出器の入射面においてシンチレーション光が反射するような条件の場合には、シンチレータ内での吸収や反射ロスによってシンチレーション光が減衰するまで、この条件下におけるシンチレータ内での反射が繰り返される。本実施形態による放射線検出器１が有する発光領域１１ａ，１１ｂは、端面１１ｅ，１１ｇから先端１１ｃ，１１ｄに向けて先細る形状を有している。すなわち、発光領域１１ａ，１１ｂを構成する側面の１つが光検出器２１，３１側に傾いた斜面となるように構成されている。このような構成により、直方体のシンチレータにおいて生じ得る連続的な反射条件が崩される。また、光検出器２１，３１の入射面における入射角度がより深くなる。すなわち、シンチレーション光の入射角度が入射面に対して垂直に近い角度にシフトする。これにより、光検出器１１ａ，１１ｂの入射面においてシンチレーション光が反射される割合が減って、より到達経路が短くなり、到達時間のばらつきが低減されるので、放射線検出器１は、良好な時間特性を有することができる。更に、シンチレータセル１１がＴＯＦ－ＰＥＴ装置１００の検出器リング（図１に示す円Ｃに対応）の半径方向に二段階に構成されていると考えることができるので、ＤＯＩ情報（ＤＯＩ：Depth　Of　Interaction）が収集可能となる。更に、シンチレータセル１１がＴＯＦ－ＰＥＴ装置１００の検出器リング（図１に示す円Ｃに対応）の円周方向にずれて二つ存在しているものと考えることができるため、サンプリング密度を向上させることができる。

　また、シンチレータアレイ１０の側面１０ｃには、反射領域１３が設けられているので、シンチレータセル１１において発生したシンチレーション光を効率的に光検出器２１，３１に集めることが可能となる。従って、放射線検出器１は、良好なエネルギー検出特性（エネルギー分解能）を有することができる。さらに、シンチレータアレイ１０には、反射領域１４が設けられているので、シンチレーション光が発生したシンチレータセル１１に隣接する別のシンチレータセル１１へのシンチレーション光の漏れを防ぐことが可能となる。従って、放射線検出器１は、良好な位置検出特性を有することができる。

　放射線検出器１は、上述した実施形態及び実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。図８の（ａ）、図８の（ｂ）は、上述した実施形態の変形例を示す図である。図８の（ａ）及び図８の（ｂ）に示されるように、シンチレータセル４１の発光領域４１ａは、光学結合部１５ａにより光検出器３１を結合した面の反対側にある先端に、端面４２を形成した形状であっても良い。この端面４２には、反射領域４３が設けられている。同様に、発光領域４１ｂは、光学結合部１５ｂにより光検出器２１を結合した面の反対側にある先端に、端面４４を形成した形状であっても良い。この端面４４には、反射領域４５が設けられている。このようにすることで、発光領域４１ａ及び発光領域４１ｂの形状加工が容易にできる。

　また、図９の（ａ）及び図９の（ｂ）は、上述した実施形態の他の変形例を示す図である。図９の（ａ）及び図９の（ｂ）に示されるように、シンチレータセル５１は、反射領域５２と反射領域５３とにより、３つの発光領域に分離されていてもよい。この場合、シンチレータセル５１は、発光領域５１ａと、発光領域５１ｂと、発光領域５１ｃとに分離される。そして、発光領域５１ａと、発光領域５１ｂとは、光学結合部１５ａにより光検出器３１に光学的に結合される。また、発光領域５１ｃは、光学結合部１５ｂにより光検出器２１に光学的に結合される。

（実施例）
　ＭＰＰＣに直方体のＬＹＳＯシンチレータを結合した検出器を作製し、さらにＭＰＰＣにくさび形のＬＹＳＯシンチレータを結合した検出器を作製した。なお、反射材には、テフロン・テープ（テフロン（Teflon）は登録商標）を用いた。そして、ＢａＦ２シンチレータに光電子増倍管を結合した基準検出器を用いて、それぞれの検出器が有する時間分解能を測定した。その結果、直方体のＬＹＳＯシンチレータを備える検出器の時間分解能は、３２４ピコ秒であった。一方、くさび形のＬＹＳＯシンチレータを備える検出器の時間分解能は、２７９ピコ秒であった。従って、シンチレータをくさび形にすることにより、時間分解能を４５ピコ秒改善することができた。

　検出効率が低下することなく、良好な時間特性が実現される放射線検出器である。

１，６０…放射線検出器、１ａ…組、１０…シンチレータアレイ、１０ａ…入射面、１０ｂ…裏面、１０ｃ…側面、１１，４１，５１…シンチレータセル、１１ａ，１１ｂ，４１ａ，４１ｂ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…発光領域、１１ｃ，１１ｄ…先端部、１１ｅ，１１ｇ，４２，４４…端面、１２，１３，１４，４３，４５，５２，５３…反射領域、１５ａ，１５ｂ…光学結合部、２０，３０…光検出器アレイ、２１，３１，６１…光検出器、６２…シンチレータ、６２ａ…入射面、１００…ＰＥＴ装置、１０１…放射線検出器アレイ、１０２ａ，１０２ｂ…プリアンプ、１０３Ａ１，１０３Ａ２，１０３Ｂ１，１０３Ｂ２…サムアンプ、１０４…エネルギー弁別回路、１０５Ａ，１０５Ｂ…タイミング取り出し回路、１０６…同時計数回路、Ｇ…ガンマ線対、Ｇ１，Ｇ２…ガンマ線、Ｐ…測定対象、Ｃ１～Ｃ４…曲線、ＳＨ…閾値。

Claims

　放射線を検出する放射線検出器であって、
　放射線が入射する入射面と前記入射面の反対側にある裏面と前記入射面の上に二次元的に配列される複数のシンチレータセルとを有するシンチレータアレイと、
　前記入射面の上に設けられる第１の光検出器アレイと、
　前記裏面の上に設けられる第２の光検出器アレイと、
を備え、
　前記シンチレータアレイは、前記第１の光検出器アレイと前記第２の光検出器アレイとの間に設けられ、
　前記第１の光検出器アレイは、前記入射面に沿って二次元的に配列される複数の第１の光検出器を有し、
　前記第２の光検出器アレイは、前記裏面に沿って二次元的に配列される複数の第２の光検出器を有し、
　前記複数の第１及び第２の光検出器は、放射線を透過可能な光検出器であり、
　前記複数のシンチレータセルは、入射する放射線を吸収してシンチレーション光を発生する複数の発光領域と前記シンチレーション光を反射する第１の反射領域とを含み、
　前記シンチレータセルは、前記入射面と前記裏面との間に延在し、前記第１の反射領域によって前記複数の発光領域に分離され、
　前記第１の反射領域は、前記入射面及び前記裏面に対して傾斜している面に沿って前記入射面の側と前記裏面の側との間に延在し、
　前記複数の発光領域のそれぞれは、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器のいずれか一方の光検出器と光学的に結合されている、
　ことを特徴とする放射線検出器。
　前記発光領域は、端面と、該端面の反対側にある先端と、を有し、
　前記発光領域は、前記端面から前記先端に向けて先細る形状を有し、
　前記端面は、前記入射面又は前記裏面に含まれ、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器のいずれか一の光検出器が光学的に結合されている、
　ことを特徴とする請求項１に記載されている放射線検出器。
　前記シンチレータアレイは、側面と、前記シンチレーション光を反射する第２の反射領域と、を有し、
　前記側面は、前記入射面及び前記裏面の間に延在し、
　前記第２の反射領域は、前記側面にあって前記側面を覆う第１の部分と、前記シンチレータアレイを前記複数のシンチレータセルに分離する第２の部分と、を有する、
　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されている放射線検出器。