WO2013099162A1 - 放射線検出器 - Google Patents

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WO2013099162A1
WO2013099162A1 PCT/JP2012/008129 JP2012008129W WO2013099162A1 WO 2013099162 A1 WO2013099162 A1 WO 2013099162A1 JP 2012008129 W JP2012008129 W JP 2012008129W WO 2013099162 A1 WO2013099162 A1 WO 2013099162A1
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scintillator
light
radiation detector
light receiving
blocks
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PCT/JP2012/008129
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淳 片岡
彩 岸本
圭 鎌田
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学校法人早稲田大学
古河機械金属株式会社
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    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2985—In depth localisation, e.g. using positron emitters; Tomographic imaging (longitudinal and transverse section imaging; apparatus for radiation diagnosis sequentially in different planes, steroscopic radiation diagnosis)

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector.
  • Radiation detectors are used in nuclear medicine imaging devices such as PET (Positron Emission Tomography), SPECT (Single Photon Emission computed tomography), and gamma cameras. These nuclear medicine imaging devices utilize the property that annihilation gamma rays are emitted when a positron-radiation isotope (RI) -labeled drug is administered to the subject, and the annihilation gamma rays are detected using a radiation detector. This is a device that obtains an RI (Radioactive Isotopes) distribution image.
  • RI positron-radiation isotope
  • Patent Document 1 discloses the following radiation incident position three-dimensional detector.
  • the radiation incident position three-dimensional detector includes a plurality of columnar scintillators and a light receiving element connected to each bottom surface of the plurality of columnar scintillators.
  • the plurality of columnar scintillators are obtained by vertically stacking a plurality of scintillator cells having a predetermined shape.
  • the plurality of columnar scintillators are arranged so that the side surfaces thereof are adjacent to each other, a reflection sheet is provided on a part of the adjacent side surfaces, and at least a part of the side surface of the uppermost scintillator cell emits light from each other. There is no reflective sheet to go back and forth.
  • the radiation incident position three-dimensional detector uses a photomultiplier tube as a light receiving element.
  • the light receiving element is provided only on one surface of a structure in which a plurality of scintillator cells are stacked in the vertical direction.
  • Patent Document 2 discloses the following radiation position detector.
  • scintillator elements are three-dimensionally arranged to form a substantially rectangular parallelepiped block.
  • a light receiving element is connected to at least two surfaces of the substantially rectangular parallelepiped, for example, the entire surface. That is, this technique is based on the premise that light emitted from the scintillator element is diffused three-dimensionally.
  • Patent Document 3 discloses the following radiation detector.
  • the radiation detector includes a scintillator crystal, a photodetector, and a light reduction unit.
  • the scintillator crystal is formed in an elongated shape, and radiation enters one end.
  • the photodetector is disposed at the other end of the scintillator crystal and detects the intensity of fluorescence.
  • the light reduction unit is partially located on the outer surface of the scintillator crystal and reduces the intensity of fluorescence propagating through the inside.
  • the radiation detector uses a photomultiplier tube as a photodetector.
  • the photodetector is provided only at one end of the scintillator crystal.
  • Patent Document 4 discloses the following radiation three-dimensional position detection apparatus.
  • the radiation three-dimensional position detection apparatus includes a scintillator unit and a light receiving element.
  • a scintillator unit is formed by stacking a plurality of scintillator cells in layers, inserting a thin transparent plate having a refractive index different from that of the scintillator cell between the scintillator cells to form a multi-layer scintillator, and placing two multi-layer scintillators in parallel between them. It is obtained by inserting a thin transparent plate partially containing a reflective material into the plate and bonding them together.
  • the light receiving element is connected to one end of the multilayer scintillator.
  • Patent Document 5 discloses a radiation position detector in which a plate-like or columnar scintillator and a photodetector are combined.
  • the radiation position detector bundles scintillators into multiple layers and optically couples the multiple layers to detect the radiation incident position on the scintillator and the depth position of the light emitting point in the scintillator.
  • Patent Document 6 a plurality of scintillator elements are stacked on an optical position detector so that the center position thereof is deviated in a direction parallel to the light receiving surface of the optical position detector, and the output light from the optical position detector is
  • a radiation three-dimensional position detector is disclosed that identifies a scintillator element that emits fluorescence upon incidence of radiation, based on the center-of-gravity position calculation, by varying the center of gravity position of the spatial distribution for each laminated scintillator element.
  • the technique essentially consists of stacking first and second scintillator arrays having different fluorescence decay time constants.
  • Patent Document 7 discloses the following three-dimensional radiation position detector.
  • the three-dimensional radiation position detector includes a scintillator unit, a light receiving element, and a calculation unit.
  • the scintillator unit is provided on the light incident surface of the light receiving element, and four scintillator arrays are sequentially stacked in a direction perpendicular to the light incident surface.
  • Each scintillator array is 8 ⁇ 8, and scintillator cells are two-dimensionally arranged.
  • the scintillator cell included in the scintillator array of a certain layer and the scintillator cell included in the scintillator array of another layer have different optical conditions on at least one same side.
  • Non-Patent Document 1 describes that the position resolution performance in the prior art is about 1 mm.
  • An object of the present invention is to provide a radiation detector that has a relatively simple structure and realizes position resolution performance in the scintillator depth direction higher than that of the conventional scintillator.
  • a plurality of scintillator blocks are three-dimensionally arranged in a matrix so as to form a column, and the boundary surface between each of the plurality of scintillator blocks is in the height direction of the column.
  • An intervening layer having a refractive index different from that of the scintillator block and / or absorbing or scattering a part of light emitted by the scintillator block exists on the boundary surface extending in a vertical direction.
  • a three-dimensional laminated scintillator in which a light-shielding layer that shields transmission of light emitted by the scintillator block is present on at least a part of the boundary surface extending in a direction parallel to the height direction of the column body;
  • the two-dimensional laminated scintillator is provided so as to be paired with both end surfaces in the height direction of the column, and receives light emitted from the scintillator block and converts it into an electric signal.
  • a radiation detector having a light receiving element is provided.
  • a radiation detector that has a relatively simple structure and realizes position resolution performance in the scintillator depth direction higher than that of the conventional scintillator.
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of the radiation detector 1 of the present embodiment.
  • the radiation detector 1 includes a three-dimensional laminated scintillator 12, light receiving elements 10 and 11, and a position specifying unit 16.
  • the light receiving element 10 and the light receiving element 11 are separated from the three-dimensional laminated scintillator 12, but actually, the light receiving element 10 and the light receiving element 11 are optically coupled to the three-dimensional laminated scintillator 12.
  • the radiation detector 1 according to the present embodiment may be in a state where the position specifying unit 16 is not provided. That is, the position specifying unit 16 may be provided in another device and connected to the radiation detector 1.
  • each component will be described.
  • a plurality of scintillator blocks 13 are three-dimensionally arranged in a matrix so as to form a pillar.
  • the material of the scintillator block 13 is not limited as long as it absorbs radiation and emits light, and any material can be selected according to the conventional technology related to scintillators.
  • the shape of the scintillator block 13 may be a column, and in addition to the rectangular parallelepiped shown in the figure, a cube, a polygonal column whose bottom shape is another polygon, a cylinder, a column whose bottom shape is another shape, etc. Can do.
  • the size of the scintillator block 13 is preferably smaller from the viewpoint of improving the position resolution.
  • the upper limit of the height may be 50 mm
  • the upper limit of the major axis of the bottom surface may be 50 mm.
  • a three-dimensional laminated scintillator 12 can be formed by laminating a plurality of scintillator blocks 13 having the same configuration (material, shape, size, etc.). For this reason, it is excellent in mass productivity.
  • the plurality of scintillator blocks 13 are stacked in a straight line in the height direction (z direction (H direction) shown in FIG. 1) of the three-dimensional stacked scintillator (column body) 12. That is, in the three-dimensional laminated scintillator 12, a plurality of scintillator blocks 13 arranged in a straight line in the z direction (see FIG. 1) (hereinafter referred to as “z direction laminated unit”) are arranged in the x direction and the y direction (FIG. 1). It can be said that it is a configuration in which a plurality of references are referred to. When the z-direction stacked unit is observed from the z direction (see FIG. 1), the plurality of scintillator blocks 13 are almost completely overlapped. There is no problem even if there is a slight deviation, and “almost complete” is a concept including such a state.
  • the plurality of scintillator blocks 13 be arranged with a gap between the x direction and a gap between the y directions as small as possible.
  • the scintillator block has a polygonal column such as a triangular column, a quadrangular column, or a hexagonal column.
  • the column bodies it is preferable to arrange the column bodies so that the bottom and top surfaces thereof are parallel to the xy plane.
  • the plurality of scintillator blocks 13 do not necessarily have to be arranged in a straight line in the x direction and the y direction (see FIG. 1). Further, the plurality of z-direction stacked units may be shifted from each other in the z direction. That is, the positions in the z direction of the ends of each of the plurality of z direction stacked units may be shifted from each other. However, as shown in FIG. 1, a plurality of scintillator blocks are aligned in the x direction, the y direction, and the z direction, and the positions of the end portions of the plurality of z direction stacked units are aligned in the z direction. It is preferred that 13 are regularly arranged. In such a case, the structure of the three-dimensional laminated scintillator 12 becomes simple and excellent in mass productivity.
  • the number of scintillator blocks 13 arranged three-dimensionally is not particularly limited. For example, two or more and 1,000 or less scintillator blocks 13 are laminated in a straight line in the z direction to form a z-direction laminated unit, and a z or more of 4 or more and 10,000,000,000 or less.
  • the direction stacking units may be arranged in the x direction and the y direction.
  • the three-dimensional laminated scintillator 12 includes an intervening layer 15 and a light shielding layer 14 on a boundary surface between the plurality of scintillator blocks 13 (hereinafter, “scintillator block boundary surface”).
  • the light shielding layer 14 has a function of shielding (absorbing / reflecting) transmission of light emitted by the scintillator (scintillator block 13).
  • the light shielding layer 14 preferably has a function of reflecting light emitted by the scintillator. If it has such a function, the structure of the light shielding layer 14 will not be restrict
  • the light shielding layer 14 may include a light reflecting film.
  • the light reflecting film used for the light shielding layer 14 preferably has a high light reflectance, and may be, for example, a fluororesin film, a light reflecting material containing film such as barium sulfate, or an ESR film.
  • Such a light shielding layer 14 is at least a part of a boundary surface 14a (see FIG. 2) extending in a direction parallel to the height direction H of the three-dimensional laminated scintillator 12 (column) in the boundary surface of the scintillator block.
  • the light shielding layer 14 may be provided on the entire boundary surface 14a (see FIG. 2) extending in a direction parallel to the height direction H.
  • the light shielding layer 14 is located at a part of the boundary surface 14a (see FIG.
  • the light shielding layer 14 is located at a part of the boundary surface 14a between the two scintillator blocks 13, The light shielding layer 14 is located on the entire boundary surface 14a between the first and second scintillator blocks 13, and the light shielding layer 14 is not located on the boundary surface 14a between the third and fourth scintillator blocks 13, or A combination of these may be considered.
  • the light shielding layer 14 is located on at least a part of, for example, all of the side surface (outer peripheral surface) of the three-dimensional stacked scintillator 12 in addition to at least a part of the boundary surface 14a. A part, for example, the whole may be covered.
  • the light emitted from the first scintillator block 13 included in the first z-direction stacked unit diffuses in the x-direction and the y-direction (see FIG. 1), and the other z-direction It prevents entering into other scintillator blocks 13 included in the laminated unit or leaking into the external space. As a result, the position resolution in the x direction and the y direction is improved.
  • the light shielding layer 14 includes a light reflecting material
  • the light shielding layer 14 further emits light emitted from the first scintillator block 13 included in the first z direction laminated unit in the z direction ( (See FIG. 1).
  • the light emitted from the scintillator can be efficiently delivered to the light receiving elements 10 and 11 located at both ends in the height direction H (z direction) of the z direction laminated unit.
  • the light shielding layer 14 is preferably provided on the entire boundary surface 14a (see FIG. 2) extending in a direction parallel to the height direction H.
  • the above-mentioned effects are realized, although the degree is different from that in the case of providing it in all.
  • the intervening layer 15 has a refractive index different from that of the scintillator block 13 and / or has a characteristic of absorbing or scattering a part of light emitted by the scintillator.
  • the intervening layer 15 is not particularly limited as long as it has such characteristics, and its configuration (material, thickness, etc.) has a degree of freedom.
  • the intervening layer 15 may be a gas such as air, a liquid such as water / grease / oil, or a solid such as glass, polyethylene, epoxy adhesive, or silicon adhesive.
  • the intervening layer 15 may be a combination of these.
  • Such an intervening layer 15 is positioned on a boundary surface 15a (see FIG. 3) extending in a direction perpendicular to the height direction H of the three-dimensional laminated scintillator 12 (column body) in the boundary surface of the scintillator block.
  • the z-direction stacking unit is configured by arranging a plurality of scintillator blocks 13 in a straight line in the z direction (see FIG. 1) with the intervening layer 15 sandwiched between the scintillator blocks 13.
  • the light emitted from the first scintillator block 13 included in the first z-direction multilayer unit is until it reaches one of the light receiving elements 10 and 11 located at both ends of the z-direction multilayer unit.
  • the scintillator block 13 may be moved across. When straddling between adjacent scintillator blocks 13, light passes through the intervening layer 15.
  • the intervening layer 15 reduces the amount of light passing through its own layer as compared to when passing through the scintillator block 13. In other words, the amount of light generated from the scintillator block 13 can be reduced due to the passage of the intervening layer 15 before reaching the light receiving elements 10 and 11.
  • the degree of decrease in the amount of light before it reaches one of the light receiving elements 10 and 11 after being emitted by the first scintillator block 13 is the number of times of movement across the scintillator blocks 13 (passing through the intervening layer 15)
  • the greater the number of The number of times of moving across the scintillator blocks 13 (number of times of passing through the intervening layer 15) tends to increase as the distance from the light emitting position to each of the light receiving elements 10 and 11 increases. For this reason, when the distances from the first scintillator block 13 that emits light to the light receiving elements 10 and 11 are different, the difference between the amount of light reaching the light receiving element 10 and the amount of light reaching the light receiving element 11 is different. Appears clearly. As a result, the accuracy of the process of specifying the light emission position by the position specifying unit 16 described below is improved.
  • the light receiving elements 10 and 11 receive light emitted from the scintillator (scintillator block 13) and convert it into an electrical signal.
  • the light receiving elements 10 and 11 are provided so as to be paired with both end faces in the height direction H of the three-dimensional laminated scintillator 12 (column body).
  • the light receiving element 10 and the light receiving element 11 are separated from the three-dimensional laminated scintillator 12, but actually, the light receiving element 10 and the light receiving element 11 are optically coupled to the three-dimensional laminated scintillator 12.
  • a photoelectric converter using a silicon photomultiplier, a CCD element, a photomultiplier tube, an avalanche photodiode, a photodiode, or the like can be used.
  • the position specifying unit 16 receives an electric signal from the pair of two light receiving elements 10 and 11, and specifies the position where the light that is the basis of the electric signal is emitted based on the received electric signal.
  • the light emitted from the first scintillator block 13 is guided to diffuse in the z direction (two directions), One of the light receiving elements 10 and 11 is reached.
  • the amount of light emitted from the first scintillator block 13 decreases until it reaches the light receiving element 10 or 11 due to the influence of absorption, reflection, diffusion, and the like.
  • the degree of reduction increases as the distance from the first scintillator block 13 that emits light to the light receiving element 10 or 11 increases.
  • the intervening layer 15 exists, as described above, the amount of light emitted from the first scintillator block 13 is long from the first scintillator block 13 that emits light to the light receiving element 10 or 11. It tends to decrease.
  • the amount of light received by each of the light receiving elements 10 and 11 (the total amount of light received by the light receiving element) is relatively large when the position of the first scintillator block 13 that emits light is close, and conversely, it is far away. Relatively small.
  • the position specifying unit 16 specifies the light emitting position in the depth direction (the position in the z direction of the emitted scintillator block 13) using the following formula (1).
  • (Depth position) (height of the three-dimensional laminated scintillator 12) ⁇ (total amount of light incident on the light receiving element 10) / ⁇ (total amount of light incident on the light receiving element 11) + (light receiving element 10 Total energy of light incident on the surface ⁇ -------- (1)
  • FIG. 4 shows an example of a functional block diagram of the position specifying unit 16.
  • Each of the signals output from the light receiving elements 10 and 11 is converted into a signal having position information and wave height information in the in-plane direction (xy plane direction) of each of the light receiving elements 10 and 11 by the centroid calculating circuits 22 and 23, respectively.
  • Each of the signals is branched after being converted, and one of the signals is input to the ADC 30 through each of the delay circuits 27 and 28.
  • the other signal branched from the center-of-gravity calculation circuits 22 and 23 passes through the discriminators 24 and 25, and then ANDed (AND circuit 26), generates a Gate signal (ADC Gate29), and then ADC30
  • ADC Gate29 Gate signal
  • Position information in the in-plane direction (xy plane direction) and depth direction (z direction) is obtained by performing the centroid calculation of the signals from the delay circuits 27 and 28, and energy information is obtained from the signals of the delay circuits 27 and 28. Each is determined from the sum.
  • the method for specifying the light emission position in the depth direction is not limited to the expression (1) and the circuit described above, but the light emission position and the amount of light received by the light receiving element (the total amount of light received by the light receiving element). Other methods that take advantage of the differences may be used.
  • a plurality of scintillator crystals having a predetermined shape whose surface is optically polished (eg, a cube having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a height of 3 mm) are prepared. Thereafter, the scintillator blocks 13 are arranged and fixed in M rows ⁇ N columns (example: 4 rows ⁇ 4 columns) on the glass plate with a predetermined interval (example: 0.2 mm).
  • a mixed liquid containing a reflective material in the gaps between the plurality of scintillator blocks 13 (for example, in a state where the periphery of the M scintillator block group of M rows ⁇ N columns on the glass plate is surrounded by an enclosure having a predetermined height) : Barium sulfate / water / adhesive / dispersant mixed solution) is dropped and filled. Next, this is heated and solidified (eg, heated and dried in an oven at 50 ° C. for 24 hours) to form the light shielding layer 14.
  • a transparent plate may be disposed in a part of the gap between the plurality of scintillator blocks 13 and then the mixed liquid may be dropped and filled to form the light shielding layer 14 only in part. Thereafter, the glass plate is peeled to obtain a scintillator array in which the thickness of the light shielding layer 14 is 0.2 mm, and 4 ⁇ 4 scintillator blocks are arranged in the xy plane direction (see FIG. 1). it can.
  • a plurality of scintillator arrays are stacked so that the vertical positions of the scintillator blocks 13 coincide (z direction in FIG. 1).
  • an intervening layer 15 having a refractive index different from that of the scintillator block 13 and / or absorbing or scattering a part of the light emitted by the scintillator is installed between the arrays using air, an adhesive, or the like. To do. In this manufacturing method, arrays can be simply stacked in the air.
  • a three-dimensional laminated scintillator 12 can be obtained by attaching a Teflon (registered trademark) tape reflector to the side surface of the laminated scintillator array and fixing them.
  • the light receiving elements 10 and 11 are optically coupled to two upper and lower surfaces (two surfaces at both ends in the z direction) of the three-dimensional laminated scintillator 12.
  • an MPPC Multi Pixel Photon Counter
  • an MPPC array having a light receiving area of 3 ⁇ 3 mm 2 .times.4 rows.times.4 columns is bonded to the three-dimensional laminated scintillator 12 using optical grease.
  • a plurality of scintillator crystals having a predetermined shape whose surface is optically polished (eg, a cube having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a height of 3 mm) are prepared. Thereafter, in accordance with the shape of the scintillator block 13 in the x direction and the y direction (see FIG. 1), a lattice is produced using, for example, a light reflecting film. Next, the scintillator blocks 13 are placed in the lattice so as to have a predetermined number of layers and stacked to produce a stacked array in which the layers are stacked in the z direction (see FIG. 1).
  • an adhesive eg, a light reflecting material-containing adhesive
  • a material such as an air layer having a predetermined thickness
  • an adhesive that transmits scintillation light, or a light transmission plate is disposed as the intervening layer 15.
  • a three-dimensional laminated scintillator 12 can be obtained by preparing a predetermined number of laminated arrays and arranging them in parallel. The subsequent steps are similar to those of the manufacturing method 1.
  • a plurality of scintillator crystals having a predetermined shape whose surface is optically polished (eg, a cube having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a height of 3 mm) are prepared. Thereafter, a plurality of scintillator blocks 13 are stacked in the z direction (see FIG. 1) while sandwiching an intervening layer 15 (an air layer of a predetermined thickness or an adhesive that transmits scintillation light, a light transmitting plate, etc.) A two-layer array is obtained.
  • an intervening layer 15 an air layer of a predetermined thickness or an adhesive that transmits scintillation light, a light transmitting plate, etc.
  • second laminated arrays After producing a predetermined number of second laminated arrays, they are arranged on a glass plate in M rows ⁇ N columns (eg, 4 rows ⁇ 4 columns) with a predetermined interval (eg, 0.2 mm). , Fix. Then, a mixture containing a reflective material in a gap between the plurality of second stacked arrays in a state where the periphery of the second stacked array group of M rows ⁇ N columns is surrounded by an enclosure having a predetermined height on the glass plate. A liquid (eg, mixed solution of barium sulfate / water / adhesive / dispersant) is dropped and filled. Next, this is heated and solidified (eg, heated and dried in an oven at 50 ° C.
  • a liquid eg, mixed solution of barium sulfate / water / adhesive / dispersant
  • the light shielding layer 14 can be formed only on a part of the gap between the plurality of scintillator blocks 13 by, for example, placing a transparent plate and then dropping and filling the mixed liquid. Thereafter, the three-dimensional laminated scintillator 12 can be obtained by peeling the glass plate.
  • a plurality of scintillator crystals having a predetermined shape whose surface is optically polished (for example, a rectangular parallelepiped having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a height of 12 mm) are prepared.
  • an intervening layer 15 an intervening layer having a characteristic of absorbing or scattering a part of light emitted by the scintillator, for example, three places at an interval of 3 mm with respect to a height of 12 mm
  • the second lamination Get an array is generated by irradiation with a laser or the like.
  • second laminated arrays After producing a predetermined number of second laminated arrays, they are arranged on a glass plate in M rows ⁇ N columns (eg, 4 rows ⁇ 4 columns) at a predetermined interval (eg, 0.2 mm). , Fix. Then, a mixture containing a reflective material in a gap between the plurality of second stacked arrays in a state where the periphery of the second stacked array group of M rows ⁇ N columns is surrounded by an enclosure having a predetermined height on the glass plate. A liquid (eg, mixed solution of barium sulfate / water / adhesive / dispersant) is dropped and filled. Next, this is heated and solidified (eg, heated and dried in an oven at 50 ° C.
  • a liquid eg, mixed solution of barium sulfate / water / adhesive / dispersant
  • the light shielding layer 14 can be formed only on a part of the gap between the plurality of second stacked arrays, for example, by placing a transparent plate and then dropping and filling the mixed liquid. Thereafter, the three-dimensional laminated scintillator 12 can be obtained by peeling the glass plate.
  • Example 1 a radiation detector in which scintillator blocks 13 were stacked in the z direction was produced.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the radiation detector according to the first embodiment.
  • Ce-doped cerium: GAGG (Ce: Gd 3 A l2 Ga 3 O 12) ( hereinafter, "Ce: GAGG” hereinafter) is a crystal.
  • the shape was a cubic shape of 3 mm length ⁇ 3 mm width ⁇ 3 mm height.
  • the radiation detector was irradiated with 662 keV gamma rays from a cesium 137 radiation source, and the voltage pulse signal output from each silicon photomultiplier (light receiving elements 10 and 11) was analyzed using the equation (1).
  • the position-resolved spectrum shown in FIG. 6 was obtained.
  • the radiation detector of the present embodiment obtained by arranging a plurality of radiation detectors of Example 1 in parallel has excellent position resolution performance in the depth direction (z direction).
  • Example 2 a radiation detector in which the scintillator blocks 13 were three-dimensionally arranged (4 ⁇ 4 ⁇ 4) was produced.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of the radiation detector according to the second embodiment.
  • the scintillator block 13 is a Ce: GAGG crystal.
  • the shape was a cubic shape of 3 mm length ⁇ 3 mm width ⁇ 3 mm height.
  • the intervening layer 15 was an air layer having a thickness of 10 ⁇ m.
  • the light shielding layer 14 had a thickness of 0.2 mm and was a layer containing barium sulfate.
  • the light shielding layer 14 is formed on all the boundary surfaces extending in a direction parallel to the height direction H (z direction in FIG. 7) of the three-dimensional stacked scintillator 12 (column body) in the scintillator block boundary surface. Provided.
  • the light receiving elements 10 and 11 were silicon photomultipliers having a light receiving surface of 3 mm ⁇ 3 mm.
  • the radiation detector was irradiated with 662 keV gamma rays from a cesium 137 radiation source. And the light emission position was pinpointed using the position specific
  • the energy resolution was 8.6%@662 keV.
  • Example 3 a LYSO (Ce: (Lu, Y) 2 SiO 5 ) (hereinafter referred to as “Ce: LYSO”) crystal doped with cerium was used as the scintillator block 13.
  • Ce: LYSO a LYSO crystal doped with cerium
  • the radiation detector was irradiated with 662 keV gamma rays from a cesium 137 radiation source, and the voltage pulse signal output from each silicon photomultiplier was analyzed using equation (1). As a result, the position-resolved spectrum shown in FIG. Obtained.
  • the radiation detector of the present embodiment obtained by arranging a plurality of radiation detectors of Example 3 in parallel has excellent position resolution performance in the depth direction (z direction).
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the radiation detector according to the fourth embodiment.
  • the light shielding layer 14 was provided on a part of the boundary surface extending in the direction parallel to the height direction H (z direction in FIG. 10) of the three-dimensional laminated scintillator 12 (column body).
  • Other configurations are the same as those of the radiation detector of the second embodiment.
  • a light transmission plate 17 is disposed on the boundary surface where the light shielding layer 14 is not provided. As shown in FIG. 10, the light transmission plate 17 is provided only between the scintillator blocks 13a and 13b.
  • the radiation detector was irradiated with 662 keV gamma rays from a cesium 137 radiation source. And the light emission position was pinpointed using the position specific
  • ⁇ Comparative Example 1> a radiation detector in which scintillator blocks were three-dimensionally arranged (4 ⁇ 4 ⁇ 4) was produced.
  • the scintillator block 13 is a Ce: GAGG crystal.
  • An intervening layer having a thickness of 100 ⁇ m made of a silicon-based adhesive that transmits the scintillator light was provided on all the scintillator block boundary surfaces. Further, the entire side surface of the three-dimensional laminated scintillator obtained by three-dimensionally arranging the scintillator blocks 13 (4 ⁇ 4 ⁇ 4) was covered with a light shielding layer.
  • the light receiving element was a silicon photomultiplier having a light receiving surface of 3 mm ⁇ 3 mm.
  • the radiation detector was irradiated with 662 keV gamma rays from a cesium 137 radiation source, and the voltage pulse signal output from each silicon photomultiplier was analyzed using equation (1).
  • FIG. 12 shows the obtained two-dimensional map. Compared with the three-dimensional map of FIG. 11 obtained by Example 4, the position-resolved spectrum in the xy direction is distorted toward the center, and the position discrimination characteristics are deteriorated.
  • FIG. 13 is a position-resolved spectrum in the depth direction (z direction) obtained in Comparative Example 1. Compared to the spectrum of FIG. 9 obtained from Example 3, it can be seen that adjacent position-resolved spectra are closer to each other, and the position-resolving characteristics are deteriorated.
  • ⁇ Comparative example 2> a radiation detector in which scintillator blocks were arranged three-dimensionally (4 ⁇ 4 ⁇ 4) was produced.
  • the scintillator block 13 is a Ce: GAGG crystal.
  • the boundary surface of the scintillator block was all an intervening layer, and an air layer having a thickness of 10 ⁇ m was provided. Further, the entire side surface of the three-dimensional laminated scintillator obtained by three-dimensionally arranging the scintillator blocks 13 (4 ⁇ 4 ⁇ 4) was covered with a light shielding layer.
  • the light receiving element was a silicon photomultiplier having a light receiving surface of 3 mm ⁇ 3 mm.
  • the radiation detector was irradiated with 662 keV gamma rays from a cesium 137 radiation source, and the voltage pulse signal output from each silicon photomultiplier was analyzed using equation (1).
  • FIG. 14 shows the obtained two-dimensional map. Compared with the two-dimensional map of FIG. 11 obtained by Example 4, the position-resolved spectrum is distorted toward the center, and the position discrimination characteristics are deteriorated.
  • FIG. 15 is a position-resolved spectrum in the depth direction (z direction) obtained in Comparative Example 2.
  • Comparative Example 2 the position resolution performance in the depth direction (z direction) is higher than that in Comparative Example 1, but the position resolution spectrum in the xy direction is distorted toward the center, and the position discrimination characteristics are deteriorated.
  • Comparative Examples 1 and 2 since the boundary surface in the xy direction of the scintillator block is not a light shielding layer but an intervening layer that transmits the scintillation light, the scintillator light generated in the scintillator block is not only in the z direction but also in the xy direction. It spreads in three dimensions. For this reason, it is thought that position resolution performance deteriorates as a result.
  • the radiation detector according to the present invention accurately obtains information on which radiation is incident from the scintillator layer optically coupled to the light receiving element, and has a three-dimensional position detection function having a highly accurate position resolution. Can be obtained. Unlike conventional methods, it is not necessary to use different types of scintillator elements with different fluorescence lifetimes or complex three-dimensional arrays that combine reflectors and light transmission plates, making it easy to create a three-dimensional array that combines laminated scintillators. And there is no worry of degrading energy resolution.
  • the three-dimensional position-recognizing radiation detector according to the present invention has a configuration in which light receiving elements are combined with two upper and lower surfaces of a three-dimensional array, and is not configured to combine light receiving elements with six surfaces of a cubic array unlike the conventional method.
  • the containers can be easily connected to a shape such as a flat plate or a ring. If it is introduced into a positron emission tomography apparatus (PET), it is possible to acquire radiation reaction position information with a simple circuit configuration.
  • PET positron emission tomography apparatus
  • the position resolution performance in the prior art is about 1 mm.
  • the present invention by reducing the thickness of the scintillator block, a decomposition performance of about 0.3 mm can be realized in principle.
  • the side surface of the z-direction laminated unit is covered with a light shielding layer or a light shielding layer having a reflection function, so that light does not disperse in the xy directions, and the light efficiently reaches the light receiving element. Therefore, the amount of emitted light is increased and the energy resolution can be increased.
  • a radiation detector that has a relatively simple structure and realizes position resolution performance in a scintillator depth direction and a planar direction higher than conventional ones is realized.

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Abstract

柱体となるように複数のシンチレータブロック（１３）がマトリクス状に３次元配列されており、複数のシンチレータブロック（１３）各々の間の境界面の内、柱体の高さ方向Ｈに対して垂直な方向に延在する境界面には、シンチレータブロック（１３）と異なる屈折率を有する、及び／又は、シンチレータが発する光の一部を吸収又は散乱する特性を有する介在層（１５）が存在し、柱体の高さ方向に平行な方向に延在する境界面の少なくとも一部には、シンチレータが発する光の透過を遮蔽する遮光層（１４）が存在する３次元積層シンチレータ（１２）を有する放射線検出器（１）。

Description

放射線検出器
　本発明は、放射線検出器に関する。
　放射線検出器は、例えば、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、ＳＰＥＣＴ（Single photon emission computed tomography）、ガンマカメラなどの核医学イメージング装置に利用される。これら核医学イメージング装置は、被検体に陽電子放射線同位元素（ＲＩ）標識の薬剤を投与すると消滅ガンマ線が放出される性質を利用し、放射線検出器を用いて消滅ガンマ線を検出することで、被検体内のＲＩ（Radioactive Isotopes）分布像を得る装置である。
　ところで、このような用途で利用される放射線検出器においては、空間分解能の更なる向上を実現するため、放射線検出器の深さ方向（長さ方向）の発光位置を検出する技術が望まれている。
　特許文献１には、以下のような放射線入射位置３次元検出器が開示されている。当該放射線入射位置３次元検出器は、複数の柱状シンチレータと、複数の柱状シンチレータのそれぞれの底面に接続された受光素子とを有する。複数の柱状シンチレータは、所定の形状の複数のシンチレータセルを上下方向に積み上げたものである。複数の柱状シンチレータは、互いの側面が隣り合うように配置され、隣り合う側面の内、一部に反射シートが設けられるとともに、少なくとも最上段のシンチレータセルの側面の一部には、互いに光を行き来させるために反射シートを設けない。なお、当該放射線入射位置３次元検出器は、受光素子として、光電子倍増管を利用している。そして、受光素子は、複数のシンチレータセルを上下方向に積み上げた構造体の一面のみに設けられている。
　特許文献２には、以下のような放射線位置検出器が開示されている。当該放射線位置検出器は、シンチレータ素子を３次元配列して略直方体状のブロックを構成する。そして、前記略直方体の２面以上、例えば全面に受光素子を接続する。すなわち、当該技術は、シンチレータ素子が発した光を３次元に拡散させることを前提としている。
　特許文献３には以下のような放射線検出器が開示されている。当該放射線検出器は、シンチレータ結晶と、光検出器と、光低減部とを有する。シンチレータ結晶は、細長形状に形成されていて、一端に放射線が入射する。光検出器は、シンチレータ結晶の他端に配置されていて、蛍光の強度を検出する。光低減部は、シンチレータ結晶の外側面に部分的に位置して、内部を伝播する蛍光の強度を低減する。当該放射線検出器は、光検出器として、光電子倍増管を利用している。そして、光検出器は、シンチレータ結晶の一端のみに設けられている。
　特許文献４には、以下のような放射線３次元位置検出装置が開示されている。当該放射線３次元位置検出装置は、シンチレータユニットと、受光素子とを有する。シンチレータユニットは、複数個のシンチレータセルを層状に重ね、該シンチレータセルと屈折率が異なる薄い透明板を各シンチレータセル間に挿入して多層シンチレータを形成し、該多層シンチレータ２個を並列にしてその間に一部反射材が含まれた薄い透明板を挿入しこれらを結合することによって得られる。受光素子は、多層シンチレータの一端部に接続している。
　特許文献５には、板状あるいは柱状シンチレータと光検出器を結合した放射線位置検出器が開示されている。当該放射線位置検出器は、シンチレータを多層に束ね、多層間を光学的に結合することによりシンチレータへの放射線入射位置とシンチレータ中での発光点の深さ位置を検出する。
　特許文献６には、複数のシンチレータ素子を、その中心位置が光位置検出器の受光面に平行な方向に偏倚するように光位置検出器上に積層し、光位置検出器からの出力光の空間分布の重心位置を積層シンチレータ素子毎に異ならせることにより、重心位置演算に基づいて、放射線が入射して蛍光を発したシンチレータ素子を同定する放射線３次元位置検出器が開示されている。なお、当該技術は、蛍光減衰時定数が異なる第１及び第２のシンチレータアレイを積層することを本質とする。
　特許文献７には、以下のような３次元放射線位置検出器が開示されている。当該３次元放射線位置検出器は、シンチレータユニットと、受光素子と、演算部とを備える。シンチレータユニットは、受光素子の光入射面上に設けられており、この光入射面に垂直な方向に４つのシンチレータアレイが順に積層されている。各シンチレータアレイは、８×８個で、シンチレータセルが２次元配列されている。そして、ある層のシンチレータアレイに含まれるシンチレータセルと、他の層のシンチレータアレイに含まれるシンチレータセルとで、少なくとも１つの同一側面の光学条件が互いに異なる。
　その他、関連する技術が、非特許文献１に開示されている。なお、非特許文献１には、従来技術での位置分解性能は１ｍｍ程度であることが記載されている。
特開平１１－１４２５２３号公報 特開２０１１－１４９８８３号公報 特開２００９－３１１３２号公報 特開昭６３－４７６８６号公報 特公平５－７５９９０号公報 特開２００３－２１６８２号公報 特開２００４－２７９０５７号公報
独立行政法人放射線医学総合研究所、"理論限界に迫るＰＥＴ解像度の実現に向けた３次元放射線検出器を開発"、online、平成２３年１２月７日検索、インターネットURL:http://www.nirs.go.jp/information/press/2011/10_05.shtml
　従来の技術はいずれも、シンチレータ深さ方向の位置分解性能が十分なものではなかった。また、構造が複雑で組み上げが難しい・波形取得や読み出し回路が複雑など、装置として量産化するには未だ課題が多いと言わざるを得ない。
　本発明は、比較的簡単な構造で、従来に比べて高いシンチレータ深さ方向の位置分解性能を実現した放射線検出器を提供することを課題とする。
　本発明によれば、柱体となるように複数のシンチレータブロックがマトリクス状に３次元配列されており、前記複数のシンチレータブロック各々の間の境界面の内、前記柱体の高さ方向に対して垂直な方向に延在する前記境界面には、前記シンチレータブロックと異なる屈折率を有する、及び／又は、前記シンチレータブロックが発する光の一部を吸収又は散乱する特性を有する介在層が存在し、前記柱体の高さ方向に平行な方向に延在する前記境界面の少なくとも一部には、前記シンチレータブロックが発する光の透過を遮蔽する遮光層が存在する３次元積層シンチレータと、前記３次元積層シンチレータの前記柱体の高さ方向両端面に対となるように設けられており、前記シンチレータブロックが発する光を受光し、電気信号に変換する受光素子と、を有する放射線検出器が提供される。
　本発明によれば、比較的簡単な構造で、従来に比べて高いシンチレータ深さ方向の位置分解性能を実現した放射線検出器が提供される。
　上述した目的、および、その他の目的、特徴及び利点は、以下に述べる好適な実施の形態、および、それに付随する以下の図面によって、さらに明らかになる。
本実施形態の放射線検出器の構成の一例を模式的に示した図である。 ３次元積層シンチレータの一部を抽出した図である。 ３次元積層シンチレータの一部を抽出した図である。 位置特定部の機能ブロック図の一例である。 本実施形態の放射線検出器の一部の構成を模式的に示した図である。 本実施形態の放射線検出器の効果を説明するための図である。 本実施形態の放射線検出器の構成の一例を模式的に示した図である。 本実施形態の放射線検出器の効果を説明するための図である。 本実施形態の放射線検出器の効果を説明するための図である。 本実施形態の放射線検出器の構成の一例を模式的に示した図である。 本実施形態の放射線検出器の効果を説明するための図である。 比較例１のデータである。 比較例１のデータである。 比較例２のデータである。 比較例２のデータである。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
　図１は、本実施形態の放射線検出器１の構成を模式的に示している。図示するように、放射線検出器１は、３次元積層シンチレータ１２と、受光素子１０及び１１と、位置特定部１６とを有する。図１では、受光素子１０及び受光素子１１が、３次元積層シンチレータ１２と分離しているが、実際は、受光素子１０及び受光素子１１は、３次元積層シンチレータ１２と光学結合する。なお、本実施形態の放射線検出器１は、位置特定部１６を有さない状態のものであってもよい。すなわち、位置特定部１６はその他の装置内に設けられ、当該装置と放射線検出器１を接続するにように構成してもよい。以下、各構成要素について説明する。
　３次元積層シンチレータ１２は、柱体となるように複数のシンチレータブロック１３がマトリクス状に３次元配列されている。
　まず、シンチレータブロック１３について説明する。シンチレータブロック１３の材料は、放射線を吸収して発光するものであれば制限されず、従来のシンチレータに関する技術に準じてあらゆる材料を選択することができる。
　シンチレータブロック１３の形状は、柱体であればよく、図示する直方体のほか、立方体、底面形状がその他の多角形である多角柱、円柱、底面形状がその他の形状である柱体などとすることができる。
　シンチレータブロック１３の大きさは、位置分解能を向上させる観点からは小さい方が好ましい。例えば、高さ（図１のｚ方向）の上限は５０ｍｍ、底面（図１のｘ－ｙ平面に平行な面）の長径の上限は５０ｍｍとしてもよい。
　なお、本実施形態では、同じ構成（材料、形状、大きさ等）のシンチレータブロック１３を複数積層して、３次元積層シンチレータ１２を形成することができる。このため、量産性に優れる。
　次に、３次元配列について説明する。
　まず、複数のシンチレータブロック１３は、３次元積層シンチレータ（柱体）１２の高さ方向（図１に示すｚ方向（Ｈ方向））においては、一直線になるよう積層される。すなわち、３次元積層シンチレータ１２は、複数のシンチレータブロック１３がｚ方向（図１参照）に一直線に配列されたもの（以下、「ｚ方向積層ユニット」という）を、ｘ方向及びｙ方向（図１参照）に複数並列した構成ということができる。ｚ方向積層ユニットをｚ方向（図１参照）から観察した場合、複数のシンチレータブロック１３はほぼ完全に重なりあっている。なお、多少ずれていても問題なく、「ほぼ完全」とは、このような状態を含む概念である。
　また、複数のシンチレータブロック１３は、ｘ方向間の隙間及びｙ方向間の隙間をできるだけ小さくして配列されるのが好ましい。このような観点から、シンチレータブロックの形状は、三角柱、四角柱、六角柱などの多角柱とするのが好ましい。また、これら柱体の底面及び上面がｘ－ｙ平面と平行になるように並べるのが好ましい。
　なお、複数のシンチレータブロック１３は、ｘ方向及びｙ方向（図１参照）においては、必ずしも一直線になるよう配列されていなくてもよい。また、複数のｚ方向積層ユニットは、互いに、ｚ方向にずれていてもよい。すなわち、複数のｚ方向積層ユニット各々の端部のｚ方向の位置が、互いにずれていてもよい。しかし、図１に示すように、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向いずれにおいても一直線になり、かつ、複数のｚ方向積層ユニット各々の端部のｚ方向の位置が揃うように、複数のシンチレータブロック１３が規則正しく配列されるのが好ましい。かかる場合、３次元積層シンチレータ１２の構造がシンプルになり、量産性に優れる。
　３次元配列する複数のシンチレータブロック１３の数は特段制限されず、例えば、２以上１０００以下のシンチレータブロック１３をｚ方向に一直線に積層してｚ方向積層ユニットを形成し、４以上１００００００００００以下のｚ方向積層ユニットをｘ方向及びｙ方向に並べて配列してもよい。
　ここで、図１に示すように、３次元積層シンチレータ１２は、複数のシンチレータブロック１３各々の間の境界面（以下、「シンチレータブロック境界面」）に、介在層１５及び遮光層１４を有する。
　遮光層１４は、シンチレータ（シンチレータブロック１３）が発する光の透過を遮蔽（吸収・反射）する機能を有する。なお、遮光層１４は、シンチレータが発する光を反射する機能を有するのが好ましい。このような機能を有しておれば、遮光層１４の構成は特段制限されない。例えば、遮光層１４は、光反射フィルムを含んで構成してもよい。遮光層１４に用いる光反射フィルムは、光反射率が高いものが好ましく、例えば、フッ素樹脂フィルム、硫酸バリウム等の光反射材料含有フィルム、ＥＳＲフィルムなどであってもよい。その他、硫酸バリウムや酸化チタン等の光反射材料を含有する接着剤で遮光層１４を構成してもよい。
　このような遮光層１４は、シンチレータブロック境界面の中の、３次元積層シンチレータ１２（柱体）の高さ方向Ｈに平行な方向に延在する境界面１４ａ（図２参照）の少なくとも一部に位置する。例えば、遮光層１４は、高さ方向Ｈに平行な方向に延在する境界面１４ａ（図２参照）の全部に設けられてもよい。なお、境界面１４ａ（図２参照）の一部に遮光層１４が位置する例としては、２つのシンチレータブロック１３間の境界面１４ａの中の一部に遮光層１４が位置する場合や、第１及び第２のシンチレータブロック１３間の境界面１４ａの全部に遮光層１４が位置し、第３及び第４のシンチレータブロック１３間の境界面１４ａには遮光層１４が位置しない場合や、また、これらを組み合わせた状態などが考えられる。なお、遮光層１４は、上記境界面１４ａの少なくとも一部に加えて、３次元積層シンチレータ１２の側面（外周面）の少なくとも一部、例えば全部に位置し、３次元積層シンチレータ１２の側面の少なくとも一部、例えば全部を覆っていてもよい。
　このような遮光層１４は、第１のｚ方向積層ユニットに含まれる第１のシンチレータブロック１３から発せられた光が、ｘ方向及びｙ方向（図１参照）に拡散して、他のｚ方向積層ユニットに含まれる他のシンチレータブロック１３に進入したり、外部空間に漏れることを抑制する。結果、ｘ方向及びｙ方向の位置分解能が向上する。また、遮光層１４が光反射材を含む場合、遮光層１４は上記作用のほか、さらに、第１のｚ方向積層ユニットに含まれる第１のシンチレータブロック１３から発せられた光を、ｚ方向（図１参照）にガイドする機能を有することとなる。結果、シンチレータから発せられた光を、効率的に、ｚ方向積層ユニットの高さ方向Ｈ（ｚ方向）の両端部に位置する受光素子１０及び１１に届けることができる。これらの観点から、遮光層１４は、高さ方向Ｈに平行な方向に延在する境界面１４ａ（図２参照）の全部に設けられるのが好ましい。しかし、一部に設けても、全部に設けた場合と程度は異なるものの、上記作用効果が実現される。
　介在層１５は、シンチレータブロック１３と異なる屈折率を有する、及び／又は、シンチレータが発する光の一部を吸収又は散乱する特性を有する。なお、介在層１５はこのような特性を有するものであれば特段制限されず、その構成（材質、厚み等）には自由度がある。例えば、介在層１５は、空気等の気体、水・グリース・油脂等の液体、又は、ガラス、ポリエチレン、エポキシ系接着剤、シリコン系接着剤等の固体であってもよい。また、介在層１５は、これらの組み合わせであってもよい。
　このような介在層１５は、シンチレータブロック境界面の中の、３次元積層シンチレータ１２（柱体）の高さ方向Ｈに対して垂直な方向に延在する境界面１５ａ（図３参照）に位置する。すなわち、ｚ方向積層ユニットは、複数のシンチレータブロック１３を、各シンチレータブロック１３間に介在層１５を挟んで、ｚ方向（図１参照）に一直線に配列したものである。
　ここで、第１のｚ方向積層ユニットに含まれる第１のシンチレータブロック１３から発せられた光は、ｚ方向積層ユニットの両端部に位置する受光素子１０及び１１のいずれかに到達するまでの間に、シンチレータブロック１３間を跨いで移動する場合がある。隣接するシンチレータブロック１３間を跨ぐ時、光は、介在層１５を通過することとなる。介在層１５は、自らの層を通過する光の光量を、シンチレータブロック１３を通過する場合よりも減少させる。すなわち、シンチレータブロック１３から発生られた光は、受光素子１０及び１１のいずれかに到達するまでの間に、介在層１５の通過に起因して光量が減少し得る。第１のシンチレータブロック１３で発せられた後、受光素子１０及び１１のいずれかに到達するまでの間における光量の減少の程度は、シンチレータブロック１３間を跨いで移動した回数（介在層１５を通過した回数）が多いほど、大きくなる。そして、シンチレータブロック１３間を跨いで移動する回数（介在層１５を通過する回数）は、光を発した位置から受光素子１０及び１１各々までの距離が長いほど、多くなる傾向にある。このため、光を発した第１のシンチレータブロック１３から受光素子１０及び１１各々までの距離が異なる場合、受光素子１０に到達した光の光量と、受光素子１１に到達した光の光量との差が明確に現れる。結果、以下で説明する位置特定部１６による発光位置を特定する処理の精度が向上する。
　図１に戻り、受光素子１０および１１は、シンチレータ（シンチレータブロック１３）が発する光を受光し、電気信号に変換する。受光素子１０および１１は、３次元積層シンチレータ１２（柱体）の高さ方向Ｈの両端面に対となるように設けられる。図１では、受光素子１０及び受光素子１１が、３次元積層シンチレータ１２と分離しているが、実際は、受光素子１０及び受光素子１１は、３次元積層シンチレータ１２と光学結合する。受光素子１０及び１１には、例えば、シリコンフォトマルチプライヤ、ＣＣＤ素子などを用いた光電変換器、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード、フォトダイオード等を用いることができる。
　位置特定部１６は、対となる２つの受光素子１０及び１１から電気信号を受信し、受信した電気信号に基づいて、当該電気信号の基となった光を発した位置を特定する。
　まず、位置特定部１６が光を発した位置を特定するにあたり、深さ方向の位置（ｚ方向の位置）を特定する原理を説明する。
　上述の通り、遮光層１４を備えた本実施形態の３次元積層シンチレータ１２の場合、第１のシンチレータブロック１３から発せられた光は、ｚ方向（２方向）に拡散していくようガイドされ、受光素子１０及び１１のいずれかに到達することとなる。
　ここで、第１のシンチレータブロック１３から発せられた光の光量は、吸収・反射・拡散等の影響により、受光素子１０又は１１に到達するまでに減少する。当該減少の度合いは、光を発した第１のシンチレータブロック１３から受光素子１０又は１１までの距離が長いほど、大きくなる。また、介在層１５が存在するので、上述の通り、第１のシンチレータブロック１３から発せられた光の光量は、光を発した第１のシンチレータブロック１３から受光素子１０又は１１までの距離が長いほど、減少する傾向にある。このため、受光素子１０及び１１各々が受取る受光量（受光素子が受取る光の総エネルギー量）は、光を発した第１のシンチレータブロック１３の位置が近ければ比較的大きくなり、逆に、遠ければ比較的小さくなる。
　位置特定部１６は上記前提に基づき、以下の式（１）を利用して、深さ方向の発光位置（発光したシンチレータブロック１３のｚ方向の位置）を特定する。
　（深さ位置）＝（３次元積層シンチレータ１２の高さ）×(受光素子１０に入射した光の総エネルギー量)／｛(受光素子１１に入射した光の総エネルギー量)＋（受光素子１０に入射した光の総エネルギー量)｝---------（１）
　なお、ｘ－ｙ平面に平行な方向における発光位置の特定は、従来技術に準じて実現することができる。
　ここで、図４に、位置特定部１６の機能ブロック図の一例を示す。受光素子１０及び１１から出力された信号各々は、重心演算回路２２及び２３各々で、各受光素子１０及び１１の面内方向（ｘ－ｙ平面方向）の位置情報及び波高情報を持った信号に変換されたのち各々分岐され、信号の一方は遅延回路２７及び２８各々を通してＡＤＣ３０に入力される。さらに、重心演算回路２２及び２３から分岐したもう一方の信号は、ディスクリミネータ２４及び２５を通し、次いでＡＮＤがとられたのち（ＡＮＤ回路２６）、Ｇａｔｅ信号を生成し（ＡＤＣ　Ｇａｔｅ２９）、ＡＤＣ３０において３つの信号の同期をとることで放射線由来の信号以外の成分を取り除く。面内方向（ｘ－ｙ平面方向）及び深さ方向（ｚ方向）の位置情報は遅延回路２７及び２８からの信号の重心演算を行うことで、またエネルギー情報は遅延回路２７及び２８の信号の和から各々決定される。
　なお、深さ方向の発光位置の特定方法は、式（１）および上述の回路に制限されるものではなく、発光位置と受光素子が受取る受光量（受光素子が受取る光の総エネルギー量）の違いを利用するその他の方法を利用してもよい。
　次に、３次元積層シンチレータ１２の作製方法の一例を説明する。
＜作製方法１＞
　まず、表面が光学研磨された所定形状（例：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ３ｍｍの立方体）のシンチレータ結晶（シンチレータブロック１３）を複数個用意する。その後、ガラス板上に、所定間隔（例：０．２ｍｍ）あけて、Ｍ行×Ｎ列（例：４行×４列）にシンチレータブロック１３を配置し、固定する。その後、ガラス板上においてＭ行×Ｎ列のシンチレータブロック群の周囲を所定の高さを有する囲いで囲った状態で、複数のシンチレータブロック１３間の隙間に、反射材料を含有する混合液（例：硫酸バリウム・水・接着剤・分散剤の混合溶液）を滴下・充填する。次いで、これを加熱して固化させることで（例：５０℃のオーブンで２４時間加熱・乾燥）、遮光層１４を形成する。この時、複数のシンチレータブロック１３間の隙間の一部に、例えば透明板を配置した後、上記混合液の滴下・充填を行うことで、一部のみに遮光層１４を形成することもできる。この後、ガラス板を剥離することで、遮光層１４の厚さ：０．２ｍｍ、４個×４個のシンチレータブロックをｘ－ｙ平面方向（図１参照）に配列したシンチレータアレイを得ることができる。
　同様にして、所定個（例：４個）のシンチレータアレイを作製後、シンチレータブロック１３の上下位置が一致するように、複数のシンチレータアレイを積層する（図１のｚ方向）。積層の際は、アレイ間に空気、接着剤等を用いてシンチレータブロック１３と異なる屈折率を有する、及び／又は、シンチレータが発する光の一部を吸収又は散乱する特性を有する介在層１５を設置する。本作製法では、空気中でアレイ同士を単純に積み重ねることができ、このようにした場合、シンチレータ素子の表面加工精度の限界から、シンチレータアレイ間に数μｍ～数１０μｍ程度の空気層が自然に充填される。その後、積層したシンチレータアレイの側面にテフロン（登録商標）テープ反射材を貼付してこれらを固定することで、３次元積層シンチレータ１２を得ることができる。
　その後、３次元積層シンチレータ１２の上下２面（ｚ方向両端部の２面）に、受光素子１０及び１１を光学結合する。例えば、受光面積３×３ｍｍ２・４行×４列の受光素子を有するＭＰＰＣ（Multi Pixel Photon Counter）アレーを、光学グリースを用いて３次元積層シンチレータ１２に接着する。
＜作製方法２＞
　まず、表面が光学研磨された所定形状（例：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ３ｍｍの立方体）のシンチレータ結晶（シンチレータブロック１３）を複数個用意する。その後、シンチレータブロック１３のｘ方向及びｙ方向（図１参照）の形状に合わせ、例えば光反射フィルムを用いて、格子を作製する。次いで、当該格子の中に、シンチレータブロック１３を所定の層数になるように入れて積み重ね、ｚ方向（図１参照）に積層した積層アレーを作製する。この時、シンチレータブロック１３と光反射フィルム（遮光層１４）の間に接着剤（例：光反射材料含有接着剤）等を充填して固定してもよい。また、複数のシンチレータブロック１３間には、介在層１５として、所定の厚さの空気層あるいはシンチレーション光を透過する接着剤、光透過板等の材料を配置する。
　同様にして、所定個の積層アレーを作製後、それらを並列配置することで、３次元積層シンチレータ１２を得ることができる。以降は、作製方法１と同様である。
＜作製方法３＞
　まず、表面が光学研磨された所定形状（例：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ３ｍｍの立方体）のシンチレータ結晶（シンチレータブロック１３）を複数個用意する。その後、介在層１５（所定の厚さの空気層あるいはシンチレーション光を透過する接着剤、光透過板等）を挟みながら、複数個のシンチレータブロック１３をｚ方向（図１参照）に積層し、第２積層アレーを得る。
　同様にして所定個の第２積層アレーを作製後、それらをガラス板上に、所定間隔（例：０．２ｍｍ）あけて、Ｍ行×Ｎ列（例：４行×４列）に配置し、固定する。その後、ガラス板上においてＭ行×Ｎ列の第２積層アレー群の周囲を所定の高さを有する囲いで囲った状態で、複数の第２積層アレー間の隙間に、反射材料を含有する混合液（例：硫酸バリウム・水・接着剤・分散剤の混合溶液）を滴下・充填する。次いで、これを加熱して固化させることで（例：５０℃のオーブンで２４時間加熱・乾燥）、遮光層１４を形成する。この時、複数のシンチレータブロック１３間の隙間の一部に、例えば透明板を配置後、上記混合液の滴下・充填を行うことで、一部のみに遮光層１４を形成することもできる。この後、ガラス板を剥離することで、３次元積層シンチレータ１２を得ることができる。
＜作製方法４＞
　まず、表面が光学研磨された所定形状（例：縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ12ｍｍの直方体）のシンチレータ結晶を複数個用意する。その後、レーザー等の照射により介在層１５（シンチレータが発する光の一部を吸収又は散乱する特性を有する介在層、例：高さ１２ｍｍに対し、３ｍｍ間隔で３箇所）を生成し、第２積層アレーを得る。
　同様にして所定個の第２積層アレーを作製後、それらをガラス板上に、所定間隔（例：０．２ｍｍ）空けて、Ｍ行×Ｎ列（例：４行×４列）に配置し、固定する。その後、ガラス板上においてＭ行×Ｎ列の第２積層アレー群の周囲を所定の高さを有する囲いで囲った状態で、複数の第２積層アレー間の隙間に、反射材料を含有する混合液（例：硫酸バリウム・水・接着剤・分散剤の混合溶液）を滴下・充填する。次いで、これを加熱して固化させることで（例：５０℃のオーブンで２４時間加熱・乾燥）、遮光層１４を形成する。この時、複数の第２積層アレー間の隙間の一部に、例えば透明板を配置後、上記混合液の滴下・充填を行うことで、一部のみに遮光層１４を形成することもできる。この後、ガラス板を剥離することで、３次元積層シンチレータ１２を得ることができる。
＜＜実施例＞＞
＜実施例１＞
　実施例１では、図５に示すように、シンチレータブロック１３をｚ方向に積層した放射線検出器を作製した。図５は、実施例１の放射線検出器の断面模式図である。
　シンチレータブロック１３は、セリウムをドープしたＣｅ：ＧＡＧＧ（Ｃｅ：Ｇｄ３Ａｌ２Ｇａ３Ｏ１２）（以下、「Ｃｅ：ＧＡＧＧ」という）結晶である。形状は、縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ３ｍｍの立方体形状とした。
　このようなシンチレータブロック１３を、ｚ方向に、厚さ１０μｍの空気層（介在層１５）を挟みながら、５個積層した。次いで、当該積層体の側面外周全部を、厚さ１ｍｍのフッ素樹脂フィルム（遮光層１４）で覆った。そして、当該積層体のｚ方向両端部に、受光面３ｍｍ×３ｍｍのシリコンフォトマルチプライヤ（受光素子１０及び１１）を光学的に結合して、放射線検出器を作製した。
　当該放射線検出器にセシウム１３７放射線源からの６６２kｅＶのガンマ線を照射し、各シリコンフォトマルチプライヤ（受光素子１０及び１１）から出力される電圧パルス信号を（１）式を用いて解析したところ、図６に示す位置分解スペクトルが得られた。ｚ方向の位置分解性能は、３ｍｍ厚のシンチレータブロック１３の位置をＦＷＨＭ＝０．３ｍｍの分解能で弁別する性能を有し、エネルギー分解能は８．３％であった。
　以上より、実施例１の放射線検出器を複数並列に並べることで得られる本実施形態の放射線検出器は、深さ方向（ｚ方向）の位置分解性能に優れることが分かる。
＜実施例２＞
　実施例２では、図７に示すように、シンチレータブロック１３を３次元配列（４×４×４）した放射線検出器を作製した。図７は、実施例２の放射線検出器の断面模式図である。
　シンチレータブロック１３は、Ｃｅ：ＧＡＧＧ結晶である。形状は、縦３ｍｍ×横３ｍｍ×高さ３ｍｍの立方体形状とした。介在層１５は、厚さ１０μｍの空気層とした。遮光層１４は、厚さ０．２ｍｍであり、硫酸バリウムを含有する層とした。なお、遮光層１４は、シンチレータブロック境界面の中の、３次元積層シンチレータ１２（柱体）の高さ方向Ｈ（図７中、ｚ方向）に平行な方向に延在する境界面のすべてに設けた。また、シンチレータブロック１３を３次元配列（４×４×４）して得られる３次元積層シンチレータ１２の外周側面全部を、遮光層１４で覆った。そして、受光素子１０及び１１は、受光面３ｍｍ×３ｍｍのシリコンフォトマルチプライヤとした。
　当該放射線検出器にセシウム１３７放射線源からの６６２kｅＶのガンマ線を照射した。そして、図４に示す構成の位置特定部１６を用いて、発光位置を特定した。図８に、得られた３次元マップを示す。当該図より、３次元位置情報が明確に得られていることが分かる。深さ方向（ｚ方向）の位置分解性能は３ｍｍ厚のシンチレータブロックの位置をＦＷＨＭ＝０．３ｍｍの分解能で弁別する性能を有していた。また、エネルギー分解能は８．６％＠６６２ｋｅＶであった。
＜実施例３＞
　実施例３では、シンチレータブロック１３として、セリウムをドープしたＬＹＳＯ（Ｃｅ：（Ｌｕ，Ｙ）２ＳｉＯ５）（以下「Ｃｅ：ＬＹＳＯ」という）結晶を用いた。その他の構成は、実施例１の放射線検出器と同様である。
　当該放射線検出器にセシウム１３７放射線源からの６６２kｅＶのガンマ線を照射し、各シリコンフォトマルチプライヤから出力される電圧パルス信号を（１）式を用いて解析したところ、図９に示す位置分解スペクトルが得られた。ｚ方向の位置分解性能は、３ｍｍ厚のシンチレータブロックの位置をＦＷＨＭ＝０．４ｍｍの分解能で弁別する性能を有し、エネルギー分解能は１１．３％であった。
　以上より、実施例３の放射線検出器を複数並列に並べることで得られる本実施形態の放射線検出器は、深さ方向（ｚ方向）の位置分解性能に優れることが分かる。
＜実施例４＞
　図１０は、実施例４の放射線検出器の断面模式図である。実施例４では、３次元積層シンチレータ１２（柱体）の高さ方向Ｈ（図１０中、ｚ方向）に平行な方向に延在する境界面の一部に、遮光層１４を設けた。その他の構成は、実施例２の放射線検出器と同様である。なお、遮光層１４を設けない境界面には光透過板１７を配置した。光透過板１７は、図１０に示すように、シンチレータブロック１３ａ及び１３ｂの間にのみ設けた。
　当該放射線検出器にセシウム１３７放射線源からの６６２kｅＶのガンマ線を照射した。そして、図４に示す構成の位置特定部１６を用いて、発光位置を特定した。図１１に、得られた２次元マップを示す。当該図より、間に光透過板１７を配置したシンチレータブロック１３ａ及び１３ｂから発せられた光の発光位置情報（図１１中、Ｂ参照）に関しては、マップが歪み、ｘｙ方向の位置分解特性が劣化していることが分かる。しかし、その他のシンチレータブロック１３から発せられた光の発光位置情報は明確に得られていることが分かる。すなわち、シンチレータブロック１３ａ及び１３ｂの間に配置した光透過板１７の影響はその周辺のみに制限され、その他の領域では、発光位置情報が明確に得られることが分かる。
＜比較例１＞
　比較例では、シンチレータブロックを３次元配列（４×４×４）した放射線検出器を作製した。シンチレータブロック１３は、Ｃｅ：ＧＡＧＧ結晶である。シンチレータ光を透過するシリコン系接着剤からなる、厚さ１００μｍの介在層をシンチレータブロック境界面全てに設けた。また、シンチレータブロック１３を３次元配列（４×４×４）して得られる３次元積層シンチレータの側面全部を、遮光層で覆った。そして、受光素子は、受光面３ｍｍ×３ｍｍのシリコンフォトマルチプライヤとした。
　当該放射線検出器にセシウム１３７放射線源からの６６２kｅＶのガンマ線を照射し、各シリコンフォトマルチプライヤから出力される電圧パルス信号を（１）式を用いて解析した。図１２に、得られた２次元マップを示す。実施例４により得られた図１１の３次元マップに比べて、ｘｙ方向の位置分解スペクトルが中心に向かって歪み、位置弁別特性が劣化している。
　図１３は、比較例１において得られた深さ方向（ｚ方向）の位置分解スペクトルである。実施例３より得られた図９のスペクトルに比べて、隣接する位置分解スペクトル同士が近づき、位置分解特性が劣化しているのが分かる。
＜比較例２＞
　比較例２では、シンチレータブロックを３次元配列（４×４×４）した放射線検出器を作製した。シンチレータブロック１３は、Ｃｅ：ＧＡＧＧ結晶である。シンチレータブロック境界面は全て介在層とし、厚さ１０μｍの空気層を設けた。また、シンチレータブロック１３を３次元配列（４×４×４）して得られる３次元積層シンチレータの側面全部を、遮光層で覆った。そして、受光素子は、受光面３ｍｍ×３ｍｍのシリコンフォトマルチプライヤとした。
　当該放射線検出器にセシウム１３７放射線源からの６６２kｅＶのガンマ線を照射し、各シリコンフォトマルチプライヤから出力される電圧パルス信号を（１）式を用いて解析した。図１４に、得られた２次元マップを示す。実施例４により得られた図１１の２次元マップに比べて、位置分解スペクトルが中心に向かって歪み、位置弁別特性が劣化している。
　図１５は、比較例２において得られた深さ方向（ｚ方向）の位置分解スペクトルである。
　位置分解性能の指標である"ピーク間の距離/ＦＷＨＭ"、および、位置分解性能のＳ／Ｎ比の指表である"ピークの最大カウント値／ピークの谷間のカウント値"を比較例１，２および実施例３と比較すると表１の深さ方向（ｚ方向）の位置分解特性となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　"ピーク間の距離／ＦＷＨＭ"の特性に関しては、値が高いほど、位置弁別性能が高くなるが、比較例１では値が１．５３と小さい。一般的にこの値が２以下の場合には位置分解性能が悪く、ＰＥＴ等の画像装置に用いることが出来ない。また、"ピークの最大カウント値／ピークの谷間のカウント値"は値が高いほど、位置弁別性能が高くなりＳ／Ｎ比が向上するが、比較例１で２．８５と小さい。Ｓ／Ｎ比が悪いため、位置弁別を行う場合には全カウント値の１／３程度のカウントが利用できないため、放射線検出器として用いた場合には検出器の感度が悪化する。比較例２では深さ方向（ｚ方向）の位置分解性能は比較例１に比べて高いものの、ｘｙ方向の位置分解スペクトルが中心に向かって歪み、位置弁別特性が劣化している。比較例１、２では、シンチレータブロックのｘｙ方向の境界面が遮光層ではなく、シンチレーション光を透過する介在層となっているため、シンチレータブロックで生じるシンチレータ光がz方向だけでなくｘｙ方向にも３次元的に広がってしまう。このため、結果として位置分解性能が劣化すると考えられる。
　以上、本発明による放射線検出器によって、受光素子と光学結合されたシンチレータ層より放射線が入射した情報が正確に得られ、高精度の位置分解能を有する３次元位置検出機能を持たせた放射線検出器を得ることができる。従来法のように、蛍光寿命の異なる異種シンチレータ素子や、反射材・光透過板を組み合わせた複雑な３次元アレーを用いる必要がないため、積層シンチレータを組み合わせた３次元アレー化が容易であり、かつエネルギー分解能を劣化させる心配がない。
　本発明による３次元位置認識型放射線検出器では、３次元アレーの上下２面に受光素子を組み合わせる構成であり、従来法のように立方体アレーの６面に受光素子を組み合わせる構成ではないため、検出器同士を平板あるいはリング状といった形状に容易に連結が可能となる。陽電子放出断層装置（ＰＥＴ）に導入すれば、放射線の反応位置情報を簡便な回路構成で取得可能となる。
　また、非特許文献１に記載されているように、従来技術での位置分解性能は１ｍｍ程度である。これに対し、上記実施例で示した通り、本発明によれば、シンチレータブロックの厚みを小さくすることで、原理的に０．３ｍｍ程度の分解性能が実現可能である。また、本発明によれば、ｚ方向積層ユニットの側面は遮光層あるいは反射機能を有する遮光層で覆われるため、ｘ－ｙ方向への光の分散が生じず、効率よく受光素子に光が到達するため発光量が大きくなり、エネルギー分解能も高くすることができる。
　以上より、本発明によれば、比較的簡単な構造で、従来に比べて高いシンチレータ深さ方向及び平面方向の位置分解性能を実現した放射線検出器が実現される。
　この出願は、２０１１年１２月２８日に出願された日本特許出願特願２０１１－２８９４８０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (5)

  1. 　柱体となるように複数のシンチレータブロックがマトリクス状に３次元配列されており、前記複数のシンチレータブロック各々の間の境界面の内、前記柱体の高さ方向に対して垂直な方向に延在する前記境界面には、前記シンチレータブロックと異なる屈折率を有する、及び／又は、前記シンチレータブロックが発する光の一部を吸収又は散乱する特性を有する介在層が存在し、前記柱体の高さ方向に平行な方向に延在する前記境界面の少なくとも一部には、前記シンチレータブロックが発する光の透過を遮蔽する遮光層が存在する３次元積層シンチレータと、
    　前記３次元積層シンチレータの前記柱体の高さ方向両端面に対となるように設けられており、前記シンチレータブロックが発する光を受光し、電気信号に変換する受光素子と、
    を有する放射線検出器。
  2. 　請求項１に記載の放射線検出器において、
    　前記３次元積層シンチレータは、前記柱体の高さ方向に平行な方向に延在する前記境界面の全部に、前記遮光層が存在する放射線検出器。
  3. 　請求項１または２に記載の放射線検出器において、
    　前記３次元積層シンチレータは、複数の前記シンチレータブロックが前記柱体の高さ方向に一直線に配列された積層ユニットを複数有する放射線検出器。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の放射線検出器において、
    　前記遮光層は、前記シンチレータブロックが発する光を反射する機能を有する放射線検出器。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の放射線検出器において、
    　対となる２つの前記受光素子から前記電気信号を受信し、受信した前記電気信号に基づいて、当該電気信号の基となった光を発した位置を特定する位置特定部をさらに有する放射線検出器。
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