WO2015053098A1

WO2015053098A1 - コンプトンカメラ

Info

Publication number: WO2015053098A1
Application number: PCT/JP2014/075715
Authority: WO
Inventors: 淳片岡; 西山　徹; 慎二大須賀; 通人平柳; 俊介足立; 徹也内山
Original assignee: 学校法人早稲田大学; 浜松ホトニクス株式会社
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-04-16
Also published as: EP3056927A1; JP6191957B2; CN105683779B; CN105683779A; US20160238719A1; EP3056927B1; JP2015075424A; US9939535B2; EP3056927A4

Abstract

　コンプトンカメラ１は、散乱検出部１０，吸収検出部２０，信号処理部３０，第１シールド部４１および第２シールド部４２を備える。散乱検出部１０は、放射線源９０から放出されて入射した放射線のコンプトン散乱を検出する。吸収検出部２０は、散乱検出部１０でコンプトン散乱して入射した放射線の吸収を検出する。信号処理部３０は、散乱検出部１０における放射線のコンプトン散乱および吸収検出部２０における放射線の吸収の同時検出事象に基づいて放射線源９０の画像を求める。第１、第２シールド部４１、４２は、散乱検出部１０と吸収検出部２０との間に設けられている。第１シールド部４１は、前方散乱放射線を選択的に通過させ、後方散乱放射線を選択的に遮断する。これにより、ノイズを低減することができるコンプトンカメラが実現される。

Description

コンプトンカメラ

　本発明は、コンプトンカメラに関するものである。

　コンプトンカメラは、入射した放射線（主にガンマ線）のコンプトン散乱を検出する散乱検出部と、この散乱検出部でコンプトン散乱して入射した放射線の吸収を検出する吸収検出部とを備え、放射線のコンプトン散乱および吸収を同時検出する。そして、コンプトンカメラは、複数の同時検出事象について、散乱検出部において放射線がコンプトン散乱した位置、散乱検出部において放射線がコンプトン散乱した際に放射線が失ったエネルギー、吸収検出部において放射線が吸収された位置、および、吸収検出部において放射線が吸収された際に放射線が失ったエネルギーを求め、これらに基づいて放射線源の画像を取得することができる。

特開２００５－２０８０５７号公報特開２０１１－８５４１８号公報特許第４３５２１２２号公報

　従来のコンプトンカメラにより取得される放射線源の画像は、ノイズの影響により、正しい位置での像が不明瞭となる、あるいは誤った位置に放射線源が存在することを示す場合がある。特に、放射線のエネルギーが大きい場合にノイズの影響が大きい。

　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ノイズを低減することができるコンプトンカメラを提供することを目的とする。

　本発明のコンプトンカメラは、（１）入射した放射線をコンプトン散乱させる散乱体を含み、その散乱体での放射線のコンプトン散乱を検出する散乱検出部と、（２）散乱体でコンプトン散乱して入射した放射線を吸収する吸収体を含み、その吸収体での放射線の吸収を検出する吸収検出部と、（３）散乱検出部における放射線のコンプトン散乱および吸収検出部における放射線の吸収の同時検出事象に基づいて放射線源の画像を求める信号処理部と、（４）散乱検出部と吸収検出部との間に設けられ、散乱体で前方へとコンプトン散乱した放射線である前方散乱放射線、および、散乱体を散乱・吸収されることなく通過した後に吸収体で後方へとコンプトン散乱した放射線である後方散乱放射線のうち、前方散乱放射線を選択的に通過させ、後方散乱放射線を選択的に遮断する第１シールド部と、を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、コンプトンカメラにより取得される放射線源の画像におけるノイズを低減することができる。

図１は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）前方散乱事象および後方散乱事象を説明する図である。図２は、第１実施形態のコンプトンカメラ１の構成を示す図である。図３は、信号処理部３０における放射線源９０の画像を求める処理を説明する斜視図である。図４は、第２実施形態のコンプトンカメラ２の構成を示す図である。図５は、第２実施形態における散乱体１３の第１構成例を説明する斜視図である。図６は、第２実施形態における散乱体１３の第２構成例を説明する斜視図である。図７は、第３実施形態のコンプトンカメラ３の構成を示す図である。図８は、（ａ）、（ｂ）第１シミュレーション結果を示す図である。図９は、第２シミュレーション結果を示す図である。図１０は、第３シミュレーション結果を示す図である。図１１は、第４シミュレーション結果を示す図である。図１２は、第５シミュレーション結果を示す図である。

　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面には説明の便宜の為にｘｙｚ直交座標系が示されている。

　初めに、コンプトンカメラにより取得される放射線源の画像におけるノイズの要因について説明する。放射線がコンプトンカメラに入射した場合、前方散乱事象だけでなく、後方散乱事象も生じる場合がある。図１は、前方散乱事象および後方散乱事象を説明する図である。

　前方散乱事象は、図１（ａ）に示されるように、或る放射線源９１で発生した放射線が散乱検出部の散乱体１３の位置Ｐ１においてコンプトン散乱し、そのコンプトン散乱した放射線が吸収検出部の吸収体２３の位置Ｐ２において吸収される事象である。これに対して、後方散乱事象は、図１（ｂ）に示されるように、或る放射線源９２で発生した放射線が散乱体１３を散乱・吸収されることなく通過した後、その放射線が吸収体２３の位置Ｐ２においてコンプトン散乱し、そのコンプトン散乱した放射線が散乱体１３の位置Ｐ１において吸収される事象である。どちらも散乱体１３および吸収体２３において失われたエネルギー損失は同等であり、吸収体２３におけるエネルギー損失の方が大きい。つまり、エネルギー損失の値のみからは二つの事象を区別することが出来ない。

　そこで、通常のコンプトンカメラは、収集した複数の同時検出事象の全てが前方散乱事象であるとの仮定の下に所定の演算処理を行って放射線源の画像を取得する。収集した複数の同時検出事象に後方散乱事象が含まれている場合、コンプトンカメラは、その後方散乱事象も前方散乱事象として扱って所定の解析を行って放射線源の画像を取得する。すなわち、コンプトンカメラは、図１（ｃ）に示されるように、実際には放射線源９２で発生した放射線の後方散乱事象であるにも拘らず、実際とは異なる位置の放射線源９１で発生した放射線の前方散乱事象として扱って、所定の解析を行って放射線源の画像を取得する。その結果、取得された放射線源の画像は、誤った位置に放射線源が存在することを示すことになる。

　放射線のエネルギーが小さい場合には、同時検出事象の中で前方散乱事象が支配的である。しかし、放射線のエネルギーが大きい場合には、後方散乱事象の頻度が大きくなって、ノイズの寄与が相対的に大きくなる。例えば、１３７Ｃｓから発生するエネルギー６６２ｋｅＶの放射線や、１３４Ｃｓから発生するエネルギー６０５ｋｅＶまたは７９６ｋｅＶの放射線は、散乱体１３を散乱・吸収されることなく通過し易いので、後方散乱事象を生じ易い。

　同時検出事象が前方散乱事象および後方散乱事象の何れであるかを識別して後方散乱事象の影響を低減するために、散乱体１３および吸収体２３それぞれにおける反応（散乱または吸収）の時刻の前後関係を検出することが考えられる。しかし、散乱体１３と吸収体２３との間の距離が数ｃｍであるような小型のコンプトンカメラの場合、散乱体１３および吸収体２３それぞれにおける反応の時刻の差は１×１０^－１０秒程度である。散乱体１３および吸収体２３それぞれにおける反応の時刻の前後関係を検出することは、極めて困難であり、現実的でない。

　以下に説明する本実施形態のコンプトンカメラは、簡易な構成で後方散乱事象を選択的に低減することができて、画質が改善された放射線源画像を取得することができる。

　図２は、第１実施形態のコンプトンカメラ１の構成を示す図である。コンプトンカメラ１は、散乱検出部１０，吸収検出部２０，信号処理部３０，第１シールド部４１および第２シールド部４２を備え、放射線源９０の画像を求めることができる。散乱検出部１０は、放射線源９０から放出された放射線（例えばガンマ線）が入射すると、その入射した放射線のコンプトン散乱を検出する。吸収検出部２０は、散乱検出部１０でコンプトン散乱した放射線が入射すると、その入射した放射線の吸収を検出する。信号処理部３０は、散乱検出部１０における放射線のコンプトン散乱および吸収検出部２０における放射線の吸収の同時検出事象に基づいて放射線源９０の画像を求める。第１シールド部４１および第２シールド部４２は、散乱検出部１０と吸収検出部２０との間に設けられている。

　散乱検出部１０は、受光部１２および散乱体１３を含む。散乱体１３は、直方体形状を有するシンチレータからなり、各辺がｘ方向，ｙ方向およびｚ方向の何れかに平行である。散乱体１３は、放射線のコンプトン散乱に応じてシンチレーション光を発生させる。受光部１２は、ｘｙ平面に平行な受光面を有し、散乱体１３から出力されたシンチレーション光を受光する。受光部１２は、受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。受光部１２の受光面上における受光位置（受光の重心位置）は、散乱体１３において放射線がコンプトン散乱した位置Ｐ１に相当する。受光部１２の受光強度は、散乱体１３において放射線がコンプトン散乱した際に放射線が失ったエネルギーＥ１に相当する。

　吸収検出部２０は、受光部２２および吸収体２３を含む。吸収体２３は、直方体形状を有するシンチレータからなり、各辺がｘ方向，ｙ方向およびｚ方向の何れかに平行である。吸収体２３は、放射線の吸収に応じてシンチレーション光を発生させる。受光部２２は、ｘｙ平面に平行な受光面を有し、吸収体２３から出力されたシンチレーション光を受光する。受光部２２は、受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。受光部２２の受光面上における受光位置（受光の重心位置）は、吸収体２３において放射線が吸収された位置Ｐ２に相当する。受光部２２の受光強度は、吸収体２３において放射線が吸収された際に放射線が失ったエネルギーＥ２に相当する。

　散乱体１３および吸収体２３を構成するシンチレータとして、例えば、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２（ＢＧＯ）、ＣｅがドープされたＬｕ_２ＳｉＯ_５（Ｃｅ：ＬＳＯ）、Ｌｕ_{２（１－Ｘ）}Ｙ_２ＸＳｉＯ_５（ＬＹＳＯ）、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５（ＧＳＯ）、ＰｒがドープされたＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（Ｐｒ：ＬｕＡＧ）、ＣｅがドープされたＧｄ_３Ａｌ_２Ｇａ_３Ｏ_１２（Ｃｅ：ＧＡＧＧ）等が用いられる。

　受光部１２，２２として、高感度の半導体光検出素子が用いられるのが好適であり、その中でも浜松ホトニクス株式会社製のＭＰＰＣ（登録商標）またはＭＰＰＣアレイが用いられるのが好適である。ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードにクエンチング抵抗が接続されたものを１つのピクセルとして、複数のピクセルが２次元配列されたものである。アバランシェフォトダイオードは、逆電圧が印加されると、光電流を増倍することができ、高速・高感度の光検出をすることができる。アバランシェフォトダイオードの逆電圧が降伏電圧以上に設定されると、内部電界が非常に高くなり、増倍率が格段に大きくなる。このような状態でのアバランシェフォトダイオードの動作はガイガーモードと呼ばれる。

　ＭＰＰＣは、フォトンカウンティングが可能である。ＭＰＰＣは、２次元配列された複数のピクセルの受光量の総和を表す電気信号を出力することができる。このようなＭＰＰＣを受光部に用いる場合、例えば複数のＭＰＰＣを２次元配列し、４つの出力端子と各ＭＰＰＣの出力とを抵抗器を介して接続し、各ＭＰＰＣからの電気信号を最終的に出力端子から出力する。これら４つの出力端子から出力される電気信号の値の比は、光入射面への光の入射位置に応じたものとなり、また、これら４つの出力端子から出力される電気信号の値の和は、光強度に応じたものとなる。

　受光部１２，２２として、位置検出型の光電子増倍管が用いられるのも好適であり、その中でもマルチアノード型の光電子増倍管が用いられるのが好適である。マルチアノード型の光電子増倍管は、例えば、２次元配列された複数のアノードと、各アノードに対応したアノード端子とを備え、各アノード端子と４つの出力端子とが抵抗を介して接続されていて、各アノードからの電気信号を最終的に４つの出力端子から出力する。これら４つの出力端子から出力される電気信号の値の比は、光入射面への光の入射位置に応じたものとなり、また、これら４つの出力端子から出力される電気信号の値の和は、光強度に応じたものとなる。

　本実施形態では、受光部１２は、散乱体１３と吸収体２３との間の狭い領域に配置されているので、光電子増倍管と比べて小型である半導体光検出素子が用いられるのが好ましい。

　第１シールド部４１は、散乱検出部１０と吸収検出部２０との間に設けられている板状部材である。第１シールド部４１には、散乱体１３で前方へとコンプトン散乱した放射線（すなわち、前方散乱によって生じた前方散乱放射線）が入射するだけでなく、散乱体１３を散乱・吸収されることなく通過した後に吸収体２３で後方へとコンプトン散乱した放射線（すなわち、後方散乱によって生じた後方散乱放射線）も入射する。

　前方散乱の際の散乱角より後方散乱の際の散乱角が大きいので、前方散乱放射線のエネルギーより後方散乱放射線のエネルギーが小さい。第１シールド部４１は、このような前方散乱放射線および後方散乱放射線それぞれのエネルギーの大小関係に基づいて、高エネルギーの前方散乱放射線を選択的に通過させ、低エネルギーの後方散乱放射線を選択的に遮断する。このように、後方散乱放射線を選択的に遮断する第１シールド部４１を設けることで、コンプトンカメラ１により取得される放射線源の画像におけるノイズを低減することができる。

　第１シールド部４１は、後方散乱放射線を選択的に遮断する際に、その材料に固有の特性Ｘ線を放出する場合がある。このＸ線がノイズとなることを回避するために第２シールド部４２が設けられている。第２シールド部４２は、散乱検出部１０と第１シールド部４１との間に設けられた板状部材であり、第１シールド部４１への後方散乱放射線の入射によって発生したＸ線を遮断する。

　シンチレータからなる散乱体１３および吸収体２３それぞれから、Ｋ殻エネルギーに相当する特性Ｘ線（５０ｋｅＶ程度）が発生する場合があり、このＸ線もノイズの要因となる。第１シールド部４１および第２シールド部４２を設けることで、このＸ線の影響をも排除することができる。

　第１シールド部４１の材料および厚みは、放射線源９０から放出される放射線のエネルギーの大きさに応じて適切に設定される。また、第２シールド部４２の材料および厚みは、第１シールド部４１で発生するＸ線のエネルギーの大きさに応じて適切に設定される。例えば、第１シールド部４１の材料として、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）およびタングステン（Ｗ）等が採用され得る。第２シールド部４２の材料として銅（Ｃｕ）等が採用され得る。第１シールド部４１および第２シールド部４２それぞれの厚みは１ｍｍ以下から数ｍｍ程度の範囲である。

　例えば、放射線源９０から放出される放射線のエネルギーＥが６６２ｋｅＶであり、散乱体１３において放射線がコンプトン散乱した際に放射線が失うエネルギーＥ１が２００ｋｅＶ程度であり、吸収体２３において放射線が吸収された際に放射線が失うエネルギーＥ２が４６０ｋｅＶ程度である場合を想定する。このような場合、第１シールド部４１として錫からなる３ｍｍ厚の板状部材が採用され、第２シールド部４２として銅からなる１ｍｍ厚の板状部材が採用され得る。

　錫からなる３ｍｍ厚の第１シールド部４１は、エネルギー４６０ｋｅＶ程度の前方散乱放射線の８０％以上を通過させることができ、エネルギー２００ｋｅＶ程度の後方散乱放射線の５０％以上を遮断することができる。このように、第１シールド部４１は、前方散乱放射線を選択的に通過させ、後方散乱放射線を選択的に遮断することができる。

　また、このような錫からなる第１シールド部４１は、エネルギー２００ｋｅＶ程度の後方散乱放射線を遮断する一方で、エネルギー３０ｋｅＶ程度の特性Ｘ線を放出する場合がある。銅からなる１ｍｍ厚の第２シールド部４２は、このエネルギー３０ｋｅＶ程度のＸ線を遮断することができる。

　信号処理部３０は、散乱検出部１０の受光部１２から出力された電気信号を入力するとともに、吸収検出部２０の受光部２２から出力された電気信号をも入力して、これらの電気信号に基づいて放射線源９０の画像を求める。

　図３は、信号処理部３０における放射線源９０の画像を求める処理を説明する斜視図である。信号処理部３０は、受光部１２，２２それぞれから出力された電気信号に基づいて、散乱体１３において放射線がコンプトン散乱した位置Ｐ１、散乱体１３において放射線がコンプトン散乱した際に放射線が失ったエネルギーＥ１、吸収体２３において放射線が吸収された位置Ｐ２、および、吸収体２３において放射線が吸収された際に放射線が失ったエネルギーＥ２を求めることができる。

　放射線源９０から放出される放射線のエネルギーをＥとする。コンプトン散乱の際の散乱角をθとする。電子の静止質量をｍとし、真空中での光速をｃとする。これらのパラメータの間には以下の式で表される関係がある。この関係式からコンプトン散乱角θを求めることができる。そして、散乱位置Ｐ１と吸収位置Ｐ２とを互いに結ぶ直線を中心軸とし、散乱位置Ｐ１を頂点として、中心軸と母線とがなす角がθである円錐を想定すると、その円錐面上に放射線源９０が存在することがわかる。信号処理部３０は、複数の同時検出事象それぞれについて上記のような円錐面を求めて、これらに基づいて放射線源９０の画像を求める。
　　Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２
　　cosθ＝１＋ｍｃ^２（１／Ｅ－１／Ｅ２）

　本実施形態のコンプトンカメラ１では、複数の同時検出事象に含まれる後方散乱事象の割合は第１シールド部４１の作用により低減されているので、信号処理部３０により取得された放射線源９０の画像はノイズが低減されたものとなる。

　次に、第２実施形態のコンプトンカメラ２について説明する。図４は、第２実施形態のコンプトンカメラ２の構成を示す図である。コンプトンカメラ２は、散乱検出部１０，吸収検出部２０，信号処理部３０，第１シールド部４１および第２シールド部４２を備える。図２に示された第１実施形態のコンプトンカメラ１の構成と比較すると、図４に示される第２実施形態のコンプトンカメラ２は、散乱検出部１０および吸収検出部２０それぞれの構成が相違しており、この相違に伴って信号処理部３０の処理内容も相違している。以下では、第１実施形態との相違点について主に説明する。

　散乱検出部１０は、受光部１１、受光部１２および散乱体１３を含む。散乱体１３は、シンチレータブロックであって、放射線のコンプトン散乱に応じてシンチレーション光を発生させ、－ｚ方向および＋ｚ方向に選択的にシンチレーション光を伝搬させて外部へ出力する。散乱体１３は、シンチレーション光発生位置によって－ｚ方向および＋ｚ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。散乱体１３は、直方体形状を有し、各辺がｘ方向，ｙ方向およびｚ方向の何れかに平行である。散乱体１３におけるシンチレーション光発生位置は、放射線がコンプトン散乱した位置Ｐ１に相当する。散乱体１３におけるシンチレーション光発生強度は、放射線がコンプトン散乱した際に放射線が失ったエネルギーＥ１に相当する。

　受光部１１，１２は、ｘｙ平面に平行な受光面を有する。受光部１１は、散乱体１３の－ｚ方向の側に設けられ、散乱体１３の－ｚ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。受光部１２は、散乱体１３の＋ｚ方向の側に設けられ、散乱体１３の＋ｚ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。

　吸収検出部２０は、受光部２１、受光部２２および吸収体２３を含む。吸収体２３は、シンチレータブロックであって、放射線の吸収に応じてシンチレーション光を発生させ、－ｚ方向および＋ｚ方向に選択的にシンチレーション光を伝搬させて外部へ出力する。吸収体２３は、シンチレーション光発生位置によって－ｚ方向および＋ｚ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。吸収体２３は、直方体形状を有し、各辺がｘ，ｙ，ｚ方向の何れかに平行である。吸収体２３におけるシンチレーション光発生位置は、放射線が吸収された位置Ｐ２に相当する。吸収体２３におけるシンチレーション光発生強度は、放射線が吸収された際に放射線が失ったエネルギーＥ２に相当する。

　受光部２１，２２は、ｘｙ平面に平行な受光面を有する。受光部２１は、吸収体２３の－ｚ方向の側に設けられ、吸収体２３の－ｚ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。受光部２２は、吸収体２３の＋ｚ方向の側に設けられ、吸収体２３の＋ｚ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。

　受光部１１，１２，２１，２２として、高感度の半導体光検出素子が用いられるのが好適であり、その中でも浜松ホトニクス株式会社製のＭＰＰＣ（登録商標）またはＭＰＰＣアレイが用いられるのが好適である。また、受光部１１，１２，２１，２２として、位置検出型の光電子増倍管が用いられるのも好適であり、その中でもマルチアノード型の光電子増倍管が用いられるのが好適である。

　本実施形態では、受光部１２，２１は、散乱体１３と吸収体２３との間の狭い領域に配置されているので、光電子増倍管と比べて小型である半導体光検出素子が用いられるのが好ましい。また、受光部１１および受光部１２は同じタイプのものが用いられるのが好ましく、受光部２１および受光部２２は同じタイプのものが用いられるのが好ましい。

　第２実施形態における信号処理部３０は、第１実施形態の場合と略同様である。ただし、散乱体１３，吸収体２３においてシンチレーション光発生位置によって－ｚ方向および＋ｚ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なるので、信号処理部３０は、このことを利用して、ｘ方向およびｙ方向だけでなくｚ方向についても位置Ｐ１，Ｐ２を求めることができる。

　図５は、第２実施形態における散乱体１３の第１構成例を説明する斜視図である。吸収体２３についても同様であるが、ここでは散乱体１３について説明する。散乱体１３は、３次元的に集合された複数のシンチレータセル１３１を含むシンチレータブロックである。図５では、計１８０個の同一形状を有するシンチレータセル１３１が、ｘ方向に６行、ｙ方向に５列、ｚ方向に６層に集合されている。散乱体１３は、隣接する２つのシンチレータセル１３１の間に設定された光学条件によって、－ｚ方向および＋ｚ方向に選択的にシンチレーション光を伝搬させることができ、シンチレーション光発生位置によって－ｚ方向および＋ｚ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。

　より具体的な例として、ｘ方向に隣接する２つのシンチレータセル１３１の間に反射材１３２が挿入され、ｙ方向に隣接する２つのシンチレータセル１３１の間にも反射材１３２が挿入され、ｚ方向に隣接する２つのシンチレータセル１３１の間に空気層１３３が挿入される。また、散乱体１３の６面のうち、受光部１１，１２に対向しない４面にも反射材が設けられている。反射材１３２は例えばＢａＳＯ_４からなる。

　反射材１３２がシンチレーション光を完全に反射させるとすれば、或るシンチレータセル１３１において放射線のコンプトン散乱に応じて発生したシンチレーション光は、±ｘ方向または±ｙ方向に隣接するシンチレータセル１３１へ伝搬することなく、－ｚ方向または＋ｚ方向に隣接するシンチレータセル１３１のみへ伝搬していき、－ｚ方向または＋ｚ方向の外部へ出力される。また、シンチレーション光は、－ｚ方向または＋ｚ方向に伝搬する際に途中にある空気層１３３によって一部が反射され残部が透過する。したがって、シンチレーション光発生位置によって－ｚ方向および＋ｚ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。これによりｚ方向でも十分高い位置分解能が得られる。

　反射材１３２は、シンチレーション光を完全に反射させるものでなくてもよいが、反射率が高いのが好ましい。反射材１３２が一部のシンチレーション光を透過させる場合には、－ｚ方向または＋ｚ方向の外部へ出力されるシンチレーション光は拡がることになるが、受光部１１，１２の受光面上における受光強度分布の重心位置を求めればよい。また、空気層１３３に替えて他の材料からなる層が挿入されていてもよい。

　図６は、第２実施形態における散乱体１３の第２構成例を説明する斜視図である。吸収体２３についても同様であるが、ここでも散乱体１３について説明する。散乱体１３は、内部に多数の改質領域１３４が形成されているシンチレータブロックである。改質領域１３４は、レーザ光の集光点がアモルファス化することで形成され、周囲の屈折率と異なる屈折率を有する。改質領域１３４は、離散的に形成されてもよいし、一定範囲に亘って連続的に形成されてもよい。改質領域１３４を形成する際に用いられるレーザ光源としては、短パルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＫＧＷレーザおよびチタンサファイアレーザ等が用いられる。

　また、改質領域１３４を起点として破断領域が形成されてもよい。破断領域の形成は、応力、曲げ応力、せん断応力、熱応力を加えることで可能である。改質領域の形成または破断領域の形成に先立って、散乱体１３の外表面をシート状の保持部材で覆っておくのが好ましく、これにより、破断領域の形成後でも散乱体１３の一体化が維持される。また、散乱体１３の６面のうち、受光部１１，１２に対向しない４面に反射材が設けられている。

　このようにして作製される散乱体１３は、適切な位置に形成された改質領域１３４または破断領域によって、－ｚ方向および＋ｚ方向に選択的にシンチレーション光を伝搬させることができ、シンチレーション光発生位置によって－ｚ方向および＋ｚ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。この構成例では、－ｚ方向または＋ｚ方向の外部へ出力されるシンチレーション光は拡がることになるが、受光部１１，１２の受光面上における受光強度分布の重心位置を求めることにより、ｘ方向、ｙ方向において高い位置分解能が得られる。

　本実施形態のコンプトンカメラ２は、散乱体１３，吸収体２３を用いて放射線のコンプトン散乱または吸収を検出するので、入射した放射線（例えばガンマ線）の入射位置を３次元的に捉えることが可能となり、高解像度でありながら、安価に製造することができ、小型化可能である。このコンプトンカメラ２はフィールドでも好適に使用され得る。

　次に、第３実施形態のコンプトンカメラ３について説明する。図７は、第３実施形態のコンプトンカメラ３の構成を示す図である。コンプトンカメラ３は、散乱検出部１０，吸収検出部２０，信号処理部３０，第１シールド部４１および第２シールド部４２を備える。図４に示された第２実施形態のコンプトンカメラ２の構成と比較すると、図７に示される第３実施形態のコンプトンカメラ３は、散乱検出部１０および吸収検出部２０それぞれの方位の点で相違している。以下では、第２実施形態との相違点について主に説明する。

　散乱検出部１０の散乱体１３は、放射線のコンプトン散乱に応じてシンチレーション光を発生させ、－ｘ方向および＋ｘ方向に選択的にシンチレーション光を伝搬させて外部へ出力する。散乱体１３は、シンチレーション光発生位置によって－ｘ方向および＋ｘ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。これによりｘ方向において十分高い位置分解能が得られる。

　受光部１１，１２は、ｙｚ平面に平行な受光面を有する。受光部１１は、散乱体１３の－ｘ方向の側に設けられ、散乱体１３の－ｘ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。受光部１２は、散乱体１３の＋ｘ方向の側に設けられ、散乱体１３の＋ｘ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。

　吸収検出部２０の吸収体２３は、放射線の吸収に応じてシンチレーション光を発生させ、－ｘ方向および＋ｘ方向に選択的にシンチレーション光を伝搬させて外部へ出力する。吸収体２３は、シンチレーション光発生位置によって－ｘ方向および＋ｘ方向それぞれのシンチレーション光外部出力強度の比が異なる。これによりｘ方向において十分高い位置分解能が得られる。

　受光部２１，２２は、ｙｚ平面に平行な受光面を有する。受光部２１は、吸収体２３の－ｘ方向の側に設けられ、吸収体２３の－ｘ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。受光部２２は、吸収体２３の＋ｘ方向の側に設けられ、吸収体２３の＋ｘ方向の外部に出力されたシンチレーション光を受光面上に受光し、その受光面上における受光位置および受光強度を表す電気信号を信号処理部３０へ出力する。

　本実施形態では、受光部１１，１２，２１，２２は、散乱体１３と吸収体２３との間の狭い領域と異なる広い領域に配置されているので、高感度の光電子増倍管が好適に用いられ得る。散乱体１３，吸収体２３のｚ方向のサイズよりｘ方向のサイズが大きいとすると、第２実施形態の場合と比較して本実施形態では、散乱体１３，吸収体２３から±ｘ方向の外部へ出力されるシンチレーション光の強度が小さくなる場合があるが、受光部１１，１２，２１，２２として高感度の光電子増倍管を用いることができるので、散乱位置Ｐ１、吸収位置Ｐ２および放射線喪失エネルギーＥ１，Ｅ２を高感度に測定することができる。本実施形態のコンプトンカメラ３は、第２実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。

　次に、図８～図１２を用いて、第１シールド部４１および第２シールド部４２それぞれによる画質改善の効果を確認する為に行ったシミュレーションの結果について説明する。これらのシミュレーションでは、図２に示された第１実施形態のコンプトンカメラ１の構成が採用され、エネルギー６６２ｋｅＶを放出する放射線源が想定された。

　図８は、第１シミュレーション結果を示す図である。第１シミュレーションでは、放射線源は、コンプトンカメラ１の光軸（ｚ軸）となす角度φが７０°である方向（視野端部）であってコンプトンカメラ１からの距離が５０ｃｍである位置に存在するとされた。第１シールド部４１として錫からなる３ｍｍ厚の板状部材が採用され、第２シールド部４２として銅からなる１ｍｍ厚の板状部材が採用された。図８の画像の横軸および縦軸それぞれの範囲が－１～＋１とされており、画像の中心位置(０,０)からの距離ｒと上記角度φとの間にｒ＝√２sin（φ／２）なる関係がある。

　図８（ａ）は、第１シールド部４１および第２シールド部４２の双方が設けられなかった場合の画像を示す。この画像では、後方散乱事象を前方散乱事象として扱って処理したこと（順序誤認）に因るゴーストが、放射線源９０の本来の位置より中心側に現れている。これに対して、図８（ｂ）は、第１シールド部４１および第２シールド部４２の双方が設けられた場合の画像を示す。この画像では、後方散乱事象の影響が低減されて、上記のようなゴーストが殆ど認められず、画質が改善されている。

　以下に示す第２～第５のシミュレーション結果の各画像（図９～図１２）は、図８に示すような画像において中心位置(０,０)および放射線源存在位置を通る直線上における強度分布を、ピーク値を１として規格化して示すものである。

　第２および第３のシミュレーションは、第１シールド部４１（錫）で発生するＸ線が画像に与える影響を調べる為に行われた。図９は、第２シミュレーション結果を示す図である。第２シミュレーションでは、放射線源は、コンプトンカメラ１の光軸上（視野中心）であってコンプトンカメラ１からの距離が５０ｃｍである位置に存在するとされた。また、図１０は、第３シミュレーション結果を示す図である。第３シミュレーションでは、放射線源は、コンプトンカメラ１の光軸（ｚ軸）となす角度φが７０°である方向（視野端部）であってコンプトンカメラ１からの距離が５０ｃｍである位置に存在するとされた。

　第２および第３のシミュレーションは、以下の第１～第３のケースそれぞれで行われた。第１ケースでは、第１シールド部４１および第２シールド部４２の双方が設けられなかった。第２ケースでは、第１シールド部４１（錫、３ｍｍ厚）のみが設けられた。この第２ケースでは、２００ｋｅＶの後方散乱放射線を約５２％遮断することができ、シンチレータで発生する５０ｋｅＶのＸ線をほぼ完全に遮断することができる。第３ケースでは、第１シールド部４１（錫、２.４ｍｍ厚）および第２シールド部４２（銅、１ｍｍ厚）が設けられた。この第３ケースでは、２００ｋｅＶの後方散乱放射線を約５２％遮断することができ、第１シールド部４１（錫）で発生する３０ｋｅＶのＸ線を第２シールド部４２のみでほぼ完全に遮断することができる。

　第２および第３のシミュレーション結果によると、第１シールド部４１が設けられなかった第１ケースと比べて、第１シールド部４１が設けられた第２および第３のケースでは、画質改善の効果が認められる。また、放射線源が視野中心に存在する場合と比べて、放射線源が視野端部に存在する場合の方が、画質改善の効果が大きい。

　第４および第５のシミュレーションは、特性Ｘ線が発生しないとして、後方散乱放射線が画像に与える影響を調べる為に行われた。図１１は、第４シミュレーション結果を示す図である。第４シミュレーションでは、放射線源は、コンプトンカメラ１の光軸上（視野中心）であってコンプトンカメラ１からの距離が５０ｃｍである位置に存在するとされた。また、図１２は、第５シミュレーション結果を示す図である。第５シミュレーションでは、放射線源は、コンプトンカメラ１の光軸（ｚ軸）となす角度φが７０°である方向（視野端部）であってコンプトンカメラ１からの距離が５０ｃｍである位置に存在するとされた。

　第４および第５のシミュレーションは、以下の第１～第３のケースそれぞれで行われた。第１～第３のケースの何れでも第２シールド部４２は設けられなかった。第１ケースでは、第１シールド部４１も設けられなかった。この第１ケースでは、後方散乱放射線を全く遮断することができない。第２ケースでは、第１シールド部４１（錫、１ｍｍ厚）が設けられた。この第２ケースでは、２００ｋｅＶの後方散乱放射線を約２１％遮断することができる。第３ケースでは、第１シールド部４１（錫、３ｍｍ厚）が設けられた。この第３ケースでは、２００ｋｅＶの後方散乱放射線を約５２％遮断することができる。

　第４および第５のシミュレーション結果によると、第１シールド部４１の厚みが大きいほど、画質改善の効果が大きいことが認められる。また、放射線源が視野中心に存在する場合と比べて、放射線源が視野端部に存在する場合の方が、画質改善の効果が大きい。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１シールド部４１および第２シールド部４２それぞれの材料として様々なものが採用され得る。散乱検出部１０および吸収検出部２０それぞれとして、特許文献１～３に記載されたもの等の任意の態様のものが用いられ得る。散乱検出部１０および吸収検出部２０それぞれの方位は、上記実施形態の場合と異なっていてもよい。

　上記実施形態によるコンプトンカメラでは、（１）入射した放射線をコンプトン散乱させる散乱体を含み、その散乱体での放射線のコンプトン散乱を検出する散乱検出部と、（２）散乱体でコンプトン散乱して入射した放射線を吸収する吸収体を含み、その吸収体での放射線の吸収を検出する吸収検出部と、（３）散乱検出部における放射線のコンプトン散乱および吸収検出部における放射線の吸収の同時検出事象に基づいて放射線源の画像を求める信号処理部と、（４）散乱検出部と吸収検出部との間に設けられ、散乱体でコンプトン散乱した放射線（「前方散乱放射線」という。）、および、散乱体を散乱・吸収されることなく通過した後に吸収体でコンプトン散乱した放射線（「後方散乱放射線」という。）のうち、前方散乱放射線を選択的に通過させ、後方散乱放射線を選択的に遮断する第１シールド部と、を備える構成としている。

　また、上記構成のコンプトンカメラは、散乱検出部と第１シールド部との間に設けられ、第１シールド部への放射線の入射によって発生したＸ線を遮断する第２シールド部を更に備えるのが好適である。

　本発明は、ノイズを低減することができるコンプトンカメラとして利用可能である。

　１～３…コンプトンカメラ、１０…散乱検出部、１１…受光部、１２…受光部、１３…散乱体、２０…吸収検出部、２１…受光部、２２…受光部、２３…吸収体、３０…信号処理部、４１…第１シールド部、４２…第２シールド部、９０～９２…放射線源。

Claims

　入射した放射線をコンプトン散乱させる散乱体を含み、その散乱体での放射線のコンプトン散乱を検出する散乱検出部と、
　前記散乱体でコンプトン散乱して入射した放射線を吸収する吸収体を含み、その吸収体での放射線の吸収を検出する吸収検出部と、
　前記散乱検出部における放射線のコンプトン散乱および前記吸収検出部における放射線の吸収の同時検出事象に基づいて放射線源の画像を求める信号処理部と、
　前記散乱検出部と前記吸収検出部との間に設けられ、前記散乱体で前方へとコンプトン散乱した放射線である前方散乱放射線、および、前記散乱体を散乱・吸収されることなく通過した後に前記吸収体で後方へとコンプトン散乱した放射線である後方散乱放射線のうち、前記前方散乱放射線を選択的に通過させ、前記後方散乱放射線を選択的に遮断する第１シールド部と、
　を備えることを特徴とするコンプトンカメラ。
　前記散乱検出部と前記第１シールド部との間に設けられ、前記第１シールド部への放射線の入射によって発生したＸ線を遮断する第２シールド部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のコンプトンカメラ。