WO2015053098A1 - コンプトンカメラ - Google Patents

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WO2015053098A1
WO2015053098A1 PCT/JP2014/075715 JP2014075715W WO2015053098A1 WO 2015053098 A1 WO2015053098 A1 WO 2015053098A1 JP 2014075715 W JP2014075715 W JP 2014075715W WO 2015053098 A1 WO2015053098 A1 WO 2015053098A1
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WO
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radiation
compton
scattering
scatterer
light receiving
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Application number
PCT/JP2014/075715
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English (en)
French (fr)
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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
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Publication date
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Priority to US15/027,765 priority patent/US9939535B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/244—Auxiliary details, e.g. casings, cooling, damping or insulation against damage by, e.g. heat, pressure or the like
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras

Definitions

  • the present invention relates to a Compton camera.
  • the Compton camera includes a scattering detection unit that detects Compton scattering of incident radiation (mainly gamma rays) and an absorption detection unit that detects absorption of incident radiation after Compton scattering by the scattering detection unit. Simultaneous detection of scattering and absorption.
  • the position where the radiation was Compton scattered in the scattering detection unit, the energy lost when the radiation was Compton scattered in the scattering detection unit, the radiation was absorbed in the absorption detection unit The position and the energy lost by the radiation when the radiation is absorbed by the absorption detector can be obtained, and an image of the radiation source can be obtained based on these.
  • the image of the radiation source acquired by the conventional Compton camera may show that the image at the correct position becomes unclear due to the influence of noise, or that the radiation source exists at the wrong position.
  • the influence of noise is large when the energy of radiation is large.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a Compton camera that can reduce noise.
  • the Compton camera of the present invention includes (1) a scatterer that Compton scatters incident radiation, a scatter detection unit that detects Compton scattering of the radiation at the scatterer, and (2) Compton scattered by the scatterer and incident.
  • An absorption detector that detects the absorption of radiation at the absorber, and (3) a simultaneous detection event of Compton scattering of radiation in the scattering detector and absorption of radiation in the absorption detector
  • a signal processing unit that obtains an image of a radiation source based on the above, and (4) forward scattered radiation that is provided between the scattering detection unit and the absorption detection unit and is Compton scattered forward by the scatterer, and the scatterer Of the backscattered radiation, which is Compton scattered backward by the absorber after passing through without being scattered or absorbed Characterized by comprising a first shield portion for blocking the backscattered radiation selectively, the.
  • noise in an image of a radiation source acquired by a Compton camera can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating (a), (b), (c) forward scatter events and back scatter events.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the Compton camera 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating processing for obtaining an image of the radiation source 90 in the signal processing unit 30.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the Compton camera 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a first configuration example of the scatterer 13 according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a second configuration example of the scatterer 13 in the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the Compton camera 3 according to the third embodiment.
  • 8A and 8B are diagrams showing the first simulation result.
  • FIG. 9 is a diagram showing a second simulation result.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a third simulation result.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a fourth simulation result
  • FIG. 1 is a diagram illustrating forward scatter events and back scatter events.
  • the radiation generated by a certain radiation source 91 is Compton scattered at the position P1 of the scatterer 13 of the scattering detection unit, and the Compton scattered radiation is absorbed by the absorption detection unit. This is an event absorbed at position P2 of the absorber 23.
  • the backscattering event is absorbed after the radiation generated by a certain radiation source 92 passes through the scatterer 13 without being scattered and absorbed. This is an event in which Compton scattering is performed at the position P2 of the body 23 and the Compton scattered radiation is absorbed at the position P1 of the scatterer 13. In both cases, the energy loss lost in the scatterer 13 and the absorber 23 is equal, and the energy loss in the absorber 23 is larger. In other words, the two events cannot be distinguished from the energy loss value alone.
  • a normal Compton camera acquires a radiation source image by performing a predetermined calculation process under the assumption that all of the collected simultaneous detection events are forward scattering events.
  • the Compton camera treats the backscattering event as a forward scattering event, performs a predetermined analysis, and acquires an image of the radiation source.
  • the Compton camera is generated at the radiation source 91 at a position different from the actual one, although it is actually a backscattering event of the radiation generated at the radiation source 92.
  • a predetermined analysis is performed to obtain an image of the radiation source. As a result, the acquired image of the radiation source will indicate that the radiation source is in the wrong position.
  • the scatterer 13 and the absorber 23 Before and after the time of reaction (scattering or absorption) in the scatterer 13 and the absorber 23 in order to identify whether the simultaneous detection event is a forward scatter event or a backscatter event and reduce the effect of the backscatter event. It is conceivable to detect the relationship. However, in the case of a small Compton camera in which the distance between the scatterer 13 and the absorber 23 is several centimeters, the difference in reaction time between the scatterer 13 and the absorber 23 is about 1 ⁇ 10 ⁇ 10 seconds. It is. It is extremely difficult and unrealistic to detect the relationship between the time of reaction in each of the scatterer 13 and the absorber 23.
  • the Compton camera of the present embodiment described below can selectively reduce backscattering events with a simple configuration, and can acquire a radiation source image with improved image quality.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the Compton camera 1 according to the first embodiment.
  • the Compton camera 1 includes a scattering detection unit 10, an absorption detection unit 20, a signal processing unit 30, a first shield unit 41, and a second shield unit 42, and can obtain an image of the radiation source 90.
  • the scattering detection unit 10 detects Compton scattering of the incident radiation.
  • the absorption detector 20 detects the absorption of the incident radiation.
  • the signal processing unit 30 obtains an image of the radiation source 90 based on the simultaneous detection event of Compton scattering of radiation in the scattering detection unit 10 and absorption of radiation in the absorption detection unit 20.
  • the first shield part 41 and the second shield part 42 are provided between the scattering detection part 10 and the absorption detection part 20.
  • the scattering detection unit 10 includes a light receiving unit 12 and a scatterer 13.
  • the scatterer 13 is formed of a scintillator having a rectangular parallelepiped shape, and each side is parallel to any of the x direction, the y direction, and the z direction.
  • the scatterer 13 generates scintillation light according to Compton scattering of radiation.
  • the light receiving unit 12 has a light receiving surface parallel to the xy plane, and receives the scintillation light output from the scatterer 13.
  • the light receiving unit 12 outputs an electric signal indicating the light receiving position and the light receiving intensity on the light receiving surface to the signal processing unit 30.
  • the light receiving position (light receiving barycentric position) on the light receiving surface of the light receiving unit 12 corresponds to the position P1 where the radiation is Compton scattered in the scatterer 13.
  • the light receiving intensity of the light receiving unit 12 corresponds to the energy E1 lost when the radiation is Compton scattered in the scatterer 13.
  • the absorption detector 20 includes a light receiver 22 and an absorber 23.
  • the absorber 23 is formed of a scintillator having a rectangular parallelepiped shape, and each side is parallel to any of the x direction, the y direction, and the z direction.
  • the absorber 23 generates scintillation light according to the absorption of radiation.
  • the light receiving unit 22 has a light receiving surface parallel to the xy plane, and receives the scintillation light output from the absorber 23.
  • the light receiving unit 22 outputs an electrical signal indicating the light receiving position and the light receiving intensity on the light receiving surface to the signal processing unit 30.
  • the light receiving position (light receiving barycentric position) on the light receiving surface of the light receiving unit 22 corresponds to the position P2 where the absorber 23 absorbs radiation.
  • the light receiving intensity of the light receiving unit 22 corresponds to the energy E ⁇ b> 2 that is lost when the absorber 23 absorbs the radiation.
  • Examples of the scintillator constituting the scatterer 13 and the absorber 23 include Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), Ce-doped Lu 2 SiO 5 (Ce: LSO), and Lu 2 (1-X) Y 2X SiO. 5 (LYSO), Gd 2 SiO 5 (GSO), Pr 3 doped Lu 3 Al 5 O 12 (Pr: LuAG), Ce doped Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 (Ce: GAGG), etc. Used.
  • MPPC Multi-Pixel Photon Counter
  • a quenching resistor is connected to an avalanche photodiode operating in Geiger mode, and a plurality of pixels are two-dimensionally arranged.
  • the avalanche photodiode can multiply the photocurrent when a reverse voltage is applied, and can perform light detection with high speed and high sensitivity.
  • the reverse voltage of the avalanche photodiode When the reverse voltage of the avalanche photodiode is set to be equal to or higher than the breakdown voltage, the internal electric field becomes very high, and the multiplication factor is remarkably increased.
  • the operation of the avalanche photodiode in such a state is called a Geiger mode.
  • the MPPC is capable of photon counting.
  • the MPPC can output an electric signal representing the sum of received light amounts of a plurality of pixels arranged two-dimensionally.
  • a plurality of MPPCs are two-dimensionally arranged, and the four output terminals and the outputs of the MPPCs are connected via resistors, so that the electrical signals from the MPPCs are finally transmitted.
  • Output from the output terminal The ratio of the values of the electric signals output from these four output terminals depends on the incident position of the light on the light incident surface, and the sum of the values of the electric signals output from these four output terminals is Depending on the light intensity.
  • position detection type photomultiplier tubes are preferably used, and among them, a multi-anode type photomultiplier tube is preferably used.
  • the multi-anode type photomultiplier tube includes, for example, a plurality of anodes arranged two-dimensionally and anode terminals corresponding to the anodes, and the anode terminals and the four output terminals are connected via resistors. Thus, the electrical signals from each anode are finally output from the four output terminals.
  • the ratio of the values of the electric signals output from these four output terminals depends on the incident position of the light on the light incident surface, and the sum of the values of the electric signals output from these four output terminals is Depending on the light intensity.
  • the light receiving unit 12 is disposed in a narrow region between the scatterer 13 and the absorber 23, it is preferable to use a semiconductor photodetector that is smaller than the photomultiplier tube. .
  • the first shield part 41 is a plate-like member provided between the scattering detection part 10 and the absorption detection part 20.
  • the first shield part 41 not only receives the radiation Compton-scattered forward by the scatterer 13 (that is, forward-scattered radiation generated by forward scattering) but also passes through the scatterer 13 without being scattered or absorbed. After that, radiation that is Compton scattered backward by the absorber 23 (that is, backscattered radiation generated by backscattering) also enters.
  • the first shield unit 41 selectively passes high-energy forward scattered radiation and selectively transmits low-energy backscattered radiation based on the magnitude relationship between the energy of each of forward scattered radiation and backward scattered radiation. Cut off.
  • noise in the image of the radiation source acquired by the Compton camera 1 can be reduced.
  • the first shield part 41 may emit characteristic X-rays specific to the material when selectively blocking backscattered radiation.
  • the second shield part 42 is provided.
  • the second shield part 42 is a plate-like member provided between the scattering detection part 10 and the first shield part 41, and blocks X-rays generated by the backscattered radiation incident on the first shield part 41. .
  • a characteristic X-ray (about 50 keV) corresponding to K-shell energy may be generated from each of the scatterer 13 and the absorber 23 made of a scintillator, and this X-ray also causes noise.
  • this X-ray also causes noise.
  • the material and thickness of the first shield part 41 are appropriately set according to the magnitude of the radiation energy emitted from the radiation source 90.
  • the material and thickness of the second shield part 42 are appropriately set according to the magnitude of the energy of X-rays generated in the first shield part 41.
  • tin (Sn), lead (Pb), tungsten (W), or the like can be adopted as the material of the first shield part 41.
  • Copper (Cu) or the like may be employed as the material of the second shield part 42.
  • the thickness of each of the first shield part 41 and the second shield part 42 ranges from 1 mm or less to several mm.
  • the energy E of radiation emitted from the radiation source 90 is 662 keV
  • the energy E1 lost when the radiation is Compton scattered in the scatterer 13 is about 200 keV
  • the radiation 23 is absorbed by the absorber 23.
  • the energy E2 that the radiation loses is about 460 keV.
  • a 3 mm-thick plate member made of tin may be employed as the first shield part 41
  • a 1 mm-thick plate member made of copper may be employed as the second shield part 42.
  • the first shield portion 41 made of tin and having a thickness of 3 mm can pass 80% or more of forward scattered radiation having an energy of about 460 keV, and can block 50% or more of backscattered radiation having an energy of about 200 keV. In this way, the first shield part 41 can selectively pass forward scattered radiation and selectively block backscattered radiation.
  • first shield part 41 made of such tin may block the backscattered radiation having an energy of about 200 keV, while emitting characteristic X-rays having an energy of about 30 keV.
  • the second shield part 42 made of copper and having a thickness of 1 mm can block X-rays having energy of about 30 keV.
  • the signal processing unit 30 inputs the electrical signal output from the light receiving unit 12 of the scattering detection unit 10 and also receives the electrical signal output from the light receiving unit 22 of the absorption detection unit 20 and outputs these electrical signals. Based on this, an image of the radiation source 90 is obtained.
  • FIG. 3 is a perspective view for explaining processing for obtaining an image of the radiation source 90 in the signal processing unit 30.
  • the signal processing unit 30 Based on the electrical signals output from the light receiving units 12 and 22, the signal processing unit 30 is a position P1 where the radiation is Compton scattered in the scatterer 13, and energy lost when the radiation is Compton scattered in the scatterer 13. E1, the position P2 where the radiation is absorbed by the absorber 23, and the energy E2 that the radiation has lost when the radiation is absorbed by the absorber 23 can be obtained.
  • E be the energy of the radiation emitted from the radiation source 90.
  • ⁇ be the scattering angle in Compton scattering.
  • the stationary mass of electrons is m, and the speed of light in vacuum is c.
  • the Compton scattering angle ⁇ can be obtained from this relational expression. Assuming a cone having a straight line connecting the scattering position P1 and the absorption position P2 as the central axis, the scattering position P1 as the apex, and an angle formed by the central axis and the generatrix is ⁇ , a radiation source is formed on the conical surface. It can be seen that 90 exists.
  • the signal processing unit 30 obtains a conical surface as described above for each of a plurality of simultaneous detection events, and obtains an image of the radiation source 90 based on these.
  • the ratio of backscattering events included in a plurality of simultaneous detection events is reduced by the action of the first shield unit 41, so the image of the radiation source 90 acquired by the signal processing unit 30.
  • the noise is reduced.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the Compton camera 2 according to the second embodiment.
  • the Compton camera 2 includes a scattering detection unit 10, an absorption detection unit 20, a signal processing unit 30, a first shield unit 41, and a second shield unit 42.
  • the Compton camera 2 of the second embodiment shown in FIG. 4 differs in the configurations of the scattering detection unit 10 and the absorption detection unit 20. With this difference, the processing content of the signal processing unit 30 is also different.
  • differences from the first embodiment will be mainly described.
  • the scattering detection unit 10 includes a light receiving unit 11, a light receiving unit 12, and a scatterer 13.
  • the scatterer 13 is a scintillator block, generates scintillation light in response to Compton scattering of radiation, selectively propagates the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction, and outputs it to the outside.
  • the scatterer 13 has different ratios of the external output intensity of the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction depending on the scintillation light generation position.
  • the scatterer 13 has a rectangular parallelepiped shape, and each side is parallel to any of the x direction, the y direction, and the z direction.
  • the scintillation light generation position in the scatterer 13 corresponds to the position P1 where the radiation is Compton scattered.
  • the scintillation light generation intensity in the scatterer 13 corresponds to the energy E1 lost when the radiation is Compton scattered.
  • the light receiving parts 11 and 12 have a light receiving surface parallel to the xy plane.
  • the light receiving unit 11 is provided on the ⁇ z direction side of the scatterer 13 and receives the scintillation light output to the outside of the scatterer 13 in the ⁇ z direction on the light receiving surface, and the light receiving position and light receiving on the light receiving surface.
  • An electric signal representing the intensity is output to the signal processing unit 30.
  • the light receiving unit 12 is provided on the + z direction side of the scatterer 13 and receives the scintillation light output to the outside of the scatterer 13 in the + z direction on the light receiving surface, and the light receiving position and light receiving intensity on the light receiving surface.
  • the electric signal to be expressed is output to the signal processing unit 30.
  • the absorption detection unit 20 includes a light receiving unit 21, a light receiving unit 22, and an absorber 23.
  • the absorber 23 is a scintillator block, generates scintillation light according to the absorption of radiation, propagates the scintillation light selectively in the ⁇ z direction and the + z direction, and outputs it to the outside.
  • the absorber 23 has different ratios of the external output intensity of the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction depending on the scintillation light generation position.
  • the absorber 23 has a rectangular parallelepiped shape, and each side is parallel to any of the x, y, and z directions.
  • the scintillation light generation position in the absorber 23 corresponds to the position P2 where the radiation is absorbed.
  • the scintillation light generation intensity in the absorber 23 corresponds to the energy E2 that is lost when the radiation is absorbed.
  • the light receiving portions 21 and 22 have light receiving surfaces parallel to the xy plane.
  • the light receiving unit 21 is provided on the ⁇ z direction side of the absorber 23, receives the scintillation light output to the outside of the absorber 23 in the ⁇ z direction on the light receiving surface, and the light receiving position and the light receiving surface on the light receiving surface.
  • An electric signal representing the intensity is output to the signal processing unit 30.
  • the light receiving unit 22 is provided on the + z direction side of the absorber 23, receives the scintillation light output outside the + z direction of the absorber 23 on the light receiving surface, and determines the light receiving position and light receiving intensity on the light receiving surface.
  • the electric signal to be expressed is output to the signal processing unit 30.
  • the light receiving portions 11, 12, 21, and 22 it is preferable to use a high-sensitivity semiconductor light detection element, and among them, it is preferable to use an MPPC (registered trademark) or MPPC array manufactured by Hamamatsu Photonics. is there.
  • MPPC registered trademark
  • MPPC array manufactured by Hamamatsu Photonics. is there.
  • the light receiving portions 12 and 21 are arranged in a narrow region between the scatterer 13 and the absorber 23, a semiconductor photodetecting element that is smaller than a photomultiplier tube is used. Is preferred.
  • the light receiving unit 11 and the light receiving unit 12 are preferably of the same type, and the light receiving unit 21 and the light receiving unit 22 are preferably of the same type.
  • the signal processing unit 30 in the second embodiment is substantially the same as that in the first embodiment. However, since the ratio of the scintillation light external output intensity in each of the ⁇ z direction and the + z direction differs depending on the scintillation light generation position in the scatterer 13 and the absorber 23, the signal processing unit 30 uses this fact to make the x direction and The positions P1 and P2 can be obtained not only in the y direction but also in the z direction.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a first configuration example of the scatterer 13 according to the second embodiment. The same applies to the absorber 23.
  • the scatterer 13 will be described.
  • the scatterer 13 is a scintillator block including a plurality of scintillator cells 131 assembled in a three-dimensional manner. In FIG. 5, a total of 180 scintillator cells 131 having the same shape are assembled in 6 rows in the x direction, 5 columns in the y direction, and 6 layers in the z direction.
  • the scatterer 13 can selectively propagate the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction according to the optical conditions set between two adjacent scintillator cells 131, and the ⁇ z direction and the ⁇ z direction depending on the scintillation light generation position.
  • the ratio of the scintillation light external output intensity in each + z direction is different.
  • a reflector 132 is inserted between two scintillator cells 131 adjacent in the x direction, and a reflector 132 is inserted between two scintillator cells 131 adjacent in the y direction.
  • An air layer 133 is inserted between the two scintillator cells 131 adjacent to each other.
  • the reflective material is also provided on four surfaces that do not face the light receiving portions 11 and 12.
  • the reflective material 132 is made of, for example, BaSO 4 .
  • the scintillation light generated in response to the Compton scattering of radiation in a certain scintillator cell 131 propagates to the scintillator cell 131 adjacent in the ⁇ x direction or ⁇ y direction. Without being propagated, it propagates only to the scintillator cell 131 adjacent in the ⁇ z direction or the + z direction, and is output to the outside in the ⁇ z direction or the + z direction. Further, when the scintillation light propagates in the ⁇ z direction or the + z direction, a part of the scintillation light is reflected by the air layer 133 in the middle and the remaining part is transmitted. Accordingly, the ratio of the external output intensity of the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction differs depending on the scintillation light generation position. Thereby, a sufficiently high position resolution can be obtained even in the z direction.
  • the reflective material 132 may not reflect the scintillation light completely, but preferably has a high reflectance.
  • the reflecting material 132 transmits a part of the scintillation light, the scintillation light output to the outside in the ⁇ z direction or the + z direction spreads, but the received light intensity distribution on the light receiving surfaces of the light receiving units 11 and 12. What is necessary is just to obtain
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a second configuration example of the scatterer 13 in the second embodiment.
  • the scatterer 13 is a scintillator block in which a large number of modified regions 134 are formed.
  • the modified region 134 is formed by making the condensing point of the laser light amorphous, and has a refractive index different from the surrounding refractive index.
  • the modified regions 134 may be formed discretely or may be formed continuously over a certain range.
  • Laser light sources used when forming the modified region 134 include Nd: YAG laser, Yb: YAG laser, Nd: YVO 4 laser, Nd: YLF laser, Yb: KGW laser, and titanium that generate short pulse laser light.
  • a sapphire laser or the like is used.
  • a fracture region may be formed starting from the modified region 134.
  • the fracture region can be formed by applying stress, bending stress, shear stress, and thermal stress.
  • the scatterer 13 produced in this way can selectively propagate the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction by the modified region 134 or the fracture region formed at an appropriate position.
  • the ratio of the external output intensity of the scintillation light in the ⁇ z direction and the + z direction differs depending on the position.
  • the scintillation light output to the outside in the ⁇ z direction or the + z direction is expanded, but by obtaining the barycentric position of the received light intensity distribution on the light receiving surfaces of the light receiving units 11 and 12, the x direction, A high position resolution is obtained in the y direction.
  • the Compton camera 2 of the present embodiment detects Compton scattering or absorption of radiation using the scatterer 13 and the absorber 23
  • the incident position of incident radiation (for example, gamma rays) can be captured three-dimensionally. It can be manufactured at a low cost while being high in resolution, and can be downsized.
  • the Compton camera 2 can be suitably used in the field.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the Compton camera 3 according to the third embodiment.
  • the Compton camera 3 includes a scattering detection unit 10, an absorption detection unit 20, a signal processing unit 30, a first shield unit 41, and a second shield unit 42.
  • the Compton camera 3 of the third embodiment shown in FIG. 7 is different in terms of the orientations of the scattering detection unit 10 and the absorption detection unit 20. It is different.
  • differences from the second embodiment will be mainly described.
  • the scatterer 13 of the scatter detector 10 generates scintillation light in response to Compton scattering of radiation, selectively propagates the scintillation light in the ⁇ x direction and the + x direction, and outputs it to the outside.
  • the scatterer 13 has different ratios of the external output intensity of the scintillation light in the ⁇ x direction and the + x direction depending on the scintillation light generation position. Thereby, a sufficiently high position resolution is obtained in the x direction.
  • the light receiving units 11 and 12 have a light receiving surface parallel to the yz plane.
  • the light receiving unit 11 is provided on the ⁇ x direction side of the scatterer 13, receives the scintillation light output to the outside of the scatterer 13 in the ⁇ x direction on the light receiving surface, and the light receiving position and the light receiving surface on the light receiving surface.
  • An electric signal representing the intensity is output to the signal processing unit 30.
  • the light receiving unit 12 is provided on the + x direction side of the scatterer 13, receives the scintillation light output to the outside of the scatterer 13 in the + x direction on the light receiving surface, and determines the light receiving position and light receiving intensity on the light receiving surface.
  • the electric signal to be expressed is output to the signal processing unit 30.
  • the absorber 23 of the absorption detection unit 20 generates scintillation light according to the absorption of radiation, selectively propagates the scintillation light in the ⁇ x direction and the + x direction, and outputs it to the outside.
  • the absorber 23 has different ratios of the external output intensity of the scintillation light in the ⁇ x direction and the + x direction depending on the scintillation light generation position. Thereby, a sufficiently high position resolution is obtained in the x direction.
  • the light receiving units 21 and 22 have a light receiving surface parallel to the yz plane.
  • the light receiving unit 21 is provided on the ⁇ x direction side of the absorber 23, receives the scintillation light output to the outside of the absorber 23 in the ⁇ x direction on the light receiving surface, and the light receiving position and the light receiving on the light receiving surface.
  • An electric signal representing the intensity is output to the signal processing unit 30.
  • the light receiving unit 22 is provided on the + x direction side of the absorber 23, receives the scintillation light output to the outside of the absorber 23 in the + x direction on the light receiving surface, and determines the light receiving position and light receiving intensity on the light receiving surface.
  • the electric signal to be expressed is output to the signal processing unit 30.
  • a highly sensitive photomultiplier tube is preferably used. Can be used. Assuming that the size in the x direction is larger than the size in the z direction of the scatterers 13 and the absorbers 23, in the present embodiment, the outside in the ⁇ x directions from the scatterers 13 and the absorbers 23 as compared to the second embodiment. In some cases, the intensity of scintillation light output to the light source becomes small.
  • highly sensitive photomultiplier tubes can be used as the light receiving portions 11, 12, 21, and 22, the scattering position P1, the absorption position P2, and the radiation loss. The energy E1, E2 can be measured with high sensitivity.
  • the Compton camera 3 of this embodiment can produce the same effects as those of the second embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a first simulation result.
  • the radiation source is located in a direction (field edge) where the angle ⁇ formed with the optical axis (z-axis) of the Compton camera 1 is 70 ° and the distance from the Compton camera 1 is 50 cm. Then it was.
  • As the first shield part 41 a 3 mm thick plate-like member made of tin was adopted, and as the second shield part 42, a 1 mm thick plate-like member made of copper was adopted.
  • FIG. 8A shows an image when both the first shield part 41 and the second shield part 42 are not provided.
  • a ghost attributed to processing the backscattering event as a forward scattering event appears on the center side from the original position of the radiation source 90.
  • FIG. 8B shows an image when both the first shield part 41 and the second shield part 42 are provided. In this image, the influence of the backscattering event is reduced, the ghost as described above is hardly recognized, and the image quality is improved.
  • Each image (FIGS. 9 to 12) of the second to fifth simulation results shown below is an intensity distribution on a straight line passing through the center position (0,0) and the radiation source existence position in the image as shown in FIG. Is standardized with a peak value of 1.
  • FIG. 9 is a diagram showing a second simulation result.
  • the radiation source is assumed to be present at a position on the optical axis (the center of the visual field) of the Compton camera 1 and at a distance of 50 cm from the Compton camera 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing a third simulation result. In the third simulation, the radiation source is present in a direction (field edge) where the angle ⁇ formed with the optical axis (z-axis) of the Compton camera 1 is 70 ° and the distance from the Compton camera 1 is 50 cm. Then it was.
  • the second and third simulations were performed in the following first to third cases, respectively.
  • both the first shield part 41 and the second shield part 42 are not provided.
  • only the first shield part 41 (tin, 3 mm thick) was provided.
  • the backscattered radiation of 200 keV can be blocked by about 52%, and the 50 keV X-ray generated by the scintillator can be blocked almost completely.
  • a first shield part 41 (tin, 2.4 mm thickness) and a second shield part 42 (copper, 1 mm thickness) were provided.
  • the backscattered radiation of 200 keV can be blocked by about 52%, and the 30 keV X-ray generated in the first shield part 41 (tin) can be blocked almost completely by the second shield part 42 alone. Can do.
  • the image quality improvement effect in the second and third cases in which the first shield part 41 is provided compared to the first case in which the first shield part 41 is not provided. Is recognized.
  • the effect of improving the image quality is greater when the radiation source is present at the field edge than when the radiation source is present at the center of the field of view.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a fourth simulation result.
  • the radiation source is assumed to be present on the optical axis of the Compton camera 1 (field center) and at a distance of 50 cm from the Compton camera 1.
  • FIG. 12 is a diagram showing a fifth simulation result.
  • the radiation source is located in a direction (field end) where the angle ⁇ formed with the optical axis (z-axis) of the Compton camera 1 is 70 ° and the distance from the Compton camera 1 is 50 cm. Then it was.
  • the fourth and fifth simulations were performed in the following first to third cases, respectively.
  • the second shield part 42 was not provided.
  • the first shield part 41 was not provided either.
  • the backscattered radiation cannot be blocked at all.
  • a first shield part 41 (tin, 1 mm thickness) was provided.
  • about 21% of backscattered radiation of 200 keV can be blocked.
  • the first shield part 41 (tin, 3 mm thick) was provided.
  • about 52% of backscattered radiation of 200 keV can be blocked.
  • the larger the thickness of the first shield part 41 the greater the effect of improving the image quality.
  • the effect of improving the image quality is greater when the radiation source is present at the field edge than when the radiation source is present at the center of the field of view.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
  • various materials can be adopted as the materials of the first shield part 41 and the second shield part 42, respectively.
  • each of the scattering detection unit 10 and the absorption detection unit 20 those in any form such as those described in Patent Documents 1 to 3 can be used.
  • direction of each of the scattering detection part 10 and the absorption detection part 20 may differ from the case of the said embodiment.
  • a scatterer that Compton scatters incident radiation a scattering detection unit that detects Compton scattering of the radiation at the scatterer
  • Compton scattering by the scatterer An absorption detector that includes an absorber that absorbs incident radiation and that detects the absorption of the radiation at the absorber; and (3) a simultaneous detection event of Compton scattering of radiation in the scattering detector and absorption of radiation in the absorption detector.
  • a signal processing unit that obtains an image of a radiation source based on (4) radiation that is provided between the scattering detection unit and the absorption detection unit and Compton scattered by a scatterer (referred to as “forward scattered radiation”), and Forward scattered radiation among the radiation that is Compton scattered by the absorber after passing through the scatterer without being scattered or absorbed (referred to as “backscattered radiation”).
  • forward scattered radiation Radiated scattered radiation
  • backscattered radiation Forward scattered radiation among the radiation that is Compton scattered by the absorber after passing through the scatterer without being scattered or absorbed
  • the Compton camera having the above-described configuration further includes a second shield part provided between the scattering detection part and the first shield part, for blocking X-rays generated by the incidence of radiation on the first shield part. Is preferred.
  • the present invention can be used as a Compton camera capable of reducing noise.

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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、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２（ＢＧＯ）、ＣｅがドープされたＬｕ２ＳｉＯ５（Ｃｅ：ＬＳＯ）、Ｌｕ２（１－Ｘ）Ｙ２ＸＳｉＯ５（ＬＹＳＯ）、Ｇｄ２ＳｉＯ５（ＧＳＯ）、ＰｒがドープされたＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２（Ｐｒ：ＬｕＡＧ）、ＣｅがドープされたＧｄ３Ａｌ２Ｇａ３Ｏ１２（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＋ｍｃ２（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ＢａＳＯ４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：ＹＶＯ４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 (2)

  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、
    　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。
  2. 　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。
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