JP2008026013A

JP2008026013A - シンチレータパネルおよび放射線検出器

Info

Publication number: JP2008026013A
Application number: JP2006195486A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Wakamatsu; 俊輔若松
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-02-07
Also published as: WO2008010339A1; CN101346642A; US20080290285A1; KR20080041236A

Abstract

【課題】解像度特性を向上させた放射線検出器11を提供する。
【解決手段】支持基板16上に光反射材粒子18が分散されている保護膜17を平面状に形成し、保護膜17上にシンチレータ層19を形成し、シンチレータパネル12を形成する。シンチレータパネル12の支持基板16と反対側の表面に、シンチレータ層19により変換された可視光を電気信号に変換する光電変換素子13を設ける。放射線が支持基板16および保護膜17を透過してシンチレータ層19に入射し、シンチレータ層19で放射線を可視光に変換する。平面状の保護膜17に入射する可視光は、散乱せず、光電変換素子13へ向けて反射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を可視光に変換するシンチレータパネル、およびこのシンチレータパネルを用いた放射線検出器に関する。

新世代のＸ線診断用検出器として、アクティブマトリクスを用いた平面検出器が開発されている。この平面検出器において、照射されたＸ線を検出することにより、Ｘ線撮影像、あるいはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。そして、この平面検出器では、Ｘ線をシンチレータ層により可視光すなわち蛍光に変換させ、この蛍光をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）フォトダイオード、あるいはＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの光電変換素子で信号電荷に変換することで画像を取得している。

シンチレータ層は、材料として、一般的にヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：ナトリウム（Ｎａ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、あるいは酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ）などが用いられ、ダイシングなどにより溝を形成したり、柱状構造が形成されるように堆積したりすることで、柱状構造を持たせて解像度特性を向上させることができる。

例えば、ガラスやアモルファスカーボンなどの支持基板上に反射性金属薄膜を設け、さらにこの反射性金属薄膜の全体を覆う保護膜を設け、この保護膜上にシンチレータ層を設け、このシンチレータ層を覆う有機膜を設けたシンチレータパネルに光電変換素子を組み合わせた放射線検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、光電変換素子の表面に柱状構造のシンチレータ層を設け、このシンチレータ層の表面上に保護膜を設け、この保護膜にはシンチレータ層により変換した蛍光を反射させる光反射部材粒子を分散させたＸ線検出器が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３５６６７９号公報（第３−４頁、図１）特開２００５−２８３４８３号公報（第４−６頁、図１）

しかしながら、特許文献１のような放射線検出器では、反射性金属薄膜とシンチレータ層との間に保護膜を形成することにより、シンチレータ層の影響による反射性金属薄膜の変質を防止でき、反射性金属薄膜の反射膜としての機能の劣化を防止することができるものの、保護膜に入射した可視光が散乱して、解像度特性の劣化を生じる問題点を有している。

また、特許文献２のような放射線検出器では、シンチレータ層の表面上に光反射部材粒子を分散させた保護膜を設けることにより、保護膜による解像度特性の劣化を防止しようとしているものの、シンチレータ層の表面は平面状ではなく凹凸状であり、さらに保護膜がシンチレータ層の柱状構造間に入り込むため、保護膜に入射した可視光が散乱しやすく、その結果、解像度特性の劣化を生じる問題点を有している。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、解像度特性を向上させたシンチレータパネルおよびこのシンチレータパネルを用いた放射線検出器を提供することを目的とする。

本発明のシンチレータパネルは、放射線を透過する支持基板と、この支持基板上に平面状に設けられ、可視光を反射させる光反射材粒子が分散されている保護膜と、この平面状の保護膜上に設けられ、入射する放射線を可視光に変換するシンチレータ層とを具備したものである。

本発明の放射線検出器は、前記シンチレータパネルと、このシンチレータパネルの支持基板と反対側の表面に設けられ、シンチレータ層により変換された可視光を電気信号に変換する光電変換素子とを具備したものである。

本発明によれば、支持基板上に光反射材粒子が分散されている保護膜を平面状に形成でき、この平面状の保護膜上にシンチレータ層を形成しているため、平面状の保護膜に入射するシンチレータ層で変換された可視光が散乱するのを防止でき、解像度特性を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図４に第１の実施の形態を示す。

図１に示すように、11は放射線検出器で、この放射線検出器11は、シンチレータパネル12と光電変換素子13とを備えている。

シンチレータパネル12は、放射線が透過する例えば炭素繊維を樹脂で硬化して形成された支持基板16を有し、この支持基板16の表面に保護膜17が平面状に形成されている。この保護膜17は、例えばパラキシリレン等の有機材料で形成されている。この保護膜17には、無機物である光反射材粒子18が分散されている。したがって、この保護膜17は光反射膜としての機能も有している。

保護膜17の平面状の表面には、入射する放射線を可視光に変換するシンチレータ層19が形成されている。このシンチレータ層19は柱状構造に形成されており、柱状構造間に複数の溝部20が形成されている。このシンチレータ層19は、例えばヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、あるいはヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）：タリウム（Ｔｌ）により真空蒸着法で柱状構造に形成したもの、あるいは酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ）蛍光体粒子をバインダ樹脂と混合し、保護膜17上に塗布して焼成および硬化し、ダイサによりダイシングするなどで柱状構造に形成したもの等である。溝部20には乾燥窒素が封入されている。なお、乾燥窒素の他に、乾燥大気やまた真空状態にすることも可能である。

光反射材粒子18は、例えば二酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの、低Ｘ線吸収率を有する物質である。光反射材粒子18の屈折率をｎ_ｒ、シンチレータ層19の屈折率をｎ_ｓとしたとき、第１式としてｎ_ｒ＞ｎ_ｓの関係を有している。さらに、保護膜17の膜厚をＴ_ｒ、光反射材粒子18の体積充填密度をＦ_ｒ、平均粒径をＤ_ｒとしたとき、第２式としてＴ_ｒ×Ｆ_ｒ／Ｄ_ｒ＞１０の関係を有している。

支持基板16、保護膜17、シンチレータ層19のシンチレータパネル12全体を覆って有機膜としての防湿有機膜21が形成されている。この防湿有機膜21はシンチレータ層19を防湿するもので、例えばパラキシリレン薄膜等の防湿性に優れた有機膜であるとともに、シンチレータ層19により変換された可視光を透過する特性を有している。この防湿有機膜21は、シンチレータ層19の溝部20に浸透していない構造となっている。

また、光電変換素子13は、フォトダイオードを有する複数の画素24がマトリクス状に形成されたＴＦＴアレイ基板25を備えている。この光電変換素子13は、画素が形成された表面が、シンチレータパネル12の支持基板16と反対側の表面つまりシンチレータ層19の表面側に貼り合わせた構造になっている。そして、この光電変換素子13は、シンチレータパネル12により変換された可視光を各画素24のフォトダイオードで電気信号に変換する。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

シンチレータ層19を有する放射線検出器11の解像度特性は、シンチレータ層19の解像度特性（ＣＴＦ：Contrast Transfer Function、ＭＴＦ：Modulation Transfer Function）に依存する。

そして、光電変換素子13に達するまでの、シンチレータ層19により変換された可視光（蛍光）の解像度特性δは、シンチレータ層19の解像度特性をδ_ｓ、保護膜17における蛍光の拡散による解像度特性をδ_ｂとすると、第３式としてδ＝δ_ｓ×δ_ｂで表される。すなわち、光電変換素子13に達する可視光の解像度は、シンチレータ層19の解像度特性に保護膜17の解像度特性を乗算する。

このため、図２に示す保護膜の解像度特性を示すように、例えば、保護膜の膜厚ｔが従来の最小膜厚である場合、すなわちｔ＝５０μｍとした場合でも、δ_ｂ＝５０％となり、光電変換素子に達する可視光の解像度特性は、シンチレータ層の解像度特性の約半分となってしまう。なお、図２の保護膜の解像度特性は、保護膜の一端面である入射面から点光源の光が入射し、この光が保護膜の片面に設けられた金属膜で反射して入射面に出てくる際のＭＴＦ（２ｌｐ／ｍｍ）を表している。

このため、上記第１の実施の形態では、シンチレータ層19により変換された可視光を反射させる光反射材粒子18を保護膜17内に分散することで、保護膜17に光反射膜としての機能を与えて保護膜17での光の拡散を防止して解像度特性の劣化を防止し、放射線検出器11の解像度特性をシンチレータ層19の解像度特性と等しくでき、従来の放射線検出器と比較して解像度特性を向上できる。

また、シンチレータ層19の柱状構造内で発生した蛍光は、シンチレータ層19の柱状構造の側壁で繰り返し反射されて光電変換素子13に到達する。このため、この可視光の拡散は、シンチレータ層19の柱状構造の側壁での反射率Ｒ１に依存する。そして、この反射率Ｒ１は、シンチレータ層19を形成する材料の屈折率をｎ_ｓとし、シンチレータ層19の柱状結晶の側壁に接触する素材の屈折率をｎ_ｍとすると、第４式としてＲ１＝（ｎ_ｓ−ｎ_ｍ）／（ｎ_ｓ＋ｎ_ｍ）で表される。

さらに、放射線検出器11の解像度特性を向上させるためには、シンチレータ層19内で可視光の拡散を抑制する必要があるので、シンチレータ層19の柱状構造の側壁での反射率Ｒ１を向上させなければならない。したがって、第４式により、放射線検出器11の解像度特性を向上させるためには、屈折率ｎ_ｓと屈折率ｎ_ｍとの差が大きく、かつｎ_ｓ＞ｎ_ｍの関係を有することが望ましい。

ここで、図３は、各種材料の屈折率を示している。例えば、シンチレータ層19を構成する物質として、ヨウ化セシウム：タリウム、ヨウ化ナトリウム：タリウム、あるいは酸硫化ガドリニウムを挙げると、これらの材料の屈折率ｎ_ｓは、約１．８〜２．４である。一方、保護膜17や防湿有機膜21を構成する材料としてアクリル、ポリカーボネート、あるいはパラキシリレンを挙げると、これらの材料の屈折率ｎ_ｍは、約１．４〜１．６である。

したがって、従来の防湿有機膜の構造では、この防湿有機膜がシンチレータ層の柱状構造間の溝部に完全に浸透しているため、屈折率ｎ_ｓと屈折率ｎ_ｍとの差が比較的小さいのに対して、上記第１の実施の形態では、シンチレータ層19の柱状構造間の溝部20の一部を除く略全域に、乾燥窒素、あるいは乾燥大気を封入したり、溝部20の一部を除く略全域を真空としたりするため、図３に示すように、屈折率ｎ_ｓと屈折率ｎ_ｍとの差が大きくなるので、シンチレータ層19の柱状構造の側壁での反射率Ｒ１が第４式により従来の構成よりも向上し、放射線検出器11の解像度特性をより向上できる。

また、保護膜17での可視光の反射は、保護膜17内に可視光が進入した場合、シンチレータ層19と光反射材粒子18の境界と、保護膜17と光反射材粒子18との２箇所でそれぞれ発生する。

したがって、保護膜17での可視光の反射率Ｒ２は、光反射材粒子18の屈折率をｎ_ｒとし、保護膜17の有機材料の屈折率をｎ_ｂとすると、第５式としてＲ２＝α（ｎ_ｒ−ｎ_ｓ）／（ｎ_ｒ＋ｎ_ｓ）＋β（ｎ_ｒ−ｎ_ｂ）／（ｎ_ｒ＋ｎ_ｂ）で表される。ここで、αはシンチレータ層19と光反射材粒子18との境界で反射が発生する確率を示し、βは光反射材粒子18と保護膜17の有機材料との境界で反射が発生する確率を示している。

そして、αとβの関係は、α＜βとなることが多いため、保護膜17の反射率Ｒ２は、可視光が保護膜17に進入した際の光反射材粒子18と保護膜17の有機材料との屈折率の差による反射効果による効率が大きい。このため、第５式により、保護膜17の反射率Ｒ２を向上させるためには、屈折率ｎ_ｒと屈折率ｎ_ｓとの差、および屈折率ｎ_ｒと屈折率ｎ_ｂとの差が大きいほどよい。さらに、図３に示すように、屈折率ｎ_ｓは約１．８〜２．４であり、屈折率ｎ_ｂは約１．４〜１．６であるから、上記第１の実施の形態のように、屈折率ｎ_ｒと屈折率ｎ_ｓとの関係が第１式の関係を満たすことで、シンチレータ層19と光反射材粒子18との境界で反射効果を得ることができるとともに、光反射材粒子18と保護膜17の有機材料との境界での反射効果を向上できる。そして、屈折率ｎ_ｒと屈折率ｎ_ｓとの差が大きいほど、保護膜17での反射効果が顕著となる。

さらに、図４に示すように、光反射材粒子18が、体積充填密度をＦ_ｒ、平均粒径をＤ_ｒとすると、保護膜17の膜厚をＴ_ｒしたとき、第２式の関係を満たすことで、保護膜17の反射率Ｒ２が高反射率で安定した値を示し、放射線検出器11の輝度特性をより向上できる。

また、支持基板16上に光反射材粒子18が分散されている保護膜17を平面状に形成でき、この保護膜17上にシンチレータ層19を形成しているため、平面状の保護膜17に入射するシンチレータ層19で変換された可視光が散乱するのを防止でき、解像度特性を向上できる。

次に、図５に第２の実施の形態を示す。なお、第１の実施の形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

支持基板16、保護膜17、シンチレータ層19のシンチレータパネル12全体を覆って無機膜としての防湿無機膜28が形成されている。この防湿無機膜28はシンチレータ層19を防湿するもので、例えば二酸化珪素膜等の防湿性に優れた有機膜であるとともに、シンチレータ層19により変換された可視光を透過する特性を有している。この防湿無機膜28は、シンチレータ層19の溝部20に浸透していない構造となっている。

なお、上記各実施の形態において、光反射材粒子18としては、無機物に代えて、他の様々なものを選択することが可能である。

次に、実施例について説明する。

従来技術に対応する図６に示す従来例、上記第１の実施の形態に対応した実施例１、図７に示す実施例２、図８に示す実施例３、図９に示す実施例４についてそれぞれ検討する。

従来例については、第１の実施の形態と同じ名称の構成には同じ符号を用いる。そして、従来例は、図６に示すように、炭素繊維を樹脂で硬化した支持基板16上に、光反射膜41としてアルミニウム（Ａｌ）膜をスパッタリング法により形成し、この光反射膜41の上部に保護膜17としてパラキシレン薄膜を形成する。そして、この保護膜17の上部に、シンチレータ層19として膜厚５００μｍのヨウ化セシウム：タリウム膜を形成し、防湿有機膜21としてパラキシレン薄膜をシンチレータ層19や支持基板16の全体を覆うように形成した。このとき、防湿有機膜21は、シンチレータ層19の柱状構造間に完全に浸透している。

図１に示す実施例１では、炭素繊維を樹脂で硬化した支持基板16上に、光反射材粒子18の無機物として二酸化チタン粒子を用いて樹脂で結着させた膜厚２００μｍの保護膜17を形成し、この保護膜17上にシンチレータ層19として膜厚５００μｍのヨウ化セシウム：タリウム膜を形成し、防湿有機膜21としてパラキシレン薄膜をシンチレータ層19や支持基板16の全体を覆うように形成した。このとき、防湿有機膜21は、シンチレータ層19の柱状構造間に浸透していない構造になっている。ここで、ヨウ化セシウム：タリウムの屈折率は約１．８であり、二酸化チタンの屈折率は２．２であるため、第１式を満たしている。また、保護膜17中の二酸化チタンの粒子の体積充填密度を７０％、平均粒径を１μｍとした。したがって、実施例１は第２式を満たす。

図７に示す実施例２では、実施例１と同様の材質の保護膜17とシンチレータ層19および防湿有機膜21を形成するが、防湿有機膜21はシンチレータ層19の柱状構造間に完全に浸透している。

図８に示す実施例３では、実施例１の光反射材粒子18を二酸化珪素粒子とし、その他の条件は実施例１と同様である。そして、ヨウ化セシウム：タリウムの屈折率は約１．８であり、二酸化珪素の屈折率は１．５であるため、この実施例３は第１式を満たさない。

図９に示す実施例４では、実施例１の保護膜17の膜厚を２０μｍと薄くし、保護膜17中の光反射材粒子18である二酸化チタン粒子の体積充填密度を４０％と低下させたもので、その他の条件は実施例１と同様である。そして、この実施例４は第２式を満たさない。

そして、従来例および各実施例の輝度とＣＴＦを、それぞれ測定した結果を図１０に示し、この図１０を参照しながら、各例について検討する。

まず、従来例と実施例２とを比較する。実施例２では解像度特性を示すＣＴＦが従来例より向上している。したがって、保護膜17に光反射膜の機能を持たせることで、解像度特性を向上できることが示された。

続いて、実施例１と実施例２とを比較する。実施例１では解像度特性示すＣＴＦが実施例２より向上している。したがって、防湿有機膜21をシンチレータ層19の柱状構造間に浸透させないことで、解像度特性をより向上できることが示された。

また、実施例１と実施例３とを比較する。実施例３では、保護膜17の反射率が低下し、輝度特性が実施例１よりも劣化している。したがって、第１式を満たすことで、輝度特性を向上できる効果が示された。

さらに、実施例１と実施例４とを比較する。実施例４では、保護膜17の反射率が低下し、輝度特性が実施例１よりも劣化している。したがって、第２式を満たすことで、輝度特性を向上できる効果が示された。

本発明の第１の実施の形態を示す放射線検出器の断面図である。同上保護膜の膜厚と解像度特性との関係を示すグラフである。同上シンチレータ層の材料および保護膜の材料の屈折率を示す表である。同上Ｔ_ｒ×Ｆ_ｒ／Ｄ_ｒと反射率との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態を示す放射線検出器の断面図である。従来例の断面図である。実施例２の断面図である。実施例３の断面図である。実施例４の断面図である。従来例および各実施例の輝度とＣＴＦとを示す表である。

符号の説明

11 放射線検出器
12 シンチレータパネル
13 光電変換素子
16 支持基板
17 保護膜
18 光反射材粒子
19 シンチレータ層
21 有機膜としての防湿有機膜
28 無機膜としての防湿無機膜

Claims

放射線を透過する支持基板と、
この支持基板上に平面状に設けられ、可視光を反射させる光反射材粒子が分散されている保護膜と、
この平面状の保護膜上に設けられ、入射する放射線を可視光に変換するシンチレータ層と
を具備したことを特徴とするシンチレータパネル。
シンチレータ層は、柱状構造を有し、
保護膜は、前記シンチレータ層の柱状構造間に設けられていない
ことを特徴とした請求項１記載のシンチレータパネル。
シンチレータ層は、このシンチレータ層により変換された可視光を透過させる有機膜および無機膜のいずれか一方で覆われている
ことを特徴とした請求項１または２記載のシンチレータパネル。
有機膜および無機膜のいずれか一方は、シンチレータ層の柱状構造間に設けられていない
ことを特徴とした請求項３記載のシンチレータパネル。
有機膜および無機膜のいずれか一方は、支持基板の表面の一部を覆っている
ことを特徴とした請求項３または４記載のシンチレータパネル。
有機膜および無機膜のいずれか一方は、支持基板の全体を覆っている
ことを特徴とした請求項３または４記載のシンチレータパネル。
光反射材粒子の屈折率をｎ_ｒとし、シンチレータ層の屈折率をｎ_ｓとすると、ｎ_ｒ＞ｎ_ｓの関係を有する
ことを特徴とした請求項１ないし６いずれか一記載のシンチレータパネル。
保護膜の膜厚をＴ_ｒとし、光反射材粒子の体積充填密度をＦ_ｒとし、光反射材粒子の平均粒径をＤ_ｒとすると、Ｔ_ｒ×Ｆ_ｒ／Ｄ_ｒ＞１０の関係を有する
ことを特徴とした請求項１ないし７いずれか一記載のシンチレータパネル。
請求項１ないし８いずれか一記載のシンチレータパネルと、
このシンチレータパネルの支持基板と反対側の表面に設けられ、シンチレータ層により変換された可視光を電気信号に変換する光電変換素子と
を具備したことを特徴とする放射線検出器。